无溶剂便携式粘度计精确运动粘度测量

本文讨论了如何使用手持式、无溶剂的SpectroVisc Q3000系列在现场立即提供精确的运动学粘度测量，即使与传统的实验室粘度计相比。使用新的无溶剂技术，SpectroVisc Q3000系列提供运动粘度测量，需要校准，密度验证和温度测量。

本文首先介绍了系统的设计SpectroVisc Q3000系列然后解释该设计与常规实验室粘度计相比的表现。

传统粘度计原理与设计

现有的粘度测量方法很大程度上依赖于毛细管、锥板和同心圆筒粘度计的使用。这些仪器主要局限于实验室环境，并存在便携性方面的障碍。毛细管粘度计的缺点是校准、清洗和温度控制的困难和冗长的程序，而旋转部件和精细妨碍了旋转粘度计。

尽管已经开发出了基于微分或光散射技术的高灵敏度粘度计，但这些仪器价格昂贵，而且是在实验室进行的。

一些商业设备已经开发出来，以满足便携式粘度测量的要求，特别是在需要实时识别关键流体状态的情况下。这种粘度计包括使差动和旋转粘度计小型化的努力。尽管这些仪器最小化了样品体积，但一些组件仍然复杂和昂贵，这对它们的广泛采用构成了挑战。

近年来，基于MEMS技术开发了其他仪器和技术，包括声波测量、膜振荡频率测量、剪切谐振器和压电驱动悬臂梁。尽管需要减少样品体积，但许多这样的仪器缺乏温度控制，并且在本质上不是运动学的，所以它们可能不能提供可比的结果。

SpectroVisc Q3000系列粘度计原理与设计

的SpectroVisc Q3000系列粘度计该设计具有上部样品加载井、温度控制电子设备和微通道，可在40°C的恒定温度下测量流体。目前，有两种型号可供选择:粘度测量范围为10 - 350 cSt的Q3000和1 - 700 cSt的Q3050粘度计。

SpectroVisc Q3050粘度计还可以测量流体粘度指数，从40°C测量到100°C。

该装置操作简单。在将60µl的油装入芯片上部井中后，流体样品在重力作用下通过微通道向下流动，在红外范围内通过发射器和探测器的组合检测样品的进样速率。该仪器不需要用户校准，密度分析，或温度测量。

这个粘度计像赫勒-肖单元一样工作，在两个平行板之间存在斯托克斯流动。板与板之间的距离相对于板的高度和宽度来说必然是小的。如图1的原理图所示，只有两个平行板的存在使得微流体装置不受束缚，即流体在两侧都暴露在空气中。

图1所示。微流体运动学粘度计-原理图

无边界微通道有利于清洗。用户可以在分离两个平行板后，简单地擦拭微通道表面来清洁仪器。光学检测技术也很有优势，在微通道的一侧放置led，在另一侧放置各自的光电二极管，不受侧壁的阻碍。

虽然没有侧壁可能会导致微通道溢出，但表面张力在空气和油之间形成了一个凹的半月板，如图2所示。亲油材料需要具有形成凹半月板的正压力。

图2。凹半月板-俯视图

层流条件由板之间的小间隙决定，确保了流动可以被建模为只存在于垂直方向。在稳定状态下，粘性力和重力力在层流条件下是平衡的，所以u是速度，µ是动态粘性，g是重力加速度，ρ是流体密度。

由此，可以使用平均速度来确定流体的运动粘度，其中U是平均速度，d是通道深度，g是重力加速度。

这里忽略了dx2项，因为微通道具有直线几何形状，而流体运动仅是由于重力。由于粘性力与重力平衡的瞬态效应，这个一维方程在漏斗区附近是不成立的。然而，通过将光学元件充分放置在微通道下方，可以避免这些影响。

要成功地将该设备作为Hele-Shaw电池来运行，取决于微通道的宽高比是否足够大。然而，由于无边界设计，必须考虑流体静力学的因素。如果由油引起的静液压力高于由表面张力引起的反相压力，流体就会从无边界的侧面溢出。

为了最大限度地提高表面张力，铝被用作微通道材料，因为它可以很容易地被加工，并与被研究的油产生一个小的接触角。

例如，铝表面与机油的接触角为2.73度，机油表面张力约为31 mN/m。其中R1为半月板半径(微通道深度的一半;50µm)， R2为无限大(相对宽度非常大)。

这说明当两块铝板间距为100微米或100µm时，表面张力所能承受的最大静水压力为620 Pa。因此，微通道的最大长度是基于之前的计算，以及油之间的表面张力和接触角的变化。在Q3000系列，使用的微通道长度为42毫米。

图3和图4展示了由超精密计算机加工系统制作的两块铝板，以及它们是如何连接到铰链上的，这样就可以轻松开启和关闭。

图3。铰链铝板

图4。led和光电二极管的位置

在光电二极管和LED之间流动的流体导致光电二极管电压降低。利用标记这些电压下降的时间点，从光电二极管1和2以及光电二极管2和3之间经过的时间计算出油的平均速度。

然后，应用公式2中的平均速度来确定被测样品的运动粘度。两个电阻温度探测器(RTDs)嵌入铝板允许定制设计的比例-积分-微分(PID)控制器与加热元件耦合，有效地保持温度在40°C。

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这些信息已经从AMETEK Spectro Scientific提供的材料中获得，审查和改编。欧洲杯足球竞彩

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