流测量设备和方法
【专利摘要】本发明涉及包括毛细管设备和非线性响应设备的流体测量设备。毛细管设备通常具有这样的流通道，所述流通道包括具有收缩区的上游侧道和下游侧道的收缩区，所述侧道均包括压力传感器，所述压力传感器被布置为确定收缩区的压降，毛细管设备的流通道的几何形状适合于通过流体中的线性效应提供流响应，其中最小的响应来自于流体中的非线性效应。非线性响应设备通常具有与毛细管设备的流通道相连接的流通道，非线性响应设备的流通道包括被布置为确定流通道的至少一部分上的压降的侧道，其中非线性响应设备的流通道的几何形状适用于提供通过流体中的非线性效应主要驱动的流响应。
【专利说明】流测量设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及包括毛细管设备和非线性响应设备的流体测量设备。毛细管设备通常具有这样的流通道，所述流通道包括具有收缩区的上游侧道(Sidelet)和下游侧道的收缩区，所述侧道均包括压力传感器，所述压力传感器被布置为确定收缩区的压降，毛细管设备的流通道的几何形状适合于通过流体中的线性效应提供流响应，其中最小的响应来自于流体中的非线性效应。非线性响应设备通常具有与毛细管设备的流通道相连接的流通道，非线性响应设备的流通道包括被布置为确定流通道的至少一部分上的压降的侧道，其中非线性响应设备的流通道的几何形状适用于提供通过流体中的非线性效应主要驱动的流响应。
[0002]本发明还涉及利用根据本发明的设备的方法。
【背景技术】
[0003]参考如下文献:W02009/061943A9，2009年 5 月 14 日公布，题为“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]材料选择
[0005]在W02009/061943A9中描述的设备涉及Au (金)电极，并且因此其对高温非常敏感。在W02009/061943A9中公开的设备被明确描述为是使用净室技术(clean-roomtechniques)制造的,该技术涉及较小的腐蚀和耐热金属。
[0006]抗改变工作条件的鲁棒性和移动性
[0007]尽管在W02009/061943A9和Helen等人的文献中表征的流体均涉及小的微通道，但在W02009/061943A9和Helen等人的文献中描述的这两个设备无法被实现在与本发明所述的设备相同尺寸和重量的移动手持设备中，这是因为这两者均依赖于产生固定精确体积-流速的泵。在当前的现有技术中，这样的泵必须是注射泵，其超过了如上所述的本发明的设备的体积和重量的10倍。
[0008]其他缺陷
[0009]在W02009/061943A9和Helen等人的文献中公开的设备和方法还存在这样的缺陷:效率低、难于制造并且对外部的影响敏感。
【发明内容】
[0010]因此，用于确定流体的一个或多个属性的改进的设备和方法将是有益的，并且特别是更有效和/或可靠的设备和方法将是有益的。
[0011]本发明的另一个目的在于提供对现有技术的替代。
[0012]具体而言，已经看到本发明的一个目的在于提供可以解决如上所述的现有技术中的问题的设备和方法。
[0013]因此，通过提供优选包括在这里被称为毛细管设备的第一设备和在这里被称为非线性响应设备的第二设备的流体测量设备，意在在本发明的第一方面中实现上述目的和多个其他目的，其中
[0014]-毛细管设备具有这样的流通道，所述流通道包括具有收缩区的上游侧道和下游侧道的收缩区，所述侧道均包括压力传感器，所述压力传感器被布置为确定收缩区上的压降，毛细管设备的流通道的几何形状适合于通过流体中的线性效应提供流响应，其中最小的响应来自于流体中的非线性效应，
[0015]-非线性响应设备具有与毛细管设备的流通道(优选直接)相连接的流通道，非线性响应设备的流通道包括被布置为确定流通道的至少一部分上的压降的侧道，其中非线性响应设备的流通道的几何形状适用于提供通过流体中的非线性效应主要驱动的流响应。
[0016]优选地，根据本发明的流测量设备可以包括毛细管设备和非线性响应设备，其中
[0017]-所述毛细管设备包括流通道和两个侧道，所述流通道用于确定通过所述通道的容积流量，所述两个侧道均包括在所述侧道的远端处布置的压力传感器，所述侧道被布置在所述毛细管设备中以确定流通道的至少一部分上的压降，所述毛细管设备的流通道的几何形状适用于通过流体中的线性效应提供流响应，其中最小响应来自于所述流体中的非线性效应，
[0018]-所述非线性响应设备包括与所述毛细管设备的流通道直接连接的流通道，所述非线性响应设备的流通道是曲线通道，并且包括侧道，所述侧道均包括在所述侧道的远端处布置的压力传感器，所述侧道被布置为确定所述流通道的至少一部分上的压降，所述曲线通道包括:
[0019]〇两个相对的曲线壁部分，至少通过所述流通道的一部分非对称地延伸到彼此，其中
[0020].所述相对的曲线壁部分之一(Sb)限定所述流通道中的凸部，
`[0021]以便将流体偏转提供到流型中，所述流型具有从所述流通道的入口到出口的弯曲流线，所述流通道在所述凸部处的流区域中的剪切率增加，
[0022]〇紧接在所述凸部的最大高度的下游处布置的侧道之一的开口。
[0023]优选地，所述毛细管设备的流通道的几何形状适用于通过流体中的线性效应提供流响应，其中最小的响应来自于所述流体中的非线性效应。
[0024]优选地，两个相对的曲线壁部分至少通过所述流通道的一部分非对称地延伸到彼此，以将流体偏转提供到流型中，所述流型具有从所述流通道的入口到出口的弯曲流线，所述流通道在所述凸部处的流区域中的剪切率增加。
[0025]首先，本发明与各种类型的流变计(例如常规的杯状流变计)不同，这是因为本发明并不涉及除了要被研究的液体之外的其他任何材料的移动。第二，本发明并不需要将任何添加剂增加到液体中作为测量过程的一部分。
[0026]本发明的动作主要涉及创建从流体和通道壁的空间结构之间的接触得到的特定的流型。因此，对通道壁材料的优选约束是其应当是硬的。基于此，可以选择坚固性高的通道壁材料，使得本发明可以表征流体，其可以是非常具反应性和腐蚀性的。类似地，可以选择通道壁材料(例如陶瓷)，使得本发明能够表征高温(例如高于在化学工业中使用的大多数金属的熔点的温度，即1500°C)下的流气体。
[0027]与一般的杯状流变计相比，能够显著地减小本发明的物理尺寸，而不损害功能体。这一部分是因为除了流体之外本发明并不涉及任何移动的部件，并且也是因为在本发明的功能体中利用的物理现象并不需要大容积的流体。与用于操作本发明所需的能耗足够小以可以由小电池来供应的事实相组合，使得可以将本发明实现为手持设备。
[0028]优选地，与定义凸部的曲线壁部分相对的曲线壁部分以增加或减小所述凸部的下游的流通道的横截面面积的方式延伸。
[0029]在根据本发明的流体测量设备的优选实施例中，其中所述线性流响应设备的流通道是直通道。
[0030]优选地，限定凸部的所述曲线壁部分以凸出方式从所述非线性响应设备的入口向所述凸部的顶部延伸，并且以凸出方式从所述凸部的顶部向所述非线性响应设备的出口延伸，并且相对的壁部分以凹进方式从所述非线性响应设备的入口向出口延伸。
[0031]此外，所述非线性响应设备的侧道被优选布置在所述流通道的相对侧上。
[0032]在本发明的许多优选实施例中，所述毛细管设备适用于在所述流通道中产生对称的流。
[0033]通常，所述非线性响应设备的流通道的容积优选比所述毛细管设备的流通道的容积大至少2倍，例如至少4倍，优选至少8倍。
[0034]在一些优选的实施例中，所述测量设备的流通道和侧道是方形的。
[0035]根据本发明的许多优选实施例，优选通过切削、铣削、浇筑或放电加工，以单个的材料块来提供所述测量设备的流通道和侧道。此外，优选通过由塑料或金属制成的壁单元来限定所述测量设备的流通道和侧道。
[0036]在本发明的特定优选实施例中，所述毛细管设备的流通道包括收缩区上游的变窄部分和下游的扩展部分，所述收缩区优选是直部分，并且优选具有被布置在所述收缩区的上游和下游的侧道。
[0037]优选地，所述毛细管设备的流通道、所述非线性响应设备的流通道和所述侧道的几何尺寸在微米范围的大小内。
[0038]在本发明的许多优选的实施例中，所述非线性响应设备的流通道包括在所述流通道的入口处的颈缩区，并且其中所述颈缩区的下游的流通道具有带有分叉侧的扩散器几何形状，由具有出口的壁终结所述扩散器几何形状，侧道被布置在所述颈缩区处，并且侧道被布置在所述壁处。
[0039]在进一步的优选实施例中，所述非线性响应设备的流通道包括从入口到达出口的单个连接的转换通道，并且所述侧道之一在所述入口附近连接到所述转换通道的一部分，并且所述侧道中的另一个在所述出口附近连接到所述转换通道，但并不与所述出口直接连接。所述转换通道的优选作为限定所述流的部分的实质上的几何特征优选包括在所述通道的相对侧上的两个曲线壁，所述通道使得流体流偏转到曲线路径中。
[0040]本发明的优选实施例还可以包括泵，所述泵用于将流体泵送通过所述毛细管设备和所述非线性响应设备。优选地，所述泵是手动驱动泵，例如活塞泵。此外，所述测量设备和所述泵可以被有益地形成为吸液管形式的手持设备，所述吸液管例如是微吸液管。
[0041 ] 在本发明的优选实施例中，所述测量设备被集成在实验室装置或生产设施中。
[0042]在特定的实施例中，移动手持设备将足够小以适配在一般的微吸液管中，其被实现有电池和用于量化示出来自流体表征测量的结果的小型显示屏。在将测量处理为这些量化结果上没有时延。
[0043]对于手持设备，本发明的以下部件的组合尺寸:测量处理电子器件、电池和电视屏，被估计适配在3x1.5x1.5cm中，其中估计的重量低于40克。
[0044]此外，在公共的微吸液管上使用的手动的手泵将足够用于所有的流体运输，这是因为即使在通过设备的整体流速以不受控制的方式改变的情形下，本发明也可以给出精确的流体表征测量。流速校正功能不仅可以进行本发明的手持实现，而且可以进行对抗工作条件中的变化的非常强的鲁棒性的所有实现；这也包括工作条件温度和压力中的变化。
[0045]在优选涉及确定流体的一个或多个属性的方法的本发明的第二方面中，方法优选使用根据本发明的第一方面的设备，以及给定流体和通道之间的交互的表征，所述表征包括所述流体的流速(Q)、或获得的参数、压力差(ΛΡ)和属性(C)的对应值。通过对应值优选意味着它们均是针对相同的流情况获取的。例如对于给定流速Q’，确定压力差ΛΡ’，并且流属性C’是已知的，从而对应值是[Q’，ΛΡ’，C’ ]。方法通常包括确定毛细管设备和非线性响应设备上的压力差、基于所确定的压力差从表征获得所述流体的属性。
[0046]用于确定容积流量的毛细管设备和用于提供流体的剪切稀化或剪切厚化的非线性响应设备的组合的一个重要的效果在于通过设备的流无需是稳定的和/或完全发展的。已经发现，设备在通过设备的容积流量改变的情况下工作非常良好。此外，本发明提供了通过使用来自于容积流量和流体属性(例如流体中的物质的浓度)的信息，确定流体的固有成分的可能性。需要注意的是，在压力差和流速之间通常存在关系，并且因此流速可以被表达为压力差。
[0047]此外，由于所考虑的流体通常是不可压缩的，因此流速可以是容积流量(例如以m3/h来表达)或质量流量(例如kg/h)。
[0048]优选地，一种根据本发明的确定流体的一个或多个属性的方法利用
[0049]-根据本发明的第一方面的流体测量设备，以及
[0050]-在给定的流体和所述流体测量设备的流通道之间交互的表征，所述表征包括对应的所述流体的属性的值、所述非线性响应设备的侧道之间的压力差的值、以及所述毛细管设备的侧道之间的压力差(△&)、通过所述设备的流速或这两者的值，
[0051 ] 并且所述方法优选包括
[0052]-以至少局部地在所述非线性响应设备中产生剪切稀化的流速将非牛顿流体馈送通过所述设备，
[0053]-确定所述毛细管设备的侧道之间的压力差和所述非线性响应设备的侧道之间的压力差，
[0054]-基于所确定的所述非线性设备的侧道之间的压力差以及所述毛细管设备的侧道之间的压力差，从所述表征中得到馈送通过所述流体测量设备的流体的属性。
[0055]优选从由粘弹性流体构成的组中选择非牛顿流体。优选地，所述流体是在水中溶解的糖，并且所确定的属性是糖浓度，所述流体是涂料，并且所确定的属性是剪切稀化率，所述流体是釉质，并且所确定的属性是剪切稀化率，所述流体是发动机油，并且所确定的属性是油的劣化，或者所述流体是发动机燃料，并且所确定的属性是发动机燃料的类型。 [0056]在优选实施例中，所述方法还包括基于所述表征和所确定的压力差，确定通过所述设备的流速。[0057]根据本发明优选实施例的方法还可以包括通过下述获取表征
[0058]-以多个不同的已知流速并且以所述流体的多个不同的已知属性将非牛顿流体馈送通过所述设备，
[0059]-记录这样得到的所述毛细管设备和所述非线性响应设备的侧道之间的压力差，
[0060]从而对于通过所述设备的多个不同的容积流率和对于多个已知和不同的流体属性，获取包括如下的对应数据集的表征
[0061]-通过所述设备的流速和所述流体的属性的值，以及
[0062]-所述毛细管设备的侧道之间和所述非线性响应设备的侧道之间的压力差。
[0063]优选地，在50和100之间选择不同的已知流速的数量，并且在50和100之间选择不同的已知流量的属性的数量，从而对应的数据集的数量在2500和10000之间。
[0064]根据优选实施例，通过使用所述毛细管设备的侧道之间的流速和压力之间的函数关系，所述对应的数据集简化为
[0065]-与所述毛细管设备的侧道之间和所述非线性响应设备的侧道之间的压力差相对应的流体的属性的对应的数据集，或者
[0066]-与所述非线性响应设备的侧道之间的压力差相对应的通过所述设备的流速和所述流体的属性的值的对应的数据集。
[0067]优选地，在确定所述流体的一个或多个属性期间，以至少局部地在所述非线性响应设备中产生剪切稀化的流速将所述非牛顿流体馈送通过所述设备的流速可以恒定。或者，在确定所述流体的一个或多个流体属性期间，以至少局部地在所述非线性响应设备中产生剪切稀化的流速将所述非牛顿流体馈送通过所述设备的流速可以变化。
[0068]所述表征可以被作为数据库优选存储在电存储介质中，并且可以通过使用计算机来辅助所述方法的执行。
[0069]在当前的上下文中，以一般方式使用多个术语。然而，出于完整的目的，在下文中解释一些术语。
[0070]在通道上的压降优选用于表示在通道的流方向上的正或负的压力变化。
[0071]直接连接优选用于表示流过毛细血管设备的所有流量流过所述非线性响应设备。
[0072]紧接着凸部的最大高度的下游优选用于表示侧道的开口的上游边缘被布置在凸部的最大高度的下游的位置中，其小于通过从非线性响应设备的入口延伸到出口的直线测量的距离的5%，例如1%。
[0073]凸部优选用于表示这样的壁几何形状，其首先趋于增加边界层动量厚度，并且随后趋于减小边界层动量厚度。凸部的最大高度优选用于表示(二维中的)点或(三维中的)线，其中边界层动量厚度的增加改变为边界层动量厚度的减小。在许多优选实施例中，最大高度与几何最大高度相一致，其中水平是这样的方向，其被定义为流体流入设备的方向。
[0074]颈缩区优选用于表示局部减小流通道的横截面面积。通常通过凸部或使得流通道中的横截面变窄来提供颈缩区。收缩区优选与颈缩区替换地使用。
[0075]直通道优选表示沿着直线对称延伸的通道，直通道可以相应地包括横截面面积中的变化。
[0076]在这里，利用下述名称来引入非线性响应设备的两个实现:高剪切粘性设备和低剪切粘性设备。[0077]高剪切粘性设备(缩写为HSV设备)优选表示这样的设备，在该设备中，建立流，导致至少局部剪切稀化。低剪切粘性设备(缩写为LSV设备)优选表示这样的设备，在该设备中，建立流，其中惯性效应影响流。HSV和LSV设备是被称为剪切粘性设备的一般种类的设备中的成员，所述剪切粘性设备优选表示被设计为作为HSV或LSV设备操作的设备。
[0078]所呈现的2维流是实际物理3D流的表示。通过被限制到二维的流(2D流)来呈现本发明的以下实施例，并且这大致对应于完全三维流体流和设备结构，其中沿着三维(与呈现的二维垂直)的变化几乎不关联于沿着所呈现的二维的变化。在实际中，这可以通过使得流体限制(沿着第三维度)的高度至少是(沿着两个呈现的维度的)最大通道宽度的两倍来实现。
[0079]需要注意的是，尽管如这里公开的本发明可以显现为存在于2维流领域中，但本发明并不限于这样的2维流领域。在实际中，本发明可以同样良好地应用于完全3维的流领域中，并且这样的领域也被认为是在本发明的范围内。
[0080]实现本发明的设备优选基于突出平面设计到高维度中，并且从而使得具有在整个流领域上的固定高度。使用这种类型的设备实现，这是因为其简化了获取所呈现的设备的数值过程，但本发明并不应被限制到该基于平面的方法，而是应当包括任何三维通道结构。
[0081]毛细管设备优选用作这样的流设备的识别名称，其优选表示用于确定流过HSV设备或LSC设备的容积的设备。如通过毛细管字面含义所指示的那样，设备包括受限的流道，但并不被限制为产生毛细管流或效应的设备。通常，毛细管是这样的流设备，其中不出现剪切稀化或厚化，但同时在非线性流设备中出现剪切稀化或厚化。类似地，非线性流设备优选用作这样的流设备的识别名称，其优选是这样的设备，其中在并不在毛细管设备中创建剪切稀化或厚化的相同的流情形中出现剪切稀化或厚化。
[0082]侧道优选表示从流设备的流`通道延伸到构成侧道的闭合的末端壁的压力传感器的通道分支。选择侧道的长度，使得足够确保实质上没有剪切率是通过侧道的闭合的末端壁处的流而生成的。在本发明的许多实际的优选实施例中，侧道的长度L和宽度W之比通常为W/L〈0.5，例如为W/L〈0.25，优选为W/L〈0.125，其中W被定义为[进入流通道的侧道的开口的横截面面积乘以4并除以Pi]的平方根，并且长度被定义为侧道的容积除以进入流通道的侧道的开口的横截面面积。
[0083]如在这里所呈现的，根据许多优选实施例，利用曲线壁部分对非线性响应设备进行成形。选择这些壁部分的曲度，从而曲线壁部分的效果在于是流体加速，以增加通常至多是几何最大量的流体中的剪切率，几何最大量通常是凸部的最大高度和流体的后续额外的加速。需要注意的是，使用通常含义的作为局部速率的变化的“加速”，包括例如如下的情形:加速、减速和横向加速，其中后者导致曲线流路径。优选将壁部分的曲度设计为使得压力的梯度和通道中的速率之间的点积接近于零，但接近于几何最大量的区域除外。
[0084]剪切率被用作剪切速率的缩写，其在二维形式中可以被写为(利用坐标X，y在坐标系中具有速率分量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，本发明并不限于2维流领域。[0087]流变测定法通常是指用于确定材料的流变属性的试验技术，其是变形和应力和它们的衍生物之间的定量和定性关系。
[0088]线性效应的流响应优选表示在动作中的变量(其在此特定情况下为流速的变化Q)和被测量的响应(其在此特定情况下为通过两个侧道处的压力传感器测量的压力差的变化)之间存在重要的线性关系。
[0089]非线性效应的流响应优选表示在动作中的变量(其在此特定情况下为流速Q的变化)和被测量的响应(其在此特定情况下为通过两个侧道处的压力传感器测量的压力差的变化)之间存在重要的非线性关系。
[0090]通过一阶多项式f (X) =Α+Β.X来描述线性关系f (X),其中A、B是实数。
[0091]非线性关系g(x)是无法通过线性关系显著描述的关系。在大多数情况中，非线性关系还涉及二阶或更高阶多项式:g(x)=A+B.x+C.x2+D.X3+…,其中A、B、C、D…是实数。
[0092]可以利用其它方面中的任何一个来组合本发明的第一和第二方面中的每一个。根据在下文中描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得明显，并且参考所述实施例来阐述本发明的这些和其他方面。
【专利附图】
【附图说明】
[0093]现在将参照附图更详细地描述根据本发明的各个方面和实施例。附图示出了实施本发明的方式，但并不被构造为限制落入本发明范围的其他可能的实施例。
[0094]图1是根据本发明的测量设备的优选实施例的示意图；本实施例是具有上游布置的毛细管设备的低剪切粘性设备的示例。
[0095]图2是用于与毛细管设`备组合地使用LSV设备表征流体属性的过程的图示，其中毛细管设备对于LSV和HSV设备两者共用。左侧所示是表征测量的参考分布。而左图表中的栅格在右图表中被映射到通过LSV设备和毛细管设备之间的测量的压力差跨越的测量空间(称为图2中的设备图表)，并且箭头指示用于表征来自给定测量的流体的过程。
[0096]图3是说明了糖溶液的流变属性的图示，其示出了溶液粘性的对数如何依赖于局部剪切速率的对数。黑色曲线(被标记为μ)示出了该剪切速率针对不同的糖浓度的依赖性。线T示出了左侧的低剪切率牛顿平台(Low Shear Newtonian Plateau, LSNP)与右侧的剪切稀化区域之间的总体边界。虚线标记出了左上的低雷诺数(Re)区域和高Re数的右下区域之间的转换，其中流体的惯性开始影响流体流动。
[0097]图4是根据本发明的HSV设备的示意图，其中流体从左到右流过设备，这两者均通过箭头和通过黑色的流线来表示。在设备中以灰色阴影来示出压力，其范围为从最深色阴影中的高压到最浅色阴影中的低压。通过测量两个侧道之间的压力差来表征一个类型的流体属性，所述两个侧道是设备的顶部和底部处的两个(闭合的)通道分支。通常利用图1或9的毛细管设备来使用图4的设备。对于在这里利用图4的设备呈现的结果，将图4的设备与图1的毛细管设备组合以形成测量设备。
[0098]图5是支持设备表征流体的流变属性的组合图示。图5的左手侧部分示出了图3的进一步详细的版本，其中在透明灰色阴影中强调最优的剪切稀化(流变)区域。在图5的右手侧中，利用与图5的左手侧的符号相同的符号来绘制通过系列符号指示的两个曲线壁8a、8b的流体属性。测量的低集合对应于真实的糖溶液，因为它们遵从实曲线，而上参考测量遵从虚拟流体，其中已经人为降低了剪切稀化率。左手部分中的黑色双箭头对应于用于设计LSV设备(图1)的两种类型的流体。
[0099]图6是用于与毛细管设备组合地使用HSV设备表征流体属性的过程的图示，其中毛细管设备对于LSV和HSV设备两者共用。左侧所示是表征测量的参考分布。而左图表中的栅格在右图表中被映射到通过HSV设备和毛细管设备之间的测量的压力差跨越的测量空间，并且箭头指示用于表征来自给定测量的流体的过程。
[0100]图7是用于精确描述HSV设备的实施例的过程的第一步骤的图示。其示出了从通过列出直接控制点坐标(参见下面的表II)描述的分段连接的贝塞尔曲线所得到的通道壁几何形状。通过红色圆圈来标记几何形状的具体的角，将通过取圆角过程(filletprocedure)使得这些角变圆，其中将明确定义的半径的圆圈放置为尽可能接近角，同时仍正切接触两个曲线单元。
[0101]图8是用于精确描述HSV设备的实施例的过程的第二和最后步骤的图示。其示出了从与图7相关而描述的取圆角过程产生的HSV设备的实施例的最终的通道壁的几何形状。
[0102]图9示出了根据本发明优选实施例的毛细管设备的进一步的实施例。
【具体实施方式】
[0103]本发明意在发现至少对于其中诸如粘性之类的流体的内部属性的量值取决于流体的剪切率的流体，设备能够被设计为可以用于确定所论述的流体的属性。在下文中呈现这样的设备的示例
[0104]低剪切粘性设备
[0105]参考图1，图1是根据本发明的测量设备的优选实施例的示意图。在图1中，流测量设备I包括毛细管设备2和非线性响应设备3。毛细管设备2是这样的设备，其被设计为通过确定流过毛细管设备的通道的量来测量流过下游非线性响应设备的量(由于连续性的实现，流过毛细管设备的容积流量等于经过非线性响应设备的流量)。
[0106]毛细管设备2具有流通道4，流通道4具有漏斗形式的变窄部分4a，收缩区4b的上游(是直部分)，以及直部分4b的下游的扩展部分4c。两个侧道5a和5b连接到分别变窄的扩展部分4a、4c。侧道5a和5b是将通道4中的流体中的压力分别传动到压力换能器6a和6b的通道。毛细管设备I被校准，使得可以根据通过换能器6a和6b检测到的压力差建立通过毛细管设备I的容积流量Q，即，容积流量Q可以从APq确定。
[0107]在图9中示意性地示出了毛细管设备2的进一步的实施例。在本实施例中，流通道4具有均匀的横截面区域，并且包括与通道4的直部分连接的多个弯道17。流通道4可以被表征为弯曲的通道。与图1中的毛细管设备相似，图9中的毛细管设备包括侧道5a、5b，压力换能器6a、6b被布置在侧道的远端以确定通道4上的压力差(压降)。
[0108]非线性响应设备3位于毛细管设备2的下游，并且接收与流过毛细管2的流体的量相同的流体的量。在图1中所示的实施例中，非线性响应设备被设计为低剪切粘性设备，并且包括颈缩区7，所述颈缩区7跟随有带有分叉侧的扩散器几何形状。通过流通道的下壁中的泵(16)来形成颈缩区7。凸快16包括阶梯，所述阶梯具有垂直面对到来的流的平表面以及向下倾斜继续到通道的分叉侧中的顶表面。颈缩区创建了在扩散器的下游传播的流体的喷射。通过具有出口 10的壁9来终结扩散器几何形状。紧随凸部(16)最大高度的下游的颈缩区7处布置侧道11a，并且在与包括凸部的壁相对的壁处布置侧道lib。侧道的该布置提供了对通过通道的流的两个相对侧的压力测量。侧道Ila和Ilb将流体中的压力传送到压力换能器12a和12b，以检测图1中被标记为APc的压力差。
[0109]设备I优选还包括泵，以将流体泵送(或吸引)通过设备。还注意到，设备的通道在它们构成管道的意义上是闭合的通道。此外，仅利用将流体从毛细管设备2的出口引导至非线性响应设备3的入口的通道而不利用任何其他元件来连接毛细管设备2和非线性响应设备3。通常在单个的材料块中形成毛细管设备2和非线性响应设备。
[0110]参考图2，图2是根据本发明的方法的优选实施例的示意图。图2a示出了参数图表，并且图2b示出了设备图表。图2中考虑的示例涉及确定水中的糖浓度。对于这样的流体，粘性的量值依赖于剪切率，如果剪切率足够高，并且糖浓度(还参考图3，其说明了糖溶液的流变属性)。图2说明了流体参数Q、C和由毛细管设备进行以确定容积流量Q的测量APq和由非线性响应设备3进行以确定压差APc的测量之间的非线性映射。
[0111]在根据本发明的流体测量设备I用于确定例如流体的糖浓度之前，执行设备I的表征。表征包括对于多个已知和不同的糖浓度，通过毛细管设备2确定流过非线性响应设备3的容积流量，并且记录非线性响应设备3上的对应的压力差。因此，对于每个浓度产生如下的数据集:
[0112]
【权利要求】
1.一种流体测量设备，包括毛细管设备和非线性响应设备，其中， -所述毛细管设备(2 )包括流通道和两个侧道(5a、5b )，所述流通道用于确定通过所述通道的容积流量，所述两个侧道均包括在所述侧道的远端处布置的压力传感器，所述侧道(5a、5b)被布置在所述毛细管设备中以确定流通道的至少一部分上的压降，所述毛细管设备的流通道的几何形状适用于通过流体中的线性效应提供流响应，其中最小响应来自于所述流体中的非线性效应， -所述非线性响应设备(3)包括与所述毛细管设备的流通道直接连接的流通道，所述非线性响应设备的流通道是曲线通道，并且包括侧道，所述侧道均包括在所述侧道的远端处布置的压力传感器，所述侧道被布置为确定所述流通道的至少一部分上的压降，所述曲线通道包括: 〇两个相对的曲线壁部分(8a、8b)，至少通过所述流通道的一部分非对称地延伸到彼此，其中 ?所述相对的曲线壁部分之一(8b)限定所述流通道中的凸部(16)， 以便将流体偏转提供到流型中，所述流型具有从所述流通道的入口到出口的弯曲流线，所述流通道在所述凸部处的流区域中的剪切率增加， O紧接在所述凸部的最大高度的下游处布置的侧道之一的开口。
2.如权利要求1所述的流体测量设备，其中与限定凸部的曲线壁部分相对的曲线壁部分(8a)以增加或减小所述凸部下游的流通道的横截面积的方式延伸。
3.如权利要求1或2所述 的流体测量设备，其中所述线性流响应设备的流通道是直通道。
4.如上述任一权利要求所述的流体测量设备，其中 -限定凸部的所述曲线壁部分以凸出方式从所述非线性响应设备的入口(13)向所述凸部的顶部延伸，并且以凸出方式从所述凸部的顶部向所述非线性响应设备的出口(14)延伸，以及 -相对的壁部分以凹进方式从所述非线性响应设备的入口(13)向出口(14)延伸。
5.如上述任一权利要求所述的流体测量设备，其中所述非线性响应设备的侧道(11a、lib)被布置在所述流通道的相对侧上。
6.如上述任一权利要求所述的流体测量设备，其中所述毛细管设备适用于产生对称的流。
7.如上述任一权利要求所述的流体测量设备，其中所述非线性响应设备的流通道的容积比所述毛细管设备的流通道的容积大至少2倍，例如至少4倍，优选至少8倍。
8.如上述任一权利要求所述的流体测量设备，其中所述测量设备的流通道和侧道是方形的。
9.如上述任一权利要求所述的流体测量设备，其中优选通过切削、铣削、浇筑或放电加工，以单个的材料块来提供所述测量设备的流通道和侧道。
10.如上述任一权利要求所述的流体测量设备，其中由塑料或金属制成的壁单元来限定所述测量设备的流通道和侧道。
11.如上述任一权利要求所述的流体测量设备，其中所述毛细管设备的流通道包括收缩区(4b)上游的变窄部分(4a)和下游的扩展部分(4c)，所述收缩区优选是直部分，并且所述侧道(5a，5b)被布置在所述收缩区的上游和下游。
12.如上述任一权利要求所述的流体测量设备，其中所述毛细管设备的流通道、所述非线性响应设备的流通道和所述侧道的几何尺寸在微米范围的大小内。
13.如上述任一权利要求所述的流体测量设备，其中所述非线性响应设备的流通道包括在所述流通道的入口处的颈缩区(7)，并且其中所述颈缩区(7)的下游的流通道具有带有分叉侧的扩散器几何形状，由具有出口(10)的壁(9)终结所述扩散器几何形状，侧道(Ila)被布置在所述颈缩区(7)处，并且侧道(Ilb)被布置在所述壁(9)处。
14.如上述任一权利要求所述的流体测量设备，其中所述非线性响应设备的流通道包括从入口( 13)到达出口( 14)的单个连接的转换通道(15)，并且所述侧道之一(Ila)在所述入口(13)附近连接到所述转换通道(15)的一部分，并且所述侧道中的另一个(Ilb)在所述出口( 14)附近连接到所述转换通道，但并不与所述出口( 14)直接连接。
15.如权利要求14所述的流体 测量设备，其中所述转换通道的优选作为限定所述流的部分的实质上的几何特征包括在所述通道(15)的相对侧上的两个曲线壁(8a、8b)，所述通道使得流体流偏转到曲线路径中。
16.如上述任一权利要求所述的流体测量设备，还包括泵，所述泵用于将流体泵送通过所述毛细管设备和所述非线性响应设备。
17.如权利要求16所述的流体测量设备，其中所述泵是手动驱动泵，例如活塞泵。
18.如权利要求16或17所述的流体测量设备，其中所述测量设备和所述泵被形成为吸液管形式的手持设备，所述吸液管例如是微吸液管。
19.如上述权利要求1-17中的任一项所述的流体测量设备，其中所述测量设备被集成在实验室装置或生产设施中。
20.一种确定流体的一个或多个属性的方法，所述方法利用 -如上述任一权利要求所述的流体测量设备，以及 -在给定的流体和所述流体测量设备的流通道之间交互的表征，所述表征包括对应的 -所述流体的属性(C)的值 -所述非线性响应设备的侧道之间的压力差的值(APc),以及 -所述毛细管设备的侧道之间的压力差(△&)、通过所述设备的流速(Q)或这两者的值， 所述方法包括: -以至少局部地在所述非线性响应设备中产生剪切稀化的流速将非牛顿流体馈送通过所述设备， -确定所述毛细管设备的侧道之间的压力差和所述非线性响应设备的侧道之间的压力差， -基于所确定的所述非线性设备的侧道之间的压力差以及所述毛细管设备的侧道之间的压力差，从所述表征中得到馈送通过所述流体测量设备的流体的属性。
21.如权利要求20所述的方法，其中从由粘弹性流体构成的组中选择非牛顿流体。
22.如权利要求20或21所述的方法，其中所述流体是在水中溶解的糖，并且所确定的属性是糖浓度。
23.如权利要求20或21所述的方法，其中所述流体是涂料，并且所确定的属性是剪切稀化率。
24.如权利要求20或21所述的方法，其中所述流体是釉质，并且所确定的属性是剪切稀化率。
25.如权利要求20或21所述的方法，其中所述流体是发动机油，并且所确定的属性是油的劣化。
26.如权利要求20或21所述的方法，其中所述流体是发动机燃料，并且所确定的属性是发动机燃料的类型。
27.如上述权利要求20-26中的任一项所述的方法，其中所述方法还包括基于所述表征和所确定的压力差，确定通过所述设备的流速。
28.如上述权利要求20-27中的任一项所述的方法，还包括通过下述获取表征 -以多个不同的已知流速(Q)并且以所述流体的多个不同的已知属性(C)将非牛顿流体馈送通过所述设备， -记录这样得到的所述毛细管设备的侧道之间和所述非线性响应设备的侧道之间的压力差(APQ，APC)，从而对于通过所述设备的多个不同的容积流率(Q)和对于多个已知和不同的流体属性(C)，获取包括如下的对应数据集的表征 -通过所述设备的流速和所述流体的属性的值(Q，C?)，以及 -所述毛细管设备的侧道之间和所述非线性响应设备的侧道之间的压力差(ΔΡ0, apc)。
29.如上述权利要求20-28中的任一项`所述的方法，其中在50和100之间选择不同的已知流速(Q)的数量，并且在50和100之间选择不同的已知流量的属性的数量，从而对应的数据集的数量在2500和10000之间。
30.如上述权利要求20-29中的任一项所述的方法，其中通过使用所述毛细管设备的侧道之间的流速和压力之间的函数关系，所述对应的数据集简化为 -与所述毛细管设备的侧道之间和所述非线性响应设备的侧道之间的压力差(APQ, APC)相对应的流体的属性(C)的对应的数据集，或者 -与所述非线性响应设备的侧道之间的压力差(△ P。)相对应的通过所述设备的流速和所述流体的属性的值(Q，c)的对应的数据集。
31.如上述权利要求20-30中的任一项所述的方法，其中在确定所述流体的一个或多个属性期间，以至少局部地在所述非线性响应设备中产生剪切稀化的流速将所述非牛顿流体馈送通过所述设备的流速恒定。
32.如上述权利要求20-31中的任一项所述的方法，其中在确定所述流体的一个或多个流体属性期间，以至少局部地在所述非线性响应设备中产生剪切稀化的流速将所述非牛顿流体馈送通过所述设备的流速变化。
33.如上述权利要求20-32中的任一项所述的方法，其中所述表征被作为数据库存储在电子存储介质中。
34.如上述权利要求20-33中的任一项所述的方法，其中通过使用计算机来辅助所述方法的执行。
【文档编号】G01N11/08GK103765189SQ201280030624
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年6月22日 优先权日:2011年6月22日
【发明者】弗里多林·奥克尔斯 申请人:丹麦科技大学