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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Medidor ultrassônico de octanagem de gasolina. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Tecnologia de medição Muitos carros modernos são equipados com sistema de ignição eletrônica com unidade de controle computadorizada para abastecimento e injeção de combustível. Um dos parâmetros importantes para o correto funcionamento da unidade de controle é o índice de octanas da gasolina. Caso não cumpra a norma, o motor não conseguirá funcionar no modo ideal, o processo de controle da injeção de combustível será interrompido, até uma perda emergencial de potência. Portanto, a presença de um dispositivo simples e acessível para todos os motoristas monitorarem a octanagem da gasolina despejada no tanque de combustível é muito importante hoje. Existem muitos métodos diferentes para medir o índice de octanas da gasolina [1], com base nos quais foi desenvolvida a produção de octanômeros. Por exemplo, o dispositivo Zeltex ZX101C, amplamente utilizado na Rússia, utiliza um método para medir o número de octanas baseado na absorção da radiação infravermelha pela gasolina na faixa de 800...1100 nm. O design óptico patenteado do dispositivo contém 14 filtros de luz, resultando na formação de 14 leituras de espectro de absorção na faixa especificada. A seguir, o número de octanas é calculado com base no modelo de calibração. Também é produzido um analisador de laboratório XX-440, projetado para análise expressa do índice de octanas da gasolina. É fácil de usar e altamente confiável graças às tecnologias modernas mais sofisticadas e às soluções técnicas patenteadas utilizadas na sua criação. Após cada ligação, o dispositivo faz um autoteste para atingir a máxima precisão. Os resultados da medição são exibidos no display e podem ser impressos na impressora embutida indicando o número da amostra, data e hora do teste. Mas o custo de tal dispositivo é medido em dezenas de milhares de dólares americanos. É muito difícil, mesmo para um radioamador muito experiente, criar octanômetros semelhantes em casa. Para criar um dispositivo de pequeno porte e barato para monitoramento operacional da qualidade do combustível, pode-se utilizar o método ultrassônico de determinação do índice de octanas da gasolina [2], que se baseia na medição da velocidade de propagação do ultrassom na gasolina. Com base neste método, a indústria nacional já produziu octanômeros AS-98, SHATOX SX-150, OKTAN-IM, etc. O medidor de octanas discutido abaixo não pretende ser altamente preciso na determinação do índice de octanas da gasolina em comparação com a precisão declarada dos instrumentos industriais, mas, mesmo assim, permite distinguir a gasolina boa da ruim. Isso é importante para o entusiasta de automóveis, pois a qualidade da gasolina em muitos postos, infelizmente, não atende aos padrões. Além disso, esse octanômero é fácil de fabricar, requer ajustes mínimos e utiliza uma base elementar barata.
O diagrama de blocos de um octanômetro ultrassônico é mostrado na Fig. 1. Na saída do gerador de pulso único é gerado um pulso (1), que o transmissor transfere para a frequência ressonante do emissor de ultrassom (2). Para os emissores ultrassônicos mais comuns produzidos atualmente, essa frequência é de 40, 200 ou 400 kHz [3]. O pulso é emitido no tanque de gasolina do carro. No lado oposto do tanque de gás, um receptor ultrassônico recebe esse pulso (3), e um detector seletivo o transforma em um pulso de corrente contínua (4), atrasado em relação ao pulso (1) enquanto o ultrassom se propaga na gasolina. Este tempo é igual Δt = L/V, onde L é a distância entre o emissor e o receptor do ultrassom; V é a velocidade de propagação do ultrassom na gasolina analisada. Ao longo das bordas dos pulsos emitidos e recebidos, forma-se um pulso (5), cuja duração é igual a Δt. Medindo-o e conhecendo a distância entre o emissor e o receptor, você pode calcular a velocidade V e usá-la para estimar o índice de octanas da gasolina. Para medir a duração, o pulso é preenchido com os seguintes pulsos de contagem com período conhecido e seu número é contado. Este número é então comparado com constantes de referência para diferentes marcas de gasolina e, com base nos resultados da comparação exibidos no indicador LED, chega-se a uma conclusão sobre a marca e a qualidade da gasolina. Os valores da velocidade de propagação do ultrassom em diferentes temperaturas na gasolina atualmente utilizada em motores de automóveis e no ar são apresentados na Tabela. 1. Tabela 1
Como a velocidade de propagação do ultrassom na gasolina depende significativamente da temperatura, a instalação de medição é equipada com um termostato integrando um sensor de temperatura e um aquecedor no tanque de gasolina. Isto aumenta significativamente a precisão da medição, especialmente no inverno. Um diagrama esquemático de um octanômero operando de acordo com o princípio descrito é mostrado na Fig. 2. O transmissor e o detector seletivo do sinal ultrassônico são construídos com base no chip decodificador de tom LM567 (DA2). Este chip é um detector síncrono, cujo oscilador de referência é coberto por um loop PLL. O gerador pode ser configurado para qualquer frequência F de 100 Hz a 500 kHz selecionando os parâmetros apropriados dos elementos C6, R9 e R10: F = 1/(1,1·C6·(R9+R10)). Como o dispositivo utiliza transdutores ultrassônicos MA40S4R (BM1) e MA40S4S (BA1) com frequência de ressonância de 40 kHz [3], a frequência do gerador deve ser a mesma. Ao usar o mesmo gerador para formar o pulso emitido e detectar o pulso recebido, é garantida a sintonia estável do receptor com o sinal do transmissor.
Um oscilador de quartzo baseado no elemento lógico DD8.4 gera pulsos de contagem com frequência de 1 MHz, que, utilizando o elemento DD8.3, preenche o pulso da diferença entre os sinais emitidos e recebidos gerados na saída do elemento dD8 . 1. Assim, o número de pulsos que passam pelo elemento DD8.3 é igual à duração da passagem do ultrassom do segmento de medição na gasolina, expressa em microssegundos. Para gasolina de diferentes marcas a uma temperatura de 20 оCom e o comprimento do segmento medido é de 1 m, este número (N) está indicado na tabela. 2. Tabela 2
Os pulsos são contados pelo contador DD1. Como são utilizados apenas sete de seus dígitos, que podem conter um número não superior a 127, durante o processo de contagem eles são transbordados várias vezes e ao serem concluídos contêm o restante da divisão do número de pulsos contados por 128 (N mod 128) . Esses resíduos também estão listados na Tabela. 2. Como a diferença entre os valores máximo e mínimo possíveis do restante do número de pulsos não ultrapassa 127, não há ambigüidade na contagem ao analisar o estado de apenas sete bits do contador. O número das saídas do contador vai para uma das entradas do comparador digital nos chips DD3 e DD5. Usando a chave SA1, os números correspondentes à duração do atraso de referência para quatro marcas de gasolina são fornecidos alternadamente à segunda entrada do comparador. Esses números são definidos nas entradas dos elementos buffer DD2, DD4, DD6 e DD9 em código binário inverso, pois esses elementos são inversos. Como as saídas desses elementos possuem três estados, eles podem ser combinados em um barramento comum, que é o que é feito no medidor de octanas. Com um comprimento diferente do segmento de medição (o comprimento do tanque de gasolina), os números padrão N mudam proporcionalmente, então os restos de sua divisão por 128 são considerados. Ao iniciar a medição do índice de octanas da gasolina, deve-se colocar a chave SA1 na posição “AI-80”. Em seguida, reinicie o contador pressionando o botão SB1 e pressionando o botão SB2 para fazer a medição. Se o índice de octanas da gasolina for inferior ao número de referência da gasolina desta marca, o LED vermelho HL3 acenderá. Se for igual ao de referência, o LED HL2 amarelo acenderá. Se for maior, o LED verde HL1 acenderá. Neste último caso, a chave SA1 deve ser movida sequencialmente para posições correspondentes a números de octanas mais elevados, enquanto continua a monitorar os LEDs. A configuração do dispositivo se resume a definir a frequência para 40 kHz no pino 5 do chip DA3 usando o resistor de corte R9. Se forem utilizados transdutores ultrassônicos de frequência mais alta de 100 ou 200 kHz, a frequência do gerador deverá ser aumentada de acordo. Porém, deve-se ter em mente que à medida que a frequência ultrassônica aumenta, sua atenuação na gasolina aumenta. Portanto, as dimensões do tanque onde são feitas as medições deverão ser reduzidas, o que aumentará o erro do dispositivo. Os microcircuitos digitais utilizados no octanômetro podem ser substituídos por análogos importados das séries 4000 e 74HC. Em vez do estabilizador de tensão LT3013EFE, qualquer estabilizador linear com tensão de saída ajustável ou fixa de 5 V e corrente de carga máxima de pelo menos 100 mA é adequado. Como o estabilizador dissipa cerca de 0,7 W de potência, ele deve ser equipado com dissipador de calor. O diagrama do termostato é mostrado na Fig. 3. É construído em um chip de termostato especializado LM56BIM (DA1), que possui um sensor de temperatura integrado e uma fonte de tensão de referência de 1,25 V (pino 1). A temperatura na qual o aquecedor é ligado e desligado é definida pelos valores de tensão nas entradas UTL (pino 3) e UTH (pino 2), respectivamente, que devem ser iguais a [4]: UTL = 0,0062TL + 0,395 UTH = 0,0062TH +0,395, onde TL e TH - definir valores de temperatura para ligar e desligar o aquecedor, °C.
Essas tensões são obtidas a partir da tensão de referência Uref (pino 1) usando um divisor de tensão resistivo R1-R3. Dado o valor de RΣ=R1+R2+R3, a resistência desses resistores pode ser calculada usando as fórmulas: R2=UTLRΣ / 1,25 R1 = (vocêTHRΣ / 1,25) -R2 R3=RΣ - R1 - R2 Os valores dos resistores R1-R3 indicados no diagrama garantem que a temperatura de ligação do aquecedor seja de cerca de 18 оC, e sua temperatura de desligamento é de cerca de 26 оC. Se a temperatura da gasolina for inferior a 18 оC, o LED HL2 acende e o elemento de aquecimento EK1 liga. Se a temperatura estiver acima de 26 оC, o aquecedor desliga, mas o LED HL1 acende. Portanto, quando algum dos LEDs estiver aceso, não vale a pena medir o índice de octanas da gasolina. Para medir corretamente a temperatura da gasolina, a carcaça do chip LM56BIM deve ter bom contato térmico com o tanque de gasolina. Folhas de aquecimento autoadesivas são usadas para aquecer o tanque de gás [5]. Literatura
Autor: A. Kornev
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