Автоматика.
    Автоматизация.
        Электротехнические
            комплексы и системы.

УДК 681.518.52:544.023.523 002.56

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ С ПОМОЩЬЮ ДАТЧИКА ИЗМЕРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА НА МОДЕЛИ ЗАМКНУТОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ОБЪЕМА

Кириллов О.Л., Якимчук Г.С., Якимчук С.Г.

Введение

Во время транспортирования нефтепродуктов с внутренним сопротивлением выше  в технологическом оборудовании происходит генерация зарядов статического электричества (СЭ), которая в свою очередь возбуждает электростатическое поле (ЭСП) в заполняемой технологической емкости. Процесс изучения полей, созданных зарядами в замкнутых объемах, определяет свойства безопасности технологии и требует диагностирования при выборе уровня режимов производительности заполнения. В качестве исследуемого параметра в технологических емкостях могут выступать напряженность поля , потенциал  и заряд  поверхности  заполняемой жидкости [3,4].

В настоящее время [5] диагностирование параметров проводится с помощью зондов различной конфигурации в паре с интеграторами тока [5,6]. Альтернативным прибором зонду предлагается модуляторный измеритель электростатического потенциала (МИЭП), который способен измерять те же параметры поля, но при меньших конструктивных и системоемких затратах на разработку, поскольку определена непосредственная электрическая связь его с исследуемым полем в виде [7,8]:

где поверхностная плотность заряда жидкости, ; заряд между электродами МИЭП,; площадь электрода МИЭП,.

Тогда напряженность ЭСП выглядит:

где относительная диэлектрическая проницаемость исследуемой жидкости;  - электрическая постоянная, Ф/м; потенциал поверхности исследуемой жидкости,; емкость между электродами МИЭП, .

Формула (2) показывает взаимосвязь параметров  преобразователя с напряженностью и потенциалом исследуемой замкнутой технологической емкости. При рассмотрении принципиальной и эквивалентной схем МИЭП (МИЭП изолирован от источников энергии и его заряд задан [8,9]) можно определить потенциал на входе преобразователя, который зависит только от собственной емкости в виде:

Следовательно, данный прибор может быть отградуирован в измеряемых величинах, необходимых как для проведения диагностирования потенциала поверхности заполняемой жидкости, так и для измерения напряженности электрического поля внутри замкнутого объема [6-8].

Постановка задачи

Изучив современные подходы к процессу диагностирования параметров электрического поля в замкнутых объемах [5,6], приходим к следующему:

- невозможна непосредственная диагностика исследуемых величин поля прямым контактом с исследуемой поверхностью;

- оценка заряда в слабо проводящих, заряжающихся жидкостях (СПЗЖ), позволяют судить о достаточно высокой величине накопленной энергии в жидкости, которая способна, при прямом контакте с приборами к высвобождению в виде разряда, что запрещено по исследуемой технологии;

- сравнение подходов к измерениям, производимым по данной тематике в Московском энергетическом институте (МЭИ) [5] и центральном научно-исследова-тельском институте судовой электрики и технологии (ЦНИИ-СЭТ) [6], применение МИЭП в качестве датчика, имеет предпочтение использования, в связи с простотой конструкции, возможностью дистанционных замеров и минимизации самого прибора, при одинаковых возможностях получаемых данных.

В связи с этим создание и проверка поведения модуляторного измерителя во время диагностирования параметров поля в замкнутом объеме является актуальной задачей [10].

Цель работы

Целью данной работы есть проверка возможности измерения вышеуказанных параметров дистанционным образом для построения диагностического компонента системы управления заполнением замкнутых объемов СПЗЖ.

Решение задачи

Теоретическое исследование поля в замкнутом объеме определяется уравнениями Пуассона и Лапласа [4-6]:

Поскольку решается краевая задача, то для нее задаются граничные условия, исходя из физики процесса. Исследование стационарных полей, в зависимости от типа граничных условий, сводят к расчету 3-х краевых задач [6].

Задача Дирихле:

Задача Неймана:

Задача Робена:

где функции заданные на  области, в которой решаются уравнения (4,5);

нормаль к поверхностям  (области).

При рассмотрении поверхностей: поверхность эквипотенциальная; поверхность непроницаемая.

В дополнение к описанию (6…8), в качестве дополнительных условий используют условия периодичности и согласования [11].

Условие периодичности определяется постановкой задачи, откуда априори следует периодичность пространственного распределения поля, т.е. координатные поверхности относятся к одному семейству , при которых:

Условие согласования возникает при расчетах поля на границе различных сред и применяется для установки связи между полями в каждой из однородных подобластей. Данные условия могут быть выражены соотношениями:

где граница раздела рассматриваемых областей; материальные характеристики сред рассматриваемых областей.

В продолжение подтверждения теоретического обоснования (1…10) и проведения эксперимента по изучению поведения электрического поля в замкнутом металлическом объеме автором был создан прототип МИЭП и построена установка (рис.1) в масштабе 1:1000, по отношению к размерам реально заполняемого объема. Размеры: диаметр d=160мм, высота h=120мм, форма - цилиндр (1) с крышкой (2).

Рис.1. Экспериментальная установка для изучения поведения

электрического поля внутри замкнутого металлического объема.

Конструкция установки. На оси дна цилиндра установлен телескопический электрод (3), в виде  плоскости круглой формы диаметром d=95мм, который позволяет пе­ремещаться вдоль вертикальной оси цилиндра до уровня верхнего края, парал­лельно плоскости дна. Электрод (3) изолирован от дна с помощью диэлектриче­ской шайбы (4) (материал политетрафторэтилен-4). Верхняя часть цилиндра за­крыта крышкой (2) для создания Г*- поверхности, ограничивающей объем [6-12]. В центре верхней части крышки просверлено отверстие, в область которого поме­щен датчик (5), изолированный от корпуса крышки цилиндра диэлектрической шайбой (6), необходимой для реализации теоретических выводов (1…3) [7,13…16].

Регулируемое напряжение постоянного тока, создающее поле внутри объема, подводилось к установке через ЛАТР и выпрямитель КЦ-405Д. Параметры поля, создаваемого заряженной жидкостью, снимались с ее поверхности, под которой на глубине 1-2мм находился плоский электрод (3), эмулирующий величину потенциала поверхности жидкости [6,14]. В целях безопасности к установке подводилось напряжение в диапазоне U=20-120В. Для снятия параметров поля использовался прототип МИЭП (5), который питался от двух полярного источника напряжения  БП (7). В процессе измерения МИЭП (5) показал способность генерировать выходное напряжение, по показаниям (8), в диапазоне .

Результат измерений потенциала поверхности СПЗЖ показан на графике (рис.2).

В отличие от МЭИ, где использовался подход регистрации разрядов [5] с поверхности СПЗЖ, в рассматриваемом случае регистрируется потенциал поверхности СПЗЖ с помощью созданного прототипа МИЭП [7,8]. Результаты исследований приведены  в таблице 1.

Рис.2. График реакции датчика на изменение напряженности

поля внутри замкнутого объема

Таблица 1.

Результаты лабораторных исследований установки

где U(В) – напряжение подводимое к металлическому цилиндру и телескопическому электроду; U_Д(В)– напряжение, генерируемое датчиком.

Основные результаты и выводы

1.                           Полученные результаты свидетельствуют о работоспособности данного вида преобразователя, существовании поля внутри замкнутого пространства, возможности моделирования процесса диагностирования потенциала поверхности СПЗЖ заполняемого пространства технологической емкости;

2.                           Табличные и графические данные показывают относительно линейную характеристику прототипа МИЭП в зависимости от создаваемой напряженности поля внутри замкнутого объема;

3.                           Изменение положения плоскости телескопического электрода (3) (рис.1) относительно дна объема, не вносили изменения в показания МИЭП;

4.                           Существенное изменение показаний прототипа МИЭП происходит в непосредственной близости диагностируемой поверхности от прибора (3…5мм), в результате чего возникает искажение формы поля [5,6], а значит и значений величин измеряемых параметров.

5.                           Таким образом, диагностирование потенциала исследуемых поверхностей на расстоянии более 10 габаритных размеров преобразователей согласуется с теоретическими выводами ЦНИИ-СЭТ [6] относительно проектирования и построения дистанционного измерителя параметров электрического поля заряженной исследуемой поверхности.

Заключение

Моделирование рассмотренного процесса утверждает возможность реального измерения напряженности или потенциала поля, подтверждая теоретические исследования (1…3) [7,13…16]. Датчик в замкнутом металлическом объеме реагирует на изменение потенциала поверхности заполняемой СПЗЖ с достаточно широким диапазоном выходного напряжения , что позволяет создать прибор для измерения заряда или потенциала поверхности СПЗЖ.

1.                  Україна. Закони. Про зовнішньоекономічну діяльність. Закон від 16.04.1991р. №960–XII   // ВВР.–1991.–№29. –С.377.

2.                  Україна. Закони. Про ратифікацію Угоди про проведення узгодженої політики в галузі транзиту нафти і нафтопродуктів магістральними трубопроводами. Закон від 14.05. 1999р. № 666–ХІV //ВВР.–1997–№ 31.–С.197.

3.                  Галка В.Л.. Метод построения зон работоспособности грузовой системы нефте­наливного судна. //Судостроительная промышленность. Сер. "Судовая электротехника и связь". Вып. 11. Л., 1990.

4.                  Галка В.Л. Гидродинамические насадки для защиты грузовой системы танкеров // Судостроение.-1993.№8-9.-С.21-23.

5.                  Максимов Б.К., Обух А.А., Тихонов А.В. Электростатическая безопасность при заполнении резервуаров нефтепродуктами. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 154с.

6.                  Галка В.Л. Электростатическая безопасность нефтеналивных судов и кораблей. СПб.: Элмор. 1998.– 188с.

7.                  Глазунов Л.П., Смирнов А.Н. Проектирование технических систем диагности­рования. Л.: Энергоатомиздат, 1982. – 210с.

8.                  Илюкович А.М. Техника электрометрии. М.: Энергия. 1976. – 400 с.

9.                  Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. – Москва.: МИР, 1989.–195с.

10.              О.Л. Кириллов, Г.С. Якимчук. Оптимальное управление технологическим процессом заполнения слабопроводящими заряжающимися жидкостями (СПЗЖ) замкнутых объемов //Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. ХГТУ. 2006-№1(17).

11.              Математический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1988. - 848 с.

12.              Галка В.Л. Электростатическая безопасность нефтеналивных судов. // Судостроение.-1993.№2-3.-С.30-31.

13.              Бенькович Е.С., Колесов Ю.Б., Сениченков Ю.Б. Практическое моделирования диагностических систем – СПб.: БХВ – Петербург, 2002. –464с.

14.              Галка В.Л. Техническая диагностика в задачах электростатической защиты грузовых систем нефтеналивных судов: Учеб. пособ. – СПб.: Академия судостроения, 1998. –82с.

15.              Калявин В.П., Мозгалевский А.В., Галка В.Л. Надежность и техническая диаг­ностика судового электрооборудования и автоматики: Учебник. – СПб.: Элмор, 1996. –342с.

16.              Мозгалевский А.В., Калявин В.П., Костанди Г.Г. Диагностирование электронных систем / Под. ред. А.В. Мозгалевского. – Л.: Судостроение, 1984. –240с.