CN1847823A - 毛细管桥路粘度计的自动桥路平衡装置和方法 - Google Patents

Abstract

将一个热控平台连接到毛细管桥路粘度计的桥路的一个臂中，使桥路能够被现场平衡以提供精确测量信号。该热控平台包括一缠绕在导热芯核周围的调节毛细管管道部分。一电阻加热器或佩尔捷热电装置被定位成仅仅接近毛细管管道部分。加热器或佩尔捷装置以及毛细管管道部分被置于热绝缘罩壳内。加热器或佩尔捷装置改变毛细管管道部分的温度，从而使其中连接有热控平台的桥路臂的调节毛细管管道部分的流动阻抗发生相应变化。监视并调整调节毛细管管道部分的温度，直到横跨桥路的压差消除为止，藉此来调整桥路平衡。

Description

毛细管桥路粘度计的自动桥路平衡装置和方法

技术领域

【0001】本发明涉及一种桥路(bridge)平衡方法以及一种热控平台，该热控平台被连接在毛细管桥路粘度计的一臂内，以使该臂的温度能够被控制在与其余三臂的温度不同的温度。这样就能让桥路自动平衡，从而提供精确的测量信号。

背景技术

【0002】参考1984年8月7日公告的美国专利第4,463,598号，可得到一个毛细管桥路或桥式粘度计的实例，该粘度计适用于精确地测量某种适当溶剂中溶质的比粘度。这种毛细管桥路粘度计可用于确定聚合物的分子参数，包括摩尔质量和流体动力学半径(hydrodynamicradius)。附图中的图1示出了这种公知的毛细管桥路粘度计。

【0003】获得专利权的上述压差式粘度计包括毛细管桥路50，该桥路必须被平衡以获得精确的测试结果和较广的动态范围。一般利用低脉动色谱泵(chromatography pump)，从容器中将溶剂提供给毛细管桥路50。通常桥路50的灵敏度受限于泵脉动的压力幅度。第一毛细管52和第二毛细管54被串联于供应口60与排出口62之间。第三毛细管64和第四毛细管66被串联于供应口60与排出口62之间。在供应口60和排出口62之间，串联的毛细管52、54和串联的毛细管64、66彼此并联，从而形成一个电子技术中众所周知的惠斯登(Wheatstone)电桥(即电阻式桥路)的流体模拟系统。

【0004】延迟体积装置(delay volume)72被置于桥路50的流体臂中，该延迟体积装置包括毛细管66。延迟体积装置72被构造成具有可忽略的流动阻抗或流阻(flow impedance)，但有较大内部体积。在毛细管桥路50内连接有压差传感器或变换器74，用于在不同流体流过毛细管时测量横跨所述桥路(across the bridge)的压差。另一差动式传感器75被连接于供应口60与排出口62之间，用于测量桥路中从入口到出口的压力。通常，压力传感器74读数为零表明桥路平衡。

【0005】在用机械方法调节桥路50的传统方法中，通过分解或拆开桥路并且精确地截去(或增加)管道长度，来改变桥路的一个流体臂的长度。这通常是乏味费时的。此外，已知有些流体样本(如蛋白质等)会粘到流体管道上，这导致最初的调节随时间而缓慢漂移。在此情况下，必须由操作者清洁和刷洗流体管道，否则的话，就要周期性地重新调节平衡。另一选择就是，只得将粘度计返回给其制造商以进行维护。任一情况下，都要让粘度计暂时退出使用，结果使得流体样本的测试被无效率地拖延。故希望有一种改进的平衡技术，其效果相当于机械平衡，但能够按需要自动地、更为精确地完成平衡，并且无需分解系统。

发明内容

【0006】不是像过去做的那样改变毛细管桥路粘度计的一个流体臂的长度，而是将一独立受控的热平台连接于所述桥路的至少一臂之内，以实现所需平衡。该热平台包括一调节毛细管管道部分，该调节毛细管管道部分缠绕在一导热(例如黄铜或铜)芯核周围。所述芯核以及缠绕在其周围的调节毛细管管道部分在一被隔绝的热罩壳内与桥路的其它流体臂隔离。

【0007】加热器(例如电阻加热器)或佩尔捷(Peltier)热电装置被置于在所述热罩壳内，与所述调节毛细管管道部分保持紧密热接触。在罩壳内还设置有温度探头，以感测毛细管管道部分的温度。在开始时毛细管桥路粘度计的桥路不平衡的情况下，调整给加热器或佩尔捷装置的功率，从而使毛细管管道部分的温度变化(即加热或冷却)。随毛细管的温度上升或下降，毛细管中流体的粘度及流体臂上的相关压降即相应地变化。因此，其中连接着调节毛细管管道部分的流体臂内的压力总和同样变化。在热控平台的热罩壳之内的毛细管管道部分的温度受到监视，直到横跨所述桥路的压差被调节至0为止，由此桥路现在即处于平衡状态，从而使粘度计能够提供精确的测量信号和最大的工作范围。一旦平衡，即使热控调节毛细管的温度保持恒定。

附图说明

【0008】图1示出了对毛细管桥路粘度计来说属常见类型的传统桥路；

【0009】图2示出了一热控平台的细节，该热控平台被添加到图1所示桥路的一臂上，且包括一加热器以实现桥路精确和自动的平衡；

【0010】图3示出了另一热控平台的细节，该热控平台被添加到图1所示桥路的一臂上，且包括一佩尔捷热电装置从而能进行加热或冷却；以及

【0011】图4示出了一可选实施例，其中图1所示桥路的几个臂被独立地热控。

具体实施方式

【0012】本说明书所公开的是一种用于毛细管桥路粘度计的自动桥路平衡方法及装置。已知粘度与温度变化关系密切。因此，设想控制桥路粘度计的流体臂的温度，以确保所测得的压差仅是因样本成分中的变化导致的，而不是由热学原因导致的粘度变化引起的。改进之处在于利用了这种较强的温度依赖性作为调节手段。

【0013】已发现可通过加热或冷却该臂来使桥路平衡，而不是通过机械方法来调节图1中的桥路50以持续保持桥路平衡(这同时也面临着与改变其一个流体臂长度相关的不便与时间延迟)。更特别的是，已发现更有效的方案是加热或冷却桥路的一臂，或桥路的一部分，以实现所需平衡，而不是通过调整流体管道线的长度来调节桥路。

【0014】现参见附图中的图2，其中示出了毛细管桥路粘度计的一个流体管道臂10，其被用来取代图1所示桥路50中连接有前文提到的流体样本延迟体积装置72的那个流体管道臂。根据此优选方案，用一个热控平台来代替图1中桥路50的毛细管管道部分66，该热控平台包含一热调节毛细管管道部分18。新的毛细管管道部分18由具有流动阻抗的导热材料制成。毛细管管道部分18缠绕在导热(例如黄铜或铜)芯核20周围，芯核20与热控平台的热绝缘罩壳22内的其它流体管道臂隔离。尽管在图2中芯核20被显示为一个圆柱体，但应该理解的是，该芯核也可以具有任何其它便于毛细管管道部分18缠绕在其周围、便于加热或冷却装置(下文马上要描述)固定在其上的形状(例如筒形、立方形、平面形等)。同样在这一方面，尽管在图2中毛细管管道部分18的优选实施例被显示为环绕芯核20绕制的线圈，但毛细管管道部分18还可具有其它合适的结构或配置，以使其与芯核20的热接触最大。

【0015】在图2的桥路平衡配置和技术方案中，调节毛细管管道部分18被置于流体样本延迟体积装置72的下游(即更接近于桥路的排出口62)。加热器24(例如电阻加热器)被置于热控平台的热罩壳22之内，以便被固定成紧紧接近芯核20。温度探头26(例如热电偶)也被置于罩壳22内，以便反映毛细管管道部分18的温度。优选地，温度探头26类似于加热器24一样被固定成紧紧接近芯核20，从而能够精确地测量毛细管18的温度。

【0016】开始测量时，要建立穿过粘度计桥路的溶剂流，并一直等到桥路传感器(图1表示为74和75)的输出变稳定。最初，压差传感器74的输出通常不为零，这表明桥路不平衡。引起这种不平衡的因素可能是微小的结构缺陷，或者是由于先前测量的污染作用造成的管道内径变化。或者，可在制造时有意使桥路不平衡，从而能用本说明书所公开的热平衡方法使得桥路可控地达到平衡。

【0017】调整供给加热器24的功率，来改变流体臂10中在热罩壳22内缠绕在芯核20周围的调节毛细管管道部分18的温度。随着温度上升，流过调节毛细管管道部分18的流体的粘度相应下降，且臂10两端的压降相应减小。通过监视横跨图1中桥路50的压差传感器74的输出，来使桥路达到平衡。当传感器74读数为零时，其中连接有臂10的桥路将被适当地平衡。随后通过调整加热器24的输出功率，使温度探头26所测得的温度保持恒定。桥路50现在就准备好接收一个或多个测试样本。在样本完全排出桥路之后，可根据操作者的判断来重新调节系统。

【0018】现在要说明的是，这种平衡桥路的方法不会对测量的精确度产生不良影响。在图1所示的惠斯登电桥流体模拟系统中，流过毛细管的非湍流质量流由岥氏(Poiselle′s)定律给出：

$Q=\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{R\η}}---\left(1\right)$

其中Q是通过每个管道的质量流速率，Δp是管道两端的压力，η是流过管道的流体的粘度，而R是管道的流动阻抗，定义如下：

$R=\frac{8l}{\mathrm{\π}{r}^4}---\left(2\right)$

其中l是管道的长度，而r是管道的内半径。当以桥路50的所有各臂具有相同流动阻抗这种配置连接时，所述桥路粘度计根据两个差动式传感器74和75的测量值，按下式计量比粘度：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{sp}}=\frac{\mathrm{\η}}{{\mathrm{\η}}_0}-1=\frac{4\mathrm{\Δp}}{\mathrm{IP}-2\mathrm{\Δp}}---\left(3\right)$

其中η_sp是比粘度，η是受试样本的粘度，η₀是溶剂粘度，Δp是传感器74的测量值，而IP是传感器75的测量值。

【0019】现给出数学上的考虑因素，以便评估热调节的过程、或在桥路臂中连接不同流动阻抗的效应是否影响了所得测量值的精确度。易于表明，当溶剂流过温度调节的桥路50的所有臂时，在两个传感器74和75中测量到的压力的比值由下式给出：

$\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{IP}}=\frac{1}{1+\frac{R_{52}}{R_{54}}}-\frac{1}{1+\frac{{\mathrm{\η}}_0}{{\mathrm{\η}}_T}\frac{R_{64}}{R_{66}}}---\left(4\right)$

其中η_T是流过热控调节臂R₆₆的溶剂的粘度。当桥路50平衡时Δp＝0，这意味着以下平衡条件：

$\frac{R_{52}}{R_{54}}=\frac{{\mathrm{\η}}_0}{{\mathrm{\η}}_T}\frac{R_{64}}{R_{66}}---\left(5\right)$

其中为简化起见，比值R₅₂/R₅₄≡y。显然，当包含R₆₆的热控平台的温度等同于桥路的其余部分(即η_T＝η₀)时，这就简化为传统惠斯登电桥的平衡条件。当具有粘度η_s的样本被引入粘度计时，该样本流过臂R₆₄、R₅₂、及R₅₄。然而，因为延迟容器72是有溶剂填充的，R₆₆被提供的是处于控制温度、粘度为η_T的溶剂。所以传感器压力的比值现由下式给出：

$\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{IP}}=\frac{1}{1+\frac{R_{52}}{R_{54}}}-\frac{1}{1+\frac{{\mathrm{\η}}_s}{{\mathrm{\η}}_T}\frac{R_{64}}{R_{66}}}---\left(6\right)$

代入y，公式(6)便被简化成：

$\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{IP}}=\frac{1}{1+y}-\frac{1}{1+\frac{{\mathrm{\η}}_s}{{\mathrm{\η}}_0}y}---\left(7\right)$

可求解此简化公式(7)从而得出定义为η_sp≡η_s/η₀-1的比粘度，如下式所示：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{sp}}=\frac{\mathrm{\Δp}{(1+y)}^2}{[\mathrm{IP}-\mathrm{dp}(1+y)]y}---\left(8\right)$

因此，若参数y已知，即可得到比粘度的准确测量值。然而，因为没有制造过程是完美的，参数y通常事先是不知道的，并且难以精确地测量。假定电阻R₅₂≈R₅₄近似相等，可写成y＝1+ε，其中ε是一小参量。在此情况下，公式(8)可被写成：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{sp}}=\frac{4\mathrm{\Δp}}{\mathrm{IP}-2\mathrm{\Δp}}+\frac{4\mathrm{\Δ}{p}^2}{{(\mathrm{IP}-2\mathrm{\Δp})}^2}\mathrm{\ϵ}+O\left({\mathrm{\ϵ}}^2\right)---\left(9\right)$

这是个基本结果。作为选择，相同结果可被写成：

$\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{sp}}\left(\mathrm{\ϵ}\right)}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{sp}}(\mathrm{\ϵ}=0)}=1+\frac{\mathrm{\ϵ}}{4}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{sp}}(\mathrm{\ϵ}=0)+O\left({\mathrm{\ϵ}}^2\right)---\left(10\right)$

其中η_sp(ε＝0)是一个理想桥路所能测量到的比粘度的真实数值。此结果意味着，对于一个非理想桥路来说，若忽略校正项ε，仅会产生量级为εη_sp/4的百分误差。因为在线桥路粘度计所测得的比粘度范围通常远小于1，且桥路通常被制造成ε远小于1，这一误差是二阶量，并且可被安全地忽略。然而，这种分析假定了桥路50已经以上述方式达到热平衡。

【0020】类似于图2所示热控调节平台的存在，还允许差动式粘度计的一种新操作方法。通常，桥路是在样本被引入仪器之前、仅有溶剂流过桥路两侧时进行调节的。随后，当引入样本时，使温度保持恒定。比粘度是依照公式(3)根据前面所述的不平衡压力来测量的。然而，由于本发明的改进，现在改为在样本洗提时，通过调节桥路调节元件(例如毛细管18)的温度来保持桥路平衡是可能的。现调节温度以使压差传感器74读数为零而不达到饱和。在此情况下，桥路与调节长度之间的温差即变成比粘度的度量值，由下式表示：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{sp}}=\frac{1}{{\mathrm{\η}}_0}\frac{\mathrm{d\η}}{\mathrm{dT}}{|}_{T_0}(T-T_0)+O{(T-T_0)}^2---\left(11\right)$

其中，T₀是初始调节温度，T是需要用来保持Δp＝0的与时间相关的温度。这种方法要求温度控制系统能够足够快地改变调节毛细管18的温度，从而总是保持Δp＝0。还要求事先知道新参数 $\frac{1}{{\mathrm{\η}}_0}\frac{\mathrm{d\η}}{\mathrm{dT}}{|}_{T_0}.$

【0021】应认识到，冷却(而不是加热)罩壳22内的芯核20，以增加毛细管18的压降及臂10的总压力，从而微调桥路的平衡，也处于本改进方案的范围。在此情况下，一佩尔捷热电装置，而不是图2中的加热器24，将被设置成与毛细管18和/或芯核20紧密热接触，以相对于其它桥路臂提供对流体臂10中的毛细管18的热调节。更特别的是，参考附图中的图3，该图中显示增加了一传统佩尔捷热电装置23，该装置的一侧与导热芯核20紧密热接触，在热绝缘罩壳22内，在导热芯核23周围盘绕着热调节毛细管18。佩尔捷装置23的相对侧连接到位于罩壳22外部的散热器24，以将多余热量排放到大气中。

【0022】如图3所示的这种佩尔捷装置23同样能够加热和冷却热控毛细管18。佩尔捷装置带来的额外益处是能够将热控毛细管18补偿至接近与桥路其余部分相同的温度，而图2中的加热器24只能将该受控毛细管的温度调节到比桥路其余部分更高的温度。所述加热器方法因而要求受控毛细管与其它情况下平衡所要求的相比，在开始时具有更高流动阻抗，因此所述加热器能将阻抗降低到正确数值。

【0023】在图2和图3所示桥路平衡实施例中，桥路50(图1中的)的包含流体样本延迟体积装置72的单个流体臂10是热控的。在此情况下，包括热调节毛细管18的热控平台被连接于臂10中，且与罩壳22内的其它臂隔离。然而，通过参考附图中的图4所描述的方式来热控桥路50-1的多个臂，也在本发明的范围内。那就是说，作为本发明的可选实施例，具有相等流动阻抗的其它热调节毛细管(图4中标记为52、54及64)可被连接到桥路50-1的相应的其它流体臂中，并且用与以上所述相同的方式来调节温度。在此情况下，就会有两个独立受控热平台。第一个独立受控平台包括毛细管52、54及64，位于热控空间76内。第二个独立受控平台包括前述毛细管18，位于热控空间22内。相关控制参数是两个平台22和76之间的温差。通过相同方式，桥路的稳定性因毛细管52、54及64的流动阻抗不受环境温度变化的影响而得到了提高。

【0024】最后，尽管可以整个地热调节一个桥路臂，但是仅热调节这些桥路臂其中一个中的一段也是可能的。控制臂的其余部分被热锚定或稳定到其它桥路臂。通过这种方式，可以将意外进入控制平台的热噪声的影响减至最小，但上文的分析并不改变。

Claims (24)

1.一种毛细管桥路粘度计，其具有一桥路，该桥路用于接收溶剂且包括第一对串联连接的流体管道臂和第二对串联连接的流体管道臂，所述第二对流体管道臂与所述第一对串联连接的流体管道臂并联连接于流体供应口与流体排出口之间；以及一热控平台，其被连接到所述流体管道臂中的一个流体管道臂内，用以平衡所述桥路，所述热控平台包括：一具有流动阻抗的导热毛细管管道部分，以及一改变温度的装置，其改变所述毛细管管道部分的温度、以相应地改变其流动阻抗直到横跨所述桥路的压差为0。

2.根据权利要求1所述的毛细管桥路粘度计，其中所述热控平台的所述毛细管管道部分包括一连串线圈。

3.根据权利要求2所述的毛细管桥路粘度计，其中所述热控平台的所述毛细管管道部分被缠绕在一个芯核周围。

4.根据权利要求3所述的毛细管桥路粘度计，其中所述芯核由导热材料制成。

5.根据权利要求4所述的毛细管桥路粘度计，其中所述热控平台的所述毛细管管道部分被加热以相应改变其温度和流动阻抗。

6.根据权利要求4所述的毛细管桥路粘度计，其中所述改变温度的装置是佩尔捷热电装置，其被定位成紧紧接近缠绕在所述导热芯核周围的所述毛细管管道部分。

7.根据权利要求4所述的毛细管桥路粘度计，其中所述改变温度的装置是加热器，其被定位成紧紧接近缠绕在所述导热芯核周围的所述毛细管管道部分。

8.根据权利要求7所述的毛细管桥路粘度计，其中所述加热器是电阻加热器，调节提供给所述电阻加热器的功率以改变该加热器所产生的热量，从而根据该加热器所产生的热量，相应地控制所述毛细管管道部分的流动阻抗。

9.根据权利要求7所述的毛细管桥路粘度计，其中所述热控平台进一步包括一热绝缘罩壳，用以封装缠绕在所述导热芯核周围的所述毛细管管道部分以及定位成紧紧接近所述毛细管管道部分的所述加热器。

10.根据权利要求9所述的毛细管桥路粘度计，其中所述热控平台进一步包括一温度探头，其位于所述热绝缘罩壳内，用以测量缠绕在所述导热芯核周围的所述毛细管管道部分的温度。

11.根据权利要求1所述的毛细管桥路粘度计，还具有一流体样本延迟体积装置，其连接到所述流体管道臂中那个连接着所述热控平台的流体管道臂中，所述热控平台的所述毛细管管道部分位于所述流体样本延迟体积装置的下游，而且其到所述排出口的距离小于其到所述供应口的距离。

12.一种在具有桥路的毛细管桥路粘度计中平衡桥路的方法，所述桥路用于接收溶剂和待分析的流体样本，且包括第一对串联连接的流体管道臂和第二对串联连接的流体管道臂，所述第二对流体管道臂与所述第一对串联连接的流体管道臂并联连接于流体供应口与流体排出口之间；所述方法包括下列步骤：相对于其它流体管道臂，调节所述第一对流体管道臂和所述第二对流体管道臂中至少一个流体管道臂的温度，直到横跨所述桥路的压差达到0为止。

13.根据权利要求12所述平衡桥路的方法，包括下列附加步骤：通过将一具有流动阻抗的导热毛细管管道部分连接到所述一个流体管道臂内，并加热或冷却所述毛细管管道部分，使其流动阻抗相应变化，来调节所述一个流体管道臂的温度。

14.根据权利要求13所述平衡桥路的方法，包括下列附加步骤：通过将所述毛细管管道部分置于一热绝缘罩壳内，使连接在所述一个流体管道臂内的所述导热毛细管管道部分与所述桥路的其它流体管道臂隔离。

15.根据权利要求13所述平衡桥路的方法，包括下列附加步骤：利用一个被定位成紧紧接近所述导热毛细管管道部分的加热器，来加热所述导热毛细管管道部分。

16.根据权利要求13所述平衡桥路的方法，包括下列附加步骤：利用一个被定位成紧紧接近所述导热毛细管管道部分的佩尔捷热电装置，来加热或冷却所述导热毛细管管道部分。

17.根据权利要求13所述平衡桥路的方法，包括下列附加步骤：将所述导热毛细管管道部分附连到一导热芯核上，并加热或冷却所述导热芯核，从而加热或冷却所述毛细管管道部分。

18.根据权利要求13所述平衡桥路的方法，包括下列附加步骤：所述导热毛细管管道部分缠绕在所述导热芯核周围。

19.根据权利要求13所述平衡桥路的方法，包括下列附加步骤：监视所述导热毛细管管道部分的温度。

20.根据权利要求19所述平衡桥路的方法，包括下列附加步骤：一旦横跨所述桥路的压差为0，便使所述导热毛细管管道部分的温度保持恒定。

21.根据权利要求12所述平衡桥路的方法，包括下列附加步骤：独立于所述一个流体管道臂的温度，调节所述第一对流体管道臂和第二对流体管道臂中其它流体管道臂的温度。

22.根据权利要求21所述平衡桥路的方法，包括下列附加步骤：将具有流动阻抗的第一导热毛细管管道部分连接到所述一个流体管道臂内，将具有流动阻抗的其它导热毛细管管道部分分别连接到所述其它流体管道臂内，并且使所述第一导热毛细管管道部分与所述其它导热毛细管管道部分热隔离。

23.根据权利要求12所述平衡桥路的方法，包括下列附加步骤：在首先已将所述溶剂提供给并联连接的所述第一对流体管道臂和所述第二对流体管道臂，且所述桥路稳定之后，调节所述一个流体管道臂的温度，并随后保持所述至少一个流体管道臂的温度恒定，同时将所述待分析的流体样本引入所述桥路。

24.根据权利要求12所述平衡桥路的方法，包括下列附加步骤：在所述待分析的流体样本流过所述粘度计时，不断地调节所述至少一个流体管道臂的温度，使所述毛细管桥路粘度计的所述桥路重新平衡，由此重新平衡所述桥路所需的温度提供所述样本的比粘度的测量值。

Images