УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА И СОДЕРЖАНИЯ ПРИМЕСЕЙ В БЕНЗИНЕ С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКИ
DEVICE AND METHOD OF THE OCTANE NUMBER DETERMINATION AND IMPURITY OF IMPURITIES IN GASOLINE WITH ULTRASOUND DIAGNOSTICS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способам и устройствам исследования или анализа автомобильных бензинов при помощи электрических и электромеханических средств и может быть использовано во всех областях промышленности при производстве, транспортировке, хранении и реализации автомобильных бензинов для оперативного контроля их качества путем определения соответствия заявленным показателям октанового числа и допустимых концентраций примесей.
Описание предшествующего уровня техники
В настоящее время стандартизованными методиками определения октанового числа автомобильных бензинов являются моторный и исследовательский методы, отличающиеся различными режимами работы моторной установки. При этом недостатками указанных методов являются массогабаритные характеристики измерительной моторной установки, измерительной установки и эталонных образцов топлива, а также длительность процесса измерения (120 минут). Указанные факторы позволяют заключить, что описанные методы определения октанового числа автомобильных бензинов непригодны для оперативного анализа октанового числа автомобильных бензинов в полевых условиях.
Из существующего уровня техники известен «СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА БЕНЗИНОВ» (Патент РФ №2310830, заявл. 17.08.2006, опубл. 20.11.2007), который заключается в том, что октановое число бензинов определяется по поглощению в ближней области ИК-спектра. При использовании указанного способа последовательно измеряют в ближней инфракрасной области 1080-1280 нм или 1600-1800 нм коэффициенты поглощения трех чистых углеводородов из ряда изооктан; n-гептан; толуол или бензол и по полученным коэффициентам поглощения составляют модельный спектр. Измеряют коэффициенты поглощения паспортизованных бензинов разных марок и определяют коэффициенты C1, С2, С3 паспортизованных бензинов путем сравнения их спектров поглощения с модельным, который программно видоизменяют до достижения минимального отклонения модельного спектра от спектра паспортизованного бензина. Определяют градуировочную зависимость октановых чисел паспортизованных бензинов от концентрации толуола (или бензола) в модельном спектре. Измеряют спектр поглощения анализируемого бензина и аналогично вышеописанному определяют коэффициенты C1, С2, С3 анализируемого бензина. Затем по концентрации толуола (или бензола) С3 модельного спектра анализируемого бензина определяют октановое число анализируемого бензина по указанной градуировочной зависимости. Недостатком указанного способа является малое поглощение бензином оптического излучения в ближней ИК-области спектра, что является причиной использования протяженных кювет, зондирования на большом числе длин волн и использования сложных методов обработки информационного сигнала.
Также из существующего уровня техники известно «ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА БЕНЗИНОВ» (Патент РФ №54675, заявл. 24.05.2005, опубл. 10.07.2006). Указанное устройство для измерения октанового числа бензинов содержит узкополосный лазер с перестраиваемой длиной волны, конденсатор, измерительную ячейку, к торцам которой прикреплены оптически прозрачные (в спектральном диапазоне измерения) окна, запорные краны, встроенные в измерительную ячейку, микрофон, встроенный в стенку измерительной ячейки, фотоприемник, усилитель - U1 и усилитель - U2, генератор частоты модуляции лазера, блок нормирования выходного сигнала, блок обработки информации и индикации и блок настройки длины волны, выход микрофона соединен с первым входом усилителя U1, выход фотоприемника соединен с первым входом усилителя U2, на вторые входы усилителей U1 и U2 подключен второй выход генератора частоты модуляции лазера, выходы усилителей U1 и U2 подключены к соответствующим входам блока нормирования выходного сигнала, выход блока нормирования выходного сигнала соединен с входом блока обработки информации и индикации, выход которого подключен к входу блока настройки длины волны, выход блока настройки длины волны подключен к первому входу узкополосного лазера, а ко второму входу которого подключен первый выход генератора частоты модуляции лазера.
Существенным недостатком данного устройства является отсутствие чувствительности к добавлению присадок, повышающих октановое число бензинов.
Также из существующего уровня техники известен «СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКТАНОВЫХ ЧИСЕЛ АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВ» (Патент РФ №2100803, заявл. 15.04.1997, опубл. 27.12.1997). Данный способ основан на измерении диэлектрической проницаемости при известных значениях температуры и плотности бензинов. Устройство для определения октанового числа содержит емкостной датчик, включенный в частотно-зависимую цепь автогенератора. Параллельно датчику подключены элементы компенсации. К одному элементу через масштабирующий усилитель подключен датчик температуры, а к другому элементу через второй масштабирующий усилитель подключен датчик плотности. Выход автогенератора соединен с вычислительным блоком, результаты с которого поступают на блок 10 индикации. Вычислительный блок соединен с блоком ввода данных. Емкостной датчик содержит два коаксиальных цилиндрических электрода, расположенных вертикально. Внешний электрод герметично закреплен на непроводящем основании. Датчик плотности установлен с наружной стороны внешнего электрода, а датчик температуры - внутри емкостного датчика.
Недостатком предложенного способа является возможность введения в низкооктановый бензин добавок (например, ацетона), увеличивающих диэлектрическую проницаемость при неизменном октановом числе, что может приводить к существенным погрешностям при измерении.
Из существующего уровня техники также известно «УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА АВТОМОБИЛЬНОГО БЕНЗИНА» (Патент РФ №2240548, заявл. 14.07.2003, опубл. 20.11.2004). В данном устройстве октановое число бензина определяется на основании полученных амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик диэлектрической проницаемости, плотности и температуры конкретных автомобильных бензинов, которые идентифицируются по их октановому числу. Устройство для определения октанового числа, реализующее вышеуказанный способ, 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, причем вторичная обмотка трансформатора соединена 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, при этом общая точка подключения генератора и двух первичных полуобмоток дифференциального трансформатора подключена через другой независимый канал передачи данных к другому каналу двухканального аналого-цифрового преобразователя. Причем 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. В данном случае изобретение решает задачу идентификации марок бензинов по их октановому числу с помощью искусственной нейронной сети.
К недостаткам данного способа следует отнести определение октанового числа бензина по зависимости октанового числа от однократно определяемых информационных параметров (диэлектрической проницаемости, плотности бензина и температуры), что снижает точность определения октанового числа бензинов с различными химическими примесями. Кроме того, сложность устройства не позволяет использовать его для экспресс-анализа автомобильного топлива.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является «СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВ» (Патент РФ №2189039, заявл. 2189039, опубл. 10.09.2002). Данный способ основан на предварительном определении зависимости информационного параметра бензина от октанового числа эталонных бензинов.
К недостаткам указанного способа следует отнести необходимость измерения времени прохождения сигнала через рабочую камеру несколько раз при различных температурах, что увеличивает время измерений, а также требует наличия в конструкции устройства термостата. Поскольку бензин является смесью ароматических, нафтеновых, нормальных парафиновых и непредельных углеводородов, акустическая релаксация в нем зависит от состава и пространственной конформации молекул. Следовательно, изменение соотношения углеводородных фракций в автомобильном бензине (например, введение посторонних примесей) должно приводить к изменению интенсивности акустической релаксации в исследуемом бензине.
Преимуществом заявляемого изобретения является то, что заявляемое изобретение позволяет более эффективно технологии проводить измерения качества бензинов, так как наряду со скоростью распространения ультразвука учитывается и интенсивность поглощения ультразвука в слое исследуемого бензина, что позволяет оценить не только значение октанового числа исследуемого бензина, но и содержание примесей в нем.
Задачи, решаемые изобретением
Известные в настоящее время способы и устройства не позволяют без погрешности определить октановое число автомобильного бензина в связи с тем, что при определении практически не учитывается содержание примесей и добавок, а временные затраты на проведение анализа достаточно велики.
Проблема заключается в том, что данные ограничения не позволяют проводить оперативный контроль качества бензинов путем определения соответствия заявленным показателям октанового числа и допустимых концентраций примесей.
Настоящее изобретение осуществлено, чтобы решить вышеуказанную проблему, и, следовательно, техническая задача настоящего изобретения заключается в создании более эффективной технологии проведения измерений качества бензинов, так как наряду со скоростью распространения ультразвука учитывается и интенсивность поглощения ультразвука в слое исследуемого бензина.
Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение возможности оценки не только значения октанового числа исследуемого бензина, но и содержания примесей в нем.
Технический результат достигается тем, что в заявляемом изобретении, включающем предварительное построение зависимости информационных параметров бензина от октанового числа и содержания примесей в эталонных образцах, в качестве информационных параметров используется скорость распространения ультразвука и интенсивность его поглощения в образце исследуемого бензина.
Коэффициент поглощения ультразвука α включает лишь диссипативные потери и для жидкостей может быть определен согласно формуле
3
р
где ƒ - частота ультразвука, ρ - плотность жидкости, кг/м; u - скорость ультразвуковой волны, м/с; η - динамическая вязкость, Пас; η' - коэффициент объемной вязкости, Па⋅с; ξ - коэффициент теплопроводности, Вт/(К⋅м); С - удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(К⋅кг). При этом на величину объемной вязкости η' сильное влияние оказывает наличие химических примесей, например серосодержащих веществ с химическими связями C-S.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - структурно-функциональная схема работы устройства определения октанового числа и содержания примесей в бензине с помощью ультразвуковой диагностики.
Раскрытие изобретения
Для того чтобы подробнее пояснить изобретение, осуществление настоящего изобретения описывается со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Устройство для определения октанового числа и содержания примесей в бензине с помощью ультразвуковой диагностики состоит из измерительной ячейки 1 (фиг. 1), пьезоэлемента 2 (фиг. 1), рефлектора 3 (фиг. 1), температурного датчика 4 (фиг. 1), контроллера 5 (фиг. 1), коммутатора сигналов 6 (фиг. 1), программируемого усилителя выходного и входного сигналов 7 (фиг. 1), программируемого генератора тактовых импульсов 8 (фиг. 1), дисплея 9 (фиг. 1).
Устройство для определения октанового числа и содержания примесей в бензине с помощью ультразвуковой диагностики работает следующим образом.
Измерительная ячейка 1, выполненная из слабоотражающего ультразвуковые волны используемого диапазона материала, предназначенная для помещения в исследуемую жидкость, представляет собой полый цилиндр, в котором пьезоэлемент 2 излучает ультразвуковую волну, проходящую через исследуемую среду, после чего отражается от рефлектора 3 и принимается тем же пьезоэлементом. При этом пьезоэлемент и рефлектор расположены параллельно друг другу на калиброванном расстоянии L. Поскольку параметр скорости ультразвука в бензинах имеет выраженную температурную зависимость, измерительная схема дополнительно снабжена температурным датчиком, размещаемым в образце исследуемого бензина 4. Электронный блок генерации, приема и обработки сигналов представляет собой контроллер 5, выполняющий функции управления, генерации, приема и обработки сигналов; коммутатор сигналов 6, осуществляющий переключение выходного и входного трактов и защищающий приемный тракт схемы при излучении; программируемые усилитель выходного и входного сигналов 7 и генератор тактовых импульсов 8, осуществляющий общую синхронизацию системы. К цифровому выходу контроллера подключен дисплей 9. Применяемый для измерений контроллер программируется на изначальном этапе, и данные о программе обработки принятого сигнала и результатах эталонных измерений хранятся в его памяти. Данные эталонные измерения представляют собой таблицы, в которых для каждого вида топлива имеется свой набор данных, состоящих из значений скорости и амплитуды сигнала для соответствующей температуры. Эталонные измерения были получены путем проведения измерений скорости ультразвука и интенсивности его поглощения в образцах эталонных бензинов, в том числе загрязненных примесями в известных отношениях.
Для повышения точности оценивания информационных параметров при проведении измерений могут быть использованы ультразвуковые волны в диапазоне частот 1-5 МГц. Частота ультразвукового сигнала может регулироваться как за счет использования пьезоэлементов с различной собственной частотой, так и за счет возбуждения пьезоэлемента на частотах, кратных собственной частоте.
Измерительный цикл описывается следующими стадиями:
1) контроллер 5 с помощью содержащегося цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) генерирует последовательность сигналов, соответствующих определенной частоте, амплитуде и фазе сигнала для пьезоэлемента 2;
2) сигнал с контроллера поступает на усилитель 7 и через коммутатор, включенный по входному тракту, поступает на пьезоэлемент 2, который, в свою очередь, преобразует входной электрический сигнал в продольную акустическую волну, которая в дальнейшем распространяется в измерительной ячейке 1, заполненной образцом исследуемого бензина;
3) отраженная от рефлектора продольная акустическая волна распространяется через измерительную ячейку 1 в обратном направлении и детектируется пьезоэлементом, преобразующим детектрируемый сигнал в электрический;
4) полученный электрический сигнал через коммутатор 6, переключенный на приемный тракт, попадает на усилитель и затем аналогово-цифровой преобразователь контроллера и записывается в его памяти;
5) контроллер производит обработку принятого сигнала, определяя скорость ультразвука:
1
o
где u - скорость ультразвуковой волны, L - длина акустического пути, м; соответствующая калибровочному расстоянию между пьезоэлементом 2 и рефлектром 3 в ячейке 1, t - время прохождения импульса, с; t - время задержки, с; зависящее от прохождения сигнала в электронной части установки, которое можно определить по калибровочным измерениям с эталонными жидкостями;
6) также на основе измеренного соотношения мощностей излученной и принятой акустических волн определяется коэффициент поглощения ультразвука α:
ВХ
ВЫХ
где L - длина акустического пути, м; Р - мощность излученной, а Р - прошедшей сквозь слой исследуемого бензина акустической волны, Вт;
7) датчик 4 измеряет температуру исследуемого топлива;
8) полученные данные сопоставляются с хранящимися в памяти контроллера значениями скорости u и коэффициента поглощения α ультразвука для эталонных образцов при известной температуре;
9) на основании сопоставленных данных делается вывод о значении октанового числа, а также соответствии или несоответствии состава исследуемого бензина требованиям ГОСТ, предъявляемым к содержанию примесей;
10) определенное значение октанового числа исследуемого бензина, а также вывод о соответствии его состава требованиям ГОСТ отображаются на дисплее устройства;
11) программное обеспечение и данные анализов автомобильных топлив сохраняются в памяти контроллера 5.
Высокое быстродействие предлагаемого устройства позволяет проводить многократные измерения акустических параметров исследуемого объекта и осуществлять их статистическую обработку.
Способ определения октанового числа и содержания примесей в бензине с помощью ультразвуковой диагностики включает помещение измерительной ячейки в исследуемую жидкость, генерацию контроллером с помощью содержащегося цифро-аналогового преобразователя последовательности сигналов, соответствующих определенной частоте, амплитуде и фазе сигнала для пьезоэлемента, поступление сигнала с контроллера на усилитель и его поступление на пьезоэлемент через коммутатор, включенный по входному тракту, преобразующий входной электрический сигнал в продольную акустическую волну, которая в дальнейшем распространяется в измерительной ячейке, заполненной образцом исследуемого бензина, отражение продольной акустической волны рефлектором, детектирование пьезоэлементом отраженной от рефлектора продольной акустической волны и ее преобразование в электрический сигнал, передачу полученного электрического сигнала через коммутатор на усилитель, а затем на АЦП контроллера и его запись в память, обработку контроллером принятого сигнала и определение скорости ультразвука, определение коэффициента поглощения ультразвука, измерение датчиком температуры исследуемого топлива, сопоставление полученных данных с хранящимися в памяти контроллера значениями скорости и коэффициента поглощения ультразвука для эталонных образцов при известной температуре, генерацию вывода о значении октанового числа бензина и его соответствии или несоответствии требованиям ГОСТ, определение октанового числа исследуемого бензина, его отображение на дисплее и сохранение данных анализа в памяти устройства.