日本TOKISANGYO东机产业 锥板粘度计 TV-150BM-C 工作原理

日本TOKISANGYO东机产业 锥板粘度计  TV-150BM-C 工作原理

一、 核心测量部件与结构

要理解其原理，首先需要了解其核心传感器部分：

1. 锥板转子：这是一个具有极小角度（通常在0.5°到4°之间，常见为1°）的圆锥体。锥尖通常是略微截平的，以防止与底板发生碰撞。

2. 平板测量底座：一个平坦、水平的金属板，通常带有温控装置。

3. 精确间隙：锥体的锥尖与平板之间的间隙是仪器的最关键参数之一。当锥板下降到位后，锥面与平板之间形成一个均匀且极其微小的缝隙（通常为几十微米量级）。对于TV-150BM-C，这个间隙是固定且精确设定的。

为什么采用这种结构？ 这种几何结构能产生一个关键优势：在样品填充的间隙内，剪切速率是处处均一的。

二、 稳态旋转测量模式的工作原理（常用模式）

这是测量粘度（η）和流动曲线的基本模式。

步骤分解：

1. 样品加载：

• 将少量待测样品（通常约0.5 - 1 mL）滴在平板中心。

• 锥板转子下降至测量位置，多余的样品会被挤出间隙，形成一个边缘清晰的圆盘形样品薄膜。

2. 施加剪切（运动）：

• 仪器的高精度步进电机驱动锥板转子（或平板，取决于设计）以一个设定的角速度（Ω） 匀速旋转。

• 由于锥角极小，样品间隙内的流体可以看作处于层流状态。

3. 产生剪切场：

• 在旋转过程中，靠近旋转锥面的流体层随锥面运动，而紧贴静止平板的流体层速度为零。

• 由于间隙均匀且微小，从平板到锥面，流体的速度呈线性变化，从而在样品内部产生一个均匀的剪切场。

4. 测量阻力（扭矩）：

• 流体的粘度（内摩擦阻力）会抵抗锥板的旋转。

• 这种阻力对旋转轴产生一个反向扭矩（M）。

• 仪器通过一个高灵敏度的扭矩传感器（如光电传感器或电磁补偿传感器）精确测量这个扭矩值。

5. 计算基本流变参数：
   利用锥板几何的精确数学关系，可以直接从转速和测得的扭矩计算出两大核心参数：

• 剪切速率（γ̇）： 描述了流体被剪切的速度。
  γ̇ = Ω / α
  其中，Ω是角速度（rad/s），α是锥板的锥角（rad）。关键点：剪切速率只与转速和锥角有关，与在间隙中的径向位置无关，这就是锥板结构实现均匀剪切的原因。

• 剪切应力（τ）： 描述了流体内部单位面积上的剪切力。
  τ = (3 * M) / (2 * π * R³)
  其中，M是测得的扭矩，R是锥板的半径。

• 表观粘度（η）： 根据牛顿内摩擦定律的广义形式，粘度即为剪切应力与剪切速率的比值。
  η = τ / γ̇

6. 构建流变曲线：

• 仪器通过控制转速（或剪切速率）的阶梯变化，并实时测量对应的扭矩（或剪切应力），可以自动绘制出流动曲线：即剪切应力（τ） vs. 剪切速率（γ̇），或粘度（η） vs. 剪切速率（γ̇）。

• 通过分析这条曲线，可以判断流体是牛顿流体（粘度恒定）还是非牛顿流体（如剪切变稀、剪切增稠、具有屈服应力等）。

三、 仪器核心子系统

TV-150BM-C为实现上述原理，集成了以下关键子系统：

1. 驱动与传感系统：高精度步进电机提供稳定旋转，扭矩传感器实现微小阻力的精确测量。

2. 温控系统（至关重要）：通常采用帕尔贴（Peltier）温控装置集成在平板底座中，配合循环水浴，能够精确控制样品温度（如5°C - 80°C），因为粘度对温度极其敏感。

3. 间隙设定与定位系统：通过精密的机械和电子控制，确保锥板每次都能准确下降到预设的固定间隙，并具备防碰撞保护功能。

4. 数据处理系统：将原始的电信号（扭矩、角度、温度）转换为流变参数，并通过软件显示和记录。

四、 锥板粘度计的独特优势（TV-150BM-C的特点）

1. 剪切速率均一：如前所述，这是其大优点，特别适合非牛顿流体的精确表征。

2. 样品用量少：仅需少量样品，适合珍贵或难以获取的样品。

3. 热控制优异：由于样品是薄层，且与温控板接触面积大，温度能快速达到平衡且分布均匀。

4. 易于清洁：结构相对简单，清洁方便。

5. 可进行振荡测试：除了稳态旋转，像TV-150BM-C这类高级型号通常还支持动态振荡模式，可以测量样品的粘弹性模量（储能模量G‘、损耗模量G’‘），用于研究凝胶结构、固化过程等。

五、 操作要点与注意事项

理解了原理，就能明白以下操作关键：

• 精确装样：样品量必须适中，既要填满间隙，又不能过多，否则会产生“边缘效应"，影响扭矩测量。

• 防止气泡：装样时需避免混入气泡，否则会严重干扰测量。

• 温度平衡：测量前必须确保样品温度与设定温度全平衡。

• 锥板选择：根据样品粘度范围（扭矩范围）和所需剪切速率范围，选择合适的锥板（不同半径和锥角）。

总结

TOKISANGYO TV-150BM-C锥板粘度计的工作原理，本质是利用一个精密的“锥-板"几何结构，在微小、均匀的间隙内对流体施加一个已知的、均匀的剪切速率，并通过测量流体抵抗剪切所产生的扭矩，直接计算出该剪切速率下的剪切应力和表观粘度。 它通过自动化改变剪切速率，从而高效、准确地描绘出流体的完整流变特性图谱。