用于牛顿流体和非牛顿流体的粘度计的制作方法
【专利摘要】一种粘度计，包括：与质量流量计串联连接的多个毛细管。所述毛细管是光滑的、直的、且不受阻碍的，并且均具有不同的已知恒定直径。差分压力变换器感测跨越每个毛细管的测量长度的差分压力，并且质量流量计感测流体质量流量和流体密度。与质量流量计和差分压力变换器连接的数据处理器使用非牛顿流体模型，基于每个毛细管的已知恒定直径和测量长度、感测到的跨越每个测量长度的差分压力、流体质量流量以及流体密度，计算流经粘度计的流体的粘度参数。
【专利说明】用于牛顿流体和非牛顿流体的粘度计
【技术领域】
[0001]本发明涉及粘度测量，更具体地讲，涉及既能够处理牛顿流体也能够处理非牛顿流体的粘度计。
【背景技术】
[0002]流体粘度在许多工业过程中是关键的普遍测量的参数。各种各样的粘度通常是通过从主过程流体路径中分出少量过程流体流经与主过程流体路径并行连接的粘度计这样的过程中使用。相反，一些嵌入(in-line)设计允许粘度计直接位于主流体路径中，不需要分出过程流体。大多数传统的工业粘度计利用与过程流体接触的旋转部件，并且因此需要轴承和密封以防止流体泄露。在涉及粗糙的、腐蚀性的或造成磨蚀的流体的应用中，这种粘度计可能需要频繁的维护。
[0003]传统的工业过程粘度计非常适合于测量牛顿流体(其中粘度是恒定的)。然而，各种各样的工业应用处理泥浆、浆糊、和塑料，它们的行为是非牛顿方式，并且不适合用传统粘度计进行测量。这种工业应用包括油田钻探(例如，处理钻出的泥浆)、浆糊或塑料制造(例如，处理化妆品或聚合体、或者诸如油漆、石膏或灰泥之类的建筑产品)、炼油(例如，处理润滑油或者燃料油)以及食品处理。
[0004]库爱特(粘度计)中的牛顿流体(即，在彼此相对移动的两个平行的板之间流动)的粘度由下式来描述:
Fdu ^ ,
[0005]7 = =-//丁 [等式 I]
Ady
[0006]其中，F是剪切力，A是每个平面的横截面面积，τ是剪切应力(或等价于动量通量)，μ是粘度，以及du/dy是剪切速率。从该公式进行推断，得到携带牛顿流体流的管子内的剪切应力、剪切速率以及粘度之间的下述关系:
[0007]Trz 二 -//.牛顿流体[等式2]
dr
[0008]其中，Trz是垂直于管子的轴(即，z方向)的半径(r)方向上的剪切应力，以及dVz/dr是相对于r的z方向上的剪切速率。
[0009]等式2描述了牛顿流体(以及基本是牛顿模式的流体)，其中粘度(μ)不随着剪切速率发生变化。然而，非牛顿流体在剪切速率增大时粘度可能变得更大(“剪切增稠”或“膨胀型”流体)或更小(“剪切变稀”或“假塑性”流体)。已经开发出各种各样的经验模型来描述非牛顿流体行为，包括 Bingham 塑 料、Ostwald-de Waele、Ellis 和 Herschel-Bulkley模型(在下文中更深入地进行了描述)。图1描述了针对这些模型中的每个模型，作为剪切速率的函数的剪切应力的示意。在极大程度上，这些模型没有理论基础，但是每个模型都已经表明可以精确地描述非牛顿流体的子集。
[0010]Bingham塑料模型利用了两个粘度相关的参数，“剪切应力”和“表观粘度”，而不是单个牛顿粘度参数。Bingham塑料除非受到剪切应力，否则不会流动。一旦超过临界剪切应力Ttl，则Bingham塑料的行为基本上是牛顿方式，表现出恒定的表观粘度μΑ，示出如下:
【权利要求】
1.一种粘度计，包括: 第一毛细管，具有第一直径D1和第一管长度LT()tl ； 第一差分压力变换器，跨越所述第一毛细管的第一测量长度L1操作以感测第一差分压力ΛP1，所述第一测量长度L1沿所述第一毛细管上被配置为产生稳态层状流的光滑的、直的且不受阻碍的部分延伸； 第二毛细管，流动地串连在所述第一毛细管之后，并且具有第二直径D2和第二管长度Liot2? D2 古 D1 ; 第二差分压力变送器，跨越所述第二毛细管的第二测量长度L2操作以感测第二差分压力ΛP2，所述第二测量长度L2沿所述第二毛细管上被配置为产生稳态层状流的光滑的、直的且不受阻碍的部分延伸； 质量流量计，流动地串连在所述第二毛细管之后，并且能够感测流体密度P和流体质量流量m ;以及 处理器，与所述质量流量计进行数据通信，并且能够使用非牛顿流体模型，基于Dp D2,L1、L2、AP1, ΛΡ2、P和m，计算流经所述第一毛细管、所述第二毛细管和所述质量流量计的流体的粘度参数。
2.根据权利要求1所述的粘度计，其中所述处理器还能够基于ΛΡρΛΡ2、P和m计算流经所述第一毛细管、所述第二毛细管和所述质量流量计的流体的牛顿粘度。
3.根据权利要求1所述的粘度计，其中所述第一管长度1^。?大于或等于U+0.07D1 [Re] i，并且LT(rt2大于或等于L2+0.07 D2 [Re]2，其中[Re]!是流经所述第一毛细管的流体的Reynolds数,而[Re]2是流经所述第二毛细管的流体的Reynolds数。
4.根据权利要求1所述的粘度计，其中所述处理器配置为将所述流体作为Bingham塑料进行建模，并且所计算的粘度参数是表观粘度μ a和临界剪切应力τ 0Ο
5.根据权利要求1所述的粘度计，其中所述处理器配置为将所述流体作为Ostwald-deWaele流体进行建模，并且所计算的粘度参数是表观粘度μ八和相对于牛顿行为的指数偏离程度η。
6.根据权利要求1所述的粘度计，还包括: 第三毛细管，流动地串连在所述第一毛细管和所述第二毛细管之后，并且具有第三直径D3和第三管长度Ll0t3, D3古D1或D2 ;以及 第三差分压力变送器，跨越所述第三毛细管的第三测量长度L3操作以感测第三差分压力ΛP3，所述第三测量长度L3沿所述第三毛细管上被配置为产生稳态层状流的光滑的、直的且不受阻碍的部分延伸；以及 其中所述处理器除了基于Dp DyL^L2' AP1, ΛΡ2、P和m之外，还基于D3、L3和AP3,来计算粘度参数。
7.根据权利要求6所述的粘度计，其中所述处理器配置为将所述流体作为Ellis流体进行建模，并且所计算的粘度参数是Ellis流体等式
8.根据权利要求6所述的粘度计，其中所述处理器配置为将所述流体作为Herschel-Bulkley流体进行建模，并且所计算的粘度参数是临界剪切应力τ ^、表观粘度μ a以及相对于牛顿行为的指数偏离程度η。
9.根据权利要求8所述的粘度计，其中所述处理器配置为通过在使用Bingham塑料模型对Ttl和μ A进行求解与使用Ostwald-de Waele模型对μ A和η进行求解之间交替地迭代，来计算μA和n。
10.根据权利要求1所述的粘度计，还包括温度传感器，所述温度传感器产生感测到的流体温度，所述流体温度被所述处理器用于计算所述粘度参数。
11.根据权利要求1所述的粘度计，其中所述质量流量计是科里奥利效应质量流量计。
12.根据权利要求11述的粘度计，其中所述第一毛细管和所述第二毛细管之一被合并到所述科里奥利效应质量流量计中。
13.一种用于表征流体的粘度的方法，所述方法包括: 跨越光滑的、直的且不受阻碍的第一毛细管的第一长度感测所述流体的第一差分压力，所述第一 毛细管具有恒定的第一直径； 跨越光滑的、直的且不受阻碍的第二毛细管的第二长度感测所述流体的第二差分压力，所述第二毛细管与所述第一毛细管流动地串连，并且具有恒定的第二直径； 在与所述第二毛细管流动地串连的质量流量计中感测流体密度和流体质量流量； 使用所述第一毛细管长度和所述第二毛细管长度、所述第一直径和所述第二直径、所感测到的所述第一差分压力和所述第二差分压力、所述流体密度以及所述流体质量流量，计算非牛顿流体模型的可调粘度参数；以及 在输出信号中输出所计算的可调粘度参数。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述非牛顿流体模型是Bingham塑料模型，并且对可调粘度参数的求解包括对表观粘度μ八和临界剪切应力Ttl的求解。
15.根据权利要求13所述的方法,其中所述非牛顿流体模型是Ostwald-deWaele模型，并且对可调粘度参数的求解包括对表观粘度μ a和相对于牛顿行为的指数偏离程度η的求解。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述非牛顿流体模型是Ellis模型，并且对可调粘度参数的求解包括对Ellis流体等式巩, 中的α、φ0 和Φ1的求解。
17.根据权利要求13所述的方法,其中所述非牛顿流体模型是Herschel-Bulkley模型，并且对可调粘度参数的求解包括对临界剪切应力Ttl、表观粘度μ a以及相对于牛顿行为的指数偏离程度η的求解。
18.根据权利要求17所述的方法,其中对τ0、μΑ和n的求解包括在使用Bingham塑料模型对τ ^和μ A进行求解与使用Ostwald-de Waele模型对μ A和η进行求解之间迭代地交替。
19.一种粘度计，包括: 第一毛细管，耦合到第一差分压力传感器，所述第一差分压力传感器配置为感测跨越所述第一毛细管的稳态区域的第一差分压力； 第二毛细管，与所述第一毛细管流动地串连，并且耦合到第二差分压力传感器，所述第二差分压力传感器配置为感测跨越所述第二毛细管的稳态区域的第二差分压力； 传感器设备，与所述第一毛细管和所述第二毛细管流动地串连，并且能够感测流体质量流量和流体密度；以及数据处理器，基于所述质量流量、密度、沿每个毛细管的差分压力、以及每个毛细管的尺寸，计算流经所述第一毛细管、所述第二毛细管和所述传感器设备的流体的多个粘度参数。
20.根据权利要求19所述的粘度计，其中所述多个粘度参数是从包括Bingham塑料、Ostwald-de Waele、Ellis或Herschel-Bulkley流体模型的组中选择的非牛顿流体模型的自由参数。
21.根据权利要求20所述的粘度计，还包括存储器，配置为存储: 多种算法，用于使用所述流体模型组中的多个流体模型中的任意流体模型计算所述粘度参数；以及 流体模型选择，指定所述多种算法中的要用于计算所述粘度参数的一种算法。
22.根据权利要求21所述的粘度计，其中所述数据处理器是过程变送器的一部分，所述过程变送器配置为向中央控制器报告所述粘度参数。
23.根据权利要求2`2所述的粘度计，其中所述粘度计配置为适合嵌入工业过程流。
【文档编号】G01N11/08GK103512833SQ201210505985
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年11月30日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】罗格·肯尼斯·皮赫拉亚 申请人:罗斯蒙德公司