同軸滾筒泥漿自動流變儀的設計

曹 艷，趙艷芳，時 鶴

（1.中國礦業大學 機電工程學院，徐州 221116；2.河南平高電氣股份有限公司，平頂山 467001）

0 引言

隨著鉆井技術的快速發展，鉆井作業過程越來越趨于高產、高效和智能化。在鉆井作業時，了解泥漿的流體參數方便我們在石油開采時選擇合適的液壓泵。此外，由于流變儀可以直觀地測量流體的流變參數，準確的流變參數值如表觀粘度、塑性粘度、靜切力、觸變性、流性指數等參數可具體反映流體的性能，在醫療、生物科技、化工、交通運輸、制造等行業有著廣闊的發展前景。由于流變儀可靠的實用性和廣泛的應用前景，目前市場上各式各樣的流變儀層出不窮，總的來說，流變儀按工作原理大致分為三大類，分別是毛細管式、旋轉式和振動式。結合現有流變儀設計原理采用同軸滾筒旋轉式流變儀，同軸滾筒的特殊幾何構造可以較好的獲得剪力值，數據輸出部分采用角編碼器和彈簧扭矩傳感器雙數據輸出，結果可靠，數據精確。

1 整體設計

本流變儀整體設計結構如圖1所示，動力源采用步距角為1.5°的三相六拍36BF003型步進電機。步進電機是一種把電脈沖信號轉換成與脈沖數成正比的角位移或直線位移量的執行元件。即輸入電脈沖的頻率越高，電機輸出的轉速越快，通過調節電脈沖信號的頻率控制步進電機的輸出轉速，系統采用89C51單片機控制電脈沖信號。電機轉速通過V帶輪傳動至外滾筒，流變儀工作控制手柄與控制器相連，控制流變儀轉速，顯示輸出數據。此設計具有體積小、易于攜帶、結構緊湊、操作方便、實用性強等優點。

圖1 泥漿自動流變儀示意圖

2 基本原理

該流變儀采用雙滾筒同軸結構，特殊的幾何構造可以獲得較好的剪率和剪切力，其結構如圖2所示。外滾筒和內滾筒同時侵入泥漿中，為了獲得較好的測量效果，侵入的深度L不易太淺。當電動機帶動外滾筒旋轉時，由于泥漿的粘滯性帶動內滾筒轉動，內、外滾筒之間環隙的距離要適中。當環隙過大時，內滾筒受到流體阻力小使傳遞效果差導致數據不準確，當環隙過小時，造成泥漿沒有充分侵入內滾筒，無法傳遞輸出轉矩，一般取環隙距離1mm!3mm，不同的環隙間距使流體內部分子作用力不同，傳感器輸出值不同。內滾筒的旋轉帶動與其相連的角編碼器和彈簧扭矩傳感器，角編碼器旋轉的角度越大表明流體相對流動時的阻力越大即流體的粘度越大，從而把測量流體的粘度轉換為角編碼器的旋轉量的測量。

根據牛頓內摩擦定律得：內滾筒旋轉的角度與泥漿的粘度成正比，已知外滾筒旋轉的角速度和內滾筒旋轉力矩的關系如下：

式中：

ω——外滾筒旋轉角速度（rad/s）；

T——內滾筒旋轉力矩（N·m）；

η——泥漿粘度系數（Pa·s）；

L——泥漿侵入深度（cm）；

R1——內滾筒半徑(cm)；

R2——外滾筒半徑（cm）；

τ0——剪切應力（Pa）。

通過實驗測量不同ω1、ω2，…，ωn時對應的內筒的扭矩值T1、T2，…，Tn,計算剪切應力τ0和粘度系數η，對得到的數據采用數值分析取最優值，從而分析泥漿的流體參數。

圖2 同軸滾筒工作原理

3 控制系統

本控制系統由89C51單片機系統、步進電機轉速控制系統、信號處理電路等組成，如圖3所示。流變儀在測量時，步進電機輸出轉速ω1，轉速傳至外滾筒、內滾筒、角編碼器及彈簧扭矩傳感器，輸出電信號經信號處理電路傳至89C51單片機，通過LED顯示。再通過單片機內部程序控制脈沖信號的輸出頻率，從而改變步進電機的輸出轉速ω，即測量流體在不同轉速ωn對應的內筒的扭矩值Tn。步進電機控制方便、定位精確，選用十進制圓形碼盤靈敏度高、數據準確。89C51單片機通過單片機串行口和信號處理電路對角編碼器旋轉值、彈簧扭矩值、步進電機轉速值進行數據采集。

圖3 控制系統流程圖

4 影響因素

泥漿的流變參數在概念上有一定的時變性，隨著溫度、時間、測量狀況、壓力、前處理等因素而變化，這就要求若想獲得較準確的流體參數，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，外滾筒帶動內滾筒旋轉時，由于流體分子的內摩擦作用產生阻礙相對流動的摩擦力生熱，粘度越大在轉動時產生的熱量越高，溫度的微升高會引起泥漿粘度明顯的變化。有些設計者采用液體回路冷卻方式，但是由于旋轉的機械構造和空間的限制這種構思并不實用。針對溫度補償問題，目前較好的處理方法是采用模糊溫度控制系統[1]，將對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，建立規則。研究和實踐表明采用參數自整定模糊PID控制溫度可以較好的消除由溫度引起的粘度測量誤差。

5 結束語

顯微技術的發展激勵了微流體技術的發展，也得到了人們越來越多的關注。對于微流體來說，靠減小扭轉電機的轉速或單方面提高傳感器靈敏度并不能滿足對復雜流體的微尺度測量，Christopher提出的微流體流變儀[2]，可以針對復雜流體及非牛頓流體的微測量，也是今后流變儀發展的方向和趨勢。

[1]姜楠.基于轉矩流變儀的溫度控制系統研究[D].哈爾濱理工大學, 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粘度計的研究[J].傳感器與微系統, 2011, 30(9): 47-49.

[4]陳興文, 劉燕.基于FPGA實現步進電機脈沖信號控制器設計[J].機械設計與制造, 2006, 2(2): 86-87.