专利名称：用于确定流体的流变参数的方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1以及权利要求24的一种用于确定流动的流体的流变参数的一种方法和一种装置，尤其用于悬浊液或乳浊液。
类似的方法和装置已经公知。其中使用了超声多普勒方法以对在一个流动通道中流动的、携带悬浮或乳化颗粒的流体确定横向于管道的局域速度断面图。此外，通过测量被确定局域速度断面图的区域的上游和下游的静压力来确定该局域速度断面图的区域内沿流动方向的压差。根据速度断面图和与其对应的压差可以确定所研究的流动流体的流变参数，例如粘度函数(剪切粘度)，流变极限等。
超声多普勒方法(UVP，Ultrasound Velocity Profiling)和确定压差(PD，Pressure Difference)的组合被技术人员简称为UVP-PD，在大量出版物中以不同方式对此进行了介绍，但始终变化很少。
在国际杂志“Heat and Fluid Flow”1986年第7卷第4期Y.Takeda的文章“Velocity profile measurement by ultrasound Doppler shift method”中确认了UVP方法对于确定只有几毫米直径的小管或血管内的一维速度断面图的适用性。
在1996年9月关于超声多普勒方法用于流体机械和流体能量的国际座谈会上E.Windhab，B Ouriev，T.Wagner和M.Drost一世在“Rheological Study of Non-Newtonian Fluids”中说明了上面提到的UVP方法。
对于UVP-PD方法的理论基础和装置基础及其在特别是悬浊液模型中的拖曳剪切流动和压力剪切流动中的应用或者在例如巧克力生产或面食生产中的流变流体中的应用的详细说明可从B.Ouriev，Diss.ETH 13523号，苏黎世2000年的“Ultrasound Doppler Based In-LineRheometry of Highly Concentrated Suspensions”中看到。在那里既涉及层流，也涉及湍流。
这里所描述的UVP-PD方法提供了对不同类型速度断面图和对要研究的流体的要确定的流变参数的良好测量结果。但为了测量压力总是需要位于所确定的速度断面图上游和下游的两个相互离开距离的测量点。尽管现在可以使用少侵入的小型超声发射接受器、超声测量互感仪和压力传感器，但由于为测量精度原因而始终必需的局域速度断面图上游和下游的两个压力测量点的间距，使得UVP-PD测量装置的进一步“紧凑化”由于两个压力传感器的相互靠拢而受到限制。
本发明的任务是，提供一种方法和一种测量装置，它们使用超声多普勒方法，能够比现有技术中的UVP-PD方法实现更紧凑的测量装置并且使方法简化。
该任务通过根据权利要求1的方法和根据权利要求24的装置来解决。
用于确定流动的流体、特别是悬浊液或乳浊液的流变参数的本发明方法要求流体流至少在部分区域内被一个与该流体接触的壁限制，具有以下步骤a)以一个相对于流动方向不同于90°的角度θ向流体流内入射一个由超声发射器发射的具有至少一个预先给定的第一频率f1的超声信号；b)在一个超声接收器内接收一个超声信号，该超声信号被流体内在对应流体区域内携带的颗粒反射，具有至少一个反映该对应区域特征的第二频率f2，该频率相对于频率f1偏移了一个对应频移Δf；
c)在流体的至少一个接触所述壁的区域内感测局域的壁面剪应力(Wandschubspannung)；d)使用所述至少一个第一频率f1和使用所述至少一个第二频率f2计算所述至少一个频移Δf；e)使用超声信号在离开超声发射器的时间点与被超声接收器接收的时间点之间的对应度越时间将对应频移Δf配置给一个对应的流体区域；f)使用对应频移计算携带反射颗粒的对应区域的流体速度；g)使用在所述至少一个局域壁区域内感测到的流体壁面剪应力和所计算出的流动流体的对应局域流体区域的流体速度计算流体的流变参数。
用于使用本发明方法确定流动流体的流变参数的本发明装置具有至少一个壁区域，它至少在流体边界面的局域区域内接触和限制在该装置内流动的流体；一个超声发射器，用于将一个具有至少一个预先给定的第一频率f1的超声信号以一个相对于流动方向不同于90°的角度θ入射到在该装置内流动的流体中；一个超声接收器，用于接收一个具有至少一个频率f2的超声信号，该频率可相对于频率f1偏移一个频移Δf；至少一个剪应力传感器，用于感测流体在至少一个接触所述壁的区域内的壁面剪应力；一个计算和处理单元，用于计算频率差和用于通过使用一个超声信号在发射和接收之间的对应时间差将一个所确定的频率差配置给一个对应的流体区域；用于通过使用对应的频移计算对应流体区域的流体速度；并且用于通过使用所感测到的流体壁面剪应力和所计算出的流动流体的对应流体区域的流体速度计算流体的流变参数。
通过在步骤c)感测局域壁面剪应力，也就是说在流动流体的边界层区域内进行唯一的剪应力测量，避免了现有技术中的两点压力测量。由此可以减小测量装置的位置需求和电缆连接工作并且简化了方法。
由于在本发明方法中只要求流体流至少在部分区域内被一个接触该流体的壁限制，因此本发明方法还允许用于在部分敞开的通道内流动的流体流，例如用于在一个液槽中被重力驱动的流体流或者例如在旋转流速计内在转子的圆柱形外壳与定子之间的流体流。这些应用还由于本发明方法的测量装置结构紧凑而有利。完全能够达到在超声发射器、超声接收器或者可能超声发射接收器和剪应力传感器所在的局域区域内在外界因素影响流体的情况下(例如由于压差或惯性力产生的剪切作用；附着在一个运动的壁上或在该壁上有滑差地滑动的流体的拖曳作用)研究流动流体的性能(局域的部分区域内的流体速度)。因此，该方法适合用于研究推动剪切流(Schub-Scherstroemungen)和拖曳剪切流(Schlepp-Scherstroemungen)以及组合的滑移/拖曳剪切流。但也可以研究紊流。
在被这种壁拖曳作用保持在通道内的剪切流中，例如在前面提到的旋转流变计中，甚至不可能应用现有技术中的UVP-PD方法，因为尽管能借助UVP确定流体速度，但不能确定沿流动方向的压力降。
相反，由于局域测量、在极端情况下甚至点测量流体边界层区域内的壁面剪应力，本发明方法与本发明装置一起使得UVP不仅可以用于纯拖曳剪切流、混合驱动的拖曳/推动剪切流，特别是还可以用于具有内栓塞的管内流动，当然还可以用于纯推动剪切流。这样，可以选择任意的实验“边缘条件”。这又开发了新的可能性确定极不同的流动的参数和在这样的参数与连续式机械的或显微的、基于微粒的模型之间的匹配。
发射出的超声信号可以是一个具有多个不连续的第一频率(f1，f1′，f1″，…)的信号，接收的超声信号可以是至少一个各具有多个不连续的第二频率(f2，f2′，f2″，…)的第二信号，这些第二频率相对于对应的第一频率(f1，f1′，f1″，…)分别偏移一个反映对应流体区域特征的频移Δf。这使得能够基于形成多个差值来确定反映一个流体区域特征的流体速度，对此至少很近似地适合f2-f1＝f2′-f1′＝f2″-f1″＝…＝Δf。最好形成各个差值的算术平均值，以便为Δf、从而为一个流体区域的对应流体速度得到一个可靠的值。
发射出的超声信号也可以是一个具有一个第一频谱(FS1)的信号，接收的超声信号可以是至少一个各具有一个第二频谱(FS2)的第二信号，该第二频谱相对于第一频谱(FS1)各偏移一个反映对应流体区域特征的频移Δf。在这里也可以将两个频谱在多个位置上的频移用于平均地确定Δf的值并从而用于确定一个流体区域的对应流体速度。
最好为发射的超声信号并从而也为接收的超声信号分别使用脉冲信号。在使得在本发明方法的步骤e)中可以更容易地通过使用超声信号在离开超声发射器的时间点与被超声接收器接收的时间点之间的对应度越时间来将对应频移Δf配置给一个对应的流体区域。这些脉冲信号特别是分别具有一个恒定的载频。
但发射的和接收的超声信号也可以分别是连续信号。这特别是在使用前面说明过的频谱FS1和FS2的情况下是有利的。
合适的是，对壁面剪应力的感测在仅一个接触该壁的流体区域内进行。这使得可以特别紧凑地实现本发明方法。
同样合适的是，入射到流体中的超声信号的发射与反射的超声信号的接收在同一地点进行，例如借助一个超声发射接收器。
最好根据在步骤f)中计算的流体区域的流体速度制成一个横向于流动方向的局域速度断面图，其中，特别是根据在步骤f)中计算的局域速度断面图和在步骤c)中感测的在至少一个与该壁接触的流体区域内的局域壁面剪应力来确定流体的粘度函数(剪切粘度)。
在本发明方法中，最好通过一个基于模型的理论速度断面图的迭代拟合将一个合适的模型拟合到一个测得的速度断面图上。从拟合后的理论速度断面图中就可以读出各种流变参数。
最好在拟合前对测得的速度断面图进行处理，其中特别是对测得的速度断面图进行时间平均。由此为接下来的模型拟合得到更可靠的速度断面图。
最好由所确定的壁面剪应力和/或由所确定的速度断面图各确定一个统计波动量，特别是标准偏差，并且与一个预先给定的波动量极限值比较。最好将这个比较用作选择可靠测量数据的基础。
对合适模型的选择可以通过检查在模型中所使用的边缘条件来进行。可以例如假设流体在壁上的速度为零，也就是说存在附壁。该假设可以根据成功的曲线拟合或不成功的曲线拟合而被保留或屏弃。类似地也可以假设流体在壁上的速度不为零。
对边缘条件的检查也可以有利地通过计数在尝试模型拟合时的无结果迭代步骤来进行，其中，特别是当超过一个预先给定的迭代步数时，选择一个具有其它参数和/或其它边缘条件的其它模型。
所使用的模型最好从下列模型组中选择乘幂定律模型Herschel-Bulkley模型交叉模型(Cross-Modell)。
但也可以使用其它的流变模型。
所使用的边缘条件最好从下列边缘条件组中选择壁上的流体速度为零或者说存在附壁壁上的流体速度不为零或者说存在壁上滑动在流体流动的一个区域内低于流变极限或者说在流动中有栓塞在流体流动的所有区域内不低于流变极限或者说在流动中无栓塞流动状态层流流动状态湍流。
对所使用模型和边缘条件的说明可从B.Ouriev，Diss.ETH 13523号，苏黎世2000年的“Ultrasound Doppler Based In-Line Rheometry ofHighly Concentrated Suspensions”中或B.Ouriev和E.J.Windhab在流体实验32(2002)的“Rheological study of concentrated suspension inpressure-driven shear flow suing a novel in-line ultrasound Dopplermethod”中看到。
也可以将所确定的流体流变参数的至少一部分与这些参数的以其它方式确定的值相比较。这进一步使得流变参数的结果更可靠。以其它方式确定流变参数最好通过在一个旋转流变计中和/或在一个毛细管流变计中测量粘度来实现。
合适的是，对所感测的每个速度通道(＝在速度断面图上的位置)的速度信号和/或对所感测的每个压力测量点的压力信号确定其波动量，特别是标准偏差。该信息还可以用于区别流动的流体是处于湍流状态还是处于层流状态。
本发明装置最好只有一个剪应力传感器，该剪应力传感器安置在所述至少一个壁区域内并且用于感测至少一个接触该壁的流体区域内的壁面剪应力。
在一个因结构特别紧凑而特别有利的本发明装置中，剪应力传感器、超声发射器和超声接收器或者超声发射接收器安置在所述至少一个壁区域内。
在另一个有利的结构中，本发明装置可以具有至少一个第一壁区域和一个第二壁区域，在装置内流动的流体可以分别在它们之间流过，它们至少在部分区域内接触和限制流体边界面，其中，最好在第一壁区域内安置一个超声发射器、在第二壁区域内安置一个超声接收器。这使得能够用这样的超声波工作这些超声波在流体中携带的颗粒上不是以180°的转向、而是只以一个相对较小的方向改变被反射/散射。这保证了所有在位置相对的超声传感器上接收的超声波具有近似一样长的度越时间或者近似一样长的在流动介质中的路径。以此方式，所有在超声传感器与超声接收器之间被位于它们之间不同区域内的颗粒反射/散射的超声波被横穿流过的介质近似一样强地衰减。但必须注意，随着在运动颗粒上反射/散射的声波的偏转角度越来越�。」芟喽越档土硕越邮丈ǖ奈眨庖环矫嬉韵嘤档驮诒痉⒚鞣椒ú街鑕)中定位对应反射流体区域时的分辨率为代价，特别是在使用脉冲信号的情况下，另一方面减小了频移。但随着流体内的流动速度增加频移也增加，这样就至少补偿了小偏转角度的影响。
最好在第一壁区域内安置一个第一超声发射接收器，在第二壁区域内安置一个第二超声发射接收器。由此可以使流体“从左向右”并且同时“从右向左”被超声波透射。以此方式可以将“左边的”和“右边的”测量结果平均。这特别是在遇到这样的问题时是有利的在根据经验确定的横向于流动方向的速度分布中的一定不对称只是测量技术因素还是流体内实际速度分布的真正不对称。这种因素很象速度分布的不对称，通�？梢酝ü礁鼍哂姓庵忠蛩氐姆植冀衅骄淳勒�。如果平均结果仍然是不对称的，就表示流动中有实际的不对称。
在这里也最好在第一壁区域内安置一个第一超声发射接收器和一个第一剪应力传感器，在第二壁区域内安置一个第二超声发射接收器和一个第二剪应力传感器。
该装置的壁区域可以是一个管段或通道段的内壁，该段可集成在一个用于输送流体的管道或通道中，其中，超声发射接收器和剪应力传感器最好集成在一个紧凑的超声发射接收器/剪应力传感器测量互感器单元中。此外还可以在该装置中包含一个压力传感器。这使得不仅该装置的每个单个单元可以实现“探子式”结构，而且整个本发明装置可以实现“探子式”结构，由此保证了本发明方法具有更好的“过程可接近性”。
本发明的其它优点、特征和应用可能性从下面对优选实施例的说明中得出。这些实施例不限制本发明范围。其中
图1表示现有技术的一个测量装置；图2表示本发明的一个测量装置；图3至7以示意图表示用于根据本发明处理和分析计算通过图1中的测量装置获得的测量值的方式。
在图1中表示出一个管段1，流体2在其中流动。图1中的测量装置包括一个超声发射接收器3以及一个在超声发射接收器3下游的压力传感器4和一个在超声发射接收器3上游的压力传感器5。
超声发射接收器3按照超声多普勒方法(UVP方法)向流动的流体2中横向于流动方向发射一个具有一频率f1的窄的超声波US(实际是平面波或平行射束)。超声波US被流动流体2中携带的运动微粒反射或散射。超声波US的反射或散射回超声发射接收器3内的部分由于微粒的运动而具有一个偏移的频率f2(多普勒偏移)。该频移给出关于被一定流体体积内的微粒或流体的速度的信息。通过测量超声发射接收器3上的超声波发射和接收时间点之间的度越时间，将感测到的不同的频移与流体中发生使频率偏移的反射或散射的位置匹配起来。因此最好使用脉冲超声波。先后接收的反射超声脉冲的时间间距以及位置间距越小，位置分辨率和求出的频移的数量就越高。按此方式可以确定速度断面图。
通过两个压力传感器4和5测量流体流的被超声波横穿的区域下游的一个第一静压力P1和上游的一个第二静压力P2。由此就可以求出流体中的壁面剪应力。
通过将横向于流动方向的流体速度分布(“流体反作用”)与流体壁面剪应力组合，就可以确定流体的粘度函数(剪切粘度)。
根据本发明，除了确定流体壁面剪应力和确定流体速度断面图外还选择出用于粘度函数的合适模型以及用于流动流体的合适的边缘条件。
在图2中也表示出一个管段1，流体2在其中流动。图2中的测量装置包括一个超声发射接收器3以及一个在要求得速度断面图的区域内位于超声发射接收器3对面的剪应力传感器6。
在此，也通过使用超声发射接收器3以在图1中描述的相同方式按照超声多普勒方法(UVP方法)确定速度断面图。
但在这里代替压力传感器4和5使用了一个剪应力传感器6，它能够局域地确定流体中的壁面剪应力。在此，壁面剪应力直接在通过UVP还求出速度断面图的区域中得到。在现有技术中(图2)对壁面剪应力进行“全局”的间接求出，其中被迫在两个压力传感器之间的整个间距上进行平均。而在本发明方法中却通过使用本发明装置进行“局域”的直接测定壁面剪应力。这样，最终在求得速度断面图的位置上的壁面剪应力(边缘条件)的实际值与属于该边缘条件的速度断面图之间进行匹配。
在这里也可以通过将横向于流动方向的流体速度分布(“流体的反作用”)与流体壁面剪应力(“外界对流体的影响”)相组合来确定流体的粘度函数(剪切粘度)。
图3以示意图表示出用于分析计算测得的剪应力信息以确定流体中的壁面剪应力的方式。在1)中输入流动通道的几何参数。在2)中输入剪应力S，在3)和4)中在需要的情况下输入其它剪应力。可以(可选)直到N输入不同的剪应力S1到SN。所输入的剪应力值借助在9)进行的触发在8)在一个滤波器中被滤波，以达到信号平滑。在5)输出壁面剪应力。在6)确定壁面剪应力分布，在7)确定在需要的情况下并且通常只在一个位置上测得的压力波动。
图4以示意图表示用于在曲线拟合前处理未被处理过的“原”速度断面图的方式。在1)将测得的未被处理过的速度断面图输入。在2)输入对所研究的流体和预先给定的声频所测得的流体声速。通过一个在19)进行的触发，在18)对所输入的速度断面图的值进行时间平均，以便在3)得到平均的速度断面图。此外，在18)输入在超声多普勒方法中使用的参数，具体地说，在11)多普勒角度、在12)声学信息、在13)起始深度、在14)通道间距、在15)测量窗口、在16)脉冲重复频率和在17)所使用的射线几何参数。在4)确定速度断面图的每个速度通道的标准偏差，然后在5)将该标准偏差与一个预先确定的极限值比较。由此，在6)，7)和8)分别确定实际起始深度、实际侵入深度和实际通道间距。从这三个值出发，在9)为进一步的计算选择出可靠的速度数据，这些数据最后在10)为曲线拟合准备好。
图5以示意图表示用于选择适合的模型、用于选出可靠的数据和用于检查流动流体的边缘条件的方式。在1)为曲线拟合准备好速度数据。在2)将求得的标准偏差SMD与一个预先确定的标准偏差极限值SMDL进行比较。
如果SMD小于SMDL，则在3)判定，将SMD用于数据的拟合(曲线拟合)。在这种情况下，在4)通过最小误差平方法进行曲线拟合。这在5)被用于监视流动断面图的轴向对称和在6)确定最大流动速度。如果SMD大于SMDL，则在18)开始边缘值问题的求解和在20)输出一个报警信号。该报警信号指示不满足边缘条件。
在7)考察壁面速度是否为零。如果在11)肯定了壁上的速度不为零，则在16)装载除壁上滑动效应外的乘幂定律模型，如果相反在11)否定了壁上的速度不为零，则该输出值(壁上的速度为零)被输送给12)作为条件。在8)考察最大流动速度是否恒定，在9)考察压力波动是否�。簿褪撬礢MD是否�。�10)考察沿流动通道(管)的温度差是小还是零。
如果在12)肯定或满足了8)、9)和10)的全部条件并且在壁上的速度是零，则在13)装载乘幂定律模型作为解决方案的一部分。如果然后在14)确定流动指数大于给定的极限值，则在16)装载除壁上滑动效应外的乘幂定律模型，在17)装载除流变极限外的模型。如果相反在14)确定流动指数小于给定的极限值，则在15)装载乘幂定律模型。如果相反在12)否定或不满足8)、9)和10)的全部条件并且在壁上的速度不是零，则在18)以乘幂定律模型开始解决方案以确定流动指数，在19)开始测量的重复和在20)输出一个报警信号。
图6以示意图表示用于通过曲线拟合并且特别是在曲线拟合时考虑壁上滑动的假设来解决边值问题的方式。
在1)从最大流动速度恒定出发。在2)以及在9)的第一次迭代中从壁上的速度为零出发。在3)用1)和2)的信息使用乘幂定律模型进行拟合。然后在4)将7)的乘幂定律模型的流动指数n置于n＝1。在这个前提以及1)的前提和来自9)的壁上的速度为零的前提下，在5)计算在n＝1时的理论速度断面图。
在6)用最小误差平方法对输入的数据进行拟合。为此在18)、19)、20)、21)和22)将这些数据输入，具体地说，在18)实际起始深度、在19)实际侵入深度、在20)实际通道间距、在21)标准偏差高于标准偏差极限和在22)轴向对称控制装置的关于流动断面图轴向对称的信息。在17)从在18)至22)输入的数据中选择出一个数据范围。在12)和13)从在6)进行的拟合中读出流动指数或拟合质量判据。
在11)判定在12)读出的流动指数是否低于一个最低极限值。如果不是，则该流动指数在10)增量，以便在3)重新被借助乘幂定律模型使用。然后进行迭代，其中，多次进行步骤10)、3)、4)、5)、6)、12)和13)。但如果在11)存在另一种情况，即流动指数低于最低极限值，则在8)用其它模型开始求解边值问题。
在7)从流体在壁上滑动出发，也就是壁上的流体速度不为零。这种假设在4)被借助乘幂定律模型使用，以便在5)再计算一个相应的理论断面图。然后，在迭代时的进一步措施与前一段中描述的相同。
在16)判定在13)读出的拟合质量判据是否超过预先给定的极限值。如果是，则在14)询问迭代次数是否超过一个预先给定的数量。如果是，则在9)在第一步迭代中将壁上的滑动速度置为零，在5)重新进入迭代。否则继续进行迭代。迭代时的进一步方式又与前两段描述的相同。如果在16)判定拟合质量判据没有超过预先给定的极限值，则在15)输出论据(例如流动指数，滑动速度，栓塞半径等)，前进到23)。
在23)询问壁上的速度是否为零。如果是零，则在24)、25)和26)根据与速度断面图的拟合分别计算体积流速、壁面剪切速度和剪切速度分布。如果壁上的滑动速度不是零，则在27)、28)和29)根据与速度断面图的拟合在假设壁上滑动的情况下以相似方式分别计算体积流速、壁面剪切速度和剪切速度分布。然后，用在24)至26)或在27)至29)计算出的数值在32)计算壁剪切粘度和在33)计算剪切粘度函数(例如其沿横向于流动方向延伸的方向的分布)。
图7以示意图表示出用于确定流动状态的方式。在1)、2)、3)和4)分别从乘幂定律模型、从Herschel-Bulkley模型、从交叉模型或从其它模型出发。由此，在7)又进行边值问题的求解，在9)输出流变数值。
在15)判定根据剪切粘度分布计算出的剪切粘度是否小于一个由用户输入的预先给定的粘度极限值，该粘度极限值通过例如使用旋转流变计、毛细管流变计、任何其它流变计离线和/或在线进行的参考测量来使用。如果剪切粘度小于极限值，则判定存在符合14)的湍流流动状态。如果剪切粘度大于或等于该极限值，则判定存在符合13)的层流流动状态。
在6)使用用于湍流状态的解决方案，该解决方案与用于层流状态的解决方案的区别仅在于其拟合模型，该拟合模型具有类似的形式，但其中为参数例如为流动指数使用不同的值。然后在6)计算“湍流”的流动指数并且在11)使用。
在12)判定流动指数是否低于一个最低极限值。如果流动指数低于最低极限值，则判定存在符合14)的湍流状态。如果流动指数等于或大于最低极限值，则基于对数值SMD、粘度、流动指数和最大速度的估算判定存在符合13)的层流状态或符合14)的湍流状态，在6)使用对于湍流的解决方案。
在10)从假设存在壁上滑动出发。在5)使用考虑了壁上滑动的解决方案。由此在8)得到一个用于壁上滑动的值以及在9)得到其它的流变参数。
在18)从每个速度通道的标准偏差SMD出发。在16)判定SMD是否超出一个最大极限值。如果SMD超过该最大极限值，则在12再判定流动指数是否小于最低极限值。如果是，则存在符合14)的湍流状态。如果不是，则存在符合13)的层流状态。
在19)从正在进行的与未处理的“原”压力信号的第n次拟合的标准偏差SMD出发。在17)判定是否存在压力波动。如果存在压力波动并且对粘度、流动指数和最大速度的评价允许，则判定存在符合14)的湍流状态，在6)使用对于湍流的解决方案。如果不存在压力波动，则判定为层流状态，在7)使用对于层流的解决方案。
总之可以说，基本可以区别以下流动类型带有栓塞的层流(高粘度材料，例如高浓度的悬浊液)无栓塞的层流(流动指数n＞1，即膨胀性或剪切变粗的材料以及流动指数n＜1，即结构粘性或剪切变薄的材料)湍流(低粘度材料，例如低浓度的悬浊液)。
在湍流的横向于管轴线方向的(“平滑处理过”)的全局流动断面图中过滤掉了局域的速度波动，该全局流动断面图可以与高粘度栓塞流动类似地例如通过Herschel-Bulkley模型来描述。
权利要求
1.用于确定流动的流体、特别是悬浊液或乳浊液的流变参数的方法，其中，流体流至少在部分区域内被一个与该流体接触的壁限制，该方法具有以下步骤a)以一个相对于流动方向不同于90°的角度θ向流体流内入射一个由一个超声发射器发射的具有至少一个预先给定的第一频率f1的超声信号；b)在一个超声接收器内接收一个超声信号，该超声信号被流体内在对应流体区域内携带的颗粒反射，具有至少一个反映该对应区域特征的第二频率f2，该频率相对于频率f1偏移了一个对应频移Δf；c)在流体的至少一个接触所述壁的区域内感测局域的壁面剪应力；d)使用所述至少一个第一频率f1和使用所述至少一个第二频率f2计算所述至少一个频移Δf；e)使用超声信号在离开超声发射器的时间点与被超声接收器接收的时间点之间的对应度越时间将对应频移Δf配置给一个对应的流体区域；f)使用对应频移计算携带反射颗粒的对应流体区域的流体速度；g)使用在所述至少一个局域壁区域内感测到的流体壁面剪应力和所计算出的流动流体的该对应局域流体区域的流体速度计算流体的流变参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于发射出的超声信号是一个具有多个不连续的第一频率(f1，f1′，f1″，…)的信号，接收的超声信号是至少一个各具有多个不连续的第二频率(f2，f2′，f2″，…)的第二信号，这些第二频率相对于对应的第一频率(f1，f1′，f1″，…)分别偏移一个反映对应流体区域特征的频移Δf。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于发射出的超声信号是一个具有一个第一频谱(FS1)的信号，接收的超声信号至少一个分别具有一个第二频谱(FS2)的第二信号，该第二频谱相对于第一频谱(FS1)分别偏移一个反映对应流体区域特征的频移Δf。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于发射的超声信号和接收的超声信号分别是脉冲信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于这些脉冲信号分别具有一个恒定的载频。
6.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于发射的超声信号和接收的超声信号分别是连续信号。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于在步骤c)中求出仅一个与壁接触的流体区域内的壁面剪应力。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于入射到流体中的超声信号的发射与反射的超声信号的接收在同一地点进行。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于根据在步骤f)中计算的流体区域的流体速度制成一个横向于流动方向的局域速度断面图。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于根据在步骤f)中计算的局域速度断面图和在步骤c)中求出的在至少一个接触该壁的流体区域内的局域壁面剪应力确定流体的粘度函数(剪切粘度)。
11.根据权利要求1至10之一所述的方法，其特征在于通过一个基于模型的理论速度断面图的迭代拟合将一个合适的模型与一个测得的速度断面图拟合。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于在拟合前对这些测得的速度断面图进行处理。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述处理是对这些测得的速度断面图的时间平均。
14.根据权利要求1至13之一所述的方法，其特征在于由所测得的壁面剪应力和/或由所确定的速度断面图分别确定一个统计波动量，特别是标准偏差，并且与一个预先给定的波动量极限值比较。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于将所述比较用作选出可靠测量数据的基础。
16.根据权利要求1至15之一所述的方法，其特征在于可以通过检查在模型中所使用的边缘条件来选择出合适的模型。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于对边缘条件的检查通过计数在尝试模型拟合时的无结果迭代步骤来进行。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于当超过一个预先给定的迭代步数时，选择一个具有其它参数和/或其它边缘条件的其它模型。
19.根据权利要求1至18之一所述的方法，其特征在于所使用的模型从下列模型组中选择乘幂定律模型Herschel-Bulkley模型交叉模型。
20.根据权利要求1至19之一所述的方法，其特征在于所使用的边缘条件最好从下列边缘条件组中选择壁上的流体速度为零或者说存在附壁壁上的流体速度不为零或者说存在壁上滑动在流体流的一个区域内低于流变极限或者说在流动中有栓塞在流体流的所有区域内不低于流变极限或者说在流动中无栓塞流动状态层流流动状态湍流。
21.根据权利要求1至20之一所述的方法，其特征在于将所确定的流体流变参数的至少一部分与这些参数的以其它方式确定的值相比较。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于确定流变参数的其它方式是在一个旋转流变计中和/或在一个毛细管流变计中测量粘度。
23.根据权利要求14至22之一所述的方法，其特征在于至少对所感测的每个速度通道(＝在速度断面图上的位置)的速度信号局域测量的剪应力信号压力测量点上的局域压力信号确定统计波动量，特别是标准偏差。
24.用于根据权利要求1至23之一所述方法确定流动流体的流变参数的装置，其中，该装置具有至少一个壁区域，它至少在流体边界面的局域区域内接触和限制在该装置内流动的流体；一个超声发射器，用于以一个相对于在该装置内流动的流体的流动方向不同于90°的角度θ入射一个具有至少一个预先给定的频率f1的超声信号；一个超声接收器，用于接收一个具有至少一个频率f2的超声信号，该频率可相对于频率f1偏移一个频移Δf；至少一个剪应力传感器，用于感测流体在至少一个接触所述壁的区域内的壁面剪应力；一个计算和处理单元，用于计算频率差和用于通过使用一个超声信号在发射和接收之间的对应时间差将一个所确定的频率差与一个对应的流体区域相匹配；用于通过使用对应的频移计算对应流体区域的流体速度；并且用于通过使用所感测到的流体壁面剪应力和所计算出的流动流体的对应流体区域的流体速度计算流体的流变参数。
25.根据权利要求24所述的装置，其特征在于该装置只有一个剪应力传感器，该剪应力传感器安置在所述至少一个壁区域内，用于感测至少一个接触该壁的流体区域内的壁面剪应力。
26.根据权利要求24或25所述的装置，其特征在于超声发射器和超声接收器被统一在一个超声发射接收器内。
27.根据权利要求24至26之一所述的装置，其特征在于剪应力传感器、超声发射器和超声接收器或者超声发射接收器安置在所述至少一个壁区域内。
28.根据权利要求24所述的装置，其特征在于该装置具有至少一个第一壁区域和一个第二壁区域，在装置内流动的流体可以分别在它们之间流过，它们至少在部分区域内接触和限制流体边界面。
29.根据权利要求28所述的装置，其特征在于其中，在第一壁区域内安置一个超声发射器，在第二壁区域内安置一个超声接收器。
30.根据权利要求28所述的装置，其特征在于在第一壁区域内安置一个第一超声发射接收器，在第二壁区域内安置一个第二超声发射接收器。
31.根据权利要求18至30之一所述的装置，其特征在于在第一壁区域内安置一个第一超声发射接收器和一个第一剪应力传感器，在第二壁区域内安置一个第二超声发射接收器和一个第二剪应力传感器。
32.根据权利要求24至31之一所述的装置，其特征在于该壁区域是一个管段或通道段的内壁，该段可集成在一个用于输送流体的管道或通道中。
33.根据权利要求26至32之一所述的装置，其特征在于超声发射接收器和剪应力传感器集成在一个紧凑的超声发射接收器/剪应力传感器测量互感器单元中。
34.根据权利要求26至33之一所述的装置，其特征在于该装置具有一个压力传感器。
全文摘要
在本发明方法中使用了超声多普勒方法(UVP)，用于对在一个管道中流动的、携带悬浮或乳化颗粒的流体确定横向于管道的局域速度断面图。此外，在局域速度断面图的区域内局域测量流体的壁面剪应力。根据该局域速度断面图和与它匹配的区域流体壁面剪应力可以确定所研究流体的确定流变参数，例如粘度函数(剪切粘度)、流变极限等。此外，通过一个基于模型的理论速度断面图的迭代拟合将一个合适的模型与一个测得的速度断面图拟合。
文档编号G01N11/04GK1662793SQ03814587
公开日2005年8月31日 申请日期2003年5月19日 优先权日2002年6月21日
发明者鲍里斯·乌里乌, 埃里希·约瑟夫·温德哈伯 申请人:布勒公司
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