专利名称：表观粘度快测方法
技术领域：
本发明适用于非牛顿流变特性表观粘度的测量。
在以下的叙述中符号ηa和ηp表示两种不同概念的表观粘度，r表示剪切率，τ表示剪应力(或壁面剪应力)。
现有测量非牛顿流变特性方法的状况是①把ηa混同于ηp，但事实上它们不相等，②即使未将两者混淆，在测定方法上也相当繁复，即先测得一系列ηp再转而计算ηa(
)，这种方法必须对一系列的压力和流量进行测量求得相应的拟表观粘度，再在双对数曲线坐标，图线上求得〔d(1gηp)/d(1gτ)〕的值，最后求不同τ时表观粘度ηa，而且在求d(1gηp)/d(1gτ)时容易带来误差。这样的方法不便于在生物医学研究中，特别是为临床医务工作者广泛使用，也不便于在化工、食品等工业的质量控制和管理现场使用。
本发明的旨在研制一种简便快速而在理论上又较为严格的表观粘度ηa的测量方法，它能广泛使用于生物医学研究、化工、食品等工业的质量控制和管理现场。
总体构成图，如
图1所示。
本发明的技术关键在于将如下的理论结果用一个简捷的办法具体化根据非牛顿流体的本构方程、平衡方程及毛细管几何条件可以导出
ηa＝πR4p/〔2L(3Q+P (dQ)/(dP) )〕τ＝RP/2L(1)这里P为毛细管两端压差，Q为管内流量率，P和L分别为管半径和长度。ηa即表观粘度，τ为剪切应力。
根据(1)式，可见只要知道流量随压力的变化即可求得ηa(τ)。实现这一点可以有不同方案，根据分析，我们找到了一条颇简便易行的新方案，这构成本方法的特色之一如附图3所示的L管，AO为压力驱动管，OB为毛细管，不难由(1)式推得ηa＝K1h/(3 (dh)/(dt) +h
)τ＝K2h (2)K1、K2为与管的几何和试样密度有关的常数。
这样，仅需测得h随时间的变化，则可在一次性实验中求得ηa与τ(或
)的依赖关系，而h-t的关系，可通过接在图中O点处的压力传感器检测AO段液面随时间自由下降时压力的相应变化求得。压力的这一变化与h的变化是成正比的，将采得的这一信息即时送入A/D转换电路和微处理机作进一步数字处理，并迅速成对地给出一系列的ηa和τ。
本发明表观粘度快测装置由三个单元组成本体部分、检测与控制部分、温度控制部分(如附图1所示)。
1.本体部分的构成为a、水平毛细管(OB)(如附图3和图1所示)，材料为玻璃，出口端构形上如附图1所示，其弯曲部分用以装存样品并便于重复实验毛细管(OB)的几何参量要保证有尽可能小的动能修正率和末端效应的影响，其长度取为＞20cm，管内半径口<8(ηP)28]]>(约0.3～1mm)，以便动能修正项可以忽略，同时保证满足层流条件。出口端的构形也是为便于自动控制液体流动而设计的。
b、竖直管(AO)(如附图3所示)，为压力驱动管，内直径为2mm和3mm两种。长度为300mm，以保证足够大的剪应力上限。内径沿长度方向均匀一致，本发明样机使用的是成品滴定管，为0.5ml和1ml两种。
c、三通接头(D)，用以将水平毛细管(AO)、竖直管(OB)和压力传感器(3)相连。
d、本体盒，由水平毛细管(AO)、竖直管(OB)和三通接头(O)组成一个L管置于一盒中，盒内通以热空气形成空气浴(17)，以调节温度。
2.检测和控制部分2.1检测部分构成为a、压力传感器(3)为了保证测量结果有足够精度，本装置对传感器提出较高要求，所用传感器分辨率为1mmH2O，即最大液位高h的0.5%左右。传感器线性度要好。本发明的样机采用BVP型微压传感器(蚌埠半导体器件厂制造)b、放大器(10)为一普通差动放大器电路，用来将压力传感器来的讯号，适当放大，以适应A/D转换器对输入幅度的要求。
c、A/D转换电路(如附图4所示)该电路为12位A/D转换电路，由ADC1210芯片、时钟脉冲电路、稳压电源、模拟信号输入电路、数据输出与单板机的接口电路组成。
ADC1210是A/D转换片的核心部分，完成A/D转换工作，其分辨率为12位，转换精度为0.25%，其转换逻辑图如附图5所示。ADC1210是逐位近似地将模拟量转换完成数字量，即某一时刻由D/A内部输出一个量与输入的未知模拟量作比较。控制逻辑能实现类似于对分搜索的控制。它先使最高位D12-1＝1，经D/A转换后得到一个整个量程一半的模拟电压VS与输入电压相比较，若VX＞VS，则保留这一位。若VX＜VS，则使这一位清“0”，然后使下一位D12-2＝1与上一次的结果一起经D/A转换后于VX相比较……。重复这个进程直至使D0＝1，再与VX相比较，由VX＞VS还是VX＜VS来决定是否保留这一位(D0)。这样经过12次比较后，12位寄存器的状态即为转换后的数据。结束信号由高电平变为低电平。
时钟脉冲电路采用了一块555集成电路。它的接线图如附图4所示。它产生一个65KHz的方波，它的波形如附图5中CP所示。时钟源是A/D转换的同步信号，当A/D片子被启动后，每一个时钟周期ADC1210转换一位，故时钟频率决定着A/D转换的速度，它可以通过调整电阻、电容改变其频率，同时在示波器上看出波形规整。
稳压电源采用两级稳压，先用变压器将电压变为25V，整流滤波后，经过三端稳压集成块7812、7805后电压变为+5V，供ADC1210比较电压。
模拟信号输入电路，本系统中有一路模拟输入量，故不用多路开关，目模拟量值变化缓慢，故值直将从放大器来的信号输入一个通道，省去辅助电路中的采样保持器。
数据输出与单板机的接口电路采用PIO口作为接口。由于PIO是一个可编程的具有I/O端口的器件，它与外部设备相连接不需要其它外加逻辑。转换结束后，可用IN指令使A/D芯片读数据。我们直接利用单板机上已配置的两个PIO口，其中PIO端口B的8位作为A/D片输出的低8位数据传送端口，PIO端口A的8位端子中PA4-PA7端作为A/D片输出的高四位数据传送端口。
d、微处理器(8)可用Z80单板机或其它微处理器将A/D转换器送来的数据加工、运算、输出，完成本发明温控，实验操作的全自动控制，零位调节，输入结果等工作。
2.2控制部分(如附图4、5所示)本发明的试样驱动和自动控制部分由电磁泵、自制电磁阀和液位检测器及若干继电器组成，并接受微机程序控制。
计算机给出启动信号，电磁阀2吸合，电泵工作，竖直管内液面上升，当升到液位检测位置后，液位控制器输出一电平，经PIO输入，向CPU申请中断，中断服务程序执行后，给泵一个停止工作信号，同时电磁阀1吸合，维持液面稳定一段时间后，电磁阀1、2释放，液面自然下降，再启动A/D转换，开始采样。
3.温度控制部分(18)(如附图1和附图6所示)采用可控硅控制的无级可调式温度控制，精度为选定温度±0.5℃。它通过温度传感器(14)(热敏电阻)进行检测，再由温度控制回路向加热器(电吹风)(16)发出加热或停止加热的指令来实现。
温度控制迴路的电路图如图6(15)。
本发明自行设计的计算机软件部分包括启动、样品置位、采样、滤波、传感器零位校正、计算、表面张力修正、显示、打印子程序。
本发明操作流程如下一、准备将L形管(2)置入主体箱(1)内，从D口注入试样，试样暂存留于CB中连通压力传感器(3)和电磁阀(4)、(5)及液位传感器(6)各通道或电路，传感器予调平衡。
二、试样置位(1)启动微处理器8，令其发出指令关闭电磁阀a(4)，同时打开电磁阀b(5)并启动泵(7)，试样从CB经毛细管缓慢升至A。
(2)液位到A时，液位传感器(6)导通，给微机B口低电平，微机8通知泵暂停工作。
(3)通过软件延时，使液位保持一短暂时间，让系统安定下来。
三、采样(1)微机(8)通知阀(4)和(5)，令其开放，使L管的C和B处与大气相通，AO段液位高度h自由减小。设置C口的目的正是为了使C处为大气压，以保证液面能自由下降。
(2)压力传感器连续地将压力讯号转换为电压随时间的变化，此变化值正比于高度h。
(3)此电压值经一差动放大器(10)放大后送入12位A/D转换器(11)转换为12位数码。
(4)微机以数T毫秒的时间间隔从A/D转换器取数，每十六个这种数均右移四位后相加，构成一个十六位的二进制数。它是十六个密集采样值的平均值，将作为h值参加进一步的运算。
四、运算运算公式为ηa＝K1h/(3 (dh)/(dt) +h (dh)/(dt) )K、为常数，将由水和另一种标准液体来标定。
考虑到表面张力的影响，上式将进一步修正为ηa＝Kdt/( (dh)/(dh-σε) + (d2h)/(3dh) )式中σ为表面张力修正系数五、显示和打印随着h减少，连续地给出从大到小的不同剪切率下的表观粘度值，并将它们成对地显示和打印出来。
采样点数和时间间隔可予先设定，软件程序将自动地对不同设定带来的数值变化作相应的修正。
如果需要，第一次实验完毕之后，仪器将自动起动作第二次实验。
本发明采用压力传感器平衡调整，可直接利用压力传感器的信号经放大后，送入12位A/D转换，绦蚪巡扇胧葑涑捎氲缪瓜喽杂Φ氖担上允酒鳎 3)立即显示出来，可省掉电压表且准确、方便。
采用本发明的L形管采样以及与之配套的压力传感器，A/D转换电路和微处理器能在一次性实验中给出一定切变率范围内相应的一系列表观粘度值(数十个点)，大大缩短实验和数据整理的周期，且使整个实验自动自行，并可自动反复，操作简易，能对在定义上更明确的力学量-非牛顿流体的表观粘度函数作快速直接测量。
利用一根L形管，其竖直部分内样品液位从最高点到O连续下降过程中，给出从相应最大剪切率到0剪切率的连续变化过程，即自变量的连续变化过程，用微压传感器收集和转换这一变化过程，并经A/D转换后送微处理机处理。
按自行推导的公式，经微机运算后成对给出剪切率和相应表观粘度。
这样，本系统实现了在一次性实验后就能给出一系列剪切率和表观粘度函数的要求。这是与国内外机器不同之处。
操作简易，与国外高档机相比，快速，结构相对简单，成本低得多。
可用于生物、医药、化工、油类、食品等部门。
以下结合附图对本发明作进一步说明附图1为本发明表观粘度快测装置构成示意图，其中(1)为测量本体，(2)为试样，(3)为压力传感器，(4)为电磁阀a，(5)为电磁阀b，(6)为液位传感器，(7)为泵，(8)为微处理器，(9)为液位控制电路，(10)为放大器，(11)为A/D转换器，(12)为检测及控制单元，(13)为显示器，(14)为温度传感器，(15)为温控迴路，(16)为加热器，(17)为空气浴，(18)为温控单元，AO为竖直管，OB为水平毛细管。
附图2为表观粘度的定义示意图，其中ηa为表观粘度，τ为剪切应力，r为剪切率。
附图3为本发明表观粘度快测装置中的L形管，其中AO为压力驱动管、OB为毛细管，h为高度、L为OB管的长度。
附图4为本发明的控制迴路示意图。
附图5为本发明的液位控制电路示意图。
附图6为本发明的温控迴路示意图。
实施例利用本发明表观粘度快测装置，对足够数量的几种典型试样作了实测，测量的方法和结果均经法定计量单位(四川省计量研究院)认可和验证，具体数据如下
权利要求
1.一种表观粘度快测方法，其特征在于利用一根L形管，其竖直部分内样品液位从最高点到底部0点连续下降过程中，给出从相应最大剪切率到0剪切率的连续变化过程(即自变量的连续变化过程)，用微压传感器收集和转换这一变化过程，并经A/D转换后送微处理机处理，按ηa=kdt /(dhdh-δε+d2h3dh)]]>公式，经微机运算后成对给出剪切率和相应的表观粘度。
2.如权利要求1所述的一种表观粘度快测方法，其特征在于A/D转换中的核心部分ADC1210芯片是逐位近似地将模拟量转换完成数字量，控制逻辑能实现类似于对分搜索的控制。
3.如权利要求2所述的一种表观粘度快测方法，其特征在于A/D转换和微处理机相连的接口采用PIO端口A、B，PIO端口A作为A/D片输出的高四位数据的传送端口，PIO端口B的8位作为A/D片输出的低8位数据传送端口。
全文摘要
本发明能对在定义上更确切的力学量—非牛顿流体的表观粘度函数作快速直接测量。令样品在一根L形管中流动，给出从最大到0剪切率的连续变化过程，用微压传感器收集和转换这一过程，并经过A/D转换后送微处理机，再按自行推导的公式运算后成对地给出剪切率和相应表观粘度。这就实现了一次性实验就能给出一系列剪切率和相应表观粘度的新设想。实验程序自动进行，易为非专业人员掌握。
文档编号G01N11/04GK1035178SQ8810077
公开日1989年8月30日 申请日期1988年2月8日 优先权日1988年2月8日
发明者蔡绍皙, 吴云鹏, 杨瑞芳, 罗修文, 段铭, 王力工 申请人:重庆大学