CN207923654U - 高温高压低速气体微管粘度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高温高压低速气体微管粘度测量装置，所述测量装置包括：恒温箱；流体过滤测量装置，包括通过管线依次串接的过滤器、微管连接器、流量测量液储存罐、微流量自动计量装置以及中间容器，微管连接器内部沿轴向固定有一测粘微管，过滤器、微管连接器及流量测量液储存罐位于恒温箱内，测粘微管的两端与微管连接器两端处的所述管线对应连通；微压差计量装置，其两端通过检测管线对应连接于微管连接器两端处的所述管线上；数据采集处理系统，与微压差计量装置及所述微流量自动计量装置电连接，用于接收压差数据及流量数据。能够精确测定短微管两端的微小压差和微小流量，实现高温、高压条件下气体粘度的精确测量。

Description

高温高压低速气体微管粘度测量装置

技术领域

本实用新型属于油气开采、化工等领域，具体而言，涉及一种气体粘度的测量技术，特别涉及一种高温高压环境微流速气体粘度的测量装置。

背景技术

粘度是气体的重要性质。气体的粘度受温度和压力的影响很大，尤其在高温高压环境下，温度和压力的微小变化都会对气体的粘度造成极大的影响。所以准确获取高温高压条件下的气体粘度数据，在科学研究和实际生产中都具有至关重要的作用。获取气体粘度的方法有计算法和测量法。

常用计算气体粘度的模型有Lennard-Jones模型、Stockmayer模型、Thodos模型等，这些模型都是基于稀薄气体假设的分子运动学理论。因此，这些模型仅适用于低压条件下气体粘度的计算，不适用于高温高压下气体粘度的计算。

常见的粘度测量仪有毛细管粘度计、振动粘度计、落球粘度计和旋转粘度计等。其中，落球粘度计、旋转粘度计适用于测量液体的粘度，不适用于测量气体的粘度；振动粘度计是振动衰减与被测流体粘度的定量关系测量气体粘度，目前还未见有实用化的高温高压条件下气体粘度测量仪器；

毛细管粘度计是利用哈根—泊肃叶(Hagen-Poiseuille)流原理测量介质的粘度，目前有关毛管气体粘度计的研究报道中通常是采取增加毛管长度的方法规避气体流动压差过小所导致的测量难点；另外，由于高压条件下微流量计量技术的限制，以增大流速来规避高压条件下微流量计量的难点。在这样的长管、高流速的测试条件下不得不在H-P公式中引入入(出)口端修正系数、滑移修正系数和气体压缩性修正系数，这些修正系数取值的不确定性给测量结果带来了很大的误差和不确定性。

有鉴于此，本设计人根据从事本领域和相关领域的生产设计经验，研制出一种高温高压低速气体微管粘度高温高压低速气体微管粘度测量装置，能忽略上述修正系数的流动条件(流速)和装置结构参数(管径、管长)，以解决现有技术存在的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是在于提供一种高温高压低速气体微管粘度高温高压低速气体微管粘度测量装置，能够精确测定短微管两端的微小压差和微小流量，实现高温、高压条件下气体粘度的精确测量。

为此，本实用新型提出一种高温高压低速气体微管粘度高温高压低速气体微管粘度测量装置，其包括：

恒温箱；

流体过滤测量装置，包括通过管线依次串接的过滤器、微管连接器、流量测量液储存罐、微流量自动计量装置以及中间容器，所述微管连接器内部沿轴向固定有一测粘微管，所述过滤器、微管连接器及流量测量液储存罐位于所述恒温箱内，所述测粘微管的两端与所述微管连接器两端处的所述管线对应连通；

微压差计量装置，其两端通过耐压连接管线对应连接于所述微管连接器两端处的所述管线上；

数据采集处理系统，与所述微压差计量装置及所述微流量自动计量装置电连接，用于接收压差数据及流量数据。

如上所述的高温高压低速气体微管粘度高温高压低速气体微管粘度测量装置，其中，微管连接器包括：

连接件主体，其沿轴向形成有一贯通的前流道，所述前流道依次包括入口段、前定位段、前密封腔以及接口段，所述前定位段的内径小于所述入口段及前密封腔的内径，所述前密封腔的内径小于所述接口段的内径；

密封帽，其沿轴向形成有一贯通的后流道，所述后流道依次包括后密封腔、后定位段以及出口段，所述密封帽前端的外侧面缩径形成一接头部，所述接头部插接于所述接口段内，所述后密封腔与所述接口段的内腔对应连通，其中，所述测粘微管的两端密封插接于所述前定位段及后定位段，所述入口段及出口段通过内螺纹对应与所述微管连接器两端的所述管线密封螺接。

如上所述的高温高压低速气体微管粘度高温高压低速气体微管粘度测量装置，其中，所述前定位段的内壁与所述测粘微管的外侧之间填充有石蜡，所述接口段内灌注有密封胶，当所述接头部插接于所述接口段时，能挤压所述密封胶对应进入所述前密封腔及后密封腔。

如上所述的高温高压低速气体微管粘度测量装置，其中，所述测粘微管为微米级毛管，其管径不小于20μm，其长度不小于30mm。

在本实用新型中，通过采用微管连接器，实现测粘微管与实验装置的跨尺度连接；微流量自动计量装置和微压差计量装置与测粘微管相配合，既保证被测气体在测粘微管中为低速的层流状态，又实现对微管中气体的层流和微流量的高精度测定。另外，测粘微管的使用，在两端形成微压差，可以大幅度减少膨胀系数取值对测量结果的影响，消除长管弯曲导致的附加惯性对测量结果的影响。

在本实用新型中，其操作简单方便，克服了现有毛细管粘度计测量下气体粘度的技术瓶颈，能够精确测定短微管两端的微小压差和微小流量，实现了真正意义上的高温(≤150℃)和高压(≤120MPa)条件下气体粘度的精确测量。

在本实用新型中，所述测粘微管优选采用微米级毛管，长度最短为30mm，在排除气体微尺度流动效应影响的情况下，管径最小可为20μm。与现有毛管粘度计相比，本实用新型的测粘微管减小了人为设定修正系数所带来的不确定性，直径的减小可以提高气体粘度测量的精度；本实用新型可测粘度的下限可达7μPa·s，测量气体种类多，可以测定N₂、CO₂、CH₄和混合气体等多种气体的粘度。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1为本实用新型的高温高压低速气体微管粘度测量装置的组成结构示意图。

图2为本实用新型中微管连接器的剖面图。

主要元件标号说明：

1 恒温箱 2 过滤器

3 微管连接器 30 测粘微管

31 连接件主体

310 前流道 311 入口段

312 前定位段 313 前密封腔

314 接口段 32 密封帽

320 后流道 321 后密封腔

322 后定位段 323 出口段

324 接头部 4 流量测量液储存罐

5 微流量自动计量装置 6 中间容器

7 微压差计量装置 71 检测管线

8 数据采集处理系统 9 管线

10 输入管线

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下结合附图及较佳实施例，对本实用新型提出的高温高压低速气体微管粘度测量装置的具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。另外，通过具体实施方式的说明，当可对本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入具体的了解，然而所附图仅是提供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。

图1为本实用新型的高温高压低速气体微管粘度测量装置的组成结构示意图。图2为本实用新型中微管连接器的剖面图。

如图1所示，本实用新型提出的高温高压低速气体微管粘度测量装置，包括恒温箱1、流体过滤测量装置、微压差计量装置7以及数据采集处理系统8，其中，所述流体过滤测量装置包括通过管线9依次串接的过滤器2、微管连接器3、流量测量液储存罐4、微流量自动计量装置5以及中间容器6，所述微管连接器3内部沿轴向固定有一测粘微管30，所述过滤器2、微管连接器3及流量测量液储存罐4位于所述恒温箱1内，所述测粘微管30的两端与所述微管连接器3两端处的所述管线对应连通，由此，通过设置所述微管连接器3，实现了测粘微管与测量实验装置(如过滤器、流量测量液储存罐4)的跨尺度连接；

所述微压差计量装置7的两端通过检测管线71对应连接于所述微管连接器两端处的所述管线9上；

所述数据采集处理系统8，用于实时监控并记录测试的压力、压差、流量、温度等，其与所述微压差计量装置7及所述微流量自动计量装置5电连接，以接收压差数据及流量数据，在实际工作时，可以选用一计算机系统。另外，在优选的实施方式中，如图所示，还可进一步将所述恒温箱1与所述数据采集处理系统8(计算机系统)，以利于温度数据的传递及保存

在实际组装时，对于上述的流量测量液储存罐、微流量自动计量装置、中间容器、微压差计量装置以及数据采集处理系统，可根据需要分别选用，比如，所述恒温箱1采用高精度恒温箱，其最高温度可达150℃，控温精度可达到0.1℃，所述微流量自动计量装置可优选采用流体微流量自动计量装置(如中国专利号为ZL201520209211.6)，其测量精度可达100nL/min级，所述微压差计量装置7优选为用于高压实验的微压差计量装置(中国专利号为ZL201520227522.5)，该装置可以测量的微压差下限为10^-5MPa。至于上述各装置的具体结构及工作原理，由于为技术相同，在此不再赘述；

本实用新型的高温高压低速气体微管粘度测量装置中，通过采用微管连接器3，实现微米级的测粘微管与毫米级的管线等实验装置的跨尺度连接；微流量自动计量装置5和微压差计量装置7与测粘微管相配合，既保证被测气体在测粘微管中为低速的层流状态，又实现对微管中气体的层流和微流量的高精度测定。另外，测粘微管的使用，在两端形成微压差，可以大幅度减少膨胀系数取值对测量结果的影响，消除长管弯曲导致的附加惯性对测量结果的影响。

请参见图2所示，所述微管连接器3包括连接件主体31及密封帽32，所述连接件主体31沿轴向形成有一贯通的前流道310，所述前流道310依次包括入口段311、前定位段312、前密封腔313以及接口段314，所述前定位段312的内径小于所述入口段311及前密封腔313的内径，所述前密封腔313的内径小于所述接口段314的内径；

所述密封帽32，其沿轴向形成有一贯通的后流道320，所述后流道320依次包括后密封腔321、后定位段322以及出口段323，所述密封帽32前端的外侧面缩径形成一接头部324，所述接头部324插接于所述接口段323内，所述后密封腔321与所述接口段323的内腔对应连通，其中，所述测粘微管30的两端密封插接于所述前定位段312及后定位段322，所述入口段311及出口段323通过内螺纹对应与所述微管连接器3两端的所述管线9密封螺接。

其中，所述前定位段312的内壁与所述测粘微管30的外侧之间填充有石蜡等密封物质，所述接口段314内灌注有密封胶，当所述接头部34插接于所述接口段314时，能挤压所述密封胶对应进入所述前密封腔313及后密封腔321，从而使微管连接器3的内部空腔内完全充满高温高压密封胶，可以极大的消除流体对微管连接器3的剪应力，使之只受到轴向方向的作用力，防止测粘微管在微管连接器3中由于侧向方向的剪应力而受到损坏。

其中，优选所述测粘微管30为微米级毛管，其管径不小于20μm，其长度不小于30mm。在具体应用时，所述测粘微管的内径下限，以不产生高压气体微尺度流动效应为原则。在本实用新型中，测粘微管选用微米级管，实现气体的低流速，可以规避高流速动能修正系数对测量结果的影响。

本实用新型提出的高温高压低速气体微管粘度测量装置，其测量方法采用以下步骤：

1)选择合适管径的测粘微管，并安装于微管连接器内，将所述恒温箱1调至测量温度，在实际应用时，通常是在25℃—150℃的范围内根据需要选定，在此不再赘述，另外，文中所指的高压范围通常是标准大气压至120MPa内；

2)将待测气体以选定流速经输入管线10输送至所述过滤器2中过滤后，经所述微管连接器3的测粘微管进入所述流量测量液储存罐4内，待测气体推动所述流量测量储存罐4中的测量液进入所述微流量自动计量装置5，根据体积守恒可知，由于在同一温度、压力下，气体和液体的物理化学反应可忽略，故进气量等于排液量，从而测得待测气体的流量；

3)所述微压差计量装置7测量所述微管连接器3两端的压力数据，以及所述微流量自动计量装置5测得的流量数据，分别传送至所述数据采集处理系统8计算处理后，得出待测气体的粘度值；

4)改变待测气体的输入压力，按步骤2)至步骤3)重复进行，从而得到不同压力下的气体粘度值。

其中，由于需要对流量测量液储存罐4中流入到微流量自动计量装置5中的高温测量液的体积进行温度修正，因此，在步骤3)中所述数据采集处理系统接收压力数据及流量数据后，按以下Hagen-Poiseuille公式(哈根-泊肃叶公式)计算气体的粘度值：

μ₀＝πr⁴(p² ₁-p² ₂)/16QβLp₂，其中，p₁为测粘微管入口处流体的压力，p₂为测粘微管出口处的流体压力，L为测粘微管的长度，r为测粘微管的内径，Q为微流量自动计量装置测得的流量体积，β为测量液的温度修正系数。

在具体试验中，对于本实用新型而言，为避免向Hagen-Poiseuille公式中引入修正系数的流动条件(流速)和装置结构参数(管径、管长)，优选所述测粘微管30作为微米级毛细管时的管径，以忽略滑移效应的影响为准则确定；对于气体流速的选择，以忽略测粘微管的入(出)口端效应影响为准则确定；对于施加于测粘微管30两端的压差，以忽略气体压缩性的影响为准则确定。

具体而言，为了避免滑移效应对试验的影响，测粘微管的管径通常按以下步骤确定:

a1):在常压下，在测粘微管两端压差小于0.2MPa的条件下，将不同管径的多个测粘微管分别连入微管连接器中，并按步骤1)-步骤5)的顺序，依次测试各测粘微管在不同压差时的气体粘度；

a2):分别计算各测粘微管的各气体粘度与标准粘度(即美国国家标准与技术研究院提供的粘度数据库，简称NIST数据库)的比值，绘制各测粘微管的各比值与对应压差的关系曲线；

a3):将各测粘微管的关系曲线进行对比，其中，在不同压差下比值均相同的测粘管线，其管径即为最小管径。

进一步地，为了尽可能的忽略气体流速对测粘管线的入(出)口端的效应，待测气体的流速按以下步骤确定:

b1):通过步骤a1)-a3)选取最小管径的测粘微管并安装后，在待测压力下，在测粘微管两端压差小于0.2MPa的条件下，测试测粘微管在不同流量下的气体粘度；

b2):绘制测粘微管的流量与压差之比与流量的关系曲线；

b3):将各关系曲线中，找到流量与压差之比不随流量发生变化的点，其所对应的流速即为各测粘微管中待测气体的最大流速。

此外，测粘微管两端的压差按以下步骤确定:

c1):通过步骤a1)-a3)选取最小管径的测粘微管并安装后，在常压下，在测粘微管两端压差小于0.2MPa的条件下，对测粘微管进行不同压差时的气体粘度测试；

c2):绘制测试粘度与经下式计算出的粘度的比值与压差的关系曲线：

其中，p₁为测粘微管入口处流体的压力，p₂为测粘微管出口处的流体压力，ΔP为测粘微管两端处的压差，Q为微流量自动计量装置测得的流量体积，l为测粘微管的长度，r为测粘微管的内径，m为动能修正系数，n为Couette修正因子；

c3)：将各压差与粘度比值的关系曲线中，比值不随压差变化的那个压差值，即为测粘微管两端的最大压差。

其中，根据上述确定的所述测粘微管的管长按以下公式确定：

L＝r²△p/8uv，其中，ΔP为测粘微管两端处的压差，r为测粘微管的内径，u计算得出的粘度值，v为测粘微管内气体的流速。

本实用新型提供的高温高压低速气体微管粘度测量装置，操作简单方便，克服了现有毛细管粘度计测量下气体粘度的技术瓶颈，能够精确测定短微管两端的微小压差和微小流量，实现了真正意义上的高温(≤150℃)和高压(≤120MPa)条件下气体粘度的精确测量。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims (4)

1.一种高温高压低速气体微管粘度测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：

恒温箱；

流体过滤测量装置，包括通过管线依次串接的过滤器、微管连接器、流量测量液储存罐、微流量自动计量装置以及中间容器，所述微管连接器内部沿轴向固定有一测粘微管，所述过滤器、微管连接器及流量测量液储存罐位于所述恒温箱内，所述测粘微管的两端与所述微管连接器两端处的所述管线对应连通；

微压差计量装置，其两端通过检测管线对应连接于所述微管连接器两端处的所述管线上；

数据采集处理系统，与所述微压差计量装置及所述微流量自动计量装置电连接，用于接收压差数据及流量数据。

2.如权利要求1所述的高温高压低速气体微管粘度测量装置，其特征在于，微管连接器包括：

连接件主体，其沿轴向形成有一贯通的前流道，所述前流道依次包括入口段、前定位段、前密封腔以及接口段，所述前定位段的内径小于所述入口段及前密封腔的内径，所述前密封腔的内径小于所述接口段的内径；

密封帽，其沿轴向形成有一贯通的后流道，所述后流道依次包括后密封腔、后定位段以及出口段，所述密封帽前端的外侧面缩径形成一接头部，所述接头部插接于所述接口段内，所述后密封腔与所述接口段的内腔对应连通，其中，所述测粘微管的两端密封插接于所述前定位段及后定位段，所述入口段及出口段通过内螺纹对应与所述微管连接器两端的所述管线密封螺接。

3.如权利要求2所述的高温高压低速气体微管粘度测量装置，其特征在于，所述前定位段的内壁与所述测粘微管的外侧之间填充有石蜡，所述接口段内灌注有密封胶，当所述接头部插接于所述接口段时，能挤压所述密封胶对应进入所述前密封腔及后密封腔。

4.如权利要求1或3所述的高温高压低速气体微管粘度测量装置，其特征在于，所述测粘微管为微米级毛管，其管径不小于20μm，其长度不小于30mm。