專利名稱：毛細管粘度計及液體粘度的測定方法
技術領域：
本發明屬于一種通過測定流體的壓力和流量而測知其粘度的測試裝置及其測定方法，特別是指一種差動驅動式毛細管粘度計及其測定方法。
毛細管粘度計由于其原理簡單、可靠而廣泛用于醫藥和工業上。在毛細管粘度計中，應力τ和切變率γ分別通過驅動壓P和流量Q進行測量。這些物理量在低切條件下易受種種因素的影響而難以精確測量，從而影響了該方法可測切變率的下限。困難主要來自以下幾個方面1.表面張力的影響，低切條件下毛細管兩端的驅動壓非常低。以直徑Φ＝1mm，長L＝200mm的毛細管為例，使粘度η＝4厘泊的流體在其中產生γ＝2(1/S)的流動所需的驅動壓僅為0.6mmH2O。這遠小于同樣條件下表面張力產生的附加壓強。對此，較好的解決方法是采用對稱的大直流液池以減小毛細管出口處氣液彎月面的附加壓強。而其它一些非對稱性的毛細管出口結構(如L型管、單側喇叭型開口、兩側出口分別采用液-固和液-氣界面等等)均不甚理想。大直徑的出口液池雖然較好地克服了表面張力，但同時又引進了重力位頭擾動的問題。剪切流動使兩側液池的液面相對起伏，由此產生的重力位頭對驅動壓的檢測是一種干擾因素。雖然增大液池半徑可以抑制這種干擾，但由此產生的試樣量的增加在許多場合(如血液)是難以接受的。
2.驅動壓發生器，一種早為人知的方法是利用被測介質本身的重力位頭進行驅動。其中有恒壓和變壓兩種形式。前者顯然不便于非牛頓流體的流量，后者則由于毛細管液位本身又是一個難以連續精確測定的參數而不能用于要求較高的場合。雖然已有一種通過驅動管管底的靜水壓來確定驅動位頭的方法，但由于所用傳感器以大氣作為參考，使毛細管兩個出口處的張力附加壓強具有相同的方向，從而使表面張力的問題變得更為復雜。為克服上述缺點，近來提出利用彈性儲能形成驅動壓的新方法。該方法通過對儲能彈性體本身的應變來確定驅動壓。與重力位頭相比，彈性應變是較易測量的物理量。及至目前，儲能彈性體多采用彈性膜和氣容復合體組成，且均采用單側驅動的形式，也就是說，毛細管的一端接彈性體引入驅動壓，另一端則開放于大氣。如圖4所示，其基本組成包括毛細管31、取樣管32、吸樣器33、液池34、35，儲能彈性體36，這種非對稱的驅動結構有如下缺點a.易受大氣壓起伏的影響，在大風天氣里室內氣壓很容易達到數mmH2O的起伏，因而將明顯影響驅動壓測量的準確性。b.單側封閉的氣容由于氣體良好的熱脹性而使其內壓極易受溫度起伏的影響。
本發明的目的是提供一種具有對稱結構且與大氣隔離的差動驅動式毛細管粘度計。
本發明的又一目的是提供一種具有上述結構特點的差動氣容式毛細管粘度計。
本發明的另一目的是提供一種具有上述結構特點的差動彈性膜式毛細管粘度計。
本發明的再一目的是提供一種利用上述毛細管粘度計，測定液體的壓力變化和流量而測知其粘度的液體粘度測定方法。
本發明毛細管粘度計，包括毛細管;與該毛細管一端連通的試樣取樣管;與毛細管另一端連通的吸樣器，分別位于毛細管兩端而處于試樣取樣管和吸樣器內側的兩液池;與兩液池相連的差動式驅動壓發生裝置，該裝置可以是差動氣容室，也可以是差動式彈性膜儲能器;裝設在該差動式驅動壓發生裝置上的壓差傳感器和與之相連的微機;與毛細管路連接的清洗和干燥裝置;以及使整個粘度計與大氣隔離和進行測定操作的閥門和管路系統。
本發明毛細管粘度計的優點和突出的效果是1.由于壓差的產生和檢測過程都是在與大氣完全隔離狀態下進行的，因而克服了大氣壓起伏對壓力測量的影響。
2.完全對稱的結構使表面張力的影響能相互抵消，提高了檢測精度。
3.完全對稱的差動式結構使兩液池的殘存氣容或驅動氣容中的氣體的熱脹性有良好的自補償效果，從而提高了檢測系統的熱穩定性。
下面，結合附圖詳細說明本發明的實施例。
圖1是本發明第一實施例的結構示意圖。
圖2是本發明第二實施例的結構示意圖。
圖3是本發明第三實施例的結構示意圖。
圖4是現有單側驅動式毛細管粘度計示意圖。
本發明毛細管粘度計的第一實施例，如圖1所示，包括毛細管、試樣取樣管、吸樣器、液池、驅動壓發生器、閥和管路、測量裝置和微機，以及管路系統的清洗和干燥裝置，其特征在于所述驅動壓發生器為對稱差動式裝置，毛細管1的一端與取樣管2連通，另一端與吸樣器3連通，在取樣管2和吸樣器3的內側、毛細管1兩端對稱地連接兩液池4和5，兩液池4和5分別與所述差動式驅動壓發生器的兩壓力室6和7相通，所述差動式驅動壓發生器為差動氣容，具有兩氣容室61和71;該差動式驅動壓發生器上裝有壓力傳感器8，傳感器8與微機9相連;在管路系統中還接有閥門，主要設有裝在毛細管1、取樣管2間的閥門10，在吸樣器3與液池5之間的閥門11，在氣容室7和液池5之間的閥門12，在氣容室6和液池4之間的閥門13。其中，閥10-閥13可有三種連通方式，記為Ⅰ-Ⅱ，Ⅱ-Ⅲ和Ⅰ-Ⅲ。
此外，所述清洗裝置，包括洗液吸管15，它通過三通閥10與毛細管1相通，水泵16和廢液排出管17與毛細管的另一端相接;所述干燥裝置，包括順次相連的空氣干燥器18、氣泵19、氣包20、氣包20與液池4連通管路上的二通閥21、氣包20與液池5連通管路上的二通閥22。
系統工作過程如下1.吸樣將閥開至如下位置，閥10(Ⅰ-Ⅱ)，閥11(Ⅱ-Ⅲ)，閥12(Ⅰ-Ⅱ)，閥13(Ⅱ-Ⅲ)，閥21斷，閥22斷。斷后啟動吸樣器3將試樣抽入液池4、5和毛細管1，并將二液池4、5中液面調整至相同水平高度。
2.預加負壓將閥開至如下位置，閥10(Ⅱ-Ⅲ)，閥11(Ⅰ-Ⅱ)，其余閥不變。然后啟動吸樣器3，從氣容室7抽出體積為△V的一份氣體使氣容室7形成負壓。
3.預加正壓將閥開至如下位置，閥11(Ⅱ-Ⅲ)其余閥不變。然后啟動吸樣器3，將2中得到的△V體積的氣體經液池5-毛細管1-液池4注入氣容室6，使氣容室6形成正壓。
4.測試將閥開至如下位置，閥11(Ⅰ-Ⅲ)，其余閥不變，這時毛細管1中的試樣在二氣容室6、7正負壓差驅動下產生剪切流動。用計算機9檢測并記錄該壓差的變化過程，并根據(12)式給出的算法，計算出各切變率下的粘度值。
5.清洗將閥開至如下位置，閥11(Ⅰ-Ⅱ)，閥13(Ⅰ-Ⅱ)，其余閥不變，然后啟動水泵16，并在閥10的配合下分別從試樣和洗液瓶中吸入洗液對試樣流經的全部管道和液池進行沖洗。
6.干燥將閥開至如下位置，閥10(Ⅱ-Ⅲ)，閥21通，閥22通。然后將干燥處理后的壓縮空氣注入液池和毛細管道，吹干其中的殘液，為下一個實驗作好準備。
應該指出，可實現本發明的取樣、加壓、測量和清洗等步驟的方法并非是局限性的。上述方法只是可能的實施例之一。例如還可采用其它的連接管路和閥位的配置、顛倒加壓順序(如先加正壓后加負壓)和在液池間跨接低流阻的直捷管路以加速液池間液位平衡過程和方便清洗等等。
以下給出差動全容式毛細管粘度計的計算公式和有關參數的整定方法。
考慮長為L，半徑為R的毛細管。記距軸r處的流速、切應力和切變率分別為μ(r)，τ(r)和
(r)，毛細管兩端的驅動壓為P，則被測介質的本構方程可表示成
＝f(τ)＝-du/dr ……(1)利用stocks公式τ(r)＝pr/2L……(2)可將管內流量Q用f(τ)表示，即Q=πR3τ3ω∫0τωf(τ)τ dτ ……(3)]]>其中τω為壁面切應力。根據(2)有τω＝τ(r)|r＝R＝PR/2L ……(4)將(3)對τω求導，可解出f(τω)為f (τω)=τωπR3(3Q+dQd τω) ……(5)]]>
記ηa為非牛頓流體的表觀粘度，若取壁面處的流體為研究對象，ηa可
將(5)代入(6)整理可得
其中ηan和
ωn分別為將被測介質當作牛頓流體處理所求得的表觀粘度和壁面切變率，按定義可表示為
(7)(8)中的待測量是P和Q。其中P可直接由跨氣容的壓差傳感器測得，而Q可利用氣態方程的約束關系由P導出。
記V0，P0分別為平衡條件下氣容的初始體積和壓力，△T和△V分別為平衡態基礎上的溫度和體積增量。根據氣態方程可得P=-2P0V0△V+2P0· △VT · V0△ T ……(9)]]>方程右邊的第二項表示溫度對驅動壓的影響，它的作用后面再討論，這里認為該項已足夠小而忽略不計。將(9)兩邊對時間t求導，可得
記Vp為壓力檢測裝置的輸出電壓，它與壓差P最多差一常數，記其為K，則有Vp＝KgP ……(11)
將(10)、(11)代入(7)、(8)可得
(12)即為差動氣容儲能毛細管粘度計的基本公式。所有常系數除K外均為自然常數或幾何常數。
(9)中，第二項中的 (2P0△V)/(T ·V0) 是壓差P的溫度系數。可以通過減小△V(或提高氣容的對稱性)或增大氣容體積V。來減小△V/V0的比值，以達到希望的溫度穩定性。
血液等非牛頓液體具有觸變性。為得到穩定的測量結果壓差P的變化過程應進行得足夠慢，以使觸變的時變過程能充分完成。以牛頓流體作為試樣的力學模型可得壓差滿足如下動力學過程TP+P＝0……(13)其中
是壓差泄壓過程的時間常數。實施時可根據希望的時間常數T和粘度測量范圍參照此關系式確定所需的氣容體積V0。
若記ρ、A分別為試樣的重量密度和液池截面積，則根據(9)可得二液池間在驅動壓為P時因液面高度差產生的附加重力位頭△P為△P=ρV02AP0P ……(14)]]>檢測時，實測的P值可用該關系式進行校正。經重力位頭校正的壓差P′為P ' =(1-ρV02AP0)P ……(15)]]>以上算法均能用微型計算機實現，并能設計成遞推的形式，以提高計算效率。全部儀器的檢測和控制也可在微機管理下實現，因而能實現自動檢測的目的。
本發明第二實施例如圖2所示，其基本結構與第一實施例相同，不同之處在于液池4和5上分別設有彈性膜42和52，該彈性膜42和52上貼有應變片;在兩液池42和52之間裝設一蠕動泵25;在毛細管1上，兩液池42和52之間裝設一閥門26;所述連接于兩液池42和52之間的壓差傳感器為液壓傳感器82。
本發明第三實施例如圖3所示，其基本結構與第二實施例相同，不同之處在于兩液池4和5的上端分別連接有氣室43和53，兩氣室43和53的頂部各裝有彈性膜44和54，彈性膜44和54上貼有應變片，兩氣室43和53之間接裝有壓差傳感器8。
第二、三兩實施例的操作過程相同，其主要步驟如下1.利用吸液器3將試樣吸入液池4和5，并將兩液池的液位調整一致。
2.關閉閥10和閥26，啟動蠕動泵25，將試樣從一液池抽至另一液池，使二液池間產生壓差。
3.打開閥26，使試樣流過毛細管1，并恢復到原來兩池液位一致的平衡狀態，在此過程中，通過壓差傳感器8或82檢測并記錄兩液池間壓差的變化過程。
第二、三兩實施例的計算方法，基本過程與實施例一相同，可根據所用彈性膜的彈性模量以與前述實施例一類似的推導過程導出，該計算方法已在“臨床血液流變學”上有所發表。
權利要求
1.一種毛細管粘度計，包括毛細管、試樣取樣管、吸樣器、液池、驅動壓發生器、閥和管路、測量裝置和微機，以及管路系統的清洗和干燥裝置，其特征在于所述驅動壓發生器為對稱差動式裝置，毛細管1的一端與取樣管2連通，另一端與吸樣器3連通，在取樣管2和吸樣器3的內側、毛細管1兩端對稱地連接兩液池4和5，兩液池4和5分別與所述差動式驅動壓發生器的兩壓力室6和7相通，所述差動式驅動壓發生器為差動氣容，具有兩氣容室61和71；該差動式驅動壓發生器上裝有壓力傳感器8，傳感器8與微機9相連。
2.如權利要求2所述的毛細管粘度計，其特征在于所述差動式驅動壓發生器為差動氣容，其兩壓力室6和7為兩氣容室61和71。
3.如權利要求2所述的毛細管粘度計，其特征在于所述差動式驅動壓發生器為彈性膜式儲能器，在所述液池4和5上分別設有彈性膜42和52，該彈性膜42和52上貼有應變片;在兩液池42和52之間裝設一蠕動泵25;在毛細管1上，兩液池42和52之間在靠近任一液池的出口處裝設一閥門26;所述連接于兩液池42和52之間的壓差傳感器為液壓傳感器82。
4.如權利要求2所述的毛細管粘度計，其特征在于所述差動式驅動壓發生器為彈性膜和氣容復合式儲能器，在所述兩液池4和5的上端分別連接有氣室43和53，兩氣室43和53的頂部各裝有彈性膜44和54，彈性膜44和54上貼有應變片，兩氣室43和53之間接裝有壓差傳感器8。
5.一種粘度測定方法，其特征在于利用如權利要求1、2、3、4所述的毛細管粘度計測定驅動壓P和流量Q，從而得出被測液體的牛頓表觀粘度η，其步驟為(1)利用吸液器3將試樣吸入液池4和5，并將兩液池的液位調整一致;(2)使差動式驅動壓發生器的兩壓力室6和7內形成壓差P;(3)在所述壓差P的驅動下，試樣流過毛細管1，并恢復到兩液池4和5液位初始的平衡狀態，在此過程中檢測并記錄壓差P的變化;利用下述基本公式進行計算P＝K·△V ……(1) ＝K·Q ……(2)ηan=πR4P8LQ……(3)]]>其中P-壓差傳感器所測壓力值Q-毛細管中的流量K-儲能介質的彈性系數△V-儲能介質的體積變化ηan-被測液體的牛頓表觀粘度R-毛細管半徑L-毛細管長度。
全文摘要
本發明毛細管粘度計，包括毛細管；與該毛細管一端連通的試樣取樣管；與毛細管另一端連通的吸樣器，分別位于毛細管兩端而處于試樣取樣管和吸樣器內側的兩液池；與兩液池相連的差動式驅動壓發生裝置，該裝置可以是差動氣容室，也可是差動式彈性膜儲能器；裝設在該差動式驅動壓發生裝置上的壓差傳感器和與之相連的微機；與毛細管路連接的清洗和干燥裝置；以及使整個粘度計與大氣隔離和進行測定操作的閥門和管路系統。
文檔編號G01N11/08GK1076027SQ9211427
公開日1993年9月8日 申請日期1992年12月14日 優先權日1992年12月14日
發明者陳生, 李鋼 申請人:陳生