CC BY
59
РАЗРАБОТКА ОПТОЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА И КОЛИЧЕСТВА БЕНЗИНА НА ОСНОВЕ НАРУШЕННОГО ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ
Михаил Петрович Исаев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, инженер кафедры специальных устройств и технологий, тел. (913)777-59-28, email: [email protected]
Неъматжон Рахимович Рахимов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры специальных устройств и технологий, тел. (903)935-21-75, e-mail: [email protected]
Олег Кузьмич Ушаков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)344-40-58, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрены методы определения качества и измерения количества топлива, а также предложено устройство для мониторинга нефтепродуктов в топливных баках.
Ключевые слова: оптоэлектроника, бензин, детонационная стойкость, элемент НПВО, качество топлива.
DEVELOPMENT OF OPOELECTRONIC DEVICE FOR DETEMINING THE QUALITY AND QUANTITY OF PETROL ON THE BASIS OF THE FRUSTRATED TOTAL INTERNAL REFLECTION EFFECT
Mikhail P. Isayev
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plahotnogo, Novosibirsk 630108, postgraduate, engineer, department of special devices and technologies, tel. (913)777-59-28, e-mail: [email protected]
Nematzhon R. Rakhimov
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plahotnogo, Novosibirsk 630108, doctor of technical sciences, Professor, department of special devices and technologies, tel. (903)935-21-75, e-mail: [email protected]
Oleg К. Ushakov
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plahotnogo, Novosibirsk 630108, candidate of technical sciences, Professor, department of nanosystems and optical engineering, tel. (383)344-40-58, email: ioot@ssga.
The article deals with methods for determining quality and measuring the amount of fuel, and also suggested a device for monitoring of oil in the fuel tanks.
Key words: optoelectronic, gasoline, detonation resistance, element of FTIR.
Объемы продаж некачественного автомобильного топлива в России и СНГ по различным оценкам составляют от 30 до 70% всего объема продаж.
Современные транспортные средства, оснащены электрической системой подачи и распыления топлива с компьютерным блоком управления подачи топлива, качество топлива является одним из задающих параметров для штатной работы блока управления. При несоответствии качества топлива двигатель не может работать в оптимальном режиме, нарушается управление впрыском вплоть до аварийной потери мощности. Тем самым наличие прибора для мониторинга нефтепродуктов, необходимо для эксплуатации транспортных средств.
В данной работе основной упор делается на создание простого устройства для мониторинга топлива в топливных баках, повышенной чувствительности.
Основными показателями качества топлива являются детонационная стойкость, плотность, удельное содержание серы, свинца и других канцерогенных веществ. Детонационная стойкость топлива определяет их эффективное сгорание, напрямую связанная с эксплуатационными и экологическими характеристиками транспортных средств. Сера, преимущественно в форме разнообразных соединений, входит в состав всех нефтепродуктов, ухудшает их качество, загрязняет технологическое оборудование. Увеличение содержания серы в топливе от 0,033% до 0,15% (масс.) снижает мощность двигателя на 10,5%, увеличивает расход топлива на 12%. Кроме того, сернистые соединения вызывают коррозию деталей двигателя и технологического оборудования, приводит к увеличению стоимости обслуживания. При сгорании топлив, содержащих сернистые соединения, образуется диоксид серы, крайне неблагоприятно влияющий на экологическую обстановку, поэтому в технические требования на нефтепродукты введены показатели, нормирующие общее содержание серы [1].
Главным показателем качества бензина является детонационная стойкость, контроль которой на всех заводах России производится путем сжигания с дальнейшим анализом продуктов сгорания. Основными недостатками данного метода, является длительность и непригодность для использования в транспортных средствах.
Способы анализа качества топлива можно разбить на следующие группы:
- Качественные способы определения присутствия компонентов;
- Количественные способы определения суммарного содержания различных компонентов, и вычисление по их процентному содержанию отдельных показателей качества, таких, как октановое число или содержание серы;
- Интегральные количественные способы определения показателей качества косвенными методами по корреляционным зависимостям, связывающим требуемый показатель с электромагнитными параметрами топлива.
Рассмотрим методы измерения количества топлива в баке:
- Весовой метод, непосредственное взвешивание бака с топливом с помощью тензодатчиков, которые устанавливаются в местах крепления бака;
- Гидростатический метод основан на зависимости гидростатического давления топлива от его уровня.
- Поплавковый метод заключается в измерении линейного перемещения плавающего на поверхности топлива поплавка, относительно вертикальной направляющей или углового перемещения, связанного с поплавком рычага.
- Акустический метод основан на свойстве ультразвуковых колебаний отражаться от границы раздела двух сред. Измерение уровня топлива в баке может осуществляться путем локации сверху или снизу.
- Емкостной метод основан на зависимости емкости конденсатора, расположенного в топливном баке, от уровня топлива. Емкость изменяется в связи с тем, что диэлектрическая проницаемость отличается от диэлектрической проницаемости воздуха.
- Индуктивный метод основан на зависимости индуктивности катушки, расположенной в баке, от уровня топлива. Индуктивность изменяется вследствие изменения электрических потерь в жидкости. Эти потери ощутимы в электропроводящих жидкостях, для которых и применим метод.
- Резисторный метод основан на зависимости активного сопротивления резистора, расположенного в топливном баке, от уровня топлива. Сопротивление изменяется вследствие шунтирования его топливом. Метод пригоден для измерения уровня электропроводящих жидкостей.
- Радиоволновой метод основан на зависимости от уровня жидкости положения узлов стоячей электромагнитной волны, возникающей в коаксиальной линии при сложении падающей и отраженной от измеряемого уровня волн [2].
- Оптоэлектронный метод основан на измерении интенсивности оптического излучения после их прохождение или отражение через жидкости. Основной элемент оптоэлектроники - оптрон или оптопара: полупроводниковые источники и приёмники оптического излучения (ПОИ), связанные либо электрически, либо оптически или тем и другим способом вместе.
Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В источнике излучения электрический сигнал преобразуется в световой, и, после взаимодействия с объектом исследования, в фотоприемнике световой сигнал вызывает электрический отклик, несущий полезную информацию, пригодную для дальнейшей обработки. Рассмотрим вопрос выбора пары светодиод-фотоприемник для режима непрерывного измерения параметра в заданном диапазоне его изменения (режим 1) и для порогового режима (режим 2). Очевидно, что при заданной длительности и частоте следования импульсов излучения оптимальной парой светодиод-фотоприемник следует считать такую, которая обеспечивает максимально возможный выходной сигнал при сохранении надежности работы в течение длительного времени [3].
Можно предложить следующую методику согласования пары светодиод -ПОИ для режима 1:
1. В соответствии со спектральными характеристиками контролируемой среды и конкретными условиями работы системы (посторонней засветки, наводки и т.п.) выбираем тип светодиода по спектру излучения;
2. Определяется максимально-возможная мощность излучения светодиода при заданных длительности ^мп и периоде повторения импульсов Ти;
3. С учетом диаграммы направленности излучения светодиода, расстояния от излучающей поверхности до фотоприемника, диапазона изменения оптической плотности контролируемой среды, влияния оптической системы (если таковая имеется) и площади приемной поверхности фотоприемников-претендентов определяется диапазон максимально-возможной мощности излучения Рпр тах, падающего на каждый фотоприемник;
4. По полученному диапазону мощности излучения Рпр тах, определяется: Для каждого из фоторезисторов-претендентов- диапазон кратностей К или
^в (например ^в тт^К-с в тах);
Для фотодиодов-претендентов - диапазон фототоков 1ф тт^1ф тах;
5. На основании известного диапазона Rсв для каждого фоторезистора-
К + к
претендента определяется Ксв ср = свтт —свшах и соответствующие ему
оптимальные сопротивления нагрузки Ян: по тепловым режимам (или ТУ) устанавливается допустимое напряжение питания для каждого фоторезистора;
6. Для фотодиодов-претендентов выбираются (по ТУ) максимальные рабочие напряжения и по 1ф тах определяется сопротивление нагрузки Ян;
7. По неизвестным Ян, Цит, Кт, Rсв, 1ф устанавливаются выходные сигналы фотоприемников Дивых и выбирается фотоприемник, обеспечивающий АЦвых=тах.
Рассмотрим способ определения максимальной мощности излучения светодиода. Известно, что мощность излучения арсенидгаллиевого светодиода:
кт.ст (Ш0 + 02г)
Как видно из уравнения (1), мощность излучения светодиода зависит от тока и температуры р-п - перехода: рост тока увеличивает мощность излучения, рост температуры снижает ее. В соответствии с этим существует вполне определенный режим по току I и скважности Q, которому соответствует максимально возможная мощность излучения данного светодиода. Из уравнения дР/ д! = 0 получаем условие максимума мощности излучения:
Определив максимально возможную мощность излучения светодиода, необходимо проверить его тепловой режим.
Явп
(1)
(2)
Основными причинами, ограничивающими мощность рассеяния светодиода, является тепловая устойчивость конструкции и деградации излучательных характеристик светодиода. Под тепловой устойчивостью следует понимать способность светодиода длительно выдерживать воздействие температуры (как в рабочем, так и в нерабочем состоянии) без существенных необратимых изменений характеристик прибора.
Очевидно, что максимально допустимая температура определяется наиболее слабым (в смысле температурного режима) узлом конструкции светодиода. Для арсенидгаллиевых светодиодов таким узлом является линза, изготовленная из специального компаунда на основе эпоксидной смолы.
Указанные причины определяют предельно допустимую температуру р-п-перехода #пред.
По заданному уровню излучения Ркон к концу срока службы рассчитывается допустимая температура окружающей среды:
в=в, 1рп Р4. (3)
У кон
Уравнение (3) справедливо для определенной температуры окружающей среды при условии отсутствия разогрева р-п-перехода током. Если имеется существенный саморазогрев р-п-перехода (Д9>100С), то температура окружающей среды устанавливается по трансцендентному уравнению Р Т ЙХ,
>п = 9+ «р) . (4)
Ркон 1
По известным 0пред и Rт.ст определяется допустимая мощность рассеяния светодиода в статическом, либо в квазистатическом режиме:
ДО , 0,-0
_ пред ___ пред окр /С\
®доп р р • ( )
ЛТ СТ лТ • СТ
При аппроксимации вольтамперной характеристики светодиода уравнением и=и0+1г0 средняя мощность, выделяемая на р-п-переходе в импульсном режиме, равна
1 т 1 т 1
Яр = - / 1Ш1 = - //„ (Ц, + /„,„ г„) Л = - (1^0, + /1Г0 )• (6)
Т о Т о ^
Подставляя значения ядоп из уравнения (5) в (2) и решая последнее относительно тока, получаем предельно допустимое значение импульсов тока при заданной температуре р-п-перехода и выбранной скважности Q:
-и0 +
/доп
V
и2 + 4гое Двпред
2Го
Данное уравнение справедливо для тех значений ^ и Q, при которых Qmax и Qmm близки к Qср.
Разработано устройство для мониторинга нефтепродуктов в топливных баках (рис. 1), которое работает следующим образом.
Задающий генератор 2 вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой следования 8-10 кГц, поступающие на вход коммутатора 3, который делит их на две части. Одна часть импульсов поступает на источники излучения 4,5,6...п, а другая часть - на компенсирующий источник излучения 10. Потоки излучения от источников излучения 4, 5, 6...П фокусируются на измерительной гране призмы 1, отражаются и поступают на измерительные фотоприемники 7, 8, 9...п', где оптические сигналы преобразуется в электрические, которые поступают на входы сумматора 12 и суммируется в нем. Оптическое излучение от компенсационного источника излучения 10 поступает на компенсационный фотоприемник 11. Электрические сигналы с выхода сумматора 12 и компенсационного фотоприемника 11 поступают в блок обработки фотоэлектрического сигнала 13, где определяется отношение электрических сигналов, соответствующих компенсационному и измерительным потокам излучения, которое пропорционально оптическому параметру жидкой среды. Электрический сигнал с выхода блока обработки фотоэлектрического сигнала 13 поступает на регистрирующий прибор 14 (или ЭВМ), по показанию которого судят об оптических параметрах жидкой среды.
а) б)
Рис. 1. Блок-схема устройства для мониторинга нефтепродуктов в топливных
баках и вид датчика по сечению А-А:
1 - датчик НПВО, треугольная призма; 2 - задающий генератор; 3 - коммутатор; 4, 5, 6.п -источники излучения; 7, 8, 9.п' - измерительные фотоприемники;10 - компенсационный источник излучения; 11 - компенсационный фотоприемник; 12 - сумматор; 13 - блок обработки фотоэлектрического сигнала; 14 - регистрирующий прибор; 15 - контролируемый
объект
Предлагаемое устройство повышает точность измерения за счет многократного объемного измерения параметров контролируемой жидкости, суммирования электрических сигналов от нескольких фотоприемников. При установке датчика в вертикальном положении, можно определять уровень топлива. Датчик распознает содержание и количество в топливе таких веществ, как сера, вода и иные загрязнения. Это позволит узнать качество и количество заправляемого топлива и защитить компоненты двигателя и узлы системы
обработки выхлопных газов от возможного вредного воздействия, ухудшающего их работу, и снизить вредные выбросы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шамов, А.В. Применение ультразвука для определения октанового числа бензина/Матер. 65-ой Междунар. научно-техн. конф. Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров" Международного научного симпозиума «Автотракторостроение - 2009». Книга 3, Москва, МГТУ «МАМИ», 2009 г. - С. 166-175.
2. Кремлевский, П.П. Расходомеры и счетчики количества: справочник. - Л.: Машиностроение, 1989. - 701с
3. Рахимов, Н.Р. Оптоэлектронные датчики на основе АФН-эффекта: монография / Н.Р. Рахимов, О.К. Ушаков. - Новосибирск: СГГА, 2010. - 218 с.
4. Заявка № 2012107359(011149) от 28.02.2012г. Российская федерация. Устройство для мониторинга жидких сред / М.П. Исаев и др.; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия»
© М.П. Исаев, Н.Р. Рахимов, О.К. Ушаков, 2012
