Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 15
1.1 Применение бензина в агропромышленном комплексе 15
1.2 Бензин как объект контроля 17
1.2.1 Особенности сгорания топлив в двигателях с искровым зажиганием 17
1.2.2 Октановое число бензина. Способы повышения октанового числа. Антидетонаторы 18
1.2.3 Детонационная стойкость товарных бензинов и их компонентов. Факторы, влияющие на детонацию 20
1.3 Способы и устройства определения октанового числа автомобильных бензинов 24
1.4 Постановка проблемы. Цель работы и задачи исследования 45
Глава 2. Материалы и методы экспериментальных исследований 48
2.1 Программа и методика экспериментальных исследований 48
2.2 Используемые приборы и материалы 48
2.3 Методы определения физических параметров автомобильных бензинов 50
2.3.1 Электромагнитный метод 50
2.3.2 Высоковольтный метод 55
2.3.3 Термодинамический метод 61
2.3.4 Ультразвуковой метод 72
2.4 Обработка результатов измерений 76
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований 77
3.1 Октановое число как результат прямых и не прямых измерений 77
3.2 Электромагнитный способ определения октанового числа автомобильных бензинов 78
3.3 Способ определения октанового числа автомобильных бензинов попараметрам высоковольтного разряда 85
3.4 Термодинамический способ определения октанового числа автомобильных бензинов 90
3.5 Ультразвуковой способ определения октанового числа автомобильных бензинов 93
3.6 Сравнительный анализ разработанных способов определения октанового числа автомобильных бензинов 99
3.7 Выводы 101
Глава 4. Исследование работы устройства для определения октанового числа автомобильных бензинов в лабораторных условиях 103
4.1 Программа и методика исследования 103
4.2 Обоснование принципиальной схемы устройства 104
4.3 Обоснование конструкции и параметров ультразвукового датчика 106
4.4 Обоснование параметров рабочей камеры 110
4.5 Лабораторные испытания опытного образца устройства 117
4.5.1 Методика лабораторных испытаний 117
4.5.2 Результаты лабораторных испытаний 119
4.6 Выводы 127
Глава 5. Технология применения устройства для определения октанового числа автомобильных бензинов 130
5.1 Инструкция по использованию устройства 130
5.2 Учет результатов измерений в процессе эксплуатации бензинов 131
5.3 Выводы 133
Глава 6. Производственные испытания и экономическая оценка устройства для определения октанового числа автомобильных бензинов 134
6.1 Производственные испытания 134
6.2 Экономическая оценка предлагаемого способа и устройства 138
6.3 Выводы 144
Общие выводы 146
Рекомендации 149
Список использованной литературы
- Особенности сгорания топлив в двигателях с искровым зажиганием
- Методы определения физических параметров автомобильных бензинов
- Электромагнитный способ определения октанового числа автомобильных бензинов
- Обоснование конструкции и параметров ультразвукового датчика
Введение к работе
В настоящее время в связи с мировой тенденцией повышения цен на энергоносители более остро встает вопрос оперативного контроля качества нефтепродуктов на всех этапах производства, транспортировки, хранения, реализации и потребления.
Сегодня к новой технике предъявляются все возрастающие требования по повышению надежности, долговечности, а также снижению расхода топлива. Эти показатели напрямую зависят от качества применяемых нефтепродуктов.
Автомобильные бензины по масштабам производства, применения и значению для развития народного хозяйства страны занимают доминирующее положение среди первичных источников энергии. Около 60 % автомобильного парка России используют в качестве топлива бензин. К эксплуатационным свойствам автомобильных бензинов предъявляют весьма высокие и подчас противоречивые требования.
Важным этапом в химмотологическом обеспечении сельскохозяйственного производства является проверка качества и рационального применения горючесмазочных материалов при эксплуатации техники. Однако примерно 80% нефтебаз и все автозаправочные станции (АЗС) не имеют лабораторий, не проверяют качество принимаемых и отпускаемых нефтепродуктов на соответствие их требованиям стандартов и технических условий. Следовательно, в систему нефтебаза (АЗС) - нефтесклад хозяйства агропромышленного комплекса могут поступать нефтепродукты с отступлением от показателей качества стандартов.
Основным показателем, характеризующим качество бензина для потребителей, является детонационная стойкость, оцениваемая на практике октановыми числами (04).
На сегодняшний день имеется несколько способов определения октанового числа бензинов. В частности для автомобильных марок бензинов стандартизи- рованы и наиболее широко применяются два метода моторный и исследовательский, которые различаются режимами работы одноцилиндровой моторной установки для определения 04. Сущность методов заключается в сравнении испытуемого топлива с эталонными топливами, принятыми условно, в качестве которых применяются смеси изооктана с гептаном. [17] Хотя эти методы разработаны еще в начале прошлого века, они применяются без изменений до настоящего времени. Оценка детонационной стойкости осуществляется на моторных установках в специальных лабораториях при крупных нефтезаводах. Недостатками моторного и исследовательского методов являются значительная длительность испытаний (120 минут), дороговизна самой установки и эталонных топлив. Кроме того, эти способы могут быть использованы только на стационарной крупногабаритной установке.
За все время существования двигателей внутреннего сгорания, а соответственно и бензинов, осуществлялись попытки создания способов оценки детонационной стойкости оперативного применения. В последние десятилетие интерес к таким способам возрос многократно, главным образов, в связи с энергетическими кризисами в мире и, соответственно, значительным подорожанием бензина. Основная часть исследований и созданных устройств приходится на долю зарубежных ученых. [97,98,99,100,101,102,103,108,109, И 0,111,112,113, 114,115,116] Наиболее широкомасштабные исследования проводятся в США. Предлагаемые на российском рынке анализаторы октанового числа иностранного производства имеют невысокую точность анализа по определению октанового числа, и, кроме того, достаточно высокую стоимость, что не позволяет приобретать их даже довольно крупным организациям, занимающимся бензиновым бизнесом.
В России проблемой создания оперативных средств определения октанового числа автомобильных бензинов усиленно занимаются последние (4-5) лет, что уже привело к созданию нескольких способов и устройств определения ок- танового числа.[92,93,94,95,96,104] Но известные устройства не нашли применения у потребителей из-за низкой точности измерений.
Таким образом, на сегодняшний день, потребители не имеют возможности контролировать данный показатель качества бензина на любом этапе его эксплуатации самостоятельно из-за отсутствия доступных мобильных установок для точного экспресс-анализа автомобильных бензинов.
04 бензина - традиционная общепринятая оценка детонационной стойкости бензина. Так как оценка детонационной стойкости автомобильных бензинов октановыми числами является традиционной, то все безмоторные методы анализа топлив, измеряя их физико-химические параметры, итоговый результат выражают в октановых числа, т.е. физические методы определения 04 бензина включают предварительное построение зависимости (графика, таблицы и др.) информационного параметра от 04 эталонных бензинов, определенных на моторной установке, и последующую идентификацию 04 анализируемой пробы по этой зависимости.
Из вышеописанного следует, что все известные методы определения 04 имеют существенные недостатки, а октановое число - достаточно условный показатель качества бензина.
Поэтому, на сегодняшний день, актуальна проблема разработки новых методов оценки качеств автомобильных топлив, обеспечивающих оперативность и высокую точность анализа бензина и имеющих возможность массового применения. Интерес к таким методам в последние годы возрос еще и в связи с тем, что подобные компактные лабораторные установки легко можно разместить на всех этапах технологического потока и оценивать детонационную стойкость бензина непосредственно в процессе производства, а также контролировать качество бензина при транспортировке, хранении и реализации во всех областях народного хозяйства.
Цель работы - повышение эффективности определения октанового числа и снижение экономических потерь от применения некачественного бензина за счет создания способа и устройства определения октанового числа автомобильных бензинов, обеспечивающих: оперативность измерения; мобильность использования; высокую точность определения октанового числа; экономическую доступность для широкого круга потребителей. Научная новизна работы состоит в том, что:
1. Созданы оригинальные лабораторные установки и впервые определены физические параметры бензинов с различными октановыми числами:
8' }Л - произведение диэлектрической и магнитной проницаемости бензина;
Е - электрическая напряженность пробоя бензина;
ОС. - дроссель-эффект паров бензина; V - скорость ультразвука в бензине;
Установлены зависимости выявленных физических параметров с октановым числом бензина;
На основании выявленных зависимостей предложены новые способы определения октанового числа: электромагнитный - на основе зависимости 04 от произведения диэлектрической и магнитной проницаемости бензина; высоковольтный - на основе зависимости ОЧ от электрической напряженности пробоя бензина; термодинамический - на основе зависимости 04 от дросседь-эффекта паров бензина; ультразвуковой - на основе зависимости 04 от скорости ультразвука.
4. Предложены критерии оценки для сравнительного анализа разработан ных способов, на основании которых выявлен способ наиболее перспективный для создания мобильного, компактного, оперативного и точного устройства оп ределения октанового числа бензинов;
5. Спроектирован, изготовлен и испытан в лабораторных и производственных условиях опытный образец компактного и мобильного устройства для определения октанового числа, которое может служить прототипом для изготовления октаномеров промышленными партиями.
Практическая ценность работы: разработаны методики и проведены измерения физических параметров бензинов, таких как произведение диэлектрической и магнитной проницаемости бензина, электрическая напряженность пробоя бензина, дроссель эффект паров бензина, скорость ультразвука в бензине; разработан новый способ определения октанового числа автомобильных бензинов - ультразвуковой; создан опытный образец мобильного и компактного устройства определения октанового числа - прототип для изготовления опытной партии приборов.
Результаты исследований представлены в виде докладов на 11 научно-практической конференции ВУЗов Поволжья и Юго-Нечерноземной зоны Российской Федерации «Совершенствование средств механизации и мобильной энергетики в сельском хозяйстве», 2000, Рязань; 48 научной конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов инженерных факультетов с/х вузов, 2001, Самара; 1-ой Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе», 2001, Ставрополь; Международной научно-практической конференции «Земледельческая механика в растениеводстве», 2001, Москва; XXXXVI научно-технической конференции молодых ученых и студентов инженерного факультета, 2001, Пенза; Седьмой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, 2001, Санкт-Петербург; Восьмой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, 2002, Екатеринбург; расширенном заседании технического совета инженерно-технического центра АООТ «Теплоприбор», 2002, Рязань; расширенном заседании технического совета конструкторского бюро ООО «Рамед», 2002, Рязань; расширенных семинарах лаборатории качества продукции отдела технического контроля ЗАО «Рязанская нефтеперерабатывающая компания», 2000-2002, Рязань; научных конференциях профессорско-преподавательского состава факультета механизации Рязанской государственной сельскохозяйственной академии им.проф. П.А.Костычева, 1999-2003, Рязань.
По результатам исследований получены 2 патента, 2 свидетельства на полезную модель, опубликовано 13 статей.
Разработанное устройство определения октанового числа бензинов прошло производственные испытания в лаборатории Рязанской нефтеперерабатывающей компании, на основе которых получено положительное заключение о высоких эксплуатационных показателях устройства.
В настоящей работе представлены оригинальные лабораторные установки по определению физических параметров бензина, методики проведения экспериментальных исследований, результаты экспериментальных исследований физических свойств бензинов, разработанные способы определения октанового числа автомобильных бензинов, разработанная конструкция устройства для определения октанового числа.
На защиту выносятся: результаты исследования физических параметров бензинов; способы определения октанового числа автомобильных бензинов; сравнительный анализ различных способов определения октанового числа автомобильных бензинов; конструкция и технологическая схема работы устройства для определения октанового числа бензинов; результаты испытаний изготовленного устройства для определения октанового числа автомобильных бензинов.
Диссертация изложена на 186 страницах машинописного текста, включает 9 таблиц, 39 рисунков, состоит из введения, 6 глав, заключения, общих выводов, рекомендаций и приложений. Список используемой литературы включает 157 источников, из них 42 на иностранных языках.
Автор выражает благодарность научным руководителям д.б.н., профессору Пащенко В.М. и к.т.н.. доценту Ванцову В.И., руководствам АООТ «Теплопри-бор», ООО «Рамед», Рязанской нефтеперерабатывающей компании (ЗАО «РНПК») за оказанное содействие и помощь при выполнении данной работы.
Особенности сгорания топлив в двигателях с искровым зажиганием
Общепризнанная теория сгорания топлив и теория детонации разработаны и представлены в работах Воинова А.Н., Зельдовича Я.Б.[3,6,8,9]
Сгорание топлива в цилиндре поршневого двигателя бывает нормальное (бездетонационное) и аномальное (детонационное).
При нормальном сгорании скорость распространения фронта пламени составляет 20...40 м/с во всем объеме рабочей смеси, сгорающей в камере сгорания. При такой скорости максимально используется тепловая энергия топлива. Наибольшая скорость распространения пламени имеет место при коэффициенте избытка воздуха 0,85...0,90. Отклонение от этой величины ведет к уменьшению скорости распространения пламени. Повышение давления и начальной температуры смеси вызывает увеличение скорости распространения пламени вследствие увеличения скорости реакции окисления. На скорость распространения пламени влияет также количество остаточных газов в цилиндре двигателя. В присутствии остаточных газов скорость распространения пламени снижается, так как содержание в них углекислого газа делает смесь трудно воспламеняющейся.
При детонационном сгорании скорость распространения фронта пламени может достигать 1500...2000 м/с. В результате огромной скорости распространения фронта пламени возникают детонационные волны, которые, с большой силой ударяясь о стенки камеры сгорания и цилиндра, вызывают отраженные ударные волны. Действие детонационных и ударных волн приводит к вибрации стенок и сопровождается характерным металлическим стуком, являющимся основным внешним признаком детонационного сгорания. Другие внешние при
знаки детонации: появление в выхлопных газах клубов черного дыма, а также резкое повышение температуры стенок цилиндра.
Детонация - явление очень вредное. На детонационных режимах мощность двигателя падает, удельный расход топлива возрастает, работа двигателя становится жесткой и неровной. Кроме того, детонация вызывает прогорание и коробление поршней и выхлопных клапанов, перегрев и вывод из строя электрических свечей и другие неполадки. Износ двигателя ускоряется, а межремонтные сроки укорачиваются. При длительной работе на режиме интенсивной детонации возможны и аварийные последствия. Особенно опасна детонация в авиационных двигателях.
Явление детонации находит объяснение в кинетических и химических особенностях реакций окисления и сгорания углеводородов топлива.[1,7,15] Эти реакции очень сложны, протекают по радикальноцепному механизму и в сильной степени зависят от температуры.
Основным фактором, от которого зависит возникновение и интенсивность детонации, является химический состав топлива, так как известно, что склонность к окислению у углеводородов различного строения при сравнимых условиях резко различна. Если в топливе преобладают углеводороды, не образующие в условиях предпламенного окисления значительного количества перекисей, то взрывного распада не произойдет, смесь не перенасытится активными частицами, и сгорание будет проходить с обычными скоростями, без детонации.
В настоящее время детонационную стойкость автомобильных бензинов оценивают октановыми числами (04).
Октановым числом называется процентное (по объему) содержание изоок-тана в его смеси с нормальным гептаном при условии, что эта смесь при стандартном методе испытания на одноцилиндровом двигателе обладает такой же детонационной стойкостью, как и испытуемое топливо. [15]
Повышать октановые числа топлив можно несколькими способами.[4,5,17] Первый способ - применение современных технологий получения бензинов.
Второй способ повышения 04 заключается в добавлении в базовые бензины высокооктановых компонентов, таких, как изооктан, алкилбензол и других. Таких компонентов добавляют в базовые бензины до 40%, значительно повышая его детонационную стойкость. [17]
Третьим способом повышения детонационной стойкости топлив является добавление к ним антидетонаторов, которые при очень незначительной их концентрации в топливе (десятые доли грамма на один килограмм топлива) существенно увеличивают его детонационную стойкость. [4]
Самым известным и эффективным антидетонатором является тетраэтил-свинец.[17] По своим антидетонационным свойствам он практически не имеет себе равных. Используется с 1921 года, однако более дешевого и столь же эффективного аналога пока не создано. В концентрации 0,05% он повышает октановое число на 15... 17 единиц. В чистом виде тетраэтилсвинец не добавляется, так как образующейся в результате сгорания оксид свинца имеет очень высокую температуру плавления (880) и не выносится из камеры сгорания, осаждаясь в виде нагара на клапанах, свечах и т.д. Во избежание этого используют ТЭС с выносите лем (этиловую жидкость). Применение этилированных бензинов недопустимо на автомобилях, оборудованных нейтрализаторами отработавших газов. Оксиды свинца выводят нейтрализатор из строя через несколько часов работы двигателя.
Методы определения физических параметров автомобильных бензинов
Теоретической основой предлагаемого способа определения октанового числа бензинов послужила известная взаимосвязь физических параметров веществ (в частности диэлектрической и магнитной проницаемости) с особенностями их структур и фаз [117,118]. Таким образом, известно, что диэлектрическая и магнитная проницаемости зависят от молекулярного строения вещества.
Для проведения исследований была создана оригинальная установка, принципиальная схема которой представлена на рисунке 2.2. Установка состоит из колебательного контура 1, измерителя импеданса марки ВМ-508 2 и частотомера электронносчетного 43-34 3. На рисунке 2.3 представлен общий вид лабораторной установки.
Колебательный контур представляет собой электрическую колебательную систему с включенными параллельно емкостью и индуктивностью. Емкостный датчик представляет собой плоский конденсатор, индуктивный датчик - катушку индуктивности квадратного сечения.
Внешние параметры емкости и индуктивности (число витков и длина катушки индуктивности, размеры пластин конденсатора и расстояние между ними) подобраны сериями экспериментов с различными значениями названных параметров. Окончательные параметры колебательного контура следующие: - размер пластин конденсатора, т.е. площадь пластины 0,01 м ; - расстояние между пластинами конденсатора 0,008 м; - материал пластин конденсатора - полированная нержавеющая сталь; - число витков катушки индуктивности 410 проводом ПЭЛ диаметром 0,5 мм; - длина катушки индуктивности 0,165 м; - материал измерительных ячеек - полиметилметакрилат (органическое стекло).
Сущность анализа бензина предлагаемым способом заключается в определении резонансной частоты колебательного контура.
Резонанс - явление возрастания амплитуды вынужденных колебаний в какой-либо колебательной системе, наступающее при приближении частоты периодического внешнего воздействия к частоте собственных колебаний системы. Характер резонанса существенно зависит от свойств колебательной систе 52 мы. В данном случае внешнего воздействия на цепь из параллельно включенных емкости и индуктивности имеет место резонанс напряжений. При приближении частоты внешней эдс со к собственной частоте о контура индуктивность L - емкость С происходит резкое уменьшение амплитуды силы тока во внешней цепи, питающей контур. Это объясняется тем, что при частоте со, близкой к о, реактивные сопротивления емкости и индуктивности оказываются одинаковыми по величине, и поэтому в обеих ветвях контура текут токи примерно одинаковой амплитуды, но почти противоположные по фазе. Вследствие этого амплитуда тока во внешней цепи оказывается гораздо меньшей, чем амплитуда тока в отдельных ветвях, достигающие при со0 наибольшей величины.[117,119] - (4+5)колебательный контур, 2 - измеритель импеданса ВМ-508, 3 - частотомер электронносчетный 43-34, 4 - плоский конденсатор, 5 - катушка индуктивности квадратного сечения.
Рисунок 2.3. Общий вид лабораторной установки для определения электромагнитных параметров бензинов. Измерения эталонных бензинов (с известным 04, определенным по ГОСТ на моторной установке) проводились следующим образом. Емкостный и индуктивный датчики заполнялись пробой бензина в объеме 200 мл. Изменением частоты импедансметра колебательная система настраивалась на резонанс (при этом угол сдвига фаз ф=0, сопротивление колебательного контура г минимально). Значение резонансной частоты фиксировалось по показанию частотомера. Для проведения серии экспериментов и определения погрешности, настройка импедансметра искусственно расстраивалась и восстанавливалась заново (не менее 10 раз для одной пробы). Затем датчики освобождались от бензина, просушивались и заполнялись следующей пробой бензина.
При всех измерениях температура пробы бензина поддерживалась постоянной, равной 20С.
Прогрев аппаратуры до рабочего состояния (импедансметра ВМ-508) занимает около 40 минут. Измерение одной пробы бензина при прогретой аппаратуре занимает 1 минуту.
Электромагнитный способ определения октанового числа автомобильных бензинов
В таблице 3.1 представлены результаты определения резонансной частоты о на оригинальной установке, конструкция которой описана в разделе 2.3.1.
Определив резонансную частоту соо и параметры колебательной системы (число витков катушки N, размеры пластин конденсатора - площадь пластины S, длина катушки d2, сила тока в катушке Y, расстояние между пластинами конденсатора di) можно рассчитать произведение диэлектрической и магнитной проницаемости (электромагнитный индекс М), связанное с 04. di= 0,008 м; d2= 0,165 м; s= 0,01 м2; N=410; Y=0,5 А; є0=8,86-10"12 Гн/м; До = 4-7гЮ"7Гн/м. По формуле (2.4) определим индекс М для бензина с октановым числом, определенным по исследовательскому методу ОЧ(АИ)=80,2; M = s-ju = 0,008-0,165 (4,42-106)2 -8,86-1042 -4-3,14-10-7 -0,01-0,5-410 Аналогично рассчитывается М для других марок бензина. = 2,96
На данном уровне исследований разделение диэлектрической и магнитной проницаемости с большой точностью невозможно, поэтому целесообразно работать с их произведением JU, тем более, что предлагаемый способ оценивает эти параметры в совокупности, не разделяя один от другого.
На рисунке 3.1 представлен калибровочный график зависимости октанового числа, определенного по исследовательскому методу от резонансной частоты. На рисунках 3.2 и 3.3 представлены соответственно зависимости М от октанового числа бензина и М от резонансной частоты о.
По результатам эксперимента можно сделать следующие выводы: 1. Имеется четкая зависимость информационного параметра от ОЧ бензина; 2. С повышением октанового числа резонансная частота со0 уменьшается, соответственно увеличивается величина электромагнитного индекса М. При увеличении октанового числа бензина, определенного по исследовательскому методу с 80,2 до 95,1 резонансная частота уменьшается с 4,42 до 4,16 МГц (на 6%), а величина электромагнитного индекса увеличивается с 2,96 до 3,42 (на 15%).
Известно, что с увеличением октанового числа в бензине увеличивается количество разветвленных углеводородов. По всей видимости, интегральное увеличение количества разветвленных углеводородов может приводить к пространственному экранированию электрических взаимодействий. Поэтому происходит уменьшение резонансной частоты с повышением октанового числа бензина, прежде всего за счет роста диэлектрической проницаемости є.
В разделе 1.2 описывались известные способы по определению октанового числа, основанные на измерении диэлектрической проницаемости. [92,93,94] В отличие от предлагаемого способа, они основаны не на принципе измерения импеданса и используют частоты на порядок меньше. Кроме того, предлагаемый способ учитывает магнитные свойства бензинов.
В процессе измерений бензин служит диэлектрической средой в измерительном конденсаторе С и магнитной средой в измерительной катушке индуктивности L. Измерительный конденсатор С и катушка индуктивности L образуют колебательный контур, резонансная частота которого определяется диэлектрической проницаемостью є и магнитной проницаемостью JI исследуемого сорта бензина. Как известно, при внесении диэлектриков в электрическое поле, происходит явление поляризации, которое характеризуется электрическими дипольными моментами молекул Р. Если напряженность поля Е быстро изменяется, то между колебаниями векторов Р и Е появляется разность фаз, которая обуславливает электрические потери и зависимость диэлектрической проницаемости є от частоты поля о0. Магнитная проницаемость бензина и. в переменном поле также будет зависеть от частоты поля, так как в переменном поле магнитная проницаемость диэлектриков определяется обратимыми процессами намагничивания и необратимыми процессами рассеяния энергии магнитного поля (потери на вихревые токи, магнитную вязкость и др.).[134] Бензины - смеси, содержащие в различных пропорциях ароматические, нафтеновые, нормальные парафиновые и непредельные углеводороды. Поэтому зависимость резонансной частоты от сорта бензина имеет сложный, но вместе с тем и индивидуальный для каждого сорта бензина характер.
В связи с этим предлагаемый электромагнитный способ связан с более эффективной технологией проведения измерений, так как наряду с диэлектрической проницаемостью учитывается и магнитная проницаемость бензинов. Следствием применения эффективной технологии измерений является повышение точности определения октанового числа бензинов.
Использование созданной лабораторной установки для исследований автомобильных бензинов электромагнитным методом отличалось высокой сходимостью результатов экспериментов и малой среднеквадратичной погрешностью измерений.
Используя формулу (2.28), рассчитывается погрешность определения резонансной частоты колебательного контура на созданной лабораторной установке.
Обоснование конструкции и параметров ультразвукового датчика
Цель лабораторных испытаний - создание калибровочных характеристик, коррелирующих скорость ультразвука с октановым числом и температурой и определение показателей точности (погрешности), стабильности и надежности опытного образца устройства.
Методика исследований включала определение абсолютных величин скоростей звука в бензинах с различным октановым числом, а также температурный градиент скорости ультразвука (т.е. производную скорости по температуре). Управляющий блок прибора измеряет и выдает на дисплей время прохождения сигнала ультразвука от одного датчика до другого. Скорость рассчитывается по известной формуле: где: L - длина пути ультразвукового сигнала (расстояние между пьезопре-образователями); t - время прохождения ультразвукового сигнала.
Для исследований при различных температурах рабочая камера в сборе помещалась в емкость с водой. Имелась возможность регулировки температуры воды. В патрубки рабочей камеры устанавливались ртутные термометры с ценой деления 0,5 С для измерения температуры пробы бензина. Таким образом, измерение температуры проводилось в разных точках пробы бензина, чем кон тролировался процесс равномерного распределения температуры в пробе бензина.
Измерения проводились в температурном диапазоне от 10 до 50 С. Нижний температурный предел ограничен из-за невозможности еще более понижать температуру теплоносителя при окружающей температуре более 20 С. А верхний температурный предел ограничен процессом испарения бензинов, который начинается при температуре 35-40 С.
На рисунке 4.9 представлен общий вид установки при измерении скорости звука при различных температурах. Понижение температуры производилось путем добавления льда, а повышение - с помощью электрических ТЭНов. С помощью мешалки типа MR-25 осуществлялось равномерное распределение температуры по всему объему теплоносителя.
Погрешность работы устройства определялась по методике, описанной в разделе 2.3.
Методика определения стабильности работы устройства состояла из определения октанового числа пробы бензина в количестве 1000 раз в течение 5 дней. Проба бензина из рабочей камеры при этом не удалялась. По результатам определялся максимальный разброс значений в определении октанового числа.
Основным показатели надежности работы устройства является гарантированное количество измерений. Для определения этого показателя устройство находилось в рабочем режиме в течение 500 часов. При этом не ставилось целью определение времени работы до отказа.
Результаты лабораторных испытаний полностью подтвердили полученные на первоначальной лабораторной установке. На рисунке 4.10 представлен график зависимости скорости от температуры в бензинах с различным октановым числом. Функциональная зависимость октанового числа от скорости ультразвука и скорости ультразвука от температуры носит линейный характер, по крайней мере, для бензинов одного происхождения.
На основании многочисленных измерений эталонных бензинов были построены калибровочные характеристики устройства, представленные в виде графиков на рисунках 4.11 - 4.13.
Математическая зависимость октанового числа, определенного по исследовательскому методу от скорости ультразвука при температуре 20 С: ОЧ(ИМ) = 191,6-У20-12 ,26 (4.10) где: ОЧ(ИМ) - октановое число бензина, определенное по исследовательскому методу; V Q - скорость распространения ультразвуковой волны при температуре 20 С. Математическая зависимость октанового числа, определенного по исследовательскому методу от скорости ультразвука при температуре 20 С: 0(ММ) = 93,807- -98,305 -V20 +73,225 (4.11) где: ОЧ(ММ)- октановое число бензина, определенное по моторному методу; Тогда, с учетом температурной поправки формулы определения октановых чисел по моторному и исследовательскому методу примут вид: ОЧ (ИМ) = \9\,6-V -128,26-Г, (ЯМ) (4.12) О(ММ) = 93,807-Г2-98,305-Г + 73,225-ГДММ) (4.13) где: Т (ИМ)- температурная поправка величины октанового числа по исследовательскому методу; Т (ММ)- температурная поправка величины октанового числа по моторному методу;
