Устройство для определения реологических характеристик вязко-пластичных сред

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЯЗКОПЛАСТИЧНЫХ СРЕД, содержащее последовательно соединенные cHcijeMH капилляров, каждая из которых состоит из одинаковых параллельных пар последовательно соединенных капилляров разной длины и одинакового внутреннего диаметра с противоположным расположением длинного и короткого капилляров в каждой паре, причем радиус капилляров первой системы больше радиуса капилляров второй на величину одной четвертой степени отношения разности длин длинного и короткого капилляров этих систем, и два дифманометра, подключенные к межкапиллярным камерам обеих систем капилляров , выходы которых соединены с измерителями разности сигналов, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности его работы , оно дополнительно снабжено блоком умножения, подключенным между дифманометром первой системы капилляров и одним из измерителей разнос-«g ти сигналов, с коэффициентом, равным (Л произведений отношений радиусов капилляров первой и второй систем капилляров и разностей длин длинного и короткого капилляров второй и первой системы капилляров.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (50 С 01 И 11/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИф

Н ABTGPCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21 ) 3576152/18-25 (22) 12.04.83 (46 ) 15. 05. 84. Бюл. 9 18 (72) E Ï.Ïèñòóí и А.Б.Крых (71) Львовский ордена Ленина политехнический институт им. Ленинского комсомола ,(53) 532.137(088.8) (56) 1. Степанов Л.Б. Измерение вязкостей жидкостей. М., НТО "Приборпром", 1960, с. 23-24, 2. Авторское свидетельство СССР

9 520537, кл. G 01 N 11/08, 1976 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЯЗКОПЛАСТИЧНЫХ СРЕД, содеРжаЩее Две последовательно соединенные сист,емы капилляров, каждая из которых состоит иэ одинаковых параллельных пар последовательно соединенных капилляров разной длины и одинакового внутреннего диаметра с противополож„„SU„„1092379 А ным расположением длинного и короткого капилляров в каждой паре, причем радиус капилляров первой системы больше радиуса капилляров второй на величину одной четвертой степени отношения разности длин длинного и короткого капилляров этих систем, и два дифманометра, подключенные к межкапиллярным камерам обеих систем капилляров, выходы которых соединены с измерителями разности сигналов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности его работы, оно дополнительно снабжено блоком умножения, подключенным между дифманометром первой системы капилляров и одним иэ измерителей разнос- I ти сигналов, с коэффициентом, равным . произведений отношений радиусов капилляров первой и второй систем капилляров и разностей длин длинного и короткого капилляров второй и первой системы капилляров.

1092379

Изобретение относится к устройст- вам для определения реологических характеристик вязкопластичных сред, например буровых растворов и может найти. применение для исследований или промышленного контроля и автоматического регулирования реологическнх свойств этих сред.

Известен капиллярный вискоэиметр, состоящий иэ эадатчика расхода, двух капилляров одинакового внутреннего диаметра, но разной длины, двух дифманометров и двух вторичных приборов (11.

По полученным данным о перепадах давления на двух капиллярах и расходах среды, протекающей по ним, расчетным путем определяют пластическую вязкость и предельное напряжение сдвига вязко-пластичных сред. Надежность измерения таким вискозиметром низкая, так как требуется ручная об20 работка экспериментальных данных.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения пластической вязкости и предельного напряжения сдвига вязкопластичных сред, содержащее задатчик постоянного расхода, три последовательно. соединенные системы капилляров, каждая иэ которых выполнена в виде параллельных одинаковых пар последователь- З но соединенных капилляров одинакового внутреннего диаметра, но разной длины с противоположным расположением длинного и короткого капилляров. диаметры капилляров в разных систе- З5 мах разные. Радиус капилляров первой системы капилляров больше радиуса капилляров второй на величину отношения разностей длин длинного и короткого капилляров этих систем в степе- ф) ни одна четвертая. Радиус капилляров третьей системы капилляров больше радиуса капилляров второй на величину отношения разностей длин длинного и короткого капилляров этих систем.

Показания вторичного прибора, подключенного к измерителю разности сигналов между первой и второй системами капилляров, соответствуют значе- ниям предельного напряжения сдвига, а показания вторичного прибора, подключенного к измерителю разности сигналов между второй и третьей системами капилляров соответствуют значениям пластической вязкости исследуемой среды (2 ). 55

Применение трех однотипных систем капилляров в известном устройстве обуславливает его конструктивную сложность, уменьшающую надежность измерения реологических характерис- 60 тик вязкопластичных сред.

Целью изобретения является повышение надежности его работы.

Укаэанная цель достигается тем, что устройство, содержащее две последовательно соединенные системы капилляров, каждая из которых состоит из одинаковых параллельных пар последовательно соединенных капилляров разной длины и одинакового внутреннего диаметра с противоположным расположением длинного и короткого капилляров в каждой паре, причем радиус капилляров первой системы больше радиуса капилляров второй на величину одной четвертой степени отношения разности длин длинного и короткого капилляров этих систем, и два дифманометра, подключенные к межкапиллярным камерам обеих систем капилляров, выходы которых соединены с измерителями разности сигналов, дополнительно снабжено блоком умножения, подключенным между дифманометром первой системы капилляров и одним иэ измерителей разности сигналов, с коэффициентом, равным проиэведению отношений радиусов капилляров первой и второй систем капилляров и разностей длин длинного и короткого капилляров второй и первой систем капилляров.

Устройство позволяет надежно измерять реологические характеристики вязкопластичных сред.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство для определения реологических характеристик состоит иэ двух последовательно соединенных систем капилляров. Первая система капилляров ограничена входной 1 и выходной 2 камерами, а вторая — входной и выходной камерами 3 и 4. Короткие капилляры 5 и б и длинные 7 и 8 соединены.в первой системе капилляров межкапиллярными камерами 9 и 10, во второй системе капилляров короткие капилляры 11 и 12 и длинные капилляре ры 13 и 14 соединены межкапиллярными камерами 15 и 16. К межкапиллярным камерам 9 и 10 подключен дифманометр 17, а к межкапиллярным камерам 15 и 1б — дифманометр 18. Выход последнего соединен с измерителем разности сигналов 19 и 20, а выход цифманометра 17 — c измерителем раэности сигналов 19 и через блок умножения 21 — с измерителем разности сигналов 20. К измерителям разности сигналов 19 и 20 подключены вторичные приборы 22 и 23.

Устройство работает следующим образом.

При постоянном расходе вяэкопластичная среда непрерывно прокачивается через две системы капилляров. Перепады давления, возникающие в межкапиллярных камерах 9 и 10 первой системы капилляров и в межкапиллярных камерах 15 и 16 второй системы капилляров, измеряются соответственно дифманометрами 17 и 18. Измери1092379

5, 4© >. 4 "о 1 )г

p = - — + +— о p -)I )++

1О )Д+ Т Р (*1 к) 25

ЬР= е)+ — — Й + bp во)е 8 е (1|

)е

Ь R о е е где е). — пластическая вязкость;

Го — предельное напряжение сдвига; 30

4р — дополнительные потери давк ления от входовых и концевых эффектов на капилляре.

На основании выражения 1 определяют перепады давления на последо- 35 вательно соединенных капиллярах 5 и, 7 радиусом Р1

8а Е„

"+oр; < >

Ю1 в

1 1 .. (6|

Эае е)+ — 8 -"-е, 14Р, (3)

»p+ 3 1 "г

45 где р„, р — давление во входной 1 и выходной, 2 камерах соответственно;

p paa eHHe s межкапилляр 50 ной камере 9; — расход среды в капиллярах 5 и 7

4Рк рйР„ — потеРи ДавлениЯ на входе и выходе капилляров

5 и 7 соответственно.

Вычитая уравнение (2 ) из (3), находят давление в межкапиллярной камере 9, учитывая, что ввиду равенства гидродинамических сопротивлений

4Рк =4Рк

1 1

Так как радиусы капилляров в каждой системе капилляров Одинаковы, 65 тель разности сигналов 19 формирует сигнал, пропорциональный предельному напряжению сдвига исследуемой среды, а его величина регистрируется вторичным прибором 22. Одновременно выходной сигнал дифманометра

17 блоком умножения уменьшается на величину произведения отношений радиусов капилляров первой и второй систем капилляров и разностей длин длинного и короткого капилляров второй и первой систем капилляров. Измеритель разности сигналов 20 вычитает преобразованный блоком умножения выходной сигнал дифманометра

17 из выходного сигнала дифманометра 18 и нырабатывает сигнал, пропорциональный пластической вязкости исследуемой среды. Показания вторичного прибора 23 соответствуют величине пластической вязкости.

При течении вязкопластичной среды по капилляру радиусом Й длиною 0 с расходом 8 на нем возникает перепад давления, определяемый иэ уравнения а длины капилляров н противоположных плечах моста также одинаковы, то давление в межкапиллярной камере

10 определяется аналогично

Разность. давлений в межкапиллярных камерах 9 и 10, измеряемая дифманометром 17, равна

8Qq, В "о — кв "в (" ",) >

Таким образом, на Л р1 не влияют входовые и концевые эффекты, а также давления питания р„ и р2 (они взаимно скомпенсированы ).

lIo аналогии с выражением (4) разность давлений, измеряемая дифманометром 18 в межкапиллярных камерах

15 и 16 второй системы капилляров, равна

8am вр,*р„-р„= „, i —,« )(e„,-< .), <р> где  — радиус капилляров второй

2 системы;

1<>р — длина капилляров 14 и 13.

1ее — длина капилляров 11 и 12.

Согласно изобретению радиусы капилляров в системах капилляров предлагаемого устройства связаны соотношением

Учитывая соотношение (б ), разность выходных сигналов дифманометров 17 и 18, формируемая измерителем 19, равна

4Р1=4Р1 4Р2= 3 ) "о (е) 2

Следовательно, при заданных кон=труктивных характеристиках капиллярон устройства вторичный прибор 22 отражает значения предельного напряжения сдвига исследуемой среды.

Согласно изобретению выходной сигнал дифманометра 17 др1 умножается на коэффициент

* К2 е -е к = —" -Е-в — в- <в> о к„ н вычитается иэ выходного сигнала дифманометра 18. Эта разность формируется на измерителе 20 и ранна ,р=,» к,р„=вв(ф(е„-е, ). <в< г 2

Из уравнения (9 ) следует, что при стабилизированном расходе среды вы. 1092379

Составитель Л.Макальский

Редактор К.Волощук Техред С.Мигунова Корректор B.сутяга

Заказ 3245/26 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 ходной сигнал измерителя 20 пропорционален пластической вязкости.

Анализ уравнений (7 1 и (9 1 показывает, что при заданном соотношении геометрических размеров капилляров и заданном согласно признакам изобретения коэффициенте (8 перепады давления йр и rLp - определяют параметры 1 и То исследуемой среды.

Таким образом, устройство обеспечивает непосредственное и непрерывное измерение предельного напряжения:сдвига и пластической вязкости и обладает упрощенной конструкцией за счет применения лишь двух систем капилляров.

Применение устройства в системах непрерывного контроля и автоматического регулирования свойствами буровых растворов позволяет иметь в циркуляционной системе буровой раствор с необходимыми по условиям бурения реологическими характеристиками.

Это, в свои очередь, позволяет также достичь более высоких скоростей проходки скважины.