RU2029284C1

RU2029284C1 - Liquid viscosity determining method

Info

Publication number: RU2029284C1
Authority: RU
Inventors: Анатолий Иванович Кобяков; Игорь Михайлович Арпишкин
Original assignee: Анатолий Иванович Кобяков; Игорь Михайлович Арпишкин
Priority date: 1992-06-29
Filing date: 1992-06-29
Publication date: 1995-02-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: method involves the steps of: taking liquid samples and introducing them into a rotary viscosimeter-screw pump, closing the outlet of the pump and measuring the difference in pressure in an annular gap of the pump and screw rotating at a predetermined speed, computing liquid viscosity by using the measured pressure difference and screw rotational speed. EFFECT: enhanced accuracy. 1 dwg

Description

Изобретение относится к автоматизации технологического контроля производственных процессов в химической и нефтехимической промышленности. The invention relates to the automation of technological control of production processes in the chemical and petrochemical industries.

Известен способ измерения вязкости жидкости на капиллярном вискозиметре, включающем шестеренчатый насос с термостатируемым капилляром и дифманометр, основанный на измерении перепада давления на капилляре при постоянном объемном расходе через него контролируемой жидкости [1]. Как показывает опыт, эти вискозиметры не получили распространения в системах автоматического контроля технологических процессов. В реальных условиях эксплуатации, например в производстве полиэтилена, такие вискозиметры неработоспособны из-за забивки капилляра. A known method of measuring the viscosity of a liquid on a capillary viscometer, including a gear pump with a thermostatically controlled capillary and a differential pressure gauge based on measuring the pressure drop across the capillary at a constant volumetric flow rate of the controlled liquid through it [1]. As experience shows, these viscometers are not widely used in automatic process control systems. Under real operating conditions, for example in the production of polyethylene, such viscometers are inoperative due to clogging of the capillary.

Наиболее близким техническим решением является способ измерения вязкости легкорасслаивающихся суспензий на ротационном вискозиметре путем создания циркуляции суспензии в рабочем зазоре между коаксиальными цилиндрами за счет перепада давлений по высоте зазора и поддержания этого перепада на расчетном значении [2] . Однако такие ротационные вискозиметры достаточно сложны по конструкции. Кроме того, необходимость регулирования перепада давления и поддержания его в расчетном интервале значений усложняет прототип, что в конечном счете ухудшает эксплуатационные характеристики таких вискозиметров, в частности надежность при измерении вязкости на потоке. The closest technical solution is a method for measuring the viscosity of easily stratified suspensions on a rotational viscometer by creating a circulation of the suspension in the working gap between the coaxial cylinders due to pressure differences along the height of the gap and maintaining this difference at the calculated value [2]. However, such rotational viscometers are quite complex in design. In addition, the need to regulate the pressure drop and maintain it in the calculated range of values complicates the prototype, which ultimately degrades the operational characteristics of such viscometers, in particular reliability when measuring viscosity on the stream.

Целью изобретения является упрощение способа и повышение его надежности. The aim of the invention is to simplify the method and increase its reliability.

Цель достигается тем, что в способе измерения вязкости на винтовом насосе с запорным органом на выходе нагнетательной камеры создают перепад давления, связанный с вращением шнека насоса и циркуляцией потока в зазоре между шнеком и корпусом насоса, перекрывают на момент контроля выход насоса и в установившемся режиме измеряют разность давлений ΔР в нагнетательной и во всасывающей камерах насоса, скорость вращения n шнека насоса и определяют вязкость η по формуле η=А˙ ΔP/n, где А - постоянный коэффициент. The goal is achieved by the fact that in the method for measuring viscosity on a screw pump with a shut-off element at the outlet of the discharge chamber, a pressure drop is created associated with the rotation of the pump auger and the circulation of the flow in the gap between the screw and the pump casing, the output of the pump is closed at the time of monitoring and measured in steady state the pressure difference ΔР in the discharge and in the suction chambers of the pump, the rotation speed n of the pump screw and determine the viscosity η by the formula η = А˙ ΔP / n, where A is a constant coefficient.

Способ контроля вязкости жидкости в технологическом потоке основан на таком режиме работы объемного насоса, параметры которого обеспечивают достоверное определение вязкости контролируемой жидкости. Такой режим создается при перекрытии нагнетательной камеры, то есть выхода насоса. В результате насос полностью теряет производительность и работает "на себя". В насосе возникает обратный циркуляционный поток, величина которого уравнивается прямым потоком. Расход этих потоков определяется по надежно измеряемым параметрам - скорости вращения шнека и напору, создаваемому насосом. В данном режиме в зоне измерения возникает наиболее интенсивный массообмен, что является необходимым условием для достоверного определения вязкости. A method for controlling the viscosity of a liquid in a process stream is based on such a mode of operation of a volumetric pump, the parameters of which provide a reliable determination of the viscosity of a controlled fluid. This mode is created when the discharge chamber is closed, i.e. the pump outlet. As a result, the pump completely loses productivity and works "on itself". A reverse circulation flow occurs in the pump, the value of which is equalized by the direct flow. The flow rate of these flows is determined by reliably measured parameters - the speed of rotation of the screw and the pressure created by the pump. In this mode, the most intense mass transfer occurs in the measurement zone, which is a necessary condition for reliable determination of viscosity.

На чертеже приведено устройство, используемое для осуществления способа. The drawing shows a device used to implement the method.

Устройство содержит термостат 1, привод 2 винтового насоса 3, запорный орган 4 с исполнительным механизмом, линии 5 и 6 соответственно подвода контролируемой жидкости к всасывающей камере и отвода жидкости на нагнетательной камере насоса, технологический объект 7 с контролируемой жидкостью; датчик 8 разности давлений в нагнетательной и во всасывающей камерах насоса, датчик 9 скорости вращения шнека 10 насоса 3, вычислительное устройство 11. The device comprises a thermostat 1, a drive 2 of a screw pump 3, a locking member 4 with an actuator, lines 5 and 6, respectively, of supplying the controlled fluid to the suction chamber and draining the fluid on the discharge chamber of the pump, a process object 7 with the controlled fluid; sensor 8 of the pressure difference in the discharge and in the suction chambers of the pump, the sensor 9 of the rotational speed of the screw 10 of the pump 3, the computing device 11.

"Чувствительным элементом" данного устройства является винтовой насос 3 с приводом 2 и с запорным органом 4 на выходе насоса. Этот элемент помещают в термостат 1, которым обеспечивают изотермические условия контроля. Всасывающую и нагнетательную камеры насоса 3 с помощью трубопроводов 5 и 6 подключают по схеме байпаса к технологическому объекту 7 с контролируемой жидкостью. The "sensitive element" of this device is a screw pump 3 with a drive 2 and with a shut-off element 4 at the pump outlet. This element is placed in a thermostat 1, which provides isothermal control conditions. The suction and discharge chambers of the pump 3 using pipelines 5 and 6 are connected according to the bypass scheme to the technological object 7 with a controlled fluid.

Основной рабочей характеристикой насоса является зависимость между его производительностью и напором. Производительность Q винтового насоса определяют следующие потоки жидкости: прямой поток Qт под действием вращения шнека; обратный поток Qо (поток утечки в зазоре между корпусом насоса и гребнями нарезки шнека) под действием развиваемого напора Н. Зависимость величины Q от параметров такова:
Q= Q_т - Q_o= 4˙e˙D˙T˙n - aδ³˙l˙ρ˙g˙H˙T/(m˙h˙L), (1) где е - эксцентриситет (смещение оси червяка относительно оси канала корпуса насоса);
D - диаметр червяка;
Т - шаг винтовой поверхности корпуса насоса (Т = 2˙t, t - шаг червяка);
n - скорость вращения червяка;
а - безразмерный постоянный коэффициент;
δ, l - ширина и длина зазора по полосе замыкания поверхностей корпуса и червяка;
h - глубина канала;
L - длина канала (рабочей части винтового насоса);
ρ- плотность жидкости;
g - ускорение свободного падения.The main operating characteristic of a pump is the relationship between its capacity and pressure. The following fluid flows determine the performance Q of a screw pump: direct flow Qt under the action of screw rotation; reverse flow Qo (leakage flow in the gap between the pump casing and the screw cutting ridges) under the influence of the developed pressure N. The dependence of Q on the parameters is as follows:
Q = Q _t - Q _o = 4˙e˙D˙T˙n - aδ ³ ˙l˙ρ˙g˙H˙T / (m˙h˙L), (1) where e is eccentricity (displacement of the axis of the worm relative to the axis of the channel of the pump housing);
D is the diameter of the worm;
T is the pitch of the screw surface of the pump casing (T = 2˙t, t is the pitch of the worm);
n is the speed of rotation of the worm;
a is a dimensionless constant coefficient;
δ, l is the width and length of the gap along the short circuit strip of the surfaces of the housing and the worm;
h is the depth of the channel;
L is the length of the channel (the working part of the screw pump);
ρ is the fluid density;
g is the acceleration of gravity.

Коэффициент а учитывает допущения, связанные с математическим описанием процесса утечки, т.е. циркуляционного потока, имеющего место в зазоре между корпусом насоса и червяком. Тем самым обеспечивается адекватность формулы (1) реальному процессу, а следовательно, и точность определения вязкости. Этот коэффициент определяют по опытным данным при калибровке конкретного насоса. Coefficient a takes into account the assumptions associated with the mathematical description of the leakage process, i.e. circulation flow occurring in the gap between the pump housing and the worm. This ensures the adequacy of formula (1) to the real process, and hence the accuracy of determining viscosity. This coefficient is determined from experimental data when calibrating a particular pump.

Из (1) по измеренным значениям режимных параметров Q, H и n рассчитывают вязкость η контролируемой жидкости. Однако измерение величины Q не просто. В то же время определение вязкости упрощается, если исключить расход жидкости по байпасу, сохранив при этом движение жидкости в корпусе насоса. Для этого перекрывают на время контроля выход напорной камеры; насос работает "на себя", т.е. его производительность нулевая -Q = 0. Физически это означает уравнивание прямого и обратного потоков - Q_т = Q_о. В данном режиме работы винтового насоса отпадает необходимость измерения величины Q и определение вязкости, согласно (1) и с учетом известного соотношения Н = ΔР/(o˙g), осуществляют по разности давлений ΔР в нагнетательной и во всасывающей камерах насоса и скорости n вращения червяка, то есть по формуле
η = A ˙ΔP/n, (2) где А = а˙ δ³˙ l/(4˙e˙ D ˙h ˙L) - константа.From (1) the viscosity η of the controlled fluid is calculated from the measured values of the operating parameters Q, H and n. However, measuring Q is not easy. At the same time, the determination of viscosity is simplified if liquid bypass is eliminated while maintaining fluid movement in the pump casing. For this, the output of the pressure chamber is blocked for the duration of the control; the pump works "on itself", i.e. its productivity is zero — Q = 0. Physically, this means equalization of the forward and reverse flows — Q _t = Q _o . In this mode of operation of a screw pump, there is no need to measure Q and determine the viscosity, according to (1) and taking into account the known ratio H = ΔР / (o˙g), they are carried out by the pressure difference ΔР in the discharge and in the suction chambers of the pump and the speed n of rotation worm, that is, according to the formula
η = A ˙ΔP / n, (2) where A = a˙ δ ³ ˙ l / (4˙e˙ D ˙h ˙L) is a constant.

При таком подходе точность определения искомой вязкости зависит от точности измерения величин ΔР и n. With this approach, the accuracy of determining the desired viscosity depends on the accuracy of measuring ΔР and n.

Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.

Включают привод 2, и насос 3 через открытый запорный орган 4 нагнетательной камеры перекачивает жидкость по байпасу. В некоторый момент времени перекрывают запорный орган 4. Спустя некоторый отрезок времени в вычислительном устройстве 1, на вход которого подают сигнал ΔР от датчика 8 и сигнал от датчика 9, по формуле (2) определяют искомое значение η вязкости жидкости. The drive 2 is turned on, and the pump 3 through the open shut-off element 4 of the discharge chamber pumps fluid by bypass. At some point in time, the shutoff member 4 is closed. After a certain period of time in the computing device 1, the signal ΔP from the sensor 8 and the signal from the sensor 9 are input to it, the desired value η of the fluid viscosity is determined by formula (2).

Контроль вязкости выполняют в автоматическом режиме. The viscosity control is performed automatically.

Claims

METHOD FOR DETERMINING VISCOSITY OF LIQUID, including creating a pressure difference during fluid circulation in the annular gap of a rotational viscometer, measuring the pressure difference and rotational speed of the rotor, followed by finding the desired parameter by calculation, characterized in that a screw pump is used as a rotational viscometer, and at the time of measurement, they shut off a screw pump pump output, and viscosity η calculated by the formula

where n is the speed of rotation of the screw of the pump;
Δp is the pressure difference;
A is a constant coefficient.