液－液隔离式毛细管黏度仪研制

万桂怡，孙晓明，崔建军

（1.山东大学 资产与实验室管理部，山东 济南250014；2.山东大学 物理学院，山东 济南250014；3.山东大学 材料科学与工程学院，山东 济南250014）

黏度是表征流体性质的一项重要参数［1］，它是液体在外力作用下流动时，因分子间存在沿界面产生内摩擦力的结果。黏度分为动力黏度、运动黏度和条件黏度。黏度测量广泛地应用于石油、化工、轻工、食品、建材、煤炭、冶金、医药等领域。比如，应用黏度计可以监测合成反应生成物的黏度、自动控制反应终点，某些食品和药物等的生产过程的自动控制，各种石油制品和油漆的品质检验等，都需要进行黏度测量。在医学中测量血液及生物液体的黏度有着很重要的临床意义［2］。

1 黏度测量原理

1845年，英国数学家、物理学家斯托克斯（G.G.Stokes）和法国的纳维（C.L.M.H.Navier）等人分别推导出流体力学中最基本的方程组，即纳维－斯托克斯方程，奠定了传统流体力学的基础［3］。实验室测定黏度的原理一般大都是由斯托克斯公式和泊肃叶公式导出的有关黏滞系数的表达式［4］，即：

式（1）中，L和R 分别为所用细管的长度和内半径，Q和η分别为所测液体的体积流量和黏度，p为流经该细管产生的压力降。

早期的黏度计，如乌式（Ubblohole）和奥式（Ostwald）黏度计，多采用固定p而测定Q 的办法，从（1）计算出η。因为测定Q比测定p方便，这类黏度计的造价低、操作比较简单，但是测定时间长，工作效率低，严格控制温度，清洗不方便，测量误差大，不便于自动化测量。

本文阐述了一种液－液隔离式毛细管黏度计，与传统的毛细管黏度计相比，有以下特点：测量精度高，受温度影响小，与样品密度无关，不需要进行密度校正。

2 本黏度仪的测量原理

把2个毛细管串联在一起、中间设置1个液－液隔离器，使溶剂液体和样品液体以相同的流速在管路中流动。不同的压力传感器分别跨接在2个毛细管上。当两种液体流过2个毛细管时，分别在2个毛细管两端产生压降，由压差传感器检测p2和p1压力差 （压差信号经放大电路放大后送A／D转换器再送入微处理器中），依据泊肃叶定律得到测量流体的黏度。

图1 液－液隔离式毛细管粘度计测量原理图

泊肃叶定律［5］：

因2个毛细管中流体的体积流量Q相同，可以推得：p1＝k1Qη1，p1为参比毛细管两端的压差；p2＝k2Qη2，p2为样品毛细管两端的压差。因此有

式中ηr称为相对黏度。常数k用溶液测得，当溶剂液体同时流过两根毛细管时，k是两根毛细管压力信号的比值，即：

仪器常数在每次进样前检验。

等式（3）的解释非常重要，从等式（4）得出ηr值决定于压力的比值，流量Q项已消去，泵的噪音作用和流量的波动也被消除。因此，液－液隔离式毛细管黏度计和传统的玻璃毛细管黏度仪不同，最终结果不需要进行样品密度和动能的校正［6］。

3 系统结构及作用

图2所示为液－液隔离式毛细管黏度计结构，主要采用了气动系统、智能控制系统、传感器等多项技术。关键在于设计了液－液隔离器，从而提供了一种快速、准确的测量溶液黏度的方法。测量时几乎没有随机误差，样品测试效率高，容易实现自动化。

（1）液－液隔离器。液－液隔离器结构见图3。该隔离器的核心技术体现在：①溶剂液体和样品液体以相同的流速在毛细管中流动；②两种液体在管中不能混合；③液体在管中压力无损耗传递。

图2 系统结构框图

图3 液－液隔离器结构图

（2）气囊式气动泵。气囊式气动泵（见图4）的作用是：把溶剂液体送入毛细管1和液－液隔离器中，同时液－液隔离器中的溶剂液体也能反送到气囊式气动泵中，它可以实现流体在气囊式气动泵与液－液隔离器之间相互流动，这样可以使溶剂液体反复使用，为实现在线自动测量提供了保证。

图4 气囊式气动泵结构图

（3）弹性气囊式动力泵。弹性气囊式动力泵（见图5）的作用：是把样品瓶中的样品液体或溶剂瓶中的溶剂液体送入液－液隔离器中，这为自动取液提供了保证。

（4）气囊式气动阀门。气囊式气动阀门（见图6）的作用：是在控制系统作用下控制流体通断，特点是流体的阻力可以忽略不计，消除了管路对测量精度的影响。

图5 弹性气囊式动力泵

图6 气囊式气动阀门

4 结论

传统的玻璃毛细管黏度计与新型液－液隔离式毛细管黏度计的设计原理都是遵循流体的泊肃叶定律，只不过传统的玻璃毛细管黏度计以压力恒定、测溶液的流速，来计算溶液的黏度［7］，而新型液－液隔离式毛细管黏度计是采用：（1）液－液隔离器，保证了2个毛细管中的流速相同，因而可在计算相对黏度的公式中消去Q项，使相对黏度值仅取决于压力的比值，这样可以消除泵的波动对测量精度的影响，使得测量精度得以提高；（2）相对黏度只取决压力的比值，压力的检测由高精度的压力传感器完成，可以得到高精度的压力值；（3）本系统可以做到在相同的温度环境下同步测量，在相对黏度值仅取决于压力的比值的情况下，温度的影响被消除了；（4）与样品密度无关，不需要进行密度校正；（5）由于溶剂液体可以在气囊式气动泵和液－液隔离器之间相互流动，实现了黏度在线测量，所以本设计具有自动化程度高的特点。另外，还具有操作简单、使用方便、节省溶剂、制做容易、结构简单、测量快速、成本低廉等优点。

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［1］朱震钓，王明时.新型全自动毛细管式业度测量系统的设计［J］.化工自动化及仪表，2001，28（3）：54－57.

［2］迟海.基于LabVIEW的智能粘度仪设计［J］.电子测量与仪器学报，2009（5）：97－101.

［3］Martin J E，Anderson R A.Chain model of eletrheology［J］.Chem Phys，1999，104（12）：4814－4827.

［4］张秀梅，张兆谟，王遵立.压力式细管粘度［J］.仪器仪表学报，1998（6）：305－308.

［5］王军乐，汪幸.用双毛细管粘度仪测定PET切片特性粘度的研究［J］.合成技术及应用，2003（4）：55－57.

［6］Ghaskadvi R S，Dennun M.A Two－dimensional couette viscometer，for langnmir mondayers［J］.Review of Scientific Instruments，1998，69（10）：3568－3572.

［7］余建林，孙大为，李权.自动毛细管粘度计的原理及应用［J］.分析仪器，2003（1）：26－29.