CN111504854B

CN111504854B - 一种牛顿流体粘度的温差型测量装置及测量方法

Info

Publication number: CN111504854B
Application number: CN202010285024.1A
Authority: CN
Inventors: 万志军; 王骏辉; 杨壮壮; 张源; 程敬义; 童政
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2020-04-13
Filing date: 2020-04-13
Publication date: 2021-12-31
Anticipated expiration: 2040-04-13
Also published as: CN111504854A

Abstract

本发明公开了一种牛顿流体粘度的温差型测量装置及测量方法，该装置包括流体恒温控制装置和流体粘度测量装置，对实验室中流体流动‑传热装置的基本部件进行改造，并结果流体流动过程中能量耗散特性来测量粘度，是对现有设备的充分优用；结合能量守恒定律及塞贝克效应建立方程，将微小温差转变成热电势并将信号放大，基于此提出牛顿流体粘度的温差型测量方法，填补了粘度测量领域的空白。更具体的，给出中低速和高速流体的粘度测量方法和计算公式。

Description

一种牛顿流体粘度的温差型测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种牛顿流体粘度的温差型测量装置及测量方法，属于流体力学及传热学领域。

背景技术

粘度ν(单位：Pa·s)是评价流体动量传输、热量传输过程的重要参数，

其中，τ为剪切应力，

为剪切速率(或流速梯度)。微观上，粘度是流体内部相邻分子间摩擦特性的一种表示，宏观上，粘度是流体粘滞性的一种量度。粘度是流体的固有属性，一般情况下，流体粘度ν只与温度T有关。

牛顿流体的N-S方程为

可以看出，基于动量方程进行理论计算是很困难的，尤其当流体为紊流时(惯性项

不可忽略)。所以，国内外粘度主要通过实验工具进行直接或间接测量，从粘度定义出发有两种思路，其一是固定剪切应力测剪切速率，其二是固定剪切速率测剪切应力。基于以上两种思路研究出的粘度计，其原理包括以下几种：1.基于力学的直接测量，如毛细管法(乌氏、品氏和奥氏粘度计)、落球法、旋转法(圆柱式、圆盘式、圆锥式)、振动法(包括扭转振动式、振动片式、振动盘式、振动弦式)，这些方法对于传感器的粘度传递函数基本上都建立了明确的数学模型，现在市场上的粘度计几乎都是基于上述这些测量原理。2.基于声(超声波)、光(光散射、近红外光谱法、光纤光栅)、电、磁(电磁驱动力与电磁层析成像)等的间接测量，其原理为建立所测信号与粘度的间接表征关系。3.近年来，随着精密测试、智能仪器、微纳制造、传感器及计算机技术的快速发展，粘度测量技术也出现一些新的方法，比如，MEMS法(微悬臂梁、声表面波法)、微流变学方法、激光散射法、光镊方法等，但这些方法大多仅应用于实验室，并少有商业化。

除了上述2中描述的力学、声学、光学、电学和磁学性能外，热学也是流体重要的性能指标。上述已有的粘度测量原理中，并没有涉及温差型粘度测量方法，主要有以下两个原因：1.流体流动过程中，粘度虽然是影响热量传输的因素，但是粘度不同造成的能量传递的差异并不好测量出来；2.目前有的实验装置水平并不能很好的满足微小温差测量的要求。

国内外高校及研究机构针对流体流动-传热的试验装置进行了大量研究，这些装置的基本部件包括恒流泵、恒温装置、加载装置、渗流釜、渗流管路、监测单元等，利用这些部件进行改造并结合流体性质完全可以对流体的粘度进行测量。另外，随着传感器精度发展和测量方法的改进牛顿流体粘度温差型测量方法将会填补粘度测量领域的空白。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于能量守恒及塞贝克效应的牛顿流体粘度的温差型测量装置及测量方法，该装置及方法可以测量不同温度下牛顿流体的粘度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种牛顿流体粘度的温差型测量装置，包括：流体恒温控制装置和流体粘度测量装置，所述流体恒温控制装置包括：

恒温水浴箱，所述恒温水浴箱中放置有预热存水部件和第一螺旋盘管，所述预热存水部件的入水口通过连接管连接至外部的注水部件，预热存水部件的出水口与第一螺旋盘管的入口连接，第一螺旋盘管的出口引出至恒温水浴箱外部；

加热部件，设置在所述恒温水浴箱内；

温度测量部件，设置在所述第一螺旋盘管的出口处；

阀一，设置在所述预热存水部件的入水口与所述注水部件之间的连接管道上；

阀二，设置在所述第一螺旋盘管引出至恒温水浴箱外部的末端；

所述流体粘度测量装置包括：

恒温箱体、第二螺旋盘管、压力传感器、环境测温温控装置以及温差测量装置，其中，所述第二螺旋盘管的螺旋盘管沿所述恒温箱体高度方向设置在所述恒温箱体内部，并且，所述第二螺旋盘管具有粗糙的盘管内表面；

所述压力传感器布置在所述第二螺旋盘管的入口和出口处；

所述环境测温温控装置设置在恒温箱体内部，用于监测并保持恒温箱体内温度；

所述温差测量装置包括P型半导体材料、N型半导体材料、微伏级电压信号放大器和电位计，其中，所述PN型半导体材料连接为PN结，一端与所述第二螺旋盘管入口连接，一端与第二螺旋盘管的出口连接；

所述微伏级电压信号放大器用于将5-45μV范围内的电压信号V精准放大为V₁；

所述电位计对放大后的温差电动势进行采集；

所述第二螺旋盘管的入口通过管道与所述第一螺旋盘管引出至恒温水浴箱外部的部分连接；

阀三，设置在第二螺旋盘管的入口和第一螺旋盘管引出至恒温水浴箱外部部分的连接管道上；

阀四，设置在第二螺旋盘管的出口处。

所述第二螺旋盘管中部有一段非导体材料管段。

所述预热存水部件包括多个耐压大容积密闭容器单元，多个耐压大容积密闭容器单元之间通过管道串接。

所述加热部件为平铺在恒温水浴箱底板上的多根加热管，加热管上方架设隔离孔板，所述预热存水部件和盘管坐设在隔离孔板上。

本发明进一步公开了一种牛顿流体粘度的温差型测量方法，基于所述的装置，包括以下步骤：

对于中低速牛顿流体，比如流速为Q₁ml/min：

若测量某种牛顿流体在温度T₁下的粘度υ，要经过以下步骤，

S1、打开阀一、阀二，关闭阀三，将低温T₀的牛顿流体经过第一螺旋盘管水浴增温至恒定温度T₁并经阀二流出系统，同时，对恒温箱体升温至T₁并保持恒温；

S2、关闭阀二，打开阀三、阀四，并同时关闭恒温箱体使得环境测温温控装置只测温不控温，通过注水部件使牛顿流体以中低速(Q₁ml/min)恒流流过第二螺旋盘管；

S3、恒温箱体和第二螺旋盘管构成的系统达到平衡后，测量第二螺旋盘管出入口的压降ΔP＝P₁-P₂、温差ΔT_F＝T₂-T₁，同时，测量恒温箱体环境的温升

热电势为V，则液体粘度为：

上式中，f为描述中低速流体粘度和流固界面对流换热系数之间关系的函数；g为重力加速度；Z₁、Z₂分别表示第二螺旋盘管入口和出口的基准平面高度；ρ表示流体密度；P₁、P₂表示第二螺旋盘管入口和出口的流体压力；c表示流体比热容；m为流体的质量流量；V表示热电势；α为热电材料的塞贝克系数；T₃为恒温箱体和第二螺旋盘管达到热平衡后的环境温度；

为恒温箱体和第二螺旋盘管达到热平衡后螺旋盘管内流体的平均温度，这里取(T₁+T₂)/2；

对于高速流体，比如流速为Q₂ ml/min：

S4、在第二螺旋盘管外喷涂或布置高阻热材料；

S5、打开阀一、阀二，关闭阀三，将低温T₀的流体经过恒温水浴箱增温至恒定温度T₁并经阀二流出系统，同期，对恒温箱体升温至T₁并保持恒温；

S6、关闭阀二，打开阀三、阀四，并同时关闭恒温箱体使得环境测温温控装置只测温不控温，通过注水部件使流体以高速(Q₂ ml/min)恒流流过第二螺旋盘管；

S7、恒温箱体和第二螺旋盘管构成的系统达到平衡后，测量第二螺旋盘管出入口的压降ΔP＝P₁-P₂、温差ΔT_F＝T₂-T₁，热电势为V，则液体粘度为：

上式中，i为描述高速流体粘度与系统总机械能耗散之间关系的函数；c表示流体比热容；m为流体的质量流量；V表示热电势；α为热电材料的塞贝克系数；

上述两种速度牛顿流体测试之前，都要用标准液体进行试验，绘制工况表，建立标准液体在相同流速、入口温度为T₁条件下的粘度υ₀-热电势V₀关系，然后对于被测液体的粘度为υ＝(V·υ₀)/V₀。

所述注水部件包括恒压恒流双缸泵和连接在恒压恒流双缸泵入口上的冷水容器，所述恒压恒流双缸泵的出口通过连接管连接到预热存水部件的入口。

还包括设在恒温水浴箱箱壁外侧的水循环控制箱，所述水循环控制箱中设有水循环泵，所述水循环泵的吸水口通过管线连通至恒温水浴箱箱壁上开设的吸水孔，水循环泵的泵出口通过管线连通至恒温水浴箱箱壁上开设的泵出孔。

所述恒温水浴箱内壁上设有热电偶，热电偶与恒温水浴箱外侧设置的显示屏Ⅰ电连接；

所述温度测量部件为温度传感器，所述温度传感器与恒温水浴箱外侧设置的显示屏Ⅱ电连接。

所述恒温水浴箱内壁上设有热电偶，恒温水浴箱外设有温度控制单元，所述温度控制单元的控制端与加热部件的开关电连接，温度控制单元的输入端与热电偶信号连接。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.对实验室中流体流动-传热装置的基本部件进行改造，包括流体恒温控制装置和流体粘度测量装置。利用上述装置并结合流体流动过程中能量耗散特性来测量牛顿流体的粘度，不仅对现有设备进行了充分优用，而且对测量方法进行了创新。

2.结合能量守恒定律及塞贝克效应建立方程，将微小温差转变成热电势并将信号放大，基于此提出牛顿流体粘度的温差型测量方法，填补了粘度测量领域的空白。更具体的，本发明还给出中低速和高速流体粘度测量的方法和公式。

附图说明

图1牛顿流体粘度温差型测量装置结构示意图；

图2为恒温水浴箱内部结构图；

图3为耐压大容积密闭容器Ⅰ、耐压大容积密闭容器Ⅱ和盘管的连接示意图；

图4为测量原理图；

图5为恒温水流在第二螺旋盘管内的流线示意图

图中，1.阀一，2.阀二，3.阀三，4.阀四，10.恒温水浴箱，11.加热管，12.隔离孔板，10-1.吸水孔，10-2.循环泵泵出孔，13.热电偶，10-3.安装孔，14.温度传感器，15.显示屏Ⅰ，16.显示屏Ⅱ，17.开关，20.预热存水部件，21.耐压大容积密闭容器Ⅰ，22.耐压大容积密闭容器Ⅱ，23.第一螺旋盘管，23-1.钢条，31.恒压恒流双缸泵，32.冷水容器，33.连接管，40.水循环控制箱，41.水循环泵，50.流体粘度测量装置，51.恒温箱体，52.环境测温控温装置，53.第二螺旋盘管，54.非导体材料段，55.P型半导体材料，56.N型半导体材料，57.微伏级电压信号放大器，58.电位计。

具体实施方式

下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明一种牛顿流体粘度温差型测量装置的技术方案作进一步详细说明。

本发明一种牛顿流体粘度的温差型测量装置，包括流体恒温控制装置及流体粘度测量装置50。

所述流体恒温控制装置包括：

恒温水浴箱10，所述恒温水浴箱中放置有预热存水部件和第一螺旋盘管23，所述预热存水部件的入水口通过连接管连接至外部的注水部件，预热存水部件的出水口与第一螺旋盘管的入口连接，第一螺旋盘管的出口引出至恒温水浴箱10外部；

加热部件，设置在所述恒温水浴箱内；

温度测量部件，设置在所述第一螺旋盘管23的出口处；

阀一1，设置在所述预热存水部件的入水口与所述注水部件之间的连接管道上；

阀二2，设置在所述第一螺旋盘管引出至恒温水浴箱外部的末端；

所述的流体粘度控制装置50包括恒温箱体51、第二螺旋盘管53及设置在第二螺旋盘管出、入口处的温差测量装置。

所述的恒温箱体51包括环境测温控温装置52，能够给箱体内提供预设的恒温环境T₁，且恒温箱体与外界隔热。

所述的第二螺旋盘管53是内部粗糙的螺旋盘管，材质为304不锈钢，长度足够长，使流体流动过程中产生足够的机械能耗散，其出口和入口处布置高精度压力传感器。

第二螺旋盘管53中部有一段材料54为非导体，因为水等非电解质可以认为是不导电材料，盘管有一段为非导电材料时。电流只在PN型半导体回路中流动，不会短路。

所述温差测量装置包括P型半导体材料55、N型半导体材料56、微伏级电压信号放大器57、电位计58，其中，PN型半导体材料连接为PN结，一端与第二螺旋盘管53入口连接，一端与第二螺旋盘管53出口连接，两种半导体组成闭合回路时，若两接头处存在温度差，则回路中将产生温差电动势V，这种热电效应称为塞贝克效应，热电动势V＝α(T₂-T₁),其中α为塞贝克系数；

第二螺旋盘管53出口和入口的产生的微小温度差本质为流体沿粗糙面流动时机械能的耗散，根据能量守恒定律，损失的机械能转换为内能，一部分通过盘管壁面传给恒温箱50的环境温度中使得内能增加，一部分传给流体内部引起流体内能的增加，这种微小温差的测量通过一般测温装置是无法完成的，本发明利用塞贝克效应，将因温差产生的热电动势信号放大并测量出来。

本文PN型半导体材料构成回路后产生的热电动势大小主要跟材料有关，我们知道，一般金属中的热电势率为几μV/℃,半导体中热电势率为几mV/℃，评价热电材料的热电转换效率指标称为ZT值(热电优值)，即ZT＝α²Tσ/λ,其中T为绝对温度、σ为电导率、λ为导热系数，一般热电材料的ZT值为0.75-1，随着热电材料的发展，热电转换效率越来越高，2019年11月30日，来自奥地利维也纳工业大学的Ernst Bauer教授领衔的团队已经成功研发出ZT值为5-6的热电新材料，该材料是由硅、铁、钒、钨和铝薄层构成。综上，利用塞贝克效应将微小温差测量将随着热电材料的研发而不再困难。

所述的，微伏级电压信号放大器57可以将5-45μV范围内的电压信号V精准放大为V₁，放大信号输出范围为0.25-2.25v，完全满足微伏级采集电路的需要，精度为0.044％。(参考文献：闫岩,行鸿彦.微伏级直流电压信号放大电路设计[J].现代电子技术,2017(14):157-161+165.)

所述的，电位计58对放大后的温差电动势进行采集。

本发明进一步公开了一种牛顿流体粘度温差型测量方法，基于所述牛顿流体粘度的温差型测量装置，其原理如图1和图4所示，要测量某种牛顿流体在温度T₁下的粘度υ，要经过以下步骤：

①打开阀一、阀二，关阀三，将低温T₀的流体经过盘管水浴增温至恒定温度T₁并经阀二流出系统，同期，对恒温箱体51升温至T₁并保持恒温；

②关阀二，开阀三、阀四，并同时关闭恒温箱体51使得52只测温不控温，通过恒流双缸泵31使流体以中低速，恒流流动Q₁ml/min，流过第二螺旋盘管54；

③恒温箱体51和第二螺旋盘管53构成的系统达到平衡后，测量第二螺旋盘管53出入口的压降ΔP＝P₁-P₂、温差ΔT_F＝T₂-T₁，同时，测量箱体环境的温升

对整个过程进行分析：

根据流体力学伯努利方程，流经第二螺旋盘管53的流体满足能量守恒定律，流体在沿程的机械能耗散ΔE，转换为系统的内能U，则

ΔE＝E₁+E₂+E₃

Q₁＝Av₁＝Av₂

h＝f(v,ω,ρ,υ,c,λ₁)

其中，U为系统增加的总内能，U₁和U₂分别和流体和箱体环境增加的内能，Z₁和Z₂为第二螺旋盘管53出入口高度，c为流体比热容，m为流体的质量流量，

为第二螺旋盘管53内流体的平均温度，取出入口温度的平均值。盘管壁面的代表传热能力的对流换热系数h与流体的流速v、粗糙度ω和流体的热物理性质有关,对于本文，v,ω,ρ,c,λ₁是常量，对于不同流体而言h是粘度υ的函数。

因为恒流状态下，相同截面积A的过流速度v₁＝ν₂，系统的机械能损耗ΔE主要包括流体与内壁的摩擦损耗E₁、流体因为粗糙壁面而在边界产生小涡流(图5)的损耗E₂、流体粘度导致的内摩擦损耗E₃，这三部分总机械能损耗ΔE去向包括两部分，一是使流体内能U₁增加，二是通过壁面的对流换热使得恒温箱体51内、第二螺旋盘管53外的环境内能U₂增加。

综上，根据公式可以建立方程：

若热电材料的塞贝克系数为α，则对于中低速流动的牛顿流体的粘度满足下列方程：

上式中的V可以通过微伏级电压信号放大器57放大为V₁.

为实现上述目的，本发明还包括对于高速(恒流流动Q₂ ml/min)，对于高速流体而言，对流换热系数h将足够大近似为一个定值常量，所以上述方法并不可行，针对这种情况，在第二螺旋盘管53外喷涂或布置高阻热材料，使其向外环境传递的内能U₂≈0，此时，因粘度耗散的机械能E₃与总机械能耗散存在函数关系，满足下列方程：

所以，对于高速流条件下的流体的粘度可以表示为：

上述两种方法使用之前，都要用标准液体进行试验标定，绘制不同T₁下的工况情况表，建立标准液体在相同流速、入口温度为T₁条件下的粘度ν₀-热电势V₀关系，然后对于被测液体的粘度ν＝(V·υ₀)/V₀。