專利名稱：：一種測(cè)定內(nèi)燃機(jī)油粘度指數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)油質(zhì)量性能的定量分析
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體是指一種應(yīng)用二維阿達(dá)瑪變換近紅外光譜分析技術(shù)、結(jié)合現(xiàn)代化學(xué)計(jì)量學(xué)的測(cè)定內(nèi)燃機(jī)油粘度指數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
：測(cè)定內(nèi)燃機(jī)油粘度指數(shù)的常規(guī)方法是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法GB/T1995-80。該測(cè)定方法需要測(cè)定內(nèi)燃機(jī)油樣品4(TC和IO(TC的運(yùn)動(dòng)粘度，然后通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算得到內(nèi)燃機(jī)油的粘度指數(shù)，存在耗時(shí)費(fèi)力、測(cè)定程序繁瑣等缺點(diǎn)。近年來(lái)，由于近紅外光譜技術(shù)、化學(xué)計(jì)量學(xué)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，使近紅外光譜技術(shù)在復(fù)雜物質(zhì)的分析上發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，并以其測(cè)定速度快、操作簡(jiǎn)便和對(duì)樣品的非破壞性等特點(diǎn)而日益受到重視。內(nèi)燃機(jī)油的粘度指數(shù)與其結(jié)構(gòu)和組成關(guān)系密切，從近紅外光譜表征的基本結(jié)構(gòu)單元X-H官能團(tuán)來(lái)分析，CH2官能團(tuán)表征粘度指數(shù)增大，這里主要表征的是正構(gòu)烷烴和粘度指數(shù)改進(jìn)劑組成；CH3官能團(tuán)表征粘度指數(shù)降低，這里主要表征的是支鏈烷烴組成。因此，內(nèi)燃機(jī)油的近紅外光譜中隱含有粘度指數(shù)的信息，但是由于內(nèi)燃機(jī)中對(duì)粘度指數(shù)起主要作用的是少量加入的粘度指數(shù)改進(jìn)劑，其信息在近紅外光譜區(qū)的響應(yīng)相對(duì)較小，給定量分析帶來(lái)較大誤差。內(nèi)燃機(jī)油大部分組成是非極性的烷烴、環(huán)烷烴等基礎(chǔ)油，而加入的添加劑大部分是極性物質(zhì)，在不同外界電壓的擾動(dòng)下，極性物質(zhì)產(chǎn)生定向移動(dòng)，以及在電場(chǎng)下各種組成結(jié)構(gòu)分子偶極距的變化都會(huì)對(duì)內(nèi)燃機(jī)油近紅外光譜圖產(chǎn)生影響，會(huì)有相應(yīng)的信息增強(qiáng)。因此采用內(nèi)燃機(jī)油近紅外光譜中提取的信息測(cè)定其粘度指數(shù)是可行的。雖然應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)分析石油產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的報(bào)道很多，但迄今為止未見(jiàn)有應(yīng)用二維近紅外光譜技術(shù)測(cè)定內(nèi)燃機(jī)油粘度指數(shù)的報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，提供一種快速實(shí)時(shí)、操作簡(jiǎn)單測(cè)定內(nèi)燃機(jī)油粘度指數(shù)的方法。本發(fā)明所述一種測(cè)定內(nèi)燃機(jī)油粘度指數(shù)的方法，其特征是，它包括如下步驟第一步選擇具有代表性的內(nèi)燃機(jī)油樣品作為建立多元回歸預(yù)測(cè)模型的標(biāo)準(zhǔn)樣品集；第二步使用阿達(dá)瑪變換近紅外光譜儀和電壓外擾裝置測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)樣品集中每個(gè)內(nèi)燃機(jī)油的在不同電壓或頻率下的二維近紅外光譜；第三步采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法GB/T1995-80測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)樣品集中每個(gè)內(nèi)燃機(jī)油樣品的粘度指數(shù)，作為與樣品集近紅外光譜一一對(duì)應(yīng)的化學(xué)值；第四步采用多元校正方法建立和優(yōu)化多元回歸預(yù)測(cè)模型，用交互驗(yàn)證法來(lái)確定最優(yōu)主因子數(shù)，選取預(yù)測(cè)殘差平方禾口(PRESS,PredictiveResidualErrorS翻fSquares)來(lái)決定最優(yōu)回歸模型。PRESS按照以下方式確定3=Z)2其中，Differ為第i個(gè)樣品的化學(xué)值和預(yù)測(cè)值之差，M為樣品數(shù)；第五步按照第二步的方法采集未知內(nèi)燃機(jī)油樣品的近紅外光譜，將光譜輸入預(yù)測(cè)模型，從而確定未知內(nèi)燃機(jī)油樣品的粘度指數(shù)。多元回歸模型采用多維偏最小二乘法(NPLS)，其原理是將三維立體陣X(IXJXK)分解為三線性模型《,，，其中，t為得分向量，W和wK為對(duì)■/:=i應(yīng)的兩個(gè)載荷向量，F(xiàn)為主因子數(shù)，eijk為殘差陣。NPLS的具體算法由校正和預(yù)測(cè)兩部分組成。校正部分X(IXJXK)為校正集光譜陣，I為校正集樣品數(shù)，J為不同電壓的個(gè)數(shù)，K為波長(zhǎng)點(diǎn)數(shù)。y(IXl)為校正集化學(xué)值陣。(1)將X展開(kāi)為二維矩陣X。(IXJK)，并確定主因子數(shù)F，f=1，，F(xiàn);(2)計(jì)算Z矩陣，Z,=;(3)對(duì)Z矩陣進(jìn)行奇異值分解，[/，S，wJ]=svd(Zf);(4)計(jì)算w,=>/'m/，②為矩陣的克羅內(nèi)克積(Kroneckerproduct);(5)計(jì)算tf=xf—lWf;(e)計(jì)算^.=j/):v,;(7)計(jì)算Uf=yf—lQi;(s)計(jì)算~=(r/r,)-'r/",，其中Tf=[t"，tf];(9)更新X和y，Xf=Xf—「tfWf，少.,=—TA《)；(10)f=f+l，返回(3)，依次求出X，y的F個(gè)得分和載荷。預(yù)測(cè)部分對(duì)一未知樣品光譜陣X皿(1XJXK)通過(guò)以下步驟計(jì)算得到預(yù)測(cè)結(jié)果(l)將X皿展開(kāi)為二維矩陣X皿(lXJK)，調(diào)用保存的Wf，bf和%;(2)計(jì)算=義="'f=L…，F(xiàn);(3)計(jì)算y—=f，其中Tf=[、，…，tf]。本發(fā)明的原理是，以阿達(dá)瑪變換近紅外光譜技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，采用電壓為外擾，采集內(nèi)燃機(jī)油二維近紅外透射光譜，以具有代表性的樣品光譜數(shù)據(jù)建立粘度指數(shù)的多元校正回歸數(shù)學(xué)模型，再通過(guò)模型預(yù)測(cè)未知樣品的粘度指數(shù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果1.本發(fā)明方法操作簡(jiǎn)單、測(cè)定速度快，一個(gè)樣品僅耗時(shí)7分鐘，相對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法中需要測(cè)定4(TC和IO(TC運(yùn)動(dòng)粘度再計(jì)算粘度的時(shí)間大大縮短了測(cè)定時(shí)間，因此可在短時(shí)間內(nèi)處理大量樣品。2.本發(fā)明方法的測(cè)定準(zhǔn)確性較高，可滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法的要求。3.本發(fā)明方法避免了測(cè)定樣品4(TC和IO(TC運(yùn)動(dòng)粘度的重復(fù)性相互影響的缺點(diǎn)，提高了測(cè)定結(jié)果的重復(fù)性。圖l是本發(fā)明的流程圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的透射光譜測(cè)定電壓外擾裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的流程如下第一步建模樣品集的選擇選擇一定數(shù)量有代表性的不同廠家、不同質(zhì)量等級(jí)的內(nèi)燃機(jī)油樣品作為建立模型的標(biāo)準(zhǔn)樣品集，本實(shí)施例共選擇和收集了35個(gè)樣品作為標(biāo)準(zhǔn)樣品集。本發(fā)明所說(shuō)的樣品代表性是指樣品粘溫性能分布的多樣化。樣品集代表性的好壞對(duì)預(yù)測(cè)模型的穩(wěn)定性、適應(yīng)性有很大影響。樣品集的類型越多越好，粘度指數(shù)變化幅度越大越好，空間分布越均勻越好。第二步內(nèi)燃機(jī)油樣品近紅外光譜的測(cè)定本實(shí)施例使用北京華夏科創(chuàng)公司生產(chǎn)的阿達(dá)瑪變換近紅外光譜儀(HT-NIR)，儀器參數(shù)設(shè)置為掃描譜區(qū)為9301690nm，掃描次數(shù)為10次，分辨率為12nm，樣品池厚度為10mm。樣品二維近紅外光譜的測(cè)定是在電壓外擾裝置輔助下完成的。內(nèi)燃機(jī)油近紅外光譜的采集是利用lcm石英樣品池、以透射方式進(jìn)行的，在電壓外擾裝置輔助下完成，外加電壓分別為0V、4V、8V、12V、16V、20V和24V。本實(shí)施例提供的一個(gè)專門設(shè)計(jì)的電壓外擾裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，活動(dòng)電極架2通過(guò)支撐筒1固定在樣品池上方，左右電極板4插入樣品池中，通過(guò)調(diào)節(jié)左右滑塊1控制左右電極板4的間距，調(diào)節(jié)間距為2mm，并且使光路從間隙中通過(guò)，再通過(guò)左右滑塊1給電極板4上加不同電壓時(shí)，采集樣品近紅外光譜光譜數(shù)據(jù)。測(cè)定方法指令光譜儀開(kāi)始掃描，每個(gè)不同電壓持續(xù)1分鐘，7分鐘內(nèi)即完成掃描，獲得樣品的透射二維近紅外光譜，掃描期間不要移動(dòng)或晃動(dòng)樣品和電壓外擾輔助裝置。所有樣品近紅外光譜的測(cè)定均嚴(yán)格按照上述測(cè)定方法進(jìn)行。第三步內(nèi)燃機(jī)油樣品粘度指數(shù)的測(cè)定采用常規(guī)方法測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)樣品集中每一樣品的粘度指數(shù)，作為與樣品集近紅外光譜一一對(duì)應(yīng)的化學(xué)值。采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法GB/T1995-80測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)樣品集中每個(gè)內(nèi)燃機(jī)油樣品的粘度指數(shù)。嚴(yán)格控制樣品4(TC和IO(TC運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定誤差，使用來(lái)計(jì)算粘度指數(shù)的運(yùn)動(dòng)粘度值符合GB/T265規(guī)定的精密度。第四步預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的建立和優(yōu)化建立預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型采用的多元校正方法可以是經(jīng)典的最小二乘法(CLS)、逆最小二乘(ILS)、多元線性回歸(MLR)、主成分回歸(PCR)、偏最小二乘法(PLS)、多維偏最小二乘法(NPLS)、穩(wěn)健偏最小二乘法(RPLS)或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)等。本發(fā)明是采用多維偏最小二乘算法(NPLS)建立多元回歸預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型。采用內(nèi)部交叉證實(shí)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。內(nèi)部交叉證實(shí)是指依次剔除建模樣品集中一個(gè)(或多個(gè))樣品，用剩余樣品來(lái)建模預(yù)測(cè)被剔除樣品的含量，比較被剔除樣品預(yù)測(cè)值與化學(xué)值的差異，由此判斷所建模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。經(jīng)反復(fù)測(cè)試比較，本實(shí)施例獲得建立內(nèi)燃機(jī)油粘度指數(shù)多元回歸預(yù)測(cè)模型的最佳條件為最佳主成分維數(shù)為11，最佳譜區(qū)范圍為9301690nm，最佳光譜預(yù)處理方法為先進(jìn)行光譜插值補(bǔ)點(diǎn)、平滑，再進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)處理。由此而建立的預(yù)測(cè)模型有很高的質(zhì)量，測(cè)定相對(duì)誤差為2.49%，與采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法的測(cè)定誤差2.2%相接近。第五步應(yīng)用模型測(cè)定未知樣品5建立好預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型之后，就可以測(cè)定未知內(nèi)燃機(jī)油樣品的粘度指數(shù)。重復(fù)第二步采集未知樣品的近紅外光譜，將光譜輸入預(yù)測(cè)模型，計(jì)算機(jī)立即給出未知樣品的含油量。用本實(shí)施例建立的模型測(cè)定35個(gè)內(nèi)燃機(jī)油樣品的粘度指數(shù)，同時(shí)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法GB/T1995-80測(cè)定其粘度指數(shù)作為對(duì)比，測(cè)定結(jié)果列于表1。由結(jié)果可見(jiàn)，兩種方法的測(cè)定結(jié)果很相近，絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差都較小，表明本發(fā)明方法有較高的測(cè)定準(zhǔn)確性。作為一種快速的測(cè)定方法，實(shí)際測(cè)定結(jié)果無(wú)疑是可以接受的。表l.本實(shí)施例測(cè)定內(nèi)燃機(jī)油粘度指數(shù)的效果<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>如上所述，即可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。權(quán)利要求一種測(cè)定內(nèi)燃機(jī)油粘度指數(shù)的方法，其特征是第一步選擇具有代表性的內(nèi)燃機(jī)油樣品作為建立多元回歸預(yù)測(cè)模型的標(biāo)準(zhǔn)樣品集；第二步使用近紅外光譜儀和電壓外擾裝置測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)樣品集中每個(gè)內(nèi)燃機(jī)油的在不同電壓或(和)頻率下的二維近紅外光譜；第三步采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法GB/T1995-80測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)樣品集中每個(gè)內(nèi)燃機(jī)油樣品的粘度指數(shù)，作為與樣品集近紅外光譜一一對(duì)應(yīng)的化學(xué)值；第四步采用多元校正方法建立和優(yōu)化多元回歸預(yù)測(cè)模型；第五步按照第二步的方法采集未知內(nèi)燃機(jī)油樣品的近紅外光譜，將光譜輸入預(yù)測(cè)模型，從而確定未知內(nèi)燃機(jī)油樣品的粘度指數(shù)。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種測(cè)定內(nèi)燃機(jī)油粘度指數(shù)的方法，其特征是，所述步驟(1)具有代表性的內(nèi)燃機(jī)油樣品是指來(lái)自不同廠家不同質(zhì)量等級(jí)的內(nèi)燃機(jī)油。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)定內(nèi)燃機(jī)油粘度指數(shù)的方法，其特征是，所述近紅外光譜吸收光譜的波長(zhǎng)范圍是7802526nm。4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種測(cè)定內(nèi)燃機(jī)油粘度指數(shù)的方法，其特征是，所述步驟(2)二維近紅外光譜的采集采用如下裝置活動(dòng)電極架通過(guò)支撐筒固定在樣品池上方，通過(guò)調(diào)節(jié)左右滑塊控制左右電極板的間距，并且使光路從間隙中通過(guò)，在電極板上加不同電壓時(shí)，采集樣品光譜數(shù)據(jù)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)定內(nèi)燃機(jī)油粘度指數(shù)的方法，其特征是，所述電極板間電壓范圍是O120V。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)定內(nèi)燃機(jī)油粘度指數(shù)的方法，其特征是，其中所述步驟(4)建立多元回歸預(yù)測(cè)模型時(shí)需要對(duì)二維近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種測(cè)定內(nèi)燃機(jī)油粘度指數(shù)的方法，其特征是，其中所說(shuō)的數(shù)據(jù)預(yù)處理是經(jīng)典的插值、平滑和求導(dǎo)等。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)定內(nèi)燃機(jī)油粘度指數(shù)的方法，其特征是，其中所述步驟(4)所說(shuō)的數(shù)學(xué)方法是多元校正方法。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種測(cè)定內(nèi)燃機(jī)油粘度指數(shù)的方法，其特征是，其中所說(shuō)的多元校正方法是經(jīng)典的最小二乘法(CLS)、逆最小二乘(ILS)、多元線性回歸(MLR)、主成分回歸(PCR)、偏最小二乘法(PLS)、多維偏最小二乘法(NPLS)、穩(wěn)健偏最小二乘法(RPLS)或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)等。全文摘要本發(fā)明是一種測(cè)定內(nèi)燃機(jī)油粘度指數(shù)的方法，該方法以近紅外光譜技術(shù)為基礎(chǔ)，采用電壓為外擾，采集內(nèi)燃機(jī)油二維近紅外透射光譜，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，以具有代表性的樣品光譜數(shù)據(jù)建立粘度指數(shù)的多元校正回歸數(shù)學(xué)模型，再通過(guò)模型預(yù)測(cè)未知樣品的粘度指數(shù)。本發(fā)明方法操作方便、分析快速、準(zhǔn)確。本發(fā)明適用于內(nèi)燃機(jī)油粘度性能、粘溫性能和粘度指數(shù)改進(jìn)劑性能的研究。文檔編號(hào)G01N21/17GK101726451SQ20081023290公開(kāi)日2010年6月9日申請(qǐng)日期2008年10月21日優(yōu)先權(quán)日2008年10月21日發(fā)明者馮新瀘,管亮,雷猛申請(qǐng)人:馮新瀘;雷猛;管亮