устройство определения диэлектрических свойств

Формула изобретения

Устройство определения диэлектрических свойств, содержащее эталонный датчик с двумя электродами и двумя входами с эталонным колебательным контуром и измерительный датчик с двумя электродами и измерительным колебательным контуром, выходы с которых соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора каналов, генератор опорной частоты, выход с которого соединен с первым входом смесителя сигналов, с вторым входом которого соединен выход коммутатора каналов, выход смесителя сигналов подсоединен к индикатору сигналов, отличающееся тем, что для определения октанового числа моторных топлив оно содержит блок управления и синхронизации, эталонный датчик выполнен наливным, а измерительный проточным, и каждый из них снабжен термопреобразователем и третьим электродом, электроды каждого датчика выполнены цилиндрическими с коаксиальным расположением, причем средний электрод является измерительным, а наружный и внутренний экранирующими, индикатор сигнала оснащен нормирующим преобразователем, смеситель сигналов выполнен с частотным диапазоном изменения выходного сигнала в пределах от 110³ до 110⁶ Гц, причем внутренний и наружный экранирующие электроды каждого датчика соединены параллельно и связаны соответственно с первыми входами эталонного и измерительного колебательных контуров, а измерительный средний электрод и термопреобразователь каждого датчика соединены соответственно с вторыми и третьими входами эталонного и измерительного колебательных контуров, выход с блока управления и синхронизации подсоединен к третьему входу коммутатора каналов и к второму входу индикатора сигнала, выход с которого соединен с микропроцессорным устройством.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области использования измерительных средств для непрерывного контроля неэлектрических величин электрическими методами и касается, в частности, вопроса определения диэлектрических свойств моторных топлив (МТ) для нахождения его октанового числа (ОЧ) или концентрации других компонентов, которое может найти широкое применение в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, лакокрасочной, химико-фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности, а также в судебной экспертизе.

Известно несколько устройств по определению ОЧ МТ, каждый из которых используется в соответствии с разработанной технологией, возросшими требованиями к надежному информационному обеспечению в случае применения интегрированных распределенных систем управления при автоматизации производства для быстрого и точного измерения указанного параметра.

Известно использование автоматических промышленных хроматографов для непрерывного контроля ОЧ жидких потоков нефтепродуктов непосредственно на технологических установках (Чельцов А. В. Измерительные устройства для контроля качества нефтепродуктов. Л.о. Химия, 1981-264 с/с. 162-168.) [1]

К недостаткам их применения относится:

1. Достаточно длительный и трудоемкий процесс измерения из-за необходимости расшифровки хроматограмм.

2. Потребность в автоматическом пробоотборнике с обеспечением строгого постоянства количества вещества в пробе.

3. Необходимость ввода поправок на дрейф нулевой линии и учета коэффициента чувствительности детектора к различным компонентам.

4. Возможность неточной оценки селекции пиков по величине параметра и его производной.

Известно устройство определения ОЧ по так называемому эффекту "холодного пламени", при котором в случае нагрева смеси воздуха и паров МТ до 300^o C возникает свечение в видимой части спектра. Это связано с частичным окислением паров бензина, сопровождающимся также выделением небольшого количества тепловой энергии. Интенсивность свечения и количество выделившейся тепловой энергии являются функцией ОЧ. (Фарзане Н. Г. и др. Технологические измерения и приборы. М. Высшая школа. 1989 456 с/с. 393, 394, рис. 13-10, с. 395) [2]

Недостатками приведенного устройства являются:

1. Значительная длительность анализа, составляющая около 5 мин.

2. Узкий диапазон измерения ОЧ всего 3+10 единиц.

В настоящее время наибольшее распространение по определению ОЧ МТ получили традиционные моторные устройства для их испытаний (ГОСТ 8226-82. Топливо для двигателей. Исследовательский метод определения октанового числа. 15с.)

К его недостаткам относятся:

1. Невозможность использования в технологической линии непрерывного контроля.

2. Громоздкость установки.

3. Повышенная зашумленность объекта испытания.

4. Сложность процедур наладки установки, проведения испытаний и обработки результатов.

Известно устройство по измерению диэлектрической проницаемости методом биений, содержащее датчик, измерительный и опорный генераторы, смеситель сигналов, индикатор звукового сигнала, подстроечный конденсатор восстановления нулевой разностной частоты (Надь Ш. Б. Диэлектрометрия. М. Энергия, 1976-200 с/с 25) [3]

Его недостатками являются:

1. Низкий и узкий частотный диапазон смесителя сигналов, не позволяющий охватить контролем область высокооктановых МТ.

2. Применение ручной подстройки усложняет процедуру измерения диэлектрической проницаемости.

Наиболее близким к изобретению аналогом является устройство определения диэлектрических свойств жидких компонентов, содержащее два датчика, усилитель высокой частоты, смеситель сигналов, формирователь промежуточной частоты, частотный детектор, кварцевый генератор, сумматор, коммутатор и регистрирующий прибор (Авт. свид. N 1518762, БИ, 1989, N 40) [4]

К недостаткам приведенного устройства относится:

1. Недостаточно высокое быстродействие.

2. Большая погрешность измерения.

3. Отсутствие температурной компенсации.

4. Невозможность использования для определения ОЧ МТ.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение области применения устройства, заключающегося в возможности измерения ОЧ МТ, повышение быстродействия и точности измерения ОЧ.

Сущность изобретения состоит в том, что устройство определения диэлектрических свойств, содержащее эталонный датчик с двумя электродами и двумя входами с эталонным колебательным контуром и измерительный датчик с двумя электродами и измерительным колебательным контуром, выходы с которых соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора каналов, генератор опорной частоты, выход с которого соединен с первым входом смесителя сигналов, со вторым входом которого соединен выход коммутатора каналов, выход смесителя сигналов подсоединен к индикатору сигналов, для определения октанового числа моторных топлив содержит

блок управления и синхронизации (признак 1),

эталонный датчик выполнен наливным (признак 2).

измерительный проточным (признак 3),

и каждый из них снабжен термопреобразователем (признак 4)

и третьим электродом (признак 5),

электроды каждого датчика выполнены цилиндрическими с коаксиальным расположением (признак 6),

причем средний электрод является измерительным (признак 7),

а наружный и внутренний экранирующими (признак 8),

индикатор сигнала оснащен нормирующим преобразователем (признак 9),

смеситель сигналов выполнен с частотным диапазоном изменения выходного сигнала в пределах 1-10³-1-10⁶ Гц (признак 10),

причем внутренний и наружный экранирующие электроды соединены параллельно и связаны соответственно с первыми входами эталонного и измерительного колебательных контуров (признак 11),

а измерительный средний электрод и термопреобразователь каждого датчика соединены соответственно со вторыми и третьими входами эталонного и измерительного колебательных контуров (признак 12),

выход с блока управления и синхронизации параллельно направлен к третьему входу коммутатора каналов и ко второму входу индикатора сигнала (признак 13),

выход с которого соединен с микропроцессорным устройством (МПУ) (признак 14).

Из вышеперечисленных отличительных признаков признаки 3-6, 9 и 14, хотя и относятся к новым по отношению к выбранному ближайшему аналогу, но часто встречаются в других известных устройствах.

Так, признак 3 по выполнению измерительного датчика проточным известен из Авт. свид. N 1684650, где он используется для определения относительной рассеивающей способности электролитов.

Признак 4 по снабжению датчиков термопреобразователем применяется в устройстве по Авт. свид. N 1689834 (БИ, 1991, N 41), в емкостном преобразователе устройства для определения состава жидкости.

Признаки 5 и 6 по изготовлению датчика трехэлектродным цилиндическим с коаксиальным расположением внутреннего и наружного экранирующих и среднего измерительного электродов упомянуты в Авт. свид. N 1656436 (БИ, 1991, N 22), где они реализованы в емкостном термопреобразователе, представляющем собой набор коаксиальных электродов.

Признаки 9 и 14 по оснащению индикатора сигнала нормирующим преобразователем и соединению выхода с индикатора сигнала со входом МПУ известны по Авт. свид. N 1698724 (БИ, 1991 N 46), где они применяется в способе контроля состава жидких диэлектриков.

Остальные признаки 1, 2, 7, 8, 10-13 являются абсолютно новыми и неизвестны авторам из других информационных источников научно-технической и патентной литературы, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

В данном техническом решении известные признаки: 3-6, 9 и 14 реализуют свои непосредственные свойства, но в совокупности с остальными новыми признаками: 1, 2, 7, 8, 10-13 они позволяют всей совокупности отличительных признаков, указанных в формуле изобретения, достичь существенного положительного эффекта расширения области применения, заключающегося в возможности измерения ОЧ МТ, повышения быстродействия и точности измерения ОЧ МТ.

В порядке обоснования соответствия предлагаемого технического решения критерию "промышленная применимость" приводим следующие доказательства:

1. ОЧ является мерой детонационной стойкости МТ (автомобильных бензинов). Экологически и экономически выгоднее выпускать высокооктановое МТ из-за возможности его использования в двигателях с высокой степенью сжатия, как обладающих более значительным КПД. Если же МТ не соответствует параметрам двигателя, то возникает детонационное сгорание смеси с появлением ударной волны. Многократное отражение последней от стенок камеры сгорания вызывает звонкий "металлический" стук. Двигатель в этом случае перегревается и быстрее изнашивается, ухудшая экологические характеристики выхлопных газов. Уменьшение же ОЧ МТ на 1 увеличивает расход МТ в среднем на 1,5%

ОЧ повышают, добавляя к базовым МТ достаточно большое количество высокооктановых компонентов из класса ароматических углеводородов: бензола ( 2,283), толуола ( e2,379), ксилола ( e2,568), метил-трет-бутилового эфира ( e2,678), ОЧ которых находится в пределах 100-120 единиц.

В настоящее время добавка таких антидетонационных присадок, как тетраэтилсвинец, из-за их высокой токсичности, по требованиям экологии запрещена.

Повышение ОЧ МТ стала возможным благодаря созданию специальных процессов: риформинга бензиновых фракций и получения высокоактановых компонентов в результате алкилирования и изомеризации углеводородов.

Современное производство высокооктановых МТ предусматривает наиболее полное использование всех бензиновых фракций на заводах, что требует максимальную автоматизацию процессов смешения различных фракций с обеспечением непрерывного качественного анализа полученной товарной продукции в потоке.

2. При любом управлении технологическим процессом главной проблемой остается как достоверность, так и своевременность получаемой информации. Данные же аналитического контроля по оценке качества МТ оператор получает, как правило, с опозданием, когда скорректировать режим процесса приготовления МТ невозможно или необходимость их ожидания ведет к неоправданному затягиванию простоя оборудования.

Следует отметить явные преимущества применения приборов аналитического контроля в управлении процессами приготовления состава МТ, так как они, хотя и являются менее точным методом в сравнении с лабораторным анализом, но, обладая практической безинерционностью, по информативности могут успешно соперничать с абсолютно точным методом и с запаздыванием более 1 ч. Методы же лабораторного анализа с длительностью 5-6 часов уже практически не несут никакой ценной информации для управления процессом.

3. Наиболее качественная информация может быть получена при измерении параметров, непрерывно отражающих ход протекания процесса приготовления МТ. Желательно при этом использовать такой параметр контроля, измерение которого дает однозначную зависимость между составом МТ и его значением и реализуется относительно простыми средствами автоматизации. В большинстве случаев этим условиям отвечает диэлектрическая проницаемость (ДП), поскольку каждый компонент МТ обладает своим индивидуальным значением этого параметра (см. таблицу).

Как следует из таблицы, ДП приведенных углеводородов МТ (составляющих бензиновых фракций) имеют весьма незначительные различия, поэтому для повышения чувствительности измерительная ячейка датчика должна обладать по возможности максимальной основной емкостью (С_н+С_в при ограниченных размерах датчика, что обеспечивается применением цилиндрической трехэлектродной ячейки.

4. Непосредственно по значению ДП о качестве МТ судить затруднительно ввиду незначительного диапазона изменения этого параметра при комбинациях в составе бензиновых фракций. Поэтому более надежно определять качество МТ по значению полученной выходной частоты, измеряемой методом биений. Тогда изменение состава МТ на десятые доли вызывает существенное приращение выходной частоты, обеспечивая высокую чувствительность измерительной системы по контролю ОЧ (123 кГц/ОЧ) и линейность полученной калибровочной характеристики (см. фиг. 1, 2). Такая измерительная система нечувствительна к изменению скорости потока и имеет высокое быстродействие. При переходе на более высокую частоту диапазон измерения ОЧ сужается для высокооктановых фракций, а чувствительность возрастает (фиг. 1).

5. Диэлектрический контроль качества получаемых МТ требуется постоянным в непрерывной технологии их производства. С целью обеспечения регулярности и быстроты проверки метрологических характеристик измерительной системы, построенной на принципе биений при контроле ДП, последняя должна периодически проверяться с подстройкой нуля. Для этого служит вспомогательный наливной датчик с эталонным МТ.

6. Хотя в неполярных жидкостях, к которым относится и МТ, диполь всегда ориентирован по направлению электромагнитного поля, тепловое движение молекул препятствует его ориентации незначительно. Поэтому ДП таких МТ не зависит от колебаний температуры. Однако наличие всевозможных добавок в МТ, повышающих их ОЧ, представляющих собой полярные молекулы, обуславливает уменьшение ДП МТ с повышением температуры. Поэтому колебания температуры МТ вносят погрешность в определении ОЧ, что предопределяет необходимость ввода блока компенсации изменения температуры.

7. Для цилиндрического трехэлектродного датчика, представляющего, по существу, сдвоенный конденсатор, межэлектродное пространство которого заполнено МТ, полная емкость определяется выражением:

C_о=С_п+С_н+С_в+С_к,

где С_о полная емкость датчика,

С_п емкость проходного изолятора,

С_н емкость наружного межэлектродного пространства,

C_в емкость внутреннего межэлектродного пространства,

C_к емкость подстроечного конденсатора.

Уравнение представляет собой статистическую характеристику емкостного датчика для неэлектропроводных сред.

Емкость межэлектродных заполненных ячеек равна:



где _o диэлектрическая проницаемость вакуума,

_p относительная диэлектрическая проницаемость МТ,

Lu длина измерительного электрода по его цилиндрической части,

D_нв внутренний диаметр наружного экранирующего электрода,

D_сн наружный диаметр измерительного электрода,

D_св внутренний диаметр измерительного электрода,

D_вн наружный диаметр внутреннего электрода.

И она существенно выше, чем двухэлектродных ячеек, что дает значительный выигрыш в повышении точности измерения ОЧ.

Сущность изобретения поясняется калибровочными характеристиками по определению ОЧ МТ методом биений в области высокооктановых (фиг. 1) и низкооктановых МТ (фиг. 2), у которых на оси ординат представлены значения частот сигнала на выходе смесителя, и структурной схемой устройства определения ОЧ МТ методом биений (фиг. 3).

Структурная схема устройства по определению ОЧ МТ методом биений, представленная на фиг. 3, состоит из проточного измерительного (ПИД) 1 и наливного эталонного (НЭД) 2 трехэлектродных датчиков, измерительного (ИКК) 3 и эталонного (ЭКК) 4 колебательных контуров, коммутатора каналов 5, смесителя сигналов 6, кварцевого генератора опорной (несущей) частоты (КГОЧ) 7, блока управления и синхронизации (БУС) 8, измерителя и преобразователя сигнала в нормирующий (ИПСН) 9.

ПИД 1 и НЭД 2 включают в себя внутренний экранирующий электрод (ВЭЭ) 10, наружный экранирующий электрод (НЭЭ) 11, измерительный электрод 12, термопреобразователь 13.

НЭД 2 дополнительно снабжен наливным патрубком 14, воздушником 15, переливным патрубком 16 и сливным вентилем 17.

Через X₁ обозначен нормирующий сигнал, поступающий в МПУ управления процессом.

ИКК 3 и ЭКК 4, включают в себя подстроечные конденсаторы переменной емкости, подсоединенные параллельно ПИД 1 и НЭД 2, и предназначены для установки нуля измерительных систем. В этих блоках расположены измерительные высокочастотные генераторы повышенной стабильности с предварительным усилением сигнала, а также неуравновешенный мост для температурой компенсации сигнала.

Измерительный конденсатор (датчик) включен в колебательный контур и задает выходную частоту генератора, определяемой составом МТ.

Коммутатор каналов 5 выполняет функции переключателя каналов и определяет, какой датчик (ПИД 1 или НЭД 2) подсоединен к смесителю сигналов в данный момент времени.

Смеситель сигналов 6 предназначен для смешения частотных сигналов, поступающих с коммутатора каналов 6 и КГОЧ 7, для формирования и выделения сигнала разностной частоты (1 10³ Гц+1 10⁶ Гц).

БУС 8 выполняет функции выбора режима подключения ПИД 1 и НЭД 2 к измерительной системе с синхронизацией их показаний на ИПСН 9, где фиксируется разностная частота, пропорциональная ОЧ МТ, и осуществляется выработка нормирующего сигнала для связи с МПУ.

ПИД 1 встраивается в технологический трубопровод или устанавливается на технологической емкости, благодаря чему диэлькометрические приборы позволяют контролировать процессы непосредственно в условиях производства.

НЭД 2, представляющий собой аналогичную емкостную ячейку, вместе с ЭКК 4 расположен рядом с измерительным комплексом и позволяет периодически производить проверку и подстройку нуля, а также тарировку ПИД 1, обеспечивая высокую чувствительность устройства.

Работа устройства происходит следующим образом.

1. В режиме настройки (установки нуля).

Датчики ПИД 1 и НЭД 2 без заполненных МТ устанавливаются на нуль за счет подстроечных конденсаторов, расположенных соответственно в ИКК 3 и ЭКК 4, путем поочередного подключения через коммутатор каналов 5 по команде с БУС 8 к смесителю сигналов 6, по показаниям ИПСН 9.

2. В режиме тарировки.

НЭД 2 через наличной патрубок 14 заполняется эталонным МТ, ОЧ которого максимально, и подключается через коммутатор каналов 5 по команде с БУС 8 и через смеситель сигналов 7 к ИПСН 9. С помощью переменных резисторов в ИПСН 9 показания выводятся на максимум шкалы.

Затем после удаления с НЭД 2 через сливной вентиль 17 МТ с максимальным значением ОС, он заполняется МТ с минимальным значением ОЧ и показания ИНСН 9 выводятся на минимум шкалы. После этого НЭД 2 заполняется три-четыре раза поочередно МТ, ОЧ которых известно и находится в пределах между минимальным и максимальным значениями. По этим показаниям строится калибровочный график.

3. В режиме измерения.

К смесителю сигналов 6 через коммутатор каналов 5 по команде с БУС 8 подсоединяется ПИД 1 с ИКК 3 и по показаниям ИПСН 9 определяется ОЧ МТ, протекающего через датчик.

4. В режиме проверки.

Для периодического контроля показаний ИПСН 9 последний подключается к НЭД 2, заполненный МТ с известным значением ОЧ и сверяется сходимость показаний по шкале прибора. При их различии происходит подстройка ПИД 1 с ИКК 3.

Таким образом, устройство позволяет за счет введения новых конструктивных признаков более точно и практически безинерционно определять ОЧ МТ, устанавливая измерительный датчик устройства непосредственно в технологические потоки МТ.

Предложенное устройство оценки детонационной стойкости (ОЧ) МТ может в значительной степени вытеснить традиционные моторные методы для осуществления внутризаводского контроля компонентов МТ и повысить качество их приготовления, как товарной продукции, что даст существенный экономический эффект.

Данное изобретение найдет широкое применение в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленностях на установках каталитического риформинга с целью оптимизации процесса смешения бензиновых фракций и дозирования антидетонаторов в производстве высокооктановых автомобильных МТ, а также как универсальный концентратомер в других отраслях промышленности.