旋轉(zhuǎn)流變儀如何選？

流變儀有很多種，毛細(xì)管流變，轉(zhuǎn)矩流變，旋轉(zhuǎn)流變儀，這里只聊聊旋轉(zhuǎn)流變儀。以下列表是主要流變儀的生產(chǎn)廠家以及業(yè)務(wù)涵蓋的主要機(jī)器類型.

從列表中很容易得到結(jié)論，世界上主要的流變儀供應(yīng)商只有四家，Anton Paar，Haake,耐馳和TA儀器。那么接下來就聊一聊，如何選擇一款適合自己的旋轉(zhuǎn)流變儀。

一、旋轉(zhuǎn)流變儀的分類

1.1 是粘度計(jì)還是流變儀？

流變，顧名思義，包含了流動(dòng)和形變。只有這兩方便的功能都具備了，才是一款真正的流變儀。市面上有些品牌，功能上只可以測(cè)試流動(dòng)，但也叫流變儀，難免有點(diǎn)指鹿為馬。因此，流變儀應(yīng)該具有三種模式：控制速率模式，控制應(yīng)力模式和控制形變模式，缺一不可。否則，就只能歸類到粘度計(jì)了。以下所描述的流變儀，都是包含了三種模式的測(cè)試儀器。

1.2 流變儀的分類

去網(wǎng)上簡(jiǎn)單搜索下，發(fā)現(xiàn)流變儀的叫法五花八門。有平錐板流變儀的，有高溫高壓流變儀的，有界面流變儀的。在這里，我統(tǒng)一以下分類的方法，分為控制應(yīng)力型流變儀和控制形變型流變儀。其他的叫法只是在溫控附件或者測(cè)試夾具上做了特別說明而已。

（1）控制應(yīng)力型流變儀

這是一類非常常用的一類流變儀，在市面上絕大多數(shù)的設(shè)備都可以歸入此類。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，軸承，轉(zhuǎn)子，傳感器都集成在一個(gè)單獨(dú)的測(cè)量頭上。傳感器的扭矩來自于三部分：

M_總=M_軸承+M_樣品+M_{轉(zhuǎn)子}

其實(shí)我們需要測(cè)量的是樣品的扭矩，因此，儀器在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要盡可能減小來自軸承和轉(zhuǎn)子的背景噪音。但是，這一部分的噪音不能從根本上得到消除。各個(gè)廠家在產(chǎn)品研發(fā)和優(yōu)化設(shè)計(jì)上，就各顯其能，多種技術(shù)手段競(jìng)相迸發(fā)，以至于讓客戶選擇的時(shí)候多少有點(diǎn)眼花繚亂。

這一設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：

1、這一結(jié)構(gòu)相對(duì)的降低了設(shè)備的制造成本，使得流變儀的價(jià)格相對(duì)便宜了（與形變控制的比較）。

2、空氣軸承+托杯馬達(dá)或者磁懸浮軸承的組合，提高了設(shè)備的靈敏度，至少在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域或者小形變測(cè)試領(lǐng)域，滿足測(cè)試需求；

3、底座靜止不動(dòng)，為設(shè)備的模塊化應(yīng)用通了可能，比如拉曼光譜聯(lián)用，紅外光譜聯(lián)用，高溫高壓密閉單元等；

4、豐富的溫控模塊控制，既可以半導(dǎo)體，同軸圓筒，也可以液體溫控和CTC輻射對(duì)流爐。

5、可以兼容多種測(cè)試夾具，同軸圓筒，平錐板以及其他各類型的轉(zhuǎn)子；

但是也有缺點(diǎn)：由于力(扭矩)是在運(yùn)動(dòng)頭上“量測(cè)”，因此，軸承摩擦、系統(tǒng)慣量(非勻速運(yùn)動(dòng)情況)成為不可避免的測(cè)量噪音。想要克服或者優(yōu)化這一天生的缺點(diǎn)，配置低慣量的馬達(dá)、軸承和轉(zhuǎn)子就顯得異常重要。或者，整體成為系統(tǒng)慣量。如下圖所示，有一部分?jǐn)?shù)據(jù)失真是由于系統(tǒng)慣量的存在造成的。很容易識(shí)別從馬達(dá)啟動(dòng)到1S時(shí)間內(nèi)，形變有大幅度的震蕩。這在蠕變測(cè)試中較為常見。

所以，在考察一款流變儀的時(shí)候，需要重點(diǎn)考量設(shè)備的系統(tǒng)慣量，針對(duì)測(cè)試的精準(zhǔn)性和重復(fù)性有重要影響。當(dāng)然，某些品牌的系統(tǒng)慣量很大，他們?cè)谲浖说臄?shù)據(jù)處理上下了一番工夫，對(duì)數(shù)據(jù)做了優(yōu)化處理，也獲得不錯(cuò)的曲線結(jié)果。但本人始終認(rèn)為，作為一臺(tái)分析測(cè)試設(shè)備，首先要忠實(shí)的反映材料的原本特性，然后在客觀的基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的處理優(yōu)化，這樣似乎更加符合科學(xué)研究的初心和本源。從這個(gè)角度來看，賽默飛HAAKE的設(shè)備均衡各種因素，把系統(tǒng)慣量做到了業(yè)內(nèi)非常理想的狀態(tài)，至少目前是這樣的一種技術(shù)狀態(tài)。隨著科技的進(jìn)步，肯定會(huì)有新的技術(shù)持續(xù)進(jìn)化、持續(xù)迭代，把應(yīng)力控制性的流變儀這一分析測(cè)試平臺(tái)推向嶄新的發(fā)展階段。

（2）應(yīng)變控制型流變儀

這類設(shè)備的傳感器在上端，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在底座上，一般稱為雙頭型流變儀（有的廠家是雙驅(qū)動(dòng)馬達(dá)）。簡(jiǎn)要如下圖：

力在靜止頭上量測(cè)，因此，量測(cè)的力為純粹的樣品響應(yīng)。因此：

M_總=M_樣品

在這臺(tái)設(shè)備上，轉(zhuǎn)子，軸承的背景摩擦都消除了，測(cè)試的扭矩直接就是樣品的反饋。這樣帶來的好處顯而易見：

1、消除了背景摩擦，雙頭設(shè)計(jì)，可以獨(dú)立、準(zhǔn)確、直接測(cè)試應(yīng)力和應(yīng)變。

2、可以更好開展大形變、大振幅條件下的探測(cè)測(cè)試，最大扭矩可以達(dá)到800mNm.

3、可以做正交疊加和小振幅的各向異性探究。

但是這臺(tái)設(shè)備的缺點(diǎn)也是十分明顯：價(jià)格昂貴。如果你是純粹的做流變理論研究的，或者對(duì)大振幅、大形變感興趣的，這是一款不錯(cuò)的選擇；但是如果你想從分子角度來研究一些化學(xué)變化的機(jī)理，需要借助一些光譜設(shè)備，甚至是顯微鏡等聯(lián)用技術(shù)的時(shí)候，這臺(tái)設(shè)備的結(jié)構(gòu)決定了，這是行不通的。

流變儀的分類基本籠統(tǒng)的掰扯清楚了，那面對(duì)不同行業(yè)，不同用戶需求的時(shí)候。這些流變儀該怎么選擇呢？

1.3 硬件組成的差異

一臺(tái)流變儀，硬件部分由以下幾部分構(gòu)成：

測(cè)量頭：這是設(shè)備的核心部件，由軸承，馬達(dá)，法向力傳感器，光學(xué)編碼器等集成組成；

升降裝置：這是一臺(tái)精密的步進(jìn)電機(jī)組成，精度可以達(dá)到1um；

底座上的溫度控制模塊：溫控通常有半導(dǎo)體、電機(jī)熱、液體循環(huán)浴和對(duì)流爐組成，有的廠商有高溫的爐子，可以耐受1600C的溫度測(cè)試；

其他附屬專門應(yīng)用配件：在外光固化模塊，高溫高壓密閉單元，粉體流變配件，電流變和磁流變模塊等。

聯(lián)用技術(shù)專用模塊：紅外光譜模塊，拉曼光譜模塊等。

另外一個(gè)重要的選擇：測(cè)量夾具，或者叫轉(zhuǎn)子。這在下面的論述中會(huì)有詳細(xì)的描述。

（1）測(cè)量頭硬件差異

在這里面，最核心的就是測(cè)量頭的集成技術(shù)，也就是馬達(dá)和軸承技術(shù)，優(yōu)缺點(diǎn)簡(jiǎn)明如下：

（2）溫度控制模塊

很多人都認(rèn)為旋轉(zhuǎn)流變儀和有一些簡(jiǎn)單的分析儀器一樣有標(biāo)準(zhǔn)的配置, 包括了所有需要的部件和配件，只要買回去用就可以了。其實(shí)不然，旋轉(zhuǎn)流變儀現(xiàn)在發(fā)展到了一個(gè)比較成熟，同時(shí)也是很復(fù)雜的分析儀器系統(tǒng)了。由于旋轉(zhuǎn)流變儀的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，下面我先簡(jiǎn)要說明一下目前可選的常用四種溫控系統(tǒng)，然后再就一些典型的應(yīng)用推薦相關(guān)的配置：
     首先是廣受歡迎的半導(dǎo)體（Peltier）溫控單元。它是利用了半導(dǎo)體的一種特殊效應(yīng)，通過本身溫度的升高或降低就能對(duì)平行板、錐板或同心圓筒的樣品控溫，原理簡(jiǎn)單，控制方便，已成為研究精細(xì)化工、食品、化妝品、涂料、油墨等流變性能的溫控系統(tǒng)。Peltier半導(dǎo)體溫控方式的溫度上限可以到200°C，基本滿足了上述領(lǐng)域?qū)Ω邷販y(cè)試范圍的需要。其溫度的下限極限可以到達(dá)-60°C，也能滿足很多低溫測(cè)試的要求了。而且它最大的優(yōu)點(diǎn)是升降溫速度超快，最快可以實(shí)現(xiàn)60°C/分鐘的變溫速度，溫控的精度也能達(dá)到0.1~0.2°C。不過半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)一定要接一個(gè)循環(huán)裝置，不管是水冷還是風(fēng)冷，用于保護(hù)溫控系統(tǒng)不要過熱燒毀。另外要實(shí)現(xiàn)零度以下的溫度測(cè)試，外接循環(huán)裝置也要具有降溫能力，這樣才能輔助Peltier系統(tǒng)降到更低的溫度。比如說要Peltier系統(tǒng)降到-40°C，那么外接循環(huán)器也要能降到-20°C。
      第二種溫控方式就是電加熱溫控系統(tǒng)。說簡(jiǎn)單些，就是電熱毯的加熱方式，可以實(shí)現(xiàn)平行板、錐板或同心圓筒的控溫。與第一種Peltier方式相比，電加熱方式的溫度上限可以提高到400°C（平行板、錐板）或者是300°C（同心圓筒），滿足相關(guān)高分子熔體和其它高溫測(cè)試的需要。由于加熱體本身的熱慣量較大，所以一旦到達(dá)設(shè)定溫度后，溫度波動(dòng)小。特別是平行板、錐板測(cè)試樣品時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)在裝樣過程中溫度大幅波動(dòng)的問題。但同時(shí)帶來的不足就是電加熱系統(tǒng)升溫速度慢，視溫度范圍的不同，升溫速度在3~5°C/分鐘不等。好在可以在電加熱溫控系統(tǒng)中接入一套液體控溫的循環(huán)器，加速降溫，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)一些低于室溫的實(shí)驗(yàn)。
     第三種溫控方式是直接接入液體控溫循環(huán)器的方法，俗稱水浴控溫。當(dāng)然循環(huán)液既可以是水，也可以是溫度范圍更寬的硅油或水/乙二醇的混合液。這種控溫系統(tǒng)的溫度范圍就依賴與所接循環(huán)器的能力了，有溫度范圍窄的，也有從-40°C ~ 150°C的，不一而足。
   最后一種溫控方式是輻射對(duì)流爐。從名字上看就是相對(duì)較新的溫控方式，你猜的沒錯(cuò)，溫控范圍從-150°C 到 600°C，是溫控范圍最寬的方式。簡(jiǎn)單說就是電吹風(fēng)+電熱毯雙系統(tǒng)，配合液氮低溫系統(tǒng)，是最無/敵的方式，也是最昂貴的溫控方式。適用于平行板、錐板、固體扭轉(zhuǎn)（DMA功能）、熔體拉伸、紫外固化等等，也是聚合物流變學(xué)通常選的方式。
   旋轉(zhuǎn)流變儀鼓勵(lì)客戶根據(jù)自己的需要選配一種或幾種適合于研究?jī)?nèi)容和方向的溫控系統(tǒng)，沒有最/好的溫控，只有最合適的溫控。
   所以下面推薦不同行業(yè)的溫控選擇：
   石油化工：電加熱 >Peltier > 輻射對(duì)流爐CTC > 液體控溫；
   易燃易爆樣品：液體控溫(安全性第一); 
   高分子：電加熱 > CTC> Peltier;
     油墨、涂料、食品、化妝品、藥物流變性能研究：Peltier >液體控溫。

（3）轉(zhuǎn)子的差異

在這一點(diǎn)上，也讓很多不熟悉流變儀的用戶頭疼不已。其實(shí)只要抓住一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就行了，按和樣品接觸面積的大小來排序，同心圓筒轉(zhuǎn)子的面積大于平行板和錐板的面積，直徑大的轉(zhuǎn)子比直徑小的轉(zhuǎn)子能夠有更多與樣品接觸的面積。所以在同一臺(tái)流變儀相同的測(cè)量扭矩范圍之內(nèi)，面積越大的，可以測(cè)量的粘度越低；而如果要測(cè)量高粘度、高剪切應(yīng)力的樣品，就要選擇小直徑的轉(zhuǎn)子。目前商用流變儀中可以選擇的最小直徑的轉(zhuǎn)子是8mm，而最大直徑是60mm，各種形式的平行板、錐板和同心圓筒都有。
   如果是要測(cè)量比水粘度還低的樣品的話，還可以選用新型的雙狹縫同心圓筒轉(zhuǎn)子。
    不過還有幾個(gè)技術(shù)問題要解釋一下：
1.      很多人不清楚同樣直徑的平行板和錐板有什么用途？不同錐度的錐板又如何區(qū)別使用？簡(jiǎn)單的說，平行板測(cè)試時(shí)樣品內(nèi)部有剪切速率（剪切應(yīng)變）的梯度變化，樣品變化是不均勻的。但這種方法簡(jiǎn)單，操作方便，還可以做變溫實(shí)驗(yàn)。而錐板測(cè)試可以接近于均勻變化的剪切場(chǎng)，錐角越小越好。但帶來的問題就是有大顆粒的樣品不宜用錐板測(cè)試，變溫實(shí)驗(yàn)也不推薦用錐板。
2.      同心圓筒測(cè)試的一個(gè)理論前提是狹縫要足夠的小，這樣才能近似于等剪切流場(chǎng)。但由于不同粘度測(cè)試的需求，有很多設(shè)計(jì)上就逐漸偏離了這樣的原則了。
3.      同心圓筒樣品量相對(duì)比平行板、錐板測(cè)試樣品量要大，樣品溫度均勻所需要花費(fèi)的時(shí)間更長(zhǎng)。
    還有幾個(gè)特殊的場(chǎng)合：
1.      對(duì)于固化交聯(lián)的樣品，可以提供鋁制的可拋棄式的轉(zhuǎn)子；
2.      對(duì)于需要進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的樣品，可以選用石英玻璃制的平行板轉(zhuǎn)子；
3.      如果是電流變的樣品，可以選絕緣式的轉(zhuǎn)子；
4.   高溫高壓條件下的轉(zhuǎn)子，可以最高耐受600大氣壓，300°C的條件；

弄明白了以上三個(gè)重要的模塊之間的差異，接下來對(duì)于如何選擇流變儀，就變得相對(duì)容易且水到渠成了。

二、如何選擇適合的流變儀

寫到這里，發(fā)現(xiàn)越來越難寫。什么叫合適，仁者見仁，智者見智。我的標(biāo)準(zhǔn)是：既可以剛好滿足目前的需求，也可以為未來的發(fā)展留下余量。這只是單一的維度，其實(shí)在實(shí)際操作過程中，所要考慮的因素有很多，很難用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來定義或者闡述。因此，以下的觀點(diǎn)純屬一孔之見，僅供參考。

2.1 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)

談到流變儀，粘度計(jì)是一個(gè)繞不過去的設(shè)備。我在這里把旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)分為 兩類：

相對(duì)粘度測(cè)量用黏度計(jì)：這一類是僅滿足IS02555,可以做單點(diǎn)測(cè)試或者簡(jiǎn)單的粘度曲線的，黏度是相對(duì)粘度，轉(zhuǎn)速用RPM來表示的。

這類設(shè)備適用于簡(jiǎn)單流體的粘度測(cè)試，非常適合用于QC部門。這類設(shè)備的供應(yīng)商很多，國(guó)產(chǎn)的進(jìn)口的，都滿足測(cè)試要求。如果預(yù)算充足，還是建議選用進(jìn)口的。在這個(gè)領(lǐng)域，Brookfield是典型的代表。另外還有FUNGILAB，Lamy等品牌。

絕對(duì)黏度測(cè)量用黏度計(jì)：這一類是可以測(cè)試物料的流動(dòng)特性，表征應(yīng)力曲線，屈服應(yīng)力和觸變性的，黏度是絕對(duì)黏度，剪切速率用S-1表示的，不可以測(cè)試形變的。

這類設(shè)備適用于簡(jiǎn)單流體和復(fù)雜流體的流動(dòng)測(cè)試，除了QC質(zhì)量控制之外，還可以解決工程工藝和產(chǎn)品應(yīng)用的問題，可以表征流動(dòng)曲線，觸變性、結(jié)構(gòu)恢復(fù)和屈服應(yīng)力。這個(gè)設(shè)備，推薦多采用同心圓筒轉(zhuǎn)子。哈克的ISO粘度計(jì)/VTIQ或者安東帕的Rheolab QC/MCR72就屬于這一類。

這一類設(shè)備是一個(gè)相對(duì)經(jīng)濟(jì)的選擇，可以很好的解決QC和工程工藝問題，與客戶所處的行業(yè)密切相關(guān)。鋰電池行業(yè)，陶瓷漿料，水泥砂漿，建筑采礦，金屬粉末，食品谷物，水果果醬，油漆涂料，污泥處理等行業(yè)，這類設(shè)備是個(gè)不錯(cuò)的選擇。如果需要做進(jìn)一步的研究和探討，功能受限，需要產(chǎn)品升級(jí)了。

由于單點(diǎn)黏度計(jì)天然的缺點(diǎn)，我的建議是如果預(yù)算允許，還是買一臺(tái)可以解決流動(dòng)性的粘度計(jì)，在面對(duì)更多的分析需求時(shí)，更加游刃有余。

2.2 應(yīng)力控制性流變儀

這是一類在市場(chǎng)上占有率和被使用廣泛的設(shè)備，兼顧了性能和價(jià)格，是最有性價(jià)比的一類。這一類的設(shè)備，該如何選擇呢？或者從幾個(gè)維度去做評(píng)估呢？

（1）系統(tǒng)慣量之馬達(dá)慣量

每個(gè)品牌，都有自己的技術(shù)專長(zhǎng)，每個(gè)技術(shù)，各有利弊?；蛘邠Q句話說，每一個(gè)先進(jìn)的設(shè)備，都是一個(gè)妥協(xié)的產(chǎn)物。因?yàn)?，你不可能在一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)中，做到每一個(gè)維度上的極/致。結(jié)果就是，總要折中，平衡，取得整體系統(tǒng)的最/優(yōu)解。流變儀更不例外。

軸承和馬達(dá)的優(yōu)缺點(diǎn)在前面有了論述，這里不再重復(fù)。這里只強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)慣量，也就是整體系統(tǒng)最/優(yōu)解的結(jié)果到底如何。先從慣量的概念入手。

慣量[inertia] ∶物質(zhì)（物體）運(yùn)動(dòng)的慣性量值，表示慣性大小的物理量，其慣性大小與物質(zhì)質(zhì)量相應(yīng)慣量：

其中r為轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，m為剛體質(zhì)量。SI 單位為 kg·m²。

流變儀中的慣量包含以下幾部分：馬達(dá)慣量，這是馬達(dá)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。還有軸承慣量，轉(zhuǎn)子慣量和樣品慣量，這一部分合計(jì)為負(fù)載慣量。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載慣量的集合，稱之為系統(tǒng)慣量。

這一概念僅僅是考慮測(cè)量頭、轉(zhuǎn)子和樣品的角度，不考慮結(jié)構(gòu)上的差異以及應(yīng)力分布。

這一指標(biāo)的意義在哪里呢？

可以表征馬達(dá)電機(jī)的加減速。需要快速的停止和加速的應(yīng)用場(chǎng)景，慣量越小越好。特別適合輕負(fù)載，高速度的場(chǎng)合。這恰恰就是流變儀測(cè)試需要的場(chǎng)景。

所以，為了降低系統(tǒng)慣量，需要采取低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的馬達(dá)，比如托杯馬達(dá)，主要的流變儀廠家用的都是這個(gè)技術(shù)。這是一類單相感應(yīng)電機(jī)技術(shù)，定子通過切割磁力線產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，因此產(chǎn)生和旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩。想要?jiǎng)x車改變方向，應(yīng)在電機(jī)*停止以后，再轉(zhuǎn)換其旋轉(zhuǎn)方向。所以，這就需要低系統(tǒng)慣量的集成技術(shù)來配合這一個(gè)馬達(dá)，包括低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的自身，以及空氣軸承和輕質(zhì)的夾具，以及低慣量的流體。

所以，如果你測(cè)試的樣品粘度很低，測(cè)試之前一定要校正慣量，一個(gè)是軸承的，一個(gè)是轉(zhuǎn)子的。這個(gè)時(shí)候測(cè)試的結(jié)果才更穩(wěn)定，更接近真值。

再來看永磁同步電機(jī)，也就是EC（Electrical Commutation）同步馬達(dá)，包含永磁無刷直流電機(jī)和永磁無刷交流電機(jī)。定子的永磁體直接和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁通勢(shì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同步旋轉(zhuǎn)做相對(duì)靜止的運(yùn)動(dòng)。這類馬達(dá)響應(yīng)靈敏，加速度好，適合高負(fù)載高扭矩的場(chǎng)景。啟動(dòng)快，加速快，帶來的另一方便就是剎車變得困難，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，導(dǎo)致在做瞬態(tài)測(cè)試或者高頻率測(cè)試的時(shí)候，數(shù)據(jù)反饋失真。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，造價(jià)相對(duì)較低。兼顧了馬達(dá)的性能和經(jīng)濟(jì)性，是高性價(jià)比的馬達(dá)技術(shù)。在哈克的中高/端產(chǎn)品VTIQ系列和MARS IQ系列用的這一技術(shù)。

【馬達(dá)技術(shù)聊到這里，基本理順清楚了。一家之言，萬(wàn)勿拍磚。技術(shù)各有利弊，選擇對(duì)錯(cuò)全靠運(yùn)氣。我瀏覽了各家公司的產(chǎn)品參數(shù)，除了哈克MARS系列設(shè)備標(biāo)注馬達(dá)慣量這一指標(biāo)之外，其他各家均無說明。那就接著聊下一個(gè)，軸承慣量。】

（2）系統(tǒng)慣量之軸承慣量

軸承的區(qū)別，相對(duì)簡(jiǎn)單。滾軸軸承，空氣軸承和磁懸浮軸承。一起學(xué)習(xí)下概念。

磁懸浮軸承(Magnetic Bearing) 是利用磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空中，使轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機(jī)械接觸。其原理是磁感應(yīng)線與磁浮線成垂直，軸芯與磁浮線是平行的，所以轉(zhuǎn)子的重量就固定在運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道上，利用幾乎是無負(fù)載的軸芯往反磁浮線方向頂撐，形成整個(gè)轉(zhuǎn)子懸空，在固定運(yùn)轉(zhuǎn)軌道上。

優(yōu)點(diǎn)很明顯：轉(zhuǎn)子可以運(yùn)行到很高的轉(zhuǎn)速，具有機(jī)械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長(zhǎng)、無需潤(rùn)滑、無油污染等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高速、真空、超凈等特殊環(huán)境中。但是，磁懸浮事實(shí)上只是一種輔助功能，并非是獨(dú)立的軸承形式，具體應(yīng)用還得配合其它的軸承形式。體現(xiàn)到流變儀上，最直接的就是造價(jià)成本高。這是一項(xiàng)非常好的技術(shù)，獲得了更好的靈敏度，背景摩擦小，沒有油污污染的風(fēng)險(xiǎn)，但缺點(diǎn)也有。操作復(fù)雜，維護(hù)成本高，需要熟練且豐富的操作經(jīng)驗(yàn)。

空氣軸承（又稱為氣浮軸承）指的是用氣體（通常是空氣，但也有可能是其它氣體）作為潤(rùn)滑劑的滑動(dòng)軸承，利用空氣彈性勢(shì)能來起支承作用的一種新型軸承。如下圖，這是哈克MARS系列流變儀的測(cè)量頭中的軸承，一個(gè)軸向，兩個(gè)徑向。這個(gè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，精度高，速度耐受高，負(fù)載大。所以，在主要流變儀品牌中得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于流變儀來說，背景摩擦小，穩(wěn)定，精度高。關(guān)鍵是，皮實(shí)耐操，維護(hù)成本低。風(fēng)險(xiǎn)也有，需要無油，無水，潔凈的空氣或者其他氣體提供彈性支撐，有污染的風(fēng)險(xiǎn)。

滾珠軸承是滾動(dòng)軸承的一種，將球形合金鋼珠或者陶瓷珠安裝在內(nèi)鋼圈和外鋼圈的中間，以滾動(dòng)方式來降低動(dòng)力傳遞過程中的摩擦力和提高機(jī)械動(dòng)力的傳遞效率。這技術(shù)在粘度計(jì)或者中低端的流變儀中應(yīng)用廣泛，摩擦適中，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，但是缺點(diǎn)明顯，噪音大，靈敏度不夠，面對(duì)低粘度樣品或者復(fù)雜苛刻的粘彈性測(cè)試不推薦，這里強(qiáng)調(diào)下，不是說粘彈性不能做，可以測(cè)試，但是對(duì)于物料有所選擇。比如哈克的VTIQ測(cè)試粘彈性的時(shí)候要求黏度大于5000mpa.s就是這個(gè)道理。

總結(jié)一句話。站在軸承的角度來看，空氣軸承是兼顧了精度、靈敏度、成本、維護(hù)操作、耐用等各個(gè)因素之后的最/優(yōu)選擇。當(dāng)然，如果您預(yù)算充足且具有豐富的流變學(xué)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，磁懸浮軸承也是不錯(cuò)的選擇。如果你買設(shè)備為了解決流動(dòng)性的問題，一臺(tái)滾軸軸承的設(shè)備已經(jīng)是綽綽有余了。

（3）系統(tǒng)慣量之轉(zhuǎn)子慣量

在轉(zhuǎn)子的硬件差異中，討論了轉(zhuǎn)子的不同的使用場(chǎng)景。這里只討論一個(gè)問題，轉(zhuǎn)子的慣量。

你任意打開一家公司的流變儀的轉(zhuǎn)子，都有一個(gè)*的轉(zhuǎn)子參數(shù)，慣量值，也就是這個(gè)轉(zhuǎn)子的負(fù)載慣量。以哈克為例子,隨著平行板直徑的增加，慣量顯著增加。

就意味著，如果扭矩在合理范圍內(nèi)，或者流變儀的靈敏度足夠出色，選擇小的夾具對(duì)于測(cè)試來說是有利的。這一點(diǎn)對(duì)于瞬態(tài)測(cè)試或者震蕩測(cè)試尤為重要。

降低轉(zhuǎn)子慣量，簡(jiǎn)單有效的方法就是降低轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，讓它變更輕。但是轉(zhuǎn)子的選擇是一個(gè)綜合考量的結(jié)果，質(zhì)量之外，還要考慮耐化學(xué)腐蝕性能，以及隔熱性能。所以，這又是一個(gè)妥協(xié)的產(chǎn)物。對(duì)于哈克流變儀來說，全部的轉(zhuǎn)子都是鈦合金的材質(zhì)，既具有好的耐化學(xué)性能，又比不銹鋼的質(zhì)量輕，同時(shí)又兼顧了陶瓷桿的絕熱性。也正因?yàn)槿绱?，哈克的測(cè)試轉(zhuǎn)子在所有品牌的流變儀中是最昂貴的。

（4）系統(tǒng)慣量之流體慣量

這個(gè)是我們往往忽略，但是在流變測(cè)試中經(jīng)常遇到的問題。流體慣量的因素包含比重，密度，重度等。一句話，測(cè)試流體或者樣品的質(zhì)量，密度，體積等。不管是瞬態(tài)測(cè)試、動(dòng)態(tài)測(cè)試還是穩(wěn)態(tài)測(cè)試，流體慣量一直存在，一直影響著測(cè)試的結(jié)果。

根據(jù)牛頓第一定律，物質(zhì)有維持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)。那么哪些流體容易產(chǎn)生大的流體慣量呢？

比如高速剪切的水溶液，等速度迅速停止馬達(dá)剎車，水溶液還在以較高的速度做渦流或者拖曳流動(dòng)，此時(shí)的傳感器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的扭矩信號(hào)。這是測(cè)試需要避免的。意味著高轉(zhuǎn)速對(duì)于低粘度測(cè)試的數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大誤差。

另外一個(gè)，同心圓筒轉(zhuǎn)子需要15ml甚至更多的裝載量，和高速剪切水溶液類似，當(dāng)馬達(dá)在控制減速的時(shí)候，由于流體慣量的存在，測(cè)試數(shù)據(jù)總會(huì)偏低。

因此，為了避免流體慣量的影響，建議如下：

1、面對(duì)低粘度樣品，選擇靈敏度高的流變儀設(shè)備，確保在低轉(zhuǎn)速可以獲取穩(wěn)定的數(shù)據(jù)信號(hào)。

2、測(cè)試條件匹配的情況下，盡可能減少樣品裝載量；

3、避免做極/端測(cè)試，比如超出1000S-1的穩(wěn)態(tài)剪切，甚至100HZ的高頻掃描，甚至100%的大振幅形變。

總之一句話，流變學(xué)學(xué)習(xí)好，測(cè)試好，是一個(gè)不斷進(jìn)步的過程。每一個(gè)因素的考慮和取舍，都要因事因地制宜，綜合考察。

（5）其他的考慮因素

根據(jù)軸承和馬達(dá)，選定了測(cè)量頭之后，這一步最燒腦的工作完成后，需要考察的因素相對(duì)就簡(jiǎn)單了。

溫控模塊，根據(jù)自己的行業(yè)特性和材料的溫度適用范圍來選擇就可以了，比較單一。

聯(lián)用模塊，紫外固化，高溫高壓，紅外光譜，小角散射，粉末測(cè)試，電流變，磁流變。根據(jù)需要，對(duì)癥下藥就可以。

還有一個(gè)因素，貿(mào)易壁壘和禁運(yùn)。這個(gè)問題在近幾年非常突出。美帝國(guó)主義亡我之心不死，對(duì)我國(guó)的個(gè)別企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)圍追堵截。鑒于中德良好的雙邊關(guān)系，，貿(mào)易雖然受到了波及，但是通道還是暢通的，歐盟的許可使得尖/端的流變儀設(shè)備可以如常進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。

還有一個(gè)因素，法規(guī)的要求。這一點(diǎn)在制藥行業(yè)特別明顯。依據(jù)法規(guī)的要求，依葫蘆畫瓢就可以了，不會(huì)出錯(cuò)。

其他的蘿卜白菜各有所愛了。一句話，客觀的講，買任何一家的設(shè)備，都是可以進(jìn)行測(cè)試并且解決問題的，差別沒有大到一個(gè)天上，一個(gè)地下。

2.3 應(yīng)變控制型設(shè)備

這個(gè)設(shè)備，是一個(gè)真實(shí)的應(yīng)變控制流變儀，全球就TA一家。除了做流變學(xué)的理論研究，喜歡大形變測(cè)試測(cè)試之外，或者高校研究所使用之外，其余的行業(yè)，采買的意義值得商榷。當(dāng)然了，您特別有錢，那就另當(dāng)別論。

三、 小結(jié)

聊到這里，大致上如何選流變儀，聊得七七八八了。我做個(gè)選擇篩選流變儀的步驟，簡(jiǎn)明如下：

（1）為什么要買流變儀？流變儀需要解決什么樣的問題？

（2）測(cè)試的材料有哪些特性？需要借助什么樣水平的設(shè)備來進(jìn)行測(cè)試。

（3）有多少預(yù)算？根據(jù)預(yù)算匹配一套性價(jià)比的設(shè)備。

（4）設(shè)備除了硬件和軟件，更重要的是售前和售后支持團(tuán)隊(duì)如何？（敲黑板，這個(gè)異常重要。不展開論述，自己體會(huì)或者向同行做下調(diào)研）

（5）硬件、軟件和售后服務(wù)，綜合考慮后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，你不斷的糾結(jié)、猶豫，哈克可能是一個(gè)最/優(yōu)的的選擇。

聊到這里，旋轉(zhuǎn)流變儀暫告一個(gè)段落，接下來我要不斷的閱讀和學(xué)習(xí)了。你閱讀了關(guān)于流變學(xué)的書籍，掌握了基本的概念，對(duì)于流變儀的廠家，技術(shù)流派有了初步的了解。如果您正需要了解流變儀或者近期、甚至未來需要在工作中用到流變儀，給我電話吧。我在電話這端真誠(chéng)歡迎您的到來。