СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКТАНОВЫХ ЧИСЕЛ АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВ Российский патент 1997 года по МПК G01N27/22 G01N33/22 

Предлагаемое изобретение относится к способам и устройствам исследования или анализа топлив, в частности автомобильных бензинов, с помощью электрических средств и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности, при транспортировке, хранении и реализации топлив во всех областях промышленности, где необходим оперативный контроль качества автобензинов.

При использовании в двигателях бензинов различных марок основным фактором, определяющим мощностные и экономические показатели двигателя, является детонационная стойкость бензина. Стойкость бензина к возникновению детонационного сгорания зависит от его группового химического состава, количества в нем стойких к детонации соединений и наличия антидетонационных присадок.

На практике детонационную стойкость топлив оценивают октановыми числами (ОЧ).

Разработан и стандартизирован ряд методов определения ОЧ. В частности, для автомобильных марок бензина применяют два метода моторный и исследовательский, которые различаются режимами работы моторной установки для определения ОЧ. Для бензинов А-72, А-76 ОЧ определяют по моторному методу (ОЧМ). Для бензинов АИ-93, АИ-98 ОЧ определяют обоими указанными методами (ОЧМ и ОЧИ). Оценка одновременно двумя методами дает возможность определить чувствительность топлива к изменению режима. Чувствительность оценивают разностью ОЧ, полученных исследовательским и моторным методами [1]
Известен способ определения октанового числа бензинов, основанный на измерении ИК-спектров в ближней ИК области частот. При контроле октанового числа или цетанового числа комплексной смеси, содержащей углеводороды и/или замещенные углеводороды, измеряют величину поглощения в ближней ИК области спектра на одной длине волны в одном или нескольких диапазонах, выбранных из группы, состоящей из следующих диапазонов: 1572-1698, 1700-1726, 824-884, 2058-2130 нм. Осуществляют математическое преобразование этого сигнала в выходной сигнал, определяющий октановое число или цетановое число смеси [2]
Существенным недостатком спектрального метода является отсутствие чувствительности к добавлению присадок, повышающих октановое число бензинов. Это приводит к низкой точности измерения.

Известен также способ определения октанового числа топлив, по которому подают воздух и топливо в сферический реактор, нагретый до 280-320 град.С. После окончания реакции холоднопламенного окисления октановое число определяют по максимальному значению температуры реакции холоднопламенного окисления топлива [3]
Способ холоднопламенного окисления требует предварительной калибровки, на установке сложно добиться устойчивого режима работы, и как следствие определение октанового числа осуществляется с большой погрешностью.

Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является способ определения октанового числа (ОЧ) топлив, заключающийся в сравнении детонационной стойкости испытуемого и эталонного топлив, для его на реальном двигателе при его работе на различных эталонных топливах получают калибровочную детонационную кривую, приготавливают рабочие топлива с различным процентным содержанием в испытуемом топливе углеводорода с низкой детонационной стойкостью, после чего доводят работу двигателя на этих топливах до детонационного режима и по детонационной кривой определяют ОЧ в зависимости от процентного содержания углеводорода (информационный параметр) в эталонном топливе [4] прототип.

Недостатком известного способа является значительная длительность испытаний (120 мин), дороговизна самой установки и эталонных топлив. Кроме того, этот способ может быть использован только на стационарной крупногабаритной установке.

Цель изобретения повышение быстродействия способа с одновременным сохранением точности.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе определения октанового числа автомобильных бензинов, включающем определение ОЧ различных эталонных бензинов по моторному и исследовательскому методам, построение калибровочной зависимости информационного параметра от ОЧ и последующую идентификацию ОЧ анализируемой пробы по этой кривой, согласно изобретению в качестве информационного параметра используют диэлектрическую проницаемость ε, при этом в процессе измерения диэлектрической проницаемости анализируемой пробы дополнительно замеряют текущее значение температуры и плотности пробы, а ОЧ анализируемой пробы определяют по следующей зависимости
ОЧ = a₁ε²-a₂ε³+a₃ε+bρ+cT,
где ОЧ октановое число, ед. ОЧ;
а₁; а₂; а₃; b; с постоянные коэффициенты, определяемые при калибровке;
ε измеренное значение диэлектрической проницаемости;
P измеренное значение плотности;
T измеренное значение температуры.

Новым по отношению к способу по прототипу является совокупность измеряемых параметров (диэлектрической проницаемости пробы, температуры и плотности), взаимосвязанная с ОЧ пробы.

Теоретической основой предлагаемого способа определения октанового числа автомобильных бензинов послужила известная взаимосвязь электрофизического параметра нефтепродуктов (диэлектрическая проницаемость) со структурными и фазовыми превращениями в смесях [5]
Известно использование для контроля за изменением эксплуатационных свойств масла, в качестве информационного параметра совокупности двух различных физических величин: e диэлектрической проницаемости работавшего и свежего масла, и k электропроводности работавшего и свежего масла [6]
Для подтверждения взаимосвязи ОЧ топлив с диэлектрической проницаемостью без учета температуры пробы и плотности, а потом и с учетом этих параметров (Р, Т), были проведены испытания эталонных бензинов с известным ОЧ и с известным составом по моторному и исследовательскому методу. Перечень образцов представлен в табл. 1. Затем эти же топлива исследовались предлагаемым способом, то есть измерялась диэлектрическая проницаемость пробы с учетом температуры и плотности пробы.

На основании результатов испытаний нескольких сотен товарных образцов автобензинов установлена функциональная зависимость между стандартным показателем ОЧ и диэлектрической проницаемость, плотностью и температурой и сформирована база данных калибровочных зависимостей, что позволило в заявляемом способе использовать эту базу данных как номенклатуру задаваемых величин для ввода в вычислительное устройство. В табл. 2 представлен фрагмент базы данных для конкретных бензинов.

Прототип устройства для определения ОЧ автомобильных бензинов является устройство для измерения диэлектрических параметров жидких сред, содержащее емкостной датчик, включенный в частотно-зависимую цепь модулирующим и компенсирующим конденсатором, счетное устройство, блок индикации и блок ввода данных [7]
Недостатками данного устройства являются ограниченный диапазон измерений проводимости d (из-за малых пределов расстройки контура), а также низкая точность, та как измерения производятся косвенным способом за счет модулирующего и компенсирующего конденсаторов; применение компенсирующего конденсатора необходимо для измерения расстройки контура, что дополнительно уменьшает диапазон измеряемых параметров.

Цель изобретения повышение быстродействия измерений с одновременным сохранением точности.

Указанная цель достигается тем, что известное устройство для определения ОЧ автомобильных бензинов, содержащее емкостной датчик измерения диэлектрической проницаемости пробы, включенный в частотно-зависимую цепь автогенератора, подключенного к вычислительному блоку, соединенному с блоком ввода данных и блоком индикации, согласно изобретению дополнительно содержит датчик температуры пробы, датчик плотности пробы, масштабирующие усилители, и соединенные параллельно с емкостным датчиком элементы компенсации, к одному из которых последовательно через первый масштабирующий усилитель подключен датчик температуры, а к другому последовательно через второй масштабирующий усилитель подключен датчик плотности, при этом емкостной датчик выполнен в виде двух коаксиально расположенных вертикальных цилиндрических электродов, установленных с межэлектродным зазором, внешний из которых герметично закреплен на основании из непроводящего материала, с наружной стороны которого установлен датчик плотности, а датчик температуры размещен во внутреннем цилиндрическом электроде.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для определения октанового числа автомобильных бензинов; на фиг. 2 емкостной датчик; на фиг. 3 - зависимость частоты автогенератора от диэлектрической проницаемости и ОЧ пробы бензина; на фиг. 4 зависимость частоты автогенератора от изменения плотности бензинов; на фиг. 5 зависимость частоты автогенератора от изменения температуры бензинов; на фиг. 6 фотография устройства.

Устройство для определения ОЧ автомобильных бензинов (фиг. 1) состоит из емкостного датчика 1, включенного в частотно-зависимую цепь автогенератора 2. Параллельно емкостному датчику 1 подключены элементы 3 и 4 компенсации, к одному из которых 3 через первый масштабирующий усилитель 5 подключен датчик 6 температуры, а к другому элементу 4 последовательно через второй масштабирующий усилитель 7 подключен датчик 8 плотности. Выход автогенератора 2 соединен с вычислительным блоком 9, результаты анализа которого поступают на блок 10 индикации. Ввод констант (см. табл. 2) и калибровочных кривых в память вычислительного блока 9 осуществляется через блок 11 ввода данных. Управление устройством осуществляется кнопками на панели 12 прибора.

Емкостный датчик 1 (фиг. 2) выполнен в виде двух внешнего 12 и внутреннего 13 коаксиально расположенных вертикальных цилиндрических электродов, установленных с межэлектродным зазором. Внешний электрод-цилиндр 12 герметично закреплен на основании 14 из непроводящего материала (например фторопласт). На наружной стороне основания 14 закреплен датчик 8 плотности. Датчик 6 температуры закреплен во внутреннем 13 электроде-цилиндре.

Фактически емкостной датчик 1 представляет собой стакан с цилиндрической перегородкой (внутренний 13 электрод).

Габаритные размеры датчика выбраны исходя из условия рационального заполнения датчика испытуемым бензином:
Н₁ высота датчика 100 м;
Н₂ высота внешнего электрода 80 мм;
Н₃ высота внутреннего электрода 76 мм;
D₁ внутренний диаметр внешнего электрода 38 мм;
D₂ внутренний диаметр внутреннего электрода 30 мм;
h₁ толщина стенки электродов 2 мм;
h₂ зазор между электродами 2 мм.

На фиг. 3 приведен график зависимости частоты автогенератора от величины октанового числа бензинов (диэлектрической проницаемости), полученный путем измерения устройством разных марок бензинов, в результате статистической обработки получены усредненные характеристики для неэтилированных бензинов при температуре 20 град.С. Данные графика фиг. 3 занесены в память микропроцессора 9, с которого сигнал (результат) поступает на индикатор 10, на котором высвечивается октановое число пробы.

На фиг. 4 приведена зависимость частоты автогенератора от изменения плотности пробы автобензина.

На фиг. 5 приведена зависимость частоты автогенератора от изменения температуры пробы автобензина.

Все блоки и узлы устройства, реализующего способ, могут быть смонтированы из стандартных элементов, выпускаемых промышленностью.

Как вариант автогенератор 2 собран на микросхеме 1006 ВИ; первый 5 и второй 7 масштабирующие усилители на микросхемах 140 УД 7 [8] элементы 3 и 4 компенсации реализованы на варикапах КВ-104, датчики 6, 8 температуры и плотности соответственно на терморезисторе ММТ-4-1-- кОм и на тензорезисторе С-2-16 [9]
В качестве вычислительного блока 9 взят микропроцессор типа Р1С 16 С 84 [10] Блок 10 индикации реализован на жидкокристаллическом индикаторе типа ИЖУ-5-4/8 [11] Блок 11 ввода данных представляет собой персональный компьютер 1ВМ-486 с программным обеспечением.

Управление последовательностью определения октанового числа автобензинов осуществляется кнопками на панели устройства 12.

Таким образом, сущность изобретения заключается в оперативности получения показателя (время определения ОЧ 10 с), однозначно характеризующего принадлежность пробы к той или иной марке бензинов.

Действительно, исследования диэлектрической проницаемости e эталонных образцов бензинов (с известным ОЧ), проводившиеся с помощью емкостного датчика 1, показали, что любой образец бензина может быть надежно идентифицирован по характерному набору величин: e, Р и Т. При этом e может быть с допустимой погрешностью преобразована в частоту генератора 2.

Способ осуществляется следующим образом. В вычислительный блок 9 вводят один раз на длительный период базу данных (см. табл. 2 столбцы 1-7). После включения блока питания с выхода автогенератора 2 поступает на вход вычислителя 9 частота f₀, характерная для ненаполненного емкостного датчика 1. Затем в стакан емкостного датчика 1, образованный сообщающимися проводящими коаксиальными цилиндрами 12 и 13 заливают пробу исследуемого бензина, при этом изменяется значение диэлектрической проницаемости e емкостного датчика 1, и с выхода автогенератора 2 на вход вычислительного блока 9 поступает частота f₁, характерная для данной пробы, которая зависит от состава и текущих значений плотности P (датчик 8) и температуры Т (датчик 6) бензина. Поэтому одновременно с выхода электронного масштабирующего усилителя 7 датчика плотности 8 снимают управляющее напряжение, пропорциональное плотности конкретной пробы, которое изменяет емкость корректирующего конденсатора-варикапа (элемента компенсации 4). Одновременно с выхода электронного масштабирующего усилителя 5 датчика температуры 6 снимают управляющее напряжение, пропорциональное значению температуры Т, которое поступает на корректирующий конденсатор-варикап (элемент компенсации 3) для коррекции емкости емкостного датчика 1, в результате чего частота автогенератора 2 корректируется по заданной программе в зависимости от плотности согласно фиг. 4 и в зависимости от температуры согласно фиг. 5. Таким образом, в результате число импульсов автогенератора f₁ эквивалентно октановому числу фиг. 3. Обработка данных с автогенератора 2 производится вычислительным блоком 9, где осуществляется расчет ОЧ пробы по математической зависимости
ОЧ = a₁ε²-a₂ε³+a₃ε+bρ+cT,
а результат высвечивается на жидкокристаллическом индикаторе 10.

Масштабирование усилителей 5 и 7 производится при калибровке с использованием эталонного неэтилированного низкооктанового бензина при температуре +20^oС.

Температурная Т коррекция ухода частоты автогенератора 1 и коррекция свойств пробы при изменении плотности производится подстроечными элементами компенсации 3, 4 в небольших пределах: изменение плотности нефтепродукта компенсируется подстройкой емкости в пределах 2 пФ; температурный уход частоты автогенератора 1 компенсируется подстройкой емкости в пределах 1 пФ на 10 град.С.

Для примера, при измерении бензина марки А-76 при температуре +20 град.С неэтилированного частота автогенератора составит 4650 Гц (фиг. 3). В то же самое время для этилированного с плотностью, отличающейся от неэтилированного (см. табл. 2), будет внесена автоматическая поправка емкостью элемента компенсации частоты +10 (фиг. 4) и при этом частота также останется 4650.

Пример. При включении питания и до наполнения емкостного датчика 1 бензином автогенератор работает с частотой f 7000 Гц, на индикаторе 10, выполненном на основе жидких кристаллов, высвечивается 0000, и устройство готово к измерениям октанового числа бензина.

Емкостной датчик 1 заполняют (см. табл. 2 строка 3) автобензином А-76 в количестве 70 см³, измеряют одновременно частоту f следования импульсов автогенератора 2, плотность Р (8) и температуру Т (6) автобензина.

После заполнения датчика 1 бензином возрастает емкость автогенератора 2, что приводит к уменьшению частоты до величины f₁ 5000-4200 Гц согласно графику фиг. 3, зависящей от марки бензина, его плотности и температуры проведения измерений, причем поправки вносятся автоматически.

Плотность бензина регистрируется датчиком 8 (Р 0,719), сигнал с которого поступает на масштабирующий усилитель 7. Напряжение, пропорциональное плотности, поступает на элемент компенсации (варикап), изменяет емкость последнего и соответственно корректирует частоту автогенератора 2 согласно графику фиг. 4 (выбирается коэффициент b).

Одновременно с термодатчика 6 (Т 18^oС) на вход масштабирующего усилителя 5 поступает сигнал, пропорциональный температуре анализируемого бензина. Напряжение с выхода масштабирующего усилителя 5 изменяет емкость элемента компенсации 3 (варикапа), что в свою очередь корректирует частоту автогенератора 2, согласно графику фиг. 5 (выбирается коэффициент с). Это компенсирует влияние температуры, устройство позволяет производить измерения в диапазоне температур от минус 15 до плюс 40 град. С и не снижает точности измерений ниже допустимой (см. табл. 2 столбцы 11 и 12).

По окончании измерения выливают пробу, выключают блок питания и сушат датчик: после чего он готов для следующего измерения.

Таким образом, заявляемый способ и устройство позволяют оперативно (в течение 5-10 с) определять ОЧ автомобильных бензинов с допустимой степенью точности (см. табл. 2).

Заявляемое техническое решение в соответствии с п. 1 ст. 4 "Закона." отвечает критериям патентоспособности.

Способ и устройство являются новыми, так как авторам не известны технические решения как из патентной, так и научно-исследовательской информации (кроме приведенных в материалах заявки аналогов и прототипов), в которых была бы представлена вся совокупность отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения (математическая зависимость, отражающая взаимосвязь измеряемых параметров ε, Р, Т, ОЧ) и контрольных, используемых в качестве базы данных.

Заявляемое техническое решение имеет изобретательский уровень, так как показатель ОЧ6 эквивалентный диэлектрической проницаемости при определенной температуре Т и плотности Р пробы для любого специалиста в данной области явным образом не следует из известного уровня техники, а требует научных исследований для выявления взаимосвязи и корреляционных коэффициентов а₁, а₂, а₃, b, с).

Способ и устройство промышленно применимы, так как имеется программа для обработки результатов измерения и изготовлен прибор (см. фиг. 6), который прошел аттестационные испытания в Томском центре стандартизации, метрологии и сертификации (Свидетельство N 273 от 29.05.96) и рекомендован к широкому применению в промышленности.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Покровский Г.П. Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости.

М. Машиностроение, 1985, с. 35-37.

2. Патент США N 5349188, G 01 N 21/35.

3. Авт.свид. СССР N 1245975, кл. G 01 N 25/20, 1983.

4. Авт.свид. СССР N 1416909, кл. G 01 N 33/22, 1986 (прототип способа).

5. Ф.Эме. Диэлектрические измерения. М. Химия, 1967, с. 223.

6. Авт.свид. СССР N 1673945, кл. G 01 N 27/02, 1989.

7. Авт. свид. СССР N 1567954, кл. G 01 N 27/22, 1987 (прототип устройства).

8. Справочник по микросхемам аналоговым. М. Связь, 1995, с. 76.

9. Справочник радиолюбителя. М. Связь, 1990, с. 11-26.

1О. Каталог фирмы Microchip, 1996.

11. Справочник радиолюбителя. М. Связь, 1995, с. 18.

Способ определения октанового числа автомобильных бензинов заключается в определении значения октанового числа (ОЧ) по зависимости ОЧ = a₁ε²-a₂ε³+a₃ε+bρ+cT, где ε - диэлектрическая проницаемость, ρ - плотность, г/см₃, Т - температура, ^oС, а₁, а₂, а₃, b, с - постоянные коэффициенты, определяемые при калибровке. Устройство для определения октанового числа содержит емкостной датчик 1, включенный в частотно-зависимую цепь автогенератора 1. Параллельно датчику 1 подключены элементы 3 и 4 компенсации. К одному элементу 3 через масштабирующий усилитель 5 подключен датчик 6 температуры, а к другому элементу 4 через второй масштабирующий усилитель 7 подключен датчик 8 плотности. Выход автогенератора 2 соединен с вычислительным блоком 9, результаты с которого поступают на блок 10 индикации. Вычислительный блок соединен с блоком 11 ввода данных. Емкостной датчик содержит два коаксиальных цилиндрических электрода, расположенных вертикально. Внешний электрод герметично закреплен на непроводящем основании. Датчик плотности установлен с наружной стороны внешнего электрода, а датчик температуры - внутри емкостного датчика. 2 с.п. ф-лы, 2 табл., 6 ил.

1. Способ определения октанового числа (ОЧ) автомобильных бензинов, включающий определение ОЧ различных эталонных бензинов по моторному и исследовательскому методу, построение калибровочной зависимости информационного параметра от ОЧ и последующую индентификацию ОЧ анализируемой пробы по этой кривой, отличающийся тем, что в качестве информационного параметра используют диэлектрическую (ε) проницаемость, при этом в процессе измерения диэлектрической проницаемости анализируемой пробы дополнительно замеряют текущее значение температуры и плотности пробы, а ОЧ анализируемой пробы определяют по следующей зависимости:
ОЧ = a₁ε²-a₂ε³+a₃ε+bP+cT,
где а₁, а₂, а₃, b, c постоянные коэффициенты, определяемые при калибровке;
ε - измеренное значение диэлектрической проницаемости;
Р измеренное значение плотности, г/см³;
Т измеренное значение температуры, ^oС. 2. Устройство для определения октанового числа (ОЧ) автомобильных бензинов, содержащее емкостный датчик измерения диэлектрической проницаемости пробы, включенный в частотно-зависимую цепь автогенератора, подключенного к вычислительному блоку, соединенному с блоком ввода данных и блоком индикации, отличающееся тем, что дополнительно содержит датчик температуры пробы, датчик плотности пробы, масштабирующие усилители и соединенные параллельно с емкостным датчиком элементы компенсации, к одному из которых последовательно через первый масштабирующий усилитель подключен датчик температуры, а к другому последовательно через второй масштабирующий усилитель датчик плотности, при этом емкостный датчик выполнен в виде двух коаксиально расположенных вертикальных цилиндрических электродов, установленных с межэлектродным зазором, внешний из которых герметично закреплен на основании из непроводящего материала, с наружной стороны которого установлен датчик плотности, а датчик температуры размещен внутри емкостного датчика.