CC BY
113
УДК 681.2.083
ЛАЗЕР КОНТРОЛИРУЕТ ОКТАНОВОЕ ЧИСЛО БЕНЗИНОВ
© 2G1G С. В. Сусарев1, В. Н. Астапов2
1 канд. тех. наук, доцент каф. автоматизации производственных процессов в нефтехимическом и нефтегазовом комплексе, нач. отдела внешней кооперации в науке и инновациях e-mail: Susarev_sergey@mail.ru 2 канд. тех. наук, доцент, младший научный сотрудник каф. автоматизации производственных процессов в нефтехимическом и нефтегазовом комплексе
Самарский государственный технический университет
В работе рассматривается методология и схемотехника построения лазерного оптико-акустического прибора для измерения октанового числа товарных бензинов. Приведены принцип работы октаномера и математическая модель, связывающая октановые числа товарных бензинов с коэффициентами поглощения вещества на информативных спектральных каналах измерения. Предложен метод устранения влияния показателя неселективного поглощения на точность измерения. Для устранения влияния неселективного поглощения используется режим дифференциального поглощения.
Ключевые слова: бензин, коэффициент поглощения, октановое число, канал измерения.
Октановое число бензина можно определить по его спектральным характеристикам с помощью математических методов, позволяющих сопоставить численное значение физико-химического параметра вещества (в данном случае октанового числа) и коэффициенты поглощения вещества на нескольких длинах волн излучения.
Одним из наиболее перспективных методов такого анализа является предложенный лазерный оптико-акустический метод спектроскопии.
Уникальные свойства лазерного излучения (высокая спектральная плотность энергии, монохроматичность, возможность плавной перестройки длины волны излучения) позволили разработать оптико-акустический анализатор качества углеводородных топлив, обладающий высокой чувствительностью и высоким спектральным разрешением.
Целый ряд проблем, связанных с практической реализацией лазерного оптикоакустического анализатора октанового числа бензинов, представляв значительный интерес для исследования. В частности, к таким проблемам относится анализ применимости метода для контроля нефтепродуктов различного химического состава, определение набора спектральных каналов измерения (НСКИ), разработки оптики для лазера, измерительной кюветы (лазерного оптико-акустического детектора) и т. д.
Разработана схема лазерного оптико-акустического (ЛОА) октанометра [Астапов 2GG8], структурная схема которого приведена на рисунке l.
Рис. 1. Структурная схема лазерного оптико-акустического октанометра
В качестве источника излучения используется непрерывный перестраиваемый лазер, например недорогой перестраиваемый лазер на титан-сапфире с широким диапазоном непрерывной перестройки и широкополосной оптикой «модели 890». Диапазон перестройки 690-1100 нм, при перестройке по всему диапазону не требуется смены оптики (кроме выходных окон).
Излучение лазера модулируется обтюратором на акустической частоте. Частота модуляции составляет 133 Гц. Эта частота не является гармоникой и не находится вблизи гармоник частоты сети переменного тока, поэтому спектральная плотность мощности шумов, связанных с электрическими наводками, вызываемыми сетью питания, а также с акустическим шумом сетевых трансформаторов, на этой частоте имеет относительно малое значение [Козинцев, Белов и др. 2003].
Нестабильность частоты и фазы модуляции приводит к увеличению ошибок измерения показателя поглощения анализируемых бензинов, поэтому предъявляются особые требования к точности изготовления колеса обтюратора и стабильности частоты его вращения. Частотой вращения обтюратора управляет система стабилизации частотой модуляции.
Сигнал обратной связи с частотой модуляции снимается с оптопары тахометра, оптическое излучение которой также прерывается обтюратором. Сигналы оптотахометра, необходимые при обработке информационных сигналов, служат сигналами синхронизации. Синхроимпульсы используются при измерении амплитуд акустического (снимаемого с микрофона оптоакустической ячейки) и опорного нормирующего сигналов. Для преобразования акустических сигналов служит конденсаторный микрофон типа ВМК-102, частотный диапазон которого составляет 1 Гц - 20 кГц и чувствительность - 50 мВ/Па.
Опорный нормирующий сигнал снимается с германиевого лавинного диода ЛФДГ-70, который преобразует оптический сигнал лазерного излучения, прошедшего через исследуемую среду, в электрический сигнал. Данный сигнал служит для исключения влияния флуктуаций излучения на точность измерения. Для этого регистрируют с помощью фотодиода мощность излучения, прошедшего через среду и2
с последующей нормировкой на нее оптико-акустического сигнала Ц], полученного с микрофона (Цуиу.
Модулированное излучение лазера проходит через оптико-акустическую (ОА) ячейку, заполняемую анализируемой пробой бензина. Конструкция ОА-ячейки представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Конструкция оптико-акустической ячейки
Внешний корпус ячейки выполнен из нержавеющей стали. Измерительная камера выполнена из фторопласта, ее внутренние размеры - длина 80 мм, диаметр 20 мм. Фторопласт обеспечивает химическую стойкость и нейтральность измерительной ячейки. Окна ячейки выполнены из прозрачного для лазерного излучения стекла. Уплотнение окон ячейки осуществляется гайками, прижимающими окна через шайбы, выполненные из бензостойкой резины. Высокочувствительный микрофон укреплен в измерительной камере с помощью прижимной гайки.
Для снижения влияния вибраций на точность измерения ячейку устанавливают на виброизоляционную подушку. Для налива бензина в ячейку служат два электромагнитных клапана, которые управляются системой выпуска и напуска бензина, схема которой выполнена на силовых транзисторных ключах и управляется микроконтроллером по программе.
Бензин для напуска в измерительную ячейку берется из байпаса бензопровода или из специальной емкости.
Прежде чем проводить с помощью лазерного оптико-акустического (ЛОА) октанометра измерения поглощения бензиновой средой, по результатам которых можно рассчитать октановое число анализируемого бензина, октанометр должен быть откалиброван.
Для калибровки ЛОА-ячейка заполняется бензином с известным октановым числом и информативным спектром поглощения, такой бензин будем называть калибровочным образцовым топливом. По спектру поглощения определим оптимальный набор спектральных каналов (линий) измерения.
После заполнения ЛОА-ячейки калибровочным бензином настраивают длину волны лазера на первую опорную линию поглощения, при прохождении излучения через бензин последний будет нагреваться и в микрофоне будет генерироваться сигнал с частотой, равной частоте модуляции лазерного излучения. Производится измерение амплитуд акустического и и опорного и2 сигналов. Для устранения влияния флуктуаций излучения сигнал V нормируем делением на и2. Полученную величину принимаем за величину поглощения на данной длине волны излучения. Таким образом, изменяя длину волны излучения лазера, получим эталонный спектр поглощения на
информативных полосах поглощения, который записывается в память микроконтроллера. Так как коэффициент поглощения зависит от температуры среды, то, естественно, необходимо вводить коррекцию измеренной величины на температуру.
Для бензинов, анализ которых необходимо будет проводить впоследствии, выбирают (на основе анализа спектров поглощения компонентов) наиболее информативные спектральные участки с учетом различных мешающих факторов. Затем, исходя из найденных наиболее информативных спектральных участков, выбирают необходимые источники лазерного излучения или перестраиваемый лазер в необходимом диапазоне.
На решение данной задачи не накладываются требования оперативности. Так, для пятикомпонентного состава бензина спектр поглощения представлен на рисунке 3. Данный спектр изображает поглощения бензиновой смесью (основа, МТВЕ, ароматика, спирты, в том числе этанол), определенные на спектрографе.
Рис. 3. Спектр поглощения в инфракрасном диапазоне бензиновой смеси
Ставится вопрос о выборе М спектральных каналов измерения, необходимых для проведения анализа К-компонентной бензиновой смеси анализатором с определенным диапазоном перестройки длины волны лазерного излучения. При этом выбор ведется из N доступных (для данного лазера) спектральных каналов измерения (К <, М <, N ).
Рассмотрим задачу определения октанового числа многокомпонентной бензиновой смеси с помощью лазерного оптико-акустического октаномера.
Предположим, что качественный состав бензиновой смеси известен, то есть известны спектры поглощения, соответствующие определенному октановому числу каждой компоненты. Обратимся к спектру на рисунке 3. Спирты имеют максимум поглощения на длине волны 3380 см-1 и октановое число 114 о.ед., MTBE соответственно 1200 см-1 - 110 о.ед., этанол - 1100 см-1, ароматика максимальное поглощение имеет на длине волны 720 см-1 и октановое число 105 о.ед. и основа соответственно 2800 см-1 с октановым числом 87,3 о.ед. Октановое число бензиновой смеси точно определено и соответствует 93,6 о.ед.
Для данного случая компоненты бензиновой смеси характеризуются индивидуальными разделенными полосами поглощения, поэтому октановое число бензина вычисляется без проблем.
Для определения влияния каждой компонентой бензиновой К-компонентной смеси на октановое число должно быть проведено I (/ ^ Е) измерений коэффициента поглощения смеси в М различных спектральных каналах. Определение октанового числа бензиновой К-компонентной смеси осуществляется в результате проведения анализа поглощения на основе линейной регрессии. Для этого решают систему уравнений из М уравнений с К неизвестными. В случае когда ширина лазерных линий много меньше спектральной ширины линий поглощения компонентов бензина, система уравнений калибровки (определение коэффициентов регрессии) лазерного октаномера представляет собой систему алгебраических уравнений следующего вида:
■ ки Ьх + кпЬ2 + ... + киЬк +P1=q1,
^21 ^1 ^22^2 + ••• + ^2к^к = *72 ’
...................................... (1)
"^М1^1 + ^М2^2 + "• + ^Мк^к + Рм = Ям,
где к}1 - коэффициент поглощения 1-й компоненты бензиновой смеси для у-го
спектрального канала измерения; Ъ - коэффициенты регрессии (константы, определяемые при калибровке), отражающие степень влияния компоненты на октановое число бензина; - показатель неселективного поглощения для у-го
спектрального канала измерения; qi - октановое число образцовых бензинов.
В матричном виде система уравнений лазерного оптико-акустического анализатора бензинов имеет вид
КВ + Р = q, (2)
где К - матрица коэффициентов поглощения к^; В - вектор-столбец неизвестных коэффициентов регрессии (констант); /3 - вектор-столбец неизвестных показателей неселективного поглощения Р .; q - вектор-столбец значений октанового
числа образцовых бензинов.
Показатели неселективного поглощения в системе уравнений (2) возникают
по следующим причинам:
- неточно измерена величина поглощения образцового бензина при калибровке (погрешность образцового анализатора октанового числа бензинов);
- наличие фоновых сигналов, связанных с поглощением окнами измерительной ячейки;
- поглощение различными примесями в бензине (наличие воды, мех. частиц и других загрязнителей), которых в качественном бензине не должно быть или они должны быть строго нормированы.
Как правило, показатели неселективного поглощения слабо зависят от длины волны, и для устранения их влияния используем режим дифференциального поглощения. При этом измерение проводится в М = 2К спектральных каналах, соответствующих анализируемым компонентам бензиновой смеси. Спектральные
каналы измерения выбирают попарно, так, чтобы, с одной стороны, спектральные каналы в каждой паре находились близко друг от друга (в результате чего показатели неселективного поглощения в каждой паре каналов можно считать одинаковыми), а с другой стороны, так, чтобы при переходе от одного спектрального канала пары к другому сильно изменялся коэффициент поглощения соответствующей (этой паре спектральных каналов) анализируемой бензиновой компоненты. На спектрограмме (см. рис. 3) дополнительные измерительные каналы обозначены прямыми вертикальными линиями с минимальной величиной поглощения. Таким образом, вычитая уравнения, соответствующие каждой паре спектральных каналов, друг из друга, можно исключить влияние неселективного поглощения. В результате из (1) получим следующую систему разностных уравнений калибровки лазерного октанометра:
{^11 Ь\ + ^12^2 + - + А^1 А = 41 ’
+ М2262 + ... + ДА:2кЪк = q2, .................................... (3)
+ ^к2^2 + •" + ^кк^к+ = Чк’
где ^кЛ=кСи-1)г-к(2Лг’
Следовательно, разности коэффициентов поглощения Ак^ бензина на какой-
либо паре длин волн излучения соответствует численный коэффициент, совокупно отражающий влияние химических компонент бензина на уменьшение или увеличение октанового числа топлива. Отсюда на основании линейного регрессионного анализа спектральных данных определим октановое число анализируемого бензина с определенной точностью по формуле
9,=2^М!/> (4)
/-1
где qi - вычисленное значение октанового числа /-го образца бензина, Ъу -коэффициенты линейной регрессии, Аку- коэффициенты поглощения /-го образца
бензина на спектральных каналах измерения.
Определение численных значений коэффициентов линейной регрессии проводится по методу наименьших квадратов в процессе калибровки октаномера. Для этого используются стандартные математические алгоритмы линейного регрессионного анализа.
После калибровки и вычисления коэффициентов регрессии становится возможным определение октанового числа анализируемого бензина по его спектру поглощения.
Проблема, возникающая при определении коэффициентов регрессии путем решения систем уравнений (1) или (3), заключается в неточности определения октановых чисел образцовых бензинов и неточностей задания измерительных спектральных каналов. Из-за этого значения октановых чисел, полученных в результате вычисления по формуле (4), будут содержать ошибки. Причем при большой степени перекрытия полос поглощения компонент бензина ошибка определения октанового числа может достигать очень больших значений даже при незначительном уровне шумов измеряемых сигналов и малых неточностях в определении октановых чисел образцовых бензинов.
Отсюда следует, что выбор спектральных каналов измерения существенно влияет на точность определения октановых чисел бензиновой смеси. Более того, произвольный выбор длин волн в некоторых случаях может привести к абсурдным результатам.
Таким образом, определение набора спектральных каналов измерения (НСКИ) является необходимым этапом для лазерного оптико-акустического анализа углеводородных топлив.
Библиографический список
Астапов В. Н. Лазерный оптико-акустический октанометр // Патент РФ на пол. модель №71425. Бюл.№7. 2008.
Козинцев В. И., Белов М. Л. и др. Лазерный оптико-акустический анализ многокомпонентных газовых смесей. М.: Изд. МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003.
Работа выполнена при финансовой поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (государственный контракт П1511).
