基于静电衰减规律的油品电导率测量

赵继飞,王海堂,亓 鹏,邵 虎,刘超卓

(中国石油大学(华东)物理科学与技术学院,山东东营257061)

基于静电衰减规律的油品电导率测量

赵继飞,王海堂,亓 鹏,邵 虎,刘超卓

(中国石油大学(华东)物理科学与技术学院,山东东营257061)

油品中的电荷遵循指数衰减规律,测出油品的相对电容率和时间常量,即可求出油品的电导率.通过电容比较测得油品的相对电容率,用放电过程电位的测量间接获得时间常量.采用静电自动测量系统采集数据,利用软件拟合出衰减曲线.该方法适用于电导率低于10-11S/m的油品测量.

电导率;静电电位;电容;衰减曲线

1 引 言

电容率和电导率是评价油品电学性能的2个重要参量.不同油品的电容率相差不大;而不同油品的电导率因油品的组分不同相差巨大,一般从10-7～10-15S/m变化不等,变化范围约为8个数量级[1].电导率是表征物质传送电流能力的物理量[2],在评价油品防静电性能时需要精确测量电导率的大小.目前,油品的电导率一般由电导率测量仪进行测量而得到.随着时代的发展,电导率测量仪从平衡电桥式、晶体管式、集成运算放大器式到现在以单片机为代表的智能型,向着小型化、智能化、高精度、大测量范围的方向不断迈进.然而,电导率测量仪的测量方法并未改变,仍采用传统的电导池法,即将给定面积的导电板定距离平行置于待测溶液中,加入适当电流或电压,根据得到的电压或电流得到两极板间电阻或电导,再根据极板面积和距离来计算油品的电导率[3].传统电导池法测量电导率时,电极引入误差、电导池引入误差、仪器设计误差、外部误差等严重影响了测量精度[4],尤其是电导率低于10-11S/m时,测量更加困难.

本文基于静电电荷的衰减规律,提出测量油品电导率的一种方法,可测量电导率在10-11S/m以下液体的电导率,而且电导率越低越容易测量.利用这种方法测量了进口原油、胜利油田原油、

10#柴油、93#汽油、航空煤油的电导率.

2 原 理

本实验测量油品电导率的原理是基于静电电荷衰减规律.油品中电荷的衰减过程遵循指数衰减规律,设当初始时刻 t=0时油品所带电量为Q0,则在任意时刻 t油品电量衰减为[5]

式中τ为油品带电量的衰减时间常量,单位s.时间常量τ又可表示为

ε0为真空电容率,单位为 F/m;εr为油品的相对电容率;ρ为油品的电阻率,单位为Ω·m.

由于电导率等于电阻率的倒数[6],则由式(2)可得出时间常量与油品电容率、电导率的关系为

即

式(4)表明,测出油品的相对电容率和时间常量,即可求出油品的电导率σ.

2.1 相对电容率的测量

油品相对电容率的测量是通过电容比较法,采用圆柱形电容器实现的.圆柱形电容器电容的计算公式为[7]

式中L表示电容器的长度,R1和 R2分别表示电容器的内径和外径.

实验中实测电容值由两部分构成:一部分是本征电容,只与介质材料本身的性质有关,与电容率成正比,如式(5)所示;另一部分是背景电容即实测电容与本征电容的差值,来自引线等的影响,为一常量.因此,式(5)可简化为

式中k为比例常数,C1为背景电容.

实验测量前先采用四氯化碳、苯、丙酮和无水乙醇等标准液体对所用圆柱形电容器的电容公式(6)进行拟合,得到的拟合公式为C的单位为p F.再根据式(7)测出待测油品作为介质时的电容值,计算出相对电容率.

2.2 时间常量的测量

油品的电荷量难以直接测量,因此无法直接利用式(1)测量时间常量.油品中的静电荷在油品中及周围空间中会产生电位,而电位的测量相对容易.因此,依据油面中心电位U与油品电量Q的正比例关系,由式(1)得U的衰减规律为[8]

式(8)表明,测量出电位U随时间t的变化曲线,就可拟合求出时间常量τ.

3 实验器材与实验方法

实验装置如图1所示,包括高压直流电源、高压开关、测量容器、接地开关、静电电位自动测量系统,可实时测量容器中的电位值.测量容器为圆柱形金属罐,罐高24.0 cm,直径27.0 cm.

图1 静电电位测量系统示意图

测量对象为进口原油、胜利原油、10#柴油、航空煤油和93#汽油.实验条件:环境温度为20.0℃,相对湿度为35.0%,油位高度11.0 cm,数据采集频率为1 kHz.

实验步骤:首先闭合高压开关,对油品加高压2 kV充电.当测量容器中电位达到稳定时,断开高压开关,同时闭合接地开关,用静电电位自动测量系统实时测量油品的油面中心电位,直至电位降为零.加高压过程中,测量容器保持与地绝缘;操作高压开关和接地开关时,采用绝缘保护,防止人体静电等对测量产生影响.

4 实验结果与分析

进口原油和胜利原油的静电衰减过程中电位随时间的变化曲线如图2和图3所示,图中“+”为实验数据点,实线为利用 Gnup lot软件做出的拟合曲线.从图中可看出:a.当外加高压2 kV充电达到稳定时,油面中心的电位小于外加高压;b.放电时静电电位的变化呈指数规律衰减,衰减十分迅速,3 s之内静电电位即从约1.0 kV衰减到0.1 kV以下;c.衰减后的电位值处于趋于零值的稳定状态,实现与大地的等电位.

图2 进口原油静电衰减变化曲线

图3 胜利原油静电衰减过程变化曲线

根据实验数据拟合的进口原油和胜利原油的静电电位衰减规律分别为U(t)的单位为kV.由式(9)和(10)得进口原油和胜利原油的时间常量分别为0.637 s和0.793 s.

根据式(7)测出的进口原油和胜利原油的相对电容率分别为2.70和2.93.把τ和εr的值代入式(4)求得进口原油和胜利原油的电导率分别为3.75×10-11S/m和3.27×10-11S/m.

实验测得的各种油品的相对电容率、时间常量和电导率的数据如表1所示.表2给出几种石油产品的时间常量和电导率的变化范围[9].对比表1和表2可看出:实验所测得的10#柴油、航空煤油、93#汽油的电导率的数量级在10-13～10-12之间,符合轻质馏分电导率的变化范围;进口原油和胜利油田原油的电导率数量级为10-11～10-10之间,介于轻质馏分与重油之间,符合石油这一包含重油和轻质油烃类混合物的特点.

表1 实验测得几种油品的电导率

表2 几种石油产品的电导率

5 结束语

基于静电电位衰减规律的液体电导率测量方法,具有测量简单易行、测量范围大的特点,可测出数量级为10-11S/m以下的低电导率,为低电导率液体的电导率测量提供了有效的方法.

[1]游佩林.铁路罐车的静电起电和静电放电[J].静电,1990,5(2):22-26.

[2]朱澄,徐方甫,车晓镭.基于ST7单片机的液体电导率传感器[J].物理实验,2009,29(2):17-19.

[3]李舒晨.液体电导率电阻率直读测量装置[J].物理实验,2000,20(8):21-23.

[4]刘燕群.影响电导率测量准确度的综合因素[J].河北化工,2004,27(1):63-64.

[5]李彦敏,郭亚红.静电荷的衰减和积累[J].商丘职业技术学院学报,2004,3(6):38-39.

[6]曹伟然,段立永,赵启博.霍尔效应实验的改进和扩展[J].物理实验,2009,29(2):41-44.

[7]贾瑞皋,薛庆忠.电磁学 [M].北京:高等教育出版社,2003:90-91.

[8]李子芳,钟长文,王明吉.轻质油品静电电荷缓和的规律[J].大庆石油学院学报,2001,25(4):88-90.

[9]王丰,郭继坤.油库安全技术[M].北京:中国石化出版社,1997:314.

[责任编辑:任德香]

Measuring electrical conductivity of oil based on the attenuation of static electricity

ZHAO Ji-fei,WANG Hai-tang,Q IPeng,SHAO Hu,L IU Chao-zhuo
(College of Physics Science and Technology,China University of Petroleum(East China),Dongying 257061,China)

It is know n that the static electricity follow s the exponential attenuation law w ith time,so the electrical conductivity could be gotten as soon as the relative inductivity and the time parameter are measured.The relative inductivity of oil w as obtained by comparing the inductivity,and the time parameter was given indirectly by measuring the voltage in the p rocess of discharging.The electrostatic automatic measurement system was adop ted to data collection,and the data w as fitted one curve.The method mentioned above w as app licable fo r the oil w hose electrical conductivity w as less than 10-11S/m.

electrical conductivity;electrostatic potential;capacity;attenuation curve

O441

A

1005-4642(2011)04-0008-03

2010-06-06;修改日期:2010-08-23

国家大学生创新性实验计划(No.091042548);中央高校基本科研业务费专项资金(No.09CX04019A)

赵继飞(1987-),男,山东济南人,中国石油大学(华东)物理科学与技术学院2008级本科生.

指导老师:亓 鹏(1980-),男,山东泰安人,中国石油大学(华东)物理科学与技术学院讲师,博士,主要从事压电陶瓷材料研究.