1.2 Измерение вязкости

Вязкость - основная физико-механическая характеристика смазочных масел. Она влияет на способность данного сорта масла при температуре, характерной для данного узла трения, выполнять свои функции.

Качество буровых растворов, способность их удерживать выбуренную породу во взвешенном состоянии и тем самым обеспечивать очистку забоя в процессе бурения также в значительной мере зависит от вязкости.

Различают динамическую и кинематическую вязкость.

Динамическая вязкость η = ^F/_{s (dw/dn)}, (4)

где dω/dn - градиент скорости по поперечному сечению потока; S - площадь внутреннего сдвига.

Величина, обратная динамической вязкости, носит название текучести, которая выражается в Па^-1 • с^-1.

Кинематическая вязкость представляет собой отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности ρ при той же температуре, т.е.

γ= η/ρ, (5)

Иногда вязкость нефтепродуктов нормируется не в абсолютных величинах, а в градусах условной вязкости:

°ВУ = х_ж/т_в. (6)

Условной вязкостью ВУ называется отношение времени истечения 200мл. испытуемого нефтепродукта через калиброванную трубку при температуре испытания (τ_ж) ко времени истечения 200мл. дистиллированной воды при температуре 20°С (τ_в).

Вязкость в значительной мере зависит от степени нагрева вещества, поэтому необходимо всегда указывать температуру его определения. В технических требованиях вязкость чаще всего нормируется при 50 и 100°С, реже при 20°С (для маловязких масел).

Приборы для определения вязкости называют вискозиметрами. В зависимости от принципа действия вискозиметры бывают капиллярные, с падающим шариком и ротационные. Кроме того, существуют вискозиметры для определения условной вязкости.

Капиллярные вискозиметры. Действие капиллярных вискозиметров основано на законе Пуазейля, характеризующем истечение жидкостей из капилляров:

η = πr⁴рτ/8LV, (7)

где r - радиус капилляра, м; p - давление, при котором происходит истечение жидкости из капилляра, Па; τ - время истечения объема V жидкости, с; L - длина капилляра.

Формулу (7) можно записать в следующем виде:

η = πr⁴ Δр/8 LQ,

где Q - расход жидкости через капилляр (Q = V/ τ), м³/с; Δр - перепад давления на концах трубки, Па.

При постоянном расходе жидкости Q, а также при неизменных геометрических размерах капилляра r и L динамическую вязкость можно определить по перепаду давления на капиллярной трубке

η= СΔр. (8)

Истечение исследуемой жидкости из трубки определенного диаметра и длины происходит под действием силы тяжести или постоянного внешнего давления. Вязкость определяют по перепаду давления или по давлению перед капиллярной трубкой.

Вискозиметры c падающим шариком. Зависимость скорости падения шарика в жидкости от вязкости последней находят по формуле Стокса.

η= K(ρ-ρ₀)gr²/ ω, (9)

где К- коэффициент пропорциональности; ρ - плотность материала шарика; ρ₀ - плотность исследуемой жидкости; r - радиус шарика; ω - скорость падения шарика.

Закон Стокса справедлив для условий, при которых шарик должен быть правильной формы, иметь гладкую поверхность и двигаться со скоростью, при которой вокруг него, не было бы вихрей и устанавливалось ламинарное течение жидкости. Кроме того, жидкость должна быть однородна, без влияния посторонних движений (конвекционных токов, движения пузырьков газа и т.п.).

Схема автоматического вискозиметра с падающим шариком показана на рис. 10. В верхней части измерительной трубки 4 расположен шестеренчатый насос 2, который периодически по заданной программе забирает пробу из резервуара 3. При этом шарик 1, находящийся в нерабочем состоянии на нижней сетке 5, восходящим потоком жидкости поднимается вверх и останавливается у верхней ограничивающей сетки 6. В момент касания шарика верхней сетки насос автоматически останавливается и шарик падает в неподвижной среде. На измерительную трубку 4, выполненную из немагнитного металла, надеты катушки 7 и 8. Первичные и вторичные обмотки катушек соединены по дифференциально-трансформаторной схеме. При прохождении шарика через катушки на выходе измерительной схемы возникает сигнал разбаланса, который усиливается усилителем 9. Eсли расстояние между катушками 7 и 8 фиксировано, и равно L, то скорость движения шарика в трубке

w = K(ρ-ρ₀)gr²/L, (10)

Рисунок 10 – Схема автоматического вискозиметра с падающим шариком.

Обозначив постоянные величины, входящие в (10) буквой С = К(ρ-ρ₀)gr²/L, получим

η = Сτ, (11)

т.е. измерение вязкости сводится к отсчету времени, в течение которого шарик при падении проходит путь от верхней до нижней сетки.

Вторичный прибор 11 представляет собой электросекундомер, управляемый релейным блоком 10. Пределы измерения прибора можно менять, подбирая размер шарика.

Ротационные вискозиметры. Действие этих приборов основано на измерении вязкостного сопротивления при вращении тела в жидкости. Крутящий момент при этом выражается линейной зависимостью

М=Kηω, (12)

где К - постоянная прибора; η - вязкость жидкости, ω - угловая скорость.

Ротационные вискозиметры различаются формой вращающегося элемента и способом измерения крутящего момента. В качестве вращающегося элемента применяют пластины, цилиндры, лопасти, набор дисков.

Рисунок 11 – Схема ротационного вискозиметра.

Крутящий момент определяют одним из следующих способов:

1) по силе тока, потребляемой электродвигателем привода вращающегося

элемента;

2) по углу поворота уравновешивающeй торсионной пружины;

3) по реактивному моменту вращения статора приводного

электродвигателя.

Схема устройства ротационного вискозиметра, использующего первый способ измерения крутящего момента, показана на рис.11.

Управляющая обмотка ω_у вместе с конденсатором С составляет одно из плеч мостовой схемы, в диагональ которой включен показывающий прибор П. Емкость С соответствует условию резонанса с индуктивностью обмотки ω_у. Нуль прибора устанавливается и уравновешивается мостовой схемой при вращении цилиндра в воде. При вращении цилиндра в исследуемой жидкости в зависимости от ее вязкости изменяется момент на валу двигателя, а следовательно, и эквивалентное сопротивление в цепи обмотки ω_у, что приводит к разбалансу моста. Таким образом, с изменением вязкости жидкости изменяется сила тока, протекающего через показывающий прибор, включенный в диагональ моста.

Для измерения дифференциальной вязкости (разность вязкостей раствора на входе в скважину и выходе из нее) существует измерительная система, схема которой показана на рис.12.

Рисунок 12 – Схема дифференциального вискозиметра.

Синхронный двигатель 4 с постоянной угловой скоростью вращает ось двойного бесконтактного сельсина-датчика 5, который по индикаторной схеме соединен с двумя бесконтактными сельсинами-приемниками 2 и 7. Ось сельсина-приемника 2 механически соединена с телом вращения, погруженным в буровой раствор, поступающий в скважину, непосредственно вблизи всасывающий линии бурового насоса.

В связи с индикаторным режимом работы сельсинов, сельсин 2 будет также вращаться со скоростью п, а силы вязкости бурового раствора создадут на его оси тормозной момент. При этом произойдет рассогласование вращающихся сельсинов 5 и 2 и появится ток в проводах их связи.

При ламинарном движении слоя жидкости, примыкающего к телу вращения, вязкость будет пропорциональна тормозному моменту, а в пределах углового рассогласования сельсина до 30° - току, проходящему по линии связи. Силу этого тока регистрирует миллиамперметр 3, шкала которого отградуирована непосредственно в единицах вязкости. Вязкость бурового раствора, выходящего из скважины, измеряют аналогичным сельсином-приемником и миллиамперметром 6. Тело вращения, связанное с осью сельсина 7, погружено в буровой раствор, выходящий из скважины.

Размеры и форма тел вращения, а также электрические параметры сельсинов 2 и 7 принимают одинаковыми. Сила токов, протекающих через первичные обмотки трансформаторов TP1 и ТР2, зависит от вязкости бурового раствора в сосудах 1 и 9. Электрические сигналы от вторичных обмоток трансформаторов поступают в ячейку автоматического вычитания, состоящую из детекторов В, емкостных фильтров С и мостовой схемы сопротивления.