CN104502240A - 液体参数测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液体参数测量系统。该液体参数测量系统包括：Taylor气泡流产生装置；可视测量微管，其具有一微通道，该微通道的前端与Taylor气泡流产生装置相连通；相机，设置于可视测量微管的径向外围；以及液膜厚度测量装置，设置于可视测量微管的径向外围。其中，Taylor气泡流产生装置生成待测液体的Taylor气泡流，该Taylor气泡流流经可视测量微管的微通道，液膜厚度测量装置测量微通道内气泡周边初始液膜厚度δ₀，相机捕捉微通道内气泡流动的多个瞬时图像。本发明基于Taylor两相流这同一个物理现象同时得到被测液体的动力粘度μ₁和表面张力σ，不需要对不同的参数分别进行测量，操作步骤更简便。

Description

液体参数测量系统

技术领域

本发明涉及测量仪器/仪表技术领域，尤其涉及一种液体参数测量系统。

背景技术

粘度、表面张力是液体的主要物性参数，是石油化工、医药等工业领域检测的重要参数。粘度与表面张力的测量在科研、技术开发和产品制造上具有重要的意义。测量液体粘度的方法有毛细管法、旋转柱法等。测量表面张力的方法有最大气泡压力法、气泡幅频当量法等。

毛细管法测定液体粘度的理论基础是Poiseulle定律，即通过测量液体在一定压差作用下流经一定长度的毛细管所用的时间，来计算粘度。毛细管法操作繁琐，用秒表记录时间会带来主观性误差，大大降低测量精度，不适合在线快速测量。

2004年，Silber等研制了基于计算机系统的微型毛细管粘度计(SilberZ.H.，Tan Y.P.，Wen P.F.A Microtube Viscometer with a Thermostat.Experiments in Fluids，2004，36(4)：586-592)，其装置结构如图1所示。装置通过装有CCD的立体显微镜监测液滴流经毛细管的流速，通过压力传感器和温度传感器对液体压力和温度进行监测，转换后的三路信号均由计算机系统进行数据采集与分析，进而计算液体的粘度值。根据Hagen-Poiseuille方程，液体粘度可由下式计算：

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\π}{d}^4}{128\mathrm{Ql}}\mathrm{\Δp}---\left(1\right)$

$Q=\frac{\mathrm{\π}{d}^{4}S}{4t}---\left(2\right)$

式中，d为毛细管直径，l为毛细管长度，Q为毛细管内液体的流量，Δp为毛细管两端液体压差，S为t时间内流过的有效液体长度，t为测量时间。

该测量方法与传统的毛细管法相同，是基于流体单相流动的流阻与粘性的关系来测量液体粘度的。然而，该测量方法是基于流体单相流动的流阻与粘性的关系来测量液体粘度的，只能用于测量液体的粘度，无法测量其他物性参数。

请参照图2，采用旋转柱体法测量液体粘度的基本原理为：内外柱体之间充以待测液体，当外圆柱体匀速转动，内柱体静止不动时，二柱体之间的液体内部产生内摩擦，对内旋转柱体施加一个切应力，通过测量此切应力即可计算液体粘度值。采用此方法测量液体粘度，要求液体与内外柱体间无滑动摩擦，因此被测液体必须与内外筒材质润湿性良好，需要针对不同的液体选择不同的筒体材料；另外液体必须在测量过程中保证成分均匀且处于层流状态，内外柱体间的相对转动速度不易过大，因此转子转速有所限制。

最大气泡压力法测量液体的表面张力，是通过向插入液体的毛细管轻轻吹入惰性气体，利用最大压差与气泡半径的量化关系来计算表面张力。此方法需保证气泡近球形，需选择合适的毛细管内径。

请参照图3，采用气泡幅频当量法测量表面张力的原理为：利用一个恒压气源，在限定时间内通过一个标准毛细管向被测液体吹气，监测气泡不断形成、长大和破灭的过程，可获得一条等幅振荡曲线。曲线的振幅和频率分别代表气泡内压差变化幅值和气泡形成速度，并且气泡内压差变化幅值和气泡形成速度与液体表面张力密切相关，因此，可根据曲线振幅和频率求解出一个与真实表面张力相当的数值，称为当量表面张力。计算当量表面张力的公式为式(3)：

σ_e＝aΔP+bN-cΔρ+d   (3)式(3)中：σ_e为液体当量表面张力(10^-3N/m)，ΔP为气泡内压差变化幅值，N为限定时间内吹出气泡的个数，Δρ为被测液体质量密度与水质量密度之差(g/cm³)，a、b、c、d分别为试验确定的经验系数和常数。

需要注意的是，气泡幅频当量法是根据回归分析得到的经验方程式(3)对被测液体的表面张力进行计算，经验系数a、b、c、d直接决定了测量精度。在不同表面张力区段内，经验系数a、b、c、d取不同的数值，当不明确被测液体所处的表面张力区段时，就难以选择合适的回归公式进行计算，因此，其测量精度难以保证。根据气泡幅频当量法测量得到的表面张力，是一个与真实表面张力相当的数值，即当量表面张力，并不等同于精确的表面张力值，其测量精度仅能满足工业测量要求，无法满足对精度要求较高的科研、尖端技术等领域的测量要求。气泡幅频当量法仅能测量表面张力，无法测量液体的粘度。

上述这些方法都只能得到被测液体的一个物性参数：表面张力或粘度，鲜有同时测得表面张力和粘度的测量方法和装置。

2007年哈尔滨理工大学研制了一种能同时快速测量常温液体粘度、密度和表面张力的多参数综合测试仪(高桂丽，李大勇，石德全.常温液体粘度-密度-表面张力多参数快速测试仪的研制，仪器仪表学报，2007，28(7)：1332-1336)。如图4所示，该多参数综合测试仪由多功能探头5、粘度测试单元、供气单元、称重单元3和计算机测控单元组成。多功能探头5和粘度测试单元配合，可完成常温液体粘度、密度、表面张力和温度的测量。供气单元主要由微型气泵11、电磁换向阀、玻璃浮子流量计10组成，微型气泵11向探头的毛细管供气，完成表面张力的测量。计算机测控单元负责数据采集和动作控制，并将测试结果通过LED7显示和打印机8打印输出。

对于图4所示的多参数综合测试仪，其实际上是三种测量方法的组合：液体粘度是采用旋转柱体法测量；密度是采用静力称衡法测量；表面张力是采用气泡幅频当量法测量；粘度与表面张力分别基于不同的测量原理进行测量。并且，当该多参数综合测试仪采用旋转柱体法测量液体的粘度时，同样要求被测液体与内外筒材质润湿性良好，需要针对不同的液体选择不同的筒体材料、不同的电机转速，在测量范围和转子转速上有所限制；采用气泡幅频当量法和旋转柱体法分别测量液体的表面张力和粘度时，被测液体的存储量至少达到10ml～100ml的量级范围。被测液体的供应量很小时，难以保证测量精度。

目前，业内亟需一种结构简单、使用方便，能够同时进行流体多个物性参数的测量的仪器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种结构简单、使用方便，能够同时进行流体多个物性参数的测量的液体参数测量系统。

(二)技术方案

本发明液体参数测量系统包括：Taylor气泡流产生装置；可视测量微管，其具有一微通道，该微通道的前端与Taylor气泡流产生装置相连通；相机，设置于可视测量微管的径向外围；以及液膜厚度测量装置109，设置于可视测量微管的径向外围。其中，Taylor气泡流产生装置生成待测液体的Taylor气泡流，该Taylor气泡流流经可视测量微管的微通道，液膜厚度测量装置109透过可视测量微管测量微通道内气泡周边初始液膜厚度δ₀，相机透过可视测量微管捕捉微通道内气泡流动的多个瞬时图像。

优选地，本发明液体参数测量系统中，Taylor气泡流产生装置包括：驱动件，注射器102，压缩气源和第一三通管106；驱动件顶住注射器102的活塞芯杆的后端；第一三通管106的第一接口连接至注射器102的出口，其第三接口连接至压缩气源的出口，其第二接口作为Taylor气泡流的出口；注射器102注入被测液体；驱动件推动注射器102的活塞芯杆运动，挤压待测液体流出，进入第一三通管106；该待测液体与压缩气源流出的气体在第一三通管106内混合，形成Taylor气泡流，由第一三通管106的第二接口输出。

优选地，本发明液体参数测量系统中，驱动件为驱动电机101。

优选地，本发明液体参数测量系统中，Taylor气泡流产生装置还包括：第一调节阀103，设置于注射器102的出口与第一三通管106的第一接口之间；和/或第二调节阀105，设置于压缩气源和第一三通管106的第三接口之间。

优选地，本发明液体参数测量系统中，Taylor气泡流产生装置包括：压缩气源；储液器203，其压力口连接至压缩气源的出口；以及第二三通管206，其第一接口连接至储液器203的液体出口，其第三接口连接至压缩气源的出口，其第二接口作为Taylor气泡流的出口；其中，压缩气源内的气体将储液器203内的待测液体压入第二三通管206，该待测液体与压缩气源流出的气体在第二三通管206内混合，形成Taylor气泡流，由第二三通管206的第二接口输出。

优选地，本发明液体参数测量系统中，Taylor气泡流产生装置还包括：第三调节阀202，设置于压缩气源的出口与储液器203的压力口之间；第四调节阀204，设置于储液器203的液体出口与第二三通管206的第一接口之间；第五调节阀205，设置于第二三通管206的第三接口与第三调节阀202之间。

优选地，本发明液体参数测量系统中，压缩气源为压缩气瓶104或气泵。

优选地，本发明液体参数测量系统中，可视测量微管的与相机110、液膜厚度测量装置109相对的壁面为平面。

优选地，本发明液体参数测量系统中，可视测量微管的微通道的横截面呈具有两条及以上对称轴的轴对称形状。

优选地，本发明液体参数测量系统中，可视测量微管的微通道的横截面为：圆形，其直径小于1.5mm；方形，其当量直径小于1.5mm；或矩形，其宽高比W/D≥20，且高度D≤0.5mm。

优选地，本发明液体参数测量系统中，可视测量微管的微通道的横截面为圆形，可视测量微管：为外方内圆的透明玻璃管，或包括：微方管；位于微方管内的微圆管，及填充于微方管和微圆管之间的填充介质；其中，微方管和微圆管的材料相同，填充介质材料的折射率与微方管材料的折射率之差小于0.1。

优选地，本发明液体参数测量系统还包括：数据采集及分析装置113，与相机110和液膜厚度测量装置109相连接，其利用相机110捕捉气泡流动的多个瞬时图像得到气泡的表观流速U_b，进而利用可视测量微管107的微通道的内径D、待测液体的密度ρ_l、气泡周边初始液膜厚度δ₀、气泡的表观流速U_b计算待测液体的动力粘度μ_l和/或表面张力σ。

优选地，本发明液体参数测量系统中，数据采集及分析装置113根据以下计算公式计算待测液体的动力粘度μ_l和/或表面张力σ：

$\frac{{\mathrm{\δ}}_0}{D}=a+\frac{b\·C{a}^{2/3}}{1+c\·C{a}^{2/3}+d\·C{a}^{m}R{e}^n-e\·W{e}^p}$

其中：Ca为毛细常数：Ca＝μ_lU_b/σ；We为韦伯数：Re为雷诺数：a，b，c，d，e、m，n，p为与可视测量微管107的微通道的横截面形状相关的参数。

优选地，本发明液体参数测量系统中，可视测量微管107的微通道为圆形微通道，其内径小于1.5mm，计算公式中各参数的取值如下：a＝0，b＝0.67，c＝3.13，d＝0.504，e＝0.352，m＝0.672，n＝0.589，p＝0.629。

优选地，本发明液体参数测量系统中，可视测量微管107的微通道为方形微通道，其当量直径小于1.5mm，计算公式中，气泡周边初始液膜厚度δ₀为方形微通道边角处的微液膜厚度，即δ_{0_corner}，各参数的取值如下：a＝0.243，b＝2.43，c＝7.28，d＝0，e＝0.255，p＝0.215。

优选地，本发明液体参数测量系统中，可视测量微管107的微通道为高宽高比的矩形微通道，其宽高比W/D≥20，且高度D≤0.5mm，其中，韦伯数We和雷诺数Re的计算式中，微通道的内径D为该矩形微通道的水力直径D_h： $\mathrm{We}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l{U_b}^2{D}_h}{\mathrm{\σ}};\mathrm{Re}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l{U}_b{D}_h}{{\mathrm{\μ}}_l};$ 其中： $D_h=\frac{4A}{U}=\frac{2(W\×D)}{W+D};$ 计算公式中各参数的取值如下：a＝0，b＝0.67，c＝3.13，d＝0.504，e＝0.352，m＝0.672，n＝0.589，p＝0.629。

优选地，本发明液体参数测量系统中，数据采集及分析装置113中：当动力粘度μ_l和表面张力σ其中之一未知时，通过一组Taylor气泡流的测量值依据计算公式计算未知参数；或当动力粘度μ_l和表面张力σ均未知时，通过两组不同的Taylor气泡流的测量值构建关于计算公式的方程组，通过求解该方程组计算动力粘度μ_l和表面张力σ。

优选地，本发明液体参数测量系统中，液膜厚度测量装置109的测量精度大于0.1μm；相机110的拍摄速率不小于1000帧/秒。

优选地，本发明液体参数测量系统中，液膜厚度测量装置109为激光共焦距位移测量计或椭偏仪。

优选地，本发明液体参数测量系统还包括：温度传感器(111、112)，设置于可视测量微管107的微通道的前端和/或后端；和/或回收容器108，连接于可视测量微管107的微通道的后端。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明液体参数测量系统具有以下有益效果：

(1)基于Taylor两相流这同一个物理现象同时得到被测液体的动力粘度μ_l和表面张力σ，能够更方便的测得两个参数，而不需要对不同的参数分别进行测量，操作步骤更简便；

(2)基于气泡微液膜厚度δ₀与毛细常数Ca之间的量化关系而设计的测量系统，此关系式是由多种流体在多种流动条件下归纳得到的经验关系式，适用面广，测量精度高，在测量过程中，可通过调节流量等参数，对同一物性做多点多次测量，进一步提高精度，能够满足对精度要求较高的科研、尖端技术等领域的测量要求；

(3)可实现一机多用：当被测液体的表面张力已知时，可以用来测量动力粘度；当被测液体的动力粘度已知时，可以用来测量表面张力；动力粘度和表面张力都未知时，可以用来同时测量这两个物性参数；

(4)被测液体在驱动力的驱使下流动到可视测量微管进行可视化测量，只要保证相应的测量段透明可视即可，微管材质的选择不受被测液体润湿性能的影响；

(5)微圆管的内径很小，仅需1ml～10ml容量量级的被测液体即可完成测量过程，液体需求量非常小，在被测液体供给量很小时同样能够保证精度。

附图说明

图1为现有技术1基于计算机系统的微型毛细管粘度计的结构示意图；

图2为现有技术2采用旋转柱法测量液体粘度的原理图；

图3为现有技术3采用气泡幅频当量法测量表面张力的原理图；

图4为现有技术4流体多参数综合测试仪的结构示意图；

图5为Taylor流动理论中微通道内气泡底部微液膜示意图；

图6为根据本发明第一实施例液体参数测量系统的结构示意图；

图7为图6所示液体参数测量系统中注射器的放大图；

图8为图6所示液体参数测量系统中可视测量微管的截面示意图；

图9为图6所示液体参数测量系统的工作流程图；

图10为根据本发明第二实施例液体参数测量系统中Taylor气泡流产生装置的结构示意图；

图11为根据本发明第三实施例液体参数测量系统中可视测量微管的截面示意图；

图12为微方管边角处微液膜厚度的示意图。

【本发明主要元件符号说明】

101-驱动电机；102-注射器；

103-第一调节阀；            104-压缩气源；

105-第二调节阀；            106-第一三通管；

107-可视测量微管；          108-回收容器；

109-液膜厚度测量装置；      110-高速相机；

111-第一温度传感器；        112-第二温度传感器；

113-数据采集及分析系统；

201-压缩气瓶；              202-第三调节阀；

203-储液器；                204-第四调节阀；

205-第五调节阀；            206-第二三通管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明基于Taylor两相流这同一个物理现象同时得到被测液体的动力粘度μ_l和表面张力σ。为了更清楚的理解本发明，首先对Taylor两相流的工作原理进行如下说明。

微细通道内运动的气泡或气柱排开液体后形成长气泡流或弹状流，被称为Taylor流动，该种流动在流体力学中被广泛研究。早在1961年，Bretherton等发现Taylor流动形成的气泡底层液膜厚度具有均匀分布特性，并进行了理论和量纲分析(F.P.Bretherton.The motion of long bubbles intubes，J.Fluid Mech.1961，10：166-188)。如图5所示，气泡柱下的微液膜区，气液界面呈圆柱状分布，其曲率应为K≈1/(R-δ₀)，而在气泡头部，气液界面为半球形，其曲率应为K≈2/(R-δ₀)，其中R代表微通道半径，δ₀是微液膜的初始厚度。

由于表面张力的作用，曲率的增大意味着液体内部压力的减小，而这种从平直液膜到头部的压力梯度正是气液界面向前推进时排开液体的推动力。对于微液膜流动，雷诺数Re较小，动量方程的对流项可以忽略，而气液界面垂直方向的速度也很小，因此轴向速度u_l(x，z)的控制方程可由Reynolds润滑理论简化：

$\frac{{\mathrm{dP}}_l}{\mathrm{dx}}={\mathrm{\μ}}_l\frac{d^2{\mathrm{\μ}}_l}{d{z}^2}---\left(4\right)$

壁面处的边界条件为：

u_l|_z＝0＝0   (5)

气液界面处的边界条件为：

du_l/dz|_z＝δ＝0   (6)

式中P_l，μ_l分别为液相压力和动力粘度，x和z分别表示液膜轴向及法线方向(如图5所示)。由此可求得方程(4)的解：

$u_l(x,z)=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_l}\frac{\∂P_l}{\∂x}[\frac{z^2}{2}-\mathrm{\δ}\left(x\right)z]---\left(7\right)$

因此液膜在某截面x处的平均流速为：

${\stackrel{\‾}{u}}_l={\mathrm{\δ}}^{-1}{\∫}_0^{\mathrm{\δ}}u(x,z)\mathrm{dz}=-\frac{{\mathrm{\δ}}^2}{3{\mathrm{\μ}}_l}\frac{\∂P_l}{\∂x}---\left(8\right)$

上式中的δ指液膜厚度。

假定气泡移动的表观速度为U_b，在气泡头部某截面x处液体的质量流速为：

$G\left(x\right)={\mathrm{\ρ}}_l{\stackrel{\‾}{u}}_l\mathrm{\δ}={\mathrm{\ρ}}_l{U}_b(\mathrm{\δ}-{\mathrm{\δ}}_0)---\left(9\right)$

式中，ρ_l为液相密度。

另外，液体内压梯度由毛细力产生，即：

$\frac{\∂P_l}{\∂x}=-\frac{\∂\left(\mathrm{\σK}\right)}{\∂x}---\left(10\right)$

式中，σ为液相表面张力系数。

结合式(8)-(10)可以给出关于初始液膜形成的运动学方程：

$\frac{\∂K}{\∂x}=\frac{3{\mathrm{\μ}}_l{U}_b}{\mathrm{\σ}{\mathrm{\δ}}^3}(\mathrm{\δ}-{\mathrm{\δ}}_0)---\left(11\right)$

Bretherton等通过对液膜曲率分布的简化由方程(11)导出了液膜与流速的量纲关系式。其后人们又对流速较大时惯性力等作用的影响进行了深入分析，Youngbae Han和Naoki Shikazono沿用Bretherton的量纲分析法，综合考虑各种效应整理了微圆管内的液膜测量数据(Naoki Shikazonoand Youngbae Han(2011).Liquid Film Thickness in Micro-Scale Two-PhaseFlow，Two Phase Flow，Phase Change and Numerical Modeling，Dr.AmimulAhsan(Ed.)，ISBN：978-953-307-584-6，InTech)，得到了以下关联式：

$\frac{{\mathrm{\δ}}_0}{D}=\frac{0.670C{a}^{2/3}}{1+3.13C{a}^{2/3}+0.504C{a}^{0.672}R{e}^{0.589}-0.352W{e}^{0.629}}---\left(12\right)$

式(12)中，D表示微圆管的直径(D＝2R)；Ca＝μ_lU_b/σ是毛细常数；韦伯数We和雷诺数Re的计算公式为：

$\mathrm{We}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l{U_b}^{2}D}{\mathrm{\σ}}---\left(13\right)$

$\mathrm{Re}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l{U}_{b}D}{{\mathrm{\μ}}_l}---\left(14\right)$

式(12)的适用范围为：

Ca＜0.3，Re＜2000   (15)

式(12)精确地量化了Taylor气泡周边初始液膜厚度δ₀与毛细常数Ca的关系，适用于内径为0.3～1.3mm的微圆管内多种流体的Taylor流动。

基于式(12)表示的气泡微液膜厚度δ₀与毛细常数Ca之间的关系，通过调整气泡流速，可以得到不同雷诺数Re条件下的δ₀与Ca、W_e的关系式，从而解出液相的动力粘度μ_l和表面张力σ。

本发明是根据上述微管内Taylor气泡底部初始液膜厚度δ₀与毛细常数Ca的量化关系，通过测量不同流速条件下微管内气泡周边的初始液膜厚度δ₀，实现液体动力粘度μ_l和表面张力σ的同时测量。

一、第一实施例

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种液体参数测量系统。图6为根据本发明第一实施例液体参数测量系统的结构示意图。如图6所示，本实施例液体参数测量系统包括：Taylor气泡流产生装置；可视测量微管107，其具有一微通道，该微通道的前端与Taylor气泡流产生装置相连通，后端连接至回收容器108；温度传感器组件，设置于可视测量微管107的前端和后端；液膜厚度测量装置109，设置于可视测量微管107径向的外围；高速相机110，设置于可视测量微管107径向的外围；以及数据采集及分析系统113，电性连接至液膜厚度测量装置109和高速相机110。

其中，由Taylor气泡流产生装置生成待测液体的Taylor气泡流，该Taylor气泡流流经可视测量微管107，由温度传感器组件测量该Taylor气泡流的温度，由液膜厚度测量装置109透过可视测量微管107测量微通道内气泡周边初始液膜厚度δ₀，由高速相机110透过可视测量微管107捕捉微通道内气泡流动的多个瞬时图像；最终Taylor气泡流流入回收容器108回收。数据采集及分析系统113由气泡流的多个瞬时图像得到气泡的表观流速U_b，进而由气泡周边初始液膜厚度δ₀、气泡的表观流速U_b、可视测量微管107的内径D、待测液体的密度ρ_l计算待测液体的动力粘度μ_l和/或表面张力σ。

以下对本实施例液体参数测量系统的各个组成部分进行详细说明。

请参照图6，Taylor气泡流产生装置用于生成待测液体的Taylor气泡流，包括：驱动电机101，注射器102，第一调节阀103，压缩气瓶104，第二调节阀105和第一三通管106。

注射器102的功能是存储被测液体，其容量的量级约为1ml～10ml。该注射器102的活塞芯杆的后端由驱动电极101驱动，其出口通过第一调节阀103连接至第一三通管106的第一直通接口。压缩气源104通过第二调节阀105连接至第一三通管106的旁通接口。第一三通管106的第二直通接口连接至可视测量微管107的微通道的入口。

其中，驱动电机101的功能是为被测液体在微圆管内的流动提供动力。第一调节阀103的功能是调节被测液体的流量，使流动保持稳定。压缩气瓶104的功能是为Taylor流提供稳定的填充气泡。第二调节阀105的功能是调节填充气的流量，使Taylor流保持稳定。第一三通管106的功能是混合被测液体和填充气，形成稳定的Taylor流。其中，第一调节阀103和第二调节阀105可以根据需要设置，在某些情况下，可以省略第一调节阀103。

图7为图6所示液体参数测量系统中注射器的放大图。请参照图6和图7，活塞芯杆的外侧为筒壁，活塞芯杆的前端通过O型密封圈与外侧的筒壁密封配合。测量前，注射器注满被测液体。驱动电机101启动后，推动活塞芯杆向前运动，挤压待测液体流出，通过第一调节阀103调节后进入第一三通管106。打开压缩气瓶104，并调节第二调节阀105的开度，使填充气缓慢注入第一三通管106。注射器102中流出的待测液体与压缩气瓶流出的填充气在第一三通管106内混合，形成稳定的Taylor气泡流。

本实施例中，压缩气瓶104内的气体为空气，形成的Taylor气泡流的气泡的表观流速U_b为4m/s。但本发明并不以此为限，在本发明其他实施例中，压缩气瓶内还可以是氮气等其他气体，测量在其他气体中液体的表面张力系数，且Taylor气泡流的气泡的表观流速U_b介于0～10m/s之间即可实现本发明。

其中，压缩气瓶104可由微型气泵来代替。在这种情况下，微型气泵可为被测液体提供空气填充气，从而形成稳定的Taylor汽泡流。

还需要说明的是，本实施例中提供了一种特定的Taylor气泡流产生装置，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，将给出另外的一种Taylor气泡流产生装置的实现方式。

可视测量微管107的功能是为Taylor气泡流的流动过程提供观测窗口，方便液膜厚度测量装置109测量液膜厚度，以及高速相机110捕捉流动瞬时图像。如图8所示，可视测量微管107为外方内圆的透明玻璃管。微通道的直径为0.5mm，但本发明并不以此为限。微通道的直径只要不大于1.5mm即可。由于可视测量微管107的内径很小，仅需1ml～10ml容量量级的被测液体即可完成测量过程，液体需求量非常小。

为了方便观测并计算方便，本实施例采用外方内圆的透明玻璃管，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，将给出其他形状的可视测量微管。需要注意的是，在这种情况下，待测液体的动力粘度μ_l和表面张力σ的计算公式也会相应调整。

本实施例中，只要保证可视测量微管的测量段透明可视即可，可视测量微管材质的选择不受被测液体润湿性能的影响，可选择范围更宽，并且对于同一种材质的可视测量微管，其可测量的液体的类型也更多。

温度传感器组件包括：位于可视测量微管107的微通道前端的第一温度传感器111和位于可视测量微管107的微通道后端的第二温度传感器112。由该第一温度传感器111和第二温度传感器112的平均值可以得到待测液体的温度。由于动力粘度μ_l和表面张力σ均是与温度相关的参数，因此，获得了测量温度，则计算得到动力粘度μ_l和表面张力σ即是该温度对应的动力粘度μ_l和表面张力σ。

需要说明的是，本实施例包括两个温度传感器，本发明并不以此为限。而在本发明其他实施例中，也可以仅采用一个温度传感器，或者在当前温度已知的情况下，省略温度传感器，同样能够实现本发明。

液膜厚度测量装置109的功能是测量微通道内Taylor气泡周边微液膜的厚度。目前已有许多高精度的光学测量方法和仪器，比如常用的激光共焦距位移测量计(LFDM)，测量误差仅为1％，精度高达0.01μm，可精确测量10～600μm量级的液膜厚度。

本领域技术人员应当清楚，除了激光共焦距位移测量计之外，还可以采用椭偏仪等仪器作为液膜厚度测量装置，只要测量精度大于0.1μm即可满足要求。

高速相机110的功能是捕捉通道内Taylor气泡流的瞬时图像，便于数据采集及分析系统113对Taylor流的流速进行分析计算。其中，该高速相机110的拍摄速率应当不小于1000帧/秒。

本实施例中，高速相机110的拍摄速率可达到10000帧/秒，快门速度通常可达到1～10μs的量级；配备CCD镜头可以达到0.01mm甚至更小的测量精度；液膜厚度的测量误差可控制在1％左右。因此，测量误差非常小，远高于普通的测量方法。

为了消除外管壁曲率带来的聚焦误差，液膜厚度测量装置109和高速相机110所对应的可视测量微管107上的外壁面的曲率应当为0，即该外壁面应当为平面，否则测量精度可能会受到影响。

数据采集及分析系统113采集温度传感器(111和112)获取的温度信号以及液膜厚度测量装置109测得的初始液膜厚度δ₀、高速相机110捕捉的Taylor气泡流的瞬时图像。首先，由Taylor气泡流的多个瞬时图像得到气泡流的流速U_b，进而依据式(12～14)由气泡周边初始液膜厚度δ₀、气泡流的流速U_b、可视测量微管107的微通道的内径D、待测液体的密度ρ_l计算当前温度下待测液体的动力粘度μ_l和表面张力σ：

$\frac{{\mathrm{\δ}}_0}{D}=\frac{0.670C{a}^{2/3}}{1+3.13C{a}^{2/3}+0.504C{a}^{0.672}R{e}^{0.589}-0.352W{e}^{0.629}}---\left(12\right)$

式(12)中，D表示可视测量微管107的微通道的内径(D＝2R)；Ca＝μ_lU_b/σ是毛细常数；韦伯数We和雷诺数Re的计算公式为：

$\mathrm{We}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l{U_b}^{2}D}{\mathrm{\σ}}---\left(13\right)$

$\mathrm{Re}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l{U}_{b}D}{{\mathrm{\μ}}_l}---\left(14\right)$

式(12)表示的气泡微液膜厚度δ₀与毛细常数Ca之间的量化关系而设计的测量系统，此关系式是由多种流体在多种流动条件下归纳得到的经验关系式，适用面广，测量精度高。

在式(12)，有两个未知量-待测液体的动力粘度μ_l和表面张力σ。当被测液体的表面张力σ已知时，可以通过一次测量(即一组Taylor气泡流)来获得待测液体的动力粘度μ_l。当被测液体的动力粘度μ_l已知时，可以通过一次测量(即一组Taylor气泡流)来获得待测液体的表面张力σ。当动力粘度μ_l和表面张力σ都未知时，可以通过调节Taylor气泡流参数(待测液体流量和/或填充气体量)，来获得两组Taylor气泡流，而获得两个方程，对该两个方程组成的方程组进行求解，即可同时测量动力粘度μ_l和表面张力σ。

并且，还可以对同一物性做多点多次测量，进一步提高精度，以满足对精度要求较高的科研、尖端技术等领域的测量要求。

需要说明的是，式(12)～式(14)仅为容易理解的形式，在实际计算过程中，可能采用由该式推导出来的其他等同形式，均应包含在本发明的保护范围之内。

可以看出，本实施例基于Taylor两相流这同一个物理现象同时得到被测液体的动力粘度μ_l和表面张力σ，并不是不同测量方法的组合，这样能够更方便的测得动力粘度μ_l和表面张力σ两个参数，而不需要对不同的参数分别进行测量，操作更为简便。

以下介绍本实施例液体参数测量系统的工作流程。

图9为图6所示液体参数测量系统的工作流程图。请参照图8和图9，该工作流程包括：

步骤A：产生Taylor气泡流；

本实施例中，首先，注满待测液体的注射器102连接到系统管路之后，驱动电机101启动，推动注射器102中的液体经过第一调节阀103、第一三通管106，流入可视测量微管107；其次，打开压缩气瓶104，并调节第二调节阀105的开度，使气体缓慢注入第一三通管106，与注射器102中流出的待测液体混合，形成稳定的Taylor气泡流。

步骤B：将Taylor气泡流通入可视测量微管107的微通道，由液膜厚度测量装置109测量微通道内气泡周边初始液膜厚度δ₀；由高速相机110捕捉微通道内Taylor气泡流的多幅瞬时图像；由温度传感器111、112测量被测液体的平均温度，被测液体最终流入回收容器108回收；

步骤C：数据采集及分析系统113由Taylor气泡流的多个瞬时图像得到气泡流的流速U_b；

步骤D：数据采集及分析系统113依据式(12～14)由气泡周边初始液膜厚度δ₀、气泡流的流速U_b、可视测量微管107的微通道的内径D、待测液体的密度ρ_l计算当前温度下待测液体的动力粘度μ_l和/或表面张力σ。

需要说明的是，本实施例步骤A中，是先开启驱动电机使被测液体流入可视测量微管107，然后再在其中添加气泡，形成稳定的Taylor气泡流。而在本发明其他实施例中，此步骤可以由以下步骤代替：先开启压缩气瓶104，使空气充满可视测量微管107，然后再启动驱动电机101，推动注射器中102的被测液体流动，在第一三通管106中与空气混合形成稳定的Taylor两相流，同样能够实现本发明。

至此，本实施例液体参数测量系统介绍完毕。

二、第二实施例

在本发明的第二个示例性实施例中，还提供了另一种液体参数测量系统，其与第一实施例的区别在于，采用了不同的Taylor气泡流产生装置。

图10为根据本发明第二实施例液体参数测量系统中Taylor气泡流产生装置的结构示意图。如图10所示，本实施例中，Taylor气泡流产生装置包括：压缩气瓶201；储液器203，其压力口通过第三调节阀202连接至压缩气瓶201的出口；第二三通管206，其第一直通接口通过第四调节阀204连接至储液器203的液体出口，其旁通接口依次通过第五调节阀205和第三调节阀202连接至压缩气瓶201，其第二直通接口作为Taylor气泡流的出口。

本实施例与第一实施例相比，驱动电机101由压缩气瓶201来代替；压缩气瓶201一方面为被测液体的流动提供动力，另一方面可以提供稳定的填充气泡。注射器102由储液器203代替。

在测量时，开启第三调节阀202，然后分别调节第四调节阀204、第五调节阀205，压缩气瓶内的气体将储液器203内的待测液体压入第二三通管206，该待测液体与压缩气瓶流出的气体在第二三通管206内混合，形成Taylor气泡流，由第二三通管206的第二直通接口输出。

本实施例的工作过程与第一实施例类似，不再重复给出。

三、第三实施例

在本发明的第三个示例性实施例中，还提供了另一种液体参数测量系统，其与第一实施例的区别在于，采用了不同的可视测量微管。

图11为根据本发明第三实施例液体参数测量系统中可视测量微管的截面示意图。本实施例中，可视测量微管107由如图11所示的微方管+微圆管+填充介质的结构来代替。

此时，为了减小激光束连续折射造成的叠加误差，填充介质的折射率必须尽量与微方管和微圆管的折射率相同(两者材料折射率之差小于0.1)，如：微方管和微圆管为派热克斯玻璃时(其折射率为1.474)，填充介质可采用甘油(其折射率为1.47)。

四、第四实施例

第一至第四实施例的可视测量微管的内侧均为圆形，但本实施中，可视测量微管的内侧还可以是其他具有两条及以上对称轴的轴对称截面形状，比如矩形、方形、椭圆形等，可以采用相似的理论分析方法得到如下计算通式：

$\frac{{\mathrm{\δ}}_0}{D}=a+\frac{b\·C{a}^{2/3}}{1+c\·C{a}^{2/3}+d\·C{a}^{m}R{e}^n-e\·W{e}^p}---\left(15\right)$

其中，a，b，c，d，e、m，n，p为与可视测量微管107的微通道的形状相关的参数。

(1)对于直径为D的圆形微通道，其内径应当小于1.5mm，式(15)中各参数取值如下：

a＝0，b＝0.67，c＝3.13，d＝0.504，e＝0.352

m＝0.672，n＝0.589，p＝0.629

其中，此时，公式(15)与公式(12)相同；

(2)对于高宽高比的矩形微通道，如宽高比W/D≥20、高度D≤0.5mm时，式(12)可采用与内径为D的微圆管相同的系数，但式(13)、式(14)中的特征尺度D必须改为窄矩形微通道的水力直径D_h：

$D_h=\frac{4A}{U}=\frac{2(W\×D)}{W+D};\mathrm{We}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l{U_b}^2{D}_h}{\mathrm{\σ}};\mathrm{Re}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l{U}_b{D}_h}{{\mathrm{\μ}}_l}---\left(16\right)$

式(15)中各参数取值与圆形微通道相同，具体如下：

a＝0，b＝0.67，c＝3.13，d＝0.504，e＝0.352

m＝0.672，n＝0.589，p＝0.629。

(3)对于边长为D的方形微通道，其当量直径应当小于1.5mm。需要测量的δ₀为微方管边角处的微液膜厚度，即δ_{0_corner}，如图12所示。式(15)中各系数取值如下：

a＝0.243，b＝2.43，c＝7.28，d＝0，e＝0.255，p＝0.215

对于其他形状，可以由类似的方法推导得出，此处不再详细说明。只是，为了计算的精确性考虑，优选地，可视测量微管内侧的形状为圆形。

其中，当动力粘度μ_l和表面张力σ其中之一未知时，通过一组Taylor气泡流的测量值依据所述计算公式计算未知参数；或当动力粘度μ_l和表面张力σ均未知时，通过两组不同的Taylor气泡流的测量值构建关于所述计算公式的方程组，通过求解该方程组计算动力粘度μ_l和表面张力σ。

至此，已经结合附图对本发明多个实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明液体参数测量的系统及方法有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：采用除圆形或方形之外的其他形状作为可视测量微管的内侧形状；采用除上述两实施例中Taylor气泡产生装置之外的其他装置来产生Taylor气泡等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

综上所述，本发明基于Taylor两相流这同一个物理现象同时得到被测液体的动力粘度μ_l和表面张力σ，系统结构简单，测量方便，精度更高，具有极高的推广应用价值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种液体参数测量系统，其特征在于，包括：

Taylor气泡流产生装置；

可视测量微管(107)，其具有一微通道，该微通道的前端与所述Taylor气泡流产生装置相连通；

相机(110)，设置于所述可视测量微管(107)的径向外围；以及

液膜厚度测量装置(109)，设置于所述可视测量微管(107)的径向外围；

其中，所述Taylor气泡流产生装置生成待测液体的Taylor气泡流，该Taylor气泡流流经所述可视测量微管(107)的微通道，所述液膜厚度测量装置(109)透过可视测量微管测量微通道内气泡周边初始液膜厚度δ₀，所述相机(110)透过可视测量微管捕捉微通道内气泡流动的多个瞬时图像。

2.根据权利要求1所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述Taylor气泡流产生装置包括：驱动件，注射器(102)，压缩气源和第一三通管(106)；

所述驱动件顶住所述注射器(102)的活塞芯杆的后端；所述第一三通管(106)的第一接口连接至所述注射器(102)的出口，其第三接口连接至所述压缩气源的出口，其第二接口作为Taylor气泡流的出口；

所述注射器(102)注入被测液体；所述驱动件推动所述注射器(102)的活塞芯杆运动，挤压待测液体流出，进入第一三通管(106)；该待测液体与压缩气源流出的气体在第一三通管(106)内混合，形成Taylor气泡流，由所述第一三通管(106)的第二接口输出。

3.根据权利要求2所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述驱动件为驱动电机(101)。

4.根据权利要求2所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述Taylor气泡流产生装置还包括：

第一调节阀(103)，设置于所述注射器(102)的出口与所述第一三通管(106)的第一接口之间；和/或

第二调节阀(105)，设置于所述压缩气源和所述第一三通管(106)的第三接口之间。

5.根据权利要求1所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述Taylor气泡流产生装置包括：

压缩气源；

储液器(203)，其压力口连接至所述压缩气源的出口；以及

第二三通管(206)，其第一接口连接至所述储液器(203)的液体出口，其第三接口连接至所述压缩气源的出口，其第二接口作为Taylor气泡流的出口；

其中，所述压缩气源内的气体将所述储液器(203)内的待测液体压入所述第二三通管(206)，该待测液体与压缩气源流出的气体在第二三通管(206)内混合，形成Taylor气泡流，由所述第二三通管(206)的第二接口输出。

6.根据权利要求5所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述Taylor气泡流产生装置还包括：

第三调节阀(202)，设置于所述压缩气源的出口与所述储液器(203)的压力口之间；

第四调节阀(204)，设置于所述储液器(203)的液体出口与第二三通管(206)的第一接口之间；

第五调节阀(205)，设置于所述第二三通管(206)的第三接口与所述第三调节阀(202)之间。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述压缩气源为压缩气瓶(104)或气泵。

8.根据权利要求1所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述可视测量微管上与所述相机(110)、液膜厚度测量装置(109)相对的外壁面为平面。

9.根据权利要求1所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述可视测量微管的微通道的横截面呈具有两条及以上对称轴的轴对称形状。

10.根据权利要求9所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述可视测量微管的微通道的横截面为：

圆形，其直径小于1.5mm；

方形，其当量直径小于1.5mm；或

矩形，其宽高比W/D≥20，且高度D≤0.5mm。

11.根据权利要求10所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述可视测量微管的微通道的横截面为圆形，所述可视测量微管：

为外方内圆的透明玻璃管，或

包括：微方管；位于微方管内的微圆管，及填充于所述微方管和微圆管之间的填充介质；其中，所述微方管和微圆管的材料相同，所述填充介质材料的折射率与所述微方管材料的折射率之差小于0.1。

12.根据权利要求1所述的液体参数测量系统，其特征在于，还包括：

数据采集及分析装置(113)，与所述相机(110)和液膜厚度测量装置(109)相连接，其利用所述相机(110)捕捉气泡流动的多个瞬时图像得到气泡的表观流速U_b，进而利用可视测量微管(107)的微通道的内径D、待测液体的密度ρ_l、气泡周边初始液膜厚度δ₀、气泡的表观流速U_b计算待测液体的动力粘度μ_l和/或表面张力σ。

13.根据权利要求12所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述数据采集及分析装置(113)根据以下计算公式计算待测液体的动力粘度μ_l和/或表面张力σ：

$\frac{{\mathrm{\δ}}_0}{D}=a+\frac{b\·{\mathrm{Ca}}^{2/3}}{1+c\·{\mathrm{Ca}}^{2/3}+d\·{\mathrm{Ca}}^m{\mathrm{Re}}^n-e\·{\mathrm{We}}^p}$

其中：Ca为毛细常数：Ca＝μ_lU_b/σ；

We为韦伯数： $\mathrm{We}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l{U_b}^{2}D}{\mathrm{\σ}};$

Re为雷诺数： $\mathrm{Re}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l{U}_{b}D}{{\mathrm{\μ}}_l};$

其中，a，b，c，d，e、m，n，p为与所述可视测量微管(107)的微通道的横截面形状相关的参数。

14.根据权利要求13所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述可视测量微管(107)的微通道为圆形微通道，其内径小于1.5mm，所述计算公式中各参数的取值如下：

a＝0，b＝0.67，c＝3.13，d＝0.504，e＝0.352

m＝0.672，n＝0.589，p＝0.629。

15.根据权利要求13所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述可视测量微管(107)的微通道为方形微通道，其当量直径小于1.5mm，所述计算公式中，气泡周边初始液膜厚度δ₀为方形微通道边角处的微液膜厚度，即δ_{0_co reer}，各参数的取值如下：

a＝0.243，b＝2.43，c＝7.28，d＝0，e＝0.255，p＝0.215。

16.根据权利要求13所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述可视测量微管(107)的微通道为高宽高比的矩形微通道，其宽高比W/D≥20，且高度D≤0.5mm，

其中，所述韦伯数We和雷诺数Re的计算式中，所述微通道的内径D为该矩形微通道的水力直径D_h：

$\mathrm{We}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l{U_b}^2{D}_h}{\mathrm{\σ}};$

$\mathrm{Re}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l{U}_b{D}_h}{{\mathrm{\μ}}_l};$

其中： $D_h=\frac{4A}{U}=\frac{2(W\×D)}{W+D};$

计算公式中各参数的取值如下：a＝0，b＝0.67，c＝3.13，d＝0.504，e＝0.352，m＝0.672，n＝0.589，p＝0.629。

17.根据权利要求13所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述数据采集及分析装置(113)中：

当动力粘度μ_l和表面张力σ其中之一未知时，通过一组Taylor气泡流的测量值依据所述计算公式计算未知参数；或

当动力粘度μ_l和表面张力σ均未知时，通过两组不同的Taylor气泡流的测量值构建关于所述计算公式的方程组，通过求解该方程组计算动力粘度μ_l和表面张力σ。

18.根据权利要求1至6、8至17中任一项所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述液膜厚度测量装置的测量精度大于0.1μm；所述相机(110)的拍摄速率不小于1000帧/秒。

19.根据权利要求18所述的液体参数测量系统，其特征在于，所述液膜厚度测量装置(109)为激光共焦距位移测量计或椭偏仪。

20.根据权利要求1至6、8至17中任一项所述的液体参数测量系统，其特征在于，还包括：

温度传感器(111、112)，设置于所述可视测量微管(107)的微通道的前端和/或后端；和/或

回收容器(108)，连接于所述可视测量微管(107)的微通道的后端。