焦文杰，王海龍，孫可平

(上海海事大學靜電技術(shù)研究所，上?！?00135)

0　引言

目前，隨著石化工藝過程越來越復(fù)雜，生產(chǎn)裝置大型化、自動化程度越來越高，一處出事，整個裝置甚至整個企業(yè)都會波及，石化安全就顯得更為重要，因為任何火災(zāi)、保障事故就會帶來巨大的財產(chǎn)損失[1-2]。引起事故的點火源大多與油品靜電密切相關(guān)。由于輕質(zhì)油品的絕緣性很高，特別是高速輸送的油品與管道摩擦產(chǎn)生靜電，不容易泄放，就形成電荷的不斷積累[3-5]。電荷在積累的同時產(chǎn)生很強的靜電場，繼而導(dǎo)致不同類型的靜電放電，或者引起火災(zāi)以及爆炸事故，或者引起人體電擊事故進而導(dǎo)致二次嚴重事故發(fā)生[6]。

現(xiàn)階段，對于靜電參數(shù)，國外大都采用振動電容式原理進行測量；國內(nèi)采用直接感應(yīng)式和旋葉式原理測量，導(dǎo)致整個傳感器的設(shè)計復(fù)雜化。文中的目的就是設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、牢固、使用方便、測量誤差小、測量精度高的傳感器，準確的記錄油品中靜電的參數(shù)。

1　監(jiān)測系統(tǒng)的測量方法

所設(shè)計的油品靜電在線監(jiān)控系統(tǒng)，測量的參數(shù)是電荷密度[7-8]。它將現(xiàn)場的靜電測量技術(shù)和單片機的控制技術(shù)有機的結(jié)合起來。深入管道內(nèi)部的靜電傳感器直接采集帶電油品的靜電電位，通過電路衰減和軟件編程實現(xiàn)油品靜電的檢測與控制[9]。它具有直觀性、精確性、操作簡單等特點，彌補了監(jiān)測其它靜電參數(shù)時精度不高和用手動方式監(jiān)測不便的缺點，花費低，工業(yè)應(yīng)用前景良好。

2　靜電傳感器工作原理與設(shè)計方案

油品監(jiān)控系統(tǒng)的靜電傳感器由桿球傳感器和壓電陶瓷耦合器共同構(gòu)成。

為了測量管內(nèi)中心電位，特設(shè)計了一種桿球傳感器，見示意圖1所示。桿球傳感器置于輸油管道的中心位置。當液體在管道內(nèi)流動時，與管道絕緣的桿球被充電，電位逐漸升高，并開始向管壁泄露。當充電電流等于泄露電流，達到充放電的平衡時，桿球電位達到穩(wěn)定值。

為了把裝置油品帶電信息耦合至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使用了壓電陶瓷作為耦合器件[10-11]。桿球帶電后的電場信息作用于壓電陶瓷，陶瓷片在電場中受力變形，使一定間隔的兩瓷片間的距離改變，讓瓷片這種距離改變的信息變?yōu)榻蛔冋袷幍碾娏餍盘?，傳至下一級?shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

圖1　靜電傳感器示意圖

經(jīng)多次試驗驗證，表1給出了3種管徑的桿球傳感器設(shè)計參考值 (整個傳感器長度尺寸應(yīng)取30～50 cm)。

桿球傳感器的基本原理為：由于管道內(nèi)的油品流動一般為湍流，則電荷密度視為均勻。由于管線長度遠大于管道內(nèi)徑，因此可以將管道內(nèi)油品看成無限長帶電圓柱體。設(shè)油品的電荷密度為ρ，則管線橫斷面上的電位分布滿足：

表1　三種管徑的桿球傳感器設(shè)計參考值　mm

(1)

式中：Vr為管線斷面內(nèi)半徑為r處的電位，V；E為管線內(nèi)電場強度，V/m；r0為管線半徑，m；r為管線斷面內(nèi)任一點到圓心的距離，m．

金屬管道因接地，其電位為零，即：r=r0時，Vr=0。式(1)中的電場強度可由下式(高斯定理)求得：

(2)

式中：ρ為管線內(nèi)液體空間電荷密度，c/m3;ε為液體介電常數(shù)，ε=ε0εr．

由式(1)、式(2)可求得管線斷面上的電位分布為：

(3)

亦即：

(4)

令

(5)

則

Vr=ρβ

(6)

為了方便起見，一般只測量管內(nèi)中心處的電位。這時r=0，由式(4)可知：

(7)

則管內(nèi)中心電位V0與ρ有關(guān)系為：

V0=β0ρ

(8)

由此得到：

(9)

這是通過測量管內(nèi)中心電位得到油品電荷密度的基本原理。管徑與對應(yīng)β的值見表2。

表2　管徑與對應(yīng)β的理論值

(1)桿球傳感器與管線線度相比要小的多(只要機械強度滿足要求，傳感器體積盡量小)；

(2)測量系統(tǒng)本身無電荷泄露(只要測量儀表輸入電阻足夠大)；

(3)電荷分布均勻(無雜質(zhì)，當桿球較小，液體為紊流時，雖然有電極放入，電荷密度近似均勻)；

(4)桿球傳感器及其引線必須與金屬管道絕緣，同時也必須防止?jié)B漏。

當桿球充放電達到電位平衡時，壓電陶瓷在外電場的作用下，會因變形而發(fā)生諧振。諧振的基波頻率為：

(10)

式中：c為壓電陶瓷制動片的固定方式常數(shù)(波節(jié)固定時為01467，周邊固定時為01233)；t為陶瓷片厚度；r為半徑；y0為楊氏模量；d0為壓電陶瓷片和金屬振動片的合成密度；σ為泊松比。

把壓電陶瓷做成電容器的一個極板，通過改變置于靜電場中的平板電容電容值c(t)來引起極板上電荷的變化從而產(chǎn)生弱電流，再通過信號處理電路對此電流放大轉(zhuǎn)化為電壓輸出，以此獲得的交變信號，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、存儲等過程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與報警等功能。

3　監(jiān)測結(jié)果

實驗條件：油泵，變頻器，風機，白油，電荷密度儀；溫度：16.7℃；濕度：32%。

利用所設(shè)計的靜電傳感器，對模擬油品進行了實驗室條件下的初步試驗。詳細試驗數(shù)據(jù)的分析研究結(jié)果正在由文中合作方化學品安全與控制國家重點實驗室進行總結(jié)與分析。表3僅僅給出了流速對油品起電的影響。

表3　不同頻率(流速)下的電荷密度測量值

通過對表3中監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析可知，隨著流速的增加，電荷密度不斷增大，這符合油品運輸以及裝卸過程中的靜電起電的規(guī)律，其電荷密度的測量值在基本的數(shù)量級上，所以經(jīng)過校準后的儀器就可以應(yīng)用在實際的檢測靜電的工作之中。待防爆認證后，即可推進現(xiàn)場試驗。

4　結(jié)語

開展了實驗室內(nèi)油品靜電檢測試驗監(jiān)測系統(tǒng)中靜電傳感器的設(shè)計，初步實現(xiàn)了管道內(nèi)油品靜電電荷密度的采集、數(shù)據(jù)處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、存儲、數(shù)字顯示、超限報警等測試功能，實現(xiàn)高精度的實時監(jiān)測。

參考文獻：

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[2]于格飛．輕質(zhì)油品裝卸和運輸過程中靜電安全關(guān)鍵技術(shù)的研究：[學位論文]．上海：上海海事大學，2006．

[3]于格非，孫可平．輕質(zhì)油品罐裝儲運的靜電危害及預(yù)防．河北大學學報，2007(S1)：33-35．

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[6]ICS，OCIMF，IAPH．International safety guide for oil tankers and terminals．1996．

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