CC BY
46
ОБРАЗЦОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОБЪЕМНОГО РАСШИРЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ
Геннадий Владимирович Шувалов
Сибирская государственная геодезическая академия , 630108, г. Новосибирск, ул.
Плахотного, 10, доцент кафедры метрологии, стандартизации и сертификации, тел. (383) 210-17-26, e-mail: [email protected]
Анатолий Алексеевич Мамонов
Сибирский государственный Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт метрологии, 630004, г. Новосибирск, проспект Димитрова, 4, начальник сектора, член-корреспондент Российской метрологической академии, тел. (383) 210-08-66
Ольга Александровна Ясырова
Омский филиал Новосибирской государственной академии водного транспорта, 644042, г. Омск, ул. Ивана Алексеева, 4, доцент кафедры физики, тел. (3812) 31 -89-29, e-mail: [email protected]
Екатерина Александровна Абрамова
Сибирская государственная геодезическая академия , 630108, г. Новосибирск, ул.
Плахотного, 10, аспирант кафедры метрологии, стандартизации и сертификации, тел. (383) 361-07-45
В статье рассмотрены вопросы разработки установки для измерения коэффициента объемного расширения нефтепродуктов.
Ключевые слова: нефтепродукты, коэффициент объемного расширения, измерение.
STANDARD EQUIPMENT FOR MEASURING THE VOLUME EXPANSION COEFFICIENT OF OIL PRODUCTS
Gennady V. Shuvalov
Siberian state геодизическая academy, 630108, Novosibirsk, Street Plahotnogo, 10, the senior lecturer of chair of metrology, standardization and certification, bodies, (383) 210-17-26, an e-mail: [email protected]
Anatoly A. Mamonov
Omsk branch of Novosibirsk state academy of a sailing charter, 644042, Omsk, Ivan Alekseeva's street, 4, the senior lecturer of chair of physics, bodies, (3812) 31-89-29, an e-mail: [email protected]
Olga A. Jasyrova
Omsk branch of Novosibirsk state academy of a sailing charter, 644042, Omsk, Ivan Alekseeva's street, 4, the senior lecturer of chair of physics, bodies, (3812) 31-89-29, an e-mail: [email protected]
Ekaterina A. Abramova
The Siberian state geodetic academy, 630108, Novosibirsk,
Street Plahotnogo, 10, the aspirant of chair of metrology, standardization and certification, bodies, (383) 210-17-26, an e-mail: [email protected]
The paper deals with the development of equipment for measuring the coefficient of thermal expansion of oil products.
Key words: oil products, factor of volume expansion, measurement.
Известно, что большая часть нефтедобычи в России приходится на Сибирский регион. Кроме того, значительный объем нефтепродуктов транспортируется и используется в условиях Сибири и Дальнего Востока, где температура в зимнее время достигает минус (50-60)°С. В этих условиях произвести учет массы нефтепродуктов часто становится невозможным, так как необходимо определять плотность нефтепродуктов при указанных температурах или знать точные температурного коэффициента объемного расширения. Точных методов для определения плотности при температурах минус (50 - 60) °С в настоящее время не существует, а процедуры пересчета плотности нефтепродукта с температуры 20 °С на температуру, при которой измеряется фактический объем нефтепродукта не всегда возможен из-за ограничений таблиц пересчета ГОСТ 3900-85 (нижняя температура минус 25 °С). Кроме того ГОСТ 3900-85 не учитывает влияние сортности нефтепродуктов, вследствие чего нефти из разных месторождений существенно отличаются по своим теплофизическим свойствам, что вносит значительную погрешность в результат определения массы нефтепродукта.
Для решения этой задачи в Сибирском научно-исследовательском институте метрологии (ФГУП «СНИИМ») разрабатываются эталонные средства воспроизведения единицы температурного коэффициента объемного расширения, которые позволят определять плотность нефтепродуктов при отрицательных температурах вплоть до минус 60°С на основе данных по коэффициенту их объемного расширения и плотности, определенной в лабораторных условиях.
В общем случае, плотность вещества, как правило, уменьшается с ростом температуры (вследствие теплового расширения) и увеличивается с повышением давления. Зависимость плотности от температуры при постоянном давлении в общем случае выражается уравнением
Р2 = Р\ [l ~Р(12 _ О] , (1)
где Р - плотность при температуре 1i , Pi - плотность при температуре 12, р - средний коэффициент объемного теплового расширения в интервале от 11
до 12 .
У многих жидкостей, в том числе нефтепродуктов, не содержащих парафина, наблюдается линейная зависимость плотности от температуры, так что для них справедливо соотношение
Pl “Pi =а , (2)
t — t l1 12
Величина а представляет собой среднюю температурную поправку к плотности, показывающую, насколько изменяется плотность данной жидкости при изменении температуры на 1 оС.
Значения а для нефтепродуктов приведены в ГОСТ 3900-85.
Поскольку значения поправок являются средними, пересчеты по формулам (1) и (2) могут дать значительные погрешности, если разность температур t1 и ?2 велика. Поэтому для определения плотности с большей точностью формулу (2) рекомендуется применять только в тех случаях, когда температура измерения t1 отличается от температуры t2, при которой требуется определить плотность, не более чем на +10оС.
В основу измерний температурного коэффициента объемного расширения положен метод измерения объемного расширения с помощью емкостного низкотемпературного дилатометра. При этом дополнительный объем расширенного нефтепродукта измеряется путем измерения емкости эталонного конденсатора, между электродами которого находится измеряемый нефтепродукт. Это позволяет увязать измерения коэффициента объемного расширения нефтепродуктов с единицей электрической емкости, которая воспроизводится Государственным первичным эталоном единицы электрической емкости ГЭТ 107-77.
Для реализации данного метода измерений коэффициента объемного расширения нефтепродуктов использовался вариант емкостного дилатометра в виде отрезка коаксиальной линии, частично заполненной диэлектрической жидкостью.
Конструкция такого дилатометра показана на рис. 1.
Б
Рис. 1. Конструкция дилатометра
Электрическая емкость указанной на рисунке 2 коаксиальной линии состоит из воздушной ёмкости Со и параллельно включенной ёмкости участка линии С1, заполненной жидкостью.
Используя общеизвестное выражение электрической ёмкости для коаксиальной линии
Г' = '2пєа-є- £
= (,л (3)
й
найдём суммарную ёмкость дилатометра:
2п
~ь
С = Сі + Со = [ £ х-є + (£ 0 - £ ХК ](4)
£п: й
При изменении температуры нефтепродукта АТ = Т2 - Т1, увеличивается заполнение коаксиальной линии жидкостью, т.е. изменяется её уровень от 1^,
до £хГг , а поскольку диэлектрическая проницаемость жидкости больше, чем у
воздуха, то общая ёмкость линии увеличивается. Её изменение АС можно представить в следующем виде.
АС = с Г2 - с Г1 = [ £ ^ -1 - £ ^ -1 ]^° (5)
£п-
V Є0 У
2жє с
V Є0 У
й
Полагая в первом приближении, что диэлектрическая проницаемость жидкости ет пренебрежимо мало изменяется в малом интервале изменения температуры, то выражение (5) упростится до вида
АС = Д£
С є >
-1
\єо У
2жє
О
(6)
откуда находим искомый подъём уровня мх и связанный с ним объём А V
вытесненной жидкости
Д£, = 7--------Д^— (7)
С є > -1
V Єо У
2лє0
£п — й
ДС ж{б 2 - й2)
АУ = Д£ х • S = 7------------------Д^-----, (8)
2яє0 4
~5
^0 У £п й
где S - площадь поперечного сечения линии, заполняемой жидкостью.
Из данных выражений видно, какие параметры необходимо знать для определения р.
Для практической реализации предложенного метода была разработана конструкция встроенного датчика, с помощью которого косвенным путём
определялось необходимое для расчетов отношения — в заданном
єо
температурном диапазоне.
Таким образом, были получены расчетные соотношения для косвенного измерения объёма вытесненной жидкости через изменение электрической ёмкости и геометрические постоянные дилатометра, а также определены условия термокомпенсации. С учетом этого разработана конструкция датчика
для измерения температурной зависимости коэффициента объемного расширения нефтепродуктов.
Как указывалось выше, дополнительно к коэффициенту объемного расширения нефтепродуктов необходимо знать плотность нефтепродукта при определенной температуре. Для нефти и нефтепродуктов плотность является нормируемым показателем качества и подлежит при использовании обязательному определению согласно ГОСТ 3900-85 «Нефть и нефтепродукты. Методы определения плотности» и ГОСТ Р 51069-97 «Метод определения плотности, относительной плотности и плотности в градусах АР1 ареометром».
В России стандартизированы два метода определения плотности: ареометрический и пикнометрический по ГОСТ 3900-85, которые хотя и обеспечивают необходимую точность, по своему конструктивному исполнению и условиям применения не всегда удовлетворяют требованиям практики, так как в большинстве случаев могут использоваться лишь в условиях стационарных лабораторий. Вместе с тем зачастую возникает необходимость оперативного определения плотности нефтепродуктов в местах их хранения и использования, особенно в полевых условиях. Это привело к созданию альтернативного барботажно-пузырьковый метода определения плотности нефтепродуктов [1].
С учетом проведенных исследований была разработана конструкция прибора, предназначенного для измерения плотности ГСМ, и разработана методика его применения для контроля плотности судовых топлив [2].
Проведенные исследования позволят создавать стандартные образцы плотности и температурного коэффициента объемного расширения нефтепродуктов в низкотемпературной области, что обеспечит единство измерений свойств нефтепродуктов в диапазоне температур до минус 60°С.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ясырова О.А., Шувалов Г.В., Жуков А.Ю. Исследование метрологических характеристик приборов для определения плотности жидкости // Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника: Сборник материалов 4-го Международного конгресса «ГЕО-СИБИРЬ-2008», 22-24 апреля 2008. - Новосибирск, 2008. - Том 4. - Часть 2. - С. 109-112.
2. Ясырова О.А., Шувалов Г.В. Разработка метода определения плотности нефтепродуктов // Сборник научных трудов: вып. 6 / сост. В.А. Глушец. - Омск: Иртышский филиал НГАВТ, 2008. - С. 367 - 370.
© Г.В. Шувалов, А.А. Мамонов, О.А. Ясырова, Е.А. Абрамова, 2012
