專利名稱：表觀粘度快測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明適用于非牛頓流變特性表觀粘度的測量。
在以下的敘述中符號ηa和ηp表示兩種不同概念的表觀粘度，r表示剪切率，τ表示剪應(yīng)力(或壁面剪應(yīng)力)。
現(xiàn)有測量非牛頓流變特性方法的狀況是①把ηa混同于ηp，但事實上它們不相等，②即使未將兩者混淆，在測定方法上也相當繁復(fù)，即先測得一系列ηp再轉(zhuǎn)而計算ηa(
)，這種方法必須對一系列的壓力和流量進行測量求得相應(yīng)的擬表觀粘度，再在雙對數(shù)曲線坐標，圖線上求得〔d(1gηp)/d(1gτ)〕的值，最后求不同τ時表觀粘度ηa，而且在求d(1gηp)/d(1gτ)時容易帶來誤差。這樣的方法不便于在生物醫(yī)學(xué)研究中，特別是為臨床醫(yī)務(wù)工作者廣泛使用，也不便于在化工、食品等工業(yè)的質(zhì)量控制和管理現(xiàn)場使用。
本發(fā)明的旨在研制一種簡便快速而在理論上又較為嚴格的表觀粘度ηa的測量方法，它能廣泛使用于生物醫(yī)學(xué)研究、化工、食品等工業(yè)的質(zhì)量控制和管理現(xiàn)場。
總體構(gòu)成圖，如

圖1所示。
本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵在于將如下的理論結(jié)果用一個簡捷的辦法具體化根據(jù)非牛頓流體的本構(gòu)方程、平衡方程及毛細管幾何條件可以導(dǎo)出
ηa＝πR4p/〔2L(3Q+P (dQ)/(dP) )〕τ＝RP/2L(1)這里P為毛細管兩端壓差，Q為管內(nèi)流量率，P和L分別為管半徑和長度。ηa即表觀粘度，τ為剪切應(yīng)力。
根據(jù)(1)式，可見只要知道流量隨壓力的變化即可求得ηa(τ)。實現(xiàn)這一點可以有不同方案，根據(jù)分析，我們找到了一條頗簡便易行的新方案，這構(gòu)成本方法的特色之一如附圖3所示的L管，AO為壓力驅(qū)動管，OB為毛細管，不難由(1)式推得ηa＝K1h/(3 (dh)/(dt) +h
)τ＝K2h (2)K1、K2為與管的幾何和試樣密度有關(guān)的常數(shù)。
這樣，僅需測得h隨時間的變化，則可在一次性實驗中求得ηa與τ(或
)的依賴關(guān)系，而h-t的關(guān)系，可通過接在圖中O點處的壓力傳感器檢測AO段液面隨時間自由下降時壓力的相應(yīng)變化求得。壓力的這一變化與h的變化是成正比的，將采得的這一信息即時送入A/D轉(zhuǎn)換電路和微處理機作進一步數(shù)字處理，并迅速成對地給出一系列的ηa和τ。
本發(fā)明表觀粘度快測裝置由三個單元組成本體部分、檢測與控制部分、溫度控制部分(如附圖1所示)。
1.本體部分的構(gòu)成為a、水平毛細管(OB)(如附圖3和圖1所示)，材料為玻璃，出口端構(gòu)形上如附圖1所示，其彎曲部分用以裝存樣品并便于重復(fù)實驗毛細管(OB)的幾何參量要保證有盡可能小的動能修正率和末端效應(yīng)的影響，其長度取為＞20cm，管內(nèi)半徑口<8(ηP)28]]>(約0.3～1mm)，以便動能修正項可以忽略，同時保證滿足層流條件。出口端的構(gòu)形也是為便于自動控制液體流動而設(shè)計的。
b、豎直管(AO)(如附圖3所示)，為壓力驅(qū)動管，內(nèi)直徑為2mm和3mm兩種。長度為300mm，以保證足夠大的剪應(yīng)力上限。內(nèi)徑沿長度方向均勻一致，本發(fā)明樣機使用的是成品滴定管，為0.5ml和1ml兩種。
c、三通接頭(D)，用以將水平毛細管(AO)、豎直管(OB)和壓力傳感器(3)相連。
d、本體盒，由水平毛細管(AO)、豎直管(OB)和三通接頭(O)組成一個L管置于一盒中，盒內(nèi)通以熱空氣形成空氣浴(17)，以調(diào)節(jié)溫度。
2.檢測和控制部分2.1檢測部分構(gòu)成為a、壓力傳感器(3)為了保證測量結(jié)果有足夠精度，本裝置對傳感器提出較高要求，所用傳感器分辨率為1mmH2O，即最大液位高h的0.5%左右。傳感器線性度要好。本發(fā)明的樣機采用BVP型微壓傳感器(蚌埠半導(dǎo)體器件廠制造)b、放大器(10)為一普通差動放大器電路，用來將壓力傳感器來的訊號，適當放大，以適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器對輸入幅度的要求。
c、A/D轉(zhuǎn)換電路(如附圖4所示)該電路為12位A/D轉(zhuǎn)換電路，由ADC1210芯片、時鐘脈沖電路、穩(wěn)壓電源、模擬信號輸入電路、數(shù)據(jù)輸出與單板機的接口電路組成。
ADC1210是A/D轉(zhuǎn)換片的核心部分，完成A/D轉(zhuǎn)換工作，其分辨率為12位，轉(zhuǎn)換精度為0.25%，其轉(zhuǎn)換邏輯圖如附圖5所示。ADC1210是逐位近似地將模擬量轉(zhuǎn)換完成數(shù)字量，即某一時刻由D/A內(nèi)部輸出一個量與輸入的未知模擬量作比較?？刂七壿嬆軐崿F(xiàn)類似于對分搜索的控制。它先使最高位D12-1＝1，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到一個整個量程一半的模擬電壓VS與輸入電壓相比較，若VX＞VS，則保留這一位。若VX＜VS，則使這一位清“0”，然后使下一位D12-2＝1與上一次的結(jié)果一起經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后于VX相比較……。重復(fù)這個進程直至使D0＝1，再與VX相比較，由VX＞VS還是VX＜VS來決定是否保留這一位(D0)。這樣經(jīng)過12次比較后，12位寄存器的狀態(tài)即為轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。結(jié)束信號由高電平變?yōu)榈碗娖健?br> 時鐘脈沖電路采用了一塊555集成電路。它的接線圖如附圖4所示。它產(chǎn)生一個65KHz的方波，它的波形如附圖5中CP所示。時鐘源是A/D轉(zhuǎn)換的同步信號，當A/D片子被啟動后，每一個時鐘周期ADC1210轉(zhuǎn)換一位，故時鐘頻率決定著A/D轉(zhuǎn)換的速度，它可以通過調(diào)整電阻、電容改變其頻率，同時在示波器上看出波形規(guī)整。
穩(wěn)壓電源采用兩級穩(wěn)壓，先用變壓器將電壓變?yōu)?5V，整流濾波后，經(jīng)過三端穩(wěn)壓集成塊7812、7805后電壓變?yōu)?5V，供ADC1210比較電壓。
模擬信號輸入電路，本系統(tǒng)中有一路模擬輸入量，故不用多路開關(guān)，目模擬量值變化緩慢，故值直將從放大器來的信號輸入一個通道，省去輔助電路中的采樣保持器。
數(shù)據(jù)輸出與單板機的接口電路采用PIO口作為接口。由于PIO是一個可編程的具有I/O端口的器件，它與外部設(shè)備相連接不需要其它外加邏輯。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，可用IN指令使A/D芯片讀數(shù)據(jù)。我們直接利用單板機上已配置的兩個PIO口，其中PIO端口B的8位作為A/D片輸出的低8位數(shù)據(jù)傳送端口，PIO端口A的8位端子中PA4-PA7端作為A/D片輸出的高四位數(shù)據(jù)傳送端口。
d、微處理器(8)可用Z80單板機或其它微處理器將A/D轉(zhuǎn)換器送來的數(shù)據(jù)加工、運算、輸出，完成本發(fā)明溫控，實驗操作的全自動控制，零位調(diào)節(jié)，輸入結(jié)果等工作。
2.2控制部分(如附圖4、5所示)本發(fā)明的試樣驅(qū)動和自動控制部分由電磁泵、自制電磁閥和液位檢測器及若干繼電器組成，并接受微機程序控制。
計算機給出啟動信號，電磁閥2吸合，電泵工作，豎直管內(nèi)液面上升，當升到液位檢測位置后，液位控制器輸出一電平，經(jīng)PIO輸入，向CPU申請中斷，中斷服務(wù)程序執(zhí)行后，給泵一個停止工作信號，同時電磁閥1吸合，維持液面穩(wěn)定一段時間后，電磁閥1、2釋放，液面自然下降，再啟動A/D轉(zhuǎn)換，開始采樣。
3.溫度控制部分(18)(如附圖1和附圖6所示)采用可控硅控制的無級可調(diào)式溫度控制，精度為選定溫度±0.5℃。它通過溫度傳感器(14)(熱敏電阻)進行檢測，再由溫度控制回路向加熱器(電吹風(fēng))(16)發(fā)出加熱或停止加熱的指令來實現(xiàn)。
溫度控制迴路的電路圖如圖6(15)。
本發(fā)明自行設(shè)計的計算機軟件部分包括啟動、樣品置位、采樣、濾波、傳感器零位校正、計算、表面張力修正、顯示、打印子程序。
本發(fā)明操作流程如下一、準備將L形管(2)置入主體箱(1)內(nèi)，從D口注入試樣，試樣暫存留于CB中連通壓力傳感器(3)和電磁閥(4)、(5)及液位傳感器(6)各通道或電路，傳感器予調(diào)平衡。
二、試樣置位(1)啟動微處理器8，令其發(fā)出指令關(guān)閉電磁閥a(4)，同時打開電磁閥b(5)并啟動泵(7)，試樣從CB經(jīng)毛細管緩慢升至A。
(2)液位到A時，液位傳感器(6)導(dǎo)通，給微機B口低電平，微機8通知泵暫停工作。
(3)通過軟件延時，使液位保持一短暫時間，讓系統(tǒng)安定下來。
三、采樣(1)微機(8)通知閥(4)和(5)，令其開放，使L管的C和B處與大氣相通，AO段液位高度h自由減小。設(shè)置C口的目的正是為了使C處為大氣壓，以保證液面能自由下降。
(2)壓力傳感器連續(xù)地將壓力訊號轉(zhuǎn)換為電壓隨時間的變化，此變化值正比于高度h。
(3)此電壓值經(jīng)一差動放大器(10)放大后送入12位A/D轉(zhuǎn)換器(11)轉(zhuǎn)換為12位數(shù)碼。
(4)微機以數(shù)T毫秒的時間間隔從A/D轉(zhuǎn)換器取數(shù)，每十六個這種數(shù)均右移四位后相加，構(gòu)成一個十六位的二進制數(shù)。它是十六個密集采樣值的平均值，將作為h值參加進一步的運算。
四、運算運算公式為ηa＝K1h/(3 (dh)/(dt) +h (dh)/(dt) )K、為常數(shù)，將由水和另一種標準液體來標定。
考慮到表面張力的影響，上式將進一步修正為ηa＝Kdt/( (dh)/(dh-σε) + (d2h)/(3dh) )式中σ為表面張力修正系數(shù)五、顯示和打印隨著h減少，連續(xù)地給出從大到小的不同剪切率下的表觀粘度值，并將它們成對地顯示和打印出來。
采樣點數(shù)和時間間隔可予先設(shè)定，軟件程序?qū)⒆詣拥貙Σ煌O(shè)定帶來的數(shù)值變化作相應(yīng)的修正。
如果需要，第一次實驗完畢之后，儀器將自動起動作第二次實驗。
本發(fā)明采用壓力傳感器平衡調(diào)整，可直接利用壓力傳感器的信號經(jīng)放大后，送入12位A/D轉(zhuǎn)換，絳蚪巡扇朧葑涑捎氳繆瓜嘍雜Φ氖擔上允酒鰨 3)立即顯示出來，可省掉電壓表且準確、方便。
采用本發(fā)明的L形管采樣以及與之配套的壓力傳感器，A/D轉(zhuǎn)換電路和微處理器能在一次性實驗中給出一定切變率范圍內(nèi)相應(yīng)的一系列表觀粘度值(數(shù)十個點)，大大縮短實驗和數(shù)據(jù)整理的周期，且使整個實驗自動自行，并可自動反復(fù)，操作簡易，能對在定義上更明確的力學(xué)量-非牛頓流體的表觀粘度函數(shù)作快速直接測量。
利用一根L形管，其豎直部分內(nèi)樣品液位從最高點到O連續(xù)下降過程中，給出從相應(yīng)最大剪切率到0剪切率的連續(xù)變化過程，即自變量的連續(xù)變化過程，用微壓傳感器收集和轉(zhuǎn)換這一變化過程，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送微處理機處理。
按自行推導(dǎo)的公式，經(jīng)微機運算后成對給出剪切率和相應(yīng)表觀粘度。
這樣，本系統(tǒng)實現(xiàn)了在一次性實驗后就能給出一系列剪切率和表觀粘度函數(shù)的要求。這是與國內(nèi)外機器不同之處。
操作簡易，與國外高檔機相比，快速，結(jié)構(gòu)相對簡單，成本低得多。
可用于生物、醫(yī)藥、化工、油類、食品等部門。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明附圖1為本發(fā)明表觀粘度快測裝置構(gòu)成示意圖，其中(1)為測量本體，(2)為試樣，(3)為壓力傳感器，(4)為電磁閥a，(5)為電磁閥b，(6)為液位傳感器，(7)為泵，(8)為微處理器，(9)為液位控制電路，(10)為放大器，(11)為A/D轉(zhuǎn)換器，(12)為檢測及控制單元，(13)為顯示器，(14)為溫度傳感器，(15)為溫控迴路，(16)為加熱器，(17)為空氣浴，(18)為溫控單元，AO為豎直管，OB為水平毛細管。
附圖2為表觀粘度的定義示意圖，其中ηa為表觀粘度，τ為剪切應(yīng)力，r為剪切率。
附圖3為本發(fā)明表觀粘度快測裝置中的L形管，其中AO為壓力驅(qū)動管、OB為毛細管，h為高度、L為OB管的長度。
附圖4為本發(fā)明的控制迴路示意圖。
附圖5為本發(fā)明的液位控制電路示意圖。
附圖6為本發(fā)明的溫控迴路示意圖。
實施例利用本發(fā)明表觀粘度快測裝置，對足夠數(shù)量的幾種典型試樣作了實測，測量的方法和結(jié)果均經(jīng)法定計量單位(四川省計量研究院)認可和驗證，具體數(shù)據(jù)如下
權(quán)利要求
1.一種表觀粘度快測方法，其特征在于利用一根L形管，其豎直部分內(nèi)樣品液位從最高點到底部0點連續(xù)下降過程中，給出從相應(yīng)最大剪切率到0剪切率的連續(xù)變化過程(即自變量的連續(xù)變化過程)，用微壓傳感器收集和轉(zhuǎn)換這一變化過程，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送微處理機處理，按ηa=kdt /(dhdh-δε+d2h3dh)]]>公式，經(jīng)微機運算后成對給出剪切率和相應(yīng)的表觀粘度。
2.如權(quán)利要求1所述的一種表觀粘度快測方法，其特征在于A/D轉(zhuǎn)換中的核心部分ADC1210芯片是逐位近似地將模擬量轉(zhuǎn)換完成數(shù)字量，控制邏輯能實現(xiàn)類似于對分搜索的控制。
3.如權(quán)利要求2所述的一種表觀粘度快測方法，其特征在于A/D轉(zhuǎn)換和微處理機相連的接口采用PIO端口A、B，PIO端口A作為A/D片輸出的高四位數(shù)據(jù)的傳送端口，PIO端口B的8位作為A/D片輸出的低8位數(shù)據(jù)傳送端口。
全文摘要
本發(fā)明能對在定義上更確切的力學(xué)量—非牛頓流體的表觀粘度函數(shù)作快速直接測量。令樣品在一根L形管中流動，給出從最大到0剪切率的連續(xù)變化過程，用微壓傳感器收集和轉(zhuǎn)換這一過程，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送微處理機，再按自行推導(dǎo)的公式運算后成對地給出剪切率和相應(yīng)表觀粘度。這就實現(xiàn)了一次性實驗就能給出一系列剪切率和相應(yīng)表觀粘度的新設(shè)想。實驗程序自動進行，易為非專業(yè)人員掌握。
文檔編號G01N11/04GK1035178SQ8810077
公開日1989年8月30日 申請日期1988年2月8日 優(yōu)先權(quán)日1988年2月8日
發(fā)明者蔡紹皙, 吳云鵬, 楊瑞芳, 羅修文, 段銘, 王力工 申請人:重慶大學(xué)