液－液隔離式毛細(xì)管黏度儀研制

萬(wàn)桂怡，孫曉明，崔建軍

（1.山東大學(xué) 資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室管理部，山東 濟(jì)南250014；2.山東大學(xué) 物理學(xué)院，山東 濟(jì)南250014；3.山東大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250014）

黏度是表征流體性質(zhì)的一項(xiàng)重要參數(shù)［1］，它是液體在外力作用下流動(dòng)時(shí)，因分子間存在沿界面產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的結(jié)果。黏度分為動(dòng)力黏度、運(yùn)動(dòng)黏度和條件黏度。黏度測(cè)量廣泛地應(yīng)用于石油、化工、輕工、食品、建材、煤炭、冶金、醫(yī)藥等領(lǐng)域。比如，應(yīng)用黏度計(jì)可以監(jiān)測(cè)合成反應(yīng)生成物的黏度、自動(dòng)控制反應(yīng)終點(diǎn)，某些食品和藥物等的生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制，各種石油制品和油漆的品質(zhì)檢驗(yàn)等，都需要進(jìn)行黏度測(cè)量。在醫(yī)學(xué)中測(cè)量血液及生物液體的黏度有著很重要的臨床意義［2］。

1 黏度測(cè)量原理

1845年，英國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家斯托克斯（G.G.Stokes）和法國(guó)的納維（C.L.M.H.Navier）等人分別推導(dǎo)出流體力學(xué)中最基本的方程組，即納維－斯托克斯方程，奠定了傳統(tǒng)流體力學(xué)的基礎(chǔ)［3］。實(shí)驗(yàn)室測(cè)定黏度的原理一般大都是由斯托克斯公式和泊肅葉公式導(dǎo)出的有關(guān)黏滯系數(shù)的表達(dá)式［4］，即：

式（1）中，L和R 分別為所用細(xì)管的長(zhǎng)度和內(nèi)半徑，Q和η分別為所測(cè)液體的體積流量和黏度，p為流經(jīng)該細(xì)管產(chǎn)生的壓力降。

早期的黏度計(jì)，如烏式（Ubblohole）和奧式（Ostwald）黏度計(jì)，多采用固定p而測(cè)定Q 的辦法，從（1）計(jì)算出η。因?yàn)闇y(cè)定Q比測(cè)定p方便，這類黏度計(jì)的造價(jià)低、操作比較簡(jiǎn)單，但是測(cè)定時(shí)間長(zhǎng)，工作效率低，嚴(yán)格控制溫度，清洗不方便，測(cè)量誤差大，不便于自動(dòng)化測(cè)量。

本文闡述了一種液－液隔離式毛細(xì)管黏度計(jì)，與傳統(tǒng)的毛細(xì)管黏度計(jì)相比，有以下特點(diǎn)：測(cè)量精度高，受溫度影響小，與樣品密度無(wú)關(guān)，不需要進(jìn)行密度校正。

2 本黏度儀的測(cè)量原理

把2個(gè)毛細(xì)管串聯(lián)在一起、中間設(shè)置1個(gè)液－液隔離器，使溶劑液體和樣品液體以相同的流速在管路中流動(dòng)。不同的壓力傳感器分別跨接在2個(gè)毛細(xì)管上。當(dāng)兩種液體流過(guò)2個(gè)毛細(xì)管時(shí)，分別在2個(gè)毛細(xì)管兩端產(chǎn)生壓降，由壓差傳感器檢測(cè)p2和p1壓力差 （壓差信號(hào)經(jīng)放大電路放大后送A／D轉(zhuǎn)換器再送入微處理器中），依據(jù)泊肅葉定律得到測(cè)量流體的黏度。

圖1 液－液隔離式毛細(xì)管粘度計(jì)測(cè)量原理圖

泊肅葉定律［5］：

因2個(gè)毛細(xì)管中流體的體積流量Q相同，可以推得：p1＝k1Qη1，p1為參比毛細(xì)管兩端的壓差；p2＝k2Qη2，p2為樣品毛細(xì)管兩端的壓差。因此有

式中ηr稱為相對(duì)黏度。常數(shù)k用溶液測(cè)得，當(dāng)溶劑液體同時(shí)流過(guò)兩根毛細(xì)管時(shí)，k是兩根毛細(xì)管壓力信號(hào)的比值，即：

儀器常數(shù)在每次進(jìn)樣前檢驗(yàn)。

等式（3）的解釋非常重要，從等式（4）得出ηr值決定于壓力的比值，流量Q項(xiàng)已消去，泵的噪音作用和流量的波動(dòng)也被消除。因此，液－液隔離式毛細(xì)管黏度計(jì)和傳統(tǒng)的玻璃毛細(xì)管黏度儀不同，最終結(jié)果不需要進(jìn)行樣品密度和動(dòng)能的校正［6］。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及作用

圖2所示為液－液隔離式毛細(xì)管黏度計(jì)結(jié)構(gòu)，主要采用了氣動(dòng)系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、傳感器等多項(xiàng)技術(shù)。關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)了液－液隔離器，從而提供了一種快速、準(zhǔn)確的測(cè)量溶液黏度的方法。測(cè)量時(shí)幾乎沒(méi)有隨機(jī)誤差，樣品測(cè)試效率高，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

（1）液－液隔離器。液－液隔離器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。該隔離器的核心技術(shù)體現(xiàn)在：①溶劑液體和樣品液體以相同的流速在毛細(xì)管中流動(dòng)；②兩種液體在管中不能混合；③液體在管中壓力無(wú)損耗傳遞。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 液－液隔離器結(jié)構(gòu)圖

（2）氣囊式氣動(dòng)泵。氣囊式氣動(dòng)泵（見(jiàn)圖4）的作用是：把溶劑液體送入毛細(xì)管1和液－液隔離器中，同時(shí)液－液隔離器中的溶劑液體也能反送到氣囊式氣動(dòng)泵中，它可以實(shí)現(xiàn)流體在氣囊式氣動(dòng)泵與液－液隔離器之間相互流動(dòng)，這樣可以使溶劑液體反復(fù)使用，為實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)測(cè)量提供了保證。

圖4 氣囊式氣動(dòng)泵結(jié)構(gòu)圖

（3）彈性氣囊式動(dòng)力泵。彈性氣囊式動(dòng)力泵（見(jiàn)圖5）的作用：是把樣品瓶中的樣品液體或溶劑瓶中的溶劑液體送入液－液隔離器中，這為自動(dòng)取液提供了保證。

（4）氣囊式氣動(dòng)閥門(mén)。氣囊式氣動(dòng)閥門(mén)（見(jiàn)圖6）的作用：是在控制系統(tǒng)作用下控制流體通斷，特點(diǎn)是流體的阻力可以忽略不計(jì)，消除了管路對(duì)測(cè)量精度的影響。

圖5 彈性氣囊式動(dòng)力泵

圖6 氣囊式氣動(dòng)閥門(mén)

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的玻璃毛細(xì)管黏度計(jì)與新型液－液隔離式毛細(xì)管黏度計(jì)的設(shè)計(jì)原理都是遵循流體的泊肅葉定律，只不過(guò)傳統(tǒng)的玻璃毛細(xì)管黏度計(jì)以壓力恒定、測(cè)溶液的流速，來(lái)計(jì)算溶液的黏度［7］，而新型液－液隔離式毛細(xì)管黏度計(jì)是采用：（1）液－液隔離器，保證了2個(gè)毛細(xì)管中的流速相同，因而可在計(jì)算相對(duì)黏度的公式中消去Q項(xiàng)，使相對(duì)黏度值僅取決于壓力的比值，這樣可以消除泵的波動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響，使得測(cè)量精度得以提高；（2）相對(duì)黏度只取決壓力的比值，壓力的檢測(cè)由高精度的壓力傳感器完成，可以得到高精度的壓力值；（3）本系統(tǒng)可以做到在相同的溫度環(huán)境下同步測(cè)量，在相對(duì)黏度值僅取決于壓力的比值的情況下，溫度的影響被消除了；（4）與樣品密度無(wú)關(guān)，不需要進(jìn)行密度校正；（5）由于溶劑液體可以在氣囊式氣動(dòng)泵和液－液隔離器之間相互流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了黏度在線測(cè)量，所以本設(shè)計(jì)具有自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。另外，還具有操作簡(jiǎn)單、使用方便、節(jié)省溶劑、制做容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量快速、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

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［1］朱震釣，王明時(shí).新型全自動(dòng)毛細(xì)管式業(yè)度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2001，28（3）：54－57.

［2］遲海.基于LabVIEW的智能粘度儀設(shè)計(jì)［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009（5）：97－101.

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［4］張秀梅，張兆謨，王遵立.壓力式細(xì)管粘度［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，1998（6）：305－308.

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