СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА НЕФТЕПРОДУКТОВ Российский патент 2004 года по МПК G06F17/12 G01N33/22 

Способ относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован для оперативного измерения показателей качества нефтепродуктов без сжигания и анализа компонентного состава, например октанового числа бензинов, цетанового числа дизельных топлив, содержания серы, плотности, вязкости и других.

Известны оптические, спектрометрические и диэлектрические способы измерений показателей качества топлив, основанные на измерении коэффициента поглощения оптического излучения и диэлектрической проницаемости на разных частотах, косвенно связанных с определяемым показателем качества [патент РФ №2112956 МКИ: G 01 N 21/35; патент РФ №2091758 МКИ: G 01 N 21/35; а.с. SU №1689817 МКИ: G 01 N 23/00; полезная модель RU №10463 G 01 N 25/20]. Известны также способы косвенных и совокупных измерений, заключающиеся в том, что измеряется совокупность параметров, косвенно связанных с измеряемым параметром, который затем определяется в результате вычисления по известной функциональной зависимости, либо в результате решения системы алгебраических уравнений. Наиболее близким предлагаемому является способ измерения, основанный на использовании образцовых мер, когда на вход измерительного устройства подаются образцовые значения измеряемого параметра, и в результате решения системы уравнений исключаются аддитивная и мультипликативная составляющие ошибки [Куликовский К.Л., Купер А.О. Методы и средства измерений. – М.: Высшая школа, 1987].

Недостатки указанных способов заключаются в том, что для их реализации необходимы знания функции преобразования, либо уравнений, связывающих измеряемые параметры с искомым показателем качества нефтепродукта, что не всегда точно известно, так как нефтепродукты имеют разнообразный компонентный состав, определяемый составом исходного углеводородного сырья.

Поставлена задача: повысить точность измерений в тех случаях, когда функция преобразования или уравнения, связывающие измеряемые параметры с искомым показателем, неизвестны. Кроме того, ставится задача обеспечения оперативной калибровки приборов, реализующих предлагаемый способ, под региональные особенности используемого углеводородного сырья.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе, заключающемся в измерении косвенных параметров, связанных с искомым показателем качества нефтепродукта, согласно изобретению в процессе калибровки измеряют совокупность параметров, соответствующих эталонным значениям определяемого показателя качества, запоминают в устройстве обработки, а в процессе измерения искомая величина определяется по формуле:

где Q_x - искомое значение показателя качества нефтепродукта;

q_k,x - совокупность измеренных электрофизических параметров конролируемого нефтепродукта:

Q_i - совокупность эталонных значений показателя качества нефтепродукта,

q_ki - совокупность электрофизических параметров, соответствующих эталонным значениям показателя качества нефтепродукта, первый индекс соответствует номеру используемого косвенного параметра, второй индекс - номеру эталонного значения определяемого показателя, используемого при калибровке.

За счет этого достигается положительный эффект, то есть в устройство обработки заранее, в процессе калибровки, закладываются значения, позволяющие создать математическую модель объекта измерения. По мнению авторов наличие указанных отличительных признаков на ряду с формулой (1) дают существенные отличия предложенного способа от известных.

Сущность изобретения заключается в следующем. В общем случае какой-либо искомый показатель качества нефтепродукта Q связан с косвенными измеряемыми электрофизическими параметрами обобщенной функциональной зависимостью:

где q_k - совокупность электромагнитных, акустических, оптических, спектрометрических параметров (коэффициенты поглощения, преломления, рефракции, проводимость, диэлектрическая проницаемость, акустическое затухание, температура, плотность и другие, которые можно оперативно измерить известной датчиковой аппаратурой).

В общем случае функция F неизвестна. Ее поиск является важнейшей задачей математического описания измерительного процесса. Учитывая, что любой измерительный процесс по определению подразумевает в себе, кроме сбора и обработки информации, также операцию калибровки по эталонам, для решения поставленной задачи предложен обобщенный алгоритм измерений, показанный на фиг.1. Сущность алгоритма состоит в том, что при неизвестной функции F составляется калибровочная модель процесса измерения. Для этого берутся несколько образцов нефтепродукта с известными значениями определяемого показателя качества, и ставится им в соответствие столько же отсчетов измеряемых косвенных параметров. Необходимо, чтобы образцовые объекты полностью перекрывали ожидаемый диапазон изменения определяемого показателя. Минимальное количество эталонов должно быть не меньше числа измеряемых косвенных параметров, используемых при определения искомого показателя.

Пусть имеется n калибровочных образцов нефтепродукта с известными значениями показателя качества Q₁, Q₂,...Q_n. При построении калибровочной модели для произвольных значений измеряемых параметров всегда можно подобрать такие нормирующие коэффициенты b_k, что будут выполняться равенства:

Здесь в q_k,i первый индекс соответствует номеру используемого косвенного параметра, второй индекс - номеру эталона. Система имеет n уравнений для неизвестных b₁...b_n. Решение этой системы дает совокупность коэффициентов b_k, которые в средневзвешенной форме определяют искомый показатель качества. Система (4) имеет единственное решение, если главный определитель отличен от нуля. Решением этого уравнения являются соотношения (2). Учитывая независимость получения измерительной информации и возможность варьирования сигналов датчиков всегда можно исключить равенство нулю главного определителя в заданном диапазоне измерения. Выражение (1) составляет в общем виде математическую модель измерительного процесса определения показателей качества по калибровочной модели.

Проанализируем частный случай определения значения показателя качества Q по двум измеряемым параметрам с калибровкой по двум эталонам, полностью перекрывающим диапазон ожидаемых значений Q_min ÷ Q_max, Q₁=Q_min, Q₂=Q_max. Тогда выражение (1) примет вид:

Численный эксперимент показывает, что при любых значениях min<q_k,i<max искомое значение исследуемого показателя качества находится в интервале Q_min<Q_x<Q_max, что полностью подпадает под определение измерительного процесса, как фактора уменьшения неопределенности. Методом численного эксперимента доказано, что при любом количестве отсчетов, равных числу калибровочных образцов, искомый показатель качества будет находиться в интервале Q_min-Q_max. Таким образом, предложенный способ измерений не требует точного знания функции, связывающей искомый показатель качества с измеряемыми косвенными параметрами. Он предполагает создание математической модели на основе эталонных образцов нефтепродуктов с известными показателями качества. Чем больше параметров мы измеряем, и чем больше число калибровочных эталонов, тем выше точность измерений. Одним из измеряемых параметров может и должна быть температура.

Частным случаем реализации указанного способа измерений является методика определения показателей качества по дискретным отсчетам спектрометрической характеристики, которая поясняется рисунком на фиг.2. Здесь показаны спектрометрические характеристики нефтепродуктов с известными Q₁, Q_i,...Q_p значениями показателя качества в калибровочных образцах нефтепродуктов, р - число калибровочных образцов, Q_x - спектр исследуемого нефтепродукта с неизвестным значением показателя качества, величина которого определяется по формуле:

где α_x(λ_k) - коэффициент поглощения контролируемого топлива на разных длинах волн λ_k,b_k - определяются по отсчетам процесса калибровки по формулам:

Пример комплексных измерений октанового числа по пяти параметрам имеет вид:

где α_x, ε_x, θ_x, ρ_x, n_x - измеренные значения электрофизических параметров контролируемого топлива: коэффициент оптического поглощения, диэлектрическая проницаемость, температура, плотность, коэффициент преломления соответственно;

Ω₁...Ω_i...Ω₅ - октановые числа эталонных бензинов, используемых при калибровке;

α_i, ε_i, θ_i, ρ_i, n_i - значения вышеперечисленных электрофизических параметров, соответствующих значению октанового числа Ω_i эталонного бензина. Значения электрофизических параметров измеряются соответствующими датчиками.

Предложенный способ может быть эффективно использован для оперативного определения показателей качества нефтепродуктов без сжигания и анализа компонентного состава, например октанового и цетанового числа, содержания серы, плотности, где в качестве эталонов могут применяться нефтепродукты с показателями качества, определенными классическими моторными и химическими методами. При измерении содержания серы в нефтепродукте необходимо при калибровке иметь несколько образцов продукта с известным содержанием серы. В этом случае в определителях выражения (6) будут стоять значения, соответствующие содержанию серы в нефтепродуктах, используемых при калибровке. Кроме того, способ позволяет оперативно подстраивать (калибровать) приборы под региональные особенности углеводородного сырья, а также меняющиеся эксплуатационные условия, диапазоны изменения контролируемых параметров, температуры, плотности, давлении, влажности и т.д.

На основе предложенного способа может быть создан универсальный измерительный модуль контроля качества нефтепродукта, показанный на фиг.3., где 1, 3 - оптические приемники, 2 - акустический приемник, 4 - диэлектрический датчик, 5 - датчик температуры, 6 - нормирующий усилитель, 7 - устройство ввода (многоканальный АЦП), 8 - устройство обработки (ЭВМ), 9 - индикатор (принтер), 10 - генератор; 11 - световод; 12, 14 - оптические излучатели, 13 - акустический излучатель.

Модуль позволяет определять диэлектрическую проницаемость, коэффициент оптического поглощения и преломления в выбранном диапазоне частот, скорость распространения звука, акустическое поглощение, плотность и температуру. Здесь импульсный сигнал, сформированный генератором 10, возбуждает оптические 12, 14 и акустический 13 излучатели, а также запитывает емкостной датчик 4. Соответствующие приемники 1, 2, 3, 4 сформируют сигналы, несущие в себе информацию о свойствах топлива. Эти сигналы вместе с сигналом датчика температуры через блок нормирующих усилителей 6 многоканальный АЦП 7 одновременно подаются в ЭВМ 8, где производится вычисление искомых показателей качества топлива, в частности октанового числа, цетанового числа, плотности, содержания серы.

Предложенный способ позволяет значительно повысить точность измерения показателей качества других продуктов, веществ и объектов, свойства которых проявляются через различные электрофизические (электрические, оптические, электромагнитные, акустические и другие) сигналы. В частности жидких и сыпучих продуктов питания. Эффективно применение предложенного способа для оперативного контроля геометрических параметров труб электрофизическими методами, где в качестве эталонов могут применяться набор труб с известными параметрами, определенными инструментальными методами.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Его использование при оперативном измерении показателя качества нефтепродуктов без сжигания позволяет обеспечить технический результат в виде повышения точности измерений и обеспечения оперативной калибровки соответствующих приборов. Способ состоит в том, что выбирают несколько образцов нефтепродуктов с эталонными значениями определяемого показателя качества, калибруют средства измерений путем осуществления соответствующих косвенных измерений электрофизических параметров в выбранных образцах нефтепродукта, осуществляют такие же косвенные измерения совокупности электрофизических параметров контролируемого нефтепродукта и определяют искомый показатель качества контролируемого нефтепродукта по результатам этих косвенных измерений с использованием результатов упомянутой калибровки средств измерений. Технический результат достигается благодаря тому, что строят калибровочную модель процесса измерения путем сопоставления эталонных значений определяемого показателя качества в выбранных образцах нефтепродукта с отсчетами совокупности косвенных измеряемых электрофизических параметров, причем минимальное число выбранных образцов нефтепродуктов должно быть не меньше числа этих косвенных измеряемых электрофизических параметров, а искомый показатель качества контролируемого нефтепродукта определяют по оригинальной формуле. 3 ил.

Способ измерений показателей качества нефтепродуктов, состоящий в том, что выбирают несколько образцов нефтепродуктов с эталонными значениями определяемого показателя качества, калибруют средства измерений путем осуществления соответствующих косвенных измерений электрофизических параметров в выбранных образцах нефтепродукта, осуществляют такие же косвенные измерения совокупности электрофизических параметров контролируемого нефтепродукта и определяют искомый показатель качества контролируемого нефтепродукта по результатам этих косвенных измерений с использованием результатов упомянутой калибровки средств измерений, отличающийся тем, что для упомянутого определения искомого показателя качества контролируемого нефтепродукта строят калибровочную модель процесса измерения путем сопоставления эталонных значений определяемого показателя качества в выбранных образцах нефтепродукта с отсчетами совокупности косвенных измеряемых электрофизических параметров, причем минимальное число выбранных образцов нефтепродуктов должно быть не меньше числа этих косвенных измеряемых электрофизических параметров, а искомый показатель качества контролируемого нефтепродукта определяют по формуле

где Q_x - искомое значение определяемого показателя качества;

q_k,x - совокупность измеренных параметров,

Q_i - совокупность эталонных значений показателя качества нефтепродуктов;

q_k,i - совокупность электрофизических параметров, соответствующих эталонным значениям показателя качества нефтепродуктов, первый индекс соответствует номеру используемого косвенного параметра, второй индекс - номеру эталонного значения определяемого показателя, используемого при калибровке.