CN103134739B - 流体剪切力的测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种流体剪切力的测量装置及方法。该装置包括：中间测量体、前罩、后罩、前罩力传感器、后罩力传感器，所述前罩、前罩力传感器、中间测量体、后罩力传感器、后罩依次拼接形成一长杆形整体，前罩和后罩具有与中间测量体相同的横截面外廓形状及尺寸，前/后罩与中间测量体之间只通过前/后罩力传感器连接而不直接接触。使用该装置进行剪切力测量时，将其置于流体中并使中间测量体侧面的流体流动方向与其中心线平行，按公式τ=(Fbk‑Ffrnt)‑(Fbk0‑Ffrnt0) 计算中间测量体侧面对流体的剪切力大小。本发明提供的剪切力测量装置及方法，可以直接测得流体的剪切力大小，剪切力的测量准确可靠。

Description

流体剪切力的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及材料测试领域，尤其是高分子材料流变特性测试方法及装置。
背景技术
在流变特性测试中，材料的流变特性曲线（即剪切应力与剪切速率的关系曲线）是测试的核心目标之一，剪切应力及剪切力是测试的关键物理量。现有的常用毛细管流变仪中，剪切力及剪切应力主要是通过压力传感器测量流体在流道中的压力差、再对其进行数学转换来求得的。在数学换算与公式推导过程中，不可避免引入了一些理论抽象与假设（例如压力传感器测量处流体压力各向同性），导致了一定的剪切应力及剪切力测量误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直接测量流体剪切力的方法及其实现装置，避免在传统毛细管流变仪中求解流体剪切力时的数学转换、避免引入可能与实际不相符的假设，完成流体剪切力的准确测量，从而提升材料流变特性测试的准确性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
提供一种流体剪切力测量装置，尤其适用于高分子熔体或溶液，它包括：中间测量体、前罩、后罩、前罩力传感器、后罩力传感器，其特征在于：
a） 所述的中间测量体为一方柱形或圆柱形短杆，即中间测量体的横截面是圆形、矩形中的任意一种，所述前罩、前罩力传感器、中间测量体、后罩力传感器、后罩依次拼接形成一个长杆形整体；
b） 前罩和后罩具有与中间测量体相同的横截面外廓形状及尺寸，以遮挡住流向中间测量体前端面和后端面的流体，并且不妨碍中间测量体的侧面与流体的接触；
c） 前罩力传感器安装于前罩内，前罩与中间测量体之间通过前罩力传感器紧固连接，并且前罩与中间测量体之间只通过前罩力传感器连接、不直接接触，使得前罩力传感器测量出前罩与中间测量体之间的相互作用力；
d） 后罩力传感器安装于后罩内，后罩与中间测量体之间通过后罩力传感器紧固连接，并且后罩与中间测量体之间只通过后罩力传感器连接、不直接接触，使得后罩力传感器测量出后罩与中间测量体之间的相互作用力。
提供一种流体剪切力的测量方法，将上述剪切力测量装置置于流体中进行测量，其特征在于：
a） 流体相对于剪切力测量装置流动时，中间测量体侧面的流体流动方向与中间测量体的中心线平行；
b） 中间测量体侧面对流体的剪切力大小按公式Ft=(Fbk-Ffrnt)-(Fbk0-Ffrnt0)计算，式中Ft为流体对中间测量体侧面的切向粘力（大小与中间测量体侧面对流体的剪切力相等）、Fbk为后罩力传感器在流体流过剪切力测量装置时测量到的力值、Ffrnt为前罩力传感器在流体流过剪切力测量装置时测量到的力值、Fbk0为后罩力传感器在所述的剪切力测量装置周围没有流体流动时测量到的基准力值、Ffrnt0为前罩力传感器在所述的剪切力测量装置周围没有流体流动时测量到的基准力值。
上述剪切力测量方法中，所述的“流体相对于剪切力测量装置流动”是以下流动方式中的任意一种：
a） 剪切力测量装置固定不动，流体沿平行于中间测量体的中心线方向作直线运动；
b） 流体初始时不动，剪切力测量装置沿平行于中间测量体的中心线方向作直线运动，流体在剪切力测量装置的带动下流动。
上述剪切力测量方法中，所述的“直线运动”是单向直线运动、来回往复直线振动中的任意一种。
利用本发明提供的剪切力测量装置及方法进行剪切力测量，可以直接测得中间测量体对其侧面附近流体施加的剪切力大小，剪切力的测量准确可靠。本发明提供的流体剪切力测量装置及方法既可以实现压力流场中剪切力的测量、也可以实现拖曳流场中剪切力的测量，既可以实现稳态流变测试中剪切力的测量、也可以实现动态流变测试中剪切力的测量。
附图说明
图1为本发明的流体剪切力测量装置示意图。
图中：1、中间测量体；2、前罩力传感器；3、后罩力传感器；4、前罩；5、后罩；6、流体。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的具体实施方式。
一种流体剪切力测量装置，尤其适用于高分子熔体或溶液，它包括：中间测量体1、前罩4、后罩5、前罩力传感器2、后罩力传感器3，其特征在于：
a)所述中间测量体1为一根两端带有小连接结构的方柱形或圆柱形短杆，所述前罩4、前罩力传感器2、中间测量体1、后罩力传感器3、后罩5依次拼接形成一个紧固的长杆形整体；
b)前罩4和后罩5具有与中间测量体1相同的横截面外廓形状及尺寸，以遮挡住流向中间测量体1前端面和后端面的流体6，并且不妨碍中间测量体1的侧面与流动流体6的接触；
c)前罩力传感器2安装于前罩4内，前罩4与中间测量体1之间通过前罩力传感器2紧固连接，并且前罩4与中间测量体1之间只通过前罩力传感器2连接、不直接接触，使得前罩力传感器2测量出前罩4与中间测量体1之间的相互作用力；
d)后罩力传感器3安装于后罩5内，后罩5与中间测量体1之间通过后罩力传感器3紧固连接，并且后罩5与中间测量体1之间只通过后罩力传感器3连接、不直接接触，使得后罩力传感器3测量出后罩5与中间测量体1之间的相互作用力。
一种使用上述流体剪切力测量装置进行剪切力测量的方法：
1)首先，将上述长杆形剪切力测量装置固定于流体6流道的中央，并且沿流体6流动方向放置，使得中间测量体1侧面的流体6流动方向与中间测量体1的中心线平行；流动的流体6绕过前罩4流向中间测量体1的侧面、然后紧贴中间测量体1的侧面流过、最后紧贴后罩5的侧面流走；
2)然后，停止流体6的流动，记录前罩力传感器2与后罩力传感器3在剪切力测量装置周围没有流体6流动时的测量读数，作为基准力值Ffrnt0 与Fbk0；
3)接着，驱动流体6流动，记录前罩力传感器2与后罩力传感器3在流体6流过剪切力测量装置时测量到的力值，作为实时力值Ffrnt 与Fbk；
4)按公式
计算出中间测量体1侧面对流体6的剪切力大小，式中：Ft为流体6对中间测量体1侧面的切向粘力（大小与中间测量体1侧面对流体6的剪切力相等）、Fbk为后罩力传感器3在流体6流过剪切力测量装置时测量到的力值、Ffrnt为前罩力传感器2在流体6流过剪切力测量装置时测量到的力值、Fbk0为后罩力传感器3在所述的剪切力测量装置周围没有流体6流动时测量到的基准力值、Ffrnt0为前罩力传感器2在所述的剪切力测量装置周围没有流体6流动时测量到的基准力值。
使用前述剪切力测量装置进行剪切力测量，也可以按以下步骤具体实施：
1)首先，将前述剪切力测量装置固定于流体6流道的中央；
2)然后，在流体6流动时，记录前罩力传感器2与后罩力传感测量到的实时力值Ffrnt 与Fbk；
3)接着，停止流体6的流动，记录前罩力传感器2与后罩力传感器3测量到的基准力值Ffrnt0 与Fbk0；
4)按前述公式计算出中间测量体1侧面对流体6的剪切力大小。
使用前述剪切力测量装置进行剪切力测量，还可以按以下步骤具体实施：
1)首先，将前述剪切力测量装置置于静止不动的流体6中央；
2)然后，记录前罩力传感器2与后罩力传感器3测量到的基准力值Ffrnt0 与Fbk0；
3)接着，让剪切力测量装置沿着与中间测量体1中心线平行的方向进行直线运动，并带动周围的流体6流动；
4)在流体6流动时，记录前罩力传感器2与后罩力传感测量到的实时力值Ffrnt 与Fbk；
5)按前述公式计算出中间测量体1侧面对流体6的剪切力大小。
上述3)中“剪切力测量装置沿着与中间测量体1中心线平行的方向进行直线运动”的直线运动形式，既可以是单向直线运动、也可以是小幅度（例如振幅是中间测量体1长度的1/10）的直线振动。当剪切力测量装置在流体6中直线振动时，可以测量到流体6在动态条件下的剪切力，便于实现材料流变特性的动态测试。当然，剪切力测量装置固定于流体6流道的中央不动时，流体6在外力驱动下沿着与中间测量体1中心线平行的方向作来回往复直线流动，也可以完成流体6在动态条件下的剪切力测量，实现材料流变特性的动态测试。

Claims (1)

1.一种剪切力测量装置，适用于高分子熔体或溶液，它包括：中间测量体（1）、前罩（4）、后罩（5）、前罩力传感器（2）、后罩力传感器（3），其特征在于：
a) 所述的中间测量体（1）为一短杆，所述前罩（4）、前罩力传感器（2）、中间测量体（1）、后罩力传感器（3）、后罩（5）依次拼接形成一个长杆形整体；
b) 前罩（4）和后罩（5）具有与中间测量体（1）相同的横截面外廓形状及尺寸，以遮挡住流向中间测量体（1）前端面和后端面的流体（6），并且不妨碍中间测量体（1）的侧面与流体（6）的接触；
c) 前罩力传感器（2）安装于前罩（4）内，前罩（4）与中间测量体（1）之间通过前罩力传感器（2）紧固连接，并且前罩（4）与中间测量体（1）之间只通过前罩力传感器（2）连接、不直接接触，使得前罩力传感器（2）测量出前罩（4）与中间测量体（1）之间的相互作用力；
d) 后罩力传感器（3）安装于后罩（5）内，后罩（5）与中间测量体（1）之间通过后罩力传感器（3）紧固连接，并且后罩（5）与中间测量体（1）之间只通过后罩力传感器（3）连接、不直接接触，使得后罩力传感器（3）测量出后罩（5）与中间测量体（1）之间的相互作用力。
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