УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ РЕЛАКСАЦИИ ОБЪЕМНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА В ПОТОКЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ
MONITORING DEVICE OF RELAXATION TIME CONSTANT OF VOLUMETRIC ELECTRICAL CHARGE IN DIELECTRIC FLUID FLOW

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в объектах, связанных с транспортировкой и хранением углеводородных топлив.
При перекачке углеводородного топлива по трубопроводу в объеме жидкости возникает электрический заряд, вносимый в резервуар. При этом могут создаваться условия для электрических разрядов, способных воспламенить пары этой жидкости. Величина накапливаемого в объеме жидкости заряда в резервуаре и, соответственно, электростатическая безопасность режима перекачки зависит от скорости перекачки и свойств жидкости, определяющих скорость релаксации объемного заряда в ней, т.е. постоянной времени релаксации объемного заряда в жидкости.
Величина постоянной времени релаксации объемного заряда существенно зависит от температуры перекачиваемой жидкости.
Для обеспечения электростатической безопасности необходим контроль постоянной времени релаксации объемного заряда в реальных условиях перекачки.
Известны способ и устройство а.с. №655989, позволяющее определять постоянную времени релаксации объемного электрического заряда в потоке диэлектрической жидкости, по которому устройство содержит измерительный электрод в виде участка цилиндрической поверхности и подвижный экранирующий электрод, приводимый в движение внешним приводом, группу контактов, измеритель мгновенных значений потенциала, формирователь, измеритель интервалов времени, вычислительный блок и блок индикации.
Недостатком этого способа и устройства является сложность его реализации и наличие подвижных частей, требующих регулярного обслуживания.
Известно устройство для измерения электропроводимости жидкости, в котором исследуемая жидкость помещается в пространство между двумя цилиндрическими коаксиальными электродами, в процессе измерений между электродами прикладывается постоянное напряжение (от 25 до 2500 B). По измеренному электрическому сопротивлению определяют электропроводимость жидкости, а при известной диэлектрической проницаемости жидкости может быть определена постоянная времени релаксации объемного электрического заряда в ней (Казарновский В.М., Тареев Б.М. Испытание электроизоляционных материалов. М., «Энергия»,1969).
Недостатком этого устройства является то, что измеряемое сопротивление зависит от величины приложенного напряжения, которое определяет характер процессов, протекающих в жидкости во время измерения (в частности процесса выноса носителя заряда). Низкая точность объясняется также влиянием на результаты измерений околоэлектродных процессов.
Известно устройство для определения постоянной времени релаксации объемного заряда диэлектрической жидкости, в котором исследуемая жидкость помещается в межэлектродное пространство, к электродам прикладывается разность потенциалов от источника постоянного напряжения и определяется постоянная времени изменения напряжения между электродами после отключения источника (A.Klinkenberg, I.L.van der Minne. Electrostatic in Petroleum Industry, Elsevier publishing comp, 1958, v.1, p.39).
Недостатками этого устройства являются влияние на точность измерения входного импеданса измерительного прибора, а также величины начального напряжения и времени его приложения до начала измерения.
Ближайшим аналогом является способ измерения постоянной времени релаксации объемного электрического заряда диэлектрических материалов, в соответствии с которым исследуемый материал и хотя бы один слой вспомогательного диэлектрика помещают в межэлектродное пространство, измеряют постоянную времени изменения напряженности электростатического поля на одном из электродов и по соотношению толщин слоев и параметров исследуемого материала и дополнительного диэлектрика вычисляют постоянную времени релаксации объемного заряда материала (а.с. №771524).
Недостатком этого способа является необходимость использования измерителя напряженности электростатического поля высокой чувствительности, что практически исключено при размещении измерительной ячейки в потоке жидкости.
Предлагаемое устройство позволяет измерять постоянную времени объемного заряда жидкости в натурных условиях ее перекачки.
Возможность измерения постоянной времени релаксации в потоке достигается тем, что исследуемая жидкость помещается в дополнительном участке трубопровода, шунтирующем основной трубопровод. Внутри этого участка жидкость помещается между двумя электродами, один из которых покрыт слоем дополнительного диэлектрика. Измеряется постоянная времени изменения электрического заряда на одном из электродов после подключения к электродам постоянного напряжения, и по этой постоянной времени определяется постоянная времени релаксации объемного заряда жидкости с учетом соотношения толщин слоев жидкости и вспомогательного диэлектрика.
На чертеже изображено схематически предлагаемое устройство.
Устройство содержит основной трубопровод 1 с исследуемой жидкостью 2, дополнительный участок трубопровода 3, патрубки 4 и 5, вентиль 6, прозрачный участок патрубка 7, металлические цилиндры 8-11, дополнительный цилиндр 12 из диэлектрического материала, коммутатор 13, источник постоянного напряжения 14, преобразователь заряда в напряжение в виде интегратора тока 15, измеритель 16 постоянной времени изменения электрического заряда цилиндра 10, вычислительное устройство 17 и индикатор 18.
Устройство представляет собой дополнительный участок трубопровода 3, шунтирующий участок основного трубопровода 1 с исследуемой жидкостью 2 и соединенный с основным трубопроводом патрубками 4 и 5, один из которых имеет вентиль 6, позволяющий регулировать скорость потока исследуемой жидкости через этот участок, причем выходной патрубок имеет прозрачный участок 7 для контроля заполнения указанного участка 3 исследуемой жидкостью. Внутри этого участка 3 размещена система, состоящая из коаксиальных металлических электроизолированных от земли и друг от друга цилиндров наружного 8 и трех внутренних 9-11, а также дополнительного цилиндра 12 из диэлектрического материала. Эта система цилиндров ограничена с двух сторон общими для них нормальными поперечными сечениями. При этом внутренние цилиндры 9-11 имеют равные наружные диаметры, совпадающие с внутренним диаметром дополнительного цилиндра 12 из диэлектрического материала, причем длины крайних цилиндров 9 и 11 равны или больше разности между внутренним диаметром наружного цилиндра 8 и наружным диаметром внутреннего цилиндра 10.
Наружный цилиндр 8 электрически соединен с коммутатором 13, подключающим его к источнику постоянного напряжения 14. Крайние внутренние цилиндры 9 и 11 заземлены, а средний внутренний цилиндр 10 электрически соединен с входом преобразователя заряда в напряжение, например интегратора тока 15. Выход интегратора тока 15 соединен с входом измерителя 16. Выход измерителя 16 соединен с входом вычислительного устройства 17, а выход последнего - с индикатором 18.
Устройство работает следующим образом.
Перед началом измерения открывается вентиль 6 и через патрубки 4 и 5 дополнительный участок трубопровода 3 заполняется перекачиваемой жидкостью, после чего вентиль 6 закрывается.
С помощью коммутатора 13 к наружному цилиндру 8 подключается постоянное напряжение U от источника 14. За счет того, что внутренний цилиндр 10 подключен к входу интегратора тока 15, его потенциал практически равен нулю, и напряжение U приложено между цилиндром 8 и цилиндрами 9-11. При этом на границе раздела исследуемой жидкости 2 и дополнительного цилиндра 12 благодаря протеканию тока через исследуемую жидкость за счет ее электропроводимости формируется электрический заряд и, соответственно, формируется заряд q на внутренних цилиндрах.
Зависимость заряда q на внутреннем цилиндре 10 от времени t для системы коаксиальных цилиндров с учетом нулевой электропроводимости вспомогательного диэлектрика имеет вид
где:
0
ε - диэлектрическая постоянная;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость исследуемой жидкости;
1
ε - относительная диэлектрическая проницаемость дополнительного цилиндра;
D - внутренний диаметр наружного цилиндра 8;
1
D - наружный диаметр дополнительного цилиндра 12;
d - наружный диаметр внутреннего цилиндра 10;
L - длина внутреннего цилиндра 10
q
τ - постоянная времени изменения электрического заряда, равная
где γ - электропроводимость исследуемой жидкости.
Накапливаемый на цилиндре 10 заряд поступает на вход интегратора тока 15, выходное напряжение которого пропорционально этому заряду. Выходное напряжение интегратора тока 15 поступает на измеритель 16 постоянной времени изменения заряда q внутреннего цилиндра 10, его выход подключен к входу вычислительного устройства 17, вычисляющего постоянную времени релаксации объемного заряда  исследуемой жидкости по формуле
и далее выход которого подключен к индикатору 18.
Выражения 1-3 справедливы для участка системы бесконечно длинных цилиндров. Внутренние цилиндры 9 и 11 обеспечивают с достаточной точностью выравнивание электрического поля на границах цилиндра 10.
q
После окончания измерения наружный цилиндр 8 с помощью коммутатора 13 подключается к земле, и заряд q стекает на землю с той же постоянной времени τ.
Таким образом, осуществляется поставленная цель - измерение постоянной времени релаксации объемного электрического заряда жидкости в реальных условиях ее перекачки.