液体参数测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种液体参数测量系统。该液体参数测量系统包括：Taylor气泡流产生装置；可视测量微管，其具有一微通道，该微通道的前端与Taylor气泡流产生装置相连通；相机，设置于可视测量微管的径向外围；以及液膜厚度测量装置，设置于可视测量微管的径向外围。其中，Taylor气泡流产生装置生成待测液体的Taylor气泡流，该Taylor气泡流流经可视测量微管的微通道，液膜厚度测量装置测量微通道内气泡周边初始液膜厚度δ0，相机捕捉微通道内气泡流动的多个瞬时图像。本发明基于Taylor两相流这同一个物理现象同时得到被测液体的动力粘度μ1和表面张力σ，不需要对不同的参数分别进行测量，操作步骤更简便。
【专利说明】液体参数测量系统
【技术领域】
[0001] 本发明设及测量仪器/仪表【技术领域】，尤其设及一种液体参数测量系统。
【背景技术】
[0002] 粘度、表面张力是液体的主要物性参数，是石油化工、医药等工业领域检测的重要 参数。粘度与表面张力的测量在科研、技术开发和产品制造上具有重要的意义。测量液体 粘度的方法有毛细管法、旋转柱法等。测量表面张力的方法有最大气泡压力法、气泡幅频当 量法等。
[0003] 毛细管法测定液体粘度的理论基础是化iseulle定律，即通过测量液体在一定压 差作用下流经一定长度的毛细管所用的时间，来计算粘度。毛细管法操作繁琐，用秒表记录 时间会带来主观性误差，大大降低测量精度，不适合在线快速测量。
[0004] 2004年，Si化er等研制了基于计算机系统的微型毛细管粘度计（Si Aer Z. H.， Tan Y. P.，Wen P.F. A Microtube Viscometer with a Thermostat. Experiments in Fluids，2004,36(4) ;586-592)，其装置结构如图1所示。装置通过装有CCD的立体显微镜 监测液滴流经毛细管的流速，通过压力传感器和温度传感器对液体压力和温度进行监测， 转换后的=路信号均由计算机系统进行数据采集与分析，进而计算液体的粘度值。根据 化gen-Poiseuille方程，液体粘度可由下式计算；
【权利要求】
1. 一种液体参数测量系统，其特征在于，包括： Taylor气泡流产生装置； 可视测量微管（107)，其具有一微通道，该微通道的前端与所述Taylor气泡流产生装 置相连通； 相机（110)，设置于所述可视测量微管（107)的径向外围；以及 液膜厚度测量装置（109)，设置于所述可视测量微管（107)的径向外围； 其中，所述Taylor气泡流产生装置生成待测液体的Taylor气泡流，该Taylor气泡流 流经所述可视测量微管（107)的微通道，所述液膜厚度测量装置（109)透过可视测量微管 测量微通道内气泡周边初始液膜厚度S^，所述相机（110)透过可视测量微管捕捉微通道内 气泡流动的多个瞬时图像。
2. 根据权利要求1所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述Taylor气泡流产生装 置包括：驱动件，注射器（102)，压缩气源和第一三通管（106); 所述驱动件顶住所述注射器（102)的活塞芯杆的后端；所述第一三通管（106)的第一 接口连接至所述注射器（102)的出口，其第三接口连接至所述压缩气源的出口，其第二接 口作为Taylor气泡流的出口； 所述注射器（102)注入被测液体；所述驱动件推动所述注射器（102)的活塞芯杆运动， 挤压待测液体流出，进入第一三通管（106);该待测液体与压缩气源流出的气体在第一三 通管（106)内混合，形成Taylor气泡流，由所述第一三通管（106)的第二接口输出。
3. 根据权利要求2所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述驱动件为驱动电机 (101)〇
4. 根据权利要求2所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述Taylor气泡流产生装 置还包括： 第一调节阀（103)，设置于所述注射器（102)的出口与所述第一三通管（106)的第一接 口之间；和/或 第二调节阀（105)，设置于所述压缩气源和所述第一三通管（106)的第三接口之间。
5. 根据权利要求1所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述Taylor气泡流产生装 置包括： 压缩气源； 储液器（203)，其压力口连接至所述压缩气源的出口；以及 第二三通管（206)，其第一接口连接至所述储液器（203)的液体出口，其第三接口连接 至所述压缩气源的出口，其第二接口作为Taylor气泡流的出口； 其中，所述压缩气源内的气体将所述储液器（203)内的待测液体压入所述第二三通管 (206)，该待测液体与压缩气源流出的气体在第二三通管（206)内混合，形成Taylor气泡 流，由所述第二三通管（206)的第二接口输出。
6. 根据权利要求5所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述Taylor气泡流产生装 置还包括： 第三调节阀（202)，设置于所述压缩气源的出口与所述储液器（203)的压力口之间； 第四调节阀（204)，设置于所述储液器（203)的液体出口与第二三通管（206)的第一接 口之间； 第五调节阀（205)，设置于所述第二三通管（206)的第三接口与所述第三调节阀（202) 之间。
7. 根据权利要求2至6中任一项所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述压缩气源 为压缩气瓶（104)或气泵。
8. 根据权利要求1所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述可视测量微管上与所 述相机（110)、液膜厚度测量装置（109)相对的外壁面为平面。
9. 根据权利要求1所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述可视测量微管的微通 道的横截面呈具有两条及以上对称轴的轴对称形状。
10. 根据权利要求9所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述可视测量微管的微通 道的横截面为： 圆形，其直径小于I. 5mm; 方形，其当量直径小于I. 5mm;或 矩形，其宽高比W/D彡20,且高度D彡0? 5mm〇
11. 根据权利要求10所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述可视测量微管的微 通道的横截面为圆形，所述可视测量微管： 为外方内圆的透明玻璃管，或 包括：微方管；位于微方管内的微圆管，及填充于所述微方管和微圆管之间的填充介 质；其中，所述微方管和微圆管的材料相同，所述填充介质材料的折射率与所述微方管材料 的折射率之差小于0.1。
12. 根据权利要求1所述的液体参数测量系统，其特征在于，还包括： 数据采集及分析装置（113)，与所述相机（110)和液膜厚度测量装置（109)相连接，其 利用所述相机（110)捕捉气泡流动的多个瞬时图像得到气泡的表观流速Ub，进而利用可视 测量微管（107)的微通道的内径D、待测液体的密度P1、气泡周边初始液膜厚度S^、气泡 的表观流速Ub计算待测液体的动力粘度yjP/或表面张力〇。
13. 根据权利要求12所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述数据采集及分析装 置（113)根据以下计算公式计算待测液体的动力粘度&和/或表面张力 〇 :
其中^几^"^^^^为与所述可视测量微管丨⑴了彡的微通道的横截面形状相关的 参数。
14. 根据权利要求13所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述可视测量微管（107) 的微通道为圆形微通道，其内径小于1. 5_，所述计算公式中各参数的取值如下： a= 0,b= 0? 67,c= 3. 13,d= 0? 504,e= 0? 352 m= 0. 672,n= 0. 589,p= 0. 629。
15. 根据权利要求13所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述可视测量微管（107) 的微通道为方形微通道，其当量直径小于1. 5_，所述计算公式中，气泡周边初始液膜厚度 SC1为方形微通道边角处的微液膜厚度，即S1。。，各参数的取值如下： a= 0. 243,b= 2. 43,c= 7. 28,d= 0,e= 0. 255,p= 0. 215。
16. 根据权利要求13所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述可视测量微管（107) 的微通道为高宽高比的矩形微通道，其宽高比W/D彡20,且高度D彡0. 5mm， 其中，所述韦伯数We和雷诺数Re的计算式中，所述微通道的内径D为该矩形微通道的 水力直径Dh:
计算公式中各参数的取值如下：a= 0,b= 0. 67,c= 3. 13,d= 0. 504,e= 0. 352,m=0. 672,n= 0. 589,p= 0. 629。
17. 根据权利要求13所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述数据采集及分析装 置（113)中： 当动力粘度U1和表面张力〇其中之一未知时，通过一组Taylor气泡流的测量值依 据所述计算公式计算未知参数；或 当动力粘度U1和表面张力?均未知时，通过两组不同的Taylor气泡流的测量值构 建关于所述计算公式的方程组，通过求解该方程组计算动力粘度U1和表面张力〇。
18. 根据权利要求1至6、8至17中任一项所述的液体参数测量系统，其特征在于，所 述液膜厚度测量装置的测量精度大于〇.IUm;所述相机（110)的拍摄速率不小于1000帧/ 秒。
19. 根据权利要求18所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述液膜厚度测量装置 (109)为激光共焦距位移测量计或椭偏仪。
20. 根据权利要求1至6、8至17中任一项所述的液体参数测量系统，其特征在于，还包 括： 温度传感器（111、112)，设置于所述可视测量微管（107)的微通道的前端和/或后端； 和/或 回收容器（108)，连接于所述可视测量微管（107)的微通道的后端。
【文档编号】G01N13/02GK104502240SQ201410785514
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月17日 优先权日:2014年12月17日
【发明者】姜玉雁, 郭朝红, 王涛, 孙彦红, 唐大伟 申请人:中国科学院工程热物理研究所