CC BY
18
УДК 621.317
В. Н. ШИВРИНСКИИ
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СХЕМА ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗАТОРА КАЧЕСТВА МОТОРНОГО ТОПЛИВА
Предложена ёмкостно-диодная измерительная схема, которая может найти применение для измерения уровня топлива, анализа его октанового и цетанового числа. Проведены экспериментальные исследования измерительной схемы в лабораторных условиях.
Основными показателями качества моторных топлив являются детонационная стойкость, плотность, удельное содержание серы. Детонационная стойкость является интегральным показателем качества топлива, определяющим его эксплуатационные свойства и зависящим от компонентного состава, плотности, теплоты и скорости сгорания, температуры кипения, вязкости, сжимаемости, технологии изготовления.
Принцип действия ёмкостных (диэлькометриче-ских) анализаторов состоит в измерении диэлектрической проницаемости с среды, заполняющей электрический конденсатор, ёмкость которого определяется выражением
С = к ,
(1)
где к - постоянный коэффициент, который определяется размерами конденсатора и его конструкцией.
Диэлькометрические анализаторы находят широкое применение для автоматического контроля концентрация воды в нефтях. Нефть, содержащая воду, по диэлектрической проницаемости может рассматриваться как г.севдобинарная смесь ввиду того, что диэлектрическая проницаемость воды составляет 81, а для углеводородов, входящих в состав нефтей, 2-2,6.
Для работы с ёмкостными датчиками применяют измерительные цепи, в основу которых положены различные структуры: делители напряжения, измерительные мосты, ёмкостко-диодные цепи, резонансные контуры [1]. Экспериментальные исследования измерительных цепей ёмкостных датчиков, проведённые на кафедре ИВК УлГТУ, показали, что достаточной чувствительностью, простотой конструкции, стабильностью обладают ёмкостно-диодные измерительные цепи. Однако они имеют ограничения по диапазону измерения, обусловленные взаимным шунтирующим влиянием диодов. С целью расширения диапазона измерения и получения возможности размещения измеряемых ёмкостей на значительном расстоянии друг от друга, в схему добавлен ещё один накопительный конденсатор и резистор в цепи разряда измеряемой ёмкости [2]. Предложенная ёмкостно-диодная измерительная схема представлена на рис. 1.
• •
Рис.1. Емкостно-диодная измерительная схема
Источник переменного тока напряжением и подсоединён к точкам 1 и 2 измерительной схемы через разделительный конденсатор С3. Конденсатор СХ: ёмкость которого измеряется, подключён к точкам 1 и 2 через диод Накопительный конденсатор С] подсоединён к точкам 1 и 2 через резистор а к конденсатору Сх - через диод 02. Образцовый конденсатор С0> ёмкость которого известна, подключён к точкам 1 и 2 через диод Э3. Второй накопительный конденсатор С2 подсоединён к точкам 1 и 2 через резистор Л2, а к конденсатору С0 - через диод Э4. К точкам 1 и 2 подсоединён также фильтр нижних частот, состоящий из последовательно соединённых резистора К3 и конденсатора С4. Параллельно конденсатору С4 включено сопротивление нагрузки Я4, с которого и снимается выходной сигнал иВых-
При положительной полярности напряжения и (указанной на рис.1 без скобок) открывается диод 03 и конденсатор Со заряжается до напряжения иСо) которое определяется значением С0.
Напряжение ис на конденсаторе С можно найти по известной формуле
1/с(0 = ис(со) - [ис(оо> ис(0)]е
-г/ЯС
(2)
® В. Н. Шивринский, 2004
где I - время, ис(0) и ис(<х>) - значения ис при г = 0 и X = оо; Я - сопротивление цепи заряда (прямое сопротивление диода В! или Г)3).
При изменении направления и (полярность указана на рис.1 в скобках) будет протекать ток заряда конденсатора С2 по цепи: точка 2, конденсатор С0, диод 04, конденсатор С2, точка 1. При этом конденсатор С2 зарядится до напряжения иС2 ^ и + Х]Со, так как источник напряжения II и конденсатор Со оказались включёнными последовательно и согласно.
Напряжение на конденсаторе С] равно Uci~ U + Uc\ (рде UCx определяется значением Сх)> но полярность UC) противоположна полярности UC2- Конденсатор С{ разряжается по цепи R3> R4> Ri, а конденсатор С2 ~ по цепи R-, R4j R3. Таким образом, токи разряда конденсаторов Ct и С2 протекают через сопротивление нагрузки R4 встречно, и выходной сигнал иВых будет пропорционален разности напряжений Uci и Uc2, т. е. пропорционален разности ёмкостей конденсаторов Сх и С0.
В схеме сохраняется шунтирующее действие пар диодов Db D2 и D3, D4, но так как сопротивления резисторов R,, R? намного больше прямого сопротивления диодов, причём .для шунтирующих токов резисторы Rb R2 оказь(ваются включёнными последовательно, то это действие намного меньше, чем в ёмко-стно-дйодной цепи [1].
Были проведены экспериментальные исследования диэлькометрического октаномера, состоящего из коаксиального цилиндрического датчика и изме-
и ш
рительной схемы рис.1. Емкость «сухого» датчика составляет 10 пФ. Ёмкость датчика, полностью заполненного топливом, не превышает 17 пФ.
Контрольные приборы и оборудование: генератор импульсов точной амплитуды Г5-75, цифровой вольтметр В7-34А, измеритель добротности Е4-11. Исследования проводились- на частотах 50-500 кГц, при напряжении питания +9.999 В, скважности 2. Вольтметр В7-34А установлен на измерение напряжения постоянного тока, предел 10 В. В качестве Сх использовалась образцовая переменная ёмкость измерителя добротности Е4-11. Диоды DrD4 -2ДС523ВМ, С, - С2 = С3 = 68 нФ; С4 = 1 мкФ; R3 -10 кОм; Кг = 750 кОм; С0 — 10-100 пФ.
Определялись статические, амплитудно-частотные и регулировочные характеристики измерительной схемы при разных значениях Сх, С0, Rb R2. Анализ экспериментальных данных позволил сделать выводы о выборе значений сопротивлений и частоты напряжения питания. Схема обладает «резонансными» свойствами, т. е. выходной сигнал Ubblx достигает максимального значения при определённом значении частоты f напряжения питания.
Обобщённые амплитудно-частотные характеристики. схемы при разных значениях Сх и Rj = R2 = R приведены на рис. 2. Здесь кривая 1 получена при значении измеряемой ёмкости Схь кривые 2, 3, 4 -при Сх2, причём C>;i < Сха, и разном значении сопротивлений. Такая измерительная схема может быть настроена на оптимальное значение частоты f0ni> когда выходной сигнал имеет максимальное значение при различных Сх (кривые 1, 2) и мало зависит от частоты напряжения питания. Этот эффект обнаруживается только для определённого значения сопротивлений резисторов К] и R2.
При увеличении сопротивлений оптимальное значение частоты смещается влево (кривая 3, f3), при этом максимальное значение выходного напряжения уменьшается. При уменьшении сопротивлений оптимальное значение частоты смещается вправо (кривая 4, f4)? при этом максимальное значение выходного
напряжения увеличивается. Так, для Я] = Я2=:60 кОм и Сх= 17 пФ частота, при которой выходной сигнал принимает максимальное значение (1.2753 В), составляет 384.6 кГц, а для Я, = = 190 кОм и Сх=17пФ частота, при которой выходной сигнал принимает максимальное значение (1.0544 В), составляет 135.1 кГц.
Г3 *0ПТ **
Рис. 2. Обобщённые амплитудно-частотные характеристики измерительной схемы
Для октаномера была выбрана рабочая частота 500 кГц (с кварцевой стабилизацией), поэтому все дальнейшие исследования проводились на этой частоте. Регулировочная характеристика измерительной схемы при = 1^2= Я и Со=ЮпФ приведена на рис.3. Аналогичные характеристики имеют схемы с Со= 14, 17.65, 22.95 пФ, однако максимум смещён в сторону меньших значений Я.
Из рисунка 3 следует, что для С0= 10 ггФ максимальное значение выходного сигнала (при этом чувствительность также максимальна) получается при Л = 40 кОм. Если выбрать Я = 40 кОм, то некоторое изменение Я при изменении температуры не приведёт к значительному изменению выходного сигнала. В то же время такая регулировочная характеристика позволяет осуществлять температурную компенсацию, выбирая Л больше или меньше максимального значения в зависимости от знака температурного коэффициента измерительной схемы и ёмкостного датчика. Такого свойства не имеет ёмкостно-диодная цепь [1].
Статическая характеристика схемы при С0= 14 пФ и Я] = Я2= Я приведена на рис. 4. Аналогичные характеристики имеют схемы с Со^ 10, 17.65, 22.95 пФ, при этом выходной сигнал достигает нулевого значения при Сх» С0.
Ьтвых } В 1.3
О ;?0 40 60 30 И, кОм
Рис. 3. Регулировочная характеристика измерительной схемы при С0 = Ю пФ, Сх = 17 пФ и Я, = Я-> - Я
-1.6
10 11 12 13 14 15 16 17 Сх.пф
Рис. 5. Статические характеристики измерительной схемы при Со = 14 пФ и Я2 = 45.6 кОм
При Я1 = 5.6кОм характеристика полностью находится в области положительных значений выходного напряжения. Максимальная чувствительность в диапазоне измеряемых ёмкостей 15-17 пФ наблюдается для К) = 5.6 кОм.
Анализ чувствительности и регулировочной характеристики схемы октаномера при Я! ф Я2, С0= 20-100 пФ, 1^=500 кГц, скважности 2 и амплитуде прямоугольных импульсов напряжения питания 10 В показывает, что выбором параметров измерительной цепи можно получить чувствительность в рабочем диапазоне 0.22-0.24 В/пФ, при этом смещение характеристики осуществляется регулированием сопротивления Я2.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Левшина, Е. С. Электрические измерения физических величин / Е. С. Левшина, П. В. Новицкий. -Л.: Энергоатомиздат, 1983.-320 с.
2. Медведев, Г. В., Мишин, В. А., Шивринский, В. Н. Устройство для измерения ёмкости конденсатора. Пат. РФ №2173859, О 01 Я 27/26, Бюл. 2001. №26.
Я * 25.6 к В-45.6 к в 95.6 к
У / / // / / ' А
/ // /у >' / / •
/ У
и Г
г/ / 0
/
л /
10 11 12 13 14 15 16 17 Сх.пФ
Рис. 4. Статическая характеристика измерительной
схемы при С0 ~ 14 пФ и = Я2 = Я
•
По сравнению с ёмкостно-диодной цепью [1] чувствительность схемы рис. 1 больше. В то же время характеристика имеет инвариантную к значению сопротивлений Я зон}': в окрестностях измеряемой ёмкости 13 пФ выходной сигнал ¡фактически не зависит от значений этих сопротивлений.
Проведённые исследования схемы при Я] & Я? показали, что имеется возможность смещать статическую характеристику в сторону положительных или отрицательных значений выходного напряжения при постоянной С0, что позволяет настраивать устройство только изменением сопротивления одного из резисторов (Я] или Я2). На рис. 5 приведено семейство таких характеристик для С0= 14 пФ и 112^45.6 кОм.
Шивриискый Вячеслав Николаевич, кандидат технических, наук, доцент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлТТУ. Имеет научные работы в области авиационного приборостроение
