CN110631959A - 测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除方法及装置，采用同轴双筒流变仪测量待测流体的至少四组测量数据，根据所测得的至少四组测量数据和理论线性函数模型进行线性拟合，以获取线性拟合后的相关系数；并在该线性拟合的相关系数大于预设相关系数时，由该理论线性函数模型的截距和斜率计算同轴双筒流变仪测量的内筒附加高度，并根据所计算的内筒附加高度以及同轴双筒流变仪的几何参数、同轴双筒流变仪的运行参数和所述测量数据，确定待测流体中修正端面效应误差之后的粘度值。本发明实施例提供的测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除方法可操作性更高，更具实用性、准确性和高效性。

Description

测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除方法及装置

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除方法及装置。

背景技术

流体抵抗变形能力的大小即为流体的粘度，也称为粘滞系数、内摩擦系数、动力粘度。通常流体可分为牛顿流体和非牛顿流体，其中，牛顿流体满足牛顿内摩擦定律，即在一定温度下，牛顿流体的粘度是与剪切速率无关的常量；而非牛顿流体不满足牛顿内摩擦定律，非牛顿流体的粘度与剪切速率相关。

由于在一定温度下，非牛顿流体的粘度并不是一个固定值，通过综合剪切速率、流体微观结构和组成等因素表征非牛顿流体的粘度，即表观粘度。现有技术中，多采用同轴双筒流变仪测量非牛顿流体的表观粘度。如图1所示，现有的同轴双筒流变仪由两个半径不同，同轴套在一起的圆筒组成，内筒11的半径为R1，外筒12的半径为R2，待测非牛顿流体放置于内筒11和外筒12之间的间隙。内筒11的侧壁与流体的接触高度为h，且内筒11的底面与外筒12的底面之间的距离为H。在测量流体粘度时，驱动内筒11或外筒12旋转，在流体的粘性作用下，旋转的圆筒表面会产生切应力从而产生扭矩，装在旋转轴13上的扭矩传感器14将会记录圆筒上受到的扭矩，然后根据牛顿粘性定律和已知数据通过计算得出流体的粘度。

但是，由于内筒11的侧壁受到的流体作用产生的扭矩才是有效数据，而现有技术中扭矩传感器14测得的扭矩包括内内筒11侧壁和底面受到的剪切作用产生的扭矩之和，因此将内筒11所受的全部扭矩作为计算数据，所获得的流体粘度将产生一个正误差，这个由内筒底面扭矩造成的误差即端面效应误差，端面效应误差在非牛顿流体表观粘度测量的场合中尤为显著。

发明内容

本发明实施例提供一种测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除及装置，以解决现有技术中计算非牛顿流体的表观粘度时，由于在获取计算非牛顿流体的表观粘度所用的测量数据时存在端面效应，而使得所计算的非牛顿流体的表观粘度存在较大误差，致使非牛顿流体的表观粘度计算结果不准确的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除方法，包括：

采用同轴双筒流变仪对待测非牛顿流体进行测量，在预设转速ω下，获取至少四组所述待测非牛顿流体的测量数据以及理论线性函数模型；所述同轴双筒流变仪包括内筒和外筒，所述待测非牛顿流体置于所述内筒与所述外筒之间；至少四组所述测量数据包括至少四个深度值h和至少四个与所述深度值h一一对应的扭矩值M；其中，所述深度值h为所述内筒在所述待测非牛顿流体中的浸入深度，至少四个所述扭矩值M为所述预设转速ω下不同深度值h的扭矩测量值；

通过所述理论线性函数模型对至少四组所述测量数据进行线性拟合，获取线性拟合的相关系数；

判断所述线性拟合的相关系数是否大于等于预设相关系数；

若是，获取所述理论线性函数模型的截距和斜率，计算所述内筒的内筒附加高度；

根据所述内筒附加高度、所述同轴双筒流变仪的几何参数、所述同轴双筒流变仪的运行参数以及所述测量数据，确定消除端面效应误差的所述待测非牛顿流体的表观粘度值。

可选的，所述方法还包括：

若所述线性拟合的相关系数小于预设相关系数，则重新获取所述待测非牛顿流体的至少四组测量数据。

可选的，所述理论线性函数模型为：

M＝h·M_l+M_bottom

M_bottom为所述预设转速ω下，与所述待测非牛顿流体接触的所述内筒的底面产生的扭矩值；M_l为所述预设转速ω下，所述内筒的单位浸入深度的内筒侧壁产生的扭矩值；

获取所述理论线性函数模型的截距和斜率，计算所述内筒的内筒附加高度，包括：

获取所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l；

计算所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l比值；其中，所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l比值为所述内筒附加高度Δh。

可选的，根据所述内筒附加高度、所述同轴双筒流变仪的几何参数、所述同轴双筒流变仪的运行参数以及所述测量数据，确定消除端面效应误差的所述待测非牛顿流体的表观粘度值，包括：

获取所述同轴双筒流变仪的几何参数和运行参数，构建所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α的计算公式：

其中，所述同轴双筒流变仪的几何参数包括所述内筒的半径R₁和所述外筒的半径R₂；所述同轴双筒流变仪的运行参数包括所述内筒或所述外筒的转速ω；Δh为所述内筒附加高度；

将所述内筒附加高度Δh、所述同轴双筒流变仪的几何参数和运行参数以及所述测量数据代入所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α的计算公式，获取与至少四组所述测量数据一一对应的至少四个所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α；

计算至少四个所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α的平均值，确定消除端面效应误差的所述待测非牛顿流体的表观粘度值。

可选的，所获取的流体测量参数的组数为N，其中4≤N≤6，N为整数。

可选的，所述预设相关系数为0.99。

第二方面，本发明实施例还提供一种测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除装置，包括：

参数获取模块，用于采用同轴双筒流变仪对待测非牛顿流体进行测量，在预设转速ω下，获取至少四组所述待测非牛顿流体的测量数据以及理论线性函数模型；所述同轴双筒流变仪包括内筒和外筒，所述待测非牛顿流体置于所述内筒与所述外筒之间；至少四组所述测量数据包括至少四个深度值h和至少四个与所述深度值h一一对应的扭矩值M；其中，所述深度值h为所述内筒在所述待测非牛顿流体中的浸入深度，至少四个所述扭矩值M为所述预设转速ω下不同深度值h的扭矩测量值；

相关系数获取模块，用于通过所述理论线性函数模型对至少四组所述测量数据进行线性拟合，获取线性拟合的相关系数；

相关系数判断模块，用于判断所述线性拟合的相关系数是否大于等于预设相关系数；

附加高度计算模块，用于在所述线性拟合的相关系数大于预设相关系数时，获取所述理论线性函数模型的截距和斜率，计算所述内筒的内筒附加高度；

端面效应误差修正模块，用于根据所述内筒附加高度、所述同轴双筒流变仪的几何参数、所述同轴双筒流变仪的运行参数以及所述测量数据，确定清除端面效应误差的所述待测非牛顿流体的表观粘度值。

可选的所述装置，还包括：

参数重置模块，用于在所述线性拟合的相关系数小于预设相关系数时，重新获取所述待测非牛顿流体的至少四组测量数据。

可选的，所述理论线性函数模型为：

M＝h·M_l+M_bpttom

M_bottom为预设转速ω下，与所述待测非牛顿流体接触的所述内筒的底面产生的扭矩值；M_l为所述预设转速ω下，所述内筒的单位浸入深度的内筒侧壁产生的扭矩值；

所述附加高度计算模块包括：

方程参数获取单元，用于获取所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l；

比值计算单元，用于计算所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l比值；其中所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l比值为所述内筒附加高度Δh。

可选的，所述端面效应误差修正模块包括：

计算公式构建单元，用于获取所述同轴双筒流变仪的几何参数和运行参数，构建所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α的计算公式：

其中，所述同轴双筒流变仪的几何参数包括所述内筒的半径R₁和所述外筒的半径R₂；所述同轴双筒流变仪的运行参数包括所述内筒或所述外筒的转速ω；Δh为所述内筒附加高度；

粘度计算单元，用于将所述内筒附加高度Δh、所述同轴双筒流变仪的几何参数和运行参数以及所述测量数据代入所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α的计算公式，获取与至少四组所述流体测量数据一一对应的至少四个所述待测非牛顿流体的粘度η_α；

粘度确定单元，用于计算至少四个所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α的平均值，确定消除端面效应误差的所述待测非牛顿流体的表观粘度值。

本发明实施例提供了一种测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除及装置，通过采用同轴双筒流变仪测量待测非牛顿流体的至少四组测量数据，根据所测得的至少四组测量数据和理论线性函数模型进行线性拟合，以获取线性拟合后的相关系数；并在该线性拟合的相关系数大于预设相关系数时，由该理论线性函数模型的截距和斜率计算同轴双筒流变仪测量的内筒附加高度，并根据所计算的内筒附加高度以及同轴双筒流变仪的几何参数、同轴双筒流变仪的运行参数和所述测量数据，确定待测流体中修正端面效应误差之后的粘度值。相较于现有技术，本发明实施能够在所测量的测量数据满足理论线性函数模型的拟合度要求时，由理论线性函数模型的截距和斜率计算内筒附加高度，从而在采用该内筒附加高度计算待测非牛顿流体的表观粘度时，能够消除待测非牛顿流体的表观粘度值中的端面效应误差，进而提高待测非牛顿流体的表观粘度值的测量准确性和可靠性。本发明实施例提供的测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除方法可操作性更高，更具实用性、准确性和高效性。

附图说明

图1为一种现有技术的同轴双筒流变仪的结构示意图；

图2为一种国际标准的同轴双筒流变仪的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除方法的流程图；

图4是本发明实施例提供的一种线性拟合图形的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的又一种线性拟合图形的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种内筒附加高度的计算方法的流程图；

图7是本发明实施例提供的一种待测非牛顿流体的粘度值的计算方法的流程图；

图8是本发明实施例提供的一种测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除装置的结构框图；

图9是本发明实施例提供的又一种测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除装置的结构框图；

图10是本发明实施例提供的又一种测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

同轴双筒流变仪由两个半径不同，同轴套在一起的圆筒组成，即同轴双筒流变仪包括内筒和外筒。在采用同轴双筒流变仪测量待测流体的粘度时，将待测流体置于内筒和外筒之间形成的环形空间内，通过驱动内筒或外筒旋转，在待测流体的粘性作用下，旋转的内筒或外筒表面会产生切应力，从而产生扭矩，而设置于同轴双筒流变仪的旋转轴上的扭矩传感器会测得内筒或外筒上受到的扭矩，可根据牛顿粘性定律、已知的额定参数、设定参数以及测量数据计算该待测流体的粘度值。通常根据同轴双筒流变仪的结构可将同轴双筒流变仪分为两类：一种是外筒静止、内筒旋转，被称为Searle型同轴双筒流变仪；另一种是内筒静止、外筒旋转，被称为Couette型同轴双筒流变仪。在采用同轴双筒流变仪对待测流体进行测量时，可以通过调整内筒或外筒的转速获得不同的剪切速率。现有技术中，如图1所示，以Searle型同轴双筒流变仪为例，在假设Searle型同轴双筒流变仪内筒11和外筒12无限长，待测流体13视为层流状的牛顿流体，且与待测流体13接触的内筒11和外筒12的表面与待测流体13之间没有滑移的前提下，基于同轴双筒流变仪测量待测流体13的粘度时，该待测流体13的粘度η计算公式为：

其中，ω为内筒11与外筒12的相对转速，R1为内筒11的半径，R2为外筒12的内半径，M为扭矩传感器14测得的扭矩值，h为内筒11浸入待测流体13的深度。但是，式1中基于同轴双筒流变仪测量待测流体的粘度的计算公式中只考虑了内筒11的侧壁112受到的剪切作用，未考虑内筒11的底面111受到的剪切作用，而扭矩传感器14测得的扭矩值M为内筒11的侧壁112和底面111受到的剪切作用产生的扭矩之和，因此上述计算公式存在较大的误差，该误差被称为端面效应。

在一个流体粘度测量标准中提到端面效应作用于内筒底面的附加力矩的效果相当于使同轴双筒流变仪的内筒浸入待测流体的高度延长了Δh。由于(式1)是在假设同轴双筒流变仪的内筒无限长的前提下获得的，此时同轴双筒流变仪的内筒延长高度Δh可以忽略不计。但是，实际应用中同轴双筒流变仪的内筒的长度是有限的，所以在对待测流体的粘度进行测量计算时需要对端面效应进行修正。

在同轴双筒流变仪测量牛顿流体粘度的过程中，国际标准ISO 3219对于端面效应的处理是：当同轴双筒流变仪的内外筒参数为标准形状时，认为此时端面效应带来10％的粘度误差，在粘度测量原理(式1)中引入一个端面效应误差修正系数C_L＝1.1。但是由于非牛顿流体剪切变稀(或变稠)性质，国际标准ISO 3219的端面效应处理方式不适用于非牛顿流体的表观粘度测量和计算过程。

图2为一种国际标准的同轴双筒流变仪的结构示意图。如图2所示，该国际标准的同轴双筒流变仪包括内筒21、外筒22和扭矩传感器24。采用该同轴双筒流变仪对非牛顿流体进行测量时，将待测非牛顿流体23置于内筒21和外筒22之间的间隙中。此时，内筒21浸入待测非牛顿流体23的深度为h'，当对内筒21浸入待测非牛顿流体的深度h'足够深，且内筒21的底面与外筒22的内底面之间的间距H足够大时，该内筒21延长高度Δh可以通过测量数据确定。其中，确定内筒21延长高度Δh的方法为，对同一种待测非牛顿流体23，当内筒21浸入待测非牛顿流体的深度分别为h₁和h₂时，在预设转速ω下测得的扭矩值分别为M₁和M₂。若内筒21的底面与外筒22的内底面之间的间距H相同，则作用在内筒21底面上的扭矩M_bottom相同，即Δh为定值，则有非牛顿流体的表观粘度η_α为：

可以得出：

其中，R₁为内筒21的半径，R₂为外筒22的内半径。上述待测非牛顿流体的表观粘度计算公式能够消除非牛顿流体的端面效应。但是，由于上述(式3)中计算所得的内筒21的延长高度Δh采用同种待测非牛顿流体，在相同转速下的两组测量值，因此该两组测量值的准确性将对待测非牛顿流体最终的计算结果具有较大影响。若测量值不准确，则计算的内筒21的延长高度Δh不准确，最终导致所测得的待测非牛顿流体的表观粘度值不准确。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除方法，该方法可适用于对待测非牛顿流体的表观粘度进行测量和计算过程中的端面效应误差进行消除。该方法可以由本发明实施例提供的测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除装置来执行，该装置可采用软件和/或硬件的方式实现，该装置可集成于流体测量设备或流体粘度计算设备中。图3是本发明实施例提供的一种测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除方法的流程图。如图3所示，该方法具体包括：

S110、采用同轴双筒流变仪对待测非牛顿流体进行测量，在预设转速ω下，获取至少四组所述待测非牛顿流体的测量数据以及理论线性函数模型；所述同轴双筒流变仪包括内筒和外筒，所述待测非牛顿流体置于所述内筒与所述外筒之间；至少四组所述测量数据包括至少四个深度值h和至少四个与所述深度值h一一对应的扭矩值M；其中，所述深度值h为所述内筒在所述待测非牛顿流体中的浸入深度，至少四个所述扭矩值M为所述预设转速ω下不同深度值h的扭矩测量值。

具体的，采用同轴双筒流变仪对计算待测非牛顿流体的表观粘度所需的测量数据进行测量，该同轴双筒流变仪例如可以为Searle型同轴双筒流变仪。采用Searle型同轴双筒流变仪对计算待测非牛顿流体的表观粘度所需的测量数据进行测量的过程中，将待测非牛顿流体置于Searle型同轴双筒流变仪的内筒和外筒之间的间隙中，此时内筒浸入待测非牛顿流体的深度值为h₁；调节内筒的转速为预设转速ω，在该预设转速ω下测得的扭矩值为M₁，此时得到一组测量数据(h₁，M₁)；重新调节内筒浸入待测流体的深度值为h₂，在同样的预设转速ω下测得扭矩值为M₂，此时得到第二组测量数据(h₂，M₂)；重新调节内筒浸入待测非牛顿流体的深度值为h₃，在同样的预设转速ω下测得扭矩值为M₃，此时得到第三组测量数据(h₃，M₃)；…如此重复多次，可获得N组待测非牛顿流体的测量数据，其中N的取值范围可以4≤N≤6，且N为整数。将所测量的N组测量数据作为拟合数据，并获取用于拟合该测量数据的理论线性函数模型。其中，所获取的理论线性函数模型例如可以为：

M＝a·h+b

其中，M为测量的扭矩值，h为内筒浸入待测流体的深度，a为理论线性函数模型的斜率，b为理论线性函数模型的截距。

S120、通过所述理论线性函数模型对至少四组所述测量数据进行线性拟合，获取线性拟合的相关系数。

具体的，采用同轴双筒流变仪测量的至少四组测量数据作为理论线性函数模型的拟合数据进行线性拟合，并获得相应的线性拟合结果。该线性拟合结果可以包括线性拟合的相关系数、线性拟合曲线、该线性拟合曲线的截距和斜率以及测量数据与线性拟合曲线之间的位置关系等。示例性的，图4是本发明实施例提供的一种线性拟合图形的结构示意图。如图4所示，线性拟合后获得的线性拟合图形中测量数据分布于线性拟合曲线上以及线性拟合曲线的周围。

S130、判断所述线性拟合的相关系数是否大于等于预设相关系数；若是，则执行S140。

S140、获取所述理论线性函数模型的截距和斜率，计算所述内筒的内筒附加高度。

S150、根据所述内筒附加高度、所述同轴双筒流变仪的几何参数、所述同轴双筒流变仪的运行参数以及所述测量数据，确定消除端面效应误差的所述待测非牛顿流体的表观粘度值。

具体的，在对非牛顿流体的表观粘度值进行计算时，以ISO 3219中处理端面效应误差的方式，无法消除非牛顿流体的表观粘度值的端面效应误差。本发明实施例中采用同轴双筒流变仪对计算待测非牛顿流体的表观粘度值所需的数据进行测量，获得相应的测量数据后，进行线性拟合，并获得线性拟合的相关系数。

当采用同轴双筒流变仪对计算待测非牛顿流体的表观粘度值所需的数据进行测量时，可将测量过程中同轴双筒流变仪对待测非牛顿流体的表观粘度值中的端面效应误差的影响看做是由该同轴双筒流变仪的内筒附加高度值引起的，而对应同一同轴双筒流变仪在采用同一预设转速测量所需的测量数据时，该内筒附加高度值为一固定值，该固定至可通过两组测量数据计算获得。但是，在对待测非牛顿流体的测量数据进行测量时同轴双筒流变仪未经校准、或者测量环境对测量数据影响较大时，所测量的数据具有偏差，采用该测量数据计算的内筒附加高度值为不准确的内筒附加高度值。因此，可通过线性拟合的相关系数，判断测量数据与线性拟合曲线的匹配度。其中，线性拟合的相关系数越大，测量数据与线性拟合曲线的匹配度越高。当线性拟合的相关系数大于等于预设相关系数时，可知采用同轴双筒流变仪所测量的测量数据具有较高的准确度，采用该具有较高准确度的测量数据所计算的内筒附加高度值为具有较高准确度的内筒附加高度值。在采用该内筒附加高度值所计算的待测非牛顿流体的表观粘度值为具有较高准确度的表观粘度值。其中，该预设相关系数为满足拟合数据所计算的待测流体的粘度值的误差在一定的误差范围内的最小值，该预设相关系数例如可以为0.99。

示例性的，如图4所示，采用所测量的5组深度值和扭矩值(h，M)作为拟合数据，采用理论线性函数模型进行数据拟合获得相应的拟合图形。该拟合图形中5组拟合数据均与线性拟合曲线有较高的匹配度，此时线性拟合的相关系数大于预设相关系数，即该线性拟合的相关系数可以大于等于0.99，采用理论线性函数模型的截距和斜率计算同轴双筒流变仪的内筒附加高度值，该内筒附加高度值即为使待测非牛顿流体的表观粘度值具有端面效应误差的表观粘度值。通过理论线性函数模型的截距和斜率计算的内筒附加高度值以及同轴双筒流变仪的几何参数、同轴双筒流变仪的运行参数和测量数据计算得到消除端面效应误差的待测非牛顿流体的表观粘度值。

本发明实施例在所测量的测量数据满足理论线性函数模型的拟合度要求时，由理论线性函数模型的截距和斜率计算内筒附加高度，从而在采用该内筒附加高度计算待测非牛顿流体的表观粘度时，能够消除待测非牛顿流体的表观粘度值中的端面效应误差，进而提高对待测非牛顿流体的表观粘度值的测量准确性和可靠性。

可选的，若线性拟合的相关系数小于预设相关系数，则重新获取待测非牛顿流体的至少四组测量数据。

示例性的，图5是本发明实施例提供的又一种线性拟合图形的结构示意图。如图5所示，当通过深度值和所测量的扭矩值(h，M)作为拟合数据采用理论线性函数模型进行线性拟合所获得线性拟合的相关系数小于预设相关系数时，该拟合数据与线性拟合曲线的匹配度较低，拟合数据分散于线性拟合曲线的两侧，此时，采用线性拟合曲线的截距和斜率所计算的内筒附加高度不准确，且所测量的扭矩值可能因仪器、环境等因素具有偏差。此时，可通过校准同轴双筒流变仪，并采用校准后的同轴双筒流变仪重新测量至少四组深度值和扭矩值，并对线性拟合的拟合数据进行重置，直至线性拟合的相关系数大于预设相关系数时，再采用线性拟合曲线的截距和斜率计算同轴双筒流变仪的内筒附加高度，并由该内筒附加高度、测量的深度值和扭矩值以及同轴双筒流变仪的几何参数和转速等，获取消除端面效应误差的待测非牛顿流体的表观粘度值。

可选的，由于在测量待测非牛顿流体的测量数据时，同轴双筒流变仪所带来的端面效应误差是由同轴双筒流变仪的内筒附加高度造成的，且该内筒附加高度值为一固定值，其可由理论线性函数模型的截距和斜率的比值计算获得，此时可将理论线性函数模型的截距作为同轴双筒流变仪中与待测非牛顿流体接触的内筒的底面产生的扭矩值，而理论线性函数模型的斜率为内筒的单位浸入深度的内筒侧壁产生的扭矩值，此时理论线性函数模型例如可以为：

M＝h·M_l+M_bottom

其中，M_bottom为预设转速ω下，与待测非牛顿流体接触的内筒的底面产生的扭矩值；M_l为预设转速ω下，所述内筒的单位浸入深度的内筒侧壁产生的扭矩值。此时，在上述实施例的基础上，同轴双筒流变仪的内筒附加高度的计算方法具体包括：获取所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l；计算所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l比值；其中，所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l比值为所述内筒附加高度Δh。图6是本发明实施例提供的一种内筒附加高度的计算方法的流程图。如图6所示，同轴双筒流变仪的内筒附加高度的计算方法包括：

S141、获取所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l；

S142、计算所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l比值；其中，所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l比值为所述内筒附加高度Δh。

具体的，当同轴双筒流变仪的外筒底面与内筒底面之间的距离H不变时，无论同轴双筒流变仪的内筒浸入待测非牛顿流体的深度为多少，作用在该同轴双筒流变仪的内筒底面的扭矩M_bottom不变。因此，当将作用于内筒底面的扭矩作为内筒浸入待测流体的深度的延长深度Δh时，可通过计算理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l比值获得延长深度Δh，即内筒附加高度。在线性拟合的相关系数大于预设相关系数时，获取该理论线性函数模型的截距和斜率，并计算该斜率和截距的比值，获得内筒附加高度，采用该内筒附加高度计算的待测非牛顿流体的表观粘度值时，能够消除该待测非牛顿的表观粘度值中的端面效应误差。

可选的，在上述实施例的基础上，待测非牛顿流体的表观粘度值的确定方法具体包括：获取所述同轴双筒流变仪的几何参数和运行参数，构建所述待测非牛顿流体的粘度η_α的计算公式：将所述内筒附加高度Δh、所述同轴双筒流变仪的几何参数和运行参数以及所述测量数据代入所述待测非牛顿流体的粘度η_α的计算公式，获取与至少四组所述测量数据一一对应的至少四个所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α；计算至少四个所述待测非牛顿流体的粘度η_α的平均值，确定消除端面效应误差的所述待测非牛顿流体的表观粘度值。图7是本发明实施例提供的一种待测非牛顿流体的表观粘度值的计算方法的流程图。如图7，待测非牛顿流体的表观粘度值的计算方法包括：

S151、获取所述同轴双筒流变仪的几何参数和运行参数，构建所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α的计算公式：

其中，所述同轴双筒流变仪的几何参数包括所述内筒的半径R₁和所述外筒的半径R₂；所述同轴双筒流变仪的运行参数包括所述内筒或所述外筒的转速ω；Δh为所述内筒附加高度；

S152、将所述内筒附加高度Δh、所述同轴双筒流变仪的几何参数和运行参数以及所述测量数据代入所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α的计算公式，获取与至少四组所述测量数据一一对应的至少四个所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α；

S153、计算至少四个所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α的平均值，确定所述待测非牛顿流体的表观粘度值。

具体的，由于作用于内筒底面的扭矩可作为内筒浸入待测流体的深度的延长深度Δh，因此采用同轴双筒流变仪测量的扭矩值和深度值计算待测非牛顿流体的表观粘度值时，需要考虑该延长深度Δh，即内筒的附加高度。将深度值和所测量的扭矩值(h，M)作为拟合数据，采用理论线性函数模型进行线性拟合。当进行线性拟合所获得线性拟合的相关系数大于预设相关系数时，可通过理论线性函数模型的截距和斜率计算内筒附加高度Δh。由于待测非牛顿流体的表观粘度计算公式中的参数还涉及同轴双筒流变仪的几何参数和运行参数，即同轴双筒流变仪内筒半径R₁、外筒内半径R₂和转速ω等。将内筒半径R₁、外筒内半径R₂、转速ω、附加高度Δh以及深度值h和测量的扭矩值M代入待测非牛顿流体的表观粘度η_α的计算公式：

当深度值h和测量的扭矩值M为至少四组时，可获得至少四个待测非牛顿流体的表观粘度η_α，计算该四个待测非牛顿流体的表观粘度η_α的平均值，该平均值即可确定为消除端面效应误差的待测非牛顿流体的表观粘度值。

本发明实施例测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除方法能够获得的待测非牛顿流体的表观粘度值，该待测非牛顿流体的表观粘度值为消除同轴双筒流变仪的端面效应后的表观粘度值，其具有较高的准确性、可靠性；同时，该测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除方法简单、具有较高的可实现性。

需要说明的是，本发明实施例提供的测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除方法可用于对非牛顿流体的表观粘度值进行测量和计算过程中的端面效应误差进行消除，同时也可适用于对牛顿流体的粘度值进行测量和计算过程中的端面效应误差进行消除。

本发明实施例还提供了一种测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除装置，该装置可适用于对待测非牛顿流体的表观粘度值进行测量和计算过程中的端面效应误差进行消除。该装置可采用软件和/或硬件的方式实现，该装置可集成于流体粘度测量设备或流体粘度计算设备中。图8是本发明实施例提供的一种测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除装置的结构框图。如图8所示，该测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除装置包括参数获取模块61、相关系数获取模块62、相关系数判断模块63、附加高度计算模块64和端面效应误差修正模块65。

所述参数获取模块61，用于采用同轴双筒流变仪对待测非牛顿流体进行测量，在预设转速ω下，获取至少四组所述待测非牛顿流体的测量数据以及理论线性函数模型；所述同轴双筒流变仪包括内筒和外筒，所述待测非牛顿流体置于所述内筒与所述外筒之间；至少四组所述测量数据包括至少四个深度值h和至少四个与所述深度值h一一对应的扭矩值M；其中，所述深度值h为所述内筒在所述待测非牛顿流体中的浸入深度，至少四个所述扭矩值M为所述预设转速ω下不同深度值h的扭矩测量值；

所述相关系数获取模块62，用于通过所述理论线性函数模型对至少四组所述测量数据进行线性拟合，获取线性拟合的相关系数；

所述相关系数判断模块63，用于判断所述线性拟合的相关系数是否大于等于预设相关系数；其中，预设相关系数可以为0.99。

所述附加高度计算模块64，用于判断所述线性拟合的相关系数是否大于等于预设相关系数；

端面效应误差修正模块65，用于根据所述内筒附加高度、所述同轴双筒流变仪的几何参数、所述同轴双筒流变仪的运行参数以及所述测量数据，确定清除端面效应误差的所述待测非牛顿流体的表观粘度值。

本发明实施例在所测量的测量数据满足理论线性函数模型的拟合度要求时，由理论线性函数模型的截距和斜率计算内筒附加高度，从而在采用该内筒附加高度计算待测非牛顿流体的表观粘度时，能够消除待测非牛顿流体的表观粘度值中的端面效应误差，进而提高对待测非牛顿流体的表观粘度值的测量准确性和可靠性。

可选的，图9是本发明实施例提供的又一种测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除装置的结构框图。如图9所示，在上述实施例的基础上，该测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除装置还包括参数重置模块66；所述参数重置模块66，用于在所述线性拟合的相关系数小于预设相关系数时，重新获取所述待测非牛顿流体的至少四组测量数据。

可选的，图10是本发明实施例提供的又一种测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除装置的结构框图。如图10所示，对待测非牛顿流体的测量数据进行拟合的理论线性函数模型为：

M＝h·M_l+M_bottom

M_bottom为预设转速ω下，与所述待测非牛顿流体接触的所述内筒的底面产生的扭矩值；M_l为所述预设转速ω下，所述内筒的单位浸入深度的内筒侧壁产生的扭矩值。此时，附加高度计算模块64包括方程参数获取单元641和比值计算单元。

所述方程参数获取单元641，用于于获取所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l；

所述比值计算单元642，用于计算所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l比值；其中所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l比值为所述内筒附加高度Δh。

可选的，继续参考图8，在上述实施例的基础上，端面效应误差修正模块65包括计算公式构建单元651、粘度计算单元652和粘度确定单元653。

所述计算公式构建单元651，用于获取所述同轴双筒流变仪的几何参数和运行参数，构建所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α的计算公式：

其中，所述同轴双筒流变仪的几何参数包括所述内筒的半径R₁和所述外筒的半径R₂；所述同轴双筒流变仪的运行参数包括所述内筒或所述外筒的转速ω；Δh为所述内筒附加高度；

所述粘度计算单元652，用于将所述内筒附加高度Δh、所述同轴双筒流变仪的几何参数和运行参数以及所述测量数据代入所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α的计算公式，获取与至少四组所述流体测量数据一一对应的至少四个所述待测非牛顿流体的粘度η_α；

所述粘度确定单元653，用于计算至少四个所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α的平均值，确定消除端面效应误差的所述待测非牛顿流体的表观粘度值。

本发明实施例所述的测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除装置用于执行上述各实施例所述测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除方法，其技术原理和产生的技术效果类似，这里不再赘述。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除方法，其特征在于，包括：

采用同轴双筒流变仪对待测非牛顿流体进行测量，在预设转速ω下，获取至少四组所述待测非牛顿流体的测量数据以及理论线性函数模型；所述同轴双筒流变仪包括内筒和外筒，所述待测非牛顿流体置于所述内筒与所述外筒之间；至少四组所述测量数据包括至少四个深度值h和至少四个与所述深度值h一一对应的扭矩值M；其中，所述深度值h为所述内筒在所述待测非牛顿流体中的浸入深度，至少四个所述扭矩值M为所述预设转速ω下不同深度值h的扭矩测量值；

通过所述理论线性函数模型对至少四组所述测量数据进行线性拟合，获取线性拟合的相关系数；

判断所述线性拟合的相关系数是否大于等于预设相关系数；

若是，获取所述理论线性函数模型的截距和斜率，计算所述内筒的内筒附加高度；

根据所述内筒附加高度、所述同轴双筒流变仪的几何参数、所述同轴双筒流变仪的运行参数以及所述测量数据，确定消除端面效应误差的所述待测非牛顿流体的表观粘度值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

若所述线性拟合的相关系数小于预设相关系数，则重新获取所述待测非牛顿流体的至少四组测量数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述理论线性函数模型为：

M＝h·M_l+M_bottom

M_bottom为所述预设转速ω下，与所述待测非牛顿流体接触的所述内筒的底面产生的扭矩值；M_l为所述预设转速ω下，所述内筒的单位浸入深度的内筒侧壁产生的扭矩值；

获取所述理论线性函数模型的截距和斜率，计算所述内筒的内筒附加高度，包括：

获取所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l；

计算所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l比值；其中，所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l比值为所述内筒附加高度Δh。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述内筒附加高度、所述同轴双筒流变仪的几何参数、所述同轴双筒流变仪的运行参数以及所述测量数据，确定消除端面效应误差的所述待测非牛顿流体的表观粘度值，包括：

获取所述同轴双筒流变仪的几何参数和运行参数，构建所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α的计算公式：

其中，所述同轴双筒流变仪的几何参数包括所述内筒的半径R₁和所述外筒的半径R₂；所述同轴双筒流变仪的运行参数包括所述内筒或所述外筒的转速ω；Δh为所述内筒附加高度；

将所述内筒附加高度Δh、所述同轴双筒流变仪的几何参数和运行参数以及所述测量数据代入所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α的计算公式，获取与至少四组所述测量数据一一对应的至少四个所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α；

计算至少四个所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α的平均值，确定消除端面效应误差的所述待测非牛顿流体的表观粘度值。

5.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所获取的流体测量参数的组数为N，其中4≤N≤6，N为整数。

6.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述预设相关系数为0.99。

7.一种测量非牛顿流体表观粘度的端面效应误差消除装置，其特征在于，包括：

参数获取模块，用于采用同轴双筒流变仪对待测非牛顿流体进行测量，在预设转速ω下，获取至少四组所述待测非牛顿流体的测量数据以及理论线性函数模型；所述同轴双筒流变仪包括内筒和外筒，所述待测非牛顿流体置于所述内筒与所述外筒之间；至少四组所述测量数据包括至少四个深度值h和至少四个与所述深度值h一一对应的扭矩值M；其中，所述深度值h为所述内筒在所述待测非牛顿流体中的浸入深度，至少四个所述扭矩值M为所述预设转速ω下不同深度值h的扭矩测量值；

相关系数获取模块，用于通过所述理论线性函数模型对至少四组所述测量数据进行线性拟合，获取线性拟合的相关系数；

相关系数判断模块，用于判断所述线性拟合的相关系数是否大于等于预设相关系数；

附加高度计算模块，用于在所述线性拟合的相关系数大于预设相关系数时，获取所述理论线性函数模型的截距和斜率，计算所述内筒的内筒附加高度；

端面效应误差修正模块，用于根据所述内筒附加高度、所述同轴双筒流变仪的几何参数、所述同轴双筒流变仪的运行参数以及所述测量数据，确定清除端面效应误差的所述待测非牛顿流体的表观粘度值。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：

参数重置模块，用于在所述线性拟合的相关系数小于预设相关系数时，重新获取所述待测非牛顿流体的至少四组测量数据。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述理论线性函数模型为：

M＝h·M_l+M_bottom

M_bottom为预设转速ω下，与所述待测非牛顿流体接触的所述内筒的底面产生的扭矩值；M_l为所述预设转速ω下，所述内筒的单位浸入深度的内筒侧壁产生的扭矩值；

所述附加高度计算模块包括：

方程参数获取单元，用于获取所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l；

比值计算单元，用于计算所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l比值；其中所述理论线性函数模型的截距M_bottom和斜率M_l比值为所述内筒附加高度Δh。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述端面效应误差修正模块包括：

计算公式构建单元，用于获取所述同轴双筒流变仪的几何参数和运行参数，构建所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α的计算公式：

其中，所述同轴双筒流变仪的几何参数包括所述内筒的半径R₁和所述外筒的半径R₂；所述同轴双筒流变仪的运行参数包括所述内筒或所述外筒的转速ω；Δh为所述内筒附加高度；

粘度计算单元，用于将所述内筒附加高度Δh、所述同轴双筒流变仪的几何参数和运行参数以及所述测量数据代入所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α的计算公式，获取与至少四组所述流体测量数据一一对应的至少四个所述待测非牛顿流体的粘度η_α；

粘度确定单元，用于计算至少四个所述待测非牛顿流体的表观粘度η_α的平均值，确定消除端面效应误差的所述待测非牛顿流体的表观粘度值。

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