RU2653577C2

RU2653577C2 - Method and device for determining the pressure of dissolved gases in liquid

Info

Publication number: RU2653577C2
Application number: RU2016126348A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Алексеевич Монахов
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-05-11

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to the field of measurement technology and can be used to determine physical-chemical properties of liquids. Method is proposed for determining the pressure of dissolved gases in a liquid by measuring the gas pressure in a stationary cavitation bubble. Stationary cavitation bubble occurs in liquid with a dissolved gas in an expanding flow region as the cylindrical body moves along a wall with a small gap. Experiments showed that a stationary cavitation bubble occurs at some angular distance along the circumference of the cylinder behind the line of the minimum gap between the cylinder and the moving wall and is adjacent to the surface of the cylinder. To measure the pressure in the cavitation bubble, there is a hole in the cylinder with a diameter of 0.5 mm, through which the pressure in the stationary cavitation bubble is determined. In this case, hole in the cylinder must be displaced beyond the minimum clearance line. Experiments showed that the pressure in the cavitation bubble does not depend on the size of the gap and characterizes the pressure of dissolved gases in the liquid.

EFFECT: technical result is higher accuracy of obtained data.

10 cl, 3 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к классу устройств для определения физико-химических свойств жидкостей, а именно для определения давления растворенных газов в жидкости, и может быть использовано для оценки мощности газовыделения при разработке нефтяных месторождений. Знание давления растворенных газов позволяет сделать прогноз электрической прочности трансформаторного масла, используемого на электроподстанциях. Изобретение может быть использовано в широких областях техники, где применяется смазка.The invention relates to a class of devices for determining the physicochemical properties of liquids, namely for determining the pressure of dissolved gases in a liquid, and can be used to evaluate the power of gas evolution in the development of oil fields. Knowing the pressure of dissolved gases allows you to make a forecast of the electrical strength of transformer oil used in electrical substations. The invention can be used in wide areas of technology where grease is used.

Уровень техникиState of the art

Давление растворенных газов определяется концентрацией растворенных газов в жидкости и зависит от свойства жидкости адсорбировать газы, а также температуры и внешнего давления. Из уровня техники известны различные способы определения концентрации газа в жидкости, однако не выявлено источников информации, описывающих способ измерения давления растворенных газов посредством измерения давления непосредственно в газовых пузырьках. Из физики известно, что газовая кавитация - образование пузырьков, которая возникает, если давление в жидкости становиться меньше давления растворенных газов [Р. Кнэпп, Дж. Дейли, Ф. Хэммит. Кавитация. Мир, Москва, 1974, с. 687].The pressure of dissolved gases is determined by the concentration of dissolved gases in the liquid and depends on the ability of the liquid to adsorb gases, as well as temperature and external pressure. Various methods for determining the concentration of gas in a liquid are known from the prior art, however, no information sources have been identified that describe a method for measuring the pressure of dissolved gases by measuring pressure directly in gas bubbles. It is known from physics that gas cavitation is the formation of bubbles that occurs when the pressure in a liquid becomes less than the pressure of dissolved gases [R. Knapp, J. Daily, F. Hammit. Cavitation. World, Moscow, 1974, p. 687].

В частности, известен способ, представленный в RU 2488092, согласно которому концентрация газа в жидкости определяется методом дегазации пробы жидкости и замера количества выделенного газа химическим индикатором. Концентрация газа в пробе жидкости определяется по формуле на основании всего выделенного из пробы жидкости газа с учетом остаточной доли газа в дегазированной пробе жидкости. Точность данного метода определяется путем сравнения выделенного газа при дегазации жидкости и остаточного, зависит от степени дегазации образца и становиться абсолютной только при очень глубокой дегазации. В данном методе дегазация жидкости проводится уменьшением давления над образцом специальными средствами, что является недостатком.In particular, a method is known, presented in RU 2488092, according to which the gas concentration in a liquid is determined by the method of degassing a liquid sample and measuring the amount of gas released by a chemical indicator. The gas concentration in the liquid sample is determined by the formula based on the total gas extracted from the liquid sample, taking into account the residual fraction of gas in the degassed liquid sample. The accuracy of this method is determined by comparing the released gas during degassing of the liquid and the residual gas, it depends on the degree of degassing of the sample and becomes absolute only with very deep degassing. In this method, liquid degassing is carried out by reducing the pressure over the sample by special means, which is a drawback.

В другом решении, представленном в RU 2181882, для определения концентрации газа в жидкости также используется метод дегазации жидкости посредством определенного устройства и замера выделившегося газа. Недостатком данного устройства является низкая точность, поскольку объем выделившегося газа зависит от степени дегазации исследуемой жидкости.In another solution, presented in RU 2181882, to determine the concentration of gas in a liquid, the method of degassing the liquid by means of a certain device and measuring the released gas is also used. The disadvantage of this device is the low accuracy, since the volume of gas released depends on the degree of degassing of the test fluid.

Известен также способ определения концентрации газа в жидкости RU №2243536, в котором в мерной емкости создают разряжение с регистрацией температуры и давления. Для разделения газа и жидкости используют вибрацию с регистрацией температуры и давления выделившегося газа. По данным температуры и давления газа и жидкости проводят вычисления газосодержания жидкости. Здесь также необходимо процедура принудительной дегазации жидкости с регистрацией температуры и давления.There is also a method of determining the concentration of gas in a liquid RU No. 2243536, in which a vacuum is created in a measured tank with registration of temperature and pressure. To separate gas and liquid, vibration is used to record the temperature and pressure of the released gas. According to the temperature and pressure of the gas and liquid, the gas content of the liquid is calculated. A procedure for the forced degassing of a liquid with registration of temperature and pressure is also necessary here.

Более сложная схема определения количества газов в жидкости представлена в RU 2499247, которая может использоваться для прямых геохимических методов поисков нефти и газа. Устройство содержит мерный и дополнительный сосуды, газоанализатор и пневмоклапаны для переключения режимов работы с «дополнительным объемом» и без. Недостатком данного способа является сложность устройства и дороговизна проведения анализа.A more complex scheme for determining the amount of gas in a liquid is presented in RU 2499247, which can be used for direct geochemical methods of oil and gas searches. The device contains measuring and additional vessels, a gas analyzer and pneumatic valves for switching operating modes with and without additional volume. The disadvantage of this method is the complexity of the device and the high cost of the analysis.

Наиболее близкий способ описан в RU 2256895 по определению ядер кавитации жидкости, включающий регистрацию критического давления кавитации в трубе с пережатием перекачиваемой жидкость в кавитационном режиме. При этом устанавливают кавитационный режим с запиранием расхода и в зоне разрежения, измеряют величину критического давления кавитации. Недостатком данного способа определения критического давления кавитации является большой расход жидкости, громоздкость конструкции и недостаточная точность, поскольку всегда есть пульсации давления при скорости потока, влияющие на давление в зоне кавитации.The closest method is described in RU 2256895 for determining cavitation nuclei of a liquid, including recording the critical pressure of cavitation in a pipe with compression of the pumped liquid in the cavitation mode. At the same time, the cavitation mode is established with the flow rate locked in the rarefaction zone, and the critical cavitation pressure is measured. The disadvantage of this method of determining the critical pressure of cavitation is the high flow rate of the fluid, the bulkiness of the structure and lack of accuracy, since there are always pressure pulsations at the flow rate, affecting the pressure in the cavitation zone.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей заявляемой группы изобретений является разработка технологии (устройства и способа), существенно упрощающей процедуру определения давления растворенных газов в жидкости путем непосредственного измерения давления в жидкости, при котором происходит газовая кавитация, т.е. давление растворенных газов. Устройство также позволяет проводить измерение давления растворенных газов для частично дегазированной жидкости, что наиболее важно для образцов пластовой нефти и трансформаторного масла, электрическая прочность которой зависит от наличия в ней растворенного воздуха.The objective of the claimed group of inventions is to develop a technology (device and method) that greatly simplifies the procedure for determining the pressure of dissolved gases in a liquid by directly measuring the pressure in a liquid at which gas cavitation occurs, i.e. dissolved gas pressure. The device also allows the measurement of dissolved gas pressure for partially degassed liquid, which is most important for reservoir oil and transformer oil samples, the electric strength of which depends on the presence of dissolved air in it.

Техническим результатом изобретения является возможность определения давления растворенных газов в жидкости в малых объемах жидкости, при минимальных временных затратах с получением высокой точности результатов.The technical result of the invention is the ability to determine the pressure of dissolved gases in a liquid in small volumes of liquid, with minimal time costs with obtaining high accuracy of the results.

Поставленная задача решается тем, что устройство определения давления растворенных газов в жидкости посредством измерения давления газа в стационарном кавитационном пузырьке, включает цилиндрическую емкость, выполненную с возможностью вращения относительно своей оси; цилиндрическое тело, расположенное в цилиндрической емкости неподвижно с эксцентриситетом, снабженное каналом для измерения давления в кавитационном пузырьке, при этом входное отверстие канала размещено на боковой поверхности цилиндрического тела; датчик давления, размещенный в канале или за его пределами с возможностью измерения давления в кавитационном пузырьке через упомянутый канал; при этом цилиндрическое тело установлено на расстоянии 0,1-0,15 мм от стенки цилиндрической емкости, а входное отверстие расположено на угловом расстоянии 3-70 от образующей цилиндрического тела, расположенной на минимальном расстоянии от стенки цилиндрической емкости, и перед упомянутой образующей по ходу вращения цилиндрической емкости.The problem is solved in that the device for determining the pressure of dissolved gases in a liquid by measuring the pressure of a gas in a stationary cavitation bubble includes a cylindrical tank configured to rotate about its axis; a cylindrical body located in a cylindrical vessel motionless with eccentricity, provided with a channel for measuring pressure in a cavitation bubble, while the inlet of the channel is placed on the side surface of the cylindrical body; a pressure sensor located in the channel or beyond with the possibility of measuring pressure in the cavitation bubble through the channel; while the cylindrical body is installed at a distance of 0.1-0.15 mm from the wall of the cylindrical container, and the inlet is located at an angular distance of 3-70 from the generatrix of the cylindrical body, located at a minimum distance from the wall of the cylindrical container, and in front of the generatrix along the way rotation of the cylindrical container.

Цилиндрическое тело расположено с зазором относительно дна емкости для исключения трения между дном емкости и нижней поверхностью цилиндрического тела. Цилиндрическое тело может быть зафиксировано на кронштейне. В одном из вариантов исполнения канал имеет радиально расположенный участок, а датчик давления размещен в канале на упомянутом участке. В другом варианте выполнения датчик давления размещен на выходе из сквозного канала, например, с противоположной стороны от его входного отверстия. Цилиндрическое тело и цилиндрическая емкость выполнены с диаметрами, соотношение которых лежит в пределах интервала значений от 1:10 до 1:12. Входное отверстие выполнено соизмеримым с размерами кавитационного пузырька. В частности, входное отверстие может быть выполнено диаметром около 0,5 мм.The cylindrical body is located with a gap relative to the bottom of the tank to prevent friction between the bottom of the tank and the bottom surface of the cylindrical body. The cylindrical body can be fixed on the bracket. In one embodiment, the channel has a radially located portion, and a pressure sensor is located in the channel in the said portion. In another embodiment, the pressure sensor is located at the outlet of the through channel, for example, on the opposite side of its inlet. The cylindrical body and the cylindrical container are made with diameters, the ratio of which lies within the range of values from 1:10 to 1:12. The inlet is made commensurate with the size of the cavitation bubble. In particular, the inlet may be made with a diameter of about 0.5 mm.

Поставленная задача решается также тем, что способ определения давления растворенных газов в жидкости с помощью описанного выше устройства характеризуется тем, что жидкость размещают в емкости с обеспечением покрытия верхней поверхности цилиндрического тела, приводят во вращение цилиндрическую емкость со скоростью, обеспечивающей возникновение стационарных кавитационных пузырьков на боковой поверхности цилиндрического тела с последующим измерением давления в кавитационном пузырьке, закрывающем входное отверстие канала, при этом вывод о величине давления растворенных газов в жидкости делают по полученному значению давления в пузырьке. Для образования кавитационных пузырьков на боковой поверхности цилиндрического тела цилиндрическую емкость вращают со скоростью от 0,1 см/с до 1 см/с. Исследованию может быть подвергнута жидкость с вязкостью не менее 60сСт.The problem is also solved by the fact that the method of determining the pressure of dissolved gases in a liquid using the device described above is characterized in that the liquid is placed in a container to provide coverage for the upper surface of a cylindrical body, the cylindrical container is rotated at a speed that ensures the appearance of stationary cavitation bubbles on the side the surface of a cylindrical body with subsequent measurement of pressure in a cavitation bubble covering the inlet of the channel, while the conclusion about the pressure value of dissolved gases in a liquid is made from the obtained value of the pressure in the bubble. For the formation of cavitation bubbles on the lateral surface of a cylindrical body, the cylindrical container is rotated at a speed of 0.1 cm / s to 1 cm / s. A liquid with a viscosity of at least 60 cSt can be examined.

Таким образом, поставленная задача решается посредством создания условий для возникновения стационарного кавитационного пузырька, в котором измеряется давление. Установлено, что при движении цилиндрического тела вдоль стенки с малым зазором, в расширяющейся области жидкости на поверхности цилиндрического тела возникает падение давления, величина которого зависит от величины зазора и скорости. При уменьшении этого давления до давления растворенных газов на поверхности цилиндрического тела возникает кавитация в виде цепочки газовых пузырьков. Показано, что давление на поверхности цилиндрического тела в области кавитации соответствует давлению растворенных газов. Таким образом, предлагаемые способ и устройство определения давления растворимых газов в жидкости по сравнению с прототипом измерения давления дает возможность оперативно и наиболее точно проводить анализ для небольших образцов жидкости. Эффективность данного способа проверена экспериментально на модельной установке и подтвердила высокую точность и надежность определения давления растворенных газов в жидкости.Thus, the problem is solved by creating conditions for the emergence of a stationary cavitation bubble, in which pressure is measured. It is established that when a cylindrical body moves along a wall with a small gap, a pressure drop occurs on the surface of the cylindrical body in an expanding liquid region, the magnitude of which depends on the size of the gap and speed. When this pressure is reduced to the pressure of dissolved gases, cavitation occurs in the form of a chain of gas bubbles on the surface of a cylindrical body. It is shown that the pressure on the surface of a cylindrical body in the cavitation region corresponds to the pressure of dissolved gases. Thus, the proposed method and device for determining the pressure of soluble gases in a liquid in comparison with the prototype pressure measurement makes it possible to quickly and most accurately analyze for small samples of liquid. The effectiveness of this method has been tested experimentally on a model installation and has confirmed the high accuracy and reliability of determining the pressure of dissolved gases in a liquid.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлена схема устройства для непосредственного измерения давления в стационарном кавитационном пузырьке. Позициями на фиг. 1 обозначены: 1 - вращающаяся цилиндрическая емкость с исследуемой жидкостью (сосуд); 2 - цилиндрическое тело (цилиндр) с отверстием 3 для измерения давления в кавитационном пузырьке; 3 - входное отверстие; 4 - кронштейн для крепления цилиндра 2, например, в виде П-образной стойки (балки); 5 - датчик давления; 6 - моторчик постоянного тока.In FIG. 1 is a diagram of a device for directly measuring pressure in a stationary cavitation bubble. With reference to FIG. 1 marked: 1 - a rotating cylindrical container with the investigated fluid (vessel); 2 - a cylindrical body (cylinder) with a hole 3 for measuring pressure in a cavitation bubble; 3 - inlet; 4 - bracket for mounting the cylinder 2, for example, in the form of a U-shaped rack (beam); 5 - pressure sensor; 6 - DC motor.

На фиг. 2 представлена фотография входного отверстия цилиндрического тела (цилиндра) диаметром 0.5 мм, отмеченное стрелкой, через которое проводилось измерение давления в прилегающих к цилиндру кавитационных пузырьках.In FIG. Figure 2 shows a photograph of the inlet of a cylindrical body (cylinder) with a diameter of 0.5 mm, marked by an arrow through which pressure was measured in cavitation bubbles adjacent to the cylinder.

На фиг 3. представлен график давления в области кавитации при уменьшении зазора Н между цилиндром и стенкой движущейся цилиндрической емкости. При возникновении кавитации, область 7, давление в кавитационном пузырьке практически не зависит от величины зазора и характеризует давление растворенных газов исследуемой жидкости. Позициями на фиг. 3 обозначены: 7 - область без кавитации, 8 - давление в кавитационном пузырьке; а - кавитационные пузырьки при зазоре Н=0.15 мм, б - кавитационные пузырьки при зазоре Н=0.1 мм.In Fig 3. presents a graph of the pressure in the cavitation area while reducing the gap H between the cylinder and the wall of the moving cylindrical tank. When cavitation occurs, region 7, the pressure in the cavitation bubble practically does not depend on the size of the gap and characterizes the pressure of the dissolved gases of the investigated liquid. With reference to FIG. 3 are indicated: 7 - area without cavitation, 8 - pressure in the cavitation bubble; a - cavitation bubbles with a gap of H = 0.15 mm, b - cavitation bubbles with a gap of H = 0.1 mm.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Было изготовлен опытный образец заявляемого устройства с конкретными параметрами, которые не ограничивают заявляемое изобретение.A prototype of the inventive device was made with specific parameters that do not limit the claimed invention.

Была использована цилиндрическая емкость 1 диаметром 100 мм и глубиной 50 мм, приводимая во вращение с помощью моторчика постоянного тока (см. фиг. 1). В эту емкость с жесткой фиксацией через П-образную балку (или кронштейн) 4 был вставлен цилиндр 2 диаметром 8 мм и длиной 12 мм с параллельным расположением осей (цилиндра и емкости). Зазор между нижней поверхностью цилиндра 2 и дном емкости 1 составил 0.1-0.15 мм. В теле цилиндра 2 на половине его высоты было выполнено радиальное отверстие (канал) диаметром 0.5 мм, для измерения давления датчиком давления 5, которое оказывает жидкость на цилиндр. В качестве датчика давления был использован датчик MPXV1070.We used a cylindrical tank 1 with a diameter of 100 mm and a depth of 50 mm, driven into rotation by a DC motor (see Fig. 1). A cylinder 2 with a diameter of 8 mm and a length of 12 mm with a parallel arrangement of axes (cylinder and tank) was inserted into this container with rigid fixation through a U-shaped beam (or bracket) 4. The gap between the lower surface of the cylinder 2 and the bottom of the tank 1 was 0.1-0.15 mm. In the body of cylinder 2, at half its height, a radial hole (channel) with a diameter of 0.5 mm was made to measure pressure with a pressure sensor 5, which exerts liquid on the cylinder. As the pressure sensor, the MPXV1070 sensor was used.

Величина зазора Н между стенкой вращающейся емкостью 1 и образующей цилиндра 2 должна быть не менее 0.1 мм. Линейная скорость V взаимного перемещения цилиндра вдоль поверхности емкости лежит в диапазоне от 0.1 см/с до 1 см/с и задается моторчиком постоянного тока. Изменение скорости в этом диапазоне не влияет на давление в возникшем кавитационном пузырьке. Поскольку кавитационный пузырек возникает в расширяющейся области потока и занимает пространство 3-7 градусов за линией минимального зазора, то и входное отверстие в цилиндре для измерения давления должно находиться в этом диапазоне.The gap H between the wall of the rotating container 1 and the generatrix of the cylinder 2 should be at least 0.1 mm. The linear velocity V of the mutual displacement of the cylinder along the surface of the tank lies in the range from 0.1 cm / s to 1 cm / s and is set by a DC motor. A change in velocity in this range does not affect the pressure in the resulting cavitation bubble. Since the cavitation bubble arises in the expanding flow region and occupies a space of 3-7 degrees beyond the minimum clearance line, the inlet in the cylinder for measuring pressure should be in this range.

Для проведения измерения в емкость 1 заливают исследуемую жидкость так, чтобы цилиндр 2 был погружен в нее. С помощью моторчика постоянного тока приводят во вращение емкость 1 и датчиком давления измеряют давление в кавитационном пузырьке. Время измерения составляет около 1 минуты.To carry out the measurement, the test liquid is poured into the container 1 so that the cylinder 2 is immersed in it. Using a DC motor, the container 1 is rotated and the pressure in the cavitation bubble is measured by a pressure sensor. The measurement time is about 1 minute.

В качестве исследуемой жидкости было использовано силиконовое масло с вязкостью 1000 сСт. Результаты измерений давления растворенного газа в силиконовом масле представлены на графике фиг. 3, ошибка измерения давления таким датчиком не превышает 1 мм рт.ст.Silicone fluid with a viscosity of 1000 cSt was used as the test liquid. The results of measurements of the pressure of dissolved gas in silicone oil are presented in the graph of FIG. 3, the error in measuring pressure with such a sensor does not exceed 1 mmHg.

Устройство также позволяет быстро провести анализ состояния трансформаторного масла на наличие растворенного в нем газа и определить необходимость проведения регламентных работ по его дегазации. Малое время анализа здесь играет большое значение ввиду адсорбции газа из воздуха и изменения при этом электрической прочности трансформаторного масла.The device also allows you to quickly analyze the condition of transformer oil for the presence of gas dissolved in it and determine the need for routine work on its degassing. The short analysis time is of great importance here due to the adsorption of gas from the air and the change in the electrical strength of the transformer oil.

Таким образом, заявляемые способ и устройство измерения давления в стационарном кавитационном пузырьке позволяет непосредственно определять давление растворенных газов в жидкости за небольшой период времени.Thus, the inventive method and device for measuring pressure in a stationary cavitation bubble allows you to directly determine the pressure of dissolved gases in a liquid for a short period of time.

Claims

1. A device for determining the pressure of dissolved gases in a liquid by measuring the gas pressure in a stationary cavitation bubble, including a cylindrical tank made to rotate about its axis; a cylindrical body located in a cylindrical container motionless with eccentricity, equipped with a channel for measuring pressure in a cavitation bubble, the inlet of which is placed on the side surface of the cylindrical body; a pressure sensor located in the channel or beyond with the possibility of measuring pressure in the cavitation bubble through the channel; while the cylindrical body is installed at a distance of 0.1-0.15 mm from the wall of the cylindrical container, and the inlet is located at an angular distance of 3-7 ° from the generatrix of the cylindrical body located at a minimum distance from the wall of the cylindrical container, and in front of the said generatrix along the rotation of the cylindrical container.

2. The device according to p. 1, characterized in that the cylindrical body is located with a gap relative to the bottom of the tank to eliminate friction between the bottom of the tank and the bottom surface of the cylindrical body.

3. The device according to p. 1, characterized in that the cylindrical body is fixed on the bracket.

4. The device according to claim 1, characterized in that the channel has a radially located portion, and the pressure sensor is located in the channel in the said section.

5. The device according to claim 1, characterized in that the cylindrical body and the cylindrical container are made with a ratio of diameters selected from the interval of values from 1:10 to 1:12.

6. The device according to claim 1, characterized in that the inlet is made comparable with the size of the cavitation bubble.

7. The device according to p. 6, characterized in that the inlet is made with a diameter of about 0.5 mm

8. The method for determining the pressure of dissolved gases in a liquid using the device according to claim 1, characterized in that the liquid is placed in a container to provide coverage for the upper surface of the cylindrical body, the cylindrical container is rotated at a speed that ensures the occurrence of cavitation bubbles on the side surface of the cylindrical body with subsequent measurement of the pressure in the cavitational bubble by a pressure sensor through the channel, the conclusion about the pressure value of dissolved gases in the liquid is made according to value of pressure in the bubble.

9. The method according to p. 8, characterized in that the rotation speed of the tank is from 0.1 cm / s to 1 cm / s.

10. The method according to p. 8, characterized in that they use a liquid with a viscosity of at least 60 cSt.