Способ исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области измерительной техники. Сущность состоит в том, что кювету с жидкостью охлаждают с использованием двух термоэлектрических модулей, первый из которых имеет тепловой контакт с кюветой и имеет возможность регулирования тока термоэлектрического модуля, измеряют температуру жидкости и регистрируют температурно-зависимые физические параметры жидкости. Между двумя термоэлектрическими модулями размещают с обеспечением теплового контакта термоаккумулирующий элемент, осуществляют охлаждение термоаккумулирующего элемента обоими термоэлектрическими модулями с одновременным нагревом кюветы с жидкостью до заданной начальной температуры. Технический результат - повышение точности определения. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к исследованию материалов с помощью тепловых средств и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности для определения температур помутнения, застывания и кристаллизации многокомпонентных жидкостей.

Известен способ определения температуры застывания нефтепродуктов [1], при котором для охлаждения кюветы с нефтепродуктом используют термоэлектрические батареи, температуру кюветы равномерно понижают и непрерывно измеряют, в кювете создают импульсы ультразвука. Температурно-зависимым физическим параметром служит затухание ультразвука при застывании нефтепродукта. По началу затухания отраженного ультразвукового импульса фиксируют температуру застывания нефтепродукта, а затем переключают полярность питающего тока, продукт нагревают и сливают.

Недостатками способа являются длительное время охлаждения и нагрева нефтепродукта, использование водяного охлаждения горячих спаев термоэлементов, что приводит только к стационарному исполнению прибора и увеличению его габаритов, небольшая температура охлаждения. Охлаждение и регистрация физических параметров нефтепродукта приводит к значительным энергозатратам.

Известен способ нестационарного термоэлектрического охлаждения объекта [2] путем импульсного пропускания электрического тока через термоэлемент с горячими и холодными спаями, имеющими тепловой контакт с объектом, обеспечения теплового разрыва между термоэлементом и объектом при достижении холодными спаями температуры, превышающей температуру объекта с одновременным прекращением подачи импульса, отличающийся тем, что с целью повышения степени охлаждения при каскадном охлаждении объекта импульсы подают на каскады последовательно после достижения горячими спаями последующего каскада температуры, равной температуре холодных спаев предыдущего каскада.

Известный способ малопригоден для проведения исследовательских операций из-за резко неравномерного, ступенчатого характера охлаждения объекта.

Наиболее близким к изобретению является способ определения температур фазовых переходов веществ, преимущественно температур замерзания жидкостей [3]. Камеру с капсулой охлаждают до температуры, близкой к ожидаемой криоскопической. Дополнительно охлаждают капсулу с помощью второй термоэлектрической батареи. В момент начала спонтанной кристаллизации отключают питание термоэлектрической батареи, которая становится пассивным тепловым мостом. Тем самым увеличивается время проведения измерений при температуре кристаллизации и соответственно повышается точность измерений.

Способ не позволяет исследовать многокомпонентные жидкости в течение одного цикла измерения, т. к. такие продукты не имеют точно определенные криоскопические температуры. Недостаточно использованы возможности регулирования процесса охлаждения кюветы двумя термоэлектрическими батареями, работающими последовательно.

Известен прибор для определения температуры застывания нефтепродуктов [1, с. 255]. Две однокаскадные термоэлектрические батареи холодными спаями припаяны к кювете, выполненной из материала с высокой теплопроводностью. Внутри кюветы находится термодатчик, а па стенке кюветы закреплен пьезоэлемент приемопередатчика, который является датчиком температурно-зависимого физического параметра нефтепродукта (например, плотности и твердости). Горячие спаи термоэлектрических батарей припаяны к коллекторам с охлаждающей проточной водой. В комплект прибора входят источник тока, устройства регистрации температуры, затухания ультразвукового импульса, устройство управления режимами измерения (наполнение, слив, охлаждение и нагрев нефтепродукта, переключение полярности питающего тока).

Недостатками прибора также являются небольшая температура и длительное время охлаждения и нагрева нефтепродукта, использование водяного охлаждения горячих спаев термоэлементов, что приводит только к стационарному исполнению прибора и увеличению его габаритов. Охлаждение и регистрация физических параметров нефтепродукта приводит к значительным энергозатратам.

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения температуры фазовых переходов жидких веществ [3]. Устройство содержит капсулу, снабженную измерительным преобразователем температуры и размещенную внутри камеры. Одна термоэлектрическая батарея имеет тепловой контакт одних спаев с капсулой, других - с камерой. Охлаждающая камеру вторая термоэлектрическая батарея примыкает к наружным стенкам камеры, а горячие спаи контактируют с термостатируемым корпусом, что обеспечивает поддержание определенной температуры камеры, близкой к ожидаемой криоскопической. Устройство имеет источник постоянного тока, регулятор величины тока, связанный с измерительным преобразователем температуры, и датчик температурно-зависимого физического параметра жидкости, в частности фазового перехода жидкости при замерзании.

Однако устройство неприменимо для исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей, таких как нефтепродукты, имеющих широкий диапазон определяемых температур. Малоэффективна роль теплового моста, которую выполняет термоэлектрическая батарея между капсулой и камерой.

Заявляемое изобретение позволяет решить задачу повышения точности определения низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей, обеспечение возможности проведения исследований в широком диапазоне температур, в том числе при увеличении значений отрицательных температур при одновременном повышении оперативности анализа.

Поставленная техническая задача решена заявляемым изобретением.

Предложен способ исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей, при котором кювету с жидкостью охлаждают с использованием двух термоэлектрических модулей, первый из которых имеет тепловой контакт с кюветой и имеет возможность регулирования тока термоэлектрического модуля, измеряют температуру жидкости и регистрируют температурно-зависимые физические параметры жидкости, отличающийся тем, что между двумя термоэлектрическими модулями размещают с обеспечением теплового контакта термоаккумулирующий элемент, осуществляют охлаждение термоаккумулирующего элемента обоими термоэлектрическими модулями с одновременным нагревом кюветы с жидкостью до заданной начальной температуры, после достижения термоаккумулирующим элементом минимальной температуры при поддерживаемой заданной температуре жидкости начинают равномерное охлаждение кюветы с жидкостью путем соответствующего регулирования тока через первый термоэлектрический модуль со скоростью, определяемой тепловой постоянной времени термоаккумулирующего элемента, а после достижения минимальной температуры кюветы с жидкостью обеспечивают ее равномерный нагрев, при этом исследование низкотемпературных свойств выполняют в течение равномерного охлаждения и равномерного нагрева жидкости.

Для осуществления способа исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей предложено устройство, включающее корпус, в котором установлены соединенные с источниками постоянного тока два термоэлектрических модуля, первый из которых соединен с регулируемым источником тока и имеет тепловой контакт с кюветой для размещения исследуемой многокомпонентной жидкости, снабженной измерительным преобразователем температуры и датчиком температурно-зависимого физического параметра, второй термоэлектрический модуль снабжен средством теплоотвода, также имеется устройство регистрации, устройство управления, отличающееся тем, что в корпусе дополнительно установлен термоаккумулирующий элемент с обеспечением теплового контакта с обоими термоэлектрическими модулями, выходы измерительного преобразователя температуры и датчика температурно-зависимого параметра подключены к входу устройства регистрации, выход которого соединен с входом устройства управления регулируемым источником тока.

Горячие спаи второго термоэлектрического модуля снабжены системой принудительного воздушного охлаждения.

Термоаккумулирующий элемент выполнен в виде пластины из материала, обладающего высокими теплопроводностью и теплоемкостью, например из меди или алюминия.

Датчик температурно-зависимого физического параметра выполнен в виде волоконно-оптического датчика оптического пропускания исследуемой жидкости.

Функциональная схема заявляемого изобретения представлена на чертеже.

В корпусе 1, имеющем крышку 2, установлен первый термоэлектрический модуль 3 на основе элементов Пельтье, который подключен к источнику тока 4, регулируемому по знаку и по величине. Второй термоэлектрический модуль 5 подключен к нерегулируемому источнику тока 6. Для охлаждения горячих спаев термоэлектрического модуля 5 в устройстве применено принудительное воздушное охлаждение, например вентилятор 7. Термоаккумулирующий элемент, например в виде пластины 8 из алюминия, имеет тепловой контакт с первым термоэлектрическим модулем 3 и с холодными спаями второго термоэлектрического модуля 5, располагаясь между ними. Другие спаи термоэлектрического модуля 3 имеют тепловой контакт с кюветой 9, которая снабжена измерительным преобразователем температуры 10 и датчиком 11 температурно-зависимого физического параметра. Датчик 11 выполнен в виде волоконно-оптического датчика оптического пропускания. Выходы преобразователя и датчика подключены к входу устройства регистрации 12, выход которого соединен с устройством управления 13 регулируемым источником тока 4.

Способ исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей осуществляется следующим образом.

Микродозу (0,15-0,2 мл) исследуемой жидкости 14 помещают в кювету и включают в работу термоэлектрические модули. Холодные спаи термоэлектрического модуля 5 в течение всего цикла анализа охлаждают термоаккумулирующую пластину 8. Работа термоэлектрического модуля 3 зависит от соотношения начальных заданных условий проведения анализа и температуры жидкости, заливаемой в кювету. В соответствии с ГОСТом 5066-91 жидкость в начале анализа должна иметь температуру 18-20^oС. Если в момент заливки в кювету жидкость имеет более высокую температуру, устройство регистрации 12 по сигналу измерительного преобразователя температуры 10 подает команду в устройство управления 13, и для термоэлектрического модуля 3 устанавливается ток такой полярности, чтобы в тепловом контакте с кюветой 9 находились его холодные спаи, и начинается процесс охлаждения жидкости до 20^oС. Если заливаемая жидкость имеет температуру ниже 20^oС, то соответственно полярность тока через термоэлектрический модуль 3 такова, что в тепловом контакте с кюветой находятся горячие спаи и происходит подогрев жидкости до 20^oС. Однако при любой температуре заливаемой жидкости при достижении термоаккумулирующим элементом температуры ниже +20^oС первый термоэлектрический модуль переключается на режим, при котором горячие спаи обращены к кювете, а холодные - к термоаккумулирующему элементу.

Одновременно с нагревом кюветы и поддерживании начального заданного значения температуры жидкости осуществляется встречное охлаждение термоаккумулирующего элемента 8. После достижения минимальной температуры термоаккумулирующего элемента 8 (≈ минус 15^oС) начинается равномерное охлаждение кюветы с жидкостью. Такой режим обеспечивается соответствующим регулированием величины тока через первый термоэлектрический модуль 3 посредством цепи обратной связи: измерительный преобразователь температуры 10 - устройство регистрации 12 - устройство управления 13 - регулируемый источник тока 4. Скорость охлаждения кюветы с жидкостью определяется, с одной стороны, требуемой точностью измерения температуры и чувствительностью преобразователя 10. Чем меньше скорость охлаждения, тем точнее может быть определено начало помутнения и кристаллизации жидкости. С другой стороны, скорость охлаждения ограничивается временем, рассчитанным на одни цикл измерения. Оптимальное время измерения зависит от теплоемкости элемента 8 и его тепловой постоянной времени. Для достижения больших отрицательных значений температуры кюветы (≈ минус 70^oС) параметры термоаккумулирующей пластины 8 рассчитывают таким образом, чтобы за весь цикл анализа обеспечить минимальное изменение температуры горячих спаев термоэлектрического модуля 3.

Момент начала кристаллизации фиксируется с помощью волоконно-оптического датчика 11 оптического пропускания жидкости. Причем датчики 10 и 11 расположены в одной изотермической зоне. После достижения минимальной температуры кюветы с жидкостью регулированием тока через первый термоэлектрический модуль 3 осуществляется равномерный нагрев жидкости со скоростью, определяемой вышеназванными ограничениями. Данные анализа низкотемпературных свойств жидкости снимают как при охлаждении, так и при равномерном нагреве кюветы. Устройство регистрации может быть выполнено на основе микропроцессора, который с помощью программы обработки данных позволяет выводить на индикатор все показатели процесса исследования многокомпонентных жидкостей (температуру, время, величину оптического пропускания, номер анализа, код оператора и т.д. ).

Благодаря использованию термоаккумулирующего элемента 8 между двумя термоэлектрическими модулями: 1) уменьшается тепловая нагрузка на холодные спаи термоэлектрического модуля 5 и тем самым в режиме двухкаскадной работы модулей обеспечивается эффективная работа холодных спаев модуля 5 при достаточности воздушного охлаждения горячих спаев. Предложенная конструкция позволяет автономное использование устройства в полевых условиях; 2) увеличивается эффективность теплоотвода первого термоэлектрического модуля 3, что позволило достичь низких отрицательных температур кюветы (≈ минус 70^oС). Появилась возможность определения криоскопических точек для жидкостей с неизвестными характеристиками в широком диапазоне температур, в частности, для нефтепродуктов как многокомпонентных жидкостей, не имеющих точно определенных криоскопических температур; 3) повысилась точность определения низкотемпературных свойств с позиции обеспечения заданных условий проведения исследований. Сочетание термоаккумулирующего элемента в тепловом контакте с двумя термоэлектрическими модулями позволяет одновременно поддерживать заданную начальную температуру (+20^oС) и запасать "холод" для последующего эффективного охлаждения кюветы; 4) повысилась оперативность исследования, т.к. анализ большого числа разнородных жидкостей не требует переналадки и настройки измерительной схемы.

Применение волоконно-оптического датчика 11 создает ряд преимуществ. Датчик характеризуется электрической и химической пассивностью, миниатюрностью и позволяет с высокой точностью определять изменения оптического пропускания малых доз жидкости. Соответственно облегчается конструкция холодильной части устройства. Кроме того, обеспечивается локальность анализа физических характеристик исследуемой жидкости, что позволяет размещать датчики температуры и оптического пропускания в одной изотермической зоне, а это необходимо для обеспечения высокой точности измерения низкотемпературных параметров исследуемых жидкостей.

Источники информации 1) Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы, 1967. - Л.: Наука, Лен. отд., - с. 254.

2) а.с. СССР 1100468, F 25 В 25/02; Н 01 L 35/28. Способ нестационарного термоэлектрического охлаждения объекта.

3) а.с. СССР 851224, G 01 N 25/06, публ. 30.07.81, бюл. 28.

Формула изобретения

1. Способ исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей, при котором кювету с жидкостью охлаждают с использованием двух термоэлектрических модулей, первый из которых имеет тепловой контакт с кюветой и имеет возможность регулирования тока термоэлектрического модуля, измеряют температуру жидкости и регистрируют температурно-зависимые физические параметры жидкости, отличающийся тем, что между двумя термоэлектрическими модулями размещают с обеспечением теплового контакта термоаккумулирующий элемент, осуществляют охлаждение термоаккумулирующего элемента обоими термоэлектрическими модулями с одновременным нагревом кюветы с жидкостью до заданной начальной температуры, после достижения термоаккумулирующим элементом минимальной температуры при поддерживаемой заданной температуре жидкости начинают равномерное охлаждение кюветы с жидкостью путем соответствующего регулирования тока через первый термоэлектрический модуль со скоростью, определяемой тепловой постоянной времени термоаккумулирующего элемента, а после достижения минимальной температуры кюветы с жидкостью обеспечивают ее равномерный нагрев, при этом исследование низкотемпературных свойств выполняют в течение равномерного охлаждения и равномерного нагрева жидкости.

2. Устройство для исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей, включающее корпус, в котором установлены соединенные с источниками постоянного тока два термоэлектрических модуля, первый из которых соединен с регулируемым источником тока и имеет тепловой контакт с кюветой для размещения исследуемой многокомпонентной жидкости, снабженной измерительным преобразователем температуры и датчиком температурно-зависимого физического параметра, второй термоэлектрический модуль снабжен средством теплоотвода, также имеются устройство регистрации и устройство управления, отличающееся тем, что в корпусе дополнительно установлен термоаккумулирующий элемент с обеспечением теплового контакта с обоими термоэлектрическими модулями, выходы измерительного преобразователя температуры и датчика температурно-зависимого параметра подключены к входу устройства регистрации, выход которого соединен с входом устройства управления регулируемым источником тока.

3. Устройство для исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей по п.2, отличающееся тем, что горячие спаи второго термоэлектрического модуля снабжены системой принудительного воздушного охлаждения.

4. Устройство для исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей по п.2, отличающееся тем, что термоаккумулирующий элемент выполнен в виде пластины из материала, обладающего высокими теплопроводностью и теплоемкостью, например из меди или алюминия.

5. Устройство для исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей по п.2, отличающееся тем, что датчик температурно-зависимого физического параметра выполнен в виде волоконно-оптического датчика оптического пропускания исследуемой жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1