DETEKCJA WODY W OLEJU NAPĘDOWYM PRZY POMOCY

Piotr ZAPRAWA
DETEKCJA WODY
W OLEJU NAPĘDOWYM
PRZY POMOCY
TOMOGRAFU POJEMNOŚCIOWEGO
STRESZCZENIE
W artykule przeanalizowano możliwości detekcji
zawartości wody w oleju napędowym oraz przedstawiono wyniki
pomiarowe otrzymane przy pomocy czteroelektrodowego tomografu
pojemnościowego.
Słowa kluczowe: tomografia, DSP
1. WSTĘP
Jednym z podstawowych paliw kopalnych wykorzystywanych w motoryzacji jest ropa naftowa. W drodze rafinacji otrzymuje się między innymi takie
paliwa, jak olej napędowy oraz benzynę. Paliwami tymi zasila się silniki spalinowe, które w ostatnich latach muszą spełniać coraz surowsze normy emisji
spalin. Dodatkowo ograniczanie zużycia paliwa oraz ciągłe podnoszenie mocy
silników spalinowych powoduje, że ich konstrukcja jest coraz bardziej skomplikowana i wrażliwa na jakość paliwa.
mgr inż. Piotr ZAPRAWA
e-mail: [email protected]
Instytut Elektrotechniki, Oddział w Gdańsku
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 243, 2009
60
P. Zaprawa
Woda zaznacza swoją obecność w paliwach węglowodorowych w ciągu
całego procesu technologicznego, jakiemu poddawana jest ropa naftowa. Ma to
miejsce począwszy od momentu wydobywania jej z szybu naftowego, kiedy
wypompowana jest mieszanina ropy, zasolonych wód gruntowych, gazów oraz
cząstek stałych. Ze względu na to, że przesyłanie rurociągami i statkami
ogromnych ilości zanieczyszczeń jest bezcelowe, przed podjęciem czynności
transportowych większość z nich zostaje usunięta.
Do zanieczyszczania ropy dochodzi także podczas procesów rafinacji,
z tą jednakże różnicą, że jest to najczęściej działanie zamierzone i wykonywane
w ściśle określonym celu. Tak na przykład, przez dodawanie wodnych roztworów wodorotlenków, neutralizuje się obecność kwasów. Wodę dodaje się również w celu przeprowadzenia tzw. procesu odmywania, który polega na dodawaniu stałej ilości wody z jej jednoczesnym odbieraniem. Dzięki temu udaje się
skutecznie usuwać wodę w obecności emulgatorów. Na różnym etapie procesów rafinacji dodaje się także wodę w postaci pary wodnej.
Do zanieczyszczenia paliwa może dojść także podczas transportu oraz
magazynowania. Jednym z takich problemów jest skraplanie się pary wodnej
w zbiornikach paliwa. Zjawisko to występuje zawsze wtedy, gdy do zbiornika
dostaje się wilgotne powietrze, które skrapla się na jego ścianach pod wpływem
różnicy temperatur. W przypadku dopuszczenia do zaniedbań ze strony obsługi
stacji benzynowej i niewykonania okresowego odwadniania zbiornika, może
dojść do zebrania się na tyle dużej ilości wody, że zostanie ona wpompowana
do zbiornika paliwa w samochodzie.
Woda jako produkt cięższy utrzymuje się w dolnej części zbiornika paliwa
w samochodzie. Podczas jego opróżniania paliwo zasysane jest z wysokości
2 lub 3 cm. Gdy poziom wody będzie wystarczająco duży, woda zostanie zassana i wprowadzona do przewodów paliwowych za pośrednictwem pompy
paliwa. W konsekwencji może dojść do skutecznego unieruchomienia silnika.
Jednym ze sposobów rozwiązania problemu obecności zanieczyszczeń,
takich jak woda, może być zwiększenie nacisku na kontrolę jakości paliwa,
począwszy już od etapu produkcji. Można to zrealizować poprzez zamontowanie na przewodach rurowych układów wykrywających obecność wody.
2. UKŁAD POMIAROWY
Do przeprowadzenia eksperymentu użyty został prototyp czteroelektrodowego tomografu pojemnościowego (rys. 1) [3].
Detekcja wody w oleju napędowym przy pomocy tomografu pojemnościowego
61
Rys. 1. Układ pomiarowy w aplikacji
wykrywającej wodę w oleju napędowym
Układ ten składa się z przewodu rurowego wykonanego z pleksi o długości 1 m oraz średnicy 10 cm. Grubość ściany przewodu wynosi około 5 mm.
Na przewodzie rurowym zainstalowano zestaw czterech elektrod połączonych
z dedykowanymi modułami kontrolno-pomiarowymi. Wszystkie elektrody otoczone są ekranem elektrostatycznym. Na rysunku 2 przedstawiony został uproszczony schemat układu pomiarowego.
Rys. 2. Przekrój poprzeczny czteroelektrodowego układu pomiarowego
(schemat poglądowy)
Każdy moduł kontrolno-pomiarowy podłączony jest do pojedynczej elektrody. W celu zapewnienia synchronizacji wszystkich układów, są one połączone także między sobą. Dodatkowo wszystkie moduły połączone są także
z komputerem osobistym.
Do przewodu rurowego doprowadzone są dodatkowe dwa przewody
łączące go ze zbiornikiem zawierającym medium. W zależności od wysokości
umieszczenia zbiornika wymiana płynów następuje pod wpływem siły grawitacji.
62
P. Zaprawa
3. MIESZANINA OLEJU NAPĘDOWEGO I WODY
Podczas eksperymentu jako medium użyto mieszaniny wody z olejem
napędowym. Ze względu na to, że jest to mieszanina niestabilna elektrodynamicznie, podlega ona procesowi rozkładu. Możliwe stany tego rozkładu
przedstawione zostały na rysunku 3.
Rys. 3. Kolejne stany rozkładu mieszaniny wody z olejem napędowym
Istnieją dwa zasadnicze warianty przebiegu rozpadu emulsji wody i oleju
napędowego. Pierwszy z nich związany jest z przejściem przez stany flokulacji
oraz koalescencji aż do osiągnięcia separacji faz. Drugi natomiast związany jest
z bezpośrednim przejściem emulsji w stan śmietankowania, w którym cięższe
cząsteczki wody zbierają się w dolnej części zbiornika, tworząc osad w postaci
gęstej zawiesiny.
Podczas eksperymentu przebadano medium jedynie w stanie separacji
faz. Wynikało to głównie z tego, że był to stan stabilny elektrodynamicznie.
Przeprowadzenie eksperymentu w pozostałych fazach rozpadu związane byłoby z trudnościami technicznymi, brakiem możliwości zatrzymania procesu rozpadu oraz wynikający z tego brak powtarzalności wyników.
W niniejszej pracy ograniczono się do przebadania jedynie oleju napędowego. Ze względu na swoje cechy, jako medium zastosować można także
oleje. Wynika to bezpośrednio z dużego podobieństwa obu substancji z punktu
widzenia niestabilności mieszaniny oraz podobnej dysproporcji wartości przenikalności dielektrycznej.
Detekcja wody w oleju napędowym przy pomocy tomografu pojemnościowego
63
4. WYNIKI
W badanej aplikacji przewód rurowy został wypełniony olejem napędowym (rys. 4). W trakcie eksperymentu do układu wprowadzano niewielkie
ilości wody i analizowano zachowanie się układu.
Rys. 4. Czteroelektrodowy tomograf pojemnościowy
Rys. 5. Rekonstrukcja obrazu zawartości
przewodu rurowego wypełnionego olejem
napędowym z niewielką domieszką wody
Na rysunku 5 przedstawiono wyniki rekonstrukcji obrazu zawartości przewodu rurowego. Na jego podstawie można jednoznacznie stwierdzić, że prototyp działa prawidłowo i jest w stanie wykryć nawet niewielkie ilości wody
w oleju napędowym.
5. OGRANICZENIA I MOŻLIWOŚCI
Przedstawiony układ zawiera niewielką liczbę elektrod. Zaletą takiego
rozwiązania jest uproszczona konstrukcja układu, natomiast wadą – jego ograniczenia. Do ograniczeń tych zalicza się przede wszystkim duży udział powierzchni zajmowanej przez pojedynczą elektrodę w stosunku do obwodu przewodu
rurowego. W układzie z czterema elektrodami dochodzi ona do 25%. W konsekwencji, w zależności od orientacji przewodu rurowego względem ustabilizowanego przepływu dwufazowego (rys. 6a i 6b), dokładność pomiarów może się
zmieniać.
64
P. Zaprawa
b)
a)
Rys. 6. Właściwa orientacja osi symetrii ustabilizowanego
przepływu dwufazowego względem rozmieszczonych elektrod
może a) zmniejszyć lub b) zwiększyć błąd pomiaru w związku
z występowaniem obszarów nieczułości
W ustabilizowanym przepływie dwufazowym (o orientacji jak na rysunku 6b)
niewielka ilość wody nie spowoduje istotnej zmiany rozkładu pola elektrycznego w przewodzie rurowym. Tym samym ilość wody w przewodzie nie
zostanie prawidłowo określona. Natomiast dla przypadku jak na rysunku 6a,
nawet niewielka ilość wody znacząco zmieni pojemność układu dwóch sąsiednich elektrod. Przy tej samej zawartości wody, zmiana orientacji z rysunku
6a na 6b spowoduje znaczącą zmianę otrzymanych wyników. Błąd pomiaru
będzie tym większy, im większa będzie powierzchnia elektrod. W celu określenia wielkości objętości zawierającej się we wnętrzu pojedynczej elektrody, przy
założeniu nieskończenie małej odległości pomiędzy sąsiednimi elektrodami,
wyprowadzono zależność (1) (gdzie χ to ogólna liczba elektrod).
⎛Π⎞
⎛Π⎞
Π − χ ⋅ cos⎜⎜ ⎟⎟ ⋅ sin⎜⎜ ⎟⎟
⎝χ⎠
⎝ χ ⎠ , χ = 2… ∞
Π⋅χ
(1)
Przedstawiona zależność odzwierciedla maksymalną objętości cieczy,
jaka zawiera się w obszarze pojedynczej elektrody. Dla czteroelektrodowego
tomografu pojemnościowego dla najgorszego przypadku wielkość ta kształtuje
się na poziomie 9%. Charakterystyka zmian objętości w zależności od liczby
elektrod została przedstawiona na rysunku 7.
Na podstawie zależności (1) oraz charakterystyki z rysunku 7 można
stwierdzić, że największa dokładność wystąpi przy liczbie elektrod zmierzającej
do nieskończoności. W celu określenia optymalnej liczby elektrod, jaką należałoby uwzględnić:
• wymaganej, minimalnej odległości między sąsiednimi elektrodami;
Detekcja wody w oleju napędowym przy pomocy tomografu pojemnościowego
65
• minimalnej wartości pojemności zapewniającej stabilność pracy układu1)
podczas stymulacji;
• rozdzielczości rekonstruowanego obrazu.
Rys. 7. Charakterystyka maksymalnej
wartości objętości medium, jaka może
się zawrzeć w obszarze pojedynczej
elektrody
Rekonstrukcja obrazu realizowana jest poprzez określenie koloru
poszczególnych jego pikseli. Obraz opisany jest macierzą o rozmiarach 20x20
w którą wpisany jest przekrój przewodu rurowego. W przedstawionej aplikacji
ogranicza to użyteczną ilość pikseli do 292 a dokładność do 0,34% na każdy
piksel obrazu.
Realizacja pomiarów substancji dwufazowych, w którym występuje znaczna dysproporcja pomiędzy procentowym udziałem każdej z nich, ma także
pewne zalety. Mianowicie niewielka ilość wody, która posiada znacznie większą
przenikalność dielektryczną od oleju napędowego, w rozwarstwionej mieszaninie, wpływa głównie na zmianę pojemności tylko sąsiadujących elektrod.
W związku z tym istnieje możliwość takiego skonfigurowania układu, aby zastosowane zostały tylko dwie elektrody o konstrukcji grzebieniowej (rys. 8).
Rys. 8. Grzebieniowa konstrukcja układu z dwiema elektrodami
1) Ograniczenie sprzętowe obecne są tylko w konfiguracji wymagającej realizacji przełączeń
modułu kontrolno-pomiarowego pomiędzy stanem pomiaru a stymulacji.
66
P. Zaprawa
W tej konfiguracji, w układzie mierzona jest tylko jedna pojemność, która
bezpośrednio odpowiada zawartości wody w oleju napędowym. Dla bardzo
małej względnej szerokości poszczególnych elementów składowych elektrod,
otrzymamy układ zachowujący się analogicznie do wieloelektrodowego tomografu pojemnościowego. Zaletą tej konstrukcji jest przede wszystkim:
• ograniczenie ilości układów kontrolno-pomiarowych do jednego;
• wyeliminowanie ograniczenia związanego z minimalną wartością pojemności wymaganej podczas stymulacji poprzez rezygnację z dynamicznego przełączania układu kontrolno-pomiarowego;
• możliwość zastosowania prostego algorytmu rekonstrukcji obrazu;
• bardzo krótki czas pomiaru.
Przedstawione rozwiązanie charakteryzuje się także tym, że minimalna
szerokość elektrod może być bardzo mała – ograniczona jest jedynie względami mechanicznymi.
LITERATURA
1. Isaksen Ø., A review of reconstruction techniques for capacitance tomography, Meas. Sci.
Technol. 7 325, 1996.
2. Yang W. Q., Scott A. L., Beck M. S.: High frequency and high resolution capacitance
measuring circuit for process tomography. IEE, 1994.
3. Zaprawa P.: Tomograf pojemnościowy do zastosowań przemysłowych. Prace Instytutu
Elektrotechniki, zeszyt 236, str. 87-97, 2008.
Rękopis dostarczono dnia 27.10.2009 r.
Opiniował: dr hab. inż. Stefan F. Filipowicz – prof. PW
THE WATER DETECTION IN GASOLINE
USING A CAPACITANCE TOMOGRAPHY
P. ZAPRAWA
ABSTRACT
In article the posibilities of water detection in
gasoline was shown and experimental results of using four electrodes
capacitance tomography was presented.
Detekcja wody w oleju napędowym przy pomocy tomografu pojemnościowego
Mgr inż. Piotr Jerzy ZAPRAWA – ur. 1975 r. Ukończył
Wydział Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej
o specjalności Napęd Elektryczny i Energoelektronika. Od 1999
roku pracuje w Oddziale Instytutu Elektrotechniki w Gdańsku na
stanowisku asystenta w Pracowni Napędów i Sterowania.
67
68
P. Zaprawa