專利名稱：振動(dòng)式流變儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)定流體變形和流動(dòng)現(xiàn)象的流動(dòng)變儀，特別涉及包括帶有一對(duì)在樣品中振動(dòng)的音叉組件的粘度計(jì)的振動(dòng)式流變儀。
對(duì)于構(gòu)成簡單的液體，例如水、酒精和甘油等，盡管它們的流動(dòng)性隨著粘滯系的不同而變化，但它們顯示出牛頓粘性，即流動(dòng)時(shí)其流變速度與其應(yīng)力成比例。與此相反，對(duì)于構(gòu)成比較復(fù)雜的粘滯液體，例如油漆，糊狀牙膏、沙拉調(diào)料，油質(zhì)雪花膏等，它們?cè)谕饬Τ^一定的數(shù)值時(shí)，其流動(dòng)就顯示出非牛頓粘性。此外通過對(duì)注入到容器中的凝膠物質(zhì)的一邊攪動(dòng)和一邊振動(dòng)可以使其變?yōu)槿苣z，但是待其靜止下來以后，它又重新變?yōu)槟z，人們稱這種性質(zhì)為攪溶性。
對(duì)于牛頓粘性或非牛頓粘性的測(cè)定，特別是攪溶程度的測(cè)定，可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的轉(zhuǎn)速連續(xù)增加和連續(xù)減少時(shí)所得到的滯后閉合曲線的面積來計(jì)算攪溶程度。對(duì)于旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)，是通過測(cè)定作用在粘性流體中轉(zhuǎn)動(dòng)的圓筒上的粘滯力轉(zhuǎn)矩來得到粘度值的。對(duì)于共軸雙圓筒式粘度計(jì)，流體裝在外筒與內(nèi)筒之間，測(cè)定外筒旋轉(zhuǎn)時(shí)作用在內(nèi)筒上的轉(zhuǎn)矩，在測(cè)定時(shí)，將內(nèi)筒懸掛在扭轉(zhuǎn)的金屬絲上，測(cè)定該扭轉(zhuǎn)金屬絲的扭轉(zhuǎn)角度，如果使旋轉(zhuǎn)體的角速度可以變化，從而與角速度相對(duì)應(yīng)的流變速度也是可以變化的，那末這樣的粘度計(jì)就適合測(cè)定非牛頓粘性流體的流動(dòng)特性。
然而，利用這類粘度計(jì)時(shí)，需要根據(jù)待測(cè)的樣品來改換所使用的旋轉(zhuǎn)體的形狀，因?yàn)閷?duì)使用后的旋轉(zhuǎn)體要進(jìn)行麻煩的清洗而有裝拆的問題。不僅如此，由于受到旋轉(zhuǎn)體的慣性和樣品流動(dòng)等影響，使旋轉(zhuǎn)體的角速度的可能的調(diào)節(jié)范圍變小，所以往往不能選擇多種測(cè)定模式。
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠克服使用已有的旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的流變儀的上述缺點(diǎn)的新型的流變儀。
具體地說，本發(fā)明提供了一種為了能夠選擇各種不同測(cè)定模式而可以在寬范圍內(nèi)改變施加于待測(cè)樣品上的外力和流變速度的流變儀。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種裝拆簡單易操作的流變儀。
本發(fā)明提供了一種包括帶有一對(duì)在樣品中振動(dòng)的音叉組件的粘度計(jì)的振動(dòng)式流變儀，帶有一對(duì)音叉組件的振動(dòng)式粘度計(jì)已由本發(fā)明人提出，名稱為“用于測(cè)定粘滯性的裝置”的在1986年7月29日批準(zhǔn)的美國專利4602505(相應(yīng)的歐洲專利申請(qǐng)的公開號(hào)為112156)中公開。又在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)的振動(dòng)式粘度計(jì)也是由本發(fā)明人提出的，名稱為“用于K型振動(dòng)粘性測(cè)量裝置的調(diào)諧”，在1988年3月8日批準(zhǔn)的美國專利4729237(相應(yīng)的歐洲專利申請(qǐng)的公開號(hào)為233408)中公開。在這種振動(dòng)式粘度計(jì)中，有一對(duì)音叉振動(dòng)器組件作為振動(dòng)器組件，每一個(gè)振動(dòng)器組件裝有在其自由端裝有的插入待測(cè)樣品中的敏感板，使上述的一對(duì)振動(dòng)器組件振動(dòng)的激勵(lì)組件，用于檢測(cè)上述的插入樣品內(nèi)的敏感板因受到粘滯阻力的變化而引起的上述一對(duì)振動(dòng)器組件的振幅，并將該振幅轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的檢測(cè)器。激勵(lì)組件由電研線圈和永久磁鐵組合而成，它使一對(duì)振動(dòng)器組件以頻率相同，相位相反(即相位差為180°)的狀態(tài)下振動(dòng)。在上述的專利申請(qǐng)案中，振動(dòng)粘度計(jì)的激勵(lì)頻率為30HZ，空載時(shí)板的振幅恒定為20微米。
本發(fā)明的特征在于在上述的公知的振動(dòng)粘度計(jì)的構(gòu)成中增加了能夠使供給上述的激勵(lì)組件的激勵(lì)電流連續(xù)變化的控制組件，以及把上述的一對(duì)振動(dòng)器組件的振幅變化繪成曲線的組件，所述的振幅變化是響應(yīng)在檢測(cè)器中輸出前述的激勵(lì)電流變化的。因?yàn)榧?lì)組件的激勵(lì)電流大小的連續(xù)變化表征了作用在一對(duì)振動(dòng)器組件上的振動(dòng)力也是連續(xù)變化的，所以只要連續(xù)地檢測(cè)出對(duì)應(yīng)這個(gè)振動(dòng)力變化的振幅變化，就能測(cè)定出樣品在流體運(yùn)動(dòng)中的參數(shù)相對(duì)時(shí)間的變化率。在這種情況下，與使用原有的會(huì)使流體產(chǎn)生同心圓狀運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的流變儀相反，因?yàn)楸景l(fā)明中的一對(duì)振動(dòng)器組件只產(chǎn)生微小的振動(dòng)，所以只要對(duì)這個(gè)激勵(lì)力的施加方式和大小進(jìn)行控制就能進(jìn)行多種模式的測(cè)定，在這些不同的測(cè)定模式的典型例子中，對(duì)激勵(lì)電流控制如下模式1在從時(shí)間t0到時(shí)間t1間無級(jí)地連續(xù)增大，然后從時(shí)間t1到時(shí)間t2間無級(jí)地連續(xù)減小。
模式2與上述類型1相同，在到時(shí)間t1之前連續(xù)增大，在時(shí)間t1以后保持一定。
模式3與上述類型1相同，在到時(shí)間t1之前連續(xù)增大，在時(shí)間t1到時(shí)間t2之間保持一定，然后截止為零。
模式4與上述類型1相同，在到時(shí)間t1之前連續(xù)增大，再從時(shí)間t1到時(shí)間t2間以相反的方式無級(jí)地連續(xù)減小，重復(fù)進(jìn)行這種增大和減小。
這些測(cè)定模式通過對(duì)激勵(lì)電流進(jìn)行程序控制就可以容易地得以完成。
根據(jù)本發(fā)明，可以通過使一對(duì)振動(dòng)器組件的激勵(lì)組件的激勵(lì)電流無紉連續(xù)地變化，并連續(xù)檢測(cè)響應(yīng)于這樣一對(duì)振動(dòng)器組件的施振力變化的振幅值的變化來測(cè)定流體的流變參數(shù)，不會(huì)產(chǎn)生上述的使用原有的旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)時(shí)會(huì)出現(xiàn)的裝拆問題，并可以簡單地完成測(cè)定。


圖1示出了本發(fā)明中使用的振動(dòng)粘度計(jì)的局部剖視圖。
圖2示出了將圖1中所示的主要部件分解后的視面。
圖3示出了表示本發(fā)明的振動(dòng)流變儀的方框圖。
圖4、圖5和圖6示出了采用本發(fā)明的振動(dòng)流變儀測(cè)定出的樣品的流動(dòng)特性曲線。其中圖4的樣品為沙拉調(diào)料，圖5中的樣品為油質(zhì)雪化膏，圖6中的樣品為乳膠。
圖7示出了表示各種測(cè)定模式的示意圖。
首先參見附圖3，它示出了本發(fā)明的包含有由總的參考標(biāo)號(hào)50表示的振動(dòng)粘度計(jì)的振動(dòng)式流變儀。其中的振動(dòng)粘度計(jì)將在下面詳細(xì)說明。它配置有電磁激勵(lì)組件51，振幅檢測(cè)器52和溫度計(jì)53。電磁激勵(lì)組件51包含有永久磁鐵13(參見圖1)和協(xié)動(dòng)電磁線圈12(參見圖1)。其電磁線圈12由包含有振蕩器54和可調(diào)放大器55的控制組件56供給其大小可無級(jí)連續(xù)變化的激勵(lì)電流?？刂平M件56還配置有用于檢測(cè)由電磁激勵(lì)組件51供給的激勵(lì)電流大小的電流表57，另一方面，振幅檢測(cè)器52，比如說它是由非接觸式渦流損耗檢測(cè)式位移檢測(cè)器14(參見圖1)構(gòu)成的，將檢測(cè)器14的輸出信號(hào)輸入振幅顯示組件58。振幅顯示組件58包含有與檢測(cè)器14的輸出端相連接的振幅放大器59和測(cè)量振幅放大器59的輸出電壓值的電壓表60。溫度計(jì)53有一個(gè)溫度探頭21(參見圖1)，該探頭21的輸出信號(hào)供給溫度指示器61，溫度計(jì)57的測(cè)量值和電壓表60的測(cè)量值分別地送入到，比如說一個(gè)X-Y記錄儀式的記錄組件62，且該記錄組件62是用于將振幅檢測(cè)器52輸出的代表振幅值變化的檢測(cè)電壓繪成曲線，該振幅值與供給激勵(lì)組件51的連續(xù)變化的激勵(lì)電流相對(duì)應(yīng)。
本發(fā)明所使用的振動(dòng)粘度計(jì)的主體已由上述的由本發(fā)明人提出的美國專利4602505和美國專利4729237所公開。由圖1可見，這種振動(dòng)粘度計(jì)配置有從底座(未示出)上延伸出的支架軸1，在其上牢固地固定有由剛性材料構(gòu)成的中空的支架2，這一支架2帶有一個(gè)延伸到下方的支柱3。在支架2的下端部處裝有構(gòu)成音叉狀振動(dòng)器的一對(duì)振動(dòng)器組件4，振動(dòng)器組件4從支架2向下延伸，彼此相對(duì)地裝在支柱3的兩側(cè)。每一個(gè)振動(dòng)器組件4均包含有一端是從穿過夾鐵7且借助螺釘6固定在支架2上的彈性元件5，牢固地安裝在該彈性元件5的另一端的較長的中間板8，和用螺釘10固定在中間板8的端部的敏感板9。薄板彈性元件5最好是用彈性穩(wěn)定的彈簧鋼制作，而中間板8最好是用象鋁這樣的具有相當(dāng)剛性的較輕的材料制作。敏感板9最好是用例如厚度為0.2mm左右的薄而平的耐腐蝕的不銹鋼制作，這個(gè)敏感板的自由端可以做成為例如直徑為20mm左右的圓盤11。
每一個(gè)振動(dòng)器組件4相對(duì)于另一個(gè)振動(dòng)器組件對(duì)稱地配置，在中間板8上有分別裝配在支柱3上的一對(duì)電磁線圈12和協(xié)同動(dòng)作的永久磁鐵13。每一個(gè)電磁線圈12和永久磁鐵13的組合體作為使對(duì)應(yīng)的振動(dòng)器組件4振動(dòng)的激勵(lì)組件51，激勵(lì)組件51由上述的控制組件56(參見圖3)供給大小可無級(jí)連續(xù)變化的激勵(lì)電流，在上述激勵(lì)電流的作用下，這一對(duì)振動(dòng)器組件在頻率相同，相位相反(即有180°相位差)大小可無級(jí)連續(xù)變化的施振力下振動(dòng)。較好的實(shí)施例為，激勵(lì)頻率為30HZ且激勵(lì)電流 至1000mA線性變化。一對(duì)敏感板9應(yīng)處在同一假想的垂直平面內(nèi)，這樣可以避免因它們分布在不同的假想垂直平面上時(shí)在支架2上產(chǎn)生的扭曲反作用。各電磁線圈12和永久磁鐵13的相對(duì)位置也可以顛倒過來。在圖中所示的例子中，電磁線圈12放置在支柱3的兩側(cè)，比較好的作法是使線圈12的引線15穿過支柱3的里面，然后引到端部接頭16上(上方)。
在支架2與電磁線圈12之間的支柱3中裝有位移檢測(cè)器14，應(yīng)使位移檢測(cè)器14與振動(dòng)器組件4的彈性元件5相對(duì)放置。位移檢測(cè)器14能將一側(cè)振動(dòng)器組件4的振幅轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。當(dāng)然為了檢測(cè)另一側(cè)的振動(dòng)組件的振動(dòng)也可以為另一個(gè)振動(dòng)器組件再配裝一個(gè)位移檢測(cè)器，但在這種情況下，由于兩個(gè)振動(dòng)器組件4的振幅基本上相同，所以只檢測(cè)一個(gè)也夠了。如同后面將說明的那樣，當(dāng)把一個(gè)敏感板9插入到樣品里面時(shí)，由于樣品粘滯阻力的變化而使振動(dòng)器組件4的振幅發(fā)生變化，位移檢測(cè)器14就可以把這個(gè)振幅變?yōu)殡娦盘?hào)檢測(cè)出來，然后就可根據(jù)公知的公式，利用這一測(cè)量值計(jì)算出樣品的粘滯度。位移檢測(cè)器14可以采用比如說公知的非接觸式渦流損耗檢測(cè)式檢測(cè)器，在采用這種公知的位移檢測(cè)器時(shí)，與它相對(duì)放置的彈性元件5要用磁性彈簧鋼制作。也可以采用公知的光學(xué)式位移傳感器來代替渦流損耗檢測(cè)式位移傳感器。位移檢測(cè)器14的引線17也要穿過支柱3的里面引到共用接線接頭16上。
轉(zhuǎn)下來參見圖2，在支柱3的下端安裝有用總的參考標(biāo)號(hào)20表示的溫度計(jì)。該溫度計(jì)20的外殼連同探頭21延伸到下方。這一溫度探頭21配置在一對(duì)敏感板9的中間位置處，且還與這對(duì)敏感板處在同一假想垂直平面內(nèi)，而溫度計(jì)的下端同一對(duì)敏感板9大體上處在同一假想的水平面內(nèi)。由于溫度探頭21與一對(duì)敏感板9定位在同一假想垂直平面內(nèi)，而防止了由于在兩敏感板極9之間存在溫度探頭21引起樣品內(nèi)發(fā)生的紊亂。溫度計(jì)20最好是采用例如在外殼內(nèi)裝有鉑電阻的常規(guī)溫度計(jì)，在這種常規(guī)溫度計(jì)的外殼底面上裝有振幅放大器的電路組件22。電路組件22的引線23也穿過支柱3的內(nèi)部接到共用端部接頭16上。
支柱3的下端加工有螺紋30。帶有與這一外螺紋30相配合的調(diào)節(jié)螺母31的托架組件32安裝在支柱3上。托架組件32和樣品容器的安裝方式是可拆卸式的。而且起著封閉這個(gè)樣品容器33的敞口密封蓋的作用。樣品容器33最好是用象燒杯那樣的透明玻璃制作。在該容器的開口邊緣附近裝有法蘭盤34，還有由指示注入容器中待測(cè)樣品35的容許容量的兩條平行的標(biāo)識(shí)線。托架組件32上有一個(gè)其大小恰好可嵌入在樣品容器33中的平面形的蓋件37，例如用絕熱性能優(yōu)異的合成樹脂制作的蓋件37，這一蓋件37還帶有法蘭38。在蓋件37上還裝有一對(duì)常規(guī)的卡緊夾子39，當(dāng)這對(duì)卡緊夾子39扣到樣品容器33的法蘭34上后，樣品容器33就固定在托架組件32上。在與支柱3上的外螺紋30相配合的調(diào)節(jié)螺母31的下端裝有一個(gè)擋塊40，借助該擋塊40可以限制其軸向的移動(dòng)。在蓋構(gòu)件37上加工有能使支柱3的下端部通過的孔41和能使一對(duì)敏感板9通過的一對(duì)可防止熱擴(kuò)散的細(xì)小的狹縫42。
通常，托架組件32安裝在支柱3的下端部，樣品容器33在托架32上可以裝上或卸下。兩個(gè)針形件44朝下裝在支柱3的下端，這兩個(gè)針形件44彼此相對(duì)地位于溫度探頭21的兩側(cè)，處于探頭和敏感板9之間的位置，并且排列在敏感板9和溫度探頭21所處的假想的垂直平面內(nèi)。由于確定支柱3相對(duì)于樣品容器33的相對(duì)的高度位置，就可以用針形件44的尖端來表示容器內(nèi)樣品35所希望的表面高度，針形件44起著指示器的作用。也就是說，如果針形件44的尖端與樣品35的表面水平面不重合時(shí)，可以轉(zhuǎn)動(dòng)托架組件32上的調(diào)節(jié)螺母構(gòu)件31，則這一托架組件32將與樣品容器33一起沿著支柱3的軸向方向運(yùn)動(dòng)，這樣可以消除這個(gè)不重合，這樣一來就不會(huì)遇到對(duì)裝入到樣品容器33內(nèi)的樣品量要予先精確確定的麻煩，只要注入的樣品量處在樣品容器33上配置的兩條指示標(biāo)線36之間所表示的范圍內(nèi)和只要使敏感板9和溫度探頭21在樣品內(nèi)插入的長度保持不變，就可以防止因它們插入深度的不同而產(chǎn)生的測(cè)量誤差。
圖4、圖5和圖6示出了使用按本發(fā)明的最佳實(shí)施例而制作的振動(dòng)式流變儀對(duì)樣品的流動(dòng)特性進(jìn)行三種模式測(cè)量的結(jié)果。在這些曲線圖中，縱軸表示與施加在一對(duì)振動(dòng)器組件4上的激勵(lì)力相對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流I的大小，橫軸表示相對(duì)于上述激振力的與上述一對(duì)振動(dòng)器組件4的振幅相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電壓E的大小。其中圖4圖5和圖6分別是以沙拉調(diào)料、油質(zhì)雪花膏、乳膠作為樣品的。內(nèi)圖4和圖5可見，內(nèi)逐步增大激振力而得出的曲線和與其相反由逐步減小激振力而得出的曲線構(gòu)成了滯后閉合曲線，由此可知這些樣品的攪溶性呈非牛頓粘性;由圖6可見，振幅隨激勵(lì)力線性變化，由此斷定這一樣品是呈牛頓粘性的物質(zhì)。
圖7示出了有關(guān)各種測(cè)定模式的，說明其激勵(lì)電流形式的曲線圖。在這些曲線圖中，縱軸表示電流值I，橫軸表示時(shí)間值T。每一曲線圖所表示的測(cè)定類型的狀況分述如下圖7a模式1在從時(shí)間t0到時(shí)間t1間無級(jí)地連續(xù)增大，然后在從時(shí)間t1到時(shí)間t2間無級(jí)地連續(xù)減小。
圖7b模式2與上述模式1相同在到時(shí)間t1之間連續(xù)增大，在時(shí)間t1以后保持不變。
圖7c，模式3與上述模式1相同，在到時(shí)間t1之前連續(xù)增大，在到時(shí)間t2之前保持不變，然后截止為零。
圖7d，模式4與上述模式1相同，在到時(shí)間t1之前連續(xù)增大，再從時(shí)間t1到時(shí)間t2間以相反的方式無級(jí)地連續(xù)減小，重復(fù)進(jìn)行這種增大和減小。
上述的測(cè)定模式僅僅是作為實(shí)施例，本發(fā)明并不限制于這些測(cè)定模式，它有可能形成更多種模式。
權(quán)利要求
1.用于測(cè)量加有隨時(shí)間變化的外力的流體樣品的動(dòng)態(tài)性質(zhì)的振動(dòng)式流變儀，包括a.牢固裝在底座上的支架，在其下方裝有支柱；b.音叉式振動(dòng)器裝置，包括固定在該支架上并從該支架下方伸出且互相對(duì)著裝在所述的支柱的兩側(cè)的一對(duì)帶振動(dòng)器組件的音叉振動(dòng)器組件；每一振動(dòng)組件在其自由端均帶有插入上述待測(cè)定樣品中薄而平的敏感板，該兩敏感板分布在同一假想的垂直平面上；c.對(duì)該對(duì)振蕩器組件以頻率相同、相位彼此相反進(jìn)行激勵(lì)的激勵(lì)組件。d.用于檢測(cè)上述插入樣品內(nèi)的敏感板振幅的變化，并將所表示的振幅轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的組件，該振幅的變化是由于插入在該樣品內(nèi)的敏感板受到粘滯阻力而產(chǎn)生的；e.對(duì)上述的激勵(lì)組件提供出大小為無級(jí)連續(xù)變化的激勵(lì)電流，并使施加在上述一對(duì)振動(dòng)器組件上的激振力隨時(shí)間變化的控制組件；f.對(duì)響應(yīng)上述激勵(lì)電流大小變化的上述檢測(cè)組件的輸出值進(jìn)行繪圖的組件。
2.如權(quán)利要求1所述的振動(dòng)式流變儀，其中的控制組件中包括其振蕩頻率一定的振蕩器，將該振蕩器的輸出變成為其大小可無級(jí)連續(xù)變化的激勵(lì)電流的可調(diào)放大器，用于檢測(cè)上述激勵(lì)電流大小的電流表。
3.如權(quán)利要求1所述的振動(dòng)式流變儀，其中的控制組件是對(duì)上述激勵(lì)電流大小進(jìn)行程序控制的組件。
4.如權(quán)利要求3所述的振動(dòng)式流變儀，其中的控制組件按下述方式控制上述激勵(lì)電流的大小，即從時(shí)間t0到時(shí)間t1間無級(jí)地連續(xù)增加，在時(shí)間t1以后保持不變。
5.如權(quán)利要求3所述的振動(dòng)式流變儀，其中的控制組件按下述方式控制上述激勵(lì)電流的大小，即從時(shí)間t0到時(shí)間t1間無級(jí)的連續(xù)增加，從時(shí)間t1到時(shí)間t2間保持不變，然后截止為零。
6.如權(quán)利要求3所述的振動(dòng)式流變儀，其中的控制組件按下述方式控制上述激勵(lì)電流的大小，即從時(shí)間t0到時(shí)間t1間無級(jí)地連續(xù)增加，從時(shí)間t1到時(shí)間t2間無級(jí)地連續(xù)減小。
全文摘要
一種振動(dòng)式流變儀，在構(gòu)成為音叉振動(dòng)器的一對(duì)振動(dòng)器組件中，在其自由端各有一個(gè)在待測(cè)樣品中的敏感板，它們受電磁激勵(lì)組件生相位相反，頻率相同的激勵(lì)。為使加在振動(dòng)器組件的施振力能隨時(shí)間變化，配置了能對(duì)電磁激勵(lì)組件提供大小為無級(jí)連續(xù)變化的激勵(lì)電流控制組件，以電信號(hào)的方式檢測(cè)出振動(dòng)器組件的振幅，將這一檢測(cè)值和激勵(lì)電流值一起送入記錄組件，用以表示隨時(shí)間變化時(shí)流體樣品在隨時(shí)間變化的外力作用下的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。
文檔編號(hào)G01N11/16GK1036454SQ8810920
公開日1989年10月18日 申請(qǐng)日期1988年11月18日 優(yōu)先權(quán)日1987年11月18日
發(fā)明者鈴木修, 石渡章介, 林充郎, 大島秀明 申請(qǐng)人:秩父水泥株式會(huì)社