ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ РЕЛАКСАЦИИ ОБЪЕМНОГО ЗАРЯДА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к приборам, используемым для определения постоянной τ времени релаксации объемного заряда в диэлектрических жидкостях, в частности, углеводородах в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, при закачке углеводородов в резервуары для транспортировки.
Уровень техники
Постоянная времени релаксации объемного заряда является параметром, влияющим на образование статического заряда углеводородов в процессе их перекачки. Образование статического заряда приводит к созданию взрывоопасных условий в среде резервуара, насыщенной парами углеводородов. Чем больше постоянная времени релаксации объемного заряда углеводорода, тем меньше должна быть скорость перекачки, и тем больше требуется времени для заполнения резервуара. Знание постоянной времени τ позволяет определить максимально допустимую скорость закачки, при которой обеспечивается взрывобезопасность.
ж
ж
ж
ж
Из уровня техники известны способ и устройство, позволяющие измерять постоянную τ времени релаксации объемного заряда жидкого углеводорода, помещенного в измерительную ячейку устройства. Данное устройство, предназначенное для измерения постоянной времени релаксации объемного заряда углеводородов, содержит стрелочный индикаторный прибор, соединенный с ним преобразователь на интеграторах и измерительную ячейку, подключенную к преобразователю посредством контактного устройства. Полость измерительной ячейки ограничена двумя плоскими электродами. Для данной ячейки расчетное значение постоянной времени τ находится по формуле τ=RC, где C=εS/d - электроемкость ячейки, заполненной жидким углеводородом; R - сопротивление жидкого углеводорода; ε - диэлектрическая проницаемость жидкого углеводорода; S и d - соответственно площадь плоских электродов и расстояние между ними. (К.А.Круг Основы электротехники, Москва, Ленинград, Объединенное научно-техническое издательство. Главная редакция энергетической литературы, 1936, стр.122).
В соответствии с этим способом в ячейку с плоскими электродами помещают испытываемый жидкий углеводород, затем к электродам прикладывают стабильное постоянное напряжение, заряжающее электрическую емкость ячейки до напряжения источника, и затем источник напряжения отсоединяют. Происходит свободный разряд электрической емкости ячейки с испытываемым углеводородом, в ходе которого измеряют постоянную τ времени разряда (релаксации) объемного заряда жидкого углеводорода. Подключение и отключение ячейки к источнику напряжения осуществляют с помощью контактов электромагнитного реле. (Галка В.Л. Вопросы электростатической искробезопасности наливных судов - СПб, Элмор, 2003, 126 с. стр.109).
3
м
ж
ж
м
м
К сожалению, указанной ячейке с плоскими электродами присущ ряд существенных недостатков, приводящих к ухудшению характеристик всего устройства в целом. Первый из этих недостатков заключается в том, что такая ячейка имеет малую электрическую емкость. Это обусловлено тем, что из-за требований искровзрывобезопасности устройства объем полости ячейки, ограниченной пространством между электродами, должен быть небольшим. Как правило, он составляет 450-500 см. Увеличение объема ячейки приводит к увеличению объема углеводорода и к увеличению его испарения, что при подаче напряжения на электроды ячейки может привести к аварийной ситуации. Данное обстоятельство является недостатком конструкции ячейки, так как во время разряда электроемкость ячейки суммируется с паразитной электроемкостью C монтажа цепей, подключенных к ячейке, в силу чего время разряда увеличивается и, соответственно, измеряемое значение τ получается завышенным до значения τ=R(C+C). В случае ячейки с плоскими электродами электрическая емкость C монтажа значительно превышает емкость ячейки, в связи с чем возникает значительная погрешность при определении времени релаксации объемного заряда.
Другой недостаток ячейки с плоскими электродами заключается в том, что электрод, с которого снимается полезный сигнал, не защищен от внешних сетевых наводок и прочих электромагнитных помех, искажающих картину измерений. Кроме того, способ изготовления ячейки с плоскими электродами достаточно сложен с технологической точки зрения (см. Галка В.Л. Вопросы электростатической искробезопасности наливных судов - СПб, Элмор, 2003, 126 с. стр.107). Он включает в себя трудоемкие этапы нанесения полупроводящего слоя на вертикальные внешние стенки и нанесения изоляционного слоя на электроды. Понятно, что данное обстоятельство увеличивает себестоимость ячейки и устройства измерения постоянной времени релаксации, в котором она используется.
ж
ж
ж
ж
10
14
-t/τ
-9
-13
6
8
Наконец, при описании ячейки с плоскими электродами необходимо обратить внимание на еще один ее недостаток. Объемное сопротивление R жидкого углеводорода составляет 10-10 Ом/мм. Соответственно, как следует из закона Ома, величина тока разряда объемного заряда i=Е/Rе находится обычно в пределах 10-10 А, где Е - напряжение опорного источника, t - текущее время, τ=RC, е=2,72. Учитывая такой низкий уровень тока разряда, при измерении времени разряда приходится применять усилитель с большим коэффициентом усиления, в частности интегратор с коэффициентом усиления по току 10-10. Однако в связи с малой величиной электроемкости ячейки и небольшой величиной электроемкости интегратора на входные слаботочные цепи интегратора оказывают сильное влияние сетевые наводки. В результате интегратор работает неустойчиво во времени.
Принимая во внимание вышесказанное, можно сделать вывод о том, что в данной области техники существует потребность в измерителе времени релаксации объемного заряда диэлектрических жидкостей, лишенном указанных недостатков. Соответственно задача настоящего изобретения заключается в создании такого измерителя времени релаксации объемного заряда диэлектрических жидкостей, который характеризовался бы существенно меньшей погрешностью измерений времени релаксации, имел бы более простую конструкцию и небольшие размеры.
Раскрытие полезной модели
Поставленная задача решена путем разработки измерителя постоянной времени релаксации объемного заряда диэлектрических жидкостей, содержащего индикаторный прибор, соединенный с ним усилитель постоянного тока, измерительную ячейку, подключенную к усилителю, и реле в качестве элемента коммутации. Предложенный измеритель характеризуется тем, что используемая в нем ячейка содержит внешний электрод, соединенный с заземленным корпусом усилителя, и внутренний электрод, изолированный от внешнего электрода, причем внешняя поверхность внутреннего электрода подобна внутренней поверхности внешнего электрода и включает в себя цилиндрический участок и участок в форме части шара, при этом указанные электроды ограничивают между собой полость для исследуемой диэлектрической жидкости.
15
Согласно одному из вариантов полезной модели, усилитель постоянного тока представляет собой повторитель напряжения с высоким входным сопротивлением (до 10 Ом), заключенный в ферромагнитную оболочку.
Согласно другому варианту полезной модели, в цепи обратной связи усилителя постоянного тока предусмотрен компенсатор утечки, который подключен к средней точке последовательно соединенных нормально разомкнутых контактов реле, обеспечивающих подключение/отключение источника опорного напряжения ко входу усилителя и ячейке.
Краткое описание чертежей
Ниже полезная модель описана на примере предпочтительного варианта ее выполнения, раскрытого со ссылкой на сопровождающие чертежи, из которых:
Фиг.1 в сечении изображает ячейку, оснащенную контактным устройством.
Фиг.2 сбоку изображает заявленный измеритель постоянной времени релаксации объемного заряда диэлектрических жидкостей.
Фиг.3 сверху изображает заявленный измеритель.
Фиг.4 изображает функциональную схему заявленного измерителя.
Осуществление полезной модели
Заявленный измеритель проиллюстрирован со ссылкой на фиг.2-4, на которых он в целом обозначен номером 20. Подобно вышеописанному устройству известного уровня техники, предложенный измеритель 20 содержит индикаторный прибор 7, соединенный с ним усилитель 8 постоянного тока, а также измерительную ячейку 1, подключенную к усилителю 8 посредством контактного устройства 6.
Заявленный измеритель 20 отличается от устройств известного уровня техники конструкцией используемой в нем ячейки 1. Используемая измерительная ячейка 1 показана в разрезе на фиг.1. Она состоит из двух металлических электродов - внешнего заземленного электрода 4, соединенного с корпусом усилителя 8, и внутреннего электрода 2, изолированного от внешнего, при этом внешняя поверхность внутреннего электрода 2 подобна внутренней поверхности внешнего электрода 4 и включает в себя цилиндрический участок и участок в форме части шара. Указанные электроды 2, 4 ограничивают между собой полость 3 для исследуемого углеводорода.
Электрическая емкость ячейки 1 равна сумме электрических емкостей цилиндрической и шарообразной частей ячейки. Ее рассчитывают по выражению:
я
ц
ш
C=C+C
где , ,
1
2
при этом R и R - радиусы ячейки, h - высота цилиндрической части ячейки, ε - диэлектрическая проницаемость жидкости.
Поскольку верхняя часть ячейки 1 изготавливается в виде части шара, общая емкость ячейки становится больше, чем в ячейке, изготовленной в виде цилиндра. Внешняя поверхность внутреннего электрода 2 подобна внутренней поверхности внешнего электрода 4, в результате электростатическое поле внутри полости ячейки, как в цилиндрической, так и в шаровой ее части, равномерное без искажений. Это позволяет получать более точное измерение разрядного тока, чем в ячейке с плоскими электродами. В ячейке с плоскими электродами электростатическое поле неравномерное - оно возрастает в местах изменения геометрии электродов.
Измерительная ячейка 1 установлена вертикально на корпусе усилителя 8, при этом внутренний электрод 2 ячейки 1 соединен со входом усилителя 8 контактным устройством 6, которое обеспечивает передачу сигнала с внутреннего электрода 2 на вход усилителя 8, а также используется для крепления ячейки 1. Как видно из фиг.1, внешний заземленный электрод 4 ячейки экранирует внутренний электрод 2 от наводок.
Использование предложенного измерителя 20 раскрыто со ссылкой на сриг.4. В полость 3 измерительной ячейки 1, через отверстие в верхней ее части, заливают диэлектрическую жидкость, в отношении которой требуется определить постоянную времени релаксации объемного заряда. На индикаторном приборе 7 нажимают соответствующую кнопку 9 для запуска измерения постоянной τ времени.
ИОН
ж
ион
ж
ион
-t/τ
-t/τ
Алгоритм измерения постоянной τ времени следующий: к внутреннему электроду 2 ячейки 1 и ко входу усилителя 8 посредством последовательно соединенных нормально разомкнутых контактов реле 11 подключают источник 10 опорного напряжения (источник ИОН). Электроемкость ячейки 1 через контактное устройство 6 заряжается до напряжения Е. Затем при помощи контактов реле 11 размыкают цепь заряда, и заряженная емкость ячейки 1 с диэлектрической жидкостью начинает разряжаться через сопротивление R жидкости в соответствии с законом i=Е/Rе. В результате, на вход усилителя 8 поступает напряжение разряда (релаксации) U=Ee. Усилитель 8 постоянного тока повторяет по величине и форме напряжение релаксации и усиливает поступающий сигнал по току, что необходимо для согласования с входным сопротивлением последующих цепей. С выхода усилителя 8 усиленный сигнал поступает на входы индикаторного прибора 7 и компенсатора 12.
ион
-2
Одновременно с размыканием контактов реле 11 на индикаторном приборе 7 производится запуск отсчета времени. При этом во время разряда напряжение на выходе усилителя постоянно контролируется, например, входящим в прибор 7 аналогово-цифровым преобразователем. Когда значение напряжения понижается до уровня U=Ee, отсчет времени останавливается, и измеренное таким образом значение времени разряда принимается за t=0,5τ. Причина того, что измерение значения производят именно для точки 0,5τ от начала разряда, заключается в том, что кривая разряда на участке от начала разряда до интервала 0,5τ наиболее круто спадает и поэтому лучше защищена от помех. Далее полученное значение времени умножается на 2. Полученная величина τ преобразуется в цифровые коды, которые через драйверы индикаторов выводятся на табло из цифровых и световых индикаторов, находящихся на лицевой панели индикаторного прибора 7, на котором отображается информация об измеренной величине τ.
Упомянутый компенсатор 12 применяется для уменьшения влияния паразитного сопротивления и паразитной емкости монтажа, которые увеличивают время релаксации объемного заряда. В качестве компенсатора 12 используется усилитель с небольшим коэффициентом усиления, равным 1,0-1,6. Компенсатор 12 устанавливается в цепь обратной связи усилителя 8 и подключается к средней точке последовательно соединенных нормально разомкнутых контактов реле 11, подключающих/отключающих источник 10 опорного напряжения ко входу усилителя 8 и ячейке 1. Напряжение на выходе компенсатора повторяет форму напряжения на ячейке 1 и тем самым компенсирует утечку заряда ячейки 1 через паразитные сопротивления и емкости монтажа между контактами реле 11 и корпусом усилителя 8.
Усилитель 8 постоянного тока помещен в металлический корпус и в предпочтительном случае заключен в дополнительную оболочку 13 из ферромагнитного материала, уменьшающую влияние помех от паразитных магнитных полей.
Общий вид измерителя 20 релаксации углеводородов представлен на фиг.2 и 3. Управление измерителем 20 осуществляется кнопками 9, находящимися на лицевой панели индикаторного прибора 7.
Техническим результатом использования предложенной конструкции ячейки 1 и усилителя 8 явилось существенное уменьшение погрешности при измерении времени релаксации объемного заряда диэлектрических жидкостей, в частности углеводородов, упрощение конструкции ячейки и схемы усилителя, что позволяет их изготавливать серийно, а также уменьшение площади, занимаемой измерителем на рабочем столе.
В заключении следует отметить, что выше был описан предпочтительный вариант заявленного измерителя, который не следует рассматривать как ограничение патентных притязаний полезной модели. Специалистам данной области техники понятно, что в описанный и показанный на чертежах вариант выполнения могут быть внесены различные изменения и дополнения, не выходящие за пределы правовой охраны полезной модели, установленной ее приложенной формулой.
Перечень используемых номеров позиций
1 - измерительная ячейка
2 - внутренний электрод
3 - полость для исследуемого углеводорода
4 - внешний электрод
5 - изолятор плоской части ячейки
6 - контактное устройство
7 - индикаторный прибор
8 - усилитель постоянного тока
9 - кнопки управления
10 - источник опорного напряжения
11 - реле для коммуникации
12 - компенсатор утечки
13 - ферромагнитная оболочка
20 - измеритель