CN114754917A - 一种非牛顿流体压力测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流体压力测量技术领域，更具体地，涉及一种非牛顿流体压力测量系统及方法，包括储液装置、压力检测装置、第一管道、第二管道以及控制阀门；第一管道的两端分别连通储液装置与第二管道，控制阀门安装于第一管道上且与其相连通，压力检测装置与第一管道连通且位于控制阀门远离储液装置1的一侧，储液装置内储存有用于隔离压力检测装置与第二管道内非牛顿流体的隔离液。本发明利用牛顿流体作为隔离液，将非牛顿流体的压力传导至压力检测装置中，实现了非直接接触式的非牛顿流体压力测量。
Description
技术领域
本发明属于流体压力测量技术领域，更具体地，涉及一种非牛顿流体压力测量系统及方法。
背景技术
流体分为牛顿流体和非牛顿流体，牛顿流体为任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体，而非牛顿流体其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的。现实中的水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体一般都是牛顿流体，番茄汁、淀粉液、蛋清、苹果浆或高分子聚合物的浓溶液和悬浮液一般为非牛顿流体。
对于非牛顿流体的压力测量，目前一般采用检测仪表感压膜片与非牛顿流体直接接触，以测出非牛顿流体的压力，然而，由于非牛顿流体的剪切应力特性，这样的测量方法会引入较大的误差干扰，进而影响测量结果的精确性。
现有技术中也有采用的非介入式的测量方法，该方法基于选取的拉伸试块和零应力试块获得应力系数K和对应的超声临界折射纵波传播的时间；记数据采集卡采集超声收发卡的声时差数据发送给主控机，主控机通过计算获得被测管道的超声临界折射纵波传播的时间；并获得管道外表面测量位置的服役应力；利用管道试件进行打水压应力测量实验，获得非介入式管道内流体压力测量系数和管道外表面应力与管道内流体压力之间的定量关系模型；最终得管道内流体压力的测量值。但是这样的测量方法过于复杂，且使用的设备较为复杂且昂贵。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种非牛顿流体压力测量系统及方法，该方法过程较为便捷，且系统较简单，成本较低。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种非牛顿流体压力测量系统，包括储液装置、压力检测装置、第一管道、控制阀门以及用于流通待测非牛顿流体的第二管道；第一管道的两端分别连通储液装置与第二管道，控制阀门安装于第一管道上并与其相连通，压力检测装置与第一管道连通且位于控制阀门远离储液装置的一侧，储液装置内储存有用于隔离压力检测装置与第二管道内非牛顿流体的隔离液。
本方案中通过用第一管道连通第二管道，测量时通过控制阀门的开闭使得第一管道内充满隔离液，这样第二管道内非牛顿流体的压力经第一管道中的隔离液传导至压力检测装置，从而避免压力检测装置直接与第二管道内的非牛顿流体接触，即消除了检测过程中非牛顿流体的剪切应力对压力检测装置的影响，提高了非牛顿流体压力检测的精度。
作为进一步改进的结构形式，上述的隔离液为牛顿流体。
作为进一步改进的结构形式，上述的隔离液为水。
作为进一步改进的结构形式，上述的第一管道位于第二管道的上方。
作为进一步改进的结构形式，上述的控制阀门为电磁阀，系统还包括与电磁阀电连接的控制装置，控制装置还与压力检测装置电连接。
作为进一步改进的结构形式，上述的第二管道的一端还连通设置有压力泵。
作为进一步改进的结构形式，上述的压力检测装置与第一管道相连通的位置与第二管道之间的距离大于或等于5cm。
本方案还提供一种非牛顿流体压力测量方法，包括以下步骤：
S1：打开控制阀门并持续第一设定时间段，储液装置内的隔离液进入第一管道及第二管道；
S2：向第二管道内注入待测非牛顿流体并持续第二设定时间段；
S3：关闭控制阀门，持续向第二管道内注入待测非牛顿流体并持续第三设定时间段；
S4：开启压力检测装置，压力检测装置经第一管道内的隔离液间接获取第二管道内非牛顿流体的压力。
本方案通过隔离液作为待测非牛顿流体与压力检测装置之间的传压介质，实现了非牛顿流体的非直接接触式压力测量，避免了非牛顿流体剪切应力变化对测量结果造成的影响，进而提高了非牛顿流体的压力测量精度。
优选地，上述的第二设定时间段大于第一设定时间段。
优选地，还包括步骤S5：预设第一设定频率，控制装置根据第一设定频率控制控制阀门的开闭。
与现有技术相比，有益效果是：
本发明一方面提供非牛顿流体压力测量系统，系统中设置的第一管道内可充满隔离液，以将压力检测装置与待测非牛顿流体相隔离，实现非接触式的非牛顿流体压力测量，避免压力检测装置与非牛顿流体直接接触造成测量误差；另一方面提供非牛顿流体压力测量方法，该方法避免了非牛顿流体剪切应力带来的误差，大大提高了非牛顿流体压力测量的精准度。
附图说明
图1是本发明实施例1非牛顿流体压力测量系统的结构框图；
图2是本发明实施例1非牛顿流体压力测量系统的电连接示意框图；
图3是本发明实施例2非牛顿流体压力测量系统的结构框图；
图4是本发明实施例2非牛顿流体压力测量系统的电连接示意框图；
图5是本发明实施例3非牛顿流体压力测量系统的流程示意框图；
其中，1-储液装置，2-压力检测装置，3-第一管道，4-第二管道，5-控制阀门，6-控制装置，7-压力泵。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例1：
如图1至图2所示为一种非牛顿流体压力测量系统的第一实施例，包括储液装置1、压力检测装置2、第一管道3、控制阀门5以及用于流通待测非牛顿流体的第二管道4；第一管道3的两端分别连通储液装置1与第二管道4，控制阀门5安装于第一管道3上并与其相连通，压力检测装置2与第一管道3连通且位于控制阀门5远离储液装置1的一侧，储液装置1内储存有用于隔离压力检测装置2与第二管道4内非牛顿流体的隔离液。
本实施例适用于钻井液等非牛顿流体的压力测量。
其中，压力检测装置2为压力传感器，当然，采用压力传感器仅为一种参考的实施方式，具体实施过程中，还可以采用可实现相同功能的其他类型设备，这里不作限定。
在一个具体的实施方式中，第二管道4两端应该为开放端，即在压力检测过程中，待测非牛顿流体应当是流动的状态。
另外，应当理解的是，隔离液为液体，由于隔离液为液体，其本身可发生形变，因此，在使用过程中，待测非牛顿流体与隔离液接触，隔离液还与压力检测装置2接触，待测非牛顿流体的压力变化会导致隔离液发生形变，即待测非牛顿流体的压力经第一管道3内的牛顿流体传导至压力检测装置2而被探测，这样在检测过程中可以避免非牛顿流体剪切应力变化对检测装置的影响，非牛顿流体的剪切应力会被隔离液消除，进而提高压力检测的精准度。
本实施例中的隔离液为牛顿流体。由于牛顿流体任一点的剪切应力都与剪切变形速率呈线性函数关系，而非牛顿流体的剪切应力与剪切变形速率之间并不是线性关系，因此，第二管道4内的非牛顿流体压力变化而引起第一管道3内的牛顿流体发生形变，牛顿流体发生的形变与其剪切应力呈线性函数关系，因此可以避免剪切应力突变造成测量误差。
本实施例中的隔离液为水。这是由于水是比较容易获得牛顿液体，且成本较低，不会对环境造成污染，利用水来做隔离液较为方便；值得注意的是，本实施例中采用水作为隔离液，仅为参考的实施方式，不能理解为对本方案的限制，具体实施过程中，可采用其他的牛顿流体如酒精作为隔离液以将压力检测装置2与待测非牛顿流体进行隔离，并将待测非牛顿流体的压力传导至压力检测装置2；而且，具体实施时可根据待测非牛顿流体的种类选择隔离液的种类。
本实施例中的第一管道3位于第二管道4的上方。由于非牛顿流体的密度一般比牛顿流体的密度大，因此，将第一管道3设置在第二管道4上方时，在第一管道3与第二管道4相连通的位置处，第一管道3内的牛顿流体会悬浮在第二管道4之上而不会轻易融入第二管道4中的非牛顿流体中，从而避免在检测过程中隔离液大量进入第二管道4中影响测量结果的精准性，以及减少隔离液对非牛顿流体的污染。
本实施例中的控制阀门5为电磁阀，系统还包括与电磁阀电连接的控制装置6，控制装置6还与压力检测装置2电连接。控制装置6可根据相应的设定对电磁阀及压力检测装置2进行控制，具体地，控制装置6先打开电磁阀，使得储液装置1中的隔离液持续注入第一管道3及第二管道4中，然后向第二管道4内注入待测非牛顿流体，待测非牛顿流体在第二管道4中冲洗一段时间，将非牛顿流体与牛顿流体混合物排出第二管道4后，控制装置6关闭电磁阀，此时电磁阀与第二管道4之间留存一段的隔离液在第一管道3中，然后控制装置6打开压力检测装置2，第二管道4中的非牛顿流体的压力经第一管道3中的隔离液传导至压力检测装置2中，检测得到非牛顿流体的压力。
为了尽可能减小非牛顿流体剪切应力的影响，本实施例中的压力检测装置2与第一管道3相连通的位置与第二管道4之间的距离为5cm，当然这仅为一种参考的实施方式，具体实施过程中，只要压力检测装置2与第一管道3相连通的位置与第二管道4之间的距离大于或等于5cm均可。
实施例2：
如图3至图4所示为一种非牛顿流体压力测量系统的第二实施例，本实施例与第一实施例的区别仅在于，本实施例中的第二管道4的其中一端还连通设置有压力泵7，另一端为开放端，通过压力泵7将非牛顿流体注入第二管道4中，使得非牛顿流体可快速充满第二管道4，进而快速与第一管道3中的牛顿流体相接触，提高检测效率。其中，本实施例中的压力泵7还可以与控制装置6电连接，这样便于控制装置6整体控制系统，实现系统的自动化运行。
实施例3：
如图5所示为一种非牛顿流体压力测量方法的实施例，本实施例采用实施例1或实施例2中的非牛顿流体压力测量系统，具体地，本实施例的方法包括以下步骤：
S1：打开控制阀门5并持续第一设定时间段，储液装置1内的隔离液进入第一管道3及第二管道4；使得隔离液先充满第一管道3，便于后面形成液柱；
S2：向第二管道4内注入待测非牛顿流体并持续第二设定时间段；让待测非牛顿流体将第二管道4冲洗干净，避免隔离液或留存的其他液体影响测量结果的精准性；
S3：关闭控制阀门5，持续向第二管道4内注入待测非牛顿流体并持续第三设定时间段；检测过程中，待测非牛顿流体保持流动的状态；
S4：开启压力检测装置2，压力检测装置2经第一管道3内的隔离液间接获取第二管道4内非牛顿流体的压力。
其中，本实施例中的非牛顿流体可以为钻井液等，这里不作限定。
本实施例中的第二设定时间段大于第一设定时间段，具体地，第一设定时间段为1分钟，第二设定时间段为2分钟。由于先打开控制阀门5让第一管道3中注满隔离液，此时，第一管道3中的隔离液会流到第二管道4中，这部分的隔离液会对检测结果造成一定的影响，因此，这样设置是为了让第二管道4中的非牛顿流体可以充分将非牛顿流体与牛顿流体混合物冲洗干净，在第一管道3中形成稳定的隔离液柱。值得注意的是，本方案中第一设定时间段与第二设定时间段的选择均为参考，不能理解为对本方案的限定，具体实施过程中，可根据实际需要增减第一设定时间段与第二设定时间段的长短，只要第二设定时间段大于第一设定时间即可将非牛顿流体与牛顿流体混合物冲刷干净，满足检测的精度要求。
另外，本实施例中的第三设定时间段可选范围为2～6分钟，优选为4分钟。
由于第一管道3内的隔离液与第二管道4内的待测非牛顿流体直接接触，两者相接的界面处必然会出现一定程度的混合，混合的程度随着时间的增加而不断加深，因此本实施例中还包括步骤S5：预设第一设定频率，控制装置6根据第一设定频率控制控制阀门5的开闭，随着控制阀门5的不断开闭，储液装置1中的隔离液会间断的补充进入第一管道3中，从而不断地更新相接界面的液体。其中第一设定频率可根据实际需要进行设置，这里不作限定。
在结束一次待测非牛顿流体的压力检测后，再打开控制阀门5，将第一管道3内的隔离液排干净，避免待测非牛顿流体或隔离液残留而影响下一次的压力检测精度。
本实施例通过隔离液作为待测非牛顿流体与压力检测装置2之间的传压介质，实现了非牛顿流体的非直接接触式压力测量，避免了非牛顿流体剪切应力变化对测量结果造成的影响，进而提高了非牛顿流体的压力测量精度。
本发明是参照本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图或方框图来描述的，应理解可由计算机程序指令实现流程图或方框图中的每一流程或方框、以及流程图或方框图中的流程或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种非牛顿流体压力测量系统，其特征在于，包括储液装置(1)、压力检测装置(2)、第一管道(3)、控制阀门(5)以及用于流通待测非牛顿流体的第二管道(4)；所述第一管道(3)的两端分别连通储液装置(1)与第二管道(4)，所述控制阀门(5)安装于第一管道(3)上并与其相连通，所述压力检测装置(2)与所述第一管道(3)连通且位于所述控制阀门(5)远离所述储液装置(1)的一侧，所述储液装置(1)内储存有用于隔离压力检测装置(2)与第二管道(4)内非牛顿流体的隔离液。
2.根据权利要求1所述的一种非牛顿流体压力测量系统，其特征在于，所述隔离液为牛顿流体。
3.根据权利要求2所述的一种非牛顿流体压力测量系统，其特征在于，所述隔离液为水。
4.根据权利要求3所述的一种非牛顿流体压力测量系统，其特征在于，所述第一管道(3)位于所述第二管道(4)的上方。
5.根据权利要求4所述的一种非牛顿流体压力测量系统，其特征在于，所述控制阀门(5)为电磁阀，所述系统还包括与所述电磁阀电连接的控制装置(6)，所述控制装置(6)还与所述压力检测装置(2)电连接。
6.根据权利要求5所述的一种非牛顿流体压力测量系统，其特征在于，所述第二管道(4)的其中一端还连通设置有压力泵(7)，另一端为开放端。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种非牛顿流体压力测量系统，其特征在于，所述压力检测装置(2)与第一管道(3)相连通的位置与第二管道(4)之间的距离大于或等于5cm。
8.一种非牛顿流体压力测量方法，使用如权利要求1至7任一所述非牛顿流体压力测量系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1：打开控制阀门(5)并持续第一设定时间段，储液装置(1)内的隔离液进入第一管道(3)及第二管道(4)；
S2：向第二管道(4)内注入待测非牛顿流体并持续第二设定时间段；
S3：关闭控制阀门(5)，持续向第二管道(4)内注入待测非牛顿流体并持续第三设定时间段；
S4：开启压力检测装置(2)，压力检测装置(2)经第一管道(3)内的隔离液间接获取第二管道(4)内非牛顿流体的压力。
9.根据权利要求8所述的一种非牛顿流体压力测量方法，其特征在于，所述第二设定时间段大于所述第一设定时间段。
10.根据权利要求9所述的一种非牛顿流体压力测量方法，其特征在于，还包括步骤S5：预设第一设定频率，控制装置(6)根据第一设定频率控制控制阀门(5)的开闭。
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