CN108507905A - 一种利用液滴喷射的微量流体粘度测量技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用液滴喷射的微量流体粘度测量系统及方法，该系统包括：气压控制单元、驱动单元和液滴测速单元；驱动单元包括电控制器、喷嘴、压电模块和液体容器；压电模块根据电控制器发出的控制信号挤压喷嘴从而喷射出液滴；气压控制单元连接至液体容器，向喷嘴内的液体提供平衡气压；驱动单元在不施加驱动力时喷嘴内充满液体且内部液面底部与喷嘴出口平齐的平衡状态；液滴测速单元用于测量液滴喷射速度。本发明的方法利用上述装置的平衡条件及测得的液滴喷射速度求取液体表面张力，进而算出根据液滴产生的临界值根据该临界值与稳定性的对应关系，求取流体粘度。本发明操作简单、成本低，利于推广使用。

Description

一种利用液滴喷射的微量流体粘度测量技术

技术领域

本发明属于粘度测量领域，更具体地，涉及一种利用液滴喷射技术的、针对微量目标流体的粘度测量方法。

背景技术

粘度是流体的基本物理性质之一，也是研究流体运动规律的基本参数之一。粘度测量技术在实验室及工业中都有着非常广泛的应用。传统的粘度测量方法包括毛细管测量、旋转测量和振动测量等。传统的毛细管测量具有设备简单、操作简便等特点，它是通过测试一定流体通过毛细管的流速以及两端的压力差来得到粘度的一种方法。旋转测量方法是目前得到商用比较多的一种方法，它的测量范围宽、操作简单，通过将转子浸入待测液体中测量其扭矩来得到流体的粘度，主要用于测量牛顿流体的粘度。振动测量具有精度高、控温方便等特点，通过振动频率与振幅得到振动过程中能量与粘度之间的关系。

随着研究领域的拓宽、新兴技术的不断出现与发展，粘度测量技术逐渐走向高精度和微剂量，同时对非牛顿流体、超低粘度流体以及高温流体等特殊流体的粘度测量也吸引了很多学者的注意。另外，结合其他传统或新兴技术来测量流体的粘度开启了新的研究思路，能够提高原方法的利用率和普及率。

粘度测量的微量化是粘度测量技术改进的重点。传统的粘度测量往往需要浪费大量的原材料，仅仅测粘度对于一些比较昂贵的原材料来说是得不偿失的。中国发明专利申请公开说明书CN 1501061A“微量液体粘度测量方法及其装置”中公开了一种微量液体粘度的测量方法。设备使用了微米管道、温度传感器、压力检测部件及光学显微镜等间接测量出待测流体的粘度。整套设备虽然仅需少剂量的待测流体并且测量误差比较小，但单元的结构复杂，参与的部件如微米管道价格昂贵。对比其效益，调控成本与金钱成本消耗过多。在美国专利申请公开说明书US7770436B2中也公开了一种利用微型流变仪来测量微米级样品体积的流体粘度和弹性的方法。微流动管道通过几何变化形成一个排列了单片制造的压力传感器阵列的收缩区域，压力传感器在流道的均匀长度中探测压力间接测量流体粘度。这种微剂量测量流体粘度的方法同时可以测量流体的弹性等参数，但其缺点是设备过于精密，压力传感器的阵列分布的均匀程度非常影响其测量精度，对操作人员要求过高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用液滴喷射的微量流体粘度测量系统，其目的在于，利用现有的液滴喷射装置，直接搭建测量平台，在简化设备、降低成本及操作难度的同时，完成微量流体粘度测量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种利用液滴喷射的微量流体粘度测量系统，包括：气压控制单元、驱动单元和液滴测速单元；

气压控制单元中包括提供正压的空压机、提供负压的负压机、气压控制器；驱动单元包括电控制器、喷嘴、压电模块和液体容器；

空压机和负压机分别通过管路连接气压控制器，于气压控制器的负压调节阀处汇合调压后，通过接入管路连接至液体容器；液体容器为密封容器，在接入管路提供的气压下通过引出管路将内部液体压出至喷嘴；压电模块安装于喷嘴上，且连接电控制器，根据电控制器发出的控制信号挤压喷嘴从而喷射出液滴；驱动单元在不施加驱动力时喷嘴内充满液体且内部液面底部与喷嘴出口平齐的平衡状态；

液滴测速单元用于测量液滴喷射速度。

进一步地，液滴测速单元包括频闪灯和CCD相机；

频闪灯、CCD相机分布于液滴喷射路径两侧，且频闪灯、正对CCD相机设置；频闪灯连接电控制器，电控制器用于控制频闪灯和压电模块以相同的频率闪光和挤压喷嘴；CCD相机获取图像的频率与频闪灯的闪光频率相同，在频闪灯闪光的同时同步获取液滴图像。

进一步地，液滴测速单元还包括红外光源和光强控制器，红外光源用于CCD相机观察环境时提供光源，光强控制器用于根据环境亮度调节红外光源的光强。

进一步地，还包括三维位移模块，用于固定和调节相机的位置。

进一步地，还包括称重仪，放置在液体容器下方，用于液体容器及其内部液体的称重，液体容器标示有容量。

进一步地，还包括计算机，与电控制器和CCD相机相连；计算机用于根据电控制器的驱动频率和CCD相机获取的液体图像计算出液滴速度。

进一步地，还包括用于过滤液体中颗粒杂质和气泡的过滤器，该过滤器连接在引出管路与喷嘴之间。

进一步地，气压控制器输出的气压范围在-0.1MPa与0.45MPa之间。

为了实现上述目的，本发明还提供了基于上述微量流体粘度测量系统的微量流体粘度测量方法，包括如下步骤：

(1)在未提供驱动力的状态下，喷嘴上方提供的负压抵消了喷嘴内液体的重力及毛细作用的表面张力，得到平衡关系如下：

其中，σ为液体的表面张力，r是喷嘴出口的半径，θ是液体接触角，P_b是喷嘴上方提供的负压，ρ是液体密度；h为不施加驱动力时喷嘴内充满流体并保持内部液面与喷嘴出口平齐的平衡状态下，喷嘴内部液面的高度；

由式(1)求得液体的表面张力σ；

(2)液滴的产生由稳定到不稳定过渡的临界值Pj与判定液滴稳定性的指标Z如下：

Pj＝v·dt/D (3)

其中，v为液滴的速度，dt为驱动脉冲宽度，D为喷嘴出口直径，l为特征长度，l＝D；μ为流体的粘度，σ为步骤(1)求得的表面张力；

在施加驱动产生液滴的过程中，改变脉冲宽度dt能够观察到液滴的产生由稳定到不稳定过渡，根据式(3)取其临界时的Pj值，对照Pj与Z的映射关系曲线获得对应的Z值，代入式(4)即可得到流体的粘度μ。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明无需购买现有技术中的高昂设备，在一般实验室原有液滴喷射设备基础上即可进行改良，并达到测量微量流体粘度的目的；

2、该实验设备的测速对象为喷射的液滴，一般实验条件下单个液滴的体积并不大，因此仅需非常少量的液体即可测出液体的粘度，大大节约原材料；

3、CCD相机获取图像与频闪灯同步，在高频率下可获得清晰的液滴叠加图像，同时具有极高的测速精度；

4、本发明附带测量了流体的密度与表面张力值，在一些条件不允许的情况下可以作为有效参考，节约专门为粘度测量花费的调控成本与设备成本。

附图说明

附图1是本发明的实验设备结构示意图；

附图2是实验总结的两个无量纲参数间的曲线关系。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本微量流体粘度测量技术利用的是一套测试液滴喷射机理的实验装置。气压控制单元中包括一个提供正压的空压机1、一个提供负压的负压机2、减压阀3、调压阀4、一个精密的气压控制器5、背压调节阀6与一系列连接管路。气压控制器5输出的气压范围在-0.1MPa与0.45MPa之间，显示的气压单位为mmHg。驱动单元包括一个电控制器11、喷嘴9及喷嘴上的压电模块10和液体容器7。称重仪8置在液体容器7下方。气压控制单元通过细管连接到液体容器7上方，另一根用于传输流体的细管一端插入液面下，一段连接在喷嘴9上方。电控制器11通过施加一定频率的脉冲信号通过压电模块10转化为位移信号挤压喷嘴9的外壁产生液滴。液滴测速单元内包含一个频闪灯16、一个CCD相机13、一个红外光源14与一个光强控制器15。本实施例中CCD相机放大镜的焦距为65mm，拍摄的有效像素(Pixel)为1280×960。计算机12与电控制器11和CCD相机相连13，用于接收各测试数据、发出控制指令以及根据接收的数据和已知的数据进行各种运算。

过滤器(未标号)连接在从液体容器7出来的细管与喷嘴间，过滤流体中颗粒杂质和气泡。液体容器7顶盖内设有密封圈(未图示)，实现容器密封。三维位移模块(未图示)起到固定和调节位移作用，方便移动喷嘴位置及有效调节镜头的焦距。

频闪灯16、CCD相机13、压电模块10触发频率相同，在频闪的同时液滴射出且CCD相机13同步拍照，通过调节该触发频率，即可通过CCD相机13获得清晰的液滴连续位移图像，从而根据一定时间间隔图像上的液滴位移变化计算出液滴射出速度。

下面介绍本发明的测量原理及方法：

本发明利用了现有的一套液滴喷射设备进行改进，结合已知的曲线关系(如图2，该曲线关系可以先行实验测得)，测量出微量流体粘度。实验设备主要由气压控制单元、驱动单元和液滴测速单元组成。气压控制单元给输入一定体积待测流体的液体容器上方提供一个用于平衡的负压P_b，待测流体体积为V，液体容器下方的称重仪称出除固定装置重量外流体的纯重量G。根据体积与重量首先获得了流体的密度值ρ。驱动单元在不施加驱动力时喷嘴内充满流体并保持内部液面与喷嘴出口平齐的平衡状态，喷嘴内部液面的高度为h。对喷嘴部分进行力的分析可知喷嘴上方提供的负压抵消了喷嘴内流体的重力及毛细作用的表面张力。可得到这样一个平衡关系为：

其中σ为流体的基本物性之一表面张力，r是喷嘴管道的半径，θ是接触角，在这里由于流体与喷嘴出口平齐因此cosθ＝1。由这个公式我们可以得到流体的表面张力值。

如附图2所示，无量纲参数Pj与液滴喷射领域用于判定液滴稳定性的指标Z有一个近似的曲线关系：

Pj＝f(Z) (2)

Pj＝v·dt/D (3)

其中，v为液滴的速度，dt为驱动条件中的脉冲宽度，D为喷嘴直径，l为特征长度，这里使用喷嘴直径，μ为流体的粘度。在施加驱动产生液滴的过程中，改变脉冲宽度dt能够观察到液滴的产生由稳定到不稳定过渡。取其临界时的Pj值对应曲线中的Z值，代入Z的定义中即可得到流体的粘度。

通常具有明显稳定喷射临界的流体的Z值位于曲线的左半部分，因此在该区间内两个无量纲参数可以视为是一一对应关系。

下面是本发明的一个应用实例。

配制乙醇：甘油＝200：1的乙醇甘油混合液。测得混合密度为790kg/m³，表面张力为0.07N/m。利用实验装置进行液滴喷射，得到其稳定与不稳定的临界参数为dt＝43μs，测得临界状态时液滴的运动速度为1.1m/s，喷嘴直径为80μm.因此得到Pj＝1.1*43/80＝0.59125，对应图2得到此时Z＝5，代入Z的定义式中可计算出流体粘度约等于13.3cp。该实验设备喷射的液滴直径在100μm左右，单个液滴的体积在400pl左右，因此仅需非常少量的液体即可测出液体的粘度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用液滴喷射的微量流体粘度测量系统，其特征在于，包括：气压控制单元、驱动单元、称重仪和液滴测速单元；

气压控制单元中包括提供正压的空压机(1)、提供负压的负压机(2)、气压控制器(5)；驱动单元包括电控制器(11)、喷嘴(9)、压电模块(10)和液体容器(7)；

空压机(1)和负压机(2)分别通过管路连接气压控制器，于气压控制器(5)的负压调节阀(6)处汇合调压后，通过接入管路连接至液体容器(7)；液体容器(7)为密封容器，在接入管路提供的气压下通过引出管路将内部液体压出至喷嘴(9)；压电模块(10)安装于喷嘴(9)上，且连接电控制器(11)，根据电控制器(11)发出的控制信号挤压喷嘴(9)从而喷射出液滴；驱动单元(11)在不施加驱动力时喷嘴(9)内充满液体且内部液面底部与喷嘴(9)出口平齐的平衡状态；

液滴测速单元用于测量液滴喷射速度。

2.如权利要求1所述的一种利用液滴喷射的微量流体粘度测量系统，其特征在于，液滴测速单元包括频闪灯(16)和CCD相机(13)；

频闪灯(16)、CCD相机(13)分布于液滴喷射路径两侧，且频闪灯(16)、正对CCD相机(13)设置；频闪灯(16)连接电控制器(11)，电控制器(11)用于控制频闪灯(16)和压电模块(10)以相同的频率闪光和挤压喷嘴(9)；CCD相机(13)获取图像的频率与频闪灯(16)的闪光频率相同，在频闪灯(16)闪光的同时同步获取液滴图像。

3.如权利要求2所述的一种利用液滴喷射的微量流体粘度测量系统，其特征在于，液滴测速单元还包括红外光源(14)和光强控制器(15)，红外光源(14)用于CCD相机(13)观察环境时提供光源，光强控制器(15)用于根据环境亮度调节红外光源(14)的光强。

4.如权利要求2所述的一种利用液滴喷射的微量流体粘度测量系统，其特征在于，还包括三维位移模块，用于固定和调节相机(13)的位置。

5.如权利要求1～4任意一项所述的一种利用液滴喷射的微量流体粘度测量系统，其特征在于，还包括称重仪(8)，放置在液体容器(7)下方，用于液体容器(7)及其内部液体的称重，液体容器(7)标示有容量。

6.如权利要求1～5任意一项所述的一种利用液滴喷射的微量流体粘度测量系统，其特征在于，还包括计算机(12)，与电控制器(11)和CCD相机(13)相连；计算机(12)用于根据电控制器(11)的驱动频率和CCD相机(13)获取的液体图像计算出液滴速度。

7.如权利要求1～6任意一项所述的一种利用液滴喷射的微量流体粘度测量系统，其特征在于，还包括用于过滤液体中颗粒杂质和气泡的过滤器，该过滤器连接在引出管路与喷嘴(9)之间。

8.如权利要求1～7任意一项所述的一种利用液滴喷射的微量流体粘度测量系统，其特征在于，气压控制器(5)输出的气压范围在-0.1MPa与0.45MPa之间。

9.基于权利要求1～8任意一项所述的微量流体粘度测量系统的微量流体粘度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在未提供驱动力的状态下，喷嘴上方提供的负压抵消了喷嘴内液体的重力及毛细作用的表面张力，得到平衡关系如下：

其中，σ为液体的表面张力，r是喷嘴出口的半径，θ是液体接触角，P_b是喷嘴上方提供的负压，ρ是液体密度；h为不施加驱动力时喷嘴内充满流体并保持内部液面与喷嘴出口平齐的平衡状态下，喷嘴内部液面的高度；

由式(1)求得液体的表面张力σ；

(2)液滴的产生由稳定到不稳定过渡的临界值Pj与判定液滴稳定性的指标Z如下：

Pj＝v·dt/D (3)

其中，v为液滴的速度，dt为驱动脉冲宽度，D为喷嘴出口直径，l为特征长度，l＝D；μ为流体的粘度，σ为步骤(1)求得的表面张力；

在施加驱动产生液滴的过程中，改变脉冲宽度dt能够观察到液滴的产生由稳定到不稳定过渡，根据式(3)取其临界时的Pj值，对照Pj与Z的映射关系曲线获得对应的Z值，代入式(4)即可得到流体的粘度μ。