СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ КОМПОНЕНТОВ БЕНЗИНА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО СОСТАВА В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ Российский патент 2015 года по МПК G06N3/02 

Изобретение относится к измерительным устройствам и системам для определения состава и октанового числа бензинов и может использоваться, например, для контроля и поддержания требуемой концентрации и значения детонационной стойкости компонентов при производстве товарного бензина путем смешения компонентов.

Известно изобретение «СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА БЕНЗИНОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ» [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 кювету зондируют оптическим пучком излучения дальнего ультрафиолетового или фиолетового диапазона с длиной волны 370≤λ≤420 нм; измеряют интенсивность прошедшего излучения при зондировании пустой кюветы и кюветы, наполненной анализируемым бензином, и 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_0i1)_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.

Недостатком указанного аналога является то, что калибровочная кривая, связывающая значения оптической плотности или спектральных коэффициентов поглощения бензина с соответствующим значением октанового числа бензина, будет еще определяться компонентным составом бензина, который может быть не известен.

Известно изобретение «АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СПОСОБ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВЕЩЕСТВ» [2].

Автоматизированный способ спектрофотометрического анализа веществ, включающий измерение оптической плотности, по меньшей мере, двух образцов с известным значением определяемого показателя вещества непрерывно по шкале длин волн в видимом, инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне спектра; формирование банка данных по полученным спектрам; регистрацию спектра исследуемого вещества, отличающийся тем, что выбирают набор информативных длин волн по максимальным отклонениям одного спектра от другого, строя функциональную зависимость определяемого показателя от величины оптической плотности в наборе информативных длин волн, и по указанной зависимости находят величину искомого показателя.

Недостатком этого аналога является то, что для обеспечения указанного способа необходимо выбирать набор информативных длин волн по максимальным отклонениям одного спектра от другого и строить функциональную зависимость состава от величины оптической плотности. Набор информативных длин волн для различных компонентов, в общем случае, будет различным. То есть для выбора набора информативных длин волн необходимо априорное знание о том, какие компоненты входят в состав анализируемой смеси.

Наиболее близким по назначению и по технической сущности к предлагаемому техническому решению и выбранным вследствие этого в качестве прототипа является «СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА БЕНЗИНОВ» [3]. Указанный способ определения октанового числа бензинов, включающий измерение спектров поглощения в ближней инфракрасной области, характеризуется тем, что последовательно измеряют в ближней инфракрасной области коэффициенты поглощения трех чистых углеводородов из ряда изооктан, n-гептан, толуол или бензол, по коэффициентам поглощения трех чистых углеводородов составляют модельный спектр вида:

K_m=K₁C₁+K₂C₂+K₃C₃,

где K₁, K₂, K₃ - коэффициенты поглощения n-гептана, изооктана, толуола (или бензола);

С₁, C₂, C₃ - концентрации n-гептана, изооктана, толуола (или бензола) соответственно;

измеряют коэффициенты поглощения паспортизованных бензинов разных марок с использованием идентичных кювет и на тех же длинах волн, определяют коэффициенты С₁, С₂, С₃ паспортизованных бензинов путем сравнения спектра поглощения каждого паспортизованного бензина с модельным, который программно видоизменяют методом перебора комбинаций значений С₁, С₂, C₃ достижения минимального отклонения модельного спектра от спектра паспортизованного бензина; определяют градуировочную зависимость октановых чисел паспортизованных бензинов от концентрации С₃ толуола (или бензола) в их модельном спектре и используют эту зависимость для определения октанового числа любого анализируемого бензина в следующей последовательности для каждого бензина: измеряют коэффициенты поглощения анализируемого бензина с использованием идентичных кювет и на тех же длинах волн; определяют коэффициенты С₁, C₂, С₃ анализируемого бензина путем сравнения его спектра поглощения с модельным, который программно видоизменяют методом перебора комбинаций значений С₁, С₂, C₃ до достижения минимального отклонения модельного спектра от спектра анализируемого бензина, и по концентрации толуола (или бензола) C₃ модельного спектра анализируемого бензина определяют октановое число анализируемого бензина по указанной градуировочной зависимости.

Недостатком прототипа является необходимость априорного знания компонентов, входящих в состав бензина, что не всегда возможно на практике.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение достоверности идентификации компонентов, входящих в состав товарного бензина, повышение точности определения состава и октанового числа бензинов.

Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в обеспечении процесса идентификации компонентов бензина и определения его состава в режиме реального времени с оперативным внесением поправок в технологический процесс.

Технический результат достигается тем, что в способе идентификации компонентов бензина и определения его состава в режиме реального времени, включающем создание базы данных спектральных коэффициентов поглощения тестовых компонентов, измерение спектральных коэффициентов поглощения тестовых компонентов и бензина в технологических линиях, сигналы о спектральных коэффициентах поглощения тестовых компонентов и бензина суммируются нейронами идентификации, число которых равно числу компонентов в бензине и нейронов состава, с соответствующими синаптическими коэффициентами, величины и знаки которых, а также значения активации нейронов устанавливаются по образцам тестовых компонентов и бензинов с использованием методов обучения нейронных сетей, например, алгоритма обратного распространения ошибки, в котором минимизируются целевые функции идентификации U_j и состава В:

причем идентификацию j-компонентов производят по минимумам целевых функций U_j и активному состоянию нейронов искусственной нейронной сети идентификации, изменяя при этом коэффициенты синаптических связей ω_ij, а значения активации нейронов определяют в соответствии с функцией активации, например:

при этом концентрацию компонентов в бензине определяют по минимуму целевой функции состава и активному состоянию нейрона искусственной нейронной сети состава, изменяя коэффициенты синаптических связей ω_ij, а значения активации нейрона состава вычисляют в соответствии с функцией активации, например:

R=е^-Bαε,

и при активном состоянии нейрона состава принимают значения концентрации компонентов в смеси c_j численно равным значениям коэффициентов синаптических связей ω_ij,

где k_jэт (λ_i) - спектральные коэффициенты поглощения тестовых компонентов находящихся в базе данных;

k_j(λ_i) - измеренные спектральные коэффициенты поглощения компонентов в технологических линиях;

k_см(λ_i) - измеренные спектральные коэффициенты поглощения бензина в технологических линиях;

λ_i - длины волн, на которых измеряются спектральные коэффициенты поглощения;

T_j - функции активации искусственной нейронной сети идентификации;

j - число компонентов в бензине;

R - функция активации искусственной нейронной сети состава;

α, β - коэффициенты, учитывающие наклон функций активации;

ε - погрешность измерения спектральных коэффициентов поглощения.

В качестве примера реализации предлагаемого способа может быть рассмотрена многоканальная спектрометрическая информационно-измерительная система оценки состава и детонационной стойкости товарного топлива.

На фиг.1 приведена многоканальная спектрометрическая информационно-измерительная система оценки состава и детонационной стойкости товарного топлива, где:

1 - резервуары компонентов бензина (1, 2, 3, …, j),

2 - технологические трубопроводы,

3 - проточные кюветы,

4 - волоконно-оптический кабель,

5 - смесители №1 и №2,

6 - резервуар с бензином (Бензин 1 и Бензин 2),

7 - оптический мультиплексор,

7а - источник света,

8 - спектрометр,

9 - персональный компьютер (ПК).

На фиг.2 приведена искусственная нейронная сеть, используемая при идентификации компонентов бензиновой смеси.

На фиг.3 приведена искусственная нейронная сеть, используемая при вычислении состава и детонационной стойкости бензина.

На фиг.4 приведен график функции активации нейрона искусственной нейронной сети идентификации компонентов.

На фиг.5 приведен график функции активации нейрона искусственной нейронной сети вычисления состава и детонационной стойкости бензина.

Многоканальная спектрометрическая система содержит ИК-спектрометр, соединенный с промышленными проточными кюветами посредством волоконно-оптического кабеля через оптический мультиплексор. По команде от ПК излучение от ИК-излучателя через оптический мультиплексор направляется по волоконно-оптическому кабелю первого канала в промышленную проточную кювету, расположенную рядом с технологическим трубопроводом, по которому из резервуара подается первый компонент. Производится измерение спектральных коэффициентов пропускания ИК-спектрометром и последовательный ввод их значений в ПК по USB-интерфейсу с последующим расчетом на их основе спектральных коэффициентов поглощения первого компонента [5]. Результаты расчетов запоминаются в ПК, после чего по интерфейсу RS-232 ПК дает команду оптическому мультиплексору на переключение излучения от ИК-излучателя (источника света) к волоконно-оптическому кабелю второго канала, соответствующего точке отбора второго компонента. Производится измерение спектральных коэффициентов пропускания, расчет на их основе спектральных коэффициентов поглощения второго компонента и сохранение в памяти ПК. Эти действия повторяются, пока не будут измерены спектральные коэффициенты пропускания всех компонентов, а также товарных бензинов, полученных в результате смешения компонентов в смесителях и по технологическим трубопроводам поступающих в резервуар с готовым бензином. По вычисленным значениям спектральных коэффициентов поглощения компонентов k_j(λ_i) и спектральных коэффициентов поглощения тестовых компонентов k_jэт(λ_i) в соответствии с целевой функцией искусственной нейронной сети производится идентификация компонентов. Когда идентификация компонентов завершена, определяют состав c_j в соответствии с целевой функцией искусственной нейронной сети с последующим расчетом октанового числа и формированием управляющих воздействий для управления расходами компонентов товарного бензина.

Задача обеспечения достоверности идентификации компонентов, входящих в состав товарного бензина, повышения точности определения состава и октанового числа бензинов решается применением предлагаемого способа, когда по измеренным значениям спектральных коэффициентов поглощения k_j(λ_i) компонентов, входящих в состав бензина, и спектральных коэффициентов поглощения k_см(λ_i) бензина производят идентификацию компонентов бензина j, вычисляя значения синаптических коэффициентов ω_ij. Величины и знаки синаптических связей ω_ij каждого из нейронов устанавливаются при калибровке по образцам тестовых компонентов и бензинов с известными спектральными коэффициентами поглощения k_j(λ_i) с использованием методов облучения нейронных сетей, например, алгоритма обратного распространения ошибки в котором минимизируются целевые функции U_j, B.

Способ осуществляется следующим образом.

1) Измеряются спектральные коэффициенты поглощения компонентов, входящих в состав бензина k_j  (λ_i) в технологической линии.

В примере рассматривается четыре компонента: n-гептан, изооктан, толуол, бензол (таблица 1) [4]:

Таблица 1 Спектральные коэффициенты поглощения компонентов Длина волны, нм n-гептан изооктан толуол Бензол 1080 0,004 0,001 0,002 0,03 1090 0 0 0 0 1100 0 0 0 0 1110 0,011 0,015 0,0125 0,042 1120 0,014 0,02 0,1 0,2 1130 0,049 0,05 0,325 0,5625 1140 0,075 0,125 1,15 1,9 1150 0,3 0,3625 1,2 1,2 1160 0,345 0,4375 0,45 0,2875 1170 0,5125 0,6 0,3375 0,1625 1180 0,75 0,8875 0,413 0,075 1190 1,6 1,65 0,6 0,0625 1200 1,45 1,35 0,45 0,0132 1210 1,78 0,7102 0,161 0,0126 1220 1,2 0,55 0,629 0,0116 1230 0,55 0,3 0,0612 0,0112

2) Изменяя коэффициенты синаптической связи ω_ij, минимизируется целевая функция U_j,:

с использованием алгоритма обратного распространения ошибки,

где λ_i - длина волны; k_j(λ_i) - спектральный коэффициент поглощения j-ого компонента на i-ой длине волны; k_jэт (λ_i) - коэффициент поглощения j-го тестового компонента на i-й длине волны; ω_ij - коэффициент синаптической связи j-го компонента на i-й длине волны.

3) Компонент идентифицирован, когда нейрон активирован, а функция активации

имеет значение 0,999≤T≤1 (фиг.4),

где β - коэффициент, учитывающий наклон функции активации; ε=0,01 - погрешность измерения спектральных коэффициентов поглощения.

4) Измеряются спектральные коэффициенты поглощения бензина k_см (λ_i) в технологической линии (таблица 2):

Таблица 2 Значения спектральных коэффициентов поглощения бензина 1, 2, 3, 4. Длина волны, нм k поглощения Смеси 1 (А-80) k поглощения Смеси 2 (АИ-92) k поглощения Смеси 3 (АИ-95) k поглощения Смеси 4 (АИ-98) 1080 0,0016607 0,0013427 0,0040409 0,003972 1090 0 0 0 0 1100 0 0 0 0 1110 0,0140072 0,0145354 0,0173987 0,017635 1120 0,0226395 0,0250554 0,0374736 0,037863 ИЗО 0,0636829 0,0697286 0,1015837 0,100703 1140 0,1668361 0,1913762 0,3023259 0,302703 1150 0,3930848 0,4151751 0,439582 0,442058 1160 0,4232332 0,4293248 0,4180944 0,422167 1170 0,5670818 0,5759268 0,5522126 0,554859 1180 0,8361118 0,8463342 0,7999697 0,802912 1190 1,5828313 1,582134 1,496415 1,498348 1200 1,3259162 1,299941 1,2308942 1,223276 1210 0,8949754 0,7642968 0,6992196 0,678423 1220 0,6827157 0,6121177 0,5366323 0,520776 1230 0,3373029 0,3029228 0,2884309 0,280779

5) Изменяя коэффициенты синаптической связи ω_j, минимизируется целевая функция В :

где k_см (λ_i) - спектральный коэффициент поглощения бензина на i-й длине волны.

6) Состав установлен, когда нейрон активирован, а функция активации

R=е^-Baε

имеет значение 0.999≤R≤1 (фиг.5),

где α - коэффициент, учитывающий наклон функции активации; ε=0,01 - погрешность измерения спектральных коэффициентов поглощения.

При этом концентрации компонентов в бензине c_j численно равны значениям коэффициентов синаптических связей ω_j.

Таблица 3 Вычисленные и тестовые значения концентраций компонентов бензинов   Бензин 1 Бензин 2 Бензин 3 Бензин 4 Тестовое значение концентрации n-гептана, % 20,00% 9,00% 6,00% 3,00% Тестовое значение концентрации изооктана, % 75,00% 84,00% 84,00% 87,00% Тестовое значение концентрации толуола, % 5,00% 7,00% 0,00% 0,00% Тестовое значение концентрации бензола, % 0,00% 0,00% 10,00% 10,00%           Вычисленное значение концентрации н-гептана, % 19,8262% 8,8744% 5,7846% 3,1063% Вычисленное значение концентрации изооктана, % 75,2469% 84,1866% 84,2998% 86,8967% Вычисленное значение кцентрации толуола, % 4,9269% 6,9390% 0,2698% 0,0000% Вычисленное значение концентрации бензола, % 0,0000% 0,0000% 9,6458% 9,9971%           Погрешность вычисления концентрации н-гептана, % 0,173822499 0,125621022 0,215435268 0,106268190 Погрешность вычисления концентрации изооктана , % 0,246894713 0,186634822 0,299846913 0,103345864 Погрешность вычисления концентрации толуола, % 0,073072213 0,061013800 0,269794846 0,000000000 Погрешность вычисления концентрации бензола, % 0,000000000 0,000000000 0,354206491 0,002922326

Погрешность вычисления состава бензина определялась по формуле:

Δc_j=(с_эj-c_j)·100,

где с_эj - тестовое значение концентрации j-го компонента бензина, c_j - вычисленное значение концентрации j-го компонента бензина.

7) По вычисленным значениям концентраций компонентов бензина c_j находят октановое число товарного бензина по формуле:

где c_j - концентрация j-го компонента бензина; Q_j - октановое число j-го компонента бензина; b - суммарное отклонение октановых чисел от аддитивности, обусловленное межмолекулярными взаимодействиями между компонентами:

где b_j - интенсивность межмолекулярных взаимодействий j-го компонента, c_j - концентрация j-го компонента.

Интенсивность межмолекулярного взаимодействия углеводородов

Компонент b_j n-гептан 0,1 изооктан 0,12 толуол 0,78 бензол 1,08

Таблица 4 Октановые числа смесей   Октановые числа   Смесь 1 Смесь 2 Смесь 3 Смесь 4 Суммарное отклонение, b_j 0,00149 0,001644 0,002148 0,002154 ИОЧ 80,9488 92,2167 95,5139 98,1955 МОЧ 80,2788 91,2730 95,3422 98,0555

Данное техническое решение промышленно реализуемо на нефтеперерабатывающих предприятиях.

Источники информации

1. Патент на изобретение RU 2331058 «СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА БЕНЗИНОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ», МПК G01N 21/35, приоритет от 02.04.2007.

2. Патент на изобретение RU 2284506 «АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СПОСОБ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВЕЩЕСТВ», МПК G01N 21/31, приоритет от 05.09.2002.

3. Патент на изобретение RU 2310830 «СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА БЕНЗИНОВ», МПК G01N 21/35, приоритет от 17.08.2006.

4. Веснин В.Л., Мурадов В.Г. «Характерные особенности спектров поглощения бинарных смесей углеводородов в области длин волн 1090-1240 нм на примере изооктана, n-гептана, толуола, бензола», Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т.11, №3, 2009, с. 29-32..

5. Шмидт В. «Оптическая спектроскопия для химиков и биологов». - М.: Изд-во «Техносфера», 2007.

Изобретение относится к измерительным системам и устройствам и может быть использовано для идентификации компонентов бензина и определения его состава. Техническим результатом является обеспечение идентификации в режиме реального времени с оперативным внесением поправок в технологический процесс. Способ заключается в том, что идентификацию компонентов производят по минимуму целевой функции и активному состоянию нейронов искусственной нейронной сети идентификации, изменяя при этом коэффициенты синаптических связей, расчет значений активации нейронов определяют в соответствии с функцией активации, при этом концентрацию компонентов бензина производят по минимуму целевой функции и активному состоянию нейрона искусственной нейронной сети состава, изменяя коэффициенты синаптических связей, а расчет значения активации нейрона состава производят в соответствии с функцией активации, и при активном состоянии нейрона состава принимают значения концентрации компонентов в смеси численно равным значениям коэффициентов синаптических связей. 5 табл., 5 ил.

Способ идентификации компонентов бензина и определения его состава в режиме реального времени, включающий создание базы данных спектральных коэффициентов поглощения тестовых компонентов, измерение спектральных коэффициентов поглощения тестовых компонентов и бензина в технологических линиях, отличающийся тем, что сигналы о спектральных коэффициентах поглощения тестовых компонентов и бензина суммируются нейронами идентификации, число которых равно или больше числа компонентов в бензине, и нейроном состава, с соответствующими синаптическими коэффициентами, величины и знаки которых, а также значения активации нейронов устанавливаются по образцам тестовых компонентов и бензинов с использованием алгоритма обратного распространения ошибки, в котором минимизируются целевые функции идентификации U_j и состава В:

причем идентификацию j-компонентов производят по минимумам целевых функций U_j и активному состоянию нейронов искусственной нейронной сети идентификации, изменяя при этом коэффициенты синаптических связей ω_ij, а значения активации нейронов определяют в соответствии с функцией активации
T_j=e^-Ujβε,
при этом концентрацию компонентов в бензине определяют по минимуму целевой функции состава и активному состоянию нейрона искусственной нейронной сети состава, изменяя коэффициенты синаптических связей ω_ij, а значения активации нейрона состава вычисляют в соответствии с функцией активации
R=е^-Bαε,
и при активном состоянии нейрона состава принимают значения концентрации компонентов в смеси c_j численно равным значениям коэффициентов синаптических связей ω_ij,
где k_jэт(λ_i) - спектральные коэффициенты поглощения тестовых компонентов, находящихся в базе данных;
k_j(λ_i) - измеренные спектральные коэффициенты поглощения компонентов в технологических линиях;
k_см(λ_i) - измеренные спектральные коэффициенты поглощения бензина в технологических линиях;
λ_i - длины волн, на которых измеряются спектральные коэффициенты поглощения;
T_j - функции активации искусственной нейронной сети идентификации;
j - число компонентов в бензине;
R - функция активации искусственной нейронной сети состава;
α, β - коэффициенты, учитывающие наклон функций активации;
ε - погрешность измерения спектральных коэффициентов поглощения.