差分比较法辛烷值测定仪.pdf

本发明公开了差分比较法辛烷值测定仪的关键技术。本发明的目的是提供一种适用于炼油厂、燃油火电厂、加油站使用的辛烷值测量仪器。本发明的特征是：采用基准油品样本与待测油品样本在线差分比较，它与电容法的本质区别在于，本发明的比较过程在转换成数字量之中完成，而电容法是获得介电常数后，由人工计算完成，电容法是离线比较，而本发明是在线比较。在测量原理上，本发明采用差分比较法，通过在线补偿把电容法的非线性测量转变为差分测量，电容法测量的标底参数的单一电容达到设定电压的充电时间，而本发明是测量同一充电源对差分电容充电时的电压差。在仪器结构上，三个同轴筒形导体构成差分电容传感器，测量模块和传感器集成于一体，采用通用数字设备读数和显示。

1.  本发明的目的是提供一种适用于炼油厂、燃油火电厂、加油站使用的辛烷值测量仪器 (系统)，本发明专利采用了三个同轴筒形导体构成差分电容传感器，实现了标准油品样本和 试验样本在线差分比较。由于两个样本处于同样的温度环境和电信号环境下，彻底消除了温 度误差、共模噪声误差的影响，又因为两个电容共用同一个充电电源，差分运算电路实现了 同步非线性补偿，从根本上消除了电容法的非线性误差，实现了油品辛烷值的高精度仪器测 量。

2.  基于专利1的特征是：采用基准油品样本与待测油品样本在线差分比较，它与电容 法的本质区别在于，本专利的比较过程在转换成数字量之中完成，而电容法是获得介电常数 后，由人工计算完成，电容法是离线比较，而本专利是在线比较。
基于专利1的产品关键技术特征如下：
(1)测量原理上的特征
本专利采用差分比较法，通过在线补偿把电容法的非线性测量转变为差分测量，电容 法测量的标底参数的单一电容达到设定电压的充电时间，而本专利是测量同一充电源对差分 电容充电时的电压差。
(2)仪器结构上的特征
三个同轴筒形导体构成差分电容传感器，测量模块和传感器集成于一体，采用通用数 字设备读数和显示。

3.  保护范围
(1)基于上述思路的油品辛烷值测定产品应在本发明保护范围之内。

差分比较法辛烷值测定仪
技术领域
本发明公开了一种汽油、柴油(本文中统称油品)辛烷值测定仪器的关键技术。本专利产品主要用于炼油厂，燃油火电站的油品辛烷值快速测量。 
背景技术
辛烷值定义：油品中异辛烷的含量的百分比称为辛烷值(俗称油品标号)，异辛烷(2，2，4-三甲基戊烷)的抗爆性较好，100％为异辛烷的油品，辛烷值为100。而正庚烷的抗爆性差，100％的正庚烷的辛烷值为0。 
油品辛烷值的测定是以异辛烷和正庚烷为标准样本，按标准条件，在实验室标准单缸汽油机上用对比法进行的。调节标准样本组成的比例，使标准样本产生的爆震强度与待测样本相同，此时标准样本中异辛烷所占的体积百分数就是待测样本的辛烷值。 
目前油品辛烷值测定方法基本上分为两种类别：即分析法和仪器测定法。其中，分析法又分为爆震法、马达法和光谱法，分析方法是国际上普遍认可的交易计量测定方法；仪器测定法就是介电常数法或者称为电容法。仪器测定法基本上作为生产工艺流程控制使用，很少用于交易计量。差分比较法从分类的角度上讲属于仪器测定法的一种，但是，它采用的是在线比较方法，不同于电容法的离线数值比较方法，它比现有的电容测定法获得精度更高，稳定性更好，可能被认可成为一种新的交易计量测定方法。 
(1)分析测定法 
分析测定设备体积庞大，测定周期长，设备造价昂贵，适合检测中心和大型炼油厂使用，由于它们和仪器测定法的技术路线差距巨大，和本专利产品毫无相似性，这里省略对它们的技术分析。 
(2)电容法辛烷值测定仪 
从物理化学分析中得知：油品的介电常数与辛烷值有正相关关系，油品的介电常数越大时辛烷值也越高。因此，如果已知其中一种油品的辛烷值，在测出未知油品与已知油品的介电常数之比后，就可以计算出未知油品的辛烷值，从而实现油品辛烷值的测定。电容法辛烷值测定仪就是基于这一原理设计的。 
1)结构 
电容法辛烷值测定仪由两个筒形银质同轴导体构成电容传感器，底座中为一个电容/频率转换模块，模块中包含一个温度传感器，频率信号和温度信号通过导线连接数据采集和显示模块。 
图1是传统电容法辛烷值测定仪的结构图和等效电路图。 
2)测量原理 
依据电磁场学的理论，同轴筒形电容器的电容量为：C＝2πεL/ln(R/r)；式中，ε为两极板之间介质的介电常数，L为筒长度，R为外层极板半径，r为内层极板半径。在电容测定仪中L/ln(R/r)为常数K，ε＝f(O_x)O_x为辛烷值，也就是说介电常数是辛烷值的函数，只要测出电容量就可计算获得介电常数，通过查表法即可获得辛烷值。 
由于直接测量电容量非常困难，通常采用一个等周期和宽度的脉冲串对电容器充电，直到电容器两端电压达到设置值时，结束充电，计算充电的脉冲数就可计算电容量，这就是所谓电容/频率转换。 
测定过程与分析法类似，首先，配置若干已知辛烷值的标准样本，测试其对应的介电常数并保存在存储器中，测试待测样品的介电常数，与标准样本的介电常数进行比较，对获得的数据进行温度修正和非线性修正后，得到待测样本的辛烷值。 
3)误差分析 
介电常数不仅是辛烷值的函数，还是温度及电噪声的函数，即： 
＝f(O_x，T_t，E_t) 
环境温度对于真空电容器影响较小，但是对介质的影响非常大，我们很难保证对标准样本的测定与对试验样本的测定在相同的温度环境下完成，即使增加了温度传感器对温度影响进行校正，但是由于温度测量本身的误差和修正计算的误差存在，不可能完全消除温度影响。 
测量环境的电噪声是一个随机函数，整个测量系统为一个开环系统时，根本不可能消除噪声干扰，它是导致测量误差的另外一个因数。 
主要误差还是来自测量系统本身，电容/频率转换方法成立是基于这样一种假设：电容两端的电压与充电时间成正比线性关系，实际上，当充电电压为恒定值时，电容两端的电压是时间的指数函数，只是在一定的期间内我们把它看成线性函数，由于电压测量的精度的局限性，微小的电压误差将导致较大的脉冲群数量 误差。 
本发明专利采用的差分比较法将有效地消除上述三个方面的误差，获得高精度的辛烷值。 
发明内容
(1)发明专利概述 
本发明专利采用了三个同轴筒形导体构成差分电容传感器，实现了标准油品样本和试验样本在线差分比较。由于两个样本处于同样的温度环境和电信号环境下，彻底消除了温度误差、共模噪声误差的影响，又因为两个电容共用同一个充电电源，差分运算电路实现了同步非线性补偿，从根本上消除了电容法的非线性误差，实现了油品辛烷值的高精度仪器测量。 
(2)结构 
差分比较法辛烷值测定仪由三个筒形银质同轴导体构成差分电容传感器，底座中为一个差分电压测量模块，直接将差分电压信号转换成数字信号输出，输出接口为标准USB通信接口，可与智能手机、平板电脑、笔记本计算机、台式计算机直接连接读取数据。 
图2是差分比较法辛烷值测定仪的结构图和等效电路图 
筒形导体由内之外的直径分别为R₁、R₂、R₃，而其长度相同，那么： 
它们的比例关系必须满足下列公式： 
R 2 R 1 = R 3 R 2 ]]>
(3)测量原理 
选择一组已知辛烷值的标准样本，以最接近平均值的标准样本作为基准样本，将基准样本放置于最外层的测量容器中，并且拧紧外盖。将其他样本按照顺序逐一放置在内层测量容器中，测量每个样品相对于基准样本的介电常数差值，并编制数据表格。然后，将待测的未知油品样本倒至内层测量容器，测量未知样品相对于基准样本的介电常数差值，通过查表和线性补偿获得精确未知油品辛烷值。 
本发明的效益 
1)本发明将辛烷值仪器测定法的测量精度提高10至20倍，基准样本与待测样本的辛烷值越接近精度越高。 
2)通过完善测定规程和修改相关的计量标准，可将本发明对应的产品替代昂贵的分析法测定系统。 
3)本发明采用通用的智能手机、平板电脑和计算机作为读数设备，不需要专用读数仪，降低生产成本，并且使用更加方便。