基于介电常数法的便携式车用汽油辛烷值测定仪研究

　　1　引言

　　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,市场上出售的汽油辛烷值不确定,影响消费者的利益,影响环境环境污染情况。汽油的辛烷值可以用介电常数确定,但介电常数不能直接测量,用电容传感器测量简单可靠。市电供电的系统,测试环境要求比较理想,受地域和环境影响比较大。针对这种情况,提出一种电池供电的便携式汽油辛烷值检测方法及电路实现。该方法设备体积小、低功耗、价格低、具有温度补偿,便于野外作业。实现的电路简单可靠,但存在无法测量汽油中加入有机溶质的局限性。

　　2　测量原理及电路分析

　　2.1　测量原理

　　汽油的辛烷值不同其介电常数ε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。圆筒式电容器的电容值运算式如下:

　　由式(1)可知,在面积和间距固定时,电容与介电常数成线性关系(不考虑边沿效应和漏电),电容可以间接测量汽油中的辛烷值。但电容的变化不易直接测量,用C/F变换电路把电容的变化转化为频率的变化,用单片机计数和定时功能测量频率,根据频率和辛烷值的函数关系可计算汽油的辛烷值。检测电路选用TLC555芯片组成一个多谐振荡器完成C/F变换如图1所示。芯片的最高工作频率为2100 kHz.

　　频率公式为

　　2.2　电路参数设计:

　　单片机的系统时钟频率用1 MHz,因此定时器所能识别的最高频率为500 kHz.电容传感器空气介质时的电容为Co,选择R1和R2应满足如下公式:

　　从以上式(4)、式(5)中可以看出,如果满足式(3)和式(4),式(5)也是满足的。一般选Co在40~70 pF(传感器空气介质的电容)之间,R1用10 kΩ电阻、R2用10 kΩ电阻(R1、R2选用高精度电阻),W用100 kΩ的精密电位器来精调频率,C1选用0·01μF电容,就能满足式(4)的要求。脉冲输出端加一级缓冲单元(7407),提高C/F变换电路的输出能力,减少脉冲测量部分对C/F变换电路输出频率的影响。

　　2.3　电容传感器的误差补偿

　　电容传感器受环境温度的影响必然引起测量误差。温度误差主要是由于构成传感器的材料不同其温度膨胀系数不同。当环境温度变化时,传感器的几何形状、尺寸发生变化,从而引起电容量变化。因此,需要加入温度检测环节,根据检测的温度进行软件补偿。因传感器的电容值在几十pF范围,寄生电容和分布电容的影响不可忽略,硬件设计时尽量减小引线的长度,C/F变换器尽量接近电容传感器,有利于减少寄生电容和分布电容对传感器电容的影响(C/F变换器和温度补偿,做在探头内可以显著减少分布电容和温度对传感器的影响)。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。