Как обнаружить воду в топливе?
категория
Радиоэлектроника в помощь автомобилисту
Радио 2009 №5
Кварцевые диссипативные преобразователи, описанные в статье В. Савченко и Л. Грибовой "Кварцевый резонатор преобразует неэлектрические величины в электрические" в "Радио", 2004, № 2, на с. 34-36, нашли применение в приборах контроля влажности газов и твёрдых веществ, в аппаратуре для научных исследований новых материалов и др. Не менее важна проблема обнаружения воды в жидких веществах, в частности, в моторном топливе. Об одном из практических способов решения этой задачи рассказывает помещённая ниже статья.
Качество жидкого топлива определяется многими факторами, среди которых немаловажное значение имеет его обводнённость. Вода в топливе может находиться в разных агрегатных состояниях - растворённая, свободная и эмульсионная. При различной температуре топлива в нём растворяется от 0,002 до 0,007% воды, которую визуально контролировать невозможно. С понижением температуры растворимость воды в топливе уменьшается, и она в виде капель оседает на дно резервуара.
Свободная вода в топливе в несколько раз усиливает коррозию металлов, контактирующих с топливом, а зимой, замерзая в топливопроводе, может вызвать остановку двигателя. Поэтому содержание воды в топливе целесообразно, а в ряде случаев просто необходимо контролировать.
Для повышения эффективности визуального контроля наличия свободной воды к пробе топлива добавляют, например, марганцовокислый калий, который, растворяясь в воде, окрашивает её в характерный цвет, хорошо видимый на глаз. Конечно, такой метод контроля весьма неудобен, поэтому важное значение приобретает индикация наличия свободной воды с помощью автоматического портативного прибора.
Сложность контроля состоит в том, что топливо, являясь высококачественным диэлектриком, имеет очень большое удельное сопротивление электрическому току. Капля воды в топливе, даже помещённая между двух электродов, не может быть проконтролирована простым мегаомметром на постоянном токе, так как пленка топлива, окружающая каплю, не позволяет ей плотно соприкоснуться с электродами, из-за чего электрическое сопротивление в цепи не может существенно уменьшиться.
Для индикации свободной воды в топливе мы предлагаем использовать диссипативный кварцевый преобразователь электрической энергии, обладающий высокой чувствительностью к изменению больших значений электрического сопротивления. Прибор содержит электрическую цепь из последовательно или параллельно включенных вакуумного кварцевого резонатора и емкостного датчика. Эта цепь названа кварцевым диссипативным преобразователем электрической энергии, так как её эквивалентное электрическое сопротивление, являясь выходным параметром преобразователя, определяется потерей энергии в датчике с контролируемым диэлектриком, например, в жидком углеводородном топливе.
На рис. 1,а и б показана конструкция разработанного прибора для контроля свободной воды в топливе. Прибор выполнен в виде мерной кружки из органического стекла с крышкой и ручкой. В ручке размещены элементы питания и кнопочный выключатель, выведенный на её внутреннюю сторону. В верхнюю часть ручки вмонтирован светодиод, по свечению которого определяют наличие воды в жидком топливе.
На дне кружки расположен ёмкостный датчик, состоящий из двух конусообразных соосно размещённых электродов, направленных вершинами навстречу, как схематически показано на рис. 2. Оба электрода отштампованы из листовой латуни, причём верхний (наружный) выполнен усечённым.
Электроды фиксированы на дне кружки так, что между ними образуется воздушный кольцевой зазор шириной примерно 0,25 мм, определяющий электрическую ёмкость датчика около 0,8 пФ без топлива. Под дном кружки размещена плата с деталями электронной части прибора.
В кружку заливают примерно поллитра топлива. Если в нём имеются капли свободной воды, то в течение некоторого времени они по конусообразным стенкам датчика скатываются в зазор и изменяют электрическое сопротивление в зазоре ёмкостного датчика. Крышка кружки, укрепленная шарнирно на петле, необходима для предотвращения попадания в рабочий объём атмосферных осадков (дождя, снега) при работе в полевых условиях.
На рис. 3 изображена принципиальная схема прибора. Кварцевый диссипативный преобразователь содержит ёмкостный датчик Cд и вакуумированный кварцевый резонатор ZQ1 на частоту 300 кГц, имеющий динамическое (эквивалентное активное) сопротивление Rд = 80 Ом и статическую ёмкость Cст = 6,5 пФ. Автогенератор выполнен по схеме ёмкостной трёхточки на транзисторе VТ1.
Переменное напряжение автогенератора после детектирования диодами VD1, VD2 с конденсатором C5 поступает на базу транзистора VТ2 и закрывает его, что приводит к уменьшению коллекторного тока транзистора; светодиод HL1 гаснет.
При отсутствии автогенерации ток коллектора транзистора УТ2 достаточен для свечения светодиода HL1. Необходимый коллекторный ток этого транзистора устанавливают подборкой резисторов делителя напряжения R4R5. По яркости свечения светодиода в момент включения прибора можно судить о достаточности напряжения его питания (3 В), получаемого от двух гальванических элементов.
По мере старения элементов питания яркость свечения светодиода уменьшается. Работоспособность прибор сохраняет до напряжения питания 2 В.
При замыкании контактов кнопки SB1 из-за большой (свыше 500000) добротности кварцевого резонатора автогенерация не может возникать мгновенно. В течение 1,5...1,8 с происходит плавное установление номинальных значений амплитуды и частоты колебаний генератора. Пока генератор не вышел на нормальный режим, светит светодиод HL1. Через указанное время генератор включается, и если в датчике прибора нет следов воды, светодиод HL1 гаснет, так как положительное напряжение на базе транзистора VT2 будет скомпенсировано отрицательным с детектора.
Погасание светодиода свидетельствует о готовности прибора к работе, т. е. к контролю свободной воды в топливе. После заливания чистого топлива в мерную кружку светодиод так и остаётся выключенным. Если же в топливе есть хотя бы одна капля (0,023...0,026 г или больше) воды, то активные потери в преобразователе резко увеличатся, что приведёт к срыву автогенерации и включению светодиода.
Заметим, что капля свободной воды в автомобильном топливе, попавшая в зазор между электродами датчика, вызывает увеличение активного сопротивления преобразователя на Rа = 400 Ом. Теоретически это соответствует включению параллельно ёмкостному датчику Cд сопротивления потерь Rп = 1 ГОм. Расчёт проводился по формуле:
Rа = Rд/(1+(omega*Cд*Rп)^2)
Чувствительность прибора устанавливают подстроечным конденсатором C1. Для проверки чувствительности к электродам датчика подключают резистор сопротивлением 750 кОм (МЛТ-0,25). Практически достаточно, держа резистор за один вывод, другим коснуться центрального электрода датчика. При нормальной чувствительности после соприкосновения вывода резистора с центральным электродом датчика светодиод включается через 1...2 с.
Если принять, что масса топлива, помещаемая в рабочий объем прибора, равна 0,5 кг, а масса капли воды в среднем - 0,025 г, то получается, что прибор надежно контролирует уже пять сотых процента свободной воды.
Испытания прибора с различными видами жидкого топлива прошли успешно. Он оказался пригодным для контроля наличия свободной воды и в других диэлектрических жидкостях, например, в ацетоне, в бензоле и др.
В. САВЧЕНКО, Л. ГРИБОВА, г. Иваново