ЭЛЕКТРОМЕТР
ELECTROMETER

Изобретение может быть использовано для измерения электрических зарядов обоих знаков, включая высоковольтные заряды статического электричества, образующиеся в потоках движущихся диэлектрических жидкостей, например светлых нефтепродуктов.
Известен электрометр AC СССР №1265625, G01R 19/00. Устройство содержит усилитель, интегратор и генератор. Конденсатор согласующего блока и реле с переключателем и ключом снижает аддитивную погрешность за счет замены усилителя постоянного тока и повышает входное сопротивление за счет уменьшения энергии перезаряда накопительного конденсатора по мере установления выходного сопротивления.
Современные технологии получения светлых нефтепродуктов реализованы на смешении фракций, образующихся в результате разгонки нефти и крекинг процессов, при которых длинные цепочки углеводородов разрываются под действием катализаторов. В результате чего образуется ионная и электронная электризация продукта компенсация, которой начнет продолжаться длительное время при перевалке и хранении. Остаточная электризация продукта несет в себе большие опасности при работе с нефтепродуктом. Нефтепродукт является изолятором с пробивным напряжением ~49 кВ/мм, что гораздо выше пробивного напряжения воздуха ~3 кВ/мм. При хранении и перемещении нефтепродукта по трубам заряженные частицы при касании с электропроводящими стенками релаксируются, но и одновременно в результате взаимного трения могут электризоваться. При этом в результате разрядки между электропроводящими стенками и остальным продуктом в емкостях начнет образовываться разряженный диэлектрический слой, препятствующий стеканию электростатических зарядов с остального продукта, даже при интенсивном перемешивании этот процесс может происходить в периодах исчисляемых микросекундами. Полярность электростатических зарядов в нефтепродукте не имеет значения. Электростатический потенциал может образовываться между зарядами одного знака с разными потенциалами, характеризующимися количеством электрических зарядов в конкретном объеме или на конкретном проводнике.
В технике работы с нефтепродуктами очень важно и необходимо, чтобы отдельные не соединенные между собой элементы оборудования, например автоцистерна и установка налива, имели одинаковый электростатический потенциал, который достигается соединением их между собой физическим проводником с контролем целостности электрической цепи между ними и контуром заземления.
Однако, даже при соблюдении указанных правил, при заполнении емкостей нефтепродуктами невозможно обеспечить стекание электростатических зарядов с объема нефтепродукта на металлические предметы через продукт из-за внешнего электрического сопротивления. При наличии в воздухе взрывоопасной концентрации паров возможно возникновение искрового разряда через воздух и возгорание последней, что приводит к взрывам и пожарам на объектах.
Для борьбы с возникновением электростатических зарядов между нефтепродуктами и металлическими оболочками необходимо научиться измерять количество электростатических зарядов в объеме нефтепродукта и количество электростатических зарядов в движущемся по трубопроводам нефтепродукте. Результаты таких измерений позволяют создавать эффективные нейтрализаторы статического электричества, а также повысить безопасность при операциях перевалки нефтепродуктов. Данная проблема решается при помощи предлагаемого устройства.
Предложен электрометр, содержащий конденсатор 6, подключенный между входными шинами электрометра. С целью исследования высоковольтных зарядов, конденсатор одним выводом подключен напрямую на общий провод (к заземлению), вторым выводом через коммутирующий ключ 3 и последовательно, включенный ограничительный резистор 5, имеющий второй ключ 4 включенный параллельно с конденсатором для его разряда, усилитель 1 с высокоомным входом, подключенный к конденсатору, микроконтроллер, подключенный к усилителю, обеспечивающий функцию аналого-цифрового преобразователя, вычислителя, интегратора, хранящего в памяти и передающего результат измерения на выход и осуществляющего управление указанными ключами. Между входными цепями и остальной схемой включен блок искрозащиты на диодах (стабилитронах) 7.
На фиг. 1 показана функциональная схема электрометра.
На фиг. 2 показана функциональная схема электрометра с блоком искрозащиты.
На фиг. 3 показаны эпюры, поясняющие работу электрометра. Электрометр работает следующий образом. В начальный момент времени ключ 4 замкнут, что обеспечивает нулевое напряжение на конденсаторе 6. Для проведения изменения ключ 4 размыкается. После чего ключ 3 замыкает цепь, обеспечивая путь стекания электрического заряда исследуемого объекта (зонд, датчик, сосуд Фарадея). Заряд исследуемого объекта, протекая через резистор 5, заряжает конденсатор 6. По сути, полученная схема есть конденсаторный делитель напряжения. Ввиду того, что емкость конденсатора 6 выбирается на три - шесть порядков больше емкости исследуемого объекта, напряжение на конденсаторе 6 достигнет значения не более 1 В даже в случае, когда напряжение заряда исследуемого объекта составляет несколько кВ. По завершении времени заряда конденсатора 6 ключ 3 размыкается. Напряжение заряда конденсатора через усилитель 1 подается на микроконтроллер 2, где преобразуется в цифровое значение. Ключ 4 возвращается в замкнутое положение и разряжает конденсатор 6. Электрометр готов к новому циклу измерений.
Величина заряда вычисляется по формуле 1. Результат суммируется с результатами предыдущих измерений.
где Q - заряд, Кл
С - емкость конденсатора 6, Ф
U - напряжение на выходе усилителя, В
k - коэффициент усиления усилителя 1.
Особенность примененного в электрометре способа измерения заключается в том, что заряд объекта, в процессе измерения, стекает через измерительную цепь электрометра на землю, при этом объект измерения разряжается. Величина прошедшего заряда регистрируется. Применительно к светлым нефтепродуктам, поскольку электрический заряд распределен внутри объема нефтепродукта, являющегося по своим электрическим свойствам диэлектриком, чтобы полностью разрядить определенный объем нефтепродукта требуется значительное время на релаксацию заряда. Электрометр обеспечивает проведение серии замеров, полностью разряжающих исследуемый объект, суммирование результатов замеров для вычисления полного заряда, который был накоплен в объеме нефтепродукта. Высокая точность измерения электрометра обусловлена относительно большой физической величиной результирующего параметра, определяющего заряд напряжения на конденсаторе 6 порядка сотен милливольт.
Особенность схемы построения электрометра отличается простотой масштабирования диапазона измерения заряда путем выбора емкости конденсатора 6 и коэффициента усиления усилителя 1.
Требуемое количество и время замеров в серии обеспечивается оператором вручную или под управлением программы.
Результаты измерений хранятся в памяти микроконтроллера и выдаются на выход - это может быть индикация и/или интерфейс связи.
Для безопасного подключения электрометра к исследуемому объекту, расположенному во взрывоопасной зоне, возможно применение блока взрывозащиты на диодах (стабилитронах).