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[导读]一种高精度汽油油号智能检测仪的设计和实现

随着经济的快速发展,汽车已经进入普通居民家中,因此汽车所用汽油的油品问题越来越受到人们的重视。随着汽油市场的开放,汽油的进货渠道不同,汽油的质量也有所不同。汽车加油时如果油品不对,会对汽车选成很大的伤害,影响消费者的利益,加大环境污染,更重要的是会危及到人的生命,因此研究一套高精度的汽车油品测量仪具有重要的作用。

  1 油品测量传感器的设计

  辛烷值的测定是在专门设计的可变压缩比的单缸试验机中进行。标准燃料由异辛烷和正庚烷的混合物组成。异辛烷用作抗爆性优良的标准,辛烷值定为100;正庚烷用作抗爆性低劣的标准,辛烷值为0.将这两种烃按不同体积比例混合,可配制成辛烷值由0到100的标准燃料。辛烷值是表示汽化器式发动机燃料的抗爆性能好坏的一项重要指标,列于车用汽油规格的首项。汽油的辛烷值越高,抗爆性就越好,发动机就可以用更高的压缩比。也就是说,如果炼油厂生产的汽油的辛烷值不断提高,则汽车制造厂可随之提高发动机的压缩比,这样既可提高发动机功率,增加行车里程数,又可节约燃料,对提高汽油的动力经济性能是有重要意义的。

  车用汽油是按照其辛烷值的高低以标号来区分的,汽油的辛烷值不同其介电常数也不同,辛烷值大的汽油介电常数也大。如果能测定介电常数,就可以计算出辛烷值。介电常数的变化可用电容的容值变化来测定。因此本系统采用了一个平行板电容式传感器,若不考虑温度等的影响,两极板间的电容如式(1)所示。



  从式(1)可以看出,当面积S和极板之间的距离d确定不变时(不考虑边沿效应和漏电),C是ε的函数。如果能测量出C大小,则可以计算出ε,从而可以得到汽油的油号。

  但电容的变化仍不易直接测量,因此本系统采用C/F变换电路把电容的变化转化为频率的变化,用单片机的计数和定时功能测量频率,根据频率和辛烷值的函数关系来计算汽油的辛烷值。转换电路选用NE555芯片组成一个多谐振荡器完成C/F变换,该芯片的最高工作频率为500 kHz.C/F变换电路如图1所示。转换后频率公式为:

 

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    本系统中采用AT89C51作为主控制器。单片机采用12 MHz的晶振,因此定时器所能识别的最高频率为500 kHz。选择R1和R2时应满足如下公式:



  但是当环境温度变化时,传感器的几何形状和尺寸会发生变化,从而引起电容量变化,电容传感器受环境温度的影响必然引起测量误差。因此,需要加入温度检测环节,根据检测的温度对系统进行补偿。本系统所用温度传感器为集成的温度传感器DS18B20.

  DS18B20测量温度范围为-55℃~+125℃,在-10℃~+85℃范围内,精度为±0.5℃。现场温度直接以"一线总线"的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性,适合于恶劣环境的现场温度测量。

  因传感器的电容值在几十pF量级,寄生电容和分布电容的影响不可忽略,硬件设计时应尽量减小引线的长度,C/F变换器接近电容传感器,有利于减少寄生电容和分布电容对传感器电容的影响。另外,设计电路板时C/F变换器部分要填充处理,减少干扰对测量的影响。

  2 硬件电路的设计

  油品检测仪硬件电路图如图2所示。本系统中采用AT89C51为主控制器。经NE555转换的与介电常数相关的频率信号接到AT89C51的P3.5口,由单片机的内部计数器对该端口的频率信号进行测量。同时温度传感器DS18B20接到P3.0口,通过对P3.0口进行读取得到当前的温度,以进行温度补偿。本系统中通过4位LED进行显示。4位LED数码管在实验期间用来显示电容值,而在系统工作后用来显示汽油的油号。电路中的P1.2和P1.5分别接LED和SPEAKER.当汽油的油号低于或者高于设定的标准后,系统通过声光进行报警。

 


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  3 软件设计

    由式(1)可以得到,也就是说当系统采集了频率信号,将频率信号转换为电容值后就可以计算出介电常数。但是为了确保液位传感器的精度,考虑到温度、被测介质特性和罐体等差异,在系统投入使用前先对该传感器进行数字校准,得到介电常数的方程式。本系统采用最小二乘法进行拟合。在系统工作前,根据大量电容值与辛烷值的数据,在计算机上用多元线性回归法建立辛烷值与电容值的数学模型,拟合多项式为定义汽油标号y与电容值和温度等物理量的函数关系为:



 

 

  由式(7)计算出多项式系数,由多项式算出各实测电容值的辛烷值。

  测量系统投入运行后,测量时用单片机的定时器进行50 ms的定时,记定时时间内C/F变换器发出的脉冲个数,用于计算频率值,再用式(2)计算被测汽油的电容值,结果代入到辛烷值与电容值的拟合多项式(4)中,计算出汽油的辛烷值。[!--empirenews.page--]

  为了提高测量精度,提高系统的抗干扰性能,在系统中采用了软件抗干扰的方法。在测量频率信号时,对于每个频率信号测量10次,测量完后通过算术平均滤波的方法得到该测量的频率值。系统具体的软件流程图如图3所示。

 

 

  4 测试结果

  在回归分析中,如果有两个或两个以上的自变量,就称为多元回归。事实上,一种现象常常是与多个因素相联系的,由多个自变量的最优组合共同来预测或估计因变量,比只用一个自变量进行预测或估计更有效,更符合实际。因此多元线性回归比一元线性回归的实用意义更大。多元线性回归的基本原理和基本计算过程与一元线性回归相同,但由于自变量个数多,计算相当麻烦,一般在实际中应用时都要借助统计软件。这里只介绍多元线性回归的一些基本问题。

  通过对市场上出售的汽油进行采样测试,结果如图4所示。可见测试结果存在一定的非线性,原因可能是标定的汽油的辛烷值并不是整90#或97#,这是因为汽油在出厂定标时采用的是分级的近似方法。

 

 

    本文设计的高精度油品智能检测仪,选用低功耗的微处理器,通过电容传感器测量汽油的介电常数,同时考虑到温度的影响,将温度传感器集成到电容传感器内,准确测量被测介质的温度,保证温度补偿的实时性。研究结果表明,使用该传感器对汽油的标号进行检测是可行的,多次测试其精度为±0.5个标号,能够满足一般分辨油品标号的需求,且整套测试系统成本低廉,能够快速测试,可以降低测试的成本,提高效率。整个系统信号采用数字量进行传输,比较适合用于远距离传输,因此该系统还可以用于油品的在线检测和控制。
 

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