CN1955707A - 一种液体微流动的双管相对测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除管径尺寸测量误差的影响的液体微流动双管相对测量方法及装置。该方法包括如下步骤：1)提供两个微管道a、b；2)将压力源与上述两个微管道相连；3)测量第一液体在上述两个微管道中的流量Q_a1、Q_b1；4)提供一种第二液体，其物性参数在上述两个微管道实验中保持常数；5)测量第二液体在上述两个微管道的流量Q_a2、Q_b2；6)计算表观黏性系数比ξ=(Q_a1/Q_b1)/(Q_a2/Q_b2)。该装置包括：压力源、储液罐、进液阀、压力传感器、三通接头、四通接头、两个微管道、两个流量计。本发明消除了带来主要误差的管径尺寸的几何误差影响，可以对微小流量差进行测量，提高了相对测量精度，比单管多次测量的精度更高。

Description

一种液体微流动的双管相对测量方法及装置

技术领域

本发明涉及液体微流动特性的方法及装置，具体地说，是涉及消除管径尺寸测量误差的影响的液体微流动双管相对测量方法及装置。

背景技术

目前，测量液体微流动压力与流量特性的方法主要有：

如专利1：专利号ZL02285488.6,名称为“一种用于测量液体黏度的装置”中公开了一种气体驱动的低压微流动实验台。

如专利2：专利号ZL01279794.4,名称为“高压微流量液体流动实验装置”中公开了一种液体驱动的高压微流动实验台。

上述两个专利中公开的装置测量精度主要受管径的误差影响，在管径误差为3um时，由已知的公式可得出实验数据的不确定度高达13％。而在进行某些液体微流动流量的测量中允许的误差只有4％，可见这种差别将被淹没在实验误差中。

专利3：申请号02148680.8,名称为“微量液体黏度测量方法及其装置”中公开了一种相对测量法，它是基于同一管道，用标准液体的黏度系数来获取仪器常数，以消除管径的影响。用这种方法对液体黏度的测量相对精度由绝对测量法的±2.6％降至±1.8％。

目前在研究微流动壁面效应等特性时，需要测量流量差别，而这种流量差别的允许误差为＜(1％～4％)，这在现有技术实验系统不确定度情况下是无法实现的。

因此，现有技术的不足要求进一步降低实验的不确定度。在目前无法提高管径的测量精度的情况下，人们希望一种精确度高、简单易行的液体微流动的双管相对测量方法及装置，来降低不同工况下流量绝对测量误差的影响。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种液体微流动的双管相对测量法及装置，从而提高液体微流动相对流量的测量精度。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种液体微流动的双管相对测量方法，包括如下步骤：

1)提供第一微管道a和第二微管道b；

2)将一低压或高压压力源与上述两个微管道相连；所述低压是指0MPa～1MPa，所述高压是指1MPa～40MPa；

3)分别测量第一液体在上述第一微管道和第二微管道中的流量用Q_a1、Q_b1表示，并在测量过程中使两微管道的压力、温度相同；

4)提供一种第二液体，其物性参数在上述两个微管道中实验时保持常数；

5)分别测量第二液体在上述第一微管道和第二微管道中的流量用Q_a2、Q_b2表示，并在测量过程中使两微管道的压力、温度相同；

6)通过流量比消除管径的差别，并计算相应的表观黏性系数比 $\mathrm{\ξ}=\frac{Q_{a1}/Q_{b1}}{Q_{a2}/Q_{b2}}.$

在上述技术方案中，步骤3)和5)测量流量采用位移法或电子天平称重法进行。

在上述技术方案中，所述微管道的内径为10um～50um。

一种液体微流动的双管相对测量装置，包括：

一压力源1，为液体在微管道中流动提供压力；

一储液罐2，与所述压力源1连通；

一进液阀3，该进液阀3、所述压力源1通过一位于储液罐2上端的第一四通接头4与所述储液罐2连通，该第一四通接头4还与一压力传感器5连接；

一第一三通接头6，连接在所述储液罐2的下端，该三通接头6的另两个开口分别连接一排液阀7和一第二三通接头8；

一第一微管道9和一第二微管道10分别与所述第二三通接头8的两个开口连通；

一第一流量计11和一第二流量计12分别与所述第一微管道9和所述第二微管道10的另一端连接，所述流量计11和12用来测量相应的微管道中液体的流量；

在上述技术方案中，如图1所示虚线框中，还可以包括一第二四通接头13连接在所述第一三通接头6和所述第二三通接头8之间，在该第二四通接头13的两个开口上分别接一压力传感器14和一温度传感器15，所述压力传感器14用于测量微管道9和微管道10的入口压力，所述温度传感器15用于测量微管道9和微管道10的入口温度。

在上述技术方案中，所述储液罐2的容积为10ml～50ml。

在上述技术方案中，所述压力源1采用压缩空气罐。

在上述技术方案中，所述流量计采用光电流量计或电子天平称重流量计。

在上述技术方案中，所述微管道的内径为l0um～50um。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

1)消除了带来主要误差的管径尺寸的几何误差影响，可以对微小流量差进行测量，提高了相对测量精度；

2)对实验双管的入口压力、温度同步测量，保证实验环境相同，比单管多次测量的精度更高。

附图说明

图1表示本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明的测量原理如下：

以测量水在微管道中壁面效应为例。用两根并列的毛细微管道a、b作为实验对象，其中之一，比如a管的内表面进行了OTS分子膜处理，成为疏水表面，另一毛细微管道b管内壁则不作处理，令两个毛细微管在相同压力和温度下，进行水的流动特性测试，可得到：

$Q_{a-\mathrm{water}}=\frac{\mathrm{\π}{d}_a^{4}P}{128{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{water}}{L}_a};$

$Q_{b-\mathrm{water}}=\frac{\mathrm{\π}{d}_b^{4}P}{128\mathrm{\ξ}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{water}}{L}_b};$

式中，Q_a-water表示a管中水的体积流量；

Q_b-water表示b管中水的体积流量；

d_a表示a管内径；

d_b表示b管内径；

L_a表示a管长度；

L_b表示b管长度；

P表示微管道两端的压力差；

ξ表示表观黏性系数比；

μ_water表示水的粘度系数。

对前述水在两个微管道中流量公式相比，则得：

$\frac{Q_{a-\mathrm{water}}}{Q_{b-\mathrm{water}}}=\frac{d_a^4{L}_b}{d_b^4{L}_a}\·\mathrm{\ξ}$

更换实验介质，采用异丙醇重复上述实验。由于a，b两微管道内壁对异丙醇而言均为浸润表面，故两微管道中的流量为：

$Q_{a-\mathrm{tsop}}=\frac{\mathrm{\π}{d}_a^{4}P}{128{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{tsop}}{L}_a};$

$Q_{b-\mathrm{tsop}}=\frac{\mathrm{\π}{d}_b^{4}P}{128{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{tsop}}{L}_b};$

上述两式相比，则得：

$\frac{Q_{a-\mathrm{tsop}}}{Q_{b-\mathrm{tsop}}}=\frac{d_a^4{L}_b}{d_b^4{L}_a};$

对异丙醇进行实验的目的是确定a，b两微管道几何尺寸上的差别。从上述公式可以看出：

$\mathrm{\ξ}=\frac{Q_{a-\mathrm{water}}/Q_{b-\mathrm{water}}}{Q_{a-\mathrm{tsop}}/Q_{b-\mathrm{tsop}}}$

所以疏水壁面对流动特性的影响，可以归结为上述四个体积流量的测量。

由已知的误差分析手段可得到，由于上式中消除了与管径有关的项，因此采用本发明提供的相对测量方法可以使误差大大降低。

以测量液体微流动壁面效应为例，则液体微流动的双管相对测量方法，具体包括如下步骤：

1、提供两个微管道a、b，在一个微管道a或b的内壁制备疏水表面，另一个微管道b或a不作处理；两管道的内径均为20um，长度为10cm；

2、连接实验管路，将一低压压力源与两个微管道相连；压力源压力为0.2MPa；一般来说，在一个标准大气压下进行实验时，要求低压压力源的压力要大于一个标准大气压，而小于1MPa；本实施例中压力为0.2MPa；

3、采用电子天平称重法测量水在两个微管道中的流量Q_a-water、Q_b-water，并保证测量过程中两微管道的压力、温度一致；

4、采用电子天平称重法测量异丙醇在上述两个微管道的流量Q_a-tsop、Q_b-tsop；并保证测量过程中两微管道的压力、温度一致；

5、通过流量比消除管径的差别，并计算相应的表观黏性系数比

$\mathrm{\ξ}=\frac{Q_{a-\mathrm{water}}/Q_{b-\mathrm{water}}}{Q_{a-\mathrm{tsop}}/Q_{b-\mathrm{tsop}}}.$

液体微流动壁面效应的双管相对测量装置，包括：

一压力源1，为液体在微管道中流动提供压力，采用压缩空气罐作为压力源；

一储液罐2，与所述压力源1连通，容积为30ml，用于储存实验液体；

一进液阀3，该进液阀3、所述压力源1通过一位于储液罐2上端的第一四通接头4与所述储液罐2连通，该第一四通接头4还与一压力传感器5连接；

一第一三通接头6，连接在所述储液罐2的下端，该三通接头6的另两个开口分别连接一排液阀7和一第二三通接头8；

一第一微管道9和一第二微管道10分别与所述第二三通接头8的两个开口连通，其中第一微管道9内壁进行了疏水分子膜处理；

一第一流量计11和一第二流量计12分别与所述第一微管道9和所述第二微管道10的另一端连接，本实施例的第一和第二流量计采用本申请人的专利4：专利号ZL02256879.4，名称为“一种液体微流量自动测定装置”中公开的流量计，即光电流量计；

还包括一第二四通接头13连接在所述第一三通接头6和所述第二三通接头8之间，在该第二四通接头13的两个开口上分别接一压力传感器14和一温度传感器15，所述压力传感器14用于测量微管道9和10的入口压力，所述温度传感器15用于测量微管道9和10的入口温度。

本实施例中各部件，除特别声明外，均采用市场所售的常规部件，如压力传感器、温度传感器、三通接头、四通接头、阀以及部件之间的连接管线等。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1、一种液体微流动的双管相对测量方法，包括如下步骤：

1)提供第一微管道和第二微管道；

2)将一低压或高压压力源与上述两个微管道相连；所述低压是指0MPa～1MPa，所述高压是指1MPa～40MPa；

3)分别测量第一液体在上述第一微管道和第二微管道中的流量用Q_a1、Q_b1表示，并在测量过程中使两微管道的压力、温度一致；

4)提供一种第二液体，其物性参数在上述两个微管道中实验时保持常数；

5)分别测量第二液体在上述第一微管道和第二微管道中的流量用Q_a2、Q_b2表示，并在测量过程中使两微管道的压力、温度一致；

6)通过流量比消除管径的差别，按照如下公式计算相应的表观黏性系数比：

$\mathrm{\ξ}=\frac{Q_{a1}/Q_{b1}}{Q_{a2}/Q_{b2}}.$

2、根据权利要求1所述液体微流动的双管相对测量方法，其特征在于，所述步骤3)和5)中测量流量采用位移法或电子天平称重法。

3、根据权利要求1或2所述液体微流动的双管相对测量方法，其特征在于，所述微管道的内径为10um～50um。

4、一种液体微流动的双管相对测量装置，包括：

一压力源(1)，为液体在微管道中流动提供压力；

一储液罐(2)，与所述压力源(1)连通；

一进液阀(3)，该进液阀(3)、所述压力源(1)通过一位于储液罐(2)上端的第一四通接头(4)与所述储液罐(2)连通，该第一四通接头(4)还与一压力传感器(5)连接；

一第一三通接头(6)，连接在所述储液罐(2)的下端，该三通接头(6)的另两个开口分别连接一排液阀(7)和一第二三通接头(8)；

其特征在于，还包括：

一第一微管道(9)和一第二微管道(10)分别与所述第二三通接头(8)的两个开口连通；

一第一流量计(11)和一第二流量计(12)分别与所述第一微管道(9)和所述第二微管道(10)的另一端连接，所述第一流量计(11)和第二流量计(12)用来测量相应的微管道中液体的流量。

5、根据权利要求4所述液体微流动的双管相对测量装置，其特征在于，还包括一第二四通接头(13)连接在所述第一三通接头(6)和所述第二三通接头(8)之间，在该第二四通接头(13)的两个开口上分别接一用于测量第一微管道(9)和第二微管道(10)的入口压力的压力传感器(14)和一用于测量第一微管道(9)和第二微管道(10)的入口温度的温度传感器(15)。

6、根据权利要求4所述液体微流动的双管相对测量装置，其特征在于，所述储液罐(2)的容积为10ml～50ml。

7、根据权利要求4所述液体微流动的双管相对测量装置，其特征在于，所述第一微管道(9)和第二微管道(10)的内径为10um～50um。

8、根据权利要求4所述液体微流动的双管相对测量装置，其特征在于，所述压力源(1)采用压缩空气罐。

9、根据权利要求4所述液体微流动的双管相对测量装置，其特征在于，所述流量计采用光电流量计或电子天平称重流量计。

10、根据权利要求5、6、8或9其中任一个所述液体微流动的双管相对测量装置，其特征在于，所述微管道的内径为10um～50um。