Способ определения полных реологических кривых полидисперсных систем Советский патент 1981 года по МПК G01N11/14 

Изобретение ОТНОСИТСЯ к способам определения физико-химического состояния коллоидных растворов, суспен зий и других дисперсных систем посредством определения полных реологи ческих кривых и может быть использо вано как в научных, так и в практических целях в нефтегазодобывающих отраслях промышленности в лакокрасочных, химических и пищевых производствах, в строительстве. Известен способ получения попных реологический кривых, основанный на измерении механической реакции среды, заключакяцийся в том, что с помощью, например ротационных вискозиметров, представляющих собой два тела (коаксиальных цилиндра), между которыми помещена испытуемая среда, одно из тел приводят во враи ние при различных скоростях общег деформирования дисперсной системы, и каждый раз при соответствующих скоростях измеряют механическую реа цию среды, а именно, напряжение сдв га испытуемой среды, затем определя ют координаты точек и строят полную реологическую кривую Однако такой спос.об очень док, так как раз приходится менять скорость вращения, затем определять напряжение сдвига испытуемой среды, причем напряжение сдвига определяют при равновесной степени разрушения структуры дисперсной систе «Д1 а это требует ;ср1ительного времени (до нескольких часов, а то и суток). 3tOT промежуток времени оказываетсяна постоянстве свойств испытуемой жидкости, например глинистого раствора, применяемого в бурении нефтяных и газовых скважин. В итоге реологические свойства гли нистого раствора в начале и в конце опыта становятся различными, так как испаряется дисперсионная среда, в результате чего увеличивается погрешность определения реологических кривых. Это значит, что мы строим реологическую кривую по точкам принадлежащим разным суспензиям , а относим зту кривую к одной суспензии. Цель достигается тем, что согласно способу определения полных реологических криялх прлидисперсных систем вращение одногЬ из тел приводя т во вращение при одной фиксированной скорости общего деформирования дисперсной системы, которую определяют экспериментальным путем (скорость полного разрушения тиксотропной структуры), и измеряют напряжение сдвига испыту мой среды, затем определяют скорост относительного перемещения слоев в различных точках коаксиального зазора двух тел, фиксируя при этом координаты точек. По измеренным величинам определяют полную реологическую кривую. На весь этот процесс затрачивается в среднем 10-15 мин. На фиг.1 показана принципиальная схема устройства, реализующего пред ложенный способ; на фиг.2 - обознач ния величин, используемых при определении скоростей взаимного перемещения слоев в зазоре ротационного вискозиметра. Устройство представляет собой ро тационный вискозиметр, содержащий два коаксиальных цилиндра 1 и 2, в рабочий зазор 3 которого помещена исследуемая жидкость. Один из цилиндров (внутренний) 2 приводится во вращение от электродвигателя 4, с которьвд связан тахогенератор 5 и измеритель 6 момента на валу двигателя 4.В рабочий зазор 3 вискозиме ра введен электрод 7, который парой винт-гайка 8 и редуктором 9 связан со вторым электродвигателем 10 и да чиком 11 положения электрода 7. К электроду 7 и внутреннему цилиндру 2 подается напряжение постоянного тока, измеряемого амперметром 1.2. Величина тока определяется в зависи мости от характера испытуемой жидко ти, Тахогенератор 5 измерителя б момента на валу электродвигателя 4, датчик 11 положения и электрод .7 подсоединен через устройство 13 вво да к вычислительному блоку (процессору) 14 и далее через устройство 15 вывода к устройству 16 регистрации. З тройство работает следующим образом. В рабочий зазор 3 вискозиметра заливают и оследуемую жидкость. Подают напряжение nocToj MHoro тока на электрод 7 и внутренний цилиндр 2. Включают электродвигатель 4, который приводит во вращение внутренний цилиндр 2. При эиом исследуемая жидкость в рабочем зазоре.3 вис козиметра испытывает механическую реакцию, а именно слои жидкости начинсцот перемещаться со скоростью от V .до Vo 0. . Вращение внутреннего цилиндра 2 осуществляют при одной фиксированно скорости общего деформирования. При включении второго электродвигателя 10 электрод 7 с помощью винт-тайки и редуктора 9 перемещается в радиальном направлении в рабочем зазоре Датчик 11 перемещения фиксирует положение электрода 7. При передаче вращательного движе ния от слоя к слою моменты от касательных напряжений исследуемой жидкости выражаются с помощью следующей системы уравнений o ar -j«i Mo i .Г. , где М. .. . моменты от касательных напряжений сдвига исследуемой жидкости; 1 ... .1) моменты инерции элементарных цилиндров вращающейся исследуемой жидкости; utj... tiU|, - угловые скорости вращения этих цилиндров. Просуммировав левые и правые части системы (1) получим V K-g-lr -, (ly Из (2) видно, что MO - Mfc- не что .иное, как результирующиЗ$ момент 6 на валу Двигателя, предлагаемый для вращения исследуемой жидкости по всему зазору (Мр) ; Ij.- (уть постоянная величина для данной жидкости и легко вычисляется по известным формулам; ш.,- изменяется с изменением R при фиксированном сОр (скорости вращения внутреннего цилиндра). Если обратиться к значениям 1 .. ../ KQ+ i + l...M(t-i то заЫетим, что они за.висят от величины касательных напряжений сдвига, действующим на границах элементарных ЦИЛИНДрОВ д ,,ti,..-t|C( М- - учитывает суммарную величину i .Из 1) ясно, что следующий начинает вращаться только тогда, когда момент его сил касательного напряжения сдвига на дранице с предыдущим слоем превзойдет аналогичный момент на граниае со следующим слоем. Это значит, чтоТ,- (ш). Однако для достижения определенной скорости взаимного перемещения слоев нужно преодолеть соответствующее значение и , в противном случае vj не буДет достигнута, следовательно, f (tj ) , это значит, что кривые распределения- скоростей и напряжений подобны (с коэффициентом подобия, определяемым )азличнем в моментах измерения). Это говорит о том, что можно в пределах от доа1д, измеряя последовательно зна% .. Vjj... .V{j , иметь полчения V. ную реологическую кривую в одном цикле измерения и нет необходимости ва/рьировать значения V,, а выбрать одно,.например, максимальнре для данной исследуемой жидкости (пре делы изменения V, фиксируются сообра жениями необходимости сохранения ламинарного течения в зазоре). Следовательно, вращение внутренне го цилиндра мЬжно осуществлять при одной фиксированной скорости общего деформирования. данные .о моментах сопротивления от касательных напряжений сдвига от измерителя момента б, сигналы о скорости вращения цилиндра 2 от тахо генератора 5, о положении электрода 7 от датчика И перемещений, а также сигналы о скорости перемещения слоев исследуемой жидкости от ампер метра 12 поступают через Устройство 13 ввода на вычислительный блок (процессор) 14, который выдает команды на перемещение электрода 7 и на устройство 16, регистрации. характер кривых распределения 1скоростей взаимного перемещения сло ев в зазоре 3 вискозиметра определя flpLIf экспериментальным при данной исследуемой жидкости ледов тельно, если вид функций f(«1 1йан, то, определив предварительно возможный характер модели и затем определив возможный аракт р моцли и использовав, например/ шаговый м4то2 адаптивной идентификации (по ограниченному числу «змерений опре НОЙ ивой, рассчитанная процессо« « 4 oк4жefcя больше заданной, о проДессоГи выдает команду на перемещение электрода 7 и f f не достигнет заданного значения. Например если i « ЗaлRr%fi ,:. Ж a«-,a,. - некоторые линей кХфЬциен,; то мы получив измере в точках 1,2...п для каждой реалиации рассчитываем коэффициенты по ормулам ) /AV.)( ft j) a4 u{i-i)-.-i 03;,:rd4(J.j4P-«J Полученные значения подставляем в (3) , вычисляем V{ и определяем u.V . Если численное значение л. не 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 технологических процессах. Кроме того, измерение скоростей в зазоре может осуществляться и другими техническими средствами, например лазерными дифференциальными 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 из тел связано с приводом вращения отличающийся тем, что с целью сокращения времени и увеличения точности определения, окно из тел приводят во вращение РИ фик- сированной скоррсти общего деформиро вания дисперсной системы, измеряют напряженке сдвига испытуемой среды, определяют скорости относительного леремещения слоев в различных точках коаксиального зазора а скорость деформирования дисперсной системы задают такую, при которой предельное разрушение тик- . сотропной структуры. Источники -информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Бартенев Г.М., Е1)милова Н.В. Физико-химическая механика icnepc-. ных структур. М., Наука, 1966, с. 371 (прототип) .

У