УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДЕТОНАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ И ДОСТОВЕРНОСТИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам оперативного контроля показателей качества нефтепродуктов, в частности позволяет измерять октановое число (ОЧ) бензинов, цетановое число (ЦЧ) дизельных топлив, комплексный детонационный индекс (КДИ), состоящий из индекса детонационной стойкости (IDS) и индекса недостоверности топлива (INT), а также нормированный индекс детонационной стойкости (NIDS). Таким образом, прибор позволяет анализировать достоверность топлива с точки зрения наличия в нем недопустимых по ГОСТ неорганических присадок.
Аналогами заявляемой полезной модели являются устройства, содержащие емкостной датчик со встроенным датчиком температуры, соединенные с устройством обработки и индикации (патент на полезную модель РФ №10463 Устройство для измерения октанового числа бензинов /Астапов В.Н, Скворцов Б.В., Васильев Р.Л., Пендюхов Е.П.//, Изобретения. Открытия. 1999, №7.; патент на полезную модель №34014./ Устройство для измерения показателей качества нефтепродуктов// Скворцов Б.В.Царев Р.А., от 20.10 2003 г.)
Прототипом заявляемой полезной модели является устройство, содержащее емкостной датчик, со встроенным датчиком температуры, размещенные в корпусе рукоятки прибора и соединенные устройством обработки (патент на изобретение №2206085 /Устройство для оперативного измерения октанового числа бензинов// Скворцов Б.В., Синников С.Г., Астапов В.Н. от 20.08 2003)
Недостатком аналогов и прототипа является ограниченные функциональные возможности, выражающиеся в невозможности измерения комплексного детонационного индекса (KDI), а также индекса недостоверности (INT) топлива.
Поставлена задача: расширить функциональные возможности прибора, которые позволили бы проводить наряду с определением детонационной стойкости топлива определять комплексный детонационный индекс, нормированный индекс детонационной стойкости и индекс недостоверности топлива.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном устройстве, содержащем датчик температуры, выход которого подключен к первому входу контроллера, емкостной датчик, выход которого подключен к входу преобразователя диэлектрической проницаемости топлива в электрический сигнал, выход которого подключен ко второму входу контроллера, выход емкостного датчика подключен к преобразователю тангенса угла потерь в электрический сигнал, выход которого подключен ко входу контроллера, при этом показатели детонационной стойкости определяются по формулам:
октановое число бензинов -
цетановое число дизельных топлив -
комплексный детонационный индекс (KDI) -
где
индекс детонационной стойкости,
индекс недостоверности топлива,
ЭТ
ЭТ
ε, ε, δ, δ - диэлектрические проницаемости и углы потерь соответственно эталонного топлива (компонента) и контролируемого топлива;
нормированный индекс детонационной стойкости бензинов -
нормированный индекс детонационной стойкости дизельных топлив -
ЭТ
ЭТ
ЭТ
ЭТ
-4
-4
при этом в качестве эталонного компонента для бензинов считается толуол, ε=2,362 и tgδ=122,8·10, а в качестве эталонного компонента для дизельных топлив α - метилнафталин, имеющий ε=2,664 и tgδ=165,8·10.
Это позволяет проводить измерение не только октанового числа бензинов и цетанового числа дизельных топлив, но и комплексного детонационного
индекca (KDI), индекса детонационной стойкости(IDS), нормированного индекса детонационной стойкости (NIDS), индекса недостоверности топлива (INT).
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фигуре 1 изображена структурная схема предложенного устройства. Схема содержит: емкостной датчик 1, выход которого подключен ко входам преобразователей тангенса угла потерь в электрический сигнал 2 и диэлектрической проницаемости в электрический сигнал 3, выходы которых подключены к устройству обработки и индикации 4. Датчик 1 вместе со встроенным датчиком температуры 5, погружены в контролируемое топливо 6.
Устройство работает следующим образом. Датчик 1 погружается в контролируемое топливо, диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь которых зависит от контролируемых параметров по формулам (1) - (7). Сигнал датчика (1) преобразуется преобразователями 2 и 3 в цифровые электрические сигналы, численно равные диэлектрической проницаемости и тангенсу угла потерь топлива. Далее контроллеры вычисляют заявленные показатели по формулам (1)-(7), которые получаются из следующих соображений. Формулы (1), (2) получены на основе статистических исследований зависимостей октанового и цетанового чисел соответственно стандартных бензинов и дизельных топлив от диэлектрической проницаемости с последующей регрессионной обработкой данных. Исследования проводились не только экспериментально, но и с помощью математической программы статистического моделирования компонентного состава топлив.
6
-12
-14
6
-4
-4
Углеводородное топливо содержит основные компоненты, определяющие главные показатели качества (детонационную стойкость, теплоту сгорания и др.) и вредные органические примеси, например воду, кислоты и другие кислородосодержащие соединения, имеющие полярные молекулы. Основные компоненты топлив, в том числе высокооктановые ароматические углеводороды, имеют диэлектрическую проницаемость в диапазоне ε=1,8÷2,4 и на частоте f=10 Гц очень маленькую удельную проводимость σ=10÷101/Ом·м. Тангенс угла потерь на частоте ƒ=10 Гц в самых предельных случаях колеблется в диапазоне tgδ=2·10÷130·10. В большинстве случаев, для
-4
-4
-6
6
высококачественных топлив, можно ограничится диапазоном tgδ=(5÷30)·10. Неорганические примеси (вода, кислоты, шелочи, спирты), также металлосодержащие добавки имеют диэлектрическую проницаемость в диапазоне ε=3÷80 и относительно высокую проводимость δ=10÷10 1/Ом·м, что на частоте 10 Гц соответствует тангенсу угла потерь tgδ=0,1÷10. Таким образом, если в контролируемый бензин попадает неорганическое соединение, то это приводит к увеличению диэлектрической проницаемости и проводимости одновременно. Причем тангенс угла потерь увеличивается значительно больше, чем диэлектрическая проницаемость. Поэтому, контролируя тангенс угла потерь можно интегрально судить о том, за счет чего контролируемый бензин повысил диэлектрическую проницаемость и делать выводы о достоверности топлива.
Б
Б
П
П
С
П
Проиллюстрируем сказанное на примере. Пусть в бензин с диэлектрической проницаемостью ε и тангенсом угла потерь tgδ попадает ξ% примесей с диэлектрической проницаемостью ε и тангенсом угла потерь tgδ, то результирующие значения диэлектрической проницаемости ε и угла потерь tgδ смеси будут иметь вид:
Б
Б
П
П
С
С
-3
Например, если ε=2,0, tgδ=4·10 (что в нормальных гостированных бензинах соответствует октановому числу 78-80), ε=80, tgδ=1, то при ξ=0,1% итоговое значение диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь составит: ε=2,078; tgδ=0,005. Таким образом, добавление в топливо, например 0,1% воды, приводит к изменению диэлектрической проницаемости на 3,9% (что соответствует увеличению октанового числа на 10-12 единиц), а тангенса угла потерь на 25%. Таким образом, контролируя изменения тангенса угла потерь можно судить о причинах увеличения диэлектрической проницаемости и корректировать результаты измерения. Более того, можно ввести показатель подлинности бензина.
Таким образом, для косвенной оценки топлива без сжигания можно предложить новый показатель качества - комплексный электрофизический детонационный индекс (KDI), косвенно связанный с детонационной стойкостью и
недостоверностью топлива (наличием в нем компонентов, неразрешенных техническими условиями, в частности неорганических соединений).
Указанный индекс удовлетворяет следующим требованиям.
1. KDI состоит из двух составляющих - индекса детонационной стойкости IDS и индекса недостоверности топлива INT.
2. IDS косвенно связан с детонационной стойкостью топлива - с октановым числом бензинов или цетановым числом дизтоплива.
3. INT косвенно связан с процентным содержанием негостированных (неорганических или металлосодержащих) соединений в топливе.
4. KDI имеет возможность раздельной количественной оценки индекса детонационной стойкости и индекса недостоверности топлива.
5. Принцип измерения KDI основан на калибровке по эталонным компонентам, применяемым для калибровки моторных установок.
6. Диапазон изменения IDS от 0 до 2,0 что соответствует изменению октанового числа от 0 до 200, при этом единица должна соответствовать октановому числу 100;
7. Диапазон изменения INT должен быть от 0 до 1,0 что соответствует процентному содержанию в топливе компонентов, неразрешенных техническими условиями.
ЭT
-4
Указанным требованиям удовлетворяет комплексный детонационный индекс (KDI), определяемый как отношение комплексных диэлектрических проницаемостей контролируемого и эталонного топлив (3), действительная и мнимая составляющие которого определяют индекс детонационной стойкости IDS (4) и индекс недостоверности топлива (5). При этом в качестве эталонного компонента для бензинов следует признать толуол, который из всех эталонных жидкостей имеет самые близкие к средним значениям для ароматических углеводородов октановое число  Ω=108, диэлектрическую проницаемость ε=2,362 и тангенс угла потерь tgδ=122,8·10.
Таким образом, контролируемые стандартные бензины, имеющие октановое число меньшее 108, будут иметь индекс детонационной стойкости меньше 1 и индекс недостоверности близкий к 0, если в них нет неорганических добавок.
ЭТ
ЭТ
-4
В качестве эталонного компонента для дизельных топлив следует принять α - метилнафталин, который при нулевом цетановом числе Z=0, имеет максимальную диэлектрическую проницаемость ε=2,664 и близкое к среднему для ароматических углеводородов значение тангенса угла потерь tgδ=165,8·10. Таким образом, все стандартные дизельные топлива, имеющие цетановое число больше нуля будут иметь индекс детонационной стойкости меньше единицы и индекс недостоверности близкий к нулю, если в них нет неорганических компонентов.
Отметим, что для всех углеводородных топлив тангенс угла потерь многоменьше 1, поэтому для индекса детонационной стойкости можно записать:
Тангенс угла потерь фальсифицированных топлив, как правило, значительно больше стандартных, поэтому индекс недостоверности топлива целесообразно определять как модуль мнимой части KDI.
Приняв толуол за эталонное топливо, на основе статистических исследований получено соответствие между октановым числом и предложенным индексом детонационной стойкости IDS (табл.1, строки 2, 3). Учитывая, что микропроцессорная техника позволяет производить любые математические операции над сигналами можно пронормировать IDS таким образом, чтобы октановому числу  Ω=100 соответствовал нормированный индекс детонационной стойкости (NIDS) NIDS=1; октановому числу  Ω=98-NIDS=0,98; октановому числу  Ω=80-NIDS=0,8 и в общем случае октановому числу  Ω-NIDS=0, Ω. Это позволит максимально сблизить формальное соответствие между октановым числом и индексом детонационной стойкости. При этом нормированный индекс детонационной стойкости (НИДС) определяется по формуле: NIDS=Fн(IDS),
где Fн(IDS) - нормировочная функция, определяемая из соображений соответствия четвертой и пятой строк таблицы 1.
Таблица 1.Диапазоны изменения ИДС для стандартных неэтилированных бензинов и толуола
№
Марка бензина
А-76(А-80)
АИ-91
А-92
АИ-95
АИ-98
Толуол
1
Допустимый диапазон октановых чисел
79,5-80,5
90,5-91,5
91,5-92,5
94,5-95,5
97,5-98,5
108
2
Средне- взвешенный диапазон IDS
0,847-0,864
0,865-0,877
0,869-0,886
0,870-0,896
0,884-0,904
0,995-1,005
3
Среднее значение IDS
0,856
0,871
0,877
0,883
0,892
1,0
4
Нормировании индекс детонационной стойкости (NIDS)
0,800
0,910
0,920
0,950
0,980
1,08
5
Нормированный диапазон NIDS для бензинов
0,792-0,808
0,904-0,916
0,912-0,929
0,936-0,964
0,971-0,993
0,999-1,001
6
Индекс недостоверности
0,002
0,002
0,002
0001
0,001
0
Используя программу регрессионной аппроксимации по указанным точкам получаем нормировочную функцию для бензинов (6).
Для дизельных топлив таблица 2 соответствия цетановых чисел и индекса детонационной стойкости, получена путем деления средних значений диэлектрических проницаемостей при заданных цетановых числах на диэлектрическую проницаемость α - метилнафталина, принятого за эталонный компонент.
Таблица 2.Таблица соответствия цетановых чисел и индексов IDS и NIDS детонационной стойкости дизельных топлив
Цетановое число, Z
ε
NIDS
IDS
Цетановое число, Z
ε
NIDS
IDS
0, α - метил-нафталин
2,664
0
1,0
45
2,311
0,45
0,867
36
2,326
0,36
0,873
46
2,306
0,46
0,866
37
2,325
0,37
0,873
47
2,305
0,47
0,865
38
2,322
0,38
0,872
48
2,304
0,48
0,865
39
2,318
0,39
0,870
49
2,303
0,49
0,864
40
2,318
0,40
0,870
50
2,301
0,50
0,864
41
2,317
0,41
0,870
51
2,298
0,51
0,863
42
2,316
0,42
0,869
52
2,293
0,52
0,861
43
2,314
0,43
0,869
53
2,288
0,53
0,859
44
2,313
0,44
0,868
54
2,278
0,54
0,855
Используя программу регрессионной аппроксимации по точкам таблицы находим нормировочную функцию для дизельных топлив (7).
Все вычисленные значения корректируются в зависимости от сигнала датчика температуры.
Рассмотренные электрофизические параметры топлив KDI, IDS, NIDS, INT наряду с другими параметрами могут использоваться для аттестации топлив.
Так как их измерение не требует дорогостоящей аппаратуры, то вполне возможно включение их в паспортные характеристики топлив.
Устройство, кроме известных показателей детонационной стойкости (октанового числа бензинов и цетанового числа дизельных топлив), позволяет определять комплексный детонационный индекс, индекс детонационной стойкости, нормированный индекс детонационный стойкости, индекс недостоверности топлив.