PL247310B1 - Układ pomiarowy i sposób pomiaru paliw płynnych za pomocą spektrometru - Google Patents

Abstract

Układ pomiarowy paliw płynnych zawierający odgałęzienie (T1) do doprowadzania paliwa płynnego do układu sensorycznego (K1) oraz układ kontrolno—sterujący (C1) przyjmujący na wejściu sygnał z układu sensorycznego (K1) zawierającego spektrometr, cechuje się tym, że układ sensoryczny (K1) zawiera komorę pomiarową z przynajmniej jednym spektrometrem wybranym z grupy obejmującej spektrometr optyczny oraz spektrometr subterahercowy, pomiędzy układem odgałęzienia (T1) a układem sensorycznym (K1) znajduje się zawór (V1) zaś wylot zaworu (V1) jest połączony z wlotem komory pomiarowej układu sensorycznego (K1) a wylot komory pomiarowej jest zamykany sterowanym drugim sterowanym zaworem (V2), do którego jest dołączona pompa (P1).

Description

Opis wynalazku

Dziedzina

Przedmiotem wynalazku jest Układ pomiarowy do pomiaru paliw płynnych zwłaszcza ciekłych, a w szczególności benzyny, za pomocą spektrometru.

Stan techniki

Paliwa płynne zwłaszcza benzyna łatwo ulegają degeneracji. W stanie techniki znane są rozwiązania umożliwiające ocenę jakości i wykrywanie degeneracji na podstawie analizy spektralnej. Przykładowo w chińskim zgłoszeniu patentowym CNI02323235A ujawniono oceny jakości za pomocą analizy spektralnej poprzez porównywanie widm.

W stanie techniki znane są liczne czujniki i układy pomiarowe pozwalające na spektralną analizę składu substancji. W szczególności znane są czujniki zapewniające możliwość analizy spektralnej subterahercowe, terahercowe i fotoniczne. Takie rozwiązania ujawniono m.in. w patencie amerykańskim nr US8748822B1, publikacjach międzynarodowego zgłoszenia patentowego WO2005095914A1, czy WO2016050577A1. Do badania składu i zanieczyszczeń płynów dość popularnie stosuje się spektrometry działające w różnych pasmach. Podział jest umowny ale z uwagi na stosowane techniki analizy widma wyróżnia się spektrometry subterahercowe działające w zakresie od ok. 100 GHz do 1 THz, spektrometry terahercowe działające w zakresie od 1 THz do 10 THz oraz spektrometry fotoniczne działające w zakresie dalekiej podczerwieni, podczerwieni, promienia widzialnego a nawet ultrafioletu.

W dokumencie CN20102026993U ujawniono wzór użytkowy, który ma na celu zapewnienie urządzenia do wstępnej analizy izotopów gazu ziemnego poprzez układ przygotowania próbki do ekstrakcji i separacji gazu obojętnego w gazie ziemnym. W układzie wykorzystywany jest jeden spektrometr.

W publikacji Raymond Alexander et all.: In situ gas sensing with 100 GHz CMOS spectrometer (2017 IEEE Aerospace Conference, IEEE, 4 March 2017) przedstawiono spektrometr pracujący w zakresie gigahercowym przeznaczony do pomiarów związków lotnych.

Z kolei w publikacji Hong lei Zhan et all: „The spectra analysis of fuel oils using terahertz radiation and chemometric methods” Journal of Physics D, Appl. Phys. vol. 49, No 39, pub I. 6 September 2016) przedstawiono możliwość zastosowania spektrometru pracującego w zakresie terahercowym przeznaczony do analizy paliw płynnych.

Znane dokumenty ze stanu techniki nie ujawnią konstrukcji układów do analizy wykorzystujących połączenie kilku spektrometrów o różnych zakresach.

Do wad analizy spektralnej zalicza się jej wrażliwość na warunki pomiaru - zwłaszcza ciśnienia - jest to kłopotliwe przy pomiarze paliw gazowych zwłaszcza w warunkach prowadzania ich w gazociągach.

Do wad analizy spektralnej cieczy zalicza się niemożliwość identyfikacji składników na skutek rozmycia widm charakterystycznych dla poszczególnych składników.

Istota wynalazku

Celem wynalazku jest zapewnienie układu pomiarowego nadającego się do oceny jakości paliwa płynnego oraz sposobu wykonywania pomiaru.

Układ pomiarowy paliw płynnych zawierający odgałęzienie do doprowadzania paliwa płynnego do układu sensorycznego, manometr (M1) przystosowany do pomiaru ciśnienia w komorze pomiarowej oraz układ kontrolno-sterujący przyjmujący na wejściu sygnał z układu sensorycznego zawierającego spektrometr, zgodnie z wynalazkiem cechuje się tym, że układ sensoryczny zawiera szczelną komorę pomiarową w której znajduje się spektrometr subterahercowy, półprzewodnikowy o paśmie pracy mieszczącym się w zakresie od 100 GHz do 1000 GHz oraz drugi spektrometr optyczny, o paśmie mieszczącym się w zakresie od 1 THz do 3 THz, pomiędzy układem odgałęzienia a układem sensorycznym znajduje się zawór, zaś wylot zaworu jest połączony z wlotem komory pomiarowej układu sensorycznego a wylot komory pomiarowej jest zamykany sterowanym drugim sterowanym zaworem, do którego jest dołączona pompa. Dzięki takiej konfiguracji można prowadzić dokładne pomiary spektrometrii pobranego gazu lub gazu otrzymanego z odparowania paliwa ciekłego, za pomocą spektrometru fotonicznego, terahercowego lub subterahercowego jednocześnie gwarantując stabilne warunki pomiaru niezależne od stanu gazu w przewodzie i zoptymalizowane dla czułości.

Korzystnie, układ jest dodatkowo wyposażony w wyświetlacz połączony z układem kontrolno-sterującym.

Sposób pomiaru paliw płynnych za pomocą spektrometru zgodnie z wynalazkiem cechuje się tym, że stosuje się w nim układ według wynalazku i za jego pomocą przeprowadza się pomiar regulując warunki wewnątrz komory układu sensorycznego za pomocą pierwszego lub drugiego zaworu oraz pompy a następnie uruchamia się spektrometry i rejestruje się wyniki, przy czym pomiar za pomocą spektrometru subterahercowego półprzewodnikowego o paśmie pracy mieszczącym się w zakresie od 100 GHz do 1000 GHz przeprowadza się jako ostatni. Wynik można porównać z wzorcowym widmem absorpcyjnym zmierzonym innymi metodami i wyświetlić komunikat ostrzegawczy jeżeli rozbieżność wyniku pomiaru względem wzorcowego widma absorpcyjnego spełnia predefiniowane kryterium.

Korzystnie pomiar przeprowadza otwierając pierwszy zawór uwalniając pary paliwa płynnego, następnie uruchamia się spektrometr i rejestruje się wynik pomiaru, po czym otwiera się drugi zawór i za pomocą pompy odpompowuje się pary paliwa z komory układu sensorycznego.

Opis figur rysunku

Przedmiot wynalazku został ukazany w przykładach wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu pomiarowego paliw płynnych w przykładzie wykonania wynalazku, natomiast Fig. 2 schematycznie komorę pomiarową z spektrometrami w układzie sensorycznym w przykładzie wykonania wynalazku.

Opis przykładów wykonania

Schemat blokowy układu pomiarowego paliw płynnych w przykładzie wykonania wynalazku został ukazany na Fig. 1a. Układ jest przystosowany do montowania na przewodzie R1 prowadzącym paliwo płynne, zwłaszcza benzynę. Na przewodzie R1 jest zapewniony układ odgałęzienia T1 odprowadzający część paliwa płynnego i zamknięty pierwszym zaworem V1 stanowiącym zawór igłowy. Częściowe otwarcie pierwszego zaworu V1 igłowego pozwala wprowadzić do układu sensorycznego K1 zawierającego komorę pomiarową ze spektrometrem paliwo gazowe lub pary paliwa ciekłego podlegające badaniu spektrometrycznemu. Dobre efekty uzyskano stosując spektrometr subterahercowy półprzewodnikowy o paśmie pracy mieszczącym się w zakresie od 100 GHz do 1000 GHz.

Było to możliwe dzięki precyzji uzyskania niskiego ciśnienia w komorze pomiarowej za pomocą pompy P1 umieszczonej za drugim zaworem V2. W rezultacie układ sensoryczny K1 znajduje się pomiędzy dwoma zaworami pierwszym V1 i drugim V2, dzięki czemu pomiar może się odbywać w ustalonych na dany moment warunkach. Do pomiaru ciśnienia w komorze pomiarowej stosuje się manometr M1. Jako pierwszy zawór V1 zastosowano zawór iglicowy z układem sterowania zaworu B1 połączonym z manometrem M1. Dzięki temu możliwe jest odmierzanie właściwego dla pomiarów ciśnienia z przewodu R1 bez względu na panujące w przewodzie R1 aktualne warunki: ciśnienie i prędkość przepływu. Dzięki temu odmierzając gaz pierwszym zaworem V1 uniezależnia się wynik pomiaru od zmian ciśnienia w przewodzie R1. Zastosowanie dodatkowej pompy P1 pozwala na precyzyjną regulację ciśnienia.

Dobrze sprawdzały się ciśnienia w zakresie od 5 do 20 mBAR. Dodatkowo zastosowano układ utrzymujący stałą temperaturę w komorze układu sensorycznego K1 pracujący pod kontrolą układu sterującego C1.

Dobre efekty uzyskiwano również z spektrometrem terahercowym, o paśmie mieszczącym się w zakresie od 1 THz do 3 THz. Spektrometry terahercowe wykazywały większą czułość i zdolność rozróżniania szerszego spektrum substancji zanieczyszczających, chociaż pomiar za ich pomocą trwa dłużej.

Układ sensoryczny K1 jest połączony z układem kontrolno-sterującym C1 generującym sygnał sterujący dla układu sensorycznego K1 i odbierający wynik pomiaru. Znajomość spektrum wzorcowego i przyjęcie kryterium rozbieżności w sposób znany wstanie techniki umożliwia generację komunikatu za pomocą układu wyświetlacza E1 dołączonego do układu kontrolno-sterującego C1. Układ kontrolno-sterujący C1 można również wykorzystać do sterowania pompą, P1 i pierwszym V1 i drugim zaworem V2.

Sprzężenie pierwszego zaworu z manometrem M1 przez układ sterowania zaworu B1 i/ lub przez układ kontrolno-sterujący C1 pozwala powtarzać pomiar w warunkach ciśnienia znacznie poniżej ciśnienia atmosferycznego. Alternatywnie wynalazek można rozbudować o układ odcinający dopływ paliwa w razie wykrycia zanieczyszczenia groźnego dla odbiornika. Do tego wystarczy zapewnić sterowany zawór dołączony do układu kontrolno-sterującego C1.

Doprowadzenie do układu kontrolno-sterującego C1 sygnału z manometru M1 pozwala uwzględnić ciśnienie w wyznaczaniu wyniku pomiaru a także prowadzić pomiar dla różnych wartości ciśnienia. Układ pomiarowy według wynalazku można wykorzystać również do pomiaru paliwa płynnego w zbior niku. Taką konfigurację ukazano na Fig. 1b. Paliwo ze zbiornika Z1 pobiera się za pomocą odgałęzienia T1. Sprzężenie pierwszego zaworu z manometrem M1 przez układ kontrolno-sterujący C1 pozwala powtarzać pomiar w warunkach ciśnienia znacznie poniżej ciśnienia atmosferycznego w warunkach próżni dynamicznej. W przypadku paliw ciekłych jest to o tyle korzystne, że eksponowane na próżnię paliwo ciekłe ulega odparowaniu tworząc naciek dynamiczny umożliwiając dokładny i ciągły pomiar bez charakterystycznego dla cieczy poszerzenia linii spektralnych.

Układ według wynalazku może pracować w trybie ciągłym lub w trybie sekwencyjnym.

W trybie sekwencyjnym układ według wynalazku pracuje w cyklu w którym w zamkniętej z obu stron pierwszym V1 i drugim V2 zaworem komorze układu sensorycznego K1 początkowo panuje próżnia następnie układ napełnia się wodorem odmierzonym za pomocą pierwszego zaworu V1 otwierając na krótki czas w razie potrzeby kilkukrotnie - aż do uzyskania właściwego ciśnienia pomiarowego. Następnie przeprowadza się pomiar i rejestruje się wynik po czym otwiera się drugi zawór V2 i pomocą pompy P1 odpompowuje się wodór ponownie uzyskując w komorze pomiarowej próżnię. Pomiar można powtarzać uzyskując efekt pomiaru spektralnego w czasie rzeczywistym.

W trybie ciągłym natomiast otwiera się częściowo pierwszy V1 iglicowy jednocześnie wymuszając pracę pompy P1. Zakres otwarcia pierwszego zaworu V1 iglicowego i ciąg pompy reguluje się tak, że w komorze układu sensorycznego K1 powstaje tzw. stała próżnia z naciekiem dynamicznym. Dobrą, i stabilizowaną wartość próżni dynamicznej uzyskuje się przez elektroniczną kontrolę pierwszego zaworu V1 iglicowego lub obu zaworów pierwszego V1 i drugiego V2. Taka konfiguracja okazała się szczególnie korzystna. Można ją utrzymywać nawet przez proste sprzężenie pierwszego zaworu V1 z manometrem M1 a jednocześnie stan próżni z naciekiem dynamicznym zapewnia ciągłą wymianę gazu i stabilny stan sprzyjających warunków pomiarowych.

Widma wzorcowe niezdegenerowanego paliwa płynnego, zwłaszcza benzyny, można uzyskać przeprowadzając pomiar próbki kalibracyjnej lub wykorzystując pomiary uzyskane innymi sposobami. W procesie pomiarów zdegenerowanych próbek łatwo jest dobrać dopuszczalne odstępstwa spektrum od wzorca.

Bardzo dobre efekty uzyskiwano przy jednoczesnym zastosowaniu w układzie sensorycznym dwóch a nawet trzech spektrometrów pracujących w jednej komorze pomiarowej układu sensorycznego K1. Schemat komory pomiarowej układu sensorycznego K1 z trzema spektrometrami ukazano na Fig. 2.

Komora pomiarowa układu sensorycznego K1 ukazana schematycznie na Fig. 2 składa się z próżniowej rury kwarcowej o średnicy wewnętrznej 42 mm i długości L = 1 wraz z oknami kwarcowymi w których umieszcza się źródła S1, S2, S3 i detektory D1, D2, D3 poszczególnych spektrometrów. Komory tego typu są powszechnie stosowane w spektroskopii, ze względu na niski poziom interferencji, niskie aktywności chemiczną i sorpcyjną kwarcu, jak również możliwość szybkiego i skutecznego oczyszczania komory podczas ogrzewania i pompowania próżniowego. W tym przypadku pewne straty powodowane podczas przejścia przez rozpraszanie fali elektromagnetycznej odgrywają korzystną rolę, zmniejszając wpływ interferencji związanych z wielokrotnymi odbiciami promieniowania od ścianek i końców komory. Znawca jest w stanie również zaproponować rutynowo rozwiązania alternatywne.

Jako pierwszy spektrometr zastosowano spektrometr terahercowy ze źródłem S1 i detektorem D1 umieszczonymi przy otworach w oknach komory układu spektrometrów K1 i przy otworach w zwierciadłach L1, wykorzystujący miksowanie sygnałów i pracujący w paśmie mieszczącym się w zakresie od 1 THz do 2 THz. Przykład aplikowalnego spektrometru ujawniono w publikacji C. Hepp, S. Ltttjohann, A. Roggenbuck, A. Deninger, S. Nellen, T. Gobel, M. Jorgerl and R. Harigl pt. A cw-Terahertz Gas Analysis System with ppm Detection Limits. Spektrometry takie są obecnie oferowane przez firmę Toptica.

Jako drugi zastosowano spektrometr fotoniczny ze źródłem S2 i detektorem D2 umieszczonymi przy otworach w oknach komory układu spektrometrów K1 i przy otworach w zwierciadłach L2, pracujący w dziedzinie czasu.

Jako trzeci spektrometr zastosowano wspomniany wcześniej spektrometr subterahercowy, półprzewodnikowy o paśmie pracy mieszczącym się w zakresie od 100 GHz do 1000 GHz. Spektrometr ten pozwala na wyznaczanie koncentracji gazów i szybką analizę mieszaniny gazów na podstawie zmian absorbcji i emisji promieniowania przez cząstki wchodzące w skład gazu. Zakres częstości promieniowania analizującego skład gazu jest dobrany tak by pokrywać charakterystyczne linie absorpcji zanieczyszczeń i dlatego pozwala na identyfikacje i rozróżnienie tych gazów w zanieczyszczonym wo dorze. Badania dokonywane są przy użyciu komory optycznej (wnęki optycznej), zapewnionej w komorze układu sensorycznego K1 rozmieszczonej pomiędzy zwierciadłami L3. W komorze zapewnia się kontrolowane warunki: ciśnienie, objętość, temperatura odpowiednie dla analizy absorpcji i emisji promieniowania. Procesem pomiarowym steruje układ kontrolno-sterujący C1. Pomiarowi bezpośredniemu podlegają nie absolutne wartości współczynników absorpcji/emisji, lecz ich zmiany wywołane przełączaniem fazy i/lub częstości promieniowania - efekty przejściowe. Czułość spektrometrów opartych na efektach przejściowych zbliża się do granic teoretycznych, a ich rozdzielczość jest ograniczona tylko przez efekt Dopplera, który w układzie zamkniętym z obu stron zaworami V1 i V2 praktycznie nie zachodzi. Można zastosować spektrometr ze zmienną częstotliwością - np. ujawniony w V. Vaks, E. Domracheva, E. Sobakinskaya, and M. Chernyaeva, High precise terahertz spectroscopy for noninvasive medicine diagnostics, Photonics & Lasers in Medicine, vol. 3, no. 4, pp. 373-380, Sept. 2014, lub spektrometr ze zmienną fazą np. ujawniony w artykule V. L. Vaks, E. G. Domracheva, E. A. Sobakinskaya, and M. B. Chernyaeva, Exhaled breath analysis: physical methods, instruments, and medical diagnostics, Physics Uspekhi, vol. 57, no. 7, pp. 684701, July 2014.

Źródła S1, S2, S3 i detektory D1, D2, D3 są połączone z układem kontrolno-sterującym C1 i pracują pod jego kontrolą. Połączeń dla uproszczenia nie ukazano na rysunkach. Układ kontrolno-sterujący C1 służy zarówno do wyzwalania działania źródła jak i do odbierania i przetwarzania wyników pomiaru oraz sterowania pracą zaworów. Przy zastosowaniu zestawu spektrometrów ważnym jest aby spektrometr subterahercowy, półprzewodnikowy był włączany w każdej próbie jako ostatni bowiem jego działania aktywuje gaz i wpływa na działanie pozostałych spektrometrów.

Dla spektrometru działającego w trybie przemiatania częstotliwości, dokładność podczas określania wartości chwilowej częstotliwości źródła promieniowania nie powinna przekraczać 10^-6. Taka dokładność jest osiągnięta przy pomocy układu PLL. Sygnał sterowania częstotliwością źródła umieszcza się na specjalnym wejściu referencyjnym. PLL dla źródła/generatora odbywa się za pomocą syntezatora odniesienia o wysokiej stabilności częstotliwości. 16-bitowy przetwornik ADC o dużej szybkości jest używany do formowania sygnału przemiatania - kształt napięcia sterującego bliski do trójkątnego sterującego przemiataniem częstotliwości generatora sygnału podlegającego powieleniu dla uzyskania promieniowania pomiarowego S3. Moduł detektora D3 zawiera rejestrującą kamerę na bazie falowodowego detektora z diodą Schottky'ego, niskoszumowy przedwzmacniacz z obwodem polaryzacji detektora oraz filtr dolnoprzepustowy (ang. Iowpass filter, LPF). Mierząc wyprostowane napięcie stałoprądowe DC (ang. direct current) detektora (na wejściu LPF), można określić natężenie linii widmowych bez żadnych wstępnych kalibracji. Sygnał z wyjścia przedwzmacniacza dochodzi do wejścia bardzo szybkiego przetwornika analogowo-cyfrowego, a następnie do bardzo szybkiej cyfrowej pamięci, w których spektroskopowe sygnały są sumowane i uśredniane. Następnie dane są przenoszone do układu kontrolno-sterującego C1, gdzie uśrednianie może być kontynuowane. Spójne gromadzenie sygnałów pozwala zwiększyć stosunek sygnału do szumu, a więc czułość pomiarów spektroskopowych.

Zgodnie z wynalazkiem w zależności od potrzeb można stosować pełne spektrum spektrometrów optycznych w tym podczerwonych (bliska i daleka podczerwień) i ultrafioletowych, a także na pasmo widzialne.

Układ umożliwia pobieranie paliwa ciekłego ze zbiornika lub z przewodu, sprawną transformację do stanu gazowego przy jednoczesnym zachowaniu dogodnych warunków pomiaru. W przypadku paliw gazowych zaletą układu jest zapewnienie dogodnych warunków pomiaru niezależnie od ciśnienia w gazociągu czy zbiorniku.

Claims (4)

1. Układ pomiarowy paliw płynnych zawierający odgałęzienie (T1) do doprowadzania paliwa płynnego do układu sensorycznego (K1), manometr (M1) przystosowany do pomiaru ciśnienia w komorze pomiarowej oraz układ kontrolno-sterujący (C1) przyjmujący na wejściu sygnał z układu sensorycznego (K1) zawierającego spektrometr, znamienny tym, że układ sensoryczny (K1) zawiera szczelną komorę pomiarową, w której znajduje się spektrometr subterahercowy, półprzewodnikowy o paśmie pracy mieszczącym się w zakresie od 100 GHz do 1000 GHz oraz drugi spektrometr optyczny, o paśmie mieszczącym się w zakresie od 1 THz do 3 THz, pomiędzy układem odgałęzienia ('III) a układem sensorycznym (K1) znajduje się zawór (V1) zaś wylot zaworu (V1) jest połączony z wlotem komory pomiarowej układu sensorycznego (K1) a wylot komory pomiarowej jest zamykany drugim sterowanym zaworem (V2), do którego jest dołączona pompa (P1).

2. Układ według zastrz. 1 znamienny tym, że jest dodatkowo wyposażony w wyświetlacz (E1) połączony z układem kontrolno-sterującym (C1).

3. Sposób wykrywania zanieczyszczeń na podstawie pomiaru widma absorpcyjnego paliw płynnych za pomocą spektrometru, znamienny tym, że stosuje się w nim układ jak określono w zastrz. 1 albo 2, i za jego pomocą przeprowadza się pomiar regulując warunki wewnątrz komory układu sensorycznego (K1) za pomocą pierwszego (V1) lub drugiego (V2) zaworu oraz pompy (P1) a następnie uruchamia się wybrane spektrometry i rejestruje się wyniki, które porównuje się z widmami wzorcowymi i w razie rozbieżności spełniającej predefiniowane kryterium generuje się komunikat ostrzegawczy, przy czym pomiar za pomocą spektrometru subterahercowego półprzewodnikowego o paśmie pracy mieszczącym się zakresie od 100 GHz do 1000 GHz przeprowadza się jako ostatni.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że pomiar przeprowadza się otwierając pierwszy zawór (V1) uwalniając pary paliwa płynnego, następnie uruchamia się spektrometr i rejestruje się wynik pomiaru, po czym otwiera się drugi zawór (V2) i za pomocą pompy (P1) odpompowuje się pary paliwa z komory układu sensorycznego (K1).