一種超聲與電場作用下油中水滴微觀特征測試裝置及方法
【專利摘要】一種超聲與電場作用下油中水滴微觀特征測試裝置及方法，包括高壓供電部、超聲波發(fā)生部、高速攝像部等。利用高速攝像和光學(xué)放大技術(shù)，獲得電場或超聲波場作用下油中水滴的運(yùn)移、變形、破裂、聚集及聚并等微觀特征的高速演變過程；通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器或超聲波發(fā)生器改變電場或聲場參數(shù)，用于評價(jià)電場或聲場參數(shù)對油中水滴微觀特征演變規(guī)律的影響；通過同時(shí)改變電場參數(shù)、聲場參數(shù)、極板位置等協(xié)同條件，用于評價(jià)超聲波場與電場的協(xié)同條件對油中水滴微觀特征演變規(guī)律的影響。采用本發(fā)明的測試裝置及方法，能夠精確測試油中水滴的運(yùn)移、變形、破裂、聚集及聚并等微觀特征及其高速演變過程，為電場與超聲波場破乳技術(shù)的深入理論研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
【專利說明】
一種超聲與電場作用下油中水滴微觀特征測試裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種超聲與電場作用下油中水滴微觀特征測試裝置及方法，用于測試超聲與電場作用下油中水滴的運(yùn)移、變形、破裂、聚集與聚并等微觀特征，以及電場參數(shù)、聲場參數(shù)、協(xié)同條件及油水的物理化學(xué)性質(zhì)對油中水滴微觀特征的影響規(guī)律，屬于油氣集輸系統(tǒng)多相分離技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]原油中的天然乳化劑和開采時(shí)加入的表面活性劑吸附在油水界面，形成具有一定強(qiáng)度的粘彈性膜，給分散水滴的聚并造成了動力學(xué)障礙，使得傳統(tǒng)的重力沉降無法有效地進(jìn)行油水分離，導(dǎo)致整個(gè)集輸系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。
[0003]利用電場可強(qiáng)化油中水滴的變形、運(yùn)動及聚并，提高水滴的碰撞強(qiáng)度及頻率，縮短水滴間油膜排液時(shí)間，從而加速油水分離。其基本原理是在高壓直流或交流電場中，油中水滴受電場的極化和靜電感應(yīng)，使水滴兩端帶上不同極性的電荷，形成誘導(dǎo)偶極，相鄰水滴的正負(fù)偶極相互吸引，進(jìn)而相互碰撞，合并成大水滴。但偶極作用力只有在液滴間距較近時(shí)才能有效加速水滴的碰撞與聚并，從而提高油水分離效率。
[0004]超聲脫水作為一種新興的脫水方法被逐漸用于油水乳狀液的分離過程中。超聲波是一種在媒介中傳播的彈性機(jī)械波，在其機(jī)械振動作用下，水滴與油相共同振動。由于水滴粒徑及油水物理化學(xué)性質(zhì)不同，導(dǎo)致水滴以不同的相對振動速度定向移動并富集于壓力的波節(jié)或波腹處，并在運(yùn)移和聚集過程中相互碰撞、粘合，之后在聲場驅(qū)動力及雙電層吸引力作用下聚并為大水滴。然而，聲場驅(qū)動力及雙電層吸引力往往不能克服高粘油水乳狀液分散水滴間的空間位阻作用，致使油水分離效率較低。
[0005]綜上所述，將超聲場對水滴的定向移動和聚集作用與電場加速鄰近水滴碰撞及聚并的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，應(yīng)能顯著提高油水乳狀液的分離效率。但目前尚無研究超聲場與電場作用下油中水滴微觀特征的測試裝置及方法，制約了電場與超聲場破乳技術(shù)的發(fā)展。
[0006]因此，有必要發(fā)明一套測試裝置，用于測試超聲與電場作用下油中水滴的運(yùn)移、變形、破裂、聚集與聚并等微觀特征，以及電場參數(shù)、聲場參數(shù)、協(xié)同條件及油水的物理化學(xué)性質(zhì)對油中水滴微觀特征的影響規(guī)律，為超聲場與電場破乳技術(shù)的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的是提供一種超聲與電場作用下油中水滴微觀特征測試裝置，能夠針對電場或超聲波場作用下油中水滴運(yùn)移、變形、破裂、聚集及聚并等微觀特征的高速演變過程，評價(jià)電場參數(shù)、聲場參數(shù)、協(xié)同條件及油水物理化學(xué)性質(zhì)對油中水滴微觀特征的影響。測試結(jié)果可作為超聲與電場破乳技術(shù)理論研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0008]本發(fā)明另一目的是提供一種上述測試裝置的測試方法，該方法能夠準(zhǔn)確高速同步記錄電場參數(shù)、聲場參數(shù)及油中水滴微觀特征的演變過程，為深入分析油中水滴微觀特征演變規(guī)律的動力學(xué)機(jī)理提供依據(jù)。
[0009]—種超聲與電場作用下油中水滴微觀特征測試裝置，其特征在于包括由信號發(fā)生器、高壓功率放大器和示波器I組成的高壓供電部，由超聲波發(fā)生器與示波器II組成的超聲波發(fā)生部，由高速攝像儀、高倍鏡頭、光源、三維位移臺和圖像采集計(jì)算機(jī)組成的高速攝像部分，及由矩形槽體、電極板1、電極板II和超聲波換能器組成的矩形樣槽；
[0010]所述信號發(fā)生器的輸出端連接于高壓功率放大器的輸入端，通過所述信號發(fā)生器調(diào)節(jié)電場參數(shù)，使信號發(fā)生器的信號經(jīng)高壓功率放大器進(jìn)行升壓后輸出，所述示波器I通過同軸電纜分別與高壓功率放大器電流和電壓監(jiān)測端口相連，以監(jiān)測電壓及電流信號；
[0011]所述矩形槽體用以盛裝透明油品，所述電極板I與電極板II相向粘附于所述矩形槽體前后兩側(cè)的中心位置，其中電極板I與高壓功率放大器輸出端相連，電極板II與高壓功率放大器共地，用以產(chǎn)生高強(qiáng)電場;所述超聲波換能器粘附于所述矩形槽體底部中心，用以產(chǎn)生超聲波場；
[0012]所述超聲波換能器與所述超聲波發(fā)生器相連，通過調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器改變所產(chǎn)生的超聲波參數(shù)，所述示波器II與超聲波發(fā)生器性能監(jiān)測端口相連，以監(jiān)超聲波參數(shù)；
[0013]所述高速攝像儀固定于三維位移臺，并設(shè)有高倍鏡頭，以拍攝矩形槽體油品中水滴微觀特征的高速演變過程，所述光源提供所述高速攝像儀拍攝時(shí)所需光強(qiáng)，所述圖像采集計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)線與所述高速攝像儀相連，用以觸發(fā)所述高速攝像儀的采集功能并存儲高速攝像儀記錄的圖片;所述高速攝像儀與所述光源分置于矩形槽體左右兩側(cè)，且高倍鏡頭光學(xué)中心軸、高速攝像儀感光芯片中心與所述光源光學(xué)中心軸重合。
[0014]所述的超聲波換能器為可拆卸式，以匹配超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波信號的頻率及功率。
[0015]所述的矩形槽體為有機(jī)玻璃材質(zhì)，其頂部無蓋，外壁面標(biāo)示有刻度。
[0016]本發(fā)明的工作過程為:向矩形樣槽中加注透明油品，靜置以除去油品中的氣泡。打開光源、高速攝像儀及圖像采集計(jì)算機(jī)，將高倍鏡頭安裝于高速攝像儀上。向透明油品中注入實(shí)驗(yàn)水滴，置于矩形樣槽正中間位置。調(diào)節(jié)三維位移臺，使實(shí)驗(yàn)水滴清晰成像于圖像采集計(jì)算機(jī)的圖像采集界面。打開信號發(fā)生器，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求調(diào)節(jié)電場參數(shù)并輸出信號。打開超聲波發(fā)生器，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求調(diào)節(jié)聲場信號參數(shù)。開啟示波器I和示波器II，隨后同時(shí)開啟高壓功率放大器、超聲波發(fā)生器的輸出開關(guān)，以及圖像采集計(jì)算機(jī)的圖像采集命令，利用圖像采集計(jì)算機(jī)及示波器I和示波器II同步采集電場或超聲波場作用下油中水滴運(yùn)移、變形、破裂、聚集及聚并等微觀特征的高速演變過程，以及電場或聲場參數(shù)。改變透明油品及水滴的物理化學(xué)性質(zhì)，重復(fù)上述測試過程，可評價(jià)油水物理化學(xué)性質(zhì)對油中水滴微觀特征的影響。
[0017]本發(fā)明的基本原理是利用水滴在超聲場中的位移效應(yīng)，使其定向移動并富集于壓力的波節(jié)或波腹處；同時(shí)，結(jié)合水滴在電場中的極化效應(yīng)，改變水滴內(nèi)電荷分布及水滴間的相互作用力，提高水滴在壓力波節(jié)或波腹處的碰撞強(qiáng)度及頻率，縮短水滴間油膜排液時(shí)間，從而加速油水分離?；诟咚贁z像技術(shù)和光學(xué)放大技術(shù)，測試水滴在上述過程中的運(yùn)移、變形、破裂、聚集及聚并等微觀特征，獲得微觀特征的演變規(guī)律。
[0018]本發(fā)明的有益效果是測試系統(tǒng)的流程簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便;利用高速攝像和光學(xué)放大技術(shù)，可準(zhǔn)確獲得油中水滴在電場或超聲場中的微觀行為特征及演變規(guī)律;通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器精確控制電場參數(shù)，可準(zhǔn)確評價(jià)電場參數(shù)對油中水滴微觀特征演變規(guī)律的影響；通過調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器改變超聲波參數(shù)，可準(zhǔn)確評價(jià)聲場參數(shù)對油中水滴微觀特征演變規(guī)律的影響;通過同時(shí)改變電場參數(shù)、聲場參數(shù)、極板及超聲換能器位置等協(xié)同條件，可準(zhǔn)確評價(jià)聲場與電場協(xié)同作用下油中水滴微觀特征的演變規(guī)律，為超聲與電場破乳技術(shù)的深入理論研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)圖。
[0020]其中，I一不波器I2—圖像米集計(jì)算機(jī)3—尚速攝像儀4一尚倍鏡頭5—二維位移臺6—不波器II 7一超聲波發(fā)生器8一超聲波換能器9一電極板I 10—矩形槽體11 一光源12—電極板II 13—高壓功率放大器14 一信號發(fā)生器。
【具體實(shí)施方式】
[0021]參見附圖1，一種超聲與電場作用下油中水滴微觀特征測試裝置，其特征在于，包括高壓供電部、超聲波發(fā)生部、高速攝像部及矩形樣槽。
[0022]所述高壓供電部，由信號發(fā)生器14、高壓功率放大器13和示波器I(I)組成。所述高壓功率放大器13輸入端與所述信號發(fā)生器14輸出端相連。通過所述信號發(fā)生器14調(diào)節(jié)電場參數(shù)，信號經(jīng)所述高壓功率放大器13進(jìn)行升壓后輸出。所述示波器I(I)通過同軸電纜分別與高壓功率放大器13電流和電壓監(jiān)測端口相連，用以監(jiān)測電壓及電流信號。
[0023]所述超聲波發(fā)生部，包括超聲波發(fā)生器7與示波器11(6)。通過調(diào)節(jié)所述超聲波發(fā)生器7改變所述超聲波發(fā)生部產(chǎn)生的超聲波參數(shù)。利用所述超聲波發(fā)生器7性能監(jiān)測端口與所述示波器II (6)相連，以監(jiān)超聲波性能參數(shù)。
[0024]所述高速攝像部，由高倍鏡頭4、高速攝像儀3、光源11、三維位移臺5和圖像采集計(jì)算機(jī)2組成。所述高速攝像儀3固定于三維位移臺5面上。所述高速攝像儀3與所述高倍鏡頭4相連，用以拍攝油中水滴微觀特征的高速演變過程。所述光源11提供所述高速攝像儀3拍攝時(shí)所需光強(qiáng)。所述圖像采集計(jì)算機(jī)2通過數(shù)據(jù)線與所述高速攝像儀3相連，用以觸發(fā)所述高速攝像儀3的采集功能并存儲高速攝像儀3記錄的圖片。所述高速攝像儀3與所述光源11相向分置于矩形樣槽兩側(cè)。所述高倍鏡頭4光學(xué)中心軸、所述高速攝像儀3感光芯片中心與所述光源11光學(xué)中心軸重合。
[0025]所述矩形樣槽，由矩形槽體10、電極板1(9)、電極板11(12)和超聲波換能器8組成。所述矩形槽體10用以盛裝透明油品。所述電極板1(9)與電極板11(12)相向粘附于所述矩形槽體10的前后兩側(cè)中心，所述電極板1(9)與高壓功率放大器13輸出端相連，所述電極板II
(12)與高壓功率放大器13共地，用以產(chǎn)生高強(qiáng)電場。所述超聲波換能器8粘附于所述矩形槽體10底部中心，用以產(chǎn)生超聲波場。
[0026]利用上述的測試裝置進(jìn)行超聲與電場協(xié)同作用下油中水滴微觀特征測試的方法，其特征在于包括以下步驟:
[0027]I)取一定體積的透明油品，注入矩形槽體10中，靜置以除去油品中的氣泡;超聲換能器發(fā)射出的超聲波在介質(zhì)中傳播，遇到油水自由界面時(shí)發(fā)生發(fā)射，形成與入射波頻率、振幅相同而傳播方向相反的反射波，為保證入射波與反射波疊加后的聲場為超聲駐波場，還需保證入射波與反射波相位差恒定，因此需控制油品加注高度1，其應(yīng)滿足下述公式:
[0028]I =nv/(2f) (a)
[0029]式(a)中，I為加注油品的高度，η為正整數(shù)，V為油品液體中的聲速，f為超聲波換能器(7)頻率；
[0030]2)打開光源11、高速攝像儀3及圖像采集計(jì)算機(jī)2，將高倍鏡頭4安裝于高速攝像儀3前端；
[0031 ] 3)于矩形槽體10正中間位置向透明油品中注入實(shí)驗(yàn)水滴；
[0032]4)調(diào)節(jié)三維位移臺5，使實(shí)驗(yàn)水滴清晰成像于圖像采集計(jì)算機(jī)2的圖像采集界面；
[0033]5)打開信號發(fā)生器14，根據(jù)預(yù)先要求的參數(shù)調(diào)節(jié)電場信號的波形、幅值、頻率和脈寬后輸出信號；
[0034]或者打開超聲波發(fā)生器7，根據(jù)預(yù)先要求調(diào)節(jié)聲場信號的波形、頻率及幅值；
[0035]或者同時(shí)打開信號發(fā)生器14和超聲波發(fā)生器7，根據(jù)預(yù)先要求的參數(shù)調(diào)節(jié)電場信號的波形、幅值、頻率和脈寬后輸出信號；以及聲場信號的波形、頻率及幅值；
[0036]6)開啟示波器I(I)和示波器11(12);
[0037]7)同時(shí)開啟高壓功率放大器13、超聲波發(fā)生器7的輸出開關(guān)，以及圖像采集計(jì)算機(jī)2，利用圖像采集計(jì)算機(jī)2及示波器I(I)和示波器11(2)同步采集電場或超聲波場作用下油中水滴運(yùn)移、變形、破裂、聚集及聚并等微觀特征的高速演變過程，以及電場和聲場參數(shù)；
[0038]8)改變透明油品及水滴的物理化學(xué)性質(zhì)，重復(fù)測試步驟I)?7)，從而評價(jià)不同油、水物理化學(xué)性質(zhì)對油中水滴微觀特征的影響。
[0039]其中，上述步驟5中可根據(jù)需要選擇進(jìn)行超聲或電場單場作用下油中水滴微觀特征的測試，只需單獨(dú)開啟超聲波發(fā)生部或高壓供電部即可，或者選擇超聲或電場復(fù)合場作用下油中水滴微觀特征的測試，其余測試步驟相同。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種超聲與電場作用下油中水滴微觀特征測試裝置，其特征在于包括由信號發(fā)生器(14)、高壓功率放大器(13)和示波器I(I)組成的高壓供電部，由超聲波發(fā)生器(7)與示波器11(6)組成的超聲波發(fā)生部，由高速攝像儀(3)、高倍鏡頭(4)、光源(II)、三維位移臺(5)和圖像采集計(jì)算機(jī)(2)組成的高速攝像部分，及由矩形槽體(10)、電極板1(9)、電極板11(12)和超聲波換能器(8)組成的矩形樣槽； 所述信號發(fā)生器(14)的輸出端連接于高壓功率放大器(13)的輸入端，通過所述信號發(fā)生器(14)調(diào)節(jié)電場參數(shù)，使信號發(fā)生器(14)的信號經(jīng)高壓功率放大器(13)進(jìn)行升壓后輸出，所述示波器I(I)通過同軸電纜分別與高壓功率放大器(13)電流和電壓監(jiān)測端口相連，以監(jiān)測電壓及電流信號； 所述矩形槽體(10)用以盛裝透明油品，所述電極板1(9)與電極板11(12)相向粘附于所述矩形槽體(10)前后兩側(cè)的中心位置，其中電極板1(9)與高壓功率放大器(13)輸出端相連，電極板11(12)與高壓功率放大器(13)共地，用以產(chǎn)生高強(qiáng)電場;所述超聲波換能器(8)粘附于所述矩形槽體(10)底部中心，用以產(chǎn)生超聲波場； 所述超聲波換能器(8)與所述超聲波發(fā)生器(7)相連，通過調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器(7)改變所產(chǎn)生的超聲波參數(shù)，所述示波器11(6)與超聲波發(fā)生器(7)性能監(jiān)測端口相連，以監(jiān)超聲波參數(shù)； 所述高速攝像儀(3)固定于三維位移臺(5)，并設(shè)有高倍鏡頭(4)，以拍攝矩形槽體(10)油品中水滴微觀特征的高速演變過程，所述光源(11)提供所述高速攝像儀(3)拍攝時(shí)所需光強(qiáng)，所述圖像采集計(jì)算機(jī)(2)通過數(shù)據(jù)線與所述高速攝像儀(3)相連，用以觸發(fā)所述高速攝像儀(3)的采集功能并存儲高速攝像儀(3)記錄的圖片;所述高速攝像儀(3)與所述光源(11)分置于矩形槽體(10)左右兩側(cè)，且高倍鏡頭(4)光學(xué)中心軸、高速攝像儀(3)感光芯片中心與所述光源(11)光學(xué)中心軸重合。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲與電場作用下油中水滴微觀特征測試裝置，其特征在于所述的超聲波換能器(7)為可拆卸式，以匹配超聲波發(fā)生器(6)產(chǎn)生的超聲波信號的頻率及功率。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲與電場作用下油中水滴微觀特征測試裝置，其特征在于所述的矩形槽體(10)為有機(jī)玻璃材質(zhì)，其頂部無蓋，外壁面標(biāo)示有刻度。4.利用權(quán)利要求1所述的測試裝置進(jìn)行超聲與電場協(xié)同作用下油中水滴微觀特征測試的方法，其特征在于包括以下步驟: 1)取一定體積的透明油品，注入矩形槽體(10)中，靜置以除去油品中的氣泡;加注油品高度應(yīng)滿足下述公式: I =nv/ (2f)(a) 式(a)中，I為加注油品的高度，η為正整數(shù)，V為油品液體中的聲速，f為超聲波換能器(7)頻率； 2)打開光源(11)、高速攝像儀(3)及圖像采集計(jì)算機(jī)(2)，將高倍鏡頭(4)安裝于高速攝像儀(3)前端； 3)于矩形槽體(1)正中間位置向透明油品中注入實(shí)驗(yàn)水滴； 4)調(diào)節(jié)三維位移臺(5)，使實(shí)驗(yàn)水滴清晰成像于圖像采集計(jì)算機(jī)(2)的圖像采集界面； 5)打開信號發(fā)生器(14)，根據(jù)預(yù)先要求的參數(shù)調(diào)節(jié)電場信號的波形、幅值、頻率和脈寬后輸出信號； 或者打開超聲波發(fā)生器(7)，根據(jù)預(yù)先要求調(diào)節(jié)聲場信號的波形、頻率及幅值； 或者同時(shí)打開信號發(fā)生器(14)和超聲波發(fā)生器(7)，根據(jù)預(yù)先要求的參數(shù)調(diào)節(jié)電場信號的波形、幅值、頻率和脈寬后輸出信號；以及聲場信號的波形、頻率及幅值； 6)開啟示波器I(I)和示波器11(12); 7)同時(shí)開啟高壓功率放大器(13)、超聲波發(fā)生器(7)的輸出開關(guān)，以及圖像采集計(jì)算機(jī)(2)，利用圖像采集計(jì)算機(jī)(2)及示波器I(I)和示波器11(2)同步采集電場或超聲波場作用下油中水滴運(yùn)移、變形、破裂、聚集及聚并等微觀特征的高速演變過程，以及電場和聲場參數(shù)； 8)改變透明油品及水滴的物理化學(xué)性質(zhì)，重復(fù)測試步驟I)?7)，從而評價(jià)不同油、水物理化學(xué)性質(zhì)對油中水滴微觀特征的影響。
【文檔編號】G01N21/84GK105891207SQ201610221326
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月11日
【發(fā)明人】羅小明, 閆海鵬, 曹聚航, 何利民, 呂宇玲
【申請人】中國石油大學(xué)(華東)