RU2615038C1

RU2615038C1 - Electrometer

Info

Publication number: RU2615038C1
Application number: RU2015155125A
Authority: RU
Inventors: Николай Иванович Кобылкин; Сергей Николаевич Мотин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Промприбор"
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2017-04-03

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: electrometer includes a capacitor connected between the input of the electrometer tires. To investigate the high charges, one terminal of the capacitor is connected directly to the common (grounding) and to the second terminal through the switching key included in series limiting resistor. Thus electrometer has a second key which is connected in parallel with the capacitor to discharge it. The electrometer amplifier also contains a high-impedance input connected to the capacitor, a microcontroller connected to an amplifier, which provides the function of analog-to-digital converter, a calculator, an integrator, stored in the memory and transmitting the measurement result to the output and controls specified key. Between input circuits and the rest of the circuit is included in the block spark protection diodes (Zener).

EFFECT: improved accuracy and reducing the measurement time.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение может быть использовано для измерения электрических зарядов обоих знаков, включая высоковольтные заряды статического электричества, образующиеся в потоках движущихся диэлектрических жидкостей, например светлых нефтепродуктов.The invention can be used to measure the electric charges of both signs, including high-voltage charges of static electricity generated in flows of moving dielectric liquids, for example light petroleum products.

Известен электрометр AC СССР №1265625, G01R 19/00. Устройство содержит усилитель, интегратор и генератор. Конденсатор согласующего блока и реле с переключателем и ключом снижает аддитивную погрешность за счет замены усилителя постоянного тока и повышает входное сопротивление за счет уменьшения энергии перезаряда накопительного конденсатора по мере установления выходного сопротивления.Known electrometer AC USSR No. 1265625, G01R 19/00. The device contains an amplifier, integrator and generator. The capacitor of the matching unit and the relay with the switch and the key reduces the additive error by replacing the DC amplifier and increases the input resistance by reducing the overcharge energy of the storage capacitor as the output resistance is established.

Современные технологии получения светлых нефтепродуктов реализованы на смешении фракций, образующихся в результате разгонки нефти и крекинг процессов, при которых длинные цепочки углеводородов разрываются под действием катализаторов. В результате чего образуется ионная и электронная электризация продукта компенсация, которой начнет продолжаться длительное время при перевалке и хранении. Остаточная электризация продукта несет в себе большие опасности при работе с нефтепродуктом. Нефтепродукт является изолятором с пробивным напряжением ~49 кВ/мм, что гораздо выше пробивного напряжения воздуха ~3 кВ/мм. При хранении и перемещении нефтепродукта по трубам заряженные частицы при касании с электропроводящими стенками релаксируются, но и одновременно в результате взаимного трения могут электризоваться. При этом в результате разрядки между электропроводящими стенками и остальным продуктом в емкостях начнет образовываться разряженный диэлектрический слой, препятствующий стеканию электростатических зарядов с остального продукта, даже при интенсивном перемешивании этот процесс может происходить в периодах исчисляемых микросекундами. Полярность электростатических зарядов в нефтепродукте не имеет значения. Электростатический потенциал может образовываться между зарядами одного знака с разными потенциалами, характеризующимися количеством электрических зарядов в конкретном объеме или на конкретном проводнике.Modern technologies for the production of light petroleum products are implemented by mixing fractions resulting from the distillation of oil and cracking processes in which long chains of hydrocarbons are broken by the action of catalysts. As a result, ionic and electronic electrification of the product is formed, compensation, which will begin to continue for a long time during transshipment and storage. Residual electrification of the product carries great dangers when working with petroleum products. The oil product is an insulator with a breakdown voltage of ~ 49 kV / mm, which is much higher than a breakdown voltage of air of ~ 3 kV / mm. When storing and moving oil through pipes, charged particles relax when touched with electrically conductive walls, but can also be electrified as a result of mutual friction. In this case, as a result of the discharge between the electrically conductive walls and the rest of the product, a discharged dielectric layer will begin to form in the tanks, which prevents the discharge of electrostatic charges from the rest of the product, even with vigorous stirring this process can occur in periods of a few microseconds. The polarity of the electrostatic charges in the oil product does not matter. An electrostatic potential can be formed between charges of the same sign with different potentials, characterized by the number of electric charges in a specific volume or on a specific conductor.

В технике работы с нефтепродуктами очень важно и необходимо, чтобы отдельные не соединенные между собой элементы оборудования, например автоцистерна и установка налива, имели одинаковый электростатический потенциал, который достигается соединением их между собой физическим проводником с контролем целостности электрической цепи между ними и контуром заземления.In the technique of working with petroleum products, it is very important and necessary that individual elements of equipment not connected to each other, such as a tanker truck and a loading unit, have the same electrostatic potential, which is achieved by connecting them to each other with a physical conductor with the integrity of the electrical circuit between them and the ground loop.

Однако, даже при соблюдении указанных правил, при заполнении емкостей нефтепродуктами невозможно обеспечить стекание электростатических зарядов с объема нефтепродукта на металлические предметы через продукт из-за внешнего электрического сопротивления. При наличии в воздухе взрывоопасной концентрации паров возможно возникновение искрового разряда через воздух и возгорание последней, что приводит к взрывам и пожарам на объектах.However, even with the observance of these rules, when filling containers with oil products it is impossible to ensure the discharge of electrostatic charges from the volume of the oil product to metal objects through the product due to external electrical resistance. If there is an explosive concentration of vapors in the air, a spark discharge may occur through the air and the latter will ignite, which leads to explosions and fires at objects.

Для борьбы с возникновением электростатических зарядов между нефтепродуктами и металлическими оболочками необходимо научиться измерять количество электростатических зарядов в объеме нефтепродукта и количество электростатических зарядов в движущемся по трубопроводам нефтепродукте. Результаты таких измерений позволяют создавать эффективные нейтрализаторы статического электричества, а также повысить безопасность при операциях перевалки нефтепродуктов. Данная проблема решается при помощи предлагаемого устройства.To combat the occurrence of electrostatic charges between oil products and metal shells, it is necessary to learn how to measure the amount of electrostatic charges in the volume of the oil product and the number of electrostatic charges in the oil product moving through the pipelines. The results of such measurements make it possible to create effective neutralizers of static electricity, as well as increase safety during oil product transshipment operations. This problem is solved using the proposed device.

Предложен электрометр, содержащий конденсатор 6, подключенный между входными шинами электрометра. С целью исследования высоковольтных зарядов, конденсатор одним выводом подключен напрямую на общий провод (к заземлению), вторым выводом через коммутирующий ключ 3 и последовательно, включенный ограничительный резистор 5, имеющий второй ключ 4 включенный параллельно с конденсатором для его разряда, усилитель 1 с высокоомным входом, подключенный к конденсатору, микроконтроллер, подключенный к усилителю, обеспечивающий функцию аналого-цифрового преобразователя, вычислителя, интегратора, хранящего в памяти и передающего результат измерения на выход и осуществляющего управление указанными ключами. Между входными цепями и остальной схемой включен блок искрозащиты на диодах (стабилитронах) 7.An electrometer is proposed comprising a capacitor 6 connected between the input buses of the electrometer. In order to study high-voltage charges, the capacitor is connected directly to a common wire (to ground) by a single output, by a second output through a switching key 3 and in series, a limiting resistor 5, having a second key 4 connected in parallel with the capacitor for its discharge, an amplifier 1 with a high-resistance input connected to a capacitor, a microcontroller connected to an amplifier, providing the function of an analog-to-digital converter, calculator, integrator that stores in memory and transmits the result of the measured I output and controls specified key. Between the input circuits and the rest of the circuit, an intrinsic protection block is connected to diodes (zener diodes) 7.

На фиг. 1 показана функциональная схема электрометра.In FIG. 1 shows a functional diagram of an electrometer.

На фиг. 2 показана функциональная схема электрометра с блоком искрозащиты.In FIG. 2 shows a functional diagram of an electrometer with an spark protection unit.

На фиг. 3 показаны эпюры, поясняющие работу электрометра. Электрометр работает следующий образом. В начальный момент времени ключ 4 замкнут, что обеспечивает нулевое напряжение на конденсаторе 6. Для проведения изменения ключ 4 размыкается. После чего ключ 3 замыкает цепь, обеспечивая путь стекания электрического заряда исследуемого объекта (зонд, датчик, сосуд Фарадея). Заряд исследуемого объекта, протекая через резистор 5, заряжает конденсатор 6. По сути, полученная схема есть конденсаторный делитель напряжения. Ввиду того, что емкость конденсатора 6 выбирается на три - шесть порядков больше емкости исследуемого объекта, напряжение на конденсаторе 6 достигнет значения не более 1 В даже в случае, когда напряжение заряда исследуемого объекта составляет несколько кВ. По завершении времени заряда конденсатора 6 ключ 3 размыкается. Напряжение заряда конденсатора через усилитель 1 подается на микроконтроллер 2, где преобразуется в цифровое значение. Ключ 4 возвращается в замкнутое положение и разряжает конденсатор 6. Электрометр готов к новому циклу измерений.In FIG. Figure 3 shows diagrams explaining the operation of an electrometer. The electrometer operates as follows. At the initial time, the key 4 is closed, which provides zero voltage on the capacitor 6. To make the change, the key 4 is opened. After that, the key 3 closes the circuit, providing a path for the electric charge of the studied object to drain (probe, sensor, Faraday cage). The charge of the investigated object, flowing through the resistor 5, charges the capacitor 6. In fact, the resulting circuit is a capacitor voltage divider. Due to the fact that the capacitance of the capacitor 6 is selected three to six orders of magnitude greater than the capacitance of the test object, the voltage on the capacitor 6 will reach a value of not more than 1 V even when the charge voltage of the test object is several kV. At the end of the charge time of the capacitor 6, the key 3 is opened. The voltage of the capacitor charge through the amplifier 1 is supplied to the microcontroller 2, where it is converted to a digital value. The key 4 returns to the closed position and discharges the capacitor 6. The electrometer is ready for a new measurement cycle.

Величина заряда вычисляется по формуле 1. Результат суммируется с результатами предыдущих измерений.The charge value is calculated by the formula 1. The result is added to the results of previous measurements.

где Q - заряд, Клwhere Q is the charge, C

С - емкость конденсатора 6, ФC - capacitor 6, f

U - напряжение на выходе усилителя, ВU is the voltage at the output of the amplifier, V

k - коэффициент усиления усилителя 1.k is the gain of the amplifier 1.

Особенность примененного в электрометре способа измерения заключается в том, что заряд объекта, в процессе измерения, стекает через измерительную цепь электрометра на землю, при этом объект измерения разряжается. Величина прошедшего заряда регистрируется. Применительно к светлым нефтепродуктам, поскольку электрический заряд распределен внутри объема нефтепродукта, являющегося по своим электрическим свойствам диэлектриком, чтобы полностью разрядить определенный объем нефтепродукта требуется значительное время на релаксацию заряда. Электрометр обеспечивает проведение серии замеров, полностью разряжающих исследуемый объект, суммирование результатов замеров для вычисления полного заряда, который был накоплен в объеме нефтепродукта. Высокая точность измерения электрометра обусловлена относительно большой физической величиной результирующего параметра, определяющего заряд напряжения на конденсаторе 6 порядка сотен милливольт.A feature of the measurement method used in the electrometer is that the object’s charge, during the measurement, flows through the measuring circuit of the electrometer to the ground, while the measurement object is discharged. The amount of charge passed is recorded. As applied to light oil products, since the electric charge is distributed inside the volume of the oil product, which is a dielectric in its electrical properties, considerable time is required for charge relaxation to completely discharge a certain volume of oil product. The electrometer provides a series of measurements that completely discharges the test object, summing up the measurements to calculate the total charge that has been accumulated in the volume of the oil product. The high accuracy of the electrometer measurement is due to the relatively large physical value of the resulting parameter that determines the voltage charge on the capacitor of the order of hundreds of millivolts.

Особенность схемы построения электрометра отличается простотой масштабирования диапазона измерения заряда путем выбора емкости конденсатора 6 и коэффициента усиления усилителя 1.A feature of the construction scheme of the electrometer is the simplicity of scaling the range of charge measurement by choosing the capacitance of the capacitor 6 and the gain of the amplifier 1.

Требуемое количество и время замеров в серии обеспечивается оператором вручную или под управлением программы.The required number and time of measurements in the series is provided by the operator manually or under the control of the program.

Результаты измерений хранятся в памяти микроконтроллера и выдаются на выход - это может быть индикация и/или интерфейс связи.The measurement results are stored in the memory of the microcontroller and are output - this may be an indication and / or communication interface.

Для безопасного подключения электрометра к исследуемому объекту, расположенному во взрывоопасной зоне, возможно применение блока взрывозащиты на диодах (стабилитронах).For safe connection of the electrometer to the test object located in the hazardous area, it is possible to use the explosion protection block on diodes (zener diodes).

Claims

1. An electrometer containing a capacitor connected between the input buses of the electrometer, characterized in that, for the purpose of studying high-voltage charges, the capacitor is connected directly to a common wire (to ground) with one output, and a second output to the switching key through a series-connected limiting resistor, while the electrometer has a second switch connected in parallel with the capacitor to discharge it, an amplifier with a high-impedance input connected to the capacitor, a microcontroller connected to the amplifier, ensure ayuschy function of analog-to-digital converter, a calculator, an integrator, storing in memory and transmitting the measurement result to the output and controls said switches.

2. The device according to p. 1, characterized in that between the input circuits and the rest of the circuit is a spark protection block on diodes (zener diodes).