Устройство для определения напряжения сдвига в лабораторных условиях и способ его использования Советский патент 1993 года по МПК G01N11/00 

Изобретение относится к области определения реологических характеристик нень- ютоновских жидкостей, обладающих свойствами тиксотропности и реопектично- сти, в частности, величины статичедкого напряжения сдвига тиксотропных нефтей.

Цель изобретения - повышение экс- прессности измерения.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства; на фиг. 2 - чувствительный элемент, вид сверху,

Устройство для осуществления способа включает чувствительный элемент 1, жесткий стержень 2, динамометр 3, тяговый привод 4, направляющие 5, установочный привод 6 и кювету с исследуемой средой 7. Чувствительный элемент 1 состоит из тонких ребер 8 и несущей пластины 9.

Определение напряжения сдвига осуществляют в следующей последовательности.

В кювету 7 и исследуемой средой с помощью установочного привода 6 медленно вводится чувствительный элемент 1 строго в направлении плоскостей ребер 8 и несущей пластины 9, что позволяет производить замер непосредственно после операции ввода чувствительного элемента, т к. в дан00 N5 СЛ GJ СЛ

ном случае механически нарушена будет лишь небольшая часть исследуемого вещества непосредственно у поверхностей ребер и несущей пластины (заштрихованная зона на фиг. 2). Сдвиг чувствительного элемента осуществляется с помощью тягового привода 4 через динамометр 3 и жесткий стержень 2 в направлении перпендикулярном ребрам, что обеспечивает срез по плоскостям А-А в основном по механически ненарушенному веществу. Измеренное динамометром усилие будет характеризовать напряжение сдвига, соответствующее скорости, с которой будет сдвигаться чувствительный элемент 1. При сдвиге с медленной скоростью, в частности, будет статическое (начальное) напряжение сдвига вещества с ненарушенной структурой.

Реализацию способа и обоснование размеров чувствительного элемента рассмотрим на примере определения напряжения сдвига застывших парафинистых нефтей. Выбор геометрических размеров чувствительных элементов реологических приборов производится в зависимости от ожидаемых значений реологических характеристик и области их последующего использования. Для целей нефтепроводного пространства область определения статического напряжения сдвига составляет 1-8 Па. Для уменьшения разрушающего влияния при вводе чувствительного элемента в исследуемую среду следует устанавливать ми- нимальные скорости, конкретное назначение которых регламентируется достижением необходимой точности измерения. Примем скорость ввода 1 . Согласно известной работе пластическая вязкость нефтей, соответствующая статическим напряжением 1 Па и 8 Па, составит: VI 0,1 +0,01 1 0,11 Па -с, 0,1 +0,01 8 0,18 Па с, и из закона вязкого течения зона разрушения при сдвиге со скоростью U может быть определена как

-,v

-гЗ

max

0.11

1 10

hmln 0,18

1

1 10 8

1 10 м 0,1 мм

-3

2 0,02мм.

С учетом полученного значения следует, что длину I поперечных ребер достаточно принять 0,5-1 мм. Толщину ребер следует принять минимально возможной по условиям изготовления чувствительного элемента Технически возможно изготовить ребра толщиной 0,1 мм (лезвие бритвы 0,08-0,1 мм). Расстояние же между ребрами, напротив,

следует делать как можно больше для увеличения области ненарушенного вещества. Однако расстояние между ребрами нельзя делать и сколь угодно большими, так как при

этом нарушается плоскостность сдвига и получаются завышенные значения напряжения сдвига. Экспериментально установлено, что расстояние между ребрами должно составлять 7-9 мм.

Очевидно, что погрешность будет определяться соотношением площадей нарушенной и ненарушенной структуры измеряемой среды. При этом примем, что при вводе пластины в результате разрушения структуры статическое напряжение изменяется в 2 раза, Нарушение же будет происходить непосредственно ребром 0,1 мм и по 0,1 мм с каждой его стороны. Тогда при расстоянии между ребрами 8 мм данная

погрешность составит:

0

0.3-1

100% 1,9%.

8-0,3

Таким образом, погрешность от разру- 5 шения структуры кромками ребер составляет 2%.

Оценим погрешность от лобового сопротивления чувствительного элемента.

Нормальные напряжения обычно в 1,5-2 0 раза превышают касательные, т.е. (7 (1,5- 2) г. При размерах чувствительного элемента: длине - I; высоте h; толщине - S; лобовое усилие от нормальных напряжений суть РСГ с/ h S 2 г h S , по двум 5 боковым поверхностям среза сопротивление от касательных напряжений Pr 2rhl.

Суммарная толщина чувствительного элемента при длине ребер 0,8-1 мм и толщине несущей пластины 1 мм составит ,5-3 мм, Длина не лимитируется. Чем больше длина, тем меньше погрешность от лобового сопротивления. Приняв для определенности мм, получим

5

100 % 4 100 % |Ј .1%.

ггIOU

При этом следует заметить, что погрешность от лобового сопротивления в принn ципе легко исключить предварительным выбором части застывшей последуемой нефти перед исследованием, например, устройством типа пробоотборника для отбора консистентных материалов.

е В тех же случаях, когда будут присутствовать обе ошибки как от разрушения по боковым ребрам, так и по лобовому сопротивлению, погрешность составит 5%. Это несколько превышает паспортную техническую погрешность промышленных реометров (3-4%), но это существенно ниже реальных погрешностей определения статического напряжения сдвига, достигающих десятков процентов и даже кратных величин, обусловленных методикой измерения и тиксотропными свойствами застывающих нефтей.

По материалу, из которого должны выполняться пластины, можно отметить следующее.

Чувствительные элементы реоприбо- ров выполняются из металла либо пластмассы. Выбор материала определяется главным образом технологичностью изготовления и требуемой жесткостью конст- рукции. Поэтому предпочтительно изготовление устройства из металла достаточной прочности (нержавеющая сталь). Деформация пластин при измерении должна отсутствовать, что обеспечивается выше- указанными малыми размерами ребер.

Плавучесть устройства в исследуемой среде не является обязательным условием, пластина при этом должна погружаться либо на всю ее высоту, либо при высоких зна- чениях статического напряжения сдвига частично, что соответственно должно учитываться при последующем расчете определяемой величины.

Наконец, надо указать на регламента- цию скорости с которой производится сдвиг чувствительного элемента. Так в работе(см. И.М. Белкин и др. Ротационные приборы. Измерение вязкости и физико-механических характеристик материалов. - М.: Ма- шиностроение, 1968) показано, что инвариантные значения статического напряжения сдвига получаются при окружной 5

скорости вращения цилиндра ротационного визкозиметра не более 0,05 об/мин. В пересчете на данный вид прибора скорость смещения чувствительного элемента не должна превышать 0,001 м/с.

Использование предполагаемого изобретения позволит значительно сократить время,необходимое для замера напряжения сдвига.

Формула изобретения

1,Устройство для определения напряжения сдвига в лабораторных условиях, содержащее кювету, тяговое устройство, динамометр и чувствительный элемент, о т- личающееся тем, что, с целью повышения экспрессности, чувствительный элемент выполнен в виде несущей пластины с набором симметрично установленных ребер пластинчатого типа, расстояние между которыми не менее, чем в 80 раз превышает толщину ребра, и толщина ребра меньше длины не менее чем в 10 раз, причем тяговое устройство выполнено в виде жесткого стержня, а чувствительный элемент с системой привода укреплен на направляющих с возможностью вертикального перемещения.

2.Способ определения напряжений сдвига в лабораторных условиях, включающий введение чувствительного элемента в исследуемую среду, сдвиг его с замером усилия и расчет напряжений сдвига, отличающийся тем, что, с целью повышения экспрессности, чувствительный элемент вводят строго в направлении плоскостей пластин и ребер и производят сдвиг в направлении, перпендикулярном плоскостям ребер, со скоростью не более 0,001 м/с.

Назначение: изобретение относится к области определения реологических характеристик жидкостей, обладающих свойствами тиксотропности, в частности величины статического напряжения сдвига тиксотропных нефтей. Сущность изобретения: устройство содержит кювету, тяговое устройство, динамометр и чувствительный элемент, причем чувствительный элемент выполнен в виде несущей пластины с набором симметрично установленных ребер пластинчатого типа, расстояние между которыми не менее чем в 80 раз превышает толщину ребер, а толщина ребра меньше длины не менее чем в 10 раз. Тяговое устройство выполнено в виде жесткого стержня. Чувствительный элемент с системой привода укреплен на направляющих с возможностью вертикального перемещения. Способ включает введение чувствительного элемента в исследуемую среду, сдвиг его с замером усилия и расчет напряжения сдвига. Чувствительный элемент вводят строго в направлении плоскостей ребер и пластин, и производят сдвиг в направлении, перпендикулярном плоскостям ребер со скоростью не более 0,001 м/с. 1 з.п. ф-лы. 2 ил. Ё