專利名稱：一種適用于高壓下及低沸點物質(zhì)液相粘度的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于流體熱物理性質(zhì)測量領(lǐng)域，涉及一種適用于高壓下及低沸點物質(zhì)液相粘度測量的新方法。
背景技術(shù)：
粘度是流體主要的熱物性參數(shù)之一。粘度及其測量在國民經(jīng)濟的許多領(lǐng)域有著較廣泛應(yīng)用，例如在石油、化工、食品、建材、煤炭、冶金、航天、醫(yī)藥等領(lǐng)域中，粘度測量是控制生產(chǎn)流程、保證安全生產(chǎn)、控制與評定產(chǎn)品質(zhì)量、醫(yī)藥診斷及科學(xué)研究的重要手段。根據(jù)不同的測量原理，粘度測量可分為毛細(xì)管法、旋轉(zhuǎn)法、落體法、振動法、平板法、粘度杯法等。
在眾多粘度測量方法中，毛細(xì)管法是工程及實驗研究中廣泛應(yīng)用的一種方法。然而，由于毛細(xì)管粘度測量方法在測量原理及裝置設(shè)計上的不足，使得它在實際應(yīng)用過程中存在許多缺陷，例如1)測量公式需要有針對性的進(jìn)行動能修正、末端修正；2)毛細(xì)管兩端儲液容器液面上存在表面張力，當(dāng)兩液面性質(zhì)不同時，兩液面上表面張力不能相互抵消，影響測量精度；3)一個試驗周期只能完成一個特定剪切率下的粘度值測量，在測量非牛頓流體粘度時，由于非牛頓流體粘度測量需要在不同剪切率下進(jìn)行，因此大大增加試驗強度；4)讀取管道中液柱高度時，多數(shù)是通過人眼進(jìn)行觀察，即使使用了探針傳感器，雖然避免了人眼讀數(shù)的偏差，但是由于探針與液體表面接觸，改變了液面狀況，同樣影響測量精度；5)在測量高分子溶液時，高分子不僅會在毛細(xì)管壁面上吸附，導(dǎo)致有效管徑減小，而且還可以導(dǎo)致毛細(xì)管界面性質(zhì)發(fā)生顯著變化，使測量結(jié)果不準(zhǔn)確。當(dāng)毛細(xì)管管徑過細(xì)時，在測量血液、泥沙懸浮液等流體粘度過程中，會發(fā)生管徑效應(yīng)，也稱∑效應(yīng)。
其他粘度測量方法同樣存在類似的不足，鑒于篇幅原因，此處不作展開說明。
鑒于以上諸多原因，發(fā)展新型粘度測量方法已成為工程上及學(xué)術(shù)界亟待解決的課題。同時，隨著電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，大量電子器件及計算機控制系統(tǒng)逐漸地應(yīng)用到粘度測量系統(tǒng)中來，也為高精度、高效率、高自動化程度的粘度測量方法的發(fā)展提供了必要的前提。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種可有效的避免傳統(tǒng)毛細(xì)管法種種缺陷、測量周期短、測量精度高、測量范圍廣、自動化程度高、適用于高壓下及低沸點物質(zhì)液相粘度測量的新方法。
為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案一種適用于高壓下及低沸點物質(zhì)液相粘度的測量方法，其特征在于，該方法選擇直線狀、內(nèi)徑均勻一致的玻璃管，在該玻璃管內(nèi)置入一定量的待測液體，待測液體在玻璃管中形成一段液柱，該液柱組分物質(zhì)為不可壓縮流體，且該液柱在玻璃管內(nèi)壁上無滑移；液柱內(nèi)部的流動為等溫層流流動，液柱兩端面受到的壓強相等；采用儲液器實現(xiàn)低沸點物質(zhì)和高壓條件下的液體粘度測量；在穩(wěn)定的溫度環(huán)境下使玻璃管傾斜一定角度，當(dāng)液柱沿玻璃管軸向勻速運動時，根據(jù)液柱運動平衡方程即可測出待測液體粘度。
本發(fā)明的傾斜管式粘度測量方法有效地避免了傳統(tǒng)毛細(xì)管粘度計由于計算公式上所作簡化及裝置設(shè)計中的不足而帶來的測量精度不高的缺點。適用于測量常壓及高壓下物質(zhì)的液相粘度，如有機制冷劑等低沸點物質(zhì)、高分子物質(zhì)及其溶液等。該方法具有適用范圍廣、測量周期短、測量精度高、所需待測液體少、測量過程操作簡單、易于實現(xiàn)自動測量等優(yōu)點。


圖1是玻璃管中液柱流動模型圖(管道截面為圓形)；圖中，1為管道半徑R，2為液柱后端面接觸角θc，b，3為積分半徑r，4為參考截而，5為層流邊界層，6為管道傾角α，7為液柱前端面接觸角θc，f。
圖2是傾斜管式粘度測試系統(tǒng)組成示意圖；圖3是粘度測量本體子系統(tǒng)裝置圖；圖中31、充氣閥門(充氣口)，32、注液閥門(注液口)，33、玻璃管位移裝置，34、玻璃管支架，35、有機玻璃恒壓套筒，36、儲液器，37、儲液器充注閥門。
圖4是粘度測量本體子系統(tǒng)設(shè)計圖；圖中41、有機玻璃圓筒，42、注液側(cè)外法蘭，43、玻璃管支架移位側(cè)外法蘭，44、不銹鋼支桿，45、注液側(cè)內(nèi)法蘭，46、玻璃管支架移位內(nèi)法蘭，47、測量用玻璃管，48、細(xì)牙螺桿。
圖5是常壓環(huán)境下測量裝置圖；圖中51、導(dǎo)軌，52、滑塊，53、光電傳感器安裝支架，54、內(nèi)徑均勻已知、直線狀玻璃管。
圖6是傾角控制子系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖；圖中61、高精度立式轉(zhuǎn)臺，62、粘度測量本體，63、轉(zhuǎn)臺支架，64、調(diào)平底腳。
圖7是空氣恒溫子系統(tǒng)示意圖；圖中71、絕熱層，72、循環(huán)風(fēng)道，73、工作腔體，74、外接制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器，75、整流柵，76、加熱器，77、循環(huán)風(fēng)扇及電機，78、接線面板。
圖8是數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)組成示意圖；圖9是測量步驟流程圖；以下結(jié)合附圖和本發(fā)明的技術(shù)原理對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
具體實施例方式
本發(fā)明選擇直線狀、內(nèi)徑均勻一致的玻璃管，在該玻璃管內(nèi)置入一定量待測液體，待測液體在玻璃管中形成一段液柱，該液柱組分物質(zhì)為不可壓縮流體，且該液柱在玻璃管內(nèi)壁上無滑移；液柱內(nèi)部的流動為等溫層流流動，液柱兩端面受到的壓強相等；采用儲液器實現(xiàn)低沸點物質(zhì)和高壓條件下的液體粘度測量；在穩(wěn)定的溫度環(huán)境下使玻璃管傾斜一定角度，當(dāng)液柱沿玻璃管軸向勻速運動時，根據(jù)液柱平衡方程即可測出待測液體的粘度。
內(nèi)容主要包括1.提出了傾斜管式粘度測量方法的測量原理，建立了傾斜管式粘度測量方法的測量公式，建立了該測量公式中待測量參數(shù)的測量方法；2.設(shè)計并建立了傾斜管式物質(zhì)液相粘度測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由四部分組成粘度測量本體子系統(tǒng)、傾角控制子系統(tǒng)、空氣恒溫子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)；3.建立了傾斜管式粘度測量方法的測試流程。
本發(fā)明的物質(zhì)液相粘度的測量方法，具體操作包括以下步驟1)選取測試用玻璃管，此玻璃管性質(zhì)為足夠長、直線狀、內(nèi)徑均勻一致，由于玻璃管內(nèi)徑的大小直接影響待測液體在其內(nèi)部流過過程中兩端面(即彎月面)的形狀，以至影響測量公式的適用性，因此，需要根據(jù)待測液體的粘稠情況，選取玻璃管內(nèi)徑，低粘稠度的液體選用較細(xì)內(nèi)徑的玻璃管，反之則反。
2)對測量本體的儲液器做抽真空處理，然后將待測液體注入儲液器中，開啟儲液器上部的充氣閥門，該充氣閥門與測量本體套筒腔體連通，當(dāng)待測液體為低沸點物質(zhì)時，由于儲液器與套筒內(nèi)存在壓力差，部分待測液體會瞬間氣化，借此對測量本體進(jìn)行升壓，之后打開儲液器下部的注液閥門(該閥門聯(lián)接儲液器與置于套筒腔體玻璃管支架上的玻璃管)，將剩余的待測液注入玻璃管中，形成一段液柱。這里需要說明的是上述升壓過程完成后，測量的是對應(yīng)溫度下待測液體飽和態(tài)的粘度，如需要測量其它壓力下的液體粘度，可通過外接加壓裝置對系統(tǒng)進(jìn)行二次升壓。當(dāng)液柱長度達(dá)到測量要求時，通過調(diào)整玻璃管支架沿玻璃管軸向的位置，使玻璃管與儲液器斷開，使液柱兩端與套筒腔體導(dǎo)通，實現(xiàn)液柱兩端壓力一致。整個測量本體在注入液體前安裝于傾角控制子系統(tǒng)上且調(diào)整至水平位置。
當(dāng)待測物質(zhì)在常溫、常壓下以及整個測量溫度區(qū)間內(nèi)為液態(tài)，并且只在常壓環(huán)境下測量其粘度值時，可采用如圖5所示簡單的粘度測量裝置，該裝置可采用玻璃管直接吸取待測液的方式注液。
3)上述整個粘度測試系統(tǒng)置于空氣恒溫箱體內(nèi)，通過溫控器調(diào)節(jié)測試溫度，通過安裝于玻璃管支架上的鉑電阻溫度傳感器測量玻璃管附近溫度(由于玻璃管內(nèi)液體量較少且玻璃管管壁較薄，可以認(rèn)為該溫度即為玻璃管內(nèi)待測液體溫度)，鉑電阻溫度傳感器與NI-SCXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)聯(lián)接，實現(xiàn)溫度的實時精確采集。待溫度到達(dá)測試溫度且穩(wěn)定后，通過轉(zhuǎn)臺控制器，使玻璃管順時針、逆時針反復(fù)傾斜幾次，讓待測液體在玻璃管內(nèi)反復(fù)流動幾次，目的是使待測液體充分潤濕玻璃管內(nèi)壁，避免測量過程中液柱流態(tài)不穩(wěn)定。
4)液柱能夠形成穩(wěn)定的運動狀態(tài)后，將液柱置于玻璃管的一端，開啟光電傳感器及速度采集系統(tǒng)，然后傾斜玻璃管至一定的傾角，液柱在玻璃管內(nèi)開始運動并在運動一段較小的距離后，達(dá)到勻速運動，通過光電傳感器、NI-SCXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及自行編制的軟件，采集液柱勻速運動的速度。改變玻璃管傾角，測量不同傾角下，液柱勻速運動的速度，得到一組對應(yīng)的玻璃管傾角與液柱勻速運動速度的數(shù)據(jù)。至此，數(shù)據(jù)采集工作完成。
5)采用最小二乘法繪制液柱勻速運動速度與玻璃管傾角之間的關(guān)系曲線，該曲線為一條一次函數(shù)直線，取得該直線的斜率值，代入測量公式即可得到待測液體的粘度值。
至此，整個測量過程完畢，得到了指定溫度壓力下待測液體的粘度。
以下結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明如圖1所示，圖1是細(xì)管道中液柱流動模型圖(管道截而為圓形)；本發(fā)明從傾斜一定角度的細(xì)管道中一段液柱的流動問題入手(這段液柱兩端壓差為零，在自身重力的作用下沿管道軸向勻速流動)，以納維-斯托克斯方程為基礎(chǔ)，依據(jù)泊肅葉管道層流流動模型，給出了這段液柱的流動方程，在此方程的基礎(chǔ)上提出了一種新的粘度測量方法，同時給出了此種方法的測量公式、測量系統(tǒng)組成示意圖、測量本體子系統(tǒng)裝置圖及設(shè)計圖、傾角控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、空氣恒溫子系統(tǒng)示意圖、數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)組成示意圖以及測量步驟流程圖等。
本發(fā)明的基本思想如下一、測量公式推導(dǎo)1、物理模型建立a)在傾斜一定角度的細(xì)管道中一段液柱沿細(xì)管道軸向勻速運動(如附圖1所示)；b)液柱內(nèi)部流體的流動為充分發(fā)展的等溫層流流動；c)這段液柱兩端受到的壓強相等；c)液柱組分物質(zhì)為不可壓縮流體；d)流體在管內(nèi)壁處無滑移；e)所采用的細(xì)管道足夠長、直線狀、內(nèi)徑均勻一致。
2、液柱受力分析運動過程中，液柱在其運動方向上受到四個力的作用①自身重力沿管道軸向的分力；②液柱前端面上的表面張力；③液柱后端面上的表面張力；④液柱自身的粘滯阻力。
3、液柱運動方程建立當(dāng)液柱勻速的在管道中運動時，上述四個力達(dá)到平衡。依據(jù)此受力分析，建立液柱勻速運動時的平衡方程πr2lρgsinα+2πRγ(cosθc,b-cosθc,f)πR2πr2=2πrlτ---(1)]]>式中τ為待測液體所受剪切應(yīng)力，N·mm2；ρ為待測液體密度，g/mm-3；α為細(xì)管道與水平方向的夾角(簡稱細(xì)管道傾角)，R為細(xì)管道內(nèi)徑，mm；γ為液體的表面張力，N/mm；θc，b為液柱后端面接觸角，°；θc，f為液柱前端而接觸角，°；l為液柱長度，mm；r為積分半徑，mm。
式(1)中2πrlτ表示液柱自身的粘滯阻力；πr2lgρsinα表示液柱自身重力沿管道軸向的下滑分力；2πRγ(cosθc，b-cosθc，f)πr2/πR2表示液柱兩端面上表面張力共同作用形成的合力，表現(xiàn)為壓力，該項是運用表面能方程推導(dǎo)得到。
式(1)既適用于牛頓流體也適用于非牛頓流體。
對于牛頓流體，根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，式(1)可寫為πr2lρgsinα+2πRγ(cosθcb-cosθcf)πR2πr2=-2πrlηdudr---(2)]]>通過一系列轉(zhuǎn)化，可得出液柱組分流體的動力粘度η的表達(dá)式為η=ρgsinαR28u02γ(cosθcb-cosθcf)R8lu0---(3)]]>對以上公式(3)進(jìn)行分析，表面張力影響項中，即2γ(cosθc，b-cosθc，f)/l中，γ、θc，b、θc，f三個量均為未知量，確定起來較為困難，因此采用一定方法對其進(jìn)行簡化。利用高精度CCD圖像傳感器拍攝液柱穩(wěn)定流動時的前后兩個端面的圖像，觀察可得，當(dāng)液柱流速較小時，前后兩個端面形狀近似一致且隨流速變化端面形狀變化較小，可近似認(rèn)為液柱前后兩端面表面張力近似相等，又因為式(3)中右邊第一項計算數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第二項，故第二項即表面張力影響項可近似認(rèn)為是一常數(shù)。
在以上分析的基礎(chǔ)上，設(shè)
k1=ρgR28η,]]>k2=2γ(cosθcb-cosθcf)R8lη]]>式(3)可轉(zhuǎn)化為u0＝k1sinα+k2(4)由式(4)可知，只要在一系列傾角α下測得液柱勻速運動時的速度u0即可通過最小二乘法線性擬合得出k1的值，進(jìn)而得到待測液體動力粘度η或運動粘度v；建立牛頓流體測量公式如表1中所示，其中下標(biāo)s表示標(biāo)準(zhǔn)液。
表1 牛頓流體粘度測量公式

以上四個方程式中，前兩個為絕對測量法用公式，后兩個為相對測量法用公式。當(dāng)采用絕對測量法時，表1中公式顯示，在細(xì)管道內(nèi)徑R已知的前提下，只需通過測量得到一組對應(yīng)的細(xì)管道傾角值α與液柱勻速運動的速度值u0即可得到待測液體的粘度值；當(dāng)采用相對測量法時，表1中公式顯示，需要事先測量得到已知粘度的標(biāo)準(zhǔn)液的k1s值，然后采用相同的細(xì)管道測量得到待測液體的k1值，代入公式即可得到待測液體的粘度值。這里需要說明的是，當(dāng)測量待測液體動力粘度時，需要已知待測液體對應(yīng)于測量點溫度、壓力下的密度值，如采用相對測量法，還需已知標(biāo)準(zhǔn)液體相應(yīng)的密度值。
二、測量系統(tǒng)傾斜管式粘度測量系統(tǒng)組成如圖2所示，該測量系統(tǒng)由粘度測量本體子系統(tǒng)、傾角控制子系統(tǒng)、空氣恒溫子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)四部分組成。粘度測量本體子系統(tǒng)圖3、4是粘度測量本體子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及工程設(shè)計圖。該子系統(tǒng)主要包括，有機玻璃恒壓套筒35，有機玻璃恒壓套筒35內(nèi)有玻璃管支架34，有機玻璃圓筒41一端的注液側(cè)外法蘭42上聯(lián)接有充氣閥門31、注液閥門32，另一端的玻璃管支架移位側(cè)外法蘭43上聯(lián)接有玻璃管移位裝置33。其中有機玻璃恒壓套筒35由壁厚為15mm的有機玻璃圓筒41、注液側(cè)外法蘭42和玻璃管支架移位側(cè)外法蘭43組成，三個部件配合使有機玻璃圓筒內(nèi)41形成一個密閉的圓柱形空間，即工作腔體；玻璃管支架由4根不銹鋼支桿44、兩端聯(lián)接注液側(cè)內(nèi)法蘭45和璃管支架移位內(nèi)法蘭46以及光電傳感器安裝支架等部件組成，測量用玻璃管47架構(gòu)在玻璃管支架上，光電傳感器支架套裝在支桿44上，且光電傳感器支架之間用一細(xì)牙螺桿48串聯(lián)，借此可通過數(shù)字游標(biāo)卡尺實現(xiàn)光電傳感器支架之間距離的精確定位，即實現(xiàn)光電傳感器在玻璃管軸向的精確布置；充氣閥門31、注液閥門32與儲液器36聯(lián)接，儲液器36用以儲存待測液體，通過充氣閥門31、注液閥門32實現(xiàn)待測液體的充注；玻璃管支架移位裝置33用以實現(xiàn)玻璃管在工作腔體內(nèi)沿玻璃管軸向的位置變化，進(jìn)而實現(xiàn)玻璃管進(jìn)液端與注液側(cè)內(nèi)法蘭45上進(jìn)液孔的通斷，這種設(shè)計可以有效的控制玻璃管內(nèi)待測液體的充灌量。
當(dāng)待測物質(zhì)在常溫、常壓下以及整個測量溫度區(qū)間內(nèi)為液態(tài)，并且只在常壓環(huán)境下測量其粘度值時，可采用如圖5所示粘度測量裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單且充注待測液體方便。
圖5是常壓環(huán)境下粘度測量裝置結(jié)構(gòu)圖，該測量裝置主要由導(dǎo)軌51、滑塊52、光電傳感器安裝支架53、內(nèi)徑均勻已知直線狀玻璃管54等組成?；瑝K52安裝于導(dǎo)軌51上，可通過數(shù)字游標(biāo)卡尺實現(xiàn)沿導(dǎo)軌51長度方向上相鄰滑塊52間的精確定位，即實現(xiàn)安裝于滑塊52上的光電傳感器安裝支架53的精確定位，進(jìn)而完成光電傳感器組沿玻璃管軸向的精確定位。內(nèi)徑均勻已知、直線狀玻璃管54沿導(dǎo)軌長度方向平行于導(dǎo)軌平而安裝。
傾角控制轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)圖6是傾角控制子系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖。傾角控制子系統(tǒng)主要由高精度立式轉(zhuǎn)臺61、粘度測量本體安裝板62、轉(zhuǎn)臺支架結(jié)構(gòu)體63、調(diào)平底腳64等部件組成。粘度測量本體安裝于傾角控制子系統(tǒng)上，通過轉(zhuǎn)臺控制器調(diào)節(jié)粘度測量本體子系統(tǒng)傾角，即粘度測量本體子系統(tǒng)內(nèi)玻璃管傾角。因為玻璃管傾角是該方法測量公式中一個非常重要的待測參數(shù)，所以設(shè)計傾角控制子系統(tǒng)的目的即為玻璃管提供精確、已知、可調(diào)的傾角。
空氣恒溫子系統(tǒng)為了使實驗在穩(wěn)定的溫度環(huán)境下進(jìn)行，設(shè)計了如圖7所示的空氣恒溫子系統(tǒng)。整個空氣恒溫子系統(tǒng)由恒溫箱本體、循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)、加熱及溫度控制系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)(LABVIEW計算機語言編程實現(xiàn))等部件組成，其中制冷系統(tǒng)為外接系統(tǒng)，只有蒸發(fā)器放置于恒溫箱體的循環(huán)風(fēng)道內(nèi)。粘度測試系統(tǒng)(安裝于傾角控制子系統(tǒng)上的粘度測量本體子系統(tǒng))放置于恒溫腔體中，通過空氣循環(huán)系統(tǒng)及溫度控制器實現(xiàn)箱體內(nèi)溫度的恒定。由于空氣比熱容較小，箱體內(nèi)溫度的穩(wěn)定性及空間分布均勻性控制難度較大，目前箱體內(nèi)控溫精度為±0.5℃，不同位置最大溫差為0.5℃，已滿足物質(zhì)粘度測量過程中對溫度的要求。
數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)圖8為數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)組成示意圖，該子系統(tǒng)主要由SCXI-1000型通用機箱、SCXI-1102信號調(diào)理模塊、SCXI-1581模擬輸出模塊、PCI-6221數(shù)據(jù)采集模塊、光纖型光電傳感器、溫度(Pt100)及壓力傳感器、計算機等部件組成。SCXI-1102、SCXI-1581等模塊及其相應(yīng)的接線端子安裝與SCXI-1000型通用機箱內(nèi)，其中SCXI-1102模塊為信號調(diào)理模塊，實現(xiàn)對信號的濾波放大處理，SCXI-1581模塊為高精度恒流源，為溫度、壓力傳感器提供100μA的恒定電流，與SCXI-1102配合使用，實現(xiàn)溫度、壓力采集，恒流源為光電傳感器提供10～15V的穩(wěn)定電壓，PCI-6221數(shù)據(jù)采集模塊安裝于計算機內(nèi)，實現(xiàn)計算機對該采集系統(tǒng)的輸入、輸出控制，溫度、壓力傳感器及光電傳感器放大器與相應(yīng)的接線端子聯(lián)接，實現(xiàn)對其信號的采集。
本發(fā)明采用采用本領(lǐng)域熟知的LABVIEW計算機語言編制的速度測量程序及溫度測量程序。速度測量程序主要由兩部分組成數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理計算部分。數(shù)據(jù)采集部分主要是通過采集光電傳感器信號，實現(xiàn)對液柱流過相鄰兩個光電傳感器時間差的測量；數(shù)據(jù)處理計算部分主要完成液柱流過相鄰兩個光電傳感器間的平均速度的計算；溫度測量程序通過對SCXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度信號的實時、精確采集。
三、測量具體實施步驟圖9為測量過程流程圖。在進(jìn)行實驗之前，根據(jù)待測液粘稠情況選擇不同內(nèi)徑的玻璃管，同時初步確定取待測液的量。在測量高分子溶液粘度時，還需要根據(jù)溶液性質(zhì)，選取不同材質(zhì)的細(xì)管道，這樣可以避免高分子在玻璃管內(nèi)壁上的吸附現(xiàn)象發(fā)生。在測量透明液體粘度時，為了便于觀察，還可以事先給液體進(jìn)行輕微染色處理。選取測量本體后，將整個裝置置于加壓裝置或常壓裝置內(nèi)，安裝玻璃管并調(diào)整其水平，進(jìn)行注液，具體操作前面已經(jīng)詳細(xì)說明，此處不做具體說明。安裝、注液完畢后，將玻璃管置于恒溫腔體內(nèi)，設(shè)定溫度，當(dāng)鉑電阻溫度傳感器溫度顯示得到設(shè)定溫度且穩(wěn)定后，使待測液體充分潤濕玻璃管內(nèi)壁，開啟數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進(jìn)行實驗。采集數(shù)據(jù)完成后，通過自行編制的軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，最終得到待測液體的粘度值。
權(quán)利要求
1.一種適用于高壓下及低沸點物質(zhì)液相粘度的測量方法，其特征在于，該方法選擇直線狀、內(nèi)徑均勻一致的玻璃管，在該玻璃管內(nèi)置入一定量待測液體，待測液體在玻璃管中形成一段液柱，該液柱組分物質(zhì)為不可壓縮流體，且該液柱在玻璃管內(nèi)壁上無滑移；液柱內(nèi)部的流動為等溫層流流動，液柱兩端面受到的壓強相等；采用儲液器實現(xiàn)低沸點物質(zhì)和高壓條件下的液體粘度測量；在穩(wěn)定的溫度環(huán)境下使玻璃管傾斜一定角度，當(dāng)液柱沿玻璃管軸向勻速運動時，根據(jù)液柱運動平衡方程即可測出待測液體的粘度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的液柱運動平衡方程為πr2lρgsinα+2πRγ(cosθc,b-cosθc,f)πR2πr2=2πrlτ---(1)]]>式中τ為待測液體所受剪切應(yīng)力，ρ為待測液體密度，α為細(xì)管道與水平方向的夾角，R為細(xì)管道內(nèi)徑，γ為液體表面張力，θc，b為液柱后端面接觸角，θc，f為液柱前端面接觸角，l為液柱長度，r為積分半徑，g為重力加速度；其中2πrlτ表示液柱自身的粘滯阻力；πr2lgρsinα表示液柱自身重力沿管道軸向的下滑分力；2πRγ(cosθc，b-cosθc，f)πr2/πR2表示液柱兩端面上表面張力共同作用形成的合力；對于牛頓流體，根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，式(1)可寫為πr2lρgsinα+2πRγ(cosθc,b-cosθc,f)πR2πr2=-2πrlηdudr---(2)]]>通過一系列轉(zhuǎn)化，可得出液柱的動力粘度η的表達(dá)式為η=ρgsinαR28u0+2γ(cosθc,b-cosθc,f)R8lu0---(3)]]>對式(3)進(jìn)行簡化；簡化方法是利用高精度CCD圖像傳感器拍攝液柱穩(wěn)定流動時的前后兩個端面的圖像，當(dāng)液柱流速較小時，前后兩個端而形狀近似一致且隨流速變化端面形狀變化較小，可近似認(rèn)為液柱前后兩端而表而張力近似相等，又因式(3)中右邊第一項計算數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第二項，故第二項即表面張力影響項可近似認(rèn)為是一常數(shù)；設(shè)、k1=ρgR28η]]>、k2=2γ(cosθc,b-cosθc,f)R8lη,]]>式(3)可轉(zhuǎn)化為u0＝k1sinα+k2(4)由式(4)可知，只要在一系列傾角α下測得液柱勻速運動時的速度即可通過最小二乘法線性擬合得出k1的值，進(jìn)而得到液體的動力粘度η或運動粘度v的絕對測量公式和相對測量公式；絕對測量公式動力粘度η=ρgR28k1;]]>運動粘度v=gR28k1;]]>采用絕對測量法時，在玻璃管內(nèi)徑R已知的前提下，只需通過測量得到一組對應(yīng)的玻璃管傾角值α與液柱勻速運動的速度值u0即可通過最小二乘法線性擬合得到k1的值，進(jìn)而得到待測液體的粘度值；相對測量公式動力粘度η=ρk1sρsk1ηs;]]>運動粘度v=k1sk1vs]]>當(dāng)采用相對測量法時，需要事先測量得到已知粘度的標(biāo)準(zhǔn)液的k1s值，然后采用相同的細(xì)管道測量得到待測液體的k1值，代入公式即可得到待測液體的粘度值；當(dāng)測量待測液體動力粘度時，需要已知待測液體對應(yīng)于測量點溫度、壓力下的密度值，如采用相對測量法，還需已知標(biāo)準(zhǔn)液體相應(yīng)的密度值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于高壓下及低沸點物質(zhì)液相粘度的測量方法，該方法選擇直線狀、內(nèi)徑均勻一致的玻璃管，在該玻璃管內(nèi)置入一定量待測液體，待測液體在玻璃管中形成一段液柱，該液柱組分物質(zhì)為不可壓縮流體，且該液柱在玻璃管內(nèi)壁上無滑移；液柱內(nèi)部的流動為等溫層流流動，液柱兩端面受到的壓強相等；采用儲液器實現(xiàn)低沸點物質(zhì)和高壓條件下的液體粘度測量；在穩(wěn)定的溫度環(huán)境下使玻璃管傾斜一定角度，當(dāng)液柱沿玻璃管軸向勻速運動時，根據(jù)液柱運動平衡方程即可測出待測液體的粘度。該方法適用于測量常壓及高壓下物質(zhì)的液相粘度，適用范圍廣、測量周期短、測量精度高、所需待測液體少、測量過程操作簡單、易于實現(xiàn)自動測量等優(yōu)點。
文檔編號G06F19/00GK101086472SQ20061010525
公開日2007年12月12日 申請日期2006年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月22日
發(fā)明者何茂剛, 張穎 申請人:西安交通大學(xué)