CN108279187A - 流体粘度的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体粘度的测试装置及方法，其中测试装置包括参考流体箱、待测流体箱、毛细管、阀门、量筒以及计时器；所述参考流体箱用于注入参考流体，所述待测流体箱用于注入待测流体；所述毛细管连接在所述参考流体箱和待测流体箱下端，所述阀门设置在所述毛细管上，在所述毛细管的出口设置所述量筒；所述计时器用于记录参考流体经所述毛细管流入量筒的时间和待测流体经所述毛细管流入量筒的时间。在粘度测试过程中，待测量少，同时温控系统可以对流体的温度进行调节，能满足不同温度下流体的粘度测试，具有结构简单、操作方便、快捷、测试结果准确等优点，适用于测量溶液粘度小于1200cP的牛顿流体。

Description

流体粘度的测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，具体是流体粘度的测试装置和方法。

背景技术

粘度是流体的基本物性参数之一，而且对于诸多行业的生产过程或生产环节具有重要影响(如化工、医学、食品和冶金等)，因此，粘度的测量研究对于满足生产过程的需求具有重要的实际价值。目前，基于不同的测量原理，很多可用于粘度测量的方法已被广泛提出，如毛细管法、落球法、振动法、平板法、旋转法和重力法等，其中一些粘度计已逐渐商业化。然而，这些传统的粘度测量方法存在结构复杂，造价高，不能实时改变待测流体的温度等问题。为了满足不同温度下流体的粘度测量，现有的粘度测试计所使用的温度控制方法是通过将样品杯置于水浴中，再用温度探针测试温度，使用该方法不仅使得实验步骤变得繁杂，流体在移除水浴后的温度也会产生较大的误差，导致最终的测试结果误差变大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种流体粘度的测试装置及方法，实现对待测流体进行温度控制，并快速、高效、准确的测量出牛顿流体的粘度。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

一种流体粘度的测试装置，其特征在于：包括参考流体箱、待测流体箱、毛细管、阀门、量筒以及计时器；所述参考流体箱用于注入参考流体，所述待测流体箱用于注入待测流体；所述毛细管连接在所述参考流体箱和待测流体箱下端，所述阀门设置在所述毛细管上，在所述毛细管的出口设置所述量筒；所述计时器用于记录参考流体经所述毛细管流入量筒的时间和待测流体经所述毛细管流入量筒的时间。

所述毛细管管径为0.5mm-2.0mm，具体的尺寸可视牛顿流体的粘度而定，牛顿流体的粘度不超过1200cP。

还包括用于加热所述参考流体箱和待测流体箱的温控系统以及监测所述毛细管内流体温度的温度传感器。

所述温控系统包括制冷片、稳压源以及正负极切换开关；所述制冷片设置在所述参考流体箱和待测流体箱的箱体壁面内；所述稳压源经所述正负极切换开关与所述制冷片连接，通过所述正负极开关进行控制制冷片对流体进行加热或者冷却。

在所述参考流体箱和待测流体箱壁面上设置有翅片。

所述温度传感器为热电偶。

一种流体粘度的测量方法，其特征在于：使用已知各温度下的粘度与密度的标准流体作为参考流体，通过实验测得时间项和待测流体的密度，根据公式以计算出待测流体的粘度，粘度测试步骤包括：

将参考流体与待测流体分别注入到参考流体箱与待测流体箱；

对参考流体和待测流体同时进行加热或冷却；

监测参考流体和待测流体的温度；当参考流体和待测流体达到所需的温度时，同时打开参考流体箱与待测流体箱的毛细管的阀门，得到流出相同容积V时参考流体所用的时间t₁和待测流体所用的时间t₂；

对量筒进行称重，质量为m₁，对装有流体容积为V的量筒进行称重，质量为m₂，根据ρ＝(m₂-m₁)/V计算出待测流体的密度ρ₂；

根据计算出待测流体的粘度，其中，μ₁为参考流体的粘度；μ₂为待测流体的粘度；ρ₁为参考流体的密度。

本发明流体粘度的简化测试装置及方法，不同于传统粘度测试理论，是基于毛细管内层流流动沿程损失推导而来的，该方法的原理是两个相同容积的装置内流体沿着相同管径的毛细管流出相同容积V(V可取20ml-40ml)的流体时，压损基本一致，由毛细管内层流流动沿程损失与伯努利方程可以推导出粘度比等于两种流体的密度和时间的乘积的比值。

有益效果

本发明涉及一种流体粘度的简化测试装置及方法，以期在需求测试牛顿流体不同温度的条件下，完成流体粘度的测量。整个装置所使用的材料以及制备过程非常简单，转移利用的可操作性很强，另外，在测试过程中所需要的样品量少，并且测试时间短，分析计算的过程相对简单，最终测试结果的误差相对较小，适用于测量溶液粘度小于1200cP的牛顿流体。

附图说明

图1为粘度简易测试装置。

图2为液面观测装置。

图3为毛细管受力分析图。

图中：1-正负极切换开关；2-稳压源；3-翅片；4-液面观测口；5-流体入口；6-流体出口；7-制冷片；8-参考流体箱；9-待测流体箱；10-热电偶；11-阀门；12-量筒；13-隔板；14-毛细管；15-刻度线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实例进行更进一步的详细说明，以使本发明的优点和特征能够更易于被本领域技术人员理解：

如图1所示，一种流体粘度的测试装置，包括粘度测试系统与温控系统。粘度测试系统包括参考流体箱8、待测流体箱9、毛细管14、阀门11、量筒12以及计时器。温控系统包括制冷片7、稳压源2、翅片3、正负极切换开关1以及热电偶10。温控系统中由制冷片7对流体的温度进行升(降)温。

参考流体箱8与待测流体箱9对称布置，由隔板隔开，制冷片7嵌入在箱体壁面内，为流体的加热(冷却)提供热源(冷源)。参考流体箱8和待测流体箱9璧上均匀布置满翅片3，将制冷片7不能为流体提供热(冷)的那一面能量及时散出，才能保证紧靠流体层的那一面温度足够高或足够低，同时还能避免箱体温度过高或过低。参考流体箱8与待测流体箱9上端均设置有流体入口5，下端均设置有流体出口6，方便流体的注入、排出以及箱体的清洗，为了使得每次测试时所用流体容积相同，箱体外壁上端还有液面观测装置。

粘度测试系统基于推导公式各温度下参考流体的粘度与密度已知。使用温控系统调控好流体温度，打开阀门11，流体从毛细管14中流入量筒12，观察量筒12内溶液的体积，当达到规定的容积时，分别记录参考流体和待测流体所用的时间t₁,t₂，多次测试取平均值。对干净量筒进行称重，质量为m₁，对装有流体容积为V的量筒进行称重，质量为m₂，根据ρ＝(m₂-m₁)/V可以计算出待测流体的密度；

制冷片对流体进行加热或者冷却是通过正负极开关进行控制的，正负极切换后，制冷片的加热片和冷端也会相应的切换，而所述的制冷片的加热(或冷却)温度可由稳压源进行调控，流体箱内的流体温度则由热电偶进行实时监测。

翅片均匀布置在流体箱壁面上，当制冷片紧靠流体的一面作为制冷端时，另一面则为加热端，如果温度过高会导致制冷片损坏，同时也会对制冷端的温度产生影响。翅片的使用增大了流体箱壁面的散热面积，可以提高换热效率，避免对制冷片的结构以及制冷端的温度产生影响，同时还可以避免流体箱壁面温度过高。反之，当制冷片紧靠流体的一面为加热端时，另一面则属于制冷端，翅片的存在可以避免流体箱壁面温度过低。

液面观测装置为U型管结构的透明装置，分别布置在参考流体箱与待测流体箱壁面上端相同的位置处，可以通过U型管内流体的位置判断出箱内流体的液面高度。

毛细管的管径介于0.5mm-2.0mm之间，具体的尺寸可视牛顿流体的粘度而定，牛顿流体的粘度不超过1200cP，当流体粘度较小时，可选用较细的管径，当流体粘度较大时，选用较大的管径，可参考表2进行毛细管选择。其材料可为金属、合金、高分子化合物或是复合材料。

表2

毛细管径mm	动力粘度测试范围cP
		0.6	2-16
0.8	7-35
		1	20-100
1.2	50-200
		1.5	100-500
2	300-1200

本发明流体粘度的测试方法，步骤为：

首先关闭参考流体箱8和待测流体箱9的出口阀门，将所用的标准流体从流体箱入口5注入参考流体箱，待测流体注入到待测流体箱。根据待测流体所需的温度，打开正负极切换开关1和稳压源2，通过正负极切换开关决定制冷片对流体进行加热或者冷却，使用稳压源调节电压的大小可以对流体的温度进行调控，利用布置在毛细管14入口旁的热电偶10对流体的温度进行监控。待热电偶显示温度达到待测流体所需温度时，同时打开参考流体与待测流体毛细管处的阀门11以及计时器，观测流体流入量筒12的体积，当达到所需体积(一般20ml-40ml)时，用计时器记录两种流体流出相同体积时所用的时间，再用电子秤测量出待测流体的重量，根据ρ＝m/V计算出待测流体的密度。由于参考流体在各温度下的粘度和密度是标准已知量，最后根据推导公式计算出待测流体的粘度。

由于毛细管径与管内平均流速均较小，根据雷诺数的表达式可知牛顿流体在毛细管内的流动属于圆管内层流流动，此外，毛细管管径均匀，断面形状与大小都保持不变，流体在管内的层流流动符合均匀流动的特征，因此只考虑沿程损失，不考虑局部损失。

首先，取垂直毛细管进行受力分析图，如图3所示，该毛细管径为d，在该毛细管内取一管长为l，半径为r的圆柱体微元，流体沿着x方向流动，在该流向上，微元体所受的作用力有：

重力：ρgπr²cosα

端面压力：p₁πr²，p₂πr²

管壁切力：τ·l·2πr

其中，p₁、p₂——所取毛细管段上下断面同一选定点的压强；τ——微元体侧面切应力，方向与流体流向相反；r——微元体圆管半径；由于该管段垂直布置，所以cosα＝1。

流体在毛细管内的流动属于均匀流动，流体质点沿x方向作等速运动，流体流速仅沿r方向变化，如图所示，因此，沿x方向的圆柱微元体所受的合力为零，考虑到各力的作用方向，得平衡方程

p₁πr²-p₂πr²+ρgπr²lcosα-τl2πr＝0 (1)

将牛顿内摩擦定律代入式(1)并化简，可得

由于两个毛细管长度及管径基本一致，所以在流体流动过程中，Δp+ρgl的值不随r的变化而改变，积分上式，并带入边界条件：r＝R时，速度u＝0，得

其中，Δp＝p₁-p₂；R为毛细管半径。由于牛顿流体的粘性阻力作用，使流体流动过程中出现能量损失，建立所取毛细管段之间的能量方程为：

在毛细管内，流体流体流动符合均匀流动的特点，即α₁v₁ ²/2g＝α₂v₂ ²/2g，h_l＝h_f。

代入上式，整理可得

联立式(3)和式(5)，整理得

式中，Z₁、Z₂——所取毛细管段上下端面任一点相对于毛细管出口处的高度；α₁、α₂——所取毛细管段上下端面的动能修正系数，当毛细管内流速分布均匀时，α＝1；v₁、v₂——所取毛细管段上下端面的平均流速；h_l1-2——所取毛细管断面间的平均单位能量损失；h_f——沿程水头损失。

于是得出，在毛细管内做均匀层流流动的流体，毛细管有效截面上的流速呈抛物线规律分布，当r＝0时，即在管轴上，达最大速度

将式(6)代入平均流速定义式

得平均流速为

根据式(8)，得

Q_v为流体流过毛细管的流量，A为毛细管截面面积，d为毛细管直径，λ为沿程阻力系数，理论值为λ＝64μ/ρvd。联立式(9)和式(5)，得

在测试流体粘度的过程中，参考流体与实验流体所使用的装置一样，即毛细管进出口高度与压力基本保持一致，说明Δp₁+ρ₁gl＝Δp₂+ρ₂gl，令Δp＝Δp+ρgl，则

又因为毛细管长与管径相同，当流出相同容积的流体时，v₁/v₂≈t₂/t₁，这里的v₁、v₂分别为参考流体与待测流体流出毛细管的速度。整理可得

图2为液面观测装置，是呈U型管结构的透明装置，安装在参考流体箱和待测流体箱壁面上端相同的位置处，在管侧相同的位置处有一根刻度线15，用来保证箱体内具有相同容积的流体。

为了证明本发明一种流体粘度的测试装置及方法的可行性，使用纯水作为标准流体，99％的乙醇溶液和2％的PVA溶液作为待测流体，这三种流体的密度以及粘度均为已知。假设99％的乙醇溶液和2％的PVA溶液粘度未知，通过粘度测试装置将参考流体和待测流体的温度控制在20℃，然后对流体进行多次试验，记录流出相同容积V的流体时，所耗的时间t，然后对其求平均值，最终计算出99％的乙醇溶液和2％的PVA溶液的粘度，与标准粘度进行比较，如表1所示：

表1

结果显示误差能够控制在很小的范围内，完成对粘度测试装置的验证。

Claims (7)

1.一种流体粘度的测试装置，其特征在于：包括参考流体箱、待测流体箱、毛细管、阀门、量筒以及计时器；所述参考流体箱用于注入参考流体，所述待测流体箱用于注入待测流体；所述毛细管连接在所述参考流体箱和待测流体箱下端，所述阀门设置在所述毛细管上，在所述毛细管的出口设置所述量筒；所述计时器用于记录参考流体经所述毛细管流入量筒的时间和待测流体经所述毛细管流入量筒的时间。

2.根据权利要求1所述的流体粘度的测试装置，其特征在于：所述毛细管管径为0.5mm-2.0mm，具体的尺寸可视牛顿流体的粘度而定，牛顿流体的粘度不超过1200cP。

3.根据权利要求2所述的流体粘度的测试装置，其特征在于：还包括用于加热所述参考流体箱和待测流体箱的温控系统以及监测所述毛细管内流体温度的温度传感器。

4.根据权利要求3所述的流体粘度的测试装置，其特征在于：所述温控系统包括制冷片、稳压源以及正负极切换开关；所述制冷片设置在所述参考流体箱和待测流体箱的箱体壁面内；所述稳压源经所述正负极切换开关与所述制冷片连接，通过所述正负极开关进行控制制冷片对流体进行加热或者冷却。

5.根据权利要求3所述的流体粘度的测试装置，其特征在于：在所述参考流体箱和待测流体箱壁面上设置有翅片。

6.根据权利要求5所述的流体粘度的测试装置，其特征在于：所述温度传感器为热电偶。

7.一种流体粘度的测量方法，其特征在于：使用已知各温度下的粘度与密度的标准流体作为参考流体，通过实验测得时间项和待测流体的密度，根据公式以计算出待测流体的粘度，粘度测试步骤包括：

将参考流体与待测流体分别注入到参考流体箱与待测流体箱；

对参考流体和待测流体同时进行加热或冷却；

监测参考流体和待测流体的温度；当参考流体和待测流体达到所需的温度时，同时打开参考流体箱与待测流体箱的毛细管的阀门，得到流出相同容积V时参考流体所用的时间t₁和待测流体所用的时间t₂；

对量筒进行称重，质量为m₁，对装有流体容积为V的量筒进行称重，质量为m₂，根据ρ＝(m₂-m₁)/V计算出待测流体的密度ρ₂；

根据计算出待测流体的粘度，其中，μ₁为参考流体的粘度；μ₂为待测流体的粘度；ρ₁为参考流体的密度。