УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА НЕЭТИЛИРОВАННОГО БЕНЗИНА Российский патент 1998 года по МПК G01N21/35 G01N33/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при построении различных автоматизированных измерительных приборов и систем для измерения октанового числа неэтилированных бензинов при производстве, хранении и контроле бензинов, в частности для создания нефтехимической измерительной аппаратуры.

Известно устройство для определения октанового числа неэтилированного бензина [1] на основе специального измерительного мотора, функционирующего на принципе сравнения анализируемого бензина с известной смесью.

Устройство включает в себя специальный мотор и измерительный модуль для определения возникновения детонации при определенной степени сжатия бензина.

Устройство работает следующим образом. При работе измерительного мотора с определенным бензином определяется повышение степени сжатия до момента возникновения детонации, величина которой регистрируется измерительным модулем устройства. Эти измерения проводятся последовательно для смеси с известным октановым числом (обеспечивается калибровка устройства) и для анализируемого бензина. По соотношению степеней сжатия, соответствующих калибровочному и анализируемому бензину, определяется октановое число анализируемого бензина.

Устройства на базе измерительных моторов имеют ряд принципиальных недостатков: длительное время анализа, высокую трудоемкость и стоимость анализа, большие размеры.

Известно устройство для измерения октанового числа неэтилированного бензина [2], созданного на принципе холодного горения.

Устройство состоит из узла, обеспечивающего холодное горение бензина, и измерительного узла.

Принцип работы устройства заключается в окислении бензина без возникновения процесса горения, который контролируется измерительным узлом. По измеренным характеристикам процесса вычисляется октановое число бензина.

Такие устройства обеспечивают измерение октанового числа за время, превышающее 5 минут.

Недостатками таких устройств являются большая сложность в эксплуатации, значительные габариты и высокая стоимость, а также достаточно большое время измерения октанового числа бензина.

Известно устройство для измерения октанового числа неэтилированного бензина [3] , функционирующее на основе газовой хроматографии, обладающее достаточно высокой точностью измерения октанового числа.

Устройство состоит из газового хроматографа и расчетно-вычислительного блока.

Устройство работает следующим образом. Проба бензина подвергается хроматографическому разделению в хроматографе, данные регистрации с которого поступают в расчетно-вычислительный блок. В последнем на основе известных соотношений между хроматографическими свойствами бензинов и их октановыми числами осуществляется определение октанового числа.

К недостаткам этих устройств относятся высокая стоимость и невозможность выполнения их в компактном переносном виде.

Известно устройство для измерения октанового числа неэтилированного бензина [4], выбранное за прототип, содержащее электронный блок, источник оптического излучения, фотоприемное устройство, кювету и матрицу фильтров. Эти узлы обеспечивают определение оптических свойств бензина и измерение по них октанового числа.

Устройство работает следующим образом. В качестве источника излучения используется многоэлементный излучатель, перед которым установлена матрица фильтров. Для приема оптического излучения служит фотоприемное устройство. Матрица фильтров устанавливается между источником излучения и кюветой, предназначенной для заливания в нее пробы бензина. Электронный блок обеспечивает работу оптических элементов и обработку сигнала с фотоприемного устройства.

Матрица фильтров состоит из 14 интерференционных полосовых фильтров ближнего инфракрасного диапазона с различными длинами волн пропускания. Коротковолновая и длинноволновая границы пропускания матрицы фильтров имеют значения 910 нм и 1000 нм соответственно. Излучение от каждого из элементов источника излучения проходит через матрицу фильтров и кювету на фотоприемное устройство. Благодаря тому, то различные фильтры матрицы имеют различные длины волн пропускания, поочередное включение элементов источника излучения позволяет получить набор оптических данных пробы бензина для соответствующего набора длин волн излучения. По этим оптическим данным электронный блок рассчитывает октановое число бензина.

Данное устройство позволяет осуществить измерение октанового числа неэтилированного бензина за сравнительно небольшое время, порядка нескольких минут. Возможно выполнение устройства в портативном виде.

Такие устройства имеют ряд существенных недостатков: низкую точность измерения и высокую стоимость. Эти недостатки связаны с тем, что матрица фильтров располагается перед источником излучения. Поэтому для разделения оптических сигналов, соответствующих различным фильтрам матрицы, необходимо поочередное включение отдельных элементов источника излучения. Это приводит к усложнению и соответствующему удорожанию устройства. Кроме того, некоррелированные изменения в яркости излучения отдельных элементов источника излучения снижают точность измерения. В частности, для достижения требуемой точности измерения устройством-прототипом необходимо трехкратное проведение измерения с последующим усреднением результатов [4], что крайне трудоемко. Кроме того, диапазон длин волн пропускания матрицы фильтров (т.е. значения коротковолновой и длинноволновой границ) не позволяет измерить оптические свойства бензина на длинах волн, поглощение на которых коррелирует со значением октановых чисел бензина.

Технической задачей, решение которой обеспечивается предложенным изобретением, является создание устройства для измерения октанового числа неэтилированного бензина, позволяющего повысить точность измерения и снизить стоимость устройства.

Данная задача осуществляется тем, что матрицы фильтров установлены между кюветой и фотоприемным устройством, состоящим из набора фотоприемников, каждому из которых соответствует определенный фильтр матрицы, причем коротковолновая граница пропускания матрицы фильтров находится в пределах 860...900 нм, а длинноволновая граница пропускания матрицы фильтров находится в пределах 1020...1070 нм.

Благодаря этому источник излучения может использоваться в непрерывном режиме излучения независимо от того, состоит ли источник из нескольких элементов или является одноэлементным. Поэтому существенно упрощаются обработка сигналов и устройство электронного блока, снижается стоимость устройства в целом.

Кроме того, для любого варианта источника излучения (одноэлементного или многоэлементного) рассогласование яркости отдельных элементов или распределение яркости излучения по поверхности источника излучения перестает влиять на точность измерения, так как все оптические потоки будут суммироваться на каждом из фотоприемников фотоприемного устройства, в результате чего повышается точность измерения.

На чертеже представлена обобщенная структурная схема измерительного устройства, в которую входят:
1 - электронный блок;
2 - источник излучения;
3 - кювета (прозрачная и непрозрачная);
4 - матрица фильтров;
5 - фотоприемный блок, состоящий из набора фотоприемников.

Устройство функционирует следующим образом. Излучение от источника излучения 2 распространяется через кювету 3, проходит через матрицу фильтров 4 и регистрируется фотоприемным блоком 5. Сигнал с фотоприемного блока 5, несущий информацию об оптических свойствах кюветы 3 и измеряемой среды - бензина, находящегося в кювете 3, поступает на обработку в электронный блок 1.

Измерение осуществляется в три этапа:
с кюветой 3, обеспечивающей полное перекрытие пучка излучения (непрозрачной), без пробы бензина,
с пустой кюветой 3 (прозрачной) без пробы бензина,
с кюветой 3 (прозрачной) с пробой бензина.

Такой вариант измерения позволяет автоматически с помощью электронного блока 1 компенсировать разбаланс темновых токов и чувствительности отдельных фотоприемников фотоприемного блока 5 и мощности излучения источника излучения 2. В электронном блоке 1 на основе характеристик бензинов по сигналам с фотоприемного блока 5, которые несут информацию об оптических свойствах бензина на длинах волн, определенных матрицей фильтров 4, рассчитывается значение октанового числа. Величина октанового числа индицируется на дисплее электронного блока 1 измерительного устройства.

В качестве источника излучения 2 оптимально применение лампы накаливания. Прозрачная кювета 3 представляет собой кювету с прозрачными для излучения источника излучения 2 окнами, например, из оптического стекла. Для повышения точности измерения кювета 3 снабжена покрытием ее внутренней боковой поверхности, поглощающим излучение в диапазоне длин волн, пропускаемых матрицей фильтров 4. Матрица фильтров 4 образуется из набора фильтров на отдельных подложках с различными длинами волн пропускания или формируется на одной подложке. В случае использования матрицы фильтров 4 на отдельных подложках оптимально располагать фильтры матрицы 4 так, чтобы их плоскости были перпендикулярны направлению на центр источника излучения 2. Набор всех фильтров матрицы 4 перекрывает по спектру все излучение между границами пропускания. Фотоприемный блок 5 состоит из набора фотоприемников. Для повышения принимаемой мощности возможно расположение фотоприемников фотоприемного блока 5 так, чтобы их светочувствительные площадки были перпендикулярны направлению на центр источника излучения 5. Каждому фильтру матрицы 4 соответствует определенный фотоприемник 5, так что излучение, прошедшее через фильтр 4, попадает только на определенный фотоприемник фотоприемного блока 5. Электронный блок 1 устройства обеспечивает питание всех необходимых элементов и обрабатывает сигналы, поступающие с фотоприемного блока 5. В основу электронного блока 1 может быть положен, например, котроллер на основе микропроцессора, осуществляющий расчет октанового числа.

Данное устройство характеризуется высокой точностью измерения и низкой стоимостью изготовления.

Благодаря тому, что в устройстве обработка сигнала с фотоприемного блока 5 осуществляется по постоянному уровню, существенно упрощается электронный узел 1. Например, в устройстве для измерения октанового числа неэтилированных бензинов не используются следующие достаточно сложные узлы электронного узла 1, которые применяются в устройстве-прототипе: задающий генератор импульсов, импульсные источники накачки источника излучения, синхронные детекторы сигнала фотоприемного устройства.

Данное устройство обладает высокой точности измерения. Благодаря тому, что основным источником шумов, ограничивающих точность, является тепловое изменение параметров фотоприемного устройства 6, которое является относительно небольшим, достигается значительно большая точность измерения, чем в устройстве-прототипе, в котором ограничение точности возникает из-за теплового изменения параметров излучателя. Например, фотометрическая точность измерения оптических параметров бензина устройством по данному изобретению составляет не хуже 3•10^-3, что по октановому числу соответствует точности измерения порядка 0,3 пункта. Точность измерения оптических параметров бензина устройством-прототипом имеет величину 10^-2, что по октановому числу соответствует точности приблизительно 1 пункт. Это в 3 раза выше точностных параметров устройства-прототипа.

Таким образом, данное измерительное устройство реализует высокую точность измерения октанового числа бензина и позволяет обеспечить низкую себестоимость при производстве.

Промышленная применимость.

На основе данного устройства для измерения октанового числа неэтилированных бензинов было изготовлено 2 опытных образца приборов, которые прошли апробацию в Институте химии РАН.

В приборах использовались лампы накаливания типа РН8, кремниевые фотодиоды типа ФД-1, электронный блок функционировал на основе ОЭВМ 1816ВЕ51. Матрица фильтров была собрана на отдельных подложках, установлена перед фотоприемным устройством и состояла из 15 элементов. В приборе используются фильтры диапазона 800 - 1200 нм. Оптимальное значение длинноволновой границы пропускания матрицы фильтров находится в пределах 1020...1070 нм, коротковолновой границы - 860...900 нм. Набор всех фильтров матрицы перекрывает все излучения между границами пропускания.

Приборы осуществляют измерение октанового числа неэтилированных бензинов за сравнительно короткое время, которое не превышает 1 минуты.

Точность измерения составляет 0,3 пункта для бензинов с октановыми числами в диапазоне 75-95.

Предложенное решение позволило выполнить измерительное устройство в компактном виде с достаточно малым весом (порядка 2 кг). Это дает возможность эксплуатировать устройство одному человеку, свободно перемещая его на любые расстояния.

Приборы на основе предлагаемых устройств имеют небольшие габариты. Они просты в управлении и не требует высококвалифицированного обслуживающего персонала. Стоимость изготовленных приборов составляет 10% стоимости приборов-прототипов.

Высокая точность измерения, компактность, простота управления позволяют использовать данные устройства в различных областях техники.

Источники информации
1. Annual Book of ASTM Standards. Volume 05.04 (Test Methods for Rating Motor, Diesel, Aviation Fuels). American Society for Tesing and Materials. Philadelphia, 1985.

2. Clevett K.J. Process Analyzer Technology. Wiley, New York, 1986, PP. 659-690.

3. Walsh R.P., Mortimer J.V.//Hydrocarbon Processing, 1971, V. 50, PP. 153-158.

4. Анализатор октанового числа типа ZX 101C фирмы ZELTEX Inc., США. Инструкция по эксплуатации и техническое описание.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при построении различных автоматизированных измерительных приборов и систем для измерения октанового числа неэтилированного бензина при производстве, хранении и контроле бензинов, в частности для создания нефтехимической измерительной аппаратуры. Измерительное устройство содержит электронный блок, источник излучения, фотоприемное устройство, кювету, матрицу фильтров, состоящую из набора фильтров. Данное устройство позволяет измерять октановые числа неэтилированных бензинов с высокой точностью - 0,3 пункта и обладает малым весом, имея низкую стоимость при производстве. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения октанового числа неэтилированного бензина, содержащее электронный блок, источник оптического излучения, фотоприемное устройство, кювету и матрицу фильтров, состоящую из набора фильтров с различными длинами волн пропускания, отличающееся тем, что матрица фильтров устанавливается между кюветой и фотоприемным устройством, состоящим из набора фотоприемников, причем каждому фотоприемнику фотоприемного устройства соответствует определенный фильтр матрицы, причем коротковолновая граница пропускания матрицы фильтров находится в пределах 860 - 900 нм, а длиноволновая граница пропускания матрицы фильтров находится в пределах 1020 - 1070 нм. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве источника излучения используется лампа накаливания. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве фотоприемников фотоприемного устройства используются кремниевые фотодиоды. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что светочувствительные площадки фотоприемников фотоприемного устройства располагаются перпендикулярно направлению на центр тела свечения источника излучения. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плоскости фильтров матрицы располагаются перпендикулярно направлению на центр тела свечения источника излучения. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в фотоприемном устройстве используется более 10 фотоприемников. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что матрицы фильтров выполняются в виде набора фильтров, нанесенных на отдельные подложки. 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что матрицы фильтров выполнены на одной подложке. 9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кювета снабжена покрытием ее внутренней боковой поверхности, поглощающим излучение в диапазоне длин волн, пропускаемых матрицей фильтров.