Содержание к диссертации
Введение
Глава I. О состоянии вопроса. Особенности измерения напряженности электростатического поля в судовых танках
1.1. Исследование характеристик среды в судовом танке 15
1.2. Обзор способов построения средств измерения напряженности электростатического поля 18
1.3. Требования к судовым средствам измерения напряженности электростатического поля 21
Выводы по главе I 27
Глава 2. Исследование влияния среды на измеритель напряженности электростатического поля в судовом танке
2.1. Расчет режимов работы электростатического генератора для измерителя напряженности электростатического поля 28
2.2. Исследование источников погрешностей при измерении напряженности электростатического поля в судовых танках 38
2.2.1. Источники погрешностей 38
2.2.2. Влияние изменения относительной диэлектрической проницаемости среды 40
2.2.3. Влияние потоков заряженного аэрозоля 45
2.2.4. Влияние токов коронного разряда 54
2.2.5. Влияние изменения частоты модуляции, сопротивления изоляции, контактной разности потенциалов, температуры 58
Выводы по главе 2 62
Глава 3. Разработка судовых средств измерения напряженности электростатического поля
3.1. Измеритель напряженности электростатического поля с дополнительным каналом авто калибровки 64
3.1.1. Теоретический анализ 64
3.1.2. Описание конструкции измерителя с дополнительным каналом авто калибровки 80
3.1.3. Экспериментальное исследование измерителя с дополнительным каналом авто калибровки 87
3.1.4. Погрешность измерителя с дополнительным каналом авто калибровки 101
3.2. Измеритель напряженности электростатического поля с отрицательной обратной связью через дополнительный электростатический генератор 107
3.2.1. Теоретический анализ 107
3.2.2. Описание конструкции измерителя с отрицательной обратной связью через дополнительный электростатический генератор 124
3.2.3. Экспериментальное исследование измерителя с отрицательной обратной связью через дополнительный электростатический генератор 131
3.2.4. Погрешность измерителя напряженности электростатического поля с отрицательной обратной связью через дополнительный электростатический генератор 139
3.3. Измеритель с отрицательной обратной связью через конденсатор. Теоретический анализ 145
Выводы по главе 3 154
4. Заключение 158
Литература 165
5. Приложения:
1. Определение формы чувствительного электрода электростатического генератора для получения синусоидального закона модуляции 172
2. Определение случайной погрешности измерителя с дополнительным каналом авто калибровки 175
3. Определение случайной погрепгаости измерителя с отрицательной обратной связью через дополнительный электростатический генератор 182
4. Имиїтатор равномерного электростатического поля 188
5. Результаты внедрения диссертационной работы (акты внедрения) 194
- Исследование характеристик среды в судовом танке
- Расчет режимов работы электростатического генератора для измерителя напряженности электростатического поля
- Измеритель напряженности электростатического поля с дополнительным каналом авто калибровки
Исследование характеристик среды в судовом танке
Для определения требований, предъявляемых к судовым средствам измерения напряженности электростатического поля с точки зрения построения структурных схем и конструкции, необходимо исследовать среду, в которой устанавливается первичный измерительный преобразователь (ПИП).
В процессе механизированной мойки судовых танков при ударе струи моющей жидкости давлением до 12 кг/см2 о стенку танка образуется большое количество капель с различной степенью дисперсности. Большие капли при этом заряжены одним знаком, а маленькие - другим /7/. Знак заряда капель определяется химическим составом моющей жидкости.
Как известно, скорость седиментации аэрозольных частиц пропорциональна квадрату диаметра частицы /21/. Так, например, скорости седиментации частиц с диаметром I и W мкм отличаются в 1000 раз. Поэтому крупные капли оседают быстрее, чем мелкие, и внутри судовых танков образуется мелкодисперсная среда с диаметром аэрозольных частиц по /I/ от 0,1 до 20 мкм.
За счет разности температур между днищем, палубой и средой, за счет работы гидромонитора внутри танка образуются конвективные потоки аэрозоля, скорость которых по /I/ достигает I м/с, приводящие к выравниванию концентрации аэрозольных частиц по всему объему танка. В результате плотность объемного заряда одинаковая по объему танка, что подтверждается натурными исследованиями на танкерах.
Как уже указывалось, по Правилам Регистра СССР /9/ все свободное пространство внутри судовых танков при проведении мойки и перекачки нефтегруза должно быть заполнено инертными газами. Инертные газы вырабатываются либо путем фильтрации выхлопных газов главного двигателя, либо специальной системой инертных газов.
При работе гидромонитора, производящего мойку, образуется среда, которая согласно классификации относится к разряду аэрозолей. Концентрация аэрозольных частиц воды может достигать по /24/ 2 г/м3. Как показывают исследования /25, 26/, удельная проводимость подобных сред, имеющих место в облаках, не превышает ІСГ15 См/м.
При ударе струи моющей жидкости о подволок танка на расстоянии 2-3 м от места установки первичного измерительного преобразователя образуется сплошная водяная завеса, экранирующая прибор от внешнего поля. При ударе о подволок на расстоянии свыше 3 м от места установки струя разбивается на капли, что подтверждается натурными исследованиями /27/. На большинстве крупнотоннажных нефтеналивных судов используются стационарные гидромониторы с диаметром сопла до 40 мм, например гидромонитор типа ММ200. Как показывает расчет, при ударе струи о подволок танка в месте установки ПИП образуются локальные области с высокой концентрацией аэрозольных частиц воды - до 1,26 кг/м3.
Расчет режимов работы электростатического генератора для измерителя напряженности электростатического поля
Основным элементов измерителя напряженности электростатического поля, основанного на динамическом способе измерения, является электростатический генератор, осуществляющий преобразование потока вектора напряженности электростатического поля на чувствительный электрод, в переменный электрический сигнал.
Вопрос расчета электростатического генератора для измерителей напряженности электростатического поля рассмотрен в работах /26, 33, 37, 38/. Однако, в этих работах расчетные формулы не дают зависимости фазы сигнала от изменения во времени площади чувствительного электрода, на которую воздействует поток вектора напряженности измеряемого электростатического поля, в различных режимах измерения. Полученные в работе /39/ дифференциальные уравнения, связывающие потенциал электрода с напряженностью электростатического поля, не учитывали возможность измерения заземленным зондом.
Для учета влияния потоков заряженного аэрозоля, токов коронного разряда на измеритель напряженности электростатического поля необходим метод расчета, с помощью которого можно было бы определять параметры сигнала: амплитуду и фазу в различных режимах работы.
Измеритель напряженности электростатического поля с дополнительным каналом авто калибровки
Для исследовательских целей и для работы в составе систем электростатической защиты судов разработан прибор, структурная схема которого представлена на рис.3.I.
В данном приборе в электростатический генератор введен дополнительный электрод I, на который подается калиброванное напряжение ик . Между дополнительным I и чувствительным 2 электродами создается калибровочное электростатическое поле. Потоки векторов напряженности измеряемого и калибровочного поля на чувствительный электрод модулируются вращающимся экранным электродом 3, причем, для возможности разделения с помощью синхронных детекторов сигналы от калибровочного и измеряемого поля в результате модуляции должны быть сдвинуты по фазе на 90 друг относительно друга, либо отличаться по частоте в четное число раз. Соответственно должны быть сдвинуты по фазе на 90 или отличаться в четное число раз сигналы от генераторов опорного напряжения ГОНІ и Г0Н2, поступающие на управляющие входы синхронных детекторов СДІ и СД2.
Сигналы от измеряемого и от калибровочного поля усиливаются усилителем переменного тока УІ с регулируемым коэффициентом передачи с помощью регулируемой отрицательной обратной связи и далее разделяются с помощью синхронных детекторов.
Сигнал от калибровочного поля после усиления усилителем УІ выделяется синхронным детектором СДІ, после чего через интегратор поступает на вход схемы сравнения СС. На управляющий вход синхронного детектора поступает сигнал от генератора опорного напряжения ГОНІ, синхронный и синфазный с сигналом от калибровочного поля. Сигнал с выхода интегратора, определяемый напряженностью калибровочного поля, площадью калибровочного электрода, частотой модуляции, сопротивлением нагрузки чувствительного электрода (параллельное соединение входного сопротивления измерительной схемы и сопротивления изоляции чувствительного электрода) и коэффициентами преобразования усилителя УІ, синхронного детектора СДІ и интегратора Si » поступает на схему сравнения. На схему сравнения также поступает опорное напряжение, соответствующее калибровочному сигналу при номинальной частоте модуляции и сопротивлении изоляции чувствительного электрода, фи изменении частоты модуляции (частоты оборотов двигателя) и (или) сопротивления изоляции чувствительного электрода на выходе схемы сравнения появляется сигнал, пропорциональный разности сигналов опорного и калибровочного. Этот сигнал поступает на четырехполюсник обратной связи fi усилителя УІ, в результате чего изменяется коэффициент передачи усилителя УІ таким образом, что компенсируется изменение сигнала от изменения частоты модуляции и сопротивления изоляции чувствительного электрода.
Сигнал от измеряемого поля усиливается усилителем УІ, выделяется синхронным детектором СД2, интегрируется интегратором /г и индицируется показывающим прибором ИП.
Поскольку потоки векторов напряженности измеряемого и калибровочного поля преобразовываются в электрический сигнал в одном электростатическом генераторе, влияние изменения частоты модуляции и сопротивления изоляции чувствительного электрода на оба сигнала одинаковое. Поэтому изменение коэффициента передачи Kyj будет компенсировать изменение сигнала от измеряемого поля при изменении частоты модуляции и сопротивления изоляции чувствительного электрода.
