УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Устройство предназначено для определения реологических параметров жидких нефтепродуктов, в частности, для определения коэффициента фильтруемости, и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности для контроля технологических процессов нефтехимии и в автотранспортной отрасли для обеспечения качественным топливом двигателей внутреннего сгорания.
Фильтрация - движение жидкости через пористую среду, сопровождающееся отложением или осаждением на фильтре взвешенных в них 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;
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 топлива при прохождении через ограниченный участок прохождения, например, трубы или отверстия.
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.
Коэффициент фильтруемости относится к эксплуатационному показателю качества дизельного топлива и характеризует степень загрязнения топлива посторонними включениями, препятствующими подаче топлива в системе питания при эксплуатации дизельного двигателя. Допустимое значение коэффициента фильтруемости К для дизельных топлив не более 3, предпочтительно не более 2.
Известны устройства для определения физических свойств жидких сред:
- содержащее корпус с разделенными перегородкой двумя камерами разного диаметра с поршнями, полости которых соединены капилляром, измерение свойств производят путем отсчета времени выдвижения штока меньшего поршня заданную величину и нахождения значения показателя свойств по нанесенным на шток значениям, градация которых соответствует определенной продолжительности времени его выдвижения [Авт. свид. СССР №1562770, МПК G01N 11/08];
- содержащее корпус с двумя камерами, соединенными заключенным в термостат капилляром, одна из которых оснащена термометром, а другая датчиком давления и поршнем, соединенным с микрометрическим винтом, связанным с электромеханическим приводом, обеспечивающим через муфту и коробку передач вращение микрометрического винта и перемещение поршня, вызывающего течение жидкости в капилляре с постоянной объемной скоростью, при этом значение показателя свойства жидкости определяется с помощью датчика давления по перепаду давления в капилляре [Авт. свид. ЧССР №255132, МПК G01N 11/04];
- содержащее корпус с оснащенной датчиками давления рабочей камерой, перемещающийся в камере поршень, кинематически связанный с микрометрическим винтом с приводом, термостат, расположенными между микросферическим винтом и поршнем переходным и сферическим элементами, индикаторами линейных перемещений поршня и блоком управления [Патент РФ №2022242, МПК G01N 11/08].
Известные устройства обладают отдельными недостатками: множество ручных операций при определении искомой величины; сложность их конструктивного исполнения, обусловленная необходимостью использовать несколько камер и соединяющих капилляров; механических приводов поршня для сжатия и перемещения испытуемой жидкости либо микрометрических винтов с приводом; невозможностью формирования режима ламинарного истечения жидкости, обеспечивающего стандартную методику определения коэффициента фильтруемости.
Известны устройства для определения параметров жидких сред, оснащенные автоматическими средствами регистрации и вычисления:
- для измерения вязкости непосредственно в рабочих емкостях с жидкостью, содержащее полую камеру с расположенным в нижней ее части капилляром, трубку, прикрепленную к верхней части камеры, размещенных на внешней поверхности трубки двух датчиков уровня, электрически связанных с блоком регистрации, выполненных в виде герконов, расположенных с интервалом и соединенных с хронометром, второй капилляр, соединенный одним концом с верхней частью трубки, другой конец которого выполнен с возможностью погружения в анализируемую жидкость, поплавок, расположенный внутри полой камеры, механически соединенный со штоком, и магнит, расположенный на штоке, выполненным с возможностью перемещения внутри трубки, имеющей подсоединения через краны к источнику сжатого воздуха, атмосфере и второму капилляру [Патент РФ №2029938, МПК G01N 11/06];
- для измерения вязкости, содержащее измерительный капилляр, на котором размещены два оптрона, соединенные посредством усилителя со схемой формирования импульса, характеризующего вязкость, 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 вязкость [Патент РФ №2080583, МПК G01N 11/06];
- для измерения вязкости и плотности жидкости, содержащее погруженный в жидкость шаровой зонд, заданного радиуса и плотности материала, узел разгона зонда, измеритель вертикальной составляющей скорости движения зонда и узел возврата зонда в исходное положение, кинематически взаимодействующие с шаровым зондом при измерении в начале движения и в конце движения при возврате в исходное положение, и
вычислительный блок, вход и выход которого соединены с выходом измерителя вертикальной составляющей скорости движения зонда и входом узла разгона зонда, соответственно [Патент РФ №2082153, МПК G01N 11/12, G01N 9/10].
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 предусматривает применение лабораторного аппарата типа УОФТ -устройство определения фильтруемости топлива (или аппарата типа ПФДТ -прибор фильтрования дизельного топлива), включающего, вертикально закрепленные 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 устанавливается 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, включая подогрев топлива до температуры испытания, 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].
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.
Задачей предлагаемого технического решения является создание простой и надежной в эксплуатации конструкции аппарата, позволяющего, в автоматическом режиме, с достаточной точностью и достоверностью, определять значение реологического параметра жидкости, получать результаты измерения величины коэффициента фильтруемости, обеспечивая применение стандартного (ГОСТовского) метода определения коэффициента фильтруемости топлива дизельного.
Технический результат - надежная и не сложная металлическая конструкция устройства для определения коэффициента фильтруемости топлива дизельного, обеспечивающего измерение времени фильтрации заданного количества топлива и расчет величины коэффициента фильтруемости, в соответствии с государственным стандартом, в автоматическом режиме, с расширенными возможностями управления, и простого в эксплуатации.
Техническая, задача решается тем, что устройство выполнено металлическим, содержит измерительный блок с выставленной вертикально металлической калиброванной трубкой, имеющей радиальные пазы для заполнения трубки испытуемой жидкостью, внутри калиброванной трубки на соосно выставленном штоке жестко закреплен поплавок, плавающий на
поверхности жидкости, вертикальное положение штока фиксируется направляющим вкладышем, размещенным в нижней части трубки, имеющем центральное отверстие для свободного осевого перемещения штока, изготовленным из антифрикционного материала, предпочтительно фторопласта, верхняя часть штока шарнирно соединена с коромыслом, образуя кинематическую связь с поплавком, вращение коромысла вокруг оси обеспечивается вертикальным перемещением поплавка внутри калиброванной трубки, на одном рычаге коромысла установлен регулировочный противовес, обеспечивающий при вращении коромысла вокруг оси бесконтактное взаимодействие оптического реле, размещенного на другом рычаге коромысла, с формирующими импульсы оптронами индикатора линейных перемещений датчика уровня, электрически связанного с таймером программного блока управления, оснащенным контроллером с программой управления ходом определения заданного показателя качества жидкости путем регистрации продолжительности истечения жидкости от верхнего до нижнего положения поплавка и вычисления численных значений искомых параметров - показателя качества испытуемой жидкости, и вычислителем, вход которого связан с выходом индикатора датчика уровня, прибор визуального отображения алфавитно-цифровой информации и акустический излучатель. При этом налив в калиброванную трубку первичной дозы жидкости осуществляется посредством узла подачи первичной дозы непосредственно в трубку, для подачи вторичной дозы жидкости в калиброванную трубку устройство дополнительно оснащено питательным блоком подачи жидкости, имеющим приемный сосуд, сифонный питатель в виде сифонной трубки, соединенный с атмосферой воздухонагреватель с электронагревательным элементом, связанный посредством пневматических каналов с приемным сосудом, из которого подача жидкости осуществляется по сифонной трубке под кратковременным мягким плавным воздействием направляемого по пневматическим каналам на массу жидкости статически равновесного
воздуха воздухонагревателя, электронагревательный элемент которого электрически соединен с блоком управления, - истечение испытуемой жидкости из калиброванной трубки осуществляется через глухой фильтрующий узел с калиброванным отверстием через выпускной кран, герметично установленный снизу калиброванной трубки.
Аппарат может быть приспособлен для определения других реологических показателей текучих сред, используя способы измерения, основанные на истечении, например: прокачиваемости, вязкости 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 перегородку заменяют на сточную трубку («капилляр») со строго калиброванным отверстием, 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 - измерительный блок с датчиком уровня, разрез;
фиг.4 - узел подачи испытуемой жидкости.
В состав устройства входят: фильтрующий узел 1, выпускной кран 2, измерительный блок 3, калиброванная трубка 4, радиальные пазы 5, направляющий вкладыш 6, датчик уровня 7, поплавок 8, шток 9, коромысло 10, противовес 11, оптическое реле 12, оптроны 13 (верхний и нижний, на фиг.3 показан верхний оптрон), плата электронных элементов 14, узел подачи первичной дозы 15, питательный блок 16, узел подачи вторичной дозы 17, приемный сосуд 18, сифонный питатель 19, воздухонагреватель 20, электронагревательный элемент 21, пневматические каналы 22 и 23,
клапанная крышка 24, проходной канал 25, концевой выключатель 26, программный блок управления 27, индикатор линейных перемещений 28, вычислитель 29, прибор визуального отображения алфавитно-цифровой информации 30 и акустический излучатель 31.
Устройство при определении коэффициента фильтруемости дизельного топлива по методу ГОСТ 19006-73 работает следующим образом.
3
По включению аппарата в приемный сосуд 18 питательного блока 16, через воронку, заливают испытуемое топливо в количестве 45 см, а через узел подачи первичной дозы 15 в калиброванную трубку 4 измерительного узла 3, посредством радиальных пазов 5, через воронку, заливают первичный объем испытуемого топлива, до появления на приборе отображения 30 записи «уровень верхний» и «120 сек», что соответствует эмпирически установленному времени 120 секунд пропитки - смачивания фильтра. При этом сифонный питатель 19 и внутренний объем воздухонагревателя 20 соединены с атмосферой, после чего клапанную крышку 24 закрывают, что фиксируется концевым выключателем 26, электрически соединенным с программным блоком управления 27. На этом ручные операции заканчиваются, далее устройство работает в автоматическом режиме.
1
3
После запуска аппарата нажатием кнопки «пуск» и открытием выпускного крана 2, испытуемое топливо истекает из вертикально выставленной калиброванной трубки 4 через фильтрующий узел 1, при этом таймер с кварцевым генератором программного блока управления 27 выполняет измерение времени истечения - время фильтрации τ первичных 2 см топлива через фильтр фильтрующего узла 1. В начальный момент отсчета времени поплавок 8 находится в верхнем положении, что соответствует, в кинематически связанной системе шток 9 (поплавок 8) -коромысло 10, верхнему положению оптического реле 12, бесконтактно взаимодействующему с верхним оптроном 13 датчика уровня 7, электрически соединенного с индикатором линейных перемещений 28 блока управления 27. Работа кинематической системы обеспечивается
3
3
3
3
1
2
1
регулировкой при помощи противовеса 11 с учетом вертикального перемещения штока от верхнего до нижнего положений поплавка 8, соответствующих истечению из калиброванной трубки 3 объема жидкости в 2 см, требуемых по стандартному методу определения коэффициента фильтруемости топлива дизельного. Вертикально - осевое перемещение поплавка 8 внутри калиброванной трубки 4 обеспечивается направляющим вкладышем 6 фиксирующим вертикальное положение штока 9. При снижении уровня жидкости, в результате ее истечения из калиброванной трубки 4, поплавок 8 перемещается от верхнего до нижнего положения, оптическое реле 12 в свою очередь перемещается в нижнее положение, бесконтактное взаимодействие оптического реле 12 с нижним оптроном 13 соответствует окончанию отсчета времени, регистрируемого индикатором линейных перемещений 28, - время перемещения оптического реле 12 от верхнего до нижнего положения и есть искомое время (продолжительность) фильтрации τ первичных 2 см испытуемого топлива. По окончании отсчета времени программным блоком управления 27 выдается команда на подготовку и выполнение измерения времени фильтрации τ вторичной дозы. На электронагревательный элемент 21 воздухонагревателя 20 питательного блока 16 кратковременно подается напряжение, нагреваемый воздух расширяясь, по пневматическим каналам 21 и 22 и проходной канал 25 узла подачи вторичной дозы 17, своим мягким плавным кратковременным воздействием на массу жидкости в приемном сосуде 18 заполняет жидкостью сифонный питатель 19, приводя сифон в работу, за счет чего испытуемая жидкость поступает в калиброванную трубку 4, при этом электронагревательный элемент 21 отключается. В ходе истечения вторичной дозы из градуированной трубки выполняется отсчет времени (продолжительность) фильтрации τ последних 2 см испытуемого топлива из объема 45 см, соответствующий времени перемещения поплавка 8 из верхнего положения в нижнее, регистрируемое индикатором линейных перемещений 28 посредством бесконтактного взаимодействия оптического
1
2
1
2
реле 12 с оптронами 13. Далее, измеренные значения времени (продолжительности) фильтрации τ и τ математически обрабатываются в вычислителе 29, рассчитывается значение показателя коэффициент фильтруемости К для данного топлива дизельного (с точностью до второго десятичного знака), значения всех трех показателей К, τ и τ выводятся на прибор визуального отображения алфавитно-цифровой информации 30.
1
10
2
1
2
Ход работы и его результаты, в зависимости от состояния, отображается записью на дву строчном табло прибора 30 в виде комбинации словесной и цифровой информации следующего содержания: «начало анализа» и «уровень нижний», «уровень верхний» и «120 сек», «уровень верхний» и «нажмите пуск», «уровень верхний» и «откройте кран», «уровень средний» и «определение τ», «уровень нижний» и «подача топлива»,  «уровень верхний» и «фильтрация 45 куб. см», «уровень средний» и «определение τ», «уровень нижний» и «анализ окончен», итоговый результат численных значений «К» и « τ/τ», а так же, при необходимости: «закройте крышку», «долейте топливо», при этом состояния, требующие оперативного вмешательства лаборанта (оператора), сопровождаются звуковыми сигналами акустического излучателя 31.
Устройство надежно и просто в эксплуатации. Потребляемая мощность не превышает 15 В-А, напряжение 220 В частотой 50 Гц. Масса аппаратуры не более 13 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 устанавливается для эксплуатации в любом месте.