автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Средство диэлькометрического контроля бензина

Поляков Сергей Александрович

СРЕДСТВО ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ БЕНЗИНА

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ПАЯ 20'

Орел 2014

005548349

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Волков Михаил Анатольевич

Официальные оппоненты: Дрейзин Валерий Элезарович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», профессор кафедры КиТЭВС

Жосан Артур Александрович

кандидат технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Орловский государственный

аграрный университет», зав. кафедрой «Эксплуатация

машинно-тракторного парка и тракторы»

Ведущая организация: Воронежский институт Государственной

противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным сшуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий

Защита состоится « 24 » июня 2014 г. в 11-00 на заседании диссертационного совета Д 212.182.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» по адресу: 302020, Россия, г. Орел, Наугорское шоссе, 29, (ауд. 212).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет -УНПК».

Материалы по защите диссертации размещены на официальном сайте Госуниверситета - УНПК по адресу: www.gu-unpk.ru

Автореферат разослан & 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы обусловлена необходимостью контроля качества бензина при наличии в нем воды. Появление воды в бензине возникает в процессе жизненного цикла нефтепродуктов, в ходе которого происходит естественное накопление воды за счет гигроскопичности бензина и конденсации паров влаги. Такая же необходимость возникает из-за попыток фальсификации бензина. По данным Всероссийского общества прав потребителей, до 40 % продаваемого в стране топлива в настоящее время фальсифицировано. Статистика показывает, что из всех примесей в бензине практически около 70 % приходится на воду, поэтому остро встает вопрос об оперативном контроле бензина на наличие воды.

Удаление воды из топливной аппаратуры автомобиля в настоящее время возможно только путем физического вмешательства. При этом контролировать заправляемое топливо можно лишь по его косвенным признакам, причем на АЗС из всех контролируемых параметров топлива доступно только его октановое число.

Октановое число топлива определяют его тестированием исследовательским и моторным методами (ГОСТ 511-82, ГОСТ 8226-82). Выпускаемые в настоящее время октанометры (таблица 1) позволяют решать задачу оперативного контроля октанового числа топлива с низкой погрешностью измерения. Однако в данных приборах отсутствует возможность определения октанового числа топлива с примесью воды, наличие которой приводит к резкому повышению погрешности измерения октанового числа и недостоверным результатам контроля.

Таблица 1. Основные характеристики современных октанометров

Наименование Диапазон измерения, ед. оч Абсолютная погрешность измерения, ед. оч Время измерения, с Коррекция по температуре Коррекция по удельной проводимости

ПЭ-7300 М (ЭКОХИМ) 66-98 ±1,5 3 нет нет

ОКТАН-ИМ 67-98 ±2 10 нет нет

БНАТОХ БХ-ЮОМ 40-120 ±0,5 5 есть нет

Принцип действия большинства современных приборов основан на диэлько-метрическом методе контроля, согласно которому октановое число определяется по диэлектрической проницаемости бензина, составляющей Ес>ет ~ 2...2,3. При этом даже сравнительно небольшое количество воды, имеющей высокую диэлектрическую проницаемость £воды ~ 81, может привести к ошибочным результатам при определении октанового числа. Экспериментально установлено, что добавление в бензин 1 % воды приводит к повышению его диэлектрической проницаемости до уровня еизм = 2,9 и, соответственно, к значительной погрешности измерения октанового числа бензина диэлькометрическим методом.

Вопросам контроля параметров бензина посвящен ряд работ отечественных и зарубежных ученых, которые внесли существенный вклад в совершенствование методов и средств определения октанового числа: Г.Ф. Большаков, Т.Н. Митусов, Н.Е. Конюхов, В.Н. Астапов, ЭоЬзоп М.С., НаШкатеп Р.Т., ННЬогв! М.А., Яетке Ь. и др.

Однако, несмотря на наличие работ в данном направлении, более широкое, применение приборов оперативного диэлькометрического контроля октанового числа

практически ограничивается реальными свойствами бензиновой смеси, потенциальное наличие которой может приводить к недостоверным результатам контроля.

Таким образом, актуальными являются вопросы совершенствования средств диэлькометрического контроля, обеспечивающих возможность выявления воды в бензине и компенсацию ее влияния на точность определения октанового числа.

Объектом исследования являются диэлькометрические методы измерения параметров бензина.

Предмет исследования - способы, средства и многопараметрические модели диэлькометрического измерения параметров бензина.

Целью диссертации является повышение точности средств диэлькометрического контроля октанового числа бензина, в том числе с содержанием воды.

К основным задачам исследования относятся:

- сравнительный анализ калибровочных характеристик приборов диэлькометрического контроля октанового числа бензина при наличии мешающих воздействий;

- исследование зависимости влияния удельной проводимости на изменение резонансной частоты колебаний, оценка которых производится по нормированной амплитудно-частотной характеристике колебательной системы.

- разработка способов и алгоритмов измерения резонансной частоты при ди-элькометрическом контроле бензина, обеспечивающих снижение инструментальной погрешности контроля октанового числа при его повышенной электропроводности и наличии воды;

- разработка структуры средства диэлькометрического контроля бензина с повышенной точностью и расширенным диапазоном измерения;

-экспериментальная проверка эффективности разработанного способа и прибора диэлектрического контроля октанового числа бензина.

Методы и средства исследований. При решении научной задачи по контролю бензина с содержанием воды использовались методы математического и схемотехнического моделирования, методы аппроксимации характеристик нелинейных элементов, методы определения погрешностей измерений, функций комплексного переменного.

Соответствие диссертационной работы паспорту специальности:

п. 3. Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель процесса измерения диэлектрической проницаемости бензина методом частотного резонанса, отличающаяся компенсацией влияния электрической проводимости среды и учетом ее температуры при контроле октанового числа;

- разработан алгоритм определения резонансной частоты для диэлькометрического контроля качества бензина с коррекцией результатов измерений по удельной электрической проводимости и температуре, обеспечивающий повышение точности определения его октанового числа;

- - разработана новая структура цифрового прибора для оперативного контроля качества бензина, основанная на предложенной математической модели и алгоритме преобразования, защищенная патентами на изобретение и полезную модель.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны цифровой прибор для контроля октанового числа бензина и высокостабильные емкостные преобразователи для допускового контроля углеводородного топлива.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Результаты проведенных исследований внедрены на ЗАО «Научприбор» (г. Орел) и используются при проведении ОКР по модернизации аппаратуры, предназначенной для контроля состава жидких сред.

Апробация работы.

Основные результаты проведенных исследований апробированы и обсуждены на 9-ой Международной научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбе-режение-2013» Всероссийских научно-технических конференциях «Научная сессия ТУСУР-2012», «Научная сессия ТУСУР-2013».

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ, включая 2 статьи в рецензируемых изданиях из перечня ВАК, 4 материалов и тезисов докладов, патент на изобретение и патент на полезную модель.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Модель процесса измерения диэлькометрической проницаемости бензина методом частотного резонанса, обеспечивающая повышение точности контроля его параметров за счет автоматической компенсации влияния внешних факторов.

2. Алгоритм определения резонансной частоты при контроле октанового числа бензина, обеспечивающий снижение погрешности резонансного измерения его диэлькометрической проницаемости за счет компенсации влияния электрической проводимости и температуры контролируемого топлива.

3. Структурная схема прибора для диэлькометрического контроля качества топлива, позволяющая уменьшить инструментальную погрешность при измерении параметров контролируемого бензина разных марок.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 141 наименование и 4 приложения и изложена на 122 страницах машинописного текста. Работа содержит 29 рисунков и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика диссертационной работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен аналитический обзор способов и средств контроля бензина и методов снижения инструментальной погрешности диэлькометрических измерений. Выявлена перспективность применения двухпараметрового резонансного метода контроля, реализуемого при цифровом измерении и совместной обработке амплитудных и фазочастотных параметров выходных сигналов емкостных датчиков.

Сформулирована задача определения октанового числа D при контроле бензина по его диэлектрической проницаемости £бенз, удельной проводимости и тем-

пературе Тбет с учетом чувствительности к изменению этих параметров S(AeAaAT) при обеспечении минимальной погрешности 5ИЗМ и времени /,пм измерения:

в

0(г,а,Т) = /(е'6ет, а6тз, Гбенз) + 5(А£,Аа;АГ), 5к

8,,

|-^изм ^ист!

->гшп (1)

Решение научной задачи проводится с учетом следующих ограничений:

Т6енз ^ 0 °С, сгбенз « 100 нСм/м, /изм = (1 ...3) е.- (2)

Во второй главе разработана модель процесса измерения диэлькометрической проницаемости бензина методом частотного резонанса с учетом его электрической проводимости по максимуму амплитудно-частотной характеристики системы на основе связанных резонансных контуров с емкостным датчиком.

Предложена обобщенная структура прибора и модель процесса контроля октанового числа В бензина, основанная на измерении его диэлектрической проницаемости £бенз с учетом электропроводности &бенз и температуры 7денз (рисунок 1).

Рисунок 1 - Модель процесса экспрессного контроля бензина В данной структуре прибора контролируемые параметры £бенз, а^енз и 7бенз поступают на входы измерительных преобразователей ИП1. ИП2 и изменяют их ре-зистивно-емкостные параметры. Генераторные устройства ГУ1 и ГУН реагируют на входные воздействия, вызывающие изменения параметров и выходного напряжения, которые измеряются с помощью измерительного устройства ИУ.

Согласно разработанной модели процесса контроля октанового числа бензина работа генераторного устройства ГУ 1 описывается дифференциальным уравнением:

(3)

с{21 / Ж2 + 2Ш / сИ + ©о/ = 0,

где 2Х = (ЯЭС)~ - М>(г)ДС; М - коэффициент взаимоиндукции в обратной связи генератора; Щ - эквивалентное сопротивление ¿С-контура на резонансной частоте.

Вследствие высокой добротности резонансного ¿С-контура генератора ГУ1 в стационарном режиме работы данное выражение принимает гармонический вид:

¿(0 = ¿дСОЭ^д! + ф0) (4)

Параметры выходного сигнала преобразователя ИП1 зависят от совокупности диэлектрической проницаемости ббенз контролируемого топлива и влияния диэлектрической проницаемости побочных влияющих факторов £х1>ех2>—ехп '■

£бенз (У) ~ У(ебенз > £х2> •■■» ехи )■ (5)

Погрешность измерительного преобразователя ИП1 зависит от его относительной чувствительности к измеряемой диэлектрической проницаемости 5 • и отно-

1Г-х

сительной чувствительности 5 - к побочным влияющим факторам:

8е=Ь1----— (6)

ЧА8х/ех)

Согласно (6), для уменьшения погрешности следует снижать чувствительность ИП1 к побочным факторам и уменьшать диапазон изменения влияющих величин.

В качестве эквивалентной схемы измерительного преобразователя ИП1 необходимо использовать параллельный /.кСк-контур с емкостным датчиком Сх, в котором учтено сопротивление потерь в топливе. При этом датчик подключен к контуру

через емкость изоляции Си (рисунок 2). В этом случае 5 резонансная частота контура / =1/2п^ЬкСп зависит

! от его полной емкости Сп, включающей емкость Сх ! датчика, которая связана с диэлектрической проница-| емостью бензина линейным выражением:

Сх=& бензЕ0 (?)

Рис нок 7 ГДе ° ~ геометРический Факт0Р> учитьшающий конфи-

ЭквивалеЗаТсхёма ИП 1 ^Рацшо да1ЧИка; Ебенз " относительная диэлекгриче-

екая проницаемость; 8()-проницаемость вакуума. Для учета зависимости емкости от температуры среды введен коэффициент:

КТС = КТг + 2 КТУ (8)

где ^^-температурный коэффициент измеряемой среды, а К-рV - коэффициент,

зависящий от свойств измерительного емкостного преобразователя.

Учет влияния присадок и примесей в топливе определяется выражением:

£бенз = ^бенз£бенз + ^прис£прис + ^примЕприм ~ ебенз' ^Та ■ С учетом (7)-(9) выражение для емкости преобразователя ИП1 имеет вид:

Сх = КтС-КТа-8-ебет-е0. (10)

В реальных средах диэлектрическая проницаемость является комплексной:

С*х=С'х-^ + гсе;е1е о], (П)

где действительная часть — функция октанового числа, а мнимая определяется потерями от активной проводимости а и релаксационной составляющей потерь г"ге1.

Для оценки проводимости топлива предложено выполнять два измерения амплитуды выходного напряжения измерительного преобразователя: с пустым емкостным датчиком С/ВЬКо = эо> и после его заполнения контролируемым материалом

^вых=/т/(ДОс + 1/.5эо), а затем реализовать операции вычитания (для выделения приращения выходного напряжения Л£/вых ) и деления (для оценки проводимости ЛСТ*):

Авх = (ивыхо - £/вых )/ив

(12)

где Яэо - эквивалентное сопротивление 1С-контура на резонансной частоте.

Полученные результаты электропроводимости необходимо вводить в качестве поправки в результаты измерений, определяемой по емкости датчика Сх, которую необходимо вычислять по результату измерения частоты резонансных колебаний.

Выражения (8)—(10), (12) описывают основные параметры математической модели процесса измерения диэлькометрической проницаемости бензина, методом частотного резонанса с учетом его электрической проводимости.

Для оценки диапазона работы модели проведен анализ взаимосвязи октанового числа с диэлектрической проницаемостью бензина, в результате которого определены граничные значения его диэлектрической проницаемости: 8бенз = 2,080...2,295.

При фиксированном значении геометрического фактора g емкостного датчика в выражении (10) получены расчетные зависимости его емкости от диэлектрической проницаемости (рисунок 3), анализ которых позволил сформулировать требования к значению емкости преобразователя ИП1, которая должна составлять Сх = {184...204}пФ.

Сх. пФ

2.075 2.08 2.085 2.09 2.095 2.1 2,105 211 2.115 2.12

■ " 6

| __'

—Г : :

2.15 2.16 2.17

2.075 2.08 2 085 2,09 2.095 2.1 2.105 2.11 2.115 2.12

Сх.пФ

« 2.19 2.2 2.21 2.14 215216 2Л7 218 219 22 221

Т-1-1-Г

2.25 2.255 2.26 2.265 2.27 2.275 2.28 2.285 2.29 2.295 2.25 2.255 2.26 2.265 2.27 2.275 2.28 2.285 2.29 2.295

Рисунок 3 - Графики зависимости емкости ИП1 и октанового числа от диэлектрической проницаемости: а-для 92 бензина, б-для 95 бензина, е-для 98 бензина

С целью оценки граничных частот емкостного датчика (рисунок 4) выполнены исследования нормированных амплитудно-частотных характеристик измерительного преобразователя, построенных для различного вида бензина (АИ-92, АИ-95, АИ-98). Л

/,кГц

МО 950 ЮСО

|£(ш)| =

Рисунок 4 - Нормированные резонансные кривые: а — для 92 бензина, б - для 95 бензина, в - для 98 бензина

со0 и

(13)

В результате теоретических исследований выполненных с использованием модели установлены требования к ширине полосы пропускания емкостного датчика и коэффициенту прямоугольности 1С-контура:

/н =601 кГц, /в =1623 кГц,

(14)

По результатам проведенных исследований выполнена оценка относительной погрешности определения диэлектрической проницаемости на граничных частотах:

г

X - ист и 11 —

^-■100% = 0,15%, 5В=^-

См

Си

•100% = 0,3%.

(15)

'Л " /и— /ч,

^-ист "-ист

Анализ результатов позволяет сделать вывод, что максимальная погрешность измерения по обобщенной характеристике резонансного контура в разработанной модели диэлькометрического контроля не превышает значения 0,3 %.

Установлено, что наилучшие свойства резонансной системы с измерительным преобразователем ИП1 достигаются в системе связанных резонансных контуров. Для анализа таких контуров проведено схемотехническое моделирование емкостного датчика в программной среде имитационного моделирования при варьировании контролируемых /¿¿С-параметров, результаты которого приведены на рисунке 5.

00В

1Щ

Рисунок 5 - Моделируемая схема (а) и ее частотные характеристики (б)

В результате исследований установлено, что при плоской форме АЧХ выходного напряжения контура £/ВЬ1Х= /"'(/в) наблюдается резкое изменение фазы сигнала на выходе образцового ¿оСо-преобразователя на частоте резонанса/р в пределах от -85° до +85° (рисунок 5, б). Поэтому в устройстве для контроля октанового числа бензина на основе взаимосвязанных контуров необходимо измерять амплитуду напряжения на выходе рабочего преобразователя, а резонансную частоту выделять по смене знака фазы сигнала на выходе образцового ¿0Со-преобразователя. Кроме того, установлено, что наиболее плоская форма вершины амплитудно-частотной характеристики обеспечивается при выборе емкости связи рабочего и образцового контуров по условию

Сев ~ (0,03...0,04)Со. (16)

Для расширения диапазона контроля бензина необходимо перестраивать частоту колебаний управляемого генератора в процессе измерения диэлектрической проницаемости топлива, что оказывает существенное влияние на стабильность частоты колебаний и ведет к уменьшению достоверности результатов контроля.

Для повышения достоверности контроля предложено в предлагаемой модели применять дополнительный блок вычитания частот первого и опорного генератора.

Новизна предложенной модели заключается при совместном учете диэлектрической проницаемости и удельной электрической проводимости, а также температуры топлива в момент появления частотного резонанса, достигается снижение погрешности и расширение диапазон измерения по сравнению с известными однопа-раметрическими моделями диэлькометрического контроля.

Практическая ценность модели обусловлена тем, что позволяет исследовать и реализовывать диэлькометрические приборы для контроля бензина с автоматизацией процесса измерения и обеспечением его высокой производительности.

В третьей главе разработан и исследован алгоритм диэлектрического контроля бензина с повышенной точностью измерения его параметров за счет автоматической коррекции влияния электрической проводимости топлива и его температуры.

Функциональная схема прибора контроля бензина показана на рисунке 6.

ФИ ББЧ

ог

МТя,

АЦП

Измерительное устройство

БОД

Щ1

Рисунок 6 - Функциональная схема прибора контроля

В предложенной функциональной схеме процесс контроля октанового числа бензина сводится к измерению его диэлектрической проницаемости, определению резонансной частоты, ее вычитанию из образцовой частоты и цифровому измерению разности этих частот А/ в блоке обработки данных БОД, выполняющем коррекцию результатов с учетом температуры и удельной проводимости топлива.

Полупроводниковый датчик температуры ИП2 изменяет частоту генератора ГУН пропорционально температуре топлива, а корректировка значения октанового числа осуществляется в блоке обработки данных БОД измерительного устройства.

Измерительный преобразователь ИП1 в схеме генератора ГУ1 выполнен в виде цилиндрического конденсатора, заполняемого контролируемым бензином, емкость Сх и сопротивление 1(х которого зависят от его свойств и содержания в нем воды (рисунок 7).

На выходе генераторного устройства формируются две величины (17) и (18), пропорциональные значениям активной проводимости и диэлектрической проницаемости топлива:

(17)

(18)

Рисунок 7 - Принципиальная схема генераторного устройства

4 4сх(итс-ир)2

Алгоритм процесса контроля бензина в функциональной схеме устройства вклю-

Рисунок 8 — Алгоритм диэлектрического контроля октанового числа бензина

Для вычисления коэффициента поправки на температуру (8) исследована зависимости диэлектрической проницаемости бензина от его температуры (рисунок 9).

' 98

0 5 10 15 20 25 30 35 «0 45 Температура Т°С

Ъ. 1 95

5 10 15 20 25 30 35 40 «5 5 Температура 7"°С

' 92

- -и—- .

Температура Т°С

Рисунок 9 - Поправочные коэффициенты по температуре для бензина АИ-98,

АИ-95, АИ-92

Для вычисления корректирующих коэффициентов по температуре определены и аппроксимированы уравнения калибровочных характеристик:

КТс = 2,11 ±5,21-10-4-(0,79±0,18)-10~4Т (АИ 92),

КТс = 2Д9±4,8310~4-(0,72±0,1б)-10_4Г (АИ 95),

Кт = 2,28± 4,9МО-4 - (0,50+ 0,15) 10"4Г (АИ 98). (19)

Оценена погрешность аппроксимации с использованием данных выражений:

5апр(92) * 0,4 %; 6апр(95)*0,5 %; 5апр(98)«0,7 %, (20)

т. е. максимальная погрешность при температурной коррекции не превышает 0,7 %.

С целью формирования массива корректирующих коэффициентов по удельной проводимости топлива проведено имитационное моделирование генераторного устройства (рисунок 7) и получен график экспериментальной зависимости (рисунок 10).

О(иСм)

Рисунок 10 - Значение поправки по удельной проводимости

На основании полученных статистических данных исследована зависимость выходного напряжения контура, зависящего от диэлектрической проницаемости и удельной проводимости бензина. С учетом ее нелинейности получено аппроксимирующее выражение для определения корректирующих коэффициентов:

Кт =0,0078931 а2 + 0,036856а +0.32573

(21)

Конечное значение октанового числа определяется с помощью полиномиального многочлена Лагранжа (23), полученного интерполяцией массива данных зависимости октанового числа И бензина от диэлектрической проницаемости 8.

£>(е)= 16,501 • Ю 4 5 - 180 ,302 -10'

1720 ,66 ■ 10 '

+ 1878 ,3-10'

■е'бенз + 787 ,850 -10' - 819 ,918 104.

(22)

(23)

При экспериментальной проверке адекватности разработанного алгоритма получены графические зависимости октанового числа бензина от его температуры и удельной электрической проводимости (рисунок 11).

от его температуры и удельной проводимости

Анализ результатов проведенной серии экспериментов показал, что при учете температуры топлива и его электрической проводимости погрешность определения октанового числа бензина снижается до уровня менее 1,0 % даже при наличии воды.

Новизна разработанного алгоритма заключается в том, он обеспечивает снижение инструментальной погрешности диэлькометрического измерения октанового числа бензина в автоматическом режиме работы за счет коррекции результатов по удельной электрической проводимости топлива и его температуре.

Ограничением в применении данного алгоритма является невозможность построения универсальной калибровочной характеристики для всех видов топлива и, как следствие, невозможность определения качества незаявленного вида топлива.

В четвертой главе представлены результаты практических исследований по разработке узлов прибора для экспрессного контроля октанового числа бензина, исследованы особенности построения калибровочной характеристики и проведен анализ эффективности применения разработанного цифрового октанометра.

На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана оригинальная конструкция цифрового портативного прибора с емкостным датчиком, в которой реализовано измерение октанового числа бензина диэлькометрическим резонансным способом, представленная на рисунке 12.

Резонансный контур первого гекеаатооа

Аяатого-ппфровой

Блок обрзвотки корпус устройства Генератор лэнньд а&тчика теиг.ераттры (ГУН)

Рисунок 11 - Конструкция цифрового октанометра с автономным питанием

Достоинством разработанного прибора является возможность его применения для допускового контроля качества топлива по относительному количеству содержания воды, что расширяет функциональные возможности такого устройства.

Для оценки полученного эффекта проведен анализ полученных результатов методом идеальной точки в соответствии с общим вектором показателей:

/» = [Д5о6щ,/изм], (24)

где Б - диапазон измерения октанового числа единиц; 5(>6ш - инструментальная погрешность прибора; гшм - время измерения. 5о6щ в ^ + б^ +

1,0 %,где 5М - по-

грешность модели, 5ДС- погрешность дискретизации счета, 5апр- погрешность аппроксимации, которые соответствуют абсолютной погрешности ±0,3 ед. оч.

Значение обобщенного показателя эффективности от внедрения устройства для измерения октанового числа бензина, описывается следующим выражением:

дуБАЗ_дГН-

-х 100%'

(25)

дуБАЗ

где ДУЕ43- обобщенный показатель эффективности базового образца;

дунов _ обобщенный показатель эффективности базового образца.

В качестве базового образца для сравнительной оценки был выбран октано-метр БНАТОХБХ- 100М, параметры которого приведены в таблице 1.

Сравнение приведенных показателей показывает, что обобщенный выигрыш при суммарном значении погрешности измерения 1,0 % составляет около 13 %, что является доказательством достигнутой цели проведенного исследования.

Основные результаты и выводы

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. В результате проведенного анализа свойств и характеристик бензина установлены наиболее значимые параметры для его контроля. При применение диэлькомет-рического метода измерения в качестве косвенных параметров бензина для определения его октанового числа необходимо использовать относительную диэлектрическую проницаемость, удельную проводимость и температуру.

2. Анализ примесей к бензину и их влияния на основные характеристики разработанного прибора позволил определить воду, как наиболее существенно влияющую на эксплуатационные параметры.

3. Разработана математическая модель процесса измерения диэлектрической проницаемости бензина, основанная на методе частотного резонанса, которая отличается учетом удельной электрической проводимости контролируемого топлива и его температуры с определением частоты резонанса по смене знака фазы выходного сигнала емкостного датчика

4. В результате теоретических исследований установлены диапазоны изменения диэлектрической проницаемости для бензинов марки АИ-92, АИ-95, АИ-98, которые составляют значение 2,08-2,295. Получены предельные значения емкости емкостного датчика для допус-кового контроля бензина изменяется в диапазоне о т 184 до 203,5 пФ, определены его граничные частоты 601 кГц и 1623кГц и установлена оптимальная частота измерения (1 МГц).

5. В результате теоретических исследований определены условия снижения методической погрешности при определении резонансной частоты измерительного преобразователя в составе колебательной системы по результатам измерений амплшудно-частотных и амплитудно-фазовых характеристик. Необходимым условием уменьшения методической погрешности определения резонансной частоты кошура является применение резонансного режима работы эталонного и рабочего преобразователя в системе связанных конгуров.

6. Разработана функциональная схема прибора экспрессного контроля бензина, описаны назначения блоков и узлов функциональной схемы, предложен способ расширения диапазона контроля и повышения чувствительности к контролируемым параметрам.

7. Проведено исследование влияния температуры топлива и удельной проводимости среды на его диэлектрическую проницаемость, в результате которого получены массивы статистических данных. С использованием нелинейного регрессионного анализа проведен расчет коэффициентов полинома, необходимых для формирования массива корректирующих коэффициентов.

8. Проведена экспериментальная проверка работы алгоритма, в результате которого установлено, что при концентрации воды объемом в 10% для бензина марки АИ-92 за счет ведения поправки по температуре и удельной проводимости погрешность определения октанового числа снижается до значения 1 %.

9. Предложены отдельные конструкторские решения для прибора контроля бензина Проведен анализ зависимости чувствительности и относительного изменения частоты колебаний от приращения емкости датчика

10. Исследована инструментальная погрешность прибора, проведен сравнительный анализ с аналогами, методом идеальной точки проведена оценка обобщенного полученного эффекта от использования прибора по сравнению с базовым образцом. Таким образом инструментальная погрешность прибора составляет 1,0 %, а эффект от его применения 13 %.

11. Разработаны конструкции емкостных датчиков и схема цифрового прибора с автономным питанием для контроля качества бензина, которые внедрены в СКБ ЗАО «Научприбор» (г. Орел) и используются при выполнении ОКР по подготовке производства к выпуску портативных устройств для кмпроля октанового числа

12. Разработаны оригинальная струюурная схема и конструкция трехпараметрического диэлькометрического прибора для допускового контроля качества бензина, в котором обеспечена высокая чувствительность к электрической проводимости, что позволяет автоматизировать контроль процентного содержания воды в бензине.

На основании полученных результатов можно сделать вывод о достижении цели и решении основных научных задач, поставленных в диссертационной работе.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Журналы из перечня изданий, рекомендованных ВАК

1. Поляков, С.А. Математическая модель процесса контроля качества бензина [Текст] / С.А. Поляков // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - Орел: Госуниверситет-УНПК, 2013. -№ 4 (300). - С. 116-121. (Личное участие 100 %)

2. Поляков, С.А. Экспрессное измерение октанового числа диэлькометрическим способом [Текст] / С.А. Поляков, М.А. Волков // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - Орел: Госуниверситет - УНПК, 2014. - № 1 (303). - С. 136-143. (Личное участие 50 %)

Патенты и свидетельства о регистрации программ для ЭВМ

1. Устройство для измерения октанового числа бензинов: пат. 2460065 РФ: МПК G01N 27/22. С.А Поляков, М.А Волков, Б.Р. Иванов; опубл. 17.03.11, Бюл. № 27 (Личное участие 50 %)

2. Устройство экспрессного контроля октанового числа бензина: пат. 132206 РФ: МПК G01N 27/22. С.А Поляков, М.А Волков, Ю.Б. Иванов; опубл. 10.09.13, Бюл. № 24 (Личное участие 45 %)

Прочие публикации

1. Поляков, С.А. Автоматизация способа диэлькометрического измерения углеводородного топлива [Текст] / С.А. Поляков // Материалы международной научно-практической конференции «Энерго и ресурсосбережение — XXI век». - Орел, 1 марта—30 июня 2013г.-с.267. (Личное участие 100 %)

2. Поляков, С.А. Преобразователь для экспрессного измерения качества бензина [Текст] / С.А Поляков, М.А Волков, Б.Р. Иванов // Сборник тезисов научной сессии «ТУСУР-2012», Ч. 2. - Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. - Томск, 2012. - С. 193 - 195. (Личное участие 45 %)

3. Поляков, С.А. Особенности моделирования процесса контроля бензина [Текст] / С.А Поляков, М.А Волков, Б.Р. Иванов // Сборник тезисов научной сессии «ТУСУР-2013», Ч. 2. - Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. -Томск, 2013.-С.284-287. (Личноеучастие45 %)

4. Поляков, С.А. Разработка измерительного преобразователя для прибора диэлькометрического контроля бензина [Текст] / С.А Поляков, М.А Волков, Б.Р. Иванов // Сборник статей конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях ИАМП-2013».-Бийск, 2013. -С. 95-97. (Личное участие 50 %)

ЛР ИД № 00670 от 05.01.2000 г. Подписано к печати « 22 » апреля 2014 г. Усл. печ. л.1 Тираж 100 экз. Заказ № 177. Полиграфический отдел «Госуниверситет-УНПК» 302035, г. Орел, ул. Московская, 65

ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК»

^кописи

л/. / С077? и тг V I т ^ / 1 1 "

Поляков Сергей Александрович

СРЕДСТВО ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ БЕНЗИНА

Специальность 05 Л1ЛЗ — "Приборы и методы контроля, природной среды,

веществ, материалов и изделий".

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Волков М.А.

Орел-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ................................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

ГЛАВА 1 - АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК И ТРЕБОВАНИЙ, К БЕНЗИНУ И МЕТОДАМ ЕГО КОНТРОЛЯ....................................................................................8

1.1 Бензин, его свойства, характеристики и классификация, области применения и показатели качества..................................................................................................8

1.2 Свойства автомобильных бензинов.....................................................................9

1.3 Классификация и характеристики автомобильных бензинов.........................10

1.4 Анализ методов измерения основных характеристик бензина.......................12

1.5 Анализ примесей к топливу и их влияния на основные эксплуатационные характеристики бензина............................................................................................16

1.6 Анализ способов повышения точности высокочастотных диэлькометрических октанометров.........................................................................17

1.7 Анализ существующих математических моделей контроля...........................18

1.8 Анализ задачи определения октанового числа и содержания воды в бензине. ......................................................................................................................................22

1.9 Постановка задачи на построение математической модели экспрессного контроля

бензина.........................................................................................................................23

Выводы по первой главе...........................................................................................25

ГЛАВА 2 - РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ЭКСПРЕССНОГО КОНТРОЛЯ БЕНЗИНА...............................................................26

2.1 Математическая модель процесса экспрессного контроля бензина..............26

2.2 Оценка допустимой погрешности измерения параметров топлива с использованием модели экспрессного контроля бензина, определение граничных значений емкости в измерении.............................................................42

2.3 Анализ способов уменьшения погрешности измерения параметров бензина ......................................................................................................................................47

2.4 Анализ способов уменьшения влияния проводимости контура на точность

контроля параметров бензина...................................................................................55

Выводы по второй главе...........................................................................................63

ГЛАВА 3 - РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ЭКСПРЕССНОГО КОНТРОЛЯ БЕНЗИНА

.........................................................................................................................................64

ЗЛ Разработка функциональной схемы прибора экспрессного контроля...........64

3.2 Определение корректирующих температурных коэффициентов при измерении диэлектрической проницаемости бензина...........................................67

3.3 Определение диэлектрической проницаемости бензина с коррекцией от

удельной проводимости топлива.............................................................................71

3.4. Алгоритм экспрессного контроля бензина......................................................75

Выводы по третьей главе..........................................................................................78

ГЛАВА 4 - РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИБОРА КОНТРОЛЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА БЕНЗИНА.....................................................79

4.1 Выбор оптимального типа электростатического преобразователя................79

4.2 Разработка узлов прибора для контроля октанового числа бензина..............84

4.3 Оценка корректности, устойчивости и сложности алгоритма экспресс контроля бензина.......................................................................................................90

4.4 Особенности калибровки прибора контроля бензина.....................................91

4.5 Вычисление суммарной погрешности прибора и оценка эффективности

полученного результата............................................................................................93

Выводы по четвертой главе......................................................................................99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................100

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.......................................................................102

Приложение А............................................................................................................112

Приложение Б............................................................................................................116

Приложение В............................................................................................................121

Приложение Г............................................................................................................122

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы обусловлена необходимостью контроля качества бензина при наличии в нем воды. Появление воды в бензине возникает в процессе жизненного цикла нефтепродуктов, в ходе которого происходит естественное накопление воды за счет гигроскопичности бензина и конденсации паров влаги. Такая же необходимость возникает из-за попыток фальсификации бензина. По данным Всероссийского общества прав потребителей, до 40 % продаваемого в стране топлива в настоящее время фальсифицировано. Статистика показывает, что из всех примесей в бензине практически около 70 % приходится на воду, поэтому остро встает вопрос об оперативном контроле бензина на наличие воды.

Удаление воды из топливной аппаратуры автомобиля в настоящее время возможно только путем физического вмешательства. При этом контролировать заправляемое топливо можно лишь по его косвенным признакам, причем на АЗС из всех контролируемых параметров топлива доступно только его октановое число.

Октановое число топлива определяют его тестированием исследовательским и моторным методами (ГОСТ 511-82, ГОСТ 8226-82). Выпускаемые в настоящее время октанометры (таблица 1) позволяют решать задачу оперативного контроля октанового числа топлива с низкой погрешностью измерения. Однако в данных приборах отсутствует возможность определения октанового числа топлива с примесью воды, наличие которой приводит к резкому повышению погрешности измерения октанового числа и недостоверным результатам контроля.

Принцип действия большинства современных приборов основан на диэль-кометрическом методе контроля, согласно которому октановое число определяется по диэлектрической проницаемости бензина, составляющей 8бенз ж 2...2,3.

При этом даже сравнительно небольшое количество воды, имеющей высокую ди-

£

электрическую проницаемость воды ~ 81, может привести к ошибочным результатам при определении октанового числа. Экспериментально установлено, что добавление в бензин 1 % воды приводит к повышению его диэлектрической про-

ницаемости до уровня 8изм ~ 2,9 и, соответственно, к значительной погрешности измерения октанового числа бензина диэлькометрическим методом.

Вопросам контроля параметров бензина посвящен ряд работ отечественных и зарубежных ученых, которые внесли существенный вклад в совершенствование методов и средств определения октанового числа: Г.Ф. Большаков, Т.Н. Митусов, Н.Е. Конюхов, В.Н. Астапов, БоЬбоп М.С., НаШкатеп ¥.Т., НПИогй М.А., Яетке Ь. и др.

Однако, несмотря на наличие работ в данном направлении, более широкое применение приборов оперативного диэлькометрического контроля октанового числа практически ограничивается реальными свойствами бензиновой смеси, потенциальное наличие которой может приводить к недостоверным результатам контроля.

Целью диссертации является повышение точности средств диэлькометрического контроля октанового числа бензина, в том числе с содержанием воды.

Объектом исследования являются диэлькометрические методы измерения параметров бензина.

Предмет исследования - способы, средства и многопараметрические модели диэлькометрического измерения параметров бензина.

К основным задачам исследования относятся:

- сравнительный анализ калибровочных характеристик приборов диэлькометрического контроля октанового числа бензина при наличии мешающих воздействий;

- исследование зависимости влияния удельной проводимости на изменение резонансной частоты колебаний, оценка которых производится по нормированной амплитудно-частотной характеристике колебательной системы;

- разработка способов и алгоритмов измерения резонансной частоты при диэлькометрическом контроле бензина, обеспечивающих снижение инструментальной погрешности контроля октанового числа при его повышенной электропроводности и наличии воды;

- разработка структуры средства диэлькометрического контроля бензина с повышенной точностью и расширенным диапазоном измерения;

-экспериментальная проверка эффективности разработанного способа и прибора диэлектрического контроля октанового числа бензина.

Методы и средства исследований При решении научной задачи по контролю бензина с содержанием воды использовались методы математического и схемотехнического моделирования, методы аппроксимации характеристик нелинейных элементов, методы определения погрешностей измерений, функций комплексного переменного.

Соответствие диссертационной работы паспорту специальности:

п. 3. Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель процесса измерения диэлектрической проницаемости бензина методом частотного резонанса, отличающаяся компенсацией влияния электрической проводимости среды и учетом ее температуры при контроле октанового числа;

- разработан алгоритм определения резонансной частоты для диэлькометрического контроля качества бензина с коррекцией результатов измерений по удельной электрической проводимости и температуре, обеспечивающий повышение точности определения его октанового числа;

- разработана новая структура цифрового прибора для оперативного контроля качества бензина, основанная на предложенной математической модели и алгоритме преобразования, защищенная патентами на изобретение и полезную модель.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны цифровой прибор для контроля октанового числа бензина и высокостабильные емкостные преобразователи для допускового контроля углеводородного топлива.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Результаты проведенных исследований внедрены на ЗАО «Научприбор» (г. Орел) и используются при проведении ОКР по модернизации аппаратуры, предназначенной для контроля состава жидких сред.

Апробация результатов работы.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований апробированы и обсуждены на 9 ой международной научно-практической конференции «Энерго и ресурсосбережение-2013» Всероссийских научно-технических конференциях «Научная сессия ТУСУР-2012», «Научная сессия ТУСУР-2013».

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ, включая 2 статьи в ведущих рецензируемых изданиях из перечня ВАК, 4 материалов и тезисов докладов, патент на изобретение и патент на полезную модель.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Модель процесса измерения диэлькометрической проницаемости бензина методом частотного резонанса, обеспечивающая повышение точности контроля его параметров за счет автоматической компенсации влияния внешних факторов.

2. Алгоритм определения резонансной частоты при контроле октанового числа бензина, обеспечивающий снижение погрешности резонансного измерения его диэлькометрической проницаемости за счет компенсации влияния электрической проводимости и температуры контролируемого топлива.

3. Структурная схема прибора для диэлькометрического контроля качества топлива, позволяющая уменьшить инструментальную погрешность при измерении параметров контролируемого бензина разных марок.

ГЛАВА 1 - АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК И ТРЕБОВАНИЙ, К БЕНЗИНУ И

МЕТОДАМ ЕГО КОНТРОЛЯ

1.1 Бензин, его свойства, характеристики и классификация, области применения и

показатели качества

Автомобильные бензины являются самым массовым продуктом нефтехимической промышленности. Около 25 % процентов нефти, добываемой в мире, превращается в бензин, являющийся основным видом топлива для автомобильного транспорта. В общем случае к бензину применяются четыре группы требований: требования связанные с работой двигателя, требования эксплуатации, требования, обусловленные возможностью и необходимостью массового производства, и экологические требования. Требования к бензину и его свойства наиболее подробно описаны в [1].

В соответствии с требованиями ГОСТ [2, 3] автомобильные бензины должны обладать следующими характеристиками и свойствами.

Высокие энергетические и термодинамические характеристики продуктов, сгорания. При горении бензина должно выделяться максимальное количество тепла, продукты сгорания должны иметь малую молекулярную массу, небольшие теплоёмкость и теплопроводность, высокое значение произведения удельной газовой постоянной на температуру горения (которая характеризуется октановым числом).

Хорошая прокачиваемость. Бензины должны надёжно прокачиваться по топливной системе машин, трубопроводам, насосам, системам регулирования и другим агрегатам и коммуникациям при любых условиях окружающей среды -низкой и высокой температурах, различных давлениях, запылённости и влажности.

Оптимальная испаряемость характеризуется индексом испаряемости. В условиях хранения и транспортирования испарение должно быть минимальным. При применении в двигателе бензина должны иметь такую испаряемость, чтобы обеспечивать надёжное воспламенение и горение топлива с оптимальной скоростью в камерах сгорания двигателей.

Минимальная коррозионная активность. Топлива не должны содержать компоненты, которые разрушают конструкционные материалы двигателя, средства хранения и транспортирования.

Высокая стабильность в условиях хранения и применения. Топлива в течение длительного времени не должны изменять физико-химические и эксплуатационные свойства.

Нетоксичность. Продукты сгорания должны быть нетоксичными.

1.2 Свойства автомобильных бензинов

Бензины - топлива, выкипающие в интервале температур 28-215 °С и предназначенные для применения в двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением. В зависимости от назначения бензины разделяются на автомобильные и авиационные. Основными показателями бензина являются детонационная стойкость, давление насыщенных паров, фракционный состав, химическая стабильность и др. [1,7]. Ужесточение в последние годы экологических требований к качеству нефтяных топлив ограничило содержание в бензинах ароматических углеводородов и сернистых соединений. К свойствам бензинов относятся: детонационная стойкость, октановое число, фракционный состав, давление насыщенных паров, химическая стабильность, содержание сернистых и ароматических соединений.

Детонация возникает в том случае, если скорость распространения пламени в двигателе достигает 1500-2500 м/с, вместо обычной 20-30 м/с. В результате резкого перепада давления возникает детонационная волна, которая нарушает режим работы двигателя.

Октановое число - условный показатель, характеризующий стойкость бензинов к детонации и численно соответствующий детонационной стойкости модельной смеси изооктана и «-гептана. Октановое число изооктана принято за 100 пунктов, а л-гептана - за ноль. Для автомобильных бензинов октановое число измеряется двумя методами: моторным и исследовательским [4,5].

Фракционный состав бензинов характеризует испаряемость топлива. Испаряемость определяется температурой перегонки 10, 50 и 90 % выкипания фракций бензина. В соответствии с [6] фракционный состав бензина определяется при температуре выкипания 70, 100 и 180 °С.

Давление насыщенных паров даёт дополнительное представление об испаряемости бензина, а также о возможности образования газовых пробок в системе питания двигателя. Чем выше давление насыщенных паров бензина, тем выше его испаряемость. Бензины, применяемые в летнее время, имеют более низкое значение давления насыщенных паров.

В процессе хранения, транспортирования и применения бензинов возможны изменения в их химическом составе, обусловленные реакциями окисления и полимеризации. Окисление приводит к понижению октанового числа бензинов и повышению его склонности к нагарообразованию. Для оценки качества используют показатели содержания фактических смол, индукционного периода окисления.

Активные сернистые соединения, содержащиеся в бензинах, вызывают сильную коррозию топливной системы и транспортных емкостей. Неактив-ные сернистые соединения коррозию не вызывают, но образующиеся при их сгорании газы вызывают быстрый абразивный износ деталей двигателя.

1.3 Классификация и характеристики автомобильных �