CN102768169B - 一种利用微通道压力降测量牛顿流体粘度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于泊肃叶定理提供一种牛顿流体粘度的测算方法，测量步骤为：将毛细管盘管及一直微通道串接并置于恒温槽内，液体通过泵注入盘管后进入0.1～1mm微通道中，以传感器测量已知粘度流体A及待测流体B在微通道内两定点间的压力降，按本发明比值算法公式获得待测流体B的粘度，其中，μ为粘度，ΔP为压力降，U为牛顿流体在直微通道内的线速度，i为流速改变的次数，

Description

一种利用微通道压力降测量牛顿流体粘度的方法

技术领域

本发明涉及牛顿流体粘度的获得方法，具体涉及通过测定已知粘度和未知粘度牛顿流体流过微通道两定点间的压力降值，采取比值算法推算牛顿流体粘度的方法。

背景技术

目前测定牛顿流体粘度的商品化仪器，包括旋转粘度计、毛细管粘度计、落球粘度计等。旋转粘度计应用广泛，其基本原理为当圆柱、圆盘等轴对称物体在液体中转动时，液体作用于其表面的剪切力将形成摩擦力矩，根据力矩的大小即可测量出液体的粘度。旋转粘度计法测量精度高、重复性好、操作简单，然而，此方法在测量粘度较高的液体时通常耗时很长，以达到稳定的温度状态。

毛细管粘度计的基本原理基于泊肃叶定理：用已知运动粘度的某种流体作为标准流体，流过已知内径和长度的毛细管(通常采用L型检测管)，以金属丝为电开关检测标准流体流经毛细管所需的时间，从而求得粘度计常数(即标准流体运动粘度与测得时间的比值)，再在相同的温度和压力条件下测得待测流体通过毛细管所需的时间，则被测流体的运动粘度即为测得时间与粘度计常数的乘积，日本生产的VMS系列和德国LAU-DA公司生产的PVS系列，都是根据这一原理设计制作的自动毛细管粘度计。此类仪器金属丝与液面接触部分不易立即断开，时间测量误差较大。

中国专利88217310.3公开了一种红外毛细管粘度计，采用红外传感器替代水银压差部件，并用电子秒表替代计时电路，干电池供电，此仪器结构简单、耗电量小。

Guillot等(Langmuir，2006(22)：6438-6445)利用高速摄像系统确定T-型微通道内油-水两相形成稳定并流时两相界面的位置，然后根据流体连续性方程推导出两相粘度与界面位置的关系，通过其中一相的已知粘度即可计算出另一相的粘度，与文献值相比，粘度测量的相对偏差在1～10％之间。Lan等(Microfluid Nanofluid，2010(8)：687-693)采用同心共轴式微通道，利用类似的方法确定待测体系的粘度，粘度的测量值在0.6～40mPa·s，相对偏差±10％。微通道油-水两相界面法能够实现粘度的快速测量，待测样品用量少。此方法采用可视材料为基体，微通道内流体温度控制受限，较难测量流体粘度随温度的变化，公知的是，当温度偏差为0.5℃时，有些液体的粘度偏差超过5％，所以被测流体的温度控制精度一般不超过0.1℃。

发明内容

本发明的目的是提供一种牛顿流体粘度的简约、精确测算方法，为此，基于层流流动的泊肃叶(Poiseuille)定律，利用传感器测量流体流过微通道内两定点间的压力降，来测算流体的粘度值，实现流体粘度的快速测量。

本发明技术方案如下：

一种利用微通道压力降测量牛顿流体粘度的方法，将已知粘度流体A及待测流体B分别独立先后流过一恒温毛细管盘管、和一直微通道，测量流过该直微通道内两定点间的已知粘度流体A及待测流体B的压力降，相应的流速由计量泵读出，按比值算法公式：

${\mathrm{\μ}}_B={\mathrm{\μ}}_A\left(\frac{{\mathrm{\ΔP}}_B}{U_B}\right)/\left(\frac{{\mathrm{\ΔP}}_A}{U_A}\right)={\mathrm{\μ}}_A\left(\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{Bi}}}{\mathrm{\Σ}{U}_{\mathrm{Bi}}}\right)/\left(\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{Ai}}}{\mathrm{\Σ}{U}_{\mathrm{Bi}}}\right)$

计算得待测流体B的粘度，其中，μ为粘度，ΔP为压力降，U为牛顿流体在直微通道内的线速度，i为实验点数，为不同实验点下压力降与流速的统计学线性值。

所述直微通道是指当量直径为0.1～1mm的微型直通道，通道截面可为方形或圆形；恒温毛细管盘管是指以盘绕的方式排布的内径为0.1～3mm的圆形细管。

ΔP可通过压力传感器测量，U可通过计量泵计量或经称量法计算。

所述毛细管盘管和直微通道置于一恒温槽、恒温箱或恒温浴内，毛细管盘管与直微通道按前后顺序连接，控制相同温度，温度精度0.1℃以上，即温度差异≤0.1℃；

流过直微通道两定点间的已知粘度流体A及待测流体B满足无滑移、等温、不可压缩及处于充分发展层流流动状态。

所述恒温槽、恒温箱或恒温浴与一个恒温控制器电路连接，通过恒温控制器控温；

所述的恒温控制器为超低温加热制冷循环器，控温范围在-95～200℃，温度精度0.1℃，即温度差异≤0.1℃。

上述方案所述的毛细管盘管和直微通道在一个恒温槽内前后连接，通过超低温加热制冷循环器(优莱博技术(北京)有限公司，Julabo-F12-MC)控制温度，温度精度达到0.1℃。所述的直微通道内两定点间(压力降测量段)长度10mm以上，压力降测量段前后两定点至直微通道进出口的距离均为10mm以上，两定点间长度误差1mm以下。所述的毛细管盘管内径为0.1～3mm；直微通道当量直径为0.100～1.000mm，当量直径误差小于10μm。所述的恒温控制器为超低温加热制冷循环器，控温范围在-95～200℃，温度精度0.1℃。

本发明核心思想基于泊肃叶定律及传统的层流理论，同时利用微化工技术的优势。在微通道内，由于其特征尺寸处于0.10～1mm之间，雷诺数(Re)一般较低，流体流动通常处于严格的层流流动状态。即使在流量较大的情况下，流动过程亦能快速达到稳定状况。相关研究指出在微通道内流体流动与传统尺度下的流动基本一致，但在分析微通道内获得的压降数据时需要考虑测量误差、进口效应等因素的影响。因此，本发明对流体粘度的测量是基于已知粘度的体系(标准体系)，这样可以较好地消除系统误差以及操作误差。

本发明算法可靠性理论推导及测量系统建构如下：

图1为本发明的微通道压力降测量装置示意图。本发明中，为了消除进口效应，压降测量段与微通道进口之间有一定的距离。为了保证测量段内的层流流动始终为充分发展状态，必须限定于下列条件进行，即计算的进口段长度(Le)要始终小于压降测量段与微通道进口之间的距离(L_F)：

L_e＝0.09Red_h＜L_F    (1)

微通道内通常处于层流流动，假定Re＝100，微通道的当量直径d_h＝0.5mm，因此Le＝4.5mm。从以上分析说明可看出，在设计过程中，只要压降测量段与微通道进口之间的距离足够长，入口效应的影响是比较容易消除的。

根据传统的层流理论，微通道测压段的压力降与流速及粘度存在如下关系：

ΔP＝KμU           (2)

其中K为常数，只与测量系统有关，与流体粘度及流速无关。所以，对于相同体系A及不同的测量点，存在有：

$\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{A1}}{U_{A1}}=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{A2}}{U_{A2}}=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{A3}}{U_{A3}}=......---\left(3\right)$

根据加和定律，则有：

$\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{A1}}{U_{A1}}=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{A2}}{U_{A2}}......=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{Ai}}}{\mathrm{\Σ}{U}_{\mathrm{Ai}}}---\left(4\right)$

由式(2)、(3)和(4)可知，对于两种不同粘度的体系A和B，存在以下关系：

$\frac{{\mathrm{\μ}}_A}{{\mathrm{\μ}}_B}=\left(\frac{{\mathrm{\ΔP}}_A}{U_A}\right)/\left(\frac{{\mathrm{\ΔP}}_B}{U_B}\right)=\left(\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{Ai}}}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{Bi}}}\right)/\left(\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{Bi}}}{\mathrm{\Σ}{U}_{\mathrm{Bi}}}\right)---\left(5\right)$

若A为已知粘度体系，B为未知粘度体系，则B体系的粘度可通过以下公式求解：

${\mathrm{\μ}}_B={\mathrm{\μ}}_A\left(\frac{{\mathrm{\ΔP}}_B}{U_B}\right)/\left(\frac{{\mathrm{\ΔP}}_A}{U_A}\right)={\mathrm{\μ}}_A\left(\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{Bi}}}{\mathrm{\Σ}{U}_{\mathrm{Bi}}}\right)/\left(\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{Ai}}}{\mathrm{\Σ}{U}_{\mathrm{Bi}}}\right)---\left(6\right)$

由式(6)可知，在一种体系粘度已知的情况下，为了测量另外一种体系的粘度，只需测量未知粘度体系及已知体系的压力降，并且记录相对应的流速，则可获得待测体系的粘度值。

本发明特点是：测量设备结构简单、待测液体用量少、算法简单可靠，能够方便、快速、精确地获得牛顿流体粘度及其随温度的变化。

附图说明

图1是本发明的微通道压力降测量装置示意图，其中，A-储液罐，B-精密平流泵，C-单相阀，D-直微通道入口，E-压降测量段(L_M)，F-微通道出口，G-烧杯，H-加热制冷循环器，I-盘管，P-压力传感器。

图2是同一温度压力降随流速的变化实验图

图3是不同温度压力降随流速的变化实验图

图2、图3中标识A、B、C、D、E、F、G、H、I表示不同浓度或不同温度的甘油水溶液体系。

与商品化旋转粘度计(Brookfield-LV)相比，微通道压力降法能够实现流体粘度的快速测量，待测流体用量少，操作方便。商品化旋转粘度计流体用量大，温控较为困难，这种情况对于测量粘度较高的流体时更为突出，测量一种流体的粘度值所需时间通常为2～3h，而采用本发明所阐述的方法只需要0.5～1h；与微通道油-水两相界面法相比，此方法不需要昂贵的光学摄像仪器，温控容易，操作方便，能够准确地测量流体粘度随温度的变化。下面通过具体实施例对本发明作进一步阐述，但不限制本发明范围。

具体实施方式

利用机械精密加工方法在板块上加工出直微通道，微通道横截面为方形，深、宽、长分别为0.6mm，0.6mm，88mm，压力降测量段位于微通道的中部，长度为29.7mm。另一板块作为盖板，两个板块通过螺栓挤压密封，微通道的上壁面开有两个距离确定的圆形孔口，孔口的大小大致与微通道当量直径一致。两孔口连接压力传感器。

图1是本发明的微通道压力降测量装置示意图，储液罐A通过管路经精密平流泵B与盘管I的进液口相连，盘管I的出液口通过管路与直微通道入口D相连，直微通道出口F，微通道出口F接烧杯G；于精密平流泵B与盘管I进液口间的管路上设置有单相阀C；直微通道上设有压降测量段E(L_M)，压降测量段E的两端点与压力传感器P相连；盘管I和直微通道置于一加热制冷循环器H的恒温槽内。

流体泵通过毛细管盘管与微通道连接，毛细管盘管和微通道均置于超低温加热制冷循环器(优莱博技术(北京)有限公司，Julabo-F12-MC)的恒温槽内，经过微通道的流体流量能够通过泵准确控制。流体的温度通过超低温加热制冷循环器控制，控温范围在-95～200℃，温度精确度达到0.1℃。毛细管盘管起换热器的功能，其使流体进入微通道前达到设定温度。

微通道测压段的压力降通过压力传感器(Huba692，量程0-6bar，测量精度±1％)测量，相应流速由计量泵读取。其中一种液体(A)的粘度为已知，其余待测液体(B)的粘度测算是基于已知粘度流体，根据测量的压力降数据及相对应的流速，按公式进行计算，获得被测液粘度数据。图2为在相同温度下(25℃)，不同组成的甘油水溶液在微通道内测压段压力降随流速的变化实验图。图3为在不同温度下，相同组成的甘油水溶液在微通道内测压段压力降随流速的变化实验图。由图2及图3可知，压力降与流速成线性关系，假定任意一条线为已知粘度流体A的ΔP-U关系，待测流体的ΔP和相应的U分别由压力传感器及计量泵读出，则由以上公式获得待测流体的粘度μ_B。

下面以甘油水溶液体系为例，在本发明的测算方法下获取其粘度值，并与商品化粘度计测量结果比较，验证本发明的可靠性及精确性。下述实例为方便起见，基准体系与待测体系全部采用同一种(甘油水溶液)，也可以在所有已知粘度的牛顿流体中选择。

测量时：将毛细管盘管及一直微通道串接并置于恒温槽内，液体通过泵注入盘管后进入0.6mm直微通道中，以传感器测量已知粘度流体A及待测流体B在微通道内两定点间的压力降；相应流速由计量泵读取。

实施例1

以75wt％甘油水溶液为基准体系(A)，在25℃下，其粘度值为28.9mPa·s，分别以70wt％、78wt％、81.3wt％、85wt％、88wt％甘油水溶液为待测体系(B)，采用本发明所阐述的方法，测量所得的粘度值分别为18.45、39.01、54.92、84.94、129.45mPa·s，采用商品化的旋转粘度计测量获得的粘度值分别为17.67、39.06、57.59、84.38、134.48mPa·s，两组数据的平均相对偏差只有2.7％。表1为基准体系及待测体系压力降与相应流速的数据点。

表1

实施例2

以78wt％甘油水溶液为基准体系(A)，在25℃下，其粘度值为39.06mPa·s，分别以70wt％、75wt％、81.3wt％、85wt％、88wt％甘油水溶液为待测体系(B)，采用本发明所阐述的方法，测量所得的粘度值分别为18.47、28.93、54.99、85.04、129.60mPa·s，而采用商品化的旋转粘度计测量获得的粘度值分别为17.67、28.90、57.59、84.38、134.48mPa·s，两组数据的平均相对偏差只有2.7％。表2为基准体系及待测体系压力降与相应流速的数据。

表2

实施例3

以70wt％甘油水溶液为基准体系(A)，在25℃下，其粘度值为17.67mPa·s，分别以75wt％、78wt％、85wt％甘油水溶液为待测体系(B)，采用本发明所阐述的方法，测量所得的粘度值分别为27.68、37.37、81.36mPa·s，而采用商品化的旋转粘度计测量获得的粘度值分别为28.9、39.06、84.38，两组数据的平均相对偏差只有4.1％。表3为基准体系及待测体系压力降与相应流速的数据。

表3

实施例4

以85wt％甘油水溶液为基准体系(A)，在25℃下，其粘度值为84.38mPa·s，分别以70wt％、75wt％、78wt％、81.3wt％、88wt％甘油水溶液为待测体系(B)，采用本发明所阐述的方法，测量所得的粘度值分别为18.32、28.71、38.76、54.56、128.60mPa·s，而采用商品化的旋转粘度计测量获得的粘度值分别为17.67、28.90、39.06、57.59、134.48mPa·s，两组数据的平均相对偏差只有3.0％。表4为基准体系及待测体系压力降与相应流速的数据。

表4

实施例5

以85wt％甘油水溶液为基准体系(A)，在25℃下，其粘度值为84.38mPa·s，以组成相同但温度改变的甘油水溶液为待测体系(B)，温度分别改变为30℃及50℃。采用本发明所阐述的方法，测量所得的粘度值分别为63.54及21.03mPa·s，而采用商品化的旋转粘度计测量获得的粘度值分别为60.0及21.3mPa·s，两组数据的平均相对偏差只有3.5％。表5为基准体系及待测体系压力降与相应流速的数据。

表5

实施例6

以85wt％甘油水溶液为基准体系(A)，在50℃下，其粘度值为21.3mPa·s，以25℃下组成分别为70wt％、75wt％、78wt％、81.3wt％、85wt％、88wt％甘油水溶液体系及温度为30℃的85wt％甘油水溶液为待测体系(B)，采用本发明所阐述的方法，测量所得的粘度值分别为18.56、29.08、39.25、55.26、85.45、130.24、64.35，而采用商品化的旋转粘度计测量获得的粘度值分别为17.67、28.9、39.06、57.59、84.38、134.48、60mPa·s，两组数据的平均相对偏差只有3.1％。表6为基准体系及待测体系压力降与相应流速的数据。

表6

Claims (5)

1.一种利用微通道压力降测量牛顿流体粘度的方法，其特征在于：将已知粘度流体A及待测流体B分别独立先后流过一毛细管盘管、和一直微通道，测量流体流速和流过该直微通道内两定点间的已知粘度流体A及待测流体B的压力降，所述的直微通道内压力降测量段两定点间长度≥10mm，压力降测量段前后两定点至直微通道进出口的距离均为≥10mm，两定点间长度误差≤1mm；按比值算法公式：计算得待测流体B的粘度，其中，μ为粘度，△P为压力降，U为与压力降相对应的流体流速；△P通过压力传感器测量，U通过计量泵计量或经称量法计算。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：流过直微通道两定点间的已知粘度流体A及待测流体B满足无滑移、等温、不可压缩及处于充分发展层流流动状态。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述毛细管盘管和直微通道置于一恒温槽、恒温箱或恒温浴内，通过恒温控制器控温；毛细管盘管与直微通道按前后顺序连接，控制相同温度，温度精度0.1℃以上，即温度差异≤0.1℃；

所述的恒温控制器为超低温加热制冷循环器，控温范围在-95～200℃。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：为了更为精确地获得流体粘度，通过改变流体流速多次测量后对压力降与流速求和后进行计算，按比值算法公式： ${\mathrm{\μ}}_B={\mathrm{\μ}}_A\left(\frac{{\mathrm{\ΔP}}_B}{U_B}\right)/\left(\frac{{\mathrm{\ΔP}}_A}{U_A}\right)={\mathrm{\μ}}_A\left(\frac{\mathrm{\Σ\Δ}{P}_{\mathrm{Bi}}}{\mathrm{\Σ}{U}_{\mathrm{Bi}}}\right)/\left(\frac{\mathrm{\Σ\Δ}{P}_{\mathrm{Ai}}}{\mathrm{\Σ}{U}_{\mathrm{Bi}}}\right),$ i表示流速改变的次数，为压力降与流速的统计学线性值，其中∑ΔP_i为压力降加和值，∑U_i为流速加和值。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的毛细管盘管内径为0.1～3mm；直微通道当量直径为0.100～1.000mm，当量直径误差小于10μm。