KR20000030689A - Simultaneous evaluation method of physical properties of diesel fuel oil using near-infrared absorption spectra - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자동차용 경유의 품질을 평가하기 위하여 10% 유출온도, 50%유출온도, 90% 유출온도, 인화점, 동점도, 비중, 세탄지수를 근적외선 스펙트럼을 이용하여 동시에 측정하는 시험방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 평가하고자 하는 자동차용 경유 시료를 근적외선 분광광도계를 이용하여 스펙트럼을 측정한 후 특정 파장영역에서의 스펙트럼의 흡수 정도에 따라 기 설정된 검량식에 의하여 상기 항목 값을 컴퓨터를 이용하여 동시에 구할 수 있는 개량된 간접 측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a test method for simultaneously measuring the 10% outflow temperature, 50% outflow temperature, 90% outflow temperature, flash point, kinematic viscosity, specific gravity, cetane index using a near infrared spectrum in order to evaluate the quality of automotive diesel. More specifically, after measuring the spectrum of a diesel sample for automobiles to be evaluated using a near-infrared spectrophotometer, the values of the above items can be simultaneously calculated using a computer by a preset calibration equation according to the degree of absorption of the spectrum in a specific wavelength region. An improved indirect measurement method is possible.
일반적으로 자동차용 경유의 품질을 평가하는 방법 중의 하나인 10% 유출온도, 50% 유출온도, 90% 유출온도를 구하는 증류시험은 시료 100㎖를 증류 플라스크에 취한 다음, 평균 유출량이 분당 4∼5㎖가 되도록 가열온도를 조절하면서, 10㎖, 50㎖, 90㎖가 유출되었을 때의 온도를 측정하는 것으로서 1회 시험하는 데에 시험시간이 약 60분으로서 장시간이 소요되고, 시료량은 150㎖로 다량의 시료가 필요하며, 인화성이 강한 시료의 가열에 의한 위험성과 다량의 증기발생 및 시료의 열분해에 따른 실험에 사용된 시료의 재사용 불가 등의 문제가 있다. 인화점은 시료 약 70㎖를 밀폐한 시료컵 속에서 교반하면서 시료의 온도 상승이 매분 5∼6℃가 되도록 서서히 가열간 후 1℃마다 교반을 중지하고 시험불꽃을 시료컵 속에 갖다대어 시료의 증기에 인화하는 최저 온도를 구하는 방법으로 시험시간은 약 60분, 시료량은 약 100㎖가 소요되고, 증류시험과 마찬가지로 화재위험, 다량의 증기발생 및 시료의 열분해에 따른 재사용 불가 등의 문제가 있다. 기타 동점도 시험은 소요 시료량 10㎖, 시험시간 10분, 비중 시험은 소요 시료량 10㎖, 시험시간 5분, 세탄지수 계산은 증류시험과 비중시험 결과를 이용하여 일정한 계산식에 의하여 산출하기 때문에 시료량이 약 160㎖, 시험시간이 65분 소요된다. 따라서 이러한 시험 모두를 1회 수행할 경우에는 시료량은 약 270㎖로서 상당한 양이 필요하게 되고, 시험시간은 약 135분으로서 장시간의 시험시간이 소요되며, 시험 항목별로 별도의 시험장비가 필요하고 시험자의 전문성이 요구됨과 동시에 피로도 또한 무시할 수 없다.In general, one of the methods for evaluating the quality of diesel car diesel, 10%, 50%, 90% distillation test to take 100ml of the sample in the distillation flask, the average flow rate is 4 ~ 5 per minute The temperature of 10ml, 50ml, 90ml was measured while adjusting the heating temperature to ㎖, and the test time was about 60 minutes for a single test, and the sample amount was 150ml. A large amount of sample is required, and there are problems such as danger of heating a highly flammable sample and a large amount of steam generation and reusability of the sample used in the experiment due to pyrolysis of the sample. Flashing point is about 70ml of sample in a sealed sample cup and slowly heated so that the temperature of sample rises to 5 ~ 6 ℃ every minute. Then, stirring is stopped every 1 ℃. As a method of obtaining the minimum temperature for ignition, the test time is about 60 minutes and the sample amount is about 100 ml. Like the distillation test, there are problems such as fire risk, large amount of steam generation, and unusability due to pyrolysis of the sample. For other kinematic viscosity tests, the required sample volume is 10 ml, the test time is 10 minutes, the specific gravity test is required sample volume is 10 ml, the test time is 5 minutes, and the cetane index is calculated according to the distillation test and specific gravity test results. 160 ml, test time 65 minutes. Therefore, if all of these tests are performed once, the sample amount is about 270 ml and a considerable amount is required, and the test time is about 135 minutes, which takes a long test time, and requires separate test equipment for each test item. At the same time that professionalism is required, fatigue is also not negligible.
본 발명의 근적외선 분광광도계의 원리를 이용한 경유 물성의 동시 측정법과 관련한 국내 특허를 특허기술정보센타를 통해 조사해 본 결과 이에 관한 특허는 없었으며, 단지 특허 제232687의 "근적외선 흡수 스펙트럼을 이용한 산소화물 함량의 개량된 간접측정방법"과 특허 제074650의 "개선된 옥탄가 측정방법 및 장치"가 근적외선 스펙트럼을 이용하는 점에서 관련성이 있었으나 이들 중 어느 것도 본 측정방법에 관한 것은 아니다.Investigation of domestic patents related to the simultaneous measurement of light oil properties using the principle of the near-infrared spectrophotometer of the present invention through the Patent Information Center showed no patent, and only the "oxygen content using the near-infrared absorption spectrum of patent 232687". Although the improved indirect measurement method of "and" an improved method and apparatus for measuring octane number "of patent 074650 use a near infrared spectrum, none of these are related to this measurement method.
본 발명은 상기와 같은 기존 시험방법의 문제점을 해소하기 위하여 경유의 물리적인 특성의 변화에 따라 근적외선 스펙트럼에서 흡광도가 변화하는데에 착안하여, 경유의 품질을 평가하기 위한 개량된 방법으로서 근적외선 분광광도계에 의하여 시료의 흡광도의 측정에 의해 상기 7개 항목을 간접 결정하는 것이다. 비어-램버트 법칙(Beer-Lambert law)에 따르면, 흡수도는 일반적으로 적외선 분광광도계에 의해 방출된 방사선의 세기(Io)와 탄화수소 혼합물에 의해 투과 및/또는 반사되는 방사선의 세기(I) 사이 관계의 상용대수(decimal logarithm)로써 정의된다. 근적외선 영역내에서 선정된 파장들에서의 탄화수소 혼합물의 흡수도를 측정하여 얻어진 모든 수치 데이터는 물리적인 특성을 규정하는 정보로서 직접 이용될 수 있으나, 근적외선에서의 흡수는 주로 중적외선에서 유래되는 -CH, -NH, -OH 작용기의 분자진동에너지의 결합대와 1차에서 4차 배음대이기 때문에 띠넓이(band width)가 증가되어 흡수대 끼리의 중첩을 초래하고, 시료의 밀도, 온도, 입자크기 등의 차이로 인한 산란차에 의해 바탕선(base line)의 변화가 발생하게 된다.The present invention focuses on the change in absorbance in the near-infrared spectrum according to the change in the physical properties of diesel oil to solve the problems of the existing test method as described above, and as an improved method for evaluating the quality of diesel oil in a near infrared spectrophotometer. By indirectly determining the above seven items by measuring the absorbance of the sample. According to the Beer-Lambert law, the absorbance is generally the relationship between the intensity (Io) of the radiation emitted by the infrared spectrophotometer and the intensity (I) of the radiation transmitted and / or reflected by the hydrocarbon mixture. It is defined as the common logarithm of. All numerical data obtained by measuring the absorbance of hydrocarbon mixtures at selected wavelengths in the near-infrared region can be used directly as information defining physical properties, but absorption in near-infrared is mainly derived from -CH Because of the bond band of molecular vibration energy of -NH, -OH functional group and the 1st to 4th harmonic band, the band width is increased, resulting in overlap between absorption bands, density of sample, temperature, particle size, etc. The scattering difference due to the difference of the base line (base line) changes.
이러한 변화로 인하여 분석 시에 많은 오차가 유발되는데, 수처리법(math treatment)을 통하여 위와 같은 변화를 보정해 주고, 원치 않은 중첩으로부터 스펙트럼을 분리할 수 있다. 여기에서는 미분법을 이용하여 흡수 스펙트럼의 1차 및 2차 도함수를 구하고, 또 다른 방법인 N-point smoothing(신호평균화법)을 수행하여 바탕선의 변동 및 흡광도의 방해요인으로 인한 오차를 극소화하였다. 근적외선에서의 경유의 흡광도 변위가 물리적 성질의 변화에 비례하도록 검량선을 작성하기 위하여, 수처리된 스펙트럼에서 파장영역을 설정하고 회귀분석(regression analysis)을 수행하는데, 다중선형회귀법(MLR, multiple linear regression)과 부분최소제곱법(PLS, partial least squares)을 적용한 결과, 전 항목에서 부분최소제곱법이 최상의 상호관계 및 최소의 표준오차를 보였다.These changes cause a lot of errors in the analysis, which can be corrected by math treatment and separate the spectrum from unwanted overlap. Here, the first and second derivatives of the absorption spectrum are calculated using differential methods, and another method, N-point smoothing (signal averaging), is performed to minimize errors due to disturbances in baseline fluctuations and absorbance. In order to create a calibration curve so that the absorbance shift of diesel fuel in the near infrared is proportional to the change in physical properties, a wavelength region is set in the treated spectrum and a regression analysis is performed. Multiple linear regression (MLR) is performed. And partial least squares (PLS) were applied, and the partial least squares method showed the best correlation and minimum standard error in all items.
도 1은 근적외선 영역 가운데 1300nm에서 2250nm까지 경유 흡광도의 바람직한 제1차 도함수 대 파장을 나타낸 그래프임1 is a graph showing the preferred first derivative versus wavelength of diesel absorbance from 1300 nm to 2250 nm in the near infrared region.
도 2는 근적외선 영역 가운데 1100nm에서 2230nm까지 수처리를 하지 않은 경유의 흡광도 대 파장을 나타낸 그래프임FIG. 2 is a graph showing the absorbance versus wavelength of diesel fuel without water treatment from 1100 nm to 2230 nm in the near infrared region.
도 3과 도 4는 1270nm에서 1490nm, 1630nm에서 2230nm 각각의 영역에서 경유 흡광도의 바람직한 제1차 도함수 대 파장을 나타낸 그래프임3 and 4 are graphs showing preferred first derivatives versus wavelengths of diesel absorbance in the regions of 1270 nm to 1490 nm and 1630 nm to 2230 nm, respectively.
이하 항목별로 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the items will be described in detail as follows.
10% 유출온도10% outflow temperature
경유와 이와 유사한 탄화수소 용제류를 상호 혼합하여 10% 유출온도 값의 분포가 135℃∼215℃가 되도록 조제한 표준시료 183개에 대하여 근적외선 흡광도를 각각 측정하고, 10% 유출온도와 상호 관련성에 대하여 분석하였다. 제1도는 파장 1300nm∼2250nm의 영역에서의 흡광도에 대한 제1차 도함수를 취한 것으로서, 부분최소제곱법에 의하여 회귀분석을 시행하여 관련인자(factor)를 구한 다음 검량식을 작성한다. 이 검량식에 의하여 미지시료의 10% 유출온도를 구하는 것이 가장 정확한 값을 구할 수 있었다.Near-infrared absorbance was measured for 183 standard samples prepared by mixing diesel oil and similar hydrocarbon solvents so that the distribution of 10% effluent temperature was 135 ℃ ~ 215 ℃, and analyzed for correlation with 10% effluent temperature. It was. FIG. 1 is a first derivative of absorbance in the region of wavelengths 1300 nm to 2250 nm. A regression analysis is performed by a partial least square method to determine a factor and then prepare a calibration equation. The most accurate value was obtained by determining the 10% effluent temperature of the unknown sample by this calibration formula.
표 A에 모든 것을 나타내었다.Table A shows everything.
표 ATable A
파일명 : 10%DISTFile Name: 10% DIST
분석기구 : 광학프로우브 시스템(Optiprobe system)Analytical Instruments: Optiprobe System
스펙트럼수 : 183Spectrum Number: 183
경로길이 : 3.5 mmPath length: 3.5 mm
조각 : 10Pieces: 10
갭 : 0Gap: 0
10% 유출온도와 제1차 도함수 사이의 상관성을 나타내는 상관계수는 0.9871로서 매우 밀접한 상호관계를 보여주고 있으며, 10% 유출온도 값의 ±2.1035의 표준오차를 가르킨다. 이는 근적외선 영역(800nm∼2500nm) 중에서 임의의 파장영역에 유용한 최상의 상호관계 및 최소의 표준편차이다.The correlation coefficient between the 10% runoff temperature and the first derivative is 0.9871, showing a very close correlation, indicating a standard error of ± 2.1035 of the 10% runoff temperature value. This is the best correlation and minimum standard deviation useful in any wavelength region in the near infrared region (800 nm to 2500 nm).
50% 유출온도50% outflow temperature
제2도는 파장 1100nm∼2230nm의 영역에서의 시료의 근적외선 흡광도를 나타낸 것이며, 50% 유출온도 범위는 217℃∼291℃이다. 파장영역 및 수처리 기법을 달리 사용한 것 외에는 10% 유출온도에서 사용한 바와 유사한 기술이며, 표 B에 모든 것을 나타내었다.2 shows the near-infrared absorbance of the sample in the wavelength range of 1100 nm to 2230 nm, with a 50% outlet temperature range of 217 ° C to 291 ° C. The technique is similar to that used at 10% effluent temperature except for the different wavelength range and water treatment techniques, and everything is shown in Table B.
표 BTABLE B
파일명 : 50%DISTFile Name: 50% DIST
분석기구 : 광학프로우브 시스템(Optiprobe system)Analytical Instruments: Optiprobe System
스펙트럼수 : 183Spectrum Number: 183
경로길이 : 3.5 mmPath length: 3.5 mm
조각 : 2Pieces: 2
갭 : 0Gap: 0
50% 유출온도와 흡광도와의 상관성을 나타내는 상관계수는 0.9941이며, 이것은 50%유출온도 측정치의 ±0.8136의 표준편차를 가르키며, 이는 근적외선 영역(800nm∼2500nm) 중에서 임의의 파장영역에 유용한 최상의 상호관계 및 최소의 표준편차이다.The correlation coefficient between 50% outlet temperature and absorbance is 0.9941, indicating a standard deviation of ± 0.8136 of the 50% outlet temperature measurement, which is the best correlation useful for any wavelength region in the near infrared region (800 nm to 2500 nm). And minimum standard deviation.
90% 유출온도90% outflow temperature
제3도와 제4도는 파장 1270nm∼1490nm, 1630nm∼2230nm의 영역에서의 흡광도에 대한 제1차 도함수를 취한 것이며, 90% 유출온도 범위는 319℃∼355℃이다. 파장영역을 달리 사용한 것 외에는 10% 유출온도에서 사용한 바와 유사한 기술이며, 표 C에 모든 것을 나타내었다.3 and 4 take a first derivative of the absorbance in the wavelength range of 1270 nm to 1490 nm and 1630 nm to 2230 nm, and the 90% outlet temperature range is 319 ° C to 355 ° C. The technique is similar to that used at 10% distillation temperature except that the wavelength region is used differently, and everything is shown in Table C.
표 CTable C
파일명 : 90%DISTFile name: 90% DIST
분석기구 : 광학프로우브 시스템(Optiprobe system)Analytical Instruments: Optiprobe System
스펙트럼수 : 183Spectrum Number: 183
경로길이 : 3.5 mmPath length: 3.5 mm
조각 : 10Pieces: 10
갭 : 0Gap: 0
90% 유출온도와 제1차 도함수 사이의 상관성을 나타내는 상관계수는 0.9802로서 매우 밀접한 상호관계를 보여주고 있다. 이것은 90%유출온도 측정값의 ±1.4894의 표준편차를 가르키며, 이는 근적외선 영역(800nm∼2500nm) 중에서 임의의 파장영역에 유용한 최상의 상호관계 및 최소의 표준편차이다.The correlation coefficient between the 90% runoff temperature and the first derivative is 0.9802, showing a very close correlation. This indicates a standard deviation of ± 1.4894 of the 90% runoff temperature measurement, which is the best correlation and minimum standard deviation useful in any wavelength region of the near infrared region (800 nm to 2500 nm).
인화점flash point
파장영역을 달리 사용한 것 외에는 10% 유출온도에서 사용한 바와 유사한 기술이며, 인화점 범위는 15℃∼73℃이다. 표 D에 모든 것을 나타내었다.The technique is similar to that used at 10% distillation temperature except that the wavelength region is used differently, and the flash point range is 15 ° C to 73 ° C. Table D shows everything.
표 DTable D
파일명 : FPFile name: FP
분석기구 : 광학프로우브 시스템(Optiprobe system)Analytical Instruments: Optiprobe System
스펙트럼수 : 183Spectrum Number: 183
경로길이 : 3.5 mmPath length: 3.5 mm
조각 : 10Pieces: 10
갭 : 0Gap: 0
인화점과 제1차 도함수 사이의 상관성을 나타내는 상관계수는 0.9760으로서 매우 밀접한 상호관계를 보여주고 있다. 이것은 인화점 측정값의 ±2.1813의 표준편차를 가르키며, 이는 근적외선 영역(800nm∼2500 nm) 중에서 임의의 파장영역에 유용한 최상의 상호관계 및 최소의 표준편차이다.The correlation coefficient between the flash point and the first derivative is 0.9760, which shows a very close correlation. This indicates a standard deviation of ± 2.1813 of flash point measurements, which is the best correlation and minimum standard deviation useful in any wavelength region of the near infrared region (800 nm to 2500 nm).
비중importance
파장영역을 달리 사용한 것 외에는 10% 유출온도에서 사용한 바와 유사한 기술이며, 비중 범위는 0.8141∼0.8602이다. 표 E에 모든 것을 나타내었다.The technique is similar to that used at 10% outlet temperature, except that the wavelength region is used differently, and the specific gravity range is 0.8141 to 0.8602. Table E shows everything.
표 ETable E
파일명 : GRFile name: GR
분석기구 : 광학프로우브 시스템(Optiprobe system)Analytical Instruments: Optiprobe System
스펙트럼수 : 183Spectrum Number: 183
경로길이 : 3.5 mmPath length: 3.5 mm
조각 : 10Pieces: 10
갭 : 0Gap: 0
비중과 제1차 도함수 사이의 상관성을 나타내는 상관계수는 0.9996으로서 대단히 밀접한 상호관계를 보여주고 있다. 이것은 비중 측정값의 ±0.0002의 표준편차를 가르키며, 이는 근적외선 영역(800nm∼2500 nm) 중에서 임의의 파장영역에 유용한 최상의 상호관계 및 최소의 표준편차이다.The correlation coefficient representing the correlation between specific gravity and the first derivative is 0.9996, showing a very close correlation. This refers to a standard deviation of ± 0.0002 of the specific gravity measurement, which is the best correlation and minimum standard deviation useful in any wavelength region of the near infrared region (800 nm to 2500 nm).
동점도Kinematic viscosity
파장영역 및 수처리 기법을 달리 사용한 것 외에는 10% 유출온도에서 사용한 바와 유사한 기술이며, 동점도 범위는 1.552cSt∼3.403cSt이다. 표 F 에 모든 것을 나타내었다.The technique is similar to that used at 10% effluent temperature except for the different wavelength range and water treatment techniques, and the kinematic viscosity range is 1.552 cSt to 3.403 cSt. Table F shows everything.
표 FTABLE F
파일명 : KVFile name: KV
분석기구 : 광학프로우브 시스템(Optiprobe system)Analytical Instruments: Optiprobe System
스펙트럼수 : 183Spectrum Number: 183
경로길이 : 3.5 mmPath length: 3.5 mm
조각 : 2Pieces: 2
갭 ; 0Gap; 0
동점도와 흡광도의 상관성을 나타내는 상관계수는 0.9971로서 대단히 밀접한 상호관계를 보여주고 있다. 이것은 등점도 측정값의 ±0.0315의 표준편차를 가르키며, 이는 근적외선 영역(800nm∼2500 nm) 중에서 임의의 파장영역에 유용한 최상의 상호관계 및 최소의 표준편차이다.The correlation coefficient, which is the correlation between kinematic viscosity and absorbance, is 0.9971, indicating a very close correlation. This points to a standard deviation of ± 0.0315 of the isotropic viscosity measurement, which is the best correlation and minimum standard deviation useful in any wavelength region of the near infrared region (800 nm to 2500 nm).
세탄지수Cetane index
파장영역을 달리 사용한 것 외에는 10% 유출온도에서 사용한 바와 유사한 기술이며, 세탄지수 범위는 44.5∼58.7이다. 표 G에 모든 것을 나타내었다.The technique is similar to that used at 10% distillation temperature except for the different wavelength range, and the cetane index ranges from 44.5 to 58.7. Table G shows everything.
표 GTable G
파일명 : CIFile name: CI
분석기구 : 광학프로우브 시스템(Optiprobe system)Analytical Instruments: Optiprobe System
스펙트럼수 : 183Spectrum Number: 183
경로길이 : 3.5 mmPath length: 3.5 mm
조각 : 10Pieces: 10
갭 : 0Gap: 0
세탄지수와 제1차 도함수 사이의 상관성을 나타내는 상관계수는 0.9961로서 대단히 밀접한 상호관계를 보여주고 있다. 이것은 세탄지수 산출식에 의한 계산값의 ±0.3198의 표준편차를 가르키며, 이는 근적외선 영역(800nm∼2500 nm) 중에서 임의의 파장영역에 유용한 최상의 상호관계 및 최소의 표준편차이다.The correlation coefficient representing the correlation between the cetane index and the first derivative is 0.9961, indicating a very close correlation. This indicates a standard deviation of ± 0.3198 of the calculated value by the cetane index equation, which is the best correlation and minimum standard deviation useful in any wavelength region in the near infrared region (800 nm to 2500 nm).
기존의 경유 제품의 품질을 평가하기 위한 시험방법에서는 각 물성 항목에 대하여 별도의 장비가 필요하고, 각각의 시험방법이 상이하여 시험자의 전문성이 요구되었으며, 총 측정시간이 135분으로서 장시간이 소요되고, 시험 시료량도 270㎖ 이상이 필요하였으나, 이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 근적외선 분광광도계에 의한 1회의 스펙트럼 측정으로 각 항목에 대한 시험 결과를 동시에 구할 수 있도록 함으로써, 측정시간과 소요 시료량을 각각 2분, 2㎖로 대폭 감축시켜 기존 시험방법에서의 문제점을 획기적으로 개선함과 동시에 시험자의 피로도도 경감시킴은 물론이려니와 기존 시험방법에서의 인화성이 강한 경유의 가열과 점화에 따른 위험성 및 다량의 증기 발생 의 문제점도 동시에 해결하게 되었다.Existing test methods for evaluating the quality of existing diesel products require separate equipment for each property item, and each test method is different, requiring the expert's expertise, and the total measurement time is 135 minutes. In addition, although the test sample amount was also required to be 270 ml or more, the present invention, as described above, by simultaneously measuring the test results for each item by one spectrum measurement by a near infrared spectrophotometer, the measurement time and the required sample amount Significantly reduce problems in the existing test methods by significantly reducing the amount to 2 minutes and 2ml, respectively, as well as reducing the fatigue of the tester. The problem of steam generation was solved at the same time.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020000012364A KR20000030689A (en) | 2000-03-11 | 2000-03-11 | Simultaneous evaluation method of physical properties of diesel fuel oil using near-infrared absorption spectra |
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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