一种同轴圆筒流变仪流变测试数据的修正方法
【专利摘要】本发明公开了一种同轴圆筒流变仪流变测试数据的修正方法，具体步骤如下：在同轴圆筒流变仪测试系统内放入被测试试样；在设定模式下开展试验，采集数据；引入剪切应力的角加速度修正项来计算修正后同轴圆筒测量夹具边界处的真实剪切应力和修正后物料表观粘度。本发明的有益效果是：引入扭矩修正项，考虑系统惯量(马达转子惯量和测量夹具惯量)的扭矩消耗，达到修正现有流变仪所采集的流变数据偏差，更准确地认识待测介质的流变性。
【专利说明】
一种同轴圆筒流变仪流变测试数据的修正方法
技术领域
[0001] 本发明涉及同轴圆筒流变仪，具体涉及一种同轴圆筒流变仪流变测试数据的修正 方法。
【背景技术】
[0002] 旋转流变仪作为流变测量的重要工具，其准确测量将为工业及科研领域的物料流 变性研究提供一系列可靠的基础数据。旋转流变测量，是通过旋转流变仪采集系统采集测 量间隙边界处的运动参数，根据运动参数与流变参数间的力学响应关系，换算而得相应流 变参数(应力、剪切速率、应变等)的间接测量方法。
[0003] 目前，旋转流变仪大多采用待测试样稳态剪切时的运动参数与流变参数响应关 系。但对于旋转流变仪由静止启动逐步达到设定剪切速率或剪切应力瞬态过程、剪切过程 中剪速(应力)变化造成的非稳态过程，仍采用稳态过程的响应关系将无法获得准确的流变 参数。同时，受制于现有机械水平，流变仪马达惯量、夹具惯量以及仪器响应将加剧启动和 测量过程中的非稳态流动。特别是对剪切历史十分敏感的非牛顿流体(如粘弹性和触变性 流体)的流变测试过程，启动初始和测量过程中的流变数据不准确将极大影响研究者对物 料流变性的判断。针对旋转流变仪在非稳态流变测量中的失真现象，特提出一种新的途径 和方法来解决这一失真现象。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种能修正现有流变仪所采集的 流变数据偏差的同轴圆筒流变仪流变测试数据的修正方法，达到修正现有流变仪所采集的 流变数据偏差，更准确地认识待测介质流变性的作用。
[0005] 为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种同轴圆筒流变仪流变测试数据的修正方法，具体步骤如下：
[0007] 步骤一:在同轴圆筒流变仪测试系统内放入待测试试样；
[0008] 步骤二:在设定模式下开展试验，采集数据；
[0009] 步骤三：引入剪切应力的扭矩修正项来计算修正后流体剪切扭矩、修正后同轴圆 筒测量夹具边界处的真实剪切应力和真实瞬态粘度。
[0010] 进一步地，所述步骤三的具体步骤如下：
[0011] 3-1)确定系统惯量；
[0012] 3-2)通过流变仪内旋转圆筒的高度计算应力-扭矩转换系数；
[0013] 3-3)通过系统惯量和旋转角速度计算测量夹具边界处的扭矩修正项；
[0014] 3-4)计算修正后流体剪切扭矩；
[0015] 3-5)计算修正后同轴圆筒测量夹具边界处的真实剪切应力和真实瞬态粘度。
[0016] 进一步地，所述步骤3-1)中所述系统惯量1〇包括马达惯量和测量夹具惯量。
[0017] 进一步地，所述步骤3-2)中所述应力-扭矩转换系数CSS的计算公式为： (1)
[0019]其中，为测量夹具(旋转圆筒)的外径，H为旋转圆筒的高度。
[0020]进一步地，所述步骤3-3)中所述扭矩修正项e的计算公式为：
(2)
[0022]其中，《为旋转圆筒的旋转角速度。
[0023]进一步地，所述步骤3-4)中所述流体剪切扭矩MshearS扭矩平衡关系推出计算公式 (3)：
[0024] Msh ear 一Mtest-￡ (3)
[0025] 其中，Mtest为马达有效扭矩扣除马达转子空气摩擦损耗扭矩损失而作用于测量夹 具的实际扭矩。
[0026] 进一步地，所述测量夹具边界处测得的剪切应力itest的计算公式如下：
[0027] Itest = CssMtest (8)〇
[0028] 进一步地，所述步骤3-5)中所述修正后同轴圆筒测量夹具边界处的真实剪切应力 >^1的计算公式如下：
[0029] Treal - CssMshear - T-test-CsS^ ( 4 )
[0030] 其中，Ttest为同轴圆筒侧变仪测得的剪切应力。
[0031] 所述步骤3-5)中所述瞬态粘度nreai的计算公式如下：
[0032] n,a" = Tmt iftcst (5)
[0033] ftrM = CSpnIesl
(7)
[0035] 其中，为同轴圆筒流变仪的实测剪速值，CSR为转速-剪速转换系数;R2为静止 外筒的内径，n test为实测转速值。
[0036] 进一步地，所述步骤3-5)中所述修正后物料表观粘度nreai的计算公式如下：
(：9)
[0038]其中，ntest为测得的物料表观粘度。
[0039] 进一步地，所述马达有效扭矩扣除马达转子空气摩擦损耗扭矩损失而作用于测量 夹具的实际扭矩編^通过扭矩传感器测得。
[0040] 本发明的工作原理是:在试验过程中，采集数据，并通过引入扭矩修正项修正旋转 圆筒边界处的剪切应力和物料表观粘度测试值，达到修正现有流变仪所采集的流变数据偏 差，更准确地认识待测介质的流变性的作用。
[0041 ] -种旋转流变仪锥板系统或平板系统流变测试数据的修正方法，具体步骤如下：
[0042] 步骤一:在旋转流变仪锥板系统或平板系统内放入待测试试样；
[0043] 步骤二:在设定模式下开展试验，采集数据；
[0044]步骤三：引入剪切应力的扭矩修正项来计算修正后流体剪切扭矩、修正后旋转流 变仪锥板系统或平板系统测量夹具边界处的真实剪切应力和真实瞬态粘度。
[0045] 本发明的有益效果是：
[0046] 充分考虑现有流变仪采集的流变数据偏差，引入扭矩修正项，考虑系统惯量(马达 转子惯量和测量夹具惯量)的扭矩消耗，达到修正现有流变仪所采集的流变数据偏差，更准 确地认识待测介质的流变性。
【附图说明】
[0047] 图1是同轴圆筒流变仪测试系统的实际模型；
[0048] 图2是两无限大行平板模型简化图；
[0049]图3是流变参数修正模块结构图；
[0050]图4是修正模块处理流程图；
[0051 ] 其中，1.电机，2.角加速度传感器、3.扭矩传感器、4.转速-应变测量光学传感器， 5.旋转轴，6.同轴圆筒转子，7.静止外筒，8.被测试试样，9.信号控制与处理模块，10.马达-夹具同步锁扣，11.角加速度采集处理模块，12.实时应力采集处理模块，13.实时剪速采集 处理模块，14.输入/输出数据处理及控制模块。
【具体实施方式】
[0052]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整的描述。
[0053] 实施例1
[0054] 图1为旋转流变仪同轴圆筒测试系统实际模型，图2为两无限大平行平板模型简化 图。图1测量间隙的宽度远远小于测量夹具的高度，根据同轴圆筒内流场的轴对称性，进一 步将模型简化为流场沿径向变化的一维瞬态模型，即图2中两无限大平板间的Couette(库 爱特)流动。并在图2简化模型中考虑系统惯量，建立了测量夹具边界处的扭矩平衡关系。测 量间隙的边界包括动边界与静边界，动边界在初始过程由静止逐步达到稳定，流场也由静 止逐步发展并趋于稳定。
[0055] 如图1 一图4所示，在同轴圆筒转子6的旋转轴5上设置角加速度传感器2、扭矩传感 器3和转速-应变测量光学传感器4,同轴圆筒流变仪流变测试数据的修正方法，具体步骤如 下：
[0056] 1)在静止外筒中放入待测试试样8,放置好测量夹具，并采用马达-夹具同步锁扣 10固定夹具。
[0057] 2)通过信号控制与处理模块9设定剪切模式及参数，控制马达电机转动。同步马达 带动测量夹具旋转，在测量夹具旋转过程中，角加速度传感器2、扭矩传感器3、转速-应变测 量光学传感器4根据数据采集控制中心9的指令采集数据。所采集的角加速度经角加速度采 集处理模块11判断流体旋转是否为非稳态，若为非稳态，则角加速度传感器2、扭矩传感器 3、转速-应变测量光学传感器4自动开启高频数据采集模式，所采集的数据分别在角加速度 采集处理模块11，实时应力采集处理模块12,实时剪速采集处理模块13中存储。若为稳态， 则开启低频数据采集模式，所采集的数据分别在角加速度采集处理模块11，实时应力采集 处理模块12,实时剪速采集处理模块13中各自存储。
[0058] 3)经角加速度传感器2、扭矩传感器3、转速-应变测量光学传感器4采集的角加速 度、扭矩、转速数据，在角加速度采集处理模块11，实时应力采集处理模块12，实时剪速采集 处理模块13中完成归一化处理，并按照下式将扭矩换算为应力、将转速换算为剪切速率。
[0059] Xtest = CssMtest (4)
[0060] 马达施加的有效扭矩扣除马达系统内的摩擦损耗扭矩后，真实作用在测量夹具转 子上的实际扭矩为Mtest，该值可由扭矩传感器测得，作用于加速测量夹具旋转和剪切流体。 因此，考虑系统惯量（马达转子惯量和测量夹具惯量）的扭矩消耗，可得测量夹具边界心处 的扭矩平衡关系为公式(10)
10；
[0062]其中，1〇为系统惯量，包括马达惯量和测量夹具惯量；《为测量夹具的旋转角速 度;Ri为测量夹具(旋转圆筒)边界处;仏为测量夹具边界办处的真实剪切应力；
[0063]瞬态粘度nreai的计算公式如下：
[0064] ?/,?,, = T,.,stIytest (5)
[0065] flesl = CSRn>est (6)
(7)
[0067] 其中，I为同轴圆筒流变仪的实测剪速值，CSR为转速-剪速转换系数;此为静止外 筒7的内径，ntest为实测转速值。
[0068] 在旋转流变仪内
，Tte5St = CssMte3St，Css是剪切应力与扭矩的换算系 数，则测量夹具边界处的应力公式为(11)。
[0073]其中，Css为扭矩-应力转换系数;CSR为转速-剪速转换系数也为测量夹具(旋转圆 筒）的外径;R2为静止外筒的内径;H为测量夹具(旋转圆筒）的有效测量长度;Mtest为实测扭 矩值;ntest为实测转速值;为实测应力值;匕^为同轴圆筒流变仪的实测剪速值。
[0074] 4)经角加速度采集处理模块11，实时应力采集处理模块12,实时剪速采集处理模 块13处理所得的角加速度、应力和剪速，同步上传至输入/输出数据处理及控制模块14。计 算瞬态过程中由于马达惯量造成的扭矩损失，根据公式(4)校准实测应力得出测量夹 具边界处的真实剪切应力Traai;
[0075]计算瞬态粘度= (5X
[0076] 实施例2
[0077] -种旋转流变仪锥板系统或平板系统流变测试数据的修正方法，具体步骤如下：
[0078] 步骤一:在旋转流变仪锥板系统或平板系统内放入待测试试样；
[0079] 步骤二:在设定模式下开展试验，采集数据；
[0080] 步骤三：引入剪切应力的扭矩修正项来计算修正后流体剪切扭矩、修正后旋转流 变仪锥板系统或平板系统测量夹具边界处的真实剪切应力和真实瞬态粘度。
[0081] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种同轴圆筒流变仪流变测试数据的修正方法，其特征在于，具体步骤如下： 步骤一:在同轴圆筒流变仪测试系统内放入待测试试样； 步骤二:在设定模式下开展试验，采集数据； 步骤三：引入剪切应力的扭矩修正项来计算修正后流体剪切扭矩、修正后同轴圆筒测 量夹具边界处的真实剪切应力和真实瞬态粘度。2. 如权利要求1所述的修正方法，其特征在于，所述步骤三的具体步骤如下： 3-1)确定系统惯量； 3-2)通过流变仪内旋转圆筒的高度计算应力-扭矩转换系数； 3-3)通过系统惯量和旋转角速度计算测量夹具边界处的扭矩修正项； 3-4)计算修正后流体剪切扭矩； 3-5)计算修正后同轴圆筒测量夹具边界处的真实剪切应力和真实瞬态粘度。3. 如权利要求2所述的修正方法，其特征在于，所述步骤3-1)中所述系统惯量1〇包括马 达惯量和测量夹具惯量。4. 如权利要求2所述的修正方法，其特征在于，所述步骤3-2)中所述应力-扭矩转换系 数Css的计算公式为：其中，R:为测量夹具的外径，Η为旋转圆筒的高度。5. 如权利要求2所述的修正方法，其特征在于，所述步骤3-3)中所述扭矩修正项ε的计 算公式为：其中，ω为旋转圆筒的旋转角速度。6. 如权利要求2所述的修正方法，其特征在于，所述步骤3-4)中所述流体剪切扭矩Mshear 由扭矩平衡关系推出： Mshear - Mtest-￡ ( 3 ) 其中，Mtest为马达有效扭矩扣除马达转子空气摩擦损耗扭矩损失而作用于测量夹具的 实际扭矩。7. 如权利要求2所述的修正方法，其特征在于，所述步骤3-5)中所述修正后同轴圆筒测 量夹具边界处的真实剪切应力的计算公式如下： Treal - CssMshear-T-test-Css￡ ( 4 ) 其中，Tt(3St为旋转圆筒边界处测得的剪切应力，Css为扭矩-应力转换系数。8. 如权利要求2所述的修正方法，其特征在于，所述步骤3-5)中所述瞬态粘度rireal的计 算公式如下：其中，为同轴圆筒流变仪测得剪切速率，CSR为转速-剪速转换系数;R2为静止外筒的 内径，ntest为实测转速值。9. 如权利要求7所述的修正方法，其特征在于，所述步骤二中采集数据的方法是：由传 感器采集，采集的角加速度经一角加速度采集处理模块判断流体旋转是否为非稳态，若为 非稳态，则角加速度传感器、扭矩传感器、转速-应变测量光学传感器自动开启高频数据采 集模式，所采集的数据分别在各自的模块中存储;若为稳态，则开启低频数据采集模式，并 在各自相应的模块中进行存储。10. -种旋转流变仪锥板系统或平板系统流变测试数据的修正方法，其特征在于，具体 步骤如下： 步骤一:在旋转流变仪锥板系统或平板系统内放入待测试试样； 步骤二:在设定模式下开展试验，采集数据； 步骤三：引入剪切应力的扭矩修正项来计算修正后流体剪切扭矩、修正后旋转流变仪 锥板系统或平板系统测量夹具边界处的真实剪切应力和真实瞬态粘度。
【文档编号】G01N11/14GK105928833SQ201610496688
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】刘刚, 徐睿妤, 陈雷, 许继凯
【申请人】中国石油大学(华东)