§ 2. Измерение вязкости

Вязкостью, или внутренним трением, называют свойство жидко­стей и газов, характеризующее сопротивление действию внешних сил, вызывающих их течение. Одна и та же сила создает в разных жидко­стях разные скорости перемещения слоев, отстоящих один от другого на одинаковых расстояниях. От вязкости зависит мощность, затрачи­ваемая на перекачку жидкости по трубопроводам.

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 зависят от вязкости.

Различают динамическую и кинематическую вязкость.

Динамическая вязкость ti жидкости определяется силами межмо­лекулярного взаимодействия. Измеряют ее в Па*с и определяют по формуле

где dw/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,

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

Условной вязкостью ВУ называется отношение времени истечения 200 мл испытуемого нефтепродукта через калиброванную трубку при температуре испытания (τ_ж) ко времени истечения 200 мл 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:

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

Формулу (9.7) можно записать в следующем виде:

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 τ и L динамическую вязкость можно определить по перепаду давления на капиллярной трубке

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

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

где К. — коэффициент пропорциональности; ρ — плотность материала шарика; ρ_о—плотность исследуемой жидкости; г—радиус шарика; w—скорость равномерного 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.).

С

хема автоматического вискози­метра с падающим шариком пока­зана на рис. 9.5. 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 ограничиваю­ щей 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 дифференииально-трансформаторной схеме. При про­хождении шарика через катушки на выходе измерительной схемы возникает сигнал разбаланса, который усиливается усилителем 9. Если расстояние между катушками 7 и 8 фиксировано и равно L, то скорость движения шарика в трубке w=L/ τ и формула (9.9) при­мет вид

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

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.

Крутящий момент определяют одним из следующих способов:

1) по силе тока, потребляемой электродвигателем привода вра­щающегося элемента:

2) по углу поворота уравновешивающей торсионной пружины;

3) по реактивному моменту вращения статора приводного элек­тродвигателя.

Схема устройства ротационного вискозиметра, использующего пер­вый способ измерения крутящего момента, показана на рис. 9.6.

Управляющая обмотка ω_y 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 оду. 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 бурового раствора на входе в скважину и выходе из нее) существует измерительная система, схема которой показана на рис. 9.7.

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 всасывающей 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 ТР1 и ТР2, зависит от вязкости бурового раствора в сосудах 1 а 9. Электрические сигна­лы от вторичных обмоток трансформаторов поступают в ячейку авто­матического -вычитания, состоящую из детекторов В, емкостных фильтров С и мостовой схемы (сопротивлений R1, R2, R3). Показа­ния миллиамперметра 8 также градуируют в единицах вязкости раствора. Переменные сопротивления R1 и R3 позволяют балансиро­вать мост и регулировать коэффициент передачи схемы.