CN104685339A - 流体的物理性能测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

提供对非牛顿流体的物理性能分析有效的方法及其装置。在测量流体粘弹性的装置中，通过进行以使剪切速率的值阶段性地变化并且将该剪切速率维持一定的时间，测量各阶段的剪切速率下获得的剪应力，记录剪切速率、剪应力的连续历时变化为特征的流体的物理性能测量方法，能够容易地测量粘度值对剪切速率级变的历时变化和各阶段中的历时响应。

Description

流体的物理性能测量方法及装置

技术领域

本发明涉及用来评价液体试样的物理性能的测量方法及装置。

背景技术

作为测量流体试样的物理性能、尤其是液体粘度的粘弹性测量装置，以往使用毛细管式、落体式、旋转式、振动式等装置。为了测量液体的粘度，很明显，剪切速率(速度梯度)、时间、温度等多个参数非常重要，尤其是剪切速率与剪应力之间比例法则不成立的非牛顿液体，使剪切速率改变并如何简便地进行由多个定量值进行的组合分析已成问题，盼望其解决办法。

为了解决这个问题，专利文献1公开了在音叉式流变仪(音叉振动式流体粘弹性测量装置)中将振幅值变成50、100、150mV等进行多次试验，测量相对各剪切速率的各粘度来掌握试样的物理性能的方法。专利文献2公开了在旋转式粘度计中将转子的转速切换成6、12、30、60rpm，用表格表示与各剪切速率相对应的粘度值并从中掌握试样的物理性能的方法。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平5-149861(段落0021等)

专利文献2：日本特开平7-218415(段落0027等)

发明的概要

发明要解决的问题

但是，专利文献1那样的音叉式流变仪由于是在振幅值为一定的条件下求出振幅响应来测量粘度的方法，因此为了获得剪切速率-粘度曲线图，必须用各种振幅值进行试验，作业非常麻烦，不仅难以立即掌握粘度值相对于剪切速率变化的变化，而且不能掌握物理性能随时间的变化。

并且，专利文献2那样的旋转式粘度计在其测量原理上除了转子旋转引起强的应力外，还不能避免试样的发热、结构破坏，难以进行稳定的粘度值的测量。并且，即使在一定的剪切速率下也时刻显露出上述条件变化的影响，物理性能变化的掌握不充分。

发明内容

本发明就是要解决现有技术的问题，提出一种新的测量方法，提供对非牛顿流体的物理性能分析有效的方法及其装置。

用于解决课题的手段

为了达到上述目的，方案1中提出了以在测量流体粘弹性的装置中，使剪切速率的值阶段性地变化并且将该剪切速率维持一定时间，测定各阶段的剪切速率下获得的剪应力，记录剪切速率、剪应力的连续的历时变化为特征的流体的物理性能测量方法。

方案2的特征在于，在方案1的物理性能测量方法中剪应力的连续的历时变化在剪切速率的阶段性上升和/或阶段性下降中计测。

方案3的特征在于，在方案2的物理性能测量方法中能够任意地设定其剪切速率的维持时间和剪切速率的各个值。

方案4提供一种流体的粘弹性测量装置，其具备这样的机构：将用方案1的物理性能测量方法获得的、阶段性变化的剪切速率、因剪切速率变化而获得的剪应力、以及从剪应力求得的粘度的各个值分别作为横轴表示时间，纵轴表示剪应力、剪切速率或粘度中的至少一个的历时变化曲线图来表示。

方案5提供一种流体的粘弹性测量装置，其具备这样的机构：将用方案1的物理性能测量方法获得的、阶段性变化的剪切速率、因剪切速率变化而获得的剪应力、以及从剪应力求得的粘度的各个值作为横轴表示剪切速率、纵轴表示剪应力或粘度中的至少一个的定量值变化曲线图来表示。

方案6提供一种流体的粘弹性测量装置，其具备这样的机构：从用方案1的物理性能测量方法获得的粘度值求出以测量开始时的初始粘度值为100％的粘度随时间的变化率，并作为粘度变化率曲线图来表示。

方案7提供具备方案4～6的机构的音叉式流变仪。

方案8提供以下特征的音叉式流变仪，其具备：方案4～6的机构；浸渍在试样中的振子；使上述振子电磁振动的电磁驱动部；检测上述振子的振动的位移传感器；将来自上述位移传感器的信号与所设定的振幅值进行比较的比较器；以上述振子的振幅为设定振幅值的方式流过驱动电流的电磁线圈；根据上述驱动电流算出上述试样的粘度的运算处理部；以及振幅改变机构，在上述运算处理部与上述比较器之间连接PWM调制电路，通过脉冲宽度调制控制上述设定振幅值而使振幅值能够任意改变，使上述振子的振幅改变。

方案9的特征在于，在方案8的音叉式流变仪中用曲线图表示与剪应力相当的电流值取代表示上述剪应力。

发明的效果

根据本发明，利用使剪切速率的值阶段性地变化并且将该剪切速率维持一定的时间，测定各阶段的剪切速率下获得的剪应力，记录剪切速率、剪应力的连续的历时变化的测量方法，即能够记录应力或粘度对剪切速率的级变的变化和各阶段中应力或粘度的历时响应这样的新的测量方法，能够效率良好地测量试样的物理性能和物理性能变化。

具体为，如果看将该物理性能测量方法获得的历时变化曲线图——即阶段性变化的剪切速率、因剪切速率变化而获得的剪应力、粘度的各个值分别作为横轴表示时间轴，纵轴表示剪应力、剪切速率或粘度的历时变化曲线图的话，从左右的非对称性(剪切速率上升过程与下降过程的偏差)能够一目了然地掌握该液体是牛顿流体还是非牛顿流体。如果再看剪切速率-剪应力等的定量值变化曲线图，能够一目了然地掌握试样是触变流体还是宾汉流体、非宾汉流体、膨胀性流体。

并且，由于历时变化曲线图的横轴范围表示各剪切速率一定下的剪应力、粘度的连续的历时变化，可以看出在上升和下降过程中分别产生了滞后现象，因此能够详细地掌握非牛顿流体的结构随时间的变化(分散性、凝聚性)。

如果再将该历时变化曲线图表示成分析了剪切速率随时间的不同引起的粘度变化率的粘度变化率曲线图的话，则能够更详细地分析哪个剪切速率给试样带来大的影响。

即，通过上述新的测量方法，能够进行以前没有进行过的表示，能够容易并且效率良好地测量、分析迄今为止不明显的试样的物理性能。

并且，在音叉式流变仪中，通过在运算处理部与比较器之间连接PWM调制电路、用来自运算处理部的指令脉冲宽度调制输入到比较器的振幅值，能够任意地改变以往总是一定的振幅值。由此，由于在测量中振子的振幅被改变，因此能够进行在测量中改变剪切速率的动态的粘度测量。

附图说明

图1为音叉式流变仪的概略图；

图2为本发明的音叉式流变仪的控制驱动系统的框图；

图3为用上述粘度计测量JS2000时的历时变化曲线图；

图4为用上述粘度计测量JS2000时的另一历时变化曲线图；

图5为用上述粘度计测量JS2000时的定量值变化曲线图；

图6为用上述粘度计测量保湿霜时的历时变化曲线图；

图7为用上述粘度计测量保湿霜时的另一历时变化曲线图；

图8为用上述粘度计测量保湿霜时的定量值变化的曲线图；

图9为用上述粘度计测量保湿霜时的粘度变化率的曲线图；

图10为用上述粘度计测量保湿霜时的另一定量值变化的曲线图；

图11为用上述粘度计测量玉米淀粉时的历时变化曲线图；

图12为用上述粘度计测量玉米淀粉时的另一历时变化曲线图；

图13为用上述粘度计测量玉米淀粉时的定量值变化的曲线图；

图14为用上述粘度计测量番茄酱时的历时变化曲线图；

图15为用上述粘度计测量番茄酱时的另一历时变化曲线图；

图16为用上述粘度计测量番茄酱时的定量值变化的曲线图；

图17为用上述粘度计测量番茄酱时的粘度变化率的曲线图。

具体实施方式

接着说明本发明的优选实施形态。

为了测量流体(液体)的物理性能，以往利用毛细管式、落体式、旋转式、振动式等粘弹性测量装置，但本发明的测量方法的特征在于，直截了当地看到粘度值对剪切速率级变的历时变化和各阶段中的历时响应。

旋转式粘度计不存在带来剪切速率的级变这一概念。这是因为测量时必然产生的发热、结构破坏产生的影响时刻出现，粘度值产生变化，因此不能够实际测量的缘故。

另一方面，音叉式流变仪(音叉振动式流体的粘弹性测量装置)由于利用使2个振子与音叉一样地共振，用磁路和电磁线圈的组合产生的电磁力驱动一对振子，此时的驱动电流与试样粘度存在相关关系这一原理，因此施加给试样的负荷非常小，测量开始后几乎不产生试样的温度上升、结构破坏，可以进行以没给试样物理性能带来变化的状态下的时间为参数的连续测量。但是，如上所述，以往的音叉式流变仪由于是在使振幅值为一定的条件下求出振幅响应来测量粘度的装置，因此在试验中不能够改变预先设定的振幅值(基准振幅值)——即不能改变剪切速率，因此不能够进行本发明的测量方法。因此，作为实施本发明测量方法的优选形态，采用以下的音叉式流变仪。下面根据附图详细地进行说明。

图1为音叉式流变仪的概略图，为装置主体中的驱动机构部的结构图。由于粘度计主体和驱动机构部的结构与专利文献1(日本特开平5-149861)的结构实质上没有变化，因此使用相同的附图标记省略其说明。

驱动机构部10中，1a、1b为作为振子的感应板，2a、2b为顶端具有感应板1a、1b的一对板簧，3为温度传感器，4为电磁线圈，5为铁氧体磁铁(未图示)，结构为，在由电磁线圈4和铁氧体磁铁5构成的动磁铁式电磁驱动部9的作用下，设置在板簧2a、2b顶端的感应板1a、1b以所设定的振幅值振动。6为测量感应板1a、1b的振幅值的涡流损失检测非接触型的位移传感器，7为填充液体试样的容器，8为固定板簧2a、2b的中央支承部件，结构为，使感应板1a、1b浸渍到容器7内的液体试样中一定的深度。

接着，图2为本发明的音叉式流变仪的控制驱动系统的框图。

14为比较器，15为控制器，16为I/V转换器，17为A/D转换器，18为运算处理部。并且，以浸渍在测量试样中的感应板1a、1b以所设定的振幅值振动的方式从运算处理部18输出驱动信号，通过正弦波产生电路13生成的驱动电流给电磁驱动部9的电磁线圈4通电，施加给板簧2a、2b。由此，感应板1a、1b反相振动，形成共振状态。该感应板1a、1b的振幅值用位移传感器6检测，在输入了检测到的振幅值的信号的比较器14中与设定振幅值进行比较，在比设定振幅值小的情况下，根据其程度施加进一步的驱动电流地从控制器15输出信号，进行反馈控制直到感应板1a、1b以设定振幅值进行振动为止。当感应板1a、1b以设定振幅值振动时，检测此时给电磁线圈4通电的电流值。该检测到的电流值(换算成电压的值)相当于剪切速率。并且，该检测电流值通过I/V转换器16和A/D转换器17输入运算处理部18，算出试样的粘度。粘度的算出过程在专利文献1(日本特开平5-149861)中详述。并且，温度传感器3的输入信号通过温度用A/D转换器19输入运算处理部18。

其中，本发明的音叉式流变仪的特征在于，在运算处理部18与比较器14之间连接有PWM调制电路12。即，通过根据来自运算处理部18的指令，对输入到比较器14的振幅值进行脉冲宽度调制，从而任意地变更设定振幅值，由此能够在测量中改变振幅值，使感应板1a、1b的振幅变化。通过以上方法能够进行使振幅——即剪切速率可变的粘度的连续测量。

在运算处理部18上连接有存储器21、显示部22、按键开关部23(都未图示)等，使用者从该按键开关部23进行如下等设定：输入测量时间，决定步进的振幅值或者输入振幅的下限值和上限值以及决定振幅的时间表的变化量，在测量中选择是使振幅阶段性地上升还是阶段性地下降或者反复进行阶段性地上升和下降中的某一种模式。即，能够任意地设定各剪切速率的维持时间和剪切速率的各个值。

另外，本发明的音叉式流变仪即使改变振幅值，其振幅在峰峰值为1.2mm以下，因此施加给试样的负荷非常小，测量开始后试样温度几乎不上升，能够在不给试样的物理性能带来变化的状态下进行时间连续的测量。

另外，PWM调制电路12、A/D转换器17、19等功能模块也可以包含在构成运算处理部18的微型计算机中。

并且，上述振幅值的变化被与检测到的电流值(换算成电压的值)或者算出的粘度值的变化时间对应地记录到存储器21中，并且数值显示在显示部22或外部连接在粘度计主体上的个人计算机、平板电脑、专用分析装置等的显示部等中，并且能够应使用者的要求通过后述的种种曲线图形态视觉确认。另外，曲线图的纵轴、横轴的范围、单位等能够由使用者任意改变，各值的变化过程能够实时地显示。另外，温度传感器3测量的试样的温度数据也能够同时显示。

图3～图17为在使用者的操作下通过本发明的音叉式流变仪获得的测量例。都是在使45ml试样在测量温度为25℃的固定条件下，使感应板1a、1b的振幅为0.07/0.10/0.20/0.4/0.6/0.8/1.0/1.2mm这样以每分钟约Δ0.2mm的间隔变化，使振幅从最小到最大、从最大到最小这样阶段性地上升和下降地进行一个往返并进行测量的例子。

图3～图5为测量JIS Z8809规定的粘度校正用标准液JS2000的图。图3为用本发明的粘度计测量JS2000时的历时变化曲线图，横轴为时间(h:mm:ss)，纵轴左为粘度(mPa·s)，纵轴右为感应板1a、1b的振幅(mm)。图4为用上述粘度计测量JS2000时的另一历时变化曲线图，为使图3的纵轴右表示驱动电流(mA)的图。图5为用上述粘度计测量JS2000时的定量值变化的曲线图，横轴为感应板1a、1b的振幅(mm)，纵轴左为粘度(mPa·s)，纵轴右为驱动电流(mA)。

JS2000为化学性质稳定的物质，为粘度的标准物质，规定为20℃时粘度为2000(mm²/s)，但从图3表示，即使改变剪切速率(振幅)，粘度也不变化，从图4表示，即使剪应力(电流值)变化，粘度也不变，从图5显示，振幅(剪切速率)与粘度(剪应力)之间存在比例关系，判定为显示优良的牛顿性。

图6～图10为测量保湿霜的图。图6为用本发明的音叉式流变仪测量保湿霜时的历时变化曲线图，横轴为时间(h:mm:ss)，纵轴左为粘度(mPa·s)，纵轴右为感应板1a、1b的振幅(mm)。图7为用上述粘度计测量保湿霜时的另一历时变化曲线图，为使图6的纵轴右表示驱动电流(mA)的图。图8为用上述粘度计测量保湿霜时的定量值变化的曲线图，横轴为感应板1a、1b的振幅(mm)，纵轴左为粘度(mPa·s)，纵轴右为驱动电流(mA)。图9为用上述粘度计测量保湿霜时的粘度变化率曲线图，横轴为时间(h:mm:ss)，纵轴为使0秒时的粘度值为100％时粘度的变化率(％)。

根据图6、7的历时变化曲线图，从左右非对称性(剪切速率上升过程与下降过程的偏差)大概明白试样为非牛顿流体。如果再将其表示成图8的定量值变化曲线图的话，从当振幅变得比某个值大时粘度值急剧下降的倾向，判定为宾汉流体。并且，确认了即使降低剪切速率、粘度值也不回到测量开始时的值的触变性。

并且，图7的历时变化曲线图的横轴范围表示各振幅(剪切速率一定)的剪应力的历时变化，可知上升和下降过程分别产生了滞后现象。同样，图8的历时变化曲线图的横轴范围表示各振幅(剪切速率一定)的粘度的历时变化，能够大致掌握各剪切速率给粘度变化带来的影响。如果再将其表示成图9的粘度变化率曲线图的话，则能够进行振幅(剪切速率)随时间的不同引起的粘度变化率的分析。具体为，该保湿霜在振幅为0.1mm时粘度变化率为－2％，在振幅为0.6mm时粘度变化率为－11％，在振幅为1.2mm时粘度变化率为－6％，在振幅为0.6mm时粘度变化率变大，因此判定为在振幅为0.6mm时分散性高，剪切速率造成的影响大。另外，虽然本实施例中初始粘度值使用刚开始测量后的值，但初始粘度值也可以采用判定为测量稳定的经过一定时间后的值。

并且，图10为用上述粘度计测量保湿霜时的另一定量值变化的曲线图，为横轴表示感应板1a、1b的振幅(mm)，纵轴表示粘度(mPa·s)，将使试样温度变化时保湿霜的振子的振幅与粘度的关系曲线化的图。根据图10判定为，粘度依存于温度，即使改变温度，粘度值以低的剪切速率上升的倾向也不改变。

图11～图13为测量玉米淀粉水溶液(62％玉米淀粉+38％水)的曲线图。图11为用本发明的上述粘度计测量玉米淀粉水溶液时的历时变化曲线图，横轴为时间(h:mm:ss)，纵轴左为粘度(mPa·s)，纵轴右为感应板1a、1b的振幅(mm)。图12为用上述粘度计测量玉米淀粉水溶液时的另一历时变化曲线图，为使图11的纵轴右表示驱动电流(mA)的图。图13为用上述粘度计测量玉米淀粉水溶液时的定量值变化的曲线图，横轴为感应板1a、1b的振幅(mm)，纵轴左为粘度(mPa·s)，纵轴右为驱动电流(mA)。

根据图11、12的历时变化曲线图，从左右的非对称性大概明白试样为非牛顿流体。如果再将其表示成图13的定量值变化曲线图，从粘度随振幅的增加而增加的倾向能够判定为膨胀性流体。

并且，从图11、12的历时变化曲线图判断，在上升和下降过程中分别产生滞后现象，从振幅为0.8mm时此前100mPa·s以下的粘度值急剧上升到2000mPa·s，判定该振幅(剪切速率)时凝集性高。

图14～图17为测量番茄酱的图。图14为用本发明的粘度计测量番茄酱时的历时变化曲线图，横轴为时间(h:mm:ss)，纵轴左为粘度(mPa·s)，纵轴右为感应板1a、1b的振幅(mm)。图15为用上述粘度计测量番茄酱时的另一历时变化曲线图，为使图14的纵轴右表示驱动电流(mA)的图。图16为用上述粘度计测量番茄酱时的定量值变化曲线图，横轴为感应板1a、1b的振幅(mm)，纵轴左为粘度(mPa·s)，纵轴右为驱动电流(mA)。图17为用上述粘度计测量番茄酱时的粘度变化率曲线图，横轴为时间(h:mm:ss)，纵轴为使0秒时的粘度值为100％的粘度的变化率(％)。

根据图14、15的历时变化曲线图，从左右的非对称性大概明白其为非牛顿流体。如果再将其表示成图16的定量值变化曲线图，则能详细地确认粘度随剪切速率的上升而下降的触变性。

如果再表示成图17的粘度变化率曲线图，通过振幅为0.4mm时1分钟后粘度增加+1％，但振幅为0.6mm时粘度变化为－2％，振幅为0.8mm时粘度变化为－4％，振幅为1.0mm时粘度变化为－5％，振幅为1.2mm时粘度变化为－6％这样的粘度的变化率负地变大可知，分散性随振幅增加而增加。

通过以上说明，根据本实施例，通过将基于下述的测量方法的测量结果进行上述显示，能够容易并且效率良好地测量、分析试样的物理性能和物理性能变化，上述测量方法为使剪切速率的值阶段性变化并且将该剪切速率维持一定时间，测量各阶段的剪切速率获得的剪应力，记录剪切速率、剪应力连续的历时变化。

尤其因为历时变化曲线图的横轴范围表示各剪切速率一定下的剪应力、粘度的连续的历时变化，因此能够掌握非牛顿流体的结构随时间的变化(分散性、凝聚性)，而且，如果再看粘度变化率曲线图的话，则能够详细地分析哪个剪切速率给试样带来大的影响。

通过将PWM调制电路12连接在音叉式流变仪的运算处理部18与比较器14之间，用来自运算处理部18的指令脉冲宽度调制输入到比较器14的振幅值，从而由于在测量中改变振幅值，改变感应板1a、1b的振幅值，因此能够进行在测量中剪切速率变化的动态的粘度测量。

另外，虽然本实施例以结构为使2个振子与音叉一样沿水平方向共振进行测量的音叉式流变仪为例进行了说明，但本发明也能够用于将由磁性体等构成的一个振子插入到放入了试样的容器中，用加速传感器检测该振动的变化并显示为粘度值的各种振动式粘度计。

符号的说明

1a、1b-感应板

4-电磁线圈

6-位移传感器

9-电磁驱动部

12-PWM调制电路

14-比较器

18-运算处理部

Claims (9)

1.一种流体的物理性能测量方法，其特征在于，

在测量流体的粘弹性的装置中，

使剪切速率的值阶段性地变化，并且将该剪切速率维持一定时间，

测定各阶段的剪切速率下获得的剪应力，

记录剪切速率、剪应力的连续的历时变化。

2.如权利要求1所述的流体的物理性能测量方法，其特征在于，剪应力的连续的历时变化在剪切速率的阶段性上升和/或阶段性下降中测定。

3.如权利要求2所述的流体的物理性能测量方法，其特征在于，剪切速率的阶段性变化能够任意地设定其剪切速率的维持时间和剪切速率的各个值。

4.一种流体的粘弹性测量装置，具备这样的机构：将用权利要求1所述的物理性能测量方法获得的、阶段性变化的剪切速率、因剪切速率变化而获得的剪应力、以及从剪应力求得的粘度的各个值，分别作为横轴表示时间，纵轴表示剪应力、剪切速率或粘度中的至少一个的历时变化曲线图来表示。

5.一种流体的粘弹性测量装置，具备这样的机构：将用权利要求1所述的物理性能测量方法获得的、阶段性变化的剪切速率、因剪切速率变化而获得的剪应力、以及从剪应力求得的粘度的各个值，作为横轴表示剪切速率、纵轴表示剪应力或粘度中的至少一个的定量值变化曲线图来表示。

6.一种流体的粘弹性测量装置，具备这样的机构：从用权利要求1所述的物理性能测量方法获得的粘度值求出以测量开始时的初始粘度值为100％的粘度随时间的变化率，并作为粘度变化率曲线图来表示。

7.一种音叉式流变仪，具备权利要求4～6中记载的机构。

8.一种音叉式流变仪，其特征在于，具备：

权利要求4～6中记载的机构；

振子，浸渍在试样中；

电磁驱动部，使上述振子电磁振动；

位移传感器，检测上述振子的振动；

比较器，将来自上述位移传感器的信号与所设定的振幅值进行比较；

电磁线圈，以上述振子的振幅为设定振幅值的方式流过驱动电流；

运算处理部，根据上述驱动电流算出上述试样的粘度；以及

振幅改变机构，在上述运算处理部与上述比较器之间连接PWM调制电路，通过脉冲宽度调制控制上述设定振幅值而使振幅值能够任意改变，使上述振子的振幅改变。

9.如权利要求8所述的音叉式流变仪，其特征在于，用曲线图表示与剪应力相当的电流值来取代表示上述剪应力。