NO328845B1 - Maling av drivstoffsammensetning med laser - Google Patents
Maling av drivstoffsammensetning med laser Download PDFInfo
- Publication number
- NO328845B1 NO328845B1 NO20073522A NO20073522A NO328845B1 NO 328845 B1 NO328845 B1 NO 328845B1 NO 20073522 A NO20073522 A NO 20073522A NO 20073522 A NO20073522 A NO 20073522A NO 328845 B1 NO328845 B1 NO 328845B1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- laser
- accordance
- fuel
- light
- container
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 70
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims description 12
- 238000010422 painting Methods 0.000 title 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 36
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 34
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims abstract description 6
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims abstract description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 32
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 9
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000012925 reference material Substances 0.000 claims description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 15
- RWGFKTVRMDUZSP-UHFFFAOYSA-N cumene Chemical compound CC(C)C1=CC=CC=C1 RWGFKTVRMDUZSP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- DIOQZVSQGTUSAI-UHFFFAOYSA-N decane Chemical compound CCCCCCCCCC DIOQZVSQGTUSAI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- IMNFDUFMRHMDMM-UHFFFAOYSA-N N-Heptane Chemical compound CCCCCCC IMNFDUFMRHMDMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 5
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical compound CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 4
- TVMXDCGIABBOFY-UHFFFAOYSA-N octane Chemical compound CCCCCCCC TVMXDCGIABBOFY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000008096 xylene Substances 0.000 description 4
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 3
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 3
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- 238000005033 Fourier transform infrared spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 150000001491 aromatic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000003889 chemical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000004587 chromatography analysis Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000004817 gas chromatography Methods 0.000 description 1
- 230000003760 hair shine Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004476 mid-IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000003380 propellant Substances 0.000 description 1
- 102220038805 rs112588837 Human genes 0.000 description 1
- 102220162169 rs575633576 Human genes 0.000 description 1
- 102220055684 rs727504015 Human genes 0.000 description 1
- 102220096718 rs865838543 Human genes 0.000 description 1
- 102220037530 rs9827878 Human genes 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000004230 steam cracking Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/26—Oils; Viscous liquids; Paints; Inks
- G01N33/28—Oils, i.e. hydrocarbon liquids
- G01N33/2829—Mixtures of fuels
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/85—Investigating moving fluids or granular solids
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/12—Circuits of general importance; Signal processing
- G01N2201/129—Using chemometrical methods
- G01N2201/1293—Using chemometrical methods resolving multicomponent spectra
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Fremgangsmåte for å analysere et drivstoff, fortrinnsvis hydrokarboner, hvilken fremgangsmåte omfatter følgende trinn: a). avstemming av en laser for å sende ut ulike bølgelengder med lys, b). gjennomlysning med laserlyset av et kammer eller en beholder/ledning med drivstoff, c). måling av transmittert laserlys etter det har passert kammeret/beholderen/ledningen ved en optisk detektor, d). innsamling og lagring av målinger, e). analysere målingene ved hjelp av en mikrokontroller, f). beregne konsentrasjoner ved hjelp av en algoritme innrettet i mikrokontrolleren og et kjemisk referansebibliotek. Oppfinnelsen omfatter også et system for gjennomføring av fremgangsmåten.
Description
Måling av drivstoffsammensetning med laser
Feltet for oppfinnelsen
Oppfinnelsen gjelder bruk og en fremgangsmåte for analyse av drivstoff med en laser, fortrinnsvis en eller flere avstembar(e) laser(e) som kan sveipe (skanne) et eller flere spektrum innenfor det infrarøde bølgelengdeområdet mellom 1 og 25u.m, i samsvar med innledningen til patentkrav 1.
De spektrale data danner grunnlaget for å analysere drivstoffet, slik at man matematisk henter ut absorpsjonsdata og sammenligner det med et sammensatt kjemisk bibliotek. Ved å ta hensyn til de ulike drivstoffkomponentene, kan man hente ut innholdet av disse i drivstoffet, og dermed beregne optimale forbrenningsforhold for drivstoffet.
Oppfinnelsen gjelder også et system for gjennomføring av fremgangsmåten i samsvar med patentkrav 11.
Bakgrunn
En måte å måle en kjemikalie med lys på er å benytte bølgelengder som har absorpsjon av den gitte kjemikalien. Dette kan i dag gjøres i et Fourier Transform Infrarødt (FTIR) spektrometer som har en IR-lampe eller IR-diode som lyskilde, og et interferometrisk filter som består av to nøyaktig kontrollerte speil. Alternativt kan man benytte en monokromator som består av et gitter som filtrerer og sveiper bølgelengdeområdet ved å endre vinkel på lyset i forhold til gitteret. I begge tilfellene benytter man en bredbåndet optisk kilde, samt en detektor som fanger opp lyset etter at det har passert et filter.
Teknikken i samsvar med oppfinnelsen, baserer seg på å benytte en eller flere avstembar(e) laser(e) som kan gi lys i det infrarøde området, for å hente spektral informasjon, fremfor speil eller gitter. Valget av bølgelengden man skal hente inn informasjon fra blir derfor valgt direkte med kilden, og man slipper å ha et eget filter for dette.
Det er flere typer laser som kan benyttes, men man må kunne sveipe et bølgelengdeområde, fortrinnsvis uten at man er avhengig av store temperaturendringer eller lignende som kan ødelegge laseren over tid.
Lyset som emitteres fra laseren vil gå igjennom det drivstoffet man ønsker å bestemme sammensetningen til, og deretter fanges opp av en detektor. Man vil således kunne analysere absorpsjonsdata fra drivstoffet innenfor et bølgelengdeområde. For mer kompliserte drivstoff med flere komponenter, kan det være nødvendig å benytte flere lasere for å få nok spektral data til å hente ut sammensetningen. Man benytter da enten den samme eller en annen detektor, og lyser igjennom drivstoffet med hver enkelt laser for å hente absorpsjonsdata fra de ulike spektrale områdene.
En interferometrisk laser har tidligere blitt utviklet (patentsøknad NO 20051589) som kan gi lys i det medium infrarøde (mid-IR) området. Denne laseren kan benyttes for å gjøre de målinger som er beskrevet i denne oppfinnelsen.
I publikasjonen med tittelen " Advances in Tunable Diode Laser ( TDL) Sensingfor Combustion and Propulsion", Georgia Institute of Technology, av Hanson, Ronald K., fra 18. mai 2006, er det beskrevet ulike løsninger for analyse av prosesser inni en motor, der hensikten er å kartlegge forbrenningsprosesser i en drivstoff - luft gassblanding i et kammer, under eller etter forbrenning. Metoden som er vist benytter en eller flere diodelasere og en eller flere detektorer, samt bølgelengdedispersive gitre for å kartlegge prosessene.
Patentpublikasjonen EP 1447657 A2 beskriver måling av et hydrokarbon med en laser. For å måle en sammensetning av flere hydrokarboner må det måles med en ekstra laser per hydrokarbon, samt at absorpsjons-Aransmisjonsspektra ikke kan være overlappende (noe de alltid er hvis drivstoffet er i væskeform).
Fra US 6,937,633 B2 er det kjent en multi-bølgelengde-laser som sender ut flere bølgelengder samtidig. Den krever imidlertid flere optiske detektorer og man må splitte lyset i de individuelle bølgelengdene for å måle dem med de ulike detektorene.
US 4,318,058 Al viser som en anordning for bruk av smalbåndet forgreiningslasere som kan emittere et flertall bølgelengder.
Formål
Formålet med oppfinnelsen er å skape en metode for, en fremgangsmåte for og design av et system for analyse av drivstoff ved hjelp av en eller flere avstembar(e) laser(e) som kan sveipe ett eller flere spektrale områder. Det er også et formål at denne fremgangsmåten skal gi data for å kunne styre en motor, samt at den skal kunne benyttes for ulike typer lasere.
Oppfinnelsen
En fremgangsmåte i samsvar med oppfinnelsen er angitt i patentkrav 1. Fordelaktige trekk ved fremgangsmåten er angitt i patentkrav 2-10.
Et system for gjennomføring av fremgangsmåten er angitt i patentkrav 11. Fordelaktige trekk ved systemet er angitt i patentkrav 12-17.
Figur 1 viser et eksempel på et system i samsvar med oppfinnelsen, satt opp for å måle transmisjon igjennom drivstoff som passerer. Absorpsjonsdata beregnes ut ifra transmisjons-målingen.
Et system for å måle transmisjonen gjennom driftstoff omfatter i samsvar med oppfinnelsen et kammer eller en beholder/ledning, i hvilket kammer eller hvilken beholder/ledning det er et drivstoff, hvilket kammer eller beholder/ledning er gjennomsiktig for lyset som benyttes, en eller flere avstembar(e) laser(e), en eller flere detektorer, en mikrokontroller, samt vanlig elektronikk.
Alternativt i oppsettet vil være å benytte en del av lyset til en referansedetektor der dette passerer et referansemateriale. I noen tilfeller vil referansedetektoren være integrert i laser-komponenten.
Hvordan innholdet av komponenter i drivstoffet beregnes vil nå bli beskrevet.
I tilfellet som er benyttet for denne beskrivelsen er det flere drivstoffkomponenter. Absorpsjonen fra hver enkelt drivstoffkomponent er lagret i systemet som et referansebibliotek, slik at det kan gjøres en best mulig tilpasning av innholdet for de ulike drivstoffkomponentene i drivstoffet. Det er to ulike metoder for å gi en analyse av innholdet i drivstoffet.
Den først metoden baserer seg på å velge et eller flere spektrale områder som har absorpsjon av alle drivstoffkomponentene. Området velges slik at drivstoffkomponenten(e) har middels absorpsjon i minst en del av dette området; dvs. at den ikke gir totaldempning av optiske signalet eller dempning som ikke er målbart. Ved å måle et punkt med absorpsjon fra alle komponentene, vil denne gjengi sammensetningen til et begrenset antall komponenter gitt ved transmisjonen:
Der an(Å.) er absorpsjonskoeffisienten til en drivstoffkomponent n, Å. er bølgelengde, L er veilengden til lyset og en er konsentrasjonen av drivstoffkomponent n.
Så lenge det er minst like mange målepunkter med informasjon om drivstoffkomponentene som det er antall komponenter, så kan man finne konsentrasjonen av hver komponent. Måle-punktene må absorbere drivstoffkomponentene med ulik dempning på det optiske signalet (ulik absorpsjonsfaktor for hvert punkt og hver drivstoffkomponent), så lenge absorpsjons-sammensetningen av hver topp er forskjellig fra de andre toppene. Når denne betingelsen er oppnådd, får man et matematisk ligningssett med like mange ukjente som ligninger, og de kan løses:
Der \ m er bølgelengde for topp m. Et referansebibliotek med absorpsjonsdata fra de ulike drivstoffkomponentene giren relasjon mellom absorpsjonskoeffisienten an(Å.m) for ulike bølgelengder Å.m, slik at:
Der Cn,xix er forholdet mellom absorpsjonskoeffisienten for den første og en av de andre absorpsjonstoppene. Omskrevet gir dette:
Siden L, Cn,xix og an er kjente, trenger man bare å måle T(Å.m) for å finne konsentrasjonene en for de ulike drivstoffkomponentene.
Den andre metoden for å finne konsentrasjonen av drivstoffkomponenter består i å ta opp mest mulig data over et område mellom to bølgelengder Åi og \ 2- Ved innsamlingen vil man velge et diskret antall punkter innenfor dette området. Man ender så opp med en situasjon som for den første metoden, men med vesentlige flere transmisjonsmålingerT(Å.m, Ei,.., en) enn antallet ukjente drivstoffkomponenter. For å finne konsentrasjonene en for de ulike drivstoffkomponentene vil man derfor måtte gjøre en statistisk tilpasning mellom reelle transmisjonsmålinger TR(Å.m, e l7 .., en) og beregnet transmisjon TB(Å.m, e l7 .., en) ut ifra et kjemisk referansebibliotek. I tilpasningen varierer man de beregnede konsentrasjonene en inntil differansen mellom beregnede og reelle målinger når et minimum i avvik. Propageringen av de ulike verdiene til en er avhengig av mange faktorer, slik at endringen i em vil danne grunnlaget for å minimalisere avviket mellom TR(Xm, Ei,.., en) og TB(A.m, Ei,.., en).
For å forenkle tilpasningen, kan man benytte begrensede dataområder der absorpsjonen er stor fra noen av drivstoffkomponentene, men liten fra de andre. Man kan så bestemme konsentrasjonen av noen komponenter først, slik at antallet ukjente blir redusert for tilpasningen i andre områder.
En fremgangsmåte i samsvar med oppfinnelsen for å analysere et drivstoff, fortrinnsvis hydrokarboner, kan oppsummeres i følgende trinn:
a) avstemming av en laser for å sende ut ulike bølgelengder med lys,
b) gjennomlysning med laserlyset av et kammer eller en beholder/ledning med drivstoff,
c) måling av transmittert laserlys etter det har passert kammeret/beholderen/ledningen ved en optisk detektor,
d) innsamling og lagring av målinger,
e) analysere målingene ved hjelp av en mikrokontroller,
f) beregne konsentrasjoner ved hjelp av en algoritme innrettet i mikrokontrolleren og et
kjemisk referansebibliotek
Trinn a) omfatter avstemming av en laser for å sende ut lys i ulike bølgelengder, hvilket kan gjøres på flere måter, eksempelvis ved å endre strømmen, endre temperaturen eller både endre strømmen og temperaturen.
Trinn b) omfatter måling av absorbansen i et kammer eller en beholder/ledning eller lignende med drivstoffgjennomstrømning, hvilket kammer eller hvilken beholder/ledning er gjennomsiktig, hvor man ved hjelp av en detektor måler hvor mye lys som er absorbert.
Trinn c) omfatter innsamling og lagring av målingene i trinn b) ved hjelp av en mikrokontroller. Trinn d) omfatter behandling og analyse av målingene ved hjelp av en eller flere algoritmer innrettet i mikrokontrolleren.
Trinn e) omfatter beregning av konsentrasjonene ved hjelp av en algoritme innrettet i mikrokontrolleren for dette og et kjemisk referansebibliotek lagret i minne på mikrokontrolleren.
Trinn a) kan også omfatte endring arbeidssyklus og pulsstrøm til laseren.
Trinn d) vil i et slikt tilfelle omfatte filtrering av signalet fra detektoren i henhold til pulsfrekvensen til laseren.
Trinn b) kan også omfatte måling av lyset med en referansedetektor og et referansemateriale for å kalibrere bølgelengden på lyset.
Trinn a)-b) kan også omfatte måling ved bruk av IR-lys i området l,0-10,0um.
Trinn a)-b) kan også omfatte måling ved bruk av IR-lys i området l,6-4,2um.
Trinn a)-b) kan også omfatte måling ved bruk av IR-lys i området 2,l-2,9um.
Figur 2 viser målte absorpsjonsdata fra transmisjonsmålinger av noen drivstoffkomponenter for å bygge et kjemisk referansebibliotek. Biblioteket inneholder typisk alle de drivstoffkomponentene en vil at systemet skal ta hensyn til.
Ytterligere detaljer ved oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende eksempelbeskrivelsen.
Eksempel
Oppfinnelsen vil i det etterfølgende bli mer detaljert beskrevet med henvisning til de vedlagte figurene, hvor Figur 1 viser skjematisk et oppsett for en lasermodul for utføring av fremgangsmåten i samsvar med oppfinnelsen,
Figur 2 viser absorbanskurver for noen av de vanligste drivstoffkomponentene,
Figur 3 viser et beregnet transmisjonsspektrum med ulike innhold av tre vanlige drivstoffkomponenter, og Figur 4 viser transmisjonskurve for etanol og metanol ved 50 % konsentrasjon i vann, samt rent vann for sammenligning. Fig. 1 viser et eksempel av et oppsett av en lasermodul som er en del av et system i samsvar med oppfinnelsen for måling av drivstoff med laser. Et slikt oppsett omfatter et gjennomsiktig kammer eller en gjennomsiktig beholder eller ledning 10, gjennom hvilket kammer eller beholder/ ledning 10 det strømmer et drivstoff. Videre omfatter et slikt oppsett en laserkilde 11 med integrert fotodiode og en detektor 12, eksempelvis en fotodiode eller lignende. Lys sendes ut fra laserkilden 11, igjennom den gjennomsiktige beholderen/ ledningen 10 eller kammer med drivstoffet og ut på en detektor 12. Vinkelen (|> mellom lyset fra laserkilden 11 og beholderen 10 velges slik at det reflekterte lyset ikke påvirker laserkilden 11. Systemet omfatter videre en mikrokontroller 13, samt annen elektronikk. Ved å sende en del av lyset fra laseren gjennom referansecellen kan man måle den faktiske bølgelengden. Mikrokontrolleren er innrettet med algoritmer og et referansebibliotek for utføring av fremgangsmåten i samsvar med oppfinnelsen. Som et alternativ kan noe av lyset måles med en referansedetektor igjennom et referansemateriale med den hensikt å måle bølgelengden og dataene mer nøyaktig. Figur 2 viser absorpsjonsdata fra noen av de mest vanlige drivstoffkomponentene i området 1-3 u.m bølgelengde. Dataene viser at man kan få spektral informasjon fra de ulike komponentene som identifiserer disse. Grafene viser spesielt interessante topper som tydelig skiller de ulike komponentene. Som en ser av Figur 2, gir Cumen og Xylen absorpsjonstopper ved 2,17 u.m og 2,19 u.m. Dekan gir en sterk, tynn absorpsjonstopp ved både 2,35 og 2,45 u.m som overlapper noe med Toluen og Hexan på 2,35 u.m og Cumen på 2,45 u.m. Toluen, Heptan, Dekan og Hexan bidrar alle sterkt til absorpsjonstoppen rundt 2,30 u.m. Oktan bidrar ikke sterkt til noen av toppene, men har en absorpsjon rundt 2,40 u.m som er relativt like høy som for de andre komponentene. Man har altså følgende sterke topper:
2,17 u.m - Cumen og Xylen
2,19 u.m - Cumen og Xylen
2,45 u.m - Dekan og Cumen
2,35 u.m - Toulen, Hexan og Cumen
2,30 nm - Toulen, Hexan, Dekan og Heptan
2,40 u.m - Toulen, Hexan, Dekan, Heptan, Cumen, Xylen og Oktan
Måling ved disse toppene kan gi totalabsorpsjon, noe som må unngås hvis man skal ha ut konsentrasjonen. Totalabsorpsjon kan dog benyttes for å kalibrere bølgelengden, slik at man får en absorpsjonsmåling der man har høy absorpsjon uten å få totalabsorpsjon. Hvis man benytter en referansedetektor og et referansemateriale, vil bølgelengden kalibreres med dette.
Figur 3 viser et beregnet transmisjonsspektrum for et drivstoff med tre hovedkomponenter ut ifra absorpsjonsdataene vist i Figur 2. Tynne, spisse absorpsjonstopper med høy absorbans har lavere transmisjon enn det som kommer fram av figuren.
Eksempelet gitt i Figur 3 viser et transmisjonsspektrum av de tre hovedkomponentene Oktan, Dekan og Cumen. Ved valg av toppene ved ~2,19 u.m, ~2,35 u.m og ~2,40 u.m kan man måle nok data for å få konsentrasjonen til disse tre kjemikaliene.
Enkelt satt opp har man med andre ord (med forenklet notasjon for konstantene Cxy der x er bølgelengde og y er drivstoffkomponent nr.):
Konsentrasjonen til de ulike stoffene finnes ved å ta logaritmen til de to sidene:
Tre ligninger med tre ukjente gir som løsning:
Som vi ser er konsentrasjonen av drivstoffkomponentene kun avhengig av forholdstallene mellom absorpsjonstoppene Cxy (som lagres i et kjemisk referansebibliotek), den målte transmisjonen T(Å.m, Ei, e2, £3) og lengden L som lyset må passere igjennom drivstoffet.
Vi har valgt følgende bølgelengder som gir tilhørende absorpsjonsfaktorer:
2187 nm, adekan=0,060 mm"<1>, aoktan=0,071 mm"<1>, acumen<=0,>428 mm <1>
2350 nm, adekan=l,522 mm"<1>, aoktan=1,032 mm"<1>, acumen<=>0,888 mm <1>
2383 nm, adekan=l,172 mm"<1>, aoktan=0,961 mm"<1>, acumen<=>0,498 mm <1>
Dvs.:
a!=0,060 mm"<1>, a2=0,071 mm"<1>, a3=0,428 mm"<1>
C21= 1,522/0,060=25,36, C3i=l,172/0,060=19,53
C22= 1,032/0,071=14,54, C32=0,961/0,071=13,54
C23=0,888/0,428=2,075,C33=0,498/0,428=1,164
Fra Figur 3 finner en at:
T(2187nm)=90,4%
T(2350nm)=28,3 %
T(2383nm)=36,l %
Dvs.:
T^-0,1009 mm"<1 >T2=-l,262 mm <1 >T3=-l,019 mm <1>
Som gir
Med andre ord er konsentrasjonen av stoffene beregnet å være 10 % Cumen, 39 % Oktan og 51 % Dekan med utgangspunkt i transmisjonskurven som gitt i Figur 3. Som vi ser er nøyaktigheten innenfor 1 % av den korrekte verdien i dette eksempelet.
Det er to måter å øke nøyaktigheten av målingen i dette eksempelet på:
1) Bruke flere antall korrekte desimaler i målingen (forbedret signal/støyforhold i en reell måling) 2) Flere transmisjonsmålinger kan gjøres, enten ved flere bølgelengder eller ved å måle om igjen på samme bølgelengdene flere ganger (tidsmidling). Ved mange nok målinger vil en få en statistisk distribusjon av verdiene i form av en fordeling. Snittet av disse verdiene vil forbedre resultatet.
Figur 4 viser målt transmisjon for 50 % metanol og 50 % etanol i vann, samt rent destillert vann for sammenligning. I motsetning til ren bensin, kan alkoholer løses i vann og omvendt. I slike tilfeller må man ta hensyn til at vann vil absorbere i enkelte områder ved målinger, dvs. i situasjoner hvor det er vann i drivstoffet.
Konsentrasjonsmålingene for drivstoffet er tenkt benyttet for å gi data til ulike applikasjoner. Både i forbindelse med en mer korrekt prising av drivstoffet og i forbindelse med styring av motoren vil brukeren ha nytte av denne. For motorstyring er det viktig å kunne ha kontroll på optimal forbrenning. Dette gjøres ved å benytte drivstoffdataene i en modell der man har optimalisert ulike motorparametere for ulike drivstoffsammensetninger. Dataene gjør således styringssystemet i stand til å justere motoren til en optimal stilling ved å justere disse motor-parametrene ut ifra hvordan drivstoffblandingen er.
Figur 2 viser det kjemiske referansebibliotek, der noen av dataene ble brukt til eksempelet vårt. Biblioteket inneholder typisk alle de drivstoffkomponentene en vil at systemet skal ta hensyn til.
Modifikasjoner
Alternative utforminger av oppfinnelsen kan være:
i) Å øke nøyaktigheten på målingen med en smalbåndet laser,
ii) Å øke nøyaktigheten på måling med en forgreningslaser,
iii) Å benytte dekonvolusjon av absorbans eller transmisjonskurvene til de ulike
drivstoffkomponentene,
iv) Å frekvensfiltrere det målte signalet ved å amplitudemodulere laseren,
v) Å øke eller redusere trykket for å føre drivstoffet over i gass eller væskefase,
vi) Å øke eller redusere temperatur for å føre drivstoffet over i gass eller væskefase.
Referanser
1. Patent NO 20051589: "En ny type laser" 2. NJ. Micyus, J.D. McCurry, J.V. Seeley: "Analysis of aromatic compounds in gasoline with flow-switching comprehensive two-dimensional gas chromatography", pp. 115-121, Journal of Chromatography A, Vol. 1086 (2005) 3. K.M. Van Geem, D. Hudebine, M.F. Reyniers, F. Wahl, J.J. Verstraete, G.B. Marin: "Molecular reconstruction of naphtha steam cracking feedstocks based on commercial indices", 15 pages, Computers and Chemical Engineering (2006), doi:10.1016/j.compchemeng.2006.09.001
Claims (17)
1. Fremgangsmåte for å analysere sammensetningen av et drivstoff uten innblanding av luft, fortrinnsvis hydrokarboner, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter følgende trinn: a) avstemming av en laser for å sende ut ulike bølgelengder med lys, b) gjennomlysning med laserlyset av et kammer eller en beholder/ledning med drivstoff, c) måling av transmittert laserlys etter det har passert kammeret/beholderen/ledningen ved en optisk detektor, d) innsamling og lagring av målinger, e) analysere målingene ved hjelp av en mikrokontroller, f) beregne konsentrasjoner ved hjelp av en algoritme innrettet i mikrokontrolleren og et kjemisk referansebibliotek
2. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at noe av lyset benyttes til måling av et lyssignal gjennom et referansemateriale.
3. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 2, karakterisert ved at målingene fra referansematerialet benyttes for å bestemme den faktiske bølgelengden til lyset.
4. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at laseren endrer bølgelengder/ avstemmes ved å endre strøm og/eller temperatur.
5. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved å endre arbeidssyklus og puls strøm til laseren.
6. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 5, karakterisert ved at signalet fra detektoren filtreres i henhold til pulsfrekvensen til laseren.
7. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at drivstoffet er bensin, etanol, metanol eller blandinger av disse.
8. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at drivstoffet er i gassform pga. trykk eller temperaturbetingelser.
9. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at det spektrale området velges slik at drivstoffkomponentene har middels absorpsjon i minst en del av det spektrale området.
10. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at det er minst like mange målepunkter som det er drivstoffkomponenter.
11. System for gjennomføring av fremgangsmåten i samsvar med patentkravene 1-10, karakterisert ved at systemet omfatter: et kammer eller en beholder/ledning eller lignende, gjennom hvilket kammer eller hvilken beholder/ledning (10) det strømmer et drivstoff, en eller flere avstembar(e) laser(e) (11) og en eller flere detektorer (12).
12. System i samsvar med patentkrav 11, karakterisert ved at systemet videre omfatter en referansecelle anordnet i forbindelse med laseren, gjennom hvilken referansecelle en del av lyset fra laseren føres igjennom.
13. System i samsvar med patentkrav 11 og 12, karakterisert ved at systemet videre omfatter en mikrokontroller (13) med eksternt eller internt minne.
14. System i samsvar med patentkrav 11-13, karakterisert ved at mikrokontrolleren (13) er innrettet med algoritmer for måling, lagring av målinger, analyse av målinger og beregning av konsentrasjoner av drivstoffkomponenter.
15. System i samsvar med patentkrav 11, karakterisert ved at vinkelen 4> mellom laserlyset og kammeret/beholderen/ledningen (10) er valgt slik at reflektert lys ikke påvirker laseren.
16. System i samsvar med patentkrav 11, karakterisert ved at laseren (11) er en smalbåndet laser eller en forgreiningslaser eller lignende.
17. System i samsvar med patentkrav 11, karakterisert ved at kammeret/beholderen/ ledningen (10) eller lignende er gjennomsiktig.
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20073522A NO328845B1 (no) | 2007-07-09 | 2007-07-09 | Maling av drivstoffsammensetning med laser |
| US12/666,810 US20100141949A1 (en) | 2007-07-09 | 2008-06-02 | Measuring of fuel composition by using laser |
| RU2009148670/28A RU2009148670A (ru) | 2007-07-09 | 2008-06-02 | Измерение состава топлива с использованием лазера |
| EP08766910A EP2165180A1 (en) | 2007-07-09 | 2008-06-02 | Measuring of fuel composition by using laser |
| PCT/NO2008/000195 WO2009008729A1 (en) | 2007-07-09 | 2008-06-02 | Measuring of fuel composition by using laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20073522A NO328845B1 (no) | 2007-07-09 | 2007-07-09 | Maling av drivstoffsammensetning med laser |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NO20073522L NO20073522L (no) | 2009-01-12 |
| NO328845B1 true NO328845B1 (no) | 2010-05-31 |
Family
ID=40228775
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NO20073522A NO328845B1 (no) | 2007-07-09 | 2007-07-09 | Maling av drivstoffsammensetning med laser |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20100141949A1 (no) |
| EP (1) | EP2165180A1 (no) |
| NO (1) | NO328845B1 (no) |
| RU (1) | RU2009148670A (no) |
| WO (1) | WO2009008729A1 (no) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ES2375386B1 (es) * | 2010-07-21 | 2012-09-27 | Abengoa Solar New Technologies, S.A. | Reflectómetro portátil y método de caracterización de espejos de centrales termosolares. |
| US9557314B2 (en) * | 2010-09-30 | 2017-01-31 | Delaware Capital Formation, Inc. | Apparatus and method for determining phase separation risk of a blended fuel in a storage tank |
| JPWO2012121281A1 (ja) * | 2011-03-07 | 2014-07-17 | 国立大学法人東北大学 | 燃料物性決定方法及び燃料物性決定装置 |
| CN102608066B (zh) * | 2011-12-30 | 2014-07-30 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 手持式激光酒驾遥测预警系统 |
| GB2507959A (en) * | 2012-11-09 | 2014-05-21 | M Squared Lasers Ltd | Characterising hydrocarbon fluids using mid infrared absorption |
| RU2600075C2 (ru) * | 2014-06-30 | 2016-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью "АРЛИН ИНЖИНИРИНГ" | Способ определения параметров скважинного многокомпонентного потока и устройство для его осуществления |
| CN111323387A (zh) * | 2020-03-21 | 2020-06-23 | 哈尔滨工程大学 | 甲烷值在线实时监测系统 |
| WO2024075079A1 (en) * | 2022-10-07 | 2024-04-11 | Brolis Sensor Technology, Uab | Fluid sensing device and control system |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4318058A (en) * | 1979-04-24 | 1982-03-02 | Nippon Electric Co., Ltd. | Semiconductor diode laser array |
| DE4216508A1 (de) * | 1992-05-19 | 1993-11-25 | Ortwin Dr Brandt | Feststoffanalysengerät (Vorrichtung und Verfahren) |
| US5445964A (en) * | 1994-05-11 | 1995-08-29 | Lee; Peter S. | Dynamic engine oil and fuel consumption measurements using tunable diode laser spectroscopy |
| US6496260B1 (en) * | 1998-12-23 | 2002-12-17 | Molecular Devices Corp. | Vertical-beam photometer for determination of light absorption pathlength |
| SG93242A1 (en) * | 2000-06-21 | 2002-12-17 | Univ Singapore | Multi-wavelength semiconductor lasers |
| DE10031674A1 (de) * | 2000-06-29 | 2002-01-17 | Siemens Ag | Verfahren zur Brennwertbestimmung von Erdgas |
| DE10304455B4 (de) * | 2003-02-04 | 2005-04-14 | Siemens Ag | Verfahren zur Analyse eines Gasgemisches |
-
2007
- 2007-07-09 NO NO20073522A patent/NO328845B1/no not_active IP Right Cessation
-
2008
- 2008-06-02 US US12/666,810 patent/US20100141949A1/en not_active Abandoned
- 2008-06-02 EP EP08766910A patent/EP2165180A1/en not_active Withdrawn
- 2008-06-02 RU RU2009148670/28A patent/RU2009148670A/ru not_active Application Discontinuation
- 2008-06-02 WO PCT/NO2008/000195 patent/WO2009008729A1/en active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2009148670A (ru) | 2011-08-20 |
| WO2009008729A1 (en) | 2009-01-15 |
| NO20073522L (no) | 2009-01-12 |
| US20100141949A1 (en) | 2010-06-10 |
| EP2165180A1 (en) | 2010-03-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| NO328845B1 (no) | Maling av drivstoffsammensetning med laser | |
| US10352768B2 (en) | Spectroscopic analysis | |
| CN102265137B (zh) | 具有单个的测量和参考检测器的汽车车载微型光谱仪 | |
| US11614400B2 (en) | Apparatus and method for detecting phase changes in a fluid using spectral recognition | |
| US5139334A (en) | Hydrocarbon analysis based on low resolution raman spectral analysis | |
| US5892228A (en) | Process and apparatus for octane numbers and reid vapor pressure by Raman spectroscopy | |
| EP2694933B1 (en) | Spectroscopic analyser | |
| Li et al. | Estimation of the leaf chlorophyll content using multiangular spectral reflectance factor | |
| US9863870B2 (en) | Method and apparatus to use multiple spectroscopic envelopes to determine components with greater accuracy and dynamic range | |
| US7248357B2 (en) | Method and apparatus for optically measuring the heating value of a multi-component fuel gas using nir absorption spectroscopy | |
| WO2014072736A1 (en) | Method for characterising hydrocarbon fluids | |
| Lee et al. | On the modeling of hyperspectral remote-sensing reflectance of high-sediment-load waters in the visible to shortwave-infrared domain | |
| Corsetti et al. | Comparison of Raman and IR spectroscopy for quantitative analysis of gasoline/ethanol blends | |
| EP1064533B1 (fr) | Dispositif et procede de mesure directe de l'energie calorifique contenue dans un gaz combustible | |
| WO2015160520A1 (en) | Method and systems to analyze a gas-mixture | |
| CN109521437B (zh) | 面向植被生化参数探测的多光谱激光雷达波长选择方法 | |
| CN104204776B (zh) | 生物气中硅氧烷的测量方法及装置 | |
| US6307626B1 (en) | Dispersive atomic vapor raman filter | |
| Lei et al. | Leaf equivalent water thickness assessment by means of spectral analysis and a new vegetation index | |
| Maldonado Gil | Development of new applications in industrial backgrounds based on Middle Infrared spectroscopy (MID IR) using low cost and uncooled sensors | |
| Lysaght | A field-portable, fiber-optic based near-infrared spectrometer and its applications to fuels analysis |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Lapsed by not paying the annual fees |