Способ определения точки исчезновения кристаллов нефтепродуктов и устройство для реализации этого способа

Изобретение относится к измерительной технике. Способ заключается в том, что анализируемый образец вводят в измерительную ячейку (4), помещенную в криостатированную камеру (1), включают лазерный излучатель (6) и соответствующий ему оптический приемник (7), чтобы пропустить оптический луч через анализируемый образец. Записывают силу света, принятую приемником (7), постепенно снижают температуру криостатированной камеры (1), а затем снова постепенно повышают, записывая кривую, показывающую изменения силы света, принятого приемником (7), как функцию температуры. Исходя из этой кривой, определяют точку исчезновения кристаллов. Технический результат - повышение точности, достоверности и надежность измерений. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу определения точки исчезновения кристаллов нефтепродуктов, в частности авиационного керосина, в диапазоне температур от -5 до -120°C.

Предшествующий уровень техники

Точка исчезновения кристаллов определяется как температура исчезновения последних кристаллов в предварительно кристаллизованном образце при постепенном повышении температуры.

Существуют различные стандарты, определяющие условия определения точки исчезновения кристаллов; эта точка представляет особый интерес для специалистов в области авиации, поскольку она позволяет определить время, в течение которого самолет может оставаться на заданной большой высоте без риска забивки линий подачи горючего и фильтров.

Кроме того, значение температуры исчезновения кристаллов позволяет узнать, является ли керосин чистым или загрязнен газойлем (дизельным топливом).

В настоящее время в продаже имеются различные приборы, позволяющее определить точку исчезновения кристаллов в образцах нефтепродуктов.

В качестве примера можно указать приборы фирмы ISL под названиями FZP 5 Gs и FZP 5 G, которые являются полностью автоматизированными приборами, работающими на основании стандартов ASTM D 2386, IP 468 и ISO 3013.

Принцип действия указанных приборов состоит в том, что пучок света, испускаемый диодом, пропускают через измерительную ячейку, содержащую анализируемый образец, которая помещена в криостатированную камеру, оборудованную датчиком температуры, соединенным с системой охлаждения и регулировки температуры, и измеряют силу света, принятую оптическим приемником, находящимся на одной линии с инфракрасным излучателем за измерительной ячейкой, содержащей анализируемые образцы.

При проведении теста температуру криостатированной камеры постепенно снижают до тех пор, пока оптический детектор не перестанет детектировать свет, что означает, что образец полностью кристаллизован, а затем температуру снова постепенно повышают, записывают кривую, показывающую изменения силы света, принятой оптическим приемником, как функцию температуры.

Когда в образце исчезнут последние кристаллы, на кривой наблюдают перегиб, соответствующий точке исчезновения кристаллов, за которым идет участок постоянной температуры.

Прибор имеет преимущество - он компактный и автоматический, позволяет получить полностью воспроизводимые результаты вне зависимости от квалификации оператора.

Недостаток прибора заключается в том, что его чувствительность в определенных случаях может оказаться недостаточной, в частности когда хотят определить точку исчезновения кристаллов керосина, загрязненного небольшой долей газойля.

Действительно, в присутствии газойля точка исчезновения кристаллов в образце керосина заметно увеличивается. В случае образца, содержащего несколько % газойля, кривая, показывающая изменения интенсивности света, полученной оптическим детектором, как функция температуры имеет достаточно отчетливый перегиб, чтобы определить точку исчезновения кристаллов и, следовательно, долю газойля, по сравнение с точкой исчезновения кристаллов чистого керосина.

Напротив, в случае небольшого загрязнения газойлем кривая закругляется и больше не дает ясного перегиба, поэтому невозможно определить точку исчезновения кристаллов.

Другой прибор, предназначенный для определения точки исчезновения кристаллов, описан в патенте US 5088833.

Указанный прибор действует по стандарту ASTM D 5972. Для измерения помещают анализируемый микрообразец продукта в чашку, внутренность которой образована зеркалом, охлаждаемым элементами Пельтье, и постепенно охлаждают образец до его кристаллизации, а затем снова постепенно нагревают.

Во время испытания анализируемый образец освещают пучком света, причем угол падения выбирают так, чтобы свет, отраженный зеркалом, не достигал оптического детектора, расположенного выше него.

Когда в образце присутствуют кристаллы, они рассеивают свет случайным образом и часть этого света будет принята оптическим детектором.

Следовательно, появление и исчезновение кристаллов может быть обнаружено путем анализа сигнала, полученного оптическим детектором, который равен нулю в отсутствие кристаллов и увеличивается с появлением кристаллов в образце.

Чувствительность прибора достаточна, чтобы обнаруживать очень маленькое количество газойля в керосине. Однако применение прибора неудобно, а полученные результаты в большой степени зависят от квалификации оператора.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа определения точки исчезновения кристаллов нефтепродуктов, в частности авиационного керосина, способного устранить указанные недостатки.

Поставленная задача решена согласно изобретению путем создания способа определения точки исчезновения кристаллов нефтепродуктов, в котором

устанавливают лазерный излучатель и продольный оптический приемник, по одну и по другую стороны трубчатой измерительной ячейки, установленной практически горизонтально, помещенной в криостатированную камеру, оборудованную датчиком температуры, соединенным с системой охлаждения и регулировки температуры, чтобы оптический луч от лазерного излучателя был на продольной оси измерительной ячейки и продольного оптического приемника,

соединяют датчик температуры, систему охлаждения и регулировки температуры, а также продольный оптический приемник с программируемыми средствами расчета и отображения,

непосредственно за лазерным излучателем устанавливают диафрагму, чтобы оптический луч от лазерного излучателя был достаточно тонким, чтобы полностью исключить отражение от стенок измерительной ячейки,

перед продольным оптическим приемником устанавливают поляризатор, отрегулированный так, чтобы не пропускать оптический луч от лазерного излучателя,

вводят анализируемый образец в измерительную ячейку,

включают лазерный излучатель и продольный оптический приемник и пропускают оптический луч через анализируемый образец, записывают силу света, полученную продольным оптическим приемником,

постепенно снижают температуру криостатированной камеры до температуры окончания кристаллизации анализируемого образца (точки помутнения), а затем снова постепенно повышают температуру этой камеры, записывают кривую, показывающую изменения силы света, полученной продольным оптическим приемником, как функцию температуры - кривая обнаружения, и

определяют точку исчезновения кристаллов по указанной кривой.

Таким образом, указанный способ принципиально отличается использованием пучка поляризованного света, чтобы продольный оптический приемник не получал света при отсутствии кристаллов. Напротив, при появлении кристаллов в анализируемом образце определенное количество света детектируется приемником. Специалистам хорошо известно, что кристаллы изменяют направление поляризации света.

Указанный способ не может работать при отсутствии полного отражения от стенок измерительной ячейки; следовательно, если состояние поверхности ячейки не отражает света, необходимо, чтобы сечение пучка, проходящего через нее, было достаточно уменьшено диафрагмой.

Согласно изобретению, удалось установить, что диаметр диафрагмы должен быть предпочтительно от 1 до 1,5 мм, так как при диаметре 1 мм можно столкнуться с риском возникновения дифракции.

Кроме того, для получения оптимальной чувствительности приемника длина волны лазерного пучка должна составлять около 650 нанометров.

Предпочтительно в непосредственной близости от измерительной ячейки, в ее передней части, устанавливают боковой оптический приемник для приема оптического луча от лазерного излучателя, а также программируемые средства расчета и средство программируемого отображения.

На боковой оптический приемник свет не поступает при отсутствии кристаллов, так как анализируемый образец в этом случае полностью прозрачный, но поступает рассеянный свет с появлением кристаллов в образце.

Во время теста записывают также кривую, показывающую изменение силы света, полученного боковым оптическим приемником, как функцию температуры, или кривую помутнения и, используя эту кривую, определяют температуру окончания кристаллизации анализируемого образца, или точку помутнения, то есть температуру, начиная с которой направление изменения температуры должно быть изменено на противоположное.

Следовательно, функция бокового оптического приемника состоит в управлении процессом.

Более точно, в начале тестирования на оба детектора свет не поступает.

При охлаждении появляются первые кристаллы, которые изменяют поляризацию света от лазерного излучателя, и определенное количество света может также пройти через поляризатор и достичь продольного оптического приемника.

Когда количество кристаллов внутри анализируемого образца становится значительным, он мутнеет, что вызовет рассеяние света, часть которого доходит до поперечного оптического приемника.

Когда помутнение становится очень сильным, пучок света от лазерного излучателя не может больше достигать поляризатора, и следовательно, сила света, детектируемая продольным оптическим приемником, уменьшается.

Точка помутнения достигается, когда сила света, детектируемая боковым оптическим приемником, увеличивается, тогда как сила света, детектируемая продольным оптическим приемником, уменьшается.

Когда достигнута точка помутнения, постепенно повышают температуру камеры криостата, чтобы определить значение точки исчезновения кристаллов образца на кривой обнаружения.

При этом повышении сила света, детектируемая оптическим приемником, увеличивается, начиная с момента, когда образец становится достаточно прозрачным, чтобы пучок света от лазерного излучателя мог достичь поляризатора, а затем снова уменьшается, когда исчезают последние кристаллы.

Точка, начиная с которой продольный оптический приемник больше не детектирует света, соответствует искомой точке исчезновения кристаллов.

Согласно второму аспекту настоящее изобретение относится к устройству для реализации указанного способа.

Согласно изобретению, устройство характеризуется тем, что содержит:

криостатированную камеру, снабженную датчиком температуры, соединенным с системой охлаждения и регулировки температуры,

измерительную трубку U-образной формы, установленную в криостатированной камере, центральная часть трубки, практически горизонтальная, образует измерительную ячейку, а боковые части позволяют вводить анализируемый образец в ячейку и выводить его из ячейки,

лазерный излучатель и связанный с ним продольный оптический приемник, установленные с одной и другой стороны измерительной ячейки, вдоль ее продольной оси,

диафрагму, установленную непосредственно за лазерным излучателем,

поляризатор, установленный перед продольным оптическим приемником,

программируемые средства расчета и отображения, соединенные с датчиком температуры, системой охлаждения и регулировки температуры, а также с продольным оптическим приемником.

В указанной конструкции устройства единственные операции, которые должны производиться вручную, чтобы осуществить тестирование, состоят во введении анализируемого образца в измерительную ячейку с помощью шприца и включении лазерного излучателя и соответствующего ему продольного оптического приемника, а также системы охлаждения и регулировки температуры.

Затем тестирование осуществляется автоматически под контролем средств расчета и отображения, заранее запрограммированных в зависимости от соблюдаемого стандарта, которые контролируют систему охлаждения и регулировки температуры в зависимости от информации, которую им передал датчик температуры, и устанавливают одновременно кривую обнаружения в зависимости от информации, переданной им продольным оптическим приемником.

Предпочтительно, устройство содержит боковой оптический приемник, установленный в непосредственной близости от измерительной ячейки у ее передней части и соединенный с программируемыми средствами расчета и отображения.

В соответствии с этой характеристикой, программируемые средства расчета и отображения определяют кривую помутнения, исходя из информации, которая передана им боковым оптическим приемником, и используют эту кривую, чтобы автоматически управлять системой охлаждения и регулировки температуры и, следовательно, изменениями температуры в криостатированной камере.

Согласно изобретению, свет передают к оптическим приемникам посредством световодов, установленных предпочтительно вместе с линзами, способными концентрировать оптические лучи.

Линзы могут быть образованы стеклянными шариками диаметром от 5 до 8 мм, размещенными на оптической оси.

В качестве световодов использованы волокна, расположенные в фокальной плоскости линзы.

Измерительная трубка выполнена в виде металлического элемента, в частности, из алюминия, снабжена окнами, через которые проходит детектируемый оптический луч.

Важно, чтобы эти окна, как правило стеклянные, имели абсолютно параллельные поверхности.

Согласно изобретению, система охлаждения и регулировки температуры может быть выполнена в виде блока охлаждения, в частности, действующего по циклу Стирлинга, холодный поршень которого снабжен на свободном конце системой передачи тепла по сухому контакту, действующей вместе с криостатированной камерой, чтобы осуществлять охлаждение до желаемой температуры.

Устройство для анализа образцов нефтепродуктов, содержащее установку охлаждения по циклу Стирлинга, описано в документе FR 2801381.

Применение установки охлаждения по циклу Стирлинга позволяет получить конструкцию устройства в виде компактного портативного прибора.

Краткое описание чертежей

Характеристики способа и устройства, согласно изобретению, будут описаны более подробно со ссылками на приложенные чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает схему устройства для определения точки исчезновения кристаллов нефтепродуктов, согласно изобретению;

Фиг.2, 3, 4 - диаграммы, полученные программируемыми средствами расчета и отображения для соответственно образца чистого керосина, образца слабо загрязненного керосина и образца сильно загрязненного керосина, согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Устройство для определения точки исчезновения кристаллов нефтепродуктов содержит криостатированную камеру 1 (Фиг.1), снабженную датчиком 2 температуры, а также установкой охлаждения и регулировки температуры, действующей по циклу Стирлинга (не показана).

В криостатированной камере 1 размещена металлическая измерительная трубка 3 U-образной формы, горизонтальная центральная часть 4 которой представляет собой измерительную ячейку, в которую помещают анализируемый образец.

Боковые части 5 и 5' измерительной трубки 3 предназначены для ввода образца, а также его вывода.

Устройство содержит также лазерный диод 6, напротив которого размещен продольный оптический приемник 7, чтобы испускаемый пучок 8 лазерного излучения проходил по одной линии с продольной осью измерительной ячейки 4 и через анализируемый образец, введенный в ячейку.

Перед продольным оптическим приемником 7 в направлении распространения лазерного луча от диода 6 установлен поляризатор 9.

Поляризатор 9 настроен так, чтобы продольный оптический приемник 7 не принимал свет, когда образец, содержащийся в измерительной ячейке 4, прозрачный и не содержит кристаллов.

Стеклянные окна 10, 10', имеющие абсолютно параллельные поверхности, позволяют лазерному лучу 8 проходить через измерительную ячейку 4 и достигать продольного оптического приемника 7, гарантируя герметичность этой ячейки.

Вспомогательный поляризатор 11, скрещенный с поляризатором 9 и установленный непосредственно за лазерным диодом 6, выполняет функцию ослабления амплитуды луча, испускаемого этим диодом.

Вспомогательный поляризатор 11 действует вместе с диафрагмой 12, установленной непосредственно за ним, чтобы лазерный пучок, проходящий через измерительную ячейку 4, был достаточно тонким, чтобы совершенно исключить отражение на стенках этой ячейки.

Устройство включает также боковой оптический приемник, установленный вблизи измерительной ячейки 4 у ее передней части.

Стеклянное окно 10", аналогичное окнам 10 и 10', позволяет лучу, рассеянному у передней части измерительной ячейкой 4, дойти до бокового оптического приемника 13.

До достижения приемников 7, 13 поляризованный свет из поляризатора 9 и рассеянный свет, выходящий из окна 10", концентрируются на световодах 15, 15' линзами 14, 14', соответственно.

Установка охлаждения, датчик 2 температуры, а также продольный оптический приемник 7 и боковой оптический приемник 13 соединены с программируемыми средствами расчета и отображения (не показаны), которые управляют процессом в соответствии с заданным стандартом.

Программируемые средства расчета и отображения управляют установкой охлаждения криостатированной камеры 1 в зависимости от информации, которая передана им датчиком 2 температуры и приемниками 7, 13, и параллельно определяют кривую обнаружения, показывающую изменения в силе света, принятой продольным оптическим приемником 7, и кривую помутнения, показывающую изменения в силе света, полученного боковым оптическим приемником 13.

На Фиг.3, 4, 5 представлены три диаграммы, соответствующие трем разным образцам керосина, где по оси абсцисс отложено время, выраженное в минутах, а по оси ординат отложены сила света, полученная приемниками, выраженная в относительной шкале от 0 до 100, и температура образца, выраженная в °C, на левой шкале и правой шкале, соответственно.

Пунктирные кривые показывают изменения температуры образца как функцию времени (правая шкала).

Штриховые линии соответствуют изменению помутнения и показывают изменения силы света во времени, полученной боковым приемником (левая шкала).

Сплошные линии соответствуют обнаружению и показывают изменения силы света от времени, полученной продольным приемником (правая шкала).

Анализ трех диаграмм позволяет определить точку помутнения, то есть температуру, начиная с которой направление изменения температуры в криостатированной камере должно измениться на противоположное.

Сплошные кривые позволяют определить искомую точку исчезновения кристаллов.

В случае чистого керосина без примесей (Фиг.2) появление первых кристаллов было отмечено через 7 минут 30 секунд, или при температуре -59°C.

Точка помутнения была обнаружена при температуре, очень близкой к -60°C.

Точка исчезновения кристаллов была обнаружена через 11 минут, или при температуре -54°C.

В случае керосина с малым содержанием примесей (Фиг.3) появление первых кристаллов было отмечено через 6 минут 30 секунд, или при температуре -45°C, а точка помутнения через 7 минут 45 секунд, или при температуре -60°C.

Исчезновение мутности в образце было отмечено через 11 минут 30 секунд, или при температуре -55°C, а точка исчезновения кристаллов через 13 минут 30 секунд, или при температуре -38,7°C.

«Скачок», отмеченный на кривой обнаружения около 12 минут, связан с физическими явлениями внутри образца.

В случае сильно загрязненного керосина (Фиг.4) точка исчезновения кристаллов была отмечена через 14 минут 30 секунд, или при температуре -27,5°C.

1. Способ определения точки исчезновения кристаллов нефтепродуктов, в частности авиационного керосина, в диапазоне температур от -5 до -120°С, отличающийся тем, что

устанавливают лазерный излучатель (6) и продольный оптический приемник (7) по одну и по другую стороны практически горизонтальной трубчатой измерительной ячейки (4), помещенной в криостатированную камеру (1), снабженную датчиком (2) температуры, соединенную с системой охлаждения и регулировки температуры, чтобы оптический луч от лазерного излучателя (6) был на одной линии с продольной осью измерительной ячейки (4) и продольного оптического приемника (7), соединяют датчик (2) температуры с системой охлаждения и регулировки температуры, а также соединяют продольный оптический приемник (7) с программируемыми средствами расчета и отображения,

устанавливают диафрагму (12) непосредственно за лазерным излучателем (6), чтобы оптический луч (8) от лазерного излучателя был достаточно тонким, чтобы полностью исключить отражение от стенок измерительной ячейки (4),

устанавливают перед продольным оптическим приемником (7) поляризатор (9), настроенный так, чтобы не пропускать прямо оптический луч от лазерного излучателя (6),

устанавливают в непосредственной близости от измерительной ячейки (4) у ее передней части боковой оптический приемник (13) для приема оптического луча (8) от лазерного излучателя (6) и соединенный с программируемыми средствами расчета и отображения,

вводят анализируемый образец в измерительную ячейку (4),

включают лазерный излучатель (6), продольный оптический приемник (7) и боковой оптический приемник (13) и пропускают оптический луч через анализируемый образец,

постепенно снижают температуру криостатической камеры (1), записывают кривую, показывающую изменения силы света, принятого продольным оптическим приемником (7), как функцию температуры, представляющую собой кривую обнаружения, и кривую, показывающую изменения силы света, принятого боковым оптическим приемником (13), как функцию температуры, представляющую собой кривую помутнения, и определяют по кривой помутнения температуру окончания кристаллизации анализируемого образца - точку помутнения, начиная с которой снова постепенно повышают температуру камеры (1), и записывают кривую обнаружения и кривую помутнения,

определяют точку исчезновения кристаллов по кривой обнаружения.

2. Устройство для реализации способа определения точки исчезновения кристаллов нефтепродуктов по п.1, отличающееся тем, что содержит

криостатическую камеру (1), снабженную датчиком (2) температуры, соединенным с системой охлаждения и регулировки температуры,

измерительную трубку (3) U-образной формы, установленную в криостатической камере (1), центральная часть трубки, практически горизонтальная, образует измерительную ячейку (4), а боковые части (5, 5') обеспечивают ввод анализируемого образца в ячейку, а также вывод из ячейки,

лазерный излучатель (6) и связанный с ним продольный оптический приемник (7), установленные с одной и с другой стороны измерительной ячейки (4) вдоль ее продольной оси,

диафрагму (12), установленную непосредственно за лазерным излучателем (6),

поляризатор (9), установленный перед продольным оптическим приемником (7),

программируемые средства расчета и отображения, соединенные с датчиком (2) температуры, системой охлаждения и регулировки температуры, а также с продольным оптическим приемником (7),

боковой оптический приемник (13), установленный вблизи измерительной ячейки (4) у ее передней части, соединенный с программируемыми средствами расчета и отображения.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что содержит промежуточные световоды (15, 15') для передачи света на оптический(ие) приемник(и) (7, 13).

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что световоды (15, 15') объединены с линзами (14, 14') для концентрирования оптического луча (8).

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что измерительная трубка (3) выполнена в виде металлического элемента, в частности из алюминия, снабжена окнами (10, 10', 10") для прохода детектируемого оптического луча (8).

6. Устройство по любому из пп.2-5, отличающееся тем, что система охлаждения и регулировки температуры выполнена в виде блока охлаждения, действующего по циклу Стирлинга, холодный поршень которого снабжен на свободном конце системой теплопередачи по сухому контакту, действующего совместно с криостатической камерой (1) для охлаждения до требуемой температуры.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что представляет собой компактный портативный прибор.