УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ОБЪЕМНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА И ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕЛАКСАЦИИ В ПОТОКЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ Российский патент 2014 года по МПК G01R5/28 

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

$$i=q/\tau =\epsilon {\epsilon }_o/\gamma -,\left(1\right)$$

где

q - заряд в объеме, ограниченном отрезком 1;

τ - постоянная времени релаксации объемного заряда жидкости;

γ - электропроводность жидкости;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость жидкости;

ε_о- 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

$$U=iR\left(2\right)$$

Величина электрического сопротивления R между электродами определяется выражением

$$R=k/\gamma ,\left(3\right)$$

где

k - конструктивный коэффициент.

При этом электрическая емкость С между электродами 6 и 7 определяется выражением

$$C=\epsilon {\epsilon }_o/k\left(4\right)$$

где

k - тот же самый конструктивный коэффициент.

С учетом выражений (1)…(3) получаем

$$q=CU,\left(5\right)$$

откуда плотность объемного заряда ρ в потоке жидкости

$$\rho =CU/V,\left(6\right)$$

где

V - объем жидкости в участке 1.

Постоянная времени релаксации объемного заряда жидкости τ=ε ε_o/γ может быть определена из условий (1), (3) и(4)

$$\tau =\epsilon {\epsilon }_o/\gamma =RC=UC/i\left(7\right)$$

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.

Устройство контроля объемного электрического заряда и постоянной времени его релаксации в потоке диэлектрической жидкости 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. Устройство содержит электроизолированный отрезок основного трубопровода и дополнительный участок трубопровода, шунтирующий основной трубопровод, размещенные в этом дополнительном отрезке электроды, один из которых заземлен, а второй подключен ко входу измерителя напряжения относительно земли и через ключ и измеритель тока к электроизолированному отрезку основного трубопровода, а плотность объемного заряда и постоянная времени его релаксации τ определяются по формулам ρ=CU/V и τ=CU/i, где ρ - плотность объемного заряда; С - электрическая емкость межу указанными электродами; U - напряжение указанного второго электрода относительно земли;

V - объем жидкости в указанном электроизолированном участке трубопровода; τ - постоянная времени релаксации объемного заряда жидкости; i - ток релаксации заряда, заключенного в электроизолированном отрезке трубопровода.

Технический результат заключается в одновременном контроле плотности объемного заряда и постоянной времени его релаксации в потоке диэлектрических жидкостей при их перекачке по трубопроводам. 1 ил.

Устройство контроля объемного электрического заряда и постоянной времени его релаксации в потоке диэлектрической жидкости, содержащее электроизолированный отрезок основного трубопровода и дополнительный отрезок трубопровода, шунтирующий основной трубопровод, размещенные в этом дополнительном отрезке электроды, один из которых заземлен, а второй подключен ко входу измерителя напряжения относительно земли, отличающееся тем, что с целью расширения технологических возможностей устройства оно снабжено измерителем тока, подключенным через ключ к указанному электроизолированному отрезку основного трубопровода, а плотность объемного заряда и постоянная времени его релаксации в потоке жидкости определяются по формулам
ρ=CU/V и τ=CU/i,
где
ρ - плотность объемного заряда;
С - электрическая емкость между указанными электродами;
U - напряжение указанного второго электрода относительно земли;
V - объем жидкости в указанном электроизолированном отрезке трубопровода;
τ - постоянная времени релаксации объемного заряда жидкости;
i - ток релаксации заряда, заключенного в электроизолированном отрезке трубопровода.