TWI447375B - Apparatus for measuring fluid viscosity and method thereof - Google Patents

Description

量測流體黏度之裝置及其方法

本發明係有關於一種量測裝置及其量測方法，特別是指一種量測流體黏度之裝置及其方法。

黏度是流體重要的物理性質之一，目的在檢測流體的可流動性，黏度愈大則流體愈難流動。在日常生活中有許多與黏度有關的現象，譬如飲品的口感好壞、油漆在粉刷時的難易程度、自來水筆在運筆時的順暢與否。在工業技術中有許多與黏度有關的應用，譬如阻尼裝置、浸油潤滑、油料輸送及燃油霧化等。目前黏度測定技術大多數係旋轉式黏度計、毛細管式黏度計及落球式黏度計。

以旋轉式黏度計來說明，如美國核准專利之專利號第05287732與06240770號，傳統旋轉式黏度計包含一外圓柱與一同軸內圓柱，兩圓柱的間隙內置一待測流體。藉由轉動內圓柱來改變流體於壁面的切線速度，將獲知的轉動力矩與切線速度代入牛頓應力-應變關係式，即可測得待測流體的黏度。旋轉式黏度計的優點是測定時間短、儀器操作簡單，然而，旋轉式黏度計因兩圓柱的間隙甚小，若流體內有顆粒，譬如泥漿或懸浮液，則不適用，因此讓旋轉式黏度計的可測試性低。又旋轉式黏度計為達到降低量測誤差值，兩圓柱的長度必須很長，因此使整體佔用空間大，儀器成本高，又兩圓柱的長度、間隙、定位、圓柱底部的外 型與摩擦及先前殘留的液體皆會影響量測精確度，因此使量測誤差值大。若針對不同液體作測定，為避免先前殘留的液體，造成無法預測的量測誤差值，儀器必須視情況拆卸清洗，因此讓儀器維護困難度提高。

以毛細管式黏度計來說明，傳統毛細管式黏度計包含兩玻璃球體容器與一U型連接管，或稱為Ostwald黏度計。其中U型連接管之一側內有一毛細管，另一側則為一普通管，分別連通位置較高與較低之兩玻璃球體容器，內置一待測液體。液體會因為重力效應，在毛細管內流動，藉由控制兩玻璃球體容器內液面的高低起伏，以間接獲知液體於毛細管內的流率，將獲知的流率代入黏度-流率關係式，即可測得待測液體的黏度。相較於旋轉式黏度計，優點是可測試性稍高、佔用空間稍小及儀器成本稍低。然而，毛細管式黏度計為達到降低量測誤差值，兩玻璃球體容器必須夠大，液面高低起伏所花時間很長，以此黏度測定時間較長。兩玻璃球體容器內液面的高低起伏造成出入口端液靜壓的變化，會影響量測精確度，造成量測誤差值大。又毛細管管徑小，造成清潔不易，因此使儀器維護困難度提高。而為使液面在兩玻璃球體容器內起伏，造成液面控制不易而操作複雜度高的問題產生。除此之外，若流體係高黏度，或具顆粒大小與毛細管管徑達同等級時，則不適用毛細管式黏度計來量測，因此毛細管式黏度計之可測試性亦不高。為達到降低量測誤差值，兩玻璃球體容器必須很大，故儀器種體佔用空間依舊不小，而為了製造毛細管且達一體成型，技術成本必須很高，因此毛細管式黏度計成本依舊不低。

以落球式黏度計來說明，如台灣公開專利利號第200912277號所揭露之傳統落球式黏度計，其包含一圓管與一球體，圓管內 置一待測流體。球體會因為重力效應，在圓管內落下，藉由獲知圓管內球體落下的速度，代入黏度-速度關係式，即可測得待測流體的黏度。相較於毛細管式黏度計，優點是測定時間短、儀器成本低、儀器操作簡單。然而，以落球式黏度計來計算黏度，若流體非透明潔淨，則不易觀察檢測，因此黏度的可測試性依舊不高，球體相對於圓管的尺寸與球體表面劣化及磨損程度皆會影響量測精確度，故量測誤差值大，又球體為耗材，保持不易，造成儀器維護困難度高。

因此，本發明即在針對上述問題而提出一種測量流體量測流體黏度之裝置及其方法，不僅可改善上述習用缺點，提高可測試性，又可降低測定時間、佔用空間、儀器成本、量測誤差值、儀器維護困難度及操作複雜度，以解決上述問題。

本發明之目的之一，在於提供一種量測流體黏度之裝置及其方法，其係藉由一入口端大於一出口端之一容器，以推導出一流體之一黏度值相關於一流率值與一壓力梯度值的運算式，並藉由一量筒與一計時器以測得流體之流率值，依據流率值即可得知黏度值。如此可提高可測試性，又可降低測定時間，且本發明之量測結構簡單，因此維護容易且操作複雜度低，不但不佔用空間，且可降低儀器成本，亦可減少量測誤差值。

本發明之目的之一，在於提供一種量測流體黏度之裝置及其，方法，其係藉由一壓力控制裝置，壓力控制裝置接設於入口端與出口端並控制流體之壓力梯度值。如此可得到更精準流體之壓力梯度值，進而可測得流體更精準之黏度值。

本發明之目的之一，在於提供一種量測流體黏度之裝置及其方法，其係藉由一重量量測裝置以量測該流體流出的重量，並藉由一計時器量流出流體之一時間，依據重量值、時間值與流體之一密度值以測得較為精準之流率值，進而可測得流體更精準之黏度值。

本發明之目的之一，在於提供一種量測流體黏度之裝置及其方法，其係藉由一微處理器以依據該密度值、壓力梯度值、出口端半徑與流率值以計算黏度值。如此更可增加本發明於量測流體黏度值之便利性。

本發明之黏度之量測裝置包含一容器、一流體、一量筒與一計時器，容器設有一入口端與一出口端，入口端大於出口端，一流體設於該容器內，流體由出口端以一流率值流出，流體具有一密度值與一壓力梯度值，量筒量測出口端流出之流體之一體積，計時器量測出口端流出體積之流體之一時間，流率值相關於體積與時間，而流體之一黏度值相關於密度值、壓力梯度值、一出口端半徑與流率值。本發明之量測結構簡單，因此維護容易且操作複雜度低，不但不佔用空間，亦可降低儀器成本，更可減少量測誤差值。

另外，本發明更包含一壓力控制裝置，壓力控制裝置接設於入口端與出口端並控制流體之壓力梯度值。如此可得到更精準流體之壓力梯度值，進而可測得流體更精準之黏度值。又，本發明更包含一重量量測裝置，重量量測裝置設於量筒下方以量測該體積之流體的重量，因此可藉由計時器量流出流體之時間，再依據重量值、時間與流體之一密度值以測得較為精準之流率值，進而可測得流體更精準之黏度值。

再者，本發明更包含一微處理器，微處理器依據密度值、壓力梯度值、出口端半徑與流率值以計算黏度值。如此更可增加本發明於量測流體黏度值之便利性。

本發明之量測黏度之方法包含下列步驟，首先，量測一容器內一流體之一壓力梯度，流體由該容器之一入口端流入並由容器之一出口端流出，之後，量測流體自出口端流出之一流率值，最後，依據流體之一密度值、壓力梯度、出口端之一出口端半徑與流率值以測得流體之一黏度值。本發明是可用不同的流體，如此可提高可測試性，又可降低測定時間，更增加本發明之便利性。

10‧‧‧容器

12‧‧‧入口端

14‧‧‧出口端

20‧‧‧流體

30‧‧‧量筒

40‧‧‧計時器

50‧‧‧壓力控制裝置

60‧‧‧重量量測裝置

第一圖為本發明較佳實施例之容器結構示意圖；第二A圖為本發明較佳實施例之黏度量測方法之流程圖；第二B圖為本發明較佳實施例之壓力梯度量測之流程圖；以及第二C圖為本發明較佳實施例之出口端流率值量測之流程圖；第三A圖為本發明另一較佳實施例之黏度之量測裝置之結構示意圖壓力梯度量測之流程圖；第三B圖為本發明另一較佳實施例之壓力梯度量測之流程圖；第四A圖為本發明另一較佳實施例之黏度之量測裝置之結構示意圖；第四B圖為本發明另一較佳實施例之出口端流率值量測之流程圖；以及第五圖為本發明另一較佳實施例之黏度之量測裝置之結構示意圖。

茲為使 貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：

請參閱第一圖，其係為本發明較佳實施例之容器結構示意圖；如圖所示，本發明之黏度之量測裝置包含一容器10、一流體20、一量筒30與一計時器40，容器10設有一入口端12與一出口端14，入口端12大於出口端14，流體20設於容器10內，本發明之容器10為一漸縮管，待測流體20存放於漸縮管內。流體20由出口端14以一流率值流出，流體20具有一密度值ρ與一壓力梯度值dp/dz。入口端12之流體20之具有一入口壓力p _in ，出口端14之流體20具有一出口壓力p _out ，壓力梯度值dp/dz為入口壓力p _in 與出口壓力p _out 之差除以容器10之一高度值l。

本發明之流體20受重力與出入口壓力差效應，於出口端14形成自由噴流，流體20於入口端12下降緩慢。由於管長大於兩開口端口徑，依據質量與動量平衡定理，流場可考慮如下簡化之守恆方程式：

其中r及z代表圓柱坐標系的兩個坐標量，u _r 及u _z 代表其對應的速度分量，p是壓力，g是重力加速度，ρ是流體20之密度值，μ是待測液體的黏度，dp/dz是壓力梯度值。對動量守恆方程式作兩次積分，並且考慮不滑動(u _z =0)與對稱()邊 界條件，即可獲得如下黏度-流速關係式：

其中r _in 及r _out 分別是容器10之入口端12與出口端14半徑。流體20的驅動來源有重力ρg與壓力梯度值dp/dz，式中(ρg+dp/dz)/4u _z 代表每單位速度的驅動力。此性質量測必須考慮容器10幾何關係，及(2)式中括號內的數學陳述。對(2)式中的流速u _z (r,z)於出口端14(z=-l)作一次積分，即可獲得如下黏度-流率關係式：

其中是體積流率。在滿足出入口流率相等的情形下，可得壓力梯度值為

其中p _in 是入口壓力，p _out 是出口壓力，l是容器高度。藉由獲知流體20於出口端14的流率，代入(2)式即可測得待測流體20的黏度。

量筒30量測待測流體20於出口端14流出的體積，計時器40量測流出體積所需時間t，將獲知的流率代入(3)式，即可決定待測流體20的黏度。本發明使用量筒30量測出口端14流出之流體20之一體積，計時器40則量測出口端14流出體積之流體20之一時間t，流率值為體積除以時間t。亦即，本發明 若要得知流體20之黏度值μ，僅將相關於密度值ρ、壓力梯度值dp/dz、一出口端14半徑r _out 與流率值，這參數帶入(3)式中，即可算出黏度值μ。故由上述可知，本發明利用簡單的量測結構，因此維護容易，且操作複雜度低，不但不佔用空間，亦可降低儀器成本，更可減少量測誤差值。

請一併參閱第二A圖至第二C圖，其係為本發明較佳實施例之黏度量測方法之流程圖、壓力梯度量測之流程圖與出口端流率值量測之流程圖；如圖所示，本發明之量測黏度之方法包含下列步驟，首先，進行步驟S1，量測一容器10內一流體20之一壓力梯度值；之後，進行步驟S2，量測流體20自出口端14流出之一流率值；最後，進行步驟S3，依據流體20之一密度值、壓力梯度值、出口端14之一出口端14半徑與流率值以測得流體20之一黏度值。

而在步驟S1中，更包含下列步驟：首先，進行步驟S12，量測入口端12之流體20之一入口壓力值，之後，進行步驟S14，量測出口端14之流體20之一出口壓力值；接著，進行步驟S16，量測容器10之一高度值；最後，進行步驟S18，依據入口壓力值、出口壓力值與高度值以測得壓力梯度值。

而在步驟S2中，更包含下列步驟：首先，進行步驟S22，使用一量筒30量測出口端14流出之流體20之一體積，之後，進行步驟S24，使用一計時器40量測出口端14流出該體積之流體20之一時間，最後，進行步驟S26，依據體積與時間以測得流率值。

請一併參閱第三A圖與第三B圖，其係為本發明另一較佳實施例之黏度之量測裝置之結構示意圖與壓力梯度量測之流程圖；如圖所示，本發明之黏度之量測裝置更包含一壓力控制裝置50，壓 力控制裝置50接設於入口端12與出口端14並控制流體20之壓力梯度值。本發明之壓力控制裝置50可為幫浦、活塞或任何可控制壓力之裝置，以控制出入口壓力p _out 與p _in ，以精確控制即控制壓力梯度值dp/dz。因此於進行步驟S1中，將藉由壓力控制裝置50控制壓力梯度值dp/dz，故於量測流體20之壓力梯度值之步驟將有改變。如圖三B所示，首先，進行步驟S13，調控入口端12之流體20之一入口壓力值；之後，進行步驟S15，調控出口端14之流體20之一出口壓力值；接著，進行步驟S17，量測容器10之一高度值；最後，進行步驟S19，依據入口壓力值、出口壓力值與高度值以測得壓力梯度值。如此更可得到更精準的壓力梯度值，進而增加流體20黏度值量測之準確性。

請一併參閱第四A圖與第四B圖，其係為本發明另一較佳實施例之黏度之量測裝置之結構示意圖與出口端流率值量測之流程圖；如圖所示，此實施例不同於上一實施例在於此實施例更包含一重量量測裝置60，重量量測裝置60為一電子天平。重量量測裝置60設於量筒30下方，重量量測裝置60用於量測至量筒30之流體20的重量。此實施例除了利用計時器40量測出口端14所流出之流體20的體積所需時間t，更利用重量量測裝置60量測流體20流入於量筒30內之重量，並利用電子天平測得流入於量筒30內之流體20的精確質量M。而在已知流體密度ρ的情形下，可獲得流率為。如此更可得到更精準的流率，進而增加流體20黏度值量測之準確性。

由此可知，在步驟S2量測流體20之流率值的步驟將有所與圖二C不同。如圖四B所示，量測流率值時，首先，進行步驟S21， 使用重量量測裝置60以量測出口端14流出之流體20之一重量值，亦即量測量筒30內之流體20的重量，之後，進形步驟S23，使用計時器40量測出口端14流出流體20之時間，最後，依據重量值、時間與流體之一密度值以測得流率值。如此更可得到更精準的流率值，進而增加流體20黏度值量測之準確性。

請一併參閱第五圖，其係為本發明另一較佳實施例之黏度之量測裝置之結構示意圖；此實施例不同於圖四A之實施例在於，此實施例更包含一微處理器70，微處理器70依據密度值、壓力梯度值、出口端半徑與流率值代入(3)式，即可決定待測流體20的黏度值。

綜上所述，本發明係有關一種之量測流體黏度之裝置及其方法，其係於，一容器設有一入口端與一出口端，入口端大於出口端，而設於容器內之一流體由出口端以一流率值流出，流體具有一密度值與一壓力梯度值，利用一量筒量測出口端流出之流體之一體積，並利用一計時器量測出口端流出體積之流體之一時間，流率值相關於體積與時間，最後依據流體之一密度值、壓力梯度、出口端之一出口端半徑與流率值以測得流體之一黏度值。本發明之量測結構簡單，因此維護容易且操作複雜度低，不但不佔用空間，亦可降低儀器成本，更可減少量測誤差值，且本發明是可用不同的流體，如此可提高可測試性，又可降低測定時間，更增加本發明之便利性。

故本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來 限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10‧‧‧容器

12‧‧‧入口端

14‧‧‧出口端

20‧‧‧流體

30‧‧‧量筒

40‧‧‧計時器

Claims (11)

1. 一種量測黏度之裝置，包含：一容器，設有一入口端與一出口端，該入口端大於該出口端；一壓力控制裝置，接設於該入口端與該出口端；一流體，設於該容器內，該流體由該出口端以一流率值流出，該流體具有一密度值與一由該壓力控制裝置控制之壓力梯度值；一量筒，量測該出口端流出之該流體之一體積；一計時器，量測該出口端流出該體積之該流體之一時間，該流率值相關於該體積與該時間；以及其中，該流體之一黏度值相關於該密度值與一重力加速度值的乘積與該壓力梯度值之和，且該黏度值相關於該一出口端半徑的四次方除以該流率值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之量測黏度之裝置，其中該入口端之該流體之具有一入口壓力，該出口端之該流體具有一出口壓力，該壓力梯度值為該入口壓力與該出口壓力之差除以該容器之一高度值。
3. 如申請專利範圍第1項所述之量測黏度之裝置，其中該流率值為該體積除以該時間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之量測黏度之裝置，其中該容器之一高度值大於該入口端之一入口端半徑與該出口端半徑。
5. 如申請專利範圍第1項所述之量測黏度之裝置，更包含一重量量測裝置，該重量量測裝置設於該量筒下方以量測該體積之該流體的 重量。
6. 如申請專利範圍第1項所述之量測黏度之裝置，更包含一微處理器，該微處理器依據該密度值、該壓力梯度值、該出口端半徑與該流率值以計算該黏度值。
7. 一種量測黏度之方法，其包含：提供一容器並且該容器之入口端與該出口端接設一壓力控制裝置，該壓力控制裝置控制該容器內一流體之壓力梯度值，該流體由該容器之一入口端流入並由該容器之一出口端流出；量測該流體自該出口端流出之一流率值；以及依據該流體之一密度值與一重力值的乘積與該壓力梯度值之和，且該黏度值相關於該出口端之一出口端半徑的四次方除以該流率值以測得該流體之一黏度值。
8. 如申請專利範圍第7項所述之量測黏度之方法，其中於使用該壓力控制裝置以調控該流體之壓力梯度值之步驟中，包含下列步驟：調控該入口端之該流體之一入口壓力值；調控該出口端之該流體之一出口壓力值；量測該容器之一高度值；以及依據該入口壓力值、該出口壓力值與該高度值以測得該壓力梯度值。
9. 如申請專利範圍第7項所述之量測黏度之方法，其中於量測該流體自該出口端流出之一流率值之步驟中更包含下列步驟：使用一量筒量測該出口端流出之該流體之一體積；使用一計時器量測該出口端流出該體積之該流體之一時間；以及依據該體積與該時間以測得該流率值。
10. 如申請專利範圍第7項所述之量測黏度之方法，其中於量測該流體 自該出口端流出之一流率值之步驟中更包含下列步驟：量測該出口端流出之該流體之一重量值；使用一計時器量測該出口端流出該流體之一時間；以及依據該重量值、該時間與該流體之一密度值以測得該流率值。
11. 如申請專利範圍第7項所述之量測黏度之方法，其中於依據該流體之一密度值、該壓力梯度值、該出口端之一出口端半徑與該流率值以測得該流體之一黏度值之步驟中，其係使用一微處理器以測得該流體之一黏度值。