Способ определения реологических параметров неньютоновских жидкостей и ротационный вискозиметр для его осуществления

2) Автор изобретения И.н.гу 1 Заявител Всесоюзный научн по креплению с в ГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И РОТАЦИОННЫЙ ВИСКОЗИМЕТРЦЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛ НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕ ДЛЯ ЕПО ОСУодно- йжик рения крутящего момента при временной подаче исследуемо д ости снизу вверх 2.Наиболее близким техническим решением является ротайионный вискозиметр (П), содержащий два самостоятельно связанных с приводом кокси" альных цилиндров, расположенный в кольцевой полости между ними соосный им измерительный цилиндр типа колокол, соединенный с динамометром, устройство для подачи исследуемой жидкости в кольцевую полость, внутреннее и внешнее переливные устройства 2 .В указанном вискоэиметре приводные цилиндры связаны с одним и тем же приводом через две пары зубчатых колес, причем один иэ цилиндров может также яереэ параэитную шестерню приводиться во вращение и в противоположном другому цилиндру направлении.Основной конструктивный недостаток известных вискозиметров заключается в том, что свобоДная поверхность исследуемой жидкости, расположенной с противоположных сторон от измеритель ного цилиндра, находится на одном уровне, вследствие чего для создания Изобретение относится к области исследований химическихи физических свойств веществ и может найти приме" нение во многих областях науки и производства, где имеется необходимость измерять реологические.парамет" ры неньютоновских жидкостей,например, в бурении нефтяных и газовых скважин - для измерения реологических параметров буровых промывочных растворов.Известен способ определения рео" логических параметров жидкостей разных реологических типов, согласно которому реологические параметры оп редЕляются по разности скоростей наружного и внутренннего цилиндров, один иэ которых приводят во вращение, а другой, представляющий собой постоянный магнит, притормаживают 20 с помощью внешнего регулируемого магнитного поля 11 .Чаиболее близким техническим решением является способ определения . реологйческих параметров неньютонов ских жидкостей при непрерывной сдвиговой деформации слоев исследуемой жидкости по обе стороны измерительной поверхности с иэмеренйем их реакции на деформирование путем изме следовательский инстит ин и буровым растворамкрутяций момент, действующий на динамометр. По этой причине при исследованиях нысоковяэких жидкостей динамометр может подвергаться большим нагрузкам, приводящим к потере первоначальнойупругости (что вызывает необходимость перетарировки) иЛи даже к разрушению его чувствительного элемента (торсиона и т.п.).При исследовании ньютоновских жидкостей слои жидкости, расположенные с разных сторон от измерительного цилиндра, подвергают тангенциальной деформации со скоростями сдвига одного знака путем вращения приводных цилиндров н одном направлении,10 15 А при исследовании неньютоновских,н честности, бингамовских жидкостей д указанные слои жидкости подвергают деформации со скоростями сдвига разных знаков путем вращения приводных цилиндров н противоположных направ- лениях. ЗЗатем на основании измеренных ско" ростей сдвига ь и Я и Е суммарного крутяцего момента М (который припротивоположных знаках Я и Е представ." ляет собой разйость моментов сил, З 0 действующих по обе стороны от измерительного цилиндра) определяют пара- ,метры реологического уравнения, описывающего зависимость тангенциального напряжения ( находимого по измеренному М ) от скорости сдвига,В случае исследования бингамовских 3бб 12 разности тангенциальных напряжений, ноэникаюцих по обе стороны от измерительного цилиндра, необходимо создавать пропорциональный этой разности осуцестнлении этого способа возникает необходимость нагружать динамометр разностью крутящих моментов, которая при исследовании высоковязких жидкостей может быть настолько большой, что превзойдет предел, допустимый для данного конкретного динамометра.В связи с этим при исследованиях по известному способу жидкостей, значительно различающихся по реологическим свойствам, приходится час" то заменять торсионы н динамометре, т,е. изменять их жесткость и предел упругости с целью расширения диапазона измеряемых напряжений,Целью предлагаемого изобретения- расширение диапазона измеренийи обеспечение возможности определения реологических параметров жидкостей, обладающих нелинейной реологической кривой течения,Для этого слои исследуемой жидкости устанавливают на разных уровнях, деФормацию обоих слоев. проводят сначала с одинаковыми по величине и знаку скоростями сдвига, азатем - со взаимно противоположнымипо знаку скоростями сдвига, которыедискретно изменяют по ступенчатойпрограмме, соответствуюцей последовательному .пРохождению одного и того же ряда значений, но с постояннойразницей на интерназ этого ряда,поддерживая при этом крутяций моментравным нулю, после чего определяютряд значений тангенциального напряже"йия, соответствующих разным скорос-,тям сдвига, по Формулежидкостей таким уравнением являетсялинейное бингамонское уравнениег=т ч 1 ес параметрами Го и,) . Эти параметрыи являются искомыми величинами.Недостаток известных способов заключается в том, что при исследовании жидкостей, сильно различающихся по вязкости, динамометр .подвергается меняющимся в.широком диапазоне нагрузкам, что приводитк разрешению его чувствительного элемента (торсиона) и т.п вследствие усталости материала или случайных чрезмерных, нагрузок; к по- тере первойачальной жесткости (упругости) торсиона, что,вызывает необходимость повторных тарировок.Кроме этого, к низкой чувствительности, а, следовательно, и точности динамометра, так как он должен изготавливаться с расчетом на широкий диапазон нагрузок, в том числе боль" ших.Необходимо отметить также ограниченность и узость диапазонов тангенциальных напряжений, которые можно измерять по известному способу. При 45 50 55 60 ф ()1и+ п. пгде Г - тангециальное напря%ениесдвига;и - ряд принимаемых значенийтангенциальным напряжением сдвига;ЬЬ - высоты уровней слоев исследуемой жидкости,Цель достигается также эа счет того, что в ротационном нискоэиметре перелинные устройства установлены с возможностью независимого смещения относительно друг друга в направлении, параллельном оси цилиндров.На чертеже представлена схема ротационного вискозиметра.Связанный с динамометром 1 цилиндр 2 колокольного типа установлен и кольцевом пространстве между коаксиальными цилиндрами 3 и 4, самостоятельно и независимо друг от друга связанными с приводом ( электродвигателем) через посредство двух независимых реверсивных вариантов скорости (привод и варианты скоростиМ2%"03 фЪ 2) (1) еСоответствующую скорость сдвигаопределяют по следующей Формуле (сиспользованием известного иб: 2 -ф, (г)где б - ширина зазора между приводными цилиндрами и измерительным.Найденцые значения 1 и Г являются координатами первой точки на искомой реологической кривой течения.С целью уменьшения нагрузки на динамометр целесообразно выбирать небольшое значение для и, при котором Г также как правило, невелико.ФПосле опредЕления первой, точки, ( Е, Ю ) реограюы те же слои жидкости деформируют с взаимно протнвоположными по знаку скоростями сдвига,Цилиндры 3 н 4 сопрягаются с неподвижным цилиндром 5 через уплотне-ния б, так что кольцевые пространства 7 и 8 между цилиндрами 2-3 и2-4 могут быть заполнены испытуемойжидкостью,Между цилиндрами 2 и 5 имеется 5малый вертикальный зазор 9, черезкоторый жидкость может перетекатьиз кольцевого пространства 7 в пространство 8 или обратно.Цилиндры 3 и 4 установлены с воэ- рможностью независимых перемещенийвдоль вертикальной оси прибора, причем снабжены устройством для измерения относительных положений их вертикальных кромок и фиксации цилиндров.в заданных положениях ( на чертежене показано) благодаря чему цилиндрымогут работать в произвольно смещен ном относительно друг друга положении,когда их верхние кромки находятсяна разных уровнях и н Ь 2,В нижней части прибора установлена трубка 10,.по которой испытуемая жидкость может поступать в вискоэиметр. А в верхней части прибораразмещены кольцевой коллектор 11 иворонка 12, по которым жидкость мо"жет удаляться из. вискозиметр 6, переливаясь через верхние кромки цилиндров 3 и 4. Благодаря устройствудля подачи и удаления жидкостивис. -." Коэиметр может работать в потоке.Возможен также другой вариантпереливного устройства, согласнокоторому цилиндры не смещаются,относительно друг друга, а изменяется 35лишь относительное положение переливных отверстий, выполненных встенках внутреннего и внешнего приводных цилиндров (отверстия на чертеже не показаны), 40Для изменения скоростей вращенияцилиндров 3 и 4 каждый из них снабжен тахометром (тахометры На чертежене .показаны)Предлагаемый ротационный вискоэиметр работает следующим образом,Определение реологических параметров неньютоновских жидкостей можноосуществлять по известному способу,которыйзаключается в следующем.Яо трубке 10 исследуемая жидкостьподается в рабочие зазоры, образованные фколоколом 2 и приводнымицилиндрами 3 и 4, откуда она вытекает через внутреннее . внешнее переливнне устройства в воронку 12 икольцевой лоток, Измерения можно выполнять и при отсутствии течения исследуемой жидкости снизу вверх .покольцевым рабочим зазорам, как в.обычных непроточных вискозиметрах 60лабораторноготипа,Привод через вариаторы скоростиВращает с заданными скоростями п 4 ии цилиндры 3 и 4, которые, в своюф 1очередь, через исследуемую жидкость передают крутящий момент М на колокол 2 и динамометр 1. При измерении ньютоновских жидкостей обацилиндра вращают с одинаковой скоростью в одном направлении, а при измерении вязко-пластичных бингамовскихжидкостей задают вращение цилиндрам3 и 4 с разными скоростямив противоположных направлениях.Затем нао 3 новании измеренных М,п и п определяют параметры рвологического уравнения, описывающего зависимость тангенциаль)ого напряженияГ от скорости сдвига 8При измерениях согласно предлагае-.мому способу исследуемую жидкостьмедленно прокачивают.снизу вверх через рабочие зазоры вискозиметра, образованные приводными и измерительными цилиндрами,При этом свободныеповерхности жидкости в слоях, расположенных с противоположных сторонот измерительного цилиндра, должнынаходиться на разных уровнях Ь и Ь,что достигают путем смещения переливных устройств относительно другдруга в вертикальном (параллельномоси цилиндров) направлении,Одновременно эти слои жидкости,подвергают непрерывным тангенциальным деформациям со скоростями сдвига одинаковых или противоположныхзнаков - путем вращения приводныхцилиндров в одном или взаимно проти"воположных направлениях. При этомсначала указанные слои деформируютс одинаковыми (по величине и знаку)постоянными скоростями сдвига б -путем вращения обоих цилиндров водном направлении с одинаковыми угловыми скоростяМи и (об/сек.).Одновременно измеряют динамометромкрутящий момент М тангенциальныхсил, действующих на измерительныйцилиндр с обоих сторон, что при известном радиусе г цилиндра позволяетопределить напряжение по форщтле1.7для чего, не изменяя направления и скорости вращения одного из цилиндров, изменяют направление вращения другого цилиндра на обратное, причем его скорость пг выбирают такой, чтобы показыВаемый динамометром мо-, мент Мг стал равен нулю (М г = О)Так как ЬЬг , то и напряжение ТВ и Тн, действующие на внутренией и наружнойповерхностяхколокола, Также не будут равны между собой (ТВФ 7 н) при Мг=О, Чтобы убедиться в 10 этом, найдем соотношейие Между СВ, и Спри М 2 = О.Моменты сил, действующих на внутренней и наружной поверхностях колокола равны 5М в= 2 ЛЙтв,я=да(, .Разность этих моментов, измеряемая динамометром 30) гКтоВ"нВследствие того, что скорость наружного цилиндра не изменились и ос"талась равной п 4, то и напряжение 357 н будет прежним, равным уже йзвестному 4,Используя формулу (3), можно легко найти ТВ, по известному н = С.Соответствующая скорость сдвига Е 40определяется по формуле (2) на осйованин известной п 2, измереннойтахометром, при. которой М = О. Такимобразом, определяется вторая точкаискомой кривой зависимости Ф от б .Ее координаты; Я и Г 2.Затем увеличивают скорости вращения обоих цилиндров одновременно,причем настолько, чтобы скорость наружного цилиндра стала равной п, аскорость внутреннего вибирается такой чтобы момент, действующий на ди-.намометр, оставался равным нулю(М0). Пусть эта скорость будетп, опрЕделяемая тахбметром. ЗнаяГг, легко найтиз по формуле (3) ф(причем Тн-д,Тв - Гз ), а на основании и ь нетрудно найти.Е , по формуле(2) .Это .дает третью точку (скоординатамии Тз) искомой кривой,Продолжая ступенчато наращивать 60скорости вращения цилиндров (а, следовательно, и скорости сдвига) инапряжения, указанным способом получают достаточное количество точекискомой кривой и строят полную 65 8 логическую кривую (или ее участок), параметры которой и являются искомыми реологическими параметрами жидкости.В зависимости от вида кривой под"бирают наиболее адекватное описывающее ее уравнение,Как видно иэ описания предлагаемого способа, в ходе его осуществления динамометр только один раз нагружается не равным нулю дифференциальным моментом М 4 (МО), которыйпо желанию может быть выбран оченьмалым (при наличии высокочувствительного динамометра). В течение остального времени измерения нагрузка надийамометр равна нулю (МгфМ=М, =9)какими бы высокими не были действующие при этом в жидкости напряженияи скорости сдвига.В это время от динамометра не требуется выполнения его обычной функции - измерения сил, так как ой фак=тически работает лишь как индикаторотсутствия нагрузки, Это можно осу.ществить значительно проще и точнее,так как можно применить очень чувст-,вительный индикатор мулевой нагрузки, работу которого к тому же легкоавтоматизировать. Кроме т 9 го, в.связи с небольшой величиной единственного измеряемого,.неравного нулюмомента М, появляется воэможностьзначительно сократить шкалу динамометра (т.е. диапазон непосредственно измеряемых моментов) при весьма широком диапазоне определяемыхнапряжений сдвига.Точность способа обусловлена тем,что, в процессе определения реологической кривой изменяют и непосредственно измеряют главным образом ненапряжения сдвига (что трудно вщюлнить с большей точностью), а угловые скорости цилиндров, которые можно измерять более точно, в особенности с помощью тахометров, работающих по принципу дискретного счета числа оборотов. Следует отметить также, что йредлагаемый вискозометр может использоваться и при установленных на одном уровне переливных устройствах(когда Ь = Ьг), В этом случае отпадает необходимость течения исследуемой жидкости снизу-вверх в рабочих зазорах между цилиндрами, и вискозиметр может работать как обычные вискозиметры непроточного типа. Однако, при этом исчезает возможность снижать крутящий Момент в про.цессе измерения до нуля,Предлагаемый для этого сЛучаяспособ измерения заключается в следующем,Свободные поверхности жидкостив слоях, расположенных с двух сторонизмерительного цилиндра, устанавливают на одном уровне Ь, Сначала эти9; . 66слои подвергают непрерывным таягеяциальяым деформациям с одинаковымипо зяаку и величине скоростямя сдвига путем вращения приводных цилиндров в одном направлении с одияаковыми угловыми скоростями и,(, и приэтом измеряют динамометром.,крутящийрк 1момент М,( таягеяци"альных сил, дейст.вующих с обеих сторон на измерительный цилиндр, Это позволяет определитьнапряжение С по формуле, которая получается из формулы (1), если положять Ь =Ь 2 =им,(4)а соответствующую скорость сдвига Я,- по Формуле (2). Затем деформируютэти слои с взаимно противоположнымипо знаку скоростями сдвига, которые, изменяют дискретно по ступенчатойпрограмме, придавая им такие значениячтобы они проходили последовательноодин и тот же ряд, начинающийся сЯ, найденной по формуле (2), и чтобй при этом постоянного разнилисьбы на один интервал этого ряда. Номомент И, представляющий собой раэяость момеятов (МН-МВ), в этом случае не может быть равным нулю,.апринимает различные небольшие повеличине значения, пропорциональныеприращениям напряжения ЬС, возникаю-щим при ступенчатых приращениях скорости сдвига АЕ, После этого определяют ряд значений напряжения сдвигасоответствующих разным скоростямсдвига Я, причем любое (и + 1) напряжение (Гп+ 1), начиная с Г, определяют на основе найденного ранееи-го значения ( Тппо формулеС =СВ этом случае предлагаемый вискозиметр также обладает преимуществомпо сравнению с известными. вискозиметрами, заключающимся в том, чтореологическую кривую любой, в томчисле криволинейной формы, и ее параметры можно определять, нагружаядияамометр не большими нагрузками,соответствующими полным действующимв жидкости напряжениям, а лишь разностями (приращениями) этих напряжений, возникающими при ступенчатыхвозрастаниях скорости сдвига, Этираэиости напряжений и пропорциональные им нагрузки на динамометр могутвыбираться произвольно и быть какугодно малыми (при высоной чувствительности и точности динамометра).Технический и экономический эффектпредлагаемого изобретения заключается в том, что оно позволяет сущест.венно увеличить работоспособностьдинамометра в результате значитепьного снижения нагрузки на него исокращения времени его работы приэтой уменьшенной нагрузке; повыситьчувствительность, а, следовательно,и точность динамометра, что становит= ся возможным благодаря значительному снижению его максимальной нагрузки, равной И(,.При высокой чувствительности и точности динамометра возможно определять реологические параметры жидкостей разных реологических типов, в том числе обладаощих нелинейными реологическимя кривыми течения (известные вискозяметр и способ не обладают такой возможностью).Возможно также значительно расширить диапазон определяемых напряжений, а, следовательно, и вязкостей при существенном сокращении диапазо" на непосредственно измеряемых крутящих моментов, поскольку диапазон напряжений становится независимым от максимальной допустимой нагрузки на динамометр 1 в связи с этим при исследованиях жидкостей, сильно различающихся по реологическим свойствам, отпадает необходимость изменять жесткость чувствительного элемента динамометра (например, торсиона), т.е. переходить с одной шкалы напряжений на другую, заменять Один торсион другим и т.п. и при этом изменять точность измерений.Кроме того, легко автоматизировать вискозиметр и использовать его в качестве проточного прибора, уста" навливаемого на технологическом потоке с целью оперативного контроля реологическнх свойств протекающих жидкостей.формула изобретения 1Способ определения реологических параметров неньютоновских жидкостей при непрерывной сдвиговой деформации слоев исследуемой жидкости по обе стороны измерительной йоверхности с измерением их реакции яа де" Формирование путем измерения крутящего момента при одновременной подаче исследуемой жидкости снизу вверх, о т л и ч а ю щ и й .с я тем, что, с целью расширения диапазона измерений и обеспечениявозможности определения реологическихпараметров жидкостей, обладающих нелинейной реологической кривой течения, слои исследуемой жидкости устанавливают на разных уровнях, деформацию обоих слоев проводят сначала с одинаковыми по величине и знаку скоростями сдвига, а затем - со взаимно противоположным по знаку скоростями сдвига, которые дискретно изменяют по ступенчатой программе, соответствующей последовательному прохождению одного и того же ряда значений, яо с постоянной разницей на интервал этого ряда, поддерживая при этом крутящий момент равным нулю, после чего определяют ряд значений тангенци, Тираж 10 89 ЦНИИПИ Государственного по делам изобретений 3035, Москва, Ж, Раушска" ."рс, у ф ,г4 ру,фф Фу Фф/4ФюгВгн Ф.й.,г изального напряжения, соответствующих -"разным скоростям сдвига по формулеипф" " ггде Г - тангенциальное напряжениесдвига;П - ряд принимаемых значенийтангенциальным напряжением сдвига;Ъ 11"пг - высоты уровней слоев исследуемой жидкости. 2. Ротационный вискоэиметр для осуществления способа по п.1, содерващий два самостоятельно связанных с приводом коаксиальных цилиндра, расположенный в кольцевой полости между ними соосный им измерительныйцилиндр типа .колокол, соединенный с динамометром, устройство дляподачи исследуемой жидкости в кольцевую полость, внешнее и внутреннеепереливные устройства, о т л и 6 ч а ю щ н й с я тем, что переливные устройства установлены с возможностью независимого смещения относительно друг друга в направлении,параллельном оси цилиндров. О Источники информации, принятыево внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР9 181873, кл,О 01 Я 11/14 1966.2. Авторское свидетельство СССР 15 М 269579, кл.С 01 Ю 11/14, 1970.