流測量設備和方法
2023-10-08 10:24:24
流測量設備和方法
【專利摘要】本發明涉及包括毛細管設備和非線性響應設備的流體測量設備。毛細管設備通常具有這樣的流通道，所述流通道包括具有收縮區的上遊側道和下遊側道的收縮區，所述側道均包括壓力傳感器，所述壓力傳感器被布置為確定收縮區的壓降，毛細管設備的流通道的幾何形狀適合於通過流體中的線性效應提供流響應，其中最小的響應來自於流體中的非線性效應。非線性響應設備通常具有與毛細管設備的流通道相連接的流通道，非線性響應設備的流通道包括被布置為確定流通道的至少一部分上的壓降的側道，其中非線性響應設備的流通道的幾何形狀適用於提供通過流體中的非線性效應主要驅動的流響應。
【專利說明】流測量設備和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及包括毛細管設備和非線性響應設備的流體測量設備。毛細管設備通常具有這樣的流通道，所述流通道包括具有收縮區的上遊側道(Sidelet)和下遊側道的收縮區，所述側道均包括壓力傳感器，所述壓力傳感器被布置為確定收縮區的壓降，毛細管設備的流通道的幾何形狀適合於通過流體中的線性效應提供流響應，其中最小的響應來自於流體中的非線性效應。非線性響應設備通常具有與毛細管設備的流通道相連接的流通道，非線性響應設備的流通道包括被布置為確定流通道的至少一部分上的壓降的側道，其中非線性響應設備的流通道的幾何形狀適用於提供通過流體中的非線性效應主要驅動的流響應。
[0002]本發明還涉及利用根據本發明的設備的方法。
【背景技術】
[0003]參考如下文獻:W02009/061943A9，2009年 5 月 14 日公布，題為「Micro Rheometerfor measuring flow viscosity and elasticity for micro sample volumes」；以及Helen L.Bandey 等人(Helen 等人)，Blood rheological characterization using thethickness-shear mode resonator, Biosensors and Bioelectronicsl9, 1657 (2004)。
[0004]材料選擇
[0005]在W02009/061943A9中描述的設備涉及Au (金)電極，並且因此其對高溫非常敏感。在W02009/061943A9中公開的設備被明確描述為是使用淨室技術(clean-roomtechniques)製造的,該技術涉及較小的腐蝕和耐熱金屬。
[0006]抗改變工作條件的魯棒性和移動性
[0007]儘管在W02009/061943A9和Helen等人的文獻中表徵的流體均涉及小的微通道，但在W02009/061943A9和Helen等人的文獻中描述的這兩個設備無法被實現在與本發明所述的設備相同尺寸和重量的移動手持設備中，這是因為這兩者均依賴於產生固定精確體積-流速的泵。在當前的現有技術中，這樣的泵必須是注射泵，其超過了如上所述的本發明的設備的體積和重量的10倍。
[0008]其他缺陷
[0009]在W02009/061943A9和Helen等人的文獻中公開的設備和方法還存在這樣的缺陷:效率低、難於製造並且對外部的影響敏感。
【發明內容】
[0010]因此，用於確定流體的一個或多個屬性的改進的設備和方法將是有益的，並且特別是更有效和/或可靠的設備和方法將是有益的。
[0011]本發明的另一個目的在於提供對現有技術的替代。
[0012]具體而言，已經看到本發明的一個目的在於提供可以解決如上所述的現有技術中的問題的設備和方法。
[0013]因此，通過提供優選包括在這裡被稱為毛細管設備的第一設備和在這裡被稱為非線性響應設備的第二設備的流體測量設備，意在在本發明的第一方面中實現上述目的和多個其他目的，其中
[0014]-毛細管設備具有這樣的流通道，所述流通道包括具有收縮區的上遊側道和下遊側道的收縮區，所述側道均包括壓力傳感器，所述壓力傳感器被布置為確定收縮區上的壓降，毛細管設備的流通道的幾何形狀適合於通過流體中的線性效應提供流響應，其中最小的響應來自於流體中的非線性效應，
[0015]-非線性響應設備具有與毛細管設備的流通道(優選直接)相連接的流通道，非線性響應設備的流通道包括被布置為確定流通道的至少一部分上的壓降的側道，其中非線性響應設備的流通道的幾何形狀適用於提供通過流體中的非線性效應主要驅動的流響應。
[0016]優選地，根據本發明的流測量設備可以包括毛細管設備和非線性響應設備，其中
[0017]-所述毛細管設備包括流通道和兩個側道，所述流通道用於確定通過所述通道的容積流量，所述兩個側道均包括在所述側道的遠端處布置的壓力傳感器，所述側道被布置在所述毛細管設備中以確定流通道的至少一部分上的壓降，所述毛細管設備的流通道的幾何形狀適用於通過流體中的線性效應提供流響應，其中最小響應來自於所述流體中的非線性效應，
[0018]-所述非線性響應設備包括與所述毛細管設備的流通道直接連接的流通道，所述非線性響應設備的流通道是曲線通道，並且包括側道，所述側道均包括在所述側道的遠端處布置的壓力傳感器，所述側道被布置為確定所述流通道的至少一部分上的壓降，所述曲線通道包括:
[0019]〇兩個相對的曲線壁部分，至少通過所述流通道的一部分非對稱地延伸到彼此，其中
[0020].所述相對的曲線壁部分之一(Sb)限定所述流通道中的凸部，
`[0021]以便將流體偏轉提供到流型中，所述流型具有從所述流通道的入口到出口的彎曲流線，所述流通道在所述凸部處的流區域中的剪切率增加，
[0022]〇緊接在所述凸部的最大高度的下遊處布置的側道之一的開口。
[0023]優選地，所述毛細管設備的流通道的幾何形狀適用於通過流體中的線性效應提供流響應，其中最小的響應來自於所述流體中的非線性效應。
[0024]優選地，兩個相對的曲線壁部分至少通過所述流通道的一部分非對稱地延伸到彼此，以將流體偏轉提供到流型中，所述流型具有從所述流通道的入口到出口的彎曲流線，所述流通道在所述凸部處的流區域中的剪切率增加。
[0025]首先，本發明與各種類型的流變計(例如常規的杯狀流變計)不同，這是因為本發明並不涉及除了要被研究的液體之外的其他任何材料的移動。第二，本發明並不需要將任何添加劑增加到液體中作為測量過程的一部分。
[0026]本發明的動作主要涉及創建從流體和通道壁的空間結構之間的接觸得到的特定的流型。因此，對通道壁材料的優選約束是其應當是硬的。基於此，可以選擇堅固性高的通道壁材料，使得本發明可以表徵流體，其可以是非常具反應性和腐蝕性的。類似地，可以選擇通道壁材料(例如陶瓷)，使得本發明能夠表徵高溫(例如高於在化學工業中使用的大多數金屬的熔點的溫度，即1500°C)下的流氣體。
[0027]與一般的杯狀流變計相比，能夠顯著地減小本發明的物理尺寸，而不損害功能體。這一部分是因為除了流體之外本發明並不涉及任何移動的部件，並且也是因為在本發明的功能體中利用的物理現象並不需要大容積的流體。與用於操作本發明所需的能耗足夠小以可以由小電池來供應的事實相組合，使得可以將本發明實現為手持設備。
[0028]優選地，與定義凸部的曲線壁部分相對的曲線壁部分以增加或減小所述凸部的下遊的流通道的橫截面面積的方式延伸。
[0029]在根據本發明的流體測量設備的優選實施例中，其中所述線性流響應設備的流通道是直通道。
[0030]優選地，限定凸部的所述曲線壁部分以凸出方式從所述非線性響應設備的入口向所述凸部的頂部延伸，並且以凸出方式從所述凸部的頂部向所述非線性響應設備的出口延伸，並且相對的壁部分以凹進方式從所述非線性響應設備的入口向出口延伸。
[0031]此外，所述非線性響應設備的側道被優選布置在所述流通道的相對側上。
[0032]在本發明的許多優選實施例中，所述毛細管設備適用於在所述流通道中產生對稱的流。
[0033]通常，所述非線性響應設備的流通道的容積優選比所述毛細管設備的流通道的容積大至少2倍，例如至少4倍，優選至少8倍。
[0034]在一些優選的實施例中，所述測量設備的流通道和側道是方形的。
[0035]根據本發明的許多優選實施例，優選通過切削、銑削、澆築或放電加工，以單個的材料塊來提供所述測量設備的流通道和側道。此外，優選通過由塑料或金屬製成的壁單元來限定所述測量設備的流通道和側道。
[0036]在本發明的特定優選實施例中，所述毛細管設備的流通道包括收縮區上遊的變窄部分和下遊的擴展部分，所述收縮區優選是直部分，並且優選具有被布置在所述收縮區的上遊和下遊的側道。
[0037]優選地，所述毛細管設備的流通道、所述非線性響應設備的流通道和所述側道的幾何尺寸在微米範圍的大小內。
[0038]在本發明的許多優選的實施例中，所述非線性響應設備的流通道包括在所述流通道的入口處的頸縮區，並且其中所述頸縮區的下遊的流通道具有帶有分叉側的擴散器幾何形狀，由具有出口的壁終結所述擴散器幾何形狀，側道被布置在所述頸縮區處，並且側道被布置在所述壁處。
[0039]在進一步的優選實施例中，所述非線性響應設備的流通道包括從入口到達出口的單個連接的轉換通道，並且所述側道之一在所述入口附近連接到所述轉換通道的一部分，並且所述側道中的另一個在所述出口附近連接到所述轉換通道，但並不與所述出口直接連接。所述轉換通道的優選作為限定所述流的部分的實質上的幾何特徵優選包括在所述通道的相對側上的兩個曲線壁，所述通道使得流體流偏轉到曲線路徑中。
[0040]本發明的優選實施例還可以包括泵，所述泵用於將流體泵送通過所述毛細管設備和所述非線性響應設備。優選地，所述泵是手動驅動泵，例如活塞泵。此外，所述測量設備和所述泵可以被有益地形成為吸液管形式的手持設備，所述吸液管例如是微吸液管。
[0041 ] 在本發明的優選實施例中，所述測量設備被集成在實驗室裝置或生產設施中。
[0042]在特定的實施例中，移動手持設備將足夠小以適配在一般的微吸液管中，其被實現有電池和用於量化示出來自流體表徵測量的結果的小型顯示屏。在將測量處理為這些量化結果上沒有時延。
[0043]對於手持設備，本發明的以下部件的組合尺寸:測量處理電子器件、電池和電視屏，被估計適配在3x1.5x1.5cm中，其中估計的重量低於40克。
[0044]此外，在公共的微吸液管上使用的手動的手泵將足夠用於所有的流體運輸，這是因為即使在通過設備的整體流速以不受控制的方式改變的情形下，本發明也可以給出精確的流體表徵測量。流速校正功能不僅可以進行本發明的手持實現，而且可以進行對抗工作條件中的變化的非常強的魯棒性的所有實現；這也包括工作條件溫度和壓力中的變化。
[0045]在優選涉及確定流體的一個或多個屬性的方法的本發明的第二方面中，方法優選使用根據本發明的第一方面的設備，以及給定流體和通道之間的交互的表徵，所述表徵包括所述流體的流速(Q)、或獲得的參數、壓力差(ΛΡ)和屬性(C)的對應值。通過對應值優選意味著它們均是針對相同的流情況獲取的。例如對於給定流速Q』，確定壓力差ΛΡ』，並且流屬性C』是已知的，從而對應值是[Q』，ΛΡ』，C』 ]。方法通常包括確定毛細管設備和非線性響應設備上的壓力差、基於所確定的壓力差從表徵獲得所述流體的屬性。
[0046]用於確定容積流量的毛細管設備和用於提供流體的剪切稀化或剪切厚化的非線性響應設備的組合的一個重要的效果在於通過設備的流無需是穩定的和/或完全發展的。已經發現，設備在通過設備的容積流量改變的情況下工作非常良好。此外，本發明提供了通過使用來自於容積流量和流體屬性(例如流體中的物質的濃度)的信息，確定流體的固有成分的可能性。需要注意的是，在壓力差和流速之間通常存在關係，並且因此流速可以被表達為壓力差。
[0047]此外，由於所考慮的流體通常是不可壓縮的，因此流速可以是容積流量(例如以m3/h來表達)或質量流量(例如kg/h)。
[0048]優選地，一種根據本發明的確定流體的一個或多個屬性的方法利用
[0049]-根據本發明的第一方面的流體測量設備，以及
[0050]-在給定的流體和所述流體測量設備的流通道之間交互的表徵，所述表徵包括對應的所述流體的屬性的值、所述非線性響應設備的側道之間的壓力差的值、以及所述毛細管設備的側道之間的壓力差(△&)、通過所述設備的流速或這兩者的值，
[0051 ] 並且所述方法優選包括
[0052]-以至少局部地在所述非線性響應設備中產生剪切稀化的流速將非牛頓流體饋送通過所述設備，
[0053]-確定所述毛細管設備的側道之間的壓力差和所述非線性響應設備的側道之間的壓力差，
[0054]-基於所確定的所述非線性設備的側道之間的壓力差以及所述毛細管設備的側道之間的壓力差，從所述表徵中得到饋送通過所述流體測量設備的流體的屬性。
[0055]優選從由粘彈性流體構成的組中選擇非牛頓流體。優選地，所述流體是在水中溶解的糖，並且所確定的屬性是糖濃度，所述流體是塗料，並且所確定的屬性是剪切稀化率，所述流體是釉質，並且所確定的屬性是剪切稀化率，所述流體是發動機油，並且所確定的屬性是油的劣化，或者所述流體是發動機燃料，並且所確定的屬性是發動機燃料的類型。 [0056]在優選實施例中，所述方法還包括基於所述表徵和所確定的壓力差，確定通過所述設備的流速。[0057]根據本發明優選實施例的方法還可以包括通過下述獲取表徵
[0058]-以多個不同的已知流速並且以所述流體的多個不同的已知屬性將非牛頓流體饋送通過所述設備，
[0059]-記錄這樣得到的所述毛細管設備和所述非線性響應設備的側道之間的壓力差，
[0060]從而對於通過所述設備的多個不同的容積流率和對於多個已知和不同的流體屬性，獲取包括如下的對應數據集的表徵
[0061]-通過所述設備的流速和所述流體的屬性的值，以及
[0062]-所述毛細管設備的側道之間和所述非線性響應設備的側道之間的壓力差。
[0063]優選地，在50和100之間選擇不同的已知流速的數量，並且在50和100之間選擇不同的已知流量的屬性的數量，從而對應的數據集的數量在2500和10000之間。
[0064]根據優選實施例，通過使用所述毛細管設備的側道之間的流速和壓力之間的函數關係，所述對應的數據集簡化為
[0065]-與所述毛細管設備的側道之間和所述非線性響應設備的側道之間的壓力差相對應的流體的屬性的對應的數據集，或者
[0066]-與所述非線性響應設備的側道之間的壓力差相對應的通過所述設備的流速和所述流體的屬性的值的對應的數據集。
[0067]優選地，在確定所述流體的一個或多個屬性期間，以至少局部地在所述非線性響應設備中產生剪切稀化的流速將所述非牛頓流體饋送通過所述設備的流速可以恆定。或者，在確定所述流體的一個或多個流體屬性期間，以至少局部地在所述非線性響應設備中產生剪切稀化的流速將所述非牛頓流體饋送通過所述設備的流速可以變化。
[0068]所述表徵可以被作為資料庫優選存儲在電存儲介質中，並且可以通過使用計算機來輔助所述方法的執行。
[0069]在當前的上下文中，以一般方式使用多個術語。然而，出於完整的目的，在下文中解釋一些術語。
[0070]在通道上的壓降優選用於表示在通道的流方向上的正或負的壓力變化。
[0071]直接連接優選用於表示流過毛細血管設備的所有流量流過所述非線性響應設備。
[0072]緊接著凸部的最大高度的下遊優選用於表示側道的開口的上遊邊緣被布置在凸部的最大高度的下遊的位置中，其小於通過從非線性響應設備的入口延伸到出口的直線測量的距離的5%，例如1%。
[0073]凸部優選用於表示這樣的壁幾何形狀，其首先趨於增加邊界層動量厚度，並且隨後趨於減小邊界層動量厚度。凸部的最大高度優選用於表示(二維中的)點或(三維中的)線，其中邊界層動量厚度的增加改變為邊界層動量厚度的減小。在許多優選實施例中，最大高度與幾何最大高度相一致，其中水平是這樣的方向，其被定義為流體流入設備的方向。
[0074]頸縮區優選用於表示局部減小流通道的橫截面面積。通常通過凸部或使得流通道中的橫截面變窄來提供頸縮區。收縮區優選與頸縮區替換地使用。
[0075]直通道優選表示沿著直線對稱延伸的通道，直通道可以相應地包括橫截面面積中的變化。
[0076]在這裡，利用下述名稱來引入非線性響應設備的兩個實現:高剪切粘性設備和低剪切粘性設備。[0077]高剪切粘性設備(縮寫為HSV設備)優選表示這樣的設備，在該設備中，建立流，導致至少局部剪切稀化。低剪切粘性設備(縮寫為LSV設備)優選表示這樣的設備，在該設備中，建立流，其中慣性效應影響流。HSV和LSV設備是被稱為剪切粘性設備的一般種類的設備中的成員，所述剪切粘性設備優選表示被設計為作為HSV或LSV設備操作的設備。
[0078]所呈現的2維流是實際物理3D流的表示。通過被限制到二維的流(2D流)來呈現本發明的以下實施例，並且這大致對應於完全三維流體流和設備結構，其中沿著三維(與呈現的二維垂直)的變化幾乎不關聯於沿著所呈現的二維的變化。在實際中，這可以通過使得流體限制(沿著第三維度)的高度至少是(沿著兩個呈現的維度的)最大通道寬度的兩倍來實現。
[0079]需要注意的是，儘管如這裡公開的本發明可以顯現為存在於2維流領域中，但本發明並不限於這樣的2維流領域。在實際中，本發明可以同樣良好地應用於完全3維的流領域中，並且這樣的領域也被認為是在本發明的範圍內。
[0080]實現本發明的設備優選基於突出平面設計到高維度中，並且從而使得具有在整個流領域上的固定高度。使用這種類型的設備實現，這是因為其簡化了獲取所呈現的設備的數值過程，但本發明並不應被限制到該基於平面的方法，而是應當包括任何三維通道結構。
[0081]毛細管設備優選用作這樣的流設備的識別名稱，其優選表示用於確定流過HSV設備或LSC設備的容積的設備。如通過毛細管字面含義所指示的那樣，設備包括受限的流道，但並不被限制為產生毛細管流或效應的設備。通常，毛細管是這樣的流設備，其中不出現剪切稀化或厚化，但同時在非線性流設備中出現剪切稀化或厚化。類似地，非線性流設備優選用作這樣的流設備的識別名稱，其優選是這樣的設備，其中在並不在毛細管設備中創建剪切稀化或厚化的相同的流情形中出現剪切稀化或厚化。
[0082]側道優選表示從流設備的流`通道延伸到構成側道的閉合的末端壁的壓力傳感器的通道分支。選擇側道的長度，使得足夠確保實質上沒有剪切率是通過側道的閉合的末端壁處的流而生成的。在本發明的許多實際的優選實施例中，側道的長度L和寬度W之比通常為W/L〈0.5，例如為W/L〈0.25，優選為W/L〈0.125，其中W被定義為[進入流通道的側道的開口的橫截面面積乘以4並除以Pi]的平方根，並且長度被定義為側道的容積除以進入流通道的側道的開口的橫截面面積。
[0083]如在這裡所呈現的，根據許多優選實施例，利用曲線壁部分對非線性響應設備進行成形。選擇這些壁部分的曲度，從而曲線壁部分的效果在於是流體加速，以增加通常至多是幾何最大量的流體中的剪切率，幾何最大量通常是凸部的最大高度和流體的後續額外的加速。需要注意的是，使用通常含義的作為局部速率的變化的「加速」，包括例如如下的情形:加速、減速和橫向加速，其中後者導致曲線流路徑。優選將壁部分的曲度設計為使得壓力的梯度和通道中的速率之間的點積接近於零，但接近於幾何最大量的區域除外。
[0084]剪切率被用作剪切速率的縮寫，其在二維形式中可以被寫為(利用坐標X，y在坐標系中具有速率分量U，V)。
「 nI /du\2 /du dp\2 /dv\2
[0085]f = 12 ?—I + f— + —I + 2 (τ-)
J \αχβ Xoy οχβ Xoy/
[0086]再次需要注意的是，本發明並不限於2維流領域。[0087]流變測定法通常是指用於確定材料的流變屬性的試驗技術，其是變形和應力和它們的衍生物之間的定量和定性關係。
[0088]線性效應的流響應優選表示在動作中的變量(其在此特定情況下為流速的變化Q)和被測量的響應(其在此特定情況下為通過兩個側道處的壓力傳感器測量的壓力差的變化)之間存在重要的線性關係。
[0089]非線性效應的流響應優選表示在動作中的變量(其在此特定情況下為流速Q的變化)和被測量的響應(其在此特定情況下為通過兩個側道處的壓力傳感器測量的壓力差的變化)之間存在重要的非線性關係。
[0090]通過一階多項式f (X) =Α+Β.X來描述線性關係f (X),其中A、B是實數。
[0091]非線性關係g(x)是無法通過線性關係顯著描述的關係。在大多數情況中，非線性關係還涉及二階或更高階多項式:g(x)=A+B.x+C.x2+D.X3+…,其中A、B、C、D…是實數。
[0092]可以利用其它方面中的任何一個來組合本發明的第一和第二方面中的每一個。根據在下文中描述的實施例，本發明的這些和其他方面將變得明顯，並且參考所述實施例來闡述本發明的這些和其他方面。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0093]現在將參照附圖更詳細地描述根據本發明的各個方面和實施例。附圖示出了實施本發明的方式，但並不被構造為限制落入本發明範圍的其他可能的實施例。
[0094]圖1是根據本發明的測量設備的優選實施例的示意圖；本實施例是具有上遊布置的毛細管設備的低剪切粘性設備的示例。
[0095]圖2是用於與毛細管設`備組合地使用LSV設備表徵流體屬性的過程的圖示，其中毛細管設備對於LSV和HSV設備兩者共用。左側所示是表徵測量的參考分布。而左圖表中的柵格在右圖表中被映射到通過LSV設備和毛細管設備之間的測量的壓力差跨越的測量空間(稱為圖2中的設備圖表)，並且箭頭指示用於表徵來自給定測量的流體的過程。
[0096]圖3是說明了糖溶液的流變屬性的圖示，其示出了溶液粘性的對數如何依賴於局部剪切速率的對數。黑色曲線(被標記為μ)示出了該剪切速率針對不同的糖濃度的依賴性。線T示出了左側的低剪切率牛頓平臺(Low Shear Newtonian Plateau, LSNP)與右側的剪切稀化區域之間的總體邊界。虛線標記出了左上的低雷諾數(Re)區域和高Re數的右下區域之間的轉換，其中流體的慣性開始影響流體流動。
[0097]圖4是根據本發明的HSV設備的示意圖，其中流體從左到右流過設備，這兩者均通過箭頭和通過黑色的流線來表示。在設備中以灰色陰影來示出壓力，其範圍為從最深色陰影中的高壓到最淺色陰影中的低壓。通過測量兩個側道之間的壓力差來表徵一個類型的流體屬性，所述兩個側道是設備的頂部和底部處的兩個(閉合的)通道分支。通常利用圖1或9的毛細管設備來使用圖4的設備。對於在這裡利用圖4的設備呈現的結果，將圖4的設備與圖1的毛細管設備組合以形成測量設備。
[0098]圖5是支持設備表徵流體的流變屬性的組合圖示。圖5的左手側部分示出了圖3的進一步詳細的版本，其中在透明灰色陰影中強調最優的剪切稀化(流變)區域。在圖5的右手側中，利用與圖5的左手側的符號相同的符號來繪製通過系列符號指示的兩個曲線壁8a、8b的流體屬性。測量的低集合對應於真實的糖溶液，因為它們遵從實曲線，而上參考測量遵從虛擬流體，其中已經人為降低了剪切稀化率。左手部分中的黑色雙箭頭對應於用於設計LSV設備(圖1)的兩種類型的流體。
[0099]圖6是用於與毛細管設備組合地使用HSV設備表徵流體屬性的過程的圖示，其中毛細管設備對於LSV和HSV設備兩者共用。左側所示是表徵測量的參考分布。而左圖表中的柵格在右圖表中被映射到通過HSV設備和毛細管設備之間的測量的壓力差跨越的測量空間，並且箭頭指示用於表徵來自給定測量的流體的過程。
[0100]圖7是用於精確描述HSV設備的實施例的過程的第一步驟的圖示。其示出了從通過列出直接控制點坐標(參見下面的表II)描述的分段連接的貝塞爾曲線所得到的通道壁幾何形狀。通過紅色圓圈來標記幾何形狀的具體的角，將通過取圓角過程(filletprocedure)使得這些角變圓，其中將明確定義的半徑的圓圈放置為儘可能接近角，同時仍正切接觸兩個曲線單元。
[0101]圖8是用於精確描述HSV設備的實施例的過程的第二和最後步驟的圖示。其示出了從與圖7相關而描述的取圓角過程產生的HSV設備的實施例的最終的通道壁的幾何形狀。
[0102]圖9示出了根據本發明優選實施例的毛細管設備的進一步的實施例。
【具體實施方式】
[0103]本發明意在發現至少對於其中諸如粘性之類的流體的內部屬性的量值取決於流體的剪切率的流體，設備能夠被設計為可以用於確定所論述的流體的屬性。在下文中呈現這樣的設備的示例
[0104]低剪切粘性設備
[0105]參考圖1，圖1是根據本發明的測量設備的優選實施例的示意圖。在圖1中，流測量設備I包括毛細管設備2和非線性響應設備3。毛細管設備2是這樣的設備，其被設計為通過確定流過毛細管設備的通道的量來測量流過下遊非線性響應設備的量(由於連續性的實現，流過毛細管設備的容積流量等於經過非線性響應設備的流量)。
[0106]毛細管設備2具有流通道4，流通道4具有漏鬥形式的變窄部分4a，收縮區4b的上遊(是直部分)，以及直部分4b的下遊的擴展部分4c。兩個側道5a和5b連接到分別變窄的擴展部分4a、4c。側道5a和5b是將通道4中的流體中的壓力分別傳動到壓力換能器6a和6b的通道。毛細管設備I被校準，使得可以根據通過換能器6a和6b檢測到的壓力差建立通過毛細管設備I的容積流量Q，即，容積流量Q可以從APq確定。
[0107]在圖9中示意性地示出了毛細管設備2的進一步的實施例。在本實施例中，流通道4具有均勻的橫截面區域，並且包括與通道4的直部分連接的多個彎道17。流通道4可以被表徵為彎曲的通道。與圖1中的毛細管設備相似，圖9中的毛細管設備包括側道5a、5b，壓力換能器6a、6b被布置在側道的遠端以確定通道4上的壓力差(壓降)。
[0108]非線性響應設備3位於毛細管設備2的下遊，並且接收與流過毛細管2的流體的量相同的流體的量。在圖1中所示的實施例中，非線性響應設備被設計為低剪切粘性設備，並且包括頸縮區7，所述頸縮區7跟隨有帶有分叉側的擴散器幾何形狀。通過流通道的下壁中的泵(16)來形成頸縮區7。凸快16包括階梯，所述階梯具有垂直面對到來的流的平表面以及向下傾斜繼續到通道的分叉側中的頂表面。頸縮區創建了在擴散器的下遊傳播的流體的噴射。通過具有出口 10的壁9來終結擴散器幾何形狀。緊隨凸部(16)最大高度的下遊的頸縮區7處布置側道11a，並且在與包括凸部的壁相對的壁處布置側道lib。側道的該布置提供了對通過通道的流的兩個相對側的壓力測量。側道Ila和Ilb將流體中的壓力傳送到壓力換能器12a和12b，以檢測圖1中被標記為APc的壓力差。
[0109]設備I優選還包括泵，以將流體泵送(或吸引)通過設備。還注意到，設備的通道在它們構成管道的意義上是閉合的通道。此外，僅利用將流體從毛細管設備2的出口引導至非線性響應設備3的入口的通道而不利用任何其他元件來連接毛細管設備2和非線性響應設備3。通常在單個的材料塊中形成毛細管設備2和非線性響應設備。
[0110]參考圖2，圖2是根據本發明的方法的優選實施例的示意圖。圖2a示出了參數圖表，並且圖2b示出了設備圖表。圖2中考慮的示例涉及確定水中的糖濃度。對於這樣的流體，粘性的量值依賴於剪切率，如果剪切率足夠高，並且糖濃度(還參考圖3，其說明了糖溶液的流變屬性)。圖2說明了流體參數Q、C和由毛細管設備進行以確定容積流量Q的測量APq和由非線性響應設備3進行以確定壓差APc的測量之間的非線性映射。
[0111]在根據本發明的流體測量設備I用於確定例如流體的糖濃度之前，執行設備I的表徵。表徵包括對於多個已知和不同的糖濃度，通過毛細管設備2確定流過非線性響應設備3的容積流量，並且記錄非線性響應設備3上的對應的壓力差。因此，對於每個濃度產生如下的數據集:
[0112]
【權利要求】
1.一種流體測量設備，包括毛細管設備和非線性響應設備，其中， -所述毛細管設備(2 )包括流通道和兩個側道(5a、5b )，所述流通道用於確定通過所述通道的容積流量，所述兩個側道均包括在所述側道的遠端處布置的壓力傳感器，所述側道(5a、5b)被布置在所述毛細管設備中以確定流通道的至少一部分上的壓降，所述毛細管設備的流通道的幾何形狀適用於通過流體中的線性效應提供流響應，其中最小響應來自於所述流體中的非線性效應， -所述非線性響應設備(3)包括與所述毛細管設備的流通道直接連接的流通道，所述非線性響應設備的流通道是曲線通道，並且包括側道，所述側道均包括在所述側道的遠端處布置的壓力傳感器，所述側道被布置為確定所述流通道的至少一部分上的壓降，所述曲線通道包括: 〇兩個相對的曲線壁部分(8a、8b)，至少通過所述流通道的一部分非對稱地延伸到彼此，其中 ?所述相對的曲線壁部分之一(8b)限定所述流通道中的凸部(16)， 以便將流體偏轉提供到流型中，所述流型具有從所述流通道的入口到出口的彎曲流線，所述流通道在所述凸部處的流區域中的剪切率增加， O緊接在所述凸部的最大高度的下遊處布置的側道之一的開口。
2.如權利要求1所述的流體測量設備，其中與限定凸部的曲線壁部分相對的曲線壁部分(8a)以增加或減小所述凸部下遊的流通道的橫截面積的方式延伸。
3.如權利要求1或2所述 的流體測量設備，其中所述線性流響應設備的流通道是直通道。
4.如上述任一權利要求所述的流體測量設備，其中 -限定凸部的所述曲線壁部分以凸出方式從所述非線性響應設備的入口(13)向所述凸部的頂部延伸，並且以凸出方式從所述凸部的頂部向所述非線性響應設備的出口(14)延伸，以及 -相對的壁部分以凹進方式從所述非線性響應設備的入口(13)向出口(14)延伸。
5.如上述任一權利要求所述的流體測量設備，其中所述非線性響應設備的側道(11a、lib)被布置在所述流通道的相對側上。
6.如上述任一權利要求所述的流體測量設備，其中所述毛細管設備適用於產生對稱的流。
7.如上述任一權利要求所述的流體測量設備，其中所述非線性響應設備的流通道的容積比所述毛細管設備的流通道的容積大至少2倍，例如至少4倍，優選至少8倍。
8.如上述任一權利要求所述的流體測量設備，其中所述測量設備的流通道和側道是方形的。
9.如上述任一權利要求所述的流體測量設備，其中優選通過切削、銑削、澆築或放電加工，以單個的材料塊來提供所述測量設備的流通道和側道。
10.如上述任一權利要求所述的流體測量設備，其中由塑料或金屬製成的壁單元來限定所述測量設備的流通道和側道。
11.如上述任一權利要求所述的流體測量設備，其中所述毛細管設備的流通道包括收縮區(4b)上遊的變窄部分(4a)和下遊的擴展部分(4c)，所述收縮區優選是直部分，並且所述側道(5a，5b)被布置在所述收縮區的上遊和下遊。
12.如上述任一權利要求所述的流體測量設備，其中所述毛細管設備的流通道、所述非線性響應設備的流通道和所述側道的幾何尺寸在微米範圍的大小內。
13.如上述任一權利要求所述的流體測量設備，其中所述非線性響應設備的流通道包括在所述流通道的入口處的頸縮區(7)，並且其中所述頸縮區(7)的下遊的流通道具有帶有分叉側的擴散器幾何形狀，由具有出口(10)的壁(9)終結所述擴散器幾何形狀，側道(Ila)被布置在所述頸縮區(7)處，並且側道(Ilb)被布置在所述壁(9)處。
14.如上述任一權利要求所述的流體測量設備，其中所述非線性響應設備的流通道包括從入口( 13)到達出口( 14)的單個連接的轉換通道(15)，並且所述側道之一(Ila)在所述入口(13)附近連接到所述轉換通道(15)的一部分，並且所述側道中的另一個(Ilb)在所述出口( 14)附近連接到所述轉換通道，但並不與所述出口( 14)直接連接。
15.如權利要求14所述的流體 測量設備，其中所述轉換通道的優選作為限定所述流的部分的實質上的幾何特徵包括在所述通道(15)的相對側上的兩個曲線壁(8a、8b)，所述通道使得流體流偏轉到曲線路徑中。
16.如上述任一權利要求所述的流體測量設備，還包括泵，所述泵用於將流體泵送通過所述毛細管設備和所述非線性響應設備。
17.如權利要求16所述的流體測量設備，其中所述泵是手動驅動泵，例如活塞泵。
18.如權利要求16或17所述的流體測量設備，其中所述測量設備和所述泵被形成為吸液管形式的手持設備，所述吸液管例如是微吸液管。
19.如上述權利要求1-17中的任一項所述的流體測量設備，其中所述測量設備被集成在實驗室裝置或生產設施中。
20.一種確定流體的一個或多個屬性的方法，所述方法利用 -如上述任一權利要求所述的流體測量設備，以及 -在給定的流體和所述流體測量設備的流通道之間交互的表徵，所述表徵包括對應的 -所述流體的屬性(C)的值 -所述非線性響應設備的側道之間的壓力差的值(APc),以及 -所述毛細管設備的側道之間的壓力差(△&)、通過所述設備的流速(Q)或這兩者的值， 所述方法包括: -以至少局部地在所述非線性響應設備中產生剪切稀化的流速將非牛頓流體饋送通過所述設備， -確定所述毛細管設備的側道之間的壓力差和所述非線性響應設備的側道之間的壓力差， -基於所確定的所述非線性設備的側道之間的壓力差以及所述毛細管設備的側道之間的壓力差，從所述表徵中得到饋送通過所述流體測量設備的流體的屬性。
21.如權利要求20所述的方法，其中從由粘彈性流體構成的組中選擇非牛頓流體。
22.如權利要求20或21所述的方法，其中所述流體是在水中溶解的糖，並且所確定的屬性是糖濃度。
23.如權利要求20或21所述的方法，其中所述流體是塗料，並且所確定的屬性是剪切稀化率。
24.如權利要求20或21所述的方法，其中所述流體是釉質，並且所確定的屬性是剪切稀化率。
25.如權利要求20或21所述的方法，其中所述流體是發動機油，並且所確定的屬性是油的劣化。
26.如權利要求20或21所述的方法，其中所述流體是發動機燃料，並且所確定的屬性是發動機燃料的類型。
27.如上述權利要求20-26中的任一項所述的方法，其中所述方法還包括基於所述表徵和所確定的壓力差，確定通過所述設備的流速。
28.如上述權利要求20-27中的任一項所述的方法，還包括通過下述獲取表徵 -以多個不同的已知流速(Q)並且以所述流體的多個不同的已知屬性(C)將非牛頓流體饋送通過所述設備， -記錄這樣得到的所述毛細管設備的側道之間和所述非線性響應設備的側道之間的壓力差(APQ，APC)，從而對於通過所述設備的多個不同的容積流率(Q)和對於多個已知和不同的流體屬性(C)，獲取包括如下的對應數據集的表徵 -通過所述設備的流速和所述流體的屬性的值(Q，C?)，以及 -所述毛細管設備的側道之間和所述非線性響應設備的側道之間的壓力差(ΔΡ0, apc)。
29.如上述權利要求20-28中的任一項`所述的方法，其中在50和100之間選擇不同的已知流速(Q)的數量，並且在50和100之間選擇不同的已知流量的屬性的數量，從而對應的數據集的數量在2500和10000之間。
30.如上述權利要求20-29中的任一項所述的方法，其中通過使用所述毛細管設備的側道之間的流速和壓力之間的函數關係，所述對應的數據集簡化為 -與所述毛細管設備的側道之間和所述非線性響應設備的側道之間的壓力差(APQ, APC)相對應的流體的屬性(C)的對應的數據集，或者 -與所述非線性響應設備的側道之間的壓力差(△ P。)相對應的通過所述設備的流速和所述流體的屬性的值(Q，c)的對應的數據集。
31.如上述權利要求20-30中的任一項所述的方法，其中在確定所述流體的一個或多個屬性期間，以至少局部地在所述非線性響應設備中產生剪切稀化的流速將所述非牛頓流體饋送通過所述設備的流速恆定。
32.如上述權利要求20-31中的任一項所述的方法，其中在確定所述流體的一個或多個流體屬性期間，以至少局部地在所述非線性響應設備中產生剪切稀化的流速將所述非牛頓流體饋送通過所述設備的流速變化。
33.如上述權利要求20-32中的任一項所述的方法，其中所述表徵被作為資料庫存儲在電子存儲介質中。
34.如上述權利要求20-33中的任一項所述的方法，其中通過使用計算機來輔助所述方法的執行。
【文檔編號】G01N11/08GK103765189SQ201280030624
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年6月22日 優先權日:2011年6月22日
【發明者】弗裡多林·奧克爾斯 申請人:丹麥科技大學