车载在线实时监测汽油辛烷值系统的制作方法

本发明涉及一种车载在线实时监测汽油辛烷值的监测系统及其制备方法，属于监测器技术领域，也属于通信技术领域。

背景技术

随着工业和经济的不断发展,人们汽车拥有量不断上升,车用汽油市场因此不断开放。然而汽油的进货渠道不同，导致市场上的汽油质量有很大不同,出售的汽油辛烷值不确定，鱼龙混杂,劣质油比比皆是。劣质油不仅对汽车燃油机有较大损害,而且会加重尾气对空气的污染程度。针对汽油的加工和输送,要求对被加工和输送油品进行标号识别和监控,保证油品的加工、输送和管理。

辛烷值是衡量油品主要成分和质量好坏的重要标准之一。目前,汽油辛烷值检测方法虽然较多,但存在诸如成本高、操作复杂、实时性差、准确性低以及抗干扰能力差等缺点,而汽油的快速、准确检测在实际生产和应用中都是急需解决的问题。电容式传感器具有受温度影响较小、结构简单,适用于多种场合,且具有平均效应、响应速度快等明显优点，因而现在多采用电容传感器检测汽油辛烷值。陶瓷电容器有较高的使用温度，耐潮湿性能比其他类型的电容器的性能更好一些，介质损耗相对来说比较小，因为它是利用陶瓷作为电的介质的，而且它的电容温度系数的范围比较大，因此陶瓷电容器的使用范围更广泛一些。钛酸钡因具有高介电常数、压电铁电性及正温度系数等优异性能而成为重要的陶瓷材料，被广泛应用于陶瓷电容器、温度补偿元件、光电器件等。近年来，关于钛酸钡陶瓷的制备和性能已经取得了许多进展，最常用的方法是固相法，但其高温煅烧能耗较大，化学成分不均匀，影响烧结陶瓷的性能，团聚现象严重，较难得到纯batio3，粉体纯度低，原料成本较高。而通过钛酸四丁酯与碳酸钡水热反应，反应温度和压力大大降低，合成的钛酸钡粉体粒度小、分布均匀、团聚较少，粒径在60～100nm之间，该法原料价格低，粉体无需高温煅烧处理，避免了晶粒长大、缺陷的形成和杂质的引入，ba/ti物质的量比可准确地等于化学计量比，粉体具有高的烧结活性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种车载在线实时监测汽油辛烷值的介电材料监测器及制备方法。所述的监测器采用水热法合成了锆铥共掺杂的钛酸钡陶瓷介质传感器，在其中加入了dmc防爆块，使得装置不但能够向集成化和低损耗方向发展，还可以防爆，在端盖设置孔道以便所测油液的流通，在陶瓷介质传感器上引出导线与stm32处理器连接可以实现温度补偿，达到在线实时监测油液辛烷值变化和汽车所在位置。该方法通过介电材料监测器进行数据采集、数据的传输和数据记录，来实时监控监测汽油在运输过程中辛烷值的变化，超过标准将报警，从而达到汽油辛烷值的实时准确的监测，其制备方法简单，成本低，适用范围广，集成化强，实时性好。

本发明采取的技术方案为：

一种车载在线实时监测汽油辛烷值系统，其特征为该系统包括监测汽油辛烷值的介电材料监测器和stm32处理器，所述的监测汽油辛烷值的介电材料监测器的组成包括dmc防爆块、内芯电极、端盖、外环电极和防爆托盘；其中，所述的内芯电极为圆柱状，中心有自上而下的通孔；其外部套有高度相同的圆筒状的外环电极，内芯电极和外环电极均为陶瓷介质，二者之间的间隙为0.05～0.1m；外环电极和内芯电极的顶部，通过密封胶固定有端盖；端盖下固定有dmc防爆块和防爆托盘；端盖上设置有流出孔道；内芯电极和外环电极分别和导线相连，导线穿过内芯电极的通孔，与stm32处理器输入端连接；

其中，所述的内芯电极的直径为0.02～0.04m，其中部通孔的直径为0.002～0.006m；

所述的圆筒状的外环电极的内径为0.12～0.22m(直径)，厚度为0.01～0.02m。

所述的陶瓷介质的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，将浓硝酸(hno3)作为溶剂，将原料加入到浓硝酸中，超声并搅拌30min至溶解，得到混合溶液；

其中，原料的组分包括碳酸钡(baco3)、钛酸四丁酯(c16h36o4ti)、硝酸锆(zr(no3)4)、氧化铥(tm2o3)；各组分占上述组分的总质量的百分比为(baco3)40～70％，(c16h36o4ti)20～40％，(zr(no3)4)5～10％，(tm2o3)2～5％；体积比浓硝酸：钛酸四丁酯＝8:1；所述的浓硝酸的浓度为8m；

步骤二，将混合溶液转移到聚四氟乙烯内胆的不锈钢水热釜中，在180℃温度下保持24h，得到的水热产物经抽滤，无水乙醇和水洗涤后，置于80℃的烘箱中干燥6h，以1℃/min的速率升温至500℃在马弗炉中保持4h，得到锆铥钛酸钡粉体；

步骤三，将步骤二得到的锆铥钛酸钡粉体过筛，再用粉末压片机以8～10mp压制成型为坯体，再以200mp压成如所述的内芯电极、外环电极大小的中心有孔圆柱状陶瓷坯和圆筒状陶瓷坯，将得到的陶瓷坯在烧结炉中1200～1350℃烧结，保温4～10h,得到陶瓷介质；

步骤四，将步骤三中烧结好的陶瓷介质涂覆金属银的电极浆料，在烧结炉中于温度850℃下烧渗，形成中心有孔圆柱状陶瓷介质电极和圆筒状陶瓷介质电极；

步骤五，将中心有孔圆柱状陶瓷介质电极为中心，然后在其外壁设置防爆托盘，防爆托盘中设置dmc防爆块，环形dmc防爆块套在中心有孔圆柱状陶瓷介质电极上；圆筒状陶瓷电极作为电容的另一极套在中心有孔圆柱状陶瓷介质电极的外部；再在圆筒状陶瓷电极的顶部设置封盖，得到陶瓷介质传感器。

所述的车载在线实时监测汽油辛烷值系统的应用方法，包括以下步骤：

步骤一，将得到的陶瓷介质传感器与stm32处理器的信号接入端相连，所述的stm32处理器分别与led报警灯、led显示屏、蜂鸣器、无线传输模块相连；

步骤二，stm32处理器将监测到的油液介电常数根据同轴柱状电容器容量计算公式得到初始电容值，发送到stm32处理器；

步骤三，stm32处理器不断接收数据，得到的数据与初始值进行比较，超过±10％即刻报警，未超过则通过无线数据上传备查；

步骤四，led报警灯接收stm32处理器的报警信号后发出闪烁的报警光，显示屏安装在室外公共区域并在接收处理器的报警信号后在屏幕上显示报警位置，蜂鸣器接收处理器的报警信号后发出报警音，无线传输模块接收处理器的报警信号后通过无线通信技术在主机上记录数据。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的车载在线实时监测汽油辛烷值系统具有灵敏度高、稳定性好、响应—恢复时间快和实时性强等特点，解决了当前汽油燃料车载实时监测的关键技术问题，以及根据检测到油液介电常数不同，能提供不同的信号，从而对应系统控制单元内不同数据与之相匹配，实现系统检测的准确性。

(2)本发明采用锆钛酸钡陶瓷介质提高材料的介电常数，集成化加强。

(3)本发明的实时监测的系统可对电压值进行实时监测，加入dmc防爆块从而可以有效地防止爆炸。

(4)本发明采用的stm32互连型系列处理器提高了实时应用和联网设备同步通信的响应速度。此外该实时检测的系统还具有操作简单、成本低、集成性强等特点。

附图说明

图1为本发明的圆柱型电容传感器结构示意图。

图2为本发明的系统流程图。

具体的实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方法，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方法加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

以下结合附图对本发明的实施例做进一步详细描述

本发明所述的监测汽油辛烷值的介电材料监测器的结构如图1所示，其组成包括汽油流出的孔道1、碳酸二甲酯(dmc)防爆块2、中心有孔的内芯电极3、端盖4、圆筒状的外环电极5、防爆托盘6、螺母7、引出的导线8、螺杆9；其中，所述的内芯电极3为圆柱状，中心有自上而下的通孔；其外部套有高度相同的圆筒状的外环电极5，内芯电极3和外环电极5均为陶瓷介质，二者之间的间隙为0.05m；外环电极5和内芯电极3的顶部，通过密封胶固定有端盖4；螺杆9由上到下依次通过端盖4、dmc防爆块2和防爆托盘6(其中，防爆块为环状，紧贴套在内芯电极的外壁上，厚度0.03m,高度为0.01m，)并通过螺母将三者串联固定；端盖4上还设置有流出孔道1；内芯电极3和外环电极5分别和导线8相连，导线8穿过内芯电极3的通孔，与stm32处理器输入端连接；

其中，所述的内芯电极3的直径为0.02～0.04m，其中部通孔的直径为0.002～0.006m；

所述的圆筒状的外环电极5得内径为0.12～0.22m(直径)，厚度为0.01～0.02m；

实施例1

量取160ml8mol/l的浓硝酸(hno3)，浓硝酸与钛酸四丁酯加入量的体积比比值为8:1，总量为180ml,将碳酸钡(baco3)16.4797g、钛酸四丁酯(c16h36o4ti)20ml、硝酸锆(zr(no3)4)2.2g、氧化铥(tm2o3)0.55g加入到浓硝酸中，超声并搅拌30min至溶解，将混合溶液转移到200ml聚四氟乙烯内胆的不锈钢水热釜中，在180℃温度下保持24h，得到的水热产物经抽滤，无水乙醇和水洗涤3次后，置于80℃烘箱中干燥6h，以1℃/min的速率升温至500℃在马弗炉中保持4h，得到锆铥钛酸钡粉体。然后过60目的筛，再用粉末压片机以10mp压制成型为坯体，再以200mp压成中心有孔的圆柱状和圆筒状陶瓷坯，制备出内径为r2＝0.12m，高度为l＝0.05m的圆筒状陶瓷介质为外电极基体(厚度为0.01m)；以及外径为r1＝0.01m，高度为l＝0.05m，中部通孔的半径为r＝0.002m的圆柱状陶瓷介质为内电极基体，将成型好的陶瓷坯体经过排胶工艺后，将得到的陶瓷坯在烧结炉中1250℃烧结，保温8h，得到陶瓷介质。烧结好的陶瓷介质涂覆金属银的电极浆料(所述的电极浆料为纯银浆料，其组成包括占浆料质量百分比70～87％的银、3～10％的粘结剂和10～20％的有机载体；其中，粘结剂的组成包括占粘结剂质量20～50％的铅硼硅酸盐玻璃，50～80％的铋硼硅酸盐玻璃；有机载体的组成包括占有机载体质量10.5％的粘度为60cps的聚乙烯醇缩丁醛(pvb)和89.5％的溶剂；所述的溶剂的组成包括占溶剂质量28wt％的邻苯二甲酸二丁酯、28wt％的柠檬酸三丁酯、16wt％的松油醇，28wt％的二甲苯)涂覆电极浆料的厚度为1mm左右，涂覆在3的内、外壁和5的内壁上，在烧结炉中于温度850℃下烧渗，形成中心有孔的圆柱状和圆筒状陶瓷介质电极。在圆筒状的外环电极5上设置端盖4，并用密封胶密封接口，在端盖4上设置螺杆9，在外环电极5和内芯电极3间隔处将防爆块2和防爆托盘6通过螺杆设置在端盖4下，并用螺母固定，在两陶瓷内表面分别引出导线，形成陶瓷介质传感器(防爆块为环状，内径同内芯电极的外径；厚度0.02～0.04m,高度为0.01m)。通过hewlettpackard4278a测试陶瓷介质在20℃、1kh下的介电常数为6005，将得到的陶瓷介质传感器放入运油车内，测出油液初始的介电常数，根据同轴柱状电容器容量计算公式得到初始电容值如表1，陶瓷介质传感器与stm32处理器的信号接入端相连，将监测到的油液电容值发送到stm32处理器，stm32处理器分别与led报警灯、led显示屏、蜂鸣器和无线传输模块相连，无线传输模块接收处理器的报警信号后通过无线通信技术在主机上记录数据。结合本发明的系统流程图如图2所示详细描述流程，先将设备开机，测出装车出发电容初始值，运油车在行进的过程中，监测器实时监控与检测油液的电容值，不断将测得的数据进行传输，与初始值比较，超过±10％时，led报警灯接收stm32处理器的报警信号后发出闪烁的报警光，显示屏安装在室外公共区域并在接收处理器的报警信号后在屏幕上显示报警位置，蜂鸣器接收处理器的报警信号后发出刺耳的报警音，未超过的数据上传备查，运油车到达目的地，任务结束。

本发明的机理为：两电极之间形成截面为圆环形的流道联通减小了边缘效应对电容值的影响，在机械设备里油液的品质降低，随着油液中氧化产物的增多会使油液的介电常数值改变，被测油液从传感器两极间流过，避免了以上现象的产生，通过测量圆柱形传感器的电容值间接获得油液介电常数值，锆铥的添加提高了陶瓷材料的介电常数，以致电子器件不断向集成化和低损耗方向发展。

实施例2

实施例2与实施例1的过程基本相同，所不同的是配料(zr(no3)4)5.4g，(tm2o3)1.08g，将成型好的，尺寸与实施例1相同的陶瓷配体经过排胶工艺后，在烧结炉中1300℃烧结，保温8h，得到陶瓷介质。测得陶瓷介质的介电常数和不同汽油介电常数液体电容的测试结果如表1所示。

实施例3

实施例3与实施例1的过程基本相同，所不同的是配料(zr(no3)4)8.2g，(tm2o3)1.64g，将成型好的，尺寸与实施例1相同的陶瓷配体经过排胶工艺后，在烧结炉中1350℃烧结，保温8h，得到陶瓷介质。测得陶瓷介质的介电常数和不同汽油介电常数液体电容的测试结果如表1所示。

所述的dmc防爆块，dmc防爆块的耐温高达120℃，因此，当发生电流型产品故障时，电容器金属化膜的熔融温度为120℃，dmc防爆块不会膨胀，可以达到防爆的目的。而且在防爆块与端盖之间设置误爆间隔后，还可以避免其它误操作导致爆炸的事故发生,提高电容器的安全性能。

所述的油液的介电常数受温度影响，通过stm32处理器完成油液温度信号的采集与记录，采用温度补偿技术，安晓星等人在电容式液体介电常数测试仪的研究中表明通过matlab软件进行拟合得到不同温度时汽油的介电常数与原始汽油介电常数的差值(即汽油的温度补偿值)和温度的函数关系式。将函数关系式加入温度补偿值，就得到了在测量汽油的介电常数时考虑了温度因素的关系式(在软件中通过调用温度测量子程序实现温度的测量)，可以将测量的汽油的温度补偿编程时写在子程序中，每次调用相应的测量程序。本发明涉及的软件或协议均为公知技术。

所述的汽油介电常数来测定汽油辛烷值，辛烷值受理化指标的影响，通过辛烷值来计算馏程和蒸气压，将馏程合并为与10％、50％和90％蒸发温度相关的函数,得到与汽油辛烷值相关的温度系数t，如下：t＝(t10/100)^0.67(t50/100)^1.00(t90/100)^1.57其中，t为温度系数；t为蒸发温度(℃)。汽油辛烷值指数(p)：lnp＝1.530+4.829d-1.515t+1.84dt，r²＝0.9180其中，d为汽油20℃密度，g/cm3；t为温度系数。通过计算进行馏程、蒸气压的补偿。

所述的同轴圆柱电容器电容计算公式，设陶瓷介质电容与被测汽油对应的电容分别为c1、c2，则有c1＝2πεcε0l/ln(r1/r)，c2＝2πεrε0l/ln(r2/r1)，公式中，r为内芯电极陶瓷介质内孔的半径，r1为内芯电极陶瓷介质的半径，r2为外环电极内表面半径，l为传感器的高度，εc为陶瓷介质材料的相对介电常数，εr为被测液体的相对介电常数，ε0为真空介电常数，数值为8.85×10^-12f/m。传感器的总电容c可视为c1和c2的串联，它的表达式为：c＝c1c2/(c1+c2)＝2πεcεrε0l/(εrln(r2/r1)+εcln(r1/r))。

测试中，通过汽油的介电常数来测定辛烷值p，辛烷值受理化指标的影响，通过辛烷值来计算馏程和蒸气压，10％、50％和90％蒸发温度分别不能超过70℃、120℃、190℃,测得汽油20℃的密度d,根据lnp＝1.530+4.829d-1.515t+1.84dt，得到温度系数t,通过t＝(t10/100)^0.67(t50/100)^1.00(t90/100)^1.57进行馏程以及蒸气压的补偿。在补偿后的馏程和蒸气压下，以实施例1为例，r1＝0.01m，r2＝0.12m，r＝0.002m，l＝0.05m,ε0＝8.85×10^-12f/m,εr为汽油的相对介电常数，即为表1中介电常数所示，通过hewlettpackard4278a测试陶瓷介质在20℃、1kh下的介电常数εc＝6005，通过c1＝2πεcε0l/ln(r1/r)，c2＝2πεrε0l/ln(r2/r1)得到陶瓷介质电容c1与被测汽油对应的电容c2，再通过c＝c1c2/(c1+c2)测得传感器的总电容c。实施例2、3按照相同方法计算，得到的陶瓷介质介电常数和不同汽油介电常数液体电容的测试结果如表1所示。表1中测得的电容即为基本值，超过±10％时led报警灯接收stm32处理器的报警信号发出闪烁的报警光，显示屏在接收处理器的报警信号后在屏幕上显示报警位置，蜂鸣器接收处理器的报警信号后发出刺耳的报警音，无线传输模块接收到处理器报警信号传输到主机，未超过的通过无线传输模块上传备查。

表1不同汽油介电常数液体电容的测试结果

从表1中可以看出，随着硝酸锆和氧化铥含量的增加，陶瓷材料的介电常数也增加，使得电子器件不断向集成化和低损耗方向发展。因此本发明向钛酸钡中添加硝酸锆和氧化铥，采用水热法制备含锆、铥的钛酸钡陶瓷介质传感器，提高陶瓷材料的介电常数,使得电子器件不断向集成化和低损耗方向发展。

本发明未尽事宜为公知技术。