DE19943861B4

DE19943861B4 - Heizvorrichtung ohne Wood-Metall, die die Flüchtigkeitsmessung nach Noack einer Flüssigkeitsprobe eines Petroleumproduktes, hauptsächlich eines Schmieröls, erlaubt und Verfahren unter Anwendung dieser Vorrichtung

Info

Publication number: DE19943861B4
Application number: DE19943861A
Authority: DE
Inventors: Hervé CLERIS; Didier Pigeon
Original assignee: Instrumentation Scientifique de Laboratoire ISL SA
Current assignee: Instrumentation Scientifique de Laboratoire ISL SA
Priority date: 1998-09-14
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2019-09-14
Also published as: FR2783324A1; GB2341453A; DE19943861A1; BE1013802A3; JP2000121632A; GB9921574D0; IT1310712B1; GB2341453B; FR2783324B1; ITTO990775A0; ITTO990775A1

Abstract

Heiz- und Flüchtigkeitsmessvorrichtung für ein Petroleumprodukt, insbesondere eines Schmieröls nach dem Noackschen Versuch (Normen CEC L40A93 und ASTM D-5800), durch die man den Masseverlust einer vorgegebenen Probenmenge bestimmt, die während einer bestimmten Dauer und unter bestimmten Bedingungen erhitzt wird. Die Vorrichtung besteht aus DOLLAR A - einer Heizeinrichtung, die einen metallischen zylindrischen Schmelztiegel (1) einschließt, welcher mit einem Deckel (2) verschlossen ist, der mit einer Vakuum-Pumpe verbunden ist und der die zu testende Probe aufnehmen soll, DOLLAR A - in trockenem Kontakt befindliche mechanische Heiz- und Wärmeleitelemente (5, 6, 8), die elektrisch betrieben werden und die den Schmelztiegel (1) umgeben, DOLLAR A - eine Temperatursonde (4), die durch den Deckel (2) des Schmelztiegels (1) führt, um bis zu einer Höhe (H) in bezug auf den Boden des Tiegels in die Probe einzutauchen, DOLLAR A - eine Uhr und DOLLAR A - Steuerelemente, die automatisch kontrolliert werden, beispielsweise von einem Mikroprozessor, der mit der Temperatursonde (4) und den Heiz- und Wärmeleitelementen (5, 6, 8) verbunden ist, um die Temperatur der Probe zu regeln, als auch mit der Uhr, um diese Elemente an- oder abzuschalten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Messung der Flüchtigkeit von Flüssigkeitsproben unterschiedlicher Viskosität und insbesondere von Petroleumprodukten, vor allem Schmierölen.
Um diese Messung durchzuführen, wenden die Fachleute aus dem Bereich der Petrochemie herkömmlicherweise den Versuch nach „Noack" an, der durch die Normen CEC L-40A93 und ASTM D-5800 definiert ist und der darin besteht, den Massenverlust einer vorgegebenen Menge der zu testenden Probe zu bestimmen, die eine Stunde lang in einem Heizbehälter, bei 250°C und unter ganz bestimmten Druck- und Ansaugbedingungen, erhitzt wird.
Um diesen Versuch durchzuführen, verwendet man einen Apparat, der unter dem Namen: „Apparat zur Flüchtigkeitsmessung nach Noack" bekannt ist, der in den oben erwähnten Normen beschrieben ist.
Dieser Apparat besteht schematisch aus einer Heizeinrichtung (Ofen), die einen Raum umschließt, der dazu da ist, einen Verdampfungstiegel mit der zu testenden Probe aufzunehmen; dieser Verdampfungstiegel wird von einem Deckel hermetisch verschlossen, der mit einer Vakuumpumpe verbunden ist und der mit kalibrierten Einlaß- und Durchlasskanälen für durch einen zu kontrollierenden Unterdruck angesaugte Luft ausgestattet ist.
In seiner automatisierten Version ist die Heizeinrichtung mit einer Temperatursonde ausgestattet, die mit Steuerelementen verbunden ist, welche die Temperatur im Innern der Heizeinrichtung auf den vorgeschriebenen Wert von (zum Beispiel) 250°C regeln.
Der Verdampfungstiegel mit der zu testenden Probe muß in die vorgeheizte Heizeinrichtung eingebracht werden; eine Uhr erlaubt das Ende des Versuchs anzuzeigen (60 Minuten nach dem Einbringen des Tiegels in den heißen Ofen).
Es ist zu bemerken, dass während dieser Messung der Temperaturanstieg der Probe nicht kontrolliert wird, da nur die Temperatur, die im Innern des Ofens herrscht, geregelt wird.
Um demzufolge den Erhalt verläßlicher und reproduzierbarer Ergebnisse zu garantieren, ist es unbedingt notwendig, Elemente einzusetzen, die einen exzellenten thermischen Kontakt zwischen dem Heizblock und der sich im Tiegel befindenden Probe gewährleisten.
Aus diesem Grund ist in dem klassischen Apparat zur Flüchtigkeitsmessung nach Noack die Ausnehmung, die den Verdampfungstiegel aufnimmt, mit einer besonderen Legierung auf der Basis von Schwermetallen, dem Wood-Metall, umgeben, das im flüssigen Zustand einen als konstant vorausgesetzten Wärmeübergang zwischen dem Heizblock und dem in diese Legierung eintauchenden Verdampfungstiegel garantiert.
Diese Legierung, deren Schmelzpunkt bei 70°C liegt, besteht zu 50% aus Wismut, zu 25% aus Blei, zu 12,5% aus Zinn und zu 12,5% aus Cadmium und hat folglich einen schädlichen Charakter, was deren Handhabung riskant und deren Einatmung gefährlich macht. Diese Schädlichkeit hat zur Folge, dass der Gebrauch des Wood-Metalls in Zukunft stark eingeschränkt und in bestimmten Ländern ganz verboten werden wird.
Neben dieser Schädlichkeit des Wood-Metalls, ist dessen Verwendung zur Gewährleistung des Wärmeübergangs im Noack-schen Apparat noch mit weiteren Nachteilen verbunden.
Es ist im Besonderen zu bemerken, dass der Erhalt verläßlicher Messungen erfordert, auf eine konstante Füllhöhe der Metallschmelze um den Verdampfungstiegel herum zu achten, jegliche Oxidation des Metalls zu vermeiden und den Tiegel nach jeder Meßserie zu reinigen.
Ein anderer Nachteil, den der Gebrauch des Wood-Metalls mit sich bringt, liegt in der Tatsache, dass es notwendig ist, den Ofen vor dem ersten Gebrauch auf 250°C vorzuheizen (was etwa eine halbe Stunde in Anspruch nimmt), und den Tiegel in die schon heiße geschmolzene Legierung einzubringen, was ein riskantes Vorgehen ist (Spritzgefahr...), das sehr schnell vonstatten gehen muß, parallel zu dem Einschalten der Vakuumpumpe und der Uhr, und dem Schließen des Kreises für die Luftansaugung.
Ausgehend von der Tatsache, dass es nicht vorgesehen ist, die Temperatur der zu testenden Probe direkt zu messen, können außerdem bestimmte Parameter die Verläßlichkeit der durchgeführten Messungen beeinflussen, wie beispielsweise die Umgebungstemperatur, der barometrische Druck, die Präzision des Thermometers, das die Temperatur des Heizblocks mißt, oder auch Schwankungen der Strömungsmenge der eingesaugten Luft, die plötzlich als Folge einer Verschmutzung der kalibrierten Kanäle des Tiegeldeckels auftreten können.
Die US-Patente mit den Patentnummern 5 692 832, 5 667 302 und 5 382 884 beschreiben Vorrichtungen und Verfahren zur Messung der Flüchtigkeit von festen und/oder flüssigen Substanzen, die sich in ihrem Versuchsaufbau deutlich von dem Noack-schen Versuch (Normen CEC L-40A93 und ASTM D-5800) unterscheiden. Ein Nachteil dieser Verfahren besteht darin, dass sie noch nicht durch internationale Normen oder Standards erfasst sind und somit beispielsweise zur Bestimmung der Eigenschaften von Flüssigkeiten oder Schmierölen im internationalen Güterverkehr nicht ohne weiteres herangezogen werden können.

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen, indem sie eine Vorrichtung zum Erhitzen und zur Flüchtigkeitsmessung einer Flüssigkeitsprobe nach dem Noack-schen Versuch (Normen CEC L-40A93 und ASTM D-5800) vorschlägt, welche es erlaubt den Gebrauch des Wood-Metalls zu vermeiden, um den Wärmeübergang zwischen dem Heizblock und der zu testenden Probe zu bewirken.

Um diese Aufgabe zu lösen, hat man zunächst versucht, ganz einfach die Wood-Legierung durch ein anderes Material zu ersetzen, dessen Beschaffenheit einen ausreichenden thermischen Kontakt gewährleistet; es war jedoch nicht möglich, ein völlig zufriedenstellendes Material zu finden.

Unter Berücksichtigung dieser Sachlage, hatte man die Idee zu versuchen, die Temperaturregelung des Innenbereichs der Heizvorrichtung durch eine direkte Temperaturregelung der Probe zu ersetzen, mit dem Ziel sich auf einen Stoff mit weniger guten Wärmeleitungseigenschaften als das Wood-Metall beschränken zu können.

Nun konnte man überraschenderweise feststellen, dass es so möglich ist, die Bedingungen des Noack-schen Versuchs zu reproduzieren und insbesondere die Temperaturanstiegskurve der Probe, auf die eine Stufe konstanter Temperatur folgt, indem man nur in einem sehr geringen Maße den Aufbau des Apparates verändert, der herkömmlicherweise für die Durchführung dieses Versuchs verwendet wird.

Folglich betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Erhitzen und zur Flüchtigkeitsmessung einer Flüssigkeitsprobe nach dem Noack-schen Versuch, bei welcher der Massenverlust einer vorgegebenen Menge dieser Probe, die für eine bestimmte Zeit und unter bestimmten Bedingungen erhitzt wird, bestimmt wird und welche gekennzeichnet ist durch:

• eine Heizeinrichtung, die einen metallischen, zylindrischen Verdampfungstiegel umschließt, mit einem Deckel abgeschlossen und mit einer Vakuumpumpe verbunden ist und die zu testende Probe aufnimmt,
• mechanische Heiz- und Wärmeleitelemente, die mit einer elektrischen Steuerung verbunden sind und den Verdampfungstiegel umgeben,
• eine Temperatursonde, die durch den Deckel des Verdampfungstiegels führt zum Eintauchen in die Probe,
• eine Uhr, und
• Steuerelemente, die einen Mikroprozessor beinhalten, die mit der Temperatursonde und mit den Heiz- und Wärmeleitelementen verbunden sind, um die Temperatur der Probe zu regeln, die auch mit der Uhr verbunden sind, um diese Elemente an- oder abzuschalten.

Eine derartige Vorrichtung entspricht tatsächlich größtenteils dem Noack-schen Apparat, dessen wesentliche Bestandteile identisch bleiben mit Ausnahme der Hinzufügung einer Temperatursonde in den Deckel und der Ersetzung des Wood-Metall-Bades durch in trockenem Kontakt befindliche mechanische Heiz- und Wärmeleitelemente.

Gemäß der Erfindung bestehen diese Wärmeleitelemente vorzugsweise aus einer metallischen, vorzugsweise aus Messing bestehenden Klemmschelle, die elektrisch geheizt wird, einen Zylinder bildet, der die Seitenwand des Verdampfungstiegels umhüllt, und die mit einer Heizplatte verbunden ist, auf die dieser Tiegel gestellt wird.

Diese Heizplatte selbst kann vorzugsweise aus einer insbesondere aus Messing bestehenden Scheibe bestehen, die in ihrem Mittelteil von einer radialen Bohrung durchsetzt ist, welche einen elektrisch beheizten Zylinder aufnimmt.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung, besteht der elektrisch beheizte Zylinder aus einem in eine Keramik eingebetteten Widerstand mit einem Mantel aus nichtoxidierbarem Stahl.

Es ist zu bemerken, dass die Anwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung, außer dem Ersetzen des Wood-Metalls durch in trockenem Kontakt befindliche Heiz- und Wärmeleitelemente noch zahlreiche andere Vorteile hat; diese liegen einerseits besonders in einer Steigerung der Genauigkeit des Tests in Folge der direkten Temperaturmessung der Probe, also in einer Begrenzung des Einflusses externer Parameter wie etwa der Menge der angesaugten Luft, andererseits liegen diese Vorteile darin, dass das Wood-Metall nicht mehr vom Verdampfungstiegel entfernt werden muß, wie dies zuvor notwendig war.

Die Erfindung bezieht sich ebenso auf ein Verfahren unter Anwendung der oben erwähnten Vorrichtung, das erlaubt, einen Flüchtigkeitsversuch nach Noack an der Oberfläche der zu testenden Probe exakt zu reproduzieren, indem die Temperaturkurve dieser Probe wiederholt gemessen wird.

Dieses Verfahren ist dank der Tatsache möglich, dass, wie man überraschenderweise feststellt, bei der Durchführung eines Noack-Versuchs unterhalb einer bestimmten Schwelle der erste Teil des Temperaturanstiegs das Messergebnis nicht beeinflusst und somit bedeutungslos ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist folglich dadurch gekennzeichnet, dass

• man in einer Anfangsphase eine Solltemperatur bestimmt, welche der Gleichgewichtstemperatur einer Probe entspricht, die sich in der Heizvorrichtung eines klassischen Noack-Apparates befindet, die auf eine Temperatur von (zum Beispiel) 250°C geheizt wird,
• man die zu testende Probe in den Verdampfungstiegel schüttet, man den Tiegel wieder mit dem Deckel verschließt, man ihn wieder in den Ofen der Heiz- und Flüchtigkeitsmessvorrichtung stellt,
• man die Heiz-, Evakuier- und Wärmeleitelemente einschaltet, um den Temperaturanstieg der zu testenden Probe in Gang zu setzen und man diese dann auf den Sollwert regelt,
• wenn die Temperatur der Probe einen Wert von 5°C unterhalb der Solltemperatur erreicht, man die Uhr auf eine Zeitspanne von 55 Minuten einstellt und
• wenn diese 55 Minuten verstrichen sind, man die Heiz- und Wärmeleitelemente abschaltet, man den Tiegel mit der Probe aus dem Ofen nimmt und man nach deren Abkühlung deren Massenverlust bestimmt.

Es ist klar, dass bei der Durchführung dieses Verfahrens die Einbringung des Verdampfungstiegels mit der zu testenden Probe sehr vereinfacht wird: in der Tat ist der Apparat einsatzfähig, sobald er unter Spannung steht und das Einbringen kann also im kalten Zustand und ohne Eile geschehen; außerdem kann die Temperatur der Probe am Ende des Versuchs sichtbar gemacht werden, was im gegebenen Falle erlaubt, Verbrennungen zu vermeiden, und die Heizung des Ofens wird außerdem nach jedem Versuch abgeschaltet.

Erfindungsgemäß konnte man beobachten, dass die Solltemperatur für einen herkömmlichen Versuch mit 250°C zwischen 244°C und 247°C liegt, mit einer Genauigkeit von ± 0,5°C. Man hat auch beobachtet, dass der Temperaturanstieg der Probe zwischen 100°C und der Solltemperatur minus 5°C fünf Minuten dauert, und dass dieser Temperaturanstieg nach 10 Minuten abgeschlossen sein muss.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung, die die Arbeit der ausführenden Person erleichtert, zeigt für einen Versuch, der klassisch 60 Minuten dauert, die Uhr, wenn die Temperatur der Probe 100°C erreicht hat, die Zeit an, die von 55 Minuten noch verbleibt (diese wird automatisch rückwärts gezählt), bis die Solltemperatur minus 5°C erreicht wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung, wird die Ausführung des Verfahrens automatisch in Gang gesetzt.

Die Eigenschaften sowohl der Vorrichtung als auch des Verfahrens, die Gegenstand der Erfindung sind, werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben. Es zeigen
1 einen schematischen Schnitt des Verdampfungstiegels, der von den Heiz- und Wärmeleitelementen umgeben ist,
2 einen Temperaturverlauf der Probe während des Tests.
Gemäß 1 wird die zu testende Probe E in einen metallischen, zylinderförmigen Verdampfungstiegel 1 gegeben, der mit einem Deckel 2 verschlossen wird, welcher mit einem Ansaugstutzen 3 versehen ist, der mit einer Vakuumpumpe verbunden ist und welcher mit einer Temperatursonde 4 versehen ist, die in die Probe E in der Mitte des Tiegels bis auf einen Abstand H von 10 mm vom Boden eintaucht.
Der Verdampfungstiegel 1 wird im Innern einer Heizvorrichtung die hier nicht dargestellt ist, montiert, wo er auf eine Heizplatte aus Messing 5 gestellt wird, die die Form einer Scheibe hat und in der Mitte von einer radialen Bohrung durchquert ist, die einen Zylinder 6 aufnimmt, der elektrisch beheizt wird.
Der Zylinder 6, der in der Figur schematisch dargestellt ist, besteht aus einem Widerstand, der in eine Keramik eingebettet ist, und der einen nicht oxidierbaren Stahlmantel trägt.
Die Seitenwand 7 des Verdampfungstiegels 1 ist außerdem von einer Klemmschelle aus Messing 8 umgeben, die einen Zylinder bildet.
Entsprechend 2 muss die Temperatur der Probe folgende Bedingungen erfüllen:
Solltemperatur minus 10°C in maximal 5 Minuten erreicht (ab dem Moment, in dem die Probe 100°C erreicht),
Solltemperatur ± 0,5°C in spätestens 10 Minuten erreicht.
Die Regelung muss dann die Probe auf der Solltemperatur ± 0,5°C halten.

Claims

Heiz- und Flüchtigkeitsmessvorrichtung für ein Petroleumprodukt, insbesondere ein Schmieröl nach dem Noack-schen Versuch (Normen CEC L-40A93 und ASTM D-5800), mit der man den Massenverlust einer vorgegebenen Menge einer Probe bestimmt, die während einer bestimmten Dauer und unter bestimmten Bedingungen erhitzt wird, gekennzeichnet durch – eine Heizvorrichtung mit einem metallischen, zylindrischen Verdampfungstiegel (1), der mit einem Deckel (2) verschlossen ist, welcher mit einer Vakuumpumpe verbunden ist, und der dazu dient, die zu testende Probe aufzunehmen, – mechanische Heiz- und Wärmeleitelemente (5, 6, 8) mit trockenem Kontakt, die elektrisch betrieben werden und den Verdampfungstiegel (1) umgeben, – eine Temperatursonde (4), die durch den Deckel (2) des Verdampfungstiegels (1) führt, um bis zu einer Höhe (H) bezüglich des Tiegelbodens in die Probe einzutauchen, – eine Uhr, und – Steuerelemente, die automatisch kontrolliert werden von beispielsweise einem Mikroprozessor, die mit der Temperatursonde (4) und mit den Heiz- und Wärmeleitelementen (5, 6, 8) zusammenwirken, um die Temperatur der Probe zu regeln und mit der Uhr, um diese Elemente an- oder abzuschalten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiz- und Wärmeleitelemente aus einer metallischen Klemmschelle (8) bestehen, die elektrisch beheizt wird und einen Zylinder bildet, der die Seitenwand (7) des Verdampfungstiegels (1) umschließt, und die mit einer Heizplatte (5) zusammenwirkt, auf die dieser Tiegel gestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beheizte metallische Klemmschelle (8) aus Messing besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizplatte (5) aus einer insbesondere aus Messing bestehenden Scheibe besteht, die in ihrem Mittelbereich von einer radialen Bohrung durchsetzt ist, die einen elektrisch beheizten Zylinder aufnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch beheizte Zylinder (6) aus einem Widerstand besteht, der in eine Keramik eingebettet ist, und der einen nicht-oxidierbaren Metallmantel trägt.
Verfahren unter Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass – in einer Anfangsphase eine Solltemperatur bestimmt wird, die der Gleichgewichtstemperatur einer Probe entspricht, die in die Heizvorrichtung eines herkömmlichen Noack-Apparates gestellt wird, der auf eine vorgegebene Temperatur, von beispielsweise 250°C erhitzt wird, – die zu testende Probe in den Verdampfungstiegel geschüttet wird, dieser Tiegel mit dem Deckel verschlossen und in die Heizeinrichtung der Heiz- und Flüchtigkeitsmessvorrichtung gestellt wird, – die Vakuum-, die Heiz- und die Wärmeleitelemente eingeschaltet werden, um den Temperaturanstieg der zu testenden Probe in Gang zu setzten und um diesen dann auf den Sollwert einzustellen, – die Uhr auf eine Laufzeit von 55 Minuten gestellt wird, wenn die Temperatur der Probe einen Wert erreicht, der 5°C unter der Solltemperatur liegt, und – die Heiz- und Wärmeleitelemente abgeschaltet werden, wenn diese 55 Minuten verstrichen sind, der Tiegel mit der Probe aus der Heizeinrichtung genommen wird und nach Abkühlung deren Masseverlust bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Solltemperatur für einen herkömmlichen Noack-Versuch bei 250°C auf einen Wert zwischen 244 °C und 247°C eingestellt wird und auf ± 0,5°C geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Durchführung automatisch in Gang gesetzt wird, beispielsweise durch einen Mikroprozessor.