日本TOKISANGYO東機產(chǎn)業(yè) 錐板粘度計  TV-150BM-C 工作原理

一、 核心測量部件與結(jié)構(gòu)

要理解其原理，首先需要了解其核心傳感器部分：

1. 錐板轉(zhuǎn)子：這是一個具有極小角度（通常在0.5°到4°之間，常見為1°）的圓錐體。錐尖通常是略微截平的，以防止與底板發(fā)生碰撞。

2. 平板測量底座：一個平坦、水平的金屬板，通常帶有溫控裝置。

3. 精確間隙：錐體的錐尖與平板之間的間隙是儀器的最關(guān)鍵參數(shù)之一。當(dāng)錐板下降到位后，錐面與平板之間形成一個均勻且極其微小的縫隙（通常為幾十微米量級）。對于TV-150BM-C，這個間隙是固定且精確設(shè)定的。

為什么采用這種結(jié)構(gòu)？ 這種幾何結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生一個關(guān)鍵優(yōu)勢：在樣品填充的間隙內(nèi)，剪切速率是處處均一的。

二、 穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)測量模式的工作原理（常用模式）

這是測量粘度（η）和流動曲線的基本模式。

步驟分解：

1. 樣品加載：

• 將少量待測樣品（通常約0.5 - 1 mL）滴在平板中心。

• 錐板轉(zhuǎn)子下降至測量位置，多余的樣品會被擠出間隙，形成一個邊緣清晰的圓盤形樣品薄膜。

2. 施加剪切（運動）：

• 儀器的高精度步進(jìn)電機驅(qū)動錐板轉(zhuǎn)子（或平板，取決于設(shè)計）以一個設(shè)定的角速度（Ω） 勻速旋轉(zhuǎn)。

• 由于錐角極小，樣品間隙內(nèi)的流體可以看作處于層流狀態(tài)。

3. 產(chǎn)生剪切場：

• 在旋轉(zhuǎn)過程中，靠近旋轉(zhuǎn)錐面的流體層隨錐面運動，而緊貼靜止平板的流體層速度為零。

• 由于間隙均勻且微小，從平板到錐面，流體的速度呈線性變化，從而在樣品內(nèi)部產(chǎn)生一個均勻的剪切場。

4. 測量阻力（扭矩）：

• 流體的粘度（內(nèi)摩擦阻力）會抵抗錐板的旋轉(zhuǎn)。

• 這種阻力對旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生一個反向扭矩（M）。

• 儀器通過一個高靈敏度的扭矩傳感器（如光電傳感器或電磁補償傳感器）精確測量這個扭矩值。

5. 計算基本流變參數(shù)：
   利用錐板幾何的精確數(shù)學(xué)關(guān)系，可以直接從轉(zhuǎn)速和測得的扭矩計算出兩大核心參數(shù)：

• 剪切速率（γ?）： 描述了流體被剪切的速度。
  γ? = Ω / α
  其中，Ω是角速度（rad/s），α是錐板的錐角（rad）。關(guān)鍵點：剪切速率只與轉(zhuǎn)速和錐角有關(guān)，與在間隙中的徑向位置無關(guān)，這就是錐板結(jié)構(gòu)實現(xiàn)均勻剪切的原因。

• 剪切應(yīng)力（τ）： 描述了流體內(nèi)部單位面積上的剪切力。
  τ = (3 * M) / (2 * π * R3)
  其中，M是測得的扭矩，R是錐板的半徑。

• 表觀粘度（η）： 根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律的廣義形式，粘度即為剪切應(yīng)力與剪切速率的比值。
  η = τ / γ?

6. 構(gòu)建流變曲線：

• 儀器通過控制轉(zhuǎn)速（或剪切速率）的階梯變化，并實時測量對應(yīng)的扭矩（或剪切應(yīng)力），可以自動繪制出流動曲線：即剪切應(yīng)力（τ） vs. 剪切速率（γ?），或粘度（η） vs. 剪切速率（γ?）。

• 通過分析這條曲線，可以判斷流體是牛頓流體（粘度恒定）還是非牛頓流體（如剪切變稀、剪切增稠、具有屈服應(yīng)力等）。

三、 儀器核心子系統(tǒng)

TV-150BM-C為實現(xiàn)上述原理，集成了以下關(guān)鍵子系統(tǒng)：

1. 驅(qū)動與傳感系統(tǒng)：高精度步進(jìn)電機提供穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，扭矩傳感器實現(xiàn)微小阻力的精確測量。

2. 溫控系統(tǒng)（至關(guān)重要）：通常采用帕爾貼（Peltier）溫控裝置集成在平板底座中，配合循環(huán)水浴，能夠精確控制樣品溫度（如5°C - 80°C），因為粘度對溫度極其敏感。

3. 間隙設(shè)定與定位系統(tǒng)：通過精密的機械和電子控制，確保錐板每次都能準(zhǔn)確下降到預(yù)設(shè)的固定間隙，并具備防碰撞保護功能。

4. 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：將原始的電信號（扭矩、角度、溫度）轉(zhuǎn)換為流變參數(shù)，并通過軟件顯示和記錄。

四、 錐板粘度計的獨特優(yōu)勢（TV-150BM-C的特點）

1. 剪切速率均一：如前所述，這是其大優(yōu)點，特別適合非牛頓流體的精確表征。

2. 樣品用量少：僅需少量樣品，適合珍貴或難以獲取的樣品。

3. 熱控制優(yōu)異：由于樣品是薄層，且與溫控板接觸面積大，溫度能快速達(dá)到平衡且分布均勻。

4. 易于清潔：結(jié)構(gòu)相對簡單，清潔方便。

5. 可進(jìn)行振蕩測試：除了穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)，像TV-150BM-C這類高級型號通常還支持動態(tài)振蕩模式，可以測量樣品的粘彈性模量（儲能模量G‘、損耗模量G’‘），用于研究凝膠結(jié)構(gòu)、固化過程等。

五、 操作要點與注意事項

理解了原理，就能明白以下操作關(guān)鍵：

• 精確裝樣：樣品量必須適中，既要填滿間隙，又不能過多，否則會產(chǎn)生“邊緣效應(yīng)"，影響扭矩測量。

• 防止氣泡：裝樣時需避免混入氣泡，否則會嚴(yán)重干擾測量。

• 溫度平衡：測量前必須確保樣品溫度與設(shè)定溫度全平衡。

• 錐板選擇：根據(jù)樣品粘度范圍（扭矩范圍）和所需剪切速率范圍，選擇合適的錐板（不同半徑和錐角）。

總結(jié)

TOKISANGYO TV-150BM-C錐板粘度計的工作原理，本質(zhì)是利用一個精密的“錐-板"幾何結(jié)構(gòu)，在微小、均勻的間隙內(nèi)對流體施加一個已知的、均勻的剪切速率，并通過測量流體抵抗剪切所產(chǎn)生的扭矩，直接計算出該剪切速率下的剪切應(yīng)力和表觀粘度。 它通過自動化改變剪切速率，從而高效、準(zhǔn)確地描繪出流體的完整流變特性圖譜。