III. Сравнительные исследования поточных вибрационных вискозиметров нефти

Исследования

Цель исследований: исследовать две модели вибрационных поточных вискозиметров различных производителей, при одинаковых лабораторных условиях, в жидкостях различной вязкости. Исследовать реакции вискозиметров на наличие свободного газа в измеряемой среде.

Описание испытательной установки. Для испытаний вискозиметров применялся циркуляционный жидкостный термостат с погрешностью поддержания температуры±0,02°С, ртутные термометрыс ценой деления 0,01°С. В ванну циркуляционного термостата устанавливались прозрачные цилиндры из кварцевого стекла диаметром 150 мм и 80 мм с жидкостями. В качестве рабочих жидкостей применялись ньютоновские жидкости (минеральные масла). Исследуемые вискозиметры устанавливались на цилиндры с жидкостями и ориентировались по осям цилиндров при помощи переходных центрирующих колец.

Рисунок 11 Схема испытального стенда

Описание и принцип действия испытуемых вискозиметров

Вискозиметр XL7

· Измеряемые параметры: динамическая вязкость жидкости (расчет кинематической вязкости по величине плотности);

· Диапазон измерения вязкости: 0…1·10⁷ мПа·с;

· Сходимость результатов измерений вязкости: ± 0,1 % от измеряемой величины;

Принцип действия:

Вискозиметр XL7 является колебательным крутильным вискозиметром. Чувствительный элемент в виде диска на конце упругого стержня из нержавеющей стали погружен в измеряемую жидкость и имеет возвратно-поступательные вращательные колебания относительно оси диска на небольшой угол на очень высокой частоте. Колебания диска создают поперечные волны в жидкости. Энергия, расходуемая на поддержание колебаний и создание поперечных волн пропорциональна вязкости жидкости, измеряется микропроцессором, а затем преобразуется и отображается на индикаторе вискозиметра в величину вязкости в мПа·с. Более высокая вязкость вызывает большую потерю энергии и, следовательно, более высокую работу.

Преобразователь вязкости 7829.

· Измеряемые параметры: динамическая, кинематическая вязкость, плотность, температура.

· Диапазоны измерений вязкости: 0.5 – 100; 100 - 1000; и 1000 - 10000 мПа·с.

· Относительная погрешность: δ = 1% от верхней границы диапазона измерений.

Принцип действия:

Чувствительный элемент преобразователя вязкости 7829 представляет собой камертон, поддерживаемый электроникой в резонансе. Резонансная частота камертона определяется плотностью среды, а демпфирование вибрации, относящееся обратно пропорционально к добротности, пропорционально вязкости, т.е. при повышении вязкости среды Q уменьшается. Вискозиметр измеряет резонансную частоту и добротность (резонансная частота/ширина полосы), по которым рассчитываются плотность и вязкость жидкости.

В соответствии с программой испытаний были поставлены три основные задачи:

1. Определить отклонение показаний вискозиметров от действительных значений вязкостей жидкости при нормальных условиях;

2. Исследовать влияние диаметра применяемого цилиндра с жидкостью на показания вискозиметров (граничные эффекты);

3. Исследовать реакцию вискозиметров на наличие пузырьков свободного газа в жидкости.

В качестве действительных значений вязкости жидкостей использовались результаты измерений, полученные с применением стеклянных капиллярных вискозиметров рабочих эталонов 1-го разряда (относительная погрешность δ=0,2 %) для измерений кинематической вязкости и лабораторного плотномера ВИП-2МР (абсолютная погрешность ± 0,1 кг/м³, или относительная δ=0,013%).

Так, как испытуемые преобразователи вязкости 7829 являлись рабочими средствами измерений (δ=1,0%), прибывшими в ФГУП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева" на периодическую поверку и предварительно не калибровались, больший упор в испытаниях был сделан не на фактическое отклонение их показаний от действительных значений динамической вязкости, а на сравнение реакции преобразователей 7829 и XL7 на "граничные эффекты" и наличие свободного газа в жидкости. Испытаниям были подвергнуты три преобразователя вязкости 7829 и один XL7. Результаты испытаний представлены в таблицах №3, №4 и №5.

Таблица 3 Испытание вискозиметров на влияние диаметра цилиндра с жидкостью.
№	Модель вискозиметра	Температура среды t, °С	Диаметр цилиндра d, мм	Действительное значение вязкости жидкости η, мПа·с	Показания вискозиметра η, мПа·с	Относительная погрешность δ, %
	Hydramotion XL7	20,01		40,89	40,98	0,09
	40,94	0,05
	Solartron 7829 (№1)		37,61	3,28
	35,92	4,97

Испытания проводились на одной и той же жидкости (минеральное масло) при одинаковой температуре. Испытуемые преобразователи поочередно устанавливались на цилиндр с жидкостью диаметром 150 мм, после выдержки цилиндра в термостатной ванне не менее шести часов для стабилизации температуры фиксировались показания динамической вязкости. Затем операции повторялись для второго цилиндра диаметром 82 мм. Так, как преобразователи вязкости 7829 внесены в реестр СИ с относительной погрешностью 1,0% от верхней границы диапазона измерений (0-100) мПа·с, относительная погрешность преобразователя XL7 представлена также в % от диапазона измерений (0-100) мПа·с. Из данных таблицы №1 видно, что диаметр цилиндра практически не влияет на показания преобразователя XL7 (0,09% и 0,05%) но значительно влияет на показания преобразователя 7829 (3,28% и 4,97%). Даже если не брать в расчет, что относительная погрешность преобразователя 7829 в этом испытании значительно превысила 1,0%, разница в диаметрах цилиндра приводит к изменению показаний на 1,69%.

Испытания преобразователей на наличие свободного газа в жидкости.

В жидкость №1, с помощью компрессора по тонкой трубке с рассеивателем на конце опущенным на дно цилиндра подавался атмосферный воздух под давлением, несколько большим, чем давление жидкости на уровне конца трубки с рассеивателем. Рассеиватель располагался под чувствительным элементом преобразователей с таким расчетом, чтобы поднимающиеся к поверхности жидкости пузырьки воздуха проходили в активной зоне сенсоров вискозиметров. Использовались три режима испытаний:

1 "Бомбардировка". Воздух подавался непрерывно с одинаковым расходом;

2 "Ламинарный" режим. Подача воздуха отключалась. В течении "ламинарного" режима пузырьки воздуха, насытившие жидкость во время режима "бомбардировка" постепенно самостоятельно выходили из жидкости, поднимаясь к поверхности.

3 Осевшие на поверхностях чувствительных элементов пузырьки воздуха удалялись путем наклона и встряхивания вискозиметров, без извлечения сенсоров из жидкости.

Результаты испытаний преобразователей 7829 №1 и XL7 представлены на графике Рис.11.

Рисунок 12 Результаты испытаний преобразователей 7829 №1 и XL7 в жидкости №1

Рисунок 13 Жидкость №1 с соблюдением масштаба

Реакция преобразователя XL7 (нижняя линия на графике) на наличие воздушных пузырей в активной зоне чувствительного элемента довольно стабильна. Из графика видно, что в течении «бомбардировки» жидкость постепенно насыщается пузырьками воздуха, и показания вязкости XL7 постепенно снижаются с начального значения 41,10 до 39,43 мПа·с. Можно сделать вывод, что действительное значение вязкости жидкости также снижается в этих пределах. Когда происходит насыщение (количество подаваемого компрессором и выходящего из жидкости через поверхность воздуха выравнивается), показания вязкости стабилизируются и начинают колебаться на уровне 39,9±0,2 мПа·с. Из графика видно, что показания вязкости в результате «бомбардировки» снизились не более чем на 1,1%

После прекращения подачи воздуха и перехода в "ламинарный режим" (вертикальная линия 2 на графике) колеблющиеся до этого момента вокруг одного значения показания вязкости начали закономерно расти в следствии постепенного выхода пузырьков из активной зоны чувствительного элемента и постепенно стабилизировались на значении вязкости, приблизительно на 1% меньшем, чем до начала испытаний так, как некоторые пузырьки все же осели на нижней поверхности диска чувствительного элемента (нижний график). Полное удаление пузырьков, осевших на поверхности чувствительного элемента производилось наклоном и встряхиванием вискозиметра без поднятия сенсора из жидкости (вертикальная линия 3). После полного удаления пузырьков показания вискозиметра пришли к начальному значению вязкости жидкости 41 мПа·с.

Из верхнего графика видно, что реакция преобразователя 7829 на режим «бомбардировка» в аналогичных условиях испытаний совершенно обратно и значительно более ярко выражена. С момента начала эксперимента начальные показания вязкости преобразователя (38 мПа·с) начали скачкообразно расти и к концу превысили начальное значение более чем в 8 раз (306 мПа·с)! После прекращения подачи воздуха (режим "ламинарный") показания вязкости резко упали, но не опустились до начального значения (38 мПа·с), а стали колебаться около значения ~150 мПа·с, что примерно в четыре раза выше начального значения вязкости. Это связано с обильным оседанием пузырей на поверхности камертона сенсора. Только после того, как пузырьки были удалены с поверхности камертона сенсора наклоном и встряхиванием вискозиметра (вертикальная линия 3) показания вернулись к начальному значению вязкости ~ 38 мПа·с.

Для чистоты эксперимента и подтверждения полученных результатов на второй жидкости с действительным значением вязкости 56,52 мПа·с были исследованы три преобразователя, один из которых преобразователь XL7, тот же, что и в предыдущем эксперименте, а два других новых преобразователя модели 7829 (№2 и №3). Как и в предыдущем опыте с жидкостью №1 данный эксперимент был проведен по той же самой методике, за исключением смены цилиндров. Бомбардировка пузырьками воздуха осуществлялась для преобразователя XL7 и преобразователя 7829 №2 Все измерения были выполнены в цилиндре с жидкостью (минеральное масло) диаметром 150 мм. Результаты представлены в таблице 2 и графиках рис.3.

Таблица 4

Подтверждения полученных результатов.

№	Модель вискозиметра	Температура среды t, °С	Диаметр цилиндра d, мм	Действительное значение вязкости жидкости η, мПа·с	Показания вискозиметра η, мПа·с	Относительная погрешность δ, %
	Hydramotion XL7	20,03		56,52	56,50	0,02
	7829 (№2)	61,00	4,48
	7829 (№3)	58,33	1,81

Из данных таблицы видно, что относительные погрешности преобразователей 7829 и №2 и №3 так же превышают 1%.

Рисунок 14 Реакция преобразователей XL7 и 7829 №2

Рисунок 15 Жидкость №2 соблюдением масштаба

Нижняя линия на графике представляет реакцию преобразователя XL7 на "бомбардировку" пузырьками воздуха и на "ламинарный режим" в жидкости с вязкостью 56,52 мПа·с. Реакция преобразователя аналогична его реакции в первом эксперименте. Верхняя линия на графике иллюстрируют реакцию преобразователя 7829 №2 на"бомбардировку" пузырьками воздуха и на "ламинарный режим". Из графиков видно, что реакция преобразователя 7829 №2 в целом повторяет результаты 1-го эксперимента с преобразователем 7829 №1. При "бомбардировке" показания вискозиметра 7829 сначала резко падают, а затем начинают скачкообразно расти, до момента насыщения жидкости пузырьками, при этом показания устанавливаются на уровне 150% от начального значения, после прекращения подачи воздуха ("ламинарный режим") снова резко падают до значения 108 мПа·с и в дальнейшем стабилизируются на этом значении. Так как полное удаление пузырей с поверхностей сенсоров вискозиметров в данном эксперименте не производилась показания вискозиметра 7829 №2 так и не вышли на начальное значение вязкости и остались на уровне 108 мПа·с.

В результате проведенного второго опыта можно сделать вывод, что данные первого опыта не были случайны, одна и та же динамика реакции повторилась как и для преобразователя ХL7, так и другого заводского номера преобразователя 7829.

 

Выводы по работе.

В результате проведенных сравнительных испытаний можно сделать предварительный вывод, что поточный вибрационный преобразователь вязкости крутильного принципа действия ввиду меньшего радиуса активной зоны значительно менее подвержен влиянию как расстояния до стенок трубопровода (цилиндра) так и наличия пузырьков свободного газа в жидкости в отличии от вибрационного преобразователя вязкости с чувствительным элементом в виде камертона. Относительная погрешность крутильного преобразователя в рамках испытаний в статическом режиме не превысила заявленного производителем значения сходимости результатов измерений 0,1%. Для того, чтобы сделать вывод о возможности применения крутильного вискозиметра в качестве эталонного средства измерений в составе мобильных и стационарных поверочных установок необходимо проведение дополнительных исследований на реальных нефтях в динамических режимах, аналогичных режимам перекачки нефти через блоки измерения качества нефти на реальных объектах.

Вывод

На основе полученных данных, Вискохиметр XL7 показал хорошие технико-метрологические данные. На его основе возможно создание МПУ. В следующей главе мы попытаемся разработать макеты МПУ, для целевых использований в нефтеперерабатывающей промышленности.