Устройство для определения зависимости объема текучих сред от давления и температуры Советский патент 1992 года по МПК G01N11/00 

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 тем- пературы содержит в надпоршневой полости шар для перемешивания иследуе- мой 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, пересечения движущейся текучей среды и ее тур- булизации. 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 предлагаемого устройства; общий вид; на фиг. 2 - шар для перемешивания пробы текучей среды с

Ч

ы ы

ю

х|

шы

перекрещивающимися каналами и конусными выемками.

Устройство содержит рабочую камеру 1 со сферическим внутренним сводом. В рабочей камере установлен поршень 2 со сфе- рически 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 перекрещивающиеся каналы 11, а на его наружной поверхности - конусные выемки 12. В верхней части рабочей камеры установлен вентиль 13, через который подается в над- поршневую 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 камеры 1, при этом поршень 2 при открытом вентиле 8 перемещается вниз. Количество переводимой в рабочую камеру текучей среды опеределяют по перемещению указателя 5 на штоке 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 камеру термо- статируют 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

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.

Исследования пробы текучей среды производят при изменении трех параметров (в любом сочетании): давления Р (посредством насоса 9), температуры Т (посредством термостата 18) и объема V (посредством поршня 2), т.е. при различных соотношениях параметров текучей среды. Изменение давления Р измеряют манометром 14, изменение температуры Т - 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 зависимости 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 надпоршневой полости и поворотное устройство, закрепленное на корпусе, отличающееся тем, что, с целью увеличения

точности определения искомой характеристики путем повышения эффективности перемешивания исследуемой среды, в шаре выполнены сквозные перекрещивающиеся каналы, а на его поверхности - конусные

5 выемки.

Кроме того, в устройстве, содержащем многочастотный источник электромагнитного излучения, оптически связанный с интерферометром, в измерительном плече которого установлена емкость для исследуемого 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 фазовращатель 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 еди- ницах) сзязан с амплитудами А и сдвигами фазы Ф опорной и измерительной волн следующим образом:

U(A2o + A2n) + AoAnCOS( Фи Фо ),(1)

где индекс о относится к опорной волне, а индекс и - к измерительной.

Из соотношения (1) получают Фи - Фо arccos{ U- ( + А2п)/(А0Аи)}. (2)

Сдвиг фазы Ф0 опорного канала появляется из-за разности оптических путей опорной и измерительной волн. Согласно предлагаемому способу, чтобы исключить из рассмотрения сдвиг, Ф0 , который при многочастотном способе зависит также от длины волны, оптические пути опорной и измерительной волн в отсутствие частиц устанавливают равными между собой. Тогда Фо 0 и сдвиг фаз Фи вызывают только частицы, концентрация которых измеряется, поэтому далее для сдвига фаз применяются обозначения без индексов и и Ф - Ф п.

Для определения АО и Аи части энергии электромагнитной волны ответвляют-из опорного и измерительного каналов соответственно. Чтобы при определении сдвига фазы учесть уменьшение Аи за счет поглощения волны частицами, в измерительном канале ответвление производят от волны, 5 уже прошедшей сквозь газ.

Ответвленные части опорной и измерительной волн формируют сигналы (Jo и U соответственно. Чтобы привести сигналы трактов ответвления и выхода интерферо0 метра к одному масштабу (учесть пропускания делителей волн и газосодержащего сосуда), один из каналов поочередно перекрывают. Измеряют сигнал другого канала и ситал на выходе интерферометра U. Оп5 ределяют коэффициенты выравнивания сигналов как отношение сигнала на выходе интерферометра к сигналу канала: Ко U/Uo, K« U/Urt соответственно. Процедуру определения коэффициентов достаточно

0 провести только один раз.

Ни амплитуда, ни фаза волны в опорном канале не зависит от условий в измеряемом газе, поэтому ответвление из опорного канала можно заменить ответвлением части

5 энергии волны до ее разделения на опорную и измерительную (в устройстве такое ответвление достигается с помощью светоделителя перед входом иктерферометра). В этом случае увеличивается (уменьшается) сигнал

0 Da, который можно назвать нулевым вместо опорного, и соответственно уменьшается (увеличивается) величина коэффициента выравнивания Ке.

С учетом Ко и Ки зависимость между

5 фазами Ф , сигналом интерференции U и сигналами волн U0. Un имеет следующий вид:

Ф arccos | (U - KoUo - К„ин}/ВЈиД . (3)

0 Из-за четности функции cos сдвиг фаз может быть как отрицательным, так и положительным. Знак сдвига зависит от природы частиц в исследуемом газе (электроны сообщают волне отрицательный сдвиг, ато5 мы - отрицательный либо положительный в зависимости от того, в какую сторону, коротковолновую либо длинноволновую, от атомной линии находится частота электромагнитной волны. Так, как Ф изве0 стен заранее, то для определенности считают Ф 0.

Функция arccos неоднозначна. По выражению (3) можно определить только величины уз из интервала О, я, которые могут

5 отличаться от значения сдвига фазы Ф знаком и целым числом п раз по 2 я рад:

V Ф {±- р +2л п.(4)

если п 0:

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

В многочастотной интерферометрии для того, чтобы определить значения сдвига фаз я , для всех частот электромагнитной волны необходимо производить подбор знака и числа п в выражении (4) до тех пор, пока их значения не удовлетворят условию отношения, которое, если измеряют концентрацию электронов, выглядит следующим образом:

ФАР) ,(5)

где индексы I, j обозначают частотную компоненту электромагнитных волн (i f J);

А - длина волны.

В общем случае, когда в разряде имеются электроны с концентрацией и частицы, имеющие резонанс в спектре поглощения, Np, сдвиг фазы

Ф/2 ,49 10 14АНв +

+. Y 224 (Я-Лсг)Мг . ,« г (Я-Яог)2 + (ДА/2 )2 {) где Я , A or - длины волн зондирующего излучения и резонансов (см);

АЯ- ширина резонанса, см;

I - длина области, занятая частицами, см;

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 {фазовращателем в опорном канале). Если происходит термическое расширение в газе, то необходимо учитывать изменение плотности Д Nr и вместо Nr в выражении (6) будет ДМГ. Резонансные длины большинства газов находятся в вакуумном ультрафиолете и длина волны зондирования всегда Я Яог поэтому согласно (3)

,4910-14Я Ng + 4-У СгДМг}.(7) НУЮ тРУбкУ нагревают до 220 С для

А™ пплляпжмиянип лявления пяяпи нятпмя Н«1П

поддерживания давления пазов натрия 5-10 торр. Через один конец трубки вводят два луча (Я| Е83 нм и Яц 612 нм) лазеров н,а

где Сг - рефракция частиц.

Если газ не нагревается, то ДМГ -О и Ф/2 п -4,49 Ме1. (8)

Разряд сопровождается выбросом частиц, например, факелом из металла. У атомов металлов Я or лежит в УФ-видимой области и для них условие Я Я Ог может не выполняться. В этой ситуации необходимо выбирать длины волн зондирования близкими к резонансной, чтобы вклад в сдвиг резонансных частиц преобладал, Тогда

Ф/2 п ЧО- тг(Я-Яо) М Ф/2Я(Я-4)24-(ЛЯ/2)2 (9)

Условие (5) для подбора знака р и числа n получают из (8). В случае разогрева газа на

основании (7) получают следующее условие

отношения

0

5

0

5

0

5

0

(Ю)

5

ф AI - Ф /У Я2-Я2 ft-tf

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

Ф ,(Я.-Я0)()2+()2

(Я,-Ло)(Л-Яо)2+(ЛА/2)2

Концентрации электронов Ne и резонансных частиц Nr определяются из сдвигов фаз 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. В 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 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 отi ЧГГЬ

качанную до давления 10 торр и отпаянНУЮ тРУбкУ нагревают до 220 С для

пплляпжмиянип лявления пяяпи нятпмя Н«1П

поддерживания давления пазов натрия 5-10 торр. Через один конец трубки вводят два луча (Я| Е83 нм и Яц 612 нм) лазеров н,а

0 красителях (не показаны) с длиной импульса света 1 не. Трубка излучает полихроматический импульс с длинами волн К 0,82 мкм; Кг- 1,14 мкм; Яз 2,21 мкм и Я 3,41 мкм длительностью 1 не. Импульс делят на све5 тоделительной кварцевой пластинке 11 с на- пыленным полупрозрачным слоем на опорный и измерительный. Опорный импульс отражается от алюминиевого зеркала 14, проходит тонкий кварцевый ахроматический клин 4 (фазовращатель). На выходе интерферометра 2 измерительный импульс, пройдя емкость 3 с исследуемым газом, отражается от алюминиевого зеркала 12 и сводится с опорным лучом на 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 МГ- 30. 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 пла- стинка, управляемая устройством автоматической подстройки интерферометра (входит в конструкцию системы 8 управления).

Плазма образовалась разрядом между электродами в атмосфере водорода. Часть луча одного из лазеров ( Ait 612 нм) самым коротким путем направляется в межэлектродный промежуток и там фокусируется (иницирует разряд). Остальная часть излуче- ния АН и Анпопадает на трубку с паром натрия через линию регулируемой задержки (1,5 - .10 не). Таким образом достигается согласование разряда в водороде с импульсом источника 1 и возможность исследова- ния кинетики плотности электронов в интервале времен задержек 1,5 - 10 не.

По сигналам интерференции, сигналам опорного Do и измерительного UH каналов, коэффициентам выравнивания Кс, Кц по вы- ражению (3) определены величины интервала 0, п , 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 сдв.игов фазы.

Концентрацию электронов рассчитывают по выражению (8). Получено, что через 2 не после инициирования разряда Ne Зх хЮ16 а через 5 не Ne 3-10 . При ширине разрядного канала 0,05 см конц г- ентрации Ne для этих времен задержки составляют 6«1017 и 6 10Жсм 3.

Формула изобретения 1. Способ измерения концентрации частиц в газе, включающий формирование пучка многочастотного электромагнитного

5 0 5 0

5 0 5

0 5

5

зондирующего излучения, разделение пучке на измерительный и опорный, пропускание 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 на частотах зондирования, определение сдвигов фаз, соответствующих частотам зондирования, определение концентрации частиц, отличающийся тем, что. 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 Do и измерительного каналов Uu, определяют коэффициенты выравнивания сигналов К0 и Ки, рассчитывают сдвиг фаз Ф :

Ф(±р +2;тгп, если п О если п О,

1t

где (р arccosfc (U - K0U0 - KMUh)/

//№ulu

n - целое число,

причемФ|/Ф| Ai/Aj для электронов без изменения показателя преломления газа,в(Ф|А| -

-Ф АО/СФкАк -ФД)(# -#ХА1-А) для электронов, если изменение концентрации сопровождается изменением показателя

преломления газа.Ф/ф (А|-АО ) (Aj-Ac)i

+ (дл/2 э2 }/{(AJ-AO) (А,-АО 52 ч- (ДА/2 ft.

для частиц, имеющих резонанс в спектре 0 поглощения,

где . j, k, I - индексы ФмА для разных частотных компонентЛэ - длина волны резонанса; ДА- ширина резонанса.

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

выход интерферометра оптически связан с блоком преобразования электромагнитного излучения в электрические сигналы, выход которого подключен к системе обработки сигналов и управления, отличающееся 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 свето- делитель 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 выполнен в виде диспергирующего элемента, оптически связанного с фотоприемниками, число которых в каждом блоке преобразования равно числу частот, а выходы всех фотоприемников подключе15 ны к системе обработки сигналов и управления.

16

17

Фиг. 2

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.