CN105891207B - 一种超声与电场作用下油中水滴微观特征测试装置及方法 - Google Patents

一种超声与电场作用下油中水滴微观特征测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种超声与电场作用下油中水滴微观特征测试装置及方法，包括高压供电部、超声波发生部、高速摄像部等。利用高速摄像和光学放大技术，获得电场或超声波场作用下油中水滴的运移、变形、破裂、聚集及聚并等微观特征的高速演变过程；通过调节信号发生器或超声波发生器改变电场或声场参数，用于评价电场或声场参数对油中水滴微观特征演变规律的影响；通过同时改变电场参数、声场参数、极板位置等协同条件，用于评价超声波场与电场的协同条件对油中水滴微观特征演变规律的影响。采用本发明的测试装置及方法，能够精确测试油中水滴的运移、变形、破裂、聚集及聚并等微观特征及其高速演变过程，为电场与超声波场破乳技术的深入理论研究提供基础数据。

Description

一种超声与电场作用下油中水滴微观特征测试装置及方法
技术领域
本发明涉及一种超声与电场作用下油中水滴微观特征测试装置及方法，用于测试超声与电场作用下油中水滴的运移、变形、破裂、聚集与聚并等微观特征，以及电场参数、声场参数、协同条件及油水的物理化学性质对油中水滴微观特征的影响规律，属于油气集输系统多相分离技术领域。
背景技术
原油中的天然乳化剂和开采时加入的表面活性剂吸附在油水界面，形成具有一定强度的粘弹性膜，给分散水滴的聚并造成了动力学障碍，使得传统的重力沉降无法有效地进行油水分离，导致整个集输系统无法正常运行。
利用电场可强化油中水滴的变形、运动及聚并，提高水滴的碰撞强度及频率，缩短水滴间油膜排液时间，从而加速油水分离。其基本原理是在高压直流或交流电场中，油中水滴受电场的极化和静电感应，使水滴两端带上不同极性的电荷，形成诱导偶极，相邻水滴的正负偶极相互吸引，进而相互碰撞，合并成大水滴。但偶极作用力只有在液滴间距较近时才能有效加速水滴的碰撞与聚并，从而提高油水分离效率。
超声脱水作为一种新兴的脱水方法被逐渐用于油水乳状液的分离过程中。超声波是一种在媒介中传播的弹性机械波，在其机械振动作用下，水滴与油相共同振动。由于水滴粒径及油水物理化学性质不同，导致水滴以不同的相对振动速度定向移动并富集于压力的波节或波腹处，并在运移和聚集过程中相互碰撞、粘合，之后在声场驱动力及双电层吸引力作用下聚并为大水滴。然而，声场驱动力及双电层吸引力往往不能克服高粘油水乳状液分散水滴间的空间位阻作用，致使油水分离效率较低。
综上所述，将超声场对水滴的定向移动和聚集作用与电场加速邻近水滴碰撞及聚并的优点相结合，应能显著提高油水乳状液的分离效率。但目前尚无研究超声场与电场作用下油中水滴微观特征的测试装置及方法，制约了电场与超声场破乳技术的发展。
因此，有必要发明一套测试装置，用于测试超声与电场作用下油中水滴的运移、变形、破裂、聚集与聚并等微观特征，以及电场参数、声场参数、协同条件及油水的物理化学性质对油中水滴微观特征的影响规律，为超声场与电场破乳技术的研究提供基础数据。
发明内容
本发明目的是提供一种超声与电场作用下油中水滴微观特征测试装置，能够针对电场或超声波场作用下油中水滴运移、变形、破裂、聚集及聚并等微观特征的高速演变过程，评价电场参数、声场参数、协同条件及油水物理化学性质对油中水滴微观特征的影响。测试结果可作为超声与电场破乳技术理论研究的基础数据。
本发明另一目的是提供一种上述测试装置的测试方法，该方法能够准确高速同步记录电场参数、声场参数及油中水滴微观特征的演变过程，为深入分析油中水滴微观特征演变规律的动力学机理提供依据。
一种超声与电场作用下油中水滴微观特征测试装置，其特征在于包括由信号发生器、高压功率放大器和示波器I组成的高压供电部，由超声波发生器与示波器II组成的超声波发生部，由高速摄像仪、高倍镜头、光源、三维位移台和图像采集计算机组成的高速摄像部分，及由矩形槽体、电极板I、电极板II和超声波换能器组成的矩形样槽；
所述信号发生器的输出端连接于高压功率放大器的输入端，通过所述信号发生器调节电场参数，使信号发生器的信号经高压功率放大器进行升压后输出，所述示波器I通过同轴电缆分别与高压功率放大器电流和电压监测端口相连，以监测电压及电流信号；
所述矩形槽体用以盛装透明油品，所述电极板I与电极板II相向粘附于所述矩形槽体前后两侧的中心位置，其中电极板I与高压功率放大器输出端相连，电极板II与高压功率放大器共地，用以产生高强电场；所述超声波换能器粘附于所述矩形槽体底部中心，用以产生超声波场；
所述超声波换能器与所述超声波发生器相连，通过调节超声波发生器改变所产生的超声波参数，所述示波器II与超声波发生器性能监测端口相连，以监超声波参数；
所述高速摄像仪固定于三维位移台，并设有高倍镜头，以拍摄矩形槽体油品中水滴微观特征的高速演变过程，所述光源提供所述高速摄像仪拍摄时所需光强，所述图像采集计算机通过数据线与所述高速摄像仪相连，用以触发所述高速摄像仪的采集功能并存储高速摄像仪记录的图片；所述高速摄像仪与所述光源分置于矩形槽体左右两侧，且高倍镜头光学中心轴、高速摄像仪感光芯片中心与所述光源光学中心轴重合。
所述的超声波换能器为可拆卸式，以匹配超声波发生器产生的超声波信号的频率及功率。
所述的矩形槽体为有机玻璃材质，其顶部无盖，外壁面标示有刻度。
本发明的工作过程为：向矩形样槽中加注透明油品，静置以除去油品中的气泡。打开光源、高速摄像仪及图像采集计算机，将高倍镜头安装于高速摄像仪上。向透明油品中注入实验水滴，置于矩形样槽正中间位置。调节三维位移台，使实验水滴清晰成像于图像采集计算机的图像采集界面。打开信号发生器，根据实验要求调节电场参数并输出信号。打开超声波发生器，根据实验要求调节声场信号参数。开启示波器I和示波器II，随后同时开启高压功率放大器、超声波发生器的输出开关，以及图像采集计算机的图像采集命令，利用图像采集计算机及示波器I和示波器II同步采集电场或超声波场作用下油中水滴运移、变形、破裂、聚集及聚并等微观特征的高速演变过程，以及电场或声场参数。改变透明油品及水滴的物理化学性质，重复上述测试过程，可评价油水物理化学性质对油中水滴微观特征的影响。
本发明的基本原理是利用水滴在超声场中的位移效应，使其定向移动并富集于压力的波节或波腹处；同时，结合水滴在电场中的极化效应，改变水滴内电荷分布及水滴间的相互作用力，提高水滴在压力波节或波腹处的碰撞强度及频率，缩短水滴间油膜排液时间，从而加速油水分离。基于高速摄像技术和光学放大技术，测试水滴在上述过程中的运移、变形、破裂、聚集及聚并等微观特征，获得微观特征的演变规律。
本发明的有益效果是测试系统的流程简单、结构紧凑、操作方便；利用高速摄像和光学放大技术，可准确获得油中水滴在电场或超声场中的微观行为特征及演变规律；通过调节信号发生器精确控制电场参数，可准确评价电场参数对油中水滴微观特征演变规律的影响；通过调节超声波发生器改变超声波参数，可准确评价声场参数对油中水滴微观特征演变规律的影响；通过同时改变电场参数、声场参数、极板及超声换能器位置等协同条件，可准确评价声场与电场协同作用下油中水滴微观特征的演变规律，为超声与电场破乳技术的深入理论研究提供基础数据。
附图说明
图1是本发明的总体结构图。
其中，1—示波器I 2—图像采集计算机 3—高速摄像仪 4—高倍镜头 5—三维位移台 6—示波器II 7—超声波发生器 8—超声波换能器 9—电极板I 10—矩形槽体 11—光源 12—电极板II 13—高压功率放大器 14—信号发生器。
具体实施方式
参见附图1，一种超声与电场作用下油中水滴微观特征测试装置，其特征在于，包括高压供电部、超声波发生部、高速摄像部及矩形样槽。
所述高压供电部，由信号发生器14、高压功率放大器13和示波器I(1)组成。所述高压功率放大器13输入端与所述信号发生器14输出端相连。通过所述信号发生器14调节电场参数，信号经所述高压功率放大器13进行升压后输出。所述示波器I(1)通过同轴电缆分别与高压功率放大器13电流和电压监测端口相连，用以监测电压及电流信号。
所述超声波发生部，包括超声波发生器7与示波器II(6)。通过调节所述超声波发生器7改变所述超声波发生部产生的超声波参数。利用所述超声波发生器7性能监测端口与所述示波器II(6)相连，以监超声波性能参数。
所述高速摄像部，由高倍镜头4、高速摄像仪3、光源11、三维位移台5和图像采集计算机2组成。所述高速摄像仪3固定于三维位移台5面上。所述高速摄像仪3与所述高倍镜头4相连，用以拍摄油中水滴微观特征的高速演变过程。所述光源11提供所述高速摄像仪3拍摄时所需光强。所述图像采集计算机2通过数据线与所述高速摄像仪3相连，用以触发所述高速摄像仪3的采集功能并存储高速摄像仪3记录的图片。所述高速摄像仪3与所述光源11相向分置于矩形样槽两侧。所述高倍镜头4光学中心轴、所述高速摄像仪3感光芯片中心与所述光源11光学中心轴重合。
所述矩形样槽，由矩形槽体10、电极板I(9)、电极板II(12)和超声波换能器8组成。所述矩形槽体10用以盛装透明油品。所述电极板I(9)与电极板II(12)相向粘附于所述矩形槽体10的前后两侧中心，所述电极板I(9)与高压功率放大器13输出端相连，所述电极板II(12)与高压功率放大器13共地，用以产生高强电场。所述超声波换能器8粘附于所述矩形槽体10底部中心，用以产生超声波场。
利用上述的测试装置进行超声与电场协同作用下油中水滴微观特征测试的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)取一定体积的透明油品，注入矩形槽体10中，静置以除去油品中的气泡；超声换能器发射出的超声波在介质中传播，遇到油水自由界面时发生发射，形成与入射波频率、振幅相同而传播方向相反的反射波，为保证入射波与反射波叠加后的声场为超声驻波场，还需保证入射波与反射波相位差恒定，因此需控制油品加注高度l，其应满足下述公式：
l＝nv/(2f) (a)
式(a)中，l为加注油品的高度，n为正整数，v为油品液体中的声速，f为超声波换能器(7)频率；
2)打开光源11、高速摄像仪3及图像采集计算机2，将高倍镜头4安装于高速摄像仪3前端；
3)于矩形槽体10正中间位置向透明油品中注入实验水滴；
4)调节三维位移台5，使实验水滴清晰成像于图像采集计算机2的图像采集界面；
5)打开信号发生器14，根据预先要求的参数调节电场信号的波形、幅值、频率和脉宽后输出信号；
或者打开超声波发生器7，根据预先要求调节声场信号的波形、频率及幅值；
或者同时打开信号发生器14和超声波发生器7，根据预先要求的参数调节电场信号的波形、幅值、频率和脉宽后输出信号；以及声场信号的波形、频率及幅值；
6)开启示波器I(1)和示波器II(12)；
7)同时开启高压功率放大器13、超声波发生器7的输出开关，以及图像采集计算机2，利用图像采集计算机2及示波器I(1)和示波器II(2)同步采集电场或超声波场作用下油中水滴运移、变形、破裂、聚集及聚并等微观特征的高速演变过程，以及电场和声场参数；
8)改变透明油品及水滴的物理化学性质，重复测试步骤1)～7)，从而评价不同油、水物理化学性质对油中水滴微观特征的影响。
其中，上述步骤5中可根据需要选择进行超声或电场单场作用下油中水滴微观特征的测试，只需单独开启超声波发生部或高压供电部即可，或者选择超声或电场复合场作用下油中水滴微观特征的测试，其余测试步骤相同。

Claims (2)

1.一种超声与电场作用下油中水滴微观特征测试装置，其特征在于包括由信号发生器(14)、高压功率放大器(13)和示波器I(1)组成的高压供电部，由超声波发生器(7)与示波器II(6)组成的超声波发生部，由高速摄像仪(3)、高倍镜头(4)、光源(11)、三维位移台(5)和图像采集计算机(2)组成的高速摄像部分，及由矩形槽体(10)、电极板I(9)、电极板II(12)和超声波换能器(8)组成的矩形样槽；
所述信号发生器(14)的输出端连接于高压功率放大器(13)的输入端，通过所述信号发生器(14)调节电场参数，使信号发生器(14)的信号经高压功率放大器(13)进行升压后输出，所述示波器I(1)通过同轴电缆分别与高压功率放大器(13)电流和电压监测端口相连，以监测电压及电流信号；
所述矩形槽体(10)用以盛装透明油品，所述电极板I(9)与电极板II(12)相向粘附于所述矩形槽体(10)前后两侧的中心位置，其中电极板I(9)与高压功率放大器(13)输出端相连，电极板II(12)与高压功率放大器(13)共地，用以产生高强电场；所述超声波换能器(8)粘附于所述矩形槽体(10)底部中心，用以产生超声波场；
所述超声波换能器(8)与所述超声波发生器(7)相连，通过调节超声波发生器(7)改变所产生的超声波参数，所述示波器II(6)与超声波发生器(7)性能监测端口相连，以监超声波参数；
所述高速摄像仪(3)固定于三维位移台(5)，并设有高倍镜头(4)，以拍摄矩形槽体(10)油品中水滴微观特征的高速演变过程，所述光源(11)提供所述高速摄像仪(3)拍摄时所需光强，所述图像采集计算机(2)通过数据线与所述高速摄像仪(3)相连，用以触发所述高速摄像仪(3)的采集功能并存储高速摄像仪(3)记录的图片；所述高速摄像仪(3)与所述光源(11)分置于矩形槽体(10)左右两侧，且高倍镜头(4)光学中心轴、高速摄像仪(3)感光芯片中心与所述光源(11)光学中心轴重合；
所述的超声波换能器(8)为可拆卸式，以匹配超声波发生器(7)产生的超声波信号的频率及功率；
所述的矩形槽体(10)为有机玻璃材质，其顶部无盖，外壁面标示有刻度。
2.利用权利要求1所述的测试装置进行超声与电场协同作用下油中水滴微观特征测试的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)取一定体积的透明油品，注入矩形槽体(10)中，静置以除去油品中的气泡；加注油品高度应满足下述公式：
l＝nv/(2f) (a)
式(a)中，l为加注油品的高度，n为正整数，v为油品液体中的声速，f为超声波换能器(7)频率；
2)打开光源(11)、高速摄像仪(3)及图像采集计算机(2)，将高倍镜头(4)安装于高速摄像仪(3)前端；
3)于矩形槽体(10)正中间位置向透明油品中注入实验水滴；
4)调节三维位移台(5)，使实验水滴清晰成像于图像采集计算机(2)的图像采集界面；
5)打开信号发生器(14)，根据预先要求的参数调节电场信号的波形、幅值、频率和脉宽后输出信号；
或者打开超声波发生器(7)，根据预先要求调节声场信号的波形、频率及幅值；
或者同时打开信号发生器(14)和超声波发生器(7)，根据预先要求的参数调节电场信号的波形、幅值、频率和脉宽后输出信号；以及声场信号的波形、频率及幅值；
6)开启示波器I(1)和示波器II(12)；
7)同时开启高压功率放大器(13)、超声波发生器(7)的输出开关，以及图像采集计算机(2)，利用图像采集计算机(2)及示波器I(1)和示波器II(2)同步采集电场或超声波场作用下油中水滴运移、变形、破裂、聚集及聚并等微观特征的高速演变过程，以及电场和声场参数；
8)改变透明油品及水滴的物理化学性质，重复测试步骤1)～7)，从而评价不同油、水物理化学性质对油中水滴微观特征的影响。
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