旋转粘度计_流变仪的命名和分类

 旋转粘度计和旋转流变仪是两种性能不同的流变学测试仪器 。粘度计不具有动态特性, 只能测定样品在定常流动下的粘度。流变仪具有较好的动态特性,除了能测定样品的粘度之外,还可以测定样品在脉动流动下的触变性和粘弹性等动态流变特性。

旋转粘度计初期是按力矩传递装置(含测量头和测量杯或样品杯)的结构特点来命名和分类的, 如锥—板粘度计的力矩传递装置是由角度极钝的圆锥形测量头和平板形的样品杯组成 ,同轴圆筒粘度计的力矩传递装是由圆柱形的测量头和圆筒形的样品杯组成 ,圆锥 —圆锥粘度计的力矩传递装置是由锥体形的测量头和锥体形的样品杯组成 , 环—环粘度计的力矩传递装置是由环形测量头和环形样品杯组成 。

 

后来, 旋转粘度计/流变仪配备了几种 、十几种甚至五十余种结构不同的力矩传递装置, 如果仍按不同结构的力矩传递装置来命名 ,那么不仅会使一台仪器可有多种名称, 或者多种不同的仪器具有同一名称, 而且如此命名体现不出各类粘度计/流变仪之间的根本区别。因此按测量轴的支撑形式和控制变量来命名、分类流变仪就比较合理了 。

 

1　按测量轴的支撑形式命名和分类

旋转粘度计/流变仪的性能主要取决于测量轴(与测量头或样品杯相连接的转轴)的支撑形式 。根据测量轴支撑形式的不同,可分以下几类:

 

1.1　宝石支撑宝石轴承式粘度计

此类粘度计的结构与感应式单相电度表(俗称火表)相仿,转轴(即测量轴)的下端由锥形宝石轴承支撑 ,上端由定心罩支撑 。电磁部件(或驱动部件)的电流线圈和电压线圈所产生的交变磁通形成了移进磁场,使置于该磁场中的铝园盘感应出涡流。在涡流和磁通的作用下 ,铝园盘就产生了磁场移进方面的转动力矩 ,驱动转轴旋转 。

 

基于它的结构特点 , 出现了 6 项不利的因素。其一 ,锥形宝石轴承、定心罩和转轴之间的摩擦力矩很大, 而且与其转动方向相反的滑动摩擦力矩是随机的 ,无法定量扣除它所造成的测试误差。其二, 轴向负荷除了有铝园盘和加长了的转轴之外, 还有频繁装卸的测量头 ,加剧了轴尖的磨损,缩短了使用寿命。其三 ,依靠定心罩来定位与转轴滑动配合的锥形测量头 ,保证不了锥一板之间的准确距离、锥一板轴线的重合精度 ,从而增大了测试误差 。其四 ,因为锥形测量头与转轴是滑动配合 ,所以在测定粘弹性流体时 ,由于法向应力的作用而产生 weissenberg 效应(也称爬杆效应), 驱使测量头向上移动,加大了锥—板之间的距离 , 从而进一步增大了测试误差 。其五,无法实现稳定的低切变率 ,不能测定低切变率下的流体粘度。其六, 由于转动部分的转动惯量较大 ,来不及跟随转距瞬时值的变化 ,因此它不具有动态特性, 不能测定非牛顿流体的触变性和粘弹性 。此类粘度计由于样品杯是固定不动的, 因此便于加装温控系统 。

 

1.2 　弹性支撑扭簧式粘度计

此类粘度计测量轴的轴向负荷由弹簧片支撑 ,其经向负荷由通孔宝石轴承支撑, 以保持轴线垂直 。这里的簧片还承担粘性力矩的测量 。如采用软弹簧片可扭转 90゜ ;采用硬弹簧片的最大转角为 0.5゜ 。被扭转的弹簧片角度 , 就是粘度的直接量度 。该类粘度计不具有动态特性 ,只能测定流体的粘度。

 

1.3 　弹性支撑吊丝式粘度计

此类粘度计测量轴的轴向负荷由金属丝支撑 ,其经向负荷由通孔宝石轴承支撑, 以保持轴线垂直 。这里的吊丝主要起支撑作用 , 粘性力矩的测量由安装在测量轴上的力矩检测器承担。此种粘度计不具有动态特性 ,只能测定流体的粘度。粘度计在测试过程中吊丝易受损伤 ,需要防止出现过度的应力。

 

1.4 　弹性支撑悬丝式粘度计/流变仪

此类仪器测量轴的轴向负荷由金属丝支撑 ,其经向负荷由永磁磁力支撑 , 以保持测量轴的轴线垂直。这里的吊丝主要起轴向支撑作用, 粘性力矩由测量轴上的力矩检测系统承担 。由于消除了测量轴的径向摩擦,因此如果结构设计合理,加工精度满足要求 ,该类仪器可具有一定的动态特性 ,能测定非牛顿流体的储存模量G′等流变参数 。另外 ,测定低切变率的流体粘度 ,也比吊丝式粘度计准确。

 

1.5 　气膜压力支撑气浮式粘度计/流变仪

此类仪器测量轴的轴向和径向均由气膜压力支撑,测量轴就是静压空气轴承的转轴。粘性力矩由测量轴上的力矩测量系统承担 。气浮轴承的特点是无摩擦 , 寿命长 , 回转精度高。由空气轴承组成的力矩测量系统灵敏度高, 精确度高,并具有良好的动态特性 。气浮式流变仪既能准确地测定血液的低切变率下的表观粘度, 还能精细地描绘血液等非牛顿流体的触变性和粘弹性。

 

1.6　磁力支撑磁浮式粘度计/流变仪

此类仪器测量轴的轴向负荷和径向负荷均由磁力支撑,测量轴就是磁浮轴承的转轴 。粘性力矩由测量轴上的力矩检测系统承担。磁浮测量轴无摩擦 ,寿命长, 力矩测量系统具有动态特性 。磁浮式流变仪可以测定低切变率的血液表观粘度 ,也能测定血液的触变性和粘弹性等流变特性 。

 

磁浮与气浮相比较 ,省略了无油空气压缩机 、蓄压器和过滤减压阀等部件。磁浮支撑已经在陀螺仪表中应用 。但由于制造磁浮轴承(即三轴磁浮支撑)非常困难 ,因此磁浮式流变仪尚不见有商品出售 。

 

根据磁浮轴承所依托的磁力形成的方式不同,又可分成三种磁浮结构 。

 

1.6.1　永磁磁浮式粘度计/流变仪

 

此类仪器的磁浮轴承是基于永磁磁场所产生的磁力 ,其结构设计难度很大, 超精加工要求高。它的突出优点是不必引入电子线路。

 

1.6.2　无源磁浮式粘度计/流变仪

 

无源三轴磁浮支撑是通过调整激磁电路本身的品质因数等参数, 利用激磁电路谐振特性对电流的调整作用 ,以产生不平衡拉力使悬浮轴始终稳定在中间位置 。无源三轴磁浮支撑比较简单,体积也小,但其恢复力较小, 刚度较差。

 

1.6.3　有源磁浮粘度计/流变仪

 

有源三轴磁浮支撑是采用伺服回路, 通过连续或周期地测量磁浮轴的位置, 并将所测得的信号经放大后控制磁拉力的变化, 从而使悬浮轴稳定在规定的位置上。有源三轴磁浮支撑刚度好, 响应速度快, 但其结构复杂 ,体积较大 。