CN100381805C - 一种可调压力的外筒旋转可视同心圆筒流变仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调压力的外筒旋转可视同心圆筒流变仪。包括外筒旋转可视同心圆筒装置和压力调节筒。流变测量时，外圆筒旋转，内圆筒静止，受剪切的流体流动稳定，可避免因二次流导致流变参数测量的失真；压力调节筒的压力调节腔与流变仪的流体腔室是连通的，可以通过调节压力调节筒内的压力来改变被试验流体的环境压力，从而实现不同压力条件下流体的流变性能参数测量；旋转外圆筒采用耐压的透明材料，可在流变测量过程中，观测流体的流变现象。本发明可运用于水、液压油、硅油等不同粘度的流体流变性能的测量。它适用于高、低粘度流体的流体流变性能测量；可测量大、小剪切率条件下的流变参数。

Description

一种可调压力的外筒旋转可视同心圆筒流变仪

技术领域

本发明涉及流量的测量领域，尤其是涉及一种可调压力的外筒旋转可视同心圆筒流变仪。

背景技术

目前所使用的同心圆筒流变仪通常采用内圆筒旋转外圆筒静止的结构，该类流变仪产生的流动是典型的Couette流。当内筒的旋转速度达到一定值时，内圆筒与外圆筒之间的流动会产生二次流动，形成Taylor涡，这种二次流将导致测量所获得的力矩增加，使得流变仪的测量结果不准确。由于上述的原因，同心圆筒流变仪只能测量剪切率在数百S^-1以内的流变性能参数，而当剪切率增加时，由于所形成的二次流的程度加剧，流变测量结果更加失真。

图1及图2所示是已有的两种内筒旋转的同心圆筒流变仪的结构图。它们主要由：支架1、温度传感器2、密封圈3、注液口23、外剪切圆筒61、外剪切圆筒65、内旋转圆筒63、内旋转圆筒64、旋转轴62等组成。

旋转轴62与转速扭矩传感器(图中未示出)、旋转马达连接在一起，由旋转马达驱动内旋转圆筒的旋转，通过转速扭矩传感器测量旋转速度及扭矩。外剪切圆筒61与支架1固定在一起，温度传感器2用于测量流体的温度，注液口23用于向圆筒内注入被试验的流体。

内圆筒旋转，外圆筒固定时，内圆筒与外圆筒之间的流体受剪切力作用。通过测量转速、力矩等参数，结合内外圆筒的间隙，以及内外圆筒的半径，可以计算出被试验流体的粘度、剪切模量等流变参数。

对于内筒旋转的同心圆筒流变仪，存在的问题主要有三点：首先，在一定转速、小间隙或筒径大的条件下，极易产生二次流，导致流变性能测量结果失真。因此，无法测量高剪切率条件下的流变性能参数。其次，已有的内筒旋转的同心圆筒流变仪，不能测量不同环境压力条件下的流变性能参数。再次，已有的内筒旋转的同心圆筒流变仪，测量过程中，无法观测流体的流变状况。

对于高剪切率条件下流变参数的测量，目前普遍采用毛细管流变仪进行测量。毛细管流变仪是压力驱动型流变仪，它测量流变参数，是通过测量流量等参数，对流场进行计算，获得粘度等流变参数。采用毛细管流变仪，可以测量剪切率达10⁴S^-1条件下的粘度等流变参数。

对于毛细管流变仪，存在的问题主要有三点：首先，测量高分子流体时，毛细管内的流场易产生不稳定，导致通过测量流场计算所获得的结果不准确。毛细管流变仪测量时，受到压力变化这一复杂因素的影响。其次，毛细管流变仪制造技术难度大，成本高。再次，毛细管测量时，还有进口、出口压力校正问题，对于要求剪切率达数十万S^-1的流变参数，毛细管流变仪也难于测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种可调压力的外筒旋转可视同心圆筒流变仪，采用外圆筒旋转的同心圆筒来测量流变参数。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括外筒旋转可视同心圆筒装置和压力调节筒，其中：

1)外筒旋转可视同心圆筒装置：包括支架、温度传感器、定位座、透明外圆筒、旋转密封、剪切内筒、电机架、转速扭矩传感器、联轴器、旋转电机、轴和中心开有通孔的固定轴。支架中间安装固定轴，固定轴下端装有定位座，定位座上装有透明外圆筒，在透明外圆筒内的固定轴上装有下部为锥形的剪切内筒，透明外圆筒上装有电机架，露出在定位座下端外面的固定轴一侧装有温度传感器，另一侧开有注液口分别经固定轴内的流道与透明外圆筒下容腔连通，固定轴中心孔是经剪切内筒与透明外圆筒的上容腔连通，固定轴上端用销与轴连接，轴上依次装有转速扭矩传感器和联轴器，联轴器的另一端与与旋转电机连接；电机架上的电机转动带动透明外圆筒连同定位座转动，固定轴与定位座用旋转密封密封；

2)压力调节筒：包括压力表、缸体、活塞、螺旋副的活塞杆和手柄。活塞安装在缸体内，带螺旋副的活塞杆一端接活塞，活塞安装在缸体内，螺旋副的活塞杆的另一端接手柄，活塞的无杆腔经压力表经管路接压力调节口，压力调节口与固定轴上所开的中心孔连通。

所述的温度传感器、转速扭矩传感器和旋转电机均与计算机测控系统连接。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

1.流变测量时，外圆筒旋转，内圆筒静止，受剪切的流体流动稳定，可避免因二次流导致流变参数测量的失真。通过改变内筒的直径、外圆筒与内筒的间隙，能够测量较大剪切率(高达数十万S^-1)下流体的流变性能参数；

2.压力调节筒的压力调节腔与流变仪的流体腔室是连通的，可以通过调节压力调节筒内的压力来改变被试验流体的环境压力，从而实现不同压力条件下流体的流变性能参数测量；

3.旋转外圆筒采用耐压的透明材料，可在流变测量过程中，观测流体的流变现象；

4.旋转外圆筒、密封端盖、轴、转速扭矩传感器及旋转电机轴等是通过连轴器或销轴连接在一起的。

因此，本发明可运用于水、液压油、硅油等不同粘度的流体流变性能的测量。它既适用于高粘度流体的流体流变性能测量，也适用于低粘度流体的流体流变性能测量。既可测量小剪切率条件下的流变参数，也可大剪切率条件下的流变参数。

附图说明

图1是已有内筒旋转的同心圆筒流变仪的结构原理图；

图2是已有另一种内筒旋转的同心圆筒流变仪的结构原理图；

图3是本发明一种可调压力的外筒旋转可视同心圆筒流变仪的结构原理图；

图4是本发明一种可调压力的外筒旋转可视同心圆筒装置的结构图。

图中：1、支架，2、温度传感器，3、密封圈，4、定位座，5、透明外圆筒，6、旋转密封，7、剪切内筒，8、螺栓，9、密封圈，10、螺栓，11、电机架，12、转速扭矩传感器，13、轴承，14、连轴器，15、旋转电机，16、轴，17、螺钉，18、销，19、固定轴，20、紧定螺钉，21、密封圈，22、管路，23、注液口，25、三通，26、压力表，27、端盖，28、缸体，29、活塞，30、后盖，31、端面密封，32、活塞杆固定盖，33、螺钉，34、带螺旋副的活塞杆，35、手柄，36、销轴，37、活塞密封圈，39、压力调节缸筒，40、端盖固定螺栓，41，锁紧帽、42、密封盖，43、试验流体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图3、图4所示，本发明在支架1中间安装固定轴19，固定轴19下端装有定位座4，定位座4上装有透明外圆筒5，在透明外圆筒5内的固定轴19上装有下部为锥形的剪切内筒7，透明外圆筒5上装有电机架11，露出在定位座4下端外面的固定轴19一侧装有温度传感器2，另一侧开有注液口23分别经固定轴19内的流道与透明外圆筒5下容腔连通，固定轴19中心孔是经剪切内筒7与透明外圆筒5的上容腔连通，固定轴19上端用销18与轴16连接，轴16上依次装有转速扭矩传感器12和联轴器14，联轴器14的另一端与旋转电机15连接；电机架11上的电机转动带动透明外圆筒5连同定位座4转动，固定轴19与定位座4用旋转密封6密封。

密封圈3用于温度传感器2的密封，定位座4对透明外圆筒5起到定位作用，旋转密封6将固定轴9与定位座4间的间隙密封隔开，锁紧帽41将剪切内筒7锁紧在固定轴9上面，螺栓8将固定轴9与透明外圆筒5连接在一起，密封圈9将固定轴9与透明外圆筒5密封隔开，螺栓10把电机架11固定在支架1的上面，转速扭矩传感器12安装在固定在支架1的内腔，轴承13用于联轴器14、旋转电机15的轴、轴16的安装连接，螺钉17安装在电机架11的下面，起辅助支作用，销18将轴16与密封盖42连接在一起，紧定螺钉20将定位座4与明外圆筒5连接起来，密封圈21用于定位座4与明外圆筒5之间的密封，管路22把试验流体43的腔室与压力调节腔连接在一起，注液口23通常是关闭的，实验前用于注入实验流体43，压力表26通过三通25连接到管路22上，端盖27通过螺栓40连接到缸体28上，缸体内装有活塞29，后盖30、端面密封31通过螺栓固定到缸体28上，活塞杆固定盖32及带螺旋副的活塞杆34通过螺钉33固定到活塞29上，销轴36用来连接手柄35，活塞密封圈37安装在活塞上在上面，将活塞的左右两腔隔开，支架39把压力调节缸筒28支承起来，通过操作柄35，旋转带螺旋副的活塞杆34，可以移动活塞28，来实现实验流体43腔内压力的调节功能。

在图3中，连轴器14、转速扭矩传感器12及销18将旋转电机15、轴16及密封盖42连接在一起，螺栓8把密封盖42与透明外圆筒5固定起来，紧定螺钉20又把定位座4与透明外圆筒5固定在一起。旋转电机15转动，拖动透明外圆筒5转动。锁紧帽41把剪切内筒7与固定轴19锁紧，固定轴19固定在支架1上面，并处于静止状态。外圆筒的旋转，使得被试验的流体43受到旋转透明外圆筒5与静止剪切内筒7的剪切作用。

由端盖27、缸体28、活塞29、后盖30、端面密封31、活塞杆固定盖32、螺钉33、活塞杆34、手柄35、销轴36、活塞密封圈37、压力调节缸筒39、端盖固定螺栓40所构成的压力调节筒，用于试验流体43腔内的压力调节。通过手动摇动使带螺旋副的活塞杆34，可以使活塞29前进或后退，在活塞密封圈37的密封下，活塞29的前进或后退可以使得活塞29的图示右腔内的气压升高或降低。由于管路22把流体43所处的腔室与图示活塞29的右腔连接在一起，故图示活塞29右腔的气压升高或降低，同时使得流体43所处的腔室内的气压升高或降低。

三通25用于连接端盖27与管路22，压力表26可以显示管路22、压力调节筒及流体剪切腔室内的环境压力。

温度传感器2用于测量被试验流体的温度，注液口23用于向剪切流体腔室内注入被试验的流体。密封圈9、21及6起密封作用。

转速扭矩传感器12、温度传感器2及旋转电机15与计算机测控系统连接在一起，通过计算机控制旋转电机的不同旋转模式及速度，测量转速及扭矩，通过已知的间隙、圆筒直径等参数，计算机可以计算出所需要的不同剪切率条件下的流体流变性能参数。

如图3和图4所示。试验测试时，先完成不同转速、不同应变及不同频率条件下的系统标定。然后拆掉螺栓8，取掉密封圈9，卸掉图3所示中的销18，移开轴16，打开密封端盖，通过注液口23向外圆筒旋转同心圆筒流变仪的流体腔室42内注入被试验的流体到预定的高度，腔内的气体通过上端排出。注液时，应确保流体内的气泡排出。

流体注好后，装入密封圈9，用螺栓8将密封端盖封好。移回轴16，插好销18。完成管路22与试验测试装置及压力调节筒的正确连接，打开连接端盖27摇动手柄35，将活塞29退到预定的位置。关闭连接端盖27，摇动手柄35，调节被试验流体所需要的环境压力至设定值，调节过程中应观察压力表26的指针。完成计算机测控系统的参数设定，诸如：转速、应变量、扫描频率等等。启动试验测试程序，完成所需要条件下的流体流变性能参数的测量。测量结果通过计算显示终端显示，也可作保存复制等。

转速扭矩传感器12、温度传感器2及旋转电机15的相关测量参数输入计算机测控系统，计算机测控系统通过已知的间隙、圆筒直径及标定等参数，计算出所需要的不同剪切率条件下的流体流变性能参数，如：黏度、法向力、应变等。通过对试验过程中的观察，以及所拍的照片，可分析流体流变过程中的性状变化。

试验结束后，切断计算机测控系统的电源，摇动手柄35，将活塞29退到初始位置。拆掉螺栓8，取掉密封圈9，卸掉图3所示中的销18，移开轴16，卸掉密封端盖，将由透明外圆筒5、旋转密封6、剪切内筒7、螺栓8、密封圈9等组成的外筒旋转流变仪取出，把筒内的试验液体倒掉，并将内筒、外筒及固定轴等零部件清洗干净，并复装到原来的位置。

Claims (2)

1.一种可调压力的外筒旋转可视同心圆筒流变仪，其特征在于包括外筒旋转可视同心圆筒装置和压力调节筒，其中：

1)外筒旋转可视同心圆筒装置：包括支架(1)、温度传感器(2)、定位座(4)、透明外圆筒(5)、旋转密封(6)、剪切内筒(7)、电机架(11)、转速扭矩传感器(12)、联轴器(14)、旋转电机(15)、轴(16)和中心开有通孔的固定轴(19)；支架(1)中间安装固定轴(19)，固定轴(19)下端装有定位座(4)，定位座(4)上装有透明外圆筒(5)，在透明外圆筒(5)内的固定轴(19)上装有下部为锥形的剪切内筒(7)，透明外圆筒(5)上装有电机架(11)，露出在定位座(4)下端外面的固定轴(19)一侧装有温度传感器(2)，另一侧开有注液口(23)分别经固定轴(19)内的流道与透明外圆筒(5)下容腔连通，固定轴(19)中心孔是经剪切内筒(7)与透明外圆筒(5)的上容腔连通，固定轴(19)上端用销(18)与轴(16)连接，轴(16)上依次装有转速扭矩传感器(12)和联轴器(14)，联轴器(14)的另一端与旋转电机(15)连接；电机架(11)上的电机转动带动透明外圆筒(5)连同定位座(4)转动，固定轴(19)与定位座(4)用旋转密封(6)密封；

2)压力调节筒：包括压力表(26)、缸体(28)、活塞(29)、螺旋副的活塞杆(34)和手柄(35)；活塞(29)安装在缸体(28)内，带螺旋副的活塞杆(34)一端接活塞(29)，活塞(29)安装在缸体(28)内，螺旋副的活塞杆(34)的另一端接手柄(35)，活塞(29)的无杆腔经压力表(26)经管路接压力调节口，压力调节口与固定轴(19)上所开的中心孔连通。

2.根据权利要求1所述的一种可调压力的外筒旋转可视同心圆筒流变仪，其特征在于：所述的温度传感器(2)、转速扭矩传感器(12)和旋转电机(15)均与计算机测控系统连接。

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