CN1912607A - 锁定法便携式汽油标号测量方法和仪器 - Google Patents
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Abstract
锁定法便携式汽油标号测量方法，采用溶液法测定介电常数，锁定测量介电常数，以电容电测量的方法，以电容为传感器，以相对介电常数为相关变量，通过电容值间接测定汽油的辛烷值，得到对应的实际汽油标号；采用金属电容池对汽油进行溶液法测量，所述测量介电常数和电容测量的方法是：通过锁定相位放大法：由正弦信号发生器产生的正弦信号分两路输出：一路经由跟随器送到电容池电极；另一路经固定相移－90°延时电路后送入乘法器；从乘法器输出信号包括直流成分和倍频交流成分，经过低通滤波器滤除交流成分得到与电容值成比例的直流成分输出信号，电容值由此测得。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用电容法介电常数测量来测量汽油标号的方法，尤其是一种以相对介电常数为相关变量的锁定法的便携式汽油标号测量仪
背景技术
汽油的标号是由其辛烷值确定的，如93号汽油的抗爆性是异辛烷的93％。汽油是具有电气绝缘性能的液体混合物，有黏度低、流动性好、挥发性强等特点，这些特点为使用电容式传感器直接测量其相对介电常数有利。
目前从国内的情况来看，有各种介电常数测量仪，他们的缺点是无法消除分布电容和漏电电阻(电阻分量)对测量结果的影响，所以测量结果不稳定，不能投放市场。而汽油标号测量仪从技术上必须解决分布电容和电阻分量对测量的影响，达到快速准确测量汽油标号。该项目在目前国内汽车市场快速发展的情况下，市场前景广阔。采用电容电测量的方法，以电容为传感器，以相对介电常数为相关变量，可以比较精确的间接测定汽油的辛烷值。
测定介电常数的方法有很多，以溶液法测定介电常数为例，它是把待测偶极矩的分子溶于非极性溶剂中进行测量，所以它的介电常数特点是数值小而变化范围宽。以往测量通常采用谐振法、拍频法或电桥法。谐振法和拍频法测量准最精确，但设备复杂，操作麻烦。电桥法较为常见，精度稍低，且操作上也有一定难度。因此，我们设计了一种采用溶液法测定介电常数，锁定测量介电常数的方法，实践中取得了良好的效果。由此设计的仪器体积小，重量轻，测量精确，操作更为简便。
发明内容
本发明的目的是提出一种利用电容法介电常数测量来测量汽油标号的方法和仪器，尤其是一种以相对介电常数为相关变量的锁定法的便携式汽油标号测量仪。
本发明的目的是这样实现的：锁定法便携式汽油标号测量方法，采用溶液法测定介电常数，锁定测量介电常数，电容电测量的方法，以电容为传感器，以相对介电常数为相关变量，通过电容值间接测定汽油的辛烷值，得到对应的实际汽油标号；采用金属电容池对汽油进行溶液法测量，所述测量介电常数和电容测量的方法是：通过锁定相位放大法：由正弦信号发生器产生的正弦信号分两路输出：一路经由跟随器送到电容池电极；另一路经固定相移-90°延时电路后送入乘法器；从乘法器输出信号包括直流成分和倍频交流成分，经过低通滤波器滤除交流成分得到与电容值成比例的直流成分输出信号，电容值由此测得。
并同时测量汽油的实时温度，通过仪器内部软件实时对测量到的溶液介电常数与实际汽油标号的关系进行矫正和计算。一般是近线性的拟合曲线。
以恒温条件进行测量或者辅之以实时温度补偿。
锁定法便携式汽油标号测量仪器，包括测量用电容池，锁定放大器、电压电流转换电路构成，在锁定放大器的输入前置采用电压电流转换电路，电压电流转换电路由运算放大器构成，其反相输入端为虚地；锁定放大器由正弦信号发生器产生的正弦信号分两路输出：一路经由跟随器送到电容池电极；另一路经固定相移-90°延时电路后送入乘法器，乘法器输出信号包括直流成分和2倍频交流成分，经过低通滤波器滤除交流成分得到输出正比于电容值信号。
乘法器输出端设有干扰信号滤除电路，此电路为选频放大电路，即可抑制其余非ω频率的干扰信号。
选用远离工频及其谐波的频率作为信号发生器的频率。选用10K以上的频率。
设有工频吸收回路的带阻滤波器。对50H的工频产生带阻。
信号发生器和相移电路采用数字合成的方法实现，由14位地址寻址只读存储器2K空间，存储器1和存储器2各存2048字节的一个周期正弦时等分割的采样数据，只是同一时刻即同一地址下数据相位相差90°，从存储器取出数据经各自数/模转换电路输出两路正弦信号。正弦信号发生器产生的正弦信号分两路输出，并设有2进制计数器对固定的方波脉冲计数。
A/D转换器选用具有自校零技术的14bit双积分型ICL7135芯片，它能把0~±1.9999V的模拟电压转换成数字量，分辨率0.0001V，转换速度10次/秒。
溶液介电常数与实际汽油标号的关系进行矫正和计算，并辅之以实时温度补偿
便携式汽油标号测量方法特点为1、测量电路采用分布电容及漏电电阻消除电路(缩定法)，能有效消除分布电容和电阻分量对测量的影响。2、测量传感器的屏蔽设计。3、自动测量汽油温度并对数据进行自动较正。，本发明便携式汽油标号测量方法从技术上解决了分布电容和电阻分量对测量的影响，达到快速准确测量汽油标号。
本发明仪器特点：1、测量结果稳定(能完全消除分布电容和电阻分量的影响)。
2、测量传感器的微型化设计体积小，重量轻
1)采样方便(可直接放入汽油中，如油箱中直接测量)
2)带温度测量单元
3、测量仪能自动进行温度补偿
4、快速测量：测量在10秒内完成。
5、低生产成本。
6、整机重量轻，约0.5公斤。
本项目便携式汽油标号测量仪能实现标号汽油的快速实时准确测定，电源可由充电电池和汽车点烟器提供，使用方便，生产成本较低，可作为汽车随车选配件，在国内汽车市场快速发展的今天，市场前景广阔。
附图说明
图1为本发明测量系统框图
图2为本发明电容池剖视图
图3为本发明前置电压/电流转换电路
图4为本发明锁相放大电路框图
图5为本发明信号发生和90度移相电路框图
图6为本发明锁相放大电路图
图2中上盖1、外壳2、引线3、内壁4、外壁5、被测溶液即汽油6、绝缘垫7、恒温腔8
具体实施方式
1.仪器主要由硬件和软件部分两部分组成，硬件部分有：电容池、分布电容及漏电电阻消除电路、信号发生和相移电路、单片机系统、温度传感器、温度测量电路、电压/电流转换器、液晶显示器、电源等部分组成。
2.1电容池
溶液法测量介电常数时采用电容池测量，其测量用电容池如图1所示。电容池是以三层同轴环状为主体的结构，材料采用铜或铝，并作表面抗氧化处理。在图1中可以看到电容池内壁和外壁作为被测溶剂的双极板由两根引线引出，内壁实际上是个实心铜质圆柱。内外壁(看作为双极板)之间作为被测溶液腔，被测溶液的注入和取出由针桶从由上盖汲取。外壁和外壳之间的空腔作为通过恒温水的恒温腔，进出水的水嘴位于外壳的两侧。连接恒温槽通过恒温水可以测量不同温度下的介电常数。同时，图示结构的外壳接地时形成良好的屏蔽。当然也增加了双极板对地的分布电容。所以其等效电路如图2中所示，Cx是待测双极板间电容，C1和C2分别是内外极板的对地分布电容，也包括测量回路的引线对地的分布电容，数值往往大与被测电容Cx。因此，如采用对双端口测量将引入分布电容C1和C1影响而无法测量。
2.2电压电流转换
为了消除分布电容影响，在锁定放大器的输入前置采用电压电流转换电路，如图2所示。如图接法中运算放大器的反相输入端A点为虚地，即电压近似为零，因此分布电容C2两端电压始终为零，所以C2的影响可以忽略。由图电路分析可得其输出电压Vo＝jωRCxVi。可见其输出电压与分布电容C2也无关，因此消除了分布电容的影响。
2.3锁定相位放大
除了分布电容会引入测量误差必须予以考虑以外，被测溶液漏电和内外极板间漏电影响必须被排除。漏电影响可以等效为一个并联在被测电容上的电阻分量。虽然等效为电阻，可它是个随机量。通过选用高绝缘电阻材料作绝缘垫和在极板上镀绝缘膜的办法大大减小漏电，实际应用中电阻分量的影响依然存在。本设计采用锁定相位放大器克服电阻分量对测量结果的影响，基本消除了漏电产生的测量结果非线性和漂移。锁定放大系统框图如图3所示，由正弦信号发生器产生的正弦信号分两路输出：一路经由跟随器送到电容池电极；另一路经固定相移-90°延时电路后送入乘法器。不妨假设发生器输出信号Asin(ωt)，A为幅度，相位为零。经过被测电容和电压电流转换电路的一路输出的信号可表示为
y1(t)＝AωRCxsin(ωt-π/2)+A(R/Rx)sin(ωt-π)
其中R为图2上的电阻值，Cx为待测电容，Rx为等效漏电阻。很明显输出信号包括了延时90°分量和反相分量，前者是流经待测电容电流在电阻R上产生的电压，当然其幅度是与待测电容容量成正比，后者为漏电流在电阻R上产生的电压，与电容无关。
信号发生器输出另一路信号相移90°作为参考：
y2(t)＝Asin(ωt-π/2)。
y1和y2送入乘法器相乘得：
y3(t)＝y1(t)*y2(t)＝A2ωRCxsin2(ωt-π/2)+A2(R/Rx)sin(ωt-π)*sin(ωt-π/2)
利用三角变换化为形式：
y3(t)＝A0+A1cos(2ωt-π)+A2sin(2ωt)
其中A0＝(1/2)A2ωRCx，A1＝(1/2)A2ωRCx，A2＝(1/2)A2(R/Rx)。
由上式可以看出乘法器输出信号包括直流成分A0和2倍频交流成分A1、A2，经过低通滤波器滤除交流成分得到输出信号：y(t)＝KCx，K＝(1/2)A2ωR为已知常数。电容值由此测得。
2.4干扰信号滤除
采用上述锁定相位的测量还可以获得良好的抗干扰性能。由y1(t)表达式可以看出电压电流转换模块输出有用信号为单一角频率ω，因此加上选频放大电路即可抑制其余非ω频率的干扰信号。这一点对于滤除工频干扰非常有效。工频作为最主要的干扰源，可以通过3个方法就能非常有效抑制：1选用远离工频及其谐波的频率作为信号发生器的频率；2采用选频放大器；3必要的的话可加工频吸收回路的带阻滤波器。在此基础上锁定相位放大器可以滤除所有相关系数为零的干扰信号，以及偶次谐波。相关系数小于1的同频及其奇次谐波被不同程度衰减。
3、主要电路实现
3.1信号发生器和相移电路
采用传统的正弦波振荡器和RC移相电路有设计线路复杂，频率稳定度低，相位漂移严重等缺点，所以本设计结合具体应用考虑采用数字合成的方法实现。并且90°相移信号同步输出，幅度、频率和相移稳定，且不会相互影响。电路框图如图4所示。图示2进制计数器对固定的方波脉冲计数，设计选用14位2进制输出线(一片4020即可实现)。14位地址寻址只读存储器2K空间，存储器1和存储器2各存2048字节的一个周期正弦时等分割的采样数据，只是同一时刻即同一地址下数据相位相差90°。从存储器取出数据经各自数/模转换电路输出两路正弦信号。由此信号发生和移相一次完成，稳定可靠。
3.2温度测量
根据测量范围和要求，选用经过多次液氮-室温-液氮热循环处理过的Pt100铂电阻作温度传感器，它的线性度、复现性及灵敏度在-20℃~+120℃符合设计要求。测量电路做成电桥形式，Pt100铂电阻作为一个桥臂，做成一个测温探头安放在测温区，为抵消长引线带来的干扰，铂电阻采用三线制接法。另外三个臂选用温度稳定性很好的锰铜电阻(电阻准确度万分之一)。电桥输出电压经差分放大后输出到A/D转换器。放大电路采用由三片OP07构成的仪表放大电路，该放大电路具有低漂移、高精度等特点。采用此方法可实现0.2级以上的温度的准确测量。
3.3、A/D转换电路
A/D转换器选用具有自校零技术的14bit双积分型ICL7135芯片，它能把0~±1.9999V的模拟电压转换成数字量，分辨率0.0001V，转换速度10次/秒。
3.4、存储器
因为本系统选用89C51单片机，它内部有4KflashROM(足够本仪器用来存储程序)和256byte RAM。但为了保存矫正参数，选用电擦除可编程只读存储器EEPROM24C01A作辅助存储器，它能在应用系统中进行在线改写，并能在断电情况下保存数据而不需保护电源，另外，它为串行读写方式，只占用单片机2个I/O口。溶液介电常数与实际汽油标号的关系进行矫正和计算，并辅之以实时温度补偿
参数矫正按钮用来修改矫正参数，共有两个按钮，一个用来增加参数值，另一个用来减小参数值。
3.5、显示器
本系统有足够的I/O口和CPU时间，采用10条单片机I/O口直接驱动122*32点阵背光液晶显示器。可同时显示汽油标号和温度，达到很好的视觉效果。
本发明也可以用于测量参考柴油的标号(如零号或负10度柴油亦可以通过不用的电容参数进行定标)。应该说不同尺寸的电容池(包括不同的材料)定标的参数是不同的。
Claims (9)
1、锁定法便携式汽油标号测量方法，采用溶液法测定介电常数，锁定测量介电常数，其特征是电容电测量的方法，以电容为传感器，以相对介电常数为相关变量，通过电容值间接测定汽油的辛烷值，得到对应的实际汽油标号；采用金属电容池对汽油进行溶液法测量，所述测量介电常数和电容测量的方法是：通过锁定相位放大法：由正弦信号发生器产生的正弦信号分两路输出：一路经由跟随器送到电容池电极；另一路经固定相移-90°延时电路后送入乘法器；从乘法器输出信号包括直流成分和倍频交流成分，经过低通滤波器滤除交流成分得到与电容值成比例的直流成分输出信号，电容值由此测得。
2、根据权利要求1所述的锁定法便携式汽油标号测量方法，其特征是并同时测量汽油的实时温度，通过仪器内部软件实时对测量到的溶液介电常数与实际汽油标号的关系进行矫正和计算。
3、根据权利要求1所述的锁定法便携式汽油标号测量方法，其特征是以恒温条件进行测量或者辅之以实时温度补偿。
4、锁定法便携式汽油标号测量仪器，其特征是包括测量用电容池，锁定放大器、电压电流转换电路构成，在锁定放大器的输入前置采用电压电流转换电路，电压电流转换电路由运算放大器构成，其反相输入端为虚地；锁定放大器由正弦信号发生器产生的正弦信号分两路输出：一路经由跟随器送到电容池电极；另一路经固定相移-90°延时电路后送入乘法器，乘法器输出信号包括直流成分和2倍频交流成分，经过低通滤波器滤除交流成分得到输出正比于电容值信号。
5、根据权利要求4所述的锁定法便携式汽油标号测量仪器，其特征是乘法器输出端设有干扰信号滤除电路，此电路为选频放大电路，即可抑制其余非ω频率的干扰信号。
6、根据权利要求4所述的锁定法便携式汽油标号测量仪器，其特征是选用远离工频及其谐波的频率作为信号发生器的频率。
7、根据权利要求4所述的锁定法便携式汽油标号测量仪器，其特征是设有工频吸收回路的带阻滤波器。
8、根据权利要求4所述的锁定法便携式汽油标号测量仪器，其特征是信号发生器和相移电路采用数字合成的方法实现，由14位地址寻址只读存储器2K空间，存储器1和存储器2各存2048字节的一个周期正弦时等分割的采样数据，只是同一时刻即同一地址下数据相位相差90°，从存储器取出数据经各自数/模转换电路输出两路正弦信号。正弦信号发生器产生的正弦信号分两路输出，并设有2进制计数器对固定的方波脉冲计数。
9、根据权利要求4所述的锁定法便携式汽油标号测量仪器，其特征是A/D转换器选用具有自校零技术的14bit双积分型ICL7135芯片。
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