УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ ТОПЛИВ Российский патент 2001 года по МПК G01N22/00 G01N33/22 

Изобретение относится к области анализа материалов путем определения их физических свойств с помощью радиотехнических средств и может найти широкое применение для анализа жидких топлив, в частности для определения их октанового (цетанового) числа при аттестации и сертификации готовой продукции, а также для контроля параметров промежуточных жидких фракций нефтепродуктов непосредственно в технологическом процессе производства топлив.

Колебания параметров жидких топлив обусловлены различиями в химико-физических свойствах исходных материалов, отклонениями, даже незначительными, от технологических требований в процессе производства этих топлив, условиями их хранения, транспортировки и другими причинами.

Общепринятым стандартизованным информативным параметром жидкого топлива, характеризующим его качество и область применения, является октановое (цетановое) число этого топлива.

Существующие в настоящее время методы измерения октановых и цетановых чисел готовых топлив, основанные на оценке их детонационных свойств, сложны, требуют громоздкого оборудования, специальных реактивов, занимают много времени и принципиально непригодны для непрерывного контроля технологического процесса производства топлив. Поэтому контроль октановых и цетановых чисел производится эпизодически, что может приводить к отклонениям параметров топлив от требований ГОСТ 2084-77, что, в свою очередь, может требовать дополнительных затрат на коррекцию готовой продукции при ее аттестации и сертификации.

Таким образом, актуальной задачей в настоящее время является создание устройства, обеспечивающего оперативный и достаточно точный контроль октанового и цетанового чисел готовых жидких топлив и их промежуточных фракций непосредственно в технологическом процессе их производства с целью коррекции, в случае необходимости, режимов технологического процесса.

Известен моторный (исследовательский) метод определения октанового числа топлива для двигателей (ГОСТ 511-82; СТ СЭВ 2243-80). Метод состоит в сравнении детонационной стойкости испытуемого топлива с детонационной стойкостью эталонного топлива, выраженной октановым числом. При этом используется установка одноцилиндровая типа УИТ-65 или другая с переменной степенью сжатия, в комплекте с электронным детонатором, а также набор эталонных топлив. Метод включает в себя этапы подготовки к испытанию, испытания и обработку результатов с вычислением октанового числа испытуемого топлива. Точность этого метода считается удовлетворительной при выполнении двух условий:
1. Сходимость: два результата испытаний одним исполнителем на одной установке достоверны, если расхождение не превышает 0,5 октановой единицы (95% доверительная вероятность).

2. Воспроизводимость: два результата испытаний на двух различных установках достоверны, если расхождение не превышает 1,6 октановой единицы (95% доверительная вероятность).

Несмотря на то, что данный метод является общепринятым, ему присущи следующие недостатки: принципиальная непригодность для контроля технологического процесса, длительный процесс измерения октанового (цетанового) числа, сложность автоматизации процесса измерения.

Известен способ определения октанового числа топлива (а. с. СССР N 1416909, М. кл. 4 G 01 N 33/22), при котором испытания проводят на реальном двигателе, предварительно калибруемом путем построения калибровочной кривой, представляющей зависимость концентрации углеводорода, например в мл/л от известного октанового числа, полученных из паспортных данных на топливо. Способ осуществляют следующим образом. Берут любой карбюраторный двигатель и строят для него детонационную кривую, используя для работы двигателя бензин с известным октановым числом и углеводороды с большой детонационной стойкостью. Приготавливают рабочие смеси (топлива) с различным процентным соотношением углеводорода и обеспечивают последовательную работу двигателя на этих смесях до детонационного режима. В координатах "известное октановое число - процентное содержание углеводорода" строят "точку", соответствующую процентному содержанию углеводорода в рабочей смеси (топливе) при работе двигателя в детонационном режиме. Затем по этой "точке" на детонационной кривой определяют октановое число испытуемого топлива.

Данный метод, являющийся разновидностью моторного метода, характеризуется недостатками, аналогичными для моторного метода.

Известен также способ определения параметров октана (Франция, з-ка N 2611911, М.кл. G 01 N 33/22, 21/35), при котором используют ИК-спектрометр, работающий в ближней ИК-области спектра, для измерения поглощения образца в области от 4800 до 4000 см^-1; выбирают затем в этой области N фиксированных значений частот для установления статистических корреляций с искомыми параметрами октана: рассчитывают заданный параметр с применением корреляционного соотношения между N значениями поглощения. Корреляцию определяют экспериментально-регрессивным методом, независимо от типа используемого спектрометра, с выбором N наиболее информативных значений частоты.

Данный способ косвенного определения параметров топлива характеризуется использованием сложного дорогостоящего оборудования, что затрудняет его использование для текущего оперативного контроля технологического процесса производства топлив.

Известно устройство для определения параметров топлива (Япония N 1-68659, М. кл. G 01 N 33/22), содержащее высокочастотное приспособление, возбуждающее магнитную трубку, включенную с помощью байпаса между топливным баком и топливным насосом, датчики температуры и частотомер, регистрирующий частоту вибрации магнитной трубки. Параметры топлива связаны с частотой вибрации магнитной трубки и температурой топлива. Детектируя выходные сигналы частотомера, определяют октановое или цетановое число топлива.

В данном устройстве также используется разновидность моторного метода со всеми присущими ему недостатками, за исключением необходимости использования специальных реактивов.

Ближайшим аналогом (прототипом) предполагаемого технического решения является устройство для контроля концентрации примесей в жидкостях путем измерения комплексной диэлектрической постоянной (О.И.Ястребов. Применение техники сверхвысоких частот в целлюлозно-бумажном производстве. М.: Лесная промышленность, 1977 г. , стр. 28-30). Устройство содержит управляемый (модулируемый) генератор, измерительный резонатор, подключенный к выходу генератора "на отражение", блок измерения действительной части ε′ комплексной диэлектрической постоянной с механическим приводом отсчета ее величины, блок измерения мнимой части ε″ комплексной диэлектрической постоянной, включающий в себя детектор, связанный с измерительным резонатором, схему сравнения фаз и индикаторы действительной и мнимой частей диэлектрической постоянной.

Основными недостатками данного устройства являются невозможность использования для текущего контроля режимов технологического процесса производства топлив из-за использования одного резонатора, что не позволяет определять отклонения параметров измеряемого топлива от эталонного, а также недостаточная разрешающая способность измерения действительности части ε′ в силу применения механического привода отсчета ее величины. Кроме того, данное устройство не обладает достаточно высокой точностью измерения параметров исследуемого жидкого диэлектрика, так как в результатах измерения не компенсируются погрешности, вносимые материалом кюветы (трубки), в которой находится исследуемый образец.

Задачей настоящего изобретения является разработка устройства, обеспечивающего оперативное измерение октанового или цетанового чисел жидких топлив с высокой точностью и достоверностью результатов, а также возможность создания на его основе автоматизированных систем контроля и управления режимами технологического процесса производства жидких топлив с заданными величинами октанового или цетанового чисел.

Согласно изобретению, эта задача реализуется следующим образом. В устройство для измерения параметров примесных жидкостей, в частности жидких топлив, содержащее управляемый генератор, измерительный резонатор, связанный с выходом генератора, блок измерения действительной части ε′ комплексной диэлектрической постоянный, блок измерения мнимой части ε″ комплексной диэлектрической постоянной, включающий в себя детектор, связанный с измерительным резонатором и индикатор, дополнительно введены эталонный резонатор, входящие в состав блока измерения ε′ генератор опорной частоты, смеситель и частотомер, входящий в состав блока измерения ε″ аналого-цифровой преобразователь, блок обработки информации и блок управления частотой управляемого генератора, при этом оба резонатора - эталонный и измерительный - подключены "на проход" к выходу управляемого по частоте генератора и связаны выходами с соответствующими входами детектора блока измерения ε″. Выход детектора через аналого-цифровой преобразователь соединен со входом ε″ блока обработки информации. Выход генератора опорной частоты блока измерения ε′ подключен к одному из входов смесителя, второй вход которого соединен с выходом управляемого по частоте генератора, а выход - со входом частотомера, подключенного выходом к входу ε′ блока обработки информации, один из выходов которого через блок управления соединен с управляющим входом управляемого по частоте генератора, второй выход блока обработки информации подключен к индикатору, а третий выход служит для связи с внешней ЭВМ.

Поставленная задача в данном изобретении достигается следующим образом:
- введение эталонного резонатора обеспечивает возможность оперативного сопоставления параметров эталонного и исследуемого образцов топлив, что необходимо для контроля режимов технологического процесса производства топлив:
- использование режимов работы эталонного и измерительного резонаторов "на проход" позволяет в процессе электронной перестройки частоты управляемого генератора последовательно во времени измерять параметры эталонного и исследуемого топлив, что обеспечивает возможность автоматизации процесса измерения:
- использование опорного генератора и общего для обоих резонаторов детектора позволяет существенно снизить требования к стабильности параметров обоих генераторов и детектора, и, при компенсационном методе обработки, существенно снизить инструментальную погрешность. Кроме того, введение опорного генератора обеспечивает повышение разрешающей способности устройства при определении действительной части ε′ комплексной диэлектрической постоянной;
- введение блока обработки информации в составе микро-ЭВМ с банком данных "параметры комплексной диэлектрической постоянной - октановое число", позволяет в автоматизированном режиме непосредственно определять октановое число топлива, а также выводить результаты измерений на внешнюю ЭВМ и компьютерную сеть.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема предлагаемого устройства для измерения параметров жидких топлив.

Предлагаемое устройство для измерения параметров жидких топлив содержит управляемый по частоте генератор 1, измерительный и эталонный резонаторы 2,3, подключенные "на проход" к выходу генератора 1, блок 4 измерения действительной части ε′ комплексной диэлектрической постоянной, блок 5 измерения мнимой части ε″ комплексной диэлектрической постоянной, блок 6 обработки информации, блок 7 управления частотой управляемого генератора 1 и индикатор 8. Блок 4 измерения ε′ включает в себя генератор 9 опорной частоты, смеситель 10 и частотомер 11, при этом выход генератора 9 опорной частоты подключен к одному из входов смесителя 10, второй вход которого соединен с выходом управляемого по частоте генератора 1, а выход - с входом частотомера 11, подключенного выходом к входу ε′ блока 6 обработки информации. Блок 5 измерения ε″ включает в себя детектор 12, соединенный входами с выходами резонаторов 2, 3, и аналого-цифровой преобразователь 13, вход которого подключен к выходу детектора 12, а выход - к входу ε″ блока 6 обработки информации. Один из выходов блока 6 обработки информации через блок 7 управления соединен с управляющим входом управляемого по частоте генератора 1. Второй выход блока 6 обработки информации подключен к индикатору 8, а третий выход служит для связи с внешней ЭВМ. Блок 6 обработки информации выполнен, например, на базе микро-ЭВМ или аналогичной микропроцессорной системы с банком эталонных данных "параметры комплексной диэлектрической постоянной - октановое число". Блок 7 управления частотой генератора 1 выполнен, например, по схеме электронно-управляемого генератора пилообразного напряжения. В резонаторах 2, 3 предусмотрена установка измеряемого и эталонного образцов топлив.

Предложенное устройство для измерения параметров жидких топлив работает следующим образом.

После введения в измерительный и эталонный резонаторы 2, 3 кювет с образцами измеряемого и эталонного топлив в блоке 6 обработки информации по внешней команде или автоматически вырабатывается сигнал на блок 7 управления начала программной перестройки частоты управляемого по частоте генератора 1 от ее максимального до минимального значений. Когда частота генератора 1 попадет в полосу пропускания эталонного резонатора 3, на выходе детектора 12 появится сигнал, который через аналого-цифровой преобразователь 13 поступает на вход ε″ блока 6 обработки информации. После появления сигнала на входе ε″ блок 6 обработки информации переходит в режим поиска максимальной величины этого сигнала, соответствующей настройке частоты генератора 1 на резонансную частоту эталонного резонатора 3, определяет и регистрирует максимальную величину сигнала I_эт. Одновременно с регистрацией I_эт в блоке 6 регистрируется значение разностной частоты ΔF_эт перестраиваемого и опорного генератора 1 и 9, поступающей с выхода смесителя 10 через частотомер 11 на вход ε′ блока 6, т. е. ΔF_эт = F_1эт - F₉, где F_1эт и F₉ - частоты перестраиваемого и опорного генераторов 1,9. После регистрации величин I_эт и ΔF_эт блок 6 обработки информации через блок 7 управления продолжает перестройку частоты перестраиваемого генератора 1, в процессе которой аналогичным образом проводится поиск, определение и регистрация максимальной величины сигнала I_изм на выходе детектора 12, соответствующего настройке частоты генератора 1 на резонансную частоту измерительного резонатора 2, а также одновременная регистрация разностной частоты ΔF_изм = F_1изм - F₉ перестраиваемого и опорного генераторов.

На основании полученных данных (I_эт, ΔF_эт, I_изм и ΔF_изм) в блоке 6 обработки информации рассчитываются параметры:
δ(I) = I_эт/I_изм и ΔF = ΔF_изм-ΔF_эт,
величины которых сравниваются с эталонными, хранящимися в базе данных блока 6. Результат сравнения с выхода блока 6 выводится на индикатор 8, например, в виде октанового (цетанового) числа испытуемого жидкого топлива.

Управление частотой генератора 1 продолжается до достижения верхней границы перестройки, после чего процесс перестройки прекращается или может повторяться, вплоть до поступления внешней команды остановки.

Информация о параметрах измеряемого образца топлива через соответствующий выход блока 6 может поступать на вход внешней ЭВМ сбора, хранения информации и управления режимом технологического процесса производства топлива.

Предложенное устройство допускает два основных режима измерения параметров жидких топлив:
- относительные измерения, когда измеряются отклонения от параметров эталонного топлива, введенного в эталонный резонатор 3. Данный режим используется для непрерывного контроля параметров жидкого топлива в процессе его производства;
- абсолютные измерения, когда измеряются абсолютные величины параметров жидких топлив. В этом случае эталонный образец в кювете эталонного резонатора 3 отсутствует. Данный режим используется для определения параметров жидких топлив во всем диапазоне октановых (цетановых) чисел жидких топлив и их промежуточных фракций.

Повышение точности результатов измерений в данном устройстве достигается следующим образом:
- при измерении действительной части ε′ комплексной диэлектрической постоянной производится последующая обработка информации. В блок 6 обработки информации с выхода смесителя 11 поступают и регистрируются следующие значения разностных частот
ΔF_эт = (F_1эт±ΔF_1эт)-(F₉±ΔF₉) и
ΔF_изм = (F_изм±ΔF_1изм)-(F₉±ΔF₉),
где ΔF_1эт, ΔF_1изм и ΔF₉ - нестабильности частот генераторов 1,9. В блоке 6 обработка информации производится выделением разностного сигнала.

в котором отсутствуют составляющие нестабильности частот генераторов 1,9, так как ΔF_1эт ≃ ΔF_1изм в силу кратковременности временного интервала между настройками управляемого генератора 1 на резонансные частоты эталонного и измерительного резонаторов 2,3. Данный вид обработки обеспечивает существенное повышение точности и разрешающей способности устройства при измерении ε′, а также позволяет снизить требования к стабильности частот генераторов 1,9;
- при измерении мнимой части ε″ комплексной диэлектрической постоянной используется режим программного определения максимальных значений сигналов I_эт и I_изм на выходе общего для эталонного и измерительного резонаторов детектора 12, что обеспечивает минимизацию погрешности измерения величин I_эт и I_изм, а также устраняет влияние нестабильности параметров детектора 12 на результат измерений.

Таким образом, предложенное устройство измерения параметров жидких топлив обеспечивает оперативное измерение октанового (цетанового) числа жидких топлив с высокой разрешающей способностью, точностью и достоверностью результатов как в автономном режиме (лабораторное, переносное устройство), так и в составе системы автоматизированного контроля им управления технологического процесса производства жидких топлив, обеспечивает возможность измерения октановых (цетановых) чисел во всем диапазоне используемых жидких топлив и их промежуточных фракций, а также отличия октанового (цетанового) числа испытываемого образца от эталонного.

Кроме того, предложенное устройство может использоваться в технологических линиях, лабораторных и других условиях для исследования параметров других жидких диэлектриков, например для определения концентрации примесей, водности, остаточной влажности и т.д.

Устройство для измерения параметров жидких топлив содержит управляемый генератор, блок обработки информации (БОИ), блок управления частотой управляемого генератора, индикатор, блок измерения действительной части ε^| комплексной диэлектрической постоянной, в состав которого входят генератор опорной частоты, смеситель и частотомер, измерительный и эталонный резонатор, подключенные "на проход" к выходу управляемого по частоте генератора и связанные выходами с соответствующими входами детектора блока измерения мнимой части ε^|| комплексной диэлектрической постоянной, а выход детектора через аналого-цифровой преобразователь, входящий в состав этого блока, соединен со входом ε^|| БОИ. Выход генератора опорной частоты подключен к одному из входов смесителя, второй вход которого соединен с выходом управляемого по частоте генератора, а выход - со входом частотомера, подключенного выходом к входу ε^| БОИ, один из выходов которого через блок управления соединен с управляющим входом управляемого по частоте генератора, второй выход БОИ подключен к индикатору, а третий выход служит для связи с внешней ЭВМ. Технический результат заключается в обеспечении оперативного измерения октанового или цетанового чисел жидких топлив с высокой точностью и достоверностью результатов, автоматизации контроля и управления режимами технологического производства. 1 ил.

Устройство для измерения параметров жидких топлив, содержащее управляемый генератор, измерительный резонатор, связанный со входом управляемого генератора, блок измерения действительной части ε^| комплексной диэлектрической постоянной, блок измерения мнимой части комплексной диэлектрической постоянной, включающий в себя детектор, связанный с измерительным резонатором, и индикатор, отличающееся тем, что в него введены эталонный резонатор, входящие в состав блока измерения ε^| генератор опорной частоты, смеситель и частотомер, входящий в состав блока измерения аналого-цифровой преобразователь, блок обработки информации и блок управления частотой управляемого генератора, при этом оба резонатора - эталонный и измерительный - подключены "на проход" к выходу управляемого по частоте генератора и связаны выходами с соответствующими входами детектора блока измерения выход которого через аналого-цифровой преобразователь этого блока соединен со входом блока обработки информации, выход генератора опорной частоты блока измерения ε^| подключен к одному из входов смесителя, второй вход которого соединен с выходом управляемого по частоте генератора, а выход - со входом частотомера, подключенного выходом к входу ε^| блока обработки информации, один из выходов которого через блок управления соединен с управляющим входом управляемого по частоте генератора, второй выход блока обработки информации подключен к индикатору, а третий выход служит для связи с внешней ЭВМ.