Устройство для определения октанового числа автомобильного бензина

 

Изобретение относится к области технической диагностики и может быть использовано при изготовлении устройства для идентификации автомобильных бензинов. Технический результат: создание устройства для идентификации бензинов в диапазоне октановых чисел 70-100, в диапазоне температур исследуемого бензина -10...+35°С. Сущность: устройство содержит емкостный датчик с датчиком температуры пробы бензина, причем емкостной датчик соединен с генератором, подключенным к блоку управления. Генератор выполнен с возможностью формирования напряжения с частотами 1...30 МГц и соединен с емкостным датчиком через одну из первичных полуобмоток дифференциального трансформатора, вторая первичная полуобмотка которого соединена с опорным конденсатором. Вторичная обмотка трансформатора соединена через усилитель сигнала, канал передачи данных к одному из независимых каналов двухканального аналого-цифрового преобразователя, выход которого подсоединен к одной из цифровых шин блока управления, выполненного в виде ПЭВМ, к другой цифровой шине которой подсоединен датчик температуры пробы бензина через усилитель и одноканальный аналого-цифровой преобразователь. Общая точка подключения генератора и двух первичных полуобмоток дифференциального трансформатора подключена через другой независимый канал передачи данных к другому каналу двухканального аналого-цифрового преобразователя. ПЭВМ содержит нейронную сеть, предварительно обученную сравнению поступающих с цифровой шины входных сигналов в виде амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик исследуемого бензина с амплитудно-частотной и фазочастотной характеристиками эталонных бензинов с учетом поправочных коэффициентов, выбираемых нейронной сетью в зависимости от сигнала, поступающего через другую цифровую шину от датчика температуры пробы бензина, и формированию данных для определения октанового числа бензина на основе сравнения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области технической диагностики и может быть использовано при изготовлении устройства для идентификации автомобильных бензинов.

За основу принимаются частотные характеристики: амплитудно-частотная и фазо-частотная конкретных автомобильных бензинов, которые идентифицируются по их октановому числу.

Известны устройства для определения октанового числа автомобильных бензинов.

Известно устройство для определения октановых чисел автомобильных бензинов [1]. Устройство содержит емкостный датчик, включенный в частотно-зависимую цепь автогенератора. Параллельно датчику подключены элементы компенсации. К одному из элементов компенсации через масштабирующий усилитель подключен датчик температуры, а к другому элементу компенсации через второй масштабирующий усилитель подключен датчик плотности. Выход автогенератора соединен с вычислительным блоком, результаты с которого поступают на блок индикации. Вычислительный блок соединен с блоком ввода данных. Емкостный датчик содержит два коаксиальных цилиндрических электрода, расположенных вертикально. Внешний электрод герметично закреплен на непроводящем основании. Датчик плотности установлен с наружной стороны внешнего электрода, а датчик температуры - внутри емкостного датчика.

Прототипом заявленного устройства является устройство для определения октанового числа автомобильных бензинов [2], содержащее датчик температуры пробы бензина, емкостный датчик, включенный в частотно-зависимую цепь генератора, подключенного к блоку управления в виде микропроцессора, снабженного блоком памяти, микропроцессор соединен с блоком ввода данных, с блоком индикации и с клавиатурой, причем в устройство введен мультиплексор, к сигнальным входам которого подключены емкостный датчик и дополнительно введенный датчик температуры окружающей среды, а адресный вход мультиплексора соединен с микропроцессором, выход мультиплексора соединен с входом автогенератора, при этом датчик температуры пробы подключен непосредственно к микропроцессору.

Недостатком обоих устройств является низкая точность измерения октанового числа, вызванная зависимостью формирования частоты автогенератора от изменения октанового числа бензина вследствие возможности девиации резонансной частоты; сложность получения предварительных калибровочных зависимостей резонансной частоты автогенератора от октанового числа бензина и изменения температуры исследуемого бензина; низкая помехоустойчивость по отношению к наводкам от внешних электромагнитных полей.

Заявленное изобретение решает задачу создания устройства для идентификации бензинов в диапазоне октановых чисел 70-100, в диапазоне температур исследуемого бензина -10...+35°С.

Техническим результатом заявляемого изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков - увеличение точности определения октанового числа. Этот технический результат достигается тем, что устройство для определения октанового числа автомобильного бензина, содержащий емкостный датчик с датчиком температуры пробы бензина, причем емкостный датчик соединен с генератором, подключенным к блоку управления, генератор выполнен с возможностью формирования напряжения с частотами 1...30 МГц и соединен с емкостным датчиком через одну из первичных полуобмоток дифференциального трансформатора, вторая первичная полуобмотка которого соединена с опорным конденсатором, причем вторичная обмотка трансформатора соединена через усилитель сигнала, канал передачи данных к одному из независимых каналов двухканального аналого-цифрового преобразователя, выход которого подсоединен к одной из цифровых шин блока управления, выполненного в виде ПЭВМ, к другой цифровой шине которой подсоединен датчик температуры пробы бензина через усилитель и одноканальный аналого-цифровой преобразователь, при этом общая точка подключения генератора и двух первичных полуобмоток дифференциального трансформатора подключена через другой независимый канал передачи данных к другому каналу двухканального аналого-цифрового преобразователя. Причем ПЭВМ содержит нейронную сеть, предварительно обученную сравнению поступающих с цифровой шины входных сигналов в виде амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик исследуемого бензина с амплитудно-частотной и фазочастотной характеристиками эталонных бензинов с учетом поправочных коэффициентов, выбираемых нейронной сетью в зависимости от сигнала, поступающего через другую цифровую шину от датчика температуры пробы бензина, и формированию данных для определения октанового числа бензина на основе сравнения.

В данном случае изобретение решает задачу идентификации марок бензинов по их октановому числу с помощью искусственной нейронной сети. При получении экспериментальных частотных характеристик (амплитудно-частотной, фазо-частотной) любого автомобильного бензина и вводе их на вход искусственной нейронной сети, с предварительным обучением последней, возможна идентификация этого бензина по отношению к другим маркам бензинов. При этом не требуется определения зависимостей резонансной частоты автогенератора от октанового числа бензина и изменения температуры исследуемого бензина и проведения расчетов для определения октанового числа бензина - эти функции автоматически выполняет искусственная нейронная сеть. При изменении температуры исследуемого бензина изменяются обе частотные характеристики, это влияет на работу искусственной нейронной сети. При этом поправку на температуру вводят после предварительного обучения сети на нескольких контрольных точках, в последующем эту операцию искусственная нейронная сеть выполняет автоматически при любой температуре исследуемого бензина в заданном диапазоне температур.

Заявленное устройство (фиг.1) состоит из генератора 1, выполненного с возможностью формирования напряжения с частотами 1...30 МГц, на которых поляризационные свойства бензинов ярко выражены [3], и соединенного с емкостным датчиком 4 через одну из первичных полуобмоток дифференциального трансформатора 2, вторая первичная полуобмотка которого соединена с опорным конденсатором 3. Вторичная обмотка трансформатора 2 соединена через усилитель сигнала 6, канал передачи данных 8 к одному из независимых каналов двухканального аналого-цифрового преобразователя 9, выход которого подсоединен к одной из цифровых шин блока управления, выполненного в виде ПЭВМ 10. К другой цифровой шине подсоединен датчик температуры пробы бензина 5 через усилитель 11 и одноканальный аналого-цифровой преобразователь 12. Общая точка подключения генератора 1 и двух первичных полуобмоток дифференциального трансформатора 2 подключена через другой канал передачи данных 7 к другому независимому каналу двухканального аналого-цифрового преобразователя 9. Емкостный датчик 4 выполнен в виде двух изолированных друг от друга цилиндров, установленных коаксиально по отношению друг к другу, а датчик температуры пробы бензина 5 установлен во внутреннем цилиндре. Причем ПЭВМ содержит нейронную сеть, предварительно обученную сравнению поступающих с цифровой шины входных сигналов в виде амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик исследуемого бензина с амплитудно-частотной и фазочастотной характеристиками эталонных бензинов с учетом поправочных коэффициентов, выбираемых нейронной сетью в зависимости от сигнала, поступающего через другую цифровую шину от датчика температуры пробы бензина, и формированию данных для определения октанового числа бензина на основе сравнения.

Устройство работает следующим образом. В датчик 4 наливают исследуемый бензин. От генератора 1 синусоидальное напряжение фиксированной частоты в диапазоне от 1 до 30 МГц подается на трансформатор 2 и по первичным полуобмоткам подается на опорный конденсатор 3 и датчик 4. За счет разницы емкостной составляющей токов, протекающих через датчик 4 и конденсатор 3, во вторичной обмотке трансформатора 2 возникает пропорциональный подаваемой частоте генератора 1 сигнал, поступающий на усилитель 6. С выхода усилителя 6 через канал 8 сигнал поступает на один из входов двухканального аналого-цифрового преобразователя 9, выполненного, например, в виде двухканальной платы виртуального осциллографа. Одновременно с общей точки соединения генератора 1 и первичных обмоток трансформатора 2 поступает сигнал через канал 7 на другой вход аналого-цифрового преобразователя 9. В аналого-цифровом преобразователе 9 оба сигнала обрабатываются, при этом формируются два цифровых кода от каналов 7 и 8. В памяти ПЭВМ эти коды обрабатываются программой, в результате чего формируются характеристики: амплитудно-частотная и фазочастотная в виде отдельных файлов, каждый из которых соответствует подаваемой частоте генератора 1. Две характеристики: амплитудно-частотная и фазочастотная несут информацию о свойствах исследуемого бензина, в частности об октановом числе.

Одновременно сигнал от датчика температуры пробы бензина 5 через усилитель 11 подается в аналого-цифровой преобразователь 12, где формируется в цифровой код, пропорциональный температуре исследуемого бензина. С преобразователя 12 цифровой код подается через другую цифровую шину в постоянную память ПЭВМ, где также формируется файл, соответствующий температуре исследуемого бензина.

Все сформированные файлы обрабатываются программой, находящейся в памяти ПЭВМ, ядром которой является искусственная нейронная сеть. Сеть предварительно обучена сравнению поступающих с цифровой шины ПЭВМ входных сигналов в виде амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик исследуемого бензина с амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристиками эталонных бензинов с учетом поправочных коэффициентов, выбираемых нейронной сетью в зависимости от сигнала, поступающего через другую цифровую шину от датчика температуры пробы бензина, и формированию данных для определения октанового числа бензина на основе сравнения.

Вначале сеть обучается образцами эталонных бензинов, например А-76, АИ-92(93), АИ-95, АИ-98 с известными октановыми числами. При этом на этапе обучения добиваются выходного сигнала искусственной нейронной сети, отражающего октановое число определенного эталонного бензина - в памяти ПЭВМ 12 происходит настройка весовых коэффициентов и порогов каждого нейронного слоя искусственной нейронной сети. После обучения на всех образцах с заранее известными октановыми числами сеть в дальнейшем способна определять октановое число исследуемого бензина с заданной точностью, выраженной в виде дискретности по октановому числу.

Например, необходимо идентифицировать бензины в диапазоне октановых чисел 70...100 с дискретностью 0,5. При этом октановые числа бензинов А-76, АИ-92, АИ-95 (апрель 2001 г.) заранее были измерены классическим способом и были приняты в качестве эталонов. Для примера на фиг.2 и 3 в качестве исследуемых образцов показаны обе частотные характеристики бензинов А-76 (июнь 2001 г.), АИ-92 (декабрь 2001 г.) и АИ-95 (июнь 2001 г.) в сравнении с соответствующими эталонами. За наиболее информативный участок обеих частотных характеристик (фиг.2 и 3) принят диапазон 4...10 МГц, с шагом 200 кГц - в данном диапазоне делается 31 замер и вектор входа искусственной нейронной сети для одной частотной характеристики состоит из 31 элемента, так как анализируются две характеристики, то число элементов входного вектора - 62. Выходной вектор сети отвечает за выдачу информации об октановом числе исследуемого бензина и его марке, и содержит 64 элемента: первые 3 элемента отвечают на вопрос о марке бензина (в данном случае: А-76, АИ-92, АИ-95), 61 элемент - об октановом числе ((100-70)/0,5+1=61), которое может, например, вычисляться искусственной нейронной сетью по формуле ОЧ=(t-3)0,5+69,5, где t - номер выигравшего нейрона. Искусственная нейронная сеть может обучаться таким образом, чтобы на выигравших нейронах выходного слоя возникала “1” а на остальных “0”. Например, выиграли 2 и 17 нейроны - искусственная нейронная сеть дает ответ о том, что марка исследуемого бензина АИ-92, а его октановое число: ОЧ=(17-3)0,5+69,5=85.

Источники информации

1. Патент №2100803 РФ, Способ и устройство для определения октановых чисел автомобильных бензинов // Шатохин В.Н., Чечкенев И.В., Скавинский В.П., Марталов С.А., Чечкенев О.В. - 1997. Опубл. БИПМ 1998.

2. Свидетельство РФ на полезную модель №26134 Устройство для определения октанового числа автомобильных бензинов // Общество с ограниченной ответственностью “Научно-производственное предприятие ТРИАЛ”. - 2002. Опубл. БИПМ 2002.

3. Никифоров И.К. Исследование частотных характеристик бензинов // Тезисы докладов школы-семинара: “Актуальные проблемы физической и функциональной электроники” (г. Ульяновск, 6-7 декабря 2001 г.). -Ульяновск: Ульяновский гос. технический ун-т. 2001. С. 42.

Формула изобретения

1. Устройство для определения октанового числа автомобильного бензина, содержащее емкостный датчик с датчиком температуры пробы бензина, причем емкостный датчик соединен с генератором, подключенным к блоку управления, отличающееся тем, что генератор выполнен с возможностью формирования напряжения с частотами 1...30 МГц и соединен с емкостным датчиком через одну из первичных полуобмоток дифференциального трансформатора, вторая первичная полуобмотка которого соединена с опорным конденсатором, причем вторичная обмотка трансформатора соединена через усилитель сигнала, канал передачи данных к одному из независимых каналов двухканального аналого-цифрового преобразователя, выход которого подсоединен к одной из цифровых шин блока управления, выполненного в виде ПЭВМ, к другой цифровой шине которой подсоединен датчик температуры пробы бензина через усилитель и одноканальный аналого-цифровой преобразователь, при этом общая точка подключения генератора и двух первичных полуобмоток дифференциального трансформатора подключена через другой независимый канал передачи данных к другому каналу двухканального аналого-цифрового преобразователя, причем ПЭВМ содержит нейронную сеть, предварительно обученную сравнению поступающих с цифровой шины входных сигналов в виде амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик исследуемого бензина с амплитудно-частотной и фазочастотной характеристиками эталонных бензинов с учетом поправочных коэффициентов, выбираемых нейронной сетью в зависимости от сигнала, поступающего через другую цифровую шину от датчика температуры пробы бензина, и формированию данных для определения октанового числа бензина на основе сравнения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что емкостный датчик выполнен в виде двух изолированных друг от друга цилиндров, установленных коаксиально по отношению друг к другу, а датчик температуры пробы бензина установлен во внутреннем цилиндре.

РИСУНКИ