Исследование параметров емкостного уровнемера установки для определения температурного коэффициента объемного расширения нефтепродуктовов

Шувалов Геннадий Владимирович; Половинкин Валерий Николаевич; Минин Игорь Владиленович; Минин Олег Владиленович; Мамонов Анатолий Алексеевич; Клековкин Иван Владимирович; Ясырова Ольга Александровна

УДК 62-641

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЕМКОСТНОГО УРОВНЕМЕРА УСТАНОВКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ОБЪЕМНОГО РАСШИРЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВОВ

Геннадий Владимирович Шувалов

ФГУП «СНИИМ», 630004, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова, 4, кандидат технических наук, и.о. директора, тел. (383)210-17-26, e-mail: shuvalov@sniim.ru

Валерий Николаевич Половинкин

ФГУП ГНЦ «ЦНИИ имени академика А.Н. Крылова», 196158, Россия, г. Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44, доктор технических наук, профессор, референт научного руководителя - директора, тел. (383)210-17-26

Игорь Владиленович Минин

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: prof. minin@gmail. com

Олег Владиленович Минин

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: prof. minin@gmail. com

Анатолий Алексеевич Мамонов

ФГУП «СНИИМ», 630004, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова, 4, начальник сектора, тел. (383)210-17-26

Иван Владимирович Клековкин

ФГУП «СНИИМ», 630004, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова, 4, зам. начальника лаборатории, тел. (383)210-12-65, e-mail: klekovkin@sniim.ru

Ольга Александровна Ясырова

Омский институт водного транспорта ФГБОУ ВПО «НГАВТ», Россия, г. Омск, ул. Ивана Алексеева, 2, доцент кафедры физики, тел. (3812)31-89-29, e-mail: 300520@mail.ru

В статье рассмотрены вопросы экспериментального исследования параметров емкостного уровнемера установки измерения температурного коэффициента объемного расширения нефтепродуктов для метрологического обеспечения измерения их количественного учета.

Ключевые слова: нефтепродукты, коэффициент объемного расширения, измерения.

RESEARCH OF PARAMETERS OF THE CAPACITOR LEVEL GAUGE OF INSTALLATION FOR DETERMINATION OF TEMPERATURE COEFFICIENT OF THE NEFTEPRODUKTOVOV VOLUME EXPANSION

Gennady V. Shuvalov

Federal State Unitary Enterprise SNIIM, 630004, Russia, Novosibirsk, 4 Dimitrov Ave., Cand. Tech. Sci. of sciences, acting director, tel. (383)210-17-26, e-mail: shuvalov@sniim.ru Valery N. Polovinkin

Federal State Unitary Enterprise GNTs «Central research institute of a name of the academician A.N. Krylov», 196158, Russia, St. Petersburg, 44 Moskovskoye Highway, the Dr.Sci.Tech., professor, the assistant of the research supervisor - the director, tel. (383)210-17-26

Igor V. Minin

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotny St., Ph.D., Prof. of Department Metrology and Technology of Optical Production chair, tel. (383)361-07-45, email: prof.minin@gmail.com

Oleg V. Minin

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotny St., Dr.Sci.Tech., professor of Metrology and Technology of Optical Production chair, tel. (383)361-07-45, e-mail: prof.minin@gmail.com

Anatoly A. Mamonov

Federal State Unitary Enterprise SNIIM, 630004, Russia, Novosibirsk, 4 Dimitrov Ave., chief of sector, tel. (383)210-17-26

Ivan V. Klekovkin

Federal State Unitary Enterprise SNIIM, 630004, Russia, Novosibirsk, 4 Dimitrov Ave., deputy chief of laboratory, tel. (383)210-12-65, e-mail: klekovkin@sniim.ru

Olga A. Yasyrova

Omsk institute FGBOU VPO «NGAVT's» water transport, Russia, Omsk, 2 Ivan Alekseev St., associate professor of physics, tel. (3812)31-89-29, e-mail: 300520@mail.ru

In article questions of a pilot study of parameters of the capacitor level gage of installation of measurement of temperature coefficient of volume expansion of oil products for metrological ensuring measurement of their quantitative account are considered.

Key words: oil products, coefficient of volume expansion, measurement.

Определение температурного коэффициента объемного расширения нефти и нефтепродуктов в условиях низких температур является весьма актуальным при создании метрологического обеспечения учета количества нефтепродуктов. Был предложен метод определения температурного коэффициента объемного расширения нефтепродуктов / с помощью емкостного низкотемпературного уровнемера, когда объем расширенного нефтепродукта определяется путем измерения электрической емкости конденсатора [1].

Ранее в [1] было показано, что рабочая формула для расчетов / будет иметь вид

1 С - С

/ = к-—• , (1)

AT е-1 V ^

где К - нормируемый коэффициент.

Конструкция уровнемера (первичного преобразователя) выполняет функцию определения высоты подъема диэлектрической восприимчивости

вытесняемой жидкости через косвенные измерения электрической емкости уровнемера при различных схемах его подключения к измерителю емкости. Рассмотрим третий сомножитель уравнения измерения /.

С - С £ -1

(2)

отн

где с - начальное значение электрической емкости уровнемера; с2 - значение электрической емкости после нагрева; £отн - относительная диэлектрическая проницаемость измеряемого нефтепродукта.

Поскольку выражение ( £отн -1 ) является ничем иным как диэлектрической восприимчивостью у, то преобразуем его, с учетом (8), до следующего вида

С£ - С

£ - 1 = у = С-С0 . (3)

отн / ^ V /

С0

Обозначим основную (суммарную емкость) пустого уровнемера до обнуления потенциала части уровнемера, используемой для определения е

как С0, тогда С0 в выражении (3) будет иметь вид С0 = С1 - С0.

При заполнении уровнемера нефтепродуктом изменится как его основная емкость до значения с2 , так и та часть, которая используется для определения е.

Это изменение, по аналогии с вышесказанным, выразится как

С£ = С - С0

а выражение для диэлектрической восприимчивости будет иметь вид

У = (С2 - С1 ) - (С2 - С1 ) (4)

У С - с° ■ ()

Таким образом, сомножитель уравнения измерения / будет содержать только значения емкостей первичного преобразователя при различных схемах его подключения к измерителю емкости, соответствующих различным температурам нефтепродукта.

(С2 - С1 )(С1 - С1 ) (5)

(С^СИСГС0) ■ ()

Следовательно, для определения / в каждом интервале температурной шкалы необходимо знать четыре значения электрической емкости первичного преобразователя уровнемера: С1;С2;С";, соответствующих различным состояниям уровнемера. Поскольку в выражении (5)

используются исключительно разности емкостей, примерно на порядок меньшие, чем сами емкости, то к измерителю емкости предъявляются довольно высокие требования к точности и стабильности показаний. В наших исследованиях использовались самые точные автоматические цифровые измерители Р5083 и МНС-1100 класса 0,01-0,02 %. В табл. 1 представлены результаты исследований стабильности показаний измерителя емкости Р5083 в течение 8 ч, при стабильности температуры в помещении ДТ = ±2 °С и измерение рабочего эталона емкости Р597 с номинальной емкостью, примерно равной начальному значению уровнемера, т.е. Сном ~ 100 pF.

Таблица 1

Определение стабильности показаний измерителя емкости Р5083

№ п/п С', рр с среднее, рр (с, - Ср )2 " / Ч2 Ъ(С1 - СР) ,=1

1 100,041 100,045 1,610-5 3,97^10-4

2 100,041 1,610-5

3 100,059 1,96^10-4

4 100,055 110-4

5 100,041 1,610-5

6 100,041 1,610-5

7 100,041 1,610-5

8 100,046 110-6

9 100,041 1,610-5

10 100,043 4^10-6

Примечание. Измерения проводились при частоте 1000 Гц и температуре Т = 19 °С.

Оценим стандартную неопределенность приведенного ряда измерений иЛ по типу А, выраженную в абсолютных единицах.

иА =

± С - Ср )2

- ' - '3'97-10-4 = 2,1.10-3

п(п -1) V 90 что составляет относительную стандартную неопределенность

и\ = = 21 •10 Рр = 2,1.10.

А Ср 100,045рр

Кроме измерителя емкостей достаточно заметный вклад в общую стандартную неопределенность ^УА в целом, вносят коммутируемые и сменные элементы уровнемера (внутренние электроды).

Г в Л

Как указывалось ранее [2], с целью оптимального выбора пары — ,

V л)

были изготовлены четыре сменных внутренних электрода (л) для работы с одним внешним электродом (в).

Результаты исследований случайных погрешностей, возникающих при смене электродов и коммутации (при обнулении потенциала вспомогательного внешнего электрода), приведены в табл. 2 - 5.

Для системы электродов, представленной в табл. 2, ил, выраженная в

-5

абсолютных единицах, равна 6,6-10 рЕ, что составляет относительную

ттТ9 6,6 -10 -3 рЕ л л п стандартную неопределенность иТ =-= 4 -10

-3

16,237рЕ

Таблица 2

Результаты исследований случайных погрешностей (электроды 24/23 «латунь-латунь»)

4

№ изм п/п С, рЕ с" рЕ А г = С - со рЕ А * рЕ А -А 1 ср рЕ (А 1 -А ср )2 рЕ2 £ (А 1 -А Ср )2 П=1 рЕ 2

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1 181,765 165,533 16,232 -5-10-3 25-10-6

2 181,675 165,465 16,210 -27-10-3 729-10-6

3 181,833 165,603 16,230 16,237 -7-10-3 49-10-6 1292-10-6

4 181,853 165,608 16.245 -8-10-3 64-10-6

5 181,878 165,620 16,258 -19-10-3 361-10-6

6 181,850 165,605 16,245 -8-10-3 64-10-6

Таблица 3

Результаты исследований случайных погрешностей (электроды 24/22 «латунь-латунь»)

№ изм п/п Сх рЕ со рЕ А1 = С - со рЕ А ср рЕ А -А 1 ср рЕ (А 1 -А ср )2 рЕ2 £ (а 1 -А ср )2 п=1 рЕ2

1 92,891 85,008 7,883 -6,833'10-3 4,668-10-5

2 92,888 85,001 7,887 -2,833-10-3 8,0275-10-6

3 92,917 85,026 7,891 7,88983 -1,1667'10-3 1,3610-6 1,12810-4

4 92,905 85,013 7,892 -2,1667-10-3 4,6946-10-6

5 92,944 85,055 7,889 -8,333 • 10-3 6,944-10-7

6 92,983 85,086 7,897 -7,167-10-3 5,136-10-5

Таблица 4

Результаты исследований случайных погрешностей (электроды 24/22 «латунь-дюраль»)

№ изм п/п С1 рр С0 р¥ А г = С -С0 С1 С1 рр А * рр А -А / ср рр (А, -Аф)2 р¥2 £ (А, -А , )2 И=1 р¥ 2

1 93,052 85,153 7,899 -3,5-10-3 1,225-10-5

2 93,053 85,154 7,899 -3,5-10-3 1,225-10-5

3 93,095 85,190 7,905 7,9025 -2,5-10-3 6,25-10-6 4,35'10-5

4 93,102 85,196 7,906 -3,5-10-3 1,225-10-5

5 93,110 85,207 7,903 -5-10-4 2,5-10-7

6 93,108 85,205 7,903 -5-10-4 2,5-10-7

Таблица 5

Результаты исследований случайных погрешностей (электроды 24/19,2 «латунь-дюраль»)

№ изм п/п С1 рр С0 С1 рр А г = С -С0 рр А * рр А -А / ср рр (А , -А ср )2 рр2 £ (а , -А , )2 И=1 рр2

1 40,210 37,140 3,070 -1-10-3 1-10-6

2 40,171 37,102 3,069 -2-10-3 4-10-6

3 40,209 37,138 3,071 3,07 0 1-10-5

4 40,221 37,150 3,071 1 0

5 40,221 37,149 3,072 -1-10-3 1-10-6

6 40,167 37,094 3,073 -2-10-3 4-10-6

Для системы электродов, представленной в табл. 3, иЛ, выраженная в

-5

абсолютных единицах, равна что составляет относительную

стандартную неопределенность и™ = 1,9 10 Рр = 2,5. 10-4.

7,9 рр

Для этой системы электродов и , выраженная в абсолютных единицах,

равна 1,2^10-рБ, что составляет относительную стандартную

ттТП 1,16 -10~3 рр _ _ 4

неопределенность иТ11 = --— = 1,5 -10 4.

7,9 рр

Для этой системы электродов и , выраженная в абсолютных единицах,

равна 5,7^10-4рБ, что составляет относительную стандартную

5,7-104рр лплп 4

неопределенность иТ12 = —-— = 1,9 -10 4.

3,1 рр

Приведенные в табл. 2, 3, 4, 5 результаты исследований различных комбинаций рабочих пар электродов свидетельствуют, что наименьшая

относительная неопределенность и у пары с диаметрами 24/22, выполненной из разнородных материалов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Шувалов Г. В., Мамонов А. А., Ясырова О. А. Образцовые средства измерений коэффициента объемного расширения и плотности нефтепродуктов // Датчики и системы. -2012. - № 6. - С. 27-29.

2. Шувалов Г. В., Мамонов А. А., Гапонов Ю. А., Клековкин И. В., Ясырова О. А. Разработка приборов для определения коэффициента объемного расширения и плотности нефтепродуктов // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Материалы 11-ой международной конференции АПЭП-2012, 2-4 октября 2012. - Новосибирск, 2012. - Т. 3. -С. 13-15.