CN104865161A - 一种用毛细管测量液体粘度的方法以及用于该方法的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用毛细管测量液体粘度的方法以及用于该方法的装置，该方法为：在一定温度条件下，对毛细管液体两端施压，测定液体界面的运动速率，作v(ΔP)关系直线得出直线的斜率，再根据已知的毛细管半径和液柱长度计算出液体的粘度。本发明方法能够测量单一一种液体的粘度，还能够在两种不相溶液体共存时，其中一种液体的粘度已知的情况下，测量另一种液体的粘度。本发明方法测量中所用的毛细管在微米级别，测量液体的粘度范围在5×10-4～10Pa·s。本测量方法测量装置结构简单、设计合理，参数方便控制，结果可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种用毛细管测量液体粘度的方法，属于分析化学领域。
背景技术
毛细管是仪器分析、渗流力学实验中必需的一种部件。毛细管作为分析部件的核心部分，在物化分析、药物分析、环境分析以及生命科学分析等领域中有着重要作用。目前分析领域向微观尺度的发展是对微观世界的探索以及对样品的低耗以至无损分析等方面的延伸和进步。另外，很多情况下，同一种物质在宏观尺度和微观尺度下，可能表现出不相同的物化性质，样品在微观尺度下的毛细管中的流动性质用宏观尺度下的测量工具进行测量的时候，与实际情况不相符。
目前，在仪器分析和工业上广泛使用毛细管粘度计(奥氏粘度计、乌氏粘度计等)对液体的粘度进行测定。这些测量方法是有其局限性的：第一，现有的毛细管粘度计通过测量一定体积的液体在重力作用下通过垂直毛细管的时间计算出其流速，并通过相关理论计算出目标液体的粘度，并且测试时必须要有参比标准样品，通过测定已知粘度的标准液体和未知粘度的待测样品两者的流速，两者相比得出待测样品的粘度；第二，在此测试过程中，液体落下的流速只受重力影响，而不能改变测试的压强，这对某些在不同压强或剪切作用下粘度有所改变的样品来说，是有较大的局限性的；第三，现有的毛细管粘度计其核心部件毛细管的内径一般在0.1mm～10mm，然而，若需考察在微米级别以下的液体的粘度，是无法通过确定液体的体积来计算液体的流速的。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的不足，提供一种用毛细管测量液体粘度的方法以及用于该方法的装置。本发明方法简单、数据可靠，测定范围在微米级，突破了以往方法的测量极限，在测量过程中不需要标准样品作为参比，并且可以自由调节所需要的压强，还能够测量两种液体相互作用下的实时流动粘度；所用装置结构简单、设计合理，相关参数方便控制，数值易读，处理数据方便、简单。
本发明提供一种用毛细管测量单一液体的粘度的方法，该方法包括如下步骤：
(1a)在两个储液罐之一中注入待测液体，并使毛细管的一端与注入了待测液体的储液罐连接，使端口被液封，另一端与未注入待测液体的储液罐气密连接；
(1b)调节毛细管两端的压强差ΔP，该压强差由毛细管两端的压强测量设备的读数差值得出，即ΔP＝│P1-P2│，P1和P2分别为毛细管两侧储液罐的压强；
(1c)测量出固定液柱长度L下，不同压强差ΔP时液体的流动速率v；
(1d)作v(ΔP)关系直线，其中v为纵坐标，ΔP为横坐标，求出直线的斜率k，计算待测液体的粘度其中r为毛细管的半径，L为待测液体在毛细管中的液柱长度。
根据一种优选实施方案，本发明的用毛细管测量单一液体的粘度的方法还包括以下步骤：
(1e)在不同的液柱长度L下重复步骤(1c)至(1d)，针对不同的L分别计算待测液体的粘度η，并对得到的多个粘度η取平均值。
本发明还提供在两种不相溶液体在毛细管中流动时测量其中一种液体的实时粘度的方法，其中一种液体的粘度为已知，所述方法包括如下步骤：
(2a)在两个储液罐之一中注入粘度未知的液体A，并使毛细管一端与注入了液体A的储液罐连接，使端口被液封后，令液体A充满毛细管；
(2b)在另一个储液罐中注入粘度已知的液体B，把上述毛细管的另一侧与储液罐B连接，使端口被液封；
(2c)调节毛细管两端的压强差ΔP，使得液体A和液体B共存于毛细管中，该压强差由毛细管两端的压强测量设备上的读数差值得出，即ΔP＝│P1-P2│，P1和P2分别为毛细管两侧储液罐的压强；
(2d)测量出固定液柱长度LA、LB下，不同压强差ΔP时液体的流动速率v；
(2e)作v(ΔP)关系直线，其中v为纵坐标，ΔP为横坐标，求出直线的斜率k，则待测液体的粘度其中r为毛细管的半径，LA、LB分别为毛细管中液体A、B的液柱长度，ηA、ηB分别为液体A、B的粘度。
根据一种优选实施方案，本发明的上述方法还包括以下步骤：
(2f)在不同的液柱长度LA、LB下重复步骤(2d)至(2e)，针对不同的LA、LB分别计算待测液体A的粘度ηA，并对得到的多个粘度ηA取平均值。
根据一种优选实施方案，本发明的上述方法在-20℃至150℃的温度范围内实施。
本发明还提供用于实施上述方法的装置，所述装置包括：
两个具有开口的储液罐；
水平放置的毛细管，所述毛细管的两端分别与所述储液罐的侧壁密封连接并与储液罐内部处于液体连通的状态；
用于调节储液罐中的液体压强的设备；
用于测量毛细管两端的液体压强的设备；以及
用于测量毛细管中的液体流动速率的设备。
在一种优选实施方案中，在本发明的装置中，毛细管的内直径在0.5μm～1mm范围内。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1.本发明方法建立在毛细管内微流体动力学性质基础之上，数据易得，计算简单，结果可靠。
2.本发明测量方法中所使用的毛细管的内径范围达到了微米级，即内直径在0.5μm～1mm的毛细管中均可进行准确测量，与现有的测量仪器部件比较缩小了一个数量级。
3.本发明测量方法中不需要标准样品作为参比，只需要对待测样品进行测量即可得到结果。
4.本发明测量方法中可以调节压强，可以测量液体在不同压强或剪切作用下的实时粘度。
5.本发明测量方法能够在两种不相溶的液体在毛细管中共同存在时，在其中一种液体的粘度已知的情况下，测量出粘度未知的另一种液体的粘度。
6.本发明测量方法能够测量的液体的粘度范围在5×10-4～10Pa·s。
附图说明
图1为本发明的用毛细管测量单一液体的粘度的方法以及用于该方法的装置的示意图，其中L为待测液体的液柱长度，P1为毛细管一端的压强，P2为毛细管另一端的压强；
图2为本发明的在两种不相溶液体在毛细管中流动时测量其中一种液体的实时粘度的方法以及用于该方法的装置的示意图，其中LA、LB分别为毛细管中液体A、B的液柱长度，P1为毛细管一端的压强，P2为毛细管另一端的压强。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的内容，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明的内容不局限于以下实施例。
用毛细管测量单一液体的粘度的实施例
实施例1
温度T＝25.3℃时，在内直径为1.7μm(半径为0.85μm)、总长度L＝178mm的毛细管中，水柱长度Lw＝38mm时，测出v(ΔP)关系直线为v＝2.41ΔP+406，得出直线斜率k＝2.41μm·s-1·kPa-1，则水的粘度ηw＝0.852/(8×2.41×38)＝0.99×10-3Pa·s；水柱长度Lw＝68mm时，测出v(ΔP)关系直线为v＝1.362ΔP+217，得出直线斜率k＝1.362μm·s-1·kPa-1，则水的粘度ηw＝0.852/(8×1.362×68)＝0.98×10-3Pa·s；水柱长度Lw＝88mm时，测出v(ΔP)关系直线为v＝0.967ΔP+166，得出直线斜率k＝0.967μm·s-1·kPa-1，则水的粘度ηw＝0.852/(8×0.967×88)＝1.06×10-3Pa·s；则在内直径为1.7μm的毛细管中，水的粘度为ηw＝(0.99×10-3Pa·s+0.98×10-3Pa·s+1.06×10-3Pa·s)/3＝1.01×10-3Pa·s。
实施例2
温度T＝24.6℃时，在内直径为11.26μm(半径为5.63μm)、总长度L＝181mm的毛细管中，65重量％甘油(丙三醇，以下同)水溶液液柱长度Lg＝50mm时，测出v(ΔP)关系直线为v＝3.64ΔP+100，得出直线斜率k＝3.64μm·s-1·kPa-1，则65％甘油水溶液的粘度ηg＝5.632/(8×3.64×50)＝21.8×10-3Pa·s；65％甘油水溶液液柱长度Lg＝80mm时，测出v(ΔP)关系直线为v＝2.30ΔP+62.8，得出直线斜率k＝2.30μm·s-1·kPa-1，则65％甘油水溶液的粘度ηg＝5.632/(8×2.30×80)＝21.5×10-3Pa·s；65％甘油水溶液液柱长度Lg＝110mm时，测出v(ΔP)关系直线为v＝1.64ΔP+43.5，得出直线斜率k＝1.64μm·s-1·kPa-1，则65％甘油水溶液的粘度ηg＝5.632/(8×1.64×110)＝22.0×10-3Pa·s；则在内直径为11.26μm的毛细管中，65％甘油水溶液的粘度为ηg＝(21.8×10-3Pa·s+21.5×10-3Pa·s+22.0×10-3Pa·s)/3＝21.8×10-3Pa·s。
实施例3
温度T＝25.8℃时，在内直径为205μm(半径为102.5μm)、总长度L＝178mm的毛细管中，99重量％甘油水溶液液柱长度Lg＝57mm时，测出v(ΔP)关系直线为v＝33.18ΔP+43.25，得出直线斜率k＝33.18μm·s-1·kPa-1，则99％甘油水溶液的粘度ηg＝102.52/(8×33.18×57)＝0.694Pa·s；99％甘油水溶液液柱长度Lg＝77mm时，测出v(ΔP)关系直线为v＝24.57ΔP+30.99，得出直线斜率k＝24.57μm·s-1·kPa-1，则99％甘油水溶液的粘度ηg＝102.52/(8×24.57×77)＝0.694Pa·s；99％甘油水溶液液柱长度Lg＝97mm时，测出v(ΔP)关系直线为v＝19.20ΔP+25.93，得出直线斜率k＝19.20μm·s-1·kPa-1，则99％甘油水溶液的粘度ηg＝102.52/(8×19.20×97)＝0.705Pa·s；则在内直径为205μm的毛细管中，99％甘油水溶液的粘度为ηg＝(0.694Pa·s+0.694Pa·s+0.705Pa·s)/3＝0.698Pa·s。
在毛细管中两种不相溶液体共存时，其中一种液体的粘度已知的情况下，测量另一种液体的粘度的实施例。
实施例4
温度T＝25.0℃时，在内直径为1.84μm(半径为0.92μm)、总长度L＝198mm的毛细管中，水和癸烷同时存在，已知癸烷的粘度为0.9×10-3Pa·s。水柱长Lw＝53mm时，癸烷柱长Lo＝145mm，测出v(ΔP)关系直线为v＝0.567ΔP-12.99，得出直线斜率k＝0.567μm·s-1·kPa-1，则水的粘度ηw＝(0.922/(8×0.567)-(145×0.0009))/53＝1.06×10-3Pa·s；水柱长Lw＝73mm时，癸烷柱长Lo＝125mm，测出v(ΔP)关系直线为v＝0.551ΔP-16.32，得出直线斜率k＝0.551μm·s-1·kPa-1，则水的粘度ηw＝(0.922/(8×0.551)-(125×0.0009))/73＝1.09×10-3Pa·s；水柱长Lw＝93mm时，癸烷柱长Lo＝105mm，测出v(ΔP)关系直线为v＝0.546ΔP-19.96，得出直线斜率k＝0.546μm·s-1·kPa-1，则水粘度ηw＝(0.922/(8×0.546)-(105×0.0009))/93＝1.07×10-3Pa·s；则在内直径为1.84μm的毛细管中，水-癸烷体系中水的粘度为ηw＝(1.06×10-3Pa·s+1.09×10-3Pa·s+1.07×10-3Pa·s)/3＝1.07×10-3Pa·s。
实施例5
温度T＝25.2℃时，在内直径为11.26μm(半径为5.63μm)、总长度L＝173mm的毛细管中，20重量％甘油水溶液和癸烷同时存在，已知癸烷的粘度为0.9×10-3Pa·s。20％甘油水溶液液柱长Lg＝65mm时，癸烷柱长Lo＝108mm，测出v(ΔP)关系直线为v＝18.17ΔP+62.66，得出直线斜率k＝18.17μm·s-1·kPa-1，则20％甘油水溶液的粘度ηg＝(5.632/(8×18.17)-(108×0.0009))/65＝1.86×10-3Pa·s；20％甘油水溶液液柱长Lw＝95mm时，癸烷柱长Lo＝78mm，测出v(ΔP)关系直线为v＝17.92ΔP+17.07，得出直线斜率k＝17.92μm·s-1·kPa-1，则20％甘油水溶液的粘度ηg＝(5.632/(8×17.92)-(78×0.0009))/95＝1.59×10-3Pa·s；20％甘油水溶液液柱长Lw＝125mm时，癸烷柱长Lo＝48mm，测出v(ΔP)关系直线为v＝14.28ΔP-41.46，得出直线斜率k＝14.28μm·s-1·kPa-1，则20％甘油水溶液的粘度ηg＝(5.632/(8×14.28)-(48×0.0009))/125＝1.87×10-3Pa·s；则在内直径为5.63μm的毛细管中，癸烷-20％甘油水溶液体系中20％甘油水溶液的粘度为ηg＝(1.86×10-3Pa·s+1.59×10-3Pa·s+1.87×10-3Pa·s)/3＝1.77×10-3Pa·s。
本发明中在测试时需明确测试时的温度条件，因为液体的粘度与温度有关，在结果表达时，必须明确温度与粘度的对应关系。本发明方法适用的温度范围为-20℃至150℃。
理论上说，在任意管径的毛细管中均可测试任何一种粘度的液体，但是从测试效率和测试精度角度考虑，一般建议粘度较小的液体用管径较小的毛细管进行测试，粘度较大的液体在管径较大的毛细管中测试。
综上所述，在本发明的测量毛细管内液体的流动粘度方中，毛细管的内直径的范围在微米级，内直径在0.5μm～1mm范围内的毛细管中均可进行准确测量，测量液体的粘度范围在5×10-4～10Pa·s，数据可信，结果可靠，误差小。因此，这套在微米级毛细管中测定液体粘度的方法十分有效。
Claims (8)
1.一种用毛细管测量单一液体的粘度的方法，该方法包括如下步骤：
(1a)在两个储液罐之一中注入待测液体，并使毛细管的一端与注入了待测液体的储液罐连接，使端口被液封，另一端与未注入待测液体的储液罐气密连接；
(1b)调节毛细管两端的压强差ΔP，该压强差由毛细管两端的压强测量设备的读数差值得出，即ΔP＝│P1-P2│，P1和P2分别为毛细管两侧储液罐的压强；
(1c)测量出固定液柱长度L下，不同压强差ΔP时液体的流动速率v；
(1d)作v(ΔP)关系直线，其中v为纵坐标，ΔP为横坐标，求出直线的斜率k，计算待测液体的粘度其中r为毛细管的半径，L为待测液体在毛细管中的液柱长度。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法还包括如下步骤：
(1e)在不同的液柱长度L下重复步骤(1c)至(1d)，针对不同的L分别计算待测液体的粘度η，并对得到的多个粘度η取平均值。
3.在两种不相溶液体在毛细管中流动时测量其中一种液体的实时粘度的方法，其中一种液体的粘度为已知，所述方法包括如下步骤：
(2a)在两个储液罐之一中注入粘度未知的液体A，并使毛细管一端与注入了液体A的储液罐连接，使端口被液封后，令液体A充满毛细管；
(2b)在另一个储液罐中注入粘度已知的液体B，把上述毛细管的另一侧与储液罐B连接，使端口被液封；
(2c)调节毛细管两端的压强差ΔP，使得液体A和液体B共存于毛细管中，该压强差由毛细管两端的压强测量设备上的读数差值得出，即ΔP＝│P1-P2│，P1和P2分别为毛细管两侧储液罐的压强；
(2d)测量出固定液柱长度LA、LB下，不同压强差ΔP时液体的流动速率v；
(2e)作v(ΔP)关系直线，其中v为纵坐标，ΔP为横坐标，求出直线的斜率k，则待测液体的粘度其中r为毛细管的半径，LA、LB分别为毛细管中液体A、B的液柱长度，ηA、ηB分别为液体A、B的粘度。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，该方法还包括如下步骤：
(2f)在不同的液柱长度LA、LB下重复步骤(2d)至(2e)，针对不同的LA、LB分别计算待测液体A的粘度ηA，并对得到的多个粘度ηA取平均值。
5.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，所述毛细管的内直径在0.5μm～1mm范围内。
6.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，所述方法在-20℃至150℃的温度范围内实施。
7.用于实施权利要求1至6之一所述的方法的装置，该装置包括：
两个具有开口的储液罐；
水平放置的毛细管，所述毛细管的两端分别与所述储液罐的侧壁密封连接并与储液罐内部处于液体连通的状态；
用于调节储液罐中的液体压强的设备；
用于测量毛细管两端的液体压强的设备；以及
用于测量毛细管中的液体流动速率的设备。
8.根据权利要求7的装置，其特征在于，所述毛细管的内直径在0.5μm～1mm范围内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150826 |