Вибрационный вискозиметр тиксотропных жидкостей
VIBRATION VISCOMETER FOR THIXOTROPIC LIQUIDS

Изобретение относится к технике измерения вязкости, конкретно, к устройству вискозиметров для контроля структурированных тиксотропных жидкостей в исследовательских лабораториях, в медицине, в промышленности.
Изобретение относится к технике измерения вязкости, а более конкретно к устройству вискозиметров для контроля структурированных тиксотропных жидкостей в исследовательских лабораториях, в медицине, в промышленности.
p
c
Многие технологические жидкости в статических условиях проявляют отчетливую тенденцию к образованию структуры. При этом энергия связи частиц такова, что встречающиеся в практике интенсивности механического воздействия достаточны для ее разрушения. Источником такого воздействия могут быть технологические аппараты типа смесителей, насосов. После прекращения деформирования структура и реологические свойства восстанавливаются. Для характеристики таких жидкостей одного значения вязкости, которая может быть измерена любым методом, недостаточно. Используют термины «вязкость разрушенной структуры (η)» и «вязкость сформировавшейся структуры (η)».
Обычно для измерения этих величин используют ротационные вискозиметры. Экспериментально получают зависимость напряжения от скорости сдвига. По наклону этой зависимости в области малых значениях скорости вращения ротора определяют вязкость сформировавшейся структуры. Вязкость разрушенной структуры определяют как тангенс наклона зависимости в области больших значений скорости вращения ротора. Известны устройства, где вращающийся ротор использован для измерения вязкости, а высокоинтенсивная вибрация - для разрушения структуры [Урьев Н.Б. Высококонцентрированные дисперсные системы - М.: Химия, 1980, 320 с.].
Вращение предполагает установившееся течение (длительный сдвиг образца), "провоцирует" формирование анизотропной структуры вдоль потока, образование цепочечных агрегатов. Использование для измерений вибрационных режимов движения является более корректным. Низкочастотные малоамплитудные колебания пробного тела - погружного зонда вибрационного вискозиметра оказывают меньшее разрушающее действие на структуру жидкости, чем длительный сдвиг с постоянной скоростью.
Известны вибрационные вискозиметры (ВВ), например ВВМ-ЗМ [Беляков В.Л. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды. - М.: Недра, 1988, 232 с.]; камертонный вискозиметр [Гочжень Чжу, Лаоцзы Сюй. Измерение вязкости и плотности при помощи колеблющегося шарика // Приборы для научных исследований. 1985, N8, с. 144 - 147].
Основным элементом конструкции этих устройств является вибрационный датчик (1) с погружаемым в жидкость пробным телом, соединенный с измерительным генератором. Генератор обеспечивает гармонические колебания пробного тела с малой амплитудой постоянной величины. Происходит трение пробного тела о жидкость. При этом выходной сигнал U, пропорционален значению действующей со стороны жидкости тормозящей силы - механическому сопротивлению, которое связано с ее вязкостью и фиксируется с помощью регистратора. Определять вязкость разрушенной и сформировавшейся структуры такие устройства не могут. Наиболее близким к предлагаемому по технической сути является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ [патент РФ 2135980 от 01.04.1997, опубл. 27.08.1999].
В этом устройстве вибрационный датчик связан с блоком переключения режима (БПР), который поочередно соединяет его с высоковольтным генератором мощности (режим разрушения) и измерительный генератором (режим измерения). В режиме разрушения (РР) пробное тело колеблется с большой, разрушающей структуру амплитудой (≥3 мм). В режиме измерения (РИ) пробное тело колеблется с малой, не разрушающей структуру амплитудой (≈0,01 мм). При этом область воспроизводимого интенсивного разрушения совпадает с областью измерения.
0
max
После завершения РР начинается РИ. Включают регистрацию и получают зависимость выходного сигнала от времени. Ее экстраполируют к нулевому начальному моменту времени и определяют U. Затем находят асимптотическое значение U, к которому стремится U с увеличением времени наблюдения. Определяют механическое сопротивление разрушенной и сформировавшейся структуры. Далее находят соответствующие значения вязкости.
В рассматриваемом устройстве высокочувствительный измерительный датчик - вибратор периодически подвергается действию высокого напряжения. Это постепенно уменьшает его работоспособность и ограничивает число возможных измерительных циклов «разрушение структуры - восстановление структуры» реально до ста. Периодически требуется замена или реставрация датчика.
Для устранения указанного недостатка очевидным является использование двух разных вибраторов, рабочие органы (зонды) которых должны быть погружены в один измерительный сосуд с образцом. Для разрушения - адаптированный к большим нагрузкам вибратор - диспергатор. Для измерения - высокочувствительный вибратор - датчик вискозиметра (измеритель).
В этом случае область максимального разрушения не совпадает с областью измерения. Отраженные от разных участков стенок измерительного сосуда волны акустической деформации будут попадать в измерительный объем в разных фазах, зависящих от пройденного пути, и непредсказуемым образом гасить друг друга.
Задача изобретения - создание вибрационного вискозиметра тиксотропных жидкостей с увеличенным сроком работоспособности устройства и количеством измерений до реставрации или замены датчика.
Технический результат достигается тем, что вибрационный вискозиметр содержащий измерительный сосуд - ячейку, измерительный автогенератор, генератор мощности и регистратор, содержит два зонда, один из которых соединен с вибратором-диспергатором, второй соединен с вибратором-измерительным датчиком, внутренняя боковая поверхность измерительного сосуда выполнена в виде эллипса, при этом проекции зондов на измерительный сосуд совпадают с фокусами эллипса.
Так как по определению эллипс есть геометрическое место точек, сумма расстояний каждой из которых до двух данных точек (называемых фокусами) есть величина постоянная, путь от зонда диспергатора (в первом фокусе) до измерительного объема (второй фокус) будет одинаков для всех отражений. Волны деформации будут приходить в одной фазе и складываться. Взаимное гашение не будет происходить.
Таким образом, диспергатор и измеритель оказываются разделенными, а область воспроизводимого интенсивного разрушения совпадает с измерительным объемом.
Пример конкретного выполнения приведен на фиг. 1 и 2.
1
2
На подвижной платформе 2, и неподвижной 3 штатива 1 расположены на горизонтальных ползунах 4, 5, 6 измерительный сосуд из нержавеющей 7 стали с внутренней поверхностью в виде эллипса, имеющего фокусы F и F, горизонтальные ползуны 3, 4, 5 и два камертонных вибратора. Слева - вибратор разрушения 8, справа - вибратор измерения 9. К вибраторам присоединены зонды в виде металлических стержней 10 и 11. Проекции зондов на измерительный сосуд совпадают с фокусами эллипса. Непосредственно над вибраторами расположены электрически соединенные с ними высоковольтный генератор (ВГ) 12 - слева, и измерительный автогенератор (ИГ) 13 справа.
0,5
Вибратор разрушения изготовлен из стали. Имеет частоту резонанса ≈800 Гц. Вибратор измерения изготовлен из латуни. Имеет частоту резонанса ≈300 Гц. Высоковольтный генератор обеспечивает напряжение 500 В резонансной частоты. Измерительный автогенератор обеспечивает напряжение от 0 до 10 В резонансной частоты, которое изменяется пропорционально механической нагрузке (ρη), где ρ, η - плотность и вязкость окружающей пробное тело среды. 0 В на воздухе - условный 0 вязкости и плотности. 10В - если зонд неподвижно зажат.
На фиг. 1 вискозиметр изображен в состоянии подготовки эксперимента (СПЭ). Подвижная платформа 2 находится в нижнем положении. Зонды вибраторов выше измерительного сосуда. На фиг. 2 - в состоянии измерения (СИ). Подвижная платформа 2 находится в верхнем положении. Зонды вибраторов погружены в заполненный жидкостью измерительный сосуд и находятся в соответствующих фокусах.
Измеряли вязкость тиксотропной высокопарафинистой нефти Чкаловского месторождения. В качестве калибровочной жидкости использован глицерин.
1. Вискозиметру придали состояние СПЭ.
2. Включили измерительный автогенератор
3. Промыли и просушили измерительный сосуд и зонды.
4. Измерительный сосуд заполнили 40 мл калибровочной жидкости - глицерином.
5. Установили 0 выходного напряжения U на воздухе.
6. Движением платформы 2 вверх вискозиметр привели в СИ.
k
7. Измерили U при положении зондов в калибровочной жидкости.
8. Движением платформы вниз вискозиметр привели в состояние СПЭ.
9. Промыли и просушили измерительный сосуд и зонды.
10. Измерительный сосуд заполнили 40 мл контролируемой жидкости.
11. Движением платформы 2 вверх вискозиметр привели в СИ.
12. Включили высоковольтный генератор ВГ (на 10с).
13. Выключили высоковольтный генератор, одновременно включили измерительный автогенератор ИГ.
14. Включили регистрацию выходного напряжения U (на 350с).
15. Записали зависимость напряжения U от времени (график).
отн
отнi
i
k
отн
16. Преобразовали полученную зависимость U(t) в зависимость Z(t) путем расчета Z=U/U для ряда точек i полученного графика. Далее нижний индекс  не указываем.
o
0
max
0
max
0
-t/τ
17. Аппроксимировали зависимость Z (t) с помощью уравнения Z=Z+(Z-Z)(1-e), где t - текущее время, τ - время релаксации структуры, (Z-Z)=ΔZ - изменяющаяся часть сопротивления.
0
max
max
0
18. Экстраполяцией зависимости к начальному моменту времени и в область завершения процесса опрелелили Z - сопротивление разрушенной структуры и Z - сопротивление сформировавшейся структуры. Z=3; Z=0,8.
19. Соответствующие значения вязкости рассчитали по уравнениям
р
0
к
к
ж
с
max
к
к
ж
2
2
η=[(Z)ηρ]/ρ) и η=[(Z)ηρ]/ρ),
к
к
ж
3
где η ≈ 1000 мПа⋅с и ρ≈1,26 г/см - вязкость и плотность калибровочной жидкости (глицерина), ρ≈0,81 г/см3.
Результат измерения приведен на фиг. 3.
Полученные величины совпадают с известными данными о вязкости указанной нефти с погрешностью в пределах 5%.
Для оценки работоспособности вискозиметра последовательно чередовали работу входящих в его состав генераторов - высоковольтныого генератора ВГ (10 с) и измерительного автогенератор ИГ (60 с). Устройство выдержало более 400 таких циклов разрушение - измерение без потери работоспособности.
Таким образом, предлагаемое техническое решение увеличивает срок работоспособности устройства до реставрации или замены датчика не менее чем в 4 раза.