CC BY
84
УДК 629.12.056(075)
И. Н. Теренин
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ВЛАЖНОСТИ СУДОВОГО ТОПЛИВА И ВОДОТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
Одной из важнейших задач экономического развития России является внедрение ресурсосберегающих технологий, основанных на экономии топливно-энергетических ресурсов в промышленности, в том числе на флоте - крупнейшем потребителе нефтяного топлива. В многочисленных публикациях последнего времени, отражающих проблемы транспортировки, приема, выдачи, хранения, подготовки и использования топлива, внимание акцентируется на проблеме автоматизации технологических процессов топливоподготовки и контроля влажности судовых топлив и водотопливных эмульсий (ВТЭ) [1-3]. Сдерживающим фактором в решении этой проблемы является то обстоятельство, что промышленностью не выпускаются датчики влажности топлив, пригодные для использования на судах. Применяемые в настоящее время на судах методы контроля влажности топлив и измерительные средства не отвечают современным требованиям как по быстроте действия, так и по диапазону измерения.
Разработка и внедрение в производство чувствительных элементов и измерительных преобразователей влажности жидких топлив до сих пор являются актуальной проблемой. Решение этой проблемы позволит автоматизировать технологические процессы топливоподготовки на судах, улучшить контроль принимаемого топлива, своевременно устанавливать источники обводнения топлива, сократить его потери и затраты на электроэнергию при его сепарировании, а также приготавливать ВТЭ с оптимальным содержанием в них воды для данного типа двигателя, режима его работы и используемого сорта топлива.
В соответствии с указанной проблемой были поставлены следующие научно-технические задачи:
- провести анализ методов влагометрии, измерительных схем и конструкций датчиков влагомеров;
- разработать чувствительный элемент и измерительный преобразователь датчика влагомера для судовых топлив и ВТЭ;
- провести экспериментальные исследования датчика влажности топлив и ВТЭ, произвести его градуировку и оценить его метрологические характеристики.
В настоящее время известно около 100 методов измерения влажности, основанных на различных принципах. Наиболее полно химические и физико-химические методы классифицировали Г. Ф. Ничуговский, И. Б. Моик, Н. А. Рогов, А. В. Горбунов, а физические методы - В. Л. Беляков, М. А. Берлинер, В. К. Бензарь [4-6].
При выборе метода мы руководствовались оценками диапазона и
точности измерения, чувствительности и быстроты реагирования метода, а также экономической оправданности применения, простоты конструкции и использования средств измерения. Кроме того, учитывались условия эксплуатации, соответствие различным правилам и особым условиям. Наиболее пригодным для использования в датчиках влажности судовых топлив и ВТЭ является диэлькометрический метод. Точность, достигаемая при этом, настолько высока, что в ряде случаев диэлькометрические методы определения влагосодержания вводятся в стандарты в качестве образцовых, а на диэлькометрический метод определения влажности нефти и нефтепродуктов разработан ГОСТ 14203-69. Из множества формул, предложенных для определения диэлектрической проницаемости (Д11), информативного параметра при измерении влажности топливных эмульсий, в практике наибольшее распространение получили уравнения Д. А. Бруггемана, Т. С. Раму и
Н. И. Рао. ДП - параметр, определяющий емкостные свойства жидких сред и показывающий, во сколько раз емкость конденсатора с исследуемой средой превосходит емкость аналогичного вакуумированного конденсатора.
Измерительные схемы датчиков влажности жидких топлив крайне разнообразны и зависят от того, какую из задач они позволяют решить: изучение структуры и свойств топлив и ВТЭ; контроль чистоты топлива; анализ состава бинарных и многокомпонентных смесей и эмульсий. Измерения ДП производят либо в переменных полях, либо при постоянном токе. Широкий диапазон используемых частот при измерении ДП (от 0 до 30 ГГц) не может быть охвачен единым методом измерения. Поэтому в каждом поддиапазоне частот существует свой предпочтительный метод. Наибольшее развитие получили нулевые, реализующиеся с помощью различного рода мостовых схем, и резонансные методы. Фундаментальные работы в указанных направлениях принадлежат А. Д. Нестеренко, К. Б. Каран-дееву, В. Ю. Кнеллеру, Ф. Б. Гриневичу, Г. А. Штамбергеру, Г. И. Пере-дельскому, Л. И. Волгину, А. И. Мартяшину и другим ученым.
В результате исследований свойств нефти и принципов построения диэлькометрических влагомеров, выполненных в последние десятилетия, были созданы поточные влагомеры, применяемые на автоматизированных установках учета нефти и нефтепродуктов: ВН-2 (НИПИ «Нефтехимавто-мат»), ВЭН-1 (Волгоградский НИИ нефтяной и газовой промышленности, Рязанский филиал СКБ АНН), НВН-3 и ЛВН-3, ВТН-1п, УДВН-1п, ВСН-1 (Саратовское КБ нефтяной и газовой промышленности). Кроме того, в России применяется целый ряд влагомеров зарубежных фирм, таких как «Фишер», «Филипс Петролеум», INVALKO, AGAR и др. Однако, при всех метрологических достоинствах этих влагомеров, они не приспособлены для использования в СЭУ и к тому же слишком дороги.
Во вновь разработанном устройстве применены емкостные первичные преобразователи (ЕПП), выполненные в виде коаксиальной цилиндрической системы электродов, образующих два измерительных пространства (рабочее и эталонное). Наружным электродом ЕПП является корпус. Внутренние электроды имеют одинаковые диаметры и разделены между
собой изоляционными центрирующими втулками. Внутренняя система электродов стягивается гайками.
При определении основных размеров ЕПП была использована формула для расчета емкости конденсатора с цилиндрической коаксиальной системой электродов:
„ 2пЬе
Сх = ~К ’
1п —
Г
где Ь - длина электрода, мм;
Я - внутренний радиус наружного электрода, мм;
Г - наружный радиус внутреннего электрода, мм; е- диэлектрическая проницаемость ВТЭ, пФ/мм.
Диэлектрическая проницаемость ВТЭ определялась по формуле Винера - Вагнера:
Е = Ш(еВ - ЕТ )+ ЕТ ,
где Ш - объемная доля воды в ВТЭ;
Ев - диэлектрическая проницаемость воды, пФ/мм;
Ет - диэлектрическая проницаемость топлива, пФ/мм;
На рисунке показана принципиальная схема измерительного преобразователя с цифровым выходным сигналом.
Принципиальная схема измерительного преобразователя влажности топлива и ВТЭ
Схема включает ЕПП, представленные в виде двух параллельных схем замещения (рабочего и эталонного пространства), операционных усилителей А и А, компараторов К и К, схем совпадения Э и Э', реверсив-
ного счетчика ЯС, регистра хранения цифровых данных ЯО, дешифратора сигналов, цифрового индикатора, устройства управления и ключей.
Принцип измерения основан на том, что емкости ЕПП заряжаются до строго определенного напряжения и далее разряжаются через один из резисторов, подобранных для каждого из диапазонов измерения. При этом эталонный Сх и рабочий Со конденсаторы разряжаются по экспоненциальным зависимостям, характеризуемым постоянными времени тх и то, которые зависят от влажности и сорта топлива. За эти промежутки времени логические элементы Э2 и Э 2 успевают пропустить определенное количество импульсов опорного генератора. Счетчик производит подсчет и вычитание импульсов. Количество импульсов на выходе из счетчика пропорционально отклонению влажности рабочего топлива или ВТЭ от влажности обезвоженного топлива или эталонной жидкости. При использовании устройства для определения содержания воды в топливе в системах автоматического контроля в эталонную полость ЕПП заливают обезвоженное топливо, а в системах автоматического регулирования содержания воды во ВТЭ - эталонную жидкость.
Разработка измерительного преобразователя влажности топлив и ВТЭ завершилась серией испытаний, в результате которых проверены основные технические решения, заложенные в устройстве, определены область применения и условия эксплуатации, а также получены градуировочные характеристики и количественные оценки его метрологических характеристик. При проведении испытаний макета руководствовались методическими указаниями № 333 по поверке диэлькометрических влагомеров для нефти и нефтепродуктов по ГОСТ 14203-69.
Испытания датчика проводились в два этапа. На первом этапе производилась оценка среднего квадратического отклонения результатов наблюдения и дополнительных погрешностей параметров измерительного преобразователя и внешних факторов. При этом к входу измерительного устройства подключались эталонные (калибровочные) конденсаторы магазина емкости.
На втором этапе испытаний к входу измерительного устройства подключались ЕПП с материалом (ВТЭ и используемый сорт топлива или эталонная жидкость) и производилась его градуировка на эмульсии дизельного и моторного топлив. Эмульсию составляли по объему обезвоженного топлива и воды. Для градуировки датчика были разработаны таблицы добавок воды в зависимости от диапазона измерения (0-15%, 0-60 %).
Результаты исследований:
- проведен анализ достижений науки и техники в области влагомет-рии топлива и ВТЭ, предложен и реализован в макете датчика влажности топлив новый метод измерения влажности топлив и ВТЭ;
- разработана инженерная методика расчета чувствительных элементов датчиков влажности ВТЭ и даны рекомендации по использованию измерительного преобразователя влажности ВТЭ при проектировании и эксплуатации систем управления и контроля СЭУ.
На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Диэлькометрический метод контроля приемлем для определения объемной доли воды в эмульсиях судовых топлив.
2. Разность между количеством воды, содержащейся в топливных эмульсиях, определенная двумя методами - методом, реализованным в устройстве, и стандартным методом по ГОСТ 2477-65, не превысила ± 3 % для диапазона измерения 0-60 % и ± 0,8 % для диапазона 0-15%, что соответствует классу точности прибора 4,0.
3. Использование измерительного устройства при научных исследованиях работы дизелей на ВТЭ и в судовых системах подготовки ВТЭ позволяет увеличить точность и информативность контроля объемной доли воды в эмульсиях, автоматизировать процессы подготовки ВТЭ, существенно повысить надежность и экономическую эффективность эксплуатации дизельных установок.
4. Измерительное устройство дешевле аналогичных устройств, выпускаемых отечественными и зарубежными фирмами для нефтяной промышленности, просто в эксплуатации и не требует специальной подготовки со стороны обслуживающего персонала.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лебедев О. Н., Сомов В. А., Сисин В.Д. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях. - Л.: Судостроение, 1988. - 108 с.
2. Кочанов Э. С., Кочанов Ю. С., Скачков А. Е. Электрические методы очистки и контроля судовых топлив. - Л.: Судостроение, 1990. - 216 с
3. Теренин И. Н., Покусаев М. Н. Влагометрия судового топлива: Учеб. пособие. -Астрахань: Нова, 2002. - 174 с.
4. Беляков В. Л. Автоматический контроль параметров нефтяных эмульсий: Справ. пособие. - М.: Недра, 1992. - 202 с.
5. Моик И. Б., Рогов Н. А., Горбунов А. В. Термо- и влагометрия пищевых продуктов: Справ. - М.: Агропромиздат, 1988.- 304 с.
6. Берлинер М. А. Электрические измерения. Автоматический контроль и регулирование влажности. - Л.: Энергия, 1965. - 488 с.
