专利名称：一种鉴别石油产品种类的方法
技术领域：
本发明涉及一种鉴别石油产品种类的方法，具体地说是一种应用介电谱分析鉴别石油产品种类的方法。
背景技术：
石油产品的种类鉴别是石油产品生产、流通、管理等环节所需要的，由于石油产品组成复杂，不同厂家、不同品牌的石油产品的基础油、添加剂不同，目前对石油产品的识别还没有一种有效的技术手段。
石油产品的分析通常采用石油产品规范所要求的分析测试方法进行质量指标或性能的分析测试，对石油产品的识别可以采用红外光谱、液相色谱、质谱等分析方法，或通过人的感观对石油产品外观、颜色、气味进行石油产品种类判别。但通过分析石油产品质量或性能的方法不能获得可靠的石油产品种类的结果；通过人的感观对石油产品外观、颜色、气味进行石油产品种类判别其可靠性也很差；而红外光谱、液相色谱、质谱等分析方法对石油产品种类进行鉴别则需要较长时间和专业知识。尽管许多国家的石油产品管理部门和石油产品生产厂家在致力查禁假冒伪劣石油产品，但他们的工作主要还是对假冒伪劣石油产品的包装识别上。
随着分析测试技术、化学计量学等的发展，将这些技术有机结合，研究出一种可靠性好且能快速鉴别石油产品种类的方法就成为刻不容缓的课题。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种快速鉴别石油产品种类的方法。
本发明的目的是这样实现的一种鉴别石油产品种类的方法，其特征在于采用介电谱分析得到已知石油产品介电特性的指纹信息，用化学计量学方法构建石油产品识别的数学模型，将未知石油产品的样本进行与所述各种已知石油产品种类的样本相同的介电谱分析后与所述石油产品种类鉴别模型进行比较，实现对石油产品的鉴别。
具体地说，一种鉴别石油产品种类的方法，其特征在于它是通过对各种已知石油产品种类的样本进行介电谱分析建立石油产品种类鉴别模型；然后将未知石油产品的样本进行与所述各种已知石油产品种类样本相同的介电谱分析后与所述石油产品种类鉴别模型进行比较；如果所述未知石油产品的样本与所述石油产品种类鉴别模型中某一已知石油产品种类样本的距离小于该已知石油产品种类样本对应的阈值，那么所述未知石油产品样本就与所述石油产品种类鉴别模型中的该已知石油产品种类的样本属于同一种类的石油产品，从而得以鉴别所述未知石油产品样本的种类。
上述鉴别石油产品种类的方法是按如下步骤进行1)、通过对各种已知石油产品种类的样本进行介电谱分析并建立各种已知石油产品种类的样本的标准介电谱集；2)、对各种已知石油产品种类的样本的标准介电谱集进行校正和预处理；3)、对各种已知石油产品种类的样本的介电谱特征信息的提取；4)、以各种已知石油产品种类的样本的介电谱特征信息建立识别未知石油产品样本种类的鉴别模型；5)、对未知石油产品样本与已知石油产品样本进行种类比较鉴别。
上述建立各种已知石油产品种类的样本的标准介电谱是指对各种已知石油产品种类的样本平行进行介电谱分析，即测量出各种已知石油产品种类的样本的标准介电谱。
为了建立稳定可靠的标准介电谱集，上述测量出各种已知石油产品种类样本的标准介电谱是指对不同种类样本进行两次重复测量其介电谱并以其平均介电谱作为该种类样本的标准介电谱，从而获得各种已知石油产品种类样本的标准介电谱谱图，即上述各种已知石油产品种类样本的标准介电谱集。
为了使上述标准介电谱谱图规范化、抵消背景干扰及提高介电谱的质量，对上述各种已知石油产品种类的样本的介电谱集进行校正和预处理；即采用平滑或中心化或求导或归一化中的任意一种或任意二种或任意三种介电谱预处理方法对上述各种已知石油产品种类的样本的介电谱集进行校正；采用何种校正方法要依介电谱的质量及干扰的情况来选择，预处理也可以把原来隐藏的信号差异放大出来，提高介电谱的分辨率，使石油产品种类鉴别更加直观、可靠。
在本发明中，石油产品种类鉴别的重要依据是介电谱特征的相似性(或差异性)，因此正确获取介电谱特征是准确鉴别的关键一环。介电谱分析(技术)的特点是介电谱数据量大，能够反应不同石油产品的组成、结构的特征信息，因此，在介电谱分析(技术)鉴别石油产品种类的定性判别分析更多依靠介电谱全频率信息来进行定性判别；上述各种已知石油产品种类的样本的介电谱特征的提取采用主成分分析或偏最小二乘法或小波分析方法，以提高介电谱分析鉴别结果的可靠性。
上述以各种已知石油产品种类的样本的介电谱特征信息建立石油产品种类鉴别模型是采用模式识别方法，即用距离判别或聚类分析或统计匀线性多元分析(SIMCA)方法或偏最小二乘回归方法。以模式识别来进行判别分析，即将各种已知石油产品种类样本的介电谱特征信息分成训练集和检验集两部分；其中训练集和检验集中的石油产品类别种类应相同；然后对各种石油产品依先验知识进行赋初值，来建立未知石油产品样本的种类鉴别模型，最后用检验集来评价模型的性能。
上述未知石油产品样本的种类鉴别是将未知石油产品样本进行与已知石油产品种类样本相同的介电谱分析、介电谱校正和预处理以及介电谱特征信息的提取，然后与上述石油产品种类鉴别模型进行比较，如果上述未知石油产品样本的介电谱和上述鉴别模型中某一已知石油产品种类样本的距离小于该已知石油产品种类样本对应的阈值，那么上述未知石油产品样本就与上述鉴别模型中的该已知石油产品种类的样本属于同一种类的石油产品，从而得以鉴别上述未知石油产品样本的种类。
为了保证本发明方法的可靠性，上述将未知石油产品样本进行与已知石油产品种类样本相同的介电谱分析、介电谱校正和预处理以及介电谱特征信息的提取是指其中涉及的各个步骤以及各项参数均相同。即获取未知石油产品样本介电谱时所采用的测量方法，必须同获取鉴别模型中作为参考样本的已知石油产品种类样本的标准介电谱时所采用的测量方法保持一致，也就是说鉴别模型中的参考样本和未知样本介电谱之间的变异来源应该尽可能减少；采样方法、传感器温度、激励频率、激励电压、激励波形、每个激励频率点的激励时间等参数应该保持一致；把未知石油产品样本的介电谱经介电谱校正及预处理以及介电谱特征信息的提取时也应与鉴别模型中的参考样本一致。
本发明中的介电谱分析，其激励电压幅值范围为1V～15V，频率范围为50Hz～16MHz，激励波形为三角波或/和正弦波或/和方波。
本发明中的石油产品种类是以石油烃为主要成分的各种石油烃燃料和润滑油，如汽油、煤油、柴油、内燃机油、齿轮油、液压油等。
介电谱所测量的是物质的介电性能，其从数学上来说是外界激励信号的频率的函数。介电谱基于样品的偶极矩与外界电磁场相互作用，一般用介电常数来表征。
介电谱的原理物质介电性能的表征机理可以根据被研究的介质对所加电磁场响应的不同而不同。各种表征机理都是与其所加电磁场的特征频率相联系的，而特征频率和其特征时间是相互关联的。因此，从一般意义上，介电性能的表征机理可以分为驰豫和共振过程两种。石油产品是一类典型的介电材料，在不同激励频率、激励电压和激励波形的激励下，石油产品中不同组成结构的化合物产生不同特征的弛豫运动，表现出不同的介电特征信息。因此，通过介电谱分析能够获得不同石油产品介电特性的指纹特征，这些指纹信息具有惟一性，这为石油产品种类鉴别奠定了基础。将介电谱技术、化学计量学以及计算机技术相结合，通过介电谱分析得到的不同石油产品的介电特性的指纹特征可以鉴别不同的石油产品。本发明应用介电谱分析所得到的石油产品介电特性的指纹信息，用化学计量学方法构建石油产品识别的数学模型，实现了对石油产品的无损、快速、有效的鉴别。
本发明是一种建立在不同种类石油产品样本与来自样本的介电谱之间关系上的石油产品种类鉴别方法，它包括建立石油产品种类鉴别模型和未知石油产品样本的鉴定两个阶段。在建立石油产品种类鉴别模型阶段必须收集各种已知种类的石油产品，并获得这些石油产品的介电谱；通过收集已知种类的石油产品样本的介电谱，建立石油产品种类鉴别模型；对鉴别模型的检验过程实际上就是确认模型里的每一种石油产品都只能被惟一的鉴定，而不能与其他种类石油产品相混淆。在未知石油产品样本的鉴定阶段未知石油产品样本的介电谱得到后就可以对其进行鉴别；未知石油产品样本的介电谱可以和鉴别模型中每一种石油产品样本的标准介电谱进行比较；如果未知石油产品样本与鉴别模型中某—石油产品样本的距离小于该标准介电谱对应的阈值，那么这个未知石油产品样本就与鉴别模型中的这种已知石油产品属于同一种类的石油产品。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是1、利用本发明鉴别石油产品种类，其分析鉴别速度快。介电谱的测定过程一般可在2分钟内完成；2、不使用任何化学试剂，降低了检测成本，也不污染环境；3、与化学方法相比，系统误差和人为误差降低，提高了测量精度；4、与光谱技术相比较，仪器操作简便，仪器价格低廉；5、能够处理大量样本分析，节省时间；6、能够对分析样本进行无损鉴别；7本发明中的种类鉴别模型能对石油烃类的石油产品，如汽油、煤油、柴油、内燃机油、齿轮油、液压油等进行种类鉴别，其适用范围广。
图1是实施例1中不同种类汽油样本的介电谱曲线图；图2是实施例1中不同种类汽油样本对应的主成分1和主成分2的得分图。
在图1中，1为没有添加醇和醚含氧添加剂的汽油样本；2为添加醚类含氧添加剂的汽油样本；3为添加醇类含氧添加剂的汽油样本；4为添加醇和醚类含氧添加剂的汽油样本。
具体实施例方式
下面通过附图和实施例进一步说明本发明，但本发明不仅限于这些实施例。
实施例1目前成品汽油通常加有含氧化合物以提高其辛烷值，含氧化合物主要为醚类化合物和醇类化合物。
本实施例中以鉴别加有不同含氧化合物的汽油类别为例来说明本发明。
共有94个汽油样本，其中68个汽油样本构成训练集(如表1)，26个汽油样本构成测试集。
表1.训练集四个种类汽油样本简介
1、标准介电谱集的建立对汽油样品进行介电谱分析，得到介电谱谱图如图1所示。
分析条件激励电压5V；激励波形三角波；激励频率范围50Hz～16MHz；采点间隔100Hz样品池温度25℃2、介电谱特征的提取应用主成分分析法来提取上述介电谱主要特征，如图2中主成分得分图上可以看到不同种类石油产品的聚类图。
3、鉴别模型的建立用SIMCA聚类算法建立了鉴别模型。表2为SIMCA方法建模结果。首先将68个样本采用主成分压缩后进行无管理聚类分析。然后根据分类结果将每一种类别的样本分别采用主成分压缩建立类别模型。最后将未知样本集26个汽油样本进行归类分析。主成分1和主成分2对四种石油产品的聚类效果如图2所示。
表2 SIMCA方法建模结果
4、未知样本种类鉴别用68个汽油样本建立训练集，用主成分1和主成分2建立训练集的标准数据库，采用马氏距离方法，对未知的26个汽油样本进行鉴别，鉴别结果如表3所示。
表3 对未知26个样本的鉴别结果
备注编号1为没有含氧添加剂；编号2为添加醚类化合物；编号3为添加醇类化合物。
该鉴别模型对未知26个汽油样本的种类鉴别率为100％，说明利用本发明无损鉴别石油产品种类是准确可行的。
实施例2本实施例中以鉴别不同种类石油产品为例来说明本发明。
有39个润滑油样本，分别是不同厂家的液压油、液力传动液、齿轮油和不同质量等级和粘度等级的内燃机油。
其中28个润滑油建立训练集如表4，11润滑油样本作为测试集。
表4 28个润滑油样本情况
润滑油样品介电谱分析分析条件激励电压5V；激励波形正弦波；激励频率范围50Hz～16MHz；采点间隔100Hz样品池温度25℃鉴别模型的建立分别对28个润滑油样本进行两次测定，用第一次测定结果作为训练集建立鉴别模型库，用第二次预测结果作为检验集进行识别，得到识别误差，将识别误差乘以2，得到鉴别模型的阈值，其鉴别模型库结果见表5。
表5 对28个润滑油样本的检验结果
对测试集11个润滑油样本进行种类识别，其检验结果见表6表6 对11个润滑油样本的检验结果
其余步骤同实施例1。
权利要求
1.一种鉴别石油产品种类的方法，其特征在于采用介电谱分析得到已知石油产品介电特性的指纹信息，用化学计量学方法构建石油产品识别的数学模型，将未知石油产品的样本进行与所述各种已知石油产品种类的样本相同的介电谱分析后与所述石油产品种类鉴别模型进行比较，实现对石油产品的鉴别。
2.如权利要求1所述的鉴别石油产品种类的方法，其特征在于它是通过对各种已知石油产品种类的样本进行介电谱分析并建立石油产品种类鉴别模型；然后将未知石油产品的样本进行与所述各种已知石油产品种类的样本相同的介电谱分析后与所述石油产品种类鉴别模型进行比较；如果所述未知石油产品的样本的介电谱和所述石油产品种类鉴别模型中某一已知石油产品种类的样本的标准介电谱距离小于该已知石油产品种类的样本的标准介电谱对应的阈值，那么所述未知石油产品的样本就与所述石油产品种类鉴别模型中的该已知石油产品种类的样本属于同一种类的石油产品，从而得以鉴别所述未知石油产品样本的种类。
3.如权利要求2所述的鉴别石油产品种类的方法，其特征在于它是按如下步骤进行1)、通过对各种已知石油产品种类的样本进行介电谱分析并建立各种已知石油产品种类的样本的标准介电谱集；2)、对各种已知石油产品种类的样本的标准介电谱集进行校正和预处理；3)、对各种已知石油产品种类的样本的介电谱特征信息的提取；4)、以各种已知石油产品种类的样本的介电谱特征信息建立识别未知石油产品样本种类的鉴别模型；5)、对未知石油产品样本与已知石油产品样本进行种类比较鉴别。
4.如权利要求3所述的鉴别石油产品种类的方法，其特征在于所述建立各种已知石油产品种类样本的介电谱集是指对各种已知石油产品种类的样本进行介电谱分析，即测量出各种已知石油产品种类样本的标准介电谱；所述各种已知石油产品种类样本的标准介电谱是指对不同种类的样本两次重复测量其介电谱并以其平均介电谱作为该种类样本的标准介电谱，从而获得各种已知石油产品种类样本的介电谱谱图；所述对各种已知石油产品种类的样本的介电谱集进行校正和预处理是采用平滑或中心化或求导或归一化中的任意一种或任意二种或任意三种介电谱预处理方法对所述各种已知石油产品种类的样本的介电谱集进行校正；所述各种已知石油产品种类的样本的介电谱特征信息的提取采用主成分分析或偏最小二乘法或小波分析；所述以各种已知石油产品种类样本的介电谱特征建立石油产品种类鉴别模型是采用模式识别方法，即用距离判别分析或聚类分析或统计匀线性多元分析方法或偏最小二乘回归方法。
5.如权利要求4所述的鉴别石油产品种类的方法，其特征在于所述以模式识别来进行判别分析，即将各种已知石油产品种类的样本的介电谱分成训练集和检验集两部分，其中训练集和检验集中的石油产品类别种类应相同；然后对各种石油产品根据介电谱信息来建立石油产品种类鉴别模型；最后用检验集来评价鉴别模型的性能。
6.如权利要求3所述的鉴别石油产品种类的方法，其特征在于所述未知石油产品样本的种类鉴别是将未知石油产品样本进行与已知石油产品种类样本相同的介电谱分析、介电谱校正和预处理以及介电谱特征信息的提取，然后与所述石油产品种类鉴别模型进行比较，如果所述未知石油产品样本与所述鉴别模型中某一已知石油产品种类样本的距离小于该已知石油产品种类样本对应的阈值，那么所述未知石油产品样本就与所述鉴别模型中的该已知石油产品种类的样本属于同一种类的石油产品，从而得以鉴别所述未知石油产品样本的种类。
7.如权利要求1～6任一权利要求所述的鉴别石油产品种类的方法，其特征在于所述介电谱分析中，激励电压幅值范围为1V～15V，频率范围为50Hz～16MHz，激励波形为三角波或/和正弦波或/和方波，采点间隔10Hz～100Hz。
8.如权利要求1～6任一权利要求所述的鉴别石油产品种类的方法，其特征在于所述石油产品种类是以石油烃为主要成分的各种石油烃燃料和润滑油。
全文摘要
本发明提供了一种鉴别石油产品种类的方法，其特征在于采用介电谱分析得到已知石油产品介电特性的指纹信息，用化学计量学方法构建石油产品识别的数学模型，将未知石油产品的样本进行与所述各种已知石油产品种类的样本相同的介电谱分析后与所述石油产品种类鉴别模型进行比较，实现对石油产品的鉴别。利用本发明鉴别石油产品种类，其分析鉴别速度快，介电谱的测定过程一般可在2分钟内完成；本发明能对石油烃类的石油产品，如汽油、煤油、柴油、内燃机油、齿轮油、液压油等进行种类鉴别，其适用范围广。
文档编号G01N27/00GK101021495SQ200710078320
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月23日 优先权日2007年3月23日
发明者冯新泸, 管亮, 熊刚 申请人:冯新泸, 管亮, 熊刚