一種同軸圓筒流變儀流變測(cè)試數(shù)據(jù)的修正方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種同軸圓筒流變儀流變測(cè)試數(shù)據(jù)的修正方法，具體步驟如下：在同軸圓筒流變儀測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)放入被測(cè)試試樣；在設(shè)定模式下開展試驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)；引入剪切應(yīng)力的角加速度修正項(xiàng)來計(jì)算修正后同軸圓筒測(cè)量夾具邊界處的真實(shí)剪切應(yīng)力和修正后物料表觀粘度。本發(fā)明的有益效果是：引入扭矩修正項(xiàng)，考慮系統(tǒng)慣量(馬達(dá)轉(zhuǎn)子慣量和測(cè)量夾具慣量)的扭矩消耗，達(dá)到修正現(xiàn)有流變儀所采集的流變數(shù)據(jù)偏差，更準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)待測(cè)介質(zhì)的流變性。
【專利說明】
一種同軸圓筒流變儀流變測(cè)試數(shù)據(jù)的修正方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及同軸圓筒流變儀，具體涉及一種同軸圓筒流變儀流變測(cè)試數(shù)據(jù)的修正 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 旋轉(zhuǎn)流變儀作為流變測(cè)量的重要工具，其準(zhǔn)確測(cè)量將為工業(yè)及科研領(lǐng)域的物料流 變性研究提供一系列可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)流變測(cè)量，是通過旋轉(zhuǎn)流變儀采集系統(tǒng)采集測(cè) 量間隙邊界處的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)與流變參數(shù)間的力學(xué)響應(yīng)關(guān)系，換算而得相應(yīng)流 變參數(shù)(應(yīng)力、剪切速率、應(yīng)變等)的間接測(cè)量方法。
[0003] 目前，旋轉(zhuǎn)流變儀大多采用待測(cè)試樣穩(wěn)態(tài)剪切時(shí)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)與流變參數(shù)響應(yīng)關(guān) 系。但對(duì)于旋轉(zhuǎn)流變儀由靜止啟動(dòng)逐步達(dá)到設(shè)定剪切速率或剪切應(yīng)力瞬態(tài)過程、剪切過程 中剪速(應(yīng)力)變化造成的非穩(wěn)態(tài)過程，仍采用穩(wěn)態(tài)過程的響應(yīng)關(guān)系將無法獲得準(zhǔn)確的流變 參數(shù)。同時(shí)，受制于現(xiàn)有機(jī)械水平，流變儀馬達(dá)慣量、夾具慣量以及儀器響應(yīng)將加劇啟動(dòng)和 測(cè)量過程中的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。特別是對(duì)剪切歷史十分敏感的非牛頓流體(如粘彈性和觸變性 流體)的流變測(cè)試過程，啟動(dòng)初始和測(cè)量過程中的流變數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確將極大影響研究者對(duì)物 料流變性的判斷。針對(duì)旋轉(zhuǎn)流變儀在非穩(wěn)態(tài)流變測(cè)量中的失真現(xiàn)象，特提出一種新的途徑 和方法來解決這一失真現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能修正現(xiàn)有流變儀所采集的 流變數(shù)據(jù)偏差的同軸圓筒流變儀流變測(cè)試數(shù)據(jù)的修正方法，達(dá)到修正現(xiàn)有流變儀所采集的 流變數(shù)據(jù)偏差，更準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)待測(cè)介質(zhì)流變性的作用。
[0005] 為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種同軸圓筒流變儀流變測(cè)試數(shù)據(jù)的修正方法，具體步驟如下：
[0007] 步驟一:在同軸圓筒流變儀測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)放入待測(cè)試試樣；
[0008] 步驟二:在設(shè)定模式下開展試驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)；
[0009] 步驟三：引入剪切應(yīng)力的扭矩修正項(xiàng)來計(jì)算修正后流體剪切扭矩、修正后同軸圓 筒測(cè)量夾具邊界處的真實(shí)剪切應(yīng)力和真實(shí)瞬態(tài)粘度。
[0010] 進(jìn)一步地，所述步驟三的具體步驟如下：
[0011] 3-1)確定系統(tǒng)慣量；
[0012] 3-2)通過流變儀內(nèi)旋轉(zhuǎn)圓筒的高度計(jì)算應(yīng)力-扭矩轉(zhuǎn)換系數(shù)；
[0013] 3-3)通過系統(tǒng)慣量和旋轉(zhuǎn)角速度計(jì)算測(cè)量夾具邊界處的扭矩修正項(xiàng)；
[0014] 3-4)計(jì)算修正后流體剪切扭矩；
[0015] 3-5)計(jì)算修正后同軸圓筒測(cè)量夾具邊界處的真實(shí)剪切應(yīng)力和真實(shí)瞬態(tài)粘度。
[0016] 進(jìn)一步地，所述步驟3-1)中所述系統(tǒng)慣量1〇包括馬達(dá)慣量和測(cè)量夾具慣量。
[0017] 進(jìn)一步地，所述步驟3-2)中所述應(yīng)力-扭矩轉(zhuǎn)換系數(shù)CSS的計(jì)算公式為： (1)
[0019]其中，為測(cè)量夾具(旋轉(zhuǎn)圓筒)的外徑，H為旋轉(zhuǎn)圓筒的高度。
[0020]進(jìn)一步地，所述步驟3-3)中所述扭矩修正項(xiàng)e的計(jì)算公式為：
(2)
[0022]其中，《為旋轉(zhuǎn)圓筒的旋轉(zhuǎn)角速度。
[0023]進(jìn)一步地，所述步驟3-4)中所述流體剪切扭矩MshearS扭矩平衡關(guān)系推出計(jì)算公式 (3)：
[0024] Msh ear 一Mtest-￡ (3)
[0025] 其中，Mtest為馬達(dá)有效扭矩扣除馬達(dá)轉(zhuǎn)子空氣摩擦損耗扭矩?fù)p失而作用于測(cè)量夾 具的實(shí)際扭矩。
[0026] 進(jìn)一步地，所述測(cè)量夾具邊界處測(cè)得的剪切應(yīng)力itest的計(jì)算公式如下：
[0027] Itest = CssMtest (8)〇
[0028] 進(jìn)一步地，所述步驟3-5)中所述修正后同軸圓筒測(cè)量夾具邊界處的真實(shí)剪切應(yīng)力 >^1的計(jì)算公式如下：
[0029] Treal - CssMshear - T-test-CsS^ ( 4 )
[0030] 其中，Ttest為同軸圓筒側(cè)變儀測(cè)得的剪切應(yīng)力。
[0031] 所述步驟3-5)中所述瞬態(tài)粘度nreai的計(jì)算公式如下：
[0032] n,a" = Tmt iftcst (5)
[0033] ftrM = CSpnIesl
(7)
[0035] 其中，為同軸圓筒流變儀的實(shí)測(cè)剪速值，CSR為轉(zhuǎn)速-剪速轉(zhuǎn)換系數(shù);R2為靜止 外筒的內(nèi)徑，n test為實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速值。
[0036] 進(jìn)一步地，所述步驟3-5)中所述修正后物料表觀粘度nreai的計(jì)算公式如下：
(：9)
[0038]其中，ntest為測(cè)得的物料表觀粘度。
[0039] 進(jìn)一步地，所述馬達(dá)有效扭矩扣除馬達(dá)轉(zhuǎn)子空氣摩擦損耗扭矩?fù)p失而作用于測(cè)量 夾具的實(shí)際扭矩編^通過扭矩傳感器測(cè)得。
[0040] 本發(fā)明的工作原理是:在試驗(yàn)過程中，采集數(shù)據(jù)，并通過引入扭矩修正項(xiàng)修正旋轉(zhuǎn) 圓筒邊界處的剪切應(yīng)力和物料表觀粘度測(cè)試值，達(dá)到修正現(xiàn)有流變儀所采集的流變數(shù)據(jù)偏 差，更準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)待測(cè)介質(zhì)的流變性的作用。
[0041 ] -種旋轉(zhuǎn)流變儀錐板系統(tǒng)或平板系統(tǒng)流變測(cè)試數(shù)據(jù)的修正方法，具體步驟如下：
[0042] 步驟一:在旋轉(zhuǎn)流變儀錐板系統(tǒng)或平板系統(tǒng)內(nèi)放入待測(cè)試試樣；
[0043] 步驟二:在設(shè)定模式下開展試驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)；
[0044]步驟三：引入剪切應(yīng)力的扭矩修正項(xiàng)來計(jì)算修正后流體剪切扭矩、修正后旋轉(zhuǎn)流 變儀錐板系統(tǒng)或平板系統(tǒng)測(cè)量夾具邊界處的真實(shí)剪切應(yīng)力和真實(shí)瞬態(tài)粘度。
[0045] 本發(fā)明的有益效果是：
[0046] 充分考慮現(xiàn)有流變儀采集的流變數(shù)據(jù)偏差，引入扭矩修正項(xiàng)，考慮系統(tǒng)慣量(馬達(dá) 轉(zhuǎn)子慣量和測(cè)量夾具慣量)的扭矩消耗，達(dá)到修正現(xiàn)有流變儀所采集的流變數(shù)據(jù)偏差，更準(zhǔn) 確地認(rèn)識(shí)待測(cè)介質(zhì)的流變性。
【附圖說明】
[0047] 圖1是同軸圓筒流變儀測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際模型；
[0048] 圖2是兩無限大行平板模型簡化圖；
[0049]圖3是流變參數(shù)修正模塊結(jié)構(gòu)圖；
[0050]圖4是修正模塊處理流程圖；
[0051 ] 其中，1.電機(jī)，2.角加速度傳感器、3.扭矩傳感器、4.轉(zhuǎn)速-應(yīng)變測(cè)量光學(xué)傳感器， 5.旋轉(zhuǎn)軸，6.同軸圓筒轉(zhuǎn)子，7.靜止外筒，8.被測(cè)試試樣，9.信號(hào)控制與處理模塊，10.馬達(dá)-夾具同步鎖扣，11.角加速度采集處理模塊，12.實(shí)時(shí)應(yīng)力采集處理模塊，13.實(shí)時(shí)剪速采集 處理模塊，14.輸入/輸出數(shù)據(jù)處理及控制模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0052]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整的描述。
[0053] 實(shí)施例1
[0054] 圖1為旋轉(zhuǎn)流變儀同軸圓筒測(cè)試系統(tǒng)實(shí)際模型，圖2為兩無限大平行平板模型簡化 圖。圖1測(cè)量間隙的寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于測(cè)量夾具的高度，根據(jù)同軸圓筒內(nèi)流場(chǎng)的軸對(duì)稱性，進(jìn)一 步將模型簡化為流場(chǎng)沿徑向變化的一維瞬態(tài)模型，即圖2中兩無限大平板間的Couette(庫 愛特)流動(dòng)。并在圖2簡化模型中考慮系統(tǒng)慣量，建立了測(cè)量夾具邊界處的扭矩平衡關(guān)系。測(cè) 量間隙的邊界包括動(dòng)邊界與靜邊界，動(dòng)邊界在初始過程由靜止逐步達(dá)到穩(wěn)定，流場(chǎng)也由靜 止逐步發(fā)展并趨于穩(wěn)定。
[0055] 如圖1 一圖4所示，在同軸圓筒轉(zhuǎn)子6的旋轉(zhuǎn)軸5上設(shè)置角加速度傳感器2、扭矩傳感 器3和轉(zhuǎn)速-應(yīng)變測(cè)量光學(xué)傳感器4,同軸圓筒流變儀流變測(cè)試數(shù)據(jù)的修正方法，具體步驟如 下：
[0056] 1)在靜止外筒中放入待測(cè)試試樣8,放置好測(cè)量夾具，并采用馬達(dá)-夾具同步鎖扣 10固定夾具。
[0057] 2)通過信號(hào)控制與處理模塊9設(shè)定剪切模式及參數(shù)，控制馬達(dá)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。同步馬達(dá) 帶動(dòng)測(cè)量夾具旋轉(zhuǎn)，在測(cè)量夾具旋轉(zhuǎn)過程中，角加速度傳感器2、扭矩傳感器3、轉(zhuǎn)速-應(yīng)變測(cè) 量光學(xué)傳感器4根據(jù)數(shù)據(jù)采集控制中心9的指令采集數(shù)據(jù)。所采集的角加速度經(jīng)角加速度采 集處理模塊11判斷流體旋轉(zhuǎn)是否為非穩(wěn)態(tài)，若為非穩(wěn)態(tài)，則角加速度傳感器2、扭矩傳感器 3、轉(zhuǎn)速-應(yīng)變測(cè)量光學(xué)傳感器4自動(dòng)開啟高頻數(shù)據(jù)采集模式，所采集的數(shù)據(jù)分別在角加速度 采集處理模塊11，實(shí)時(shí)應(yīng)力采集處理模塊12,實(shí)時(shí)剪速采集處理模塊13中存儲(chǔ)。若為穩(wěn)態(tài)， 則開啟低頻數(shù)據(jù)采集模式，所采集的數(shù)據(jù)分別在角加速度采集處理模塊11，實(shí)時(shí)應(yīng)力采集 處理模塊12,實(shí)時(shí)剪速采集處理模塊13中各自存儲(chǔ)。
[0058] 3)經(jīng)角加速度傳感器2、扭矩傳感器3、轉(zhuǎn)速-應(yīng)變測(cè)量光學(xué)傳感器4采集的角加速 度、扭矩、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，在角加速度采集處理模塊11，實(shí)時(shí)應(yīng)力采集處理模塊12，實(shí)時(shí)剪速采集 處理模塊13中完成歸一化處理，并按照下式將扭矩?fù)Q算為應(yīng)力、將轉(zhuǎn)速換算為剪切速率。
[0059] Xtest = CssMtest (4)
[0060] 馬達(dá)施加的有效扭矩扣除馬達(dá)系統(tǒng)內(nèi)的摩擦損耗扭矩后，真實(shí)作用在測(cè)量夾具轉(zhuǎn) 子上的實(shí)際扭矩為Mtest，該值可由扭矩傳感器測(cè)得，作用于加速測(cè)量夾具旋轉(zhuǎn)和剪切流體。 因此，考慮系統(tǒng)慣量（馬達(dá)轉(zhuǎn)子慣量和測(cè)量夾具慣量）的扭矩消耗，可得測(cè)量夾具邊界心處 的扭矩平衡關(guān)系為公式(10)
10；
[0062]其中，1〇為系統(tǒng)慣量，包括馬達(dá)慣量和測(cè)量夾具慣量；《為測(cè)量夾具的旋轉(zhuǎn)角速 度;Ri為測(cè)量夾具(旋轉(zhuǎn)圓筒)邊界處;仏為測(cè)量夾具邊界辦處的真實(shí)剪切應(yīng)力；
[0063]瞬態(tài)粘度nreai的計(jì)算公式如下：
[0064] ?/,?,, = T,.,stIytest (5)
[0065] flesl = CSRn>est (6)
(7)
[0067] 其中，I為同軸圓筒流變儀的實(shí)測(cè)剪速值，CSR為轉(zhuǎn)速-剪速轉(zhuǎn)換系數(shù);此為靜止外 筒7的內(nèi)徑，ntest為實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速值。
[0068] 在旋轉(zhuǎn)流變儀內(nèi)
，Tte5St = CssMte3St，Css是剪切應(yīng)力與扭矩的換算系 數(shù)，則測(cè)量夾具邊界處的應(yīng)力公式為(11)。
[0073]其中，Css為扭矩-應(yīng)力轉(zhuǎn)換系數(shù);CSR為轉(zhuǎn)速-剪速轉(zhuǎn)換系數(shù)也為測(cè)量夾具(旋轉(zhuǎn)圓 筒）的外徑;R2為靜止外筒的內(nèi)徑;H為測(cè)量夾具(旋轉(zhuǎn)圓筒）的有效測(cè)量長度;Mtest為實(shí)測(cè)扭 矩值;ntest為實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速值;為實(shí)測(cè)應(yīng)力值;匕^為同軸圓筒流變儀的實(shí)測(cè)剪速值。
[0074] 4)經(jīng)角加速度采集處理模塊11，實(shí)時(shí)應(yīng)力采集處理模塊12,實(shí)時(shí)剪速采集處理模 塊13處理所得的角加速度、應(yīng)力和剪速，同步上傳至輸入/輸出數(shù)據(jù)處理及控制模塊14。計(jì) 算瞬態(tài)過程中由于馬達(dá)慣量造成的扭矩?fù)p失，根據(jù)公式(4)校準(zhǔn)實(shí)測(cè)應(yīng)力得出測(cè)量夾 具邊界處的真實(shí)剪切應(yīng)力Traai;
[0075]計(jì)算瞬態(tài)粘度= (5X
[0076] 實(shí)施例2
[0077] -種旋轉(zhuǎn)流變儀錐板系統(tǒng)或平板系統(tǒng)流變測(cè)試數(shù)據(jù)的修正方法，具體步驟如下：
[0078] 步驟一:在旋轉(zhuǎn)流變儀錐板系統(tǒng)或平板系統(tǒng)內(nèi)放入待測(cè)試試樣；
[0079] 步驟二:在設(shè)定模式下開展試驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)；
[0080] 步驟三：引入剪切應(yīng)力的扭矩修正項(xiàng)來計(jì)算修正后流體剪切扭矩、修正后旋轉(zhuǎn)流 變儀錐板系統(tǒng)或平板系統(tǒng)測(cè)量夾具邊界處的真實(shí)剪切應(yīng)力和真實(shí)瞬態(tài)粘度。
[0081] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種同軸圓筒流變儀流變測(cè)試數(shù)據(jù)的修正方法，其特征在于，具體步驟如下： 步驟一:在同軸圓筒流變儀測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)放入待測(cè)試試樣； 步驟二:在設(shè)定模式下開展試驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)； 步驟三：引入剪切應(yīng)力的扭矩修正項(xiàng)來計(jì)算修正后流體剪切扭矩、修正后同軸圓筒測(cè) 量夾具邊界處的真實(shí)剪切應(yīng)力和真實(shí)瞬態(tài)粘度。2. 如權(quán)利要求1所述的修正方法，其特征在于，所述步驟三的具體步驟如下： 3-1)確定系統(tǒng)慣量； 3-2)通過流變儀內(nèi)旋轉(zhuǎn)圓筒的高度計(jì)算應(yīng)力-扭矩轉(zhuǎn)換系數(shù)； 3-3)通過系統(tǒng)慣量和旋轉(zhuǎn)角速度計(jì)算測(cè)量夾具邊界處的扭矩修正項(xiàng)； 3-4)計(jì)算修正后流體剪切扭矩； 3-5)計(jì)算修正后同軸圓筒測(cè)量夾具邊界處的真實(shí)剪切應(yīng)力和真實(shí)瞬態(tài)粘度。3. 如權(quán)利要求2所述的修正方法，其特征在于，所述步驟3-1)中所述系統(tǒng)慣量1〇包括馬 達(dá)慣量和測(cè)量夾具慣量。4. 如權(quán)利要求2所述的修正方法，其特征在于，所述步驟3-2)中所述應(yīng)力-扭矩轉(zhuǎn)換系 數(shù)Css的計(jì)算公式為：其中，R:為測(cè)量夾具的外徑，Η為旋轉(zhuǎn)圓筒的高度。5. 如權(quán)利要求2所述的修正方法，其特征在于，所述步驟3-3)中所述扭矩修正項(xiàng)ε的計(jì) 算公式為：其中，ω為旋轉(zhuǎn)圓筒的旋轉(zhuǎn)角速度。6. 如權(quán)利要求2所述的修正方法，其特征在于，所述步驟3-4)中所述流體剪切扭矩Mshear 由扭矩平衡關(guān)系推出： Mshear - Mtest-￡ ( 3 ) 其中，Mtest為馬達(dá)有效扭矩扣除馬達(dá)轉(zhuǎn)子空氣摩擦損耗扭矩?fù)p失而作用于測(cè)量夾具的 實(shí)際扭矩。7. 如權(quán)利要求2所述的修正方法，其特征在于，所述步驟3-5)中所述修正后同軸圓筒測(cè) 量夾具邊界處的真實(shí)剪切應(yīng)力的計(jì)算公式如下： Treal - CssMshear-T-test-Css￡ ( 4 ) 其中，Tt(3St為旋轉(zhuǎn)圓筒邊界處測(cè)得的剪切應(yīng)力，Css為扭矩-應(yīng)力轉(zhuǎn)換系數(shù)。8. 如權(quán)利要求2所述的修正方法，其特征在于，所述步驟3-5)中所述瞬態(tài)粘度rireal的計(jì) 算公式如下：其中，為同軸圓筒流變儀測(cè)得剪切速率，CSR為轉(zhuǎn)速-剪速轉(zhuǎn)換系數(shù);R2為靜止外筒的 內(nèi)徑，ntest為實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速值。9. 如權(quán)利要求7所述的修正方法，其特征在于，所述步驟二中采集數(shù)據(jù)的方法是：由傳 感器采集，采集的角加速度經(jīng)一角加速度采集處理模塊判斷流體旋轉(zhuǎn)是否為非穩(wěn)態(tài)，若為 非穩(wěn)態(tài)，則角加速度傳感器、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速-應(yīng)變測(cè)量光學(xué)傳感器自動(dòng)開啟高頻數(shù)據(jù)采 集模式，所采集的數(shù)據(jù)分別在各自的模塊中存儲(chǔ);若為穩(wěn)態(tài)，則開啟低頻數(shù)據(jù)采集模式，并 在各自相應(yīng)的模塊中進(jìn)行存儲(chǔ)。10. -種旋轉(zhuǎn)流變儀錐板系統(tǒng)或平板系統(tǒng)流變測(cè)試數(shù)據(jù)的修正方法，其特征在于，具體 步驟如下： 步驟一:在旋轉(zhuǎn)流變儀錐板系統(tǒng)或平板系統(tǒng)內(nèi)放入待測(cè)試試樣； 步驟二:在設(shè)定模式下開展試驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)； 步驟三：引入剪切應(yīng)力的扭矩修正項(xiàng)來計(jì)算修正后流體剪切扭矩、修正后旋轉(zhuǎn)流變儀 錐板系統(tǒng)或平板系統(tǒng)測(cè)量夾具邊界處的真實(shí)剪切應(yīng)力和真實(shí)瞬態(tài)粘度。
【文檔編號(hào)】G01N11/14GK105928833SQ201610496688
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年6月29日
【發(fā)明人】劉剛, 徐睿妤, 陳雷, 許繼凱
【申請(qǐng)人】中國石油大學(xué)(華東)