СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА БЕНЗИНОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК G01N21/35 

Группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использована в нефтеперерабатывающей промышленности для измерения октанового числа бензинов, которое определяет воспламеняемость (детонационную стойкость) топлив. Изобретения могут быть использованы в системах управления и регулирования при производстве топлив на станциях смешения, в исследовательских лабораториях, а также для оперативной оптимизации условий бездетонационной работы двигателей внутреннего сгорания в процессе их эксплуатации, для экспресс-контроля качества и сортности бензина на автозаправочных станциях. В основе изобретений лежит связь детонационной стойкости бензина, имеющего в своем составе ароматические и парафиновые углеводороды, с его комплексной диэлектрической проницаемостью в оптическом диапазоне, определяющей коэффициент поглощения и показатель преломления.

Известен способ определения октанового числа бензинов (см. заявку на изобретение РФ №2005102284, МПК G01N 1/00; Мановян А.К. Технология переработки природных энергоносителей, М., Химия, Колос С, 2004, с.52) при использовании жидкостного хроматографа. Способ включает диагностику концентрационного состава бензина, содержащего более 200 компонент углеводородов, с помощью разделения бензиновой смеси, которое происходит вследствие разной скорости диффузии в жидкостном хроматографе. Для каждой из компонент анализируемого бензина определяется детонационная стойкость при использовании тестовых измерений в одноцилиндрических двигателях внутреннего сгорания на установках ИТ9-2М или УИТ-65 по моторному методу или использовании табличных значений детонационной стойкости для каждой из обнаруженных компонент углеводородов, при этом октановое число изооктана C₈H₁₈ составляет 100 единиц, a n-гептана составляет 0 единиц, и в соответствии с относительной концентрацией компонент бензина находится его детонационная стойкость. Такой способ определения детонационной стойкости наиболее информативный. Однако способ имеет существенные ограничения по быстродействию, сложности обработки сигнала хроматограмм, требующей высокой квалификации оператора. Кроме того, жидкостный хроматограф является исследовательским прибором высокой стоимости.

Известен также способ и устройство для определения октанового числа при измерении диэлектрической проницаемости на одной радиочастотной частоте с помощью емкостного датчика (см. заявку на изобретение РФ №2003121713, МПК G01N 27/22; патент на изобретение РФ №2240548, МПК G01N 27/22). Создание устройства на основе такого способа позволяет идентифицировать бензины в диапазоне октановых чисел 70-100. Устройство содержит емкостный датчик с датчиком температуры пробы бензина, причем емкостный датчик соединен с генератором, подключенным к блоку управления. Генератор выполнен с возможностью формирования напряжения с частотами 1...30 МГц и соединен с емкостным датчиком через одну из первичных полуобмоток дифференциального трансформатора, вторая первичная полуобмотка которого соединена с опорным конденсатором. Вторичная обмотка трансформатора подсоединена через усилитель сигнала, канал передачи данных к одному из независимых каналов двухканального аналого-цифрового преобразователя, выход которого подсоединен к одной из цифровых шин блока управления, выполненного в виде ПЭВМ, к другой цифровой шине которой подсоединен датчик температуры пробы бензина через усилитель и одноканальный аналого-цифровой преобразователь. Общая точка подключения генератора и двух первичных полуобмоток дифференциального трансформатора подключена через другой независимый канал передачи данных к другому каналу двухканального аналого-цифрового преобразователя. ПЭВМ содержит нейронную сеть, предварительно обученную сравнению поступающих с цифровой шины входных сигналов в виде амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик исследуемого бензина с амплитудно-частотной и фазочастотной характеристиками эталонных бензинов с учетом поправочных коэффициентов, выбираемых нейронной сетью в зависимости от сигнала, поступающего через другую цифровую шину от датчика температуры пробы бензина, и формированию данных для определения октанового числа бензина на основе сравнения.

Известен также способ определения октанового числа (см. патент РФ на изобретение РФ №92007848, МПК G01N 27/22, G01N 33/22) при измерении комплексной диэлектрической проницаемости на СВЧ-частоте и с помощью емкостного датчика. По предлагаемому способу, использующему измерение и сопоставление физических параметров исследуемого и образцового бензинов, у образцового и исследуемого топлив измеряют комплексную диэлектрическую проницаемость, проводят компарирование полученных значений проницаемостей и по их разнице судят об октановом числе исследуемого топлива. В предлагаемом устройстве, содержащем резервуары с образцовыми и исследуемым топливами и связанный с ними через коммутатор измерительный преобразователь и регистратор, измерительный преобразователь выполнен в виде двух идентичных камер, снабженных двумя проводящими поверхностями, образующими емкостные преобразователи, причем каждая камера через коммутатор связана с резервуарами, при этом регистратор выполнен в виде частотного компаратора и пересчетной схемы с отсчетным устройством. Это позволяет выполнять непрерывные измерения комплексной диэлектрической проницаемости исследуемого бензина и тем самым получать непрерывную информацию о значении октанового числа исследуемого бензина относительно образцового.

Однако радиочастотные способы имеют ограничения по точности, связанные с малой чувствительностью диэлектрической проницаемости к изменению октанового числа в используемом метровом, дециметровом и сантиметровом диапазоне.

Наиболее близким к предлагаемому способу является оптический способ определения октанового числа, основанный на зондировании (просвечивании) кюветы с бензином оптическим пучком ближнего ИК-диапазона на 15 дискретных длинах волн с разницей между линиями 10 нм в полосе от 880 нм до 1050 нм, измерении поглощения в кювете на каждой из зондируемых оптических линий, определении соответствующей оптической плотности бензина в этом спектральном диапазоне и определении детонационных свойств бензина из сравнения оптической плотности с эталонными кривыми для бензинов с известными детонационным свойствами, используя регрессионный анализ (см. Королев В.Н., Маругин А.В., Цареградский В.Б. ЖТФ, 2000, т.70, №9, с.83-88).

Наиболее близким к предлагаемому устройству определения октанового числа бензинов является устройство, которое содержит источник непрерывного ИК-излучения в виде излучателя со сплошным спектром в ближней ИК-области спектра, формирователя оптического пучка, излучение которого модулируется с помощью вращающегося диска, плоскость которого перпендикулярна оптическому пучку, с укрепленными на одинаковом расстоянии от оси диска 15-ю ИК-светофильтрами с пропусканием на дискретных длинах волн со спектральной разницей между максимумами пропускания фильтров в 10 нм в полосе от 880 нм до 1050 нм, делителя оптического пучка на два, один из которых проходит ячейку с бензином, детектора оптического излучения, платы аналого-цифрового преобразователя и компьютера для вычисления оптической плотности бензина на каждой из 15 длин волн ИК-диапазона.

Однако данные способ и устройство обладают малой чувствительностью, так как оптическое излучение в ближней ИК-области слабо поглощается бензином вследствие того, что основные сильно поглощающие колебательные полосы поглощения углеводородов лежат в области 3,4 микрона, и при этом более слабое поглощение (на два-три порядка) на второй и третьей гармониках (обертонах) на длинах волн 1,7 и 1,2 микрона не входит в анализируемый спектральный состав зондирующего ИК-излучения. Малое поглощение бензином оптического излучения в ближней ИК-области спектра является причиной использования протяженных кювет, зондирования на большом числе длин волн и использования сложных методов обработки информационного сигнала.

Задачей изобретения является оперативный контроль октанового числа бензинов, простота анализа результатов измерения с повышением точности, компактность и мобильность устройства, потенциально его малая стоимость, взрывобезопасность.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения октанового числа бензинов, включающем зондирование оптическим излучением кюветы с бензином, детектирование прошедшего оптического излучения на выходе кюветы с помощью фотодетектора, определение коэффициента поглощения, согласно решению зондируют кювету оптическим пучком дальнего ультрафиолетового или фиолетового излучения с длиной волны из диапазона 370≤λ≤420 нм, измеряют интенсивность прошедшего излучения с пустой кюветой и наполненной анализируемым бензином, определяют оптическую плотность из следующего соотношения:

D_λ - оптическая плотность кюветы с анализируемым бензином;

D_0λ - оптическая плотность пустой кюветы;

(I₀)λ - интенсивность входного излучения (при отсутствии кюветы) на длине волны λ;

(I_i)_0λ - интенсивность излучения на длине волны длины λ, прошедшего пустую кювету;

(I_i)_λ - интенсивность излучения на длине волны длины λ, прошедшего кювету, наполненную анализируемым бензином;

(k_oil)_λ - спектральный коэффициент поглощения бензина на длине волны λ;

L - толщина зондируемой кюветы.

При этом октановое число определяют по калибровочной кривой, связывающей значения оптической плотности бензина или коэффициента поглощения с соответствующим значением октанового числа бензина.

В устройстве для определения октанового числа бензинов, содержащем оптический излучатель, формирователь оптического пучка, зондируемую кювету с бензином, детектор прошедшего оптического излучения, измеритель интенсивности прошедшего оптического излучения на выходе кюветы, определитель коэффициента поглощения на основе аналого-цифрового преобразователя и процессора, согласно решению в качестве излучателя выбран светодиод или лазерный диод с длиной волны из диапазона 370≤λ≤420 нм, источник тока для питания которого выполнен со встроенным модулятором тока инжекции на фиксированной частоте в диапазоне, меньшем величины обратной постоянной времени светодиода или лазерного диода.

Изобретения поясняются чертежами.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа для определения октанового числа бензинов.

На фиг.2 представлены экспериментальные результаты по изменению коэффициента поглощения, а на фиг.3 - оптической плотности автомобильного бензина с различными октановыми числами при зондировании оптическим излучением в дальней ультрафиолетовой и фиолетовой области в диапазоне 380-420 нм (калибровочная кривая).

Позициями на чертежах обозначены:

1 - модулятор тока инжекции светодиода или лазерного диода на основе генератора низкочастотных гармонических или импульсных колебаний;

2 - ультрафиолетовый или фиолетовый светодиод или лазерный диод с источником питания постоянного тока;

3 - формирователь зондирующего оптического пучка в виде микролинзы;

4 - кювета с анализируемым бензином;

5 - микролинза, фокусирующая прошедшее оптическое излучение на чувствительную площадку фотодиода;

6 - детектор прошедшего оптического излучения в виде кремниевого фотодиода;

7 - определитель коэффициента поглощения или оптической плотности бензина на основе измерения переменной составляющей фототока детектора, пропорциональной прошедшему оптическому излучению, аналого-цифрового преобразователя и микропроцессора, для вычисления соответствующего октанового числа.

Устройство для реализации предлагаемого способа состоит из низкочастотного генератора тока инжекции светодиода или лазерного диода 1 для модуляции тока инжекции светодиода или лазерного диода через разделительную емкость; дальнего ультрафиолетового или фиолетового диапазона (УФА) светодиода 2 или лазерного диода, соединенного с источником питания; формирователя оптического пучка 3, состоящего из микролинзы для просвечивания кюветы 4 из кварца или стекла с анализируемым бензином, микролинзы 5, которая фокусирует прошедшее кювету оптическое излучение на фоточувствительную поверхность фотодетектора из кремниевого фотодиода 6; электрический сигнал с выхода фотодетектора, пропорциональный переменной составляющей оптической мощности, измеряется с помощью аналого-цифрового преобразователя со встроенным микропроцессором 7, с помощью которого вычисляется оптическая плотность или коэффициент поглощения бензина, а из сравнения с калибровочной кривой определяется октановое число.

Способ осуществляется следующим образом. В полупроводниковом инжекционном светодиоде или лазерном диоде 2 устанавливают ток инжекции в рабочем диапазоне, с помощью генератора 1 производят импульсную 100% модуляцию тока инжекции в низкочастотной области и соответственно модуляцию оптической мощности светодиода или лазерного диода, с помощью микролинзы 3 формируют параллельный оптический пучок, просвечивающий кювету 4 с анализируемым бензином. Оптический пучок, прошедший кювету с бензином, фокусируется микролинзой 5 и детектируется с помощью фотодиода 6. На основе измерения переменной составляющей фототока, пропорциональной оптической интенсивности прошедшего излучения, с помощью аналого-цифрового преобразователя и микропроцессора 7 в соответствии с соотношением (1) определяется коэффициент поглощения или оптическая плотность, при этом предварительно на этапе калибровки определяется уровень входного оптического излучения, т.е измерения при отсутствии кюветы, уровень прошедшего оптического излучения, когда кювета пустая и наполненная анализируемым бензином, а далее вычисляется октановое число, используя калибровочную кривую.

При зондирующей оптической мощности порядка мВт и использовании режима модуляции тока инжекции устройство позволяет измерить оптическую плотность до 4 или коэффициент поглощения 40 дБ, в то время как при толщине кюветы в 1 см типичное значение коэффициента поглощения составляет 25 дБ (соответствующая оптическая плотность 2,5) на длине волны УФА-диапазона 380 нм для бензина с октановым числом 92. При этом для прототипа коэффициент поглощения в ближнем ИК-диапазоне составляет менее 1-2 дБ при толщине зондируемой кюветы 5 см.

Так как для питания светодиодов или лазерных диодов необходимы токи в десятки мА при напряжении 2-3 вольта, при этом используются низковольтные аккумуляторы, и устройство обладает необходимым уровнем взрывобезопасности.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность, вследствие диагностики поглощения бензина в ультрафиолетовой области спектра, обладает простотой анализа результатов измерения по сравнению с прототипом. Устройство обладает мобильностью, компактностью, взрывобезопасностью. Стоимость светодиодов в дальнем УФА-диапазоне составляет менее 10 $, поэтому устройство, реализующие этот способ, потенциально обладает стоимостью существенно меньшей, чем известные измерители октановых чисел, например Октаномер CAT-1100 (Институт химии нефти СО РАН) стоимостью 1000 $ и зарубежные измерители стоимостью 12-15 тысяч долларов.

Изобретение может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности. Согласно предложенному способу зондируют кювету оптическим пучком дальнего ультрафиолетового или фиолетового излучения с длиной волны из диапазона 370≤λ≤420 нм, измеряют интенсивность прошедшего излучения с пустой кюветой и наполненной анализируемым бензином, определяют оптическую плотность из соотношения, октановое число определяют по калибровочной кривой, связывающей значения оптической плотности бензина или коэффициента поглощения с соответствующим значением октанового числа бензина. Также предложено устройство для определения октанового числа бензинов, которое содержит оптический излучатель, формирователь оптического пучка, зондируемую кювету с бензином, детектор прошедшего оптического излучения, измеритель интенсивности прошедшего оптического излучения на выходе кюветы, определитель коэффициента поглощения на основе аналого-цифрового преобразователя и процессора. В качестве излучателя выбран светодиод или лазерный диод с длиной волны 370≤λ≤420 нм, а источник тока инжекции для питания диода выполнен со встроенным модулятором тока. Изобретение обеспечивает оперативный контроль октанового числа бензинов, простоту анализа результатов измерения с повышением точности, компактности и мобильности дешевого и взрывобезопасного устройства. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения октанового числа бензинов, включающий зондирование оптическим излучением кюветы с бензином, измерение интенсивности прошедшего оптического излучения на выходе кюветы, определение коэффициента поглощения, отличающийся тем, что зондируют кювету оптическим пучком излучения дальнего ультрафиолетового или фиолетового диапазона с длиной волны 370≤λ≤420 нм, измеряют интенсивность прошедшего излучения при зондировании пустой кюветы и наполненной анализируемым бензином, определяют оптическую плотность из следующего соотношения:

где D_λ - оптическая плотность кюветы с анализируемым бензином;

D_0λ - оптическая плотность пустой кюветы;

(I₀)_λ - интенсивность входного излучения (при отсутствии кюветы) на длине волны λ;

(I_i)_0λ - интенсивность излучения на длине волны длины λ, прошедшего пустую кювету;

(I_i)λ - интенсивность излучения на длине волны длины λ, прошедшего кювету, наполненную анализируемым бензином;

(k_0il)_λ - спектральный коэффициент поглощения бензина на длине волны λ;

L - толщина зондируемой кюветы,

при этом октановое число определяют по калибровочной кривой, связывающей значения оптической плотности бензина с соответствующим значением октанового числа бензина.