獲取流變學特性值的探測器及方法

2023-05-30 22:27:26 1

專利名稱：獲取流變學特性值的探測器及方法
獲取流變學特性值的探測器及方法
相關申請/在先權利要求的交叉引用本申請要求美國臨時申請號61/249，321，申請人於2009年10月7日遞交，其內容
在此合併。
背景技術：
流動學是對於流動物質的一項研究。本發明特別涉及軟固體的流動，該軟固體顯示了類液行為。許多應用能受益於甚至需要物質的流變特性的測量，特別是在這種特性會隨著時間發生變化的情況下。混凝土是一個很好的例子，一旦混合後，混凝土通常會在一個攪拌機內不斷攪拌混合以在凝固前延長其壽命，攪拌機通常安裝在卡車上。然而，即使攪拌機延長了混凝土 的壽命，這並不能使它無限延續下去，混凝土在混合器內的流變學特性，例如粘性和屈服(yield)等可以隨著時間而改變。因為這個原因，在具體應用前，坍落度試驗(slump test)這樣一個普遍的測試方法常被用來監控「可使用性」。坍落度測試包括從攪拌機內取出混凝土，將其放置在一個定高的切去頂端的圓錐體內，拿掉圓錐體，等待混凝土穩定，然後測量混凝土坍落的距離。在食品工業中給出另一個例子，有些流變特性會在烹飪或其他化學反應中改變，測量流變特性能夠使得在烹飪過程中在已經完成某一步之時提供一個標記。有許多現代化的獲得流變性質的方法，但是每一個都有諸多限制。這將為發展提供空間。

發明內容
考慮到一個方面，提供一獨立標準的工具，該工具可以被當作一個探測器，它既具有檢測由於待表徵物質施加的移動(movement)或壓強(pressure)所對應的阻抗的方法，也具有檢測探測器相關物質的移動速度的方法，從中可以計算出流變性質例如屈服以及粘度，可以提供一個重大的改進，特別是當用在例如一個旋轉的容器的壁時，其與外部單元的通信產生了挑戰。因此，根據本發明的一個方面，提供一種流變學探測設備(unit)，用於圍繞自身軸旋轉並且內部含有具有流變性質的物質的圓柱形容器內，該流變學探測器設備包括一能夠安裝在圓柱形容器壁上的底部；一阻抗元件(resistance member),當所述底部被安裝在所述圓柱形容器上時，所述阻抗元件沿著徑向從所述底部延伸，並且當所述阻抗元件由於所述圓柱形容器的旋轉而被浸沒並且在其中移動之時，流變學的物質在所述阻抗元件之上施加一個壓阻(resistance pressure);一力傳感器,其適合於在給定的時間點提供力值指示壓阻；一速度傳感器，其適合於提供速度值指示速度，當所述阻抗元件在給定時間點移動至所述物質，在低速範圍和高速範圍時；一電源；以及一發射器。考慮到另一方面，測量由待表徵物質施加的移動的阻力，其造成獨特的問題，留待解決。因此，考慮到本發明的另一方面，提供一種流變學探測器，用於獲得物質的至少一個值指示流變學性質，所述流變學探測器浸入在所述物質內，並且相對所述物質橫向移動，流變學探測器設備包括一底部；一內部元件，所述內部元件固定連接所述底部並延伸遠離所述底部，所述內部元件依次(in succession)具有靠近所述底部的基部、一遠離所述底部的形變部分，以及一頂端；一外殼部件從所述頂端向下沿著所述所述形變部分以及基部延伸覆蓋所述內部元件，當受到由所述流變學物質內的相對移動施加的壓阻(resistancepressure)時,所述外殼部件繞一根延伸穿過所述基部的軸轉動,並且所述外殼部件與所述頂端連接以傳遞由於壓阻造成的力，並且因此使得形變部件彈性地變形；以及一個形變傳感器，其安裝在所述形變部分上，用於提供一個壓阻指示的值。因此，考慮到本發明的另一方面，提供一種探測器，用於確定容器內容納的流體的至少一個流變學特性，所述探測器包括一具有測壓元件的內部元件；一外部元件，適合於與所述流體接觸放置，所述外部元件受到所述流體施加的壓強並且適合於傳遞所述壓強造成的力至所述內部元件，並且因此使測壓元件變形，所述測壓元件由此提供值指示所述形變；一連接所述內部元件的底部，通過所述外部元件和所述底部防止所述測壓元件與所述流體接觸；至少一個位置傳感器，用於提供所述探測器的位置指示；一電子模塊，與所述測 壓元件以及所述至少一個位置傳感器電子通訊，所述電子模塊具有一處理單元，用於基於所述位置的指示確定探測器的速度值，並且基於所述探測器的速度值以及從測壓元件獲得的形變值來確定所述流體的至少一個流變學特性；其中，當所述探測器在容器內的流體內被轉移時，不需要從容器內取出流體的樣品在外部分析，流體的所述至少一個流變學特性被確定。考慮到本發明的另一方面，提供一種確定容器內容納的流體的至少一個流變學特性的方法，所述方法包括利用至少一個位置傳感器提供所述探測器的位置值的指示；感測探測器上流體施加的力造成探測器的外部元件的形變，並提供所述形變的值的指示；利用所述形變的所述值，確定當接觸到所述容器內的所述流體時施加到所述探測器的力的值；利用所述確定的位置值確定所述探測器的速度值；以及基於所述探測器的速度值以及施加到所述探測器的力的值確定流體的至少一個流變學特性；其中，當所述探測器在容器內的流體內被轉移時，不需要從容器內取出流體的樣品在外部分析，確定流體的所述至少一個流變學特性。考慮到本發明的另一個方面，提供一種探測器，其適合於隨攪拌器移動，用於確定流體的至少一個流變學特性，所述探測器包括一外部元件，當受到流體施加的力時會產生形變，所述外部元件包括一內部元件連接至底部，用於承載(holding) —測壓元件以適應變形；一測壓元件包括一與內部元件連接的第一端，以及一與外部元件連接的第二端，用於感測流體施加在外部元件上的力，並且受該力發生形變，以及確定一力的值，所述測壓元件的形變與所述外部元件的形變成正比；以及一底部，其連接至所述外部元件以及內部元件，所述底部適合於安裝在攪拌器的內壁上，所述底部包括一電子模塊，其與測壓元件電子通信，所述電子模塊具有至少一個位置傳感器，該位置傳感器設置在一個軸上，該軸與攪拌器向量徑(radius vector)平行，以確定探測器的位置值，以及一處理單元用於確定探測器的速度值，並且當探測器在攪拌器內運作時，不需要從攪拌器內取出流體的樣品在外部分析，處理單元基於所述探測器的速度值以及測壓元件獲得的力的值確定流體的至少一個流變學特性；所述處理單元同步所述流體施加到外部元件上的力以及位置值以確定速度值。
考慮到本發明的另一個方面，提供一種探測器，適合於隨攪拌器移動，用於確定流體的至少一個流變學特性，所述探測器包括一外部元件，當受到流體施加的力時會產生形變，所述外部元件包括一內部元件連接至底部，用於承載一測壓元件以適應變形；一測壓元件包括一與內部元件連接的第一端，以及一與外部元件連接的第二端，用於感測流體施加在外部元件上的力，並且受該力發生形變，以及確定一力的值，所述測壓元件的形變與所述外部元件的形變成正比；以及一底部，其連接至所述外部元件以及內部元件，所述底部適合於安裝在攪拌器的內壁上，所述底部包括一電子模塊，其與測壓元件電子通信，所述電子模塊具有至少一個加速計確定探測器的位置值，以及一處理單元用於確定探測器的速度值，當探測器在攪拌器內運作時，不需要從攪拌器內取出流體的樣品在外部分析，處理單元基於所述探測器的速度值以及測壓元件獲得的力的值確定流體的至少一個流變學特性。考慮到本發明的另一個方面，提供一種用於確定攪拌器內流體的至少一個流變學性質的方法，所述方法包括利用至少一個加速計確定一個探測器的位置值；偵測由於流體施加在探測器上的力造成的探測器的外部元件的形變；確定當探測器在攪拌器內運作 時，施加到其之上的力值；利用所確定的位置值確定探測器隨攪拌器運動的速度值；以及，不需要從攪拌器內取出流體的樣品在外部分析，基於所述探測器的速度值以及當所述探測器在攪拌器內運作時施加到所述探測器的力的值確定流體的至少一個流變學特性。


本發明的特點和優勢將由以下描述結合附圖來進一步說明，其中圖I是攪拌卡車的側視圖；圖2是圖I中攪拌器在線2-2截面的橫截面，作為探測器的例子；圖3是圖2的探測器的縱向橫截面圖；圖4是圖2的探測器的結構示意圖；圖5是向量的原理圖，該向量用於根據一個實施例來測定一個探測器的速度值；圖6A和6B是校準數據的圖表；圖7是圖2所示的探測器在操作過程中的速度值相對壓強(pressure)的圖表；圖8是根據一個實施例的方法的流程圖；圖9是另一個探測器示例的部分截面示意圖；圖10是探測器另一個實例的結構示意圖。請注意，本發明的所有附圖中，所對應的元件都由對應的數字所標記。
具體實施例方式如圖I所示，其中提供了一個可能的探測器的例子，其用於獲得攪拌卡車的攪拌器2內的混凝土流變特性。圖I顯示卡車的側視圖，並示意性示出攪拌器2內的探測器10，其用於獲得流變性質信息。其能夠進一步獲得例如混合速度和方向、流體流動性、流體溫度的信息，這將會進一步在後文中詳細解釋。由於在攪拌容器內引入有線連接(wiredconnection)具有困難，因此探測器通過無線連接將數據傳送給接收機3，並且探測器能夠自供電。在攪拌卡車內，攪拌器的旋轉軸6相對垂直傾斜較大。根據該實施例，混凝土將作為參考，該混凝土是作為被流變學表徵的物質；但是，探測器能夠被用於另一個不同於攪拌器2的容器或接收器，無論是轉動還是不轉動的，其能夠包含其他展示出流變性質(例如食品製造業的液體，油漆工業，石油工業等)的物質。相似的攪拌器並非必須提供在卡車上，其他形式的攪拌器中也可以使用。例如，攪拌器可以是一個工業攪拌器，一個包括高剪切攪拌器(high shear mixers)的混合系統,液體連續攪拌機(in-line mixer),或攪拌機(agitator)。參照圖2，顯示了一個探測器10的具體實例。在這個例子中，探測器10具有一個底部11，其被貼置在攪拌器2的內壁上。例如在攪拌卡車內，探測器10可以放置在混合器2的檢查門上，底部可以有一個可開啟的露在容器外面的末端，用於操作例如維護。在使用中，探測器10可以在攪拌器2內部以箭頭5所示的方向旋轉，或者以相反的方向旋轉，這取決於攪拌器是在例如攪拌還是在卸貨。在兩種情況下，由於地球引力和其自身的粘性，混凝土始終保持在混合器底部。因此探測器10在每次旋轉和移動中都浸入混凝土內。混凝土施加了與探測器10運動方向相反的如圖示箭頭方向的壓阻。探測器10隨後能夠直接測量參數，例如探測器的位置，力(或者由探測器上物質所施加的壓阻)，溫度等等。接著，探測器10能夠利用這些參數去確定速度，然後再根據這些例如速度和力的值來獲得流體性質的信 息(indication)例如粘性,屈服(yield),以及內聚力等信息。可以由任何適當的能夠應對潛在苛刻環境的材料來製作探測器10。在另一個實施例，例如，接收器(recipient)可以被固定並且一個探測器可以手動移動，通過在容器上面提供一個軌道(rail)或者其他移動部件，這個移動部件能夠用作可控選擇地在對應速度下轉移探測器。請參考圖3，是一個探測器10的縱向橫截面圖。底部11包括板，可以適合於安裝在攪拌器2的壁上，從攪拌器的內部或外部，例如利用在板和/或攪拌器的壁上鑿孔。底部11垂直延伸進入混合器2並且提供一個空腔12，該空腔12能夠容納並保護電子模塊18，電源19以及一個發射機20。該發射機20能夠從探測器10中傳輸數據至接收器3。電子模塊18能夠通過例如可替換的或可充電的電池供電。在一個實施例中，電子模塊18能夠通過各種運算法則來減少其電能需求，因此能夠維持例如關閉在傳輸過程中的無線電傳輸器，當攪拌器2不旋轉時減少其處理速度等等。在另一個實施例中，電池可以是充電電池，結合有一個或多個電壓源例如太陽電池板，或者感應電圈以進一步減少維護。探測器10包括內部元件15，其與底部11連接並延伸入混合器2。通過螺栓或螺絲釘，內部元件15與底部連接。內部元件15也可以附屬於底部11並且通過封條17保持在合適位置。探測器10包括外部元件13,其接收來自物質的壓阻(resistance pressure)。外部元件13包括內部空腔，其允許外部元件13覆蓋測壓元件14以及底部11的內部元件15。外部元件13由鉸鏈16貼置於底部11上。鉸鏈16將外部元件13和底部11保持在適當位置，並且允許當探測器10在攪拌器2中運作時，外部元件13的頂部能從左至右輕微的移動。通過連接44,(在這個情況下,為一橋臺(abutment)連接,籍由橋臺相對(against)螺栓一端)，由於物質施加壓強導致的外部元件的移動被傳輸至內部元件的形變部分。形變部分43 (在這個情況下是一個金屬板)的變形會被所使用的測壓元件14感測到，其例如可包括一個或多個變形測量器42。頂蓋45被放置在外部元件13的一端上。
在一個實施例中，外部元件13，內部元件15和底部11可以為圓柱體。然而，應該被理解為，外部元件13，以及底部11能夠可選擇的為一個矩形的，六角形的，卵形的，或任何其他形狀。可以被理解的是，這些與混合物相關聯元件的形狀將會影響探測器10在混合物中的阻抗(resistance)。在另一個實施例中，內部元件15能夠有矩形的，六角形的，卵形的，或任何其他形狀。可以被理解的是，內部元件的形狀不會影響到探測器的操作。阻抗元件的高度，或者更具體來說為在上述實施例中的外殼，能夠被選擇的作為物質性質的一項功能進行表徵。特別的，軟固體在特定的範圍(characteristic scale)內，具有相對的均一'I"生，其能夠達到在物質中可預期的最大集料(aggregates)。以混凝土為例，特定的範圍為分米數量級。因此，阻抗元件的長度或高度將被選擇為在這個數量級以內，然而在一個替換的用於分析其他物質的實施例中，具有不同特定的範圍，阻抗元件的長度和高度能夠適合於一個特定的範圍的功能。
在一個特別的實施例中，為了提供一個真實的全面的描述，探測器可以為例如總高為40釐米(或4分米)，在這個情況下，外部元件可以為30釐米(或3分米)，並具有一個3. 5釐米半徑，底部11具有一個4. 5釐米外部半徑，目的是給出一個全面的示例。一個影響施加到外部元件或外殼的壓強總值的特徵為其表面積。因此，例如，一個可選擇的實施例中，阻抗元件是較寬的，則可選擇的，其可以更短。當被用在攪拌器2中，底部能夠與約6cm的板一起貼合在攪拌器2的內壁上。請參見圖4，這是本發明探測器10的電子模塊18 —實例的示意圖。在這個實施例中，電子模塊18包括一個電放大器61。變形測量器42上電壓的變化在幾個毫伏數量級內，因此在其被使用之前其需要由放大器61來放大。電放大器61放大了由變形測量器42感測到的電壓變化。接著，通過處理單元62處理電壓變化，以獲得一個壓強(pressure)或力(force)的信息，該壓強或壓強最初通過流體被應用在外部元件13上。處理單元62包括一個運算法則的指令63。由處理單元62執行指令並測定流體的流變數據。處理單元62包括軟體和硬體部分以執行不同的運算法則以處理由探測器10測得的參數。電子模塊18可以包括多個傳感器，例如位置傳感器和溫度傳感器。圖4示意了一個位置傳感器65以及一個溫度傳感器64。探測器可以具有存儲器例如一個低速存儲器67，一個高速存儲器68用於存儲由探測器10上的多個傳感器的測量結果。溫度傳感器64感測探測器10的內部溫度。當探測器10在流體內移動時，在穩定延遲之後，探測器10的內部溫度穩定在流體溫度。因此，溫度傳感器64測量流體溫度。探測器10可以使用一個負溫度係數(NTC)電阻器，其也被稱為電熱調節器。在另一個實施例中，其他形式的傳感器也可以被使用，例如電阻溫度探測器(RTDs)，半導體溫度傳感器等
坐寸ο可以將流體溫度用作計量配料裝置上的質量產品控制信息。例如，在一個實施例中，在一個特定溫度下，冰可以被添加以用於維持在混凝土攪拌卡車內的混凝土。在這種情況下，溫度傳感器64被用於反饋混凝土的溫度。溫度傳感器能夠不斷的測量並且提供混凝土的溫度以確定需要添加至混凝土攪拌器的冰塊的量。位置傳感器65包括例如微電子機械系統(MEMS)加速計。該加速計可以被放置在例如攪拌器軸的軸向位置，因此其受到向心加速度和地球重力加速度的影響以獲得角坐標的信號指示。在這個實施例中，處理單元62將計時器或定時器與角坐標讀取結合以確定探測器的旋轉速度。當探測器10工作的時候並且在其旋轉至攪拌器2中的混合物的最深處時，處理單元62將測壓元件的讀取以及角坐標傳感器同步以系統地解釋探測器10的測量結果。獲取攪拌器2旋轉最深處的測量值確保了當獲取數據時探測器位於混合物內。使用加速計能夠使其確定最深處。可選擇的，通過不斷地測量施加在外部元件13上的力，處理單元62可以確定探測器10處於混合物內。當壓強實質增加時，這意味著探測器10位於流體內，並且當壓強實質下降時，這意味著探測器在混合物之外。因此，由於噪聲一般來說是恆定的，所以能夠比較容易地從壓強信號中去除噪聲成分。這樣能夠允許確定流體等級，以及，通過計算，攪拌器中的流體量。值得關注的，不需要位置傳感器也能簡單測得一個大致的轉速，這是通過有效地 計算兩個後來的實質增長或降低之間的延遲，這提供了一個圓筒(drum)轉一周所需要的時間的信息(indication)。如果關於探測器的路徑的信息能夠被獲得(特別地連結至卡車的直徑)，路徑的長度可以與時間相除，以提供一個大致的平均速度近似值。如果需要的話，這樣的通過處理單元的處理可由此組成一個速度傳感器，其能夠代替位置數據的計算。另外，在探測器進入或離開物質的時候，通過探測例如力值的突然增加或突然降低，獲取位置信息能夠使得容器的幾何學可被獲得以計算一個容器內物質的體積值的信肩、O相似的，能夠確定探測器10是否在混合物內，例如，通過溫度傳感器探測溫度。當溫度實質上升時，探測器10被確定是存在於混合物內，當溫度實質下降時，探測器10被確定為離開流體或反之亦然，取決於被混合流體的特性。通過使用力值或溫度值，處理單元62能夠確定探測器是否在流體內，而不需要知道攪拌器2內混合物的量，並且該確定信息因此不依賴於攪拌器2內混合物的量。可選擇的，如果使用一個位置傳感器，探測器進入和離開的位置的鑑別與攪拌器內混凝土的體積有關。在一個實施例內，任何能夠產生探測器10的位置參考的信號指示的傳感器都可以被使用，例如一個加速計，一個感應非接觸位置傳感器，一個弦線電位計，一個線性可變差接變壓器，一個電位計，一個電容傳感器，一個渦流傳感器，一個霍耳效應傳感器，一個光柵傳感器，一個旋轉編碼器，一個震動位移傳感器模塊，一個壓電式換能器，一個光點二極
管陣列等等。於是處理單元62能夠使用一個內部計時器以測量每個已知位置相遇間隔的時間流逝。速度可以被確定，並且在任何的給定時間的攪拌器2的絕對位置可以被插入(interpolated)。在另外的實施例中，一個磁性傳感器可以用於作為參考。在這個情況下，一個磁鐵(或多個磁鐵)被貼置在卡車車架的一個已知位置。當探測器10移動到靠近磁鐵時，在探測器10內磁性傳感器將探測。在可選擇的實施例中，一個反射光傳感器能夠被使用。在這個實施例中，一個反射表面被貼置在卡車車架上，探測器上備有一個光發射器和接收器。當探測器10移動至靠近反射表面時，發射光被反射至光接收器並且可以確定探測器的位置。在另一個實施例中，一個傳感器球被限制在一個圓柱體內，該圓柱體具有第一和第二端。圓柱體可以含有液體和氣體，該傳感器球在其中移動。每次傳感器球從圓柱體的第一端移動至第二端時(反之亦然)，可推斷(deduct)探測器位於一個確定的方向。一旦球從一處返回至該處，這表示攪拌器2完成了一次完整的旋轉。處理單元62也能夠使用計時器來測量每次旋轉間隔的時間流逝，並且因此能夠確定探測器10的速度。給出一些實例。請參見圖5，是根據一個實施例確定探測器10的速度值的加速計的向量示意圖。在圖4中，使用了兩個MEMS加速計70，72，但是被理解的是，也可以使用兩個以上的MEMS來確定探測器的速度值。加速計70，72的讀取特別地是加速計70，72的方向向量(orientation vector)以及總的加速度向量的向量點積。例如，在圖4中，加速計70指向X軸方向，同時加速計指向y軸方向。每個加速計方向向量有一個單位長度，重力加速度被定義為IG(其中G是重力加速度)。加速計將響應地心引力和其他任何加速度例如向心加速度和直線加速度。在一個實施例中，單個加速計可以充分確定探測器相對於底面的角度，但是角度 的標記未知。在這種情況下，可能需要知道探測器10位於攪拌器2的底部以測量流體，但是旋轉的方向將未知。然而，使用相互夾角為90°的加速計70，72能夠提供旋轉的方向。更具體的，第二加速計(朝向圓周的)能夠提供該信息並以此用於確定攪拌器的旋轉方向，如果需要的話。在工業攪拌器的旋轉軸可以實質垂直的情況下，單個加速計可以用於提供速度。事實上，加速度的數學積分可以提供探測器的速度和方向上的改變。現在詳細解釋可效仿的利用加速計的計算，如下加速計標記X在一徑向方向(指向遠離攪拌器圓周的方向)，加速計標記y是另外一個切線方向。假設一個恆定的旋轉速度，唯一包括的加速度是重力加速度(定義間=I以及向心加速度。由加速計提供的X和y模擬量讀取可以由下述表示
Zr—* "NX = X- g + — = X- g+x- — = X- g(I)
V G)GJ = + = j-g+J·-^-(2)其中x =加速計的位置，
X =是加速計的向量，y =加速計的位置，
J =加速計的方向向量，G =重力加速度，
i =重力加速度的向量，

ac =向心加速度的向量。由於f垂直於毛,加速計在X位置不受向心位置的影響。公式⑴和(2)能夠寫成角Θ X = |i|||cos〔6*+=-sin(6*)(3)j = |j}_cos((9)+|j；|l^icos((9) = cos((9) + y·(4)
GG在公式(3)和(4)內，只有當I毛I已知時，角Θ能夠被推導出，但是這個值取決於角轉速以及混合器半徑。這些值還未知。然而，如果假定|毛| <G，那麼當χ = ο，θ =0 或η。在這個情況下3； = ±l + tJ = ±l +足(5)
G
r
^- = K= I I^y >0 (6)
Λ
,J+1,當 J<0因此,當同=0，由向心加速度引起的補償(offset)可在最小值測定,每次旋轉時兩次。這可以簡單地被軟體通過監控X的標記變化。在6 = |或￥時能夠得出一個相似的運算法則，但是這將意味著當@ = I時，當任意噪聲或補償出現在信號內時，探測變得困難了。轉速能夠被計算，在角符號ω以rad/sec的形式，或者每分鐘旋轉(RPM)的形式，通過監視每次旋轉間所需時間(當Θ等於O以及核對之前/之後的值以確定旋轉方向)，
或者通過不斷得計算^ =~^~。
Ot從公式I至6以及常數K，獲得一個攪拌器2的半徑r公式是可能的[ = K(7)
GGWr =(8)
V ω 通過公式8，攪拌器2的半徑r能夠推導出，並且能獲得探測器10中心處的線速度
Vor'= r-i(9)V = cor' (10)其中I =探測器的長度的米數。
例如，下列參數可以通過公式7-10被確定攪拌器瞬時位置，每分鐘旋轉速度(rpm)，攪拌器旋轉方向(攪拌或卸貨)，攪拌器尺寸，其可以通過向心加速度和角速度，探測器線速度等被確定。如前所述，測壓元件14測定施加到外部元件13的力。對於一個給定的流體混合物，一般力隨速度直線上升。因為總力取決於外部元件尺寸以及形狀，所以優選測定施加到流體的平均壓強。為了避免得到一個依賴攪拌器尺寸的結果，探測器線速度被使用了。於是，探測器10應用在流體上的參數能夠通過在壓強P和線速度V之間的比例關係來確定。電子模塊18同時獲得線速度V和壓強。測壓元件14提供一個與力成比例的讀數。校準測壓元件10的公式提供了一個等價的壓強P，該壓強P的獲得將會在稍後描述。單個力F的轉矩T應用在旋轉軸的距離d為T = Fd(Il)當力是由壓強產生的，對於一個小區域，力F能夠從dF = P dA中被推導。然後求積分dF = P dA,轉矩T能夠通過有限平面上的壓強，以及有效的寬度W和長度L來確定
權利要求
1.一種流變學探測設備(unit)，用於圍繞自身軸旋轉並且內部含有具有流變性質的物質的圓柱形容器內，該流變學探測器設備包括 一能夠安裝在圓柱形容器壁上的底部； 一阻抗元件，當所述底部被安裝在所述圓柱形容器上時，所述阻抗元件沿著徑向從所述底部延伸，並且當所述阻抗元件由於所述圓柱形容器的旋轉而被浸沒並且在流變學的物質中移動之時，流變學的物質在所述阻抗元件之上施加一個壓阻(resistancepressure)； 一力傳感器，其適合於在給定的時間點提供力值指示壓阻； 一速度傳感器，其適合於提供速度值指示速度，當所述阻抗元件在給定時間點移動至所述物質，在低速範圍和高速範圍時； 一電源；以及 一發射器。
2.如權利要求I所述的流變學探測器設備，其進一步包括一由所述電源供電的流變學值計算器，其適合於獲得計算值指示所述物質的至少一個所述流變性質，通過如下的至少一個 在對應於給定時間點的低速範圍內的力值和速度值； 在對應於給定時間點的高速範圍內的力值和速度值。
3.如權利要求2所述的流變學探測器設備，其中，所述發射器與流變學值計算器連接以發射對應於所述計算值的數據。
4.如權利要求I所述的流變學探測器設備，其中，所述速度傳感器包括一位置傳感器，該位置傳感器提供一位置值指示探測器圍繞軸線的位置，以及一速度計算器，該速度計算器適合於基於位置值隨時間的變化而計算速度值。
5.如權利要求4所述的流變學探測器設備，其中，所述軸線相對垂直方向傾斜，其中，所述位置傳感器包括一個朝向所述軸線的加速計。
6.如權利要求I所述的流變學探測器設備，包括一存儲模塊，用於存儲距離值，該距離值對應於在每次旋轉期間流變學探測器運動的平均距離；以及一定時器以獲得一個時間值，該時間值對應於力值的連續迅速增加之間所消耗的時間，其對應於阻抗元件連續進入物質內；其中所述速度傳感器通過利用距離值除以時間值以計算速度值。
7.如權利要求I所述的流變學探測器設備，進一步包括一個溫度傳感器，其適合於提供溫度值指示的物質的溫度，其中，所述發射器和溫度傳感器連接以發射對應溫度值的數據。
8.如權利要求I所述的流變學探測器設備，其中，所述容器是一個水泥卡車的圓桶，所述流變學性質包括粘度和屈服(yield)。
9.一種流變學探測器，用於獲得至少一個值指示物質的流變學性質，所述流變學探測器浸入在所述物質內，並且相對所述物質橫向移動，流變學探測器設備包括 一底部； 一內部元件，所述內部元件固定連接所述底部並延伸遠離所述底部，所述內部元件依次具有靠近所述底部的基部、一遠離所述底部的形變部分，以及一頂端； 一外殼部件從所述頂端向下沿著形變部分和基部延伸覆蓋所述內部元件，當受到由所述流變學物質內的相對移動所施加的壓阻時，所述外殼部件繞一根延伸穿過所述基部的軸轉動，並且所述外殼部件與所述頂端連接以傳遞由於壓阻造成的力，並且因此使得形變部分彈性地變形；以及 一個形變傳感器，其安裝在所述形變部分上，用於提供一個值指示的壓阻。
10.如權利要求9所述的流變學探測器，其中所述基部足夠剛硬以經受住一般操作時的力並且只有可忽略的形變，進一步包括一個在形變部分與內部元件的基部間的一橋臺(abutment),所述橋臺從所述形變部分橫向伸出進入橋臺範圍隨外殼部件,並且因此在所述形變部分到達預定的最大彈性變形之前，所述橋臺停止繞軸旋轉。
11.如權利要求9所述的流變學探測器，其中所述外殼部件通過緊密接觸一位於所述內部元件的基部周圍的彈性襯套能繞軸轉動。
12.如權利要求9所述的流變學探測器，其中所述內部元件的形狀是一伸長杆，其具有一個下半部和上半部，所述形變部分是所述上半部。
13.如權利要求9所述的流變學探測器，其中所述形變傳感器包括至少一個測壓元件。
14.如權利要求13所述的流變學探測器，其中所述底部為中空的，包括一電子模塊，所述內部元件為中空的，進一步包括一穿過所述中空的內部元件並且將測壓元件和電子模塊連接的電子接線。
15.如權利要求10所述的流變學探測器，其中所述最大彈性形變為毫米數量級。
16.如權利要求12所述的流變學探測器，其中下半部和上半部的長度為分米數量級。
17.一種探測器，用於確定容器內容納的流體的至少一個流變學特性，所述探測器包括 一具有測壓元件的內部元件； 一外部元件，適合於與所述流體接觸放置，所述外部元件受到所述流體施加的壓強並且適合於傳遞所述壓強造成的力至所述內部元件，並且因此使測壓元件變形，所述測壓元件由此提供一值指示所述形變； 一連接所述內部元件的底部，通過所述外部元件和所述底部防止所述測壓元件與所述流體接觸； 至少一個位置傳感器，用於提供所述探測器的位置指示； 一電子模塊，與所述測壓元件以及所述至少一個位置傳感器電子通信，所述電子模塊具有一處理單元，用於基於所述位置的指示確定探測器的速度，並且基於所述探測器的速度值以及從測壓元件獲得的形變值來確定所述流體的至少一個流變學特性； 其中，當所述探測器在容器內的流體內被轉移時，不需要從容器內取出流體的樣品在外部分析，流體的所述至少一個流變學特性被確定。
18.如權利要求17所述的探測器，其中所述探測器適合於隨著旋轉攪拌器運動，所述底部適合於安裝在所述攪拌器的壁上，所述旋轉攪拌器具有一非垂直的旋轉軸，在所述旋轉攪拌器旋轉期間，所述外部元件周期地與所述流體接觸，其中，當所述探測器在所述旋轉的攪拌器內運作時，所述流體的至少一個流變學特性被確定。
19.如權利要求17或18所述的探測器，其中，所述處理單元利用所述位置的指示和所述力的值以確定所述探測器的速度值。
20.如權利要求17至19任一項所述的探測器，其中，所述至少一個位置傳感器具有一加速計。
21.如權利要求20所述的探測器，其中所述處理單元基於所述探測器的重力加速度和向心加速度確定速度。
22.如權利要求17至21任一項所述的探測器，其中，所述至少一個流變學特性是粘性和屈服中的一個。
23.一種確定容器內容納的流體的至少一個流變學特性的方法，所述方法包括 利用至少一個位置傳感器提供所述探測器的位置值的指示； 感測探測器上流體施加的力造成探測器的外部元件的形變，並提供所述形變的值的指示； 利用所述形變的所述值，確定當接觸到所述容器內的所述流體時施加到所述探測器的力的值； 利用所述確定的位置值確定所述探測器的速度值；以及 基於所述探測器的速度值以及施加到所述探測器的力的值確定流體的至少一個流變學特性； 其中，當所述探測器在容器內的流體內被轉移時，不需要從容器內取出流體的樣品在外部分析，確定流體的所述至少一個流變學特性。
全文摘要
探測器可以包括一個底部和一個阻抗元件，該阻抗元件從底部延伸，並且，當阻抗元件被流變學物質浸沒並且在其中運動時，該流變學物質施加一阻力在阻抗元件上。利用在低速範圍和高速範圍內的阻力的指示值，獲得流變學特性。
文檔編號B28C5/42GK102713560SQ201080045325
公開日2012年10月3日 申請日期2010年10月7日 優先權日2009年10月7日
發明者丹尼斯·博普雷, 弗雷德裡克·沙普德萊納, 熱羅姆·沙普德萊納 申請人:Ibb流變學有限公司