油品實時監控中靜電傳感器的設計

摘要：能源的可持續發展與高效應用是當今社會的重要研究話題。而石油化工作為能源發展的重要領域，從近幾年的統計數據來看，由于靜電原因而產生的爆炸、火災事故占總事故的12%，其產生的人身、財產損失不計其數。論文從靜電產生的原因開始分析，對影響靜電電壓的因素進行了重點分析，并在詳細分析油品靜電監控傳感器工作原理及設計的基礎上，對桿球式靜電傳感器監測結果進行了詳細剖析。同時，指出桿球式靜電傳感器監測具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：油品；靜電；傳感器；設計

眾所周知，柴油、汽油、煤油等各種易燃油品，很容易通過摩擦與空氣形成爆炸性混合氣體，引起爆炸或火災事故。根據相關數據統計，美國在1960-1973年間，由于靜電誘發的油管火災事故為22起，而我國石油產品由靜電誘發的火災占事故總數的12%[1]。由此可見，設計監控精準度高、誤差小的靜電傳感器，對整個油品的儲存、運輸過程進行實時監控是勢在必行的。

1.靜電概述

靜電產生原因分析，在物體的內部都存在著一定的電荷，只是在一般情況下，物體內部的正負電荷相等，并不會對外產生帶電現象。然而當物體發生接觸摩擦，彼此間的電荷就會失去平衡，導致物體內部電荷不能順暢流失，通過大量的積聚，最終產生靜電。當然，電荷不同的物體在進行接觸、分離時，也會出現靜電現象。簡單來說，產生靜電的原因主要有感應起電、吸附帶電摩擦、壓電效應等。而石化油品本身就是易燃易爆物體，在裝卸、儲存、運輸過程中，油分子間，以及油品和空氣中的其他物體都會存在一定的摩擦，從而導致靜電產生，當靜電的電壓高達2-3萬伏時，極容易發生火花、放電現象。

2.影響靜電電壓因素分析

靜電電壓是產生油品爆炸、火災的重要原因，而促使靜電電壓增強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導致靜電電壓過高；

2.2油品的管道內壁產生摩擦，導致油品經過的彎頭閥門過多，也會導致電壓過高；

2.3油品內含有水分會提升電壓幾倍，甚至高達幾十倍；

2.4油品管道濾網密集程度也會大大影響靜電電壓；

2.5油面和油管出口距離導致產生的沖擊有所差異，致使油品同空氣間的摩擦程度不同，距離越遠，沖擊越大，摩擦越大，產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，靜電出現幾率越大，電壓越高；

2.7在相同的條件下，輕質燃料油品產生靜電的可能性較潤滑油品更小。

3.油品靜電監控傳感器工作原理及設計

目前，對于靜電參數的監控測量，主要是進行電荷密度的測量，結合了靜電測量與單片機控制技術，深入油品管道內部靜電傳感器位置，直接獲取靜電電位，再利用電路衰減、軟件編程等方式進行油品靜電的實時監控。而測量靜電參數時，國內外采用的方法各不相同，在國外普遍采用振動式原理來進行靜電測量；而在國內多采用直接感應式，或是旋葉式的原理來進行測量，其傳感器的設計更加復雜。結構簡單、測量精準、誤差小、使用方便的靜電傳感器是目前的最新追求。

3.1靜電傳感器設計

傳感器是油品靜電感應監控技術中不可或缺的，但是油品靜電信號過弱，監測具有一定的難度，加上噪音的干擾，因此靜電傳感器在設計上必須具有較高的靈敏度。一般靜電傳感器都是通過安裝在滾輪滑軌摩擦臺上進行試驗的。

3.2桿球式靜電傳感器設計

在油品的實時監控系統中，為了進一步測量油品管內中心的電位，采用桿球式的傳感器同壓電陶瓷耦合器結合的靜電傳感器，具有極佳的實時監控效果。

在這里，桿球式靜電傳感器放置在油品管道的中心位置，當油品在管道內流動時，桿球就會被充電，當電位逐漸升高到一定程度時，就會開始向油品管壁泄露。只有當充電電流、泄露電流相當時，桿球式靜電傳感器才能達到平衡，促使電位值達到穩定水平。同時，為了快速接收到油品帶電的數據信息，還特意使用壓電陶瓷耦合器，將所有信息耦合至數據處理系統。當桿球感應到帶電信號后，就將電場信息作用在壓電陶瓷上，壓電陶瓷受力會出現變形，改變兩片陶瓷間的距離，并將其轉變為振蕩電流信號，輸送至數據處理系統，對油品進行實時監控。

當然，桿球式靜電傳感器在設計上也必須具備一定的要求，在設計其管徑時，經過反復試驗，從三種不同參考值中選擇了長度尺寸30-50cm，參加試驗的桿球傳感器數值如下表所示：

設計桿球式靜電傳感器的原理主要為管道內的油品流動通常為湍流，可以將電荷密度視為均勻，并且油品管道的長度遠大于內徑，因此可以將整個油品管道當作圓柱體。假設油品的電荷密度是 ，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，這時公式管道斷面內半徑處的電位是V?r=0，利用以下公式可以得到上面的公式中的電場強度。

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

如果令 ，就可以得到 。

當然通常為了方便，在監測油品靜電時，都只測量油品管道的中心電位，這時r=0，可以簡單得到以下公式：

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

通過上述計算公式可知，油品管內電壓和電荷密度成正比關系，在放入桿球式靜電傳感器后，會對電場的分布產生一定影響，必須滿足以下幾個條件，才能使電壓與電荷密度正關系成立。

首先，桿球靜電傳感器的長度要小于油品管道管線長度。其次，在測量靜電電位的過程中確保無電荷泄露。再次，電荷的分布要均勻，必須沒有雜質，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到平衡時，壓電陶瓷受到外電場作用，會出現變形情況，由此誘發諧振，其頻率為：

通過上面的算式，可以通過改變平板電容的電容值c（t）來引起電荷變化，從而產生極弱的電流，在經過信號處理電路將其電流放大轉化為電壓輸出，獲得交變信號，經過模數轉換，存儲等過程來達到油品靜電數據顯示、報警等功效。

4.桿球式靜電傳感器監測結果分析

通過風機、油泵、白油、變頻器和電荷密度儀等道具，在16.7℃和32%的濕度條件下進行桿球式靜電傳感器監測實驗。通過實驗數據分析研究，可以得到油品流速對其起電的影響。

5.結語

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，針對其功效進行了監測實驗，實現了油品管道中靜電電荷密度數據的采集、處理、轉換、存儲、顯示、報警等，大大的提高了油品實時監控靜電的精準度。在油品靜電監控的實際工作中，靜電傳感器是關鍵技術之一，具有廣闊的應用前景，需要進一步進行深入研究，有效的預防我國油品爆炸、火災事故，盡可能的減少人員傷害以及才成損失。

參考文獻：

[1]傅柏翔.油品靜電事故的分析與預防[J].價值工程，2011（13）：62-63.

[2]李嵐.油品靜電產生的原因分析及預防措施[J].化工管理，2013（2）：2-3.

[3]徐一鳴，詹志娟，徐君軍.基于靈敏度分析的靜電傳感器優化設計[J].儀器儀表學報，2012，33（5）：1084-1089.

作者簡介：吳京洋（1988-），男，黑龍江大慶人，大學本科學歷。