СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ Российский патент 2019 года по МПК G01N11/10 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[1] Настоящее изобретение относится к способу измерения вязкости. В частности, настоящее изобретение направлено на способ измерения вязкости, включающий: (i) этап получения изображения капли в статическом состоянии без вибрации; (ii) этап применения вибратора для сообщения вибрации капле, и получения изображения капли в динамическом состоянии, в котором капля максимально вытянута в горизонтальном направлении или максимально вытянута в вертикальном направлении; (iii) этап получения скорости изменения статической кривизны границы капли и скорости изменения динамической кривизны границы капли из изображений, полученных на этапе (i) и (ii); и (iv) этап подстановки отношения скорости изменения статической кривизны границы капли к скорости изменения динамической кривизны границы капли в уравнение взаимодействия, скорректированное для вибратора, для получения вязкости капли.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[2] Вязкость жидкости — мера ее сопротивления текучести. А именно, вязкость означает внутреннее трение жидкости в движении. Математически, вязкость выражается как отношение тангенциального трения на единицу площади к градиенту скорости, перпендикулярному направлению течения жидкости.

[3] Вискозиметр — прибор для измерения вязкости жидкости. В настоящее время активно используемыми вискозиметрами являются капиллярный вискозиметр, ротационный вискозиметр и др. Принцип измерения и функция таких вискозиметров являются следующими.

[4] Ротационный вискозиметр представляет собой прибор, который измеряет вязкость жидкости путем измерения сопротивления, оказываемого жидкостью в движении цилиндру или диску. Ротационный вискозиметр, хотя и подходит для измерения вязкости в диапазоне средней скорости сдвига, не подходит для измерения вязкости в диапазоне нулевой скорости сдвига.

[5] Капиллярный вискозиметр — прибор для измерения вязкости жидкости путем измерения массового расхода и падающего давления жидкости в состоянии установившегося течения и затем применения закона Пуазейля. Однако, в случае применения капиллярного вискозиметра для измерения вязкости, капилляр должен быть точно откалиброван, так как вязкость пропорциональна биквадрату диаметра капилляра.

[6] В частности, в случае применения одноразовых капиллярных вискозиметров для измерения вязкости крови, сложно точно откалибровать каждую одноразовую трубку для жидкости. Кроме того, капилляр должен быть хорошо очищен после калибровки. Если капилляр не откалиброван, по сути, точность измеряемой величины вязкости крови не может быть гарантирована.

[7] Механические способы измерения вязкости из уровня техники сложно применить, в частности, в диагностических приборах или приборах для обследования из-за чрезмерного количества потребляемой жидкости или загрязнения.

[8] В случае способа измерения вязкости, основанного на изображении, способ требует небольшого количества жидкости, имеет низкую стоимость и обеспечивает быстрое измерение, но сложно осуществить точное измерение. Причина в том, что в случае измерения вязкости с применением естественной частоты капли, вязкость почти не влияет на естественную частоту капли. Кроме того, в случае измерения вязкости с использованием амплитуды капли, ее сложно измерить точно, так как на амплитуду капли незначительно влияет не только вязкость, но также и объем, поверхностное натяжение, плотность капли и амплитуда капельного вибратора, и эти различные переменные не могут быть точно откалиброваны.

[9] Автор настоящего изобретения осуществил настоящее изобретение, обнаружив, что на отношение скорости изменения динамической кривизны вибрирующей капли к скорости изменения статической кривизны капли влияет только вязкость жидкости.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА

[10] Целью настоящего изобретения является способ измерения вязкости, включающий: (i) этап получения изображения капли в статическом состоянии без вибрации; (ii) этап применения вибратора для сообщения вибрации капле, и получения изображения капли в динамическом состоянии, в котором капля максимально вытянута в горизонтальном направлении или максимально вытянута в вертикальном направлении; (iii) этап получения скорости изменения статической кривизны границы капли и скорости изменения динамической кривизны границы капли из изображений, полученных на этапе (i) и (ii); и (iv) этап подстановки отношения скорости изменения статической кривизны границы капли к скорости изменения динамической кривизны границы капли, полученного посредством следующего уравнения (3), в уравнение взаимодействия, скорректированное для вибратора, полученное посредством следующего уравнения (4),

[11] [12]

[13] для получения вязкости капли.

ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ

[14] Настоящее изобретение, о котором шла речь выше, может быть получено путем создания способа измерения вязкости, включающего: (i) этап получения изображения капли в статическом состоянии без вибрации; (ii) этап применения вибратора для сообщения вибрации капле, и получения изображения капли в динамическом состоянии, в котором капля максимально вытянута в горизонтальном направлении или максимально вытянута в вертикальном направлении; (iii) этап получения скорости изменения статической кривизны границы капли и скорости изменения динамической кривизны границы капли из изображений, полученных на этапе (i) и (ii); и (iv) этап подстановки отношения скорости изменения статической кривизны границы капли к скорости изменения динамической кривизны границы капли, полученного посредством следующего уравнения (3), в уравнение взаимодействия, скорректированное для вибратора, полученное посредством следующего уравнения (4),

[15] [16]

[17] для получения вязкости капли.

[18] В способе согласно настоящему изобретению капля может висеть под вибратором или быть размещенной на вибрационной плите. Капля вибрирует под действием вибратора или вибрационной плиты, и это снимается для получения изображения капли в состоянии максимального растяжения в горизонтальном направлении или максимального растяжения в вертикальном направлении. Изображение капли, в статическом состоянии без вибрации, может быть получено до или после получения изображения в динамическом состоянии.

[19] Дальше из изображения капли в статическом состоянии получают скорость изменения кривизны границы капли в статическом состоянии, и скорость изменения кривизны капли в динамическом состоянии получают путем использования всех или одного из изображений капли в динамическом состоянии.

[20] Используя скорость изменения кривизны, полученную выше, скорость изменения кривизны капли в статическом состоянии и скорость изменения кривизны капли в динамическом состоянии подставляют в уравнение взаимодействия, ранее полученное и скорректированное для вибратора, для получения вязкости капли.

[21] Способ согласно настоящему изобретению может быть применен к разным жидкостям, в частности, жидкости организма. Более конкретно, жидкость организма может представлять собой кровь, мочу и т.д.

ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[22] В соответствии со способом согласно настоящему изобретению вязкость жидкости может быть измерена очень просто, точно и быстро. В частности, способ согласно настоящему изобретению может быть эффективно применен в области обследования и диагностики, такой как измерение вязкости крови.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[23] На фиг. 1 изображена вибрирующая капля в соответствии с одним приведенным в качестве примера вариантом осуществления настоящего изобретения для измерения вязкости.

[24] На фиг. 2 изображено изменение амплитуды капли с ее естественной частотой в соответствии с объемом капли.

[25] На фиг. 3 изображена скорость изменения динамической кривизны капли при ее естественной частоте в зависимости от объема капли.

[26] На фиг. 4 изображено изменение скорости изменения динамической кривизны капли при ее естественной частоте в зависимости от поверхностного натяжения капли.

[27] На фиг. 5 изображено изменение отношения скорости изменения динамической кривизны капли к скорости изменения статической кривизны капли при ее естественной частоте в зависимости от поверхностного натяжения капли.

ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[28] Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на следующие графические материалы. Однако описание следующих графических материалов специально направлено на описание отдельного примерного варианта осуществления настоящего изобретения. Оно не направлено на ограничение или ограничение трактования объема права настоящего изобретения тем, что написано в описании следующих графических материалов.

[29]

[30] Способ измерения вязкости согласно настоящему изобретению, применяющий отношение скорости изменения динамической кривизны капли к скорости изменения статической кривизны капли, анализирует форму границы капли для получения необходимой информации для измерения вязкости.

[31] Форма границы капли в статическом состоянии образована, благодаря балансу между капиллярной силой (σκ), возникающей вследствие поверхностного натяжения (σ) и кривизны границы (κ), и гидростатическим напором (Δρgz), пропорциональным высоте (z), созданной отличием (Δρ) плотности между каплей и наружным воздухом. Это описано как статическое уравнение Юнга-Лапласа следующим уравнением (1).

[32] Уравнение (1)

[33] В приведенном выше уравнении (1) — скорость изменения кривизны границы в направлении высоты, и нижний индекс “s” указывает на статическое состояние. Скорость изменения кривизны вычисляется на основании формы границы, полученной путем записи изображения капли в статическом состоянии, и подставляется в уравнение (1) для получения отношения поверхностного натяжения к разнице плотности. Способы получения скорости изменения кривизны на основании формы границы включают различные способы, такие как способ численного анализа, способ возмущений или способ с применением ширины и высоты капли и др.

[34] Согласно способу измерения вязкости в соответствии с настоящим изобретением делают снимок капли, вибрирующей со своей естественной частотой, и анализируют форму границы капли. Капля может быть представлена в форме свисающей капли, висящей под вибрационным устройством, или в форме неподвижной капли, помещенной на вибрационную плиту. Когда капля вибрирует, она многократно подвергается процессу растяжения с последующим сжатием. В этот момент скорость изменения кривизны границы капли в динамическом состоянии может быть получена путем записи изображения деформированной капли для проведения анализа формы границы. Новый параметр () с такой же единицей измерения, что и поверхностное натяжение, может быть получен путем подстановки вышеуказанной скорости изменения кривизны капли в динамическом состоянии в следующее уравнение (2).

[35] Уравнение (2)

[36] В вышеуказанном уравнении (2), нижний индекс “d” указывает на динамическое состояние. Новый параметр, полученный в этом способе, не обозначает уже установленное физическое свойство, но в настоящем описании он определен как натяжение динамической кривизны.

[37] Хотя натяжение динамической кривизны и изменяется незначительно в соответствии с вязкостью капли, на него практически не воздействует изменение объема используемой капли. Кроме того, натяжение динамической кривизны изменяется, когда изменяется поверхностное натяжение используемой капли, но отношение натяжения динамической кривизны к фактическому поверхностному натяжению в статическом состоянии (/σ), определенное в следующем уравнении (3), практически не изменяется, при этом оно зависит только от вязкости. Как видно из следующего уравнения (3), эта величина становится равной отношению динамической скорости изменения кривизны к скорости изменения статической кривизны, таким образом, становясь безразмерным числом, не зависящим от вязкости, поверхностного натяжения и силы тяжести жидкости.

[38] Уравнение (3)

[39] Таким образом, посредством применения способа измерения вязкости согласно настоящему изобретению, уравнение изменено в отношении амплитуды вибратора, применяемого в измерении, и отношение скорости изменения кривизны в соответствии с вязкостью измеряется и сохраняется как скорректированное уравнение взаимодействия следующего уравнения (4).

[40] Уравнение (4)

[41] Кроме того, при измерении вязкости новой жидкости, вязкость может быть точно измерена, независимо от изменения объема и изменения поверхностного натяжения используемой капли путем применения уравнения (4), которое представляет собой уравнение взаимодействия, скорректированное для вибратора, в котором получено путем анализа формы границы капли в статическом состоянии, и получено путем анализа формы границы капли в состоянии вибрации.

[42] В способе согласно настоящему изобретению по каждому параметру были выполнены параметрические исследования, чтобы установить, является ли соотношение между отношением скорости изменения кривизны и вязкостью независимым от изменения объема и изменения поверхностного натяжения используемой капли.

[43]Однако, так как на самом деле опытным путем практически невозможно независимо модифицировать факторы, влияющие на вибрацию капли, которые включают вязкость, поверхностное натяжение, объем т.д., для моделирования вибрации капли и независимого модифицирования каждого фактора для исследования влияний был применен численный анализ.

[44] Сначала, чтобы исследовать влияние объема, объем жидкости с поверхностным натяжением 0,06 Н/м был увеличен с 9 мкл до 10 мкл и до 11мкл, и результаты вибрации сравнили.

[45] Как показано на фиг. 1, исследование амплитуды капли установило, что амплитуда капли изменяется в зависимости от вязкости, а также объема используемой капли, очень незначительно. С другой стороны, как показано на фиг. 2, натяжение динамической кривизны изменяется незначительно в зависимости от вязкости, но не поверхностного натяжения.

[46] Далее, для исследования влияния поверхностного натяжения, поверхностное натяжение капли, имеющей объем 10 мкл, было изменено с 0,054 Н/м на 0,06 Н/м и 0,066 Н/м, и результаты вибрации сравнили.

[47] Как показано на фиг. 3, натяжение динамической кривизны в зависимости от поверхностного натяжения изменяется незначительно. С другой стороны, как показано на фиг. 4, отношение натяжения динамической кривизны к поверхностному натяжению в зависимости от вязкости изменяется незначительно, но не сильно в зависимости от поверхностного натяжения.

Изобретение относится к способу измерения вязкости. Заявленный способ измерения вязкости включает: (i) этап получения изображения капли в статическом состоянии без вибрации; (ii) этап применения вибратора для сообщения вибрации капле и получения изображения динамического состояния, в котором капля максимально вытянута в горизонтальном направлении или максимально вытянута в вертикальном направлении; (iii) этап получения скорости изменения статической кривизны и скорость изменения динамической кривизны границы капли из изображений, полученных на этапах (i) и (ii); и (iv) этап подстановки отношения скорости изменения статической кривизны к скорости изменения динамической кривизны границы капли в уравнение взаимодействия, скорректированное для вибратора, чтобы получить вязкость капли. Технический результат – повышение точности измерения вязкости. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ измерения вязкости, включающий:

(i) этап получения изображения капли в статическом состоянии без вибрации;

(ii) этап применения вибратора для сообщения вибрации капле и получения изображения капли в динамическом состоянии, в котором капля максимально вытянута в горизонтальном направлении или максимально вытянута в вертикальном направлении;

(iii) этап получения скорости изменения статической кривизны границы капли и скорости изменения динамической кривизны границы капли из изображений, полученных на этапе (i) и (ii); и

(iv) этап подстановки отношения скорости изменения статической кривизны границы капли к скорости изменения динамической кривизны границы капли, полученного посредством следующего уравнения (3), в уравнение взаимодействия, скорректированное для вибратора, полученное посредством следующего уравнения (4), для получения вязкости капли

2. Способ измерения вязкости по п. 1, отличающийся тем, что капля свисает под вибратором или помещена на вибрационной плите.

3. Способ измерения вязкости по п. 1, отличающийся тем, что капля представляет собой жидкость организма.

4. Способ измерения вязкости по п. 3, отличающийся тем, что жидкость организма представляет собой кровь.