油品實(shí)時(shí)監(jiān)控中靜電傳感器的設(shè)計(jì)

摘要：能源的可持續(xù)發(fā)展與高效應(yīng)用是當(dāng)今社會(huì)的重要研究話題。而石油化工作為能源發(fā)展的重要領(lǐng)域，從近幾年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，由于靜電原因而產(chǎn)生的爆炸、火災(zāi)事故占總事故的12%，其產(chǎn)生的人身、財(cái)產(chǎn)損失不計(jì)其數(shù)。論文從靜電產(chǎn)生的原因開始分析，對(duì)影響靜電電壓的因素進(jìn)行了重點(diǎn)分析，并在詳細(xì)分析油品靜電監(jiān)控傳感器工作原理及設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)桿球式靜電傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)剖析。同時(shí)，指出桿球式靜電傳感器監(jiān)測(cè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：油品；靜電；傳感器；設(shè)計(jì)

眾所周知，柴油、汽油、煤油等各種易燃油品，很容易通過(guò)摩擦與空氣形成爆炸性混合氣體，引起爆炸或火災(zāi)事故。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)在1960-1973年間，由于靜電誘發(fā)的油管火災(zāi)事故為22起，而我國(guó)石油產(chǎn)品由靜電誘發(fā)的火災(zāi)占事故總數(shù)的12%[1]。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)監(jiān)控精準(zhǔn)度高、誤差小的靜電傳感器，對(duì)整個(gè)油品的儲(chǔ)存、運(yùn)輸過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控是勢(shì)在必行的。

1.靜電概述

靜電產(chǎn)生原因分析，在物體的內(nèi)部都存在著一定的電荷，只是在一般情況下，物體內(nèi)部的正負(fù)電荷相等，并不會(huì)對(duì)外產(chǎn)生帶電現(xiàn)象。然而當(dāng)物體發(fā)生接觸摩擦，彼此間的電荷就會(huì)失去平衡，導(dǎo)致物體內(nèi)部電荷不能順暢流失，通過(guò)大量的積聚，最終產(chǎn)生靜電。當(dāng)然，電荷不同的物體在進(jìn)行接觸、分離時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)靜電現(xiàn)象。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生靜電的原因主要有感應(yīng)起電、吸附帶電摩擦、壓電效應(yīng)等。而石化油品本身就是易燃易爆物體，在裝卸、儲(chǔ)存、運(yùn)輸過(guò)程中，油分子間，以及油品和空氣中的其他物體都會(huì)存在一定的摩擦，從而導(dǎo)致靜電產(chǎn)生，當(dāng)靜電的電壓高達(dá)2-3萬(wàn)伏時(shí)，極容易發(fā)生火花、放電現(xiàn)象。

2.影響靜電電壓因素分析

靜電電壓是產(chǎn)生油品爆炸、火災(zāi)的重要原因，而促使靜電電壓增強(qiáng)的原因也是多種多樣，其中主要包括以下幾方面：

2.1油品由于劇烈摩擦以及高速的流速都會(huì)導(dǎo)致靜電電壓過(guò)高；

2.2油品的管道內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致油品經(jīng)過(guò)的彎頭閥門過(guò)多，也會(huì)導(dǎo)致電壓過(guò)高；

2.3油品內(nèi)含有水分會(huì)提升電壓幾倍，甚至高達(dá)幾十倍；

2.4油品管道濾網(wǎng)密集程度也會(huì)大大影響靜電電壓；

2.5油面和油管出口距離導(dǎo)致產(chǎn)生的沖擊有所差異，致使油品同空氣間的摩擦程度不同，距離越遠(yuǎn)，沖擊越大，摩擦越大，產(chǎn)生的靜電電壓也越高[2]；

2.6空氣越干燥，溫度越高，濕度僅為13-24%時(shí)，靜電出現(xiàn)幾率越大，電壓越高；

2.7在相同的條件下，輕質(zhì)燃料油品產(chǎn)生靜電的可能性較潤(rùn)滑油品更小。

3.油品靜電監(jiān)控傳感器工作原理及設(shè)計(jì)

目前，對(duì)于靜電參數(shù)的監(jiān)控測(cè)量，主要是進(jìn)行電荷密度的測(cè)量，結(jié)合了靜電測(cè)量與單片機(jī)控制技術(shù)，深入油品管道內(nèi)部靜電傳感器位置，直接獲取靜電電位，再利用電路衰減、軟件編程等方式進(jìn)行油品靜電的實(shí)時(shí)監(jiān)控。而測(cè)量靜電參數(shù)時(shí)，國(guó)內(nèi)外采用的方法各不相同，在國(guó)外普遍采用振動(dòng)式原理來(lái)進(jìn)行靜電測(cè)量；而在國(guó)內(nèi)多采用直接感應(yīng)式，或是旋葉式的原理來(lái)進(jìn)行測(cè)量，其傳感器的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精準(zhǔn)、誤差小、使用方便的靜電傳感器是目前的最新追求。

3.1靜電傳感器設(shè)計(jì)

傳感器是油品靜電感應(yīng)監(jiān)控技術(shù)中不可或缺的，但是油品靜電信號(hào)過(guò)弱，監(jiān)測(cè)具有一定的難度，加上噪音的干擾，因此靜電傳感器在設(shè)計(jì)上必須具有較高的靈敏度。一般靜電傳感器都是通過(guò)安裝在滾輪滑軌摩擦臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)的。

3.2桿球式靜電傳感器設(shè)計(jì)

在油品的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中，為了進(jìn)一步測(cè)量油品管內(nèi)中心的電位，采用桿球式的傳感器同壓電陶瓷耦合器結(jié)合的靜電傳感器，具有極佳的實(shí)時(shí)監(jiān)控效果。

在這里，桿球式靜電傳感器放置在油品管道的中心位置，當(dāng)油品在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，桿球就會(huì)被充電，當(dāng)電位逐漸升高到一定程度時(shí)，就會(huì)開始向油品管壁泄露。只有當(dāng)充電電流、泄露電流相當(dāng)時(shí)，桿球式靜電傳感器才能達(dá)到平衡，促使電位值達(dá)到穩(wěn)定水平。同時(shí)，為了快速接收到油品帶電的數(shù)據(jù)信息，還特意使用壓電陶瓷耦合器，將所有信息耦合至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。當(dāng)桿球感應(yīng)到帶電信號(hào)后，就將電場(chǎng)信息作用在壓電陶瓷上，壓電陶瓷受力會(huì)出現(xiàn)變形，改變兩片陶瓷間的距離，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷庪娏餍盘?hào)，輸送至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對(duì)油品進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

當(dāng)然，桿球式靜電傳感器在設(shè)計(jì)上也必須具備一定的要求，在設(shè)計(jì)其管徑時(shí)，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，從三種不同參考值中選擇了長(zhǎng)度尺寸30-50cm，參加試驗(yàn)的桿球傳感器數(shù)值如下表所示：

設(shè)計(jì)桿球式靜電傳感器的原理主要為管道內(nèi)的油品流動(dòng)通常為湍流，可以將電荷密度視為均勻，并且油品管道的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于內(nèi)徑，因此可以將整個(gè)油品管道當(dāng)作圓柱體。假設(shè)油品的電荷密度是 ，管道橫面上的電位分布將滿足以下公式：

而金屬的油品管道由于接地，其電位往往為零，也就是r=r?0，這時(shí)公式管道斷面內(nèi)半徑處的電位是V?r=0，利用以下公式可以得到上面的公式中的電場(chǎng)強(qiáng)度。

在上面公式中， 是指油品管道內(nèi)液體的電荷密度，c/m3；而 代表油品的介電常數(shù)，且 = 0 r。結(jié)合上述兩個(gè)公式，可以計(jì)算出管道斷面上的電位分布，即：

如果令 ，就可以得到 。

當(dāng)然通常為了方便，在監(jiān)測(cè)油品靜電時(shí)，都只測(cè)量油品管道的中心電位，這時(shí)r=0，可以簡(jiǎn)單得到以下公式：

且油品管道中心處電位V0與 具有以下關(guān)系： ，因此最終可以得到 算式，獲得油品電荷密度。

通過(guò)上述計(jì)算公式可知，油品管內(nèi)電壓和電荷密度成正比關(guān)系，在放入桿球式靜電傳感器后，會(huì)對(duì)電場(chǎng)的分布產(chǎn)生一定影響，必須滿足以下幾個(gè)條件，才能使電壓與電荷密度正關(guān)系成立。

首先，桿球靜電傳感器的長(zhǎng)度要小于油品管道管線長(zhǎng)度。其次，在測(cè)量靜電電位的過(guò)程中確保無(wú)電荷泄露。再次，電荷的分布要均勻，必須沒(méi)有雜質(zhì)，使得電荷密度均勻。最后，在桿球式靜電傳感器和引線都要和金屬油品管道絕緣，還要防止電荷泄露。在桿球充電電位和泄露電位達(dá)到平衡時(shí)，壓電陶瓷受到外電場(chǎng)作用，會(huì)出現(xiàn)變形情況，由此誘發(fā)諧振，其頻率為：

通過(guò)上面的算式，可以通過(guò)改變平板電容的電容值c（t）來(lái)引起電荷變化，從而產(chǎn)生極弱的電流，在經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路將其電流放大轉(zhuǎn)化為電壓輸出，獲得交變信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)等過(guò)程來(lái)達(dá)到油品靜電數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警等功效。

4.桿球式靜電傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)風(fēng)機(jī)、油泵、白油、變頻器和電荷密度儀等道具，在16.7℃和32%的濕度條件下進(jìn)行桿球式靜電傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析研究，可以得到油品流速對(duì)其起電的影響。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，主要介紹了桿球式靜電傳感器的工作原理及組成，針對(duì)其功效進(jìn)行了監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了油品管道中靜電電荷密度數(shù)據(jù)的采集、處理、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、顯示、報(bào)警等，大大的提高了油品實(shí)時(shí)監(jiān)控靜電的精準(zhǔn)度。在油品靜電監(jiān)控的實(shí)際工作中，靜電傳感器是關(guān)鍵技術(shù)之一，具有廣闊的應(yīng)用前景，需要進(jìn)一步進(jìn)行深入研究，有效的預(yù)防我國(guó)油品爆炸、火災(zāi)事故，盡可能的減少人員傷害以及才成損失。

參考文獻(xiàn)：

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[3]徐一鳴，詹志娟，徐君軍.基于靈敏度分析的靜電傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2012，33（5）：1084-1089.

作者簡(jiǎn)介：吳京洋（1988-），男，黑龍江大慶人，大學(xué)本科學(xué)歷。