Способ определения полных реологических кривых полидисперсных систем

 

«864061

Саюз Соаетакии

Социалистических

Республик

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДИТЖЛЬСТВУ (6«) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 270479 (21) 2760349/25 с присоединением заявки NP (23) Приоритет

Опубликовано 150981. Б«оллетень ИВ 34

Дата опубликования описания 150981 (51)М. Кл.

G 01 N 11/14

Государствеиимй комитет

СССР ио делам имбретеиий и отмрь«тий (53) УД(532.. 137 (088.8) ромавтоматика (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛНЫХ РЕОЛОГИЧЕСКИХ

КРИВЫХ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

ИзОбретение .относится к способам определения физико-химического состояния коллоидных растворов, суспен зий и других дисперсных систем посредством определения полных реологических кривых и может быть использовано как в научных, так и в практических целях в нефтегазодобывающих отраслях промышленности в лакокрасочных, химических и пицевых производствах, в строительстве.

Известен способ получения полных реологических кривых, основанный на измерении механической реакции среды, эаключаюцийся в том, что с 15 помощью, например ротационных вискоэиметров, представляющих собой два тела (коаксиальных цилиндра), между которыми помецена испытуемая среда, одно иэ тел приводят во вра« 20 щение при различных скоростях общего деформирования дисперсной системы, . и каждый раз при соответствуюцих скоростях измеряют механическую реакцию среды, а именно, напряжение сдви- 25 га испытуемой среды, затем определяют координаты точек и строят полную реологическую кривую

Однако такой способ очень громоздок, так как раз приходится менять Зо скорость врацения, затем определять напряжение сдвига испытуемой среды, причем напряжение сдвига определяют при равновесной степени разрушения структуры дисперсной системы« а это требует длительного времени (до нескольких часов, а то и суток).

Этот промежуток времени оказывается" на постоянстве свойств испытуемой жидкости, например глинистого растВора, применяемого в бурении нефтяных и газовых скважин. В итоге реологические свойства глинистого раствора в начале и в конце опыта становятся различньвя, так как испаряется дисперсиоиная среда, в результате чего увеличивается погрешность определения реологических кривых. Это значит, что мы строим реологическую кривую по точкам принадлежащим разным суспензиям, а относим эту кривую к одной суспензии.

Цель достигается тем, что согласно способу определения пол«ык реологических кривых полидисперсйых систем вращение одного иэ тел приводят во вращение при одной фиксированной скорости общего деформирования дисперсной системы, которую определяют экспериментальным путем (скорость полного

864061 разрушения тиксотропной структуры), и измеряют напряжение сдвига испытуемой среды, затем определяют скорости относительного перемещения слоев в различных точках коаксиального зазора двух тел, фиксируя при этом координаты точек. По измеренным ве личинам определяют полную реологическую кривую. На весь этот процесс затрачивается в среднем 10-15 мин.

На фиг.l показана принципиальная схема устройства, реализующего предложенный способу на фиг.2 — обозначения величин, используемых при определении скоростей взаимного перемещения слоев в зазоре ротационного вискозиметра.

Устройство представляет собой ротационный вискозиметр, содержащий два коаксиальных цилиндра 1 и 2, в рабочий зазор 3 которого помещена исследуемая жидкость. Один иэ цилиндров (внутренний) 2 приводится во вращение от эЛектродвигателя 4, с которым связан тахогенератор 5 и измеритель 6 момента на валу двигателя 4. В рабочий зазор 3 вискозиметра введен электрод 7, который парой винт-гайка 8 и редуктором 9 связан со вторым электродвигателем 10 и датчиком 11 положения электрода 7 . K электроду 7 и внутреннему цилиндру

2 подается напряжение постоянного тока, измеряемого амперметром 12 °

Величина тока определяется в зависимости от характера испытуемой жидкости. Тахогенератор 5 измерителя 6 момента на валу электродвигателя 4, датчик 11 положения и электрод 7 подсоединен через устройство 13 ввода к вычислительному блоку (процессору) 14 и далее через устройство

15 вывода к устройству 16 регистрации. устройство работает следующим образом.

В рабочий зазор 3 вискозиметра заливают исследуемую жидкость. Подают напряжение постоянного тока на электрод 7 и внутренний цилиндр

2. Включают электродвигатель 4, который приводит во вращение внутренний цилиндр 2. При этом исследуемая жидкость в рабочем зазоре.З вискозиметра испытывает механическую реакцию, а именно слои жидкости начинают перемещаться со скоростью о» = %пах до Чр- 0 °

Вращение внутреннего цилиндра 2 осуществляют при одной фиксированной скорости общего деформирования ° При включении второго электродвигателя

10 электрод 7 с помощью винт-гайки 8 и редуктора 9 перемещается в радиальном направлении в рабочем зазоре 3.

Датчик ll перемещения фиксирует положение электрода 7.

При передаче вращательного движения от слоя к слою моменты от каса- . тельных напряжений исследуемой жидкости выражаются с помощью сле" дующей системы уравнений

«д

Р Д У®1+"О+ У

Н

Р+1 Д 9 1+ О<2

И 3. щ. Ф Ы д

at 1 1 р+1М а й,(» = — 3 ж, +Ь

-1 k k где М.... М, — моменты от касательных о

35 напряжений сдвига исследуемой жидкостиу

I< ....I - моменты инерции элементарных цилиндров вращающейся исследуемой жидкости; щр,1оу„ — угловые скорости враще-,, ния этих цилиндров..

Просуммировав левые и правые части системы (1) получим (и

К 1=4 ДФ

Из (2) видно, что М р — М - не

3Q что .иное, как результирующий момент

6 на валу двигателя, предлагаемый для вращения исследуемой жидкости по всему зазору (Мв)у Х вЂ” 8уть постоянная величина для данной жидкости и легко вычисляется по известным формуламу иу„ изменяется с изменением

К) при фиксированном СОр (скорости вращения внутреннего цилиндра) .

Если обратиться к значениям

N0+ 1 . ° ° ° I Мр+ 1 + 1 ° ° еМК-1 ф То заметим, что они зависят от величины касательных напряжений сдвига, действующим на границах элементар-..

HblX ЦИЛИНДРОВ р „, 1,Р,,„..., y а Мр- учитывает Суммарную величину

45 „ 1 ° Из (1) ясно, что следующий лой начинает вращаться только тогда, когда момент его сил касательного напряжения сдвига на границе с предыдущим слоем превзойдет аналогичный

Я момент на грани4е со следующим слоем.

Это значит, чтоТ„ = Е(иу„-) . Однако для достижения определенной скорости взаимного перемещения слоев-m нуж1 но преодолеть соответствующее знау чение%, в противном случае чу не буу(ет достигнута, следовательно, u);= й(Ф;), это значит, что кривые распределенйя скоростей и напряжений подобны (с коэффициентом подобия, определяемым различием в ® моментах измерения) . Это говорит о том, что можно в пределах от <и дохтур, измеряя, последовательно значения Ч, Ч ...Ч»...Чр, иметь полную реологическую кривую в одном цик45 ле измерения и нет необходимости ва864061 варьировать значения Ч„, а достаточно выбрать одно,.например, максимальное для данной исследуемой жидкости (пределы изменения V фиксируются соображениями необходимости сохранения ламинарного течения в зазоре) .

Следовательно, вращение внутреннего цилиндра мЬжно осуществлять при одной фиксированной скорости общего деформирования данные о моментах сопротивления от касательных напряжений сдвига от измерителя момента 6, сигналы о скорости вращения цилиндра 2 от тахогенератора 5, о положении электрода

7 от датчика 11 перемещений, а также сигналы о скорости перемещения 15 слоев исследуемой жидкости от амперметра 12 поступают через устройство 13 ввода на вычислительный блок (процессор) 14, который выдает ко- . манды на перемещение электрода 7 и на устройство lб. регистрации.

Характер кривых распределения скоростей взаимного перемещения слоев в зазоре 3 вискозиметра определяют заранее экспериментальным путем при . данной исследуемой жидкости. Следовательно, если вид функций Ч„= Й(й„) задан, то, определив предварительно возможный характер модели и затем определив возможный характер модели и, использовав, например, шаговый метод адаптивной идентификации (по ограниченному числу измерений определяют коэффициенты модели и таким образом получают полную реологическую кривую) . Если погрешность определен- 35 ной кривой, рассчитанная процессором 14, окажется больше заданной, то процессор 14 выдает команду иа перемещение электрода 7 и таким образом осуществляют следующий цикл измерений, на котором уточняют коэффициент модели..Измерения осуществляют до тех пор, пока погрешность не достигнет заданного значения.

Например если - 45

50 где 3 „, а -,а - некоторые линейные коэффйциентй, то мы получив измерения

V в точках 1,2...n для каждой реализации рассчитываем коэффициенты по формулам

I а ДЧ4 (1+Я 3Р)

"1

СМ . = Й (. )+p. ° Q .

a> =a>(; „>+p,. и ф

Полученные значения подставляем в (3), вычисляем V„ и определяем aVj, Если численное значение дV„ Hå удовлетворяет, повторяют процедуру.

Предложенный способ имеет существенное преимущество перед известными способами .за счет оперативности получения полных реологических кривых. Экономическая эффективность способа базируется на оптимизации режимов течения и техйологических процессах. Кроме того, измерение скоростей в зазоре может осуществляться и другими техническими средствами, например лазерными дифференциальны.ми измерителями скоростей различных типов в зависимости от прозрачности изучаемой полидисперсии.

Формула изобретения

Способ определения полных реологических кривых полидисперсных систем, основанный на измерении механической реакции испытуемой среды с использованием двух тел, между которыми помещена испытуемая среда, при этом одно йз тел связано с приводом вращения, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени и увеличения точности определения, одно из тел приводят во вращение при фиксированной скорости общего деформирования дисперсной системы, измеряют напряжение сдвига испытуемой среды, определяют скорости относительного леремещения слоев в различных точках коаксиального зазора двух тел, а скорость деформирования дисперсной. системы задают такую, при которой наступает предельное разрушение тиксотропной структуры.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Вартенев Г.И., Ермилова Н.В.

Физико-химическая механика дисперс-. ных структур. И., . Наука, 1966, с. 371 (прототип) °

864061

Фиа,1

Составитель В. Воцанкин

Редактор N. Келемеш Техред М. Голинка Корректор У Пономаренко

Заказ 7763/61 Тираж 910 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета. СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, РаушСкая наб., д,4/5 филиал GIIH Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4