專利名稱：用于測(cè)量液體粘度的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量液體粘度的方法和裝置，更具體地說，涉及一種能用于測(cè)量血液粘度的方法和裝置。
眾所周知，一個(gè)人的身體狀況對(duì)血液的粘度有影響。事實(shí)上，一個(gè)患下述這些病的人的血液粘度與一正常的健康人的血液粘度有極大的差別，上述那些病是貧血、需要血滲析的慢性腎機(jī)能不全、心肌梗塞、糖尿病、或惡性腫瘤。在發(fā)達(dá)國(guó)家，患成年人疾病(例如心肌梗塞、血栓栓塞及糖尿病)的人隨著老年人口的增加而逐漸增加。因而，可以這樣說，對(duì)于治療和/或預(yù)防一些疾病，血液粘度的測(cè)量是一重要且有效的關(guān)鍵因素。
人們知道，血液的流動(dòng)特性是非牛頓式的，而血漿的行為是牛頓式的。因此，人們認(rèn)為，血液的非牛頓行為源于懸浮在血漿中的血細(xì)胞。特別是，人們認(rèn)為，影響血液的流動(dòng)特性的一些因素是血細(xì)胞的取向及它們各種各樣的形狀，這些形狀包括具有凹表面的一些盤形形狀，一些流線形形狀或拋射體形狀。這樣一些因素對(duì)于上述流動(dòng)特性所產(chǎn)生的效果，隨從采集血液開始所耗費(fèi)的一段時(shí)間而變化，而且在該血液中加入其它一些物質(zhì)(例如加入一些抗凝血?jiǎng)?也會(huì)影響上述效果。因而，人們認(rèn)為，確定包括血液的非牛頓行為在內(nèi)的那些血液流動(dòng)特性的最好方式，是選擇人體內(nèi)的血液流動(dòng)作為測(cè)量對(duì)象。
然而，沒有哪種粘度測(cè)定法能直接測(cè)量人體內(nèi)的血液流動(dòng)。為此，就不可避免地要采用所采集的血液作為測(cè)量對(duì)象。因此，要求在采集血液后，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)測(cè)量該血液的上述那些流動(dòng)特性，同時(shí)要求采集血液時(shí)不要在該血液中加入其它一些物質(zhì)，例如加入一些搞抗凝血?jiǎng)?br> 此外，為使一些血液流變學(xué)試驗(yàn)適于常規(guī)臨床醫(yī)學(xué)，要求滿足下述三個(gè)條件(a)能用天然血液進(jìn)行測(cè)量;(b)能在病床邊即時(shí)進(jìn)行測(cè)量;及(c)粘度計(jì)易于操作，且任何人都能操作該粘度計(jì)。
到目前為止，已發(fā)展了各種裝置來測(cè)量液體或溶液的粘度。然而，在臨床醫(yī)學(xué)范圍內(nèi)，只采用了兩種裝置，即毛細(xì)管粘度計(jì)及旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。對(duì)于前者，測(cè)量液體的粘度的方法是把液體引入上述毛細(xì)管粘度計(jì)，然后使此液體在外力(例如引力)作用下，穿過一毛細(xì)管或一均勻孔徑的小口徑管流動(dòng)，以得到它的彎液面穿過兩預(yù)定平面所需的時(shí)間。對(duì)不同流率、并在源于上述毛細(xì)管的一段長(zhǎng)度的多個(gè)壓位差下進(jìn)行多次測(cè)量。已廣泛采用這樣一種毛細(xì)管粘度計(jì)來測(cè)量血漿的粘度。然而，因?yàn)樘烊谎旱牧鲃?dòng)特性是非牛頓式的，所以很少用所述毛細(xì)管粘度計(jì)來測(cè)量血液的粘度。
一般采用上述旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行血液粘度的測(cè)量。典型的旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)包括兩個(gè)同心圓筒，即內(nèi)圓筒和外圓筒。該內(nèi)圓筒或外圓筒在固定的外圓筒或內(nèi)圓筒內(nèi)、或繞該固定的外圓筒或內(nèi)圓筒旋轉(zhuǎn)。在這樣一種粘度計(jì)中，液體位于兩圓筒之間，而且這兩圓筒的某一個(gè)繞它的軸旋轉(zhuǎn)，以測(cè)量其扭矩。
然而，上述旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)具有下述缺點(diǎn)(a)必須對(duì)同一血液在同不剪切應(yīng)力下進(jìn)行幾次測(cè)量;(b)由于需要進(jìn)行對(duì)對(duì)數(shù)值的圖上微分，所以計(jì)算很麻煩，容易導(dǎo)致顯著誤差;(c)在高轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)生特殊流和不穩(wěn)定流，例如Taylor渦流;(d)要被檢測(cè)的液體會(huì)由于其粘滯性而發(fā)熱;(e)有理由擔(dān)心由于離心力引起血球的彎沉;(f)測(cè)量每個(gè)樣品需費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間;及(g)處理該粘度計(jì)是很麻煩的，因?yàn)閷?duì)每次測(cè)量，必須通過用水沖洗此粘度計(jì)而后再使這粘度計(jì)干燥，以除去附著在該粘度計(jì)上的血液的步驟來清洗所述粘度計(jì)。
要解決這些問題，已提出了各種采用一滾子泵系統(tǒng)或一空心纖維模件的新方法，以測(cè)量血液的粘度。然而，已有技術(shù)中的粘度計(jì)沒有一個(gè)能滿足用于臨床醫(yī)學(xué)所要求的所有條件。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種測(cè)量液體粘度的方法，該方法可以很容易地用少量液體準(zhǔn)確、快速地測(cè)量該液體的粘度。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種測(cè)量液體粘度的裝置或一種粘度計(jì)，該裝置或該粘度計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、易于操作和運(yùn)輸、且制造成本低廉。
通過提供一種測(cè)量液體粘度的方法可以達(dá)到本發(fā)明的這些及其它目的，該方法包括下述步驟(a)將一均勻口徑的小口徑管的一端插入一被密封并保持在一降低的壓強(qiáng)下的管狀容器的一端，同時(shí)將所述小口徑管的另一端浸入特測(cè)液體，以使所述液體在所述小口徑管的兩端之間的壓強(qiáng)差的影響下，穿過該小口徑管流進(jìn)所述容器，(b)用一與上述容器的另一端連在一起的壓力傳感器，檢測(cè)所述管狀容器的內(nèi)部壓強(qiáng)，以確定上述液體隨時(shí)間推移穿過所述小口徑管時(shí)的每一流率，還要確定隨時(shí)間推移所述容器的內(nèi)部壓強(qiáng)的每一變化速率，(c)由所得到上述液體的流率及所得的上述內(nèi)部壓強(qiáng)的變化確定該液體的粘度，可用一測(cè)量液體粘度的裝置來實(shí)施上述方法，該裝置包括一被一對(duì)橡膠之類的塞子密封并保持在一降低的壓強(qiáng)下的管狀容器，所述的這對(duì)橡膠之類的塞子安裝在所述容器的每一開口，一均勻孔徑的空心小口徑管，適于穿入所述那些塞子之一，以使它進(jìn)入所述容器，一壓力傳感器，通過穿入另一塞子，適于與所述容器連接，以檢測(cè)所述容器的內(nèi)部壓強(qiáng)，一A/D轉(zhuǎn)換器，用電線與所述壓力傳感器連接，以將該傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，以及一計(jì)算機(jī)，用于處理所述A/D轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)，以確定上述液體的剪切應(yīng)力及剪切速率，并由下述這些方程從所得的剪切應(yīng)力及剪切速率確定上述液體的粘度γ(τw)＝-du/dr＝3γa/4+(τw/4)(dγa/dτw) (10)τw＝△PR/(2L) (8)γa＝4Q/(πR3) (9)這里γ(τw)是上述液體的剪切速率或速度梯度，τw是該液體的剪切應(yīng)力，△p是在上述小口徑管兩端之間的壓強(qiáng)差，R是該小口徑管的半徑，L是這小口徑管的長(zhǎng)度，Q是單位時(shí)間上述液體的流率，而γa是在壁上一點(diǎn)處的表觀速度梯度。
由下面的說明并參考附圖，本發(fā)明的這些和其它目的及特征將變得更為清楚，這些說明及附圖只是通過舉例表明了本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例。


圖1是實(shí)施本發(fā)明的一用于測(cè)量液體粘度的裝置的示意圖;
圖2是圖1的裝置中所采用的一管狀容器的剖面圖，其上附加了一連接針狀物;
圖3是圖1的裝置的主要部分的剖面圖，此圖顯示上述管狀容器中已充入一種待測(cè)液體;
圖4A及4B是顯示一計(jì)算機(jī)工作過程的流程圖，此計(jì)算機(jī)用在圖1的裝置中，以計(jì)算機(jī)液體的粘度;
圖5是一幅顯示上述血液的剪切應(yīng)力及剪切速率之間關(guān)系的圖;
圖6是一幅顯示所測(cè)得的粘度與真實(shí)粘度之間比值的圖，此真實(shí)粘度是用水及用于校準(zhǔn)粘度計(jì)的粘度標(biāo)準(zhǔn)而得到的;
圖7顯示了由圖1的裝置所測(cè)量的同一血液的粘度;
圖8顯示了在各種血細(xì)胞比容值下所測(cè)量的血液的粘度;
圖9顯示了在己烷和水的一種乳狀液的剪切應(yīng)力和剪切速率之間關(guān)系;
圖10顯示了一聚丙烯酰胺的水溶液的剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系。
現(xiàn)在參考圖1，圖1為用于測(cè)量液體粘度的裝置的一幅示意圖，即一采用了本發(fā)明的粘度計(jì)10的裝置示意圖。裝置10包括一管狀容器12、一吸管裝置20、一液體容器50、一壓力傳感器40、一用電線與傳感器40連接的A/D轉(zhuǎn)換器42、及一用電線與A/D轉(zhuǎn)換器42連接的計(jì)算機(jī)44。
管狀容器12包括一具有一些開口的、均勻孔徑的管狀體14。該管狀體由玻璃或塑料材料制成。將管狀體14預(yù)先抽真空至一給定壓強(qiáng)，并用一對(duì)安裝在管狀體14的上述那些開口的、橡膠之類塞子16及18密封，以使它保持在降低了的壓強(qiáng)下。在這個(gè)實(shí)施例中，將所述容器抽真空至一降低的壓強(qiáng)，例如，抽真空至比大氣壓強(qiáng)低180mmHg的壓強(qiáng)下。塞子16、18用彈性材料制成，最好用異丁烯橡膠制成。將上述塞子弄成圓錐形或在它的一端弄一個(gè)邊緣，以防止由于上述容器12的內(nèi)壓強(qiáng)與大氣之間的壓強(qiáng)差使它落進(jìn)管狀體14。
吸管裝置20包括一空心的貫穿針22，針22在插管23的一端有一尖銳貫穿的尖23a，針22還有一個(gè)靠近尖23a安置的襯套30，吸管裝置20還包括一在貫穿針22上同心安裝的容器支架24。插管23由一金屬制成的、均勻孔徑的小口徑管組成。用于插管23的最佳材料是不銹鋼，例如由JIS確定的SUS304。
容器支架24包括一個(gè)一端封閉的短的管狀元件，并且設(shè)計(jì)得使它的長(zhǎng)度比管狀體14的長(zhǎng)度短，而容架支架24的內(nèi)徑比管狀體14的外徑大，以使后者能平滑移動(dòng)。貫穿針22在襯套30的表面上配有外螺紋，這樣使它與支架24的底部26的中心所配的內(nèi)螺紋嚙合，以防止它相對(duì)于支架24軸向運(yùn)動(dòng)。這樣確定襯套30的位置，使得將針22插進(jìn)彈性塞子18直到支架24的底部26與塞子18的底部接觸時(shí)，針22的銳利的尖23a能伸進(jìn)容器12的內(nèi)部。
液體容器50裝有待檢測(cè)的液體，并將液體容器放進(jìn)一恒溫器54，以保持它的溫度恒定?？刹捎萌魏稳萜鳎詈糜檬袌?chǎng)上可買到的試管。同樣，可采用任何恒溫器，但最好用這樣設(shè)計(jì)的一種恒溫器，使能一次將幾個(gè)容器50裝在其中，以提高檢測(cè)效率。
借助一連接裝置32，將壓力傳感器40與管狀容器12連接，以檢測(cè)容器12中的壓強(qiáng)。連接裝置32包括一具有一襯套38的、空心的貫穿針34，并包括一金屬制成的連接管36。連接管36一般由金屬制成，例如由不銹鋼制成，而且一端與襯套38密封連接，而另一端與壓力傳感器40連接，以給傳感器40準(zhǔn)確傳送容器12的內(nèi)部壓強(qiáng)。
用導(dǎo)線46使壓力傳感器40與A/D轉(zhuǎn)換器42電連接，再用導(dǎo)線48將A/D轉(zhuǎn)換器42與計(jì)算機(jī)44連接。傳感器40檢測(cè)容器12的內(nèi)部壓強(qiáng)，并將它轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)相應(yīng)于該壓強(qiáng)的電信號(hào)。將來自所述傳感器的這個(gè)電信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換器40，在A/D轉(zhuǎn)換器40中將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。將這數(shù)字信號(hào)送給計(jì)算機(jī)44，以確定要檢測(cè)的液體的粘度。如下所述，計(jì)算機(jī)44執(zhí)行存在它的存儲(chǔ)器(ROM)中的一個(gè)粘度測(cè)量程序。任何商用計(jì)算機(jī)都可用于此目的。
穿過上述小口徑管流動(dòng)的液體的流率隨此液體的粘度而變化，而對(duì)于一段給定時(shí)間，管狀容器12的內(nèi)部壓強(qiáng)的變化速率依賴于該液體的流率。為此，在給定時(shí)間間隔，用壓力傳感器40檢測(cè)容器12的內(nèi)部壓強(qiáng)，并通過A/D轉(zhuǎn)換器42，將容器12的所述內(nèi)部壓強(qiáng)傳送給計(jì)算機(jī)44，用計(jì)算機(jī)44確定該液體的粘度。
關(guān)鍵的是貫穿針22的一端要有一尖銳的尖，以刺穿彈性塞子18，但沒有必要給插管23的兩端都弄成削尖的尖。
在上述的實(shí)施例中，貫穿針22由一細(xì)長(zhǎng)的空心金屬管構(gòu)成，或由一小直徑的細(xì)長(zhǎng)插管構(gòu)成，但可把這個(gè)貫穿針做成任何所需要的結(jié)構(gòu)。例如，貫穿針22可分兩部分構(gòu)成，即一具有一尖端的小口徑金屬管和一彈性材料制成的小口徑管，彼此由一接口連接。
采用上述構(gòu)造的裝置，以下述方式實(shí)施本發(fā)明的測(cè)量液體粘滯度的方法。
通過一合適的支架(未畫出)垂直放置容器支架24，并將連接裝置32的貫穿針34刺進(jìn)彈性塞子16，直到它的下端伸到容器12的內(nèi)部，就如圖2所示的那樣。
在上述操作之后或之前，將盛有待測(cè)液體52的容器50置于保持在一試驗(yàn)溫度的恒溫器54中，并保持一定時(shí)間，使其足以達(dá)到該試驗(yàn)溫度。然后，將貫穿針22的自由端或下端浸入容器50中的液體52中。
另一方面，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)44，并在圖4中的步驟1，通過一個(gè)鍵盤(未畫出)接受大氣壓強(qiáng)PA、上述容器12的初始體積Vo、上述小口徑管或毛細(xì)管的半徑R、及貫穿針22的長(zhǎng)度L。在步驟2，通過傳感器40及A/D轉(zhuǎn)換器42，測(cè)量上述容器12的初始內(nèi)部壓強(qiáng)Po。
然后，將插管23的銳利的尖23a貫穿進(jìn)塞子18。在圖1或圖2中，所顯示的貫穿針22就到塞子18為止，但是還要進(jìn)一步將插管23貫穿進(jìn)彈性塞子18，直到它的銳利的尖23a穿過塞子8伸進(jìn)容器12的內(nèi)部，就如圖3所示的那樣。一旦銳利的尖23a進(jìn)入容器12的內(nèi)部，作用在液體52的彎液面上的壓強(qiáng)(實(shí)際上是大氣壓強(qiáng))與管狀容器12的內(nèi)部壓強(qiáng)之間的差使容器50中的液體52穿過插管23開始流進(jìn)容器12。
如圖3所示，隨著容器12中所裝載的液體52的量的增加，容器12的未裝液體空間的體積減少，同時(shí)容器12的內(nèi)部壓強(qiáng)增加。上述液體繼續(xù)流入，直到容器12的內(nèi)部壓強(qiáng)變成與上述小口徑管的下端處的流體靜壓強(qiáng)相等，可以認(rèn)為這個(gè)流體靜壓強(qiáng)等于大氣壓強(qiáng)PA。
在上述那段時(shí)間中，測(cè)量容器12的內(nèi)部壓強(qiáng)Pl，并用壓力傳感器40將這內(nèi)部壓強(qiáng)Pl轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。將輸出信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換器42，在A/D轉(zhuǎn)換器42中，將所述那些來自傳感器40的信號(hào)轉(zhuǎn)換成一些數(shù)字信號(hào)。
在一定時(shí)間間隔△t，經(jīng)由計(jì)算機(jī)44的I/O接口(未畫出)，將來自A/D轉(zhuǎn)換器42的那些數(shù)字信號(hào)提供給計(jì)算機(jī)44，由此，進(jìn)行步驟4的計(jì)算機(jī)，以確定在時(shí)刻ti上述容器12的裝載量vi、在時(shí)刻tl所述容器12未裝載的空間Vi及上述液體的流速Q(mào)l。
然后，程序進(jìn)行到步驟5。在步驟5，計(jì)算時(shí)刻ti時(shí)的上述小口徑管兩端之間的壓強(qiáng)差△Pi。將所計(jì)算出的Qi值與表示壓強(qiáng)差△Pi的那些數(shù)值一起存進(jìn)上述計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器(RAM)。根據(jù)波義耳定律，可將壓強(qiáng)變化轉(zhuǎn)化為容器12的未裝載的空間的體積的變化。
然后，程序進(jìn)行到步驟6。在步驟6，由所述液體流速Q(mào)i及壓強(qiáng)差△Pi，分別計(jì)算剪切應(yīng)力τi及表觀剪切速率γai。
由下述理論分析導(dǎo)出計(jì)算所需要的那些方程。設(shè)容器12中的壓強(qiáng)與容器12的未裝載空間體積的乘積為恒量，時(shí)刻ti時(shí)的容器12的未裝載的空間中的壓強(qiáng)Vi由方程1給出，PoVo＝PiVi(1)這里Po是時(shí)刻to時(shí)的初始?jí)簭?qiáng)，Vo是時(shí)刻to時(shí)的初始體積，而Pi是時(shí)刻ti時(shí)的壓強(qiáng)。
由于是用方程2得到時(shí)刻ti時(shí)容器12中的液體體積Vi，那么，時(shí)刻ti時(shí)的該液體的流率Qi由方程3給出vi＝Vo-Vi(2)Qi＝dvi/dt (3)另一方面，時(shí)刻ti時(shí)的上述小口徑管兩端之間的壓強(qiáng)差△Pi由方程(4)給出，△Pi＝(PA+ρghi)-(Pi+ρgHi)-ρgL (4)這里，ρ是所述液體密度，g是重力加速度，PA是大氣壓強(qiáng)，Pi是在時(shí)刻ti作用在容器12中液體彎液面上的壓強(qiáng)，hi是在時(shí)刻ti針23浸沒在所述液體中的長(zhǎng)度，Hi是在時(shí)刻ti時(shí)在針23的上述端點(diǎn)與容器12中的液體52的彎液面之間的距離，而L是所述針的長(zhǎng)度，這些就如圖3所示的那樣。假若容器14和容器50是均勻孔徑的、而且可略去貫穿針23的粗細(xì)，那么，能在計(jì)算Qi的過程中得到hi和Hi。
由于小口徑管23和容器14是均勻孔徑的，在確定Qi的值的過程期間，就能分別得到上述方程中的hi及Hi，即通過將上述液體的注入量除以小口徑管23或容器14的橫截面積。
通過利用長(zhǎng)度不少于上述小口徑管內(nèi)徑的260倍的小口徑管，對(duì)該小口徑管的壓強(qiáng)差的充入或放出的端點(diǎn)效應(yīng)可減少到低于5%。
重新整理方程4，得到△Pi＝PA-Pi+ρg(hi-Hi-L) (5)下列方程給出剪切應(yīng)力τwi及時(shí)刻ti時(shí)的表觀剪切速率γai。
τwi＝△PiR/(2L) (6)
γai＝4Qi/(πR)3(7)實(shí)際上，所得到的壓強(qiáng)差△Pi是一段時(shí)間間隔△t中兩次測(cè)量的平均值，所以上述液體的流率Qi可作為平均值由下式得到Qi＝(Vi-Vi-1)/△t (3’)這樣，上述剪切應(yīng)力及剪切速率就作為平均值由下面這些方程得到，τw＝△PR/(2L) (8)γa＝4Q/(πR3) (9)這里γa是表觀剪切速率或表觀速度梯度，而R是上述小口徑管的半徑。
總的速度梯度是剪切應(yīng)力γ(τw)的函數(shù)，并由方程10給出，γ(τw)＝-du/dγ-3γa/4+(τw/4)(dγa/dτw) (10)另一方面，將穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的上述液體的粘度定義為在壁上一點(diǎn)處的剪切應(yīng)力與上述表觀剪切速率的比值，并由下述這些相應(yīng)于該液體流動(dòng)模型的方程給出。
若上述液體是牛頓流體，上述表觀剪切速率與上述剪切應(yīng)力的關(guān)系由方程11給出，γa＝ατw(11)這里α是常數(shù)。
若上述液體是指數(shù)流體，上述表觀剪切速率與上述剪切應(yīng)力的關(guān)系由方程12給出，γa＝(ατw)1/n(12)這里n是冪指數(shù)。
若上述液體是Bingham流體，上述表觀剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系由方程13給出，γa＝α(τw-τBI) (13)這里τBI從下述方程由屈服應(yīng)力給出τr＝(3/4)τBI若上述液體是Casson流體，上述表觀剪切速率與上述剪切應(yīng)力的關(guān)系由方程14給出，γ1/2＝α(τ1/2W-τCA) (14)這里τCA是從下述方程由屈服應(yīng)力τr給出τr＝(49/64)τ2CA因此，方程15到18分別給出了流動(dòng)特性γ(τw)及粘滯系數(shù)μ，而方程15到18由上述方程8到14給出。
(1)牛頓模型μ＝1/α＝τw/γa(15)γ(τw)＝γa(2)指數(shù)模型μ＝(4n/α(3n+1))n(γa)n-1(16)這里n是冪指數(shù)。
γ(τw)＝α((3n+1)/4n)τ1/nW(3)Bingham模型μ＝1/α (17)γ(τw)＝α(τw-3β/4)這里β由方程τwi＝3β/4給出，(4)Casson模型μ＝α2(18)γ(τw)1/2＝(τ1/2w-τCA)/α
這里τCA是Casson屈服應(yīng)力。
這樣，若操作者預(yù)先已知上述流體的流動(dòng)特性，可借助上述計(jì)算機(jī)的一個(gè)鍵盤(未畫出)來人為指定要用的方程。
在計(jì)算剪切應(yīng)力τi及表觀剪切速率γai后，在步驟7判斷操作者是否指定了上述液體的流動(dòng)模型。如果已指定了流動(dòng)模型，程序就進(jìn)行到所指定的步驟20、30、40或50，在這些步驟中，用上述方程15到18之一確定粘滯系數(shù)。
然而，若操作者不知道要被檢測(cè)的液體的流動(dòng)模型，就不可能指定該液體的流動(dòng)模型。為解決這個(gè)問題，本發(fā)明的裝置進(jìn)一步包括一種確定所述液體的流動(dòng)特性手段?？梢园聪率龇绞阶詣?dòng)做到這一點(diǎn)。
若未指定上述液體的流動(dòng)模型，程序就進(jìn)行到步驟8。在步驟8，由上述計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的τwi及γai的值，計(jì)算對(duì)于指數(shù)流動(dòng)模型的結(jié)構(gòu)粘度指數(shù)NOS、對(duì)于牛頓模型的一種相關(guān)系數(shù)RCNE、對(duì)于Bingham模型的一種相關(guān)系數(shù)RCB1及對(duì)于Casson模型的一種相關(guān)系數(shù)RCCA。計(jì)算中要用的那些方程是
這里CN是數(shù)據(jù)的數(shù)量。
然后，在這些相關(guān)系數(shù)的計(jì)算值的基礎(chǔ)上，在步驟9至11確定正在被檢測(cè)的上述液體的流動(dòng)模型。若NOS的值大于0.9但小于1.1，在步驟9就判定上述液體是牛頓流體。若NOS的值在上述范圍之外，程序就進(jìn)行步驟10，在步驟10，在RCOS、RCBI及RCCA的值的基礎(chǔ)上判斷流動(dòng)模型。若RCOS比RCBI及RCCA大，就判定上述液體是一種指數(shù)液體。若RCOS不比RCBI或RCCA大，程序就跳到步驟11，在步驟11比較RCBI的值是否大于RCCA的值。若RCBI的值大于RCCA的值，就判定上述液體是一種Bingham流體。若RCBI的值不大于RCCA的值，就判定上述流體是一種Casson流體。
在確定上述液體的流動(dòng)模型后，由下述方程計(jì)算該液體的粘滯系數(shù)。
(1)牛頓模型
(2)指數(shù)模型
(3)Bingham模型
τr＝ 3/4 τBI(4)Casson模型
μ＝α2τr＝ 49/64 τ2CA2由上面可看出，本發(fā)明方法的特征在于，它包括檢測(cè)不斷隨時(shí)間變化的壓強(qiáng)差的步驟，而且包括根據(jù)波義耳定律由所檢測(cè)的各壓強(qiáng)差而連續(xù)計(jì)算要被檢測(cè)的液體的相應(yīng)的流率的步驟。這樣，就不需要對(duì)同一液體重復(fù)測(cè)量。與此成鮮明對(duì)照，對(duì)于常規(guī)方法，對(duì)毛細(xì)管兩端之間不同的壓強(qiáng)差，必須對(duì)同一液體測(cè)量幾次。
本發(fā)明的方法還能夠在1或2分鐘的短時(shí)間內(nèi)，用少量液體(例如5至8ml)，確定液體的粘度，這樣反過來又能顯著提高粘度測(cè)量的效率。進(jìn)一步，由于人們希望在采集血液后幾分鐘內(nèi)完成上述測(cè)量，本發(fā)明的方法對(duì)于測(cè)量血液的粘度是很有效的。
按照本發(fā)明，若需要的話，可詳盡采集數(shù)據(jù)，這樣，就容易獲得優(yōu)于5%的高精度的圖解微分?？捎帽景l(fā)明在一很寬的剪切速率范圍內(nèi)，以很高的重復(fù)性測(cè)量粘度。
本發(fā)明能夠測(cè)量血液的粘度而不會(huì)引起血細(xì)胞溶解，因?yàn)榕c那些常規(guī)方法相比，血液穿過上述小口徑管所需的時(shí)間是相當(dāng)短的。本發(fā)明能夠?qū)⑼谎河糜谄渌R床用途的測(cè)量。
本發(fā)明的裝置與常規(guī)裝置相比，操作簡(jiǎn)單且極為緊湊。
由于上述裝置的某些部件(例如被弄成與上述液體接觸的所述容器及小口徑管)易于處理，所以既使是用該裝置測(cè)量被病菌(例如肝炎病毒)感染血液的粘度，也不必?fù)?dān)心發(fā)生傳染。
實(shí)驗(yàn)1采用上述裝置，在27℃下以上述方式進(jìn)行人血的粘度測(cè)量。結(jié)果如圖5所示。
已經(jīng)說過，人血是一種Casson流體。但從圖5可看出，盡管人血的流動(dòng)特性是非牛頓的，而且當(dāng)剪切速率相當(dāng)小時(shí)，它還可以被看作一種Bingham流體或一種指數(shù)流體，仍然可以認(rèn)為它是一種牛頓流體。
實(shí)驗(yàn)2采用水及JISZ8809(JS5及JS10，由日本殼牌石油公司制造)中所確定的粘度標(biāo)準(zhǔn)來校正上述裝置。在蒸餾和離子交換后，將上述水過濾。對(duì)水來說，在剪切應(yīng)力處于50至10000/秒的范圍時(shí)進(jìn)行上述校正，此時(shí)對(duì)應(yīng)于上述粘度標(biāo)準(zhǔn)的剪切應(yīng)力處于3000至18000/秒之間。圖6示出了結(jié)果。該圖畫出了所測(cè)得的粘度μm與實(shí)際粘度μr的比值同實(shí)際粘度μr的函數(shù)關(guān)系。
從圖6的結(jié)果能看出，當(dāng)粘度小于10-2Pa·s時(shí)，測(cè)量的誤差保持在±5%之內(nèi)，這樣，本發(fā)明的粘度計(jì)能實(shí)際應(yīng)用而不會(huì)引起任何問題。然而，通過適當(dāng)確定小口徑管或貫穿針的長(zhǎng)度、上述管狀容器的容量、此管狀容器中的內(nèi)部壓強(qiáng)(或真空度)等等，也可以測(cè)量粘度大于10-2Pa·s的液體。引起上述誤差的那些原因可能是上述流動(dòng)變化對(duì)于壓強(qiáng)差變化響應(yīng)的延遲及壓力轉(zhuǎn)換器的靈敏度測(cè)量偏差。
實(shí)驗(yàn)3下面的討論中，假設(shè)上述血液的特性可用牛頓模型來代表。
當(dāng)進(jìn)行人血液粘度測(cè)量時(shí)，剪切速率的變化范圍是200至9000/sec。這個(gè)范圍超出了正在被校正的剪切速度的范圍，但由于用于確定一條流動(dòng)曲線的絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)都包含在這個(gè)范圍內(nèi)，并未出現(xiàn)問題。
一般說來，當(dāng)置于高剪切速率下時(shí)，上述血液會(huì)發(fā)生血細(xì)胞溶解。要觀察高剪切速對(duì)人血的影響，用同一血液測(cè)量幾次。也就是說，將已被測(cè)量粘度的血液再倒進(jìn)玻璃試管，然后測(cè)量粘度。結(jié)果顯示在圖7中。該圖畫出了比值μN(yùn)/μ1與測(cè)量次數(shù)N的函數(shù)關(guān)系。
從圖7的那些結(jié)果可以看出，當(dāng)上述比值范圍為0.95到1.03時(shí)，既使測(cè)量進(jìn)行三次，本發(fā)明的粘度計(jì)對(duì)上述血液也幾乎沒有影響。通過用離心器測(cè)量血細(xì)胞溶解，五個(gè)血樣中僅有一個(gè)觀察到少量血液的血細(xì)胞溶解。據(jù)信這個(gè)結(jié)果是因?yàn)榇┻^上述小口徑管所需的時(shí)間極短，在0.1到0.3秒之間。此外，可以認(rèn)為，由于上述血液穿過所述小口徑管的時(shí)間相當(dāng)短，上述血液的溫度變化可以忽略。
從健康狀況正常的人及住院的貧血病人身上直接抽取或采集血液，并測(cè)量這些血液的粘度。將從一個(gè)健康狀況正常的人身上采集的血液與上述血液分開并被離心，以將紅血細(xì)胞從血漿中分離出來，并再次以各種比率與上述血漿混合，以制備具有各種血細(xì)胞比容值的樣品，該血細(xì)胞比容值也就是紅血細(xì)胞占上述血液的所有各種成分中的體積百分比。還要對(duì)這些血液樣品測(cè)量粘度。結(jié)果顯示在圖8中。在此圖中，圓圈是正常人的血液數(shù)據(jù)，一半涂黑的圓圈表示那些具有調(diào)整過的血細(xì)胞比容值的樣品的數(shù)據(jù)，而涂黑的圓圈表示從貧血病人所收集的血液的數(shù)據(jù)。
由圖8所示的數(shù)據(jù)可看出，取自上述健康狀況正常的人的血液的粘度值約為3.0×10-3Pa·s。這表明，用已有技術(shù)的粘度計(jì)及本發(fā)明的粘度計(jì)對(duì)同一樣品所作的粘度測(cè)量，給出相同的血液粘度值。此外，從上述貧血的病人身上采集的血液的粘滯度約為2.4Pa·s，這與使用已有技術(shù)的粘度計(jì)所得到的結(jié)果一致。可以這樣認(rèn)為，上述血液的粘度隨血細(xì)胞比容值而增加。這與已有技術(shù)的粘度計(jì)所得出的結(jié)果吻合良好。由上述這些結(jié)果，本發(fā)明的粘度計(jì)能夠準(zhǔn)確測(cè)量人血的粘滯度，并能用于臨床觀察。
實(shí)驗(yàn)4
制備一些由己烷和水組成的O/W型乳劑，然后測(cè)量這些乳劑的粘度。用具有圖1所示結(jié)構(gòu)的粘度計(jì)，按與例1同樣的方法在20℃下進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果在圖9中顯示為剪切速率與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系。各實(shí)驗(yàn)重復(fù)了同樣的結(jié)果。通過幾次實(shí)驗(yàn)來觀察重復(fù)性。
由圖9所示的那些結(jié)果可看出，上述乳劑可被看作牛頓式的。此外，還觀察到，上述乳劑的粘度隨己烷對(duì)水的比率的增加而增加。
實(shí)驗(yàn)5通過將聚丙烯酰胺(PPA)溶解在水中來制備一些水溶液，這類水溶液叫粘彈性流體，這是為了用本發(fā)明的粘度計(jì)測(cè)量粘度。按例1同樣的方法，在各種溫度下進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果在圖10中顯示為剪切速率與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系。對(duì)同樣這些樣品進(jìn)行的幾次粘度測(cè)量重復(fù)了同樣的結(jié)果。
由圖10所示的那些結(jié)果可看出，上述PPA水溶液表現(xiàn)為一種指數(shù)流體，即一種非牛頓流體。這表明，本發(fā)明的粘度計(jì)能用于測(cè)量非牛頓流體的粘度。
盡管已結(jié)合一些最佳實(shí)施例并參考附圖充分說明了本發(fā)明，應(yīng)該注意到，各種變化和改進(jìn)對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是顯而易見的。這些變化和修改應(yīng)理解為處于由所附的權(quán)利要求書確定的本發(fā)明的范圍之中，除非這些變化和修改偏離了這個(gè)范圍。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量液體粘度的方法，包括下述步驟(a)將一均勻孔徑的小口徑管插入一被密封且被保持在一降低的壓強(qiáng)下的管狀容器的一端，同時(shí)將所述小口徑管的另一端浸入要被測(cè)量的一種液體，以使所述液體在所述小口徑管兩端的壓強(qiáng)差的影響下、穿過該小口徑管流進(jìn)所述容器，(b)用與上述容器的另一端連接的一壓力傳感器檢測(cè)所述管狀容器的內(nèi)部壓強(qiáng)，以測(cè)量該管狀容器的內(nèi)部壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化以及穿過所述小口徑管的上述液體的流率隨時(shí)間的變化，(c)由所述容器的內(nèi)部壓強(qiáng)的上述變化及上述液體的流率的變化，確定上述液體的粘度。
2.如權(quán)利要求1所述的一種方法，其特征是所述小口徑管是一空心的貫穿針。
3.一種用于測(cè)量液體粘度的裝置，包括一被密封且被保持在一降低的壓強(qiáng)下的管狀容器，通過在所述容器的每個(gè)開口配置一對(duì)橡膠之類的塞子來保持上述降低了的壓強(qiáng)，一均勻孔徑和、空心小口徑管，適于貫穿所述那些塞子之一，以使它進(jìn)入所述容器，一壓力傳感器，適于通過一個(gè)貫穿另一個(gè)塞子的裝置而與所述容器連接，以檢測(cè)所述容器的內(nèi)部壓強(qiáng)，一與所述壓力傳感器電連接的A/D轉(zhuǎn)換器，以將其模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以及一用于處理上述A/D轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)的計(jì)算機(jī)，以從所述輸出信號(hào)及下述這些方程確定上述液體的粘度γ(τw)＝-du/dr＝3γa/4+(τw/4)(dγa/dτw)τw＝△PR/2Lγa＝4Q/πR3這里△P是上述小口徑管兩端之間的壓強(qiáng)差，R是上述小口徑管半徑，L是上述小口徑管長(zhǎng)度，Q是上述液體單位時(shí)間的流量，而γa是在壁上一點(diǎn)處的表觀剪切速率(或表觀速度梯度)。
全文摘要
通過將細(xì)管的一端插入密封并保持減壓的管狀容器的一端以測(cè)量液體的粘度，同時(shí)將細(xì)管的另一端浸入待測(cè)粘度的液體中，從而使液體通過該細(xì)管流入所說容器中，借助于連接在容器另一端的壓力傳感器以檢測(cè)管狀容器的內(nèi)壓，同時(shí)測(cè)出在一段時(shí)間內(nèi)內(nèi)壓的變化和流經(jīng)細(xì)管的液體流率的變化，根據(jù)這些變化以確定液體的粘度。所說壓力傳感器由貫通另一止動(dòng)件的裝置與容器連接，且其輸出信號(hào)通過一模/數(shù)轉(zhuǎn)換器送給一計(jì)算機(jī)以計(jì)算液體的粘度。
文檔編號(hào)G01N11/08GK1063556SQ9111280
公開日1992年8月12日 申請(qǐng)日期1991年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1990年12月28日
發(fā)明者谷口興一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日硝