УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЯЗКОСТИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В ТРУБОПРОВОДЕ

Полезная модель относится к устройствам для определения и контроля параметров вязкости текучих сред, в трубопроводах, в частности при подаче реологически сложных неньютоновских вязкопластических жидкостей - глинистых буровых растворов, быстротвердеющих вяжущих смесей в 3Д-строительных принтерах, полимеризующихся топливных масс ракетных двигателей, тиксотропных суспензий и т.п.
Одной из особенностей течения таких жидкостей в трубопроводах является возможность появления специфического так называемого «стержневого» течения, при котором эпюра скоростей из поверхности параболоида вращения переходит на части сечения трубопровода от центра в цилиндр (с плоской поверхностью профиля скорости), в котором вязкопластическая жидкость движется как твердый стержень. В некоторых случаях такой «стержень» может образовываться в непосредственной близости к стенке и по свойству «прилипания» вязкой жидкости к твердой поверхности остаться неподвижным (см., например, Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1970. - С. 480-483).
Явление «прилипания», известное в технологии снаряжения твердотопливных двигателей, особенно часто проявляющееся на изгибах трубопроводов и в местах разделения потоков топливной массы, может провести к нарушению процесса снаряжения и браку изделия, а при разгерметизации трубопровода из-за скачка давления - к возникновению пожароопасной ситуации.
Своевременное обнаружение изменения величины вязкости топливной массы и радиуса «стержневого» течения позволят принять меры для устранения нарушения технологического регламента снаряжения и связанных с ним затрат.
Прямые средства контроля возникновения «стержневого» течения вязкопластичных жидкостей в настоящее время отсутствуют.
Известны устройства для непрерывного измерения вязкости текучих сред, использующие электромеханическое преобразование исходного силового сигнала зонда.
Так, в устройстве для определения вязкости (RU 2537524) зонд, выполненный в форме двуплечего рычага, передает силовое воздействие среды через герметичную мембрану трубопровода и толкатель на тензометрический датчик давления, от которого электрический сигнал в размерности вязкости поступает на экран показывающего прибора.
В устройстве (RU 160404) в измерительную трубу технологического трубопровода встроена измерительная капсула с индукционными катушками, включенными в электрическую цепь переменного тока по мостовой схеме и реагирующими на перемещение под воздействием сил натекания среды ферромагнитного элемента.
К недостаткам датчиков с размещенными в трубопроводе механическими подвижными элементами относятся низкий порог чувствительности из-за трения, возможности загрязнения и накопления погрешностей в цепочке передачи и преобразования исходного сигнала, а также значительное перекрытие зондом проходного сечения трубопровода.
Известны встраиваемые в трубопровод датчики вязкости вибрационного типа, например, Solartron 7827 и 7829 фирмы Mobrey (Великобритания), ViskoSense фирмы VAF Instruments (Нидерланды), РРМ-HLV-2 (Китай), чувствительные элементы которых представляют собой камертоны, поддерживаемые электроникой прибора в резонансе. Поскольку резонансная частота камертона определяется плотностью среды, а затухание колебаний пропорционально вязкости, то по замерам частоты и параметров затухания колебаний прибор обработки сигнала рассчитывает искомые характеристики среды - динамическую вязкость и плотность.
Общим недостатком датчиков вязкости вибрационного типа с электромагнитными и электронно-акустическими источниками колебаний является их ограниченный диапазон измеряемых вязкостей - до 20 Па*с, - обусловленный ростом рассеивания энергии колебаний в вязкопластических средах, а также значительными габаритами чувствительных элементов.
Появление на рынке средств измерения малогабаритных, помехоустойчивых и безопасных оптических чувствительных элементов на основе волоконных брегговских решеток (ВБР) расширили области измерения волоконно-оптическими датчиками (ВОД) широкого класса физических величин - деформации, силы, механического напряжения, перемещения, температуры, давления, скорости потока и уровня жидкости (см. например, Удд Э. Волоконно-оптические датчики. - М.: Техносфера, 2008. - 356 с., и Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. - М.: Физматлит, 2010. - 488 с.).
Возможность использования ВОД, приведенных в указанных источниках, для непрерывного определения вязкости текучих сред не установлена.
Известен ВОД для измерения вязкости среды в потоке, содержащий зонд, выполненный в виде капиллярной трубки из нержавеющей стали и скрепленный с размещенным внутри чувствительным элементом в виде оптического волокна с ВБР (см. Казанцев, Е.И. / Е.И. Казанцев, И.С. Шелемба Волоконно-оптический датчик для непрерывного контроля вязкости текучей среды // Прикладная фотоника, Т.7, №1, 2020. С. 25-38). Измеряемая ВБР деформация первичного преобразователя от растягивающего усилия, возникаемого при обтекании зонда высоковязкой средой, существенно ограничивалась превалирующей жесткостью металлической капиллярной трубки, что снижало точность измерений и усложняло конструкцию.
В качестве прототипа с максимальным числом совпадающих с полезной моделью функциональных и конструктивных признаков выбрано устройство US 20050033545 А1  опубл. 10.02.2005 «Способ и устройство для измерения характеристик керново-кольцевого потока».
Устройство содержит зонд, размещенный вдоль трубопровода с массивом сенсоров давлений, расположенных в разных точках зонда, и процессор обработки и преобразования сигналов в параметры скорости, поперечного сечения и объемного расхода керново-кольцевого «стержневого» потока, вариантом исполнения предусмотрена возможность использования зонда из оптического волокна с ВБР. Определение параметров текучей среды ведется по вторичным признакам «стержневого» течения, возникающим на границе «стержня» нестационарным волнам давления, перемещающимся вдоль трубы и воспринимаемыми сенсорами зонда.
К недостаткам прототипа относятся ограниченная возможность работы устройства с высоконаполненными суспензионными средами из-за высокого уровня поглощения и затухания волновых процессов, требующих высокочувствительных сенсоров, и использование сложного программного обеспечения для обработки акустических сигналов процессора, что снижает точность определения параметров вязкости текучей среды.
Техническим результатом от использования полезной модели является  повышение точности определения параметров вязкости текучей среды.
Это достигается тем, что устройство для определения параметров вязкости текучей среды в трубопроводе  содержит размещенный в полости трубопровода U-образный зонд из оптического волокна с разнесенными по длине зонда мультиплексированными по длинам волн опроса сенсорами изгиба и растяжения, которые формируют информацию о профиле скоростей текучей среды и передают ее на регистрационный прибор.
Нагрузки, воздействующие при обтекании зонда вязкой средой нагрузки, деформируют его исходный контур до равновесного, при этом перемещения, кривизна и места приложения силовых нагрузок, используя аналогию центрального участка зонда с изогнутой балкой, определяются соответствующими эпюрами нагрузок, изгибающих моментов и жесткостью волокна. Эта взаимообусловленность формы зонда и силового воздействия на него потока жидкости позволяет определять, по данным с разнесенных по длине зонда чувствительными к изгибу сенсорами, расположение в сечении трубопровода границ зон с существенными градиентами скоростей потока жидкости.
По выделенным программными средствами из оптических сигналов сенсоров данных по величинам напряжений и изгиба (кривизне) каждого отдельного участка зонда воссоздается профиль скоростей течения, и по точкам зонда с максимальной кривизной определяются границы и радиус цилиндрического «стержневого» течения.
Из известного условия равновесия режима такого течения (см., например, Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1970. - С. 481) определяется предельная величина напряжения трения
,
O
где τ - предельная величина напряжения трения;
O
R - радиус цилиндрического «стержневого» течения;
Δр - перепад давления вытеснения;
L - длина канала,
а из равенства (измеряемой сенсорами в местах закрепления зонда) величины гидродинамической силы и силы тангенциального трения, действующих на эффективный мидель и обтекаемую поверхность зонда соответственно, выводится зависимость для оценки динамического коэффициента структурной вязкости
,
где μ - динамический коэффициент структурной вязкости;
k - поправочный коэффициент;
X
С - эффективный коэффициент лобового сопротивления зонда;
ρ - плотность жидкости;
w - средняя скорость потока;
R - радиус трубы;
B
L - длина волокна зонда.
По найденным величинам предельного напряжения трения и динамического коэффициента структурной вязкости могут быть рассчитаны и другие показатели, характеризующие вязкопластичные свойства жидкости, в частности критерий Рейнольдса и так называемый параметр пластичности, определяющие закон сопротивления движению таких жидкостей в трубопроводах.
Сущность полезной модели поясняется рисунками, где
на фиг. 1 приведена конструктивная схема датчика, установленного в трубопроводе;
на фиг. 2 -схема деформирования зонда датчика потоком жидкости.
Устройство (фиг. 1) состоит из размещенного в полости трубопровода (1) зонда (2) U-образной формы из оптического волокна (3) с разнесенными по его длине чувствительными к деформациям изгиба и растяжения сенсорами (4), (5), (6), (7) … (N) с записанными индивидуальными длинами волн опроса. Волокно (3) соединено с оптическим регистрирующим прибором - интеррогатором (8), образуя оптическую связь (9). Сенсоры (4), (5), (6), (7) … (N) на основе ВБР с мультиплексированием по длине волны выполнены из низкомодульного эластичного полимерного волокна, что обеспечивает малые радиуса изгиба, повышенную чувствительность сенсоров к величине изгиба и точность определения положения участков с наибольшей кривизной.
Для повышения точности определения границ и радиуса цилиндрического «стержневого» течения предложено размещать сенсоры на осесимметричных половинах зонда ассиметрично, т.е. с разными расстояниями от оси трубопровода. Такое размещение сенсоров, используя промежутки (10) между ВБР одной половины зонда для размещения ВБР другой половины, позволяет удвоить число сенсоров на единицу длины половины зонда и т.о., повысить точность определения границ цилиндрического «стержневого» течения.
Для учета температурной составляющей спектрального смещения резонансных длин волн сенсоров деформации в оптическое волокно зонда устройства, работающего в широком температурном диапазоне, может быть дополнено записана ВБР сенсора температуры.
O
На фиг. 2 поясняется схема формирования оптического  сигнала о величине радиуса R границы «стержневого» течения (11) потока (12) вязкопластичной жидкости в трубопроводе (1). Поток (12) жидкости с профилем скоростей (13) перемещает исходное положение контура (14) зонда в положение (15), формируя на волокне переменные по радиусу распределенные нагрузки и изгибающие моменты, перемещающие и искривляющие контур, при этом максимальные изгибные напряжения и кривизны контура, отмеченные точками (16), находятся на радиусах R0 границ стержневого течения.
При ламинарном течении вязких ньютоновских и псевдопластичных жидкостей в трубопроводе формируется профиль скорости параболического типа (17), который деформирует зонд с плавным максимальным изгибом (18) по оси потока.
Работа устройства
При обтекании оптического волокна (2) зонда ламинарным потоком (12) вязкопластичной текучей среды, силы вязкости деформируют исходный контур (14) зонда (2). Это приводит к изменению периодов структур размещенных в зонде оптических сенсоров и соответственно длин волн отраженных оптических сигналов, которые после обработки в регистрирующем приборе (8) передаются потребителям информации - на пульт оператора или систему автоматического управления технологическим процессом.
Контроль параметров вязкости текучих сред в трубопроводах серийного производства, обычно предполагающий наличие информации о значениях технологических параметров процесса, входящих в модель реологически сложных жидкостей - расходов, давлений, температур, плотности и др., - дополненный данными заявленного устройства особенностями профиля скоростей потока жидкости, по структурной вязкости и пластичности жидкости, позволит повысить точность определения параметров вязкости текучей среды в трубопроводе и тем самым сократить риски возникновения аномальных проявлений «стержневого» течения.
Т.о., технический результат полезной модели - повышение точности определения параметров вязкости текучей среды - достигнут.