同軸滾筒泥漿自動(dòng)流變儀的設(shè)計(jì)

曹 艷，趙艷芳，時(shí) 鶴

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221116；2.河南平高電氣股份有限公司，平頂山 467001）

0 引言

隨著鉆井技術(shù)的快速發(fā)展，鉆井作業(yè)過(guò)程越來(lái)越趨于高產(chǎn)、高效和智能化。在鉆井作業(yè)時(shí)，了解泥漿的流體參數(shù)方便我們?cè)谑烷_(kāi)采時(shí)選擇合適的液壓泵。此外，由于流變儀可以直觀地測(cè)量流體的流變參數(shù)，準(zhǔn)確的流變參數(shù)值如表觀粘度、塑性粘度、靜切力、觸變性、流性指數(shù)等參數(shù)可具體反映流體的性能，在醫(yī)療、生物科技、化工、交通運(yùn)輸、制造等行業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。由于流變儀可靠的實(shí)用性和廣泛的應(yīng)用前景，目前市場(chǎng)上各式各樣的流變儀層出不窮，總的來(lái)說(shuō)，流變儀按工作原理大致分為三大類(lèi)，分別是毛細(xì)管式、旋轉(zhuǎn)式和振動(dòng)式。結(jié)合現(xiàn)有流變儀設(shè)計(jì)原理采用同軸滾筒旋轉(zhuǎn)式流變儀，同軸滾筒的特殊幾何構(gòu)造可以較好的獲得剪力值，數(shù)據(jù)輸出部分采用角編碼器和彈簧扭矩傳感器雙數(shù)據(jù)輸出，結(jié)果可靠，數(shù)據(jù)精確。

1 整體設(shè)計(jì)

本流變儀整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，動(dòng)力源采用步距角為1.5°的三相六拍36BF003型步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移量的執(zhí)行元件。即輸入電脈沖的頻率越高，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速越快，通過(guò)調(diào)節(jié)電脈沖信號(hào)的頻率控制步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)采用89C51單片機(jī)控制電脈沖信號(hào)。電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)V帶輪傳動(dòng)至外滾筒，流變儀工作控制手柄與控制器相連，控制流變儀轉(zhuǎn)速，顯示輸出數(shù)據(jù)。此設(shè)計(jì)具有體積小、易于攜帶、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 泥漿自動(dòng)流變儀示意圖

2 基本原理

該流變儀采用雙滾筒同軸結(jié)構(gòu)，特殊的幾何構(gòu)造可以獲得較好的剪率和剪切力，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。外滾筒和內(nèi)滾筒同時(shí)侵入泥漿中，為了獲得較好的測(cè)量效果，侵入的深度L不易太淺。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)外滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于泥漿的粘滯性帶動(dòng)內(nèi)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外滾筒之間環(huán)隙的距離要適中。當(dāng)環(huán)隙過(guò)大時(shí)，內(nèi)滾筒受到流體阻力小使傳遞效果差導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，當(dāng)環(huán)隙過(guò)小時(shí)，造成泥漿沒(méi)有充分侵入內(nèi)滾筒，無(wú)法傳遞輸出轉(zhuǎn)矩，一般取環(huán)隙距離1mm!3mm，不同的環(huán)隙間距使流體內(nèi)部分子作用力不同，傳感器輸出值不同。內(nèi)滾筒的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)與其相連的角編碼器和彈簧扭矩傳感器，角編碼器旋轉(zhuǎn)的角度越大表明流體相對(duì)流動(dòng)時(shí)的阻力越大即流體的粘度越大，從而把測(cè)量流體的粘度轉(zhuǎn)換為角編碼器的旋轉(zhuǎn)量的測(cè)量。

根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律得：內(nèi)滾筒旋轉(zhuǎn)的角度與泥漿的粘度成正比，已知外滾筒旋轉(zhuǎn)的角速度和內(nèi)滾筒旋轉(zhuǎn)力矩的關(guān)系如下：

式中：

ω——外滾筒旋轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；

T——內(nèi)滾筒旋轉(zhuǎn)力矩（N·m）；

η——泥漿粘度系數(shù)（Pa·s）；

L——泥漿侵入深度（cm）；

R1——內(nèi)滾筒半徑(cm)；

R2——外滾筒半徑（cm）；

τ0——剪切應(yīng)力（Pa）。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同ω1、ω2，…，ωn時(shí)對(duì)應(yīng)的內(nèi)筒的扭矩值T1、T2，…，Tn,計(jì)算剪切應(yīng)力τ0和粘度系數(shù)η，對(duì)得到的數(shù)據(jù)采用數(shù)值分析取最優(yōu)值，從而分析泥漿的流體參數(shù)。

圖2 同軸滾筒工作原理

3 控制系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)由89C51單片機(jī)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、信號(hào)處理電路等組成，如圖3所示。流變儀在測(cè)量時(shí)，步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速ω1，轉(zhuǎn)速傳至外滾筒、內(nèi)滾筒、角編碼器及彈簧扭矩傳感器，輸出電信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路傳至89C51單片機(jī)，通過(guò)LED顯示。再通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部程序控制脈沖信號(hào)的輸出頻率，從而改變步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速ω，即測(cè)量流體在不同轉(zhuǎn)速ωn對(duì)應(yīng)的內(nèi)筒的扭矩值Tn。步進(jìn)電機(jī)控制方便、定位精確，選用十進(jìn)制圓形碼盤(pán)靈敏度高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。89C51單片機(jī)通過(guò)單片機(jī)串行口和信號(hào)處理電路對(duì)角編碼器旋轉(zhuǎn)值、彈簧扭矩值、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速值進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖3 控制系統(tǒng)流程圖

4 影響因素

泥漿的流變參數(shù)在概念上有一定的時(shí)變性，隨著溫度、時(shí)間、測(cè)量狀況、壓力、前處理等因素而變化，這就要求若想獲得較準(zhǔn)確的流體參數(shù)，需采取合理措施消除不利因素引起的誤差。

我們知道流體的粘度隨溫度的升高而減小，外滾筒帶動(dòng)內(nèi)滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于流體分子的內(nèi)摩擦作用產(chǎn)生阻礙相對(duì)流動(dòng)的摩擦力生熱，粘度越大在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量越高，溫度的微升高會(huì)引起泥漿粘度明顯的變化。有些設(shè)計(jì)者采用液體回路冷卻方式，但是由于旋轉(zhuǎn)的機(jī)械構(gòu)造和空間的限制這種構(gòu)思并不實(shí)用。針對(duì)溫度補(bǔ)償問(wèn)題，目前較好的處理方法是采用模糊溫度控制系統(tǒng)[1]，將對(duì)象溫度的偏差和輸出量的偏差變化率劃分為不同的模糊值，建立規(guī)則。研究和實(shí)踐表明采用參數(shù)自整定模糊PID控制溫度可以較好的消除由溫度引起的粘度測(cè)量誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

顯微技術(shù)的發(fā)展激勵(lì)了微流體技術(shù)的發(fā)展，也得到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。對(duì)于微流體來(lái)說(shuō)，靠減小扭轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或單方面提高傳感器靈敏度并不能滿足對(duì)復(fù)雜流體的微尺度測(cè)量，Christopher提出的微流體流變儀[2]，可以針對(duì)復(fù)雜流體及非牛頓流體的微測(cè)量，也是今后流變儀發(fā)展的方向和趨勢(shì)。

[1]姜楠.基于轉(zhuǎn)矩流變儀的溫度控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱理工大學(xué), 2007.

[2]Christopher J.Pipe.Microfl uidic rheometry[J].Mechanics Research Communications, 2009, 36(1): 110–120.

[3]鄒思竟, 徐力生.一種基于光柵傳感器的新型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的研究[J].傳感器與微系統(tǒng), 2011, 30(9): 47-49.

[4]陳興文, 劉燕.基于FPGA實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)控制器設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2006, 2(2): 86-87.