Использование метода импедансной спектроскопии для анализа бензанольного топлива

Разработан метод экспресс-контроля состава трехкомпонентных топливных смесей типа «бензин—спирт—вода», основанный на спектроимпедансном исследовании бензанольной смеси в полосе частот 500 Гц — 10 кГц. Установлена корреляционная зависимость между величинами диэлектрической проницаемости и удельного с...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Технология и конструирование в электронной аппаратуре
Дата:2015
Автори: Кукла, А.Л., Мамыкин, А.В., Майстренко, А.С., Полункин, Е.В., Старжинская, Л.И.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України 2015
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100522
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Использование метода импедансной спектроскопии для анализа бензанольного топлива / А.Л. Кукла, А.В. Мамыкин, А.С. Майстренко, Е.В. Полункин, Л.И. Старжинская // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2015. — № 2-3. — С. 61-67. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859940453861818368
author Кукла, А.Л.
Мамыкин, А.В.
Майстренко, А.С.
Полункин, Е.В.
Старжинская, Л.И.
author_facet Кукла, А.Л.
Мамыкин, А.В.
Майстренко, А.С.
Полункин, Е.В.
Старжинская, Л.И.
citation_txt Использование метода импедансной спектроскопии для анализа бензанольного топлива / А.Л. Кукла, А.В. Мамыкин, А.С. Майстренко, Е.В. Полункин, Л.И. Старжинская // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2015. — № 2-3. — С. 61-67. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Технология и конструирование в электронной аппаратуре
description Разработан метод экспресс-контроля состава трехкомпонентных топливных смесей типа «бензин—спирт—вода», основанный на спектроимпедансном исследовании бензанольной смеси в полосе частот 500 Гц — 10 кГц. Установлена корреляционная зависимость между величинами диэлектрической проницаемости и удельного сопротивления топливной смеси и содержанием в ней этилового спирта и воды. На основе этих зависимостей сформирована градуировочная номограмма для количественной оценки бензиновой и водно-спиртовой компонент в исследуемом бензанольном топливе в актуальном диапазоне концентраций. Розроблено метод експрес-контролю складу трикомпонентних паливних сумішей типу «бензин—спирт—вода», заснований на спектроімпедансному дослідженні бензанольної суміші в смузі частот 500 Гц — 10 кГц. Встановлено кореляційну залежність між величинами діелектричної проникності і питомого опору паливної суміші та вмістом в ній етилового спирту та води. На базі цих залежностей сформована градуювальна номограма для кількісної оцінки бензинової і водно-спиртової компонент в досліджуваному бензанольному паливі в актуальному діапазоні концентрацій. The authors have developed a method for express control of three component «gasoline-alcohol-water» fuel mixtures based on the spectral impedance investigation of benzanol mixture in the frequency range of 500 Hz — 10 kHz. A correlation dependence between the dielectric constant and the specific resistance of the fuel mixture on content of ethanol and water in the mixture has been found. On the basis of this dependence a calibration nomogram to quantify the gasoline and water-alcohol components content in the test benzanol fuel in the actual range of concentrations has been formed. The nomogram allows determining the water-alcohol and gasoline parts in the analyzed fuel with an error of no more than 1% vol., while the strength of water-alcohol solution is determined with an error of no more than 0.8% vol. The obtained nomogram can also give information about critical water content in the benzanol fuel to prevent its eventual phase separation. It is shown that the initial component composition of different gasoline brands has no significant effect on the electrical characteristics of the studied benzanol fuels, which makes the evaluation of alcohol and water content in the fuel sufficiently accurate. for practical applications.
first_indexed 2025-12-07T16:11:13Z
format Article
fulltext Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 2–3 61 ÌÅÒÐÎËÎÃÈЯ. ÑÒÀÍÄÀÐÒÈÇÀÖÈЯ ISSN 2225-5818 ÓÄÊ 532.538; 539.21; 621.38 К. ф.-м. н. А. Л. КУКЛА1, А. В. МАМЫКИН1, А. С. МАЙСТРЕНКО1, к. х. н. Е. В. ПОЛУНКИН2, Л. И. СТАРЖИНСКАЯ2 Óêðàèíà, ã. Êèåâ, 1Иíñòèòóò фèзèêè ïîëóïðîâîдíèêîâ èм. В. Е. Лàшêàðёâà НАНÓ, 2Иíñòèòóò бèîîðãàíèчåñêîé õèмèè è íåфòåõèмèè НАНÓ E-mail: kukla@isp.kiev.ua, polunkin@i.ua ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕÒОÄА ИМПЕÄАНСНОЙ СПЕÊÒРОСÊОПИИ ÄЛЯ АНАЛИЗА БЕНЗАНОЛЬНОГО ÒОПЛИВА Для определения состава бензинового то- плива обычно используют такие традиционные аналитические способы, как хроматографиче- ский анализ, ИК- и УФ-спектрометрия, атомно- ýмèññèîííàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ. Одíàêî ýòè мåòîдè- ки требуют дорогостоящего и громоздкого обору- дования, продолжительны во времени и поэтому непригодны для экспресс-анализа образцов то- ïëèâà. Вмåñòå ñ òåм, дëÿ èññëåдîâàíèÿ ýêñïëóà- тационных характеристик бензиновых смесей ис- пользуются также диэлектрометрические измере- ния, применяющиеся для экспресс-определения октанового числа [1], классификации товарных марок бензина и газоконденсатных легких фрак- ций [2], идентификации товарных и сырьевых íåфòåïðîдóêòîâ [3]. Изâåñòíы òàêжå ñïîñîбы определения качества нефтепродуктов по вели- чèíå èõ óдåëьíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ [4]. Оòмåòèм, что бензин, получаемый при стандартной пере- работке нефти (прямая перегонка, каталитиче- ский крекинг, каталитический реформинг), яв- ëÿåòñÿ ïðàêòèчåñêè íåïðîâîдÿщåé жèдêîñòью. Вñëåдñòâèå ýòîãî ýëåêòðèчåñêèå мåòîды èзмå- ðåíèÿ íå ïîëóчèëè шèðîêîãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ, поскольку требуют применения высоковольт- ного оборудования и высококвалифицирован- íîãî ïåðñîíàëà. Пðè íàëèчèè â ñîñòàâå бåíзè- на товарных марок электропроводящих приса- док проводимость топливной смеси значитель- но увеличивается, и в составе общей проводи- мости бензина, кроме реактивной, появляется òàêжå àêòèâíàÿ ñîñòàâëÿющàÿ. Пîñëåдíåå îб- стоятельство приводит к тому, что для опреде- ления электрофизических характеристик бензи- на (ди электрической проницаемости и удельного сопро тивления) необходим анализ его импедан- Разработан метод экспресс-контроля состава трехкомпонентных топливных смесей типа «бен- зин—спирт—вода», основанный на спектроимпедансном исследовании бензанольной смеси в полосе частот 500 Гц — 10 кГц. Установлена корреляционная зависимость между величинами диэлектри- ческой проницаемости и удельного сопротивления топливной смеси и содержанием в ней этилового спирта и воды. На основе этих зависимостей сформирована градуировочная номограмма для коли- чественной оценки бензиновой и водно-спиртовой компонент в исследуемом бензанольном топливе в актуальном диапазоне концентраций. Ключевые слова: импедансная спектроскопия, бензоспиртовое топливо, водно-спиртовой раствор, диэлектрическая проницаемость, удельное сопротивление. ñà. Оïèñàíèе подобного анализа подробно изло- жено в [5], где было рассмотрено применение спектроимпедансных исследований для опреде- ления содержания этанола в водно-спиртовых ðàñòâîðàõ. Äîñòîèíñòâîм мåòîдà ÿâëÿåòñÿ òî, чòî он сравнительно прост и в то же время доста- òîчíî òîчåí, õîðîшî ïîддàåòñÿ àâòîмàòèзàцèè. Подобный подход был использован и в данной работе для количественного компонентного ана- ëèзà îбðàзцîâ бåíзîñïèðòîâîãî òîïëèâà. Îбъекты и методы исследований В ðàбîòå èñïîëьзîâàíы ñëåдóющèå мåòî- ды: импедансная спектроскопия для определе- ния диэлектрической проницаемости и удель- ного сопротивления образцов бензоспиртового топлива, газовая хроматография для определе- ния компонентного состава исходных бензинов, ареометрический метод определения содержания воды в водно-спиртовом растворе, а также ис- следовательский метод определения октанового чèñëà àâòîмîбèëьíîãî бåíзèíà. Пðè èмïåдàíñ- ных измерениях проводится исследование пол- ного сопротивления (импеданса) электрохими- ческой ячейки конденсаторного типа, межэлек- тродное пространство которой заполнено ана- лизируемым веществом, с последующим расче- том его электрофизических характеристик (ди- электрической проницаемости и удельного со- ïðîòèâëåíèÿ). Измерения проводились с помощью измери- òåëÿ èммèòàíñà Е7-20 â чàñòîòíîм дèàïàзîíå îò 500 Гц дî 10 êГц ñ àмïëèòóдîé ñèãíàëà 1 В. Для подобных измерений нами был модифици- рован разработанный ранее [6] портативный им- педансный анализатор (рис. 1), что позволило проводить измерения значительно более высо- DOI: 10.15222/TKEA2015.2-3.61 Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 2–3 62 ÌÅÒÐÎËÎÃÈЯ. ÑÒÀÍÄÀÐÒÈÇÀÖÈЯ ISSN 2225-5818 Рèñ. 1. Пîðòàòèâíыé èмïåдàíñíыé èзмåðèòåëь ñî ñïå- циальной электролитической ячейкой, разработанной для исследования жидких растворов с малым зна- чåíèåм дèýëåêòðèчåñêîé ïðîíèцàåмîñòè è бîëьшèм удельным сопротивлением Относительное содержание компонент в очищенных пробах бензина разных торговых марок Компонент Торговая марка бензина и номер пробы Shell (¹1) OKKO (¹2) WOG95 (¹3) WOG76 (¹4) Àлканы изобутан 0,5 0,2 0,2 0,2 н-бутан 1,9 0,9 0,8 1,0 изопентан 18,1 14,1 11,5 6,5 н-пентан 4,2 3,6 4,2 3,9 2,2 диметилбутан 3,9 2,5 6,4 1,1 2-метилпентан 7,1 6,0 6,4 3,7 3-мåòèëïåíòàí 4,0 3,5 4,6 2,3 н-гексан 3,3 2,4 2,5 5,6 2-метилгексан 2,1 2,7 2,3 2,2 4-метилгексан 0,6 0,6 0,7 0,7 3-мåòèëãåêñàí 2,1 2,8 2,5 2,5 изооктан — — 1,5 1,0 н-гептан 1,5 1,7 1,7 3,9 триметилпентан — — 0,6 — 2-метилгептан 0,6 0,9 0,6 1,2 4-метилгептан 0,3 0,4 0,3 1,1 3-мåòèëãåïòàí 0,5 0,9 0,6 1,6 н-октан 0,5 0,6 0,5 2,7 метилоктан 0,2 0,3 0,2 0,3 н-нонан 0,06 0,07 0,06 1,0 н-декан — — — 0,1 Всего 51,46 44,17 48,16 42,6 Öиклические углеводороды циклопентан 1,4 1,2 1,4 2,0 метилциклопентан 3,5 2,9 2,4 3,5 циклогексан 2,3 0,8 2,2 5,6 диметилциклопентан 0,9 0,8 0,6 1,2 метилциклогексан 1,1 0,9 0,6 8,0 метилциклогексаны С8 1,9 2,9 1,9 2,9 мåòèëцèêëîãåêñàíы С9 0,8 1,6 1,4 1,7 Всего 11,9 11,1 10,5 24,9 Àроматические углеводороды бензол 0,9 1,3 1,2 3,8 толуол 9,6 12,2 12,7 10,3 этилбензол 1,4 1,7 1,9 1,3 м-, п-ксилол 3,3 6,0 5,3 4,7 о-ксилол 1,0 2,0 1,8 1,3 àëêèëбåíзîëы С9 2,1 2,4 2,4 2,7 алкилбензолы С10 0,2 0,2 0,6 0,5 Всего 18,5 25,8 25,9 24,6 Нåïðåдåëьíыå С5-С7 10,8 15,1 6,1 3,9 МÒБЭ 7,1 3,4 9,2 — Эòàíîë — 0,2 — 1,0 Îктановое число (ÀÈ) 94,1 87 95,1 80,8 Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 2–3 63 ÌÅÒÐÎËÎÃÈЯ. ÑÒÀÍÄÀÐÒÈÇÀÖÈЯ ISSN 2225-5818 коомных материалов (с удельным сопротивле- нием до 1012—1013 Ом•ñм), чòî õàðàêòåðíî дëÿ органических жидкостей, получаемых при пе- ðåðàбîòêå íåфòè. Для измерений использовалась цилиндриче- ская конденсаторная ячейка, электроды которой были изготовлены из устойчивой к агрессивным средам нержавеющей стали, а детали корпу- ñà — èз фòîðîïëàñòà. Объåм ïðîбíîé жèдêîñòè дëÿ îдíîêðàòíîãî èзмåðåíèÿ ñîñòàâëÿë 25 мë. Вñå èзмåðåíèÿ ïðîâîдèëèñь â ñïåцèàëьíîм òåð- мîбîêñå ïðè òåмïåðàòóðå 20°С, êîòîðàÿ ïîñòî- ÿííî êîíòðîëèðîâàëàñь. Аíàëèз êîмïîíåíòíîãî ñîñòàâà èñõîдíыõ бåí- зинов проводился при помощи газового хромато- ãðàфà HP-6890 c ïëàзмåííî-èîíèзàцèîííым дå- òåêòîðîм è êàïèëëÿðíîé êîëîíêîé Pona (дëèíà 50 м, внутренний диаметр 0,2 мм, толщина не- подвижной фазы 0,5 мкм, рабочая температу- ðà 50—200°С, ãðàдèåíò 5°/мèí). Оïðåдåëåíèå содержания воды в образцах абсолютного ñïèðòà ïðîâîдèëîñь â ñîîòâåòñòâèè ñ ГОСÒ 3639-79 «Рàñòâîðы âîдíî-ñïèðòîâыå» ñ òîчíî- ñòью дî 0,06%. Оïðåдåëåíèå îêòàíîâîãî чèñ- ла образцов топлива проводилось в соответ- ñòâèè ñ ГОСÒ 8226-82 «Òîïëèâî дëÿ дâèãàòåëåé. Исследовательский метод определения октано- âîãî чèñëà». В êàчåñòâå îбъåêòà èññëåдîâàíèé èñïîëьзî- âàëàñь òðåõêîмïîíåíòíàÿ òîïëèâíàÿ ñмåñь «бåí- зин—абсолютный спирт—дистиллированная âîдà» ñ ðàзíымè ñîîòíîшåíèÿмè êîмïîíåíò. Содержание спирта в топливной смеси варьиро- âàëîñь â дèàïàзîíå îò 3 дî 11% îб., ïðè ýòîм êðå- пость самого спирта (точнее, водно-спиртового ðàñòâîðà) âыбèðàëàñь â дèàïàзîíå îò 99,9 дî 94—96% îб. (íèжíÿÿ ãðàíèцà âыбèðàëàñь ñ óчå- том сохранения фазовой стабильности получа- емой топливной смеси при комнатной темпера- òóðå). В êàчåñòâå èñõîдíîé ñïèðòîâîé êîмïî- ненты для формирования смесей использовали ñïèðò-ðåêòèфèêàò ñ êîíцåíòðàцèåé 96% îб. Äëÿ обезвоживания исходного спирта применялась íåãàшåíàÿ èзâåñòь СàО, ïðåдâàðèòåëьíî îòîж- жåííàÿ ïðè òåмïåðàòóðå 200°С. Обåзâîжåííыé спирт отгонялся из спиртоизвестковой смеси в спиртоприемник, защищенный от атмосферной âëàãè õëîðêàëьцèåâîé òðóбêîé. В êàчåñòâå бåíзèíîâîé îñíîâы бåíзàíîëь- ного топлива использовались приобретенные в розничной сети образцы бензина разных товар- íыõ мàðîê ñ ðàзëèчíымè îêòàíîâымè чèñëàмè. Для очистки исходных образцов бензина от воз- можных металлсодержащих присадок и меха- нических примесей использовался аппарат для разгонки нефтепродуктов (отбирались бензино- вые фракции с температурой кипения от 25 до 135°С). Оòíîñèòåëьíîå ñîдåðжàíèå êîмïîíåíò â очищенных таким образом образцах бензина, по- лученное с помощью хроматографического ана- лиза, представлено в таблице. Ðезультаты и их обсуждение Êàê óêàзыâàëîñь âышå, ñòàíдàðòíыé бåí- зин по своим электрическим характеристи- êàм îòíîñèòñÿ ê êëàññó жèдêèõ дèýëåêòðèêîâ. Смåшèâàíèå бåíзèíà ñ ýëåêòðîïðîâîдÿщèмè примесями (в частности, с этанолом), которые ïîâышàюò åãî îêòàíîâîå чèñëî, ïðèâîдèò ê ïî- ÿâëåíèю àêòèâíîé ñîñòàâëÿющåé èмïåдàíñà. Нàмè óñòàíîâëåíî, чòî бåíзîñïèðòîâыå ðàñòâî- ðы â îбëàñòè ñðåдíèõ чàñòîò 500 Гц — 10 êГц могут быть представлены эквивалентной элек- трической схемой в виде двухэлементной RC- цепи с параллельно соединенными межэлектрод- ной емкостью С и сопротивлением раствора R, которая описывается следующими уравнениями: ;ReZ C R R 4 12 2 2 2π ν = + (1) .ImZ C R CR 4 1 2 2 2 2 2 2 π ν π ν= + (2) чàñòîòà; активная и реактивная составляющие èмïåдàíñà. где n — ReZ, ImZ — Теоретически, поскольку выражения (1) и (2) образуют систему уравнений с двумя неизвест- ными, для определения величин R и C достаточ- но измерить импеданс на одной фиксированной чàñòîòå. Одíàêî íà ïðàêòèêå íàмè èñïîëьзîâàë- ся более надежный и точный способ определе- ния этих параметров, основанный на измерении частотных зависимостей активной и реактивной составляющих импеданса исследуемых смесей в дèàïàзîíå 500 Гц — 10 êГц (рис. 2). В дàëьíåéшåм дëÿ îïðåдåëåíèÿ èíòåðåñóю- щих нас электрофизических параметров (диэ- лектрической проницаемости и удельного сопро- тивления) проб бензанольных смесей использо- валась процедура аппроксимации эксперимен- тальных частотных зависимостей выражениями (1) è (2) [5]. В êàчåñòâå íàчàëьíîãî ïðèбëèжå- ния по величине R для модельного расчета при- нималось измеренное значение активной состав- ляющей импеданса на нижней частоте диапазо- íà (500 Гц) â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðèбëèжåííым ðà- âåíñòâîм ReZ(n)≈R. Нàчàëьíîå ïðèбëèжåíèå ïî величине емкости C определяли согласно при- ближенному равенству ImZ(n)≈1/(2pnС), ис- пользуя измеренное значение реактивной состав- ëÿющåé íà âåðõíåé чàñòîòå дèàïàзîíà 10 êГц. Зàòåм, ïðèíèмàÿ ïîëóчåííыå зíàчåíèÿ зà èñõî- дные, эти значения уточнялись по полным кри- âым ReZ(n) и ImZ(n) путем сравнения экспе- ðèмåíòàëьíîé è òåîðåòèчåñêîé êðèâыõ (ðèñ. 2, а—г) и минимизации разностной функции ме- òîдîм íàèмåíьшèõ êâàдðàòîâ. Рåзóëьòèðóющèå значения искомых параметров R и C определя- ëèñь óñðåдíåíèåм ïî îбåèм êðèâым. Чèñëåííыé ðàñчåò ïðîâîдèëñÿ â Mathcad. Нà рис. 3 представлены пересчитанные в ко- ординаты диэлектрической проницаемости (e) и удельного сопротивления (r) полученные зна- Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 2–3 64 ÌÅÒÐÎËÎÃÈЯ. ÑÒÀÍÄÀÐÒÈÇÀÖÈЯ ISSN 2225-5818 чения параметров R и C, соответствующие ис- следуемым образцам бензанольного топлива, ñîдåðжàщèм 95% èñõîдíîãî îчèщåííîãî бåíзè- íà è 5% âîдíî-ñïèðòîâîãî ðàñòâîðà. Êðåïîñòь водно-спиртового раствора при этом варьирова- лась от абсолютной (100% спирта) до минималь- но возможной, соответствующей фазостабиль- ному состоянию смеси (когда она не расслаива- ется на чистый бензин и водно-спиртовой рас- òâîð, â дàííîм ñëóчàå ýòî âåëèчèíà 96,5—97%). Еå зíàчåíèÿ óêàзàíы íà ãðàфèêàõ âîзëå òîчåê â ïðîцåíòàõ. Êàê ñëåдóåò èз ðèñ. 3, íåñмîòðÿ íà àíàëî- гичность содержания водно-спиртовых компо- нент во всех смесях, полученные для разных ма- ðîê бåíзèíà êðèâыå ðàñïîëàãàюòñÿ ðàздåëьíî. Очевидно, это обусловлено различиями в исход- ном компонентном составе бензинов, поскольку â ñîîòâåòñòâèè ñ [7] зíàчåíèÿ дèýëåêòðèчåñêîé проницаемости компонент автомобильного то- ïëèâà ñóщåñòâåííî ðàзëèчàюòñÿ. Òàê, ïîëîжå- ние кривых может, в частности, зависеть от со- держания в исходных образцах метилтретбути- лового эфира (ÌÒБЭ). Äåéñòâèòåëьíî, â ñîîò- ветствии с таблицей, максимальное содержание МÒБЭ íàõîдèòñÿ â îбðàзцå ¹3 (9,2%), дàëåå â ïîðÿдêå ïîíèжåíèÿ èдóò îбðàзцы ¹1 (7,1%), ¹2 (3,4%) è ¹4 (îòñóòñòâóåò). Òàêèм îбðàзîм, èñïîëьзîâàíèå êðèâыõ ðèñ. 3 â êàчåñòâå êàëè- бровочных зависимостей для точного определе- ния состава бензанольного топлива затруднено, поскольку одному и тому же содержанию спир- та и воды в топливе соответствуют различные ïîëîжåíèÿ ýêñïåðèмåíòàëьíыõ òîчåê. Äëÿ îцåíêè ïîãðåшíîñòè îïðåдåëåíèÿ ñîñòà- ва, связанной с различиями в компонентном со- ставе исходных бензинов, были дополнительно приготовлены образцы топлива с фиксирован- íым ñîдåðжàíèåм âîдíî-ñïèðòîâîãî ðàñòâîðà (3, 7, 9 è 11%). Пðèчåм êðåïîñòь âîдíî-ñïèðòîâîãî Рèñ. 2. Аïïðîêñèмàцèÿ ýêñïåðèмåíòàëьíыõ чàñòîòíыõ зàâèñèмîñòåé èмïåдàíñà (∆) модельными зависимо- стями (∇) для смесей разного состава 300 200 100 0 1 10 Чàñòîòà, êГц 3 2 1 0 1 10 Чàñòîòà, êГц –40 –60 –80 –100 –120 –140 1 10 Чàñòîòà, êГц 0 –400 –800 –1200 –1600 1 10 Чàñòîòà, êГц R eZ , кО м Im Z , кО м R eZ , кО м Im Z , кО м а) в) б) г) e 2,42 2,38 2,34 2,30 1010 1011 r, Ом⋅см Рèñ. 3. Пîëîжåíèå ðàñчåòíыõ ïàðàмåòðîâ, ñîîòâåò- ствующих четырем образцам бензиновых смесей с 5%-ным содержанием водно-спиртовой компонен- ты, в координатах диэлектрической проницаемости и удельного сопротивления бåíзèí — 89% этанол — 10,5% вода — 0,5% бåíзèí — 89% этанол — 10,5% вода — 0,5% бåíзèí — 97% ýòàíîë — 2,97% âîдà — 0,03% бåíзèí — 97% ýòàíîë — 2,97% âîдà — 0,03% №4 ¹3 №1 №2 Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 2–3 65 ÌÅÒÐÎËÎÃÈЯ. ÑÒÀÍÄÀÐÒÈÇÀÖÈЯ ISSN 2225-5818 раствора в каждом случае варьировалась от аб- ñîëюòíîé дî мèíèмàëьíî âîзмîжíîé. Äëÿ êàж- дой такой группы модельных бензанольных смесей были получены зависимости, аналогич- íыå ïðåдñòàâëåííым íà ðèñ. 3, êîòîðыå â èòîãå были выведены на общую диаграмму, представ- ленную на рис. 4. Из дèàãðàммы мîжíî âèдåòь, что несмотря на различия в составах исход ных бензиновых марок, области, соответствующие фèêñèðîâàííым ñîîòíîшåíèÿм бåíзèíîâîé è водно-спиртовой компоненты в готовом топли- âå, дîñòàòîчíî õîðîшî îòдåëåíы дðóã îò дðóãà. Учитывая также то, что эти области следуют с шàãîм èзмåíåíèÿ òàêîãî ñîîòíîшåíèÿ 2% îб., можно утверждать, что количественную оцен- ку доли водно-спиртовой компоненты в готовом бензанольном топливе можно сделать с точно- стью не хуже ±1% îб. Из ïðåдñòàâëåííыõ íà ðèñ. 4 дàííыõ ñëåдó- ет, что с увеличением доли спирта в бензаноль- ном топливе растет также и растворимость в íåм âîды. Òàê, дëÿ 97%-íîãî ñîдåðжàíèÿ бåí- зина в смеси граничная крепость используемого водно-спиртового раствора, при которой еще не наблюдалось фазового расслоения смеси, состав- ëÿëà îêîëî 97% îб., â ñëóчàå жå 89%-íîãî ñî- держания бензина в готовом топливе минималь- ная крепость водно-спиртового раствора состав- ëÿåò óжå 94% îб. Òàêèм îбðàзîм, ïðîñëåжèâàåò- ся довольно четкая граница зоны фазовой ста- бильности, соответствующая критическому со- держанию воды в исследуемых образцах бен- зàíîëьíîãî òîïëèâà. Гðàíèцà ýòîé зîíы фàêòè- чески формируется значениями крайних левых òîчåê âñåõ êðèâыõ íà ðèñ. 4. Пîëîжåíèå фàзî- стабильной зоны для исследуемых смесей пока- зано на рис. 5. Óñðåдíåíèå ïðèâåдåííыõ íà ðèñ. 4 ñåðèé ýêñ- периментальных точек по четырем образцам ис- ходного бензина позволило, учитывая границы зоны фазовой стабильности смесей, построить градуировочную номограмму, приведенную на рис. 6, для графического определения содержа- ния бензиновой и водно-спиртовой компонент в исследуемой бензанольной смеси по диэлек- трической проницаемости и удельному сопро- òèâëåíèю (ñм. ïóíêòèðíыå ëèíèè íà ðèñóíêå). При этом определение водно-спиртовой/бензи- íîâîé îбъåмíîé чàñòè â èññëåдóåмîм òîïëèâå дîñòèãàåòñÿ ñ ïîãðåшíîñòью íå бîëåå 1% îб., à сама крепость водно-спиртового раствора (отно- сительное содержание спирта и воды) опреде- ëÿåòñÿ, ïî íàшèм îцåíêàм, ñ ïîãðåшíîñòью íå бîëåå 0,8% îб. Выводы В ðàбîòå ïðîдåмîíñòðèðîâàíы òåîðåòèчå- ский и практический подходы к осуществлению экспресс-контроля состава трехкомпонентных то- ïëèâíыõ ñмåñåé òèïà «бåíзèí—ñïèðò—âîдà» мå- òîдîм èмïåдàíñíîé ñïåêòðîñêîïèè. Выÿâëåííàÿ корреляция величин диэлектрической проницае- e 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 107 108 109 1010 1011 1012 r, Ом⋅см Содержание бензина в топливе: Крепость спирта: Рèñ. 4. Пîëîжåíèå ðàñчåòíыõ ïàðàмåòðîâ, ñîîòâåò- ствующих всем исследуемым бензанольным смесям, в координатах диэлектрической проницаемости и удель- ного сопротивления e 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 108 109 1010 1011 1012 r, Ом⋅см Безводное топливо Гðàíèцà фазовой стабильности Рèñ. 5. Пîëîжåíèå зîíы фàзîâîé ñòàбèëьíîñòè бåíзà- нольного топлива (расположенные рядом пары кри- вых показывают область разброса, характерную для четырех исследуемых бензиновых марок) Зîíà фазовой стабильности e 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 8 9 10 11 12 lgr, Ом⋅см Рèñ. 6. Гðàдóèðîâîчíàÿ ñåòêà дëÿ îïðåдåëåíèÿ ñîдåð- жания бензиновой (xб) и водно-спиртовой (xвс) ком- понент в исследуемой бензанольной топливной сме- ñè, ïîëóчåííàÿ ïðè òåмïåðàòóðå 20°С xвс, % îб. x б , % îб. Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 2–3 66 ÌÅÒÐÎËÎÃÈЯ. ÑÒÀÍÄÀÐÒÈÇÀÖÈЯ ISSN 2225-5818 мости и удельного сопротивления с содержани- ем спирта и воды в топливной смеси свидетель- ствует о принципиальной возможности приме- нения данного метода для определения состава бензанольного топлива и предупреждения его возможного фазового расслоения на чистый бен- зèí è âîдíî-ñïèðòîâîé ðàñòâîð. Показано, что компонентный состав исход- ных бензинов разных марок не оказывает су- щественного влияния на электрофизические характеристики исследованных образцов бен- занольного топлива, что обуславливает доста- точную для практического применения точ- ность оценки содержания спирта и воды в то- ïëèâå. Äëÿ îцåíêè èõ ñîдåðжàíèÿ â àêòóàëь- íîм дèàïàзîíå êîíцåíòðàцèé 3—11%, õàðàê- терных для бензанольных топливных смесей, сформирована числовая градуировочная номо- ãðàммà. C åå ïîмîщью âîзмîжíî îïðåдåëåíèå содержания водно-спиртовой компоненты с по- ãðåшíîñòью íå бîëåå 1% îб., à êðåïîñòè ñàмîãî âîдíî-ñïèðòîâîãî ðàñòâîðà — íå бîëåå 0,8% îб. ИСПОЛЬЗÓЕМЫЕ ИСÒОЧНИÊИ 1. Пàò. 2196321 C2 Рîññèè. Сïîñîб îïðåдåëåíèÿ îêòàíî- âîãî чèñëà àâòîмîбèëьíыõ бåíзèíîâ / В. М. Пàщåíêî, В. И. Вàíцîâ, В. С. Чóêëîâ, Ä. В. Сèíèцыí.— 10.01. 2003. 2. Рóдíåâ В. А., Бîéчåíêî О. П., Êàðíîжèцьêèé П. В. Класифікація товарних бензинів та легких газоконденсат- них фракцій родовищ східних областей України на основі діелектрометричних та газохроматографічних даних // Мåòîды è îбъåêòы õèмèчåñêîãî àíàëèзà.— 2010.— Ò. 5, ¹3.— С. 148—157. 3. Рóдíåâ В. А., Êàðíîжèцêèé П. В. Пðèмåíåíèå мåòîдà диэлектрометрии при экспертном исследовании нефтепродук- тов // Віñíèê Хàðêіâñьêîãî íàціîíàëьíîãî óíіâåðñèòåòó.— 2009.— ¹870, Хіміÿ.— Вèï. 17(40).— С. 172—177. 4. ГОСÒ 25950-83. Òîïëèâî дëÿ ðåàêòèâíыõ дâèãàòåëåé ñ àíòèñòàòèчåñêîé ïðèñàдêîé. Мåòîд îïðåдåëåíèÿ óдåëьíîé ýëåêòðèчåñêîé ïðîâîдèмîñòè. 5. Êóêëà А. Л., Мàмыêèí А. В., Пàâëючåíêî А. С., Мàéñòðåíêî А. С. Эêñïðåññ àíàëèзàòîð ïàðàмåòðîâ фóíê- циональных материалов на основе метода импедансной спектроскопии // Сенсорна електроніка і мікросистемні òåõíîëîãії.— 2012.— Ò. 3(9), ¹3.— С. 6—15. 6. Êóêëà А. Л., Пàâëючåíêî А. С., Мàéñòðåíêî А. С., Мàмыêèí А.В. Имïåдàíñíыé àíàëèзàòîð дëÿ èдåíòèфè- кации марок водно-спиртовых напитков // Технология è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå.— 2012.— ¹1.— С. 15—21. 7. Сêâîðцîâ Б. В., Сèëîâ Е. А. Иññëåдîâàíèå êîððå- ляционных зависимостей между октановым числом и элек- тродинамическими параметрами углеводородных продуктов // Изâåñòèÿ Сàмàðñêîãî íàóчíîãî цåíòðà Рîññèéñêîé àêà- дåмèè íàóê.— 2009.— Ò. 11, ¹ 5.— С. 64—71. Äата поступления рукописи в редакцию 23.02 2015 г. A. L. KUKLA1, A. V. MAMYKIN1, A. S. MAISTRENKO1, E. V. POLUNKIN2, L. I. STARZHINSKA2 Ukraine, Kiev, V. E. 1Lashkaryov Institute of semiconductor physics of NAS of Ukraine, 2Institute of bioorganic and petroleum chemistry of NAS of Ukraine APPLICATION OF IMPEDANCE SPECTROSCOPY METHOD FOR ANALYSIS OF BENZANOL FUELS The authors have developed a method for express control of three component «gasoline-alcohol-water» fuel mixtures based on the spectral impedance investigation of benzanol mixture in the frequency range of 500 Hz — 10 kHz. О. Л. КУКЛА, А. В. МАМИКІН, А. С. МАЙСТРЕНКО, Є. В. ПОЛУНКІН, Л. І. СТАРЖИНСЬКА Óêðàїíà, м. Êèїâ, Іíñòèòóò фізèêè íàïіâïðîâідíèêіâ ім. В. Є. Лàшêàðьîâà НАНÓ, Іíñòèòóò біîîðãàíічíîї õімії òà íàфòîõімії НАНÓ ВИÊОРИСÒАННЯ МЕÒОÄÓ ІМПЕÄАНСНОЇ СПЕÊÒРОСÊОПІЇ ÄЛЯ АНАЛІЗÓ БЕНЗАНОЛЬНОГО ПАЛИВА Розроблено метод експрес-контролю складу трикомпонентних паливних сумішей типу «бензин—спирт— вода», заснований на спектроімпедансному дослідженні бензанольної суміші в смузі частот 500 Гц — 10 кГц. Встановлено кореляційну залежність між величинами діелектричної проникності і питомого опору паливної суміші та вмістом в ній етилового спирту та води. На базі цих залежностей сформована гра- дуювальна номограма для кількісної оцінки бензинової і водно-спиртової компонент в досліджуваному бензанольному паливі в актуальному діапазоні концентрацій. Ключові слова: імпедансна спектроскопія, бензоспиртове паливо, водно-спиртовий розчин, діелектрична проникність, питомий опір. DOI: 10.15222/TKEA2015.2-3.61 UDC 532.538; 539.21; 621.38 Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 2–3 67 ÌÅÒÐÎËÎÃÈЯ. ÑÒÀÍÄÀÐÒÈÇÀÖÈЯ ISSN 2225-5818 A correlation dependence between the dielectric constant and the specific resistance of the fuel mixture on content of ethanol and water in the mixture has been found. On the basis of this dependence a calibration nomogram to quantify the gasoline and water-alcohol components content in the test benzanol fuel in the actual range of concentrations has been formed. The nomogram allows determining the water-alcohol and gasoline parts in the analyzed fuel with an error of no more than 1% vol., while the strength of water-alcohol solution is determined with an error of no more than 0.8% vol. The obtained nomogram can also give information about critical water content in the benzanol fuel to prevent its eventual phase separation. It is shown that the initial component composition of different gasoline brands has no significant effect on the electrical characteristics of the studied benzanol fuels, which makes the evaluation of alcohol and water content in the fuel sufficiently accurate. for practical applications. Keywords: impedance spectroscopy, ethyl-gasoline fuel, water-alcohol solution, dielectric constant, resistivity. REFERENCES 1. Pashchenko V. M., Vantsov V. I., Chuklov V. S., Sinitsyn D. V. Patent RF no. 2196321 C2. [State Standard 25950-83, 2013 The method for determining the octane number of motor gasoline]. 2003. 2. Rudnev V. A., Boichenko O. P., Karnozhits`kii P. V. [Classification of commercial gasoline and light gas condensate fractions from deposits in eastern regions of Ukraine on the basis of dielectrometric and chromatographic data]. Metody i obekty khimicheskogo analiza, 2010, vol. 5, no. 3, pp. 148-157. (Ukr) 3. Rudnev V. A., Karnozhitskii P. V. [Application of dielectrometry in expert study of mineral oil]. Visnik Kharkivs’kogo natsional’nogo universitetu, 2009, no. 870, Chemistry, iss. 17(40), pp. 172-177. (Rus) 4. GOST 25950-83. Toplivo dlya reaktivnykh dvigatelei s antistaticheskoi prisadkoi. Metod opredeleniya udel’noi elektricheskoi provodimosti. [Jet fuel with antistatic additive. Method for determining the electrical conductivity]. Moscow, Izdatel’stvo Standartov, 1984, 10 p. (Rus) 5. Kukla A. L., Mamykin A. V., Pavlyuchenko A. S., Maistrenko A. S. [Express analyzer of parameters of functional materials based on the method of impedance spectroscopy]. Sensorna elektronika i mikrosistemni tekhnologiyi, 2012, vol. 3(9), no. 3, pp. 6-15. (Rus) 6. Kukla A. L., Pavlyuchenko A. S., Maistrenko A. S., Mamykin A.V. [Impedance analyzer for identification of trademarks of aqueous-alcoholic drinks]. Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi apparature, 2012, no. 1, pp. 15-21. (Rus) 7. Skvortsov B. V., Silov E. A. [Research of correlation dependences between octan number and electrodynamic parameters of hydrocarbonic products]. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk, 2009, vol. 11, no. 5, pp. 64-71. (Rus) Ð Å Ö Å Í Ç Å Í Ò Û Í Î Ì Å Ð À Вихор Людмила Николаевна, дîêò. фèз.-мàò. íàóê, ãëàâíыé íàóчíыé ñîòðóдíèê, Иíñòèòóò òåðмîýëåêòðèчåñòâà НАН è МОН Óêðàèíы, ã. Чåðíîâцы Äемьянчук Борис Александрович, дîêò. òåõí. íàóê, зàâ. êàфåдðîé, Вîåííàÿ àêàдåмèÿ, ã. Одåññà Ёдгорова Äилбар Мустафаевна, êàíд. фèз.-мàò. íàóê, ñòàðшèé íàóчíыé ñîòðóдíèê, Фèзèêî-òåõíèчåñêèé èíñòèòóò НПО «Фèзèêà-Сîëíцå» АН РÓз, ã. Òàшêåíò Кадацкий Анатолий Федорович, дîêò. òåõí. íàóê, зàâ. êàфåдðîé, Одåññêàÿ íàцèîíàëь- íàÿ àêàдåмèÿ ñâÿзè èм. А. С. Пîïîâà Максименко Юрий Николаевич, êàíд. òåõí. íàóê, зàм. дèðåêòîðà, ЧАО «Óêðàíàëèò», ã. Êèåâ Маслов Олег Викторович, дîêò. òåõí. íàóê, зàâ. êàфåдðîé, Одåññêèé íàцèîíàëьíыé политехнический университет Николаенко Юрий Егорович, дîêò. òåõí. íàóê, âåдóщèé íàóчíыé ñî òðóдíèê, НÒÓÓ «Êèåâñêèé ïîëèòåõíèчåñêèé èíñòèòóò» Прудиус Иван Никифорович, дîêò. òåõí. íàóê, дèðåêòð èíñòèòóòà, НÓ «Льâîâñêàÿ ïîëèòåõíèêà» Сафронов Павел Сергеевич, êàíд. òåõí. íàóê, дîцåíò, Одåññêèé íàцèîíàëьíыé ïîëè- технический университет Сыворотка Игорь Михайлович, íàчàëьíèê îòдåëà, НПП «Êàðàò», ã. Льâîâ Трофимов Владимир Евгеньевич, êàíд. òåõí. íàóê, дîцåíò, Одåññêèé íàцèîíàëьíыé политехниче ский университет Фещенко Валерий Сергеевич, êàíд. фèз.-мàò. íàóê, íàчàëьíèê íàóчíî-ïðîèзâîдñòâåííîé ëàбîðàòîðèè, ПÒЦ «ÓðàëАëмàзИíâåñò», ã. Мîñêâà
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100522
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 2225-5818
language Russian
last_indexed 2025-12-07T16:11:13Z
publishDate 2015
publisher Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
record_format dspace
spelling Кукла, А.Л.
Мамыкин, А.В.
Майстренко, А.С.
Полункин, Е.В.
Старжинская, Л.И.
2016-05-22T17:44:07Z
2016-05-22T17:44:07Z
2015
Использование метода импедансной спектроскопии для анализа бензанольного топлива / А.Л. Кукла, А.В. Мамыкин, А.С. Майстренко, Е.В. Полункин, Л.И. Старжинская // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2015. — № 2-3. — С. 61-67. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
2225-5818
DOI: 10.15222/TKEA2015.2-3.61
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100522
532.538; 539.21; 621.38
Разработан метод экспресс-контроля состава трехкомпонентных топливных смесей типа «бензин—спирт—вода», основанный на спектроимпедансном исследовании бензанольной смеси в полосе частот 500 Гц — 10 кГц. Установлена корреляционная зависимость между величинами диэлектрической проницаемости и удельного сопротивления топливной смеси и содержанием в ней этилового спирта и воды. На основе этих зависимостей сформирована градуировочная номограмма для количественной оценки бензиновой и водно-спиртовой компонент в исследуемом бензанольном топливе в актуальном диапазоне концентраций.
Розроблено метод експрес-контролю складу трикомпонентних паливних сумішей типу «бензин—спирт—вода», заснований на спектроімпедансному дослідженні бензанольної суміші в смузі частот 500 Гц — 10 кГц. Встановлено кореляційну залежність між величинами діелектричної проникності і питомого опору паливної суміші та вмістом в ній етилового спирту та води. На базі цих залежностей сформована градуювальна номограма для кількісної оцінки бензинової і водно-спиртової компонент в досліджуваному бензанольному паливі в актуальному діапазоні концентрацій.
The authors have developed a method for express control of three component «gasoline-alcohol-water» fuel mixtures based on the spectral impedance investigation of benzanol mixture in the frequency range of 500 Hz — 10 kHz. A correlation dependence between the dielectric constant and the specific resistance of the fuel mixture on content of ethanol and water in the mixture has been found. On the basis of this dependence a calibration nomogram to quantify the gasoline and water-alcohol components content in the test benzanol fuel in the actual range of concentrations has been formed. The nomogram allows determining the water-alcohol and gasoline parts in the analyzed fuel with an error of no more than 1% vol., while the strength of water-alcohol solution is determined with an error of no more than 0.8% vol. The obtained nomogram can also give information about critical water content in the benzanol fuel to prevent its eventual phase separation. It is shown that the initial component composition of different gasoline brands has no significant effect on the electrical characteristics of the studied benzanol fuels, which makes the evaluation of alcohol and water content in the fuel sufficiently accurate. for practical applications.
ru
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
Технология и конструирование в электронной аппаратуре
Метрология. Стандартизация
Использование метода импедансной спектроскопии для анализа бензанольного топлива
Використання методу імпедансної спектроскопії для аналізу бензанольного палива
Application of impedance spectroscopy method for analysis of benzanol fuels
Article
published earlier
spellingShingle Использование метода импедансной спектроскопии для анализа бензанольного топлива
Кукла, А.Л.
Мамыкин, А.В.
Майстренко, А.С.
Полункин, Е.В.
Старжинская, Л.И.
Метрология. Стандартизация
title Использование метода импедансной спектроскопии для анализа бензанольного топлива
title_alt Використання методу імпедансної спектроскопії для аналізу бензанольного палива
Application of impedance spectroscopy method for analysis of benzanol fuels
title_full Использование метода импедансной спектроскопии для анализа бензанольного топлива
title_fullStr Использование метода импедансной спектроскопии для анализа бензанольного топлива
title_full_unstemmed Использование метода импедансной спектроскопии для анализа бензанольного топлива
title_short Использование метода импедансной спектроскопии для анализа бензанольного топлива
title_sort использование метода импедансной спектроскопии для анализа бензанольного топлива
topic Метрология. Стандартизация
topic_facet Метрология. Стандартизация
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100522
work_keys_str_mv AT kuklaal ispolʹzovaniemetodaimpedansnoispektroskopiidlâanalizabenzanolʹnogotopliva
AT mamykinav ispolʹzovaniemetodaimpedansnoispektroskopiidlâanalizabenzanolʹnogotopliva
AT maistrenkoas ispolʹzovaniemetodaimpedansnoispektroskopiidlâanalizabenzanolʹnogotopliva
AT polunkinev ispolʹzovaniemetodaimpedansnoispektroskopiidlâanalizabenzanolʹnogotopliva
AT staržinskaâli ispolʹzovaniemetodaimpedansnoispektroskopiidlâanalizabenzanolʹnogotopliva
AT kuklaal vikoristannâmetoduímpedansnoíspektroskopíídlâanalízubenzanolʹnogopaliva
AT mamykinav vikoristannâmetoduímpedansnoíspektroskopíídlâanalízubenzanolʹnogopaliva
AT maistrenkoas vikoristannâmetoduímpedansnoíspektroskopíídlâanalízubenzanolʹnogopaliva
AT polunkinev vikoristannâmetoduímpedansnoíspektroskopíídlâanalízubenzanolʹnogopaliva
AT staržinskaâli vikoristannâmetoduímpedansnoíspektroskopíídlâanalízubenzanolʹnogopaliva
AT kuklaal applicationofimpedancespectroscopymethodforanalysisofbenzanolfuels
AT mamykinav applicationofimpedancespectroscopymethodforanalysisofbenzanolfuels
AT maistrenkoas applicationofimpedancespectroscopymethodforanalysisofbenzanolfuels
AT polunkinev applicationofimpedancespectroscopymethodforanalysisofbenzanolfuels
AT staržinskaâli applicationofimpedancespectroscopymethodforanalysisofbenzanolfuels