CN102803923A - 不具有移动部件的内嵌式粘度计及用于维持所要的粘度的方法和计算机可读媒体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于监视流体粘度的不具有移动部件的内嵌式粘度计。本发明的一个实施例是一种粘度计，其包含第一管、第二管、与所述第一管耦合的第一流量计量装置、与所述第二管耦合的第二流量计量装置。所述第二管在直径上比所述第一管大。另一实施例针对一种用于在工艺期间维持所要的粘度的方法。

Description

不具有移动部件的内嵌式粘度计及用于维持所要的粘度的方法和计算机可读媒体
相关申请案交叉参考
本申请案请求在2009年3月24日提出申请的序列号为61/162,786的美国临时专利申请案的优先权。此申请案的全部内容特此以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及用于监视例如印刷及制造等应用中的流体粘度的不具有移动部件的内嵌式粘度计。
背景技术
粘度控制在当今的许多制造及印刷工艺中是基本性的。粘度是流体对由于剪应力或张应力引起的变形的阻力的量度，但通常被视为流体的“浓度”或流动阻力。粘度可为成品(例如，润滑剂、油漆或油墨)的重要质量或可影响成品(例如，印刷材料)。可能更重要的是，不适当的粘度可不利地影响现代工业设备。举例来说，如果印刷油墨的粘度落在可接受粘度范围以外，那么不仅影响印刷质量，而且还可堵塞印刷机。
在上个世纪已提出各种粘度计，其中测量设备直接接触待测量流体。出于数种原因，此种设备可为有问题的。首先，清洁移动部件是困难且耗时的。这给周期性地需要或当制造线从一个产品到另一产品改变时需要的对制造设备的清洁增加时间耗费。其次，移动部件呈现额外机械故障风险。
因此，将期望提供既耐用又易于清洁的不具有移动部件的粘度计。
发明内容
本发明涉及用于监视流体粘度的不具有移动部件的内嵌式粘度计。
本发明的一个方面提供一种粘度计，其包含：第一管，其具有第一横截面积；第二管，其具有第二横截面积；第一流量计量装置，其与所述第一管耦合；及第二流量计量装置，其与所述第二管耦合。所述第二管的所述第二横截面积大于所述第一管的所述第一横截面积。
此方面可具有各种实施例。所述第二管可包含具有第三横截面积的限制器。所述限制器的所述第三横截面积可实质上等于所述第一管的所述第一横截面积。所述限制器的所述第三横截面积可大于所述第一管的所述第一横截面积。所述限制器的所述第三横截面积可小于所述第一管的所述第一横截面积。
所述粘度计可包含：进口，其通过具有第一室的第一连接器耦合到所述第一管及所述第二管；及出口，其通过具有第二室的第二连接器耦合到所述第一管及所述第二管。所述第一室与所述第二室可各自包括平滑的内部几何特征。
所述第一流量计量装置可为第一超声流量计且所述第二流量计量装置可为第二超声流量计。所述第一超声流量计及所述第二超声流量计可为时差法流量计。所述第一超声流量计及所述第二超声流量计可为多普勒流量计。
所述第一管及所述第二管在长度上可大于或等于约6″。所述第一管及所述第二管在长度上可大于或等于约12″。所述第二管的所述第二横截面积与所述第一管的所述第一横截面积的比率可为约16∶9或更大。所述第二管的所述第二横截面积与所述第一管的所述第一横截面积的所述比率可为约4∶1或更大。
所述粘度计可包含以通信方式与所述第一流量计量装置及所述第二流量计量装置耦合的电子装置。所述电子装置可经配置以计算由所述第二流量计量装置测量的流速与由所述第一流量计量装置测量的流速之间的比率。
所述电子装置可经配置以在所述流速之间的所述比率超过所定义的范围时传达警告。所述电子装置可经配置以在所述流速之间的所述比率超过所定义的范围时暂停工艺。
本发明的另一方面提供一种用于在工艺期间维持所要的粘度的方法。所述方法包含：检验所述工艺中所使用的流体具有所要的粘度；使所述流体的一部分通过粘度计，所述粘度计包含：第一管，其具有第一横截面积；第二管，其具有第二横截面积；第一流量计量装置，其与所述第一管耦合；及第二流量计量装置，其与所述第二管耦合；测量穿过所述第一流管的第一流速及穿过所述第二管的第二流速；计算所述第二流速与所述第一流速之间的初始比率；重新测量穿过所述第一流管的所述第一流速及穿过所述第二管的所述第二流速；计算所述第二流速与所述第一流速之间的后续比率；及检测所述后续比率中的一者与所述初始比率的偏差。所述第二管的所述第二横截面积大于所述第一管的所述第一横截面积。
此方面可具有各种实施例。所述方法可包含在检测到所述偏差时传达警告。所述方法可包含在检测到所述偏差时调整所述流体的所述粘度。所述方法可为计算机实施方法。
本发明的另一方面提供一种其内容致使计算机执行用于在工艺期间维持所要的粘度的方法的计算机可读媒体。所述方法包含：检验所述工艺中所使用的流体具有所要的粘度；使所述流体的一部分通过粘度计，所述粘度计包含：第一管，其具有第一横截面积；第二管，其具有第二横截面积；第一流量计量装置，其与所述第一管耦合；及第二流量计量装置，其与所述第二管耦合；测量穿过所述第一流管的第一流速及穿过所述第二管的第二流速；计算所述第二流速与所述第一流速之间的初始比率；重新测量穿过所述第一流管的所述第一流速及穿过所述第二管的所述第二流速；计算所述第二流速与所述第一流速之间的后续比率；及检测所述后续比率中的一者与所述初始比率的偏差。所述第二管的所述第二横截面积大于所述第一管的所述第一横截面积。
此方面可具有各种实施例。所述计算机可读媒体可为非暂时且有形的。
附图说明
为更充分理解本发明的性质及所要的目标，参考以下结合附图所进行的详细说明，其中在所有数个视图中相同参考字符表示对应部件，且附图中：
图1是不具有移动部件的粘度计的一个实施例的横截面图。
图2是具有直径减小限制器的第二管的各种配置的横截面图。
图3是根据本发明的一个实施例的不具有移动部件的粘度计的透视图。
图4是适于处理及监视由本文中所描述的粘度计产生的测量值的电子装置的输入/输出图。
图5是描绘用于使用本文中所描述的粘度计来监视液体粘度的方法的流程图。
具体实施方式
本发明涉及用于监视流体粘度的不具有移动部件的内嵌式粘度计。所述粘度计适合于包含工业工艺、印刷、制造、食品加工、医疗装置等各种应用。
如图1中所描绘，本发明的一个实施例是内嵌式粘度计100，其包含第一管102、第二管104、与第一管102耦合的第一流量计量装置103、与第二管104耦合的第二流量计量装置105。第二管104在直径上比第一管102大。在一些实施例中，第二管104包含直径减小限制器106，直径减小限制器106产生小的压降，借此进一步影响管102与管104中的流体之间的速度的比率。
管102与管104可为大体圆柱形，且具有其它横截面形状，例如正方形、矩形、三角形、圆形、卵形、多边形、平行四边形、菱形、环形、新月形、半圆形、椭圆形、超椭圆形、扁方形等。
管102及管104分别通过形成于连接器120及连接器122中的室112及室114连接到进口108及出口110。进口108及出口110可经设计以用于将粘度计与流体源及流体槽耦合，举例来说，通过套丝、锡焊、铜焊、焊接、压紧、扩口、压接、按压配合、溶剂焊接、热熔合、弹性密封等。
室112、114可优选地包含一个或一个以上平滑的几何特征116a、116b、118a、118b(例如曲线、内圆角、倒角及外圆角)以促进具有最小湍流及/或气蚀的流体流动。
管102及104以及连接器120及122可包括所属领域的技术人员已知的用于流体输送的任何材料，包含铜、钢(包含非成品钢或镀锌钢)、铸铁、黄铜、其它金属及金属合金、聚氯乙烯(PVC)、氯化聚氯乙烯(CPVC)、交联高密度聚乙烯(PEX)、聚丁烯(PB)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)等。此种材料应实质上不与正传输穿过粘度计100的流体起反应。
在一些实施例中，管102及104壁相对薄以允许较大声学透明度，尤其当第一流量计量装置103及第二流量计量装置104为本文中各种实施例中所论述的超声流量计量装置时。然而，在其它实施例中，例如适于高压应用的实施例，管102及104由能够耐受特定操作压力的材料及厚度构造。
在其它实施例中，管的内部及/或外部涂覆有促进管的寿命的材料。此些涂料包含抗腐蚀物质，其包含可以HASTELLOY商标从印第安纳州(Indiana)科科莫(Kokomo)的哈氏合金国际有限公司(Haynes International，Inc.)购得的316L钢、瓷釉及合金。其它涂料包含(举例来说)可以TEFLON商标从特拉华州(Delaware)威尔明顿(Wilmington)的美国杜邦公司(E.I.Du Pontde Nemours and Company)购得的聚四氟乙烯(PTFE)。此些涂料在所属领域中是众所周知的且本发明并不限于目前已知的涂料，而是还扩展到未来发现的涂料及方法。
管102及104具有充足长度以适应流量计量装置103及105且当使用时适应直径减小限制器106。虽然未要求特定长度，但与较短长度的管(例如，2英寸长度)相比，较长长度的管(例如，6及12英寸长度)促进对粘度的变化的增加的敏感性。
如所论述，管104具有比管102大的内径(ID)。尽管粘度计200的操作一般不要求特定ID或ID比率，但实验表明管104的ID与管102的ID之间的比率较大的粘度计对粘度的改变更敏感。举例来说，发现具有3/4″及1/4″的ID的粘度计比具有1/2″及3/8″的ID的粘度计更敏感。(具有3/4″的直径的圆柱形管的横截面积为大约0.441平方英寸且具有1/4″的直径的圆柱形管的横截面积为大约0.110平方英寸，从而产生约4∶1的横截表面积比。具有1/2″的直径的圆柱形管与具有3/8″的直径的圆柱形管的横截面积比为约16∶9。)
在一些实施例中，直径减小限制器106为置于管104中的插入件。举例来说，限制器106可由能够耐受将流过粘度计100的液体流动的任何材料构成。示范性材料包含上文在管102及管104的上下文中所论述的材料。在一些实施例中，出于卫生利益，限制器106由无孔材料构成，但对此不作要求。限制器106一般经定大小以匹配管104的ID，然而限制器106与管104之间的界面无需是不透流体的。可通过使用粘合剂或密封剂(例如，环氧树脂)将限制器106接合到管104来形成不透流体密封。用于将限制器106接合到管104的其它方法包含焊接、铜焊、按压配合、压接等。
在其它实施例中，直径减小限制器106与管104整体形成。举例来说，如图2中所描绘，管104a可经形成而使得其具有与限制部分106一样的大体恒定厚度。在另一实例中，管104经机器加工，例如管104b含有较大ID部分(具有薄壁)及较小ID部分106(具有厚壁)。在其它实施例中，限制器可附接到管104的端部。
粘度计包含用于测量穿过管102及104的流体速度的耦合到每一管102、104的至少一个流量计103、105。流量计103、105可全部、部分或以组合方式位于管102及104的内部或外部。在包括限制器106的粘度计100的实施例中，流量计103、105优选地位于限制器106的上游。
在某些实施例中，流量计103、105为超声流量计(例如，时差法流量计及多普勒流量计)。时差法流量计测量沿流动方向发送的超声脉冲与沿与所述流动方向相反的方向发送的超声脉冲之间的飞行时间差。多普勒流量计通过测量流体中的粒子、气泡或湍流的多普勒频移来确定速度。超声流量计可从各种来源购得，包含但不限于英国白金汉郡(Buckinghamshire)的精密流动有限公司(Precision Flow Ltd.)；加利佛尼亚州(California)蒙特雷(Monterey)的美国斯亚乐仪表有限公司(Sierra Instruments)；英国伍斯特郡(Worcestershire)的RS海卓公司(RS Hydro)；宾夕法尼亚州(Pennsylvania)梅卡尼克斯堡(Mechanicsburg)的北美易流公司(EESiFlo North America)；瑞士萨维尼(Savigny)的信号处理公司(Signal Processing SA)；瑞士洛桑(Lausanne)的Met-Flow公司(Met-Flow S.A.)；及英国沃里克郡(Warwickshire)的卡尼克技术有限公司(KatronicTechnologies Ltd.)。
流量计103、105可以各种方式配置。举例来说，包括变换器及接收器的超声流量计可经配置以使得所述变换器与流量计经定位而大约相隔180°。或者，所述变换器及接收器可经配置以使得所述变换器与接收器之间的路径跨越管102及104的圆形横截面形成弦。举例来说，可配置多对变换器与接收器，如贝克(Baker)等人的第4,078,428号美国专利及布朗(Brown)的第4,102,186号美国专利中所描述，所述美国专利的内容特此以引用方式并入本文中。
在一些实施例中，流量传感器103、105以通信方式与电子装置耦合以促进流速比率的计算。合适的装置包含专用硬件，例如算术逻辑单元或计算机，如所属领域技术人员所了解。图4中提供一个合适装置的示意图。流量传感器103、105可通过有线或无线手段与电子装置402通信，所述有线或无线手段包含但不限于串行电缆、以太网、LAN、WAN、因特网、内联网、虚拟专用网络、Wi-Fi、蓝牙、红外线及现在已知及以后开发的类似手段。电子装置402可包含例如视觉与音频警报及图形用户接口(GUI)等其它通信装置以在粘度超过可接受范围时警告用户。所述可接受范围可依据应用而变化且可由用户及/或另一系统设定。在另一实施例中，所述电子装置经配置以在粘度超过可接受范围时暂停工艺(例如，印刷工艺)以便防止对其它设备的损坏或材料浪费。
电子装置402可包含用以传达及/或记录所收集及所产生的数据的通信或存储装置。举例来说，用于粘度管理的合适电子装置可从马萨诸塞州(Massachusetts)牛顿(Newton)的诺克洛斯公司(Norcross Corporation)购得。
在其它实施例中，流量计103、105通过模拟或数字显示装置来显示流量值，从而允许对比率的人工计算及监视。
图3是粘度计100的示范性实施例的透视图。在一些实施例中，通过由受拉件124a、124b、124c施加到连接器120及122的力在管102及104与连接器120及122之间形成密封。受拉件124可为螺栓、螺杆、螺纹杆、铆钉或所属领域的技术人员所了解的其它装置。
粘度为相对值。因此，本文中所描述的发明可用于使用图5中所描绘的方法500来测量与所要的粘度的偏差。在此实施例中，首先使用常规粘度计来获得所要的粘度(S502)。举例来说，可用SHELL CUP
Figure BPA00001461987700061
粘度计(不锈钢杯，其通过所述杯的底部处的毛细管进行排放)来测量粘度。将整个杯浸没于样本中，然后提起并保持在样本的表面上方。杯的顶部从样本浮现的时刻直到来自毛细管孔口的流的第一次中断为止的时间(以秒为单位)为粘度的量度。SHELL CUP
Figure BPA00001461987700062
粘度计可从马萨诸塞州牛顿的诺克洛斯公司购得。如果使用SHELL CUP
Figure BPA00001461987700071
粘度计的测量值指示样本不具有所要的粘度，那么可通过所属领域的技术人员已知的步骤来修改粘度，例如添加溶剂或溶质、调整样本的温度等。
一旦达到所要的粘度，便使样本流过粘度计且测量管102与104之间的流量比率(S504、S506)。根据对应于所要的粘度的所测量比率来校准粘度计。粘度计监视所述比率的波动，其中所述比率的增加指示粘度的下降且所述比率的减小指示粘度的增加(S508、S510、S512)。如果检测到偏差(S512)，那么可采取若干个步骤，包含触发警报(S514)、调整样本以恢复所要的粘度(S516)及暂停工艺(S518)。
本文中进一步通过以下工作实例解释本发明，所述工作实例意欲进一步图解说明某些实施例，而并非意欲以任何方式限制本发明。
工作实例1
进行管102、104长度对粘度计敏感性的影响的比较。组装具有2″、6″及12″的管长度的三个粘度计。每一粘度计均包含具有1/4″ID的第一管及具有3/4″ID的第二(未经限制)管。使三种具有10cP、40cP及70cP的已知粘度的流体在相同抽吸及环境条件下通过每一粘度计。测量流速(以公升/分钟为单位)并将其汇总在下表1中。
表1
第一管(具有1/4″ID)与第二管(具有3/4″ID)中的流速之间的比率连同针对具有10cP及70cP的粘度的流体所计算的比率之间的百分比差汇总在下表中。
表2
Figure BPA00001461987700073
Figure BPA00001461987700081
如表2中所示，具有6″及12″管的粘度计证实比具有2″管的粘度计在敏感性(由于粘度的改变所致的比率的改变的量值)方面显著增加。
工作实例2
拥有具有1″ID的第二管及位于16″管的下游2″处的1/4″ID限制器的粘度计经构造以测量限制器对粘度计敏感性的影响。每一导管的流速(L/分钟)及比率提供在表3中。
表3
Figure BPA00001461987700082
粘度计展现具有10cP及70cP的粘度的流体之间的355％差，从而证实限制器的使用改善粘度计的敏感性。
前述说明书及形成其一部分的图式在性质上为说明性且演示本发明的某些优选实施例。然而，应认识到并理解，所述说明不应视为对本发明的限制，因为所属领域的技术人员可在不背离本发明的基本范围、精神或意图的情况下在其中做出许多改变、修改及变化。

Claims (23)

1.一种粘度计，其包括：
第一管，其具有第一横截面积；
第二管，其具有第二横截面积；
第一流量计量装置，其与所述第一管耦合；及
第二流量计量装置，其与所述第二管耦合；
其中所述第二管的所述第二横截面积大于所述第一管的所述第一横截面积。
2.根据权利要求1所述的粘度计，其中所述第二管包括：
具有第三横截面积的限制器。
3.根据权利要求2所述的粘度计，其中所述限制器的所述第三横截面积实质上等于所述第一管的所述第一横截面积。
4.根据权利要求2所述的粘度计，其中所述限制器的所述第三横截面积大于所述第一管的所述第一横截面积。
5.根据权利要求2所述的粘度计，其中所述限制器的所述第三横截面积小于所述第一管的所述第一横截面积。
6.根据权利要求1所述的粘度计，其进一步包括：
进口，其通过具有第一室的第一连接器耦合到所述第一管及所述第二管；及
出口，其通过具有第二室的第二连接器耦合到所述第一管及所述第二管。
7.根据权利要求6所述的粘度计，其中所述第一室与所述第二室各自包括平滑的内部几何特征。
8.根据权利要求1所述的粘度计，其中所述第一流量计量装置为第一超声流量计且所述第二流量计量装置为第二超声流量计。
9.根据权利要求8所述的粘度计，其中所述第一超声流量计及所述第二超声流量计为时差法流量计。
10.根据权利要求8所述的粘度计，其中所述第一超声流量计及所述第二超声流量计为多普勒流量计。
11.根据权利要求1所述的粘度计，其中所述第一管及所述第二管在长度上大于或等于约6″。
12.根据权利要求1所述的粘度计，其中所述第一管及所述第二管在长度上大于或等于约12″。
13.根据权利要求1所述的粘度计，其中所述第二管的所述第二横截面积与所述第一管的所述第一横截面积的比率为约16∶9或更大。
14.根据权利要求1所述的粘度计，其中所述第二管的所述第二横截面积与所述第一管的所述第一横截面积的所述比率为约4∶1或更大。
15.根据权利要求1所述的粘度计，其进一步包括：
以通信方式与所述第一流量计量装置及所述第二流量计量装置耦合的电子装置，所述电子装置经配置以计算由所述第二流量计量装置测量的流速与由所述第一流量计量装置测量的流速之间的比率。
16.根据权利要求15所述的粘度计，其中所述电子装置经配置以在所述流速之间的所述比率超过所定义的范围时传达警告。
17.根据权利要求15所述的粘度计，其中所述电子装置经配置以在所述流速之间的所述比率超过所定义的范围时暂停工艺。
18.一种用于在工艺期间维持所要的粘度的方法，所述方法包括：
检验所述工艺中所使用的流体具有所要的粘度；
使所述流体的一部分通过粘度计，所述粘度计包括：
第一管，其具有第一横截面积；
第二管，其具有第二横截面积；
第一流量计量装置，其与所述第一管耦合；及
第二流量计量装置，其与所述第二管耦合；
其中所述第二管的所述第二横截面积大于所述第一管的所述第一横截面积；
测量穿过所述第一流管的第一流速及穿过所述第二管的第二流速；
计算所述第二流速与所述第一流速之间的初始比率；
重新测量穿过所述第一流管的所述第一流速及穿过所述第二管的所述第二流速；
计算所述第二流速与所述第一流速之间的后续比率；及
检测所述后续比率中的一者与所述初始比率的偏差。
19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括：
当检测到所述偏差时传达警告。
20.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括：
当检测到所述偏差时调整所述流体的所述粘度。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述方法为计算机实施的方法。
22.一种计算机可读媒体，其内容致使计算机执行用于在工艺期间维持所要的粘度的方法，所述方法包括：
检验所述工艺中所使用的流体具有所要的粘度；
使所述流体的一部分通过粘度计，所述粘度计包括：
第一管，其具有第一横截面积；
第二管，其具有第二横截面积；
第一流量计量装置，其与所述第一管耦合；及
第二流量计量装置，其与所述第二管耦合；
其中所述第二管的所述第二横截面积大于所述第一管的所述第一横截面积；
测量穿过所述第一流管的第一流速及穿过所述第二管的第二流速；
计算所述第二流速与所述第一流速之间的初始比率；
重新测量穿过所述第一流管的所述第一流速及穿过所述第二管的所述第二流速；
计算所述第二流速与所述第一流速之间的后续比率；及
检测所述后续比率中的一者与所述初始比率的偏差。
23.根据权利要求22所述的计算机可读媒体，其中所述计算机可读媒体为非暂时且有形的。
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