Шариковый вискозиметр
BALL VISCOMETER

Область техники
Изобретение относится к измерительным приборам, а именно к вискозиметрам с падающим шариком, и может быть использовано для измерения вязкости жидкости, в частности, нефти или водонефтяной эмульсии, в лабораторных условиях.
Уровень техники
Известен вискозиметр, предназначенный для определения вязкости пластовой нефти и вод (раскрыт в источнике: Мамуна В. Н., Требин Г. Ф., Ульянинский Б. В. Экспериментальное исследование пластовых нефтей //М.: ГОСИНТИ. – 1960). Известный вискозиметр представляет собой выполненный из немагнитной стали цилиндр, помещенный в термостатирующую рубашку. В верхней части цилиндра установлен проходной штуцер, через которых происходит заполнение прибора. Внутри цилиндра помещена трубка из немагнитной стали, в которой может перемещаться стальной шарик. Цилиндр снабжен электромагнитом, позволяющим удерживать шарик в крайнем верхнем положении, а в момент отключения электромагнита шарик начинает движение вниз по трубке. Время прохождения шарика измеряется электросекундомером.
Известен вискозиметр высокого давления, раскрытый в АС СССР №1742675 (дата приоритета: 23.10.1989, МПК G01N11/10). Известный вискозиметр содержит корпус с установленной внутри него калиброванной трубкой, шарик из магнитного материала, термостатирующую рубашку, индуктивный датчик, связанный со схемой регистрации, вентиль, узел сброса шарика, источник постоянного тока и переключатель. Узел сброса шарика образован одной из катушек индуктивного датчика и седлом вентиля, причем индуктивный датчик расположен на термостатирующей рубашке.
Известен вискозиметр, раскрытый в патенте РФ на полезную модель №174494 (дата приоритета: 14.07.2017, МПК G01N11/10). Известный вискозиметр содержит корпус, в котором размещены калиброванная трубка с размещенным внутри нее шариком из ферромагнитного материала и сосуд, соединенный с трубкой через запорное устройство. Упомянутый сосуд снабжен устройствами для заполнения исследуемой жидкостью и ее слива, выпуска газа из сосуда. Корпус установлен на держателе, выполненным с возможностью поворота корпуса вокруг поперечной оси калиброванной трубки. Вискозиметр также содержит средство регистрации положения шарика в калиброванной трубке, которое снабжено электронным блоком регистрации времени движения шарика от одного до другого датчика.
Известно устройство для измерения вязкости веществ, раскрытое в патенте РФ на полезную модель №183434 (дата приоритета: 29.12.2017, МПК G01N11/00). Устройство включает цилиндрическую стеклянную трубку с контрольными рисками, комплект измерительных шариков, датчики индуктивного типа, которые выдают электрический сигнал на блок измерения времени при прохождении шариком контрольных рисок. Измерительные шарики выполнены стеклянными, имеют внутри металлические вставки в виде ферромагнитных шариков.
Известно устройство для измерения коэффициента вязкости прозрачных жидкостей, раскрытое в патенте Китая № 109253945 (дата приоритета: 23.11.2018, дата публикации: 22.01.2019, МПК G01N11/12). Известное устройство содержит измерительную камеру с размещенной внутри нее измерительной трубкой, предназначенной для заполнения исследуемой жидкостью, шарик и средство регистрации положения шарика в упомянутой трубке, при этом измерительная трубка выполнена прозрачной, а средство регистрации положения шарика в трубке представлено по меньшей мере одним видеозаписывающим устройством – прототип.
Общим недостатком известных аналогов является недостаточно широкий диапазон измерения вязкости жидкости, что обусловлено физическими свойствами используемых в представленных выше вискозиметрах металлических шариков. Шарики из металла характеризуются высоким значением удельной плотности, соответственно, обладают большей массой в сравнении с аналогичными шариками из материалов с более низкой плотностью, поэтому довольно быстро перемещаются вниз по трубке, заполненной пробой с низковязкой жидкости, что не позволяет достичь высокой точности измерения вязкости для низковязких жидкостей.
Раскрытие сущности изобретения
Техническая задача, положенная в основу настоящего изобретения, заключается в точном измерении вязкости для маловязких жидкостей.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в расширении рабочего диапазона вискозиметра.
Дополнительный технический результат – расширение рабочего диапазона вискозиметра при давлении на несколько порядков выше атмосферного.
Изобретение раскрывает шариковый вискозиметр, содержащий измерительную камеру с размещенной внутри нее прозрачной измерительной трубкой, предназначенной для заполнения исследуемой жидкостью, шарик и средство регистрации положения шарика в упомянутой трубке, представленное по меньшей мере одним видеозаписывающим устройством. В отличие от прототипа измерительная камера соединена с горизонтальным валом, способным вращаться вокруг его продольной оси, а шарик выбран из набора из нескольких шариков, каждый из которых имеет различную плотность и диаметр, при этом в одной из стенок измерительной камеры выполнено по меньшей мере одно обзорное отверстие, обеспечивающее доступность внутреннего пространства измерительной камеры для видеозаписывающего устройства, каждое видеозаписывающее устройство установлено на кронштейне, закрепленном на одной из стенок камеры, а измерительная камера снабжена фронтальной и фоновой подсветкой измерительной трубки.
Дополнительные преимущества и существенные признаки настоящего изобретения могут быть представлены в следующих частных вариантах осуществления.
В частности, измерительная трубка выполнена из сапфира.
В частности, измерительная трубка выполнена толстостенной.
В частности, шарик выполнен из стали.
В частности, шарик выполнен из полимерного материала.
В частности, стенки измерительной камеры выполнены светонепроницаемыми.
В частности, измерительная трубка размещена внутри внешней прозрачной трубки, предназначенной для заполнения теплоносителем. Внешняя прозрачная трубка может быть выполнена с возможностью соединения с жидкостным термостатом.
В частности, измерительная трубка выполнена с возможностью подключения к насосу для заполнения исследуемой жидкостью под давлением.
В частности, измерительная камера выполнена сборно-разборной, может быть образована двумя фланцами, стянутыми посредством шпилек и гаек с шайбами.
В отличие от известных аналогов в настоящем изобретении использованы шарики, выполненные из материалов с различной плотностью, при этом не обязательно из ферромагнитного материала. Использование шариков из материалов с относительно низкой плотностью и, соответственно, массой при сохранении тех же габаритов, что и для металлических шариков, позволяет исследовать жидкости, в отношении которых известно, что они являются маловязкими. Использование сапфировой трубки в качестве позволяет, во-первых, обеспечить визуальный контроль ее содержимого, а во-вторых, обеспечить требуемую прочность для проведения замеров вязкости при высоком давлении.
Регистрируемое вискозиметром значение вязкости пробы зависит от времени прохождения шарика в направлении от верхней до нижней точки измерения. Шарик продвигается в жидкости в направлении вниз под действием силы тяжести. Уменьшение массы шарика влечет за собой снижение скорости его движения. Характер обтекания шарика жидкостью становится ламинарным, исключающим пульсации, беспорядочные быстрые изменения скорости и давления. При движении шарика в низковязкой жидкости на большой скорости наблюдается турбулентность внутри пробы, что вносит неопределенность в фактические замеры. Таким образом, предложенное выполнение шариков позволяет снизить нежелательные явления в ходе проведения измерений, которые приводят к погрешностям. Соответственно, достигаются более точные значения для вязкости в случае маловязких жидкостей, что приводит к расширению рабочего диапазона вискозиметра.
Следует отметить, что исследуемая жидкость может содержать твердые включения, которые могут также исказить результаты исследования. Например, шарик может застревать, перемещаясь в жидкости. По этой причине шарики в наборе выполняют характеризующимися не только разной плотностью, но и разным диаметром. При этом выбор формы падающего тела – шарика, также является существенным. Аналогичные тела иной формы, например, цилиндрической, будут подвержены влиянию твердых включений на их движение сильнее, чем в случае с телом с формой шара.
При этом положение ферромагнитного шарика внутри трубки возможно определить при помощи датчика Холла. В случае с использованием шарика из иного материала датчик Холла не сработает. Поэтому целесообразной является регистрация перемещения шарика посредством визуального контроля, который может обеспечить видеозаписывающее устройство, в частности, видеокамера. Для того чтобы визуальный контроль стал возможен, трубка, предназначенная для размещения в ней исследуемой жидкости, выполнена полностью прозрачной.
Для того чтобы обеспечить требуемые условия по температуре и давлению в вискозиметре применены следующие конструктивные решения. Трубка для исследуемой жидкости имеет толстые стенки, выполнена из сапфира. Это позволяет обеспечить работу при высоком давлении, исключив разрушение трубки. Помимо этого, упомянутая трубка помещена во внешнюю стеклянную трубку, через которую при эксплуатации вискозиметра циркулирует теплоноситель с постоянной температурой, обеспечиваемой внешним нагревательным термостатом. Таким образом, для измерительной трубки обеспечивается внешняя жидкостная терморубашка.
Для того чтобы обеспечить точное расположение измерительной камеры под требуемым углом наклона и быстрый переворот измерительной камеры, в вискозиметре предусмотрено решение, включающее вал, способный вращаться вокруг своей продольной оси, и серводвигатель с редуктором, связанный с валом посредством ременной передачи.
При исследовании патентной и научно-технической литературы не были выявлены технические решения, идентичные совокупности существенных признаков настоящего изобретения. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности «Новизна».
При этом не выявлены решения, отличительные признаки которых приводят к результату, обеспечиваемому настоящим изобретением. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Изобретение может быть осуществлено без каких-либо противоречий законам природы и знаний о них, следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».
Признаки и задачи изобретения будут более подробно раскрыты при описании варианта осуществления настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
Вариант осуществления описан с ссылкой на следующие чертежи:
– ФИГ.1а и ФИГ.1б иллюстрируют общий вид вискозиметра;
– ФИГ.2а и ФИГ.2б иллюстрируют измерительную камеру вискозиметра.
Описание варианта осуществления изобретения
Вискозиметр состоит из измерительной камеры 1, соединенной с горизонтальным валом 2. Вал 2 установлен на подшипниках вращения внутри обоймы 3 и связан с серводвигателем 4 посредством ременной передачи. Шкивы и ремень ременной передачи установлены на вертикальной опоре обоймы 3, закрытой кожухом 5. Серводвигатель 5 обеспечивает точное позиционирование измерительной камеры 1 в пространстве и снабжен редуктором 6, обеспечивающим плавный переход механической энергии от серводвигателя 4 на вал 2 через ременную передачу. Обойма 3 установлена на стойках 7.
Измерительная камера 1 выполнена сборно-разборной и образована двумя фланцами 81, 82 с выполненными в их поверхностях радиальными впадинами и выступами, позволяющими зафиксировать в них горловые части внешней трубки 9 и измерительной трубки 10, размещенной внутри трубки 9. Фланцы 81, 82 стянуты посредством шпилек 11 и гаек 12 с шайбами. Внешняя трубка 9 выполнена из прозрачного кварцевого стекла и служит в качестве терморубашки для трубки 10. В качестве трубки 10 использована прозрачная толстостенная сапфировая трубка. Сапфировую трубку подбирают таким образом, чтобы ее механические характеристики позволяли выдерживать высокие давления, в условиях которых исследуются пробы жидкости. Для обеспечения циркуляции рабочих сред через трубки 9, 10 внутри фланца предусмотрены сквозные каналы, сообщаемые с внешними устройствами через штуцеры 13, 14, 15, 16, 17. Штуцеры 13, 14 для ввода рабочих сред и штуцеры 16, 17 для вывода рабочих сред расположены на противоположных фланцах 81 и 82. Штуцеры 15 для обеспечения протока теплоносителя через внешний нагревательный термостат 18 размещены на том же фланце 8, что и штуцеры 13, 14.
Для подведения к измерительной камере 1 внешних гидравлических систем могут быть использованы гибкие гидравлические трубки, по которым жидкая рабочая среда попадает внутрь камеры 1 под давлением, обеспечиваемым насосом. Гидравлическая трубка для подачи исследуемой пробы может быть скручена в спираль и располагаться внутри вала 2. Поскольку камеру 1 в ходе эксплуатации вращают, переворачивают на валу 2, то такое исполнение гидравлической трубки позволяет подавать жидкость внутрь камеры 1 непрерывно. Гидравлическая трубка для подачи теплоносителя также выполнена гибкой и подведена к камере 1 через полость внутри вала 2. Это позволяет развести трубки для разных сред между собой.
Стенки камеры 1 выполнены светонепроницаемыми. На одной из стенок камеры 1 закреплены кронштейны 19, предназначенные для установки на них видеокамер 20. Для обеспечения возможности регистрации положения шарика внутри трубки 10 в стенке с кронштейнами 19 выполнены обзорные отверстия, позволяющие проводить съемку пространства внутри камеры 1. В частности, могут быть использованы две видеокамеры 20, ведущие съемку пространства вблизи противоположных горловых частей трубок 9, 10. Подсветка внутреннего пространства камеры 1 обеспечивается светодиодами, причем предусмотрена фронтальная подсветка с источником света со стороны видеокамер в направлении трубок 9, 10 и фоновая подсветка в направлении трубок 9, 10 от источника света, выставленного противоположно источнику фронтальной подсветки. Свет фоновой подсветки рассеян через оптический рассеиватель. Параметры фронтальной и фоновой подсветки регулируются независимо для обеспечения баланса света и, соответственно, требуемой четкости изображения на видеокамерах 20.
Доступ внутрь трубки 10 может быть обеспечен посредством торцевых заглушек 21 и 22, которые позволяют загрузить нужный шарик 23 в рабочую камеру, а также промыть измерительную камеру 1. Люк 24, выполненный в одной из стенок камеры 1 позволяет провести визуальный осмотр измерительной камеры 1.
Вискозиметр также содержит систему управления, позволяющую контролировать температуру, проводить замеры в автоматическом режиме.
Давление в вискозиметре создается и поддерживается внешним источником давления.
Вискозиметр используют следующим образом.
В ходе подготовки к использованию вискозиметра устанавливают термосопротивление 18, по которому внешний термостат осуществляет поддержание заданной температуры, в камере 1, помещая его внутрь трубки 9 через штуцер 15 на фланце 81. Подающую теплоноситель трубку соединяют со штуцером 16. Для отвода теплоносителя используется штуцер 13, которым снабжен противоположный фланец 81. Упомянутые трубки являются частью внешнего гидравлического контура, в котором циркулирует теплоноситель. Для устранения застойных зон теплоносителя в измерительной камере предусмотрена направляющая втулка. Она закручивает поток по спирали вокруг сапфировой трубки 10. Давление внутри контура обеспечивается насосом. Теплоноситель попадает через канал внутри фланца 82 в полость, ограниченную стенками трубок 9, 10 и фланцами 81, 82. Таким образом, обеспечивается терморубашка для внутренней трубки 10.
Гидравлические трубки для ввода и вывода исследуемой жидкости соответственно сообщают с камерой 1 через штуцер 14 на фланце 81 и штуцер 17 на фланце 82. Жидкость попадает во внутреннюю трубку 10.
Внутрь трубки 10 помещают шарик 23, выбранный из набора из нескольких шариков, каждый из которых имеет различную плотность и диаметр. Отверстие для помещения в трубку 10 шарика 23 закрыто закручивающимися заглушками 21, 22, которые предварительно необходимо окрутить. Выбор шарика 23 осуществляется в соответствии с предположением о вязкости исследуемой жидкости.
При проведении измерений в системе управления задают количество измерений, соответствующее количеству переворотов камеры 1. Получив программу на измерение, система управления запускает серводвигатель, который поворачивает вал 2 на заданный угол, передавая на него механическое усилие через ременную передачу. При каждом перевороте камеры 1 шарик 23 возвращается в начальную точку измерений внутри трубки 10. Перемещение шарика 23 от одной точки измерений к другой фиксируется посредством видеокамер 20, которые передают видеоизображения на систему управления. Программное обеспечение системы управления позволяет распознать шарик в кадре.
Вязкость жидкости рассчитывается по формуле:
1
2
3
где η - динамическая вязкость, мили Паскаль секунд (мПа⋅с), ρ - плотность шарика (г/см3), ρ- плотность жидкости при температуре измерения (г/см), t - время падения (сек), K - постоянная для шарика мПа⋅с/г.
о
о
Помимо этого, вискозиметр требует периодической калибровки. Калибровка проводится при атмосферном давлении и температуре 20С. Поскольку измерительная камера 1 снабжена собственной терморубашкой, то нет необходимости во внешних источниках поддержания температуры. Для проведения калибровки устанавливают температуру, равную 20С. Для калибровки используют набор из не менее 2 стандартных образцов вязкости. Набор жидкостей должен охватывать не менее 50 % диапазона измерения методики и отсчитываться как можно ближе к наименьшему значению вязкости. Калибровку начинают с самой маловязкой жидкости. Калибровку проводят при всех наклонах трубки, снимая не менее пяти показаний электронного секундомера. При калибровки время качения шарика должно составлять не менее 30 с. Если время качения шара в трубке менее 30 с, то такой стандартный образец не должен использоваться при калибровке. После каждой жидкости проводят промывку и сушку вискозиметра.
i
По окончании калибровки для каждого замера вычисляют постоянные шар/угол K:
ш
ж
где i – порядковый номер стандартного образца, α – порядковый номер угла наклона, n – порядковый номер шара, ρ – плотность шарика, г/см3, ρ – плотность жидкости.
i
В зависимости от количества используемых шариков 23 и углов поворота камеры 1 должно получиться соответствующее количество значений постоянной K.
Примеры расчетов при калибровке вискозиметра приведены в таблице.
Калибровка вискозиметра производится с периодичностью 1 раз в 12 месяцев.
Таблица – Пример расчетов при калибровке вискозиметра
Номер шара
Плотность шара
Угол наклона
Постоянная шар/угол К
К
ГСО 1
ГСО 2
ГСО 3
ГСО 4
1
7,7
23
1,1
1,01
0,99
0,9
1,0
45
2,0
2,1
1,95
1,95
2,0
70
2,95
3,0
2,95
3,1
3,0
2
2,3
23
4,0
4,0
4,03
3,97
4,0
45
4,9
4,9
5,1
5,1
5,0
70
6,1
5,9
6,1
5,9
6,0
3
1,4
23
7,05
7,03
6,95
6,97
7,0
45
8,0
8,0
8,0
8,0
8,0
70
9,1
9,0
8,9
9,0
9,0