专利名称：毛细管粘度计及液体粘度的测定方法
技术领域：
本发明属于一种通过测定流体的压力和流量而测知其粘度的测试装置及其测定方法，特别是指一种差动驱动式毛细管粘度计及其测定方法。
毛细管粘度计由于其原理简单、可靠而广泛用于医药和工业上。在毛细管粘度计中，应力τ和切变率γ分别通过驱动压P和流量Q进行测量。这些物理量在低切条件下易受种种因素的影响而难以精确测量，从而影响了该方法可测切变率的下限。困难主要来自以下几个方面1.表面张力的影响，低切条件下毛细管两端的驱动压非常低。以直径Φ＝1mm，长L＝200mm的毛细管为例，使粘度η＝4厘泊的流体在其中产生γ＝2(1/S)的流动所需的驱动压仅为0.6mmH2O。这远小于同样条件下表面张力产生的附加压强。对此，较好的解决方法是采用对称的大直流液池以减小毛细管出口处气液弯月面的附加压强。而其它一些非对称性的毛细管出口结构(如L型管、单侧喇叭型开口、两侧出口分别采用液-固和液-气界面等等)均不甚理想。大直径的出口液池虽然较好地克服了表面张力，但同时又引进了重力位头扰动的问题。剪切流动使两侧液池的液面相对起伏，由此产生的重力位头对驱动压的检测是一种干扰因素。虽然增大液池半径可以抑制这种干扰，但由此产生的试样量的增加在许多场合(如血液)是难以接受的。
2.驱动压发生器，一种早为人知的方法是利用被测介质本身的重力位头进行驱动。其中有恒压和变压两种形式。前者显然不便于非牛顿流体的流量，后者则由于毛细管液位本身又是一个难以连续精确测定的参数而不能用于要求较高的场合。虽然已有一种通过驱动管管底的静水压来确定驱动位头的方法，但由于所用传感器以大气作为参考，使毛细管两个出口处的张力附加压强具有相同的方向，从而使表面张力的问题变得更为复杂。为克服上述缺点，近来提出利用弹性储能形成驱动压的新方法。该方法通过对储能弹性体本身的应变来确定驱动压。与重力位头相比，弹性应变是较易测量的物理量。及至目前，储能弹性体多采用弹性膜和气容复合体组成，且均采用单侧驱动的形式，也就是说，毛细管的一端接弹性体引入驱动压，另一端则开放于大气。如图4所示，其基本组成包括毛细管31、取样管32、吸样器33、液池34、35，储能弹性体36，这种非对称的驱动结构有如下缺点a.易受大气压起伏的影响，在大风天气里室内气压很容易达到数mmH2O的起伏，因而将明显影响驱动压测量的准确性。b.单侧封闭的气容由于气体良好的热胀性而使其内压极易受温度起伏的影响。
本发明的目的是提供一种具有对称结构且与大气隔离的差动驱动式毛细管粘度计。
本发明的又一目的是提供一种具有上述结构特点的差动气容式毛细管粘度计。
本发明的另一目的是提供一种具有上述结构特点的差动弹性膜式毛细管粘度计。
本发明的再一目的是提供一种利用上述毛细管粘度计，测定液体的压力变化和流量而测知其粘度的液体粘度测定方法。
本发明毛细管粘度计，包括毛细管;与该毛细管一端连通的试样取样管;与毛细管另一端连通的吸样器，分别位于毛细管两端而处于试样取样管和吸样器内侧的两液池;与两液池相连的差动式驱动压发生装置，该装置可以是差动气容室，也可以是差动式弹性膜储能器;装设在该差动式驱动压发生装置上的压差传感器和与之相连的微机;与毛细管路连接的清洗和干燥装置;以及使整个粘度计与大气隔离和进行测定操作的阀门和管路系统。
本发明毛细管粘度计的优点和突出的效果是1.由于压差的产生和检测过程都是在与大气完全隔离状态下进行的，因而克服了大气压起伏对压力测量的影响。
2.完全对称的结构使表面张力的影响能相互抵消，提高了检测精度。
3.完全对称的差动式结构使两液池的残存气容或驱动气容中的气体的热胀性有良好的自补偿效果，从而提高了检测系统的热稳定性。
下面，结合附图详细说明本发明的实施例。
图1是本发明第一实施例的结构示意图。
图2是本发明第二实施例的结构示意图。
图3是本发明第三实施例的结构示意图。
图4是现有单侧驱动式毛细管粘度计示意图。
本发明毛细管粘度计的第一实施例，如图1所示，包括毛细管、试样取样管、吸样器、液池、驱动压发生器、阀和管路、测量装置和微机，以及管路系统的清洗和干燥装置，其特征在于所述驱动压发生器为对称差动式装置，毛细管1的一端与取样管2连通，另一端与吸样器3连通，在取样管2和吸样器3的内侧、毛细管1两端对称地连接两液池4和5，两液池4和5分别与所述差动式驱动压发生器的两压力室6和7相通，所述差动式驱动压发生器为差动气容，具有两气容室61和71;该差动式驱动压发生器上装有压力传感器8，传感器8与微机9相连;在管路系统中还接有阀门，主要设有装在毛细管1、取样管2间的阀门10，在吸样器3与液池5之间的阀门11，在气容室7和液池5之间的阀门12，在气容室6和液池4之间的阀门13。其中，阀10-阀13可有三种连通方式，记为Ⅰ-Ⅱ，Ⅱ-Ⅲ和Ⅰ-Ⅲ。
此外，所述清洗装置，包括洗液吸管15，它通过三通阀10与毛细管1相通，水泵16和废液排出管17与毛细管的另一端相接;所述干燥装置，包括顺次相连的空气干燥器18、气泵19、气包20、气包20与液池4连通管路上的二通阀21、气包20与液池5连通管路上的二通阀22。
系统工作过程如下1.吸样将阀开至如下位置，阀10(Ⅰ-Ⅱ)，阀11(Ⅱ-Ⅲ)，阀12(Ⅰ-Ⅱ)，阀13(Ⅱ-Ⅲ)，阀21断，阀22断。断后启动吸样器3将试样抽入液池4、5和毛细管1，并将二液池4、5中液面调整至相同水平高度。
2.预加负压将阀开至如下位置，阀10(Ⅱ-Ⅲ)，阀11(Ⅰ-Ⅱ)，其余阀不变。然后启动吸样器3，从气容室7抽出体积为△V的一份气体使气容室7形成负压。
3.预加正压将阀开至如下位置，阀11(Ⅱ-Ⅲ)其余阀不变。然后启动吸样器3，将2中得到的△V体积的气体经液池5-毛细管1-液池4注入气容室6，使气容室6形成正压。
4.测试将阀开至如下位置，阀11(Ⅰ-Ⅲ)，其余阀不变，这时毛细管1中的试样在二气容室6、7正负压差驱动下产生剪切流动。用计算机9检测并记录该压差的变化过程，并根据(12)式给出的算法，计算出各切变率下的粘度值。
5.清洗将阀开至如下位置，阀11(Ⅰ-Ⅱ)，阀13(Ⅰ-Ⅱ)，其余阀不变，然后启动水泵16，并在阀10的配合下分别从试样和洗液瓶中吸入洗液对试样流经的全部管道和液池进行冲洗。
6.干燥将阀开至如下位置，阀10(Ⅱ-Ⅲ)，阀21通，阀22通。然后将干燥处理后的压缩空气注入液池和毛细管道，吹干其中的残液，为下一个实验作好准备。
应该指出，可实现本发明的取样、加压、测量和清洗等步骤的方法并非是局限性的。上述方法只是可能的实施例之一。例如还可采用其它的连接管路和阀位的配置、颠倒加压顺序(如先加正压后加负压)和在液池间跨接低流阻的直捷管路以加速液池间液位平衡过程和方便清洗等等。
以下给出差动全容式毛细管粘度计的计算公式和有关参数的整定方法。
考虑长为L，半径为R的毛细管。记距轴r处的流速、切应力和切变率分别为μ(r)，τ(r)和
(r)，毛细管两端的驱动压为P，则被测介质的本构方程可表示成
＝f(τ)＝-du/dr ……(1)利用stocks公式τ(r)＝pr/2L……(2)可将管内流量Q用f(τ)表示，即Q=πR3τ3ω∫0τωf(τ)τ dτ ……(3)]]>其中τω为壁面切应力。根据(2)有τω＝τ(r)|r＝R＝PR/2L ……(4)将(3)对τω求导，可解出f(τω)为f (τω)=τωπR3(3Q+dQd τω) ……(5)]]>
记ηa为非牛顿流体的表观粘度，若取壁面处的流体为研究对象，ηa可
将(5)代入(6)整理可得
其中ηan和
ωn分别为将被测介质当作牛顿流体处理所求得的表观粘度和壁面切变率，按定义可表示为
(7)(8)中的待测量是P和Q。其中P可直接由跨气容的压差传感器测得，而Q可利用气态方程的约束关系由P导出。
记V0，P0分别为平衡条件下气容的初始体积和压力，△T和△V分别为平衡态基础上的温度和体积增量。根据气态方程可得P=-2P0V0△V+2P0· △VT · V0△ T ……(9)]]>方程右边的第二项表示温度对驱动压的影响，它的作用后面再讨论，这里认为该项已足够小而忽略不计。将(9)两边对时间t求导，可得
记Vp为压力检测装置的输出电压，它与压差P最多差一常数，记其为K，则有Vp＝KgP ……(11)
将(10)、(11)代入(7)、(8)可得
(12)即为差动气容储能毛细管粘度计的基本公式。所有常系数除K外均为自然常数或几何常数。
(9)中，第二项中的 (2P0△V)/(T ·V0) 是压差P的温度系数。可以通过减小△V(或提高气容的对称性)或增大气容体积V。来减小△V/V0的比值，以达到希望的温度稳定性。
血液等非牛顿液体具有触变性。为得到稳定的测量结果压差P的变化过程应进行得足够慢，以使触变的时变过程能充分完成。以牛顿流体作为试样的力学模型可得压差满足如下动力学过程TP+P＝0……(13)其中
是压差泄压过程的时间常数。实施时可根据希望的时间常数T和粘度测量范围参照此关系式确定所需的气容体积V0。
若记ρ、A分别为试样的重量密度和液池截面积，则根据(9)可得二液池间在驱动压为P时因液面高度差产生的附加重力位头△P为△P=ρV02AP0P ……(14)]]>检测时，实测的P值可用该关系式进行校正。经重力位头校正的压差P′为P ' =(1-ρV02AP0)P ……(15)]]>以上算法均能用微型计算机实现，并能设计成递推的形式，以提高计算效率。全部仪器的检测和控制也可在微机管理下实现，因而能实现自动检测的目的。
本发明第二实施例如图2所示，其基本结构与第一实施例相同，不同之处在于液池4和5上分别设有弹性膜42和52，该弹性膜42和52上贴有应变片;在两液池42和52之间装设一蠕动泵25;在毛细管1上，两液池42和52之间装设一阀门26;所述连接于两液池42和52之间的压差传感器为液压传感器82。
本发明第三实施例如图3所示，其基本结构与第二实施例相同，不同之处在于两液池4和5的上端分别连接有气室43和53，两气室43和53的顶部各装有弹性膜44和54，弹性膜44和54上贴有应变片，两气室43和53之间接装有压差传感器8。
第二、三两实施例的操作过程相同，其主要步骤如下1.利用吸液器3将试样吸入液池4和5，并将两液池的液位调整一致。
2.关闭阀10和阀26，启动蠕动泵25，将试样从一液池抽至另一液池，使二液池间产生压差。
3.打开阀26，使试样流过毛细管1，并恢复到原来两池液位一致的平衡状态，在此过程中，通过压差传感器8或82检测并记录两液池间压差的变化过程。
第二、三两实施例的计算方法，基本过程与实施例一相同，可根据所用弹性膜的弹性模量以与前述实施例一类似的推导过程导出，该计算方法已在“临床血液流变学”上有所发表。
权利要求
1.一种毛细管粘度计，包括毛细管、试样取样管、吸样器、液池、驱动压发生器、阀和管路、测量装置和微机，以及管路系统的清洗和干燥装置，其特征在于所述驱动压发生器为对称差动式装置，毛细管1的一端与取样管2连通，另一端与吸样器3连通，在取样管2和吸样器3的内侧、毛细管1两端对称地连接两液池4和5，两液池4和5分别与所述差动式驱动压发生器的两压力室6和7相通，所述差动式驱动压发生器为差动气容，具有两气容室61和71；该差动式驱动压发生器上装有压力传感器8，传感器8与微机9相连。
2.如权利要求2所述的毛细管粘度计，其特征在于所述差动式驱动压发生器为差动气容，其两压力室6和7为两气容室61和71。
3.如权利要求2所述的毛细管粘度计，其特征在于所述差动式驱动压发生器为弹性膜式储能器，在所述液池4和5上分别设有弹性膜42和52，该弹性膜42和52上贴有应变片;在两液池42和52之间装设一蠕动泵25;在毛细管1上，两液池42和52之间在靠近任一液池的出口处装设一阀门26;所述连接于两液池42和52之间的压差传感器为液压传感器82。
4.如权利要求2所述的毛细管粘度计，其特征在于所述差动式驱动压发生器为弹性膜和气容复合式储能器，在所述两液池4和5的上端分别连接有气室43和53，两气室43和53的顶部各装有弹性膜44和54，弹性膜44和54上贴有应变片，两气室43和53之间接装有压差传感器8。
5.一种粘度测定方法，其特征在于利用如权利要求1、2、3、4所述的毛细管粘度计测定驱动压P和流量Q，从而得出被测液体的牛顿表观粘度η，其步骤为(1)利用吸液器3将试样吸入液池4和5，并将两液池的液位调整一致;(2)使差动式驱动压发生器的两压力室6和7内形成压差P;(3)在所述压差P的驱动下，试样流过毛细管1，并恢复到两液池4和5液位初始的平衡状态，在此过程中检测并记录压差P的变化;利用下述基本公式进行计算P＝K·△V ……(1) ＝K·Q ……(2)ηan=πR4P8LQ……(3)]]>其中P-压差传感器所测压力值Q-毛细管中的流量K-储能介质的弹性系数△V-储能介质的体积变化ηan-被测液体的牛顿表观粘度R-毛细管半径L-毛细管长度。
全文摘要
本发明毛细管粘度计，包括毛细管；与该毛细管一端连通的试样取样管；与毛细管另一端连通的吸样器，分别位于毛细管两端而处于试样取样管和吸样器内侧的两液池；与两液池相连的差动式驱动压发生装置，该装置可以是差动气容室，也可是差动式弹性膜储能器；装设在该差动式驱动压发生装置上的压差传感器和与之相连的微机；与毛细管路连接的清洗和干燥装置；以及使整个粘度计与大气隔离和进行测定操作的阀门和管路系统。
文档编号G01N11/08GK1076027SQ9211427
公开日1993年9月8日 申请日期1992年12月14日 优先权日1992年12月14日
发明者陈生, 李钢 申请人:陈生