Устройство для определения зависимости объема текучих сред от давления и температуры

 

Изобретение относится к исследованию физических свойств текучих сред, а именно их сжимаемости, и может быть использовано при изучении газожидкостных смесей, например нефти. Целью изобретения явля- . ется увеличение точности определения искомой характеристики путем повышения эффективности перемешивания исследуемой среды. Устройство содержит в надпоршневой полости шар для перемешивания исследуемой текучей среды. В шаре выполнены сквозные перекрещивающиеся каналы, а на его поверхности - конусные выемки, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОИИАЛИСТИ IECKVIX

РЕСПУБЛИК (я)з 6 01 И 11/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4267075/25 (22} 22,06.87 (46) 15.05.92, Бюл. ¹ 18 (71) Азербайджанский государственный научно-исследовательский и проектный институт нефтяной промышленности (72) В.И. Сотник, А.П. Масалаб, Э.Ш. Агиев, Д,Н. Таиров и Д.Х. Кязимов . (53) 536;6(088.8) (56) Мамуна В.Н. и др. Экспериментальное исследование пластовых нефтей. — M.; ГОСИНТИ, 1960, с. 37 — 41.

Инструкция по определению комплекса физико-химических параметров пластовых нефтей с помощью установки "УПН-БашНИПИнефть". — Уфа: башНИПИнефть, 1980, с.

9 — 12.

Изобрение относится к исследованиям физических свойств текучих сред и може быть использовано для определения сжимаемости нефти.

Целью изобретения является увеличение точности определения искомой характеристики путем повышения эффективности перемешивания исследуемой среды.

Устройство для определения зависимости объема текучих сред от давления и температуры содержит в надпоршневой полости шар для перемешивания иследуемой текучей среды со сквозными перекрещивающимися каналами.

Выполнение в шаре сквозных перекрещивающихся каналов обеспечивает более интенсивное перемешивание пробы текучей среды, представляющей собой смесь жидкостей или газа и жидкости, за счет

"протягивания" ее сквозь эти каналы, многократного изменения направления, пере-. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ,ЗАВИСИМОСТИ ОБЬЕМА ТЕКУЧИХ СРЕД

ОТ ДАВЛЕН11Я И ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к исследованию физических свойств текучих сред, а именно их сжимаемости, и может быть использовано при изучении газожидкостных смесей, например нефти. Целью изобретения явля- . ется увеличение точности определения искомой характеристики путем повышения эффективности перемешивания исследуемой среды, Устройство содержит в надпоршневой полости шар для перемешивания исследуемой текучей среды, В шаре выполнены сквозные перекрещивающиеся каналы, а на его поверхности — конусные выемки, 2

1 ил. сечения движущейся текучей среды и ее турбулизации. Вероятность "расслоения" исследуемой смеси, пропущенной через перекрещивающиеся каналы, несопоставимо меньше, чем при простом обтекании смеси цельного шара (т.е. не имеющего каналов) при его движении во время раскачивания рабочей камеры, Выполнение на наружной поверхности шара конусных выемок способствует при раскачивании рабочей камеры дополнительной турбулизации исследуемой смесИ, обтекающей движущийся шар, что также повышает интенсивность ее перемешивания, Конусная форма выемок способствует лучшему затеканию и вытеканию исследуемой среды из выемок, На фиг. 1 изображена схема предлагаемогоустройства; общий вид; на фиг. 2 — шар для перемешивания пробы текучей среды с

1733972 перекрещивающимися каналами и конусными выемками, Устройство содержит рабочую камеру 1 со сферическим внутренним сводом. В рабочей камере установлен поршень 2 со сферически вогнутым верхним торцом.

Поршень снабжен уплотнением 3 и штоком

4, имеющим на конце указатель 5, перемещающийся при движении поршня вдоль измерительной шкалы 6, В корпусе 7 рабочей камеры установлен вентиль 8 для подачи в рабочую камеру 1 рабочей (подвижной) жидкости, например, с помощью насоса 9. В надпоршневой полости рабочей камеры 1 установлен с возможностью вращательного и возвратно-поступательного движения шар 10, В шаре выполнены сквозные перекре цивающиеся каналы 11, а на его наружной поверхности — конусные выемки 12. B верхней части рабочей камеры установлен вентиль 13, через который подается в надпоршневую полость этой камеры проба исследуемой среды. В корпусе рабочей камеры установлен манометр 14, сообщенный с рабочей камерой 1. Последняя помещена в термостатирующую рубашку 15, снабженную термометром 16, и установлена с возможностью углового поворота на

180 в поворотном устройстве 17, предназначенном для перемешивания проб текучих сред в виде жидкостных и газожидкостных смесей. Термостатирующая рубашка 15 соединена с термостатом 18.

Устройство работает следующим образом, Через вентиль 13 подают пробу текучей среды в надпоршневую полость рабочей ка. меры 1, при этом поршень 2 при открытом вентиле 8 перемещается вниз, Количество переводимой в рабочую камеру текучей среды опеределяют по перемещению указателя 5 на штока 4 вдоль измерительной шкалы

6. После подачи пробы текучей среды в рабочую камеру вентиль 13 закрывают. Поджимают пробу до заданного давления поршнем 2 с помощью насоса 9. Затем закрывают вентиль 8 и рабочую камерутермостатируют с помощью термостата 18 при заданной температуре, Для приведения пробы текучей среды в равновесное состояние в случае исследования жидкостной или газожидкостной смеси ее перемешивают шаром 10, который перемещается вдоль продольной оси рабочей камеры при ее раскачивании поворотным

20 Исследования пробы текучей среды производят при изменении трех параметров (в любом сочетании): давления P (по25

55 устройством 17. При этом шар 10, кроме продольных, совершает еще вращательные перемещения. Жидкостная или газожидкостная смесь, поступая в сквозные перекрещивающиеся каналы 11, "протягивается" через них. По выходе из каналов пересеченные струи подхватываются шаром, движущимся поступательно и вращательно, в результате чего образуется турбулентное движение смеси. Подхватываемая шаром смесь, кроме того, попадает в конусные выемки 12 на его наружной поверхности, вследствие чего создается дополнительная турбулизация смеси. В результате такой кинематики движения шара и смеси последняя эффективно перемешивается до равновесного состояния в надпоршневом пространстве рабочей камеры 1, что способствует повышению точности исследования. средством насоса 9), температуры Т (посредством термостата 18) и объема V (посредством поршня 2), т.е. при различных соотношениях параметров текучей среды.

Изменение давления P измеряют манометром 14, изменение температуры Т вЂ” термометром 16, а изменение объема V — с помощью указателя 5, соединенного со штоком 4, и измерительной шкалы 6.

Повышение эффективности перемешивания исследуемой среды способствует более быстрому и надежному установлению термодинамического равновесия в процессе проведения испытаний, что приводит к повышению точности определения искомых характеристик.

Формула изобретения

Устройство для определения зависимо- . сти обьема текучих сред от давления и температуры, содержащее корпус с термостатирующей рубашкой, рабочую камеру с размещенным в ней поршнем со сфе-. рической рабочей поверхностью, шар в надпорш невой полости и поворотное устройство, закрепленное на корпусе, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью увеличения точности определения искомой характеристики путем повышения эффективности перемешивания исследуемой среды, в шаре выполнены сквозные перекрещивающиеся каналы, а на er0 поверхности — конусные выемки.

1733973

10 метра к одному масштабу (учесть пропускания делителей волн и газосодержащего

1Р ределяют коэффициенты выравнивания сигналов как отношение сигнала на выходе

40 ды частиц в исследуемом газе (электроны сообщают волне отрицательный сдвиг, ато45 мы — отрицательный либо положительный s зависимости от того, в какую сторону, коротковолновую либо длинноволновую, от атомной линии находится частоте электромагнитной волны. Так как Ф изве50 стен заранее, то для определенности считают Ф> О.

Функция arccos неоднозначна, По выражению (3) можно определить только величины р из интервала (0, ), которые могут

55 отличаться от значения сдвига фазы Ф знаком и целым числом и раз по 2 ж рад:

У

Ф= (+. p +2m n, (4) если и 0;

Кроме того, в устройстве, содержащем многочастотный источник электромагнитного излучения, оптически связанный с интврферометром, в измерительном плече которого установлена емкость для исследу. емого газа, выход интерферометра оптически связан с блоком преобразования электромагнитного излучения в электрические сигналы, выход которого подключен к системе обработки сигналов и управления, применен импульсный четырехчастотный источник излучения с продолжительностью импульса, не превышающей характерного времени изменения концентрации, введены фаэовращатель в опорное плечо интерферометра, два светоделителя, один— между источником и входом интерферометра либо в опорном плече, другой — в измерительном плече интерферометра, каждый светоделитель оптически связан со своим блоком преобразования излучения в элект-, рические сигналы, причем в измерительном плече светоделитель расположен между емкостью для газа и выходом интерферометра, каждый блок преобразования излучения выполнен в виде диспергирующего элемента, оптически связанного с.фотоприемниками, число кОторых в каждом блоке преобразования равно числу частот, а выходы всех фотоприемников подключены к системе обработки сигналов и управления.

В одночастотной интерферометрии сигнал интерференции U (в относительных единицах) связан с амплитудами А и сдвигами фазы Ф опорной и измерительной волн следующим образом:

U= — (A +A n)+AoAgcos(Ф вЂ” Ф ),(1)

1 г г

2 где индекс "о" относится к опорной волне, а индекс "и" — к измерительной.

Из соотношения (1) получают

Ф вЂ” Cp = arccos((U (А + A ))/(AoA ) ). (2)

Сдвиг фазы Фс, опорного канала появляется из-за разности оптических путей опор.ной и измерительной волн. Согласно предлагаемому способу, чтобы исключить из рассмотрения сдвиг, Ф, который при многочастотном способе зависит также от длины волны, оптические пути опорной и измерительной волн в отсутствие частиц устанавливают равными между собой. Тогда

Ф = 0 и сдвиг фаз Ф вызывают только частицы, концентрация которых измеряется, поэтому далее для сдвига фаз применяются обозначения без индексов "и" и "о": Ф Ф и.

Для определения А© и А„части энергии электромагHNTHoA волны ответвляют из опорного и измерительного каналов соответственно. Чтобы при определении сдвига фазы учесть уменьшение А„за счет погло; щения волны частицами, в измерительном канале ответвление производят от волны, уже прошедшей сквозь газ.

Ответвленные части опорной и измерительной волн формируют сигналы Uo и О соответственно. Чтобы привести сигналы трактов ответвления и выхода интерферососуда), один из каналов поочередно перекрывают, Измеряют сигнал другого канала и сигнал на выходе интерферометра О. Опинтерферометра к сигналу канала: Kp "

U/Up, К = U/U соответственно. Процедуру определения коэффициентов достаточно провести только один раз.

Ни амплитуда, ни фаза волны в опорном канале не зависит от условий в измеряемом газе, поэтому ответвление иэ опорного канала можно заменить ответвлением части энергии волны до ее разделения на опорную и измерительную (в устройстве такое ответвление достигается с помощью светоделителя перед входом интерферометра). В этом случае увеличивается (уменьшается) сигнал

Uq, который можно назвать нулевым вместо опорного, и соответственно уменьшается (увеличивается) величина коэффициента выравнивания К .

С учетом К> и Кл зависимость между фазами Ф, сигналом интерференции О и сигналами волн Uo, 0 имеет следующий вид:

Ф = arccos(— (Π— КоОо — КиОи) КоКиОоОи ). (3)

2

Из-за четности функции cos сдвиг фаз может быть как отрицательным, так и положительным. Знак сдвига зависит от приро1733973

20 см

30 если п — целое положительное, не равное нулю. (4)

В многочастотной интерферометрии для того, чтобы определить значения сдвига фаз л, для всех частот электромагнитной волны необходимо производить подбор знака и числа и в выражении (4) до тех пор, пока их значения не удовлетворят условию отношения, которое, если измеряют концентрацию электронов, выглядит следующим образом: 1 я,=k/$ (5) где индексы I, j обозначают частотную компоненту электромагнитных волн (! i);

Я вЂ” длина волны.

В общем случае, когда в разряде имеются электроны с концентрацией N"е" и частицы, имеющие резонанс в спектре поглощения, N„, сдвиг фазы

Ф/2 л= I(4,49 10 Л Не +

10 ", Л— -,, @

Я вЂ” Я„)2 + (ЛЛ./2 )2 где А, А о — длины волн зондирующего излучения и резонансов (см);

Ail,— — ширина резонанса, см;

1 — длина области, занятая частицами, fr — сила осциллятора поглощающего перехода.

Определение концентраций по (6) для общего случая является почти неразрешимой задачей. Наиболее часто встречаются следующие ситуации.

Разряд происходит .в атмосфере газа, Сдвиг фазы, вызванный всем газом, компенсируется предварительной настройкой (фа. эовращателем в опорном канале). Если происходит термическое расширение в газе, то необходимо учитывать изменение плотности Л Nr и вместо Nr в выражении (6) будет Лйг. Резонансные длины волн3„ г большинства газов находятся в вакуумном ультрафиолете и длина волны зондирования всегда Л, > > Яг поэтому согласно (3)

Ф/2 л = I (— 4,49 10 il. Nq + y $ СгЛ И ) . (7)

r где Сг — рефракция частиц.

Если газ не нагревается, то Л N< =

=0 и Ф/2Й =-4,49 10 N

Разряд сопровождается выбросом частиц, например, факелом из металла. У атомов металлов Х О лежит в УФ-видимой области и для нихусловие А» А гможет не выполняться. В этой ситуации необходимо выбирать длины волн зондирования близкими к резонансной, чтобы вклад в сдвиг резонансных частиц преобладал, Тогда

2,24 10 4 Я f p,— Я Ы, (Я вЂ” Ло) +(A&2 )2

Условие (5) для подбора знака р и числа и получают иэ(8). В случае разогрева газа на основании (7) получают следующее условие отношения

ФА — Я-Я

% 4-Я (10)

Для частиц, имеющих резонанс, на основании (9) получают

Ф У а Ь-). + ЛЯЯ „„ (4 — 4) ((4 — )) +(ЬЬ/2) )

Концентрации электронов Ne и резонансных частиц Ni определяются из сдвигов фаэ по соотношению (8) или (9) соответственно. Для расчета пригодна любая из частотных компонент.

На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство.

Устройство состоит из источника 1 многочастотного импульсного излучения, оптически связанного с интерферометром 2, в измерительном плече которого установлена емкость 3 с исследуемым газом, в опорном плече — фазовращатель 4, выход интерферометра 2 оптически связан с блоком 5 преобразования излучения в электрический сигнал, состоящим из диспергирующего элемента 6 и фотоприемников 7, выходы фотоприемников электрически подключены к системе 8 обработки сигналов и управления. B опорном и измерительном плече интерферометра 2 расположены светоделители

9, оптически связанные с соответствующими блоками 10 преобразования излучения в сигнал. Блоки 10 аналогичны блоку 5, Интерферометр 2 состоит из двух идентичных

40 светоделителей 11 и 13 и двух идентичных отражателей 12 и 14.

Пример . Источник 1 представляет. собой стеклянную трубку длиной 15 см с сапфировыми окнами. Предварительно откачанную до давления 10 торр и отпаянную трубку нагревают до 220 С для поддерживания давления пазов натрия 5 10 торр. Через один конец трубки вводят два луча (ilt = 583 нм и Ац = 612 нм) лазеров на красителях (не показаны) с длиной импульса света 1 нс. Трубка излучает полихроматический импульс с длинами волн il< = 0,82 мкм;

ib= 1,14 мкм; Яз = 2,21 мкм и i4 = 3,41 мкм длительностью 1 нс. Импульс делят на светоделительной кварцевой пластинке 11 с напыленным полупрозрачным слоем на. опорный и измерительный. Опорный импульс отражается от алюминиевого зеркала

14, проходит тонкий кварцевый ахроматиче1733973

5

15

20 ский клин 4 (фазоеращатель), На выходе интерферометра 2 измерительный импульс, пройдя емкость 3 с исследуемым газом, отражается от алюминиевого зеркала 12 и сводится с опорным лучом не кварцевой пластинке 13, аналогичной пластинке 11 на входе интерферометра. Интерферирующие лучи разделяются в блоке 5 репликой 6 дифракционной решетки, попадают на четыре пироэлектрических приемника 11 типа МГ30. В качестве светоделительных элементов

9 применены ненапыленные кварцевые пластинки. Интерферометр 2 выполнен по равноплечной схеме; Составные элементы интерферометра 2 смещаются механически с точностью 0,1 мм. Для более тонкой настройки служит механическое смещение оптического клина 4.,Для самой точной настройки и поддерживания базы интерферометра 2 имеется пьезокерамическая пластинка, управляемая устройством

- автоматической подстройки интерферометра (входит е конструкцию системы 8 управления).

Плазма образовалась разрядом между электродами в атмосфере водорода. Часть луча одного из лазеров (Хц= 612 нм) самым коротким путем направляется в межэлектродный промежуток и там фокусируется (иницирует разряд). Остальная часть излучения Лц и Лцпопадает на трубку с паром натрия через линию регулируемой задержки (1,5 — .10 нс). Таким образом достигается согласование разряда в водороде с импульсом источника 1 и возможность исследования кинетики плотности электронов в интервале времен задержек 1,5 — 10 нс.

По сигналам интерференции, сигналам опорного Vo и измерительного 0 каналов, коэффициентам выравнивания Кс, Ки по выражению (3) определены величины (о из интервала (О, л ), которые представлены в таблице. В таблице также приведена последовательность фаз Ф, рассчитанная по выражению (4), Из этой .последовательности выбирают Ф, удовлетворяющие соотношения (5) (подчеркнуты). Это искомые значения сдвигов фазы.

Концентрацию электронов рассчитыва-. ют по выражению (8). Получено, что через 2 нс после инициирования разряда Ne = Зх

1» х1016 см 2 а через 5 нс Ne = 3 10 см . При ширине разрядного канала 0,05 см конц —. ентрации N<,(ля этих времен задержки составляют 6 10 и 6 10" см .

Формула изобретения

f, Способ измерения концентрации частиц в газе, включающий формирование пучка многочастотного электромагнитного

55 зондирующего излучения, разделение пучке на измерительный и опорный, пропусканием измерительного пучка сквозь исследуемую среду, установление начального фазового сдвига при отсутствии частиц в.газе, сведение измерительного и опорного пучков, фотоэлектрическую регистрацию сигнала интерференции обоих пучков нв частотах зондирования, определение сдвигов фаз, соответсте ющих частотам зондирования, определение концентрации частиц, о т л и ч аю шийся тем, чтоо с целью повышения . точности измерений за счет исключения нелинейности показателя преломления газа, применяют четырехчастотный импульсный пучок зондирующего излучения с продолжительностью, не превышающей характерного времени изменения концентрации, начальный фазовый сдвиг опорного пучка устанавливают равным нулю для всех частот зондирования, проводят разделение по частотам сведенных пучков, ответвляют опорный либо исходный и измерительные пучки, причем в измерительном канале ответвление производят после прохождения исследуемого газа, разделяют по частотам ответвленные пучки, затем на каждой частоте регистрируют сигналы интерференции U, сигналы опорного либо исходного V и измерительного каналов U(), определяют коэффициенты выравнивания сигналов Ко и

Ки, рассчитывают сдвиг фаз Ф:

},г

Ф= +(р +2лп, если и =0 если n > О, где p = агссоа(— (U — Ког}о — Кеu }/

2

//к. „u.u.:

n — целое число, и ричемФ}/6» = /ч/Л для электронов без изменения показателя преломления газа,в(634— g — Л )/(Ф}, 4 — Ф((() =(Я вЂ” ф(4 — Я) для электронов, если изменение концентрации сопровождается изменением показателя преломления газа,9/Cjj = (4 — Яо ) (($-Я )

+ (Л }/2 )а }/@-}) ((А-,}, )а + (ЛЛ/2 )а), для частиц, имеющих резонанс в спектре поглощения, где i, j, k, 1 — индексы Фил, для разных частотных компонентД) — длина волны резонанса; ЛА- ширина резонанса.

2. Устройство для измерения концентрации частиц егазе,,содержащее многочастотный источник электромагнитного излучения, оптически связанный с интерферометром, в измерительном плече которого установлена емкость для исследуемого газа, 1733973

12 выход интерферометра оптически связан с блоком преобразования электромагнитного излучения в электрические сигналы, выход которого подключен к системе обработки сигналов и управления, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения за счет исключения нелинейности показателя преломления газа, применен импульсный четырехчастотный источник с продолжительностью импульса. не превышающей характерного времени изменения концентрации, введены фазовращатель в опорное плечо интерферометра, два светоделителя. один - либо между источником и входом интерферометра, либо в опорном плече, другой — в измерительном плече интерферометра, и дополнительные блоки преобразования электромагнитного излучения в электрические сигналы, каждый светоделитель оптически связан с

5 соответствующим блоком преобразования. излучения в электрические сигналы, причем в измерительном плече светоделитель расположен между емкостью и выходом интерферометра, каждый блок преобразования

10 излучения выролнен в виде,диспергирующего элемента, оптически связанного с фотоприемниками, число которых 8 каждом блоке преобразования равно числу частот, а выходы всех фотоприемников подключе15 ны к системе обработки сигналов и управления.

1733972

Составитель В.Марченко

Техред M.Mîðãåí Tàë Корректор Т.Малец

Редактор А.Огар

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1664 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/S