ИЗМЕРИТЕЛЬ ЗАРЯДА СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА Российский патент 2003 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, может быть использовано для контроля объемного заряда статического электричества в потоках движущихся диэлектрических жидкостей (светлых нефтепродуктов) или в потоках аэродисперсных сред.

В процессе многих технологических операций с углеводородными жидкостями происходит их электризация, сопровождающаяся накапливанием электростатического заряда в приемных резервуарах, что нередко приводит к пожарам и взрывам вследствие возникновения электрических искровых разрядов в резервуарах.

Известны устройства для определения объемного заряда статического электричества в потоке диэлектрической жидкости и способы, основанные на измерении заряда ячейкой Фарадея (см. А.С. СССР 1075452, H 05 F 3/00. Устройство для исследования электризации жидкости / А.А. Обух, Б.К. Максимов, А.Н. Харитонов (СССР) - 3514417/18-21. Заявлено 23.11.82. Опубл. 23.02.84. Бюл. 7.) Для реализации этого способа трубопровод оборудуется специальным краном, позволяющим взять пробу жидкости. Пробу отбирают непосредственно в цилиндр Фарадея.

При сравнительной простоте реализации способ обладает существенными недостатками: необходимостью разгерметизации системы для определения заряда и отсутствием возможности непрерывного контроля заряда при проведении технологических операций.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа измеритель плотности заряда статического электричества (А.С. СССР 1397852, G 01 R 29/12. Измеритель плотности заряда статического электричества / Б.К. Сушко, Р.З. Бахтизин (СССР). - 3950788/24-21. Заявлено 07.08.85. Опубл. 23.05.88. Бюл. 19), который содержит установленные в трубопроводе неподвижный и подвижный электроды, соединенные с регистрирующим прибором, экранирующие электроды, соединенные с общей шиной, два крыла, выполненные из изоляционного материала, при этом крылья обращены друг к другу поверхностями меньшей кривизны, первое крыло смещено относительно второго в направлении потока и жестко закреплено так, что оно пересекает диаметральную плоскость сечения трубопровода под отрицательным углом атаки к потоку, а второе установлено на оси вращения, проходящей через сечение второго крыла перпендикулярно его хорде, неподвижный и подвижный электроды закреплены на обращенных друг к другу поверхностях первого и второго крыла соответственно, а экранирующие электроды закреплены на внешних поверхностях крыльев.

Недостатком известного измерителя плотности заряда статического электричества является его малая точность и информативность при проведении длительных измерений в условиях меняющихся режимов перекачки и налива жидкости. Данных о текущем значении удельного электростатического заряда в протекающем потоке жидкости часто бывает недостаточно для оценки степени реальной опасности от электростатического заряжения перерабатываемой субстанции.

Электростатический заряд жидкости зависит от целого ряда факторов, в частности от скорости перекачки жидкости по трубам. Скорость перекачки обычно является непостоянной величиной. В начале процесса перекачки она увеличивается (открывание запорного вентиля), а в конце - уменьшается (закрывание запорного вентиля). Может изменяться она и в процессе налива.

Существуют автоматизированные системы налива углеводородных топлив, в которых скорость налива регулируется (ограничивается) в зависимости от того, уменьшается или увеличивается контролируемое значение электростатического заряда в протекающей жидкости. Таким образом, для оценки опасности электростатического заряжения необходимо учитывать расход и скорость перекачки по трубам перерабатываемой субстанции. Значение заряда зависит не только от скорости перекачки. Появление в жидкости таких неконтролируемых примесей, как частицы ржавчины (после механического удара по стенке танка) или капельки воды, способно в несколько раз, а то и на порядок увеличить значение удельного заряда.

Таким образом, текущее значение измеряемого заряда способно в значительной степени изменяться в процессе перекачки без видимых изменений контролируемых параметров. Перекачка электризующейся жидкости обычно производится для последующей переработки во вполне определенную емкость (бак, танк, хранилище, резервуар и т.д.) или технологический аппарат. Обычно известны или могут быть вычислены характерные для резервуара значения предельного электростатического заряда жидкости, начиная с которого возможны опасные неконтролируемые разряды в паровоздушной атмосфере резервуара, могущие привести к пожарам и взрывам. Поэтому необходимо как можно точнее знать предельное суммарное значение заряда, поступившего с жидкостью в данный резервуар.

Техническим результатом изобретения является повышение точности и информативности при проведении длительных измерений в условиях меняющихся режимов перекачки и налива жидкости.

Технический результат достигается тем, что в известный измеритель заряда, содержащий установленные в трубопроводе неподвижный и подвижный электроды, соединенные с регистрирующим прибором, экранирующие электроды, соединенные с общей шиной, два крыла, выполненные из изоляционного материала, при этом крылья обращены друг к другу поверхностями меньшей кривизны, первое крыло смещено относительно второго в направлении потока и жестко закреплено так, что оно пересекает диаметральную плоскость сечения трубопровода под отрицательным углом атаки к потоку, а второе установлено на оси вращения, проходящей через сечение второго крыла перпендикулярно его хорде, неподвижный и подвижный электроды закреплены на обращенных друг к другу поверхностях первого и второго крыла соответственно, а экранирующие электроды закреплены па внешних поверхностях крыльев, согласно изобретению дополнительно введены датчик частоты колебаний подвижного крыла, соединенный со входом преобразователя частоты в напряжение, выход которого соединен с первым входом аналогового перемножителя; упомянутый в основном изобретении регистрирующий прибор выполнен в виде зарядочувствительного усилителя, последовательно соединенного с детектором, выход последнего подключен ко второму входу упомянутого аналогового перемножителя, а его выход через интегрирующее устройство соединен с регистратором.

Технический результат достигается еще и тем, что упомянутый детектор выполнен по схеме синхронного детектора, управляющий вход которого через формирователь импульса и фазосдвигаюшую цепь соединен с датчиком частоты колебаний подвижного крыла.

Технический результат может быть достигнут еще и тем, что упомянутый детектор выполнен по схеме пикового детектора.

Заявляемый измеритель заряда статического электричества отличается от прототипа тем, что он снабжен датчиком частоты колебаний подвижного крыла, соединенным со входом преобразователя частоты в напряжение, выход которого соединен с первым входом аналогового перемножителя; упомянутый в основном изобретении регистрирующий прибор выполнен в виде зарядочувствительного усилителя, последовательно соединенного с детектором, выход последнего подключен ко второму входу упомянутого аналогового перемножителя, а его выход через интегрирующее устройство соединен с регистратором.

Заявляемый измеритель заряда статического электричества отличается от прототипа также и тем, что упомянутый детектор выполнен по схеме синхронного детектора, управляющий вход которого через формирователь импульса и фазосдвигаюшую цепь соединен с датчиком частоты колебаний подвижного крыла.

Заявляемый измеритель заряда статического электричества отличается от прототипа еще и тем, что упомянутый детектор может быть выполнен по схеме пикового детектора.

На фиг. 1 представлена общая блок-схема измерителя величины заряда статического электричества. На фиг.2 представлена блок-схема измерителя величины заряда статического электричества при использовании синхронного детектора.

Измеритель (фиг. 1, 2) содержит два прямоугольных крыла 1 и 2, выполненных из изоляционного материала (например, стеклотекстолита), установленных по диаметру трубопровода. Крыло 1 жестко закреплено так, что оно пересекает диаметральную плоскость сечения трубопровода под отрицательным углом атаки (1-20^o) к набегающему потоку, а крыло 2 установлено на оси вращения 3, проходящей через сечение крыла 2, перпендикулярно его хорде. Крыло 1 смещено относительно крыла 2 в направлении потока с тем, чтобы обеспечивалось возникновение колебаний крыла 2 при обтекании крыльев потоком. Крылья 1 и 2 по всей длине несут на себе металлические пластины 4 и 5, образующие динамическую систему электродов, при этом пластины 4, симметрично размещенные на обращенных друг к другу поверхностях, имеющих меньшую крутизну крыльев 1 и 2, образуют измерительный электрод, а пластины 5, размещенные на внешних поверхностях крыльев, имеющих большую крутизну, образуют заземленный модулирующий электрод. Пластины 4 соединены с входом регистрирующего прибора.

Согласно изобретению, над колеблющимся крылом установлен датчик 6 частоты колебаний подвижного крыла, соединенный со входом преобразователя 7 частоты в напряжение, выход которого соединен с первым входом аналогового перемножителя 8. Пластины 4 соединены со входом зарядочувствительного усилителя 9, последовательно соединенного с детектором 10, выход последнего подключен ко второму входу упомянутого аналогового перемножителя 8, а перемножителя выход через интегрирующее 11 устройство соединен с регистратором 12. Упомянутый детектор 10 может быть выполнен по схеме пикового детектора.

Если упомянутый детектор 10 выполнен по схеме синхронного детектора, то его управляющий вход через формирователь импульсов 13 и фазосдвигающую цепь 14 соединяется с датчиком 6 частоты колебаний подвижного крыла (фиг.2).

Измеритель работает следующим образом.

При своем движении по трубопроводу наэлектризованная жидкость попадает в промежуток между неподвижным крылом 1 и крылом 2, установленным на оси 3 (фиг. 1 и 2). Течение жидкости между крыльями 1 и 2 вызывает притягивание крыла 2 к неподвижному крылу 1 (подсос, или эффект Вентури). Притягивание крыла 2 приводит к быстрому изменению угла его атаки, а при движении аэродинамического профиля крыла за пределами его статического угла атаки крыло 2 проходит через зону динамической потери скорости. При этом у передней кромки крыла 2 возникает вихрь, проходящий над крылом. Большой отрицательный вращающий момент, создаваемый вихрем, отклоняет колеблющееся крыло 2 от неподвижного крыла 1. Когда вихрь сходит с крыла, подъемная сила уменьшается и эффект Вентури вновь получает преобладающее влияние, вызывая притяжение колеблющегося крыла 2 к неподвижному крылу 1. Крыло 2 вновь проходит через зону динамической потери скорости, и процесс повторяется, возникают периодические колебания крыла 2 относительно неподвижного крыла 1 с частотой, пропорциональной расходу жидкости.

В качестве датчика 6 частоты колебаний подвижного крыла может быть использован датчик электромагнитной системы, представляющий из себя катушку с текущим по ней электрическим током, которая намотана на ферромагнитном сердечнике. На колеблющемся под влиянием набегающего потока крыле укреплен колеблющийся вместе с ним ферромагнитный стержень, являющийся частью магнитной цепи датчика колебаний. Колебания стержня изменяют магнитное сопротивление цепи датчика, при этом во второй катушке, намотанной поверх первой, вследствие изменения потокосцепления возникают импульсы тока. Частота прохождения импульсов прямо пропорциональна скорости набегающего потока, а при известном сечении трубопровода - и величине расхода перекачиваемой жидкости. Из литературных источников известно применение системы с колеблющимся под действием набегающего потока крылом в качестве измерителя скорости потока газа или жидкости (см. De Carlo I.P. The oscillatory using flowmeter // ISA Transaction. - 1982. - V.21. - 2. - Р.75-92, или Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. -Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1989. - 701с. - С.569.) Частота изменения выходного сигнала датчика частоты колебаний подвижного крыла линейно (в пределах погрешности измерения) зависит от скорости перекачки контролируемой среды. Сигнал с датчика 6 поступает на вход преобразователя частоты 7 в напряжение, который преобразует периодическую последовательность импульсов в аналоговый сигнал с амплитудой, прямо пропорциональной частоте этой последовательности импульсов. Выходной сигнал преобразователя 7 поступает на один из входов аналогового перемножителя 8.

Колебания крыла 2 приводят к периодическому изменению расстояния между крыльями и периодическому вытеснению и втягиванию жидкости периодически изменяющимся объемом, находящимся между пластинами 5 измерительного электрода. Периодическое изменение емкости входных электродов относительно земли и количества заряженной жидкости, находящейся между крыльями и по индукции наводящей потенциал на входных электродах, приводит к возникновению периодического изменяющегося сигнала во входных цепях измерителя. Значение этого сигнала прямо пропорционально величине удельного заряда жидкости. Переменный сигнал с датчика усиливается зарядочувствительным усилителем 9. Зарядочувствительный усилитель 9 обладает тем свойством, что амплитуда усиленного им сигнала не зависит от частоты. Сигнал детектируется детектором 10 и поступает на второй вход аналогового перемножителя 8. Перемножитель 8 осуществляет операцию перемножения двух аналоговых сигналов, поэтому его выходной сигнал, поступающий на вход интегратора 11, будет прямо пропорционален произведению скорости протекающего потока жидкости на величину удельного заряда жидкости, то есть заряду объема жидкости, равному произведению сечения трубы на длину трубопровода, проходимую жидкостью в единицу времени (численно равную скорости потока). Значение диаметра трубопровода задается при перемножении в качестве постоянного множителя. Поэтому выходной сигнал интегратора 11 будет прямо пропорционален величине заряда всей жидкости, прошедшей по трубе за время интегрирования.

Применение датчика частоты колебаний подвижного крыла, соединенного со входом преобразователя частоты в напряжение, выход которого соединен с первым входом аналогового перемножителя, и выполнение упомянутого в основном изобретении регистрирующего прибора в виде зарядочувствительного усилителя, последовательно соединенного с детектором, выход которого подключен ко второму входу упомянутого аналогового перемножителя, а его выход через интегрирующее устройство соединен с регистратором, позволяет:
- повысить точность проведения измерений величины суммарного заряда, поступающего в технологический аппарат вместе с перерабатываемой средой за определенное время в условиях изменяющихся напора, скорости налива и степени электризации;
- повысить информативность проведения измерений за счет получения возможности регистрировать с помощью одного прибора не только величину удельного заряда статического электричества в протекающей жидкости, но и значение скорости потока и расхода жидкости, а также значение суммарного электростатического заряда, поступившего с жидкостью в аппарат.

Наличие в схеме датчика частоты колебаний подвижного крыла дает дополнительную возможность использовать его при слабом полезном сигнале в качестве датчика опорного сигнала синхронного детектора, что позволяет повысить чувствительность измерений и точность при определении знака заряда в этих условиях.

В связи с тем, что модуляция полезного сигнала производится с частотой колебаний крыла, а эта частота имеет сравнительно низкие значения (единицы-десятки Гц), для повышения точности преобразования сигнала и устранения его зависимости от частоты при достаточном полезном сигнале в предлагаемой схеме может быть использован пиковый детектор.

Практические схемы аналоговых перемножителей описаны в технической литературе (см. Пейтон А.Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. Пер. с англ. - М.: БИНОМ, 1994. -352 с.). Схемы пиковых детекторов также описаны в литературных источниках (см. Келехсаев Б.Г. Нелинейные преобразователи и их применение. Справочник. - М.: Солон-Р, 1999. - 303 с.).

Использование: для контроля объемного заряда статического электричества в потоках движущихся диэлектрических жидкостей (светлых нефтепродуктов) или в потоках аэродисперсных сред. Технический результат заключается в повышении точности и информативности при проведении длительных измерений в условиях меняющихся режимов перекачки и налива жидкости. В известный измеритель заряда, содержащий установленные в трубопроводе неподвижный и подвижный электроды, соединенные с регистрирующим прибором, экранирующие электроды, соединенные с общей шиной, два крыла, выполненные из изоляционного материала, при этом крылья обращены друг к другу поверхностями меньшей кривизны, первое крыло смещено относительно второго в направлении потока и жестко закреплено так, что оно пересекает диаметральную плоскость сечения трубопровода под отрицательным углом атаки к потоку, а второе установлено на оси вращения, проходящей через сечение второго крыла перпендикулярно его хорде, неподвижный и подвижный электроды закреплены на обращенных друг к другу поверхностях первого и второго крыла соответственно, а экранирующие электроды закреплены на внешних поверхностях крыльев, согласно изобретению дополнительно введены датчик частоты колебаний подвижного крыла, соединенный со входом преобразователя частоты в напряжение, выход которого соединен с первым входом аналогового перемножителя. Регистрирующий прибор выполнен в виде зарядочувствительного усилителя, последовательно соединенного с детектором, выход последнего подключен ко второму входу упомянутого аналогового перемножителя, а его выход через интегрирующее устройство соединен с регистратором. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Измеритель заряда статического электричества, содержащий установленные в трубопроводе неподвижный и подвижный электроды, соединенные с регистрирующим прибором, экранирующие электроды, соединенные с общей шиной, два крыла, выполненные из изоляционного материала, при этом крылья обращены друг к другу поверхностями меньшей кривизны, первое крыло смещено относительно второго в направлении потока и жестко закреплено так, что оно пересекает диаметральную плоскость сечения трубопровода под отрицательным углом атаки к потоку, а второе установлено на оси вращения, проходящей через сечение второго крыла перпендикулярно его хорде, неподвижный и подвижный электроды закреплены на обращенных друг к другу поверхностях первого и второго крыла соответственно, а экранирующие электроды закреплены на внешних поверхностях крыльев, отличающийся тем, что в него дополнительно введены датчик частоты колебаний подвижного крыла, соединенный со входом преобразователя частоты в напряжение, выход которого соединен с первым входом аналогового перемножителя, регистрирующий прибор выполнен в виде зарядочувствительного усилителя, последовательно соединенного с детектором, выход последнего подключен ко второму входу упомянутого аналогового перемножителя, а его выход через интегрирующее устройство соединен с регистратором. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что упомянутый детектор выполнен по схеме синхронного детектора, управляющий вход которого через формирователь импульса и фазосдвигающую цепь соединен с датчиком частоты колебаний подвижного крыла. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что упомянутый детектор выполнен по схеме пикового детектора.