УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЛЬТРУЕМОСТИ ЖИДКОСТИ

Устройство оснащено автоматическими средствами регистрации и вычисления, предназначено для определения показателя фильтруемость жидких сред, в частности, для определения коэффициента фильтруемости нефтепродуктов (топлив и масел) и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности для контроля технологических процессов нефтехимии, в автотранспортной отрасли для обеспечения двигателей внутреннего сгорания качественными нефтепродуктами, а также в пищевой отрасли для контроля качества ликеро-водочных изделий и пива. Фильтруемость относится к реологическим параметрам текучих сред, наряду с прокачиваемостью и вязкостью, измерение которых основано на истечении, при этом такие показатели можно трансформировать друг в друга.
Фильтрация - движение жидкости через пористую среду, сопровождающееся отложением или осаждением на фильтре взвешенных в жидкости частиц, в частности, для дизельного топлива посторонних включений. Скорость фильтрации пропорциональна так называемому гидравлическому уклону (градиенту); коэффициент пропорциональности в этой зависимости называется коэффициентом фильтрации. Скорость фильтрации жидкости при режиме ламинарного течения через пористую перегородку и отложившийся на ней осадок определяют по формуле:
2
где Δρ - перепад давления в фильтрующей перегородке и слое осадка, н/м;
2
µ - динамическая вязкость фильтрата, н·сек/м;
об.
2
r - сопротивление единицы объема пористого осадка, 1/м;
δ - толщина слоя осадка, м;
ф.п.
R - сопротивление фильтрующей перегородки, отнесенное к единице вязкости, 1/м;
2
R - общее сопротивление фильтрации, отнесенное к единице вязкости, складывающееся из сопротивления осадка и фильтрующей перегородки, 1/м.
В производственной практике исследование эксплуатационных свойств текучей жидкости путем определения их текучести выполняют измерением скорости истечения по длительности истечения заданного количества жидкости при прохождении через ограниченный участок прохождения, например, по калиброванной трубе, регистрируя датчиками контроля верхний и нижний уровни истечения.
2
1
3
3
3
Принятый метод испытания дизельного топлива по ГОСТ 19006-73 устанавливает определение коэффициента фильтруемости по изменению пропускной способности смоченного испытуемым продуктом фильтра при последовательном пропускании через него определенных количеств топлива, при этом истечение осуществляется в режиме ламинарного, вертикально направленного, свободно-гравитационного потока жидкости сверху вниз. За коэффициент фильтруемости К принимается отношение времени τ фильтрации последних 2 см, по истечении 45 см топлива, ко времени τ фильтрации первичных 2 см топлива, вычисляемое по формуле:
.
За итоговый результат испытания принимают среднее арифметическое двух определений, вычисляют с точностью до первого десятичного знака. Эксплуатационный показатель качества коэффициент фильтруемости характеризует степень загрязнения топлива для двигателей посторонними включениями, препятствующими подаче его в системе питания при работе дизельного двигателя. Допустимое значение коэффициента фильтруемости К для дизельных топлив не более 3, предпочтительно не более 2.
Известны устройства для определения параметров жидких сред, оснащенные автоматическими средствами регистрации и вычисления:
- содержащее вертикальную трубку, переходящую нижним концом в полую камеру, с размещенными на внешней поверхности трубки двух датчиков уровня, электрически связанных с блоком регистрации, выполненных в виде герконов, расположенных с интервалом и соединенных. с хронометром, и поплавок, расположенный внутри полой камеры, механически соединенный со штоком, имеющим магнит, выполненный на штоке с возможностью перемещения внутри трубки, двух капилляров, один снизу камеры, второй соединенный одним концом с верхней частью трубки, другой конец которого выполнен с возможностью погружения в анализируемую жидкость [Патент РФ №2029938, МПК G01N 11/06];
- содержащее вертикально установленный измерительный капилляр, на котором по высоте размещены два оптрона, соединенные посредством усилителя со схемой формирования импульса, характеризующего измеряемый параметр, а также измеритель времени и усилитель, выполненный в виде двух каналов формирования и стабилизации информационного сигнала, причем каждый канал подключен к одному из оптронов, а измеритель времени выполнен в виде счетчика импульсов и подключен к усилителю посредством схемы формирования импульса, характеризующего измеряемый параметр [Патент РФ №2080583, МПК G01N 11/06].
Известные устройства, позволяя автоматически измерять и регистрировать показатели жидкости, обладают тем недостатком, что не обеспечивают метод определения значения искомого показателя коэффициент фильтруемости по ГОСТ 19006-73, непригодны для формирования режима ламинарного истечения жидкости, обеспечивающего стандартную методику определения коэффициента фильтруемости, основанную на измерении скорости истечения путем измерения длительности истечения заданного количества испытуемой жидкости через ограниченный участок прохождения калиброванной трубки мерной и фильтр с заданными параметрами.
3
3
Стандартная методика определения коэффициента фильтруемости, цикл которой предусматривает, непосредственно до проведения каждого испытания нефтепродукта - снятия его показателей, необходимую и обязательную промывку жидкостного тракта аппарата, последовательно, нефтяным растворителем нефрас и испытуемой жидкостью (для смачивания фильтра), основывается на применении лабораторного аппарата типа УОФТ - устройство определения фильтруемости топлива (или аппарата типа ПФДТ - прибор фильтрования дизельного топлива), включающего вертикально закрепленную на штативе, заданного размера стеклянную калиброванную трубку мерную с нанесенными рисками, ограничивающими объем 2 см, и делительную воронку или колбу для подачи 45 см испытуемого топлива в калиброванную трубку мерную, которая герметично вставляется в фильтрующий узел, содержащий фильтрующую перегородку (фильтр) из бумаги фильтровальной марки БФДТ по ГОСТ 12068-66, имеющей тонкость отсева не более 3 мкм и толщину (0,33±0,03) мм, предварительно смоченную испытуемым продуктом, и выпускной кран. В производственных условиях на таком хрупком стеклянном приборе все операции, осуществляются вручную, используя наручный секундомер выполняются его запуск - остановка, визуальный контроль прохождения уровня истекающего топлива по стеклянной градуированной мерной трубке через риски и отсчет времени истечения, что требует лабораторных условий эксплуатации прибора [ГОСТ 19006-73].
3
Такой аппарат имеет низкую точность определения коэффициента фильтруемости, так как измерение продолжительности фильтрации первичной и конечной доз, заданных в количестве по 2 см, с отсчетом по рискам калиброванной трубки мерной, выполняется оператором (лаборантом) визуально (сопровождается влиянием параллакса), путем включения и выключения ручного секундомера, требует определенного напряжения как при отсчете и фиксации времени фильтрации, так и при расчете (вычислении) коэффициента фильтруемости по формуле.
Известен аппарат для определения реологических параметров жидких нефтепродуктов (прототип), пригодный для определения коэффициента фильтруемости по стандартной методике, содержащий калиброванную трубку, внутри которой размещен поплавок на штоке с возможностью линейного перемещения поплавка, и два формирующих импульсы оптрона, соответствующих верхнему и нижнему уровням испытуемой жидкости при истечении заданной дозы жидкого нефтепродукта через фильтрующий узел, с автоматической регистрацией продолжительности истечения, а так же питательный блок с узлом подачи вторичной дозы и воздухонагревателем, при чем подача жидкости в калиброванную трубку осуществляется сифонным питателем по сифонной трубке, под воздействием мягкого расширения воздуха, подогреваемого электронагревательным элементом, подаваемого таким образом по пневматическим каналам сифонного питателя, автоматический ход выполнения испытаний, подогрев воздуха, регистрация измерения продолжительности истечения и расчет численного значения коэффициента фильтруемости, обеспечиваются программным блоком управления и отражаются на табло прибора алфавитно-цифровой информации [Патент РФ №80574, МПК G01N 11/00, G01N 11/06].
Известное устройство имеет несколько усложненное конструктивное исполнение блока подготовки и подачи вторичной дозы испытуемой жидкости, - другим существенным недостатком конструкции, включая сочлененное с ним средство автоматизации, является то, что обязательная и необходимая по стандартному методу промывка жидкостного тракта аппарата, сперва нефрасом, а затем испытуемой жидкостью, фактически осуществляется по одной и той же, единой, схеме для испытания, что связано с затратами избыточного времени, связанного с промывкой, - непроизводительное время для подготовки аппарата к следующему испытанию жидкости.
Задачей предлагаемого технического решения является создание простой и надежной в эксплуатации конструкции аппарата, позволяющего, в автоматическом режиме, с достаточной точностью и достоверностью, определять коэффициент фильтруемости, обеспечивая применение стандартного (ГОСТовского) метода испытаний жидкого топлива и снижая время испытания.
Технический результат - надежная и не сложная конструкция устройства для определения коэффициента фильтруемости топлива для двигателей, обеспечивающая измерение времени фильтрации заданного количества жидкости и расчет величины коэффициента фильтруемости, в соответствии с государственным стандартом, в автоматическом режиме, с возможностями управления ускоренной промывкой прибора, и простого в эксплуатации.
1
2
3
Техническая задача решается тем, что устройство, содержащее измерительный блок с калиброванной трубкой, имеющий размещенные сверху узлы подачи первичной и вторичной доз испытуемой жидкости, а снизу фильтрующий узел с выпускным краном для истечения испытуемой жидкости, датчик уровня с оптронами, поплавок внутри трубки, жестко закрепленный на штоке, верхней частью шарнирно соединенным с релейным элементом на оси, образуя кинематическую связь с поплавком, обеспечивая бесконтактное взаимодействие оптического реле с формирующими импульсы оптронами индикации линейных перемещений, блок программного (электронного) управления, предназначенный для управления ходом определения заданного показателя качества жидкости, регистрации продолжительности истечения жидкости от верхнего до нижнего положений поплавка (линейные перемещения датчика уровня) и вычисления численных значений искомых параметров - показателя качества испытуемой жидкости, вход которого электрически связан с оптронами датчика уровня, прибор визуального отображения алфавитно-цифровой информации и акустический излучатель, дополнительно содержит, электрически связанный с программным блоком управления, электромагнитный (соленоидный) клапан оснащенный двухпозиционным (закрыт - открыт) одноходовым отсечным клапаном прямого действия, размещенным на переточном канале, обеспечивающим подачу жидкости из узла подачи вторичной дозы в измерительный блок, при этом в программном блоке управления выставлено два режима работы, включаемые нажатием переключателя «Режим»: «Анализ» - определение коэффициента фильтруемости; «Промывка» -подготовка аппарата к очередному испытанию промывкой жидкостного. тракта растворителем либо испытуемой жидкостью (при промывке программный блок управления исключает технологические (временные) операции режима анализ: «выдержка 120 с», «определение τ», «фильтрация 45 см», «определение τ», что сокращает время подготовки аппарата к очередному испытанию жидкости). Для обеспечения вертикальной установки калибровочной трубки аппарат оснащен регулировочными винтами и уровнем (на чертежах не указаны).
По сравнению с прототипом изъяты так же, теперь избыточные блоки и узлы: сифонный питатель, воздухонагреватель с электронагревательным элементом, пневматические каналы, клапанная крышка с проходным каналом, концевой выключатель, таймер, упрощен питательный блок подачи вторичной дозы, - при сохранении назначения и работоспособности устройства.
Аппарат может быть приспособлен для определения других реологических показателей текучих сред, используя способы измерения, основанные на истечении, например: прокачиваемость, вязкость - в качестве технического вискозиметра. Для определения вязкости в условных единицах, представляющей собой отношение времени истечения определенного количества испытуемой жидкости ко времени истечения такого же количества дистиллированной воды, в фильтрующем узле выставляют проточную трубку - капилляр, предварительно проградуировав программный блок управления (контроллер-вычислитель) по времени истечения эталонных жидкостей с известными значениями вязкости.
Техническое решение устройства поясняется на примерах его выполнения. На чертежах изображено:
фиг.1 - структурно-функциональная схема устройства;
фиг.2 - общий вид устройства: а) - вид спереди; б) - вид сбоку;
фиг.3 - питательный блок с электромагнитным клапаном;
фиг.4 - измерительный блок с датчиком уровня, в разрезе.
В состав устройства входят: узел фильтрующий 1, кран выпускной 2, узел подачи первичной дозы 3, блок измерительный 4, датчик уровня 5, блок подачи вторичной дозы 6, включающий узел подачи вторичной дозы 7, соленоидный клапан 8 имеющий отсечный клапан 9 и переточный канал 10, блок управления программный 11, переключатель режима 12, индикатор отображения алфавитно-цифровой информации 13, излучатель акустический 14, трубка калиброванная 15, поплавок 16 на штоке 17, релейный элемент 18, оптроны 19 (верхний, показан на фиг.4, и нижний), плата электронных элементов 20, при этом проточные элементы узла 7, переточного канала 10 с отсечным клапаном 9, узла 3, измерительного блока 4, фильтрующего узла 1 и кран 2 образуют жидкостной тракт.
Устройство при определении коэффициента фильтруемости дизельного топлива по методу ГОСТ 19006-73 работает следующим образом.
3
3
Режим «Анализ». В приемные сосуды заливают испытуемое дизельное топливо, узла подачи первичной дозы 3 в количестве 45 см, вторичной дозы 7 в количестве 50 см, при этом жидкость из узла 3 заполняет калиброванную трубку 15 измерительного блока 4. Далее технологические операции выполняются под управлением электронного программного блока 11. Звучит предупредительный звуковой сигнал излучателя 14, в нижней строке индикатора 13 высвечивается запись «откройте кран», после чего выпускной кран 2 устанавливают в положение открыто. Внутри калиброванной трубки происходит вертикально-осевое перемещение поплавка 16, приходит в движение кинематически связанная система шток 17 (поплавок 16) -релейный элемент 18, бесконтактно взаимодействующий с верхним оптроном 19 датчика уровня 5, электрически соединенного с блоком управления 11.
3
3
1
По прохождению через жидкостной тракт, образуемый проточными элементами узла 3 - измерительного блока 4 - фильтрующего узла 1 - крана 2, испытуемой жидкости (в объеме около 0,5 см), звучит сигнал, в нижней строке индикатора высвечивается запись «определение τ», начался отсчет времени фильтрации первичной дозы в количестве 2 см испытуемого топлива (для примера, эта стадия зафиксирована на табло индикатора 13, представленного фиг.2). По истечению первичной дозы в нижней строке индикатора появляется запись «подача топлива», поступает команда на соленоид 8, открывается отсечный клапан 9, испытуемая жидкость из приемного сосуда узла подачи вторичной дозы 7 по переточному каналу 10 поступает в приемный сосуд узла 3, и далее в измерительный блок 4, формируя, таким образом, жидкостной тракт, образуемый проточными элементами узла 7 - переточного канала 10 с отсечным клапаном 9 - узла 3 - измерительного блока 4 - фильтрующего узла 1 - выпускного крана 2, приходит в движение кинематическая система, в нижней строке индикатора высвечивается запись «фильтрация 45 куб. cm)), это означает, что происходит фильтрация вторичной дозы испытуемого топлива, при этом отсечный клапан 9 закрывается.
2
1
2
3
3
При фильтрации вторичной дозы и поступлению испытуемой жидкости из приемного сосуда узла 7, в нижней строке индикатора 13 высвечивается запись «определение τ», это означает, что происходит измерение времени фильтрации вторичной дозы в количестве 2 см топлива. По окончании фильтрации вторичной дозы, в нижней строке индикатора 13 высвечивается запись «анализ окончен», звучат три звуковых сигнала, программным блоком управления выполняются вычисления коэффициента фильтруемости (с точностью до второго десятичного знака), численное значение К. которого отображается в верхней строке индикатора 13, а также появляются численные записи продолжительности фильтрации, сек, τ первичной дозы 2 см и τ вторичной дозы 2 см испытуемого топлива.
Ход работы и его результаты, в зависимости от состояния, отображается записью на двустрочном индикаторе 13 в виде словесной и цифровой комбинации, предписывающего либо информационного характера:
1
2
1
2
«анализ», «откройте кран», «определение τ» либо «определение τ», «подача топлива», «фильтрация 45 куб. см», «анализ окончен», итоговый результат численных значений «К» и «τ/τ», а так же «промывка», «приоткройте кран», «промывка окончена», - сопровождаются предупреждающими звуковыми сигналами акустического излучателя 14, предполагающие, при необходимости, оперативное вмешательство лаборанта (оператора).
3
3
Режим «Промывка». При этом верхняя строка индикатора 13 высвечивает состояние «промывка». Заливают в приемные сосуды узлов подачи первичной 3 и вторичной доз 7 нефтяной растворитель, например нефрас С-80/120, либо предназначенное для испытания дизельное топливо, в количестве по 50 см, звучит звуковой сигнал, в нижней строке индикатора 13 высвечивается запись «приоткройте кран», приоткрытием выпускного крана 2, по каплям (или тонкой струйкой) устанавливают поток жидкости,. проходящий по жидкостному тракту. После, примерно минутной выдержки подается вторичный звуковой сигнал, предписывающий перекрыть выпускной кран 2, при этом в нижней строке индикатора 13 происходит замена на запись «подача топлива», по команде программного управления 11 соленоид 8 открывает отсечный кран 9 на переточном канале 10, растворитель промывки из приемного сосуда узла вторичной дозы 7 перетекает (подается) в приемный сосуд узла подачи первичной дозы 3, затем тройной звуковой сигнал излучателя 14 и запись «промывка окончена» на индикаторе 13 возвещают о завершении промывки системы. Открытием выпускного крана 2 растворитель (жидкое топливо) сливают, аппарат подготовлен для выполнения очередного испытания жидкости в режиме «Анализ».
Устройство надежно и просто в эксплуатации. Потребляемая мощность порядка 5 В·А, напряжение 220 В частотой 50 Гц. Масса аппаратуры порядка 10 кг, габариты в рабочем состоянии не превышают 0,25×0,25×0,75 м. Корпус, узлы и блоки устройства металлические, закреплены на единой металлической опоре, аппарат выполнен переносным, легко транспортируется и устанавливается для эксплуатации в любом месте.