基于MEMS技术的燃油静电测量技术研究

2020-09-10李向明李玉芳

内燃机与配件 2020年4期

李向明　李玉芳

摘要：燃油在管道内流动时与燃油系统中的附件接触，使燃油及其流经的附件产生静电并蓄电。通过对燃油在管道内流通时的静电产生机理进行研究，采用MEMS技术和非接触式测试技术，实现了燃油静电测量。

Abstract： When the fuel flows in the pipeline， it contacts with the accessories in the fuel system， so the fuel and the accessories that it flows through generate static electricity and store electricity. The static electricity measurement of the fuel is realized by using the MEMS technology and non-contact testing technology， based on the study of the mechanism of the static electricity generated by the fuel that flowing in the pipeline.

关键词：油箱;静电;MEMS;测量

Key words： fuel tank;static electricity;MEMS;measurement

0 引言

燃油是介电系数较大的物质，它既能通过摩擦产生静电，又能蓄电。燃油在输油管道内流动容易产生静电，当带有静电的燃油注入储油装置时，电荷会发生积累，可使储油装置内的静电电位达到数万伏特。当带有电荷的燃油进入储油装置后，如果电位差达到20kV时就会发生放电现象，并产生火花。当火花能量达到或大于周围油料最小点火能量0.2MJ[1]，或燃油蒸汽在空气中的浓度或含量在爆炸极限范围内（航空汽油蒸汽体积浓度占空气1%-6%;航空煤油蒸汽体积浓度占空气1.4%～7.5%）就会立刻发生爆炸。因此，需要对加油过程中的燃油静电进行监控和测量。

1 燃油静电产生机理及特点

由于燃油中含有一定量的水分和杂质以及燃油在输送过程中燃油和输油管道及管道内附件会产生相对运动，从而产生符号相反的电荷[2]，燃油主要的起电形式有流动起电、冲刷起电、沉降起电、喷射起电等。当燃油在输油管道中因为压力差的作用而流动时，扩散层上的电荷被冲刷下来而随燃油作定向运动形成电流，称为冲流电流。冲流电流大小等于单位时间内通过管道横截面上被冲刷下来的电量。冲流电流使管路一端有较多的正电荷。于是管道两端出现电位差，称为冲流电位。在储油装置顶部注油时，油柱落下的时候燃油对储油装置或油面发生冲击，引起飞沫、气泡和雾滴而带电。当燃油溅泼在非油浸润的固体上时，燃油滚动，使固体带上一种符号的电荷，燃油上带另一种符号的电荷，这种现象称为溅泼起电[3]。溅泼起电主要原因是液滴落在固体表面，在接触界面产生双电层，液滴的惯性使液滴在固体表面上继续运动，这样液滴带走了扩散层上的电荷而带电，固定层上电荷留在固体表面而带另一种符号的电荷，因此，燃油和固体就分别带上了等量而异号的电荷。

由于输油管道一般为导体，管道上带的電荷很容易泄漏到大地中或通过放电装置释放到空气中，但燃油的电导率一般比较低，燃油中带的静电荷很难及时泄漏掉，电荷会在燃油中积累形成沉积静电[4]，产生静电危害。输油管道及油箱中静电具有以下特点：

①静电的产生、积累和消散都是看不见摸不着的，不易引起人们的注意;

②静电放电具有瞬时性，当静电积累到一定程度后，会发生瞬时放电引起危害;

③燃油具有易燃易爆性，有时油箱中会因为一个静电放电，产生静电火花，从而引起火灾爆炸事故。

2 燃油静电测量原理

为避免静电测量传感器与燃油接触时产生放电现象，因此需采用非接触法进行测试，通过探测燃油携带静电荷产生的电场，实现对燃油的静电荷密度及静电电压的测量。在管道内，取任意一段长度为d的管道，根据高斯定理：

其中，E为管道内电场，方向垂直于管道内表面。Q为任意一段管道的带电荷总量，ε0为真空介电常数。假设管道内电荷均匀，则公式（1）可变为：

其中，r为管道半径，V为管道中心电位，ρ为管道内电荷密度，从而得：

3 基于MEMS技术的燃油静电测量方案

3.1 测量方案

在燃油管道中或储油装置内安装测量传感器。传感器主要包括静电敏感芯片、检测电路及杆球式感应探头，见图1、图2。其中，杆球式感应探头与传感器外壳之间通过绝缘材料隔离，球头位于管道中心或储油装置中，用于感应管道中心电压或储油装置内。静电敏感芯片与感应探头不接触，二者之间存在一段干燥空气。当燃油带电，电荷通过杆球式感应探头传送到末端，静电敏感芯片通过感应电荷产生的电场，实现燃油带电检测。采用非接触方法检测，并通过密封保持内部空气干燥，能够有效避免静电传导及静电放电，保证燃油输送系统的安全。检测电路采取本安设计，用于为静电传感器提供激励信号，并将静电传感器的输出信号解调为数字串口信号输出。

3.2 信号处理

静电监测传感器采用12V～36V宽电压量程供电，输出为数字串口接口，容易与其他设备集成，信号抗干扰能力强。可采用串口服务器将多路传感器输出信号整合为一路网络信号，与信号处理计算机进行集成，见图3。同时，传感器输出信号接口可根据需求调整为TTL电平、CAN总线等。

3.3 MEMS电场传感技术

采用MEMS电场传感技术进行燃油静电检测，采用隔爆封装一体化设计，体积小、易安装、功耗低，易集成，安全可靠[6]。该传感技术基于非接触式原理探测，可避免电路系统与燃油直接接触，造成静电放电危险。

基于MEMS技术的微结构电场传感器敏感元件工作原理见图4（a），传感器敏感结构扫描电镜照片见图4（b）。传感器的屏蔽电极接地，在激励电压驱动下，激励电极带动屏蔽电极以频率ω水平振动[7]，周期性遮挡感应电极。感应电极表面的感应电荷量发生周期性改变，产生感应电流，此电流幅值与被测电场幅值成正比，测量此电流值即可达到测量被测静电场的目的。

电场敏感元件双路微弱电流信号经过I/V转换、差分放大、滤波等低噪声预处理后，提供给数字信号处理电路进行电场信号提取和传输。电场传感器的解调电路见图5。

3.4 测试应用

采用MEMS传感测量技术对某系统燃油加油过程中的静电累积情况进行测量，测量结果见图6。

4 结论

基于MEMS技术的燃油静电测量，采取非接触式探测及隔爆封装一体化设计，体积小、易安装、功耗低，易集成、无可动机械磨损部件、抗干扰能力强、安全可靠。通过实际应用，为燃油静电测试提供了更快捷方便的测量方案。

参考文献：

[1]石日昕.飞机地面压力加油系统静电安全设计[J].价值工程，1996（08）：42-43.

[2]李银林.飞机静电场特性极其探测原理[J].探测与控制学报，1994，21（4）：46-49.

[3]徐金华.飞行器沉积静电效应及防护研究[J].电子产品可靠性与环境试验，2006（2）：11.

[4]张文添.喷射航空煤油过程中静电起电实验研究[J].广东工业大学学报，2011（9）：1.

[5]方震华.微电子机械系统（MEMS）技术在军用设备中的应用现状[J].电子机械工程，2010，26（4）：1-2.

[6]董叶梓.MEMS传感器技术及其在海洋观测中的应用[J].信息技术，2013（4）：141.