CN106461525B - 粘度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及粘度测量方法。尤其涉及一种粘度测量方法，包括：（i）在没有振动的静态状态下获取液滴的影像的步骤；（ii）利用振动器振动上述液滴并获取上述液滴沿水平方向扩展最多或沿垂直方向扩展最多的动态状态的影像的步骤；（iii）从在上述（i）步骤和（ii）步骤获得的影像获得上述液滴界面的静态曲率变化率和动态曲率变化率的步骤；及（iv）将上述液滴界面的静态曲率变化率和动态曲率变化率之比代入相对于上述振动器进行补正的交互方程式中以求得上述液滴的粘度的步骤。

Description

粘度测量方法
技术领域
本发明涉及粘度测量方法。尤其涉及一种粘度测量方法，包括：(i)在没有振动的静态状态下获取液滴的影像的步骤；(ii)利用振动器振动上述液滴并获取上述液滴沿水平方向扩展最多或沿垂直方向扩展最多的动态状态的影像的步骤；(iii)从在上述(i)步骤和(ii)步骤获得的影像获得上述液滴界面的静态曲率变化率和动态曲率变化率的步骤；及(iv)将上述液滴界面的静态曲率变化率和动态曲率变化率之比代入相对于上述振动器进行补正的交互方程式中以求得上述液滴的粘度的步骤。
背景技术
流体的粘度(viscosity)是指对于流动的流体的抵抗尺度。即粘度是指移动的流体的内部摩擦。在数学上粘度用对垂直于流体的流动方向的速度倾斜度的单位面积的切线方向的摩擦力的比率表示。
粘度计(viscometer)是用于测量流体的粘度的仪器，现在使用较多的粘度计是毛细管粘度计、旋转式粘度计等。对上述粘度计的测量原理及功能简单说明如下：
旋转式粘度计是通过测量运动中的液体对圆筒或圆盘产生的抵抗力来测量液体的粘度的仪器。旋转式粘度计适合于测量中间剪切率区域的粘度，但不适合于测量零剪切率粘度。
毛细管粘度计是通过测量正常流动状态的液体的质量流量和压力下降量并利用泊肃叶(POISEUILLE)定律测量粘度的仪器。但是，在使用毛细管粘度计测量粘度时，因粘度与毛细管的直径的四次方成长比，因此需要对毛细管进行非常精密的校准(calibration)。
尤其是，在需要使用一次性毛细管的血液粘度测量的情况下，难以对所有一次性毛细管进行精密的校准，而且还存在对校准之后的毛细管进行彻底清洗的问题。若不对毛细管进行校准，则事实上无法确保血液粘度测量值的准确性。
上述现有技术的机械方式的粘度测量方法因使用过多的液体和污染问题，尤其不适合于诊断和检查装置。
基于影像的粘度测量方法，液体的使用量少，花费少，可进行快速测量，但难以准确测量。其原因是当利用液滴的固有频率测量粘度时，上述液滴的固有频率几乎不受粘度的影响。另外，当利用液体的振幅测量粘度时，上述液滴的振幅不仅受粘度的影响，还受液滴的体积、表面张力、密度、振动器的振幅等的影响，因此无法准确补正上述变量，因此准确的粘度测量非常难。
本发明人着眼于振动状态的液滴的动态曲率变化率和静态曲率变化率之比只受液体粘度影响的特点完成了本发明。
发明内容
技术课题
本发明的目的在于提供一种粘度测量方法，包括：(i)在没有振动的静态状态下获取液滴的影像的步骤；(ii)利用振动器振动上述液滴并获取上述液滴沿水平方向扩展最多或沿垂直方向扩展最多的动态状态的影像的步骤；(iii)从在上述(i)步骤和(ii)步骤获得的影像获得上述液滴界面的静态曲率变化率和动态曲率变化率的步骤；及(iv)将利用下述数学式(3)求得的上述液滴界面的静态曲率变化率和动态曲率变化率之比代入下述数学式(4)的相对于上述振动器进行补正的交互方程式中以求得上述液滴的粘度的步骤。
解决技术问题的方法
本发明的目的是这样实现的：提供一种粘度测量方法，包括：(i)在没有振动的静态状态下获取液滴的影像的步骤；(ii)利用振动器振动上述液滴并获取上述液滴沿水平方向扩展最多或沿垂直方向扩展最多的动态状态的影像的步骤；(iii)从在上述(i)步骤和(ii)步骤获得的影像获得上述液滴界面的静态曲率变化率和动态曲率变化率的步骤；及(iv)将利用下述数学式(3)求得的上述液滴界面的静态曲率变化率和动态曲率变化率之比代入下述数学式(4)的相对于上述振动器进行补正的交互方程式中以求得上述液滴的粘度的步骤。
在本发明的方法中，上述液滴挂在振动器机构或放在振动盘上。拍摄通过上述振动机构或振动盘振动的液滴，以获得上述液滴沿水平方向扩展最多或沿垂直方向扩展最多的状态的影像。没有振动的静态状态的液滴影像可在获得上述动态状态的影响之前或之后获得。
之后，在静态状态的液滴影像获得静态状态的液滴界面的曲率变化率，使用所有动态状态的液滴影像或使用其中的一个影像获得上述液滴的动态状态的曲率变化率。
利用这样获得的曲率变化率，向相对于上述振动器进行补正的交互方程式中代入上述液滴的静态状态及动态状态的曲率变化率求得上述液滴的粘度。
本发明的方法可适用于各种液体，尤其是体液。具体而言，上述体液可以是血液、小便等体液。
发明效果
根据本发明的方法，可非常容易、准确、快速地测量液体的粘度。尤其是，本发明的方法可用于如血液的粘度测量等诊断及检查领域。
附图说明
图1为根据本发明的一个方面测量粘度的振动的液滴示意图；
图2在根据液体的体积的固有频率中的液滴的振幅变化示意图；
图3在根据液体的体积的固有频率中的液滴的动态曲率变化率示意图；
图4为在根据液体的表面张力的固有频率中的液滴的动态曲率变化率变化示意图；
图5在根据液体的表面张力的固有频率中的液滴的动态曲率变化率和静态曲率变化率之比的变化示意图。
最佳实施方式
下面，结合附图对本发明进行详细说明。但是，对如下附图的说明，只是对具体的实施方式进行的特定的说明，而非利用所记载的内容限定或重新解释本发明的权利范围。
本发明的利用液滴的动态曲率变化率和静态曲率变化李之比的粘度测量方法通过分析液滴的界面形状获得粘度测量所需的信息。
静态状态的液滴的界面形状为表面张力(σ)和界面的曲率(κ)产生毛细管力(σκ)和由液滴和外部空气的密度差(Δρ)产生的高度(z)成比例产生的水头压力(Δρgz)达到平衡时的形状。这可用如下数学式(1)的静态力学拉普拉斯方程表示。
在上述数学式(1)中，为高度方向的界面的曲率变化率，而下标s表示静态状态。从拍摄静态状态的液滴所获得的界面的形状计算曲率变化率并将其代入数学式(1)求得表面张力和密度差之比。从界面形状获得曲率变化率的方法有数值解释法、微扰法或利用液滴的宽度和高度的方法等各种方法。
根据本发明的粘度测量方法，在固有频率下振动液滴并瞬间拍摄振动的液滴分析液滴的界面形状。液滴可以是挂在振动的机构的形式(pendent drop)，也可以是放在振动的盘上的形式(sessile drop)。在振动的过程中，液滴重复垂直扩展(prolate)之后水平扩展(oblate)的过程，此时，拍摄变形的液滴分析界面形状，即可获得动态状态的液滴界面的曲率变化率。将上述动态状态的液滴曲率变化率打入下述数学式(2)，则可求得具有与表面张力相同单位的新的参数(σd)。
在上述数学式(2)中，下表d表示动态(dynamic)状态。这样求得新的参数不是表示现有的物理性质，在本说明书中将其定义为动态曲率张力(dynamic curvature tension)。
动态曲率张力随液滴的粘度灵敏变化之外，不对所使用的液滴的体积变化几乎不产生影响。另外，在所使用的液滴的表面张力发生变化时，动态曲率张力也发生变化，但下述数学式(3)中所定义的动态曲率张力和静态状态下的实际表面张力之比(σd/σ)几乎不发生变化，只对粘度产生影响。如下述数学式(3)所示，其值将与动态曲率变化率和静态曲率变化率之比相同，从而成为与液体的粘度、表面张力及重力无关的无因次数。
因此，利用本发明的粘度测量方法时，对测量时使用的振动器的振幅通过补正测量根据粘度的曲率变化率之比
之后，将其保存为下述数学式(4)的预先补正的交互方程式。
另外，测量新的流体的粘度时，在静态状态下通过分析液滴的界面形状获得在振动状态下通过分析液滴的界面形状获得并通过对振动器预先补正的交互方程式，即数学式(4)，不受所使用的液滴的体积变化和表面张力变化的影响而测得准确的粘度。
在本发明的方法中，为了验证曲率变化率之比和粘度的关系是否不受所使用的液体的体积变化和表面张力变化的影响，对各参数进行了参数研究(parametric study)。
但是，因事实上通过实验各自改变作为对液滴的振动产生影响的因素的粘度、表面张力、体积等，因此利用数值解释模拟液滴的振动并独立改变各因素观察期影响。
首先，为了考察体积的影响，将表面张力为0.06N/m的流体的体积改变为9μL、10μL、11μL的同时，比较振动结果。
如图1所示，观察液滴的振幅可知，液滴的振幅随粘度变化，而对所使用的液滴的体积也敏感地发生变化。与此相反，如图2所示，动态曲率张力虽然对粘度敏感地发生变化，但几乎不受所使用的液滴的体积的影响。
接着，为了考察表面张力的影响，将10μL的液滴表面张力改变为0.054N/m、0.06N/m、0.066N/m的同时，比较振动结果。
如图3所示，动态曲率变化随表面张力敏感地发生变化。与此相反，如图4所示，动态曲率张力和表面张力之比虽然对粘度敏感地发生变化，但几乎不受表面张力的影响。

Claims (4)

1.一种粘度测量方法，包括：(i)在没有振动的静态状态下获取液滴的影像的步骤；(ii)利用振动器振动上述液滴并获取上述液滴沿水平方向扩展最多或沿垂直方向扩展最多的动态状态的影像的步骤；(iii)从在上述(i)步骤和(ii)步骤获得的影像获得上述液滴界面的静态曲率变化率和动态曲率变化率的步骤；及(iv)将利用下述数学式(3)求得的上述液滴界面的静态曲率变化率和动态曲率变化率之比代入下述数学式(4)的相对于上述振动器进行补正的交互方程式中以求得上述液滴的粘度的步骤，
其中，Δρ为液滴和外部空气的密度差，g为重力加速度，κ为界面的曲率，z为由液滴和外部空气的密度差产生的高度，d表示动态状态，s表示静态状态，f表示函数关系。
2.根据权利要求1所述的粘度测量方法，其特征在于：上述液滴挂在振动器机构或放在振动盘上。
3.根据权利要求1所述的粘度测量方法，其特征在于：上述液滴为体液。
4.根据权利要求3所述的粘度测量方法，其特征在于：上述体液为血液。
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