CN1101935C - 汽油辛烷值测定方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种汽油辛烷值测定方法及装置，它由传感器、电子线路和显示器组成，通过检测汽油相对介电常数ε_r和变化，用对比的方法判断被测汽油的辛烷值，采用微处理器系统的自动分析，直接显示汽油标号，为汽车司机随时迅速判断车用汽油品质提供一种有效的工具，对汽车发动机的安全使用和寿命有益，并对汽油的生产过程以及运输、贮存、贸易、销售等方面提供快速有效的品质检测手段。

Description

汽油辛烷值测定方法及装置

本发明涉及汽油品质的测定技术，具体地说它涉及一种测定车用汽油辛烷值的新方法及其测定装置。

目前市场上的汽油标号是以汽油的辛烷值表示的，辛烷值代表汽油的抗爆性，我国通常用马达法测定，试验用发动机是专门设计的可变压缩比单缸机(称为C、F、R发动机)，在规定条件下用电力机械感震器测定爆燃强度。标准燃料是异辛烷〔CH₃C(CH₃)C₂CH₂CHCH₃CH₃-三甲戊烷〕和正庚烷，异辛烷用作抗爆性优良的标准，其辛烷值为100，正庚烷作为抗爆性低劣的标准，其辛烷值为0。将这两种标准燃料按不同的比例混合，可得到各种不同抗爆性等级(辛烷值从0到100)的标准混合燃料。在C、F、R发动机上按上述马达法规定的工况进行测定时，先用待测燃料工作，逐渐增加压缩比，直到爆震仪指示出标准的爆燃强度为止。之后保持压缩比不变，选配某一成分的标准混合燃料，使发动机产生同样强度的爆燃，这时标准混合燃料中所含异辛烷的容积百分数，就规定为待测燃料的辛烷值。

从以上的叙述可以看出辛烷值的测量是非常费事的，爆震法需要精密而贵重的设备、仪器和熟练的操作人员，要有特别配制的标准油样和进行对比的待测油料，设备笨重，无法携带，必须安装在专用的试验室内，且每一种待测油料的测试时间长，是一项消耗时间和金钱的测试方法，在美国检测一个(R+M)/2参数需150美元，在我国检测一个研究法辛烷值(RON)或马达法辛烷值(MON)参数需要750～1000元人民币。在许多国家，除炼油厂和国家试验研究单位外，很少有地方试验室能检测辛烷值。我国更是这样，由于检测手段和方法的限制，使汽油的经营、管理和贸易无法确保油品质量，对车辆特别是轿车的使用条件，以及科研部门的研究工作和新产品的开发工作都带来极大的影响和不利。

爆震法是十九世纪二十年代随着西方工业革命和石油工业的发展而产生的一种″模拟对比法″其累积误差和随机误差都相当大，同一油样在不同的时间、地点和不同的操作人员、不同的设备(甚至同一型号的不同设备)会得出不同的结果，其重现性是比较差的。

我国目前的炼油厂多是引进研究法(RON)和马达法(MON)设备，近几年有人研究光谱分析法和冷燃法测定辛烷值，多因设备笨重，价格昂贵和测定结果不稳定而无法推广。

美国推出的ZX101型手持式辛烷值分析仪是用固态光学系统构成的窄带光谱仪，只能检测无铅高标号汽油，而对我国多数含铅汽油的低标号汽油不适用(因我国含铅汽油有染色问题，一般为红色，影响光谱仪检测)，且该仪器每台约16万人民币，非常昂贵，一般单位用不起。

本发明的目的即在于针对上述现有技术的不足，而提供一种新型辛烷值测定方法及装置，从而解决专用设备和专门试验室在油品测试方面的种种不便，并解决光谱分析法和冷燃法因设备笨重、价格昂贵和测定结果不稳定、无法推广的问题，以及美国新推出的手持式窄带光谱仪对于带色的含铅汽油不适用等方面的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种利用电子技术和函数法相结合的汽油辛烷值测定方法，包括以下内容：(a)通过大量实测数据得出汽油辛烷值Yn与其相对介电常数ε_rn之间的关系，即Yn＝f(ε_rn)；

(b)通过测定浸入待测汽油中的平行极板电容传感器(3)的电容Cn值来得出该待测汽油的相对介电常ε_rn；

(c)将Yn＝f(ε_rn)函数关系和待测汽油的相对介电常数ε_rn值输入微型处理器进行处理，并通过显示器用模拟信号或数码直接显示出待测汽油辛烷值。所说的汽油辛烷值Yn＝f(ε_rn)函数为一斜率为K的直线，将Yn与Ya进行对比得出Yn＝Ya-ε_ra/K+ε_rn/K。对于无铅汽油，K＝0.02～0.04(图3中实线)；对于含铅汽油K＝-0.05～-0.08(图3中虚线)。

本发明的装置如下：

辛烷值测定装置包括辛烷值测试仪，该辛烷值测试仪具有显示器(1)、键盘(2)、传感器(3)、传感器杆柄(6)、其中传感器(3)装在传感器杆柄(6)上，传感器杆柄(6)可以围绕外壳(10)上的销柱(101)转动，传感器(3)上面还罩有传感器罩(5)；在外壳(10)内下部装有电池(4)，中间装有印刷线路板(7)，外壳(10)的背部有后盖(11)，侧面有与微型打字机连接的接口(8)。传感器(3)为平行极板式电容器，其极板是非磁性金属板制成，其厚度为0.2～1.0mm，正极与负极板互相间隔并各由集电极(A)和集电极(B)相连，集电极(A)、(B)通过外壳(10)上的密封隔板分别与印刷线路板(7)上的电子线路连接。传感器(3)的极板(21)与绝缘材料的底座(30)注塑在一体。

本发明的在线测量装置如下：

在线测量装置，包括：传感器(3)、仪表盘面板(12)、电源线接入插座(13)、传感器导线接入插座(14)、电子计算器接口(15)和控制/记录仪表接口(16)；其中传感器(3)装在与油路管道连接在一起的传感器外壳(34)里面，传感器外壳(34)上部装有密封座(33)，该密封座(33)内装有传感器极片(21)，传感器极片(21)与绝缘材料基座(30)注塑成一体，密封座(33)上部装有密封的接线盒(31)，在密封座(33)与外壳(34)之间具有密封耐油橡胶圈(36)和密封耐油橡胶垫(35)。

本发明的方法和装置具有以下优点和效果：

1、通过从对汽油足够的实测数据中测得辛烷值Yn和相对介电常数ε_rn之间的关系，并求出其线性函数的斜率K值，就能用脉冲数字技术通过微处理器处理或直接显示汽油的标号(辛烷值)。

2、本发明的辛烷值测试仪的传感器浸入汽油就可立即显示汽油的标号(辛烷值)既达到了快速而方便的测试目的，又适用于无铅汽油和含铅汽油，并能保证一定的精度要求。

3、本发明的辛烷值测试仪可以用已知标号的标准油样校准(要求较严格的场合)，也可以直接用在空气中的读数进行自校(对一般性的汽油标号测定)。

4、本发明的辛烷测试仪制造成本很便宜，既解决了专用设备和专门试验室在油品试验方面的种种不便，又解决了光谱分析法、冷燃法因设备笨重、价格昂贵以及测定结果不稳定无法推广的问题。本发明的辛烷值测试仪广泛适用于汽油的生产、运输、贮存、贸易、销售和使用等方面，尤其对汽车司机使用非常方便。

附图的图面说明如下：

图1a～1c为电容式传感器结构图

图2a～2c为可铸型电容式传感器结构图

图3为汽油辛烷值与介电常数的关系图

图4为电路方框图

图5为电子线路图

图6为程序框图

图7a、7b为本发明的QSW-100型辛烷值测试仪结构示意图

图8a、8b为本发明的实施例二的辛烷值测试仪结构示意图

图9为记忆型辛烷值测试仪结构示意图

图10为汽油标号测试仪结构示意图

图11为仪表板型辛烷值测试仪结构示意图

图12为在线检测用管道密封式传感器结构图

图13为在线检测系统示意图

图14为加油站在线检测(大屏幕显示)示意图

图15为油库在线检测系统示意图

下面结合附图和实施例作进一步说明：

一、本发明的辛烷值检测原理：

本发明是采用相对介电常数法(简称SW法)间接检测汽油的辛烷值。汽油属于矿物油，是不导电的绝缘体，常温下呈液态，粘度低，流动性好，易挥发，综合汽油的这些特点，利用以空气为介质的平行极板电容式传感器很容易测得汽油的相对介电常数εr值。

由理论电工学中得知平行极板间的电容C为

C＝ε_o·ε_r·S/b

式中ε_o-真空的介电常数(ε_o＝8.85415×10^-12F/M)

    ε_r-相对介电常数(在空气中ε_ro＝1)

    S-平行极板的面积(cm²)

    b-平行极板的间距、即介质

一平行极板电容传感器在空气中的电容是Co

Co＝ε_o·ε_ro·S/b，其中ε_ro＝1

同一传感器在汽油中的电容是Cn

Cn＝ε_o·ε_rn·S/b

则Cn/Co＝ε_rn/ε_ro＝ε_rn

所以，汽油的相对介电常数εrn值等于同一传感器以汽油为介质时的电容值Cn与以空气为介质时的电容值Co之比，对同一品种汽油为一常数，而与该传感器的初始电容值Co无关，这一点非常重要。

大量实测表明常用汽油的介电常数在1.8～2.3之间而不同品质的汽油，其介电常数与辛烷值呈线性变化关系(见图3)。如果已知对比标准油样A的介电常数ε_ra值与待测油样的ε_rn测得值比较，就知道待测油样的辛烷值了。

二、辛烷值检测方法和程序：

从上述辛烷值检测原理可以看出，检测ε_rn实质上是检测传感器在汽油中的电容值Cn，而电容值的快速测定是现代电子技术容易实现的。

本发明通过检测浸在汽油中的平行极板电容传感器的Cn值来得出该汽油的相对介电常数ε_rn，与已知标准油样A的相对介电常数ε_ra对比，间接得出汽油的辛烷值。从大量的实测数据中总结出辛烷值与相对介电常数之间的关系如图3所示，用公式Yn＝f(ε_rn)表示。

在图3中示出A点与N点，分别表示已知标准油样的标号(辛烷值)Ya和它的相对介电常数ε_ra(用实验方法得到)，以及待测油样的标号(辛烷值)Yn和它的介电常数ε_rn。

则有(ε_rn-ε_ra)/Yn-Ya＝tangα＝K

    K＝Δε_r/ΔY为Yn特性的斜率。

如果取单位标号变化值ΔY＝1时K＝Δε_r，用一个计数脉冲来表示，

则：Yn＝Ya+(ε_rn-ε_ra)/K

      ＝Ya-ε_ra/K+ε_rn/K

      ＝Ya+Na+Nn＝Xa+Nn

其中Xa＝Ya-ε_ra/K为已知数

    Na为对应于已知标准油样的计数脉冲数

    Nn为对应于待测油样的计数脉冲数。

因为在空气中ε_ro＝1所以在空气中的计数脉冲总数为No＝1/K＝ε_ro/Δε_r，仪表读数为Yno＝Xa+No，所以不用标准油样也能校准仪表，此时只要校准传感器在空气中的读数就可以了。

综上所述可以得出以下结论：

1、只要从足够的实测数据中测得K值，就能用脉冲数字技术直接显示汽油标号(辛烷值)。也可以用函数方法得出模拟量或汽油标号数值。

2、只要有一个已知标号的标准油样就可以校准仪表。

3、用仪表传感器在空气中的读数也能对仪表进行自校。

4、同一标号的汽油，由于运输和贮存条件不同，产地和工艺方法不同，其相对介电常数ε_r值往往要发生变化，但其变化范围是有限的，读数偏差是允许的。对严格的油品质量测定，必须用标准油标定(校准)仪表，对一般性的汽油标号测定，可以不用标准油样校准，仪表自校就可以了。下面结合一具体例子进行说明：

已知90号标准油相对介电常数

ε_ra＝2.00，斜率K＝0.03

则Yn＝Ya-ε_ra/K+ε_rn/K

    ＝90-67+ε_rn/0.03

    ＝23+33ε_rn

    ＝23+Nn

传感器在空气中Yno＝23+33ε_ro＝23+33＝56即仪表传感器在空气中的校准读数为56。

由此可见常数Xa＝23和Yno＝56只与K值有关，与传感器的初始电容Co无关，所以传感器的设计不受初始电容的限制。

三、检测仪器的具体实施方案：

实施例一：本发明的QSW-100型辛烷值测试仪，见图7a、7b外形尺寸：180×95×35毫米，传感器采用图2a～2c所示结构，电路框图如图4，电子线路图如图5，程序框图见图6，电源电压为直流6V，传感器初始电容Co＝100P，定时/计数频率为fa＝33.3千周，计数脉冲周期T＝30μs，计数门宽td＝1.8～2.3ms，采样(显示)速度每秒2次。采用8031微处理器，LCM液晶显示模块和中断式组合键盘，微型打印机GP16(或TPμP-40)通过接口设置在机外。

本辛烷值测试仪具有显示器1、键盘2、传感器3、传感器杆柄6，该传感器3在使用时可将传感器杆柄6向下转动，并插入油样杯9中，不用时向上转动收起，传感器3由传感器罩5罩住，传感器杆柄6通过外壳10上的销柱101铰接在外壳10上，在外壳10里的下部装有电池4，其背部有一后盖11，中间装有印刷电路板7，侧面有与微型打字机连接的接口8。

图1a～1c所示的传感器为平行极板式电容器，其极板21是非磁性金属板(铝、铜、无磁不锈钢等材料)制成，其厚度为0.2～1.0mm间隔，为扩大极板面积，分成两组呈梳状互相插空，图中黑色为正极板，白色为负极板，两组板板分别用集电极A和集电极B连在一起，集电极A、B通过外壳10上的密封隔板分别与电子线路相连接。

图2a～2c所示的传感器与图1a～1c的不同点在于将极板21在绝缘材料的底座(30)注塑过程中直接预先插入并注塑在一起。

图4所示为逻辑电路框图，其中包括时钟振荡电路I、采样电路II、控制门电路III、显示器IV、微处理器(CPU)V和键盘VI，根据需要可以与微型打字机VII连接。

由图5的电子线路图中可以看到本发明的实施例一中的微处理器(CPU)IV采用8031单片机，显示器V为LCD显示器，并采用LCM点阵式模块，在机外可配备GP16或TPμP-40微型打印机。关于程序框图见图6。

实施例二：见图8a～8c与实施例一的不同点只有传感器杆柄6可以转动的方向不同，以及个别键的位置安排不同，其它结构与实施例一完全相同。

实施例三：见图9a、9b其特点是将外壳的下半部制成一可分开矩形槽该矩形槽也就是油样杯9，在使用时将该油样杯9取下并盛入油样即可使用。同时其键盘上增加了记忆键。这种辛烷值测试仪适合国内高档汽车司机、汽油供销部门、工商管理部门使用，也是气密封型，具有防火防爆功能。

实施例四：见图10a、10b该测试仪比较小型化其中的电池4采用钮扣电池并增加锁读键，适用于普通汽车司机，由于出厂校准(不能用油样校准)所以只适用于一般性测试，价格也较低廉，只适用于国内。

实施例五：见图11a～11c为仪表板型辛烷值测试仪(在管路线上检测时用)适用安装在炼油厂、油库等生产集中管理的仪表盘上，把传感器安装在现场和管道上进行集中测试和控制。图中有仪表盘面板12，电源线接入插座13、传感器导线接入插座14、电子计算器接口15和控制、记录仪表接口16，其它各零件号和名称与图7a、7b相同。图12所示即为装在管道上的密封式传感器结构图，其中传感器外壳34两端具有法兰盘37，可以与油路管道连接，外壳34上部装有传感器密封座33在密封座33内装有电容器极板21并由绝缘材料基座30注塑成一体，密封座33上部装有密封接线盒31，密封双线绝缘子32中有传感器引出的导线，在密封座33与外壳34之间具有密封耐油橡胶圈36和密封耐油橡胶垫35进行密封。

图13所示为辛烷值在线检测系统示意图，图中各个管道上装有如图12所示的密封式传感器40，和仪表板型辛烷值测试仪41，控制、记录仪表盘42，电子计算机系统43、生产工艺装置44。

图14所示为加油站在线检测系统示意图，图中在加油器46上装有大屏幕汽油标号显示器45，在管路上装有多个控制阀门47，并在管路上装有密封式传感器40。

图15所示为油库在线检测系统示意图，图中油库48的输入管路和输出管路上均装有密封式传感器40。

从以上的实施例以及各种系统示意图中可以看出本发明的测试仪器和装置使用极其广泛，从汽油的生产过程到运输、贮存、使用等各个方面均能极其方便地推广应用。

Claims (5)

1、一种汽油辛烷值测定方法，其特征在于：所述的测定方法包括以下内容：

(a)通过大量实测数据得出汽油辛烷值Yn与其相对介电常数εrn之间的函数关系，即Yn＝f(εrn)，函数为一斜率为K的直线，将Yn与Ya进行对比得出 $\mathrm{Yn}=\mathrm{Ya}-\frac{\mathrm{\ϵra}}{K}+\frac{\mathrm{\ϵrn}}{K}$ ，其中Ya为已知标准油样的辛烷值，εra为已知标准油样的相对介电常数，对于无铅汽油K＝0.02～0.04，对于含铅汽油K＝-0.05～-0.08；

(b)由于待测汽油中的平行极板电容传感器(3)的电容Cn值与待测汽油的相对介电常数εrn有 $\mathrm{\ϵrn}=\frac{\mathrm{Cn}}{\mathrm{Co}}$ 函数关系，即汽油的相对介电常数εrn值等于同一传感器以汽油为介质时的电容值Cn与以空气为介质时的电容值Co之比，对同一品种汽油为一常数，而与传感器的初始电容值Co无关，故可通过测定浸入待测汽油中的平行极板电容传感器(3)的电容Cn值来得出该待测汽油的相对介电常数值εrn，；

(c)将Yn＝f(εrn)函数关系和待测汽油的相对介电常数εrn值输入微型处理器进行处理，并通过显示器用模拟信号或数码直接显示出待测汽油辛烷值。

2、一种用于汽油辛烷值测定方法的汽油辛烷值测定装置，其特征在于：所述的辛烷值测定装置包括辛烷值测试仪，该辛烷值测试仪具有显示器(1)，键盘(2)，平行极板电容传感器(3)装在其传感器杆柄(6)上，而传感器杆柄(6)可以围绕外壳(10)上的销柱(101)转动，平行极板电容传感器(3)上面还罩有传感器罩(5)；在外壳(10)内下部装有电池(4)，中间装有印刷线路板(7)；外壳(10)的背部有后盖(11)，侧面有与微型打字机连接的接口(8)。

3、根据权利要求2所述的汽油辛烷值测定装置，其特征在于：平行极板电容传感器(3)为平行极板式电容器，其极板是非磁性金属板制成，厚度为0.2～1.0mm，正极与负极板互相间隔并各由集电极(A)和集电极(B)相连，集电极(A)，(B)通过外壳(10)上的密封隔板分别与印刷线路板(7)上的电子线路连接。

4、根据权利要求2所述的汽油辛烷值测定装置，其特征在于：平行极板电容传感器(3)的极板(21)与绝缘材料的底座(30)注塑成一体。

5、一种用于汽油辛烷值测定方法的汽油辛烷值测定装置，其特征在于：所述的辛烷值测定装置是一种在线测量装置，它包括：平行极板电容传感器(3)、仪表盘面板(12)、电源线接入插座(13)、传感器导线接入插座(14)、电子计算器接口(15)和控制/记录仪表接口(16)；其中平行极板电容传感器(3)装在与油路管道连接在一起的传感器外壳(34)里面，传感器外壳(34)上部装有密封座(33)，该密封座(33)内装有传感器极片(21)，传感器极片(21)与绝缘材料基座(30)注塑成一体，密封座(33)上部装有密封的接线盒(31)，在密封座(33)与传感器外壳(34)之间具有密封耐油橡胶圈(36)和密封耐油橡胶垫(35)。

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