高剪切速率下非牛顿流体表观黏度测量装置及测量方法与流程

本发明涉及非牛顿流体检测技术领域，尤其是涉及一种高剪切速率下非牛顿流体表观黏度测量装置及测量方法。

背景技术：

随着社会与经济的发展，世界对能源的需求不断提高，节能减排已变得越来越重要。随着学术界对减阻技术研究的日趋深入，发现添加剂(如表面活性剂、聚合物等)湍流减阻是一种有效的节能方式，然而要理解添加剂湍流减阻规律，特别是高雷诺数流动下的减阻机理，有必要理解高剪切速率(即高雷诺数)下，减阻溶液的流变特性。然而，目前多数商业流变仪仅能测量剪切速率低于1000时流体的表观黏度，且易受惯性和粘性加热等因素的影响，测出的表观黏度不是十分准确。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：为了解决目前多数商业流变仪仅能测量剪切速率低于1000时流体的表观黏度，且易受惯性和粘性加热等因素的影响，测出的表观黏度不是十分准确的问题，现提供了一种高剪切速率下非牛顿流体表观黏度测量装置及测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高剪切速率下非牛顿流体表观黏度测量装置，包括测量本体、压差变送器和温度传感器，所述测量本体上开设有横截面呈矩形的微槽道，所述微槽道的高度与微槽道的宽度比值大于等于15，所述压差变送器包括两个均与信号调节电路板连接的压力传感器，两个所述压力传感器设置在微槽道内，两个所述压力传感器分别位于流体流过微槽道中层流的两端，所述温度传感器设置在微槽道内，所述测量本体的一端设置有用于给微槽道提供流体通过的进液控制机构。

本发明通过进液控制机构为测量本体的微槽道内输送流体，并由微槽道内的压差变送器检测微槽道内层流两端的压差，由于流体温度会影响到检测数据，温度传感器用于检测流体的温度。

进一步地，所述进液控制机构包括注射泵和注射器，所述注射器固定在注射泵上，所述注射器的输出端与测量本体一端的微槽道连通。通过注射泵控制注射器向测量本体的微槽道内输送流体。

进一步地，所述注射器的输出端与测量本体之间设置有流量计。为了能够了解测量本体中微槽道内通过的流量情况，通过流量计能够方便工作人员观察测量本体中微槽道内通过的流量情况。

进一步地，所述测量本体远离进液控制机构的一端设置有截止阀。

进一步地，所述测量本体包括进口变径管、中间管和出口变径管，所述进口变径管螺纹连接在中间管的一端，所述出口变径管螺纹连接在中间管的另一端，所述进口变径管上设置有第一内管道，所述微槽道设置在中间管上，所述出口变径管上设置有第二内管道，所述第一内管道、微槽道与第二内管道相互连通，所述第一内管道的通流面积由进液控制结构向中间管逐渐增大，所述第二内管道的通流面积由出口变径管的一端向中间管逐渐增大。为了便于截止阀和流量计的安装。

一种如上述的高剪切速率下非牛顿流体表观黏度测量装置的测量方法，包括以下步骤：

s1、当流体流过微槽道，可利用设置在微槽道内的压差变送器测出以恒定流量q流动流体两点之间的压差δp，对于充分发展的二维稳态层流，压差δp与壁面剪应力τw有如下关系：

wdδp＝2l0(w+d)τw

式中d是微矩形槽道高度，d的单位为mm；w是微矩形槽道宽度，w的单位为μm；δp是压差，δp的单位为kpa；l0是压差变送器两测量点之间的距离，l0的单位为mm；τw是壁面剪应力，τw的单位为pa；

s2、在微槽道中确定壁面剪切速率γw是流量q的线性函数：

式中q是流量，q的单位为μl.min^-1；γw是壁面剪切速率，γw的单位为pas，

可利用上式近似得出表观剪切速率，并通过weissenberg–rabinowitsch–mooney方法，得到实际壁面剪切速率：

s3、把测得的压差δp和流量q关系转换为壁面剪切应力τw和剪切速率γw的关系，最后可计算出流体的表观黏度：

式中η(γw，true)是流体的表观黏度，η(γw，true)的单位为pas，γw，true是实际壁面剪切速率，γw，true的单位为s^-1。

本发明的有益效果是：本发明高剪切速率下非牛顿流体表观黏度测量装置在使用时，准确的测量高剪切速率下非牛顿流体的表观黏度能有助于更好地理解添加剂(如表面活性剂、聚合物等)湍流减阻的机理，可忽略惯性和粘性加热等因素的影响，因此测量精度较高，避免了目前多数商业流变仪仅能测量剪切速率低于1000时流体的表观黏度，且易受惯性和粘性加热等因素的影响，测出的表观黏度不是十分准确的问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的主视图；

图2是本发明中中管的主视图；

图3是图2中a-a的剖视图；

图4是本发明中进口变径管的主视图；

图5是图4中b-b的剖视图；

图6是本发明中出口变径管的主视图；

图7是本发明中出口变径管的左视图。

图中：1、测量本体，2、压差变送器，3、温度传感器，4、注射泵，5、注射器，6、流量计，7、截止阀，8、进口变径管，9、中间管，901、微槽道，10、出口变径管。

具体实施方式

现在结合附图对本发明做进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例

如图1-2所示，一种高剪切速率下非牛顿流体表观黏度测量装置，包括测量本体1、压差变送器2和温度传感器3，所述测量本体1上开设有横截面呈矩形的微槽道901，所述微槽道901的高度与微槽道901的宽度比值大于等于15，如图3所示，具体微槽道901的宽度指的是微槽道901截面的短边，而微槽道901的高度指的是微槽道901截面的长边，采用矩形结构的微槽道901是由于微槽道901宽度尺寸微小，其流动雷诺数不会太高，流体始终保持为层流状态，这样便于保证表观黏度和剪切速率的对应关系，而且容易做到高宽比大于15，以便保证微槽道901是二维流动的通道，即忽略第三个方向流动的影响，所述压差变送器2包括两个均与信号调节电路板连接的压力传感器，压差变送器2为sld型微压差变送器2，并且其型号为sld3351-dp，两个所述压力传感器设置在微槽道901内，两个所述压力传感器分别位于流体流过微槽道901中层流的两端，为防止压差过小不易测量，两个压力传感器之间的距离不易过小，且为了让流体流动稳定不受进出口的影响，任一个压力传感器与其所在一侧微槽道901的进出口之间应留有一定的距离，由于温度也会影响到压差变送器2的检测结果，所述温度传感器3设置在微槽道901内底部中间，温度传感器3型号为t10r-pt，通过温度传感器3使得流体温度控制恒温，所述测量本体1的一端设置有用于给微槽道901提供流体的进液控制机构。

所述进液控制机构包括注射泵4和注射器5，所述注射器5固定在注射泵4上，所述注射器5的输出端与测量本体1一端的微槽道901连通。注射泵4的型号为lsp01-1a。

所述注射器5的输出端与测量本体1之间设置有流量计6。

所述测量本体1远离进液控制机构的一端设置有截止阀7。

如图4-7所示，所述测量本体1包括进口变径管8、中间管9和出口变径管10，所述进口变径管8螺纹连接在中间管9的一端，同时中间管9由上下两部分半圆柱型有机玻璃粘结而成，在粘结成整体之前，先在上半部分半圆柱型有机玻璃矩形面中心位置加工出相应尺寸的矩形结构的微通道，然后把下半部分半圆柱型有机玻璃胶粘合上、并形成流体自两端进出的微槽道901，所述出口变径管10螺纹连接在中间管9的另一端，所述进口变径管8上设置有第一内管道，所述微槽道901设置在中间管9上，所述出口变径管10上设置有第二内管道，所述第一内管道、微槽道901与第二内管道相互连通，所述第一内管道的通流面积由进液控制结构向中间管9逐渐增大，所述第二内管道的通流面积由出口变径管10的一端向中间管9逐渐增大。

实验开始之前，在测量本体1远离进液控制机构的一端上的截止阀7关闭的情况下将装置中缓慢注满待测流体，然后静置。再用玻璃注射器5抽取待测液体至达到实验所需用量，并注射器5的输出端与进口变径管8连接好后再固定在注射泵4相应的位置上。

实验开始时，在启动注射泵4之前，需将压差变送器2的压差数值归零。

利用注射泵4可以先对玻璃注射器5推送的流体流量进行粗调，然后通过微小齿轮流量计6反馈的表观流量，再对注射泵4进行微调，直至达到实验所需的恒定流量，再通过压差变送器2上两个压传感器进行检测，压力传感器检测到的数据反馈至信号调节线路板上进行处理，处理后的数据通过显示屏显示出来，同时温度传感器3也会实时显示当前流体的温度。

一种如上述的高剪切速率下非牛顿流体表观黏度测量装置的测量方法，包括以下步骤：

s1、当流体流过微槽道901，可利用设置在微槽道901内的压差变送器2测出以恒定流量q流动流体两点之间的压差δp，对于充分发展的二维稳态层流，压差δp与壁面剪应力τw有如下关系：

wdδp＝2l0(w+d)τw

式中d是微矩形槽道高度，d的单位为mm；w是微矩形槽道宽度，w的单位为μm；δp是压差，δp的单位为kpa；l0是压差变送器2两测量点之间的距离，l0的单位为mm；τw是壁面剪应力，τw的单位为pa；

s2、在微槽道901中确定壁面剪切速率γw是流量q的线性函数：

式中q是流量，q的单位为μl.min^-1；γw是壁面剪切速率，γw的单位为pas，

可利用上式近似得出表观剪切速率，并通过weissenberg–rabinowitsch–mooney方法，得到实际壁面剪切速率：

s3、把测得的压差δp和流量q关系转换为壁面剪切应力τw和剪切速率γw的关系，最后可计算出流体的表观黏度：

式中η(γw，true)是流体的表观黏度，η(γw，true)的单位为pas，γw，true是实际壁面剪切速率，γw，true的单位为s^-1。

上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。