專利名稱：一種適用于高壓下及低沸點(diǎn)物質(zhì)液相粘度的測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于流體熱物理性質(zhì)測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種適用于高壓下及低沸點(diǎn)物質(zhì)液相粘度測(cè)量的新方法。
背景技術(shù)：
粘度是流體主要的熱物性參數(shù)之一。粘度及其測(cè)量在國民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域有著較廣泛應(yīng)用，例如在石油、化工、食品、建材、煤炭、冶金、航天、醫(yī)藥等領(lǐng)域中，粘度測(cè)量是控制生產(chǎn)流程、保證安全生產(chǎn)、控制與評(píng)定產(chǎn)品質(zhì)量、醫(yī)藥診斷及科學(xué)研究的重要手段。根據(jù)不同的測(cè)量原理，粘度測(cè)量可分為毛細(xì)管法、旋轉(zhuǎn)法、落體法、振動(dòng)法、平板法、粘度杯法等。
在眾多粘度測(cè)量方法中，毛細(xì)管法是工程及實(shí)驗(yàn)研究中廣泛應(yīng)用的一種方法。然而，由于毛細(xì)管粘度測(cè)量方法在測(cè)量原理及裝置設(shè)計(jì)上的不足，使得它在實(shí)際應(yīng)用過程中存在許多缺陷，例如1)測(cè)量公式需要有針對(duì)性的進(jìn)行動(dòng)能修正、末端修正；2)毛細(xì)管兩端儲(chǔ)液容器液面上存在表面張力，當(dāng)兩液面性質(zhì)不同時(shí)，兩液面上表面張力不能相互抵消，影響測(cè)量精度；3)一個(gè)試驗(yàn)周期只能完成一個(gè)特定剪切率下的粘度值測(cè)量，在測(cè)量非牛頓流體粘度時(shí)，由于非牛頓流體粘度測(cè)量需要在不同剪切率下進(jìn)行，因此大大增加試驗(yàn)強(qiáng)度；4)讀取管道中液柱高度時(shí)，多數(shù)是通過人眼進(jìn)行觀察，即使使用了探針傳感器，雖然避免了人眼讀數(shù)的偏差，但是由于探針與液體表面接觸，改變了液面狀況，同樣影響測(cè)量精度；5)在測(cè)量高分子溶液時(shí)，高分子不僅會(huì)在毛細(xì)管壁面上吸附，導(dǎo)致有效管徑減小，而且還可以導(dǎo)致毛細(xì)管界面性質(zhì)發(fā)生顯著變化，使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。當(dāng)毛細(xì)管管徑過細(xì)時(shí)，在測(cè)量血液、泥沙懸浮液等流體粘度過程中，會(huì)發(fā)生管徑效應(yīng)，也稱∑效應(yīng)。
其他粘度測(cè)量方法同樣存在類似的不足，鑒于篇幅原因，此處不作展開說明。
鑒于以上諸多原因，發(fā)展新型粘度測(cè)量方法已成為工程上及學(xué)術(shù)界亟待解決的課題。同時(shí)，隨著電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大量電子器件及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)逐漸地應(yīng)用到粘度測(cè)量系統(tǒng)中來，也為高精度、高效率、高自動(dòng)化程度的粘度測(cè)量方法的發(fā)展提供了必要的前提。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種可有效的避免傳統(tǒng)毛細(xì)管法種種缺陷、測(cè)量周期短、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣、自動(dòng)化程度高、適用于高壓下及低沸點(diǎn)物質(zhì)液相粘度測(cè)量的新方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案一種適用于高壓下及低沸點(diǎn)物質(zhì)液相粘度的測(cè)量方法，其特征在于，該方法選擇直線狀、內(nèi)徑均勻一致的玻璃管，在該玻璃管內(nèi)置入一定量的待測(cè)液體，待測(cè)液體在玻璃管中形成一段液柱，該液柱組分物質(zhì)為不可壓縮流體，且該液柱在玻璃管內(nèi)壁上無滑移；液柱內(nèi)部的流動(dòng)為等溫層流流動(dòng)，液柱兩端面受到的壓強(qiáng)相等；采用儲(chǔ)液器實(shí)現(xiàn)低沸點(diǎn)物質(zhì)和高壓條件下的液體粘度測(cè)量；在穩(wěn)定的溫度環(huán)境下使玻璃管傾斜一定角度，當(dāng)液柱沿玻璃管軸向勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)液柱運(yùn)動(dòng)平衡方程即可測(cè)出待測(cè)液體粘度。
本發(fā)明的傾斜管式粘度測(cè)量方法有效地避免了傳統(tǒng)毛細(xì)管粘度計(jì)由于計(jì)算公式上所作簡(jiǎn)化及裝置設(shè)計(jì)中的不足而帶來的測(cè)量精度不高的缺點(diǎn)。適用于測(cè)量常壓及高壓下物質(zhì)的液相粘度，如有機(jī)制冷劑等低沸點(diǎn)物質(zhì)、高分子物質(zhì)及其溶液等。該方法具有適用范圍廣、測(cè)量周期短、測(cè)量精度高、所需待測(cè)液體少、測(cè)量過程操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是玻璃管中液柱流動(dòng)模型圖(管道截面為圓形)；圖中，1為管道半徑R，2為液柱后端面接觸角θc，b，3為積分半徑r，4為參考截而，5為層流邊界層，6為管道傾角α，7為液柱前端面接觸角θc，f。
圖2是傾斜管式粘度測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖；圖3是粘度測(cè)量本體子系統(tǒng)裝置圖；圖中31、充氣閥門(充氣口)，32、注液閥門(注液口)，33、玻璃管位移裝置，34、玻璃管支架，35、有機(jī)玻璃恒壓套筒，36、儲(chǔ)液器，37、儲(chǔ)液器充注閥門。
圖4是粘度測(cè)量本體子系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖；圖中41、有機(jī)玻璃圓筒，42、注液側(cè)外法蘭，43、玻璃管支架移位側(cè)外法蘭，44、不銹鋼支桿，45、注液側(cè)內(nèi)法蘭，46、玻璃管支架移位內(nèi)法蘭，47、測(cè)量用玻璃管，48、細(xì)牙螺桿。
圖5是常壓環(huán)境下測(cè)量裝置圖；圖中51、導(dǎo)軌，52、滑塊，53、光電傳感器安裝支架，54、內(nèi)徑均勻已知、直線狀玻璃管。
圖6是傾角控制子系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖；圖中61、高精度立式轉(zhuǎn)臺(tái)，62、粘度測(cè)量本體，63、轉(zhuǎn)臺(tái)支架，64、調(diào)平底腳。
圖7是空氣恒溫子系統(tǒng)示意圖；圖中71、絕熱層，72、循環(huán)風(fēng)道，73、工作腔體，74、外接制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器，75、整流柵，76、加熱器，77、循環(huán)風(fēng)扇及電機(jī)，78、接線面板。
圖8是數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)組成示意圖；圖9是測(cè)量步驟流程圖；以下結(jié)合附圖和本發(fā)明的技術(shù)原理對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明選擇直線狀、內(nèi)徑均勻一致的玻璃管，在該玻璃管內(nèi)置入一定量待測(cè)液體，待測(cè)液體在玻璃管中形成一段液柱，該液柱組分物質(zhì)為不可壓縮流體，且該液柱在玻璃管內(nèi)壁上無滑移；液柱內(nèi)部的流動(dòng)為等溫層流流動(dòng)，液柱兩端面受到的壓強(qiáng)相等；采用儲(chǔ)液器實(shí)現(xiàn)低沸點(diǎn)物質(zhì)和高壓條件下的液體粘度測(cè)量；在穩(wěn)定的溫度環(huán)境下使玻璃管傾斜一定角度，當(dāng)液柱沿玻璃管軸向勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)液柱平衡方程即可測(cè)出待測(cè)液體的粘度。
內(nèi)容主要包括1.提出了傾斜管式粘度測(cè)量方法的測(cè)量原理，建立了傾斜管式粘度測(cè)量方法的測(cè)量公式，建立了該測(cè)量公式中待測(cè)量參數(shù)的測(cè)量方法；2.設(shè)計(jì)并建立了傾斜管式物質(zhì)液相粘度測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由四部分組成粘度測(cè)量本體子系統(tǒng)、傾角控制子系統(tǒng)、空氣恒溫子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)；3.建立了傾斜管式粘度測(cè)量方法的測(cè)試流程。
本發(fā)明的物質(zhì)液相粘度的測(cè)量方法，具體操作包括以下步驟1)選取測(cè)試用玻璃管，此玻璃管性質(zhì)為足夠長(zhǎng)、直線狀、內(nèi)徑均勻一致，由于玻璃管內(nèi)徑的大小直接影響待測(cè)液體在其內(nèi)部流過過程中兩端面(即彎月面)的形狀，以至影響測(cè)量公式的適用性，因此，需要根據(jù)待測(cè)液體的粘稠情況，選取玻璃管內(nèi)徑，低粘稠度的液體選用較細(xì)內(nèi)徑的玻璃管，反之則反。
2)對(duì)測(cè)量本體的儲(chǔ)液器做抽真空處理，然后將待測(cè)液體注入儲(chǔ)液器中，開啟儲(chǔ)液器上部的充氣閥門，該充氣閥門與測(cè)量本體套筒腔體連通，當(dāng)待測(cè)液體為低沸點(diǎn)物質(zhì)時(shí)，由于儲(chǔ)液器與套筒內(nèi)存在壓力差，部分待測(cè)液體會(huì)瞬間氣化，借此對(duì)測(cè)量本體進(jìn)行升壓，之后打開儲(chǔ)液器下部的注液閥門(該閥門聯(lián)接儲(chǔ)液器與置于套筒腔體玻璃管支架上的玻璃管)，將剩余的待測(cè)液注入玻璃管中，形成一段液柱。這里需要說明的是上述升壓過程完成后，測(cè)量的是對(duì)應(yīng)溫度下待測(cè)液體飽和態(tài)的粘度，如需要測(cè)量其它壓力下的液體粘度，可通過外接加壓裝置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行二次升壓。當(dāng)液柱長(zhǎng)度達(dá)到測(cè)量要求時(shí)，通過調(diào)整玻璃管支架沿玻璃管軸向的位置，使玻璃管與儲(chǔ)液器斷開，使液柱兩端與套筒腔體導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)液柱兩端壓力一致。整個(gè)測(cè)量本體在注入液體前安裝于傾角控制子系統(tǒng)上且調(diào)整至水平位置。
當(dāng)待測(cè)物質(zhì)在常溫、常壓下以及整個(gè)測(cè)量溫度區(qū)間內(nèi)為液態(tài)，并且只在常壓環(huán)境下測(cè)量其粘度值時(shí)，可采用如圖5所示簡(jiǎn)單的粘度測(cè)量裝置，該裝置可采用玻璃管直接吸取待測(cè)液的方式注液。
3)上述整個(gè)粘度測(cè)試系統(tǒng)置于空氣恒溫箱體內(nèi)，通過溫控器調(diào)節(jié)測(cè)試溫度，通過安裝于玻璃管支架上的鉑電阻溫度傳感器測(cè)量玻璃管附近溫度(由于玻璃管內(nèi)液體量較少且玻璃管管壁較薄，可以認(rèn)為該溫度即為玻璃管內(nèi)待測(cè)液體溫度)，鉑電阻溫度傳感器與NI-SCXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)精確采集。待溫度到達(dá)測(cè)試溫度且穩(wěn)定后，通過轉(zhuǎn)臺(tái)控制器，使玻璃管順時(shí)針、逆時(shí)針反復(fù)傾斜幾次，讓待測(cè)液體在玻璃管內(nèi)反復(fù)流動(dòng)幾次，目的是使待測(cè)液體充分潤濕玻璃管內(nèi)壁，避免測(cè)量過程中液柱流態(tài)不穩(wěn)定。
4)液柱能夠形成穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后，將液柱置于玻璃管的一端，開啟光電傳感器及速度采集系統(tǒng)，然后傾斜玻璃管至一定的傾角，液柱在玻璃管內(nèi)開始運(yùn)動(dòng)并在運(yùn)動(dòng)一段較小的距離后，達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)，通過光電傳感器、NI-SCXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及自行編制的軟件，采集液柱勻速運(yùn)動(dòng)的速度。改變玻璃管傾角，測(cè)量不同傾角下，液柱勻速運(yùn)動(dòng)的速度，得到一組對(duì)應(yīng)的玻璃管傾角與液柱勻速運(yùn)動(dòng)速度的數(shù)據(jù)。至此，數(shù)據(jù)采集工作完成。
5)采用最小二乘法繪制液柱勻速運(yùn)動(dòng)速度與玻璃管傾角之間的關(guān)系曲線，該曲線為一條一次函數(shù)直線，取得該直線的斜率值，代入測(cè)量公式即可得到待測(cè)液體的粘度值。
至此，整個(gè)測(cè)量過程完畢，得到了指定溫度壓力下待測(cè)液體的粘度。
以下結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明如圖1所示，圖1是細(xì)管道中液柱流動(dòng)模型圖(管道截而為圓形)；本發(fā)明從傾斜一定角度的細(xì)管道中一段液柱的流動(dòng)問題入手(這段液柱兩端壓差為零，在自身重力的作用下沿管道軸向勻速流動(dòng))，以納維-斯托克斯方程為基礎(chǔ)，依據(jù)泊肅葉管道層流流動(dòng)模型，給出了這段液柱的流動(dòng)方程，在此方程的基礎(chǔ)上提出了一種新的粘度測(cè)量方法，同時(shí)給出了此種方法的測(cè)量公式、測(cè)量系統(tǒng)組成示意圖、測(cè)量本體子系統(tǒng)裝置圖及設(shè)計(jì)圖、傾角控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、空氣恒溫子系統(tǒng)示意圖、數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)組成示意圖以及測(cè)量步驟流程圖等。
本發(fā)明的基本思想如下一、測(cè)量公式推導(dǎo)1、物理模型建立a)在傾斜一定角度的細(xì)管道中一段液柱沿細(xì)管道軸向勻速運(yùn)動(dòng)(如附圖1所示)；b)液柱內(nèi)部流體的流動(dòng)為充分發(fā)展的等溫層流流動(dòng)；c)這段液柱兩端受到的壓強(qiáng)相等；c)液柱組分物質(zhì)為不可壓縮流體；d)流體在管內(nèi)壁處無滑移；e)所采用的細(xì)管道足夠長(zhǎng)、直線狀、內(nèi)徑均勻一致。
2、液柱受力分析運(yùn)動(dòng)過程中，液柱在其運(yùn)動(dòng)方向上受到四個(gè)力的作用①自身重力沿管道軸向的分力；②液柱前端面上的表面張力；③液柱后端面上的表面張力；④液柱自身的粘滯阻力。
3、液柱運(yùn)動(dòng)方程建立當(dāng)液柱勻速的在管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，上述四個(gè)力達(dá)到平衡。依據(jù)此受力分析，建立液柱勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的平衡方程πr2lρgsinα+2πRγ(cosθc,b-cosθc,f)πR2πr2=2πrlτ---(1)]]>式中τ為待測(cè)液體所受剪切應(yīng)力，N·mm2；ρ為待測(cè)液體密度，g/mm-3；α為細(xì)管道與水平方向的夾角(簡(jiǎn)稱細(xì)管道傾角)，R為細(xì)管道內(nèi)徑，mm；γ為液體的表面張力，N/mm；θc，b為液柱后端面接觸角，°；θc，f為液柱前端而接觸角，°；l為液柱長(zhǎng)度，mm；r為積分半徑，mm。
式(1)中2πrlτ表示液柱自身的粘滯阻力；πr2lgρsinα表示液柱自身重力沿管道軸向的下滑分力；2πRγ(cosθc，b-cosθc，f)πr2/πR2表示液柱兩端面上表面張力共同作用形成的合力，表現(xiàn)為壓力，該項(xiàng)是運(yùn)用表面能方程推導(dǎo)得到。
式(1)既適用于牛頓流體也適用于非牛頓流體。
對(duì)于牛頓流體，根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，式(1)可寫為πr2lρgsinα+2πRγ(cosθcb-cosθcf)πR2πr2=-2πrlηdudr---(2)]]>通過一系列轉(zhuǎn)化，可得出液柱組分流體的動(dòng)力粘度η的表達(dá)式為η=ρgsinαR28u02γ(cosθcb-cosθcf)R8lu0---(3)]]>對(duì)以上公式(3)進(jìn)行分析，表面張力影響項(xiàng)中，即2γ(cosθc，b-cosθc，f)/l中，γ、θc，b、θc，f三個(gè)量均為未知量，確定起來較為困難，因此采用一定方法對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。利用高精度CCD圖像傳感器拍攝液柱穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的前后兩個(gè)端面的圖像，觀察可得，當(dāng)液柱流速較小時(shí)，前后兩個(gè)端面形狀近似一致且隨流速變化端面形狀變化較小，可近似認(rèn)為液柱前后兩端面表面張力近似相等，又因?yàn)槭?3)中右邊第一項(xiàng)計(jì)算數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第二項(xiàng)，故第二項(xiàng)即表面張力影響項(xiàng)可近似認(rèn)為是一常數(shù)。
在以上分析的基礎(chǔ)上，設(shè)
k1=ρgR28η,]]>k2=2γ(cosθcb-cosθcf)R8lη]]>式(3)可轉(zhuǎn)化為u0＝k1sinα+k2(4)由式(4)可知，只要在一系列傾角α下測(cè)得液柱勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度u0即可通過最小二乘法線性擬合得出k1的值，進(jìn)而得到待測(cè)液體動(dòng)力粘度η或運(yùn)動(dòng)粘度v；建立牛頓流體測(cè)量公式如表1中所示，其中下標(biāo)s表示標(biāo)準(zhǔn)液。
表1 牛頓流體粘度測(cè)量公式

以上四個(gè)方程式中，前兩個(gè)為絕對(duì)測(cè)量法用公式，后兩個(gè)為相對(duì)測(cè)量法用公式。當(dāng)采用絕對(duì)測(cè)量法時(shí)，表1中公式顯示，在細(xì)管道內(nèi)徑R已知的前提下，只需通過測(cè)量得到一組對(duì)應(yīng)的細(xì)管道傾角值α與液柱勻速運(yùn)動(dòng)的速度值u0即可得到待測(cè)液體的粘度值；當(dāng)采用相對(duì)測(cè)量法時(shí)，表1中公式顯示，需要事先測(cè)量得到已知粘度的標(biāo)準(zhǔn)液的k1s值，然后采用相同的細(xì)管道測(cè)量得到待測(cè)液體的k1值，代入公式即可得到待測(cè)液體的粘度值。這里需要說明的是，當(dāng)測(cè)量待測(cè)液體動(dòng)力粘度時(shí)，需要已知待測(cè)液體對(duì)應(yīng)于測(cè)量點(diǎn)溫度、壓力下的密度值，如采用相對(duì)測(cè)量法，還需已知標(biāo)準(zhǔn)液體相應(yīng)的密度值。
二、測(cè)量系統(tǒng)傾斜管式粘度測(cè)量系統(tǒng)組成如圖2所示，該測(cè)量系統(tǒng)由粘度測(cè)量本體子系統(tǒng)、傾角控制子系統(tǒng)、空氣恒溫子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)四部分組成。粘度測(cè)量本體子系統(tǒng)圖3、4是粘度測(cè)量本體子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及工程設(shè)計(jì)圖。該子系統(tǒng)主要包括，有機(jī)玻璃恒壓套筒35，有機(jī)玻璃恒壓套筒35內(nèi)有玻璃管支架34，有機(jī)玻璃圓筒41一端的注液側(cè)外法蘭42上聯(lián)接有充氣閥門31、注液閥門32，另一端的玻璃管支架移位側(cè)外法蘭43上聯(lián)接有玻璃管移位裝置33。其中有機(jī)玻璃恒壓套筒35由壁厚為15mm的有機(jī)玻璃圓筒41、注液側(cè)外法蘭42和玻璃管支架移位側(cè)外法蘭43組成，三個(gè)部件配合使有機(jī)玻璃圓筒內(nèi)41形成一個(gè)密閉的圓柱形空間，即工作腔體；玻璃管支架由4根不銹鋼支桿44、兩端聯(lián)接注液側(cè)內(nèi)法蘭45和璃管支架移位內(nèi)法蘭46以及光電傳感器安裝支架等部件組成，測(cè)量用玻璃管47架構(gòu)在玻璃管支架上，光電傳感器支架套裝在支桿44上，且光電傳感器支架之間用一細(xì)牙螺桿48串聯(lián)，借此可通過數(shù)字游標(biāo)卡尺實(shí)現(xiàn)光電傳感器支架之間距離的精確定位，即實(shí)現(xiàn)光電傳感器在玻璃管軸向的精確布置；充氣閥門31、注液閥門32與儲(chǔ)液器36聯(lián)接，儲(chǔ)液器36用以儲(chǔ)存待測(cè)液體，通過充氣閥門31、注液閥門32實(shí)現(xiàn)待測(cè)液體的充注；玻璃管支架移位裝置33用以實(shí)現(xiàn)玻璃管在工作腔體內(nèi)沿玻璃管軸向的位置變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)玻璃管進(jìn)液端與注液側(cè)內(nèi)法蘭45上進(jìn)液孔的通斷，這種設(shè)計(jì)可以有效的控制玻璃管內(nèi)待測(cè)液體的充灌量。
當(dāng)待測(cè)物質(zhì)在常溫、常壓下以及整個(gè)測(cè)量溫度區(qū)間內(nèi)為液態(tài)，并且只在常壓環(huán)境下測(cè)量其粘度值時(shí)，可采用如圖5所示粘度測(cè)量裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且充注待測(cè)液體方便。
圖5是常壓環(huán)境下粘度測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖，該測(cè)量裝置主要由導(dǎo)軌51、滑塊52、光電傳感器安裝支架53、內(nèi)徑均勻已知直線狀玻璃管54等組成。滑塊52安裝于導(dǎo)軌51上，可通過數(shù)字游標(biāo)卡尺實(shí)現(xiàn)沿導(dǎo)軌51長(zhǎng)度方向上相鄰滑塊52間的精確定位，即實(shí)現(xiàn)安裝于滑塊52上的光電傳感器安裝支架53的精確定位，進(jìn)而完成光電傳感器組沿玻璃管軸向的精確定位。內(nèi)徑均勻已知、直線狀玻璃管54沿導(dǎo)軌長(zhǎng)度方向平行于導(dǎo)軌平而安裝。
傾角控制轉(zhuǎn)臺(tái)子系統(tǒng)圖6是傾角控制子系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖。傾角控制子系統(tǒng)主要由高精度立式轉(zhuǎn)臺(tái)61、粘度測(cè)量本體安裝板62、轉(zhuǎn)臺(tái)支架結(jié)構(gòu)體63、調(diào)平底腳64等部件組成。粘度測(cè)量本體安裝于傾角控制子系統(tǒng)上，通過轉(zhuǎn)臺(tái)控制器調(diào)節(jié)粘度測(cè)量本體子系統(tǒng)傾角，即粘度測(cè)量本體子系統(tǒng)內(nèi)玻璃管傾角。因?yàn)椴ＡЧ軆A角是該方法測(cè)量公式中一個(gè)非常重要的待測(cè)參數(shù)，所以設(shè)計(jì)傾角控制子系統(tǒng)的目的即為玻璃管提供精確、已知、可調(diào)的傾角。
空氣恒溫子系統(tǒng)為了使實(shí)驗(yàn)在穩(wěn)定的溫度環(huán)境下進(jìn)行，設(shè)計(jì)了如圖7所示的空氣恒溫子系統(tǒng)。整個(gè)空氣恒溫子系統(tǒng)由恒溫箱本體、循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)、加熱及溫度控制系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)(LABVIEW計(jì)算機(jī)語言編程實(shí)現(xiàn))等部件組成，其中制冷系統(tǒng)為外接系統(tǒng)，只有蒸發(fā)器放置于恒溫箱體的循環(huán)風(fēng)道內(nèi)。粘度測(cè)試系統(tǒng)(安裝于傾角控制子系統(tǒng)上的粘度測(cè)量本體子系統(tǒng))放置于恒溫腔體中，通過空氣循環(huán)系統(tǒng)及溫度控制器實(shí)現(xiàn)箱體內(nèi)溫度的恒定。由于空氣比熱容較小，箱體內(nèi)溫度的穩(wěn)定性及空間分布均勻性控制難度較大，目前箱體內(nèi)控溫精度為±0.5℃，不同位置最大溫差為0.5℃，已滿足物質(zhì)粘度測(cè)量過程中對(duì)溫度的要求。
數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)圖8為數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)組成示意圖，該子系統(tǒng)主要由SCXI-1000型通用機(jī)箱、SCXI-1102信號(hào)調(diào)理模塊、SCXI-1581模擬輸出模塊、PCI-6221數(shù)據(jù)采集模塊、光纖型光電傳感器、溫度(Pt100)及壓力傳感器、計(jì)算機(jī)等部件組成。SCXI-1102、SCXI-1581等模塊及其相應(yīng)的接線端子安裝與SCXI-1000型通用機(jī)箱內(nèi)，其中SCXI-1102模塊為信號(hào)調(diào)理模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的濾波放大處理，SCXI-1581模塊為高精度恒流源，為溫度、壓力傳感器提供100μA的恒定電流，與SCXI-1102配合使用，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力采集，恒流源為光電傳感器提供10～15V的穩(wěn)定電壓，PCI-6221數(shù)據(jù)采集模塊安裝于計(jì)算機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)該采集系統(tǒng)的輸入、輸出控制，溫度、壓力傳感器及光電傳感器放大器與相應(yīng)的接線端子聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)其信號(hào)的采集。
本發(fā)明采用采用本領(lǐng)域熟知的LABVIEW計(jì)算機(jī)語言編制的速度測(cè)量程序及溫度測(cè)量程序。速度測(cè)量程序主要由兩部分組成數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理計(jì)算部分。數(shù)據(jù)采集部分主要是通過采集光電傳感器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液柱流過相鄰兩個(gè)光電傳感器時(shí)間差的測(cè)量；數(shù)據(jù)處理計(jì)算部分主要完成液柱流過相鄰兩個(gè)光電傳感器間的平均速度的計(jì)算；溫度測(cè)量程序通過對(duì)SCXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)、精確采集。
三、測(cè)量具體實(shí)施步驟圖9為測(cè)量過程流程圖。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，根據(jù)待測(cè)液粘稠情況選擇不同內(nèi)徑的玻璃管，同時(shí)初步確定取待測(cè)液的量。在測(cè)量高分子溶液粘度時(shí)，還需要根據(jù)溶液性質(zhì)，選取不同材質(zhì)的細(xì)管道，這樣可以避免高分子在玻璃管內(nèi)壁上的吸附現(xiàn)象發(fā)生。在測(cè)量透明液體粘度時(shí)，為了便于觀察，還可以事先給液體進(jìn)行輕微染色處理。選取測(cè)量本體后，將整個(gè)裝置置于加壓裝置或常壓裝置內(nèi)，安裝玻璃管并調(diào)整其水平，進(jìn)行注液，具體操作前面已經(jīng)詳細(xì)說明，此處不做具體說明。安裝、注液完畢后，將玻璃管置于恒溫腔體內(nèi)，設(shè)定溫度，當(dāng)鉑電阻溫度傳感器溫度顯示得到設(shè)定溫度且穩(wěn)定后，使待測(cè)液體充分潤濕玻璃管內(nèi)壁，開啟數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采集數(shù)據(jù)完成后，通過自行編制的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，最終得到待測(cè)液體的粘度值。
權(quán)利要求
1.一種適用于高壓下及低沸點(diǎn)物質(zhì)液相粘度的測(cè)量方法，其特征在于，該方法選擇直線狀、內(nèi)徑均勻一致的玻璃管，在該玻璃管內(nèi)置入一定量待測(cè)液體，待測(cè)液體在玻璃管中形成一段液柱，該液柱組分物質(zhì)為不可壓縮流體，且該液柱在玻璃管內(nèi)壁上無滑移；液柱內(nèi)部的流動(dòng)為等溫層流流動(dòng)，液柱兩端面受到的壓強(qiáng)相等；采用儲(chǔ)液器實(shí)現(xiàn)低沸點(diǎn)物質(zhì)和高壓條件下的液體粘度測(cè)量；在穩(wěn)定的溫度環(huán)境下使玻璃管傾斜一定角度，當(dāng)液柱沿玻璃管軸向勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)液柱運(yùn)動(dòng)平衡方程即可測(cè)出待測(cè)液體的粘度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的液柱運(yùn)動(dòng)平衡方程為πr2lρgsinα+2πRγ(cosθc,b-cosθc,f)πR2πr2=2πrlτ---(1)]]>式中τ為待測(cè)液體所受剪切應(yīng)力，ρ為待測(cè)液體密度，α為細(xì)管道與水平方向的夾角，R為細(xì)管道內(nèi)徑，γ為液體表面張力，θc，b為液柱后端面接觸角，θc，f為液柱前端面接觸角，l為液柱長(zhǎng)度，r為積分半徑，g為重力加速度；其中2πrlτ表示液柱自身的粘滯阻力；πr2lgρsinα表示液柱自身重力沿管道軸向的下滑分力；2πRγ(cosθc，b-cosθc，f)πr2/πR2表示液柱兩端面上表面張力共同作用形成的合力；對(duì)于牛頓流體，根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，式(1)可寫為πr2lρgsinα+2πRγ(cosθc,b-cosθc,f)πR2πr2=-2πrlηdudr---(2)]]>通過一系列轉(zhuǎn)化，可得出液柱的動(dòng)力粘度η的表達(dá)式為η=ρgsinαR28u0+2γ(cosθc,b-cosθc,f)R8lu0---(3)]]>對(duì)式(3)進(jìn)行簡(jiǎn)化；簡(jiǎn)化方法是利用高精度CCD圖像傳感器拍攝液柱穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的前后兩個(gè)端面的圖像，當(dāng)液柱流速較小時(shí)，前后兩個(gè)端而形狀近似一致且隨流速變化端面形狀變化較小，可近似認(rèn)為液柱前后兩端而表而張力近似相等，又因式(3)中右邊第一項(xiàng)計(jì)算數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第二項(xiàng)，故第二項(xiàng)即表面張力影響項(xiàng)可近似認(rèn)為是一常數(shù)；設(shè)、k1=ρgR28η]]>、k2=2γ(cosθc,b-cosθc,f)R8lη,]]>式(3)可轉(zhuǎn)化為u0＝k1sinα+k2(4)由式(4)可知，只要在一系列傾角α下測(cè)得液柱勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度即可通過最小二乘法線性擬合得出k1的值，進(jìn)而得到液體的動(dòng)力粘度η或運(yùn)動(dòng)粘度v的絕對(duì)測(cè)量公式和相對(duì)測(cè)量公式；絕對(duì)測(cè)量公式動(dòng)力粘度η=ρgR28k1;]]>運(yùn)動(dòng)粘度v=gR28k1;]]>采用絕對(duì)測(cè)量法時(shí)，在玻璃管內(nèi)徑R已知的前提下，只需通過測(cè)量得到一組對(duì)應(yīng)的玻璃管傾角值α與液柱勻速運(yùn)動(dòng)的速度值u0即可通過最小二乘法線性擬合得到k1的值，進(jìn)而得到待測(cè)液體的粘度值；相對(duì)測(cè)量公式動(dòng)力粘度η=ρk1sρsk1ηs;]]>運(yùn)動(dòng)粘度v=k1sk1vs]]>當(dāng)采用相對(duì)測(cè)量法時(shí)，需要事先測(cè)量得到已知粘度的標(biāo)準(zhǔn)液的k1s值，然后采用相同的細(xì)管道測(cè)量得到待測(cè)液體的k1值，代入公式即可得到待測(cè)液體的粘度值；當(dāng)測(cè)量待測(cè)液體動(dòng)力粘度時(shí)，需要已知待測(cè)液體對(duì)應(yīng)于測(cè)量點(diǎn)溫度、壓力下的密度值，如采用相對(duì)測(cè)量法，還需已知標(biāo)準(zhǔn)液體相應(yīng)的密度值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于高壓下及低沸點(diǎn)物質(zhì)液相粘度的測(cè)量方法，該方法選擇直線狀、內(nèi)徑均勻一致的玻璃管，在該玻璃管內(nèi)置入一定量待測(cè)液體，待測(cè)液體在玻璃管中形成一段液柱，該液柱組分物質(zhì)為不可壓縮流體，且該液柱在玻璃管內(nèi)壁上無滑移；液柱內(nèi)部的流動(dòng)為等溫層流流動(dòng)，液柱兩端面受到的壓強(qiáng)相等；采用儲(chǔ)液器實(shí)現(xiàn)低沸點(diǎn)物質(zhì)和高壓條件下的液體粘度測(cè)量；在穩(wěn)定的溫度環(huán)境下使玻璃管傾斜一定角度，當(dāng)液柱沿玻璃管軸向勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)液柱運(yùn)動(dòng)平衡方程即可測(cè)出待測(cè)液體的粘度。該方法適用于測(cè)量常壓及高壓下物質(zhì)的液相粘度，適用范圍廣、測(cè)量周期短、測(cè)量精度高、所需待測(cè)液體少、測(cè)量過程操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06F19/00GK101086472SQ20061010525
公開日2007年12月12日 申請(qǐng)日期2006年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月22日
發(fā)明者何茂剛, 張穎 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)