автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Электрофизические устройства качества углеводородных топлив

На правах рукописи

РГБ 01

Скворцов Борис Владимирович

г

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ

Специальность 05.13.05. - Элемент и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Самара-2000

Работа выполнена в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П. Королева

Научный консультант - Засл. деятель науки и техники РФ д. т. н. .профессор Конюхов Н.Е.

Официальные оппоненты: засл. деятель науки и техники республики РФ и республики Башкортастан, дт.н., профессор Коловертнов Ю.Д.

д.т.н., профессор Дубинин А.Е. д.т.н., профессор Косолапов А.М.

Ведущее предприятие - Научно-исследовательский институт физических измерений, г. Пенза.

Защита диссертации состоится « ¿¿■/¿.то » в /С час на заседании диссертационного совета Д.063.87.02 Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева по адресу : 443086, Самара, Московское шоссе, 34, корпус За.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Самарского государственного аэрокосмического университета

Автореферат разослан ««? ? » ОХГЯ¿¿^}гЛ 2000

г.

Ученый сежрстарь диссертационного ^Лл -

Совета, д.т.п., профессор А.А. Калентъев

А ни О — -X — АГ /О

Контроль качества топлив (ККТ) является актуальной задачей нефтехимической промышленности России, так как связан с созданием экологически чистых, высокоэффективных нефтепродуктов, конкурирующих с мировыми по цене и качеству. По данным Всероссийского общества потребителей в настоящее время до 40 % продаваемого в стране топлива фальсифицировано. Для организации производства качественных топлив, а также для их коммерческого контроля необходим комплекс быстродействующих приборов, способных контролировать качество нефтепродуктов в динамическом (технологическом) и в статическом состояниях. Основными показателями качества топлив являются детонационная стойкость (октановое число бензинов и цетановое число дизельных топлив), I плотность, удельное содержание серы. Детонационная стойкость топлив определяет их эффективное сгорание и напрямую связана с эксплуатационными и экологическими характеристиками транспортных средств. Сера входит в состав всех нефтепродуктов, ухудшает их качество, загрязняет технологическое оборудование, снижает мощность двигателя, увеличивает расход топлива, вызывает коррозию деталей двигателя и технологического оборудования. В технические требования на нефтепродукты введены показатели, нормирующие общее содержание серы и ее соединений.

В номенклатуре средств контроля нефтепродуктов важное место занимают измерители плотности, которые дают основную информацию о параметрах технологического процесса. С плотностью связаны практически все другие показатели качества нефтепродуктов, поэтому значение разработок технологических плотномеров трудно переоценить. Широкому промышленному внедрению поточных плотномеров в нефтехимическом производстве препятствуют их низкие метрологические характеристики, трудоемкость монтажа и обслуживания, большие габариты.

В настоящее время на всех заводах России контроль детонационной стойкости и содержания серы производится путем сжигания с дальнейшим анализом продуктов сгорания. Длительность таких методов недопустимо большая, они не пригодны для технологического контроля нефтепродуктов в процессе производства и тем более при использовании результатов контроля в системах управления подвижными объектами. Создание и внедрение комплекса быстродействующих приборов оперативного контроля углеводородных топлив позволит предприятиям оптимизировать процесс производства, упорядочить ценообразование и продажу, исключить рекламации потребителя по качеству, укрепиться на мировом рынке нефтепродуктов. Наряду с химическими и физико-химическими методами определения качества нефтепродуктов, используются электрофизические физические методы. Однако, ни один из современных методов не позволяет с исчерпывающей полнотой определить показатели качества топлива. Лишь комбинируя методы, можно решить эту задачу.

Перспективным направлением разработки приборов ККТ с точки зрения оперативного контроля следует признать электромагнитную технику, объединяющую в себе электродинамику, оптоэлектронику, спектрометрию, а также акусти-

ку, практически не применяющуюся в настоящее время при контроле качества нефтепродуктов. Исследование топлива путем пропускания через него электромагнитного и акустического, сигналов различной частоты при одновременном измерении плотности и температуры с последующей обработкой информации в ЭВМ дает разнообразные возможности построения приборов ККТ. Развитие лазерной, волоконно-оптической, акустической и микропроцессорной техники создает основу для создания быстродействующих приборов оперативного контроля нефтепродуктов. Существуют западные образцы быстродействующих приборов, которые не имеют возможности оперативно подстраиваться под региональные особенности углеводородного сырья, сложны в обслуживании и эксплуатации, не имеют государственного статуса в России.

Работа посвящена исследованию и созданию теории диэлектрических, оп-тоэлекгронных и электронно-акустических устройств, способных с достаточное точностью осуществлять контроль качества то пли в без сжигания, в лабораторных , полевых и технологических условиях и включает в себя разработку и исследование созданных с участием автора оригинальных устройств ККТ.

Целью работы является обобщение и развитие теории электрофизически? методов контроля качества нефтепродуктов, научное обоснование и созданш комплекса измерительных устройств для оперативного контроля качества углеводородных топлив без сжигания.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Анализ достижений в области разработки приборов ККТ.

2. Математическое моделирование процессов распространения электромагнит ных и акустических сигналов в углеводородной среде с позиций получения ин формации о требуемом показателе качества.

3. Разработка обобщенной математической модели процесса измерения показа телей качества.

4. Экспериментальные и теоретические исследования электромагнитных (элек трических, электродинамических, спектрометрических), а также акустически: параметров бензинов и дизельных топлив с позиций выявления их взаимосвязе! с требуемыми показателями качества.

5. Выявление взаимосвязей электромагнитных, оптических, спектрометрически: и акустических характеристик топлив в широком частотном диапазоне.

6. Разработка алгоритмов, схем и методов обработки сигналов

7. Метрологический анализ, разработка методов повышения точности измере ний, аттестация, сертификация, включение в государственный реестр приборов.

8. Разработка конструкций и изготовление приборов на основе передовой элек тронной базы с привлечением современных технологий .

Работа является результатом исследований, проведенных автором по лрограм ме «Конверсия и высокие технологии», а также по заданию Межрегионально научно-внедренческой фирмы КИМОНО в научно-исследовательских лабора ториях Самарского государственного аэрокосмического университета, в заве дских лабораториях Куйбышевского и Киришского нефтезаводов.

Методы исследований . При решении поставленных задач использовались методы дифференциального, интегрального и операционного исчислений, дифференциальные уравнения в частных производных, теория погрешностей, физика электродинамических, квантово-механических и акустических процессов. При проведении численных расчетов на ЭВМ использовался математический пакет МаЙ1сас1-7.

Научная новизна работы заключается:

1. Во всестороннем исследовании процессов распространения электромагнитных и акустических сигналов в углеводородной среде.

2. В математическом моделировании процесса измерения показателей качества углеводородных топлив.

3. В исследовании электрофизических параметров топлив, выявлении их взаимосвязей в широком диапазоне частот

4.В аналитических выражениях, связывающих показатели качества с электрофизическими параметрами. В создании обобщенной таблицы взаимосвязей элек-грофизических параметров и показателей качества.

5. В создании алгоритмов определения показателей качества по электрофизиче-:ким параметрам, в том числе спектрометрическим характеристикам. . ,

Практическую ценность работы составляют: 1 .Схемы и конструкции приборов контроля качества топлив. I. Методики испытаний, аттестации и поверки электрофизических приборов ОСТ, утвержденные государственными службами метролопш и сертификации. 3.Созданные действующие образцы окганомера «АС-98», и универсального шеюрометрического анализатора качества «МАКС-1200». ). Программы ввода и обработай сигналов электрофизических датчиков на мик-зоЭВМ, а также ввода и анализа спектрометрической информации, с позиций появления показателей качества без анализа компонентного состава.. ). Методики государственных метрологических испытаний, расчета конструктивных параметров, анализа погрешностей, рекомендации по улучшению металогических и эксплуатационных характеристик приборов ККТ.

Реализация результатов работы осуществлена путем организации серийного (ыпуска окганомера «АС-98», включенного в государственный Реестр приборов г внедренного на нефтезаводах, нефтебазах и коммерческих фирмах России, а •акже в использования разработанного спектрометрического прибора «МАКС-200» в научно-технической фирме «Протон» и Межрегиональной научно-недренческон фирме «КИМОНО», г. Кириши, где используется для анализа [ефтепродуктов. Результаты работы используются также в учебном процессе ТАУ при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также при чтении [екций по курсам, связанным с датчиками и элементами автоматики.

з

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Обобщенная математическая модель, описывающая процесс измерения и вычисления показателей качества углеводородных топлив по электрофизическим параметрам.

2. Результаты расчетов и исследований, определяющее характерные частоть: поглощения оптического излучения толливами и его компонентами.

3. Методика определения показателей качества по спектрометрическим характеристикам без анализа компонентного состава.

4. Аналитические выражения, связывающие показатели качества топлив с элек трофизическими параметрами, и взаимосвязь электродинамических параметре! углеводородной среды в частотной области. Обобщенная таблица взаимосвязе{ параметров и показателей качества топлив.

5. Структурные схемы, алгоритмы специализированных, универсальных и ком плексированных методов и устройств измерения показателей качества топлив. Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всесоюзных конфе ренциях «Проблемы теории чувствительности электронных систем», Москва 1981,1985 г .г, научно-практической конференции «Проблемы информатики) Самара - Астрахань, 1991, международных научно-технической конференция; «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов устройств и систем», Пенза, 1996, 1997 г.г.; на всероссийской научно технической конференции «Новые методы, технические средства и технологи получения измерительной информации», Уфа, 1997г.; на X, XI и ХП всероссий ских и международных научно-технических конференциях «Датчики и преобра зователи информации систем измерения, контроля и управления» ., Гурзуф 1998, 1999 гг., Судак, 2000 г., на международной конференции «иновационны технологии и бизнес», 2000 г. Разработанные в диссертации приборы экспони ровались на всероссийских и международных выставках в различных города России, в частности на Международном аэрокосмическом салоне «МАКС 2000» в г. Жуковском, во Всероссийском выставочном цешре на выставк «Двигатели-2000» в г. Москве, на международной выставке «Эврика -2000», в 1 Брюсселе, на всесоюзной торгово-промышленной ярмарке в Н- Новгороде, специализированных выставках по профилю «Топливо энергетика и химиндуст рия» в г.г. Кнриши, Самаре, Калининграде, Тольятти, Чапаевске в 1999,2000 г.] В 1999 г. материалы исследований были представлены на конкурс научнс технических работ нефтекомпании «ЮКОС», где отмечены первой премией.

Публикации. По результатам исследований и разработок опубликовано 38 п< чатных работ, в том числе 2 монографии, учебное пособие, депонирован научнс технический отчет, получено 5 авторских свидетельств, 3 патента РФ, 2 сви» тельсгва на полезную модель.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, семи глав, закпюч! ния, списка литературы и приложения. Основное содержание работы изложен на 284 страницах текста, 87 страниц рисунков, 39 таблиц. Список литератур состоит из 231 наименований, приложения на 30 страницах.

б

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены цель и задачи исследований, дана краткая характеристика диссертационной работы, сформулированы основные положения,, выносимые на защиту.

В первой главе дан анализ углеводородных топлив, как объекта исследований с позиций достижения поставленной цели и решения поставленных задач. Рассматриваются бензины, авиационные и дизельные топлива, показаны их номенклатура, фракционный и компонентный состав. Отмечено, что основными показателями качества топлив являются плотность, удельное содержание серы, детонационная стойкость, характеризующиеся октановым числом (для бензинов) и цетановым числом (для дизельных топлив).

Октановое число бензина равно процентному содержанию изооктана в смеси с п-гептаном, которая при стандартных условиях испытания детонирует так же, как и испытуемый бензин. Цетановое число дизельных топлив численно равно содержанию цетана в смеси с а - метилнафгалином, которая в стандартных условиях испытаний равноценна по воспламеняемости испытуемому, топлива. Определение детонационной стойкости и содержания серы по госгированным методикам осуществляют на специальных установках, сжигающих топливо.

Исследования показали следующие диапазоны изменений контролируемых параметров различных топлив. (табл. 1).

Таблица 1. Диапазоны изменений контролируемых показателей качества

Топливо "параметры — Автомобильные бензины Авиацион. бензины Реактивные топлива Дизельные топлива

Плотность при 20 °С (г/см3) 0,68 - 0,76 0,72-0,78 0,77 - 0,84 0,8 - 0,98

Содержание серы (%, масс) 0,02-0,1 0,02-0,05 0,05 - 0,25 0,2-3,0

Октановое число (по исслед. методу) 80-98 80 -120 не аттестуется не аттестуется

Цетановое число не аттест. не аттест. не аттест. 45-52

Выявлены электрофизические параметры рассматриваемых топлив, что послужило условием для формирования эксплуатационно-метрологических требований к проектируемым устройствам, погрешность которых не должна превышать 1,0 % в диапазоне температур 5-35 град. С, время измерения не более 5 сек.

Дана классификация, обзор и сравнительная характеристика методов и устройств измерения рассматриваемых показателей качества по шкале электромагнитных излучений, среди которых выделены импендансный, рефрактометрический, спектрометрический и акустический методы, по каждому из которых предложены базовые схемы, составляющие основу для конструктивной реализации и создания соответствующих приборов ККТ. За основу работы взято явление поглощения или рассеяния углеводородной средой электромагнитного или акустического излучения на разных частотах с последующим анализом полу-чеш!ых сигналов, в частности спектрометрической характеристики. Разработаны оригинальные,.схемы, способы и устройства, защищенные авторскими свидетельствами и патентами . Предложена схема универсального комплексного модуля ККТ, показанного на рис. 1.

Рис. 1. Схема универсального устройства контроля качества топлив: 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; I I- световод; 12, 14 - огггические излучатели, 13-акустический излучатель

Для практической реализации указанных схем необходимо провести комплекс исследований, позволяющих детально изучить физические процессы, протекающие, при взаимодействии разнообразных излучений с углеводородной средой. На основании изложенного сформулированы задачи дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.

Во второй главе рассмотрены теоретические основы распространения электромагнитных, оптических и акустических сигналов в углеводородных средах. В общем случае процесс распространения сигнала в среде может быть проиллюсфирован рисунком 2. В зависмости от используемой частоты к аппаратурной реализации в .качестве излучателя может применяться электро; антенны, обкладка конденсатора, оптический или акустический излучатели, г частности свегодиод, лазер, источник белого света, пъезоэлемент. Излучатель * приемник в совокупности образуют датчик среды. В общем случае излучаемы? сигнал а(х,у,2,1) может быть произвольным.

г

-ч

Рис. 2. Иллюстрация к математической модели: 1-труба или сосуд с топливом, 2- излучитель, 3 - диаграмма направленности излучателя, 4 - приемник излучения, 5- генератор, б -входное сопротивление устройства обработки

При определенных допущениях и разных видов излучений энергетическое поле в контролируемой среде описывается разными уравнениями. Для электрических сигналов это уравнения Максвелла связывающие между собой напряженность электромагнитного поля с параметрами углеводородной среды -проводимостью, а, магнитной, ц, и диэлектрической, е, проницаемостями соответственно.Для оптических сигналов это уравнение Шредингера, описывающее волновую функцию квантового поля, определяющую все возможные энергетические состояния системы. Для акустических сигналов это уравнение, определяющее звуковое давление р в каждой точке поля, связывающее скорость звука, с, плотность, р, вязкость,п, теплопроводность, теплоемкость среды. -

На основе уравнений Максвелла получены выражения для групповой скорости распространения волн Угр, коэффициентов поглощения,«, преломления, п, и; волнового сопротивления среды 2В - измеряемых параметров, связывающих проводимость и диэлектрическую проницаемость топлив, через которые оцениваются показатели качества: -

У

2^сог це-]со/Л<У

<р

2а)/ие + а)2(/л'£+/хе')-](/ла ■+со/л'сг + со/ист')

(2)

(3)

2

в~\а2 + е2а>2

(4)"

На основе квантово-механичсской теории строения молекул проводится анализ процесса взаимодействия оптического излучения с углеводородной средой. Состояние молекулы как системы атомов, состоящих из ядер и электронов, описывается при помощи волновой функции Шредингера, вычисление которой позволяет полностью описать, процессы поглощения света веществом - уменьшения энергии световой волны, происходящее вследствие перехода энергии излучения в энергию молекулы. В результате допущений и решения получено выражение для приближенного определения волновых чисел фундаментальных и обертон-ных переходов энергетических состояний углеводородов:

X м = 1,02Л%, [1 - 0,01(Ы +1)], м = 2,3,... (5)

Волновые числа для каждой фундаментальной полосы поглощения углеводородов X1 могут быть определены по инфракрасным спектрам в области 400-4000 см'1, которые хорошо изучены н описаны в литературе. По волновым числам фундаментальной полосы поглощения, определены волновые числа обертонных полос, т.е. частоты оптических излучений, на которых исследование свойств нефтепродуктов наиболее эффективно (табл1).

• Таблица 1 .Длины волн полос поглощения компонентов бензинов

Углеводородная фракция Фундаментальные полосы, см"1 Обертонные и комбинационные полосы, нм

Алканы 2970 , 2940,2870, 1480, 1400 850-900 , 970-1020, 1130-1210,1350-1450, 1690-1780, 2260-2430

Изоалканы 2960,2940, 2890, 1480, 1400 850-900, 970-1020, 1120-1200, 1350-1450, 1690-1780, 2250-2430

Нафтены 2970,2940, 2870, 1480, 1400 850-900, 970-1020, 1130^210,1350-1450, 1690-1780 2260-2430

Алкены 3030, 2970, 2940, 2870, 1725, 1460, 1400 800-890, 910-920, 930-1020,1060-1200, 1340-1420, 1620-17702080-2430

Арены 3090, 3050,2970,2940, 2890, 1600, 1550, 1500 820-860, 870-920, 940-980, 1000-1060, 1090-1160, 1190-1250,1300-1390, 1460-1540, 1620-1720, 1860-1940, 2180-2270

МТБЭ 2990, 2840, 1470, 1380,1220,. 1100, 1000 800-1190, 1195-1230, 1240-1280, 1290-1330, 1370-1430, 1470-1520,1580-1600, 1640-1650, 1790-1810, 1890-1980,2000-2070, 2110-2130, 2180-2460

По акустическим уравнениям получены выражения для скорости распростра нения и поглощения акустических сигналов, связывающие такие показатели ка чества, как плотность и вязкость топлива.

На основе проведенных исследований разработаны математические основ! измерений показателей качества по электрофизическим параметрам. В обще; случае какой-либо показатель качества топлива (2 связан с электрофизическим] параметрами обобщенной функциональной зависимостью:

<2 = ^ (д1,д2,...д„), (в)

ю

где <7* - совокупность электромагнитных, акустических, оптических, спектрометрических параметров, температура, плотность и другие, которые можно оперативно измерить без сжигания. В общем случае функция ^ неизвестна и ее поиск для конкретных нефтепродуктов 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 прибора по известным эталонным параметрам, для решения поставленной задачи автором предложен обобщенный алгоритм измерений, показанный на рис. 3

Рис.3. Обобщенный алгоритм измерения показателей качества топлива по электрофизическим параметрам

Сущность алгоритма состоит в том, что при неизвестной функции F составляется калибровочная модель процесса измерения. Для этого берегся несколько образцов топлива с известными значениями исследуемого показателя, определенного каким-либо применяемым в настоящее время способом и ставится им в соответствие столько же отсчетов измеряемых параметров. При этом необходимо, чтобы образцовые топлива полностью перекрывали ожидаемый диапазон изменения определяемого показателя качества. Количество образцовых топлив должно быть не меньше числа электрофизических параметров, используемых при определения искомого показателя. Пусть имеется п калибровочных образцов топлива с известными значениями показателя качества Q¡, Q¡,... Qn . При noli

строении калибровочной модели для измеряемых параметров qвсегда можно подобрать такие коэффициенты Ьчто будут выполняться равенства:

п

01 = Мм + - + М*. 1 + - + Ь„дяЛ = X Ькякл

................................................................................................(7)

п

+ - + ьпЯп,1 = 2 к=\

П

Яп = Мм + - + ЬкЧк,„ +... + Ъпцп п = X Мм

А=1

Здесь в <7*,( первый индекс соответствует номеру используемого электрофизического параметра, второй индекс - номеру образцового топлива. Система имеет и уравнений для неизвестных ... Ь„ . Решая эту систему можно найти такую совокупность коэффициентов 6*, которые в средневзвешенной форме будут определять искомый показатель качества исследуемого топлива:

АЬ.

(8)

бл- = £Ммг ,

кш\ Д

где 0х~ искомое значение показателя качества контролируемого топлива, д^-совокупность измеренных параметров контролируемого топлива, Л и АЬ^ главный и вспомогательный определители системы (7). Система имеет единственное решение, если главный определитель отличен от нуля. Учитывая независимость получения измерительной информации и возможность варьирования сигналов датчиков всегда можно исключить равенство нулю главного определителя в заданном диапазоне измерения. Выражения (8) составляют в общем виде математическую модель измерительного процесса определения показателей качества. Численный эксперимент показывает, что при любых значениях тт<ць,\<тах искомое значение исследуемого показателя качества находится в интервале (¡ты<0х< 0.т>х , что полностью подпадает под определение измерительного процесса, как фактора уменьшения неопределенности Таким образом, предложенная методика измерения не требует точного знания функции, связывающей искомый показатель качества с измеряемыми электрофизическими параметрами. Она предполагает создание математической модели на основе эталонных образцов топлив с известными показателями качества. Чем больше параметров мы измеряем, и чем больше число калибровочных эталонных топлив, тем выше точность измерений. Одним из измеряемых параметров может и дрлжна быть температура. В работе изложены частные случаи определения конкретных показателей качества по одному, двум, трем пара-

метрам, в частности по дискретным отсчетам спектрометрической характери-

р

стики. fir (9)

i=l

где ах(Л,,), р - число дискретных отсчетов коэффициента поглощения спектра контролируемого топлива на разных длинах волн Xk, b¡, - определяются по отсчетам процесса калибровки. Методика позволяет вычислять показатели качества без анализа компонентного состава.

Аналогично процесс измерения можно построить по рефрактометрической характеристике, а также вместо непосредственно спектральных отсчетов исполь--у

зовать интегралы:= J a,(X)dk , что позволяет путем выбора диапазонов

интегрирования уменьшить число калибровочных образцов, не уменьшая точности измерений. Выбор метода измерений зависит от определяемого показателя качества, применяемых датчиков, условий эксплуатации, требований к прибору.

В третьей главе проанализированы электрофизические и теплоэнергетические характеристики топлив с позиции их взаимосвязи. Даны определения и толкования применительно к нефтепродуктам понятий; относительная, р\, и абсолютная, ро плотности; молекулярная масса, М; среднемолекулярная, 6м , и средне-объемная, ву, температур3 кипения; теплопроводность, g; изобарная, Ср и изо-хорная, Су .теплоемкости; удельная высшая, QB и низшая, Qh, теплота сгорания; анилиновая точка, вл ; характеристический фактор, Kw\ кинематическая, цк , и динамическая, т), вязкость; испаряемость и давление насыщенных паров. Проанализированы и систематизированы взятые из различных источников аналитические выражения, таблицы и графики связывающие указанные параметры при различных температурах, 9. Некоторые из аналитических выражений получены автором в результате регрессивного анализа номограмм, таблиц и графиков на математическом пакете MathCAD.

Рассмотрены электродинамические параметры углеводородных сред и их взаимосвязь в шикоком частотном диапазоне. Показано, что проводимость, <т, диэлектрическая проницаемость, е, и магнитная проницаемость, ц, нефтепродуктов связаны между собой соотношением:

а{со) = ¿(a))-1 ^ мЧа>)-1 о-(О) г(0)-1 //J(0)-l- ( ^

Выявлены зависимости электродинамических параметров от плотности и температуры. Даны таблицы, графики и аналитические выражения, некоторые из которых получены автором, связывающие указанные параметры для различных фракций, товарных нефтепродуктов и их компонентов. В-частности, для зависимости диэлекрической проницаемости от плотности получено:

е(р) = 5.626/?2 -6.526/7 + 3.583. , (Ц)

Изучены оптические и спектрометрические характеристики углеводородных то-плив и их связи с ранее рассмотренными физическими и электродинамическими параметрами. Приведены аналитические формулы, таблицы и графики, связывающие показатель преломления и и коэффициент поглощения а с плотностью и температурой для различных компонентов топлив. В частности важным соот-

п2-1

ношением является: Р = 1 Э57(-—) (12)

и +0.4

На числовых примерах показано, что для нефтепродуктов справедливы соотношения связывающие оптические и электродинамические параметры, известные из общей электродинамики для сред с нормальной дебаевской дисперсией, одно

2 2

из которых имеет вид: п — а — £ (13)

Рассмотрены правила формирования оптических характеристик смесей через оптические характеристики компонентов, которые подчиняются принципам удельно-взвешенной суперпозиции по долевому содержанию С, каждого компонента в смеси: (14) К оптическим характеристикам относятся также такие параметры, как Бетахор, удельная рефракция, удельная дисперсия. Показаны их взаимосвязи с плотностью, молекулярной массой, теплотой сгорания, анилиновой точкой. Проанализированы особенности спектрометрических характеристик исследуемых нефтепродуктов. Выявлены частотные диапазоны для определения разных показатео-ей качества. Типичная спектрометрическая характеристика бензинов имеет вид (рис. 4), из которого видно, что максимумы поглощения группируются вблизи

Рис.4. Типичный спектр поглощения бензинов

Сложность определения серы в дизельных топливах определяется разнообразием соединений, в которых она присутствует в продукте. Выявлены длины волн на которых проявляются и идентифицируются тиолы, меркаптаны, сульфиды, а также характеристические связи Б-Н, С-Б, С-БН. Показано, что общее содержание остаточной серы значительно повышает коэффициент поглощения в широком диапазоне частот. Для наиболее уверенного определения содержания серы необходимо ориентироваться на диапазон длин волн 7 + 16 мкм.

Исследованы акустические характеристики жидких углеводородных сред и их взаимосвязь с электрофизическими параметрами. Показано, что отдельные показатели качества топлива могут определяется через скорость звука, которая линейно зависит от плотности, и коэффициента акустического поглощения, который определяется через плотность и кинематическую вязкостью по формуле:

а, = 0.403-КГ3 (14)

Получены зависимости, связывающие коэффициент акустического поглощения с показателем оптического преломления и диэлектрической проницаемостью. Исследованы температурные зависимости акустических параметров. Приведены таблицы акустических характеристик топлив и его компонентов. Предложено при исследовании акустических свойств топлив пользоваться групповой скоростью, которая учитывает параметры среды и форму зондирующего сигнала.

В четвертой главе разработаны способы и алгоритмы получения и обработки измерительной информации. Показано, что детонационная стойкость является интегральным показателем качества топлива, определяющим его эксплуатационные свойства и зависящим от компонентного состава, плотности, теплоты и скорости сгорания, температуры кипения, вязкости, сжимаемости, технологии изготовления. Проанализированы известные, аналитические зависимости, определяющие показатели детонационной стойкости и содержания серы через плотность, анилиновую точку, температуру выкипания, теплоту сгорания, конструктивные параметры моторной установки. Приведены таблицы и графики, иллюстрирующие зависимость показателей детонационной стойкости от фракционного состава, структуры углеводородов, технологии перегонки нефти, плотности. Исследованы корреляционные связи между октановым числом бензинов, С), (це-тановым числом дизельных топлив, 2), содержанием серы,Б, и электрофизическими параметрами - диэлектрической проницаемостью, показателем оптического преломления, коэффициентом поглощения при различных температурах. Регрессионный анализ эмпирических данных дает аналитические зависимости между искомыми показателями качества электрофизическими параметрами: 0.„ = (0.2351 е3 - 1.427 е2 + 2.893 е - 1.95)-104, (15) 2 = (1.861г3 -12.24гг2 ±26.8е-19.55) • 104, (16)

21.0б»о2-67.0ио+53.39 ^

21 .Обид2 - 43.0ио -24.45 ' 1 }

Взаимные подстановки по известной, применимой к нефтепродуктам, формуле п , дают возможность определять искомые параметры либо по диэлектрической проницаемости, либо по показателю оптического преломления, который в данных формулах берется на длине волны, соответствующей желтой линии Ю спектра Фраунгофера X = 589.3 нм. Формулы (15)-(17) позволяют прогнозировать и уточнять результаты измерений, выполненных по обобщенному алгоритму (7), связанному с калибровкой прибора. В работе приведены также другие, более точные, но громоздкие аналитические выражения для определения искомых показателей качества с поправкой на плотность, температуру, характеристический фактор.

Исследованы зависимости, связывающие параметры спектрометрических характеристик с октановым числом бензинов, цетановым числом и содержанием серы в дизельных топливах. Сравнительные спектрометрические характеристики бензинов с различным октановым числом приведены на рис.6.

а

% - П.=95 оч, 3 - П.=93 оч, 4 - а„=91 оч., 5- П„=80

Графики соответствуют второму локальному экстремуму на типичной спектрометрической характеристике бензина, показанной на рис.4. Видно, что на длинах волн в диапазоне 952 - 955 нм имеет место стойкая зависимость коэффициента поглощения от октанового числа, причем, чем выше октановое число, тем больше коэффициент поглощения. Аналогичная зависимость коэффициента поглощения проявляется в области спектра 1200 - 12010 мкм, и на других частотах, соответствующих экстремумам типичного спектра поглощения бензина. Аналогичные графики приведены для дизельных топлив с различным цетановым числом и содержанием серы; Трафики на рис.6 показывают возможность конструирования оптоэлектронных приборов измерения показателей качества, работающих как на фиксированных частотах, так и на анализе спекгрометриче-

ской характеристики в целом. Разработаны соответствующие конструкции и алгоритмы. При работе на фиксированных частотах излучатель и приемник настроены на длину волны, где имеет место устойчивая зависимость коэффициента поглощения от длины волны. Калибровка прибора по бензинам с известным октановым числом, с последующей обработкой сигнала по формуле (8), дает возможность проводить требуемый анализ. Это наиболее дешевый способ, вполне пригодный для экспресс анализа топлив. В отличие от емкостного метода, здесь для увеличения достоверности и точности измерений возможно применение одновременно нескольких излучателей с разной длиной волны в разных диапазонах спектра - от видимого до дальнего инфракрасного, где имеют место максимумы спектра поглощения. Более точные и достоверные результаты дает метод определения рассматриваемых показателей качества по спектральным ха-рактеристакам в целом. Здесь возможны два метода:

1. Определение показателя качества по компонентному анализу спектрометрической характеристики, что достаточно трудно из-за перекрытия частот поглощения

компонентов топлива.

2. Определение показателя качества по интегральному анализу спектрометрической характеристики с применением специально разработанных критериев. Здесь вместо фиксированного отсчета коэффициента поглощения берется его интеграл в характерном для данного показателя качества диапазоне частот.

Для реализации указанных методов разработана оригинальная двухканальная схема универсального анализатора качества нефтепродуктов. Схема защищена патентом РФ и отличается от известных повышенной стабильностью, точностью и возможностью оперативной калибровки по региональным бензинам и позволяет определять показатели детонационной стойкости без анализа компонентного состава.

Рассмотрены также различные методы определения плотности по электрофизическим параметрам. Кроме возможности определения плотности по общему алгоритму (7) рассмотрены возможности прямого измерения плотности через скорость звука, диэлектрическую проницаемость, показатель оптического -преломления, в частности по формуле (11). В работе приведен обобщенный алгоритм, иллюстрирующий различные методы измерения плотности с поправкой на температуру.

Рассмотрены вопросы комплексирования процесса измерения, состоящий в том, что один и тот же показатель качества измеряется различными способами с помощью устройств, действующих на различных физических принципах. Физическая и конструктивная реализация принципа комплексирования может осуществляться двумя способами:

1. Создание комплексного универсального измерительного модуля (рис.1), зключающего в себя набор разнородных электрофизических датчиков, работающих синхронно по общей программе, определяемой блоком управления и обработки информации.

2. Объединение независимо работающих приборов, определяющих исследуемый показатель качества, в единую систему с последующей обработкой результатов измерений, в простейшем случае усреднением результатов с учетом априорных знаний о каждом методе измерений.

Проанализированы достоинства и недостатки указанных направлений ком-плексирования. При построении комплексированных измерительных модулей и систем важны знания о взаимосвязи всех электрофизических параметров и показателей качества топлив. Для этого автором разработана обобщенная таблица взаимосвязей (табл.3) электрофизических параметров и показателей качества топлив, которая наглядно и оперативно позволяет ориентироваться в сущности измерительного процесса и возможном влиянии каких-либо факторов на результат измерений. Элеметы таблицы показывают формулы, графики и числовые значения, иллюстрирующиие взаимосвязь между параметрами, находящимися на пересечении строки и столбца таблицы, соответствующие взаимодействующим параметрам. Таблица впервые систематизирует разнородные знания о взаимосвязях показателей качества топлив с электрофизическими параметрами, доступными для измерения без сжигания. Таблица может дополняться и уточняться и дает Методологическую возможность для разнообразных способов определения показателей качества через электрофизические параметры.

В пятой главе рассмотрены конструктивно-технологические и схемотехнические особенности построения устройств ККТ. Приведены обобщенные структурные схемы портативных и стационарных приборов. Дан краткий обзор электронной элементной базы, необходимой для создания разнообразных анализаторов качества топлив. Для портативных приборов ядром схемы является однокристальная микроЭВМ, среди которых возможно применение российских микроконтроллеров KM 1816/ВЕ49 /ВЕ51, либо зарубежных AT90S8515, АТ89С51, PIC17C756. В качестве устройств отображения информации целесообразно использование двухстрочных жидкокристалических индикаторов с внутренним контроллером фирмы DATA VISION, обладающими в настоящее время оптимальными характеристиками по критерию «цена + качество», например DV-0802 иди DV-16244. Для стационарных приборов, использующих мощные компьютеры важнейшими элементами являются: оптоэлекгронный спектрометрический узел и. устройство ввода оптического излучения в ЭВМ, к которым предъявляются высокие требования по разрядности АЦП (не менее 12) и оптронна* развязка, обеспечивающая взрывобезопасность. Под эти требования разработанс специализированное устройство ввода спектрометрической информации в ЭВ1У с числом элементов разложения 780х 625 и передаваемых градаций яркосп 4096. Показаны условия! и возможности' Применения стандартных устройсп ввода российской фирмы L-CARD и американской OCTAGON SISTEMS. Подробно проанализировано датчиковое обеспечение устройств ККТ. В соот ветствии с функциональным назначением все датчики, используемые в данно! работе можно разделить на следующие группы:

Таблица 3. Фрагмент обобщенной таблицы взаимосвязей

Наименование параметра, обозначение, единица измерения, диапазон изменения 1 2 15 1б 17

Плотность, Р, рТ Температура, е Содерж. серы в Октан, число а Цеган. число Ъ

1 Плотность р=(0.6 + 1.0)х105 [кг/м3] р™ =0.6 + 1.0 О (3.1), (3.3), (3.16) (4.24)+ . (4.29), рйс.'4.15 (4.2) +(4.5) (4.6), 4.8), (4.10) рис.4.3

-> Температура 0= -20 + +40 [°С1 (3.1), (3.3), (3.16) рис.3.2,

3 Молекулярная масса М-110 +230 рис.3.1,(3.15),-(3.17) / • ,...; .

4 Средняя температура кипения. 9у=100 + 360[°С] (3.6), рис.3.1 . г ,__ рис. 4.1, • (43),. табл. 4:1,(4.4)" рис.4.3

5 Теплопроводность Я = 6,105+ 0.15 ГВ-г/м"С1 (3.12), (3.15) ' (3.9) ' 1--

6 ■- Нижняя теплота сгорания Он г (0.6 •?■ 1.0)х10® [Дж/кг] рис.3.3, (3.19), (3.21) рис.3.2, .... 1 (3-19), (4.23)

7 Кинематическая вязкость ПкГ (0.6 + 10.0)х10'2 ГСт1 1

8 Теплоемкость • " Сг= (1.8 + 2.2)х103 [Дж/кг°С] (3.13),-(3.1б> (ЗЛО), (3.16) , : 1

9 Показатель оптического преломления п= 1.37+1.55 (3.17), рис. 3.13, (3.51), (3:52), (3:53), <4.70),(4.71) 1 (4.26), рис.4.1б

10 Диэлектрическая проницаемость £=1.85+2.3 табл. 3.4, (3.31), (4.72), табл. 3.5, рис.3.9,3.5 (3.32). (3.33) 1 рис.4.14 (4.11). (4.12), рис.4.5 рис.4.8

11 Электрическая проводимость о=10"м+10-16Г1/Ом-м1., .. - рис.3.8 1 -

12 Коэффициент оптического поглощения, а = 0 + 1 -1 рис, 4.9 рис. 4.13 '

13 Фазовая с и групповая Угр скорость звука, Угр<с с=1000+1500 Гм/сек] (3.65), (3.68), (3.71) .....- (3.70) ..о

14 Коэффициент акустического поглощения аА=0.009+ 0.014 [¡/см] (3.72)

15 Содержание серы 5=0.01+ 3 Г% вес1 (4.24)+(4.29), рис.4.15

16 Октановое число П «= 70 + 98 (4.2)+ (4.5) - •

17 Цегановое число 2 = 45 + 52 (4.6), (4.8), (4.10) рис.4.3 •

1. Оптические датчики, используемые для измерения коэффициента поглощения, показателя преломления (рефракции), спектрометрические узлы.

2. Емкостные датчики, применяемые для измерения диэлектрической проницае-, мости и электрической проводимости топлив.

3. Акустические датчики, применяемые для измерения скорости звука в топливе и коэффициента акустического затухания.

5. Датчики температуры и давления.

При анализе датчикового оборудования сочетались возможности применения стандартных приборов, включенных в Госреестр, с оригинальными техническими решениями, например фототопотенциометрическими и встроенными волоконно-оптическими структурами.

Проведен анализ оптоэлектронной системы разработанного универсального спектрометрического анализатора «МАКС-1200». Оптоэлектронную систему можно представить в виде набора каскадно включенных оптического, спектрометрического, и электронного узлов, осуществляющих преобразование входного оптического сигнала в электрический сигнал.

Оптическая часть состоит из источника оптического сигнала - входной щели, —кохшиматорного и камерного объективов, а также дифракционной решетки, установленной между объективами. Оптическая система формирует изображение спектра в плоскости фотоприемной матрицы. Двумерное распределение яркости в плоскости фотоприемной матрицы является выходным сигналом оптической и одновременно входным сигналом электронной системы. Электронная часть анализатора состоит из фотоприемной матрицы и усилителя видеосигнала, конструктивно представляющих телевизионную камеру, а также устройства дискретизации, изображения. Выходным сигналом электронной системы является двумерное поле отсчетов напряжения. Целью проводимого анализа является разработка методики определения оптимальных конструктивных параметров оптической системы, обеспечивающих максимальную разрешающую способность прибора, выявление факторов, ухудшающих разрешающую способность и разработка рекомендаций по их устранению, анализ сигнала и шума в электронной системе, выбор оптимальных параметров устройства дискретизации сигнала. Решается задача нахождения оптимальных параметров прибора, обеспечивающих заданную ширину изображения входной щели в фокальной плоскости камеры с учетом различных факторов, в частности дифракции и аберрации объектива и дифракционной решетки. Показано, что оптимальной является такая ширина щели, при которой ее изображение в фокальной плоскости камеры по уровню 0,1 будет равна размеру фоточувствительного элемента. Получены формулы для расчета размеров излучающей щели.

Численные методы вычислений, реализованные при помощи ЭВМ, позволяют рассчитать изображение в фокальной плоскости камеры, которое является входным сигналом электронной системы. В соответствии с полученными выражениями даны рекомендации по расчету волоконно-оптической системы, в частности допустимый радиус изгиба световодного жгута.

В шестой главе рассмотрены информационно-метрологические характеристики рассматриваемых устройств ККТ. Показано, что согласно ГОСТ процесс измерения показателей качества топлив можно классифицировать как «косвенные измерения». Согласно (5) и (7) для результирующей абсолютной погрешности измерений можно записать:

¿и, = Е - = £(*,+ ЗЪк)6дк.х (18)

Из (18) следует, что общая абсолютная погрешность определения показателя качества ¿Ох складывается из погрешности измерения каждого электрофизического параметра дд^, и погрешности определения калибровочных коэффициентов ЗЬ/с (погрешность калибровочной модели). Определены основные и дополнительные погрешности. К основным отнесены погрешности калибровочной модели, датчиков, квантования, вычислений, а также шумы. Показано, что основным фактором достижения точности является уменьшение погрешности калибровки, определяемые не только точностью эталонного топлива и погрешностью датчиков. Получено аналитическое выражение, определяющие общую основную погрешность через погрешности эталонных топлив и применяемых датчиков. Подробно рассмотрено определение основных погрешностей разработанного спектрометрического анализатора качества. Подсчитано, что для достижения достаточной точности при нормальных условиях и идеальной калибровке необходимо, чтобы оптическая система обеспечивала разрешающую способность не менее 45 мм"1, число элементов разложения фотоприемной матрицы было не меньше 576x798, число уровней квантования аналого-цифрового устройства ввода изображения в ЭВМ - не менее 12 разрядов. Наибольшую составляющую в основную погрешность вносят шумы оптоэлекгронного тракта.

Дополнительные погрешности определяются следующими факторами: изменением температуры контролируемого топлива и окружающей среды, в которой находится прибор; колебаниями питающих напряжений; электромагнитными наводками и помехами, которые могут иметь случайный харакгер;наличием в топливе примесей, недопустимых по ГОСТ; субъективные погрешности, связанные с действием обслуживающего персонала, в частности с отбором пробы, недоливом и загрязненностью датчика или мерной посуды; инерционностью измерительного процесса (динамические погрешности). Проанализировано, что если проводить измерения без температурной коррекции, то максимальная погрешность соответствующих приборов ККТ будет составлять 2.5 %/ °С. Влияние температуры на спектрометрическую характеристику иллюстрируется полученным экспериментально графиком, показаннымна рис.7. Из графика видно, что повышение температуры приводит к увеличению коэффициента поглощения и смещению спектрометрической характеристики в длинноволновую область спектра. Удельное изменение коэффициента поглощения от температуры составляет За =0.06—, абсолютное удельное смещения спектрометрической ха-

рактеристики по длине волны - а1 = 0.6^- . Исходя из функции преобразования

(8), показано, что абсолютная температурная погрешность спектрометрического анализатора качества топлив при отсутствии каких-либо способов коррекции

составит: ...

Ae=0*-02o=¿2>A*(0-2O) (=i

(19)

т 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 Рис. 7. Спектрометрическая характеристика бензина АИ-95 спектра

¿(нм)

Из (19) следует, что погрешность линейно зависит от температуры, а также от коэффициентов калибровочной модели, значения которых определяются по эталонным бензинам. При этом с повышением температуры показания прибора увеличиваются. Экспериментальные исследования для конкретных бензинов показали, что удельная температурная погрешность измерения октанового числа составляет в среднем ¿11, = 0.024°^, . В ожидаемых условиях эксплуатации, в

диапазоне 10 - 30 С, температурная погрешность соизмерима с основной. Компенсация температурной погрешности в рассматриваемом анализаторе производится следующими методами:

1. Вводится датчик температуры, который погружен в контролируемую среду и показания прибора корректируются по его сигналу. Температурные изменения учитываются алгоритмом измерения.

2. Выравниванием температур основного и эталонного каналов. Для этого измерительная камера датчика делается совмещенной, в которой каналы разделены теплопроводящей стенкой В этом случае, так как информация о контролируемом топливе снимается в виде отношения спектров основного и эталонного каналов, относительные изменения коэффициентов поглощения компенсируются. При использовании указанных методов температурная погрешность уменьшается до 0.005 %/ °С .

Рассмотрены динамические 8д погрешности устройств ККТ, которые вычисляются через разность между двумя соседними минимально возможными отсчетами измерительного процесса:

п

5Д +ДО. (20)

где А/ = = /д +(эш г ■ „ ;■„

1д - время измерения (быстродействие) самого инерционного датчика электрофизических параметров,

Ьвм - время обработки данных на ЭВМ. Если зависимость 0х(0 известна, то максимальная динамическая погрешность определится: ''

. с; (од/2

Зд = з (21).

Для емкостных датчиков быстродействие составляет. 10й + 10^ сек; для оптических 10'5 10"6 сек с учетом аналоговой схемы предварительного усиления и преобразования. Таким образом, динамическая погрешность зависит от инерционности датчиков и скорости изменения показателей качества топлива. Рассмотрены методы повышения точности и стабильности рассматриваемых устройств ККТ, которые подразделяются на конструктивные, программные и комбинированные. Для спектрометрических приборов, кроме выравнивания температуры в каналах, эффективным конструктивным методом уменьшения погрешности является пространственно-временная фильтрация сигнала матричного фотоприемника, позволяющая значительно уменьшить шумы. оптоэдеюронного тракта. Для портативных емкостных, устройств ККТ важными факторами повышения точности, стабильности и надежности является: исключение промежуточных этапов аналого-цифрового преобразования в каналах датчик-контроллер, конструктивное совмещение датчиков и контроллера в одном корпусе, что позволяет устранить паразитную емкость соединительных кабелей, организация нескольких калибровочных таблиц с возможностью выбора по регионам, использование энергосберегающей элементной базы с автоматическим контролем питания супервизорами , внутриприборное программирование по последовательному порту, что позволяет менять алгоритмы обработки без вскрытия прибора. Предложено емкостной и температурный датчики включать в цепь обратной связи таймеров микроконтроллера. Полученные частотные сигналы через внутреннюю структуру контроллера передаются в центральный процессор, в котором каждой совокупности частотных сигналов нескольких датчиков ставится в соответствие значение исследуемого показателя качества. Общим приемом повышения точности является увеличение числа контролируемых электрофизических параметров, в частности вводить поправку на плотность. Важным фактором улучшения эксплуатационных характеристик приборов ККТ является создание и сохранение в памяти прибора калибровочных таблиц, учитывающих региональные особенности угле-

водородного сырья. Ввод в эксплуатации разработанных приборов подразумевает _ его обязательную калибровку на региональных топливах. В разработанных при. борах заложены технические возможности сохранения нескольких калибровочных таблиц, полученных на разных региональных топливах. Набор статистики по региональным топливам и создание на ее основе калибровочных таблиц является важной и перспективной задачей развития электрофизических приборов ККТ. Рассмотрены вопросы метрологической аттестации и сертификации электрофизических приборов ККТ. Отмечены сложности процесса аттестации, связанные с тем, что созданные в настоящее время эталоны для нормирования погрешностей приспособлены под сжигание контролируемого топлива. В процессе метрологической аттестации приборов ККТ речь может идти только о применении вторичных эталонов, то есть реальных топлив, но аттестованных известным методом со сжиганием. Это заведомо предполагает, что разработанные приборы не могут быть по аттестату точнее, чем моторная установка, на которой аттестован вторичный эталон. Хотя по чувствительности и реальным метрологическим характеристикам разработанные приборы могут быть значительно точнее известных, однако при современной законодательно-метрологической базе для электрофизических приборов ККТ это невозможно проверить. Необходимо разработать новые методики аттестации приборов ККТ, создать новые эталоны, которые позволили бы проводить их государственную аттестацию. Разработанная методики аттестации и калибровки являются первым шагом на пути создания официальной законодательно-метрологической базы и включения разрабатываемых устройств в Государственный реестр приборов.

В седьмой главе изложены вопросы экспериментального исследования элекгрических, оптических, акустических свойств топлив и практического использования разработанных устройств ККТ. Исследования проводились на стандартном оборудовании и на специально разработанных установках. Подтверждены основные теоретические выводы и положения, используемые в данной работе. Подробно исследованы эксплуатационные характеристики разработанного спектрометрического анализатора нефтепродуктов «МАКС-1200». Оптическая схема прибора позволяет реализовать следующие режимы работы:

1. Режим прямого контроля комплексного параметра (октанового числа). В кювете рабочего канала находится анализируемый продукт, в опорном канале -воздух. В соответствии с калибровочной моделью путем анализа спектра продукта определяется октановое число.

2. Режим контроля концентрации компонента. В кювете опорного канала - базовый продукт, в рабочем канале - продукт с добавлением присадки или группы присадок. Выходной сигнал анализатора - спектр поглощения присадки. В соответствии с калибровочной моделью определяется концентрация присадки.

3. Режим нулевой разности. В кювете опорного канала - эталонный продукт, в , кювете рабочего канала - анализируемый продукт. Выходной сигнал - разность

спектральных характеристик. В соответствии с калибровочной моделью осуще-

ствляется дозирование присадок. Критерий оптимальнога дозирования.- сведение к нулю разностного сигнала. . -Управление различными режимами работы анализатора октанового числа осуществляется при помощи пакета программ, который дозволяет реализовать полный цикл работы прибора - от составления калибровочной модели до измерения октанового числа на потоке. Опытный образец прибора прошел всесторонние испытания в лаборатории Самарского аэрокосмического университета, а также,в Межрегиональной научно-внедренческой фирме «КИМОНО».

Разработанный в результате проведенных исследований емкостной октаномер «АС-98» прошел эксплуатационные испытания на нефтезаводах городов Самары, Новокуйбышевска, Сызрани, Киришей, Уфы, в Московской транспортной инспекции. Прибор прошел также всесторонние государственные испытания, метрологическую аттестацию, вюпочен в Государственный реестр приборов под номером 7899. Изготовлен также портативный вариант окганомера «АС-98П». В результате испытаний выявлены следующие технические характеристики разработанных приборов (табл. 4).

Таблица 4. Технические характеристики разработанных приборов

МАКС-1200 АС-98 АС-98П

Диапазон измерений:

октанового числа бензинов (ИМ) 80- 100 80-98 80-98

цетанового числа дизтоплив 45- 52

серы в дизтопливах, % массы 0.5- -2.5

Абсолютная погрешность

октанового числа 0.3 0.5 0.5

цетанового числа 0.3

содержания серы, % массы 0.1

Время измерений, сек 5 2 2

Время калибровки, мин 20 10 10

Потребляемая мощность, Вт 50 5 2

Напряжение питания, В 220 220 9

Диапазон температур, °С 10- -35 10-35 10-35

Объем пробы, мл 200 80 40

Индикация Дисплей ЖКИ ЖКИ

Масса, кг 8.0 1.0 0.5

Сервисные функции Связь с ЭВМ

Приборы обладают возможностями самодиагностики, оперативной калибровки под региональные особенности углеводородного сырья и передачи данных на принтер, в компьютер или в информационную сеть предприятия.

Рассмотрены вопросы применения рассмотренных приборов в технологическом процессе производства топлив и бортовой системе управления двигателем аромобиля. Разработаны функциональные схемы систем управления смешением (бензинов по контрольным точкам спектрометрической характеристики и по факту достижения конкретного показателя качества. Принцип регулирования состоит в том, что анализатор управляет электромеханическими задвижками, которые дозируют поступление компонентов в технологический поток таким образом, чтобы в контрольных точках свести разность эталонной и реальной спектрометрических характеристик к нулю (с использованием прибора «МАКС»), либо достижения требуемого октанового числа (на основе октаноме-ра «АС-98»),

Опытный образец разработанного спектрометрического октаномера внедрен в Межрегиогальной фирме КИМОНО, г. Киршпи, где используется для контроля качества бензинов в лабораторных условиях. . Освоено мелкосерийное производство прибора «АС-98», который покупается нефтеперерабатывающими предприятиями и фирмами, занимающимися производством и продажей углеводородных топлив.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации разработана общая теория электрофизических методов контрол) качества топлив. Дано научное обоснование и созданы быстродействующие уст ройства оперативного контроля качества тоПЛив без сжигания, нашедшие практи ческое применение в промышленности, научных исследованиях и учебном про цессе. Получены следующие результаты и выводы.

1. Обзор и классификация электрофизических методов контроля качества топлив по шкале электромагнитных излучений выявили основные направления развития универсальных и специализированных устройств, связанных с диэлектрическими, электронно-акустическими, оптоэлектронными и спектрометрическими способами. Наряду со специализированными конструкциями, защищенными патентами, предложена схема универсального модуля контроля качества, основанная на зондировании топлива указанными видами сигналов, которая позволяет осуществить комплексирование процесса измерения, повысить надежность, точность и достоверность анализа в реальном масштабе времени.

2. Анализ процессов распространения электромагнитных и акустических сигналов в углеводородной среде с позиций классической и квантово-механической теорий показал, что параметры электромагнитного и акустического поля несут в себе информацию о показателях качества топлив - детонационной стойкости, содержании серы, плотности, вязкости. Получение измерительной информации возможно через, диэлектрическую проницаемость, коэффициенты преломления и поглощения, фазовую и групповую скорость распространения волн. Для спектрометрических методов показано, что частоты поглощения компонентов топлив, образуют ряды, состоящие из фундаментальных частот с максимальной ин-

тенсивностьго поглощения, и набора обертонных частот меньшей интенсивности. Общая спектрометрическая характеристика углеводородной смеси определяется как сумма удельно-взвешенных по концентрации спектрометрических характеристик отдельных компонентов, имеющих перекрывающие друг друга частоты поглощения.

3. Разработана методика получения обобщенной математической модели, связывающей исследуемые показатели качества с совокупностью электрофизических параметров. Методика предполагает создание математической модели в процессе калибровки на стандартных образцах топлив с известными значениями показателей качества. Разработаны математические модели процесса измерения при использовании разнообразных датчиков, в том числе по спектрометрическим характеристикам без анализа компонентного состава.

4. Исследование физических, теплоэнергетических, электродинамических, электродинамических, оптических и акустических свойств углеводородных топлив показал, что плотность является фундаментальным параметром, напрямую связанным с другими характеристиками. С возрастанием плотности молекулярная масса, среднеобъемная температура кипения, вязкость, поверхностное натяжение, диэлектрическая проницаемость, коэффициенты поглощения и преломления возрастают, а теплопроводность, теплоемкость, теплота сгорания, анилиновая точка и характеризующий фактор уменьшаются по выявленным законам. Частотные зависимости изменений электродинамических параметров топлив, имеющих диэлектрический характер, взаимосвязаны. Выявлен закон, показывающий, что с ростом частоты проводимость топлив асимптотически стремится к нулю, а диэлектрическая и магнитная проницаемости стремятся к единице.

5. Анализ спектрометрических характеристик отдельных видов топлив, их компонентов и входящих в них сернистых соединений показал, что максимумы поглощения бензинов группируются вблизи длин волн 0,9 мкм, 1,2 мкм, 1,4 мкм, 1750 мкм, а также в широкой полосе от 2,2 до 2,5 мкм. Наиболее характерные диапазоны поглощений дизельных топлив находятся на длинах волн 0,36- 0,48 мкм, 2,7-3,8 мкм, 4,4- 5,0 мкм, 6,0 - 7,0 мкм, 11,5 - 13,0 мкм. Доминирующие в топливах серосодержащие соединения -сульфиды и тифены (остаточные СС) наиболее достоверно выявляются в диапазоне длин волн 7,0 - 16,0 мкм. Выявлено, что общее содержание серы значительно увеличивает коэффициент поглощения во всем диапазоне частот.

6. Показатели детонационной стойкости топлив зависят от технологии изготовления, характера электронных связей в молекулах, плотности и среднеобъ-емной температуры кипения. С ростом плотности цетановое число дизельных топлив уменьшается, а октановое число товарных бензинов, содержащих высокооктановые присадки, возрастает. Для прямогонных бензинов (без присадок) октановое число с ростом плотности может как увеличиваться так и уменьшаться, в зависимости от технологии производства. Диэлектрическая проницаемость и показатель оптического преломления бензинов с ростом октанового числа в диапазоне 80 94 возрастают, а в диапазоне 94 + 98 зависит

от применяемых присадок. Диэлектрическая проницаемость дизельных топлив с ростом содержания серы увеличивается, а с ростом цетанового числа уменьшается. Коэффициент поглощения топлив с ростом содержания серы возрастает в широком инфракрасном диапазоне, а с ростом октанового и цетанового числа закономерно изменяется только на определенных частотах.

7. Разработанные способы, алгоритмы и схемы измерения заявленных показателей качества являются универсальными, позволяющими при соответствующей калибровке использовать один и тот же прибор для измерения разных показателей качества, и один и тот же показатель качества измерять разными способами. Наиболее универсален спектрометрический прибор МАКС-1200, позволяющий определять показатели качества как по отдельным отсчетам спектра, так и по интегральным характеристикам. Комплексирование процесса измерений, в сочетании с разработанной обобщенной таблицей взаимосвязей параметров дает методологическую основу для разнообразных способов определения показателей качества без сжигания.

8. Современная серийно выпускаемая элементная база электроники и датчико-вой техники позволяет создавать портативные и стационарные приборы ККТ с требуемыми техническими характеристиками и сервисными функциями. Конструирование целесообразно осуществлять ва._основе программируемых контроллеров, сочетая применение стандартных изделий, унифицированной аппаратуры с оригинальными техническими решениями. Разработанная методика расчета оптической системы дает возможность определения конструктивных параметров, обеспечивают требуемую разрешающую способность при минимальных искажениях.

9. Основная погрешность электрофизических устройств ККТ, как приборов косвенного измерения, складывается из погрешности калибровочной модели и погрешностей датчиков, используемых как при калибровке, так и при рабочих измерениях. Превышение точное та дорогостоящих эталонных топлив, используемых при калибровке по заданному показателю качества, над точностью рабочих датчиков не целесообразно. На основе метрологического анализа разработаны требования к элементной базе конструируемых приборов. Повышение точности" устройств ККТ связано с конструктивными, программными и комбинированными методами, основными из которых являются: введение поправки на температуру измеряемой пробы, тщательная калибровка с использование большого числа эталонных бензинов по всему диапазону измерений, увеличение числа контролируемых электрофизических параметров, в частности введение поправки на плотность. Для спектрометрического анализатора эффективно также сглаживание шумов оптоэлектронного тракта методами пространственно-временной фильтрации, а для портативных емкостных анализаторов включение датчиков в цепь-таймеров микроконтроллеров. . .

10. Государственная- метрологическая аттестация электрофизических приборог ККТ возможна на основе создания новых методик измерений, испытаний и поверки: "Официальные документы, разработанные для- устройства измерения ок-

танового числа бензинов «АС-98», включенного в Государственный реестр приборов, являются образцом для создания аналогичных методик аттестации электрофизических устройств ККТ по другим показателям качества. Сделан первый шаг на пути создания официальной законодательно-метрологической базы для приборов контроля качества топлив без сжигания.

11. Экспериментальные исследования электрофизических и спектрометрических характеристик топлив подтвердили правильность основных теоретических положений. Созданные устройства, отмеченные на разнообразных выставках и конкурсах дипломами и премиями, удовлетворяют современным требованиям и могут использоваться как в лабораториях, так и в системах управления производством. Применение разработанных приборов ККТ на различных участках производства и контроля позволяет НПЗ средней мощности экономить до двух миллионов долларов в год.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: .

1. Скворцов Б.В. Электрофизические устройства контроля качества углеводородных топлив. Самара, 2ООО., 265 с.

2. Скворцов Б. В. , Конюхов Н.Е., Астапов В.Н. Приборы и системы контроля качества нефтепродуктов. М. Энергоатомиздат, 2000, 280 с.

3. Скворцов Б.В. Электронные системы автоматики автомобиля. Учебное пособие. Самара, СГАУ, 1998, 90 с.

4. Скворцов Б.В., Забойников Е.А., Васильев И.Р. Определение электродинамических параметров материалов в широком диапазоне частот. //«Измерительная техника», № 7, 1997. -

5. Скворцов Б.В. , Астапов В.Н. Электронный октаномер.// Измерительная техника, № 8, 1999.

6. Скворцов Б.В., Куляс М.О. Измерение октанового числа бензина методом ближней инфракрасной спектроскопии.//Сборник научных трудов НИИ "Приборостроение", СГАУ, Самара, 1999.

7. Скворцов Б.В., Куляс М.О., Забойников Е.А., Васильев И.Р. Универсальный анализатор нефтепродуктов.// Сборник докладов международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем", Пенза, 1997.

8. Скворцов Б.В. Обзор и состояние проблемы контроля октанового числа бензинов.// Сборник трудов НИИ "Прибростроения", Самара, СГАУ, 1998 г.

9. Скворцов Б.В., Астапов В.Н., Конюхов Н.Е. Разработка и организация производства приборов контроля качества светлых нефтепродуктов.// Отчет по программе «Конверсия и высокие технологии», ВИНИТИ per. № 01200000214, 88 с.

10. Скворцов Б.В. Электронные приборы измерения октанового числа бензинов// Тезисы доклада XI международной научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик - 99)., Гурзуф, 1999.

11. Скворцов Б.В. Расчет электрических полей в тонких неоднородных пленках.// Электричество, № 2, 1985.

12. Скворцов Б.В. Математические основы электрофизических методов контроля качества топлив.// Тезисы доклада XII международной научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», Судак, 2000.

13. Скворцов Б.В., Забойников Е.А, Васильев И.Р. Анализ состояния проблемы контроля качества нефтепродуктов в динамических средах.// Сборник научных трудов НИИ "Прибростроения", Самара, СГАУ, 1996

14. Скворцов Б.В. Синтез электрических полей в тонких однородных пленках.// Электричество, № 3,1985

15. Патент РФ № 2091758. Способ определения октанового числа и устройство для его осуществления., / Скворцов Б.В., Астапов В.Н., Конюхов Н.Е., Васильев Р.Л., Пендюхов Е.П.// Б.И. № 27,1997.

16. Полезная модель РФ № 10463 Устройство для измерения октанового числа бензинов /Астапов В.Н, Скворцов Б.В., Васильев P.JL, Пендюхов Е.П.// Б.И., №7,1999.

17. Патент РФ' N22112956. Оптоэлектронное устройства для идентификации и спектроскопии./ Скворцов Б.В., Куляс М.О., Конюхов Н.Е., Васильев PJL Пендюхов Е.П., Забойников Е.А.// Б.И. №16, 1998.

18. Скворцов Б.В., Куляс М.О. Высокоразрешающее устройство ввода телевизионных изображений в ЭВМ. // Информ. листок ЦНТИ №1-97, Самара, 1997.

19. Куляс М.О., Скворцов Б.В. Устройство ввода телевизионных изображений в ЭВМ. // Сборник трудов НИИ "Приборостроение", Самара, СГАУ, 1997.

20. Скворцов Б.В., Конюхов Н.Е. Приборы и системы контроля качества - движущая сила для создания цивилизованного рынка электроэнергии и нефтепродуктов.// Официальный каталог шестой всероссийской выставки «Энергетика и химиндустрия», Самара, 2000.

21. Скворцов Б.В., Жиганов И.Ю. Электронно-акустические приборы измерения длины и расстояний с автоматическим зондированием свойств среды. //Тезисы доклада XI международной научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик -99), Гурзуф, 1999.

22. Патент РФ № 2133493. Способ адаптивного управления процессом смешения жидкостей. / Астапов В.Н., Скворцов Б.В.// Б.И. № 20,1999.

23. Скворцов Б.В., Конюхов Н.Е., Плют A.A., Метод синтеза функциональных фотопотенциометров. // Оптико-механическая промышленность, № 12,1977.

24.. Скворцов Б.В., Жиганов И.Ю. Методы повышения точности электронно-акустических приборов.// Сборник докладов международной научно-технической конференции Актуальные проблемы анализа и обеспечение надежности и качества приборов устройств и систем. Пенза, 1998. 25. A.c. SU № 760131, Фотопотеициометрический преобразователь / Скворцов Б .В., Конюхов Н.Е., Плют А.АУ/ Изобретения. Открытия, 1980, № 32.

26. А.с. SU № 760126 Функциональный преобразователь/ Скворцов Б.В., Конюхов Н.Е., Плют А.А., Матюнин С.А.// Изобретения. Открытия, 1980, № 32.

27. Скворцов Б.В. Алгоритм синтеза резистивных пленок функциональных фотопотенциометров // Электронная техника, сер. 5, Радиодетали и радиокомпоненты, 1979, вып. 5 (56).

28. А.с. SU № 860097. Функциональный фотопотенциометр I Скворцов Б.В., Плют А.А., Матюнин С.АII Изобретения. Открытия, 1981, № 32.

29. Скворцов Б.В. Анализ работы фотопотенциометра на переменном токе // ' Радиотехника, 1982, № 3

30. Скворцов Б.В. Функциональные фотопотенциометрические преобразователи с регулируемой характеристикой // Приборы и системы управления, 1984, № 4 .

31. А.с. SU № 1264784. Фотопотенциометр/ Скворцов .Б.В., Конюхов Н.Е., Алейников JI.B.// Изобретения. Открытия, 1986, № 24.

32. А.с. SU № 1268036 Фотопотенциометр/ Скворцов .Б.В., Конюхов Н.Е., Алейников JI.B.// Изобретения. Открытия, 1986, № 25.

33. Скворцов Б.В. Алгоритм кусочно- полиномиальной аппроксимации функций. Информационный листок ЦНТИ № 66 - 81, Куйбышев, 1981.

34. А.с. SU № 601819, Время-импульсный преобразователь /Скворцов Б. В., Конюхов Н.Е., Плют А. А.// Изобретения. Открытая. № 13,1978.

35. Скворцов Б.В. Расчет электрических и тепловых полей в тонкопленочных преобразователях информации.// Тезисы доклада Всесоюзной конференции ((Проблемы теории чувствительности электронных систем», Москва, 1985.

36. Скворцов Б.В. Алгоритм определения удельной проводимости, диэлектрической и магнитной проницаемостей материалов на различных частотах.// Информационный листок ЦНТИ № 125 - 90, Куйбышев, 1990.

37. Скворцов Б.В. Электронные приборы контроля качества топлив. Тезисы доклада международной конференции.// «Иновационные технологии и бизнес», Самара, 2000 г.

38. Скворцов Б.В., Куляс М.О. Анализ процессов взаимодействия оптического излучения с углеводородной средой.// Физика волновых процессов и радиотехнические системы, № 4,2000 г.

39. Skwortsov В., Schilder D., «Berechnung des elektrischen Feldes in einen dunnen Schicht mit beliebiger Leitfahigkeitsverteilung»// Zeitsrift fur elektrische Informations- und Energietechnik (Akademische Verlagsgesellschaft), № 6,1983.