SU1733972A1

SU1733972A1 - Устройство дл определени зависимости объема текучих сред от давлени и температуры

Info

Publication number: SU1733972A1
Application number: SU874267075A
Authority: SU
Inventors: Владимир Ильич Сотник; Александр Петрович Масалаб; Эльдар Ширали Оглы Алиев; Джафар Нариманович Таиров; Джон Хамза Оглы Кязимов
Original assignee: Азербайджанский государственный научно-исследовательский и проектный институт нефтяной промышленности
Priority date: 1987-06-22
Filing date: 1987-06-22
Publication date: 1992-05-15

Abstract

Изобретение относитс к исследованию физических свойств текучих сред, а именно их сжимаемости, и может быть использовано при изучении газожидкостных смесей, например нефти. Целью изобретени вл - . етс увеличение точности определени искомой характеристики путем повышени эффективности перемешивани исследуемой среды. Устройство содержит в надпоршневой полости шар дл перемешивани исследуемой текучей среды. В шаре выполнены сквозные перекрещивающиес каналы, а на его поверхности - конусные выемки, 2 ил.

Description

Изобрение относитс к исследовани м физических свойств текучих сред и може быть использовано дл определени сжимаемости нефти.

Целью изобретени вл етс увеличение точности определени искомой характеристики путем повышени эффективности перемешивани исследуемой среды.

Устройство дл определени зависимости объема текучих сред от давлени и тем- пературы содержит в надпоршневой полости шар дл перемешивани иследуе- мой текучей среды со сквозными перекрещивающимис каналами.

Выполнение в шаре сквозных перекрещивающихс каналов обеспечивает более интенсивное перемешивание пробы текучей среды, представл ющей собой смесь жидкостей или газа и жидкости, за счет прот гивани ее сквозь эти каналы, многократного изменени направлени , пересечени движущейс текучей среды и ее тур- булизации. Веро тность расслоени исследуемой смеси, пропущенной через перекрещивающиес каналы, несопоставимо меньше, чем при простом обтекании смеси цельного шара (т.е. не имеющего каналов) при его движении во врем раскачивани рабочей камеры.

Выполнение на наружной поверхности шара конусных выемок способствует при раскачивании рабочей камеры дополнительной турбулизации исследуемой смеси, обтекающей движущийс шар, что также повышает интенсивность ее перемешивани . Конусна форма выемок способствует лучшему затеканию и вытеканию исследуемой среды из выемок.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства; общий вид; на фиг. 2 - шар дл перемешивани пробы текучей среды с

Ч

ы ы

ю

х|

шы

перекрещивающимис каналами и конусными выемками.

Устройство содержит рабочую камеру 1 со сферическим внутренним сводом. В рабочей камере установлен поршень 2 со сфе- рически вогнутым верхним торцом. Поршень снабжен уплотнением 3 и штоком 4, имеющим на конце указатель 5, перемещающийс при движении поршн вдоль измерительной шкалы 6. В корпусе 7 рабочей камеры установлен вентиль 8 дл подачи в рабочую камеру 1 рабочей (подвижной) жидкости , например, с помощью насоса 9. В надпоршневой полости рабочей камеры 1 установлен с возможностью вращательного и возвратно-поступательного движени шар 10. В шаре выполнены сквозные перекрещивающиес каналы 11, а на его наружной поверхности - конусные выемки 12. В верхней части рабочей камеры установлен вентиль 13, через который подаетс в над- поршневую полость этой камеры проба исследуемой среды. В корпусе рабочей камеры установлен манометр 14, сообщенный с рабочей камерой 1. Последн помещена в термостатирующую рубашку 15, снабженную термометром 16, и установлена с возможностью углового поворота на 180° в поворотном устройстве 17, предназначенном дл перемешивани проб текучих сред в виде жидкостных и газожидкостных смесей. Термостатирующа рубашка 15 соединена с термостатом 18.

Устройство работает следующим образом .

Через вентиль 13 подают пробу текучей среды в надпоршневую полость рабочей камеры 1, при этом поршень 2 при открытом вентиле 8 перемещаетс вниз. Количество переводимой в рабочую камеру текучей среды опередел ют по перемещению указател 5 на штоке 4 вдоль измерительной шкалы 6. После подачи пробы текучей среды в рабочую камеру вентиль 13 закрывают. Поджимают пробу до заданного давлени поршнем 2 с помощью насоса 9. Затем закрывают вентиль 8 и рабочую камеру термо- статируют с помощью термостата 18 при заданной температуре,

Дл приведени пробы текучей среды в равновесное состо ние в случае исследовани жидкостной или газожидкостной смеси ее перемешивают шаром 10, который перемещаетс вдоль продольной оси рабочей камеры при ее раскачивании поворотным

устройством 17. При этом шар 10, кроме продольных, совершает еще вращательные перемещени . Жидкостна или газожидкостна смесь, поступа в сквозные перекрещивающиес каналы 11, прот гиваетс через них. По выходе из каналов пересеченные струи подхватываютс шаром, движущимс поступательно и вращательно. в результате чего образуетс турбулентное

движение смеси. Подхватываема шаром смесь, кроме того, попадает в конусные выемки 12 на его наружной поверхности, вследствие чего создаетс дополнительна турбулизаци смеси. В результате такой кинематики движени шара и смеси последн эффективно перемешиваетс до равновесного состо ни в надпоршневом пространстве рабочей камеры 1, что способствует повышению точности исследовани .

Исследовани пробы текучей среды производ т при изменении трех параметров (в любом сочетании): давлени Р (посредством насоса 9), температуры Т (посредством термостата 18) и объема V (посредством поршн 2), т.е. при различных соотношени х параметров текучей среды. Изменение давлени Р измер ют манометром 14, изменение температуры Т - термометром 16, а изменение объема V - с

помощью указател 5, соединенного со штоком 4, и измерительной шкалы 6.

Повышение эффективности перемешивани исследуемой среды способствует более быстрому и надежному установлению

термодинамического равновеси в процессе проведени испытаний, что приводит к повышению точности определени искомых характеристик.

Claims

Формула изобретени

Устройство дл определени зависимости обьема текучих сред от давлени и температуры , содержащее корпус с термостатирующей рубашкой, рабочую камеру с размещенным в ней поршнем со сфе-- рической рабочей поверхностью, шар в надпоршневой полости и поворотное устройство , закрепленное на корпусе, отличающеес тем, что, с целью увеличени

точности определени искомой характеристики путем повышени эффективности перемешивани исследуемой среды, в шаре выполнены сквозные перекрещивающиес каналы, а на его поверхности - конусные

5 выемки.

Кроме того, в устройстве, содержащем многочастотный источник электромагнитного излучени , оптически св занный с интерферометром , в измерительном плече которого установлена емкость дл исследуемого газа, выход интерферометра оптически св зан с блоком преобразовани электромагнитного излучени в электрические сигналы, выход которого подключен к системе обработки сигналов и управлени , применен импульсный четырехчастотный источник излучени с продолжительностью импульса, не превышающей характерного времени изменени концентрации, введены фазовращатель в опорное плечо интерферометра , два светоделител , один - между источником и входом интерферометра либо в опорном плече, другой - в измерительном плече интерферометра, каждый светоделитель оптически св зан со своим блоком преобразовани излучени в элект-,

рические сигналы, причем в измерительном плече светоделитель расположен между емкостью дл газа и выходом интерферометра , каждый блок преобразовани излучени выполнен в виде диспергирующего элемента , оптически св занного с фотоприемниками , число которых в каждом блоке преобразовани равно числу частот, а выходы всех фотоприемников подключены к системе обработки сигналов и управлени .

В одночастотной интерферометрии сигнал интерференции U (в относительных еди- ницах) сз зан с амплитудами А и сдвигами фазы Ф опорной и измерительной волн следующим образом:

U(A2o + A2n) + AoAnCOS( Фи Фо ),(1)

где индекс о относитс к опорной волне, а индекс и - к измерительной.

Из соотношени (1) получают Фи - Фо arccos{ U- ( + А2п)/(А0Аи)}. (2)

Сдвиг фазы Ф0 опорного канала по вл етс из-за разности оптических путей опорной и измерительной волн. Согласно предлагаемому способу, чтобы исключить из рассмотрени сдвиг, Ф0 , который при многочастотном способе зависит также от длины волны, оптические пути опорной и измерительной волн в отсутствие частиц устанавливают равными между собой. Тогда Фо 0 и сдвиг фаз Фи вызывают только частицы , концентраци которых измер етс , поэтому далее дл сдвига фаз примен ютс обозначени без индексов и и Ф - Ф п.

Дл определени АО и Аи части энергии электромагнитной волны ответвл ют-из опорного и измерительного каналов соответственно . Чтобы при определении сдвига фазы учесть уменьшение Аи за счет поглощени волны частицами, в измерительном канале ответвление производ т от волны, 5 уже прошедшей сквозь газ.

Ответвленные части опорной и измерительной волн формируют сигналы (Jo и U соответственно. Чтобы привести сигналы трактов ответвлени и выхода интерферо0 метра к одному масштабу (учесть пропускани делителей волн и газосодержащего сосуда), один из каналов поочередно перекрывают . Измер ют сигнал другого канала и ситал на выходе интерферометра U. Оп5 редел ют коэффициенты выравнивани сигналов как отношение сигнала на выходе интерферометра к сигналу канала: Ко U/Uo, K« U/Urt соответственно. Процедуру определени коэффициентов достаточно

0 провести только один раз.

Ни амплитуда, ни фаза волны в опорном канале не зависит от условий в измер емом газе, поэтому ответвление из опорного канала можно заменить ответвлением части

5 энергии волны до ее разделени на опорную и измерительную (в устройстве такое ответвление достигаетс с помощью светоделител перед входом иктерферометра). В этом случае увеличиваетс (уменьшаетс ) сигнал

0 Da, который можно назвать нулевым вместо опорного, и соответственно уменьшаетс (увеличиваетс ) величина коэффициента выравнивани Ке.

С учетом Ко и Ки зависимость между

5 фазами Ф , сигналом интерференции U и сигналами волн U0. Un имеет следующий вид:

Ф arccos | (U - KoUo - К„ин}/ВЈиД . (3)

0 Из-за четности функции cos сдвиг фаз может быть как отрицательным, так и положительным . Знак сдвига зависит от природы частиц в исследуемом газе (электроны сообщают волне отрицательный сдвиг, ато5 мы - отрицательный либо положительный в зависимости от того, в какую сторону, коротковолновую либо длинноволновую, от атомной линии находитс частота электромагнитной волны. Так, как Ф изве0 стен заранее, то дл определенности считают Ф 0.

Функци arccos неоднозначна. По выражению (3) можно определить только величины уз из интервала О, , которые могут

5 отличатьс от значени сдвига фазы Ф знаком и целым числом п раз по 2 рад:

V Ф {±- р +2л п.(4)

если п 0:

если п - целое положительное, не равное нулю. (4)

В многочастотной интерферометрии дл того, чтобы определить значени сдвига фаз , дл всех частот электромагнитной волны необходимо производить подбор знака и числа п в выражении (4) до тех пор, пока их значени не удовлетвор т условию отношени , которое, если измер ют концентрацию электронов, выгл дит следующим образом:

ФАР) ,(5)

где индексы I, j обозначают частотную компоненту электромагнитных волн (i f J);

А - длина волны.

В общем случае, когда в разр де имеютс электроны с концентрацией и частицы , имеющие резонанс в спектре поглощени , Np, сдвиг фазы

Ф/2 ,49 10 14АНв +

+. Y 224 (Я-Лсг)Мг . ,« г (Я-Яог)2 + (ДА/2 )2 {) где Я , A or - длины волн зондирующего излучени и резонансов (см);

АЯ- ширина резонанса, см;

I - длина области, зан та частицами, см;

fr-сила осцилл тора поглощающего перехода .

Определение концентраций по (6) дл общего случа вл етс почти неразрешимой задачей. Наиболее часто встречаютс следующие ситуации.

Разр д происходит в атмосфере газа, Сдвиг фазы, вызванный всем газом, компенсируетс предварительной настройкой {фазовращателем в опорном канале). Если происходит термическое расширение в газе , то необходимо учитывать изменение плотности Д Nr и вместо Nr в выражении (6) будет ДМГ. Резонансные длины большинства газов наход тс в вакуумном ультрафиолете и длина волны зондировани всегда Я Яог поэтому согласно (3)

,4910-14Я Ng + 4-У СгДМг}.(7) НУЮ тРУбкУ нагревают до 220 С дл

А™ пплл пжми нип л влени п пи н тпм Н«1П

поддерживани давлени пазов натри 5-10 торр. Через один конец трубки ввод т два луча (Я| Е83 нм и Яц 612 нм) лазеров н,а

где Сг - рефракци частиц.

Если газ не нагреваетс , то ДМГ -О и Ф/2 п -4,49 Ме1. (8)

Разр д сопровождаетс выбросом частиц , например, факелом из металла. У атомов металлов Я or лежит в УФ-видимой области и дл них условие Я Я Ог может не выполн тьс . В этой ситуации необходимо выбирать длины волн зондировани близкими к резонансной, чтобы вклад в сдвиг резонансных частиц преобладал, Тогда

Ф/2 п ЧО- тг(Я-Яо) М Ф/2Я(Я-4)24-(ЛЯ/2)2 (9)

Условие (5) дл подбора знака р и числа n получают из (8). В случае разогрева газа на

основании (7) получают следующее условие

отношени

0

5

0

5

0

5

0

(Ю)

5

ф AI - Ф /У Я2-Я2 ft-tf

Дл частиц, имеющих резонанс, на основани (9) получают

Ф ,(Я.-Я0)()2+()2

(Я,-Ло)(Л-Яо)2+(ЛА/2)2

Концентрации электронов Ne и резонансных частиц Nr определ ютс из сдвигов фаз по соотношению (8) или (9) соответственно . Дл расчета пригодна люба из частотных компонент.

На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство.

Устройство состоит из источника 1 многочастотного импульсного излучени , оптически св занного с интерферометром 2, в измерительном плече которого установлена емкость 3 с исследуемым газом, в опорном плече - фазовращатель 4, выход интерферометра 2 оптически св зан с блоком 5 преобразовани излучени в электрический сигнал, состо щим из диспергирующего элемента 6 и фотоприемников 7, выходы фотоприемников электрически подключены к системе 8 обработки сигналов и управлени . В опорном и измерительном плече интерферометра 2 расположены светоделители 9, оптически св занные с соответствующими блоками 10 преобразовани излучени в сигнал . Блоки 10 аналогичны блоку 5. Интерферометр 2 состоит из двух идентичных светоделителей 11 и 13 и двух идентичных отражателей 12 и 14.

Пример. Источник 1 представл ет собой стекл нную трубку длиной 15 см с сапфировыми окнами. Предварительно отi ЧГГЬ

качанную до давлени 10 торр и отпа нНУЮ тРУбкУ нагревают до 220 С дл

пплл пжми нип л влени п пи н тпм Н«1П

поддерживани давлени пазов натри 5-10 торр. Через один конец трубки ввод т два луча (Я| Е83 нм и Яц 612 нм) лазеров н,а

0 красител х (не показаны) с длиной импульса света 1 не. Трубка излучает полихроматический импульс с длинами волн К 0,82 мкм; Кг- 1,14 мкм; Яз 2,21 мкм и Я 3,41 мкм длительностью 1 не. Импульс дел т на све5 тоделительной кварцевой пластинке 11 с на- пыленным полупрозрачным слоем на опорный и измерительный. Опорный импульс отражаетс от алюминиевого зеркала 14, проходит тонкий кварцевый ахроматический клин 4 (фазовращатель). На выходе интерферометра 2 измерительный импульс, пройд емкость 3 с исследуемым газом, отражаетс от алюминиевого зеркала 12 и сводитс с опорным лучом на кварцевой пластинке 13, аналогичной пластинке 11 на входе интерферометра. Интерферирующие лучи раздел ютс в блоке 5 репликой 6 дифракционной решетки, попадают на четыре пироэлектрических приемника 11 типа МГ- 30. В качестве светоделительных элементов 9 применены ненапыленные кварцевые пластинки. Интерферометр 2 выполнен по равноплечной схеме. Составные элементы интерферометра 2 смещаютс механически с точностью 0,1 мм. Дл более тонкой настройки служит механическое смещение оптического клина 4. Дл самой точной настройки и поддерживани базы интерферометра 2 имеетс пьезокерамическа пла- стинка, управл ема устройством автоматической подстройки интерферометра (входит в конструкцию системы 8 управлени ).

Плазма образовалась разр дом между электродами в атмосфере водорода. Часть луча одного из лазеров ( Ait 612 нм) самым коротким путем направл етс в межэлектродный промежуток и там фокусируетс (иницирует разр д). Остальна часть излуче- ни АН и Анпопадает на трубку с паром натри через линию регулируемой задержки (1,5 - .10 не). Таким образом достигаетс согласование разр да в водороде с импульсом источника 1 и возможность исследова- ни кинетики плотности электронов в интервале времен задержек 1,5 - 10 не.

По сигналам интерференции, сигналам опорного Do и измерительного UH каналов, коэффициентам выравнивани Кс, Кц по вы- ражению (3) определены величины интервала 0, п , которые представлены в таблице. В таблице также приведена последовательность фаз Ф, рассчитанна по выражению (4). Из этой последовательности выбирают Ф|, удовлетвор ющие соотношени (5) (подчеркнуты). Это искомые значени сдв.игов фазы.

Концентрацию электронов рассчитывают по выражению (8). Получено, что через 2 не после инициировани разр да Ne Зх хЮ16 а через 5 не Ne 3-10 . При ширине разр дного канала 0,05 см конц г- ентрации Ne дл этих времен задержки составл ют 6«1017 и 6 10Жсм 3.

Формула изобретени 1. Способ измерени концентрации частиц в газе, включающий формирование пучка многочастотного электромагнитного

5 0 5 0

5 0 5

0 5

5

зондирующего излучени , разделение пучке на измерительный и опорный, пропускание измерительного пучка сквозь исследуемую среду, установление начального фазового сдвига при отсутствии частиц в газе, сведение измерительного и опорного пучков, фотоэлектрическую регистрацию сигнала интерференции обоих пучков на частотах зондировани , определение сдвигов фаз, соответствующих частотам зондировани , определение концентрации частиц, отличающийс тем, что. с целью повышени точности измерений за счет исключени нелинейности показател преломлени газа, примен ют четырехчастотный импульсный пучок зондирующего излучени с продолжительностью , не превышающей характерного времени изменени концентрации, начальный фазовый сдвиг опорного пучка устанавливают равным нулю дл всех частот зондировани , провод т разделение по частотам сведенных пучков, ответвл ют опорный либо исходный и измерительные пучки, причем в измерительном канале ответвление производ т после прохождени исследуемого газа, раздел ют по частотам ответвленные пучки, затем на каждой частоте регистрируют сигналы интерференции U, сигналы опорного либо исходного Do и измерительного каналов Uu, определ ют коэффициенты выравнивани сигналов К0 и Ки, рассчитывают сдвиг фаз Ф :

Ф(±р +2;тгп, если п О если п О,

1t

где (р arccosfc (U - K0U0 - KMUh)/

//№ulu

n - целое число,

причемФ|/Ф| Ai/Aj дл электронов без изменени показател преломлени газа,в(Ф|А| -

-Ф АО/СФкАк -ФД)(# -#ХА1-А) дл электронов, если изменение концентрации сопровождаетс изменением показател

преломлени газа.Ф/ф (А|-АО ) (Aj-Ac)i

+ (дл/2 э2 }/{(AJ-AO) (А,-АО 52 ч- (ДА/2 ft.

дл частиц, имеющих резонанс в спектре 0 поглощени ,

где . j, k, I - индексы ФмА дл разных частотных компонентЛэ - длина волны резонанса; ДА- ширина резонанса.
2. Устройство дл измерени концентрации частиц в газе, содержащее многочастотный источник электромагнитного излучени , оптически св занный с интерферометром , в измерительном плече которого установлена емкость дл исследуемого газа,

выход интерферометра оптически св зан с блоком преобразовани электромагнитного излучени в электрические сигналы, выход которого подключен к системе обработки сигналов и управлени , отличающеес тем, что, с целью повышени точности измерени за счет исключени нелинейности показател преломлени газа, применен импульсный четырехчастотный источник с продолжительностью импульса, не превышающей характерного времени изменени концентрации, введены фазовращатель в опорное плечо интерферометра, два светоделител , один - либо между источником и входом интерферометра, либо в опорном плече, другой - в измерительном плече интерферометра , и дополнительные блоки преобразовани электромагнитного излучени в электрические сигналы, каждый свето- делитель оптически св зан с

5 соответствующим блоком преобразовани излучени в электрические сигналы, причем в измерительном плече светоделитель расположен между емкостью и выходом интерферометра , каждый блок преобразовани

10 излучени выполнен в виде диспергирующего элемента, оптически св занного с фотоприемниками , число которых в каждом блоке преобразовани равно числу частот, а выходы всех фотоприемников подключе15 ны к системе обработки сигналов и управлени .

16

17

Фиг. 2