专利名称：柴油标号及十六烷值测定方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及柴油品质的测定技术，具体来说是测定柴油的标号和十六烷值的方法及装置。
柴油发动机的燃料馏分较重，其中含有大量高分子烷烃，在大气温度降低到一定程度时，由于蜡的结晶使柴油失去流动性，从而给使用和运输带来困难。柴油的冷凝点虽不能代表它的最低使用温度，应为在冷凝点前5～10℃时就开始有蜡结晶析出，它们将堵塞燃料过滤器的小孔，减少供油量，降低发动机的功率，严重时会中断供油，使发动机停止工作，但冷凝点无疑是一个重要的抽注、运输和保管指标。因此，商品柴油的标号是以冷凝点作为划分标准的，如果测出了柴油的冷凝温度，便知道了柴油的标号。
由于柴油组分的复杂性且镏程很宽，现有常规方法测定冷凝温度很难。利用降低温度的方法观测冷凝点的界限很不明确，观测偏差较大，而且这种常规测定方法的设备陈旧，操作烦琐，测定时间较长。
柴油的十六烷值是表示柴油燃料抗爆性能的条件单位，是评定柴油质量的重要指标之一。十六烷值影响柴油发动机的整个燃烧过程。一般来说，十六烷值高的柴油，其自燃点低，燃烧滞燃期短，燃烧均匀，热功转化效率高，发动机的工作平稳且节省燃料；反之，低十六烷值的柴油，燃烧过程所发出的热量不均匀，使得燃料消耗增加。如果柴油的十六烷值过低，由于最初喷入汽缸的燃料太不易氧化，过氧化物生成量不足，迟迟不能自燃，以至喷入的燃料积聚过多，自燃一开始，这些燃料同时自燃造成压力增长过快，大大超过正常燃烧的压力，引起爆震，冲击活塞头，发出金属敲击声，使得功率下降，零件损坏。然而，如果柴油十六烷值过高，则一方面减少了燃料来源，另一方面由于燃料的滞燃期太短，在尚未与空气形成均匀混合气时就开始自燃，以致空气供应不充足，燃烧不完全，排冒黑烟尾气，燃料消耗量反而增加。因而，使用十六烷值适当的柴油才经济合理。
柴油十六烷值的测定方法，是利用标准十六烷值测定机，在标准试验条件下，将试样与一定配比的标准燃料(正十六烷和α-甲基萘或正十六烷和七甲基壬烷)的爆燃倾向进行比较而测定出来的。利用此法测定十六烷值需要精密、贵重的设备和操作熟练的技术人员，且消耗参比燃料和待测油料，是一项耗资耗时的实验。此外，这种方法及测定机虽经人们的不断改进和完善，其测定工况及测量精度得到不断提高，但由于测定程序及操作相当复杂，影响测量精度的因素繁多，从而影响实际测量结果的可靠性。
随着科学技术的发展，国内外许多科研单位都在研究用柴油的物理化学特性，探索测定十六烷值的新方法或将十六烷值与其他特性参数相关联，并得到相应的计算公式。已被广泛采用的计算公式有十六烷值CV=29．26-0．1779(ta／d20)+0．0059(ta／d20)2其中ta为油品的苯胺点(℃)ta=0．163677×10-4(tc+273)2．29888×d-4．401820tc为油品的中沸点(℃)d20为油品在20℃时的密度(g／cm3)此外，还可以根据柴油的密度和中沸点计算十六烷指数CI=431.29-1586.88d20+730.97d202+12.392d203+0.0515d204-0.554tc+97.803(logtc)2]]>其中tc为油品的中沸点(℃)d20为油品在20℃时的密度(g／cm3)利用上述公式确定柴油的十六烷值，较为经济、简便，但为测定密度d20(g／cm3)和中沸点tc，(℃)，仍须把待测油样送往配备有专用仪器的实验室中测定后再计算。
本发明的目的在于针对现有技术之不足，提供一种同时测定柴油标号和十六烷值的既简单又快速的测定方法和仪器，以解决现有方法和装用设备的种种不足。
图1为柴油标号及十六烷值测定仪结构示意图；图2-a为环形同心电极电容式传感器结构图；图2-b为具有温度补偿性能的环形同心电极电容式传感器结构图；图3为柴油标号及十六烷值测定仪电路逻辑框图；图4为可供采用的电子线路图之一种实例；图5为柴油在20℃时的相对密度与相对介电常数的相关函数关系；图6为柴油的中沸点与相对介电常数的相关函数关系；图7为柴油的冷凝点与相对介电常数的相关函数关系；图8为柴油的折光率与相对介电常数的相关函数关系；图9为柴油的平均分子量与相对介电常数的相关函数关系。
本发明采用以电容式敏感元件为传感器，以相对介电常数为相关变量，用数理统计规律，间接测定柴油标号、十六烷值和石油馏分其他物理参数的方法(简称SW法)。它是一种电子技术与统计法相结合的柴油及其他石油馏分物理性能和参数的测定新方法。
柴油是具有电气绝缘性能的液体混合物，粘度低、流动性好，为使用电容式传感器直接测量其相对介电常数创造了有利条件。
由理论电工学可知，平行极板间的电容为C=ε0·εr·S／b其中ε0=8．85415×10-12F／M为真空的介电常数；εr为相对介电常数(在真空中εr0=1，在空气中εr0≈1)S为平行极板的面积；b为平行极板的间距。平行极板电容式传感器在空气中的电容是C0=ε0·εr0·S／b同一传感器在柴油中的电容是C=ε0·εr·S／b于是有C／C0=εr／εr0≈εr所以，柴油的相对介电常数εrd约等于同一传感器以柴油为介质时的电容值C与以空气为介质时的电容值C0之比。对同一品质的柴油，该比值为一常数。于是，便可以通过测定浸入待测油品中的电容传感器的电容C值来得到待测柴油的相对介电常数εrd。
柴油馏分的相对介电常数介于2．05～2．50之间，不同品质的柴油，其相对介电常数εrd也不相同，而且柴油的相对介电常数εrd与其其他物理参数，如密度d20、中沸点tc、冷凝点td、折光率nD、平均分子量M等相关。因此，只要找到这些物理参数与相对介电常数之间的函数关系，便可通过测量柴油的相对介电常数，来间接测量该柴油的相关物理参数，代入前述两个公式后计算出十六烷值CV和十六烷指数CI。
本发明的关键就是通过对大量实测数据的统计分析，得出了柴油的物理常数(d20、tc、td、nD、M)和相对介电常数之间的εrd函数关系Y=f(εrd)将待测柴油的相对介电常数εrd与上述函数关系输入微处理器进行处理，通过显示器用模拟信号或数码直接显示、读出或打印出待测柴油的标号和十六烷值。
本发明的柴油标号和十六烷值测定仪(图1)包括显示器101、键盘102，在气密闭式外壳100中装有印刷线路板103、内下部装有电池104，上侧面有微型打印机接口105和通过屏蔽线107与活动接口106相连的传感器200。
传感器200采用环形同心电极电容式传感器(图2-a)，主要有由非磁性金属材料加工制成的环形电极201、2011、202、2021，其上均开有2～6个气孔203、2031、204、2041，在测量时用来排出内腔中的空气。若环形电极201、2011接正极，则环形电极202、2021接负极；反之亦可。环形电极201、2011通过螺纹与相同材质制成的极板骨架205连接，环形电极202、2021则分别通过螺纹与用尼龙(或聚四氟乙烯、电木、耐油塑料等)制成的用于分隔正、负极板的绝缘套206和绝缘连接件207相连。在极板骨架205顶部中心有一根据需要拧入的外接手柄或标准微波插头210，并通过中心孔208引入一导线A，该导线通过位于极板骨架205和绝缘套206同一位置的孔209与环形电极202相连，同时也与环形电极2021相连。
为了消除由于温度的变化对测试准确度的影响，传感器200还可采用具有温度补偿性能的环形同心电极电容式传感器(图2-b)。该传感器有由非磁性金属材料加工制成的同心环形负极211、2111和环形主电极(正极)212，其上均开有2～6个气孔213、2131、214，在测量时用来排出内腔中的空气。环形电极211、2111通过螺纹与相同材质制成的极板骨架215连接，环形电极212则通过螺纹与用尼龙(或聚四氟乙烯、电木、耐油塑料等)制成，用于分隔正、负极板的绝缘套216相连。在极板骨架215顶部中心有一根据需要拧入的外接手柄或标准微波插头220。标准微波插头220上的二个接线柱2201、2202与温度传感器217由导线连接，另一接线柱亦由导线通过位于极板骨架215和绝缘套216同一位置的孔218与环形电极212相连。
印刷线路板103上的电路逻辑框图如图3所示。当将电容传感器200浸入待测油样中后，信号便由采样电路131传送至电容／频率变换电路132。电容／频率变换电路132由无稳态振荡电路组成，它可以是LC振荡电路，其振荡频率为fLC=12πLC]]>也可以是555时基振荡电路，其振荡频率为f555=k(Ra+2Rb)C]]>其中k为常数由于C／C0=εr／εr0=εr，故待测油样相对介电常数的增加，将导致振荡频率的降低，因而电容增大；反之亦然。由此便可得到待测柴油的相对介电常数。图4为可供采用的一种电子线路。
通过对大量实测数据的回归分析，得到柴油在20℃时的相对密度d20、中沸点tc、冷凝点td和苯胺点ta与相对介电常数εrd与汽油辛烷值之间的相关函数关系(参见图5、图6、图7)分别为
以及折光率nd、平均分子量M与相对介电常数εrd之间的相关函数关系(图8、图9)分别为
于是，根据该柴油的相对密度d20和中沸点tc可得其苯胺点(℃)ta=0．163677×10-4(tc+273)2．29888×d-4．401820将柴油的相对密度d20及苯胺点ta代入公式CV=29．26-0．1779(ta／d20)+0．0059(ta／d20)2便可得到待测柴油的十六烷值；而将柴油的相对密度d20及中沸点tc代入公式CI=431.29-1586.88d20+730.97d202+12.392d203+0.0515d204-0.554tc+97.803(logtc)2]]>又可得到待测柴油的十六烷指数。
将按上述各相关函数关系编写的运算程序存储在微处理器133内。由电容／频率变换后得到的电容值传送至微处理器133后，经运算便可得到柴油的标号(冷凝点)和十六烷值及十六烷指数，同时还可得到待测柴油的折光率nd和平均分子量M等其他重要物理参数。然后，将计算所得结果通过显示器接口134和／或微型打印机接口135输出。此外，还有键盘接口136。如需要，可增加温度补偿电路137和计算机互联接口138。
权利要求
1．一种利用电子技术并与统计法相结合的柴油标号及十六烷值测定方法及装置，其特征在于①通过浸入待测柴油中的电容式传感器测得该柴油的相对介电常数εrd；②将柴油的相对密度、中沸点、冷凝点以及相关参数-折光率和平均分子量与相对介电常数εrd相关联，并得到它们之间的相关函数关系，即d20=fd(εrd)、tc=ftc(εrd)、td=ftd(εrd)、nD=fn(εrd)、M=fM(εrd)；③待测柴油的冷凝点温度值便为其标号，而其十六烷值则先由相对密度d20和中沸点tc得到其苯胺点ta=0.163677×10-4(tc+273)2.29888×d20-4.4018]]>然后根据已被广泛采用的公式CV=29．26-0．1779(ta／d20)+0．0059(ta／d20)2计算得到。将柴油的相对密度d20及中沸点tc代入公式CI=431.29-1586.88d20+730.97d202+12.392d203+0.0515d204-0.554tc+97.803(logtc)2]]>还可得到待测柴油的十六烷指数。④将上述相关函数关系和待测汽油的相对介电常数ε，值输入微处理器进行处理，并通过显示器用模拟信号或数码将处理结果显示出来。
2．权利要求1所述的电容式传感器，主要由非磁性金属制成并平行排放的正、负极板组成。正、负极板可以是平板形平行极板，也可以是同心环形极板或是按一定间隔平行排放的其他形状的极板。为了消除温度对待测汽油相对介电常数的影响，电容式传感器内可以增设温度传感器。
3．权利要求1所述的相对介电常数测量方法，其特征在于当电容式传感器浸入待测汽油中时，由无稳态振荡电路产生一谐振频率。该无稳态振荡电路可以是LC振荡电路，其振荡频率为fLC=12πLC]]>也可以是555时基振荡电路，其振荡频率为f555=k(Ra+2Rb)C]]>其中k为常数于是，由无稳态振荡电路产生的谐振频率可按上述关系转换成电容值C。由电容式传感器极板间的电容与相对介电常数之间的关系C／C0=εr／εr0≈εr便得到待测汽油的相对介电常数。
4．权利要求1所述的相关函数关系d20=fd(εrd)、tc=ftc(εrd)、td=ftd(εrd)、nD=fn(εrd)、M=fM(εrd)是在大量实测数据的基础上，运用回归分析的方法得到的，因而不是唯一的。
全文摘要
一种柴油标号和十六烷值测定方法及装置,主要由电容式传感器、电容/频率变换电路和微处理器组成,运用统计规律,在相对介电常数与柴油的标号(即冷凝点)、相对密度、中沸点以及折光率、平均分子量等参数之间建立关联式。通过传感器测出汽油的相对介电常数,经微处理器处理得到相关参数并代入已被广泛采用的公式计算出该柴油的十六烷值。
文档编号G01N31/00GK1204770SQ9711251
公开日1999年1月13日 申请日期1997年7月8日 优先权日1997年7月8日
发明者孙威, 孙晓明, 孙弘钧 申请人:孙威, 孙晓明, 孙弘钧