CN101221113A - 一种适用于强迫共振法的液体粘度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于强迫共振法的液体粘度测量方法，通过测量设备测量液体的速率共振曲线，再根据速率共振曲线计算出液体的粘度复阻抗，最后根据粘度复阻抗计算出液体的粘度。本发明克服了现有技术复阻抗与测量测量频率基本无关的这种技术偏见，避免了阻抗频率效应对测量的影响。当被测液体的粘度大于200毫帕秒时，用本发明所提供的方法所得的液体粘度测量结果的精度可优于3％，其精度比传统方法提高了10倍。

Description

一种适用于强迫共振法的液体粘度测量方法

技术领域

本发明属于液体粘度测量领域，特别是涉及一种适用于强迫共振法的液体粘度测量方法。

技术背景

复杂流体的流变性质、特别是粘度，对复杂流体的生产、储运及使用都十分重要。测量粘度的方法除经典的毛细管法外，主要有旋转法(利用旋转液体对圆筒、圆板或圆锥形内筒产生的扭矩来计算粘度)，重力法(从液体中重物的下降速度来计算液体粘度)，平动法(利用流动液体对带形板、滑板、倾斜板的阻尼力)以及振动法和光干涉法(主要用于高压等特殊条件下液体粘度的测量)。

目前使用最多的方法为振动法，它是通过测量粘液复阻抗的实部R和虚部X，由(1)式计算出粘液的粘度

${\mathrm{\η}}_s=\frac{2{\left(R_{\mathrm{pl}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}{\left(X_{\mathrm{pl}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}\mathrm{\ρ}}---\left(1\right)$

在(1)式中，ρ为液体的密度，ω_rl为加入液体后的共振频率，(R_pl)_ωri和(X_pl)_ωrl为该处的阻抗实部及阻抗虚部，它们由(2)式及(3)式，从测量仪器空载(空气或真空)时的系统共振频率ω_rair、共振曲线的半高宽Δω_air以及放入粘液后的共振频率ω_rl、共振曲线的半高宽Δω_l按(2)和(3)式求得。

${{\left(X_{\mathrm{pl}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}}^M=A_1({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rair}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}})---\left(2\right)$

${{\left(R_{\mathrm{pl}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}}^M=A_2({\mathrm{\Δ\ω}}_l-{\mathrm{\Δ\ω}}_{\mathrm{air}})---\left(3\right)$

其中的A₁和A₂是测量仪器常数。

现有的振动法主要应用于高频范围(MHz)对粘度低的液体的测量，粘度越小，测量频率越高，其测量精度越高。例如，当粘度低于150毫帕秒时，测量精度的误差可达10％以内；粘度更低时，精度误差还可减少至5％以内。但是，当粘度较大时，其测量误差随被测液体的粘度增大而增大，当粘度大于500毫帕秒时，粘度的测量误差可达30％。这是由于现有技术在推导(2)式及(3)式时，作了复阻抗与测量频率基本无关的假定，认为其实部R和虚部X在共振峰处和半高宽处的数值近似相等。而低粘度液体的共振峰的半高宽频区所覆盖的频率范围很小，上述假定基本成立，测量的误差也较小，所以它适合于低粘度液体粘度的测量。

当被测液体的粘度越来越大时，其共振峰的半高宽频区所覆盖的频率范围越来越大，随着被测液体粘度的增大，“复阻抗与测量测量频率基本无关”这一假定与实际结果的偏差也越来越大，因此所得粘度的误差就增大；所以，用这一方法来测量大粘度是明显不合适的。尤其是在低频范围对大粘度液体的测量，测量误差更大。

附图2给出了不同粘度和密度的牛顿液体的阻抗频率效应，下表也列出了对应的牛顿液体的性质。

Samples(at the room temperature)	ρ(103kg/m3)	ηs(m.Pa.s)
			HexaneWaterCarbon tetra chloride1-butanolDibutylphthalateDi-(ethyl hexyl)phthalate	0.6530.9971.5810.8071.0400.978	0.2940.8900.9052.6016.258.0

Polyethyleneglycol(E400)Linear PDMS melt (47V300)Linear PDMS melt (47V500)Silicone oil Ms 200/1000cs

1.1230.9710.9710.965

98.0290.0471.0898.0

从中可知，测量液体粘度越大，密度越大，阻抗的频率效应越明显。因此，当复阻抗与测量测量频率有关时，这一假定所导致的误差就越来越大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于强迫共振法的液体粘度测量方法，采用该方法来测量粘液的大粘度(在小于100Hz测量频率范围内)，仍可使被测粘液的粘度测量精度大为提高。

为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下：

一种适用于强迫共振法的液体粘度测量方法，通过测量设备测量液体的速率共振曲线，再根据速率共振曲线计算出液体的粘度复阻抗，最后根据粘度复阻抗计算出液体的粘度。

上述技术方案中，所述计算液体粘度复阻抗具体实现如下：

通过液体的速率共振曲线获得参数ω_rair、ω_rl、ω_rair(θ_0air)_ωrair、ω_rl(θ_0l)_ωrl，并通过 ${\left(X_{\mathrm{pl}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}=A_3\frac{{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rair}}}^2-{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}^2}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}$ 计算出粘度复阻抗的虚部，以及通过 ${\left(R_{\mathrm{pl}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}=E_3(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}{\left({\mathrm{\θ}}_{0l}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}}-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rair}}{\left({\mathrm{\θ}}_{0\mathrm{air}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rair}}}})$ 计算出粘度复阻抗的实部，此处ω_rair是测量设备在真空或空气中的共振频率，ω_rl是测量设备加入测试液体的共振频率，ω_rair(θ_0air)_ωrair和ω_rl(θ_0l)_ωrl是测量设备在空气和液体中的最大切变速率，A₃和E₃为常数。

所述液体粘度的计算过程通过 ${\mathrm{\η}}_s=\frac{2{\left(R_{\mathrm{pl}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}{\left(X_{\mathrm{pl}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}\mathrm{\ρ}}$ 实现，其中，ρ为液体的密度，ω_rl，为测量设备加入液体后的共振频率，(R_pl)_ωri和(X_pl)_ωrl为液体粘度复阻抗实部及虚部。

所述测量设备的速率共振曲线包括测量设备在真空或空气中以及加入液体时的相角移动-测量频率曲线和切变速率-测量频率曲线，所述ω_rair、ω_rl通过相角移动-测量频率曲线获得，所述ω_rair，(θ_0air)_ωrair、ω_rl(θ_0l)_ωrl通过切变速率-测量频率曲线获得。

所述测量设备采用扭摆型粘度共振仪。特别是可采用发明人已获得专利的专利号为00114131.7的“一种液体膜的切变波共振吸收谱仪”。

本发明的测量方法与现有的振动法有很大的差别，现有是在假设 ${\left(R\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{-}}\≈{\left(R\right)}_{{\mathrm{\ω}}_r}\≈{\left(R\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{+}}$ 和 ${\left(X\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{-}}\≈{\left(X\right)}_{{\mathrm{\ω}}_r}\≈{\left(X\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{+}},$ 即R和X与频率无关的假定基础上得到的，而本发明克服了这种技术偏见，避免了阻抗频率效应对测量的影响。附图5给出了本发明与传统方法所得的结果对比。由图5可见，当被测液体的粘度大于200毫帕秒时，用本发明所提供的方法所得的液体粘度测量结果的精度可优于3％，其精度比传统方法提高了10倍。

采用本发明所提供的方法来测量粘液的大粘度(在小于100Hz测量频率范围内)，即使用类似的扭摆型粘度共振法，仍可使被测粘液的粘度测量精度大为提高。例如，当液体的粘度大于200毫帕秒时，粘度的测量误差可小于3％。因此将大粘度的测量精度提高了十倍。

附图说明

图1为实施本发明的扭摆型粘度共振测量仪结构示意图；

图2为不同粘度和密度的牛顿液体的阻抗频率效应图；

图3为采用图1所示扭摆型粘度共振测量仪所测得的空载、加入去离子纯水以及不同浓度甘油-水溶液的相角移动-测量频率曲线，其中各曲线与＝90°水平线的交点就是系统的共振频率ω_rair或ω_rl；

图4为采用图1所示扭摆型粘度共振测量仪所测得的空载、加入去离子纯水以及不同浓度甘油-水溶液的切变速率-测量频率曲线，各曲线的峰值就是ω_rair(θ_0air)_ωrair和ω_rl(θ_0l)_ωrl值；

图5为本发明与现有振动法测量的结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

实施本发明的测量设备，即扭摆型粘度共振测量仪的结构如附图1所示，包括扭丝1、固定夹头2、转动夹头与扭摆杆3、尼龙线4、平衡砝码5、驱动线圈对6、永久磁铁7、光源及光准直管8、底座和支架9、差分光电池10、反射镜11、转轮12、热电偶13、倒置转杯14、被测液体及盛液杯15、控温水浴池16、保温泡沫塑料盖17。

扭摆型粘度共振测量仪的工作过程：

(1)、定标：通过测量标准样品(例如水，硅油，甘油等)的粘度来确定测量仪器参数；

(2)、测量空载时的频率谱，包括相角移动-测量频率曲线和切变速率-测量频率曲线；

(3)、将保温泡沫塑料盖打开，加入一定量的测量液体，然后测量频率谱；

(4)、数据处理：由(3)和(4)步骤测量的实验数据得到ω_rair、ω_rl、ω_rair(θ_0air)_ωrair和ω_rl(θ_0l)_ωrl的数据，然后计算得到液体的粘度。

利用扭摆型粘度共振测量仪测量出液体的速率共振曲线，按如下公式(4)和(5)计算加入液体前后的共振频率ω_rair、ω_rl处的阻抗实部(R_pl)_ωri以及阻抗虚部(X_pl)_ωrl，此处ω_rair是在真空或空气中的系统共振角频率，ω_rair(θ_0air)_ωrair和ω_rl(θ_0l)_ωrl是扭摆系统在空气和液体中的最大切应变速率，A₃和E₃为仪器常数。

${\left(X_{\mathrm{pl}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}=A_3\frac{{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rair}}}^2-{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}^2}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}---\left(4\right)$

${\left(R_{\mathrm{pl}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}=E_3(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}{\left({\mathrm{\θ}}_{0l}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}}-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rair}}{\left({\mathrm{\θ}}_{0\mathrm{air}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rair}}}})---\left(5\right)$

将所得阻抗实部(R_pl)_ωri以及阻抗虚部(X_pl)_ωrl代入(1)式即可计算出被测液体的粘度：

${\mathrm{\η}}_s=\frac{2{\left(R_{\mathrm{pl}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}{\left(X_{\mathrm{pl}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}\mathrm{\ρ}}---\left(1\right)$

利用扭摆型粘度共振测量仪测量出液体的速率共振曲线包括附图3所示测得的空载、加入去离子纯水以及不同浓度甘油-水溶液的相角移动-测量频率曲线，其中各曲线与＝90°水平线的交点就是系统的共振频率ω_rair或ω_rl。

利用扭摆型粘度共振测量仪测量出液体的速率共振曲线还包括附图4所示测得的空载、加入去离子纯水以及不同浓度甘油-水溶液的切变速率-测量频率曲线，各曲线的峰值就是ω_rair(θ_0air)_ωrair和ω_rl(θ_0l)_ωrl值。

本发明与现有方法的对比如附图5所示，用现有方法测得的Δ以及用本专利方法测得的×实验结果与理论值的相对误差理论粘度曲线。可见当被测液体的粘度大于200毫帕秒时，本发明所得的液体粘度测量结果的精度可优于3％。

Claims (5)

1.一种适用于强迫共振法的液体粘度测量方法，其特征在于通过测量设备测量液体的速率共振曲线，再根据速率共振曲线计算出液体的粘度复阻抗，最后根据粘度复阻抗计算出液体的粘度。

2.根据权利要求1所述的适用于强迫共振法的液体粘度测量方法，其特征在于所述计算液体粘度复阻抗具体实现如下：

通过液体的速率共振曲线获得参数ω_rair、ω_rl、ω_rair(θ_0air)_ωrair、ω_rl(θ_0l)_ωrl，并通过 ${\left(X_{\mathrm{pl}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}=A_3\frac{{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rair}}}^2-{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}^2}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}$ 计算出粘度复阻抗的虚部，以及通过 ${\left(R_{\mathrm{pl}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}=E_3(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}{\left({\mathrm{\θ}}_{0l}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}}-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rair}}{\left({\mathrm{\θ}}_{0\mathrm{air}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rair}}}})$ 计算出粘度复阻抗的实部，此处ω_rair是测量设备在真空或空气中的共振频率，ω_rl是测量设备加入测试液体的共振频率，ω_rair(θ_0air)_ωrair和ω_rl(θ_0l)_ωrl分别是测量设备在空气和液体中的最大切变速率，A₃和E₃为常数。

3.根据权利要求1或2所述的适用于强迫共振法的液体粘度测量方法，其特征在于所述液体粘度的计算过程通过 ${\mathrm{\η}}_s=\frac{2{\left(R_{\mathrm{pl}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}{\left(X_{\mathrm{pl}}\right)}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rl}}\mathrm{\ρ}}$ 实现，其中，ρ为液体的密度，ω_rl为测量设备加入液体后的共振频率，(R_pl)_ωri和(X_pl)_ωrl为液体粘度复阻抗实部及虚部。

4.根据权利要求3所述的适用于强迫共振法的液体粘度测量方法，其特征在于所述测量设备的速率共振曲线包括测量设备在真空或空气中以及加入液体时的相角移动-测量频率曲线和切变速率-测量频率曲线，所述ω_rair、ω_rl通过相角移动-测量频率曲线获得，所述ω_rair(θ_0air)_ωrair、ω_rl(θ_0l)_ωrl通过切变速率-测量频率曲线获得。

5.根据权利要求4所述的适用于强迫共振法的液体粘度测量方法，其特征在于所述测量设备采用扭摆型粘度共振仪。

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