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注聚液在线粘度检测与控制系统设计 摘要 目前，大多数油田都已采用聚合物驱油技术，而聚合物的粘度直接影响石油 采收率。因此，在油田的三次开采中，聚合物粘度的在线测量尤为重要。 “注聚液在线粘度检测与控制系统设计 的课题来源于“油田在线粘度检测 研究项目，是由青岛科技大学自动化与电子工程学院和胜利油田设计院地面设 备研究所合作开发的。本课题的研究除在提高原油采收率方面具有实际意义外， 对聚合物溶液流量测量等具有重要意义。 课题研究内容的重点包括四个方面：( 1 ) 基于新型测力传感器的在线粘度 非线性模型的确立；( 2 ) 聚丙烯酰胺溶液的流体特性分析；( 3 ) 基于单片机 a t 8 9 c 5 5 w d 的硬件设计；( 4 ) 模块化软件设计；( 5 ) 实验数据分析与结论。 本次系统设计的创新点在于：( 1 ) 自行研制了新型在线粘度测量传感器探 头；( 2 ) 推导了本系统粘度的计算公式；( 3 ) 添加了电磁阀控制装置，可对波 动粘度超限做出迅速反应，实现实时控制；( 4 ) 设计了模块化软件程序，通过 在线调试，取得了良好的效果。 大量的实际测量数据表明：本课题所采取的在线粘度测量方案是可行的。该 系统的实验测量误差在5 以内，应用测量误差在2 5 左右。 关键词：粘度聚丙烯酰胺在线检测i l c 7 1 3 5d a c 0 8 3 2 d e s i g no fo n l i n e 匝a s u r e 入征! n t a n dc o n t r o l n m n tf o rv i s c o s i t yo f p o l y m e rl i q u i d a bs t r s c t a tp r e s e n t ，m o s to i lf i e l d sh a v eb e e nu s i n gp o l y m e r o i l d i s p l c i n gt e c h n o l o g y ，a n d t h ev i s c o s i t yo ft h ep o l y m e ri m p a c t sd i r e c t l yo nt h eo i lm i n i n g c o e f f i c i e n t t h u s ，i nt h e t h i r de x p l o i t a t i o no fo i lf i e l d s ，t h ep o l y m e rv i s c o s i t yo n l i n em e a s u r e m e n ti se s p e c i a l l y i m p o r t a n t t h es u b j e c t ”d e s i g no fo n - l i n em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l m e n tf o rv i s c o s i t yo f p o l y m e rl i q u i d ”f r o mt h ep r o j e c t ”o n - l i n em e a s u r e m e n to fo i lv i s c o s i t y ”，i sd e v e l o p e d b yt h ei n s t i t u t eo fa u t o m a t i o na n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ，q i n g d a ou n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n di n s t i t u t eo fg r o u n de q u i p m e n t ，d e s i g ni n s t i t u t eo fs h e n g l i o i l f i e l d t h es t u d yo ft h i ss u b j e c th a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei ni m p r o v i n go i lm i n i n g c o e f f i c i e n t ，a n di ti sa l s oi m p o r t a n tt of l o wm e a s u r e m e n to fp o l y m e rl i q u i d s t u d yo ft h es u b j e c t si n c l u d e df o u rm a i nc o n t e n t s ：( 1 ) t h ee s t a b l i s h m e n to f n o n 。l i n e a rm o d e lf o rv i s c o s i t yo n l i n em e a s u r e m e n tb a s e do nt h en e w t y p eo fp r e s s u r e s e n s o r ；( 2 ) t h ef l o wf e a t u r ea n a l y s i so f p o l y a c r y l a m i d e ；( 3 ) h a r d w a r ed e s i g nb a s e do n s i n g l e c h i pa t 8 9 c 5 5 w d ；( 4 ) t h em o d u l a rs o f t w a r ed e s i g n ；( 5 ) e x p e r i m e n t a ld a t a a n a l y s i sa n dc o n c l u s i o n s t h ei n n o v a t i o n st h es y s t e md e s i g na r e ：( 1 ) d e v e l o pan e w t y p eo f s e n s o rf o r v i s c o s i t yo n - l i n em e a s u r e m e n t ；( 2 ) d e r i v et h ef o r m u l af o rt h ev i s c o s i t yc a l c u l a t i o ni n t h i ss y s t e m ；( 3 ) a d dc o n t r o ld e v i c eu s i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v e ，t h i sd e v i c ec a n r e s p o n dt ob r e a kb o u n d so ft h ef l o a t i n gv i s c o s i t yq u i c k l y ，a c h i e v i n gar e a l t i m ec o n t r o l ； ( 4 ) d e s i g n am o d u l a rs o f t w a r ep r o g r a m ，t h r o u g ho n l i n ed e b u g g i n g ，i th a sy i e l d e d l l i 曲l yd e s i r a b l er e s u l t s i i i 注聚液在线粘度检测与控制系统设计 a l a r g en u m b e ro fa c t u a lm e a s u r e m e n td a t as h o wt h a t ：t h em e t h o do fv i s c o s i t y o n - l i n em e a s u r e m e mt a k e nb yt h i ss y s t e mi sf e a s i b l e t h ee r r o ro ft h es y s t e mi sl e s s t h a n5 i ne x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e ma n da b o u t2 5 i np r a c t i c a lm e a s u r e m e m k e y w o r d s ：v i s c o s i t yp a mo n 1 i n em e a s u r e m e mi l c 7 1 3 5d a c 0 8 3 2 i v 青岛科技大学研究生学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：年月日 注聚液在线粘度检测与控制系统设计 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文 或成果时，署名单位仍然为青岛科技大学。( 保密的学位论文在解密后适 用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ) 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 7 4 年月日 年月日 青岛科技人学研究生学位论文 1 1 引言 1 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 随着石油开采不断深入，目前大多数早期开发的油田都已经进入高含水石油 开采阶段。油田经过注入开采后，油层中剩余油的状态发生了相当大的变化，未 被波及油层的剩余油状态更加分散【。目前来看，国内外油田的石油采收率还有 待提高。1 9 9 3 年，我国油田原油平均采收率仅为3 2 4 ，尚有6 7 6 的石油未被 开采出来1 2 1 。石油开采难度的不断增加，致使原油生产成本持续增高。 8 0 年代开始，大庆油田采用了以聚合物驱为重点的三次采油技术，目前大庆 油田的大部分已经进入三次采油期，孤东油田以及胜利油田也相应的采用注聚开 发。值得一提的是，胜利油田经过3 0 多年的勘探与研究，石油可采储量采出程 度高达7 5 1 、石油剩余可采储量采收率高达1 0 1 、综合含水率高达8 9 9 1 3 1 。 但是我国油田开发形势依然非常严峻，聚合物驱油技术的研究还应进一步深入。 原油粘度在石油开采工业中起着举足轻重的作用，它直接影响着石油采收 率。粘度上的某些细微变化就可能使石油的流动特性发生很大变化。从经济角度 讲，产品百分之一的粘度误差会导致每加仑产品增加1 美分的成本【4 1 。因此粘度 测量在石油工业中必不可少。但是运动粘度的测量具有一定的危险性，这就督促 石油工业必须摸索更精确更安全的测量方法。这种方法在1 9 3 7 年问世，也就是 a s t m ( 美国材料实验协会) d 4 4 5 透明和非透明流体运动粘度测量法( 玻璃毛 细管法) 。目前，测量粘度的方法主要有：毛细管法、落球法、单双筒旋转法等。 随着计算机技术、光学技术、传感器技术以及图像技术的不断进步，粘度测量方 法也日新月异，比如超声波法、光散射法、光干涉法、红外法等。 1 1 2 课题的研究意义 粘度是液体特性的重要物理参数之一。粘度的测定在工业生产和科学研究中 应用广泛。这些应用主要表现在：( 1 ) 化工、水力机械设计1 5 】【6 1 。在化工厂热交 换器、搅拌器以及水力离心泵等机械的设计中，流体粘度直接影响热交换器的效 率、搅拌器的阻力以及离心泵的工况。在设计热交换器、搅拌器的时侯，粘度是 必须考虑的参数之一。( 2 ) 原油输送系统设计【7 】f 8 i 。油田输油管道中，原油粘度 注聚液在线枯度检测与控制系统设计 是影响管道输送阻力的主要物理参量之一，因此粘度将直接影响原油输送系统中 输送机械的选用和输送工艺的设计。( 3 ) 建筑胶粘剂的选取与研制f g l f l 0 1 。在建 筑行业，胶粘剂的性能直接影响建筑的牢固性。胶粘剂的粘度是体现其性能的最 重要的物理参数，粘度和触变性指标的确定是否合适，直接影响到胶粘剂的粘合 质量，进而影响到工程加固改造的实际效果 1 q 。因此，在建筑结构胶的选取中， 粘度测定的使用得到了广泛重视。( 4 ) 工业中的原料检验、成品的质量检验 1 2 l 以 及控制工艺 1 3 1 。高分子化合物的分子大小、形状直接影响其溶液的粘度，况且其 分子的大小、形状和排列直接决定其工业成品的性质，因此高分子化合物溶液的 粘度与化合物的性质是紧密相连的。在工业生产中，经常用粘度来检验原料、中 间产品和成品质量以及控制其生产工艺流程。所以，粘度的测定是工业生产中必 不可少的检验项目之一。 鉴于众多工程技术实际应用，液体粘度的测定方法和精确程度，以及粘度的 计算和估算等，日益受到工程界的重视。而在油田采油过程中，原油的粘度直接 影响抽油能力，因此原油粘度的在线测量显得尤为重要。 自7 0 年代开始，交联聚合物逐步应用于调剖堵水。用聚合物凝胶处理井筒 附近地层，可以有效封堵所选地层，从而使生产井的产出水明显降低，这引起了 石油行业界的广泛重视。随着聚合物凝胶降低产出水技术的不断研究与发展，它 被进一步应用于油井深部调驱，明显提高了原油采收率。8 0 年代后期，针对国内 外的部分油田非均质性严重、有裂缝和大孔道且各油层内渗透率相差较大的实际 状况，国外提出了弱凝胶驱油技术。该技术是一种具有聚合物弱凝胶堵水和油藏 内部流体流度调节两种功能的方法。该技术中的交联剂和聚合物的使用浓度较 低、适用范围较广，具有很好的抗温性和流动性，受矿物质物理化学作用的影响 较弱，凝胶强度比较容易控制，可以长时间保持注入能力和流动性。并且它在地 层中具有动念波及效果，可增加波及地层并提高驱油效率。近年来，学者们又提 出了在注水井中注弱凝胶的想法，比如文献4 中美国s m i t h 提出的胶态分散凝胶 调剖剂( c d g ) 和分子间交联的聚合物等。国内某些研究单位提出的诸如弱凝胶、 可动胶、注交联聚合物等均可笼统地称为注交联聚合物。目前在研究注交联聚合 物方面，主要有两条发展路线：一是使聚合物浓度往更低层次发展( 低于聚合物驱 的使用浓度) ，把聚合物浓度限定在2 0 0 - 6 0 0 m g l ，如胶态分散凝胶( c d g ) 、 可动胶等体系；二是采用接近或略高于普通聚合物驱的聚合物浓度，一般为 1 0 0 0 - - 3 0 0 0 m g l ，即弱凝胶调驱体系，该体系己在油田的注水井处理中成功实施。 目前常用的聚合物大体分为合成部分水解聚丙烯酰胺、生物合成物黄胞胶两类。 在油田驱油技术中，聚合物以部分水解聚丙烯酰胺为主。 从以上分析可知，在线测量聚合物( 本文指聚丙烯酰胺) 粘度测量对提高原 2 青岛科技大学研究生学位论文 有采收率具有重要的实际意义。本课题的研究同样对注聚化合物开发方案合理优 化以及相关注聚物溶液流量测量等具有重要意义。本文在分析聚丙烯酰胺性质的 基础上，主要围绕聚丙烯酰胺溶液粘度的在线测量与实时控制展开详述。 1 2 液体粘度综述 1 2 1 液体粘度概念 流体的流动是在重力和外力作用下的连续变化过程，流体流层间存在着的速 度差以及运动的传递都是因为流体具有粘性。流体的粘性实质上是流体分子微观 作用的宏观表现，是分子间引力的外在表现形式。粘度具体来讲就是粘性的程度， 也称粘( 滞) 性系数或者内摩擦系数。定性地说，( 动力) 粘度是流体对形变的抵抗随 形变速率的增加而增加的性质；定量地说，( 动力) 粘度是稳态流中的剪切应力与 剪切速度之比，即t 1 = f v 。不同的物质粘度不同。粘度还与温度和压力等因素有 关，流体的粘度随着温度的增加会减小，随着压力的增加会增大。 对于粘度的理解，可从以下三种粘度对比来看0 4 1 1 1 5 1 ： ( 1 ) 动力粘度：也称绝对粘度，即常说的粘度，用符号1 1 表示，将两块面 积为l m 。、距离为l m 的板浸于液体中，若加1 n 的切应力，使得两板之间的 相对速率为l m s ，则此液体的动力粘度为1 p a s ，常用单位还有m p a s 。 ( 2 ) 运动粘度：即动力粘度与流体密度的比值，运动粘度用符号丫表示，在 国际单位制中，运动粘度单位为斯，即每秒平方米( m2 s ) ，实际测定中常用厘斯 ( c s t ) ，l c s t = l m m2 s 。运动粘度被广泛用于测定喷气燃料油、润滑油、柴油等液 体石油产品以及使用后的润滑油、原油、深色石油产品等的粘度标定，所采用的 测定方法通常为逆流法。 ( 3 ) 条件粘度：也称相对粘度，指采用不同的特定粘度计所测得的以条件 单位表示的粘度，各国通常用的条件粘度有以下三种： 【1 】恩氏粘度，又叫思格勒( e n g l e r ) 粘度。一定量的试样，在规定温度( 如： 5 0 。c 、8 0 。c 、1 0 0 。c ) 下，从恩氏粘度计流出2 0 0 毫升试样所需的时间与蒸馏水 在2 0c 流出相同体积所需要的时间之比。温度t 时，恩氏粘度用符号c t 表示， 恩氏粘度的单位为条件度。 【2 】赛氏粘度，即赛波特( s a g b o l t ) 粘度。一定量的试样，在规定温度( 如1 0 0c 、 2 1 0c 或1 2 2c 等) 下从赛氏粘度计流出2 0 0 毫升所需的时间，单位为秒。赛氏粘 度又分为赛氏通用粘度和赛氏重油粘度( 或赛氏弗罗( f u r 0 1 ) 粘度) 两种。 注聚液在线粘度检测与控制系统设计 【3 】雷氏粘度，即雷德乌德( r e d w o o d ) 粘度。一定量的试样，在规定温度下， 从雷氏度计流出5 0 毫升所需的时间，单位为秒。雷氏粘度又分为雷氏1 号粘度m 表示) 和雷氏2 号粘度( 用r a t 表示) 两种。 上述三种条件粘度测定法，在欧美各国应用广泛。我国一般只采用恩氏粘度 计来测定深色润滑油及残渣油的粘度，很少使用其余两种粘度计。虽然三种条件 粘度的表示方法和单位各不相同，但它们之间存在确定的比例关系，可通过图表 进行换算。 1 2 2 牛顿流体与非牛顿流体 粘度与剪切速率无关的流体( 即服从牛顿粘性定律的流体) 被称为牛顿流体。 牛顿流体的流动曲线( 剪切力与剪切速率的关系曲线称为流动曲线) 是一条通过原 点的直线。牛顿流体的粘度是直线的斜率。对于同一流体，在任何剪切速率下粘 度相同，与剪切速率无关。水、酒精、醉类、酯类、油类等属牛顿流体。 粘度随剪切速率变化而变化的流体( 即不服从牛顿粘性定律的流体) 被称为非 牛顿流体。非牛顿流体的流动曲线不通过原点或不是直线。非牛顿流体的粘度可 以用表观粘度来描述。表观粘度是剪切应力除以剪切速率所得的与剪切速率相关 联的商数。表观粘度随剪切速率的变化而变化。表观粘度不再是一物理常数，但 它与牛顿粘度同量纲。常见的一些非牛顿流体有：钻井泥浆、纸浆、油漆、油墨、 血液、牙膏、高聚物熔体及高聚物溶液等。 显然本设计所用到的聚丙烯酰胺溶液属于非牛顿流体。 1 2 3 牛顿粘性定律 牛顿粘性定律给出了粘度与内摩擦力的定量关系。设相邻流层间的接触面积 为s ，距离为咖，速度为咖，则流体的粘性力为： f ：s s 盟 c r y ( 1 1 ) 式中，卜粘性力( 又称内摩擦力) ； 卜流体间的接触面积； 譬一一速度梯度； 砂 玑流体的( 动力) 粘度。 由此可以看出：对于牛顿流体，粘性力f 与两流体层的速度差咖成正比， 与两流体间的垂直距离咖成反比，与两流层间的接触面积s 成正比。 4 青岛科技大学研究生学位论文 式( 1 1 ) 亦可写成如下形式： f 。，7 y ( 1 - 2 ) 式中：f 剪切应力，又称切变应力、切应力，等于船； y 剪切速率，又称切变速率、切变率，等于d v d y 。 公式( 1 1 ) 及( 1 2 ) 是牛顿定律的两种表示方式，在流变学中也称公式( 1 - 2 ) 为本 构方程，本构方程是描述切应力与剪切速率( 以及时间等) 之间关系的方程，也称 流变状态方程。 1 2 4 粘度与温度的关系 粘度与温度的关系非常密切【t 们，在温度变化l 。c 时，液体的粘度变化达百分 之几至十几，气体约为千分之几。 图1 1 粘度一一温度曲线 f i g 1 1t h ev i s c o s i t y - t e m p e r a t u r ec u r v e 粘度随温度变化的程度还与许多因素有关，例如，物质的化学组成、粘流活 化能、粘度大小等，通常液体的粘度越大，液体的粘度随温度的变化越大。 粘度与温度并不成线性关系，温度越低，粘度与温度的关系越密切。对于液 体而言，温度越高，粘度越低( 如图1 1 所示m 1 ) 。比如，在oc ，2 0c ，及 1 0 0c 下，当a t = 士1c 时，水的粘度变化，分别约为3 1 ，2 5 及1 1 。 气体的粘度与液体的粘度随温度变化的规律完全相反，气体的粘度随温度的升高 而增大，因为气体的粘性是由于动量传递所致，当温度升高时，分子的热运动加 剧，动量增大，流层间的内摩擦加剧，所以粘度增大。而液体的粘性来自分子引 力，温度升高分子间距离加大，分子引力减小，内摩擦减弱，所以粘度减小。 注聚液在线粘度检测与控制系统设计 1 3 液体粘度测量方法概述 对于牛顿流体，只要测量某一剪切率下流体的粘度，就已知其特性；而对于 非牛顿流体，粘度测量是检测一定剪切率区间下的表观粘度值。粘度测量的方法 很多，可分为毛细管法、旋转法、平板法、落体法、振动法等，其测量原理各不 相同。下面简单介绍几种常用方法以及部分常用装置。 1 3 1 毛细管法 如图1 2 所示，毛细管长度为，内径为r ，管中充满待测粘性流体，在压力的 作用下沿毛细管流动。 图1 2 管道横截面图 f i g 1 2 d u c tc r o s ss e c t i o nd r a w i n g 根据哈根泊萧叶定理【1 8 1 ，当满足以下条件时： ( 1 ) 压力与粘性力平衡，流体作匀速定常流动； ( 2 ) 管壁处流体无滑动，且，= r 时，流速“= 0 ； ( 3 ) 毛细管有足够大的长径比，可忽略端口区流动的影响。 流体的动力粘度为： s ：y r 4 a p s o l 式中，a p 毛细管两端面的压力差； 9 一单位时间通过毛细管端面的流体体积。 又因为流体做匀速定长流动时有： q = n | t 6 ( 1 - 3 ) ( 1 4 ) 青岛科技大学研究生学位论文 式中，y 流过毛细管的流体总体积； r 流动时间。 代入( 1 3 ) 式可得： s ：y r 4 a p t ：k a p t ( 1 5 ) 8 lvv 式( 1 5 ) 中k 仅与毛细管的长度和半径有关。 通过测量4 尸、y 和丁，就可以根据式( 1 5 ) 计算出流体粘度。 常用的毛细管粘度计均采用自重式结构，廿= p g l ( p 为被测流体密度) ，由 于p 和三在特定的测量条件下均为一定值，所以p 不可改变。因此常用的毛细 管粘度计只能测量牛顿流体粘度。对于非牛顿流体，需要改变凹，这就得测量 相应的y 和丁。 毛细管法测量粘度的装置非常多 1 9 1 2 0 1 ，机理也不尽相同。 在这里简单介绍一下一种压力试管粘度计测量装置【2 1 】( 如图1 3 所示) ，以 便更好的了解毛细管法在粘度测量中的应用。此套装置由中国科学院长春物理所 开发设计，基本原理为泊松粘度定律。 图中，a 为体积延迟管，b 和c 为细管，a 、b 、c 组成了液体流路；e 、f 为 压力传感器，i 、i 为放大器，h 为除法器，e 、f 、h 、i 、j 组成信号转换器。a 的 作用是使样品暂存，并不改变流速地把原存的驱动液顶入管b ；e 测定流经管c 和b 的总压力；f 测定流经管b 的压力；i 和j 对f 和e 的输出信号分别进行放 大，以适应除法器h 对信号的要求。 a 图1 3压力式细管粘度计测量系统 f i g 1 3am e a s u r e m e n ts y s t e mo fp r e s s u r ec a p i l l a r yv i s c o m e t e r 7 注聚液在线粘度检测与控制系统设计 1 3 2 旋转测量法 旋转式粘度计是较毛细管粘度计更精密的仪器，虽然它的构造通常比毛细管 粘度计复杂，但它测量粘度快速方便，数据更准确可靠；对于性质随时问而变化 的材料而言，旋转式粘度计可以在不同的切变率下对同种材料进行连续测量。因 而，它被广泛地应用于测量牛顿型流体的绝对粘度、非牛顿型流体的表观粘度及 流变特性。 旋转式粘度计的测量原理是完全遵循牛顿粘性定律的【2 2 1 。基本原理为当流体 与浸入其中的物体( 如圆锥、圆板、球体、圆筒或其他形状的刚性体) - - 者之一或 二者都作旋转运动时，物体将受到流体粘性力矩的作用而改变原来的转速或转 矩。通过测量流体作用于物体的粘性力矩或物体的转速就可以确定流体的粘度。 流体通常是处于物体与容器的间隙中。根据物体与容器的几何形状，旋转粘度计 可分为板板式、同轴式、锥板式、锥筒式、单圆筒式、锥锥式。普通同轴圆筒旋 转粘度计结构如图1 4 所示。 n 两同轴安装的圆筒间隙中装有被测溶液，设内、外圆筒的半径分别为几，和 n 【o ，内筒浸入深度为h ( 通常内筒是全浸，即内筒的长度为h ) 。当内筒以角速度v 相对于外筒旋转时，液体的旋转流动呈层流状态，假设圆筒表面与液体之间无滑 动，圆筒无限长，在环形间隙中半径为，处液体的角速度为c o ，线速度为v ， 弋 五 l l 图1 4 圆筒截面图 f i g 1 4 t h ec y l i n d e rs e c t i o nd r a w i n g 则1 ，2 硝，在，+ 办处液体的线速度为： 1 ，+ d v = ( c o + d o g ) ( r + d r ) = r c o + r d o g + c o d r + d r d w ( 1 6 ) 上式右边最后一项d r d o d 比较小，几乎可以忽略，由此得到从，层到，于咖层液 体的速度增量为： 8 青岛科技大学研究生学位论文 d v = r d w + o m r ( 1 7 ) 则有速度梯度： 尘：，塑+ f= ，+ ， 咖d r ( 1 8 ) 式中，国为刚性旋转体的角速度，此时刚性旋转体不产生任何剪切运动，好 比内、外圆筒以相同角速度国旋转时，间隙中任何位置的液体是以相同的角速度 旋转一样，液层之间并无相对运动。所以说，国项对剪切速率没有影响，剪切运 d 动仅由办项引起，即剪切速率y 可由此项来表示，因此有： d ：，塑 d r ( 1 9 ) 在半径为，与，+ 咖的两圆筒形液层间的剪切力为： 广、f mm s r 耖加砂，2 h ( 1 1 0 ) 式中，卜粘性力； 卜半径为，的液体圆筒表面积； 卜粘性力矩。 因此，由牛顿粘性定律f2 叩y 可知： d c om d r 2 y r 2 h s ( 1 1 1 ) 对上式积分可得： 踮嘉c 专一去，- 1 2 ，钞腰f 、r ? 7f1、 当内筒不动而外筒以一定角速度转动，或者内外筒以不同速度旋转时，同样 也可以推导出公式( 1 1 2 ) ，但式( 1 1 2 ) q b f ，应分别用f 。或f 。一f ，来代替，由此 可以得知，将式( 1 1 2 ) q p 的，用来代替便可得通式： s ：鲤二簦巡 4 y h r 2 r 2 0 f ( 1 1 3 ) 式( 1 1 3 ) 称为库埃特马古尔斯( c o u e t t e m a r g u l e s ) 式，简称为马古尔斯式。 设火r2 ，则有： s _ 去掣等 9 注聚液在线粘度检测与控制系统设计 对于相对测量而言，公式( 1 1 4 ) 通常可以改写为： s ：厂丝 。f ( 1 1 5 ) 或者： r l = k a ( 1 - 1 6 ) 以上两式中，厂称为流场系数，它只与内外筒尺寸有关，k 为仪器常数， k 大小分别为： ，：上二兰 4 y h r ? 2 ( 1 1 7 ) 丁 k = 尘f f 。 ( 1 1 8 ) 其中：a 扭矩元件的偏转角； 肘扭矩元件偏转单位角所需之力矩，称弹簧常数或吊丝常数。 以上分析了旋转法测量粘度的工作原理，推导了粘度计算公式。一般的旋转 粘度计均采用( 1 1 4 ) 来计算粘度值。 基于旋转测量法的粘度测量装置 2 3 1 2 4 】有很多。美国基尼弗尼亚大学的s m i t h 设计了基于l a b v i e w 平台虚拟仪器的新型粘度计【2 5 1 ，它具有独立陀螺锥板转子结 构，是利用旋转液体对陀螺的剪切力矩和陀螺反向力矩平衡的原理制成的。在此， 简单介绍一种新型旋转式数字粘度计1 2 6 ( 如图1 5 ) 。该系统由南昌大学肖军民 研制开发，可以准确测量不同温度、不同剪切速率下的液体粘度。此旋转式数字 粘度计的粘度计算采用公式( 1 1 3 ) 。 图1 5 一种新型旋转式数字粘度计 an e w - t y p i n gr o t a t i o n a ld a t av i s e o m e t e r 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 该新型旋转式数字粘度计的工作过程为：在无级调速电动机的作用下，转筒 在被测液体或半固态的浆料中转动，在旋转的反方向上会产生扭矩。这个扭矩经 中轴传递给安装在中轴上的扭矩传感器，扭矩传感器将扭矩转化为微弱的模拟电 压电流信号，经d 转换器放大并转成数字信号输入到p c 机中进行数据计算与 处理，从而计算出被测物质的粘度系数。 1 3 3 落球测量法 落球法作为测量液体粘度的常用方法【2 7 1 ，是基于斯托克斯( s t o k e s ) 粘性阻力 定律的。当刚性球在装有液体的容器中自由下落时，液体的粘度可用下式来计算： s = 警。l 1 9 ) 9 1 8 材 。” ( 1 - 1) 式中：，7 零切粘度； d 落球直径； p 液体密度； v o 落球密度； u 落球速度； g 重力加速度； ，w 量筒壁修正系数。 修正系数采用法克森( f a x e n ) 式： f w = 1 2 1 0 4 ( d d ) + 2 0 9 ( d d ) 3 0 9 5 ( d d ) 5 ( 1 2 0 ) 三 t ( 1 2 1 ) 在式( 1 - 2 0 ) 、( 1 2 1 ) 中： 三落球匀速下落距离； r 落球匀速下落三距离的时间； 卜量筒的直径。 将式( 1 - 2 0 ) 、( 1 2 1 ) 代入( 1 1 9 ) 可得： s = 望学 1 - 2 1 0 4 ( d 。) + 2 。9 ( d 。) 3 - 0 9 5 ( d 。) 5 ( 1 2 2 ) 1 8 、7 ( 1 ) 由式( 1 - 2 2 ) 知，只要测得d 、玑、p 、l 、，、d 六个参数，就可以测得 粘度值。由于d 、v 0 、9 、d 均已知晓，所以准确测得三、f 成为测量液体粘度 注聚液在线粘度检测与控制系统设计 的关键。 以光电落球法为例，简单介绍落球法测量流体粘度的简易装置1 2 8 1 ，如图1 6 所示。用此简易装置测液体粘度时，一般认为落球在运动到被测液体液面下5 c m ( a 处) 后开始匀速下落。在此粘度测量装置的量筒外侧，安装有相距为l ( a c 段) 的两组穿透式光电传感器。其工作原理为：当落球以匀速u 经过1 号光电传 感器时，计时器开始计时；当落球经过2 号光电传感器时，计时结束；继而由式 ( 1 2 2 ) 可求得液体的粘度。 此装置中，刚性小球在被测液体中以很小的速度下落，且容易产生偏心现象， 因此测量精度较低。另外由于使用的是光电传感器，它还有不能测量不透明液体 粘度的缺点。 l 号光电 接收器 c = = ， 2 号光电 接收器 c = = 】 c 和 l 号光电 技射器 卜= 丁 2 号光电 发射器 - 口 图1 6落球法粘度测量装置 f i g 1 6 t h ev i c o s i t y - m e a s u r i n gd e v i c eb a s e do nf a l l i n g b a l lp r i n c i p l e 实际应用中，根据应用环境的不同，基于落球法测量液体粘度的装置也多种 多样。张小卫设计了一种新型落球式粘度计【2 9 1 ，具有反馈控制功能，且结构简单， 经济实用。该装置应用于墨水粘度自动调节系统，得到了很好的使用效果。 1 3 4 石英振子测量法 石英振子粘度计是通过两个圆柱型的石英振子的振动来测定粘度的。常用石 英振子传感器多是谐振式的1 3 0 1 。进行粘度测量时，被测流体粘度的变化引起石英 振子谐振频率的变化。根据流体粘度与实测差频之间的相关关系，就可以求出流 体的粘度值。 石英振子粘度计的对数衰减为： a = w 4 2 w l ( 1 2 3 ) 1 2 青岛科技犬学研究生学位论文 这里的形4 是振子每圈消失的能量，形r 是系统的振动能。在共振频率j 附近 的阻抗r 可由下式来计算得到： r = k m f o a ( 1 - 2 4 ) 上式中m 为石英晶体的质量；k 是一固定常数，它与电极的几何尺寸有关。 流体的粘度与密度的乘积卯与( 一a o ) 2 有关，这里的o 是系统在真空中的 对数衰减信。 1 3 5 其他粘度测量方法 传统的测量粘度方法还有振动测试法。振动式粘度计有转盘式粘度计【3 1 1 1 3 2 1 、 振动杯粘度计及振动丝粘度计 3 3 1 等，由于振动式粘度计的测量原理较复杂，计算 公式多样，且与本课题关联不大，不作具体详述。 随着计算机技术、光学技术、传感器技术以及图像处理技术的日益进步， 流体粘度测量技术迅速发展，测量方法不断创新与完善，测量装置也不断更新。 ( 1 ) 超声波测量法【3 4 】【3 5 1 【3 6 】 该方法是利用不同粘度的流体对声音的折射、散射、吸收等物理效应来实现 粘度测量的。通过采集流体在管道流动过程中产生的声音信号，得到与流体粘度 相关联的间接信号，从而计算出粘度。 ( 2 ) 红外光谱法 3 7 1 1 3 8 】【3 9 1 红外光谱法是利用不同粘度的流体对红外光的折射、散射等物理现象来实现 粘度测量的。流体的粘度与红外光经过流体后所得的近红外光谱间存在群定的 函数关系。使用现金的数学工具对所得进红外光谱进行分析，获得确定出这一重 要的函数关系，就可以计算出流体的粘度。 ( 3 ) 电磁原理f 4 0 】【4 1 1 、电磁层析成像测量法【4 2 1 基于电磁原理的粘度计是利用电导体在电磁场中运动时会受力的作用，而有 磁流动液体通过磁场时也会受到阻碍作用这一机理而设计的。电磁层析成像技术 是基于电磁感应定律的一种应用于测量流体剖面情况的非接触测量方法。由于磁 路设计比较复杂，目前这一领域的研究仍然处于试验阶段。 ( 4 ) 基于高精度传感器的液体粘度测量【4 3 】【4 4 j 【4 5 】 目前，由于测定液体粘度的传感器大部分是基于压电效应原理制成的。由于 压电振动式粘性力传感器是通过测量液体所传递的切变波形来确定粘度的，而传 感元件与液体接触处的切变波形容易产生畸变，所以往往测量精度不高。因此， 如何开发基于其他原理的新型粘性力传感器还有待于进一步的研究。 注聚液在线粘度检测与控制系统设计 1 3 6 流体粘度测量发展趋势 随着科学技术的不断发展，一方面国民经济的许多领域都需要研究和应用新 的粘度测试技术；另一方面计算机技术、光学技术、传感器技术以及图像处理技 术已经取得并将不断进步，粘度测试技术也将获得快速发展。从国内外的粘度测 量现状来看，液体粘度测定技术将在以下四个方向得到较大发展。 ( 1 ) 充分利用新技术改进并完善传统粘度检测技术 目前，在短时间内，中国大多数企业还没有能力大规模对使用中的粘度测量 设备进行彻底换装，并且经过不断的发展与完善，传统的粘度测量方法已经比较 成熟，测量装备也日益改进。尽管许多粘度测量仪表体积较大、操作较繁，但其 测量精度和可靠性已经过长期考验。因此，想全面提升国内的粘度测量环境，显 然已是奢望。我们只能在现有技术设备的基础上，结合现代先进的数据采集与处 理方法，利用工控机、现场总线、集成电路等硬件技术，使传统粘度测量设备的 自动化可控程度和测试精度得到进一步改善。目前，基于虚拟仪器的液体粘度的 快速测定方法已在世界各国被广泛研究。虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬 件，并使用高效灵活的模块化软件来实现各种检测及自动化的应用。在液体粘度 的测量中，虚拟仪器技术的运用无疑将提高测量的速度和精度，并能够实现液体 粘度的快速测量和在线测量。 ( 2 ) 基于微型控制芯片和新型传感器的小型智能化粘度检测设备 随着微电子技术的日益成熟，各大芯片生产公司推出了一系列高性能、高运 算速度、高集成度、低价位的微型控制芯片( 如单片机或d s p ) ，此类芯片不但体 积小、重量轻、功能全而且兼容性好，编程简单易于开发，所以被广泛应用于便 携式电子测量设备的开发。在液体粘度测量中，为了应对野外现场检测这一难题， 如石油开采过程中对原油粘度的现场在线测量，同样需要小型的便携式粘度测量 设备。以单片机或d s p 处理器为控制核心的粘度测量仪器体积小，功能和精度较 传统粘度测量仪器有大幅度的提高，并且其将在日后得到迅速发展。因此在以后 的现场粘度测量中，此类便捷式粘度设备必将得到广泛应用。 ( 3 ) 针对新型智能材料性能评价的粘度检测技术 近年来，新兴材料的不断涌现，特别是以电流变液为代表的新一代智能材料 的出现，对液体粘度测定提出了新的挑战。电流变液作为一种固液两相悬浮液， 在# l - 力n 电场( 或磁场) 的作用下，电( 或磁) 流变液的粘度会迅速变化，而现有的各种 粘度测量仪对此粘度的变化是无法察觉的。因此，研究适用于宽测量范围的粘度 测试方法和测试装置将是今后一个重要发展方向，自然发展重点落在了新型智能 材料的开发研究上。 1 4 青岛科技大学研究生学位论文 ( 4 ) 生物体体液流动粘度检测的新技术 粘度是了解生物体体液流动机理的重要参量，对生物体液流体学的研究具有 重要的意义。生物体体液流动粘度检测技术的进步将直接影响生物医学工程的前 进跨度。尤其是对人体血液粘度的测定，直接关系到人的身体健康，对医疗技术 的进步起到了重要的推动作用。目前，已有很多方法可以测定生物全血的粘度， 但在精度上还远远达不到既定要求，所以对全血粘度的精确测定技术，引起了研 究者们更广泛地重视。 1 4 课题来源及研究内容 “注聚液在线粘度检测与控制系统设计 的课题来源于“油田在线粘度检测 研究”项目，是由青岛科技大学自动化与电子工程学院和胜利油田设计院地面设 备研究所合作开发的，是检测仪表及自动化装置在石油开采技术中的实际应用。 在该项目研发过程中，青岛科技大学自动化与电子工程学院方面主要工作包括： 影响聚丙烯酰胺粘度的关键因素分析；测试方案的设计与实现；粘度的模型建立； 模型验证等。 本文通过对粘度测量方法的总结与对聚丙烯酰胺流体特性的分析，针对实际 测量环境，提出了注聚液在线粘度检测与控制系统的整体设计方案，包括硬件设 计与软件设计两部分。通过实验测量以及应用测量，给出了数据误差分析以及系 统设计结论。 本次系统设计主要分为以下几个阶段： ( 1 ) 资料书籍查阅阶段：深入学习流体力学知识，掌握聚丙烯酰胺的流变 特性，熟悉影响聚丙烯酰胺水溶液粘度的关键因素。 ( 2 ) 探头设计与粘度建模阶段：通过对国内外粘度测量方法的综合分析， 选择合适的测量方法，并在此基础上研发适合注聚液在线粘度测量的探头，进而 推导出粘度的非线性计算模型。本阶段的设计直接关系到注聚液在线粘度检测与 控制系统设计的成败，也是本次设计的难点所在。 ( 3 ) 整体设计方案提出阶段：在探头设计的基础上，综合考虑形同的可靠 性与可行性，提出基于单片a t 8 9 c 5 5 w d 的系统设计方案。主要包括信号采集方 案、电磁阀控制方案、a d 转换方案以及看门狗设计方案等。 ( 4 ) 硬件选取及电路设计阶段：根据整体方案，以单片机为核心，选择合 理的器件，并设计相应的外围电路，以实现具体的系统功能。 ( 5 ) 软件设计阶段：提出各个关键环节的软件设计框架，绘制流程图并编 写程序。 注聚液在线粘度检测与控制系统设计 ( 6 )电路板印制及软件调试阶段：根据硬件电路设计，绘制p c b 电路图， 设计并印制电路板；系统硬件就位后，将软件烧入单片机，调试程序。 ( 7 ) 实验测量与应用测量阶段：将将系统安装在j b s g k 0 1 实验平台上， 对自来水粘度以及不同浓度的聚丙烯酰胺水溶液进行实验测量；实验测量成功 后，将该系统安装到油田实际管道上，进行最后的实际应用测量。 ( 8 ) 数据分析阶段：针对具体的实际测量环境，对所得到的实验测量数据 和应用测量数据进行误差分析，确定主要的误差来源，以便于进一步改善并完善 系统设计。 ( 9 ) 论文完成阶段：总结设计中的经验与不足，完成论文编写工作。 本文创新点主要包括以下几个方面： ( 1 ) 通过对粘度测量方法及原理的研究，选择了毛细管测量法，并推导了 本系统在线粘度的计算公式； ( 2 ) 针对实际管道流体测量，自行研制了在线粘度测量的传感器； ( 3 ) 在在线粘度测量的基础上，添加了电磁阀控制装置，以控制粘度在要 求的应用范围； ( 4 ) 在硬件设计的基础上，设计了模块化软件程序，通过在线调试，取得 了良好的效果。 1 6 青岛科技大学研究生学位论文 2 1 聚丙烯酰胺