一种适合于挥发性液体黏度测量的毛细管黏度计

　　0　引　言

　　目前,饱和液体黏度的测量方法主要有[1～4]:毛细管法、振动弦法、旋转法、落体法、振动法、平板法以及声频共振法等。这些方法各有优缺点,适用于不同的场合。其中,毛细管法是使用最普遍的一种方法,操作简单且成本低,在实际黏度测量中有很广泛的应用,而且大多数国家的液体黏度基准也是通过毛细管法来建立的。但是,普通的毛细管黏度计不适合于挥发性液体的测量,因此本文在现有毛细管黏度计的测量原理分析基础上,提出了一种新的毛细管黏度计结构,可以用于挥发性液体的黏度测量。最后,利用新研制的毛细管黏度计测量了FC152a的饱和液体黏度。

　　1　毛细管黏度计的测量原理与方法

　　毛细管黏度计测量的基本原理是Hagen-Poiseuille定律。有关此定律的具体推导过程和内容可参见文献[1],本文只给出相关的表达式。根据Hagen-Poiseuille定律可知,在理想情况下,圆管(小管径)中的流体作层流流动,且有如下表达式成立:

　　式中:η为流体动力黏度,t为流动时间,V为一定时间t内流过圆管的流体体积,L为圆管长,R圆管半径。Δp为圆管两端的压力差;对于重力型毛细管黏度计而言,Δp即为重力和浮力作用之差。

　　式(1)是在理想流动的情况下得到的。根据前人的研究表明[1],这与实际情况有一定的差别;实际毛细管内的流动则还必需考虑流动过程中的动能损失和末端损失等。在目前的高精度毛细管黏度计设计中,大多采用修正后的计算方程。它的具体形式如下:

　　对于毛细管黏度计的测量方法而言,有绝对测量法和相对测量法。本文采用相对测量法,它的实现原理大致如下:

　　首先把式(2)进行转换,可以得到如下表达式:

　　式中:ν为流体的运动黏度,而k、A和B的含义则分别如下:

　　对同一黏度计而言,其几何尺寸是固定的;因此,式(5)中的V、R、L+nR、h为常数,g、n、m可视为常数,于是A和B(称为仪器常数)的值也是固定的。由此可见,如果先利用已知黏度的标准液体来获得A和B的值,然后只需测量待测液体流过黏度计毛细管的时间,就可以确定流体的运动黏度ν,最后利用液体的密度数据可直接得到动力黏度η,这就是相对测量法的原理。

　　另外,在毛细管黏度计测量中还有一个很重要的问题就是,动能修正系数m和末端修正系数n的确定。对于末端修正系数n而言[1],主要与毛细管的端头形状有关;一般为常数,本文取值为0.57(Re> 10)。但对于动能修正系数m的值,它不仅与毛细管的几何形状有关,而且与雷诺数有密切关系,目前有多种计算方法[1,2]。在确定动能修正系数m之前,作者通过对实验数据的分析发现,在本文研制的毛细管黏度计中,制冷工质流动的Re都在100～500,因此在本文中,决定采用美国学者Cannon等提出的方法[5],即在Re为80～500时: