一種非穩態測試階段的流變儀剪切應力反饋調控系統及方法技術方案

本發明專利技術公開了一種非穩態測試階段的流變儀剪切應力反饋調控系統及方法，本發明專利技術以測試試樣流變曲線光滑連續為前提，在流變儀初始扭矩加載時間域內進行離散，確定實測轉子角速度與下一時刻應施加扭矩的數學關系，根據已測得的轉子轉速，近似獲取下一時刻的轉子角加速度，并根據預設的剪切應力、轉子角加速度和流變儀旋轉件的轉動慣量，計算獲得下一時刻應施加的扭矩值，并使用其進行調控。本發明專利技術保證了轉子表面真實剪切應力符合預設值，適用于流變性與時間有關的流體控制剪切應力加載下的流變測試，具有一定通用性和適用性。

Rheometer shearing stress feedback regulation system and method in non steady state test stage

The invention discloses a non steady shear stress testing phase of the feedback control system and method of the invention to test the rheological curve of smooth continuous as the premise, in the discrete time domain initial loading torque rheometer, determine the mathematical relationship between the torque moment measured angular velocity of the rotor and the next moment, according to the rotational speed of the rotor has been the next moment, approximate to obtain the rotor angular acceleration, and inertia force, rotor angular acceleration and rheometer parts according to the preset shear, calculate the next moment applied torque value, and use its regulation. The invention guarantees that the true shear stress of the rotor surface conforms to the preset value, and is suitable for rheological testing of rheological and time dependent fluid controlled shear stress loading, and has certain versatility and applicability.

【技術實現步驟摘要】
一種非穩態測試階段的流變儀剪切應力反饋調控系統及方法
本專利技術涉及一種非穩態測試階段的流變儀剪切應力反饋調控系統及方法。
技術介紹
工業、醫療、食品、生活等各領域涉及多種流體，研究不同物料的流變特性是深入了解其流體特性并加以應用的必然要求。因此，物料流變性測量的準確程度將是能否準確認識其流變特性的關鍵。隨著智能化流變儀的快速發展，諸如奧地利AntonPaar、德國HAAKE等品牌的高級旋轉流變儀正在流變測量領域發揮著重要作用。對于牛頓流體、冪律流體等與時間無關的流體，通常待流變儀穩定轉動后測試其流變數據。對于聚合物、膠凝原油等粘彈性、觸變性材料，其流變性與剪切時間密切相關，需要準確測量“剪切變形全過程”的力學特性。而流變測試初始階段，測試系統不可避免地處于“非穩態”轉動階段，此時施加或測量的數值，可能存在偏差。流變測量過程中，通過給轉子施加扭矩值，實現轉動剪切測試。讀取的常見流變參數，剪切應力、應變、應變速率，是由流變儀中的扭矩、轉子偏轉角、轉速分別對應計算的。具體的轉換關系如下：τ＝CSST(1)γ＝CSDα(2)式中，τ為剪切應力，Pa；T為流變儀施加扭矩，Nm，由圖1中的結構1“馬達”施加；γ為應變；α為轉子的轉角，rad；為應變速率，s-1；ω為轉子的轉速，rad/s；CSS、CSD、CSR表示流變儀運動參數與流變參數之間的轉換函數式。由于轉子可以近似認為剛體，所以不會發生扭轉變形，對于公式(2)與(3)，在穩態與非穩態階段均是嚴格成立的。但公式(1)中的剪切應力為基于扭矩值反算讀取的“測量剪切應力”，僅流變儀處于“穩態”剪切的時候，“測量剪切應力”等于轉子壁面的“真實剪切應力”。由于轉子是實體裝置，不可避免存在一定的質量，初始旋轉階段的加速過程會不可避免的消耗掉一部分扭矩，轉子表面“真實剪切應力”、轉子角加速度以及扭矩之間的關系式如下：式中，H(t)為Heaviside階躍函數；Ta為馬達施加扭矩值，Nm；τw為圖1中結構2“轉子”表面的“真實剪切應力”，Pa；A代表不同流變測試系統，扭矩與應力之間的函數關系；I流變儀旋轉件的轉動慣量，kg·m2。流變儀施加與測量“剪切應力”時，其原始數據均為“扭矩”。根據公式(4)可知，當轉子轉速非定常值時，轉子表面真實剪切應力與扭矩之間不再存在如公式(1)所示的對應關系。若準確測量流變儀內試樣的流變性，需要準確獲取“真實的”材料應變規律與剪切應力。材料的真實應變值可以通過轉子轉動角度依據公式(2)獲取，真實剪切應力即是圖1中結構2“轉子”表面的剪切應力。對于控制應變或應變速率的試驗測試，可以根據測量扭矩值、轉子角速度變化量等，依據公式(4)獲得轉子壁面處的真實剪切應力。但對于“控制剪切應力”模式下的測試過程，如“恒剪切應力”，流變測試系統根據公式(1)施加“恒扭矩”，但由于轉子的非穩態轉動，使公式(4)中的不為0，從而導致轉子表面的真實剪切應力偏離預設值。若實現轉子表面真實的剪切應力以“特定規律”變化，有兩種途徑：(1)實現I＝0；(2)考慮轉子非穩態轉動引起的項，并根據剪切應力預設值與轉動慣量項共同確定應施加的扭矩值。然而，對于流變儀旋轉系統，不可能存在“I＝0”的情況。所以，根據旋轉系統角速度變化與預設剪切應力，計算應施加的扭矩值，是更可行的方案。
技術實現思路
本專利技術為了解決上述問題，提出了一種非穩態測試階段的流變儀剪切應力反饋調控系統及方法，本專利技術能夠達到準確控制初始啟動非穩態轉動階段“轉子表面真實剪切應力”的效果，適用于與流變性與時間有關的試樣，使試樣流變性測試結果準確度提高。為了實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案：一種非穩態測試階段的流變儀剪切應力反饋調控方法，以測試試樣流變曲線光滑連續為前提，在流變儀初始扭矩加載時間域內進行離散，確定實測轉子角速度與下一時刻應施加扭矩的數學關系，根據已測得的轉子轉速，近似獲取下一時刻的轉子角加速度，并根據預設的剪切應力、轉子角加速度和流變儀旋轉件的轉動慣量，計算獲得下一時刻應施加的扭矩值，并使用其進行調控。具體的，在旋轉流變儀控制應力模式下，對于t≥2Δt的情況，Δt為反饋調節方案下，數據信號采集、計算所用的離散時間間隔。t時刻馬達施加的扭矩值是依據預設的t時刻應施加剪切應力、t-2Δt時刻與t-Δt時刻流變儀旋轉件角速度實時調整的，依據流變曲線光滑連續的特征，根據檢測的t-2Δt時刻與t-Δt時刻流變儀旋轉件角速度，近似計算t時刻旋轉件的角加速度，并根據預設的t時刻轉子表面剪切應力、旋轉件角加速度，計算t時刻應施加的扭矩值。對于t≤Δt的情況，即，t＝0與t＝Δt時刻，近似忽略轉子加速，認為扭矩值全部轉化為轉子表面真實剪切應力，T|0＝Aτ0，T|Δt＝Aτ0，τ0為預設剪切應力值，A代表不同流變測試系統，扭矩與應力之間的函數關系。進一步的，扭矩值的計算公式為ωi為i時刻的實測角速度。離散時間間隔Δt小于等于5ms。一種非穩態測試階段的流變儀剪切應力反饋調控系統，包括流變儀測試系統和控制器，所述控制器采集流變儀測試系統測得的實時角速度，以測試試樣流變曲線光滑連續為前提，在流變儀初始扭矩加載時間域內進行離散，確定實測轉子角速度與下一時刻應施加扭矩的數學關系，根據已測得的轉子轉速，近似獲取下一時刻的轉子角加速度，并根據預設的剪切應力、轉子角加速度和流變儀旋轉件的轉動慣量，計算下一時刻應施加的扭矩值，應用該扭矩值對流變儀測試系統進行調控。進一步的，所述流變儀測試系統定時對角速度進行采樣，各個采樣點的時間間隔一致。所述流變儀測試系統在流變測量過程中，通過給轉子施加扭矩值，實現轉動剪切測試。本專利技術的有益效果為：(1)本專利技術根據已測量的轉子旋轉角速度，利用流變曲線光滑連續、極限近似的思想，計算下一時刻的轉子角加速度，并根據轉子角加速度計算馬達在下一時刻應輸出扭矩值，從而保證轉子表面真實剪切應力滿足預設值；(2)本專利技術不涉及流體本構方程，廣泛適用于流變性與時間相關的試樣，解決了流變儀啟動初始非穩態剪切帶來的測量誤差，且本方法可自動連續實時反饋調節，具有一定通用性和適用性。附圖說明圖1為本專利技術的流變儀結構示意圖；圖2為本專利技術的扭矩反饋調節系統原理圖；其中，1為馬達、2為轉子。具體實施方式：下面結合附圖與實施例對本專利技術作進一步說明。流變儀測試過程中，轉動件的轉動慣量應包括旋轉件慣量和馬達轉動慣量。在空載下進行測試，可得到整個測量系統旋轉時的轉動慣量。I＝Igeometry+Irheometer(5)非穩態轉動階段，若想達到預設剪切應力值，不應該根據公式(1)施加對應扭矩。而應該根據式(4)，結合旋轉系統的角速度與預設剪切應力值，計算應施加的扭矩值。為了使作用于物料的預設剪應力從剪切伊始即按照預設規律變化，則馬達輸出扭矩需要根據轉子角加速度變化不斷實時調整，實時調整的方式符合公式(6)：式中，τ0為預設剪切應力值，Pa；τ0可以是恒定值，也可以是與時間相關的函數。T(t)為馬達實時輸出扭矩值，Nm。流變儀測試過程中的信號施加、數據采集并不是絕對連續的，而是多個離散的時刻節點。令Δt為采點時間間隔，不同時刻流變儀扭矩、預設的轉子表面剪切應力以及轉子角速度滿足：t＝0為流變儀啟動時刻；i為整數，t＝iΔt表示試驗結束時本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種非穩態測試階段的流變儀剪切應力反饋調控方法，其特征是：以測試試樣流變曲線光滑連續為前提，在流變儀初始扭矩加載時間域內進行離散，確定實測轉子角速度與下一時刻應施加扭矩的數學關系，根據已測得的轉子轉速，近似獲取下一時刻的轉子角加速度，并根據預設的剪切應力、轉子角加速度和流變儀旋轉件的轉動慣量，計算獲得下一時刻應施加的扭矩值，并使用其進行調控。

【技術特征摘要】
1.一種非穩態測試階段的流變儀剪切應力反饋調控方法，其特征是：以測試試樣流變曲線光滑連續為前提，在流變儀初始扭矩加載時間域內進行離散，確定實測轉子角速度與下一時刻應施加扭矩的數學關系，根據已測得的轉子轉速，近似獲取下一時刻的轉子角加速度，并根據預設的剪切應力、轉子角加速度和流變儀旋轉件的轉動慣量，計算獲得下一時刻應施加的扭矩值，并使用其進行調控。2.如權利要求1所述的一種非穩態測試階段的流變儀剪切應力反饋調控方法，其特征是：在旋轉流變儀控制應力模式下，對于t≥2Δt的情況，Δt為離散時間間隔，t時刻馬達施加的扭矩值是依據預設的t時刻應施加剪切應力、t-2Δt時刻與t-Δt時刻流變儀旋轉件角速度實時調整的，依據流變曲線光滑連續的特征，根據檢測的t-2Δt時刻與t-Δt時刻流變儀旋轉件角速度，近似計算t時刻旋轉件的角加速度，并根據預設的t時刻轉子表面剪切應力、旋轉件角加速度，計算t時刻應施加的扭矩值。3.如權利要求2所述的一種非穩態測試階段的流變儀剪切應力反饋調控方法，其特征是：對于t≤Δt的情況，即，t＝0與t＝Δt時刻，近似忽略轉子加速，認為扭矩值全部轉化為轉子表面真實剪切應力，T|0＝Aτ0，T|Δt＝Aτ0，τ0為預設剪切應力值，A代表不同流變測試系統，扭矩與應力之間的函數關系。4.如權利要求2所述的一種非穩態測試階段的流變儀剪切應力反饋調控方法，其特征是：對于t≥2Δt的情況，扭矩值的計算公式為τ0為預設剪切應力值，A代表不同流變測試系統，扭矩與應力之間的函數關系，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳雷，劉士元，劉剛，盧興國，滕厚興，
申請(專利權)人：中國石油大學華東，
類型：發明
國別省市：山東,37