УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ОБЪЕМНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА И ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕЛАКСАЦИИ В ПОТОКЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ
DEVICE TO MONITOR VOLUME ELECTRIC CHARGE AND CONSTANT OF TIME OF ITS RELAXATION IN FLOW OF DIELECTRIC FLUID

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля плотности объемного электрического заряда и постоянной времени его релаксации в потоке диэлектрической жидкости, например, углеводородных топлив при их перекачке по трубопроводам.
При технологических операциях, связанных с перекачкой углеводородных топлив и других пожароопасных диэлектрических жидкостей по трубопроводам, жидкости электризуются, и в заполняемых объемах может накапливаться заряд, способный вызывать воспламеняющий искровой разряд. Для предотвращения таких разрядов необходимо измерять плотность объемного заряда в потоке диэлектрической жидкости, а также постоянную времени его релаксации, от которой зависит способность накопления заряда в приемном резервуаре.
Известно устройство для измерения плотности объемного заряда в потоке нефтепродуктов, содержащее электроизолированный отрезок трубопровода и измеритель тока релаксации объемного заряда на этом участке (Максимов Б.К. и др., Универсальный стенд для исследования электризации авиационных топлив, «Электричество», 1971, №12, с 73-76). Недостатком этого устройства является необходимость информации об электропроводности топлива, которая определяется заранее в лабораторных условиях, но может меняться в процессе перекачки, что приводит к не учитываемой погрешности измерения, а также диэлектрической проницаемости нефтепродукта.
Известен измеритель объемного заряда в потоке нефтепродуктов, содержащий электроизолированный отрезок основного трубопровода и шунтирующий его дополнительный отрезок трубопровода с расположенными в нем двумя электродами, один из которых заземлен, а второй электрически подключен к указанному отрезку основного трубопровода и ко входу измерителя напряжения относительно земли (А.С. № 524130 - основной аналог).
Недостатком этого устройства является невозможность с его помощью одновременно измерять постоянную времени релаксации объемного заряда топлива.
Целью предлагаемого изобретения является расширение технологических возможностей устройства, а именно, возможность одновременного контроля объемного заряда и постоянной времени его релаксации в потоке диэлектрической жидкости.
Поставленная цель достигается за счет того, что в устройство введен дополнительно измеритель тока, протекающего между электроизолированным отрезком и незаземленным электродом, расположенным в дополнительном отрезке трубопровода.
На фигуре схематически изображено предлагаемое устройство.
Устройство содержит электроизолированный отрезок 1 основного трубопровода 2, дополнительный отрезок 3, патрубки 4, вентиль 5, электроды 6 и 7, измеритель напряжения 8, измеритель тока 9, вычислительное устройство 10, индикатор 11 и ключ К.
Отрезок 1 трубопровода электроизолирован от основного трубопровода 2. Дополнительный отрезок 3 трубопровода шунтирует отрезок 1 трубопровода и соединен с основным трубопроводом 2 через патрубки 4, один из которых оборудован вентилем 5. Внутри дополнительного отрезка 3 помещены два электрода 6 и 7, один из которых 6 подключен ко входу измерителя напряжения 8, а также через ключ К и измеритель тока 9 к электроизолированному отрезку 1 основного трубопровода 2. Второй электрод 7 заземлен. Выходы измерителей 8 и 9 подключены ко входу вычислительного устройства 10, а выход последнего - к индикатору 11.
Работа устройства основана на следующем.
Заряд q, содержащийся в объеме жидкости, ограниченном отрезком 1 трубопровода, создает ток релаксации i, текущий на стенки этого участка и равный
<mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>q</mi><mo>/</mo><mi>τ</mi><mo>=</mo><mi>ε</mi><mtext> </mtext><msub><mi>ε</mi><mi>o</mi></msub><mo>/</mo><mi>γ</mi><mo>−</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где
q - заряд в объеме, ограниченном отрезком 1;
τ - постоянная времени релаксации объемного заряда жидкости;
γ - электропроводность жидкости;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость жидкости;
о
ε- диэлектрическая постоянная.
При подключении с помощью ключа К отрезка 1 к электроду 6 ток i, равный q/τ, протекает на землю через электрическое сопротивление R между электродами 6 и 7, создавая напряжение U, равное
<mrow><mi>U</mi><mo>=</mo><mi>i</mi><mi>R</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Величина электрического сопротивления R между электродами определяется выражением
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>/</mo><mi>γ</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где
k - конструктивный коэффициент.
При этом электрическая емкость С между электродами 6 и 7 определяется выражением
<mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mi>ε</mi><mtext> </mtext><msub><mi>ε</mi><mi>o</mi></msub><mo>/</mo><mi>k</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где
k - тот же самый конструктивный коэффициент.
С учетом выражений (1)…(3) получаем
<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mi>C</mi><mi>U</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
откуда плотность объемного заряда ρ в потоке жидкости
<mrow><mi>ρ</mi><mo>=</mo><mi>C</mi><mi>U</mi><mo>/</mo><mi>V</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где
V - объем жидкости в участке 1.
o
Постоянная времени релаксации объемного заряда жидкости τ=ε ε/γ может быть определена из условий (1), (3) и(4)
<mrow><mi>τ</mi><mo>=</mo><mi>ε</mi><mtext> </mtext><msub><mi>ε</mi><mi>o</mi></msub><mo>/</mo><mi>γ</mi><mo>=</mo><mi>R</mi><mi>C</mi><mo>=</mo><mi>U</mi><mi>C</mi><mo>/</mo><mi>i</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Устройство работает следующим образом.
Часть перекачиваемой по трубопроводу 2 жидкости ответвляется в отрезок 3 через патрубки 4, причем скорость потока жидкости в отрезке 3 трубопровода устанавливается с помощью вентиля 5 такой, чтобы за время перемещения ее по входному патрубку жидкость полностью разрядилась и в отрезке 3 была электронейтральной. Это определяется по равенству нулю потенциала U на электроде 6, при отключенном от электрода 6 ключе К. Отрезок 1 трубопровода в это время заземлен через ключ К. После этого с помощью ключа К участок 1 трубопровода электрически соединяется с незаземленным электродом 6 через измеритель тока 9. Результаты измерения тока i и напряжения U поступают на вход вычислительного устройства 10, вычисляющего значения ρ и τ в соответствии с выражениями (6) и (7), и фиксируются на индикаторе 11.
Значение величины электрической емкости между электродами 6 и 7 при заполненном перекачиваемой жидкостью отрезке 3 трубопровода определяется по измеренной электрической емкости между ними в отсутствие жидкости с учетом значения ε. Так как величина ε для каждой конкретной жидкости может быть получена из справочников или измерена заранее и колеблется в пределах 5%, причем не зависит от температуры, методическая погрешность определения величин ρ и τ не превышает 5%, а при принятом ε=2 не превышает 10%, т.к. ε углеводородных топлив может быть от 1,8 до 2,2.
Таким образом, достигается поставленная цель - расширение технологических возможностей устройства, а именно, возможность одновременного контроля объемного заряда и постоянной времени его релаксации в потоке диэлектрической жидкости.