CN101598537B - 一种测量毛细管内径的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量毛细管内径的方法和装置，该方法为：在20～30℃条件下，对毛细管流体两端施压，用显微镜对毛细管和其中的气液界面放大，通过CCD检测器将光学影像传输到计算机后显像，测定气液界面在计算机屏幕上特定长度内的通过时间，再结合放大倍数计算出流体的运动速率，根据Washburn方程作v(ΔP)关系直线得出P_c值，再根据Laplace公式计算出毛细管半径r。测量装置包括计算机、带有CCD检测器的显微镜、储液罐、活动支架、压力传感器、压力缓冲罐、压力显示器和储气瓶。本发明方法测定范围在微米级，避免了毛细管材质的密度、质量等对测量结果的影响，装置结构简单、设计合理，参数方便控制。

Description

一种测量毛细管内径的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种测量毛细管内径的方法和装置，属于分析化学领域，也属于渗流力学基础研究领域。

背景技术

毛细管是色谱分析、渗流力学实验中必需的一种部件。毛细管作为微分析的部件，在药物分析、环境分析、生命科学分析中有着重要作用，是分析装置的核心部分。由于要将其用在微尺度渗流环境，因此准确测量其内径是正确使用的前提。对毛细管外径、长度等参数可利用普通测量工具进行测量，但其内径、壁厚却难以用普通的工具来确定。

目前，工业上常用称重法和子母规的方法来测定。但称重法要求精确测定生产毛细管所用材料的密度，以保证内径计算的准确性；子母规法则要求有精密的磨床去生产相应的子母规，保证子母规的精度后，再利用子母规去检验毛细管的内径，此方法适用于生产厂家检验大批量毛细管的生产精度。另外，目前有文献报道，可用毛细管渗流法和饱和液体法两种方法来测定毛细管内径。前者建立在毛细管渗流的相关理论基础上，通过毛细管内径与其渗流液体测渗透率之间的数学关系，利用液测渗透率参数来确定毛细管内径；后者是将毛细管内充满某种液体，通过对比饱和前后的质量差从而计算出毛细管内孔体积和内孔半径。但这些方法仅适用于测量内径在毫米数量级范围内(0.01～0.1cm)的毛细管。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足，提供一种测量毛细管内径的方法和装置。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，而且避免了毛细管材质的密度、质量等对测量结果的影响；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。

实现本发明目的的技术方案是：一种测量毛细管内径的方法，包括以下步骤：

(1)在20～30℃条件下，先将待测量的毛细管内壁用流体完全润湿，然后向与该毛细管两端连通的任一个储液罐内注入与润湿毛细管所用的同种流体，使毛细管该端端口被液封；

(2)调节两个储液罐之间的压力差ΔP，其数值由毛细管两端的压力显示器的读数差值得到，即ΔP＝P1-P2；

(3)通过带有CCD探测器的显微镜将毛细管及毛细管中的气液界面放大后在计算机屏幕上显像，测定气液界面在计算机屏幕上特定长度内的通过时间，再结合显微镜的放大倍数，计算出毛细管中流体的实际运动速率v；

(4)根据Washburn方程： $v=\frac{r^2(\mathrm{\ΔP}+P_c)}{8\mathrm{\ηL}}$ 作v(ΔP)关系直线，由直线的横截距得出P_c值，再根据Laplace公式 $P_c=\frac{2\mathrm{\γ}\cos \mathrm{\θ}}{r},$ 计算出毛细管半径r。

上述步骤(1)中是在使用毛细管前对毛细管内壁进行疏水化处理，具体步骤包括：

(a)以疏水化试剂为溶质、非质子非极性溶剂为溶剂，配制质量百分含量为1～70％的溶液；

(b)将配好的溶液注入毛细管任一端的储液罐中，然后对此端进行施压使毛细管中充满溶液，维持反应1～15小时；

(c)用非质子非极性溶剂充分洗涤毛细管以除去步骤(b)中未反应的试剂，然后将毛细管于100～300℃干燥，冷却至室温即得到内壁疏水化的毛细管。

所述疏水化试剂的结构通式为

其中，R为彼此相同的含碳原子数1～40的烷基，X为Cl、Br或I。

所述非质子非极性溶剂为碳原子数3～40的直链烷烃及其全卤代物、四氯化碳、六卤代乙烷、结构对称的烷烃或结构对称且不含质子氢的芳香烃。

本发明还提供了上述测量毛细管内径所用的装置，该装置包括流体流速测量单元和流体两端压力控制单元，所述流体流速测量单元包括计算机、与计算机相连的带有CCD探测器的显微镜、置于显微镜下方的活动支架、置于活动支架上用于盛装流体的储液罐和两端分别与储液罐连通的毛细管；所述流体两端压力控制单元包括与储液罐相连用于对流体两端压力进行传感的压力传感器、与储液罐相连的压力缓冲罐、与压力传感器相连的压力显示器和与压力缓冲罐相连的高压储气瓶。

所述压力缓冲罐上设有压力调节阀。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1.本发明方法是建立在毛细管内微流体动力学性质基础之上，利用多个物理化学理论进行数学计算得到结果，不受毛细管材质的密度、质量等影响，因此数据可信，结果可靠。

2.本发明测量毛细管的内径范围达到了微米级，即内直径在0.5μm～1mm的毛细管均可准确测量，在现有测量范围上提高了一个数量级。

3.本发明的测量装置组成简单，使用方便，能可控地调节相关参数的测量过程，使之稳定可测，误差小。若将流体流速测量和内径计算的过程程序化，开发成软件，则将大大提高工作效率和准确度。

附图说明

图1为本发明毛细管内流体流速测量单元的装置示意图，其中，1.计算机；2.带有CCD探测器的显微镜；3.毛细管；4.储液罐；5.活动支架；

图2为本发明毛细管内流体两端压力控制单元的装置示意图，其中，6.压力传感器；7.压力缓冲罐；8.气压调节阀；9.压力显示器；10.高压氮气瓶；

图3为本发明计算毛细管内径的相关参数的示意图，其中，L为润湿液体的液柱长，P1为毛细管液柱一端的压强，P2为毛细管液柱另一端的压强。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的内容，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的内容不局限于以下实施例。

以下实施例中测量毛细管的内径方法均采用如下装置进行，该装置包括流体流速测量单元(如图1所示)和流体两端压力控制单元(如图2所示)，流体流速测量单元包括计算机1、与计算机相连的带有CCD探测器的显微镜2、置于显微镜2下方的活动支架5、置于活动支架5上用于盛装流体的储液罐4和两端分别与储液罐连通的毛细管3；流体两端压力控制单元包括与储液罐4相连用于分别对流体两端压力进行传感的压力传感器6、与储液罐相连并设有压力调节阀8的压力缓冲罐7、与压力传感器6相连的压力显示器9和与压力缓冲罐7相连的高压氮气瓶10(本实施例中的高压储气瓶为高压氮气瓶)。

由高压氮气瓶10中的氮气对注有流体的储液罐4施加压力，使毛细管中的气液界面移动，并通过压力缓冲罐7和压力调节阀8对压力进行缓冲和调节，控制毛细管中气液界面的移动方向和移动速率。流体两端的压力(即两个储液罐内各自的气压)分别由压力传感器6传感后，通过压力显示器9显示出压力数值，读出两端压力值可得到两个储液罐之间的压力差ΔP(即ΔP等于空的储液罐的气压减去注有流体的储液罐的气压)。调节活动支架5的水平位置和高度，使毛细管3位于显微镜2的镜头下方，通过显微镜2将毛细管和毛细管中的气液界面进行放大，由CCD探测器将显微镜2接收的光学影像转化为数字信号后通过数据线传输到计算机1并在计算机屏幕上显像。测定气液界面在计算机屏幕上特定长度内的通过时间，再结合显微镜的放大倍数即可计算出毛细管中流体的实际流速。

以下实施例中均采用如下方法来测量毛细管内径，具体步骤为：

(1)在20～30℃条件下，先将待测量的毛细管内壁用流体完全润湿，然后向与该毛细管两端连通的任一个储液罐内注入与润湿毛细管所用的同种流体，使毛细管该端端口被液封；

(2)调节两个储液罐之间的压力差ΔP，其数值由毛细管两端的压力显示器的读数差值得到，即ΔP＝P1-P2；

(3)通过带有CCD探测器的显微镜将毛细管及毛细管中的气液界面放大后在计算机屏幕上显像，测定气液界面在计算机屏幕上特定长度内的通过时间，再结合显微镜的放大倍数，计算出毛细管中流体的实际运动速率v；

(4)根据Washburn方程： $v=\frac{r^2(\mathrm{\ΔP}+P_c)}{8\mathrm{\ηL}}$ 作v(ΔP)关系线，在L不变的情况下呈直线，由该直线的横截距得出P_c值，再根据Laplace公式 $P_c=\frac{2\mathrm{\γ}\cos \mathrm{\θ}}{r},$ 由于毛细管内液体能完全润湿毛细管内壁，则θ＝0， $r=\frac{2\mathrm{\γ}}{P_c},$ 从而计算出毛细管半径r。

上述方程和公式中，γ为气液的界面张力，η为流体的粘度，θ为流体在内壁的润湿角，P_c为毛细管力。计算毛细管半径的相关参数示意图见图3。

根据所测流体的极性来选择是否对毛细管内表面进行疏水化，所用的流体应能够将毛细管的内壁表面完全润湿。未经处理的毛细管表面为硅羟基表面，自然状态下即是亲水状态，若流体的表面张力小于或等于水的表面张力，可不用进行疏水化处理；若流体没有极性，则最好对毛细管的内表面进行疏水化处理。

对毛细管内壁进行疏水化处理的具体步骤为：(a)以疏水化试剂为溶质、非质子非极性溶剂为溶剂，配制质量百分含量为1～70％的溶液；(b)将配好的溶液注入毛细管任一端的储液罐中，然后对此端进行施压使毛细管中充满溶液，维持反应1～15小时；(c)用非质子非极性溶剂充分洗涤毛细管(如采用步骤(b)中的方法进行洗涤)以除去步骤(b)中未反应的疏水化试剂，然后将毛细管于100～300℃干燥，冷却至室温即得到内壁疏水化的毛细管。

上述疏水化试剂可以从结构通式为

的有机硅烷中选择，其中，R为彼此相同的含碳原子数1～40的烷基，X为Cl、Br或I。例如可以选择三甲基氯硅烷、三乙基氯硅烷、三丙基氯硅烷、三丁基氯硅烷、三己基氯硅烷、三辛基氯硅烷、三癸基氯硅烷、三(十二烷基)氯硅烷、三(十四烷基)氯硅烷、三(十六烷基)氯硅烷、三甲基溴硅烷、三甲基碘硅烷、四乙氧基硅烷、四丙氧基硅烷、四丁氧基硅烷、四己氧基硅烷等。非质子非极性溶剂可以从碳原子数3～40的直链烷烃及其全卤代物、四氯化碳、六卤代乙烷、结构对称的烷烃或结构对称且不含质子氢的芳香烷烃中选择，例如丙烷、正丁烷、正戊烷、正己烷、正辛烷、正癸烷、正十二烷、正十四烷、正十六烷、石油醚、新戊烷、2，2-二(乙基)戊烷、苯、对二甲苯、对二氯代苯等。

步骤(c)中最好使用与步骤(a)中相同的非质子非极性溶剂来洗涤毛细管，以避免污染测量时毛细管中的流体，但是也可以选用易除去的、性质与待测流体相似的溶剂。例如步骤(a)中采用的非质子非极性溶剂为碳原子数3～40的直链烷烃时，可以选用沸点在30～60℃的石油醚来洗涤毛细管。

实施例1

温度T＝25.6℃时，标称内径为2μm(半径1μm)、总长L＝128mm的毛细管中，水柱长度L_w＝53.80mm时，水柱长度L_w＝53.80mm时，分别测出几组v值和对应的ΔP值，作v(ΔP)关系直线，由直线横截距得出P_c＝157.82kPa，则半径r＝2γ_水/P_c＝(2×72mN/m)/(157.82kPa)＝0.91μm；水柱长度L_w＝68.80mm时，分别测出几组v值和对应的ΔP值，作v(ΔP)关系直线，由直线横截距得出P_c＝157.15kPa，则半径r＝2γ_水/P_c＝(2×72mN/m)/(157.15kPa)＝0.92μm；则标称内径为2μm(半径1μm)毛细管的实际半径r＝(0.91μm+0.92μm)/2＝0.92μm。

实施例2

温度T＝25.3℃时，标称内径为40μm(半径20μm)、总长L＝123mm的毛细管(内表面经过疏水化处理)中，癸烷柱长度L_w＝57.6mm时，分别测出几组v值和对应的ΔP值，作v(ΔP)关系直线，由直线横截距得出P_c＝157.82kPa，则半径r＝2γ_癸烷/P_c＝(2×23.83mN/m)/(2.407kPa)＝19.8μm；癸烷柱长度L_w＝72.6mm时，分别测出几组v值和对应的ΔP值，作v(ΔP)关系直线，由直线横截距得出P_c＝157.15kPa，则半径r＝2γ_癸烷/P_c＝(2×23.83mN/m)/(2.419kPa)＝19.7μm；则标称内径为40μm(半径20μm)毛细管的实际半径r＝(19.8μm+19.7μm)/2＝19.8μm。

实施例3

温度T＝25.7℃时，标称内径为0.1mm(半径50μm)、总长L＝125mm的毛细管中，水柱长度L_w＝55.30mm时，分别测出几组v值和对应的ΔP值，作v(ΔP)关系直线，由直线横截距得出P_c＝289.7Pa，则半径r＝2γ_水/P_c＝(2×72mN/m)/(289.7Pa)＝497μm；水柱长度L_w＝70.30mm时，分别测出几组v值和对应的ΔP值，作v(ΔP)关系直线，由直线横截距得出P_c＝288.6Pa，则半径r＝2γ_水/P_c＝(2×72mN/m)/(288.6Pa)＝499μm；则标称内径为0.1mm(半径50μm)毛细管的实际半径r＝(497μm+499μm)/2＝498μm。

本发明中是在温度为20～30℃条件下测量毛细管内径，其目的是保证测量过程中流体的粘度等流体性能不受温度的影响，或随温度的变化很小可忽略不计。

综上所述，本发明测量毛细管的内径方法是建立在毛细管内微流体动力学性质基础之上的。利用多个物理化学理论进行数学计算得到结果，测量毛细管的内径的范围在微米级，即对于内直径在0.5μm～1mm的毛细管均可准确测量，数据可信，结果可靠，误差小。因此，这套测定微米级毛细管内径的方法及装置十分有效。

Claims (6)

1.一种测量毛细管内径的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在20～30℃条件下，先将待测量的毛细管内壁用流体完全润湿，然后向与该毛细管两端连通的任一个储液罐内注入与润湿毛细管所用的同种流体，使毛细管该端端口被液封；

(2)调节毛细管两端的压力差ΔP，其数值由毛细管两端的压力显示器的读数差值得到，即ΔP＝P1-P2，P1和P2分别为毛细管液柱两端的压强；

(3)通过带有CCD探测器的显微镜将毛细管及毛细管中的气液界面放大后在计算机屏幕上显像，测定气液界面在计算机屏幕上特定长度内的通过时间，再结合显微镜的放大倍数，计算出毛细管中流体的实际运动速率v；

(4)根据Washburn方程：

作v(ΔP)关系直线，由直线的横截距得出P_c值，再根据Laplace公式

计算出毛细管半径r；γ为气液的界面张力，η为流体的粘度，θ为流体在内壁的润湿角，L为润湿液体的液柱长。

2.根据权利要求1所述的测量毛细管内径的方法，其特征在于：步骤(1)中在使用毛细管前对毛细管内壁进行疏水化处理，具体步骤为：

(a)以疏水化试剂为溶质、非质子非极性溶剂为溶剂，配制质量百分含量为1～70％的溶液；

(b)将配好的溶液注入毛细管任一端的储液罐中，然后对此端进行施压使毛细管中充满溶液，维持反应1～15小时；

(c)用非质子非极性溶剂充分洗涤毛细管以除去步骤(b)中未反应的试剂，然后将毛细管于100～300℃干燥，冷却至室温即得到内壁疏水化的毛细管。

3.根据权利要求2所述的测量毛细管内径的方法，其特征在于：所述疏水化试剂的结构通式为

其中，R为彼此相同的含碳原子数1～40的烷基，X为Cl、Br或I。

4.根据权利要求2所述的测量毛细管内径的方法，其特征在于：所述非质子非极性溶剂为碳原子数3～40的直链烷烃及其全卤代物、四氯化碳、六卤代乙烷、结构对称的烷烃或结构对称且不含质子氢的芳香烃。

5.一种权利要求1所述的测量毛细管内径的方法中所用的装置，其特征在于包括流体流速测量单元和流体两端压力控制单元，所述流体流速测量单元包括计算机、与计算机相连的带有CCD探测器的显微镜、置于显微镜下方的活动支架和置于活动支架上用于盛装流体并与毛细管两端连通的储液罐；所述流体两端压力控制单元包括与储液罐相连用于对流体两端压力进行传感的压力传感器、与储液罐相连的压力缓冲罐、与压力传感器相连的压力显示器和与压力缓冲罐相连的高压储气瓶。

6.根据权利要求5所述的测量毛细管内径的方法所用的装置，其特征在于：所述压力缓冲罐上设有压力调节阀。

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