趙繼飛,王海堂,亓 鵬,邵 虎,劉超卓

(中國石油大學(華東)物理科學與技術(shù)學院,山東東營257061)

基于靜電衰減規(guī)律的油品電導率測量

趙繼飛,王海堂,亓 鵬,邵 虎,劉超卓

(中國石油大學(華東)物理科學與技術(shù)學院,山東東營257061)

油品中的電荷遵循指數(shù)衰減規(guī)律,測出油品的相對電容率和時間常量,即可求出油品的電導率.通過電容比較測得油品的相對電容率,用放電過程電位的測量間接獲得時間常量.采用靜電自動測量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù),利用軟件擬合出衰減曲線.該方法適用于電導率低于10-11S/m的油品測量.

電導率;靜電電位;電容;衰減曲線

1 引 言

電容率和電導率是評價油品電學性能的2個重要參量.不同油品的電容率相差不大;而不同油品的電導率因油品的組分不同相差巨大,一般從10-7～10-15S/m變化不等,變化范圍約為8個數(shù)量級[1].電導率是表征物質(zhì)傳送電流能力的物理量[2],在評價油品防靜電性能時需要精確測量電導率的大小.目前,油品的電導率一般由電導率測量儀進行測量而得到.隨著時代的發(fā)展,電導率測量儀從平衡電橋式、晶體管式、集成運算放大器式到現(xiàn)在以單片機為代表的智能型,向著小型化、智能化、高精度、大測量范圍的方向不斷邁進.然而,電導率測量儀的測量方法并未改變,仍采用傳統(tǒng)的電導池法,即將給定面積的導電板定距離平行置于待測溶液中,加入適當電流或電壓,根據(jù)得到的電壓或電流得到兩極板間電阻或電導,再根據(jù)極板面積和距離來計算油品的電導率[3].傳統(tǒng)電導池法測量電導率時,電極引入誤差、電導池引入誤差、儀器設計誤差、外部誤差等嚴重影響了測量精度[4],尤其是電導率低于10-11S/m時,測量更加困難.

本文基于靜電電荷的衰減規(guī)律,提出測量油品電導率的一種方法,可測量電導率在10-11S/m以下液體的電導率,而且電導率越低越容易測量.利用這種方法測量了進口原油、勝利油田原油、

10#柴油、93#汽油、航空煤油的電導率.

2 原 理

本實驗測量油品電導率的原理是基于靜電電荷衰減規(guī)律.油品中電荷的衰減過程遵循指數(shù)衰減規(guī)律,設當初始時刻 t=0時油品所帶電量為Q0,則在任意時刻 t油品電量衰減為[5]

式中τ為油品帶電量的衰減時間常量,單位s.時間常量τ又可表示為

ε0為真空電容率,單位為 F/m;εr為油品的相對電容率;ρ為油品的電阻率,單位為Ω·m.

由于電導率等于電阻率的倒數(shù)[6],則由式(2)可得出時間常量與油品電容率、電導率的關(guān)系為

即

式(4)表明,測出油品的相對電容率和時間常量,即可求出油品的電導率σ.

2.1 相對電容率的測量

油品相對電容率的測量是通過電容比較法,采用圓柱形電容器實現(xiàn)的.圓柱形電容器電容的計算公式為[7]

式中L表示電容器的長度,R1和 R2分別表示電容器的內(nèi)徑和外徑.

實驗中實測電容值由兩部分構(gòu)成:一部分是本征電容,只與介質(zhì)材料本身的性質(zhì)有關(guān),與電容率成正比,如式(5)所示;另一部分是背景電容即實測電容與本征電容的差值,來自引線等的影響,為一常量.因此,式(5)可簡化為

式中k為比例常數(shù),C1為背景電容.

實驗測量前先采用四氯化碳、苯、丙酮和無水乙醇等標準液體對所用圓柱形電容器的電容公式(6)進行擬合,得到的擬合公式為C的單位為p F.再根據(jù)式(7)測出待測油品作為介質(zhì)時的電容值,計算出相對電容率.

2.2 時間常量的測量

油品的電荷量難以直接測量,因此無法直接利用式(1)測量時間常量.油品中的靜電荷在油品中及周圍空間中會產(chǎn)生電位,而電位的測量相對容易.因此,依據(jù)油面中心電位U與油品電量Q的正比例關(guān)系,由式(1)得U的衰減規(guī)律為[8]

式(8)表明,測量出電位U隨時間t的變化曲線,就可擬合求出時間常量τ.

3 實驗器材與實驗方法

實驗裝置如圖1所示,包括高壓直流電源、高壓開關(guān)、測量容器、接地開關(guān)、靜電電位自動測量系統(tǒng),可實時測量容器中的電位值.測量容器為圓柱形金屬罐,罐高24.0 cm,直徑27.0 cm.

圖1 靜電電位測量系統(tǒng)示意圖

測量對象為進口原油、勝利原油、10#柴油、航空煤油和93#汽油.實驗條件:環(huán)境溫度為20.0℃,相對濕度為35.0%,油位高度11.0 cm,數(shù)據(jù)采集頻率為1 kHz.

實驗步驟:首先閉合高壓開關(guān),對油品加高壓2 kV充電.當測量容器中電位達到穩(wěn)定時,斷開高壓開關(guān),同時閉合接地開關(guān),用靜電電位自動測量系統(tǒng)實時測量油品的油面中心電位,直至電位降為零.加高壓過程中,測量容器保持與地絕緣;操作高壓開關(guān)和接地開關(guān)時,采用絕緣保護,防止人體靜電等對測量產(chǎn)生影響.

4 實驗結(jié)果與分析

進口原油和勝利原油的靜電衰減過程中電位隨時間的變化曲線如圖2和圖3所示,圖中“+”為實驗數(shù)據(jù)點,實線為利用 Gnup lot軟件做出的擬合曲線.從圖中可看出:a.當外加高壓2 kV充電達到穩(wěn)定時,油面中心的電位小于外加高壓;b.放電時靜電電位的變化呈指數(shù)規(guī)律衰減,衰減十分迅速,3 s之內(nèi)靜電電位即從約1.0 kV衰減到0.1 kV以下;c.衰減后的電位值處于趨于零值的穩(wěn)定狀態(tài),實現(xiàn)與大地的等電位.

圖2 進口原油靜電衰減變化曲線

圖3 勝利原油靜電衰減過程變化曲線

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合的進口原油和勝利原油的靜電電位衰減規(guī)律分別為U(t)的單位為kV.由式(9)和(10)得進口原油和勝利原油的時間常量分別為0.637 s和0.793 s.

根據(jù)式(7)測出的進口原油和勝利原油的相對電容率分別為2.70和2.93.把τ和εr的值代入式(4)求得進口原油和勝利原油的電導率分別為3.75×10-11S/m和3.27×10-11S/m.

實驗測得的各種油品的相對電容率、時間常量和電導率的數(shù)據(jù)如表1所示.表2給出幾種石油產(chǎn)品的時間常量和電導率的變化范圍[9].對比表1和表2可看出:實驗所測得的10#柴油、航空煤油、93#汽油的電導率的數(shù)量級在10-13～10-12之間,符合輕質(zhì)餾分電導率的變化范圍;進口原油和勝利油田原油的電導率數(shù)量級為10-11～10-10之間,介于輕質(zhì)餾分與重油之間,符合石油這一包含重油和輕質(zhì)油烴類混合物的特點.

表1 實驗測得幾種油品的電導率

表2 幾種石油產(chǎn)品的電導率

5 結(jié)束語

基于靜電電位衰減規(guī)律的液體電導率測量方法,具有測量簡單易行、測量范圍大的特點,可測出數(shù)量級為10-11S/m以下的低電導率,為低電導率液體的電導率測量提供了有效的方法.

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[責任編輯: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

國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃(No.091042548);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(No.09CX04019A)

趙繼飛(1987-),男,山東濟南人,中國石油大學(華東)物理科學與技術(shù)學院2008級本科生.

指導老師:亓 鵬(1980-),男,山東泰安人,中國石油大學(華東)物理科學與技術(shù)學院講師,博士,主要從事壓電陶瓷材料研究.