CN104246473A - 求出流体的剪切速率的方法、其程序及装置 - Google Patents

Abstract

提出通过新的方法求出流体的剪切速率，并提供其程序及装置。关于通过具备线圈(2b)的电磁驱动部(2)使浸渍在试样液(9)中的一对振子(1、1)振动、在线圈(2b)中流过驱动电流以使振子(1)的振幅成为设定的振幅值、测量上述驱动电流来计算试样液(9)的粘度的音叉振动式粘度计，具有：粘度取得工序(S1)，取得试样液(9)的粘度η；驱动力取得工序(S2)，根据驱动电流I求出振子的液体接触部中心处的驱动力F；和剪切应力取得工序(S3)，根据驱动力F和振子的液体接触面积A求出作用在试样液的剪切应力S；根据剪切应力S与粘度η的比求出剪切速率D(S4)。

Description

求出流体的剪切速率的方法、其程序及装置

技术领域

本发明涉及求出关于流体的物性评价的剪切速率的方法，特别涉及流体的剪切速率的计算方法、其程序及装置。

背景技术

已知如图1所示，在正交坐标的流体空间中在x方向上配置两片平行的平板P和平板Q，使用将平板P固定使平板Q在x方向上以一定速度运动的情况下的速度梯度即剪切速率D、和因为该速度的差而产生的、在与平板PQ间的流动方向平行的平面上每单位面积作用的摩擦力即剪切应力S，用式(1)表示作为对于评价流体的物性重要的要素即粘度η。式(1)意味着，求出流体的粘度η作为在流体中产生的剪切应力S与剪切速率D的比。

η＝S/D…(1)

这里，特别在因剪切速率D变化而粘度η变化的非牛顿流体中，由于使剪切速率D变化时的流体的动态变化，所以在该流体的物性设计上，剪切速率的测量是不可或缺的，并成为想要与粘度的测量一起取得的值。

而作为评价流体的物性的装置，以往以来利用毛细管式、落体式、旋转式、振动式的粘度计。

毛细管式通过计测试样液在一定的流路中流动的时间来进行粘度的测量。落体式根据试样液中的金属球的落下时间进行粘度的测量。因此，哪种方式都根据时间间接地测量粘度，所以是不能求出剪切速率的测量方法。

接着，在振动式中，由于振子在试样液中往复运动，所以对流体施加的剪切速率相对于时间变化不为一定值。因此，被认知为不能决定剪切速率的测量方法(关于音叉振动式参照专利文献1及专利文献2，关于旋转振动式参照非专利文献1)。

接着，在旋转式中，测量转子在试样液中维持一定的转速所需要的转矩而求出粘度，根据转子的转速与剪切速率成比例的考虑方式来决定剪切速率。

具体而言，在锥－板式旋转粘度计中，如图2所示，在使平板31静止的状态下，当使浸渍在试样液9中的圆锥旋转体32(转子)以转速N[rpm]旋转时，如果设旋转体32的半径为R，则在试样液9中产生的剪切速率D在任意的半径r下为式(2)，剪切速率D与r无关，在圆锥面的哪个位置都根据转速N和圆锥角φ求出(非专利文献2)。

D＝(2πNr/60)×(1/rφ)＝(2πN/60)×(1/φ)…(2)

在共轴二重圆筒型旋转粘度计中，如图3所示，在使外筒33静止的状态下，当使浸渍在试样液9中的内筒34(转子)以转速N[rpm]旋转时，如果设外筒33的半径为Rc、内筒34的半径为Rb、高度为h，则在试样液9中产生的剪切速率D为式(3)，剪切速率D根据转速N和圆锥角φ求出(非专利文献2)。

D＝0.2094N/{1－(Rb/Rc)2}…(3)

即，旋转式中，剪切速率根据转子的转速N和转子的形状φ或Rb、Rc求出，所以被认知为求出剪切速率的测量方法。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平5－149861号公报

专利文献2：日本特开平2005－9862号公报

非专利文献

非专利文献1：JIS Z8803(2011年)

非专利文献2：流变学用语解说东机产业主页

发明内容

发明要解决的课题

但是，即使是求出剪切速率的旋转式粘度计，如上述那样，剪切速率也只不过根据粘度计装置的几何学的形状和转子的转速假定地求出。即，存在并没有得到反映流体的实际的动态的理想的值的问题。

本发明为了解决以往技术的问题，想要通过提出通过新的方法求出流体的剪切速率、同时提供其程序及装置，来贡献于更接近于现实的流体的物性解析。

用于解决发明的手段

为了达到上述目的，在技术方案1中，提供一种音叉振动式粘度计的、求出在试样液中产生的剪切速率的方法，所述音叉振动式粘度计通过具备线圈的电磁驱动部使浸渍在试样液中的一对振子振动，在上述线圈中流过驱动电流，以使上述振子的振幅成为设定的振幅值，测量上述驱动电流而计算试样液的粘度，其特征在于，具有：粘度取得工序，取得试样液的粘度η；驱动力取得工序，根据驱动电流I求出振子的液体接触部中心处的驱动力F；和剪切应力取得工序，根据驱动力F和振子的液体接触面积A求出作用在试样液上的剪切应力S；根据剪切应力S和粘度η的比求出剪切速率D。

在技术方案2中，在技术方案1所记载的剪切速率的测量方法中，其特征在于，上述驱动力取得工序根据以下工序求出振子的液体接触部中心处的驱动力F：第一工序，根据磁通密度B、驱动电流I及线圈长度L的积，求出在上述电磁驱动部产生的力F1；第二工序，用以作为振子的支点的板簧的最薄壁部中心为基准、到电磁驱动部中心的距离与到振子的液体接触部中心的距离的比α除在电磁驱动部产生的力F1。

在技术方案3中，提供一种音叉振动式粘度计，通过具备线圈的电磁驱动部使浸渍在试样液中的一对振子振动，在上述线圈中流过驱动电流，以使上述振子的振幅成为所设定的振幅值，测量上述驱动电流而计算试样液的粘度，其特征在于，具有：粘度取得机构，取得试样液的粘度η；驱动力取得机构，根据驱动电流I求出振子的液体接触部中心处的驱动力F；和剪切应力取得机构，根据驱动力F和振子的液体接触面积A求出作用在试样液的剪切应力S；根据剪切应力S和粘度η的比求出剪切速率D。

在技术方案4中，其特征在于，将技术方案1或2所述的剪切速率的测量方法用计算机程序记载，并使该计算机程序能够执行。

在技术方案5中，提供一种旋转式粘度计的、求出在试样液中产生的剪切速率的方法，所述旋转式粘度计用浸渍在试样液中的转子使试样液以层流状态旋转流动，并测量转子在试样液中维持一定的转速所需要的转矩τ，从而计算出试样液的粘度，其特征在于，具有：粘度取得工序，取得试样液的粘度η；和剪切应力取得工序，取得测量出的上述转矩值作为作用在试样液上的剪切应力S；根据剪切应力S和粘度η的比求出剪切速率D。

在技术方案6中，提供一种旋转式粘度计的、求出在试样液中产生的剪切速率的方法，所述旋转式粘度计使浸渍在试样液中的一个圆筒状振子在旋转方向上共振，并测量该振子维持一定的振幅所需要的转矩τ，从而计算出试样液的粘度，其特征在于，具有：粘度取得工序，取得试样液的粘度η；剪切应力取得工序，取得测量出的上述转矩值作为作用在试样液上的剪切应力S；根据剪切应力S和粘度η的比求出剪切速率D。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种在旋转式、旋转振动式特别是音叉振动式的粘度计中、根据实测值求出流体的剪切速率的新的方法，在音叉振动式的粘度计中，通过同时提供其程序及装置，能够贡献于不取决于装置的几何学的形状的、反映流体的动态的、更接近于现实的流体的物性解析。

附图说明

图1是导出粘度的定义式的示意图。

图2是锥－板型旋转式粘度计的测量部的概略图。

图3是共轴二重圆筒型旋转式粘度计的测量部的概略图。

图4是有关本实施例的音叉振动式粘度计的结构图。

图5是同音叉振动式粘度计的控制驱动系统的块图。

图6是有关本发明的音叉振动式粘度计的剪切速率测量的流程图。

图7是显示用该粘度计测量牛顿流体时的剪切速率与剪切应力之间的关系的曲线图。

图8是显示用该粘度计测量非牛顿流体时的剪切速率与剪切应力之间的关系的曲线图。

图9是显示用该粘度计测量多个牛顿流体时的剪切速率与粘度的关系的曲线图。

图10是旋转振动式粘度计的测量部的概略图。

图11是有关本发明的旋转式粘度计及旋转振动式粘度计中所共通的剪切速率测量方法的流程图。

具体实施方式

接着，对本发明的优选的实施方式进行说明。

图4是有关本发明的音叉振动式粘度计的结构图，是粘度计主体中的驱动机构部10的结构概略图。粘度计主体及驱动机构部10的详细的结构记载在专利文献2中。

驱动机构部10中，标号1、1是浸渍到试样液9中的一对振子，由陶瓷部件或金属部件等薄壁平板状的板材形成，在前端设有圆形状的扩大部。该扩大部为与试样液9的液体接触部1a。一对振子1、1配置为，使厚度方向的中心轴在试样液9中位于同一平面上。

标号7是填充有试样液的容器，标号3是温度传感器。标号4、4是在前端固设有振子1、1的板簧，标号8是将板簧4、4固定的中央支承部件，构成为，将振子1、1以一定的深度浸在容器7内的试样液中。

标号2b是电磁线圈，标号2a是铁素体磁铁，构成为，通过由电磁线圈2b和铁素体磁铁2a构成的移动磁铁方式的电磁驱动部2，设在板簧4、4的前端的振子1、1以设定的振幅值振动。标号5是涡电流损失检测非接触型的位移传感器，测量振子1、1的振幅值。

接着，图5是有关本发明的音叉振动式粘度计的控制驱动系的块图。

标号12是PWM调制电路，标号13是正弦波发生电路，标号14是比较器，标号15是控制器，标号16是I/V转换器，标号17、19是A/D转换器，标号18是运算处理部。

浸渍在试样液9中的振子1、1被从运算处理部18给出驱动信号，从而以设定的振幅值振动，经由正弦波生成电路13生成的驱动电流被通电到电磁驱动部2的电磁线圈2b中，而对板簧4、4施加。由此，振子1、1以逆相位振动，形成共振状态。由位移传感器5检测出该振子1、1的振幅值，在输入有被检测出的振幅值的信号的比较器14中与设定振幅值比较，从控制器15输出信号，进行反馈控制，以使振子1、1以设定振幅值振动。如果振子1、1以设定振幅值振动，则检测此时通电到电磁线圈2b中的驱动电流I。并且，该驱动电流I经由I/V转换器16及A/D转换器17被向运算处理部18输入，计算试样液9的粘度。关于粘度的计算过程记载在专利文献1中。此外，温度传感器3的输入信号经由温度用A/D转换器19被向运算处理部18输入。

在运算处理部18与比较器14之间连接着PWM调制电路12，通过根据来自运算处理部18的指令对向比较器14输入的振幅值进行脉冲宽度调制，能够任意地变更设定振幅值，在测量中振子1、1的振幅变化，将在试样液9中产生的剪切速率变更。

在运算处理部18上，连接着存储器21、显示部22、键开关部23(都未图示)等，用户能够由这样的键开关部23进行测量条件的设定。所谓测量条件，作为一例，是测量时间、振幅变化的设定(振幅的下限值及上限值的输入、振幅的时间分配的变化量的决定、使振幅上升、下降还是往复)等。其详细情况记载在国际专利申请2012/074654中。

接着，详细地说明使用上述结构的音叉振动式粘度计求出试样液9的新的剪切速率的方法。在运算处理部18中，进行以下的各工序的运算。

(剪切应力取得工序)

在音叉振动式粘度计中，当振子1在试样液9中进行以正弦波的往复运动时，将往复运动所需要的能量作为使振子1在试样液9中运动时所需要的力(转矩)测量。即，如果将该振子1的液体接触部1a的中心1o处的驱动力F用振子1的液体接触面积A(液体接触部1a的面积)除，则能够求出在试样液9与振子1间产生的剪切应力S(式(4))。液体接触面积A根据装置结构而成为已知的值。

S＝F/A…(4)

在剪切应力取得工序中需要的驱动力F从驱动力取得工序得到。

(驱动力取得工序)

通过用以作为振子1的支点的板簧4的最薄壁部4a的上下方向中心为基准、到电磁驱动部2的上下方向中心的距离d1与到振子的液体接触部中心1o的距离d2的比(杠杆比)α除在电磁驱动部2中产生的力F1来求出振子的液体接触部中心1o处的驱动力F(式(5))。杠杆比α根据装置结构而为已知的值。

F＝F1/α…(5)

根据线圈22的磁通密度B、流到线圈22中的驱动电流I及线圈22的线圈长L的积求出在电磁驱动部2中产生的力F1(式(6))。磁通密度B、线圈长L根据装置结构而为已知的值。

F1＝BIL…(6)

这里，如果取驱动电流I作为有效值，则由用式(6)计算在电磁驱动部2中产生的力F1的第一工序、和将得到的F1值代入到式(5)中而得到的第二工序，用式(7)求出振子的液体接触部中心1o处的驱动力F。

F＝BIL/α…(7)

(粘度取得工序)

试样液9的粘度η通过上述测量得到。在试样液9的粘度η预先已知的情况下，也可以从键开关部23输入。或者，也可以读出预先记录在存储器21中的值。

如以上这样，如果试样液9的粘度值η为已知，则能够根据式(1)、式(4)及式(7)，用式(8)求出在试样液9中产生的剪切速率D。

D＝BIL/αηA…(8)

图6是有关本发明的音叉振动式粘度计的剪切速率测量方法的流程图。

如果开始测量，则向步骤S1前进，由粘度取得工序取得试样液9的粘度η的值。在测量的情况下，优选的是从测量开始起取得判断值变稳定时的粘度η。在不基于测量的情况下，取得输入值或从存储器21读出的值。接着，向步骤S2前进，测量驱动电流I，由驱动力取得工序，测量振子的液体接触部中心1o处的驱动力F而取得值。接着，向步骤S3前进，由剪切应力取得工序，计算剪切应力S而取得值。接着，向步骤S4前进，根据所取得的粘度η与剪切应力S的比，计算剪切速率D而取得值。接着，向步骤S5前进，变更振子1的设定振幅值，向步骤S1返回。如果设定振幅值成为设定的结束值，则向步骤S6前进，将试样液9变更为其他试样液，并向步骤S1返回。如果不需要试样液的变更，则向步骤S7前进，输出流动曲线图等，并结束测量。

可以从例如试样液9的剪切速率D、剪切应力S、粘度η、驱动力F、振子1的振幅值、由温度传感器3测量的试样液9的温度中，将任意的值任意地指定为横轴、纵轴而输出在步骤S7中输出的曲线图。此外，也可以将多个试样液的数据汇集为一个而输出。

以下，通过实施例更详细地说明本发明，但本发明并不限定于这些。另外，在测量中使用的音叉振动式粘度计的液体接触面积A是0.000304[mm]，杠杆比α是3.81，线圈22的磁通密度B是0.308[Web/m2]，线圈长L是4[m]。

(实施例1)

试样液9使用作为牛顿流体的离子交换水(25[℃]一定条件下)45ml。测量条件为：测量时间11分钟，振幅的下限值0.2mm、上限值1.2mm，振幅的时间分配的变化量Δ0.2mm/分，振幅在上升后下降、往复。此外，由于离子交换水(25[℃])的粘度已知(依据JIS Z8803)，所以将值输入而进行测量。在图7中表示以横轴为剪切速率[1/s]、以纵轴为粘度[mPa·s]、将结果得到的剪切速率描绘的曲线。

(实施例2)

试样液9使用作为非牛顿流体的皮肤用保湿膏(25[℃]一定条件下)45ml。在测量中，测量时间15分钟，振幅下限值0.07mm，振幅上限值1.2mm，使振幅变化量0.07、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2mm每1分钟变化。振幅在上升后下降，往复。粘度在测量开始后，取得各振幅1分后的粘度值。在图8中表示以横轴为剪切速率[1/s]、以纵轴为粘度[mPa·s]、将结果得到的剪切速率描绘的曲线。

(实施例3)

试样液9接着作为牛顿流体的离子交换水而使用标准液JS20、JS200、JS2000、JS14000(都是25[℃]一定条件下)45ml。测量条件与实施例1同样地进行。此外，由于哪个的粘度都是已知(依据JIS Z8803)，所以将值输入而进行测量。在图9中表示以横轴为粘度[mPa·s]、以纵轴为剪切速率[1/s]、将结果得到的剪切速率以各液描绘的曲线。

根据以上，在本发明的求出剪切速率的方法中，通过作为实测值的驱动力F(驱动电流I)及基于测量的情况下的粘度η求出剪切速率，所以能够求出不取决于装置的几何学的形状的、反映流体的动态的剪切速率，能够贡献于更接近于现实的流体的物性解析。

接着，详细地说明旋转式粘度计的、求出新的剪切速率的方法。

在锥－板式旋转粘度计中，如图2那样，使作为转子的圆锥旋转体32以转速N[rpm]旋转，而使充满在具有相同中心轴的平板31－圆锥旋转体32间的试样液9以层流状态旋转流动，检测出作用在平板31上的转矩τ，并计算粘度。关于装置结构的详细情况以及粘度的计算过程，记载在非专利文献1中。并且，由于该实测的转矩τ与在试样液9中产生的剪切应力S是同值，所以剪切应力S的值可以通过测量转矩τ来取得。

在共轴二重圆筒型旋转粘度计中，如图3那样，使作为转子的内筒34以转速N[rpm]旋转，而使充满在具有相同中心轴的外筒33－内筒34间的试样液9以层流状态旋转流动，检测作用在外筒33的圆筒面上的转矩τ，计算粘度。关于粘度的计算过程，记载在非专利文献1中。并且同样，由于该实测的转矩τ与在试样液9中产生的剪切应力S是同值，所以剪切应力S的值可以通过测量转矩τ来取得。

即，如果通过上述测量取得试样液9的粘度η(粘度取得工序)、取得剪切应力S的值(转矩τ的值)(剪切应力取得工序)，则根据上述式(1)，为S＝τ，在试样液9中产生的剪切速率D可以通过实测的转矩τ与已知的粘度η的比来求出(式(9))。

D＝τ/η…(9)

另外，即使是转子为平板31、外筒33的类型，当然也可以通过测量作用在另一要素上的转矩τ，根据式(9)同样地求出剪切速率D。

接着，详细地说明旋转振动式粘度计的、求出新的剪切速率的方法。

在旋转振动式粘度计中，如图10所示，使浸渍在试样液9中的圆筒状的振子35在旋转方向上共振，检测圆筒状振子35维持一定的振幅所需要的转矩τ，计算粘度。关于装置结构的详细情况及粘度的计算过程记载在非专利文献1中。

即，与上述旋转式粘度计同样，如果将试样液9的粘度η通过上述测量取得、或在已知的情况下通过输入取得(粘度取得工序)，取得剪切应力S的值(转矩τ的值)(剪切应力取得工序)，则在试样液9中产生的剪切速率D可以用式(9)求出。

图11是有关本发明的旋转式粘度计及旋转振动式粘度计所共通的剪切速率测量方法的流程图。

如果开始测量，则向步骤S101前进，由粘度取得工序，测量试样液9的粘度η而取得该值。接着，向步骤S102前进，由剪切应力取得工序，测量转矩τ而取得该值作为剪切应力S。接着，向步骤S103前进，根据所取得的粘度η与剪切应力S的比计算剪切速率D，并取得值。接着，向步骤S104前进，如果是旋转式粘度计则变更转速，如果是旋转振动式粘度计则变更振幅，并向步骤S101返回。如果不需要变更转速/振幅，则向步骤S105前进，将试样液9变更为其他试样液，并向步骤S101返回。如果不需要试样液的变更，则向步骤S106前进，输出流动曲线图等，并结束测量。

在步骤S106中输出的曲线图可以从例如试样液9的剪切速率D、剪切应力S、粘度η中，将任意的值任意地指定为横轴、纵轴而输出。此外，也可以将多个试样液的数据汇集为一个而输出。

根据以上，本发明的方法能够不限定于音叉振动式粘度计而应用，在旋转式粘度计、旋转振动式粘度计中也能够通过同样的设想来求出剪切速率。旋转式粘度计及旋转振动式粘度计都是使圆锥旋转体32、内筒34、圆筒状振子35旋转的装置结构，实测为了维持该旋转而需要的转矩τ。由此，根据式(9)，剪切速率D可以通过实测的转矩τ与已知的粘度η的比来求出。

即，能够提供一种在旋转式粘度计及旋转振动式粘度计中也能够求出不取决于装置的几何学形状的、反映流体的动态的剪切速率的方法。

标号的说明

1  振子

1a 液体接触部

1o 液体接触部中心

2  电磁驱动部

2a 铁素体磁铁

2b 电磁线圈

3  温度传感器

4  板簧

4a 最薄壁部

5  位移传感器

7  容器

8  中央支承部件(板簧固定)

9  试样液

10 驱动机构部

32 作为转子的圆锥旋转体

34 作为转子的圆筒

35 圆筒状振子

Claims (6)

1.一种剪切速率的测量方法，是音叉振动式粘度计的、求出在试样液中产生的剪切速率的方法，所述音叉振动式粘度计通过具备线圈的电磁驱动部使浸渍在试样液中的一对振子振动，在上述线圈中流过驱动电流，以使上述振子的振幅成为设定的振幅值，测量上述驱动电流而计算试样液的粘度，其特征在于，

所述测量方法具有：

粘度取得工序，取得试样液的粘度；

驱动力取得工序，根据驱动电流求出振子的液体接触部中心处的驱动力；和

剪切应力取得工序，根据驱动力和振子的液体接触面积求出作用在试样液的剪切应力；

根据剪切应力和粘度的比求出剪切速率。

2.如权利要求1所述的剪切速率的测量方法，其特征在于，

上述驱动力取得工序根据以下工序求出振子的液体接触部中心处的驱动力：

第一工序，根据磁通密度、驱动电流及线圈长的积，求出在上述电磁驱动部产生的力；

第二工序，用以作为振子的支点的板簧的最薄壁部中心为基准、到电磁驱动部中心的距离与到振子的液体接触部中心的距离的比除在电磁驱动部产生的力。

3.一种音叉振动式粘度计，通过具备线圈的电磁驱动部使浸渍在试样液中的一对振子振动，在上述线圈中流过驱动电流，以使上述振子的振幅成为所设定的振幅值，测量上述驱动电流而计算试样液的粘度，其特征在于，

具有：

粘度取得机构，取得试样液的粘度；

驱动力取得机构，根据驱动电流求出振子的液体接触部中心处的驱动力；和

剪切应力取得机构，根据驱动力和振子的液体接触面积求出作用在试样液的剪切应力；

根据剪切应力和粘度的比求出剪切速率。

4.一种剪切速率计算程序，其特征在于，

将上述权利要求1或2所述的剪切速率的测量方法用计算机程序记载，并使该计算机程序能够执行。

5.一种剪切速率的测量方法，是旋转式粘度计的、求出在试样液中产生的剪切速率的方法，所述旋转式粘度计用浸渍在试样液中的转子使试样液以层流状态旋转流动，并测量转子在试样液中维持一定的转速所需要的转矩，进而计算出试样液的粘度，其特征在于，

具有：

粘度取得工序，取得试样液的粘度；和

剪切应力取得工序，取得测量出的上述转矩值作为作用在试样液的剪切应力；

根据剪切应力和粘度的比求出剪切速率。

6.一种剪切速率的测量方法，是旋转式粘度计的、求出在试样液中产生的剪切速率的方法，所述旋转式粘度计使浸渍在试样液中的一个振子在旋转方向上共振，并测量该振子维持一定的振幅所需要的转矩，从而计算出试样液的粘度，其特征在于，

具有：

粘度取得工序，取得试样液的粘度；和

剪切应力取得工序，取得测量出的上述转矩值作为作用在试样液的剪切应力；

根据剪切应力和粘度的比求出剪切速率。