Способ и устройство определения давления растворенных газов в жидкости

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения физико-химических свойств жидкостей. Предлагается способ определения давления растворенных газов в жидкости посредством измерения давления газа в стационарном кавитационном пузырьке. Стационарный кавитационный пузырек возникает в жидкости с растворенным газом в расширяющейся области потока при движении цилиндрического тела вдоль стенки с малым зазором. Проведенные эксперименты показали, что стационарный кавитационный пузырек возникает на некотором угловом расстоянии по окружности цилиндра за линией минимального зазора между цилиндром и движущейся стенкой и прилегает к поверхности цилиндра. Для измерения давления в кавитационном пузырьке в цилиндре имеется отверстие диаметром 0.5 мм, через которое определяется давление в стационарном кавитационном пузырьке. При этом отверстие в цилиндре должно быть смещено за линию минимального зазора. Проведенные эксперименты показали, что давление в кавитационном пузырьке не зависит от величины зазора и характеризует давление растворенных газов в жидкости. Технический результат – повышение точности получаемых данных. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к классу устройств для определения физико-химических свойств жидкостей, а именно для определения давления растворенных газов в жидкости, и может быть использовано для оценки мощности газовыделения при разработке нефтяных месторождений. Знание давления растворенных газов позволяет сделать прогноз электрической прочности трансформаторного масла, используемого на электроподстанциях. Изобретение может быть использовано в широких областях техники, где применяется смазка.

Уровень техники

Давление растворенных газов определяется концентрацией растворенных газов в жидкости и зависит от свойства жидкости адсорбировать газы, а также температуры и внешнего давления. Из уровня техники известны различные способы определения концентрации газа в жидкости, однако не выявлено источников информации, описывающих способ измерения давления растворенных газов посредством измерения давления непосредственно в газовых пузырьках. Из физики известно, что газовая кавитация - образование пузырьков, которая возникает, если давление в жидкости становиться меньше давления растворенных газов [Р. Кнэпп, Дж. Дейли, Ф. Хэммит. Кавитация. Мир, Москва, 1974, с. 687].

В частности, известен способ, представленный в RU 2488092, согласно которому концентрация газа в жидкости определяется методом дегазации пробы жидкости и замера количества выделенного газа химическим индикатором. Концентрация газа в пробе жидкости определяется по формуле на основании всего выделенного из пробы жидкости газа с учетом остаточной доли газа в дегазированной пробе жидкости. Точность данного метода определяется путем сравнения выделенного газа при дегазации жидкости и остаточного, зависит от степени дегазации образца и становиться абсолютной только при очень глубокой дегазации. В данном методе дегазация жидкости проводится уменьшением давления над образцом специальными средствами, что является недостатком.

В другом решении, представленном в RU 2181882, для определения концентрации газа в жидкости также используется метод дегазации жидкости посредством определенного устройства и замера выделившегося газа. Недостатком данного устройства является низкая точность, поскольку объем выделившегося газа зависит от степени дегазации исследуемой жидкости.

Известен также способ определения концентрации газа в жидкости RU №2243536, в котором в мерной емкости создают разряжение с регистрацией температуры и давления. Для разделения газа и жидкости используют вибрацию с регистрацией температуры и давления выделившегося газа. По данным температуры и давления газа и жидкости проводят вычисления газосодержания жидкости. Здесь также необходимо процедура принудительной дегазации жидкости с регистрацией температуры и давления.

Более сложная схема определения количества газов в жидкости представлена в RU 2499247, которая может использоваться для прямых геохимических методов поисков нефти и газа. Устройство содержит мерный и дополнительный сосуды, газоанализатор и пневмоклапаны для переключения режимов работы с «дополнительным объемом» и без. Недостатком данного способа является сложность устройства и дороговизна проведения анализа.

Наиболее близкий способ описан в RU 2256895 по определению ядер кавитации жидкости, включающий регистрацию критического давления кавитации в трубе с пережатием перекачиваемой жидкость в кавитационном режиме. При этом устанавливают кавитационный режим с запиранием расхода и в зоне разрежения, измеряют величину критического давления кавитации. Недостатком данного способа определения критического давления кавитации является большой расход жидкости, громоздкость конструкции и недостаточная точность, поскольку всегда есть пульсации давления при скорости потока, влияющие на давление в зоне кавитации.

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемой группы изобретений является разработка технологии (устройства и способа), существенно упрощающей процедуру определения давления растворенных газов в жидкости путем непосредственного измерения давления в жидкости, при котором происходит газовая кавитация, т.е. давление растворенных газов. Устройство также позволяет проводить измерение давления растворенных газов для частично дегазированной жидкости, что наиболее важно для образцов пластовой нефти и трансформаторного масла, электрическая прочность которой зависит от наличия в ней растворенного воздуха.

Техническим результатом изобретения является возможность определения давления растворенных газов в жидкости в малых объемах жидкости, при минимальных временных затратах с получением высокой точности результатов.

Поставленная задача решается тем, что устройство определения давления растворенных газов в жидкости посредством измерения давления газа в стационарном кавитационном пузырьке, включает цилиндрическую емкость, выполненную с возможностью вращения относительно своей оси; цилиндрическое тело, расположенное в цилиндрической емкости неподвижно с эксцентриситетом, снабженное каналом для измерения давления в кавитационном пузырьке, при этом входное отверстие канала размещено на боковой поверхности цилиндрического тела; датчик давления, размещенный в канале или за его пределами с возможностью измерения давления в кавитационном пузырьке через упомянутый канал; при этом цилиндрическое тело установлено на расстоянии 0,1-0,15 мм от стенки цилиндрической емкости, а входное отверстие расположено на угловом расстоянии 3-70 от образующей цилиндрического тела, расположенной на минимальном расстоянии от стенки цилиндрической емкости, и перед упомянутой образующей по ходу вращения цилиндрической емкости.

Цилиндрическое тело расположено с зазором относительно дна емкости для исключения трения между дном емкости и нижней поверхностью цилиндрического тела. Цилиндрическое тело может быть зафиксировано на кронштейне. В одном из вариантов исполнения канал имеет радиально расположенный участок, а датчик давления размещен в канале на упомянутом участке. В другом варианте выполнения датчик давления размещен на выходе из сквозного канала, например, с противоположной стороны от его входного отверстия. Цилиндрическое тело и цилиндрическая емкость выполнены с диаметрами, соотношение которых лежит в пределах интервала значений от 1:10 до 1:12. Входное отверстие выполнено соизмеримым с размерами кавитационного пузырька. В частности, входное отверстие может быть выполнено диаметром около 0,5 мм.

Поставленная задача решается также тем, что способ определения давления растворенных газов в жидкости с помощью описанного выше устройства характеризуется тем, что жидкость размещают в емкости с обеспечением покрытия верхней поверхности цилиндрического тела, приводят во вращение цилиндрическую емкость со скоростью, обеспечивающей возникновение стационарных кавитационных пузырьков на боковой поверхности цилиндрического тела с последующим измерением давления в кавитационном пузырьке, закрывающем входное отверстие канала, при этом вывод о величине давления растворенных газов в жидкости делают по полученному значению давления в пузырьке. Для образования кавитационных пузырьков на боковой поверхности цилиндрического тела цилиндрическую емкость вращают со скоростью от 0,1 см/с до 1 см/с. Исследованию может быть подвергнута жидкость с вязкостью не менее 60сСт.

Таким образом, поставленная задача решается посредством создания условий для возникновения стационарного кавитационного пузырька, в котором измеряется давление. Установлено, что при движении цилиндрического тела вдоль стенки с малым зазором, в расширяющейся области жидкости на поверхности цилиндрического тела возникает падение давления, величина которого зависит от величины зазора и скорости. При уменьшении этого давления до давления растворенных газов на поверхности цилиндрического тела возникает кавитация в виде цепочки газовых пузырьков. Показано, что давление на поверхности цилиндрического тела в области кавитации соответствует давлению растворенных газов. Таким образом, предлагаемые способ и устройство определения давления растворимых газов в жидкости по сравнению с прототипом измерения давления дает возможность оперативно и наиболее точно проводить анализ для небольших образцов жидкости. Эффективность данного способа проверена экспериментально на модельной установке и подтвердила высокую точность и надежность определения давления растворенных газов в жидкости.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена схема устройства для непосредственного измерения давления в стационарном кавитационном пузырьке. Позициями на фиг. 1 обозначены: 1 - вращающаяся цилиндрическая емкость с исследуемой жидкостью (сосуд); 2 - цилиндрическое тело (цилиндр) с отверстием 3 для измерения давления в кавитационном пузырьке; 3 - входное отверстие; 4 - кронштейн для крепления цилиндра 2, например, в виде П-образной стойки (балки); 5 - датчик давления; 6 - моторчик постоянного тока.

На фиг. 2 представлена фотография входного отверстия цилиндрического тела (цилиндра) диаметром 0.5 мм, отмеченное стрелкой, через которое проводилось измерение давления в прилегающих к цилиндру кавитационных пузырьках.

На фиг 3. представлен график давления в области кавитации при уменьшении зазора Н между цилиндром и стенкой движущейся цилиндрической емкости. При возникновении кавитации, область 7, давление в кавитационном пузырьке практически не зависит от величины зазора и характеризует давление растворенных газов исследуемой жидкости. Позициями на фиг. 3 обозначены: 7 - область без кавитации, 8 - давление в кавитационном пузырьке; а - кавитационные пузырьки при зазоре Н=0.15 мм, б - кавитационные пузырьки при зазоре Н=0.1 мм.

Осуществление изобретения

Было изготовлен опытный образец заявляемого устройства с конкретными параметрами, которые не ограничивают заявляемое изобретение.

Была использована цилиндрическая емкость 1 диаметром 100 мм и глубиной 50 мм, приводимая во вращение с помощью моторчика постоянного тока (см. фиг. 1). В эту емкость с жесткой фиксацией через П-образную балку (или кронштейн) 4 был вставлен цилиндр 2 диаметром 8 мм и длиной 12 мм с параллельным расположением осей (цилиндра и емкости). Зазор между нижней поверхностью цилиндра 2 и дном емкости 1 составил 0.1-0.15 мм. В теле цилиндра 2 на половине его высоты было выполнено радиальное отверстие (канал) диаметром 0.5 мм, для измерения давления датчиком давления 5, которое оказывает жидкость на цилиндр. В качестве датчика давления был использован датчик MPXV1070.

Величина зазора Н между стенкой вращающейся емкостью 1 и образующей цилиндра 2 должна быть не менее 0.1 мм. Линейная скорость V взаимного перемещения цилиндра вдоль поверхности емкости лежит в диапазоне от 0.1 см/с до 1 см/с и задается моторчиком постоянного тока. Изменение скорости в этом диапазоне не влияет на давление в возникшем кавитационном пузырьке. Поскольку кавитационный пузырек возникает в расширяющейся области потока и занимает пространство 3-7 градусов за линией минимального зазора, то и входное отверстие в цилиндре для измерения давления должно находиться в этом диапазоне.

Для проведения измерения в емкость 1 заливают исследуемую жидкость так, чтобы цилиндр 2 был погружен в нее. С помощью моторчика постоянного тока приводят во вращение емкость 1 и датчиком давления измеряют давление в кавитационном пузырьке. Время измерения составляет около 1 минуты.

В качестве исследуемой жидкости было использовано силиконовое масло с вязкостью 1000 сСт. Результаты измерений давления растворенного газа в силиконовом масле представлены на графике фиг. 3, ошибка измерения давления таким датчиком не превышает 1 мм рт.ст.

Устройство также позволяет быстро провести анализ состояния трансформаторного масла на наличие растворенного в нем газа и определить необходимость проведения регламентных работ по его дегазации. Малое время анализа здесь играет большое значение ввиду адсорбции газа из воздуха и изменения при этом электрической прочности трансформаторного масла.

Таким образом, заявляемые способ и устройство измерения давления в стационарном кавитационном пузырьке позволяет непосредственно определять давление растворенных газов в жидкости за небольшой период времени.

1. Устройство определения давления растворенных газов в жидкости посредством измерения давления газа в стационарном кавитационном пузырьке, включающее цилиндрическую емкость, выполненную с возможностью вращения относительно своей оси; цилиндрическое тело, расположенное в цилиндрической емкости неподвижно с эксцентриситетом, снабженное каналом для измерения давления в кавитационном пузырьке, входное отверстие которого размещено на боковой поверхности цилиндрического тела; датчик давления, размещенный в канале или за его пределами с возможностью измерения давления в кавитационном пузырьке через упомянутый канал; при этом цилиндрическое тело установлено на расстоянии 0,1-0,15 мм от стенки цилиндрической емкости, а входное отверстие расположено на угловом расстоянии 3-7° от образующей цилиндрического тела, расположенной на минимальном расстоянии от стенки цилиндрической емкости, и перед упомянутой образующей по ходу вращения цилиндрической емкости.

2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что цилиндрическое тело расположено с зазором относительно дна емкости для исключения трения между дном емкости и нижней поверхностью цилиндрического тела.

3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что цилиндрическое тело зафиксировано на кронштейне.

4. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что канал имеет радиально расположенный участок, а датчик давления размещен в канале на упомянутом участке.

5. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что цилиндрическое тело и цилиндрическая емкость выполнены с соотношением диаметров, выбранных из интервала значений от 1:10 до 1:12.

6. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что входное отверстие выполнено соизмеримым с размерами кавитационного пузырька.

7. Устройство по п. 6, характеризующееся тем, что входное отверстие выполнено диаметром около 0,5 мм.

8. Способ определения давления растворенных газов в жидкости с помощью устройства по п. 1, характеризующееся тем, что жидкость размещают в емкости с обеспечением покрытия верхней поверхности цилиндрического тела, приводят во вращение цилиндрическую емкость со скоростью, обеспечивающей возникновение кавитационных пузырьков на боковой поверхности цилиндрического тела с последующим измерением давления в кавитацонном пузырьке датчиком давления через канал, при этом вывод о величине давления растворенных газов в жидкости делают по полученному значению давления в пузырьке.

9. Способ по п. 8, характеризующийся тем, что скорость вращения емкости составляет от 0,1 см/с до 1 см/с.

10. Способ по п. 8, характеризующийся тем, что используют жидкость с вязкостью не менее 60 сСт.