CN102713560A - 获取流变学特性值的探测器及方法 - Google Patents

Abstract

探测器可以包括一个底部和一个阻抗元件，该阻抗元件从底部延伸，并且，当阻抗元件被流变学物质浸没并且在其中运动时，该流变学物质施加一阻力在阻抗元件上。利用在低速范围和高速范围内的阻力的指示值，获得流变学特性。

Description

获取流变学特性值的探测器及方法

相关申请/在先权利要求的交叉引用

本申请要求美国临时申请号61/249,321，申请人于2009年10月7日递交，其内容在此合并。

背景技术

流动学是对于流动物质的一项研究。本发明特别涉及软固体的流动，该软固体显示了类液行为。许多应用能受益于甚至需要物质的流变特性的测量，特别是在这种特性会随着时间发生变化的情况下。

混凝土是一个很好的例子，一旦混合后，混凝土通常会在一个搅拌机内不断搅拌混合以在凝固前延长其寿命，搅拌机通常安装在卡车上。然而，即使搅拌机延长了混凝土的寿命，这并不能使它无限延续下去，混凝土在混合器内的流变学特性，例如粘性和屈服(yield)等可以随着时间而改变。因为这个原因，在具体应用前，坍落度试验(slump test)这样一个普遍的测试方法常被用来监控“可使用性”。坍落度测试包括从搅拌机内取出混凝土，将其放置在一个定高的切去顶端的圆锥体内，拿掉圆锥体，等待混凝土稳定，然后测量混凝土坍落的距离。

在食品工业中给出另一个例子，有些流变特性会在烹饪或其他化学反应中改变，测量流变特性能够使得在烹饪过程中在已经完成某一步之时提供一个标记。

有许多现代化的获得流变性质的方法，但是每一个都有诸多限制。这将为发展提供空间。

发明内容

考虑到一个方面，提供一独立标准的工具，该工具可以被当作一个探测器，它既具有检测由于待表征物质施加的移动(movement)或压强(pressure)所对应的阻抗的方法，也具有检测探测器相关物质的移动速度的方法，从中可以计算出流变性质例如屈服以及粘度，可以提供一个重大的改进，特别是当用在例如一个旋转的容器的壁时，其与外部单元的通信产生了挑战。

因此，根据本发明的一个方面，提供一种流变学探测设备(unit)，用于围绕自身轴旋转并且内部含有具有流变性质的物质的圆柱形容器内，该流变学探测器设备包括：一能够安装在圆柱形容器壁上的底部；一阻抗元件(resistance member)，当所述底部被安装在所述圆柱形容器上时，所述阻抗元件沿着径向从所述底部延伸，并且当所述阻抗元件由于所述圆柱形容器的旋转而被浸没并且在其中移动之时，流变学的物质在所述阻抗元件之上施加一个压阻(resistance pressure)；一力传感器，其适合于在给定的时间点提供力值指示压阻；一速度传感器，其适合于提供速度值指示速度，当所述阻抗元件在给定时间点移动至所述物质，在低速范围和高速范围时；一电源；以及一发射器。

考虑到另一方面，测量由待表征物质施加的移动的阻力，其造成独特的问题，留待解决。因此，考虑到本发明的另一方面，提供一种：流变学探测器，用于获得物质的至少一个值指示流变学性质，所述流变学探测器浸入在所述物质内，并且相对所述物质横向移动，流变学探测器设备包括：一底部；一内部元件，所述内部元件固定连接所述底部并延伸远离所述底部，所述内部元件依次(in succession)具有靠近所述底部的基部、一远离所述底部的形变部分，以及一顶端；一外壳部件从所述顶端向下沿着所述所述形变部分以及基部延伸覆盖所述内部元件，当受到由所述流变学物质内的相对移动施加的压阻(resistance pressure)时，所述外壳部件绕一根延伸穿过所述基部的轴转动，并且所述外壳部件与所述顶端连接以传递由于压阻造成的力，并且因此使得形变部件弹性地变形；以及一个形变传感器，其安装在所述形变部分上，用于提供一个压阻指示的值。

因此，考虑到本发明的另一方面，提供一种探测器，用于确定容器内容纳的流体的至少一个流变学特性，所述探测器包括：一具有测压元件的内部元件；一外部元件，适合于与所述流体接触放置，所述外部元件受到所述流体施加的压强并且适合于传递所述压强造成的力至所述内部元件，并且因此使测压元件变形，所述测压元件由此提供值指示所述形变；一连接所述内部元件的底部，通过所述外部元件和所述底部防止所述测压元件与所述流体接触；至少一个位置传感器，用于提供所述探测器的位置指示；一电子模块，与所述测压元件以及所述至少一个位置传感器电子通讯，所述电子模块具有一处理单元，用于基于所述位置的指示确定探测器的速度值，并且基于所述探测器的速度值以及从测压元件获得的形变值来确定所述流体的至少一个流变学特性；其中，当所述探测器在容器内的流体内被转移时，不需要从容器内取出流体的样品在外部分析，流体的所述至少一个流变学特性被确定。

考虑到本发明的另一方面，提供一种确定容器内容纳的流体的至少一个流变学特性的方法，所述方法包括：利用至少一个位置传感器提供所述探测器的位置值的指示；感测探测器上流体施加的力造成探测器的外部元件的形变，并提供所述形变的值的指示；利用所述形变的所述值，确定当接触到所述容器内的所述流体时施加到所述探测器的力的值；利用所述确定的位置值确定所述探测器的速度值；以及基于所述探测器的速度值以及施加到所述探测器的力的值确定流体的至少一个流变学特性；其中，当所述探测器在容器内的流体内被转移时，不需要从容器内取出流体的样品在外部分析，确定流体的所述至少一个流变学特性。

考虑到本发明的另一个方面，提供一种探测器，其适合于随搅拌器移动，用于确定流体的至少一个流变学特性，所述探测器包括：一外部元件，当受到流体施加的力时会产生形变，所述外部元件包括：一内部元件连接至底部，用于承载(holding)一测压元件以适应变形；一测压元件包括一与内部元件连接的第一端，以及一与外部元件连接的第二端，用于感测流体施加在外部元件上的力，并且受该力发生形变，以及确定一力的值，所述测压元件的形变与所述外部元件的形变成正比；以及一底部，其连接至所述外部元件以及内部元件，所述底部适合于安装在搅拌器的内壁上，所述底部包括：一电子模块，其与测压元件电子通信，所述电子模块具有至少一个位置传感器，该位置传感器设置在一个轴上，该轴与搅拌器向量径(radiusvector)平行，以确定探测器的位置值，以及一处理单元用于确定探测器的速度值，并且当探测器在搅拌器内运作时，不需要从搅拌器内取出流体的样品在外部分析，处理单元基于所述探测器的速度值以及测压元件获得的力的值确定流体的至少一个流变学特性；所述处理单元同步所述流体施加到外部元件上的力以及位置值以确定速度值。

考虑到本发明的另一个方面，提供一种探测器，适合于随搅拌器移动，用于确定流体的至少一个流变学特性，所述探测器包括：一外部元件，当受到流体施加的力时会产生形变，所述外部元件包括：一内部元件连接至底部，用于承载一测压元件以适应变形；一测压元件包括一与内部元件连接的第一端，以及一与外部元件连接的第二端，用于感测流体施加在外部元件上的力，并且受该力发生形变，以及确定一力的值，所述测压元件的形变与所述外部元件的形变成正比；以及一底部，其连接至所述外部元件以及内部元件，所述底部适合于安装在搅拌器的内壁上，所述底部包括：一电子模块，其与测压元件电子通信，所述电子模块具有至少一个加速计确定探测器的位置值，以及一处理单元用于确定探测器的速度值，当探测器在搅拌器内运作时，不需要从搅拌器内取出流体的样品在外部分析，处理单元基于所述探测器的速度值以及测压元件获得的力的值确定流体的至少一个流变学特性。

考虑到本发明的另一个方面，提供一种用于确定搅拌器内流体的至少一个流变学性质的方法，所述方法包括：利用至少一个加速计确定一个探测器的位置值；侦测由于流体施加在探测器上的力造成的探测器的外部元件的形变；确定当探测器在搅拌器内运作时，施加到其之上的力值；利用所确定的位置值确定探测器随搅拌器运动的速度值；以及，不需要从搅拌器内取出流体的样品在外部分析，基于所述探测器的速度值以及当所述探测器在搅拌器内运作时施加到所述探测器的力的值确定流体的至少一个流变学特性。

附图说明

本发明的特点和优势将由以下描述结合附图来进一步说明，其中：

图1是搅拌卡车的侧视图；

图2是图1中搅拌器在线2-2截面的横截面，作为探测器的例子；

图3是图2的探测器的纵向横截面图；

图4是图2的探测器的结构示意图；

图5是向量的原理图，该向量用于根据一个实施例来测定一个探测器的速度值；

图6A和6B是校准数据的图表；

图7是图2所示的探测器在操作过程中的速度值相对压强(pressure)的图表；

图8是根据一个实施例的方法的流程图；

图9是另一个探测器示例的部分截面示意图；

图10是探测器另一个实例的结构示意图。

请注意，本发明的所有附图中，所对应的元件都由对应的数字所标记。

具体实施方式

如图1所示，其中提供了一个可能的探测器的例子，其用于获得搅拌卡车的搅拌器2内的混凝土流变特性。图1显示卡车的侧视图，并示意性示出搅拌器2内的探测器10，其用于获得流变性质信息。其能够进一步获得例如混合速度和方向、流体流动性、流体温度的信息，这将会进一步在后文中详细解释。由于在搅拌容器内引入有线连接(wired connection)具有困难，因此探测器通过无线连接将数据传送给接收机3，并且探测器能够自供电。在搅拌卡车内，搅拌器的旋转轴6相对垂直倾斜较大。

根据该实施例，混凝土将作为参考，该混凝土是作为被流变学表征的物质；但是，探测器能够被用于另一个不同于搅拌器2的容器或接收器，无论是转动还是不转动的，其能够包含其他展示出流变性质(例如食品制造业的液体，油漆工业，石油工业等)的物质。相似的搅拌器并非必须提供在卡车上，其他形式的搅拌器中也可以使用。例如，搅拌器可以是一个工业搅拌器，一个包括高剪切搅拌器(high shear mixers)的混合系统，液体连续搅拌机(in-line mixer)，或搅拌机(agitator)。

参照图2，显示了一个探测器10的具体实例。在这个例子中，探测器10具有一个底部11，其被贴置在搅拌器2的内壁上。例如在搅拌卡车内，探测器10可以放置在混合器2的检查门上，底部可以有一个可开启的露在容器外面的末端，用于操作例如维护。在使用中，探测器10可以在搅拌器2内部以箭头5所示的方向旋转，或者以相反的方向旋转，这取决于搅拌器是在例如搅拌还是在卸货。在两种情况下，由于地球引力和其自身的粘性，混凝土始终保持在混合器底部。因此探测器10在每次旋转和移动中都浸入混凝土内。混凝土施加了与探测器10运动方向相反的如图示箭头方向的压阻。探测器10随后能够直接测量参数，例如探测器的位置，力(或者由探测器上物质所施加的压阻)，温度等等。接着，探测器10能够利用这些参数去确定速度，然后再根据这些例如速度和力的值来获得流体性质的信息(indication)例如粘性，屈服(yield)，以及内聚力等信息。可以由任何适当的能够应对潜在苛刻环境的材料来制作探测器10。

在另一个实施例，例如，接收器(recipient)可以被固定并且一个探测器可以手动移动，通过在容器上面提供一个轨道(rail)或者其他移动部件，这个移动部件能够用作可控选择地在对应速度下转移探测器。

请参考图3，是一个探测器10的纵向横截面图。底部11包括板，可以适合于安装在搅拌器2的壁上，从搅拌器的内部或外部，例如利用在板和/或搅拌器的壁上凿孔。

底部11垂直延伸进入混合器2并且提供一个空腔12，该空腔12能够容纳并保护电子模块18，电源19以及一个发射机20。该发射机20能够从探测器10中传输数据至接收器3。

电子模块18能够通过例如可替换的或可充电的电池供电。在一个实施例中，电子模块18能够通过各种运算法则来减少其电能需求，因此能够维持例如关闭在传输过程中的无线电传输器，当搅拌器2不旋转时减少其处理速度等等。在另一个实施例中，电池可以是充电电池，结合有一个或多个电压源例如太阳电池板，或者感应电圈以进一步减少维护。

探测器10包括内部元件15，其与底部11连接并延伸入混合器2。通过螺栓或螺丝钉，内部元件15与底部连接。内部元件15也可以附属于底部11并且通过封条17保持在合适位置。

探测器10包括外部元件13，其接收来自物质的压阻(resistancepressure)。外部元件13包括内部空腔，其允许外部元件13覆盖测压元件14以及底部11的内部元件15。外部元件13由铰链16贴置于底部11上。铰链16将外部元件13和底部11保持在适当位置，并且允许当探测器10在搅拌器2中运作时，外部元件13的顶部能从左至右轻微的移动。通过连接44，(在这个情况下，为一桥台(abutment)连接，籍由桥台相对(against)螺栓一端)，由于物质施加压强导致的外部元件的移动被传输至内部元件的形变部分。形变部分43(在这个情况下是一个金属板)的变形会被所使用的测压元件14感测到，其例如可包括一个或多个变形测量器42。顶盖45被放置在外部元件13的一端上。

在一个实施例中，外部元件13，内部元件15和底部11可以为圆柱体。然而，应该被理解为，外部元件13，以及底部11能够可选择的为一个矩形的，六角形的，卵形的，或任何其他形状。可以被理解的是，这些与混合物相关联元件的形状将会影响探测器10在混合物中的阻抗(resistance)。

在另一个实施例中，内部元件15能够有矩形的，六角形的，卵形的，或任何其他形状。可以被理解的是，内部元件的形状不会影响到探测器的操作。

阻抗元件的高度，或者更具体来说为在上述实施例中的外壳，能够被选择的作为物质性质的一项功能进行表征。特别的，软固体在特定的范围(characteristic scale)内，具有相对的均一性，其能够达到在物质中可预期的最大集料(aggregates)。以混凝土为例，特定的范围为分米数量级。因此，阻抗元件的长度或高度将被选择为在这个数量级以内，然而在一个替换的用于分析其他物质的实施例中，具有不同特定的范围，阻抗元件的长度和高度能够适合于一个特定的范围的功能。

在一个特别的实施例中，为了提供一个真实的全面的描述，探测器可以为例如总高为40厘米(或4分米)，在这个情况下，外部元件可以为30厘米(或3分米)，并具有一个3.5厘米半径，底部11具有一个4.5厘米外部半径，目的是给出一个全面的示例。一个影响施加到外部元件或外壳的压强总值的特征为其表面积。因此，例如，一个可选择的实施例中，阻抗元件是较宽的，则可选择的，其可以更短。当被用在搅拌器2中，底部能够与约6cm的板一起贴合在搅拌器2的内壁上。

请参见图4，这是本发明探测器10的电子模块18一实例的示意图。在这个实施例中，电子模块18包括一个电放大器61。变形测量器42上电压的变化在几个毫伏数量级内，因此在其被使用之前其需要由放大器61来放大。电放大器61放大了由变形测量器42感测到的电压变化。接着，通过处理单元62处理电压变化，以获得一个压强(pressure)或力(force)的信息，该压强或压强最初通过流体被应用在外部元件13上。处理单元62包括一个运算法则的指令63。由处理单元62执行指令并测定流体的流变数据。处理单元62包括软件和硬件部分以执行不同的运算法则以处理由探测器10测得的参数。

电子模块18可以包括多个传感器，例如位置传感器和温度传感器。图4示意了一个位置传感器65以及一个温度传感器64。探测器可以具有存储器例如一个低速存储器67，一个高速存储器68用于存储由探测器10上的多个传感器的测量结果。

温度传感器64感测探测器10的内部温度。当探测器10在流体内移动时，在稳定延迟之后，探测器10的内部温度稳定在流体温度。因此，温度传感器64测量流体温度。探测器10可以使用一个负温度系数(NTC)电阻器，其也被称为电热调节器。在另一个实施例中，其他形式的传感器也可以被使用，例如电阻温度探测器(RTDs)，半导体温度传感器等等。

可以将流体温度用作计量配料装置上的质量产品控制信息。例如，在一个实施例中，在一个特定温度下，冰可以被添加以用于维持在混凝土搅拌卡车内的混凝土。在这种情况下，温度传感器64被用于反馈混凝土的温度。温度传感器能够不断的测量并且提供混凝土的温度以确定需要添加至混凝土搅拌器的冰块的量。

位置传感器65包括例如微电子机械系统(MEMS)加速计。该加速计可以被放置在例如搅拌器轴的轴向位置，因此其受到向心加速度和地球重力加速度的影响以获得角坐标的信号指示。在这个实施例中，处理单元62将计时器或定时器与角坐标读取结合以确定探测器的旋转速度。当探测器10工作的时候并且在其旋转至搅拌器2中的混合物的最深处时，处理单元62将测压元件的读取以及角坐标传感器同步以系统地解释探测器10的测量结果。

获取搅拌器2旋转最深处的测量值确保了当获取数据时探测器位于混合物内。使用加速计能够使其确定最深处。

可选择的，通过不断地测量施加在外部元件13上的力，处理单元62可以确定探测器10处于混合物内。当压强实质增加时，这意味着探测器10位于流体内，并且当压强实质下降时，这意味着探测器在混合物之外。因此，由于噪声一般来说是恒定的，所以能够比较容易地从压强信号中去除噪声成分。这样能够允许确定流体等级，以及，通过计算，搅拌器中的流体量。

值得关注的，不需要位置传感器也能简单测得一个大致的转速，这是通过有效地计算两个后来的实质增长或降低之间的延迟，这提供了一个圆筒(drum)转一周所需要的时间的信息(indication)。如果关于探测器的路径的信息能够被获得(特别地链接至卡车的直径)，路径的长度可以与时间相除，以提供一个大致的平均速度近似值。如果需要的话，这样的通过处理单元的处理可由此组成一个速度传感器，其能够代替位置数据的计算。

另外，在探测器进入或离开物质的时候，通过探测例如力值的突然增加或突然降低，获取位置信息能够使得容器的几何学可被获得以计算一个容器内物质的体积值的信息。

相似的，能够确定探测器10是否在混合物内，例如，通过温度传感器探测温度。当温度实质上升时，探测器10被确定是存在于混合物内，当温度实质下降时，探测器10被确定为离开流体或反之亦然，取决于被混合流体的特性。

通过使用力值或温度值，处理单元62能够确定探测器是否在流体内，而不需要知道搅拌器2内混合物的量，并且该确定信息因此不依赖于搅拌器2内混合物的量。

可选择的，如果使用一个位置传感器，探测器进入和离开的位置的鉴别与搅拌器内混凝土的体积有关。

在一个实施例内，任何能够产生探测器10的位置参考的信号指示的传感器都可以被使用，例如一个加速计，一个感应非接触位置传感器，一个弦线电位计，一个线性可变差接变压器，一个电位计，一个电容传感器，一个涡流传感器，一个霍耳效应传感器，一个光栅传感器，一个旋转编码器，一个震动位移传感器模块，一个压电式换能器，一个光点二极管阵列等等。

于是处理单元62能够使用一个内部计时器以测量每个已知位置相遇间隔的时间流逝。速度可以被确定，并且在任何的给定时间的搅拌器2的绝对位置可以被插入(interpolated)。

在另外的实施例中，一个磁性传感器可以用于作为参考。在这个情况下，一个磁铁(或多个磁铁)被贴置在卡车车架的一个已知位置。当探测器10移动到靠近磁铁时，在探测器10内磁性传感器将探测。在可选择的实施例中，一个反射光传感器能够被使用。在这个实施例中，一个反射表面被贴置在卡车车架上，探测器上备有一个光发射器和接收器。当探测器10移动至靠近反射表面时，发射光被反射至光接收器并且可以确定探测器的位置。在另一个实施例中，一个传感器球被限制在一个圆柱体内，该圆柱体具有第一和第二端。圆柱体可以含有液体和气体，该传感器球在其中移动。每次传感器球从圆柱体的第一端移动至第二端时(反之亦然)，可推断(deduct)探测器位于一个确定的方向。一旦球从一处返回至该处，这表示搅拌器2完成了一次完整的旋转。处理单元62也能够使用计时器来测量每次旋转间隔的时间流逝，并且因此能够确定探测器10的速度。给出一些实例。

请参见图5，是根据一个实施例确定探测器10的速度值的加速计的向量示意图。在图4中，使用了两个MEMS加速计70，72，但是被理解的是，也可以使用两个以上的MEMS来确定探测器的速度值。加速计70，72的读取特别地是加速计70，72的方向向量(orientation vector)以及总的加速度向量的向量点积。例如，在图4中，加速计70指向x轴方向，同时加速计指向y轴方向。每个加速计方向向量有一个单位长度，重力加速度被定义为1G(其中G是重力加速度)。加速计将响应地心引力和其他任何加速度例如向心加速度和直线加速度。

在一个实施例中，单个加速计可以充分确定探测器相对于底面的角度，但是角度的标记未知。在这种情况下，可能需要知道探测器10位于搅拌器2的底部以测量流体，但是旋转的方向将未知。然而，使用相互夹角为90°的加速计70，72能够提供旋转的方向。更具体的，第二加速计(朝向圆周的)能够提供该信息并以此用于确定搅拌器的旋转方向，如果需要的话。

在工业搅拌器的旋转轴可以实质垂直的情况下，单个加速计可以用于提供速度。事实上，加速度的数学积分可以提供探测器的速度和方向上的改变。

现在详细解释可效仿的利用加速计的计算，如下：

加速计标记x在一径向方向(指向远离搅拌器圆周的方向)，加速计标记y是另外一个切线方向。假设一个恒定的旋转速度，唯一包括的加速度是重力加速度(定义

以及向心加速度。由加速计提供的x和y模拟量读取可以由下述表示：

$x=\stackrel{\→}{x\·}(\stackrel{\→}{g}+\frac{{\stackrel{\→}{a}}_c}{G})=\stackrel{\→}{x}\·\stackrel{\→}{g}+\stackrel{\→}{x}\·\frac{{\stackrel{\→}{a}}_c}{G}=\stackrel{\→}{x\·}\stackrel{\→}{g}---\left(1\right)$

$y=\stackrel{\→}{y\·}(\stackrel{\→}{g}+\frac{{\stackrel{\→}{a}}_c}{G})=\stackrel{\→}{y}\·\stackrel{\→}{g}+\stackrel{\→}{y}\·\frac{{\stackrel{\→}{a}}_c}{G}---\left(2\right)$

其中：x＝加速计的位置，

y＝加速计的位置，

G＝重力加速度，

由于垂直于

加速计在x位置不受向心位置的影响。公式(1)和(2)能够写成角θ：

$x=\left|\stackrel{\→}{x}\right|\left|\stackrel{\→}{g}\right|\cos (\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{2})=-\sin \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(3\right)$

$y=\left|\stackrel{\→}{y}\right|\left|\stackrel{\→}{g}\right|\cos \left(\mathrm{\θ}\right)+\left|\stackrel{\→}{y}\right|\frac{\left|{\stackrel{\→}{a}}_c\right|}{G}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=\cos \left(\mathrm{\θ}\right)+\frac{{|\stackrel{\→}{a}}_c|}{G}---\left(4\right)$

在公式(3)和(4)内，只有当已知时，角θ能够被推导出，但是这个值取决于角转速以及混合器半径。这些值还未知。然而，如果假定

那么当x＝0，θ＝0或π。在这个情况下：

$y=\±1+\frac{\left|{\stackrel{\→}{a}}_c\right|}{G}=\±1+K---\left(5\right)$

因此，当

由向心加速度引起的补偿(offset)可在最小值测定，每次旋转时两次。这可以简单地被软件通过监控x的标记变化。

在

或

时能够得出一个相似的运算法则，但是这将意味着当

时，当任意噪声或补偿出现在信号内时，探测变得困难了。

转速能够被计算，在角符号ω以rad/sec的形式，或者每分钟旋转(RPM)的形式，通过监视每次旋转间所需时间(当θ等于0以及核对之前/之后的值以确定旋转方向)，或者通过不断得计算

从公式1至6以及常数K，获得一个搅拌器2的半径r公式是可能的

$K=\frac{\left|{\stackrel{\→}{a}}_c\right|}{G}=\frac{{\mathrm{\ωr}}^2}{G}---\left(7\right)$

$r=\sqrt{\frac{\mathrm{KG}}{\mathrm{\ω}}}---\left(8\right)$

通过公式8，搅拌器2的半径r能够推导出，并且能获得探测器10中心处的线速度v。

$r^{\′}=r-\frac{1}{2}---\left(9\right)$

v＝ωr′(10)

其中l＝探测器的长度的米数。

例如，下列参数可以通过公式7-10被确定：搅拌器瞬时位置，每分钟旋转速度(rpm)，搅拌器旋转方向(搅拌或卸货)，搅拌器尺寸，其可以通过向心加速度和角速度，探测器线速度等被确定。

如前所述，测压元件14测定施加到外部元件13的力。对于一个给定的流体混合物，一般力随速度直线上升。因为总力取决于外部元件尺寸以及形状，所以优选测定施加到流体的平均压强。为了避免得到一个依赖搅拌器尺寸的结果，探测器线速度被使用了。于是，探测器10应用在流体上的参数能够通过在压强P和线速度v之间的比例关系来确定。

电子模块18同时获得线速度v和压强。测压元件14提供一个与力成比例的读数。校准测压元件10的公式提供了一个等价的压强P，该压强P的获得将会在稍后描述。

单个力F的转矩T应用在旋转轴的距离d为：

T＝Fd(11)

当力是由压强产生的，对于一个小区域，力F能够从dF＝P dA中被推导。然后求积分dF＝P dA，转矩T能够通过有限平面上的压强，以及有效的宽度W和长度L来确定：

$T=\underset{0}{\overset{L}{\∫}}\mathrm{PWxdx}=\frac{{\mathrm{PWL}}^2}{2}---\left(12\right)$

为了校准探测器，因此当朝向水平时，可能从测量器中剥离(suspend)出一校准质量80。由于变形测量器42将提供一个与应用在探测器10上的力成比例的模拟读数，需要一个校准来重新得到压强。校准质量80在自底部11定义的旋转轴的距离d处被附上。转矩T被校准质量80应用：

T＝Fd＝mGd    (13)

当公式(12)和(13)被合并在一起后，压强将被获得如下：

$P=\frac{2\mathrm{mG}}{\mathrm{LW}}=\frac{2F}{\mathrm{LW}}---\left(14\right)$

其中：

P＝压强，单位kPa，

m＝重量，单位kg，

G＝重力加速度(9.8m/s²)，

L＝探测器长度，

W＝探测器有效宽度，

d＝旋转轴至标准质量的距离。

请参考图6A，这是对应一个实施例中测压元件14的校准中获得的值的表格。通过应用已知质量可以将公式(14)用作建立一个校准曲线，通过给定的已知质量来测量电变化以及确定压强。在图6B中，图6A的表格中的数值被显示成速度对应压强的图示。在图6B中，压强(单位：kPa)通过利用探测器(单位：V)的电变化来确定。

参见图7，显示了混凝土中探测器10在操作过程中不同速度设定和有限周期内获得的速度和压强的值图示。施加到探测器上的流体的压强在不同速度值下被确定。更具体的，应该有至少一个压强值(或者等效力)，并且较佳地至少三个，在低速范围内获得，以及至少一个压强值(或者等效力)，并且较佳地至少三个，在一个高速范围内获得。通过这些值，允许绘制一个外推的流变学曲线，其能够通过例如电子模块18制得。在一个可选择的实施例中，探测器可以发出这些值，可将一个使用这些值从而外推流变学曲线的电子模块设置在外部，例如与一个接收机连接。当近似曲线通过一根直线95贯穿所有确定的点，可以得到混合物的性质例如流体的粘性、屈服。

通过使用通过各个点的直线95的斜率可以确定粘度(或者图7中曲线的1/斜率(slope))

通过在0速度τ₀利用直线95外推压强可以确定屈服(yield)。

通过不断地监视探测器的速度和当探测器在其再流体中旋转至最低点的时候自动地执行两点测试，探测器10确定粘性和屈服。通过多量程(multiple range)速度，探测器10确定流体的性质和关于搅拌器2的性质。例如，探测器可以通过一个低速窗口和高速窗口确定流体的性质。这允许描绘一个与实际情况相符的曲线。例如，当混凝土在普通搅拌器卡车内的情况下，低速窗口可以包括速度在0.25至0.75m/s，高速窗口可以包括速度在1.5至2m/s。应注意，速度窗口可以根据不同应用而有各种改变。

每次探测器10被放入搅拌器2的混合物内操作时，探测器10不断地检测速度值并且确定压强值。如果瞬时速度在低速窗口范围内时，压强和速度被存储在低速存储器67内。如果瞬时速度在高速窗口范围内时，压强和速度被存储在高速存储器68内。每次测量到一个新的高速点时，处理单元62确定一根直线，该直线贯穿高速和低速点并且确定粘性和屈服。每次测量到一个低速点时，处理单元62通过之前已确定的粘性来确定屈服。利用不同的流体组合(compositions of fluid)，查询表或者曲线拟合方程，可建立探测器10的适当校准从而确定屈服的塌落度(slump)。流变方程将随时间改变。在低速范围内的点将趋向于更迅速地改变，其应该比高速范围内的点更频繁地被获取。

塌落度可以被这样计算：

塌落度＝kτ₀    (15)

其中：

k＝常数，

τ₀＝在零速度下的压强。

请参见图8，显示了为确定在搅拌器2中的流体的性质的方法的流程图，该方法不需要从搅拌器2内拿出一个流体的样品而在表面上分析。在步骤1000中，处理单元62通过至少一个位置传感器和加速计来确定探测器10的位置。在步骤1002，处理单元确定探测器10在搅拌器2的底部。在步骤1005，处理单元62确定流体施加在探测器10上的压强。处理单元62与测压元件14之间电通讯。测压元件侦查由于流体施加到探测器10上的力造成的外部元件13的形变。然后，测压元件14产生一个电变化，该电变化被传输到处理单元62，该处理单元62能够破译该电变化使之相对应于流体所施加的压强(或相应的力)。当探测器10被确定为浸入物质内部时，且随意地在或靠近最底处时，测压元件的读取可选择地被获得。

在步骤1010，处理单元62通过从位置传感器或加速计确定的位置，来确定探测器10的速度值。因此，在步骤1005所确定的力和压强将在探测器10的速度的多量程被确定。在步骤1015，探测器10通过一个低速窗口作出测量。在步骤1020，探测器10通过一个高速窗口作出测量。

在步骤1025，基于当探测器10在搅拌器内运作时以及在搅拌器2的底部时的的力值以及压强值以及探测器10的速度值，探测器10确定流体的性质。性质可以是，例如，流体的粘性和屈服。然后，通过流体的粘性和屈服，可以确定流变学曲线。不需要从搅拌器2内拿出一个流体的样品而在表面上分析，就可以通过屈服来确定塌落度。这允许探测器10确定流体的可使用性，这将进一步通过无线方式传输至接收机3。在步骤1025，处理单元62不断地将最后(last)计算数据传输至接收机3。

回到图2中，每隔一定时间，无线电发射机20能够向接收机3播放传感器的测量和读取的数据。该测量和读取的数据能够与探测器唯一序列号结合以创建一个无线电信息包。探测器可以利用，例如，在433MHz的无线电载波以及一个通断键控(OOK)调制技术来发射无线电信息包，但是需要理解的是，无线电频率，传输功率，传输速度能够被调节以适应不同国家的法律和规定。无线电范围可以是，例如，30至50米。在无线电信息包内的序列号唯一地确定探测器，测量结果以及读取的数据从该探测器中发送。

接收机3可以是任何无线接收器，其能够接受，存储或处理探测器10测得的参数。如后面将叙述到的，从探测器10传输至接收机3的测量结果(measurements)以及读数(readings)可以使用多种通信标准。

接收机3可以包括动力装置、备有天线的无线电接收机、具有存储器和处理单元的微控制器、显示器(LCD显示器)、RS-232串行端口。接收机3还包括处理器，该处理器处理从探测器10接收的数据。对于每个接收的数据，接收机3校验探测器ID以区别从哪个探测器接收到的数据。取代固定的安装，接收机也可以是例如可移动的，比如手持式的。

在一个实施例中，接收机3可以被安装在卡车上或者配料装置上。如果被提供在卡车上，其过滤接收到的数据以保证只有该卡车上的探测器的数据存在。如果是被提供在配料装置上，其不会利用探测器ID进行过滤，而是因此监控所有在无线电范围内的探测器。在一个典型的接收机3上，未处理的传感器的读数，例如搅拌器的速度，施加到探测器的压强，以及温度将会以通知为目的显示在屏幕上。

最新流变学测试结果和可使用性信息(粘性、屈服和塌落度)也能够被显示。虽然探测器可以监控搅拌器2的速度以自动执行一个两点测试(two-point test)，如果卡车操作员从未在一个速度窗口上设置速度，流变学曲线将不会被更新。显示器也能够显示流变学曲线是不是太旧，并且指导操作者在一个目的速度上启动搅拌器并重新获得缺失的点。

在一个实施例中，数据可以被传输至输出数据端(例如RS-232串行端口)，其能够被高级采集系统(logging system)(卡车或装置监控系统)从而将例如探测器的读数和其他卡车/装置的操作读数相结合。

然而，在图示的例子中，接收机3没有进一步的处理，探测器已经计算了所有计算结果。但是，并不阻止利用来自传感器的原始数据来执行其他可使用性参数计算运算法则。例如，取代两点流变学测试，可以执行多点流变学测试，或者执行不同的塌落度模型。探测器也能够以卡车舰队管理的目的被使用。搅拌器旋转的方向是表示卡车在慢慢地(运输)、快速地(在交货前混合)，或者反方向(倒空搅拌器，例如混凝土搅拌车的实例)搅拌流体的直接指示。

在包括多个探测器的系统中(其用于一个在相同或独立的搅拌器单元的近距离方案)，通过使用序列号，无线电接收机能够区别是哪一个探测器发送的测量和读取的数据。可选择的，任何其他的唯一鉴定号能够取代序列号使用。除了OOK，其他调制技术也能够被使用，例如调频(FM)，调相(PSK)以及窄带调制例如高斯频率/相位偏移键控(GFSK/GPSK)。完整的标准无线电通信系统例如蓝牙和紫蜂(ZigBee)也能够被使用。其他无线标准也能够被使用，例如红外传输和超声(超频率音响)数据传输。

在一个实施例中，处理单元62能够传输不同类型的测量结果，例如搅拌器2的速度和旋转方向，至接收机3。该测量结果能以无线电数据信号包发送，并可被一个探测器10的鉴别号来被识别。因此，每次接收机3从同一个探测器接收一个无线电数据信号包，对于每次无线电传输的增加，它能够增加一个有序数(sequential number)。然后接收机3可以确定最后读取的温度、最后读取的搅拌器速度，最后读取的点(压强，速度，使用年限(age))，最后已知的低速点(压强，速度，使用年限)，最后已知的高速点(压强，速度，使用年限)，最后计算的可使用性参数(屈服、粘度、塌落度、使用年限)，以及对于数据完整性的校验(checksum)或CRC(循环冗余(位数)校验)。使用年限涉及执行测量的时间和次数。接收机3可以使用这些信息例如，作为时间戳以通知使用者测量的使用年限，其依照某临界值(threshold)已经变得太旧或者不再有效。

速度方向可以确定搅拌器2是否空载。当，例如，在一个确定的卸载方向上，搅拌器2在一个高或恒定的速度上进行了多次旋转时，则搅拌器被确定为空载。可选择的，在力传感器(force sensor)探测不到流体的阻力(resistance)时，搅拌器可以被确定为空载。

当装载搅拌器2时，例如，在一个配料装置上，搅拌器2的旋转方向可以被使用。当旋转方向是适当的，配料装置操作员可以安全的将混凝土装载到搅拌器内，而不会造成混凝土的溢出。可选择的，来自探测器10的读取可以被配料装置操作员(或软件)直接用来设定一个开始将混凝土装载到搅拌器2的情形。

本领域技术人员能够理解的是，探测器10并不限于图3、4中所显示的元件的个数。例如，探测器10可以包括更多的测压元件或传感器。更具体的，能够理解的是，图3、4描述的简单化的硬件和软件部分，以及其他硬件和软件的部分可能已经为了简洁的原因而被省略。本领域技术人员会理解的是，探测器10的硬件部分包括处理器和电子零件以执行上述的方法。本领域技术人员会理解的是，探测器10的软件部分包括指令和计算机编码以便通过处理器和电子零件执行以处理探测器10产生的测量和读取，来确定流体的性质并且传送数据至接收机。

回到图9，显示了另一个探测器110的实施例。在这个实施例中，阻抗元件112(resistance member)还包括内部元件114和外部元件116(或外壳)。内部元件114固定在底部118上并且从中伸出。其依次具有一个靠近底部118的基部120、一个形变部122、以及顶端124。外壳116完全覆盖内部元件114和底部118成为整体以防止需要表征的物质侵入。外壳116可以轴枢接在靠近底部处，在顶端124固定连接以允许力F的传输。该力F是由沿着外壳长度方向的物质(由于探测器浸入并且相对物质转移)施加到内部元件114的摩擦阻力或压强所引起，在某种意义上，使得形变部分122发生变形。形变部分122可以具备变形测量器以获得形变部分122的形变的信息并且因此指示出力F。在这个实施例中，不使用例如枢轴而是通过紧密配合方式围绕环形套管130装配外壳116的低端来实现绕轴旋转，该环形套管130被提供在内部元件144的基部120周围。较佳地，提供一个更直接的读取，其在一些情况下可被错失，此时自由的枢轴被使用以提供设想中形变的大小。因此，在这种情况下，外壳的枢轴线126穿过内部元件114和套管130。

在这个特定的实例中，形变传感器能够具有一个测压元件，该测压元件包括例如一个或多个变形测量器。比起使用额外的加速计，在相对两边使用两个变形测量器能够潜在地允许在两个方向上较好地读取阻抗并且甚至确定圆桶的旋转方向。在板上设置一变形测量器128，相对地比较容易使得内部元件114的部分变形，以最优化由变形测量器128能力而定的测量。连接变形测量器和一个电子模块的金属线132可以例如穿过内部元件114内的一个洞。因此，形变部分122能够特定地被设计成能够提供弹性变形至一个预定的最大的读取值。在这个特定的实例中，形变部分被安装进一个空心钢管内以形成两个平行的平面金属部分。

在超过最大估计力时，为了保护形变部分122不使其进入塑料形变范围，内部元件114可以被提供一桥台(abutment)部分134，该桥台部分134位于形变部分122的下方，当到达最大形变时，其桥台地接纳外壳116，并且防止传输进一步的力，以防止进一步形变。

可替换的，例如，一个形变传感器，例如，其可以被理解为在内部元件和外壳之间可以使用一个压强传感器以达到参照(comparable)结果。

转至图10，示出了探测器210的可替换的实例。在这个情况下，探测器包括一个力传感器212(或压强传感器)以获得由物质施加在阻抗元件上的压强表示(indicative)值，还包括一个速度传感器214以获得探测器210相对物质的转移(displacement)的速度的表示值。流变学值计算器216能够被用来确定基于例如力值和速度值的物质的至少一个流变学性质的表示值。为了获得例如屈服和粘性的表示值，流变学值计算器能够利用对应于低速范围内的一个瞬时内的至少一个力值和速度值的组合，以及对应于高速范围内的一个瞬时内的至少一个力值和速度值的组合。最后，这些值能够被存储在存储器218内并被流变学值计算器216所使用。这些流变学值能够被转移至发射器220内，其将数据以无线电方式传输至例如接收机222，其可以被连接至例如显示器224上。

速度传感器可以是任何合适的速度传感器。一个实例中，其可以包括一个位置传感器230例如一个加速计，连接至一个速度计算器232，该速度计算器232基于位置随时间的变化来计算速度，以提供一个例子。在一个可选择的实施例中，速度计算器和流变学值计算器可以由一个单个的处理单元实现。

探测器210可以进一步包括例如温度传感器226或一个或更多别的传感器。来自温度传感器226的数据也能够被发射器220发射。探测器将典型地包括一个电压源228，其可以提供电力给任何在探测器内需要电能的模块。

在一个可选择的实施例中，发射器可以被省略，数据可以例如直接从端口或指示器获得。该端口或指示器能够基于探测器被提供，或者例如发射器可以是一个有线发射器而不是无线发射器。在另一个可选择的实施例，流变学值计算器可以被提供在探测器的外部，发射器可以传输原始数据例如一个力数据，速度数据，或者位置数据。

上述的实施例只是为了作为示例。因此本发明的范围趋向于被附加的权利要求的范围所限定。

Claims (23)

1.一种流变学探测设备(unit)，用于围绕自身轴旋转并且内部含有具有流变性质的物质的圆柱形容器内，该流变学探测器设备包括：

一能够安装在圆柱形容器壁上的底部；

一阻抗元件，当所述底部被安装在所述圆柱形容器上时，所述阻抗元件沿着径向从所述底部延伸，并且当所述阻抗元件由于所述圆柱形容器的旋转而被浸没并且在流变学的物质中移动之时，流变学的物质在所述阻抗元件之上施加一个压阻(resistance pressure)；

一力传感器，其适合于在给定的时间点提供力值指示压阻；

一速度传感器，其适合于提供速度值指示速度，当所述阻抗元件在给定时间点移动至所述物质，在低速范围和高速范围时；

一电源；以及

一发射器。

2.如权利要求1所述的流变学探测器设备，其进一步包括一由所述电源供电的流变学值计算器，其适合于获得计算值指示所述物质的至少一个所述流变性质，通过如下的至少一个：

在对应于给定时间点的低速范围内的力值和速度值；

在对应于给定时间点的高速范围内的力值和速度值。

3.如权利要求2所述的流变学探测器设备，其中，所述发射器与流变学值计算器连接以发射对应于所述计算值的数据。

4.如权利要求1所述的流变学探测器设备，其中，所述速度传感器包括一位置传感器，该位置传感器提供一位置值指示探测器围绕轴线的位置，以及一速度计算器，该速度计算器适合于基于位置值随时间的变化而计算速度值。

5.如权利要求4所述的流变学探测器设备，其中，所述轴线相对垂直方向倾斜，其中，所述位置传感器包括一个朝向所述轴线的加速计。

6.如权利要求1所述的流变学探测器设备，包括一存储模块，用于存储距离值，该距离值对应于在每次旋转期间流变学探测器运动的平均距离；以及一定时器以获得一个时间值，该时间值对应于力值的连续迅速增加之间所消耗的时间，其对应于阻抗元件连续进入物质内；其中所述速度传感器通过利用距离值除以时间值以计算速度值。

7.如权利要求1所述的流变学探测器设备，进一步包括一个温度传感器，其适合于提供温度值指示的物质的温度，其中，所述发射器和温度传感器连接以发射对应温度值的数据。

8.如权利要求1所述的流变学探测器设备，其中，所述容器是一个水泥卡车的圆桶，所述流变学性质包括粘度和屈服(yield)。

9.一种流变学探测器，用于获得至少一个值指示物质的流变学性质，所述流变学探测器浸入在所述物质内，并且相对所述物质横向移动，流变学探测器设备包括：

一底部；

一内部元件，所述内部元件固定连接所述底部并延伸远离所述底部，所述内部元件依次具有靠近所述底部的基部、一远离所述底部的形变部分，以及一顶端；

一外壳部件从所述顶端向下沿着形变部分和基部延伸覆盖所述内部元件，当受到由所述流变学物质内的相对移动所施加的压阻时，所述外壳部件绕一根延伸穿过所述基部的轴转动，并且所述外壳部件与所述顶端连接以传递由于压阻造成的力，并且因此使得形变部分弹性地变形；以及

一个形变传感器，其安装在所述形变部分上，用于提供一个值指示的压阻。

10.如权利要求9所述的流变学探测器，其中所述基部足够刚硬以经受住一般操作时的力并且只有可忽略的形变，进一步包括一个在形变部分与内部元件的基部间的一桥台(abutment)，所述桥台从所述形变部分横向伸出进入桥台范围随外壳部件，并且因此在所述形变部分到达预定的最大弹性变形之前，所述桥台停止绕轴旋转。

11.如权利要求9所述的流变学探测器，其中所述外壳部件通过紧密接触一位于所述内部元件的基部周围的弹性衬套能绕轴转动。

12.如权利要求9所述的流变学探测器，其中所述内部元件的形状是一伸长杆，其具有一个下半部和上半部，所述形变部分是所述上半部。

13.如权利要求9所述的流变学探测器，其中所述形变传感器包括至少一个测压元件。

14.如权利要求13所述的流变学探测器，其中所述底部为中空的，包括一电子模块，所述内部元件为中空的，进一步包括一穿过所述中空的内部元件并且将测压元件和电子模块连接的电子接线。

15.如权利要求10所述的流变学探测器，其中所述最大弹性形变为毫米数量级。

16.如权利要求12所述的流变学探测器，其中下半部和上半部的长度为分米数量级。

17.一种探测器，用于确定容器内容纳的流体的至少一个流变学特性，所述探测器包括：

一具有测压元件的内部元件；

一外部元件，适合于与所述流体接触放置，所述外部元件受到所述流体施加的压强并且适合于传递所述压强造成的力至所述内部元件，并且因此使测压元件变形，所述测压元件由此提供一值指示所述形变；

一连接所述内部元件的底部，通过所述外部元件和所述底部防止所述测压元件与所述流体接触；

至少一个位置传感器，用于提供所述探测器的位置指示；

一电子模块，与所述测压元件以及所述至少一个位置传感器电子通信，所述电子模块具有一处理单元，用于基于所述位置的指示确定探测器的速度，并且基于所述探测器的速度值以及从测压元件获得的形变值来确定所述流体的至少一个流变学特性；

其中，当所述探测器在容器内的流体内被转移时，不需要从容器内取出流体的样品在外部分析，流体的所述至少一个流变学特性被确定。

18.如权利要求17所述的探测器，其中所述探测器适合于随着旋转搅拌器运动，所述底部适合于安装在所述搅拌器的壁上，所述旋转搅拌器具有一非垂直的旋转轴，在所述旋转搅拌器旋转期间，所述外部元件周期地与所述流体接触，其中，当所述探测器在所述旋转的搅拌器内运作时，所述流体的至少一个流变学特性被确定。

19.如权利要求17或18所述的探测器，其中，所述处理单元利用所述位置的指示和所述力的值以确定所述探测器的速度值。

20.如权利要求17至19任一项所述的探测器，其中，所述至少一个位置传感器具有一加速计。

21.如权利要求20所述的探测器，其中所述处理单元基于所述探测器的重力加速度和向心加速度确定速度。

22.如权利要求17至21任一项所述的探测器，其中，所述至少一个流变学特性是粘性和屈服中的一个。

23.一种确定容器内容纳的流体的至少一个流变学特性的方法，所述方法包括：

利用至少一个位置传感器提供所述探测器的位置值的指示；

感测探测器上流体施加的力造成探测器的外部元件的形变，并提供所述形变的值的指示；

利用所述形变的所述值，确定当接触到所述容器内的所述流体时施加到所述探测器的力的值；

利用所述确定的位置值确定所述探测器的速度值；以及

基于所述探测器的速度值以及施加到所述探测器的力的值确定流体的至少一个流变学特性；

其中，当所述探测器在容器内的流体内被转移时，不需要从容器内取出流体的样品在外部分析，确定流体的所述至少一个流变学特性。

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