DETEKCJA WODY W OLEJU NAPĘDOWYM PRZY POMOCY TOMOGRAFU POJEMNOŚCIOWEGO

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: pzaprawa@iel.gda.pl 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 a) b) 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 układu 1) 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 67 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.

68 P. Zaprawa