CC BY
20
УДК 624.37.328
С. С. КОЛМОГОРОВА А. С. КОЛМОГОРОВ С. В. БИРЮКОВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
ООО «Автоматика-сервис», г. Омск
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ СЕНСОРОВ ТРЕХКООРДИНАТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ_
В статье рассматривается конструктивная разработка базовой модели электроиндукционного сферического однокомпонентного и многокомпонентного сенсора с чувствительными электродами в форме полых сферических сегментов, учитывающая промышленные условия измерения. Реализация моделей сенсоров выполнена в САПР SolidWorks. Практической целью исследования является получение обоснования оптимальных и допустимых геометрических форм чувствительных электродов, обеспечивающих лучшие метрологические характеристики измерителей напряженности электрического поля в различных условиях с широким диапазоном измерения для более рационального использования производственного потенциала.
Ключевые слова: электрическое поле, напряженность, сферический датчик, сенсор, чувствительный электрод, первичный преобразователь, измерения, электрометрия.
Введение. Измерения уровней электромагнитных полей и их контроль в промышленности на соответствие нормативным документам по электромагнитной безопасности выдвигают на передний план задачу электрометрических измерений в производственных условиях. В нефтегазовой промышленности электрометрические измерения присутствуют на каждом этапе производства, это и геологические задачи, и диагностика нефтегазопроводов, и исследование физико-химических и структурных свойств сырья и процессов переработки нефти.
Согласно исследованиям [1], касающимся геологии и геофизики нефти и газа, разработки нефтяных и газовых месторождений, проектирования, сооружения и эксплуатации систем трубопроводного транспорта, автоматика и вычислительная техника нефтегазовой отрасли, каждая технологическая цепочка включает электрометрические измерения. Уделяя особое внимание диагностике нефтегазопроводов и хранению нефти, было выявлено, что для этих целей применяются приборы с минимальной относительной погрешностью ±5 %. В работе [2] представлен обзор средств измерений (СИ), возможных для использования в процессе мониторинга электромагнитных полей (ЭМП), которые возникают при транспортировке нефти и газа по трубопроводам и при перевозке автотранспортом и по железной дороге. Согласно
данным, по утвержденным типам СИ Росстандарта [3] погрешность таких приборов также составляет ±5 — 20 %. Однако большая погрешность измерения ЭМП не обеспечивает гарантированной безопасности транспортировки нефти и газа. Повышение точности измерений возможно за счет использования сенсоров оригинальных конструкций, поскольку именно они дают значительный вклад в результирующую погрешность средства измерения. Поэтому разработка сенсоров ЭМП для целей контроля и диагностики нефтепроводов является актуальной задачей. Этому и посвящена данная статья.
Постановка задачи. Существующая необходимость в улучшении конструктивных и, как результат, метрологических характеристик сенсоров напряженности электромагнитных полей обязывает к применению более совершенных интеллектуальных методов в разработке конструкций сенсоров, позволяющих фиксировать три ортогональные составляющие вектора электромагнитного поля с возможностью применения не только в воздушных средах, но и при требуемом контроле за напряженностью электрических полей при транспортировке нефти и других диэлектрических жидкостей по трубопроводу и хранении в резервуарных парках. Ранее проведенный анализ физических эффектов, пригодных для построения высокоточных сенсоров напряженности, ЭМП позволяет выделить электроэлектрический эффект, основанный
т
1
Рис. 1. Схематическое изображения расположения в трубчатой секции датчиков (сенсоров) ЭМП в продольном разрезе: 1 и 3 — передающие датчики, 2 и 4 — принимающие, 5 — труба, 6 — направление потока. Модели выполнены в системе автоматизации проектных работ (САПР) 8оШШогкБ
на явлении электрической индукции [4]. Сенсоры, основанные на явлении электрической индукции, получили название электроиндукционных [4]. Существующие электроиндукционные трехкоординатные сферические сенсоры [5] имеют замкнутую систему чувствительных элементов, т.е. в их основе лежит проводящая сфера. Проводящая сфера, во-первых, из-за своего объема не позволяет измерять напряженность электрического поля в заданной точке пространства; во-вторых, за счет своей проводимости вносит искажения в измеряемое поле. Поэтому целесообразней для отмеченных целей использовать сенсоры с разомкнутой системой чувствительных элементов. Этому и посвящена данная работа.
Краткая теория. Несмотря на большое количество технических решений измерителей искажений электромагнитных полей (ЭМП) [2], большая часть из них предназначена для исследования характеристик электрических полей в воздушной среде, и лишь небольшая часть проводит электромагнитные измерения искажений (или потерь) [6] в средах с диэлектрической проницаемостью, не равной единице.
На рис. 1 иллюстрируется расположение датчиков в трубчатой секции в продольном разрезе. В данном примере передающие и принимающие
а)
б)
в)
г)
Рис. 2. Однокомпонентный датчик напряженности электрического поля в разрезе, с электродами в виде сферических сегментов, радиуса К углом 0 (широтный угол сферической системы координат), при различных диэлектрических проницаемостях корпуса (е1) и окружающей среды (е2): а) схематическое изображение сенсора; б) сенсор в разрезе; в) 3Б модель сенсора; г) диметрическая проекция схематической модели сенсора. Модели выполнены в САПР 8оШШогкэ
Рис. 3. Однокомпонентный датчик напряженности электрического поля с разнесенными элементами в форме полых сферических сегментов с учетом диэлектрической проницаемости корпуса, не совпадающей с диэлектрической проницаемостью окружающей среды: а) схематическое изображение однокомпонентного сенсора, б) триметрическая проекция сенсора в разрезе. Модели выполнены в САПР SolidWoгks
устройства расположены на противоположных сторонах трубопровода, направление потока обозначено стрелкой. Система способна принимать и передавать широкополосный сигнал (обычно в интервале 10 МГц — 4 ГГц) посредством системы сенсоров 1—4. Всю конструкцию трубы, показанную на рис. 1, рассматриваем как датчик.
Важным требованием к сенсорам ЭМП в текучих средах является не только надежность и высокая точность (±5 %), но и неитрузивность (то есть не создание возмущений в потоке).
Рассмотрим однокомпонентный сенсор, представляющий собой проводящий сферический сегмент с внешним радиусом Я, играющий роль чувствительного элемента толщиной t=R—r (г — внутренний радиус сферического сегмента), ограниченного широтным углом 61 (рис. 2 и рис. 3). При 61 = 90°. Сферический сегмент превращается в полусферу. Таким образом однокомпонентный сенсор представляет собой две полусферы, разделенные плоскостью электрической нейтрали, которая в однородном ЭП совпадает с плоскостью геометрической нейтрали (рис. 2). В однородно м ЭП по -лусферы (чувствительные элементы) оказываются заряженными равными по величине, но по мтивопо -ложными по знаку зарядами (рис. 2).
Величины, индуцированных на чувствительных элементах сенсора 5 (51 и 51') формируются внешним однородным полем и определяются выражением:
б м ДОп • ПО м ±Трг0грО2Е0
где ф — потенциал в месте расположения сферической оболочки, обусловленный внешним полем; 80 — диэлектрическая постоянная; 8г — относительная диэлектрическая проницаемость среды, окружающей сферу; Еп — нормальная составляющая напряженности ЭП на поверхности тонкой сферической оболочки чувствительного элемента. Таким образом, через нормальную составляющую напряженности ЭП на поверхности тонкой сферической оболочки чувствительного элемента можно найти поверхностную плотность индуцированного заряда на чувствительном элементе, а по ней с учетом выражения (1) электримеспиП змряд.
Нормальная составляющая напряженности ЭП на поверхности прово 2ящего изолированного сегмента (чувствительного элемент а), находящегося в однородном ЭП, рпредепхомс± известным выражением [8]:
ЕН(в)м-ТЕ0 с сов,
(3)
(1)
где а — повеохностная ппхтность индуцированного заряда; ПО мо2 sma• ПЭ • Пх — элемент сферической поверхности чувствительного эремента; 6 и ф — текущие широтнПШ и дблнотный углы сферической системы координат; 80 — диэлектрическая постоянная; 8г — мтносите;аная диэлектрическая проницаемость среды, окружающей сферу; Е0 — составляющая внешнего поля, перпендикулярная плоскости электрическоПо не±трвли.
Для тонкой сферическов обоночки рамиусн 22 с любой формой краев и слюбыми вырезамимож-но записать при П=-Г [В]:
Пх Т7
П = -Тровб-0 м 6оггДн,
Пг
(2)
где Е0 — модуль вектор- напряженднсти внешнего однорогого = П; — широтный угол сферической системы координат л двнт-тм; со впадаю щ дм с рен-пхом сферического СПхмента, отсритываемый от направления вектора Ер.
Вычисление двойного онтеграла (1) дает индуцированные ллектр—чллкит зоряды на поверхности чувствительного элемента с угловым размером 61 (ртс. 2) от составлрющм- вношоега -ЭП Е, Еу и Ех
Е)=т-ТрВоВрО2 оОН воЕг;
е2(ТР^)т-0; ОрЯг (Е е ) м а.
Таким образом, гоокозывается, что на чувствительном элементерн]тчирн] в рн]ородном поле ин-дуцирдется элемтррвесоийзарлд только от той составляющей вектоно радрнжяннсо о и ЭП, которая напрлвлена вдомд рдинатной оси и на которой расположен чувстви^ельраш элнмент.
Это свойство было положе но в остову постро-ери!- тртхколрдинатных сенсоров напряженности Э П (р и с. 4).
Следоватсяоро, ваяпоногая на трех координатных осях сенсора т]ти одинаковых чувствительных олемента, наснимен,с фонсе офтрического сегмента, то в однородном поле на них можно получить
89
а)
б)
Рис. С Модель многокомпонентного сферического (радиуса Я) датчика ЭМП с электродами в форме полых сферических сегментов 1-4:а)с разнесенными электродами;б) сведенныеэлектроды на диэлектрической то нкостед ной поверхности корпуса. Модели выполнены в САПР БоМШогк8
электрич ее кто заряды, протдрциональнит и трем т о-ставоющим з^е^наоро напдяж ен—дети ФП,
рх т -гце0егая2 5з:п21Иоагц а ар- = -гцяПгая 2эп2 ИоПа.;
РДг =2 -ГеСо язШ2 ееП ОД, В)
где Ех =г Е0 яее а, ДДз = Пп0 еое^ = д. = до соеу — ес^с^^^сав-ляющие вектдрс1-шряжтнностк ^=1)г з^едставляю-щае с-д«с)с:^ ороедцид мадудя втодора Ес внешнего однородново подя нд кдирдинасныо оси датчика X, У и2 совтвеостоднно; сое а , сое у и еса у — направляю щие косинусы, свяосуныт мяжоу соСой соотно-шенидм сое22 а + двс° у -с сое2 у = о [9]. р учетом этого геомотоаческао сумма вадуноо снсоыо с чуиддви-тельных элвмендов сонсора: расположенных на ко-ороимотным ocoмпpexкаoрдинреррсц энекьроиндус, ционного сферическоио датшка в однородном поле опрвмолнося выраженнем
E = kjQx + Q2y + Qk = 3=80sr sin2 Ö0E0 ,
(5)
где Г = Сцр0рз едь2ао — коэффициент пропорциональности; Е — мддудь вдктод)<о наи-джснности измеряемого ЭП.
Из вы-ажения (5) сле=ует, луо измеренная напряженность ЭП Е =домора;иональна модулю вектора внешндгт оннородадго олу Е0 и не зависит от ориентации трехкоординатного сенсора в пространстве ЭП.
При разработке маоематической модели функционирования се моо а од в уено их с-едах сразлич -ными диэлектрическими проницаемостями ввели коэффициент
Q = -Q
(6)
Как следует из вырдженио (д) длд многокомпонентных сенсоров (р яс. 4) производится измерение трех ортогональных сос тавляющих [10]:
E = . E2 - E2 - E2
(7)
Разработка математической модели использования однокомпонентных и многокомпонентных сенсоров текучих сред предполагается выполнить
в среде MAT LAB, поэтому в рамках данной статьи сделаем акцент на конструкции.
Моделируя многокомпонентный сенсор, полагаем, что измерения таким сенсором позволит избежать корректировки результирующего вектора от ориентации датчика в пространстве, что функционально невозможно в случае с расположением датчиков по рис. 1, поэтому многокомпонентный датчик является предпочтительным для дальнейшей проработки и использования.
Результаты проектирования. Проектируемую конструкцию можно использовать для проведения точного измерения расходов нефти, воды, газа, измерения скорости жидкости, измерения параметре ов компонентов потоков, а также использовать как устр ойство для технического диагностирования маг истрального трубопровода, а именно: для определения параметров, позволяющих выполнять контр оль техниче ского состояния и выявления причин неиспр авности магистрального трубопровода. Диагностические параметры, которые позволяют выполнять прогнозирование технического состояния магистрального трубопровода, также позволяют определять место на магистральном трубопроводе, которому соответствуют указанные измеряемые диагностические параметры контроля технического состояния и причин неисправности, помогают прогнозировать техническое состояние магистрального трубопровода.
Выводы и заключения. В результате проектирования конструкции сенсоров в различных средах еустановили оптимальные геометрические соотношения между различными элементами сенсора для получения результатов измерений требуемой точности, определения характеристик поля. Данные относительно возможностей и точности практического решения сформулированы для применения в электрометрических измерениях нефтегазовой промышленности.
Библиографический список
1. Научные исследования, проводимые в РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина, для решения задач нефтегазовой отрасли России // Под ред. В. Г. Мартынова. М., 2014. 240 с. URL: http://www.gubkin.ru/departaments/scientific_activity/files / Tsepochki.pdf (дата обращения: 10.04.17).
ОП
2. Колмогорова С. С., Бирюков С. В. Обзор существующих датчиков и средств измерения напряженности электростатического поля. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. 22 с. Деп. в ВИНИТИ 22.11.2011, № 504-В2011.
3. Росстандарт. Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений. URL: http://www. fundmetrology.ru/ (дата обращения: 16.03.2017).
4. Бирюков С. В. Измерение напряженности электрических полей в диэлектрических средах электроиндукционными датчиками. Методы и средства измерений: моногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. 196 с.
5. Пат. № 106959 Российская Федерация, МПК G01R 29/14. Датчик измерения напряженности электростатического поля / С. В. Бирюков, С. С. Колмогорова. № 2011110185/28; заявл. 17.03.2011; опубл. 27.07.2011, Бюл. № 21. 2 с.
6. Пат. 2348905 Российская Федерация, МПК G 01 F 1/74 (2006.01) G 01 N 22/00 (2006.01). Измеритель расхода и способ измерения расхода многофазной текучей среды / ВЕЕ Арн-стейн. № 2006124233/28; заявл. 09.12.2004; опубл. 10.03.2009, Бюл. № 7. 2 с.
7. Поливанов К. М. Теоретические основы электротехники. В 3 т. М.: Энергия, 1975. Т 3. 207 с.
8. Миролюбов Н. Н., Костенко М. В., Левинштейн М. Л. [и др.]. Методы расчёта электростатических полей. М.: Высшая школа, 1963. 415 с.
9. Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1972. 874 с.
10. Колмогорова С. С., Бирюков С. В. Математическая модель изотропного трехкоординатного электроиндукционного сферического датчика напряженности электростатического поля // Ползуновский вестник. 2011. № 3-1. С. 15 — 18.
КОЛМОГОРОВА Светлана Сергеевна, кандидат технических наук, преподаватель кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).
КОЛМОГОРОВ Аркадий Сергеевич, ведущий инженер ООО «Автоматика-сервис», г. Омск. БИРЮКОВ Сергей Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Физика» ОмГТУ.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 10.04.2017 г. © С. С. Колмогорова, А. С. Колмогоров, С. В. Бирюков
УДК 681.2.°84 Е. В. ЛЕУН
А. В. ШУЛЕПОВ
АО «Научно-производственное предприятие им. С. А. Лавочкина», Московская область, г. Химки Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,
г. Москва
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА САПФИРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ НАКОНЕЧНИКОВ ДЛЯ ПРИБОРОВ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ РАЗМЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ
„ 3 о
В статье представлены результаты экспериментальных исследований механи- > ческого контактирования сапфирового стержня с вращающейся пятизубой фрезой в режиме, близком к активному контролю ее диаметра. Показано, что сапфировый стержень выдерживает подобные циклические ударные нагрузки, а износ его поверхности соответствует режиму пластичного удаления материала. Отмечается появление локальных зон металлизации от контакта с фрезой. Для повышения износостойкости предложена конструкция составного измерительного наконечника с введением защитного покрытия. Обсуждаются современные высокопрочные материалы для этого покрытия.
Ключевые слова: измерительный наконечник, прибор активного контроля, контактные измерения, сапфир, диоксид циркония, трещиностойкость.
Введение. В 2015 году впервые было разработа- маз, сапфир, рубин и других материалов [1]. Позже и
но семейство приборов активного контроля (ПАК) это направление получило дальнейшее развитие Е
размерных параметров изделий с использованием в работах [2 — 5]. Например, в работе [4] представ-
измерительных наконечников (ИН) из высокопроч- лены разработанные 3 типа приборов с использо-
ных оптически прозрачных материалов из ряда: ал- ванием сапфировых ИН, реализующие контактные
