油品实时监控中静电传感器的设计

摘要：能源的可持续发展与高效应用是当今社会的重要研究话题。而石油化工作为能源发展的重要领域，从近几年的统计数据来看，由于静电原因而产生的爆炸、火灾事故占总事故的12%，其产生的人身、财产损失不计其数。论文从静电产生的原因开始分析，对影响静电电压的因素进行了重点分析，并在详细分析油品静电监控传感器工作原理及设计的基础上，对杆球式静电传感器监测结果进行了详细剖析。同时，指出杆球式静电传感器监测具有广阔的应用前景。

关键词：油品；静电；传感器；设计

众所周知，柴油、汽油、煤油等各种易燃油品，很容易通过摩擦与空气形成爆炸性混合气体，引起爆炸或火灾事故。根据相关数据统计，美国在1960-1973年间，由于静电诱发的油管火灾事故为22起，而我国石油产品由静电诱发的火灾占事故总数的12%[1]。由此可见，设计监控精准度高、误差小的静电传感器，对整个油品的储存、运输过程进行实时监控是势在必行的。

1.静电概述

静电产生原因分析，在物体的内部都存在着一定的电荷，只是在一般情况下，物体内部的正负电荷相等，并不会对外产生带电现象。然而当物体发生接触摩擦，彼此间的电荷就会失去平衡，导致物体内部电荷不能顺畅流失，通过大量的积聚，最终产生静电。当然，电荷不同的物体在进行接触、分离时，也会出现静电现象。简单来说，产生静电的原因主要有感应起电、吸附带电摩擦、压电效应等。而石化油品本身就是易燃易爆物体，在装卸、储存、运输过程中，油分子间，以及油品和空气中的其他物体都会存在一定的摩擦，从而导致静电产生，当静电的电压高达2-3万伏时，极容易发生火花、放电现象。

2.影响静电电压因素分析

静电电压是产生油品爆炸、火灾的重要原因，而促使静电电压增强的原因也是多种多样，其中主要包括以下几方面：

2.1油品由于剧烈摩擦以及高速的流速都会导致静电电压过高；

2.2油品的管道内壁产生摩擦，导致油品经过的弯头阀门过多，也会导致电压过高；

2.3油品内含有水分会提升电压几倍，甚至高达几十倍；

2.4油品管道滤网密集程度也会大大影响静电电压；

2.5油面和油管出口距离导致产生的冲击有所差异，致使油品同空气间的摩擦程度不同，距离越远，冲击越大，摩擦越大，产生的静电电压也越高[2]；

2.6空气越干燥，温度越高，湿度仅为13-24%时，静电出现几率越大，电压越高；

2.7在相同的条件下，轻质燃料油品产生静电的可能性较润滑油品更小。

3.油品静电监控传感器工作原理及设计

目前，对于静电参数的监控测量，主要是进行电荷密度的测量，结合了静电测量与单片机控制技术，深入油品管道内部静电传感器位置，直接获取静电电位，再利用电路衰减、软件编程等方式进行油品静电的实时监控。而测量静电参数时，国内外采用的方法各不相同，在国外普遍采用振动式原理来进行静电测量；而在国内多采用直接感应式，或是旋叶式的原理来进行测量，其传感器的设计更加复杂。结构简单、测量精准、误差小、使用方便的静电传感器是目前的最新追求。

3.1静电传感器设计

传感器是油品静电感应监控技术中不可或缺的，但是油品静电信号过弱，监测具有一定的难度，加上噪音的干扰，因此静电传感器在设计上必须具有较高的灵敏度。一般静电传感器都是通过安装在滚轮滑轨摩擦台上进行试验的。

3.2杆球式静电传感器设计

在油品的实时监控系统中，为了进一步测量油品管内中心的电位，采用杆球式的传感器同压电陶瓷耦合器结合的静电传感器，具有极佳的实时监控效果。

在这里，杆球式静电传感器放置在油品管道的中心位置，当油品在管道内流动时，杆球就会被充电，当电位逐渐升高到一定程度时，就会开始向油品管壁泄露。只有当充电电流、泄露电流相当时，杆球式静电传感器才能达到平衡，促使电位值达到稳定水平。同时，为了快速接收到油品带电的数据信息，还特意使用压电陶瓷耦合器，将所有信息耦合至数据处理系统。当杆球感应到带电信号后，就将电场信息作用在压电陶瓷上，压电陶瓷受力会出现变形，改变两片陶瓷间的距离，并将其转变为振荡电流信号，输送至数据处理系统，对油品进行实时监控。

当然，杆球式静电传感器在设计上也必须具备一定的要求，在设计其管径时，经过反复试验，从三种不同参考值中选择了长度尺寸30-50cm，参加试验的杆球传感器数值如下表所示：

设计杆球式静电传感器的原理主要为管道内的油品流动通常为湍流，可以将电荷密度视为均匀，并且油品管道的长度远大于内径，因此可以将整个油品管道当作圆柱体。假设油品的电荷密度是 ，管道横面上的电位分布将满足以下公式：

而金属的油品管道由于接地，其电位往往为零，也就是r=r?0，这时公式管道断面内半径处的电位是V?r=0，利用以下公式可以得到上面的公式中的电场强度。

在上面公式中， 是指油品管道内液体的电荷密度，c/m3；而 代表油品的介电常数，且 = 0 r。结合上述两个公式，可以计算出管道断面上的电位分布，即：

如果令 ，就可以得到 。

当然通常为了方便，在监测油品静电时，都只测量油品管道的中心电位，这时r=0，可以简单得到以下公式：

且油品管道中心处电位V0与 具有以下关系： ，因此最终可以得到 算式，获得油品电荷密度。

通过上述计算公式可知，油品管内电压和电荷密度成正比关系，在放入杆球式静电传感器后，会对电场的分布产生一定影响，必须满足以下几个条件，才能使电压与电荷密度正关系成立。

首先，杆球静电传感器的长度要小于油品管道管线长度。其次，在测量静电电位的过程中确保无电荷泄露。再次，电荷的分布要均匀，必须没有杂质，使得电荷密度均匀。最后，在杆球式静电传感器和引线都要和金属油品管道绝缘，还要防止电荷泄露。在杆球充电电位和泄露电位达到平衡时，压电陶瓷受到外电场作用，会出现变形情况，由此诱发谐振，其频率为：

通过上面的算式，可以通过改变平板电容的电容值c（t）来引起电荷变化，从而产生极弱的电流，在经过信号处理电路将其电流放大转化为电压输出，获得交变信号，经过模数转换，存储等过程来达到油品静电数据显示、报警等功效。

4.杆球式静电传感器监测结果分析

通过风机、油泵、白油、变频器和电荷密度仪等道具，在16.7℃和32%的湿度条件下进行杆球式静电传感器监测实验。通过实验数据分析研究，可以得到油品流速对其起电的影响。

5.结语

综上所述，主要介绍了杆球式静电传感器的工作原理及组成，针对其功效进行了监测实验，实现了油品管道中静电电荷密度数据的采集、处理、转换、存储、显示、报警等，大大的提高了油品实时监控静电的精准度。在油品静电监控的实际工作中，静电传感器是关键技术之一，具有广阔的应用前景，需要进一步进行深入研究，有效的预防我国油品爆炸、火灾事故，尽可能的减少人员伤害以及才成损失。

参考文献：

[1]傅柏翔.油品静电事故的分析与预防[J].价值工程，2011（13）：62-63.

[2]李岚.油品静电产生的原因分析及预防措施[J].化工管理，2013（2）：2-3.

[3]徐一鸣，詹志娟，徐君军.基于灵敏度分析的静电传感器优化设计[J].仪器仪表学报，2012，33（5）：1084-1089.

作者简介：吴京洋（1988-），男，黑龙江大庆人，大学本科学历。