РОТАЦИОННЫЙ ВИСКОЗИМЕТР

Полезная модель относится к контрольно-измерительной и аналитической технике, предназначенной для измерения физико-механических свойств исследуемых жидкостей, в частности, к устройствам для измерения реологических характеристик буровых растворов.
Известен ротационный вискозиметр, включающий плиту, стойку с установленной на ней панелью, на которой закреплено основание с измерительным устройством, состоящим из неподвижного наружного цилиндра, коаксиально расположенного в нем внутреннего измерительного цилиндра, установленного на измерительном валике, привода и датчика угла поворота внутреннего цилиндра, связанного с блоком индикации, расположенных в корпусе, причем привод внутреннего цилиндра осуществляется от электродвигателя через коробку передач, систему взаимосвязанных дисков, стоек, траверс и двух расположенных одна внутри другой пружин разной жесткости (Авторское свидетельство СССР №1363017 А1, дата приоритета 29.07.86, дата публикации 30.12.87, авторы: А.Н. Пирогов и др., RU).
Недостатками известного аналога являются низкие эксплуатационные качества, обусловленные:
- конструктивной сложностью системы измерения крутящего момента;
- недостаточной оперативностью из-за ручной настройки включения пружин;
- ограниченным диапазоном изменения скоростей вращения;
- измерением только одного параметра исследуемой жидкости с относительно невысокой точностью.
Известен также ротационный вискозиметр ВСН-3, принятый в качестве прототипа, состоящий из корпуса, измерительной системы, привода и стакана для испытуемой среды, установленного на телескопическом столике, а принцип работы измерительной системы, включающей подвесной цилиндр, гильзу, шкалу и пружину основан на измерении момента сил вязкого трения в буровом растворе, возникающего в кольцевом зазоре между двумя цилиндрами при вращении гильзы от привода и закручивающего подвешенный на пружине внутренний цилиндр, связанный со шкалой (http://teplozond.ru/promyvochnye-zhidkosti-i-tamponazhnye-rastvory/vyazkost.html, дата просмотра 09.02.2016, прототип).
Прототип имеет следующие эксплуатационные недостатки:
- во-первых, конструкция прибора достаточно габаритна в связи с массивным закрытым корпусом, в котором смонтированы все механизмы вискозиметра, и, к тому же, требует значительного внимания при измерении показателей бурового раствора путем визуального считывания данных со шкалы;
- во-вторых, исследования связаны с дополнительными затратами по подготовке бурового раствора в связи с необходимостью прохождения стандартной системы очистки, в результате чего снижается достоверность результатов, так как исследуется не тот раствор, который находится в скважине, а его отфильтрованная часть;
- в-третьих, при измерении жидкостей различной тиксотропной структуры необходимо устанавливать различные струны-пружины, что повышает трудозатраты при подготовке вискозиметра к работе;
- в-четвертых, низкая точность измерения, обусловленная неизбежными погрешностями при использовании одних механических средств в измерительной системе.
Задачей полезной модели является улучшение эксплуатационных качеств ротационного вискозиметра путем упрощения его конструкции и повышения точности измерений.
Для решения поставленной задачи в ротационном вискозиметре, включающем корпус с установленным в нем приводом, измерительную систему, содержащую коаксиально установленные цилиндры с возможностью вращения от привода, связанные со средствами измерения, и емкость для испытуемой жидкости, согласно полезной модели, корпус установлен на стойке с плитой в основании, с возможностью вертикального перемещения и фиксации, в корпусе на его основании установлен электродвигатель с цифровым управлением скорости вращения, а с нижней стороны к основанию корпуса присоединен посредством замкового захвата неподвижный наружный цилиндр, внутри которого расположен измерительный цилиндр с вертикальными насечками и валом, соединенным через муфту с валом электродвигателя, при этом емкость для испытуемой жидкости, в которую помещены цилиндры, установлена на плите в основании стойки, измерительная система дополнительно содержит ваттметр, включенный в электрическую цепь питания электродвигателя для регистрации потребляемой мощности на преодоление сопротивления жидкости вращению измерительного цилиндра, датчик температуры испытуемой жидкости, причем выход ваттметра и датчик температуры электрически связаны с установленной в корпусе платой управления с программным обеспечением, осуществляющей управление оборотами электродвигателя, сбор данных с ваттметра, датчика температуры и встроенного в электродвигатель датчика оборотов, преобразование этих данных с помощью программного обеспечения в крутящий момент, скорость сдвига, вязкость, динамическое и статическое напряжение сдвига, и вывод результатов измерений на дисплей, установленный на корпусе и связанный с платой управления, при этом на корпусе также расположен связанный с платой управления кнопочный блок управления, включающий кнопку для включения/выключения электродвигателя, кнопку выбора скорости вращения измерительного цилиндра, кнопку вывода результатов измерений на принтер, для подключения которого в нижней части корпуса расположен двойной порт с возможностью подключения через него персонального компьютера для внешнего управления вискозиметром.
Согласно полезной модели, корпус снабжен П-образным креплением на его стенке с винтовым фиксатором, взаимодействующим со стойкой, при этом в боковинах крепления выполнены отверстия, охватывающие стойку.
Согласно полезной модели, к корпусу снизу прикреплен стопор, взаимодействующий с Г-образным пазом, выполненным в верхней части наружного цилиндра и образующим со стопором замковый захват.
На фиг. 1 схематично представлен ротационный вискозиметр, общий вид; на фиг. 2 показана функциональная схема управления ротационным вискозиметром.
Ротационный вискозиметр содержит плиту 1 с установленной на ней стойкой 2, на которой с возможностью вертикального перемещения и фиксации установлен корпус 3, снабженный П-образным креплением 4 типа скобы на его стенке с винтовым фиксатором 5. При этом в боковинах П-образного крепления выполнены отверстия, охватывающие стойку, а винтовой фиксатор 5 установлен в резьбовом отверстии скобы. В корпусе 3 на основании 6 установлен электродвигатель 7 с цифровой регулировкой скорости вращения вала, например шаговый электродвигатель, а снизу на корпусе с помощью замкового захвата зафиксирован с возможностью снятия неподвижный наружный цилиндр 8, снабженный в верхней части Г-образным пазом 9, в который заведен прикрепленный снизу к основанию 6 корпуса стопор 10, образующий с Г-образным пазом 9 замковый захват. Приводной вал 11 через муфту 12 и вал 13 соединен резьбовым соединением с измерительным цилиндром 14, выполненным с вертикальными насечками. При этом неподвижный наружный цилиндр 8 и внутренний измерительный цилиндр 14 погружены в емкость 15, заполненную исследуемой жидкостью, в которую помещен датчик температуры 16.
На лицевой панели корпуса установлен выключатель питания 17. В электрическую цепь питания электродвигателя 7 встроен ваттметр 18, регистрирующий изменение мощности в зависимости от сопротивления исследуемой жидкости вращению измерительного цилиндра 14, причем выход ваттметра соединен с установленной в корпусе платой управления 19, которая также связана с датчиком температуры 16. Плата управления 19 осуществляет управление оборотами электродвигателя, сбор и преобразование данных с ваттметра 18 и датчика 16 с помощью программного обеспечения в параметры качества бурового раствора, в частности, в крутящий момент, скорость сдвига, вязкость, динамическое и статическое напряжение сдвига, а также осуществляет вывод результатов измерений на дисплей 20, установленный на лицевой панели корпуса. Кроме того, на лицевой панели корпуса также расположен связанный с платой управления 19 кнопочный блок управления, включающий кнопку 21 для включения/выключения электродвигателя, кнопку 22 выбора скорости вращения измерительного цилиндра, кнопку 23 вывода результатов измерений на принтер 24, а в нижней части корпуса расположен порт 25 для подключения принтера 24, либо персонального компьютера 26 для внешнего управления вискозиметром.
Ротационный вискозиметр работает следующим образом.
При подготовке к работе измерительный цилиндр 14 соединяют с валом 13, который через муфту 12 соединяют с приводным валом 11. На основании 6 корпуса фиксируют неподвижный наружный цилиндр 8 посредством Г-образного паза 9 и стопора 10, и опускают корпус вниз для погружения наружного 8 и измерительного 14 цилиндров в заранее подготовленную емкость 15 с исследуемой жидкостью, в которую помещают датчик температуры 16. Корпус 3 фиксируют на стойке 2 винтовым фиксатором 5.
Прибор подключают к электрической сети, выбирают необходимую скорость вращения с помощью кнопки 22 и кнопкой 21 запускают двигатель 7. При пуске электродвигателя 7 приводной вал 11 через муфту 12 и вал 13 приводит во вращение измерительный цилиндр 14. За счет вязкого трения в исследуемой жидкости на наружной поверхности измерительного цилиндра 14 с вертикальными насечками возникает сопротивление вращению, пропорциональное величине затрачиваемой мощности на вращение измерительного цилиндра 14.
Затрачиваемая мощность регистрируется на ваттметре 18, с последующим преобразованием ее посредством платы управления 19 и программного обеспечения в крутящий момент, скорость сдвига, вязкость, динамическое и статическое напряжение сдвига, которые в определенном масштабе выводятся на экран дисплея 20. Данные с датчика температуры 16 также передаются на плату управления и затем выводятся на дисплей.
Для получения указанных параметров качества бурового раствора измерения могут проводиться в диапазоне скоростей от 0,01 об/мин до 1200 об/мин. Погрешность измерений при этом минимальная, так как она не включает составляющую, зависящую от угла поворота измерительного цилиндра.
Преимущество заявляемого ротационного вискозиметра по сравнению с известными аналогами заключается в улучшении эксплуатационных качеств за счет упрощения конструкции в связи с более рациональной системой измерения, исключающей измерительную пружину, шкалу, коробку передач и механизмы, увеличивающие габарит; за счет обеспечения одновременного измерения не менее трех параметров качества бурового раствора; обеспечения визуализации результатов на экране и внешнего управления вискозиметром с персонального компьютера; а также за счет выполнения измерений с меньшей погрешностью.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, основан на указанных преимуществах и заключается в упрощении конструкции ротационного вискозиметра и повышении точности измерений.