车用汽油在线监测系统的设计与试验分析.pdf

N 5 71 881声 明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档。可以借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：蕊面盘 川年‘月妒日硕士论文 车用汽油在线监测系统的设计段试验研究1．绪论1．1汽油的概述汽油是一种易挥发、易燃的轻质烃类混合物。它主要来自石油，其沸程范围一般为30～220。C。汽油是现代发动机所用燃料的主要品种之一。它按用途可分为车用汽油和航空汽油，通常所说的汽油是指地面车辆用的车用汽油。1．2课题研究的科学意义1998年7月28日，根据国务院机构改革方案，组建两个特大型石油石化企业集团——中国石油天然气集团公司(CNPC)和中国石油化工集团公司(SINOPEC)。同时，对成品油流通体制做出重大改革，改革产生的结果主要有：一、两大集团具有成品油批发专营权，汽油煤油零售定价权；二、两大集团取消各炼油厂的成品油销售权，实行统一计划、配制、结算；三、成品油中汽油、柴油的零售价格由国家发展计划委员会制定各省市场的零售中准价格，由两大集团在上下5％的幅度内制定具体零售价格…。这样，个别加油站在巨额利益的驱动下，难免会想方设法在油品的质量上做文章，并且两大集团在收购、参股、联营、租赁的过程中也难免会有疏忽的地方，使得这些加油站有机会违规掺杂使假、短斤缺两、售卖走私油以及使用未经质检部门鉴定的加油机。与此同时，独立于两大石油集团之外的庞大的民间炼油阵营，也为那些加油站的劣质汽油提供了来源。以北京为例，保守估计有1．5百万辆燃烧汽油的车，平均每辆车每天消耗5公升油，一天的消耗量就是7500吨，而这7500吨油里至少有500—600吨是小炼厂的劣质油。据调查，劣质油一般是三车好油掺一车次油(一车30方)。正品油每吨基本在2800—2900元，而小炼厂的只卖2100左右，一吨有700—800元的额外利润，500吨每天就有35—40万的额外利润。在2001年国家质量监督检验检疫总局对北京、上海和广州三大城市加油站车用无铅汽油产品质量的一次监督抽查中，60家加油站的60批次车用无铅汽油，只合格54批次，抽样合格率为9096。但是其中在北京抽查的20家加油站中，抽样合格率仅为80％“1。使用劣质汽油造成的危害是很大的。首先，其辛烷值严重不达标，其所含有的辛烷也是支链辛烷和环辛烷居多，而不是要求的正辛烷，对于高压缩比的汽车来说损害硕士论文 车用汽油在线监测系统的设计及试验研究非常大；其次，这类油品含铅量严重超标，毫无疑问会对环境造成了严重的污染，对我们的身体健康构成威胁；再次，我国加入世贸组织中制定的协议在石油非关税方面，中国政府承诺：在2005年11月1目前要取消所有的非关税措施，且在2005年后开放成品油批发市场。所以，当外国石油进驻中国市场的时候，将会对我国鱼龙混杂的石油行业造成不小的冲击。政府部门对加油站的管理加强是必要的，同时对其进行更广范围的群众监督也是有必要的。本课题就是对车用汽油的在线实时监测系统进行研究和试验，它不仅可以加大对加油站的监督力度，保障消费者的权益，而且也可以为石油化工行业实现油品生产的在线监测提供了一个参考。1．3国内外汽油的检测技术现状及方案选择1．3．1车用汽油的评价标准㈨最初，汽油是原油直接进行蒸馏所得到的汽油馏分，数量有限，辛烷值低，抗爆性差，后来为了适应汽车发动机和和航空发动机的要求，炼油工业逐步发展了热裂化、催化裂化、催化重整、烷基化、异构化以及叠合等工艺。它是一种易挥发、易燃的轻质烃类混合物。随着汽油发动机性能的不断提高和环境保护法规的日益严格，对汽油质量的要求越来越严格，抗爆性、蒸发性、安定性、无腐蚀、洁净性以及低蒸发和低废气排放都是评价汽油优劣的标准。其中，炕爆性是评价汽油质量最重要的指标，通常用辛烷值表示。1_3．2基于汽油质量的分析测试方法的现状1．理化法。这种方法需要先采样，再通过物理、化学等方法来测定油液的黏度、闪点、酸值、水分和机械杂质等性能指标。在各种油品的检验中，该方法都占据着重要的位置。2．马达法和研究法”1。该测定方法是在标准试验条件下借助于改变压缩比，并用爆震表测量出标准爆震强度。与已知辛烷值的参比燃料的爆震倾向相比较来确定试验燃料的辛烷值。参比燃料由异辛烷(2，2，4一三甲基戊烷)和正庚烷两种符合标准的纯烃组成。异辛烷的辛烷值定为100，正庚烷的辛烷值定为零，这两种纯烃以不同比例混合为参比燃料，其中异辛烷的体积百分含量即为该参比燃料的辛烷值。与所测汽油抗爆性相等的参比燃料的辛烷值也就是所测汽油的辛烷值。马达法与研究法的主要区别在于二者的的测定条件(即发动机的曲轴转速)不同。这两种方法均已标准化。硕士论文 年用汽油在线监测系统的设计厦试验研究中国的马达法和研究法辛烷值测定法标准代号分别为GB／T 503—85和GB／T 5487—85，相应的美国标准代号为ASTM 2700和ASTM 2699。3．仪器分析法“3。这类方法中有核磁共振法51、近红外光谱法”1、喇曼光谱法…、原子发射光谱法等。它们都是采用精密仪器，通过测量物质的物理性质和物理化学性质以确定其化学组成、含量及化学结构的分析方法。例如，拉曼光谱法：它是将一束单色光照射到样品上，通过对与入射光频率不同的散射光(即拉曼散射)的测定，得到分子的振动光谱，同时因为发生散射的分子结构与频率位移有关，所以可用于汽油成分的测定；红外光谱法：波数在4000—400／cm的红外光只能使样品分子产生振动能级与转动能级的跃迁，分子振动在伴随偶极矩改变时，分子内电荷分布变化会产生交变电场，当其频率与入射辐射电磁波频率相等时会产生红外吸收，因此，可以通过解析经过红外吸收的光的光谱获取汽油成分结构信息，如美国MIDAC公司生产的FOX型红外光谱仪，等等。4．传感器法…。它是利用物理定律和物质的物理、化学和生物特性，将被测量转换成电量。这种方法正在向着高精确度、小型化、数字化、集成化、智能化的方向发展。随着现代电子技术和计算机的高度发展，传感器法的应用前景将更为广阔。1．3．3方案分析及选定上述各种方法都有其自己的优缺点。理化法的优点是操作规范，结果精确，可检验油品质量的变化。它的缺点是只适于实验室测量，分析过程较繁琐。马达法和研究法的检测是汽油的最终检测标准，检测结果与实际使用效果相吻合，较为直观；但是它的完成需要有苛刻的试验条件，只适合于工厂成品汽油的终端检测。仪器分析法灵敏度高、选择性好，适于复杂组分以及痕量组分的分析，分析迅速，应用广泛，易于自动化，但是设备庞大，购买、安装、调试、保养费用昂贵，有一定的局限性，也不适合本课题的要求。传感器法的缺点是精度不高；但是它价格低廉，检测速度快，可大大提高效率，实现自动化，易于推广使用，同时由于集成电路的高度发展，传感器法有着非常广阔的前景。所以，在能够满足精度要求的前提下，本文重点考虑传感器法。使用传感器法的首要任务是要找出能够反映被测物且易于进行非电量到电量的转换的物理量。汽油是由不同原油、不同加工工艺得到的调和组分，它的化学组分相当复杂，它与原油的产地、原油的加工工艺、汽油的调和等有很大的关系。其抗爆性(即辛烷值)差别很大。汽油的辛烷值主要由它的烃类组成和各类烃分子的化学结构决定。在这些化学结构中，主要成分通常由由G～c1，烷烃、烯烃、环烷烃和芳香烃等组成。硕士论文 午用汽油在线监测系统的设计丑试验研究环烷烃、芳香烃，以及烷烃中的石蜡烃都具有较好的化学稳定性和介电稳定性“1。中国科学院、电子学研究所以及传感器技术国家重点实验室对汽油可能含有的几种主要烃类的介电常数与实测辛烷值进行了对比，见图1．1所示，在此基础上，实际测定了某地石化厂的不同辛烷值的产品，结果显示汽油辛烷值与组成汽油的各个组份的综台介电常数有近似的对应关系，基于传感技术的汽油的检测是可行的。“。中南大学在油品含水率的测量研究中也采纳了介电常数的方法。使用这种方法来检测汽油的辛烷值，具有能够满足系统小巧、重量轻、携带方便、价格低廉、易于实现与单片机相连等优点，可以应用于对车用汽油的在线检测。烃 樊 分子式奔电常数 箍 备鞋图1．1各种烃类的分子式、介电常数与实测辛烷值表1．4本课题的主要工作和论文组织1．4．1本文的主要工作本课题所做的主要工作是通过对整体系统的研制和开发，实现了基于车用汽油的检测系统的研究，并在实验室条件下对静态汽油进行了实验验证。具体的研究内容如下：(1)提出以AT89C51为核心，采用谐振法来实时监测车用汽油的，集传感器技术、单片机技术为一体的车用汽油在线监测系统；(2)系统的设计。包括传感器电路、波形转换电路以及单片机系统软硬件的设计4硕士论文 车用汽油在线监测系统的设计及试验研究等；(3)试验、分析。试验分标定试验和验证实验。实验结果表明，用该套系统是可以达到检测汽油的目的的。(4)系统的结构设计。对系统的使用环境进行探讨分析，并给出系统的结构示意图。I．4．2本文的组织本文共有七章：第一章对国内外基于汽油检测的概况进行简要介绍并选定本课题研究的实现方案。第二章为系统设计的理论基础介绍并给定系统的总体设计方案。第三章对系统进行设计。第四章为标定试验和验证实验。第五章为该系统的结构设计。第六章中对该系统的安全性进行简要分析。第七章为结束语。塑主堡茎 兰里壅苎垄垡些型墨竺堕堡竺墨堡塑堕壅——2．介电常数法的理论基础及系统的总体设计本章首先从介质物理学的理论出发，引出车用汽油的介电常数测量方法的理论基础。在对各种测量方法进行综合比较之后，选出合理的总体设计方案。2．1车用汽油介电测量的理论基础“““1汽油的传感器测量方法需考虑到汽油某个固有参数与电信号的一定的关系。现代物理学认为，除稀薄的完全电离气体(等离子体)外，自然界几乎所有物质都是电介质。汽油是一种复杂的烃类混合物，因为其中各烃类的介电稳定性，所以可以把它作为一种非常复杂的电介质来考虑。为此，本文以现代电介质物理学的基础理论为依据，简述车用汽油介电测量法的物理基础。2．I．I静电场中介质电磁运动的宏观规律电磁运动的普遍规律可用麦克斯韦方程组来表示V·D=PV．曰=OV。嚣：一塑西v×膏：7+望 。西 (2．1)p——表示自由电荷密度，——表示传感电流密度矢量E——表示电场强度D——表示电位移矢量日——表示磁场强度假设空间可能存在的介质是各向同性的。电位移是电场在物质中引起的响应。有西=嬲。雪 (2．2)s——介电常数在麦克斯韦方程组(2．1)中已将物质系统中可能存在的自由电荷P及其在电场作用下的响应7分了出来，所以束缚电荷的电位移响应西就是将物质看成为电介质。对于传导效应，在线性近似下，可描述为6硕士论文 午用汽油在线监测系统的设计及试验研究了=越J——标量，电导率真空中，s=1，西=矗豆部分声分出来。(2．3)因此电位移西可以将纯粹因存在电介质而附加的贡献D=氏E+P (2．4)卢——称为极化强度当无外电场时，多数电介质均有声=O，对于各向同性的线性电介质，可描述为P=舻oE (2．5)z——称为极化率由上可知，￡=1+Z (2．6)这里，s和z是描述物质电极化性质的等效参数。当两极间为真空时，电场为&，极间电压为【，。，如图2．1(a)所示，有Q=CoUo=CodEo (2．7)(Q) (b)图2，1真空和有介质时的平行板电场由麦克斯韦方程易得出此时的电位移：Do=BOEo=Q／S．．．Co：掣 ‘2·8’当电容器的两极间充满甄的电介质，电场变为E，电压变为U，电容变为C。但是由麦克斯韦方程知，电位移西只取决于自由电荷±Q而与电介质中的束缚电荷无关。即D=铝oE=Do．．．E：堕：墨 (2-9)硕士论文 车用汽油在线监测系统的设计及试验研究由Q=CU得：C=嬲oS／d=eCo (2．10)可见，电介质的引入使电场比真空时减小至1／s倍，而电容量增大至s倍。一般说来，电介质各处的正负束缚电荷的分布是宏观均匀的，并且正负束缚电荷宏观密度在数值上均处处相等，所以正常电介质宏观的不表现为荷电。在外电场的作用下，正负束缚电荷朝相反的方向均匀地相对位移。这时电介质内部仍处处保持为电中性，但在垂直于豆的表面上会出现过剩的电荷。由于在电极化效应中正束缚电荷沿雷的方向位移而负束缚电荷反向位移，故电介质两个表面上所出现的过剩束缚电荷的极性和各自相邻的电极上的自由电荷的极性相反。正是由这些在表面过剩的束缚电荷部分的抵消了相邻电极符号相反的自由电荷，使电场由图2．1中(a)的鼠减少到(b)的E。因此，可以通过电容来反映介电常数￡的变化，这种方法比较常用。2．1．2交变电场下的电介质由式(2．9)、(2．10)可得，静电场下电介质介电常数的定义：s：旦：三 (2．11)Cn￡AE在交变电场应=E=ej“作用下，当介质中存在着松弛极化时，西将滞后于面，这时有一相位角差占，即西=O．e7‘“一6’则介质的复介电常数定义为：(2．12)手：兰：粤e-J#：i(eos占一jsin驴F，一J占t (2．13)￡AE soEm。式中，西、雷分别为D和E的复数矢量；Dm、E为它们的幅值，F为复介电常数的模。于是有：li=8Lj∥1 tg#：等 ‘2。14’式中，s 7——复介电常数的实部；它相当于通常的介电常数占，在以下的介绍中均用s表示。s。——复介电常数的虚部；，=6'tga，亦称为损耗因数。它的介电物理模型可通过如图2．2表示：把以汽油为介质的电容接到角频率为国=2矿的正弦电压源“-----'U。e埘上，Rc并联等效电路来描述。图2．2中，电导G一方硕士论文 车用汽油在线监测系统的设计及试验研究面是由载流子的迁移所造成的，另一方面也包含了各种其他能量的损耗过程。电流源电压表 介电模型图2．2电介质等效电路2．1．3汽油介质的分子极化和介质损耗R=1／G置于电场中的电介质，沿电场方向产生偶极矩，在电介质表面产生束缚电荷的现象称为电介质的极化现象。电介质分子极化形式大约可分为下列三类““：(1)电子位移式极化。即电子轨道相对于原子核产生位移而引起的极化。电子极化所需时间短，约为10-14～10。5秒。(2)离子式极化。这是在离子构成的介质中，正负离子在有限范围内产生弹性位移而引起极化。这种极化的时间也较短，约为10。12～lO。3秒。(3)偶极式极化。在极性分子组成的介质中内，偶极性分子沿电场方向作有序排列(定向)而引起的极化。偶极式极化的时间比较长，约为lO-2～10_10秒，而且有明显的能量损耗。汽油是一种复杂的混合物，可以看作是弱极性液体电介质，介电常数大约为2．0左右““。在汽油介质中起主要作用的是电子位移式极化，而偶极式极化对极化的贡献甚微。由于电子极化率与电子在原子或(离子)中的分布有关，丽电子分布与温度无关，所以从这一点考虑，汽油介质的分子极化受温度影响不大。在本课题中不涉及损耗的测量，所以实际上是通过测量汽油复介电常数的实部来辨别汽油的辛烷值的。因此，图(2．2)中的电容C才是本课题要研究的对象。2．1．4影响车用汽油介电常数的主要因素影响汽油相对介电常数的因素非常复杂，主要有以下几个因素n211、频率。各种形式的极化都需要一定的时间。当外加电场的频率增高到某种极化来不及形成时，则这种极化在此频率以上就不再存在。一般当电场频率低于材料的