CN101680822A - 动态往复摆锤流变测定 - Google Patents

Abstract

一种用于进行流变测量的传感器采用铁磁摆锤的形式，该铁磁摆锤被交替驱动沿相反方向借助来自两个被交替驱动的线圈的磁力通过样品流体。摆锤的位置影响线圈之间的互感，因此它能够通过感测在一个线圈中流动的电流在另一个线圈中感生出的信号来被推断出，并且由摆锤运动、线圈电流和传感器几何形状之间的关系来确定流变属性。一些这样的测量的精确度通过计算摆锤的加速度和抑制由此检测的惯性效应而被增强。

Description

动态往复摆锤流变测定

优先权要求

本申请要求以下专利申请的优先权：2007年3月27日提交的题为“Dynamic Reciprocating-Bob Rheometry(动态往复摆锤流变测定)”(代理人案号：CAY-002.01)的U.S.S.N.11/691554，该专利申请的全部内容在此通过引用被特别并入。

技术领域

本发明涉及粘度和相关流体属性的测量。其在采用往复磁性驱动的摆锤(bob)的传感器使用中具有特定应用。

背景技术

一个多世纪以来流体的流变特性一直是研究的对象，并且几乎同样长的时间在实验室进行常规测量以表征最近研制或遇到的流体。用于此目的的器具通常采用一些旋转的圆柱元件以使所感兴趣的流体经历剪切，并且在多种圆柱速度下由该流体对这种剪切的阻力推断出多种流变特性。这样的器具确定的特性实例是流体是否是牛顿流体，其剪切灵敏度是什么，其在剪切应力和剪切速率之间的关系是什么，其屈服应力是什么，以及其在其粘度在更大地受到剪切的情况下进行漂移的意义上是否是复杂的。

这种流变特性确定的方法已经证实十分有效和精确，但是存在一系列应用，在这些应用中所述方法不能证实非常实用。例如，一些研究涉及筛选(screen)很多个配制昂贵的流体。一些这种流体的代价趋向于阻碍研究人员筛选它们。

发明内容

但是本发明人已经认识到通过对这种流变测量应用一定类型的传感器设备大大降低了这种阻碍，所述传感器设备已经用于执行工业粘度测量十多年。

该类型的传感器由Wright的美国专利No.4,864,849中描述的装置来示例。铁磁摆锤由两个线圈沿相反方向交替驱动通过摆锤通道，所述摆锤通道包含将要被测量的流体。流过所述线圈之一的驱动电流汲取沿一个方向通过所述路径的铁磁摆锤。该摆锤的移动引起两个线圈之间的互感变化并因此引起由第一线圈的驱动电流中的AC分量在另一个线圈中感生的信号的幅度变化。通过监控该信号的幅度，电路能够确定摆锤何时到达其行程中的预定点。该电路然后可以转换线圈的功能使得以前的驱动线圈变成感测线圈并且反之亦然，并且摆锤因此转变方向。由于摆锤的几何形状和该摆锤行进所在的通道是已知的，线圈驱动摆锤通过该通道所用的力也是已知的，所以能够由摆锤穿过摆锤路径所用的时间计算出流体粘度。

这种传感器成本低、耐用、并且简单，这种传感器使其实际用于监控像印刷墨水、液压机液体以及涂料那样多变的流体属性，以便例如使它们的特性能够被自动调整或者以经济的最佳间隔触发自动移位。但是本发明人现在已经认识到这种类型的传感器的另一特性另外还使其应用于其它流变测量特别有利：它能够被用在小得足以使其实际用于筛选流体的样本上，所述流体太昂贵而不能用常规实验器具进行筛选。

另外，本发明人已经预先采用这种类型传感器的传感器进行测量。常规地，粘度计算所基于的摆锤速度通过测量摆锤到达例如由检测线圈幅度下降到其峰值的某一预定部分所指示的预定位置所需的时间来确定。由于这种类型的传感器的基本设计允许其以宽范围的几何形状被提供，关键过程变量的自动监控在过去已经通过简单地选择摆锤尺寸和摆锤通道尺度的组合而成为可能，所述组合最匹配对象流体的典型粘度。可是现在本发明人已经认识到给定的单个传感器的范围能够根据实际情况通过测量技术的微小但显著的变化来被扩大。

特别地，本发明人所想出的方法是将速度确定(或其他与速度相关的量的计算)基于由在预定时间检测线圈的输出推断出的位置值。如下面将要解释的，该方法的优点之一是它能够以这样的方式被采用，所述方式即在粘度能够以相对精确度被推断的路径的部分中采用的数据和速度推论趋向于不太精确的部分中采用的数据之间进行区分。还如下面将更详细解释的，使用该方法在摆锤路径的单个行径内进行多位置测量能够使传感器的范围被扩大，甚至不用在摆锤路径的高精确度和低精确度测量的位置之间进行区分。

附图说明

图1是一种类型的往复摆锤传感器的线圈和摆锤组件的简化截面图。

图2是传感器的电路的框图。

图3A和3B(一起称为“图3”)形成传感器用于确定流体的剪切相关性的过程的流程图。

图4是作为摆锤行程的函数的传感器的传感线圈输出的曲线图。

图5A和5B(一起称为“图5”)形成传感器用于确定剪切速率灵敏度的过程的流程图。

图6是包含粘度与剪切速率的关系曲线的图，所述关系曲线由应用于展示出剪切记忆的流体的不同剪切速率序列产生。

图7是作为剪切速率的函数的剪切应力的典型曲线图。

图8是传感器用于检测流体复杂性的过程的流程图。

图9A和9B(一起称为“图9”)是传感器用于确定流体的屈服应力的过程的流程图。

图10A和10B(一起称为“图10”)形成传感器用于测量粘度的过程的流程图。

具体实施方式

图1是能够采用本发明的教导的一种类型的传感器的截面图。传感器10大体上是圆柱形的并且包括两个被分别驱动的线圈12和14，所述两个线圈12和14相互在轴向上移位并且通过外壳16与将被测量粘度或其他属性的液体隔离。但是流体被允许流入中央样品槽(sample well)18，在其入口处设置摆锤保持支架20，其将铁磁摆锤22限制到槽18。交替驱动两个线圈12和14使得摆锤22抵抗样品液体的粘滞阻力而往复运动。

图2描绘了用于获得该结果的控制电路。微处理器24控制AC信号产生器26以使其产生AC信号，加法电路28将该AC信号与来自微处理器控制的数模转换器30的DC信号相加。所得到的加法器28的输出是叠加在DC电压上的低电平AC电压，其电平由微处理器指定。滤波器28将其输出施加到高输出阻抗电流驱动器32，即其输出电流由其输入确定而很大程度上与该电流被驱动所通过的负载无关的驱动器。被微处理器控制的开关34确定来自驱动器32的电流是被施加到线圈12还是线圈14。

微处理器24操作与开关34互补的第二开关36：当开关34将电流施加到线圈12时，开关36将信号施加到AC至DC转换器38，所述信号是线圈12和14之间的互感响应于驱动电流的AC分量在线圈14中产生的。模数转换器40将AC至DC转换器38的输出的数字表示施加到微处理器24，所述数字表示是与DC电压成比例的开关36转送的AC信号的幅度。

模数转换器40在单个摆锤冲程(stroke)期间多次将那些数字幅度值周期性地施加到微处理器24。当摆锤已经到达该冲程中的预定点时，微处理器改变开关34和36的状态使得线圈14是被驱动的线圈并且线圈12是其电压被感测的线圈。

这样的电路可以被用来进行的一种类型的测量是简单的流体特征化(characterization)测量。该测量的目的是区别牛顿流体和非牛顿流体以及假塑性的非牛顿流体和胀流型(dilatent)的非牛顿流体。

将记起的是，绝对(动态)粘度由下式给出：

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\σ}}{r_s},---\left(1\right)$

其中η是粘度，σ是剪切应力(每单位面积的剪切力)，并且r_s是剪切速率(垂直于剪切方向的每单位距离的速度变化)。

如果该粘度与所述剪切速率无关则流体是牛顿流体，如果粘度随着剪切速率增加而减小则该流体是假塑性的(“剪切稀化”)，并且如果该流体的粘度随着剪切速率增加而增加则该流体是胀流型流体(“剪切稠化”)。

示出的系统采用图3的过程来区别所述三种流体类型。如该图的框46表示的，通过选择线圈之一作为驱动线圈，选择另一线圈作为检测线圈，并且采用将被用于表征样品流体的两个电平中的较低电平作为初始驱动电流电平，该系统在第一冲程之前被初始化。

如框48表示的，该系统然后开始以所选的驱动电平驱动电流通过驱动线圈。还如该框表示的，该系统启动将用于确定相对粘度的定时器，并且它开始对检测线圈的信号幅度进行采样。

由线圈电流引起的磁力产生的摆锤位置变化易于改变线圈之间的互感，因而检测线圈的幅度是摆锤位置的函数。图4给出这种函数的实例。如该图示出的，幅度最初随摆锤行程开始而升高。可是最终它达到峰值，其由图3的框50和52表示的循环来检测。如框54表示的，该过程然后继续进行以通过确定检测信号幅度何时下降到这样检测的峰值的预定部分以下来识别摆锤行程的终点。

当该系统由此得出结论摆锤已经到达其终点时，该系统读取定时器以确定摆锤花费了多长时间到达该点，并且它由该定时器值来推断该流体的粘度。在所示的实施例中，它通过使用驱动电平和行走时间的组合来访问(address)包含相应的粘度值的查找表(该查找表被存储在例如由图2的框55表示的数据存储装置中)从而得出该推论。这些值通常将已经通过利用多种已知粘度的流体校准系统而获得。一些实施例可以在存储的值之间进行插值以提高分辨率。其它实施例可以完全省去查找表；所述校准可以改为用于使例如最优逼近多项式的参数达到所观测的校准数据，在该情况下所得到的被确定用于所选驱动电平的多项式将用于根据行走时间来计算粘度。(当然，一些实施例可使用不是多项式的公式和/或是两个或更多个变量(例如驱动电平和行走时间)而不是仅仅一个变量的函数的公式。)

现在，图3总的目的是在两个不同的驱动电流电平和由此的剪切速率下进行粘度测量以及比较结果来确定流体是否为牛顿流体。代替仅采用框56操作的首先发生的结果作为低剪切速率粘度值，所述实施例进行几个这样的测量。如框58所表示的，即，确定它是否已经进行了足够的低剪切速率测量。如果还没有，则它进行另一测量。为此，它转变线圈：如框60所表示的，它采用以前的检测线圈作为新的驱动线圈并且采用以前的驱动线圈作为新的检测线圈。还如该框表示的，该系统通常将在进行该转变之前关断驱动电流。然后在摆锤沿另一方向行进的情况下重复测量操作，并且这种转变持续进行直到进行足够的低剪切速率粘度测量为止。

如框62和64所表示的，系统然后采用高剪切速率电流作为驱动线圈所利用的电平，并且在高剪切速率下进行几个测量。

如框66所表示的，系统然后进行高剪切速率和低剪切速率的相应平均值的测量，它对所述平均值进行比较。如框68、70和72所表示的，系统得出结论该流体是牛顿流体-并且在例如图2的显示器44上产生表示该结论的输出-如果两个平均值之差小于预定容限值。另一方面，如框74、76和78所表示的，如果高剪切速率平均值比低剪切速率平均值小所述容限值以上则由系统显示的输出表示该流体是假塑性的，并且如果高剪切速率平均值比低剪切速率平均值高所述容限值以上，则它表示该流体是胀流型流体。

存在多种应用，其中期望不仅知道该流体是牛顿型的、假塑性的还是胀流型的，而且还知道假塑性或胀流型流体显示出该特性的程度。存在常规用于表示流体显示出这种特性的程度的优点的多个图，并且图5是用于采用它们中的一个的过程的流程图。该特定过程基于许多流体的行为在它们的最高粘度变化状态(regime)下被下面的粘度和剪切速率之间的指数定律关系很好地逼近的观测结果：

$\mathrm{\η}=K{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}^{n-1}---\left(2\right)$

其中η是粘度，K是恒定系数，

是剪切速率，以及n是所谓的灵敏系数。如果灵敏系数n是1(unity)，则流体是牛顿流体。如果0＜n＜1，则流体剪切稀化，即是假塑性的。如果n＞1，则流体剪切稠化，即是胀流型的。

图5的过程操作84-98将被认为与图3过程中的相应操作基本相同，除了代替从仅两个值中选择，步骤84中采用的线圈电流电平从更大数目中选择，并且为该更大数目的驱动电平和由此的剪切速率中的每一个确定平均粘度值。如框100、102、104和106所表示的，系统在那些电平下单步调试(step through)测量并且然后关断线圈电流。

框108表示通过找到产生上述指数定律关系与所测量的平均粘度值的最佳拟合的n值来由平均粘度和剪切速率之间所得到的观测关系确定剪切灵敏度。这样做时，它使用剪切速率和传感器的几何形状支配的逝去时间之间的关系。如框110所表示的，系统产生适当的输出来表示该计算的结果。

如上所述的，指数定律关系趋向于仅应用于流体的最高粘度变化状态，因此由框108表示的操作可以包括通过比较由连续驱动电平得到的粘度值来识别该状态。曲线拟合操作然后将施加于该状态。其它实施例可以改为通过在框84的操作之前进行在宽间隔的驱动电平下进行的初始粘度测量来识别该状态，在该情况下在框104操作中所选的驱动电平能够被限制到指数定律状态下的那些电平。

在任何情况下，框110操作中产生的输出能够采用多个形式中的任何一种。例如，它可以仅是剪切灵敏度n本身的数值。它或许是该值连同就例如剪切速率范围而言的所确定的指数定律关系占优势的状态的指示。另一类型的输出可以是粘度作为剪切速率的函数的关系曲线，除此之外，可能还包括上述数值之一或两者。

特别在后者连接中，考虑有些流体显示出剪切速率“记忆”的事实有时是有益的：它们显示出的粘度能够依赖于它们最近已经经历过的剪切速率。考虑此的一种方式是将图5的操作执行两次，一次是按照升高驱动电平的顺序执行，一次是按照降低驱动电平的顺序执行，并且产生输出曲线，该输出曲线示出所得到的“滞后现象”，其在图6中示出。

通过稍微改变，参考图5描述的用于确定剪切灵敏度的方法还能够用于提供表示作为剪切速率的函数的剪切应力的输出以产生例如诸如图7所描绘的图形输出。特别地，图5B的框108的操作可被这样的操作代替，即在该操作中针对来自该过程的先前测量的相应速率计算剪切应力。

由于已知粘度的流体用于得出(arrive at)所示实施例的查找表或粘度以及驱动电平和行走时间的组合之间的算法关系，那些已知的关系能够用于获得图5A的框94操作中的粘度作为中间值，并且能够根据剪切速率和由此确定的粘度的乘积来计算剪切应力。当然，一些实施例可以改为更直接地获得剪切应力，而不用中间的粘度计算；剪切应力和线圈电流之间的关系能够由传感器几何形状以及线圈电流和所得到的摆锤上的磁力之间的关系(一般是在校准操作期间确定的)来获得。

往复运动摆锤传感器能够用于的另一类型的测量是检测流体复杂性，即检测当流体被剪切时该流体的粘度随时间变化的趋势。图8描绘了用于该目的的方法。该测量可能要在相对延长的时间周期内进行；例如可能使用半小时的持续时间。因此如框112所表示的，操作的初始化包括设置打算用于这样的持续时间的“长时间定时器”。框114、116、118、120、122和124表示的操作将由先前的过程而被熟知为这样的操作：通过这些操作系统使摆锤往复运动并根据其运动进行粘度确定。框126表示该往复运动和粘度测量继续进行直到长时间定时器时间到了为止。一般，利用相同的驱动电流电平在每个冲程上进行该测量。

如框128表示的，该系统然后产生告知(tell)剪切是否已经引起流体的粘度漂移的输出。在所示实施例中，这通过将作为时间函数的被滤波的粘度值的曲线表示为图形输出来进行。滤波器用于噪声抑制并且可以例如产生粘度的指数平均数。其它实施例可以改为或者另外陈述流体是否是复杂的，使该确定基于所检测的变化是否超过某一阈值，并且如果它是复杂的，则基于它是震凝性的(随时间变稠)还是触变性的(随时间变稀)。

往复运动摆锤传感器还能用于确定屈服应力。一些流体直到它们经受了阈值应力才流动，并且图9描绘了用于确定该阈值的一个过程。框130表示总体上对于该过程的初始化，而框132表示对于单个冲程的初始化。如框132表示的，驱动电流最初为零，并且如框134、136、138和140表示的，它递增直到检测线圈的信号表示摆锤已经从初始位置移动为止并且在增加之间有间歇。一旦已经检测到该运动，系统就保持沿相同的方向驱动摆锤(在所示实施例中利用相同的驱动电流)直到它到达在框142表示的操作中所确定的冲程位置的终点为止。如框144、146和148所表示的，系统重复该操作，由当检测到初始移动时施加的电流推断屈服应力并对先前测量的结果求平均，直到进行某一预定次数的这种测量为止。如框150所表示的，该过程然后产生表示平均屈服应力值的输出，尽管如框146所表示的，它也还可以输出中间值。

上述确定粘度的过程通过对摆锤行进经过预定距离进行定时来这样做。在这方面，它们使用的传感器类似于常规方法采用的那些传感器。相比之下，图10的过程通过测量摆锤在预定时间增量内所行进的距离来确定粘度：被测量的量是距离而不是时间。图10采用的特定方法趋向于扩大粘度的范围，给定的传感器能够用于测量该范围。它通过进行增量速度测量来这样做：它在单个摆锤冲程或更小的跨距内进行多个测量。该过程可仅用于进行粘度测量或者它可用作更精细的流变测量的组成部分。它能够例如替代图3的框50、52、54和56的操作、图5的框88、90、92和94的操作以及图8的框116、118、120和122的操作。

为了将变得明显的目的，图10的过程开始于框152表示的初始化操作。该初始化操作包括设置标记为表示摆锤运动当前处于加速状态而不是终极(terminal)速度状态的情形。另外，系统将终极速度测量计数器重置为零，如框152所表示的。如下面将更详细描述的，该计数器指示在终极速度状态下已经进行了多少单个速度测量。

利用该标记和计数器设置，系统开始以上面解释的方式电磁地驱动摆锤。周期性地在所得到的摆锤冲程期间它测量检测线圈的输出信号的幅度，如框154所表示的。通过采用上述方法之一，系统然后将幅度测量转换为位置值，如框156所表示的。

这些位置测量将用于在沿冲程的多个点处计算速度。当然，可以由仅两个位置测量进行速度确定，并且一些实施例可以采用仅两个位置测量用于每个速度计算。然而，为了抑制噪声的目的，其它实施例可以采用三个或更多的位置测量并使用某一类型的滤波方法来得出速度值。

由于速度计算需要多个位置测量，因此并不充足的位置值在最初是可用的。因此如框158所表示的，系统直到获取了足够的位置值才计算速度值。在获取了足够的位置值之后，通过使用作为与用于先前速度计算的窗口重叠的位置测量窗口，系统针对每个随后的位置值计算速度，如框160所表示的。如果流体是相对非粘性的，则摆锤可以在它达到它的终极速度之前行进经过其冲程的显著部分。在该初始的、其冲程的终极速度之前部分中观测的速度部分地由惯性效应得到，因此在该状态下进行的粘度确定的精确度可能受损害，如果没有进行适当的预防措施来考虑那些惯性效应的话。

图10描绘的过程采用两个替换方法来进行这种预防措施。首先是仅在冲程的该初始部分中避免速度测量。如上面提到的，系统在冲程的开始时假定摆锤处于加速阶段，其中惯性明显地影响摆锤速度。采用下面将描述的方式，系统因此测试位置测量来确定它是否应当假定摆锤已经达到其行程的终极速度部分。框162表示检查表示该系统是否已经断定已经达到该状态的标记。如果还没有假定终极速度状态，即如果该标记表示系统还没有断定摆锤已经达到其终极速度，则传感器确定这种断定现在是否是合理的。如框164表示的，它通过确定刚刚计算的速度是否超过先前确定的速率某一预定增量来执行上述。如果没有，则系统将标记转变为终极速度状态表示的值，如框166表示的。

一旦摆锤已经进入终极速度状态，则其后进行的某一数量的速度确定将是粘度计算的基础。为了记住是否已经进行了必需数目的终极速度测量，系统使用计数器，框168表示该计数器增加。如框170表示的，系统然后返回进行终极速度状态测量中的另一个测量，如果摆锤没有到达其行程的终点的话。

行程终点确定可以以上述方式进行，其中它基于检测线圈输出是否已经下降到其峰值的预定部分。但是对于一些传感器布置来说更精确的另一方法是观测摆锤是否已经达到硬停止(hard stop)，即确定两个连续位置测量是否相等或几乎相等。

在任何情况下，框170的操作的结论通常将会是摆锤还没有到达其行程的终点，因此系统返回进行另外的终极速度状态测量。这次，由图5的框162表示的确定是肯定的，表示系统的结论是已经达到终极速度状态，因此系统不返回框164确定。代替地，它执行框172表示的操作，其中它读取终极速度计数器来确定是否已经进行足够的终极速度测量来为粘度计算提供好的基础。如果没有进行足够的终极速度测量，则该速度测量仅被存储，并且系统重复增加终极速度计数器和进行行程终点确定的框168和170的操作。该循环在大部分情况下持续进行，直到框172的确定是肯定的为止，即直到已经进行足够的终极速度状态测量为止。当已经进行足够的终极速度状态测量时，所述过程执行对在终极速度状态下进行的速度测量求平均的框174的操作；该平均值仅基于那些测量并且不基于在初始的、加速状态期间观测的速度中的任何一个。

在一些实施例中，由框172的确定应用的标准可以不是固定数量的终极速度状态速度测量；系统例如可以仅继续进行终极速度状态速度测量直到摆锤到达其冲程的终点为止，并且由此进行的所有测量有助于该平均值。然而在其它实施例中，该标准可以是预定数目使得第一粘度(或其它与速度相关的量)计算可以在整个冲程结束之前被完成。冲程的其余部分然后能够用于可能基于不同驱动电流的粘度(或者例如剪切速率)的另一计算。

如框176所表示的，系统以上述方式之一由平均速度值推断粘度(或某一其它的与速度相关的量)。该过程在产生表示该值的适当输出的框178的操作之后结束。在一些情况下，该输出将仅是人可读取的显示器上的表示。在其它情况下，它可以例如作为一个构成输入(constituent input)被提供到基于某一数量的这类值或基于一个或多个这类值连同一个或多个其它物理量的值的某一流体特性确定。

如上面提到的，该过程实际上提供两个替换方法来确定粘度。刚刚描述的第一个方法用于这样的情形：在该情形中终极速度状态的持续时间足够长以提供充足的终极速度状态测量来用于确定粘度或其它期望的量。然而在一些情况下，粘度如此低以致于在终极速度状态下进行了太少的速度测量。在这种情况下，框170的确定最终将是肯定结果：摆锤将在进行足够的终极速度状态测量之前到达其行程的终点。

在该情形下，系统采用替换方法，其中它通过用数学方法匹配动态运动曲线与在冲程期间进行的位置测量来推断速度。例如，系统可能先前已经确定样品流体是牛顿流体。在该情况下，它可以假定运动方程式是下面的形式：

$m=\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dt}}^2}+k_g\mathrm{\η}\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dt}}=F---\left(3\right)$

其中m是摆锤质量，y是其位置，k_g是几何形状确定的系数，该系数使摆锤上的粘滞阻力与流体的粘度η以及摆锤的速度相关，F是(在所示实施例中，是基本恒定的)摆锤上的磁力。对于t＝0时边界值y＝dy/dt＝0，该微分方程的解是：

y(t)＝[t-(1-e^-t/τ)τ]v_T        (4)

其中v_T＝F/k_gη是摆锤的终极速度，τ＝m/k_gη是时间常数，在该时间常数情况下摆锤的速度接近v_T。

由于力F和系数k_g将是已知的，因此流体的粘度能够由摆锤运动的时间常数τ或终极速度v_T来计算。因此所有必需的是使用某一曲线拟合过程来找到导致所观测的位置值与上述微分方程解的最佳匹配的时间常数。例如一种方法是通过假定等于例如刚观测的冲程时间的试验时间常数开始并使用该假定的时间常数值来根据下面的方程式由多个观测的(时间、位置)对中的每一个计算相应的终极速度值：

$v_T=\frac{y\left(t\right)}{t-(1-e^{-t/\mathrm{\τ}})\mathrm{\τ}}---\left(5\right)$

如果该假定的时间常数是正确的，则由此确定的每个终极速度值将大致相同。然而，如果该假定的时间常数太低，它们将随时间升高，并且如果该假定的时间常数太高，则它们将随时间降低。通过采用那些事实，系统能够通过逐次逼近(successive approximation)得出正确的时间常数，并由此得出正确的粘度值。

通过采用本发明的教导，可以经济地进行宽范围的流变测量。本发明因此构成本领域中的显著进步。

Claims (40)

1.一种流体表征方法，包括：

A)以这样的方式驱动电流通过第一线圈以便由此磁性地驱动铁磁摆锤通过被样品流体占据的摆锤路径并且通过互感在第二线圈中感生出合成检测线圈信号，所述合成检测线圈信号依赖于沿摆锤路径的摆锤位置；

B)在摆锤路径的单行径期间在多个时间处进行对检测线圈信号的值的测量；

C)由这样测量的检测线圈信号的值来确定相应的摆锤位置；

D)由多个这样确定的摆锤位置来确定样品流体的流变特性；以及

E)产生表示由此确定的流变特性的表征器输出信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中确定流变特性包括计算样品流体的粘度。

3.如权利要求1所述的方法，其中确定流变特性包括减轻惯性效应。

4.如权利要求3所述的方法，其中确定流变特性包括计算样品流体的粘度和在这样做的过程中减轻惯性效应。

5.如权利要求1所述的方法，其中确定流变特性包括：

A)由确定的摆锤位置计算多个速度值；

B)根据连续的所述速度值的比较将在单行径中进行的测量的序列分类成加速状态和终极速度状态；以及

C)提供由在终极速度状态下进行的测量而不用在加速状态下进行的测量来确定流变特性的基础。

6.如权利要求5所述的方法，其中确定流变特性包括由在终极速度状态下进行的测量而不用在加速状态下进行的测量来计算样品流体的粘度。

7.如权利要求1所述的方法，其中：

A)该方法还包括如此驱动电流通过第二线圈以便由此磁性地驱动铁磁摆锤向后通过摆锤路径并由互感在第一线圈中感生出合成检测线圈信号，所述合成检测线圈信号依赖于沿摆锤路径的摆锤位置；以及

B)摆锤位置另外还由在摆锤被驱动向后通过摆锤路径时在多个时间处测量的检测信号的值来确定。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述表征器输出信号表示样品流体是否是牛顿流体。

9.如权利要求8所述的方法，其中如果所述表征器输出信号表示该流体不是牛顿流体，那么所述表征器输出信号还表示该流体是剪切稀化流体还是剪切稠化流体。

10.如权利要求1所述的方法，其中表征器输出表示样品流体的粘度对剪切速率的敏感程度如何。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述表征器输出表示作为样品流体经历的剪切的函数的样品流体上的剪切应力。

12.如权利要求1所述的方法，其中：

A)驱动铁磁摆锤通过摆锤路径在整个测量持续时间内重复发生；以及

B)表征器输出信号表示作为摆锤被重复驱动通过流体多长时间的函数的样品流体的粘度。

13.一种流体表征器，包括：

A)铁磁摆锤类型的器具，包括：

i)样品槽；

ii)设置在所述样品槽中的铁磁摆锤，用于沿摆锤所通过的摆锤路径在第一和第二方向上往复运动；以及

iii)第一和第二线圈，其被相对于所述样品槽如此设置使得被驱动通过第一线圈的电流产生趋向于沿第一方向驱动摆锤的磁力，被驱动通过第二线圈的电流产生趋向于沿第二方向驱动摆锤的磁力，并且在线圈之间的互感依赖于摆锤的位置；

B)控制电路，其包括：

i)驱动器电路，用于如此驱动包括AC分量的电流通过至少第一线圈以便在至少第一方向上驱动摆锤通过样品槽所包含的流体；

ii)传感器电路，用于感测被驱动通过线圈之一的AC分量在另一线圈中通过互感而引起的信号并且用于产生表示其的传感器输出，以及

iii)计算电路，用于由所述传感器输出产生表示下述中的至少一个的表征器输出：

a)流体的屈服应力；

b)作为流体经历的剪切的函数的流体上的剪切应力；

c)该流体是否是牛顿流体；

d)流体的粘度对剪切速率的敏感程度如何；以及

e)作为摆锤被驱动通过流体多长时间的函数的流体的粘度。

14.如权利要求13所述的流体表征器，其中所述表征器输出表示该流体的屈服应力。

15.如权利要求13所述的流体表征器，其中所述表征器输出表示作为流体经历的剪切的函数的流体上的剪切应力。

16.如权利要求13所述的流体表征器，其中所述表征器输出表示该流体是否是牛顿流体。

17.如权利要求13所述的流体表征器，其中如果该流体不是牛顿流体，那么所述表征器输出表示该流体是剪切稀化流体还是剪切稠化流体。

18.如权利要求13所述的流体表征器，其中所述表征器输出表示流体的粘度对剪切速率的敏感程度如何。

19.如权利要求13所述的流体表征器，其中所述表征器输出表示作为摆锤被驱动通过流体多长时间的函数的流体的粘度。

20.如权利要求13所述的流体表征器，其中所述驱动器电路如此驱动包括的电流通过第一和第二线圈以便交替地沿第一和第二方向驱动摆锤通过样品槽所包含的流体。

21.一种流体表征器，包括：

A)铁磁摆锤类型的器具，其包括：

i)样品槽；

ii)设置在所述样品槽中的铁磁摆锤，用于沿摆锤所通过的摆锤路径在第一和第二方向上往复运动；以及

iii)第一和第二线圈，其被相对于所述样品槽如此设置使得被驱动通过第一线圈的电流产生趋向于沿第一方向驱动摆锤的磁力，被驱动通过第二线圈的电流产生趋向于沿第二方向驱动摆锤的磁力，并且在线圈之间的互感依赖于摆锤的位置；以及

B)控制电路，其包括：

i)驱动器电路，用于如此驱动包括AC分量的电流通过第一和第二线圈以便沿至少第一方向驱动摆锤通过所述样品槽所包含的样品流体；

ii)传感器电路，用于在摆锤路径的单行径期间在多个时间处测量被驱动通过线圈之一的AC分量在另一线圈中通过互感而引起的检测线圈信号的值并且用于产生表示其的传感器输出；以及

iii)计算电路，用于

a)由这样测量的检测线圈信号的值确定相应的摆锤位置；

b)由这样确定的多个摆锤位置确定样品流体的流变特性；以及

c)产生表示这样确定的流变特性的表征器输出信号。

22.如权利要求21所述的流体表征器，其中确定流变特性包括计算样品流体的粘度。

23.如权利要求21所述的流体表征器，其中确定流变特性包括减轻惯性效应。

24.如权利要求23所述的流体表征器，其中确定流变特性包括计算样品流体的粘度和在这样做的过程中减轻惯性效应。

25.如权利要求21所述的流体表征器，其中确定流变特性包括：

A)由所确定的摆锤位置计算多个速度值；

B)根据连续的所述速度值的比较将在单行径中进行的测量的序列分类成加速状态和终极速度状态；以及

C)提供由在终极速度状态下进行的测量而不用在加速状态下进行的测量来确定流变特性的基础。

26.如权利要求25所述的流体表征器，其中确定流变特性包括由在终极速度状态下进行的测量而不用在加速状态下进行的测量来计算样品流体的粘度。

27.如权利要求21所述的流体表征器，其中：

A)所述驱动器电路如此驱动电流通过第二线圈以便由此磁性地驱动铁磁摆锤向后通过摆锤路径并由互感在第一线圈中感生出合成检测线圈信号，所述合成检测线圈信号依赖于沿摆锤路径的摆锤位置；以及

B)所述计算电路另外由在摆锤被驱动向后通过摆锤路径时在多个时间处测量的检测信号的值来确定摆锤位置。

28.如权利要求21所述的流体表征器，其中所述表征器输出信号表示样品流体是否是牛顿流体。

29.如权利要求28所述的流体表征器，其中如果所述表征器输出信号表示该流体不是牛顿流体，那么所述表征器输出信号还表示该流体是剪切稀化流体还是剪切稠化流体。

30.如权利要求21所述的流体表征器，其中表征器输出表示样品流体的粘度对剪切速率的敏感程度如何。

31.如权利要求21所述的流体表征器，其中所述表征器输出表示作为样品流体经历的剪切的函数的样品流体上的剪切应力。

32.如权利要求21所述的流体表征器，其中

A)驱动铁磁摆锤通过摆锤路径在整个测量持续时间内重复发生；以及

B)所述表征器输出信号表示作为摆锤被重复驱动通过流体多长时间的函数的样品流体的粘度。

33.一种流体表征方法，包括：

A)提供铁磁摆锤类型的器具，所述铁磁摆锤类型的器具包括：

i)样品槽；

ii)设置在所述样品槽中的铁磁摆锤，用于沿摆锤所通过的摆锤路径在第一和第二方向上往复运动；以及

iii)第一和第二线圈，其被相对于所述样品槽如此设置使得被驱动通过第一线圈的电流产生趋向于沿第一方向驱动摆锤的磁力，被驱动通过第二线圈的电流产生趋向于沿第二方向驱动摆锤的磁力，并且在线圈之间的互感依赖于摆锤的位置；

B)如此驱动包括AC分量的电流通过第一和第二线圈以便沿至少第一方向驱动摆锤通过样品槽所包含的流体；

C)感测被驱动通过线圈之一的AC分量在另一线圈中通过互感引起的信号；

D)产生表示其的传感器输出，以及

E)由传感器输出产生表示下述中的至少一个的表征器输出：

i)流体的屈服应力；

ii)作为流体经历的剪切的函数的流体上的剪切应力；

iii)该流体是否是牛顿流体；

iv)流体的粘度对剪切速率的敏感程度如何；以及

v)作为摆锤被驱动通过流体多长时间的函数的流体的粘度。

34.如权利要求33所述的方法，其中所述表征器输出表示该流体的屈服应力。

35.如权利要求33所述的方法，其中所述表征器输出表示作为流体经历的剪切的函数的流体上的剪切应力。

36.如权利要求33所述的方法，其中所述表征器输出表示该流体是否是牛顿流体。

37.如权利要求36所述的方法，其中如果该流体不是牛顿流体，那么所述表征器输出表示该流体是剪切稀化流体还是剪切稠化流体。

38.如权利要求33所述的方法，其中所述表征器输出表示流体的粘度对剪切速率的敏感程度如何。

39.如权利要求33所述的方法，其中所述表征器输出表示作为摆锤被驱动通过流体多长时间的函数的流体的粘度。

40.如权利要求33所述的方法，其中电流被如此驱动通过第一和第二线圈以便交替地沿第一和第二方向驱动摆锤通过样品槽所包含的流体。

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