專利名稱：動態(tài)往復(fù)擺錘流變測定的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及粘度和相關(guān)流體屬性的測量。其在采用往復(fù)磁性驅(qū)動 的擺錘(bob)的傳感器使用中具有特定應(yīng)用。
背景技術(shù)：
一個多世紀(jì)以來流體的流變特性一直是研究的對象，并且?guī)缀跬?樣長的時間在實驗室進(jìn)行常規(guī)測量以表征最近研制或遇到的流體。用 于此目的的器具通常采用一些旋轉(zhuǎn)的圓柱元件以使所感興趣的流體 經(jīng)歷剪切，并且在多種圓柱速度下由該流體對這種剪切的阻力推斷出 多種流變特性。這樣的器具確定的特性實例是流體是否是牛頓流體， 其剪切靈敏度是什么，其在剪切應(yīng)力和剪切速率之間的關(guān)系是什么， 其屈服應(yīng)力是什么，以及其在其粘度在更大地受到剪切的情況下進(jìn)行 漂移的意義上是否是復(fù)雜的。
這種流變特性確定的方法已經(jīng)證實十分有效和精確，但是存在一 系列應(yīng)用，在這些應(yīng)用中所述方法不能證實非常實用。例如， 一些研 究涉及篩選(screen)很多個配制昂貴的流體。 一些這種流體的代價 趨向于阻礙研究人員篩選它們。

發(fā)明內(nèi)容
但是本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到通過對這種流變測量應(yīng)用 一 定類型的 傳感器設(shè)備大大降低了這種阻礙，所述傳感器設(shè)備已經(jīng)用于執(zhí)行工業(yè) 粘度測量十多年。
該類型的傳感器由Wright的美國專利No. 4， 864， 849中描述的 裝置來示例。鐵磁擺錘由兩個線圏沿相反方向交替驅(qū)動通過擺錘通200880010000.2
道，所述擺錘通道包含將要被測量的流體。流過所述線圏之一的驅(qū)動 電流汲取沿一個方向通過所述路徑的鐵磁擺錘。該擺錘的移動引起兩
個線圏之間的互感變化并因此引起由第一線圏的驅(qū)動電流中的AC分 量在另一個線圏中感生的信號的幅度變化。通過監(jiān)控該信號的幅度， 電路能夠確定擺錘何時到達(dá)其行程中的預(yù)定點。該電路然后可以轉(zhuǎn)換 線圏的功能使得以前的驅(qū)動線團(tuán)變成感測線圏并且反之亦然，并且擺 錘因此轉(zhuǎn)變方向。由于擺錘的幾何形狀和該擺錘行進(jìn)所在的通道是已 知的，線圏驅(qū)動擺錘通過該通道所用的力也是已知的，所以能夠由擺 錘穿過擺錘路徑所用的時間計算出流體粘度。
這種傳感器成本低、耐用、并且簡單，這種傳感器使其實際用于 監(jiān)控像印刷墨水、液壓機液體以及涂料那樣多變的流體屬性，以便例 如使它們的特性能夠被自動調(diào)整或者以經(jīng)濟(jì)的最佳間隔觸發(fā)自動移 位。但是本發(fā)明人現(xiàn)在已經(jīng)認(rèn)識到這種類型的傳感器的另一特性另外 還使其應(yīng)用于其它流變測量特別有利它能夠被用在小得足以使其實 際用于篩選流體的樣本上，所述流體太昂貴而不能用常規(guī)實驗器具進(jìn) 行篩選。
另外，本發(fā)明人已經(jīng)預(yù)先采用這種類型傳感器的傳感器進(jìn)行測 量。常規(guī)地，粘度計算所基于的擺錘速度通過測量擺錘到達(dá)例如由檢 測線圏幅度下降到其峰值的某一預(yù)定部分所指示的預(yù)定位置所需的 時間來確定。由于這種類型的傳感器的基本設(shè)計允許其以寬范圍的幾 何形狀被提供，關(guān)鍵過程變量的自動監(jiān)控在過去已經(jīng)通過簡單地選擇 擺錘尺寸和擺錘通道尺度的組合而成為可能，所述組合最匹配對象流 體的典型粘度?？墒乾F(xiàn)在本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到給定的單個傳感器的范 圍能夠根據(jù)實際情況通過測量技術(shù)的微小但顯著的變化來被擴(kuò)大。
特別地，本發(fā)明人所想出的方法是將速度確定(或其他與速度相 關(guān)的量的計算)基于由在預(yù)定時間檢測線圏的輸出推斷出的位置值。 如下面將要解釋的，該方法的優(yōu)點之一是它能夠以這樣的方式被采 用，所述方式即在粘度能夠以相對精確度被推斷的路徑的部分中采用 的數(shù)據(jù)和速度推論趨向于不太精確的部分中采用的數(shù)據(jù)之間進(jìn)行區(qū) 分。還如下面將更詳細(xì)解釋的，使用該方法在擺錘路徑的單個行徑內(nèi) 進(jìn)行多位置測量能夠使傳感器的范圍被擴(kuò)大，甚至不用在擺錘路徑的 高精確度和低精確度測量的位置之間進(jìn)行區(qū)分。
9


圖1是一種類型的往復(fù)擺錘傳感器的線圏和擺錘組件的簡化截 面圖。
圖2是傳感器的電路的框圖。
圖3A和3B (—起稱為"圖3")形成傳感器用于確定流體的剪
切相關(guān)性的過程的流程圖。
圖4是作為擺錘行程的函數(shù)的傳感器的傳感線圏輸出的曲線圖。 圖5A和5B(—起稱為"圖5")形成傳感器用于確定剪切速率
靈敏度的過程的流程圖。
圖6是包含粘度與剪切速率的關(guān)系曲線的圖，所述關(guān)系曲線由應(yīng)
用于展示出剪切記憶的流體的不同剪切速率序列產(chǎn)生。
圖7是作為剪切速率的函數(shù)的剪切應(yīng)力的典型曲線圖。 圖8是傳感器用于檢測流體復(fù)雜性的過程的流程圖。 圖9A和9B(—起稱為"圖9")是傳感器用于確定流體的屈服
應(yīng)力的過程的流程圖。
圖IOA和10B (—起稱為"圖10")形成傳感器用于測量粘度的
過程的流程圖。
具體實施例方式
圖1是能夠采用本發(fā)明的教導(dǎo)的一種類型的傳感器的截面圖。傳 感器10大體上是圓柱形的并且包括兩個被分別驅(qū)動的線圏12和14， 所述兩個線圏12和14相互在軸向上移位并且通過外殼16與將被測 量粘度或其他屬性的液體隔離。但是流體被允許流入中央樣品槽 (sample well ) 18，在其入口處設(shè)置擺錘保持支架20，其將鐵磁擺 錘22限制到槽18。交替驅(qū)動兩個線圏12和14使得擺錘22抵抗樣 品液體的粘滯阻力而往復(fù)運動。
圖2描繪了用于獲得該結(jié)果的控制電路。微處理器24控制AC信 號產(chǎn)生器26以使其產(chǎn)生AC信號，加法電路28將該AC信號與來自微 處理器控制的數(shù)模轉(zhuǎn)換器30的DC信號相加。所得到的加法器28的 輸出是疊加在DC電壓上的低電平AC電壓，其電平由微處理器指定。 濾波器28將其輸出施加到高輸出阻抗電流驅(qū)動器32，即其輸出電流動器。被微處理器控制的開關(guān)34確定來自驅(qū)動器32的電流是被施加 到線圏12還是線圈14。
微處理器24操作與開關(guān)34互補的第二開關(guān)36:當(dāng)開關(guān)34將電 流施加到線圏12時，開關(guān)36將信號施加到AC至DC轉(zhuǎn)換器38，所 述信號是線圏12和14之間的互感響應(yīng)于驅(qū)動電流的AC分量在線圏 14中產(chǎn)生的。模數(shù)轉(zhuǎn)換器40將AC至DC轉(zhuǎn)換器38的輸出的數(shù)字表 示施加到微處理器24，所述數(shù)字表示是與DC電壓成比例的開關(guān)36 轉(zhuǎn)送的AC信號的幅度。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器40在單個擺錘沖程(stroke)期間多次將那些數(shù)字 幅度值周期性地施加到微處理器24。當(dāng)擺錘已經(jīng)到達(dá)該沖程中的預(yù) 定點時，微處理器改變開關(guān)34和36的狀態(tài)使得線團(tuán)14是被驅(qū)動的 線圏并且線圏12是其電壓被感測的線團(tuán)。
這樣的電路可以被用來進(jìn)行的 一種類型的測量是簡單的流體特 征化(characterization)測量。該測量的目的是區(qū)別牛頓流體和非 牛頓流體以及假塑性的非牛頓流體和脹流型(dilatent)的非牛頓流 體。
將記起的是，絕對(動態(tài))粘度由下式給出
(1)
其中ti是粘度，a是剪切應(yīng)力(每單位面積的剪切力)，并且rs是剪 切速率(垂直于剪切方向的每單位距離的速度變化)。
如果該粘度與所述剪切速率無關(guān)則流體是牛頓流體，如果粘度隨 著剪切速率增加而減小則該流體是假塑性的("剪切稀化")，并且 如果該流體的粘度隨著剪切速率增加而增加則該流體是脹流型流體 ("剪切稠化")。
示出的系統(tǒng)采用圖3的過程來區(qū)別所述三種流體類型。如該圖的 框46表示的，通過選擇線圏之一作為驅(qū)動線圈，選擇另一線圈作為 檢測線圏，并且采用將被用于表征樣品流體的兩個電平中的較低電平 作為初始驅(qū)動電流電平，該系統(tǒng)在第 一 沖程之前初始化。
如框48表示的，該系統(tǒng)然后開始以所選的驅(qū)動電平驅(qū)動電流通 過驅(qū)動線圏。還如該框表示的，該系統(tǒng)啟動將用于確定相對粘度的定
ii時器，并且它開始對檢測線圈的信號幅度進(jìn)行采樣。
由線團(tuán)電流引起的磁力產(chǎn)生的擺錘位置變化易于改變線圍之間
的互感，因而檢測線圏的幅度是擺錘位置的函數(shù)。圖4給出這種函數(shù) 的實例。如該圖示出的，幅度最初隨擺錘行程開始而升高?？墒亲罱K 它達(dá)到峰值，其由圖3的框50和52表示的循環(huán)來檢測。如框54表 示的，該過程然后繼續(xù)進(jìn)行以通過確定檢測信號幅度何時下降到這樣 檢測的峰值的預(yù)定部分以下來識別擺錘行程的終點。
當(dāng)該系統(tǒng)由此得出結(jié)論擺錘已經(jīng)到達(dá)其終點時，該系統(tǒng)讀取定時 器以確定擺錘花費了多長時間到達(dá)該點，并且它由該定時器值來推斷 該流體的粘度。在所示的實施例中，它通過使用驅(qū)動電平和行走時間 的組合來訪問(address)包含相應(yīng)的粘度值的查找表(該查找表被 存儲在例如由圖2的框55表示的數(shù)據(jù)存儲裝置中)從而得出該推論。 這些值通常將已經(jīng)通過利用多種已知粘度的流體校準(zhǔn)系統(tǒng)而獲得。一 些實施例可以在存儲的值之間進(jìn)行插值以提高分辨率。其它實施例可 以完全省去查找表；所述校準(zhǔn)可以改為用于使例如最優(yōu)逼近多項式的 參數(shù)達(dá)到所觀測的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，在該情況下所得到的被確定用于所選驅(qū) 動電平的多項式將用于根據(jù)行走時間來計算粘度。(當(dāng)然， 一些實施 例可使用不是多項式的公式和/或是兩個或更多個變量(例如驅(qū)動電 平和行走時間)而不是僅僅一個變量的函數(shù)的公式。)
現(xiàn)在，圖3總的目的是在兩個不同的驅(qū)動電流電平和由此的剪切 速率下進(jìn)行粘度測量以及比較結(jié)果來確定流體是否為牛頓流體。代替 僅采用框56操作的首先發(fā)生的結(jié)果作為低剪切速率粘度值，所述實 施例進(jìn)行幾個這樣的測量。如框58所表示的，即，確定它是否已經(jīng) 進(jìn)行了足夠的低剪切速率測量。如果還沒有，則它進(jìn)行另一測量。為 此，它轉(zhuǎn)變線圏如框60所表示的，它采用以前的檢測線圏作為新 的驅(qū)動線圈并且采用以前的驅(qū)動線圏作為新的檢測線圈。還如該框表 示的，該系統(tǒng)通常將在進(jìn)行該轉(zhuǎn)變之前關(guān)斷驅(qū)動電流。然后在擺錘沿 另一方向行進(jìn)的情況下重復(fù)測量操作，并且這種轉(zhuǎn)變持續(xù)進(jìn)行直到進(jìn) 行足夠的低剪切速率粘度測量為止。
如框62和64所表示的，系統(tǒng)然后采用高剪切速率電流作為驅(qū)動 線圏所利用的電平，并且在高剪切速率下進(jìn)行幾個測量。
如框66所表示的，系統(tǒng)然后進(jìn)行高剪切速率和低剪切速率的相應(yīng)平均值的測量，它對所述平均值進(jìn)行比較。如框68、 70和72所表
示的，系統(tǒng)得出結(jié)論該流體是牛頓流體-并且在例如圖2的顯示器
44上產(chǎn)生表示該結(jié)論的輸出-如果兩個平均值之差小于預(yù)定容限值。
另一方面，如框74、 76和78所表示的，如果高剪切速率平均值比低
剪切速率平均值小所述容限值以上則由系統(tǒng)顯示的輸出表示該流體
是假塑性的，并且如果高剪切速率平均值比低剪切速率平均值高所述
容限值以上，則它表示該流體是脹流型流體。
存在多種應(yīng)用，其中期望不僅知道該流體是牛頓型的、假塑性的
還是脹流型的，而且還知道假塑性或脹流型流體顯示出該特性的程
度。存在常規(guī)用于表示流體顯示出這種特性的程度的優(yōu)點的多個圖，
并且圖5是用于采用它們中的一個的過程的流程圖。該特定過程基于
許多流體的行為在它們的最高粘度變化狀態(tài)(regime)下被下面的粘
度和剪切速率之間的指數(shù)定律關(guān)系很好地逼近的觀測結(jié)果
"尺廣1 (2)
其中ti是粘度，K是恒定系數(shù)，Z是剪切速率，以及n是所謂的靈敏系 數(shù)。如果靈敏系數(shù)n是1 (unity)，則流體是牛頓流體。如果0<n<l， 則流體剪切稀化，即是假塑性的。如果n〉1，則流體剪切稠化，即是 脹流型的。
圖5的過程操作84 - 98將被認(rèn)為與圖3過程中的相應(yīng)操作基本 相同，除了代替從僅兩個值中選擇，步驟84中采用的線團(tuán)電流電平 從更大數(shù)目中選擇，并且為該更大數(shù)目的驅(qū)動電平和由此的剪切速率 中的每一個確定平均粘度值。如框IOO、 102、 104和106所表示的， 系統(tǒng)在那些電平下單步調(diào)試(step through)測量并且然后關(guān)斷線圈 電流。
框108表示通過找到產(chǎn)生上述指數(shù)定律關(guān)系與所測量的平均粘 度值的最佳擬合的n值來由平均粘度和剪切速率之間所得到的觀測 關(guān)系確定剪切靈敏度。這樣做時，它使用剪切速率和傳感器的幾何形 狀支配的逝去時間之間的關(guān)系。如框110所表示的，系統(tǒng)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)?輸出來表示該計算的結(jié)果。
如上所述的，指數(shù)定律關(guān)系趨向于僅應(yīng)用于流體的最高粘度變化 狀態(tài)，因此由框108表示的操作可以包括通過比較由連續(xù)驅(qū)動電平得 到的粘度值來識別該狀態(tài)。曲線擬合操作然后將施加于該狀態(tài)。其它實施例可以改為通過在框84的操作之前進(jìn)行在寬間隔的驅(qū)動電平下 進(jìn)行的初始粘度測量來識別該狀態(tài)，在該情況下在框104操作中所選 的驅(qū)動電平能夠被限制到指數(shù)定律狀態(tài)下的那些電平。
在任何情況下，框110操作中產(chǎn)生的輸出能夠采用多個形式中的 任何一種。例如，它可以僅是剪切靈敏度n本身的數(shù)值，它或許是該 值連同就例如剪切速率范圍而言的所確定的指數(shù)定律關(guān)系占優(yōu)勢的 狀態(tài)的指示。另一類型的輸出可以是粘度作為剪切速率的函數(shù)的關(guān)系 曲線，除此之外，可能還包括上述數(shù)值之一或兩者。
特別在后者連接中，考慮有些流體顯示出剪切速率"記憶"的事 實有時是有益的它們顯示出的粘度能夠依賴于它們最近已經(jīng)經(jīng)歷過 的剪切速率。考慮此的一種方式是將圖5的操作執(zhí)行兩次， 一次是按 照升高驅(qū)動電平的順序執(zhí)行， 一次是按照降低驅(qū)動電平的順序執(zhí)行， 并且產(chǎn)生輸出曲線，該輸出曲線示出所得到的"滯后現(xiàn)象"，其在圖 6中示出。
通過稍微改變，參考圖5描述的用于確定剪切靈敏度的方法還能
諸如圖7曰^描繪的圖形輸出。 <特別地，圖5B的框108的操作可被這 樣的操作代替，即在該操作中針對來自該過程的先前測量的相應(yīng)速率 計算剪切應(yīng)力。
由于已知粘度的流體用于得出(arrive at)所示實施例的查找 表或粘度以及驅(qū)動電平和行走時間的組合之間的算法關(guān)系，那些已知 的關(guān)系能夠用于獲得圖5A的框94操作中的粘度作為中間值，并且能 夠根據(jù)剪切速率和由此確定的粘度的乘積來計算剪切應(yīng)力。當(dāng)然，一 些實施例可以改為更直接地獲得剪切應(yīng)力，而不用中間的粘度計算； 剪切應(yīng)力和線圈電流之間的關(guān)系能夠由傳感器幾何形狀以及線圈電 流和所得到的擺錘上的磁力之間的關(guān)系( 一般是在校準(zhǔn)操作期間確定 的)來獲得。
往復(fù)運動擺錘傳感器能夠用于的另一類型的測量是檢測流體復(fù) 雜性，即檢測當(dāng)流體被剪切時該流體的粘度隨時間變化的趨勢。圖8 描繪了用于該目的的方法。該測量可能要在相對延長的時間周期內(nèi)進(jìn) 行；例如可能使用半小時的持續(xù)時間。因此如框112所表示的，操作 的初始化包括設(shè)置打算用于這樣的持續(xù)時間的"長時間定時器"。框114、 116、 118、 120、 122和124表示的操作將由先前的過程而被熟 知為這樣的操作通過這些操作系統(tǒng)使擺錘往復(fù)運動并根據(jù)其運動進(jìn) 行粘度確定?？?26表示該往復(fù)運動和粘度測量繼續(xù)進(jìn)行直到長時間 定時器時間到了為止。 一般，利用相同的驅(qū)動電流電平在每個沖程上 進(jìn)行該測量。
如框128表示的，該系統(tǒng)然后產(chǎn)生告知(tell)剪切是否已經(jīng)引 起流體的粘度漂移的輸出。在所示實施例中，這通過將作為時間函數(shù) 的被濾波的粘度值的曲線表示為圖形輸出來進(jìn)行。濾波器用于噪聲抑 制并且可以例如產(chǎn)生粘度的指數(shù)平均數(shù)。其它實施例可以改為或者另 外陳述流體是否是復(fù)雜的，使該確定基于所檢測的變化是否超過某一 閾值，并且如果它是復(fù)雜的，則基于它是震凝性的(隨時間變稠)還 是觸變性的(隨時間變稀)。
往復(fù)運動擺錘傳感器還能用于確定屈服應(yīng)力。 一些流體直到它們 經(jīng)受了閾值應(yīng)力才流動，并且圖9描繪了用于確定該閾值的一個過 程?？?30表示總體上對于該過程的初始化，而框132表示對于單個 沖程的初始化。如框132表示的，驅(qū)動電流最初為零，并且如框134、 136、 138和140表示的，它遞增直到檢測線圈的信號表示擺錘已經(jīng) 從初始位置移動為止并且在增加之間有間歇。 一旦已經(jīng)檢測到該運
驅(qū)動電^f)直到它到il在框1口42表示的操作中所石i定的沖程位置^終 點為止。如框144、 146和148所表示的，系統(tǒng)重復(fù)該操作，由當(dāng)檢 測到初始移動時施加的電流推斷屈服應(yīng)力并對先前測量的結(jié)果求平 均，直到進(jìn)行某一預(yù)定次數(shù)的這種測量為止。如框150所表示的，該 過程然后產(chǎn)生表示平均屈服應(yīng)力值的輸出，盡管如框146所表示的， 它也還可以輸出中間值。
上述確定粘度的過程通過對擺錘行進(jìn)經(jīng)過預(yù)定距離進(jìn)行定時來 這樣做。在這方面，它們使用的傳感器類似于常規(guī)方法采用的那些傳 感器。相比之下，圖10的過程通過測量擺錘在預(yù)定時間增量內(nèi)所行 進(jìn)的距離來確定粘度被測量的量是距離而不是時間。圖IO采用的 特定方法趨向于擴(kuò)大粘度的范圍，給定的傳感器能夠用于測量該范 圍。它通過進(jìn)行增量速度測量來這樣做它在單個擺錘沖程或更小的 跨距內(nèi)進(jìn)行多個測量。該過程可僅用于進(jìn)行粘度測量或者它可用作更精細(xì)的流變測量的組成部分。它能夠例如替代圖3的框50、 52、 54 和56的操作、圖5的框88、 90、 92和94的操作以及圖8的框116、 118、 120和122的操作。
為了將變得明顯的目的，圖10的過程開始于框152表示的初始 化操作。該初始化操作包括設(shè)置標(biāo)記為表示擺錘運動當(dāng)前處于加速狀 態(tài)而不是終極(terminal )速度狀態(tài)的情形。另外，系統(tǒng)將終極速度 測量計數(shù)器重置為零，如框152所表示的。如下面將更詳細(xì)描述的， 該計數(shù)器指示在終極速度狀態(tài)下已經(jīng)進(jìn)行了多少單個速度測量。
利用該標(biāo)記和計數(shù)器設(shè)置，系統(tǒng)開始以上面解釋的方式電磁地驅(qū) 動擺錘。周期性地在所得到的擺錘沖程期間它測量檢測線圏的輸出信 號的幅度，如框154所表示的。通過采用上述方法之一，系統(tǒng)然后將 幅度測量轉(zhuǎn)換為位置值，如框156所表示的。
這些位置測量將用于在沿沖程的多個點處計算速度。當(dāng)然，可以 由僅兩個位置測量進(jìn)行速度確定，并且一些實施例可以采用僅兩個位 置測量用于每個速度計算。然而，為了抑制噪聲的目的，其它實施例 可以采用三個或更多的位置測量并使用某一類型的濾波方法來得出 速度值。
由于速度計算需要多個位置測量，因此并不充足的位置值在最初 是可用的。因此如框158所表示的，系統(tǒng)直到獲取了足夠的位置值才 計算速度值。在獲取了足夠的位置值之后，通過使用作為與用于先前 速度計算的窗口重疊的位置測量窗口，系統(tǒng)針對每個隨后的位置值計 算速度，如框160所表示的。如果流體是相對非粘性的，則擺錘可以 在它達(dá)到它的終極速度之前行進(jìn)經(jīng)過其沖程的顯著部分。在該初始 的、其沖程的終極速度之前部分中觀測的速度部分地由慣性效應(yīng)得 到，因此在該狀態(tài)下進(jìn)行的粘度確定的精確度可能受損害，如果沒有 進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施來考慮那些慣性效應(yīng)的話。
圖10描繪的過程采用兩個替換方法來進(jìn)行這種預(yù)防措施。首先 是僅在沖程的該初始部分中避免速度測量。如上面提到的，系統(tǒng)在沖 程的開始時假定擺錘處于加速階段，其中慣性明顯地影響擺錘速度。 采用下面將描述的方式，系統(tǒng)因此測試位置測量來確定它是否應(yīng)當(dāng)假 定擺錘已經(jīng)達(dá)到其行程的終極速度部分?？?62表示檢查表示該系統(tǒng) 是否已經(jīng)斷定已經(jīng)達(dá)到該狀態(tài)的標(biāo)記。如果還沒有假定終極速度狀態(tài)，即如果該標(biāo)記表示系統(tǒng)還沒有斷定擺錘已經(jīng)達(dá)到其終極速度，則
傳感器確定這種斷定現(xiàn)在是否是合理的。如框164表示的，它通過確 定剛剛計算的速度是否超過先前確定的速率某一預(yù)定增量來執(zhí)行上 述。如果沒有，則系統(tǒng)將標(biāo)記轉(zhuǎn)變?yōu)榻K極速度狀態(tài)表示的值，如框 166表示的。
一旦擺錘已經(jīng)進(jìn)入終極速度狀態(tài)，則其后進(jìn)行的某一數(shù)量的速度 確定將是粘度計算的基礎(chǔ)。為了記住是否已經(jīng)進(jìn)行了必需數(shù)目的終極 速度測量，系統(tǒng)使用計數(shù)器，框168表示該計數(shù)器增加。如框170表 示的，系統(tǒng)然后返回進(jìn)行終極速度狀態(tài)測量中的另一個測量，如果擺 錘沒有到達(dá)其行程的終點的話。
行程終點確定可以以上述方式進(jìn)行，其中它基于檢測線圏輸出是 否已經(jīng)下降到其峰值的預(yù)定部分。但是對于一些傳感器布置來說更精 確的另一方法是觀測擺錘是否已經(jīng)達(dá)到硬停止(hard stop)，即確 定兩個連續(xù)位置測量是否相等或幾乎相等。
在任何情況下，框170的操作的結(jié)論通常將會是擺錘還沒有到達(dá) 其行程的終點，因此系統(tǒng)返回進(jìn)行另外的終極速度狀態(tài)測量。這次， 由圖5的框162表示的確定是肯定的，表示系統(tǒng)的結(jié)論是已經(jīng)達(dá)到終 極速度狀態(tài)，因此系統(tǒng)不返回框164確定。代替地，它執(zhí)行框172表 示的操作，其中它讀取終極速度計數(shù)器來確定是否已經(jīng)進(jìn)行足夠的終 極速度測量來為粘度計算提供好的基礎(chǔ)。如果沒有進(jìn)行足夠的終極速 度測量，則該速度測量僅被存儲，并且系統(tǒng)重復(fù)增加終極速度計數(shù)器 和進(jìn)行行程終點確定的框168和170的操作。該循環(huán)在大部分情況下 持續(xù)進(jìn)行，直到框172的確定是肯定的為止，即直到已經(jīng)進(jìn)行足夠的 終極速度狀態(tài)測量為止。當(dāng)已經(jīng)進(jìn)行足夠的終極速度狀態(tài)測量時，所 述過程執(zhí)行對在終極速度狀態(tài)下進(jìn)行的速度測量求平均的框174的 操作；該平均值僅基于那些測量并且不基于在初始的、加速狀態(tài)期間 觀測的速度中的任何一個。
在一些實施例中，由框172的確定應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)可以不是固定數(shù)量 的終極速度狀態(tài)速度測量；系統(tǒng)例如可以僅繼續(xù)進(jìn)行終極速度狀態(tài)速 度測量直到擺錘到達(dá)其沖程的終點為止，并且由此進(jìn)行的所有測量有 助于該平均值。然而在其它實施例中，該標(biāo)準(zhǔn)可以是預(yù)定數(shù)目使得第 一粘度(或其它與速度相關(guān)的量)計算可以在整個沖程結(jié)束之前被完成。沖程的其余部分然后能夠用于可能基于不同驅(qū)動電流的粘度(或 者例如剪切速率)的另一計算。
如框176所表示的，系統(tǒng)以上述方式之一由平均速度值推斷粘度 (或某一其它的與速度相關(guān)的量)。該過程在產(chǎn)生表示該值的適當(dāng)輸 出的框178的操作之后結(jié)束。在一些情況下，該輸出將僅是人可讀取 的顯示器上的表示。在其它情況下，它可以例如作為一個構(gòu)成輸入 (constituent input)被提供到基于某一數(shù)量的這類值或基于一個 或多個這類值連同一個或多個其它物理量的值的某一流體特性確定。 如上面提到的，該過程實際上提供兩個替換方法來確定粘度。剛 剛描述的第一個方法用于這樣的情形在該情形中終極速度狀態(tài)的持 續(xù)時間足夠長以提供充足的終極速度狀態(tài)測量來用于確定粘度或其 它期望的量。然而在一些情況下，粘度如此低以致于在終極速度狀態(tài) 下進(jìn)行了太少的速度測量。在這種情況下，框170的確定最終將是肯 定結(jié)果擺錘將在進(jìn)行足夠的終極速度狀態(tài)測量之前到達(dá)其行程的終 點。
在該情形下，系統(tǒng)采用替換方法，其中它通過用數(shù)學(xué)方法匹配動 態(tài)運動曲線與在沖程期間進(jìn)行的位置測量來推斷速度。例如，系統(tǒng)可 能先前已經(jīng)確定樣品流體是牛頓流體。在該情況下，它可以假定運動 方程式是下面的形式
其中m是擺錘質(zhì)量，y是其位置，/^是幾何形狀確定的系數(shù)，該系數(shù) 使擺錘上的粘滯阻力與流體的粘度T!以及擺錘的速度相關(guān)，F(xiàn)是(在 所示實施例中，是基本恒定的)擺錘上的磁力。對于t-0時邊界值y =dy/dt = 0，該微分方程的解是
，=[,-(l-e-' r (4)
其中vr-F/^T7是擺錘的終極速度，r-w/^;7是時間常數(shù)，在該時 間常數(shù)情況下擺錘的速度接近Vp
由于力F和系數(shù)&將是已知的，因此流體的粘度能夠由擺錘運 動的時間常數(shù)t或終極速度vr來計算。因此所有必需的是使用某一 曲 線擬合過程來找到導(dǎo)致所觀測的位置值與上述微分方程解的最佳匹配的時間常數(shù)。例如 一 種方法是通過假定等于例如剛觀測的沖程時間 的試驗時間常數(shù)開始并使用該假定的時間常數(shù)值來根據(jù)下面的方程
式由多個觀測的(時間、位置)對中的每一個計算相應(yīng)的終極速度值
如果該假定的時間常數(shù)是正確的，則由此確定的每個終極速度值 將大致相同。然而，如果該假定的時間常數(shù)太低，它們將隨時間升高， 并且如果該假定的時間常數(shù)太高，則它們將隨時間降低。通過采用那 些事實，系統(tǒng)能夠通過逐次逼近(successive approximation)得出 正確的時間常數(shù)，并由此得出正確的粘度值。
通過采用本發(fā)明的教導(dǎo)，可以經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行寬范圍的流變測量。本 發(fā)明因此構(gòu)成本領(lǐng)域中的顯著進(jìn)步。
權(quán)利要求
1.一種流體表征方法，包括A)以這樣的方式驅(qū)動電流通過第一線圈以便由此磁性地驅(qū)動鐵磁擺錘通過被樣品流體占據(jù)的擺錘路徑并且通過互感在第二線圈中感生出合成檢測線圈信號，所述合成檢測線圈信號依賴于沿擺錘路徑的擺錘位置；B)在擺錘路徑的單行徑期間在多個時間處進(jìn)行對檢測線圈信號的值的測量；C)由這樣測量的檢測線圈信號的值來確定相應(yīng)的擺錘位置；D)由多個這樣確定的擺錘位置來確定樣品流體的流變特性；以及E)產(chǎn)生表示由此確定的流變特性的表征器輸出信號。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中確定流變特性包括計算樣品 流體的粘度。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中確定流變特性包括減輕慣性 效應(yīng)。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中確定流變特性包括計算樣品 流體的粘度和在這樣做的過程中減輕慣性效應(yīng)。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中確定流變特性包括A) 由確定的擺錘位置計算多個速度值；B) 根據(jù)連續(xù)的所述速度值的比較將在單行徑中進(jìn)行的測量的序 列分類成加速狀態(tài)和終極速度狀態(tài)；以及C) 提供由在終極速度狀態(tài)下進(jìn)行的測量而不用在加速狀態(tài)下進(jìn) 行的測量來確定流變特性的基礎(chǔ)。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中確定流變特性包括由在終極 速度狀態(tài)下進(jìn)行的測量而不用在加速狀態(tài)下進(jìn)行的測量來計算樣品 流體的粘度。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中A)該方法還包括如此驅(qū)動電流通過第二線圏以便由此磁性地驅(qū) 動鐵磁擺錘向后通過擺錘路徑并由互感在第一線圏中感生出合成檢 測線圏信號，所述合成檢測線圈信號依賴于沿擺錘路徑的擺錘位置； 以及B)擺錘位置另外還由在擺錘被驅(qū)動向后通過擺錘路徑時在多個時間處測量的檢測信號的值來確定。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述表征器輸出信號表示樣品流體是否是牛頓流體。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中如果所述表征器輸出信號表示該流體不是牛頓流體，那么所述表征器輸出信號還表示該流體是剪切稀化流體還是剪切稠化流體。
10. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中表征器輸出表示樣品流體的粘度對剪切速率的敏感程度如何。
11. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述表征器輸出表示作為樣品流體經(jīng)歷的剪切的函數(shù)的樣品流體上的剪切應(yīng)力。
12. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中A )驅(qū)動鐵磁擺錘通過擺錘路徑在整個測量持續(xù)時間內(nèi)重復(fù)發(fā)生；以及B)表征器輸出信號表示作為擺錘被重復(fù)驅(qū)動通過流體多長時間的函數(shù)的樣品流體的粘度。
13. —種流體表征器，包括A) 鐵磁擺錘類型的器具，包括i) 樣品槽；ii )設(shè)置在所述樣品槽中的鐵磁擺錘，用于沿擺錘所通過的擺錘路徑在第一和第二方向上往復(fù)運動；以及iii)第一和第二線圈，其被相對于所述樣品槽如此設(shè)置使得被驅(qū)動通過第一線圏的電流產(chǎn)生趨向于沿第一方向驅(qū)動擺錘的磁力，被驅(qū)動通過第二線圏的電流產(chǎn)生趨向于沿第二方向驅(qū)動擺錘的磁力，并且在線圈之間的互感依賴于擺錘的位置；B) 控制電路，其包括i )驅(qū)動器電路，用于如此驅(qū)動包括AC分量的電流通過至少第一線圏以便在至少第一方向上驅(qū)動擺錘通過樣品槽所包含的流體；ii) 傳感器電路，用于感測被驅(qū)動通過線圏之一的AC分量在另一線圈中通過互感而引起的信號并且用于產(chǎn)生表示其的傳感器輸出，以及iii) 計算電路，用于由所述傳感器輸出產(chǎn)生表示下述中的至少一個的表征器輸出a) 流體的屈服應(yīng)力；b) 作為流體經(jīng)歷的剪切的函數(shù)的流體上的剪切應(yīng)力；c) 該流體是否是牛頓流體；d) 流體的粘度對剪切速率的敏感程度如何；以及e) 作為擺錘被驅(qū)動通過流體多長時間的函數(shù)的流體的粘度。
14. 如權(quán)利要求13所述的流體表征器，其中所述表征器輸出表示該流體的屈服應(yīng)力。
15. 如權(quán)利要求13所述的流體表征器，其中所述表征器輸出表示作為流體經(jīng)歷的剪切的函數(shù)的流體上的剪切應(yīng)力。
16. 如權(quán)利要求13所述的流體表征器，其中所述表征器輸出表示該流體是否是牛頓流體。
17. 如權(quán)利要求13所述的流體表征器，其中如果該流體不是牛頓流體，那么所述表征器輸出表示該流體是剪切稀化流體還是剪切稠化流體。
18. 如權(quán)利要求13所述的流體表征器，其中所述表征器輸出表示流體的粘度對剪切速率的敏感程度如何。
19. 如權(quán)利要求13所述的流體表征器，其中所述表征器輸出表示作為擺錘被驅(qū)動通過流體多長時間的函數(shù)的流體的粘度。
20. 如權(quán)利要求13所述的流體表征器，其中所述驅(qū)動器電路如此驅(qū)動包括的電流通過第一和第二線圏以便交替地沿第一和第二方向驅(qū)動擺錘通過樣品槽所包含的流體。
21. —種流體表征器，包括A) 鐵磁擺錘類型的器具，其包括i)樣品槽；ii )設(shè)置在所述樣品槽中的鐵磁擺錘，用于沿擺錘所通過的擺錘路徑在第一和第二方向上往復(fù)運動；以及iii)第一和第二線圏，其被相對于所述樣品槽如此設(shè)置使得被驅(qū)動通過第一線圏的電流產(chǎn)生趨向于沿第一方向驅(qū)動擺錘的磁力，被驅(qū)動通過第二線圏的電流產(chǎn)生趨向于沿第二方向驅(qū)動擺錘的磁力，并且在線圏之間的互感依賴于擺錘的位置；以及B) 控制電路，其包括i )驅(qū)動器電路，用于如此驅(qū)動包括AC分量的電流通過第一和第二線圉以便沿至少第一方向驅(qū)動擺錘通過所述樣品槽所包含的樣品流體；ii )傳感器電路，用于在擺錘路徑的單行徑期間在多個時間處測量被驅(qū)動通過線圏之一的AC分量在另一線圏中通過互感而引起的檢測線圏信號的值并且用于產(chǎn)生表示其的傳感器輸出；以及iii )計算電路，用于a) 由這樣測量的檢測線圈信號的值確定相應(yīng)的擺錘位置；b) 由這樣確定的多個擺錘位置確定樣品流體的流變特性；以及c) 產(chǎn)生表示這樣確定的流變特性的表征器輸出信號。
22. 如權(quán)利要求21所述的流體表征器，其中確定流變特性包括計算樣品流體的粘度。
23. 如權(quán)利要求21所述的流體表征器，其中確定流變特性包括減輕慣性效應(yīng)。
24. 如權(quán)利要求23所述的流體表征器，其中確定流變特性包括計算樣品流體的粘度和在這樣做的過程中減輕慣性效應(yīng)。
25. 如權(quán)利要求21所述的流體表征器，其中確定流變特性包括A) 由所確定的擺錘位置計算多個速度值；B) 根據(jù)連續(xù)的所述速度值的比較將在單行徑中進(jìn)行的測量的序列分類成加速狀態(tài)和終極速度狀態(tài)；以及C) 提供由在終極速度狀態(tài)下進(jìn)行的測量而不用在加速狀態(tài)下進(jìn)行的測量來確定流變特性的基礎(chǔ)。
26. 如權(quán)利要求25所述的流體表征器，其中確定流變特性包括由在終極速度狀態(tài)下進(jìn)行的測量而不用在加速狀態(tài)下進(jìn)行的測量來計算樣品流體的粘度。
27. 如權(quán)利要求21所述的流體表征器，其中A) 所述驅(qū)動器電路如此驅(qū)動電流通過第二線圍以便由此磁性地驅(qū)動鐵磁擺錘向后通過擺錘路徑并由互感在第一線圏中感生出合成檢測線圏信號，所述合成檢測線圏信號依賴于沿擺錘路徑的擺錘位置；以及B) 所述計算電路另外由在擺錘被驅(qū)動向后通過擺錘路徑時在多個時間處測量的檢測信號的值來確定擺錘位置。
28. 如權(quán)利要求21所述的流體表征器，其中所述表征器輸出信號表示樣品流體是否是牛頓流體。
29. 如權(quán)利要求28所述的流體表征器，其中如果所述表征器輸出信號表示該流體不是牛頓流體，那么所述表征器輸出信號還表示該流體是剪切稀化流體還是剪切稠化流體。
30. 如權(quán)利要求21所述的流體表征器，其中表征器輸出表示樣品流體的粘度對剪切速率的敏感程度如何。
31. 如權(quán)利要求21所述的流體表征器，其中所述表征器輸出表示作為樣品流體經(jīng)歷的剪切的函數(shù)的樣品流體上的剪切應(yīng)力。
32，如權(quán)利要求21所述的流體表征器，其中A )驅(qū)動鐵磁擺錘通過擺錘路徑在整個測量持續(xù)時間內(nèi)重復(fù)發(fā)生；以及B)所述表征器輸出信號表示作為擺錘被重復(fù)驅(qū)動通過流體多長時間的函數(shù)的樣品流體的粘度。
33. —種流體表征方法，包括A) 提供鐵磁擺錘類型的器具，所述鐵磁擺錘類型的器具包括i) 樣品槽；ii )設(shè)置在所述樣品槽中的鐵磁擺錘，用于沿擺錘所通過的擺錘路徑在第一和第二方向上往復(fù)運動；以及Hi)第一和第二線圏，其被相對于所述樣品槽如此設(shè)置使得被驅(qū)動通過第一線圏的電流產(chǎn)生趨向于沿第一方向驅(qū)動擺錘的磁力，被驅(qū)動通過第二線圏的電流產(chǎn)生趨向于沿第二方向驅(qū)動擺錘的磁力，并且在線圏之間的互感依賴于擺錘的位置；B) 如此驅(qū)動包括AC分量的電流通過第一和第二線圏以便沿至少第一方向驅(qū)動擺錘通過樣品槽所包含的流體；C) 感測被驅(qū)動通過線圈之一的AC分量在另一線圈中通過互感引起的信號；D) 產(chǎn)生表示其的傳感器輸出，以及E) 由傳感器輸出產(chǎn)生表示下述中的至少一個的表征器輸出i )流體的屈服應(yīng)力；ii) 作為流體經(jīng)歷的剪切的函數(shù)的流體上的剪切應(yīng)力；iii) 該流體是否是牛頓流體；iv) 流體的粘度對剪切速率的敏感程度如何；以及v) 作為擺錘被驅(qū)動通過流體多長時間的函數(shù)的流體的粘度。
34. 如權(quán)利要求33所述的方法，其中所述表征器輸出表示該流體的屈服應(yīng)力。
35. 如權(quán)利要求33所述的方法，其中所述表征器輸出表示作為流體經(jīng)歷的剪切的函數(shù)的流體上的剪切應(yīng)力。
36. 如權(quán)利要求33所述的方法，其中所述表征器輸出表示該流體是否是牛頓流體。
37. 如權(quán)利要求36所述的方法，其中如果該流體不是牛頓流體，那么所述表征器輸出表示該流體是剪切稀化流體還是剪切稠化流體。
38. 如權(quán)利要求33所述的方法，其中所述表征器輸出表示流體的粘度對剪切速率的敏感程度如何。
39. 如權(quán)利要求33所述的方法，其中所述表征器輸出表示作為擺錘被驅(qū)動通過流體多長時間的函數(shù)的流體的粘度。
40. 如權(quán)利要求33所述的方法，其中電流被如此驅(qū)動通過第一和第二線圏以便交替地沿第一和第二方向驅(qū)動擺錘通過樣品槽所包含的流體。
全文摘要
一種用于進(jìn)行流變測量的傳感器采用鐵磁擺錘的形式，該鐵磁擺錘被交替驅(qū)動沿相反方向借助來自兩個被交替驅(qū)動的線圈的磁力通過樣品流體。擺錘的位置影響線圈之間的互感，因此它能夠通過感測在一個線圈中流動的電流在另一個線圈中感生出的信號來被推斷出，并且由擺錘運動、線圈電流和傳感器幾何形狀之間的關(guān)系來確定流變屬性。一些這樣的測量的精確度通過計算擺錘的加速度和抑制由此檢測的慣性效應(yīng)而被增強。
文檔編號G01N11/12GK101680822SQ200880010000
公開日2010年3月24日 申請日期2008年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月27日
發(fā)明者D·A·艾里, J·T·科爾 申請人:坎布里奇粘度測量公司