專利名稱：微量液體粘度測量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微量液體粘度測量方法，特別是涉及一種用于測量微量液體的粘度的儀器。
背景技術(shù)：
粘度是流體的重要物理特性，是粘性的程度，也稱動力粘度。粘度測量與石油化工、冶金煤炭及國防等領(lǐng)域的關(guān)系非常密切。在這些領(lǐng)域中，粘度測量是控制生產(chǎn)流程，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約與開發(fā)能源的重要手段。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，測量血液及其它生理液體的粘度是最新發(fā)展起來的診斷手段，特別對心血管疾病及癌、瘤等疑難病癥。在物理化學(xué)、流體力學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域中，粘度測量對了解流體性質(zhì)及研究流動狀態(tài)起著重要的作用，如文獻(xiàn)1陳惠釗編著，‘粘度測量’，中國計量出版社，1994年版第379頁。
液體的粘性是由分子引力所致。液體的動力黏性系數(shù)μ與該液體的物性、環(huán)境壓力P和溫度T有關(guān)。液體粘溫關(guān)系的通用表達(dá)式是Andrade式μ＝Aexp(E/kT) (1)式中A--實(shí)驗(yàn)常數(shù)，在不同溫度下實(shí)驗(yàn)求得；k--波耳茨曼常數(shù)，或稱氣體常數(shù)；T--絕對溫度；E--粘流活化能，它表示分子由一個位置遷移到另一位置所須的能量。與分子結(jié)構(gòu)、分子鏈的長短及溫度有關(guān)。
但由于實(shí)驗(yàn)使用的各種液體的密度、濃度不同，僅由公式(1)無法給出液體的實(shí)際黏度，必須對實(shí)驗(yàn)液體進(jìn)行測量。
現(xiàn)有的粘度測量方法主要有毛細(xì)管法、旋轉(zhuǎn)法、落體法、振動法、平板法等。最簡單的測量方法是毛細(xì)管法，即Pinkevitch粘度計。該測量方法用的毛細(xì)管的內(nèi)徑一般為mm量級，所需實(shí)驗(yàn)液體在10ml以上。實(shí)驗(yàn)溫度則通過恒溫槽控制。如果測定溫度的范圍比較寬，在5～50℃之間，恒溫槽的造價將非常昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有液體粘度測量方法由于使用的毛細(xì)管粗而造成的實(shí)驗(yàn)液體用量大，不適于測量微流量液體的粘度缺陷；以及為了克服已有粘度計所用的恒溫槽造價昂貴的缺點(diǎn)；從而提供一種液體用量少、恒溫裝置簡單、便于攜帶、測量周期短的微量液體粘度測量儀。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的一種測量微量液體粘度的測量的方法，其特征在于根據(jù)不同溫度下微米管道液體流量與壓力的關(guān)系，通過溫度傳感器設(shè)定目標(biāo)溫度，由壓力檢測部件測出的壓力讀數(shù)，用熱電偶測出的實(shí)際溫度，以及用光學(xué)顯微鏡測得的計量用的透明位移管中液體端面的移動距離，運(yùn)用μ=πα128QlΔP]]>公式，其式中ΔP是管端壓降、μ是被測液體的動力粘性系數(shù)、d是微米管道的直徑、l是微米管道的長度、Q是被測微量液體的流量，間接測量出所設(shè)定目標(biāo)溫度下液體的粘度。
上述微米管道中液體的溫度Tl由溫度傳感器指示溫度TW給出。微管道內(nèi)徑為20μm，直接測量Tl有困難。考慮到微米管道中液體流量小于22nl/s，同一溫度下測量一個數(shù)據(jù)所需液體量僅為2.4μl，占儲液罐中液體體積(≈4ml)的0.06％，可以假設(shè)微管道中液體的溫度Tl與儲液罐中液體的溫度TH相等，即Tl＝TH，TH可直接測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在靜態(tài)條件下測量TW和TH之間的誤差≤0.1℃。
上述計算公式，由經(jīng)典流體力學(xué)理論一圓管在壓力驅(qū)動下的層流流動稱為Hagen-Poiseuille流，其流動方程可推出圓管直徑為d，測量段長度為l時，μ與流量Q、壓力P的關(guān)系為μ=πα128QlΔP]]>其中ΔP是管端壓降、μ是流動介質(zhì)的動力粘性系數(shù)。
已有實(shí)驗(yàn)證明，對20μm及以上的微米管道，在一定的壓力范圍內(nèi)，簡單液體的流動規(guī)律符合H-P流。微量液體粘度測量儀根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用20μm微米管道，測量壓力和流量關(guān)系，由公式(2)計算出黏性系數(shù)μ。
本發(fā)明提供的微量液體粘度測量儀是在低壓微流動實(shí)驗(yàn)裝置上增加溫度控制器組成的，如圖1所示，包括儲液罐、三通、溫度控制器和溫度測量部件；其特征在于還包括儲氣瓶、透明位移管、光學(xué)顯微鏡、微米管道和壓力檢測部件。其中儲氣瓶通過管道與儲液罐連通，儲液罐通過帶閥的管道連通一三通，該三通的兩端口分別與壓力檢測部件和微米管道連接，微米管道置于溫度控制器中的實(shí)驗(yàn)段流道內(nèi)，微米管道的另一端連接一透明位移管，該位移管的另一端口穿出溫度控制器直通大氣，測量套筒腔內(nèi)溫度的溫度傳感器放在接近微米管道的套筒壁的位置處，光學(xué)顯微鏡設(shè)置在位移管上方。
所述的溫度控制器如圖2所示，包括一金屬本體，其金屬本體上開有放置需調(diào)溫控溫的微米管道的實(shí)驗(yàn)段流道和一放置溫度傳感器的孔，半導(dǎo)體制冷器安裝在金屬本體的表面上，散熱器安裝在半導(dǎo)體制冷器之上，金屬本體外側(cè)除安裝半導(dǎo)體制冷器件之外的部位均用保溫隔熱層包覆，散熱器與溫度控制電路電連接。
所述的透明位移管為玻璃、石英或其它透明材料制作的管子。
所述的壓力檢測部件包括壓力傳感器或其它檢測部件。
所述的半導(dǎo)體制冷器安裝在金屬本體的1-6個面的任一個面上或多個面的任一種組合；并由常規(guī)反饋電路控制；具有既可使金屬本體冷卻、電源反接后又能加熱金屬本體的特點(diǎn)。
所述的安裝溫度傳感器的孔開在金屬本體上靠近實(shí)驗(yàn)段的流道部分處。
還包括一計算機(jī)，該計算機(jī)與所述溫度傳感器、壓力檢測部件和光學(xué)顯微鏡電連接。
還包括一過濾液體中顆粒雜質(zhì)和氣泡的過濾器，該過濾器通過管道安裝在所述儲液罐和微米管道之間。
所述的在儲氣瓶通過管道與儲液罐連通，或儲液罐通過管道連通一三通的管道中還可以安裝有閥門，以便控制氣體或液體的流量。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明的微量液體粘度測量儀通過測量微米管道液體流動的流量-壓力關(guān)系，間接測量液體的粘度，其結(jié)構(gòu)是在微流動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中增加恒溫裝置。該測量儀的毛細(xì)管是微米管道，需要的液體用量少，相應(yīng)的恒溫裝置簡單，易于在較寬的范圍內(nèi)控制溫度，且具有測量周期短的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明微量液體粘度測量儀絕對粘度測量結(jié)果與理論值符合很好，各點(diǎn)測量誤差范圍在0.5％-2.7％。若采用相對測量法，可避免由于微管道幾何尺寸的測量帶來的誤差，則測量誤差僅為小于1.2％。若增加恒溫裝置功率或驅(qū)動壓力，可以擴(kuò)大測量溫度的范圍及較高粘度的液體。如果將此儀器系統(tǒng)微型化，可以制成簡易便攜式粘度測量儀。
總之，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1)液體用量少；2)恒溫裝置簡單，恒溫槽造價低；3)測量周期短；4)宜于小型化，便于攜帶。


圖1.本發(fā)明的微量液體粘度測量儀裝置組成示意2.本發(fā)明的微量液體粘度測量儀中的溫度控制器剖面示意3.本發(fā)明的微量液體粘度測量儀的一種實(shí)施例的組成示意4.水的粘度測量結(jié)果曲線圖，圖中●表示加熱檔升溫，表示制冷檔降溫，◆表示制冷檔升溫，▲表示加熱檔制冷圖中標(biāo)示1.儲氣瓶 2.儲液罐 3.閥4.三通 5.溫度控制器 6.位移管7.光學(xué)顯微鏡 8.管道 9.溫度測量部件10.壓力檢測部件 11.半導(dǎo)體制冷器(片)12.熱電偶13.微米管道套筒 14.微米管道15.金屬本體16.計算機(jī)17.過濾器具體實(shí)施方式
實(shí)施例1按圖1制作微量液體粘度測量儀，儲氣瓶1采氮?dú)馄?，它通過管道8與儲液罐2連通，儲液罐2內(nèi)裝有水，并通過閥3連接三通4，該三通4的兩端口分別與市場買來的壓力傳感器10和微米管道14連接；微米管道14是直徑為20μm的石英圓管，放置在溫度控制器5的實(shí)驗(yàn)段流道內(nèi)，石英圓管14的另一端連接一帶有刻度的玻璃位移管5該位移管6的另一端口穿出溫度控制器5，直通大氣；市場購買的熱電偶12放在接近微米管道套筒13壁的位置處，測量套筒腔內(nèi)的溫度；光學(xué)顯微鏡7設(shè)置在位移管6上方。
按圖2制作一種用于粘度測量的微型可調(diào)節(jié)恒溫裝置，采用一塊長180mm的矩形銅板作為金屬本體15，其截面積為50mm×50mm；在其中部沿長邊方向打一道孔，放置石英圓管14，另外，在實(shí)驗(yàn)段流道相鄰部位再開一能插熱電偶9的直徑為4mm大小的孔道；在金屬本體15的上部與散熱器之間安裝一半導(dǎo)體制冷器；金屬本體除頂面安裝半導(dǎo)體制冷器部分外的部位均用保溫材料隔熱包覆；微米管道14后端連接一根玻璃位移管6，熱電偶9固定在金屬本體15內(nèi)靠近實(shí)驗(yàn)段流道附近的部位，該熱電偶9與溫度控制儀表電連接；散熱器與溫度控制電路電連接；該溫度控制電路分別與直流電源和溫度控制儀表電連接。其中控制電路是通常的溫控電路，半導(dǎo)體制冷片11是市場上購買的一長40mm×厚4mm的；其余熱電偶9、直流電源、溫度控制儀表均是市場上購買的。
實(shí)施例2在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，還增加計算機(jī)16，它與溫度控制器5中的熱電偶12、壓力傳感器10以及光學(xué)顯微鏡7電連接；在儲液罐2和石英圓管14之間增加過濾器17，其濾膜孔徑為0.2μm，儲氣瓶11、儲液罐2、過濾器17之間用耐高壓的塑料軟管連接，接頭采用硬密封。
實(shí)施例3應(yīng)用實(shí)施例2的微量液體粘度測量儀測量水的黏性系數(shù)，如圖3所示的結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例采用內(nèi)壓為10Mpa的氮?dú)鈮毫ζ?，作為整個實(shí)驗(yàn)裝置所需要的壓力源，氮?dú)馄垦b有氧氣調(diào)壓表，其低壓表能調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)所需壓力。壓力傳感器精確給出氣源提供的實(shí)驗(yàn)用壓力值；儲液罐內(nèi)裝電導(dǎo)率為2.73μS*CM的去離子水，微米管道實(shí)驗(yàn)段為內(nèi)徑為20μm的石英圓管，將粘好的微米管道接上，放入溫度控制器內(nèi)的實(shí)驗(yàn)段流道中，將其他線路接好；該實(shí)驗(yàn)段的一端與測壓三通連接，由另一壓力傳感器給出微米管道輸入端的壓力值，微米管道的另一端插入一個內(nèi)徑為1mm的玻璃位移管，該位移管用于測量液端面的位移，其下游端不封閉，直通大氣，由此可以測得ΔP。溫度測量分為加熱和制冷兩個過程，在1.6～40.3℃范圍內(nèi)進(jìn)行，室溫為21～23℃，加熱過程的目標(biāo)溫度分別為25、30、35、40℃；制冷過程的目標(biāo)溫度分別為15、10、5、1℃。調(diào)整到目標(biāo)溫度后穩(wěn)定30分鐘，估計流動狀態(tài)已經(jīng)穩(wěn)定，然后記錄穩(wěn)定后的溫度傳感器讀數(shù)，并對溫控周期內(nèi)的讀數(shù)取平均值，連續(xù)三次平均值的偏差小于0.5％，則作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如果偏差大，說明實(shí)驗(yàn)過程還未穩(wěn)定，應(yīng)重新讀數(shù)。然后按公式μ=πα128QlΔP]]>計算得到水的黏度。如圖4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在所設(shè)定的目標(biāo)溫度下，粘度測量結(jié)果與理論值接近，誤差僅為0.5％-2.7％。若將公式(2)中與微米管道幾何參數(shù)有關(guān)的量設(shè)為儀器參數(shù)C，采用相對測量法，可以減少內(nèi)徑測量帶來的誤差，只要微管道幾何尺寸不變，則C值不變，相對測量法的測量誤差僅為小于1.2％。
實(shí)施例4使用實(shí)施例2中的微量液體粘度測量儀，在10～40℃范圍內(nèi)，測量四鹵化碳的黏性系數(shù)，儲液罐內(nèi)裝有四鹵化碳，實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)壓10Mpa的氮?dú)馄亢蛢?nèi)徑為25μm、外徑為320μm、長4.7cm左右的管道，壓力為0.2Mpa。測量方法及過程同實(shí)施例3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在所設(shè)定目標(biāo)溫度下，粘度測量結(jié)果與理論值接近，誤差僅為0.6％-3.2％。
實(shí)施例5使用實(shí)施例2中的微量液體粘度測量儀，在10～40℃范圍內(nèi)，測量乙基苯的黏性系數(shù)，儲液罐內(nèi)裝有乙基苯，實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)壓10Mpa的氮?dú)馄亢蛢?nèi)徑為25μm、外徑為320μm、長4.6cm左右的管道，壓力為0.2Mpa。測量方法及過程同實(shí)施例3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在所設(shè)定的目標(biāo)溫度下，粘度測量結(jié)果與理論值接近，誤差僅為0.8％-4.3％。
實(shí)施例6使用實(shí)施例2中的微量液體粘度測量儀，在10～40℃范圍內(nèi)，測量環(huán)己烷的黏性系數(shù)，儲液罐內(nèi)裝有環(huán)己烷，實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)壓10Mpa的氮?dú)馄亢蛢?nèi)徑為25μm、外徑為320μm、長4.5cm左右的管道，壓力為0.2Mpa。測量方法及過程同實(shí)施例3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在所設(shè)定的目標(biāo)溫度下，粘度測量結(jié)果與理論值接近，誤差僅為0.7％-4.1％。
權(quán)利要求
1.一種微量液體粘度的測量方法，其特征在于根據(jù)不同溫度下微米管道液體流量與壓力的關(guān)系，通過溫度傳感器設(shè)定目標(biāo)溫度，由壓力檢測部件測出的壓力讀數(shù)，用熱電偶測出的實(shí)際溫度，以及用光學(xué)顯微鏡測得的計量用的透明位移管中液體端面的移動距離，運(yùn)用μ=πα128QlΔP]]>公式，間接測量出所設(shè)定目標(biāo)溫度下液體的粘度；其式中ΔP是管端壓降、μ是被測液體的動力粘性系數(shù)、d是微米管道的直徑、l是微米管道的長度、Q是被測微量液體的流量。
2.一種權(quán)利要求1所述的微量液體粘度測量方法的專用裝置，包括儲液罐、三通、溫度控制器和溫度測量部件；其特征在于還包括儲氣瓶、透明位移管、光學(xué)顯微鏡、微米管道和壓力檢測部件；其中儲氣瓶通過管道與儲液罐連通，儲液罐通過管道連通一三通，該三通的兩端口分別與壓力檢測部件和微米管道連接，微米管道置于溫度控制器中的實(shí)驗(yàn)段流道內(nèi)，微米管道的另一端連接一透明位移管，該位移管的另一端口穿出溫度控制器直通大氣，測量實(shí)驗(yàn)段流道內(nèi)溫度的溫度傳感器放在溫度控制器中的接近微米管道處，光學(xué)顯微鏡設(shè)置在透明位移管上方。
3.按權(quán)利要求2所述的測量微量液體粘度的專用裝置，其特征在于所述的透明位移管為玻璃、石英或其它透明材料制作的管子。
4.按權(quán)利要求2所述的測量微量液體粘度的專用裝置，其特征在于所述的壓力檢測部件包括壓力傳感器或其它檢測部件。
5.按權(quán)利要求2所述的測量微量液體粘度的專用裝置，其特征在于所述的溫度控制器包括一金屬本體，其金屬本體上開有放置需調(diào)溫控溫的微米管道的實(shí)驗(yàn)段流道和一放置溫度傳感器的孔，半導(dǎo)體制冷器安裝在金屬本體的表面上，金屬本體外側(cè)除安裝半導(dǎo)體制冷器件之外的部位均用保溫隔熱層包覆，所述的溫度傳感器與溫度控制儀表電連接。
6.按權(quán)利要求5所述測量微量液體粘度的專用裝置，其特征在于所述的半導(dǎo)體制冷器安裝在金屬本體的1-6個面的任一個面上或多個面的任一種組合；并由常規(guī)反饋電路控制。
7.按權(quán)利要求5所述測量微量液體粘度的專用裝置，其特征在于安裝溫度傳感器的孔開在金屬本體上靠近實(shí)驗(yàn)段的流道部分處。
8.按權(quán)利要求2或6所述的測量微量液體粘度的專用裝置，其特征在于還包括一計算機(jī)，該計算機(jī)與所述溫度傳感器、壓力檢測部件和光學(xué)顯微鏡電連接。
9.按權(quán)利要求2或6所述的測量微量液體粘度的專用裝置，其特征在于還包括一過濾液體中顆粒雜質(zhì)和氣泡的過濾器，該過濾器通過管道安裝在所述儲液罐和微米管道之間。
10.按權(quán)利要求2、6或9所述的測量微量液體粘度的專用裝置，其特征在于所述的管道中安裝有閥門。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微量液體粘度測量方法及其裝置。本發(fā)明通過測量微米管道液體流動的流量－壓力關(guān)系，間接測量液體的粘度，克服了已有液體粘度測量方法實(shí)驗(yàn)液體用量大不適于測量微流量液體的粘度、恒溫槽造價昂貴的缺點(diǎn)；并提供了一種液體用量少、恒溫裝置簡單、測量周期短的微量液體粘度測量儀。該測量儀是在低壓微流動實(shí)驗(yàn)裝置上增加溫度控制器組成的，如圖1所示，其主要構(gòu)造有儲氣瓶通過管道與儲液罐連通，儲液罐通過一三通分別與壓力檢測部件和微米管道連接；微米管道置于溫度控制器內(nèi)，微米管道的另一端連接透明位移管，該位移管的另一端口穿出溫度控制器直通大氣；光學(xué)顯微鏡設(shè)置在透明位移管上方。
文檔編號G01N11/08GK1501061SQ02148680
公開日2004年6月2日 申請日期2002年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月15日
發(fā)明者李戰(zhàn)華, 覃裕平, 劉宗源 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所