CN108801917A - 微型化双光束石油低温流动性能分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型化双光束石油低温流动性能分析系统及方法。分析系统包括：样品池，为样品池提供低温环境的制冷单元，采集样品池内物质温度的温度传感器，激光光源，第一光电检测器，第二光电检测器，信号调理单元，串口通信电路，上位机；本发明相对于现有技术的进步在于：同时采集了透射信号和散射信号，能够减少不相关信号的干扰，准确的得到检测结果，并能对于是否为混合液体做出相应的判断。

Description

微型化双光束石油低温流动性能分析系统及方法

技术领域：

本发明属于物理光学领域，涉及一种微型化双光束石油低温流动性能分析系统及方法。

石油流动性能的检测方法，具体为基于双光束方法测定石油液体在低温冷却过程中光学吸收和光学散射的变化，以此分析石油低温冷凝和结晶过程。

背景技术：

石油在规定条件下冷却，开始出现不同雾状或者结晶的时候，液体流动性能变差，随着温度进一步降低，石油逐步转化为固态。油品的凝固和纯化合物的凝固有很大的不同。油品没有明确的凝固温度，所谓“凝固”只是从整体看液面失去了流动性。凝点是柴油和润滑油的一项说明低温流动性的质量指标。其高低与油品的化学组成有关。馏分轻则凝点低，馏分重、含蜡高则凝点也高。通常以脱蜡或加降凝剂的方法来降低石油产品的凝点。脱蜡程度深则凝点也低。若脱蜡深度不能满足需要，可加适量的降凝剂。

当温度继续降低，石油样品将出现肉眼可见的微小晶粒，呈现不透明状，在结晶时，油品仍处于可流动的液体状态。冷却出现结晶后，再升温结晶消失的最低温度，称为冰点。不同种类、结构的烃类，其熔点也不相同。油品中所含大分子正构烷烃和芳烃的量增多时，其浊点、结晶点和冰点就会明显升高，则燃料的低温性能变差相对分子质量越大的油品，馏分越重，密度越大，熔点、沸点越高，结晶点越高，低温流动性变差。油品含水可使浊点、结晶点和冰点显著升高。

柴油低温流动性差，则会造成柴油不能顺畅地供往汽缸，严重时，甚至无法使车辆正常行驶。同时柴油的低温流动性能也与低温下的燃料储藏、运输等有着密切的关系。为保证柴油机的正常工作，柴油的凝点应比柴油机使用地区的风险率为10％的最低气温低4一5℃。

现有技术依据国家标准来分析石油的低温流动性，可以分别测定油品的浊点、凝固点和冰点，其检测原理是采用压缩机制冷，在冷浴中观察试样在透光条件下是否出现浑浊、结晶，并记录下出现异样时候的温度，测定过程时间长，重复冷却、观察次数多，测定结果分辨率低。也可以采用全自动分析仪器，但是通常仪器体积大，测量过程复杂，测试结果单一，不能全面评价石油冷却过程中低温流动性能。

发明内容：

本发明目的在于设计了一种微型化双光束光学检测装置，通过记录石油样品的吸收光和散射光的强度变化，记录并反应石油样品在冷却过程中的低温流动性能。

本发明的物理原理是：当光在均匀透明液体中传播时，光线将穿过透明液体而被光学检测器检测到，依据朗伯比尔定律，透射光的强度与入射光的强度成负指数关系，吸光度与溶液的消光系数成正比，当石油样品在规定条件下冷却，未出现浑浊和结晶的时候，因为其组分不变，吸光度也不变。反之，吸光度的变化意味着样品产生了异样，如冷凝、结晶等。由于冷却造成液体中出现的微小颗粒将使得入射到颗粒上的光发生散射和衍射，在垂直于入射面90度的方向放置光学检测器，记录该方向上的光的强度变化，它与样品中的颗粒大小、浓度及颗粒分布直接相关，信号越强，表明散射光越大，颗粒就越多，试样越浑浊或者结晶程度越高。所以当被检测样品为透明的液态时，透射光很强，而散射光很弱，而随着温度的降低，被检测样品中开始出现晶体，使得光一部分被吸收，一部分发生散射，随着样品中晶体的增多，散射光越来越强，而透射光越来越小，通过对光学信号的分析，及时反映被测试样的低温条件下的流动性能变化。具体技术方案如下：

微型化双光束石油低温流动性能分析系统，包括：样品池1，为样品池提供低温环境的制冷单元2，采集样品池内物质温度的温度传感器3，位于样品池壁面外可向样品池内发射激光的激光光源4，位于激光光源对向壁面外的第一光电检测器5，位于透射光路垂直方向且位于壁面外的第二光电检测器6，信号调理单元7，串口通信电路8，上位机9；所述样品池壁面对应于激光光源、第一光电检测器、散射光电检测器的位置为透明材料，所述样品池壁面对应于第二光电检测器位置为敞口；所述信号调理单元包括：光电信号转换电路、放大电路、滤波电路；串口通信电路将采集到的两路光电信号，经微控制器处理后变为数字信号经串口发送到上位机。

在上述系统上实现的微型化双光束石油低温流动性能分析方法，包括如下步骤：

步骤1：将被检测液体加入样品池中，开启系统；

步骤2：开启制冷单元，同时开启第一光电检测器、第二光电检测器，先将样品温度降低至非流动状态，之后控制样品温度逐渐升高，升高至常温；

步骤3：绘制横坐标为时间，纵坐标为第一光电检测器信号强度的第一曲线；绘制横坐标为时间，纵坐标为第二光电检测器信号强度的第二曲线；绘制横坐标为时间，纵坐标为温度传感器数值的第三曲线；

步骤4：捕捉第一曲线信号强度突变增强、第二曲线信号强度突变减弱所对应的时刻；

步骤5：该时刻对应第三曲线温度值为石油凝固点温度。

优选方案之一，所述激光光源是波长为650nm的红色激光。

优选方案之二，所述样品池的外部形状为圆柱体，底面紧贴制冷单元，上端面敞口。作为进一步优选方案，所述样品池的材质为紫铜；所述温度传感器位于样品池底面与制冷单元之间。

优选方案之三，所述制冷单元采用陶瓷TEC半导体制冷。

本发明相对于现有技术的进步在于：

(一)同时采集了透射信号和散射信号，能够减少不相关信号的干扰，准确的得到检测结果，并能对于是否为混合液体做出相应的判断。

(二)采用激光光源，使得光信号更加稳定，检测结果也更加稳定。

(三)双光束光路有光源发出的激光，穿过被测样品后透射出来被第一光电检测器接收，接收部分的光服从朗伯比尔定量，反映试样对入射光的吸收；垂直方向的光被第二光电检测器接收，其光强度信号反映样品中颗粒物的光散射，与样品浑浊或者结晶的情况相关。两路光信号输出经过放大、滤波等处理后进入微控制器，光电转换和采集的结果经UART上传到电脑，计算的结果和曲线可在屏幕上显示。

附图说明：

图1是本发明实施例装置的结构示意图，其中，1代表样品池，2代表制冷单元，3代表温度传感器，4代表激光光源，5代表第一光电检测器，6代表第二光电检测器，7代表信号调理单元，8代表串口通信电路，9代表上位机。

图2是本发明实施例检测的第一曲线与第三曲线图。

具体实施方式：

实施例：

本发明微型化双光束石油低温流动性能分析系统如图1所示，微型化双光束石油低温流动性能分析系统包括：样品池1，为样品池提供低温环境的制冷单元2，采集样品池内物质温度的温度传感器3，位于样品池壁面外可向样品池内发射激光的激光光源4，位于激光光源对向壁面外的第一光电检测器5，位于透射光路垂直方向且位于壁面外的第二光电检测器6，信号调理单元7，串口通信电路8，上位机9；所述样品池壁面对应于激光光源、第一光电检测器、散射光电检测器的位置为透明材料，所述样品池壁面对应于第二光电检测器位置为敞口；所述信号调理单元包括：光电信号转换电路、放大电路、滤波电路；串口通信电路将采集到的两路光电信号，经微控制器处理后变为数字信号经串口发送到上位机。

所述激光光源是波长为650nm的红色激光。

所述样品池的材质为紫铜，其外部形状为圆柱体，直径为10mm，高度为4mm，容积为0.63ml，底面紧贴制冷单元，上端面敞口；所述温度传感器位于样品池底面与制冷单元之间。

所述制冷单元采用陶瓷TEC半导体制冷。

在上述系统上实现的微型化双光束石油低温流动性能分析方法，包括如下步骤：

步骤1：将被检测液体加入样品池中，开启系统；

步骤2：开启制冷单元，同时开启第一光电检测器、第二光电检测器，先将样品温度降低至非流动状态，之后控制样品温度逐渐升高，升高至常温；

步骤3：绘制横坐标为时间，纵坐标为第一光电检测器信号强度的第一曲线；绘制横坐标为时间，纵坐标为第二光电检测器信号强度的第二曲线；绘制横坐标为时间，纵坐标为温度传感器数值的第三曲线；

步骤4：捕捉第一曲线信号强度突变增强、第二曲线信号强度突变减弱所对应的时刻；

步骤5：该时刻对应第三曲线温度值为石油凝固点温度。

以航空煤油为例，加入0.5ml航煤样品，系统采集得到的低温冷却曲线如图2所示，分析低温冷却与光强度变化的相关特性发现，在降温过程中，透射光在-50度发生突变，同时散收光也在该温度发生突变。由此可测得航空煤油的凝固点为-50度。

Claims (7)

1.微型化双光束石油低温流动性能分析系统，其特征在于，包括：样品池(1)，为样品池提供低温环境的制冷单元(2)，采集样品池内物质温度的温度传感器(3)，位于样品池壁面外可向样品池内发射激光的激光光源(4)，位于激光光源对向壁面外的第一光电检测器(5)，位于透射光路垂直方向且位于壁面外的第二光电检测器(6)，信号调理单元(7)，串口通信电路(8)，上位机(9)；所述样品池壁面对应于激光光源、第一光电检测器、散射光电检测器的位置为透明材料，所述样品池壁面对应于第二光电检测器位置为敞口；所述信号调理单元包括：光电信号转换电路、放大电路、滤波电路；串口通信电路将采集到的两路光电信号，经微控制器处理后变为数字信号经串口发送到上位机。

2.根据权利要求1所述微型化双光束石油低温流动性能分析系统，其特征在于，所述激光光源是波长为650nm的红色激光。

3.根据权利要求1所述微型化双光束石油低温流动性能分析系统，其特征在于，所述样品池的外部形状为圆柱体，底面紧贴制冷单元，上端面敞口。

4.根据权利要求3所述微型化双光束石油低温流动性能分析系统，其特征在于，所述样品池的材质为紫铜。

5.根据权利要求3所述微型化双光束石油低温流动性能分析系统，其特征在于，所述温度传感器位于样品池底面与制冷单元之间。

6.根据权利要求1所述微型化双光束石油低温流动性能分析系统，其特征在于，所述制冷单元采用陶瓷TEC半导体制冷。

7.在权利要求1所述系统上实现的微型化双光束石油低温流动性能分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将被检测液体加入样品池中，开启系统；

步骤2：开启制冷单元，同时开启第一光电检测器、第二光电检测器，先将样品温度降低至非流动状态，之后控制样品温度逐渐升高，升高至常温；

步骤3：绘制横坐标为时间，纵坐标为第一光电检测器信号强度的第一曲线；绘制横坐标为时间，纵坐标为第二光电检测器信号强度的第二曲线；绘制横坐标为时间，纵坐标为温度传感器数值的第三曲线；

步骤4：捕捉第一曲线信号强度突变增强、第二曲线信号强度突变减弱所对应的时刻；

步骤5：该时刻对应第三曲线温度值为石油凝固点温度。