CC BY
29
УДК 535.321:543.45
ЭКСПРЕССНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И ДИСПЕРСИИ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ
Анатолий Иванович Пеньковский
АО «Швабе - Технологическая лаборатория», 420075, Россия, г. Казань, ул. Липатова, 37, начальник НП0-430, e-mail: [email protected]
Маргарита Васильевна Фаттахова
АО «Швабе - Технологическая лаборатория», 420075, Россия, г. Казань, ул. Липатова, 37, инженер-конструктор, аспирант КНИТУ КАИ им. А. Н. Туполева, e-mail: [email protected]
Анализируются особенности измерений показателя преломления и дисперсии моторных топлив, показана конструкция портативного спектрорефрактометра и приведены расчеты компенсатора дисперсии.
Ключевые слова: показатель преломления, дисперсия, угловая дисперсия, предельный
угол.
EXPRESS METHODS OF MEASURING INDEX OF REFRACTION AND DISPERSION OF MOTOR FUELS
Anatoly I. Penkovsky
JSC «Shvabe - Technological laboratory», 420075, Russia, Kazan, 37 Lipatov St., Chief of CPD-430, e-mail: [email protected]
Margarita V. Fattakhova
JSC «Shvabe - Technological laboratory», 420075, Russia, Kazan, 37 Lipatov St., graduate student of the KNRTU KAI named after A. N. Tupolev, e-mail: [email protected]
Analized are specific features of measuring index of refraction and dispersion of motor fuels. Shown is the design of a portable spectral refractometer and given calculations of dispersion compensator.
Key words: index of refraction, dispersion, angular dispersion, limit of angle, parafino-naphthenic and aromatic components of fuels.
Целью работы является создание удобных экспрессных методов и средств контроля моторных топлив.
Стандартные прямые методы контроля основных эксплуатационных характеристик моторных топлив требуют существенных затрат средств и времени для проведения одного анализа.
Косвенные экспрессные методы затруднены тем, что моторные топлива состоят из множества индивидуальных углеводородов, каждый из которых вносит вклад в общие характеристики топлив. Эти углеводороды обычно делят на три основные группы: парафиновые, нафтеновые и ароматические [1]. Существует ряд методов определения характеристик моторных топлив по соотношению этих групп. Среди методов определения группового состава моторных
топлив наиболее информативным и удобным является рефрактометрический метод с использованием дисперсии показателя преломления [2-4].
Суть рефрактометрического метода состоит в том, что моторное топливо рассматривают как смесь парафино-нафтеновых и ароматических фракций и находят в нем долю ароматических углеводородов РАР%. Для этого сначала измеряют показатель преломления топлива в желтом свете п0 (для длины волны = 589,3 нм) и разность показателей преломления пр — пс = Дрс, называемую средней дисперсией (для длин волн водорода Хр = 486,1 нм и Хс = 656,3 нм), относительно стеклянной измерительной призмы рефрактометра. Затем находят относительную дисперсию топлива:
« = (Пр — Пс) • 103/(пс — 1), (1)
и сравнивают ее с априори известной усредненной величиной относительной дисперсии парафино-нафтеновых составляющих топлива юпн = 17,55. По разнице этих величин дисперсий находят долю ароматических углеводородов Р АР% с помощью линейного уравнения
рАР% = К(ы — 17,55), (2)
где К - коэффициент пропорциональности; ю - относительная дисперсия топлива.
Найденные значения п0, ю и Рдр% являются главными при определении других характеристик топлив. Так, октановое число бензинов О, цетановое число z дизельного топлива, высота некоптящего пламени ^ нагарный фактор Нф керосинов связаны с п0 и РАР% следующими формулами, полученными экспериментально:
П = 76 + 0,652(рар% — 10%), (3)
z = 350(1,475 — п0х) + 46, (4)
h = 340(1,475 — п0х) + 19,5 — 0,04рар%, (5)
Нф = 150 — 4000(1,453 — п0 ) — 0,15рар%, (6)
где п0х - показатель преломления топлива при 20 оС.
Формулы (3)—(6) получены в результате обработки большого массива экспериментальных данных, полученных при исследовании аттестованных образцов топлив (бензинов, дизельных и реактивных топлив) различными методами (рефрактометрическим, дисперсиометрическим, диэлькометри-ческим, поляризационным). Проведенные исследования показали, что показатель преломления п0 всех видов топлива находится в пределах от 1,3750 до 1,4805, диапазон измерения средней дисперсии Дрс топлив - от 0,0060 до 0,0120, а предел допустимой погрешности измерений п0 и Дрс не должен превышать 2 • 10-4.
Для измерения п0 и ДРС моторных топлив в лабораториях обычно используют рефрактометры Пульфриха [1], укомплектованные спектральными лампами с громоздкими источниками высокого напряжения, что неудобно для проведения экспрессных анализов топлив.
На рис. 1 показана схема нового портативного спектрорефрактометра ИРФ-479А для контроля качества моторных топлив.
Отличительными особенностями спектрорефрактометра (рис.1) являются измерительная призма 4, выполненная из стекла БК10 (п0 = 1,5688, ДрС = 0,01015, угол призмы 0 = 66,5°), наличие компенсатора дисперсии, выполненного в виде одной призмы прямого зрения 5, а также равномерная шкала 10, содержащая 110 делений.
1 2 3 4 5 6
8 9 10
6
12
14
13
Рис. 1. Структурная схема спектрорефрактометра ИРФ-479А
Принцип работы представленного прибора следующий: белый свет от любого источника света проходит призму-осветитель 1, слой исследуемого топлива 3, преломляется в измерительную призму 4, вторично преломляется на выходной грани призмы 4, проходит через компенсатор 5 и попадает на объектив 7. В фокальной плоскости объектива 7, где установлена равномерная шкала 10, строится изображение границы света и тени, которую можно наблюдать с помощью окуляра 11.
Если наблюдаемая граница света и тени имеет радужную окраску, то необходимо с помощью вращения кольца 6 добиться полной компенсации дисперсионных эффектов, образовавшихся в результате преломления света при его
прохождении через призму 4. Показания в делениях шкалы М с прибора снимают по положению границы света и тени относительно шкалы 10. Показания в делениях шкалы М соответствуют измеренному показателю преломления топлива nDx:
nDx = nD sin {e - arcsin [(1) sin(pmin - МДР)]}, (7)
где n0 - показателю преломления призмы 4; 0 - угол между входной и выходной гранями призмы 4; Pmin - угол предельных лучей относительно нормали к выходной грани призмы 4 при минимальном показателе преломления топлива; Др - цена деления шкалы 10 (град).
По положению шкалы 12 кольца 6 относительно нулевого индекса 14 неподвижного кольца 13 определяют угол поворота ф призмы 5 и находят среднюю дисперсии через конструктивные коэффициенты А и B [1]:
Afc = (% - nc) = А + В^с^пф, (8)
где
А = nosine^FcVG; (9)
В = (V(n0-n|)(1-n0+G2))/G; (10)
G = nxsine + coseVnO — n|; (11)
(ДFC)k = 0,025598 - угловая дисперсия, вносимая призмой 5.
Подставляя в формулы (9) - (11) значения n0 = 1,5688, (Дрс )0 = 0,01015, 0 = 66,5° находим, что при изменении nx от 1,3750 до 1,4805 средняя величина коэффициента А« 0,009304, а величина коэффициента В меняется от Bmin « 0,328819 до Bmax « 0,478996.
Таким образом, для расчетов средней дисперсии моторных топлив для данной конструкции спектрорефрактометра можно пользоваться формулой:
Дрс = А + (В^П — (Втах — В^п) • М) • (Дрс)ктах • sinф0 =
= 0,009304 + (0,479 — 0,001502 • М)0,025598 • sinф0, (12)
где М - число делений шкалы 10; (ДрС)ктах - максимальная угловая дисперсия, вносимая призмой 5; ср° = ъ ■ 3° - угол поворота призмы 5; z - число делений шкалы 12 относительно индекса 14.
На рис. 2 показана зависимость дисперсии (Дрс)к, вносимой призмой 5 (компенсатором), от угла поворота ф° призмы 5.
Рис. 2. Зависимость дисперсии (ДРС)к от угла поворота ф° призмы 5
Из формулы (12) и рис. 2 видно, что если компенсатор дисперсии находится в исходном положении, т. е. при ф = 0°, то искомая дисперсия ДРС = 0,009304 соответствует средней величине диапазона измерения дисперсии моторных топлив. Значит, в диапазоне углов ф° от ф = -15° до = +15° формула
1 1 гит 1 тах 1 1 ^
(12) близка к линейной функции, где наблюдается наибольшая ее крутизна, следовательно, достигается наибольшая точность измерений ДРС.
В результате исследований методов измерения показателя преломления и дисперсии моторных топлив авторам удалось создать простой портативный спектрорефрактометр ИРФ-479А (рис. 1). Если в спектрорефрактометре ИРФ-479А вместо шкалы 10 и окуляра 11 установить многоэлементный фотоприемник, управляемый микропроцессором, а в процессор внести программы на основе формул (7), (12), то процесс экспрессных измерений основных характеристик топлив существенно упростится.
библиографический список
1. Иоффе Б. В. Рефрактометрические методы химии. - Л. : Химия, 1974. - 400 с.
2. Иоффе Б. В., Баталин О. Е. Определение группового состава стандартных фракций бензинов // Нефтехимия. - 1964. - 4, 481.
3. Хейфец Е. М. Новые методы определения химического состава топлив и масел. -М. ; Л. : Гостоптехиздат, 1950. - 64 с.
4. Пеньковский А. И., Николаев В. Ф., Боровкова Н. С. Способ экспрессной оценки качества моторных топлив и устройство для его осуществления // Патент РФ№2532638.
5. Пеньковский А. И., Николаев В. Ф., Боровкова Н. С. Новые оптические способы и устройства для анализа качества моторных топлив // Оптический журнал. - 2016. - 83, 4. - С. 63.
© А. И. Пеньковский, М. В. Фаттахова, 2017
