CN105492884A - 用于液体处理系统的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于液体处理系统的方法。该方法包括以下步骤：通过预定的几何形状(R₁，L₁)提供第一液流；确定通过所述几何形状的流量(Q₁)和跨越所述几何形状(R₁，L₁)的压力降(Δp₁)；通过预定的几何形状(R₂，L₂)提供第二液流；确定通过所述几何形状的流量(Q₂)和跨越所述几何形状(R₂，L₂)的压力降(Δp₂)；并利用所述几何形状(R₁，R₂，L₁，L₂)计算所述液体的一致性(K)和流动行为指数(n)，以及所述第一和第二液体流动的流量(Q₁，Q₂)以及压力降(Δp₁，Δp₂)。

Description

用于液体处理系统的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于液体处理系统的方法和装置。更具体地说，本发明涉及一种用于确定流经液体处理系统中的液体的流变性质的方法和设备。

背景技术

在液体处理中，特别是液体食品加工，它经常需要监视操作，以便获得与所述液体的实际处理相关联的数据。例如，液体食品通常经受各种处理步骤，如加热，混合，分离等，以便为液体食品提供处置，其中这些处置对于实现最终的液体产品所需的性能是必要的。通过监视工艺流程，可能精确地确定液体处理系统的状态，从而使故障可以被检测到并且可以确保最终产品的质量。

特别是液体食品加工中，原料的变化可能发生地相当频繁，这变化不一定给加工设备的操作带来显著的影响，但是它们可能导致在最终的产品本身上的非预期的变化。这样的一个例子就是制造番茄沙司和果泥时，其中，从一批具有含糖量高的西红柿到另一批含糖量较少的西红柿的原料的变化将导致最终产物的粘度发生变化。

传统粘度计或者流变仪可以用来解决这一问题，从而将样品从液体处理系统排出并在计量设备中分析以揭示在最终产品中的任何变化。粘度这种变化应被检测到，操作员可以相应地调整液体处理设备的工作参数，或甚至停止该加工设备以替换所使用的原料。粘度的这种监测非常耗时，并且需要一个熟练的操作员，不仅针对提取样品，也针对于评估结果和做出必要的决定。这种方法的另一个缺点是与卫生应用方面的现状相关，提取的样品经测试后必须被丢弃导致待处理液体的不必要的损失。

当待处理的液体是一种非牛顿流体时，问题变得更加复杂，由此，粘度实际上是依赖于剪切速率或历史剪切速率。单独分析所述流变参数在这些情况下将是不够的，因为流变参数可以根据加工设备如泵，均化器，离心分离器等所造成的剪切速率而变化。

因此，需要一种用于液体处理系统的改进的方法和设备，可提供数据以允许准确地在线监视实际生产。

发明内容

据此，本发明的一个目的是克服或减轻上述问题。

其基本思想是提供一种用于液体处理系统的方法和装置，其中，被处理液体由幂律模型所表示，以及该方法和装置提供在线确定被处理的液体的一致性(K)和流动行为指数(n)。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于液体处理系统的方法。该方法包括以下步骤：通过预定的几何形状(geometry)提供第一液流；确定所述第一液流通过所述几何形状的流量和跨越所述几何形状的压力降；通过预定的几何形状提供第二液流；确定所述第二液流通过所述几何形状的流量和跨越所述几何形状的压力降；和利用所述几何形状计算所述液体的一致性和流动行为指数，以及所述第一液流和第二液流的流量和压力降。

优选地，该液体是一种非牛顿流体，由此，该方法提供了代表进一步改善这些液体的过程控制中的液体的流变参数的一致性和流动行为指数的连续数据。

与第一液流相关联的几何形状可以和与第二液流相关联的几何形状不同。因此，一致性和流动行为指数可以在特定的时间来确定从而减少因处理时间的差异所引起的测量误差。

在其他实施方式中，与第一液流相关联的几何形状和与第二液流相关联的几何形状相同，与第一液流相关联的流量和/或压力降不同于与第二液流相关联的流量和/或压力降。这样的优势在于，尽管对于相同的几何形状，也针对于不同的压力降和不同的流量有必要执行测量，但是该设备由于具有传感器的数量减少而可以制造得很小。

所述几何形状可以确定为各自的长度和内半径，其中，所述流动行为指数可以被计算为：

此外，该一致性可被计算为：

其中，R，Q，L和Δp与所述第一液流或第二液流之一相关联。

该方法可以进一步包括将所述的一致性和流动行为指数的计算值和与流经液体处理系统的液体相关联的参考值相比较的步骤。因此，有可能对液体产物连续地进行质量检查用于改善过程控制。

根据第二方面，提供了一种用于液体处理系统的装置。该装置包括被配置为测量第一液流通过预定的几何形状的流量和跨越所述几何形状的压力降的第一测量单元，被配置为测量第二液流通过预定的几何形状的流量和跨越所述几何形状的压力降的第二测量单元，和被配置为利用所述几何形状计算所述液体的一致性和流动行为指数以及所述第一液流和第二液流的流量及压力降的控制单元。

该装置还可以包括与所述第一和/或第二测量单元流体连接的端部开口的液体通道，该通道被配置为与所述液体处理系统的管流体连接。因此，该装置可以作为独立单元来提供，一旦有来自系统操作者的请求即被连接到液体处理系统。

该装置可以被配置以形成所述液体处理系统的一部分，以使得所述控制单元被允许来实时地确定被所述液体处理系统所处理的液体的一致性和流动行为指数。这是有利的，因为该装置可以始终对液体处理进程的流变性质提供精确的值，从而使得一旦液体落在预定属性以外能够即时反馈。

根据第三方面所提供的液体处理系统，包括根据第二方面所述的装置。所述液体优选是食品。

附图说明

参照所附的附图，上述本发明的附加的目的，特征和优点，将通过本发明的优选实施方式的以下说明性且非限制性的详细描述，以更好地被理解，其中：

图1是依据某个实施方式的方法可以被实现的液体处理系统的示意图；

图2是依据某个实施方式的装置的示意图；

图3是依据某个进一步的实施方式的装置的示意图；

图4是依据某个实施方式的装置的示意图；且

图5是依据某个实施方式的方法的示意图。

具体实施方式

从图1开始，系统10可如与一方法和装置用于确定流经所述系统10中的液体的流变参数的液体处理系统10被示出。这样的方法和设备将在下面进一步详细地描述。所述液体处理系统10可以是例如液体食品加工系统，但也可以是能够提供处理其他液体(如药品，化妆品，和/或石油，油，或各种液体聚合物)的系统。

为了简要地解释液体处理系统10的基本设置，输入口12提供待处理的液体流。输入口12可以是一个连接上游设备的接头，或如图1所示的间歇罐。通常，泵14被操作以从输入口12泵出液体，通过各种管状导管16，并在所述液体经过输出口24流出前进一步进入加工设备18，20，22。在液体食品加工的情形中，输出口24可邻近填充机的输入口布置，由此已加工食品被存储在液体食品的包装容器中。在其他实施方式中，输出口24代表与又一间歇罐，或布置在所述输出口24下游的其他处理设备的连接。

所述加工设备18，20，22可包括诸如加热器，冷却器，均化器，分离器，保持单元，混合器等构件。加工设备18，20，22的选择，可优选地基于特定的液体产品和预期的处理而选择。例如，如果液体产品应进行灭菌，则提供一定的消毒设备如加热器，紫外辐射等可能是必要的。

当液体正通过所述液体处理系统10被输送时，接收基于正在发生的实际处理的输入数据是非常重要的。特别是在液体食品应用中，一旦一个或几个工艺环节未如它们本应该的那样正常工作，所述液体食品的最终质量可能相差很大。在配置为液体食品进行巴氏杀菌的加热器故障的情况下，最终产品可能具有的微生物物质的数量增加从而导致存储时间的缩短或在最坏的情况下引起消费者的疾病。

处理步骤的监测可通过控制液体处理系统10的一个或几个部件来执行。这可以通过提供带有特定输出的液体处理系统10的特定部分以用于发送基于所述特定部件的当前运行的数据来完成。

监测也可以通过向液体处理系统10提供一个或多个传感器来完成，每个传感器被配置为测量运行期间特定参数，如温度，流量，压力降等。这种监测可以优选地在线进行，即实时地而无需提取正在处理的液体的样品。

因此，所述液体处理过程的监测可通过用于确保执行液体处理系统的预期操作的在线传感器完成，从而也确保了最终液体产品所要求的质量水平。然而，对于某些液体已知的监测原理已被证明不足够准确。这些液体中，其中的流变参数对于最终产品极为重要，包括例如牙膏，番茄酱，蛋奶，香波和各种淀粉悬浮液。这些液体通常表示为非牛顿流体，对其以下描述的方法和装置是特别重要的。

在描述所述方法和装置的具体实施方式之前，对这样的非牛顿流体的一般评论将被给出。非牛顿流体具有理论上可以通过许多模型，而幂律模型就是其中一种来表示的流变行为。

根据幂律模型，在圆形管道中流动的流体的平均速度可以被表示为：

其中：

Dp为跨越圆形管道的压力降，

K是一致性，

L是圆形管的长度，

n是流体行为指数，

Q是体积流率，

R是圆形管的内半径，

v是穿越圆形管的横截面面积的平均速度，

是剪切速率，

μ是动态粘度，由定义，且

σ是剪切应力，定义为

为了描述流体的实际行为，对K和n分别用函数描述是有利的。因此，上面的等式可以重写为：

$K={\left(\frac{n}{3n+1}\frac{{\mathrm{\πR}}^3}{Q}\right)}^n\frac{\mathrm{\Δ}pR}{2L}$

和

通过提供两点测量，考虑流变性能K和n恒定，有可能重写n为：

其中指数1，2表示测量的特定点。

从上述显而易见的是两点测量对于计算K和n是必要的。在液体处理中，K和n的实时监测已被证明是对质量进行检查，系统性能分析，处理状态检查等的非常有效的方法。

现在转到图2，用于确定液体的流变参数的装置100被示出。该装置100包括用于输送液体以待处理的管状导管110。所述管状导管110具有圆形横截面，可以形成为已有液体处理系统10的一部分，或者它可以是单独的导管，该导管被连接到测量液体处理系统10的流体管线中。

管状导管110包括具有第一内径的第一部件112，和具有第二直径的第二部件114。所述第一和第二直径是彼此不同的，从而导致液体通过管状导管110输送时的不同速度。在操作过程中，液体进入第一部件112并在流经管状导管110后流出第二部件114。

第一部件112设置有一个或多个传感器120，122，124，用于测量跨越第一部件112的流量和压力降。如图2所示，提供了三个传感器120，122，124。第一传感器120被配置成测量所述液体的体积流量。第二传感器122被配置为测量入口压力，而第三传感器124被配置为用于测量第一部件112中的出口压力。

第二部件114设置有两个附加的传感器126，128，用于在第二部件114的入口端和出口端测量压力。

传感器120，122，124，126，128可以从液体处理系统内使用的各种可用的传感器中选择。在一个优选的实施方式中，两个传感器122，124可作为用于测量通过所述第一部件112的压力降的单一传感器来提供，即，测量入口压力和出口压力之间的差的单一传感器。同样地，两个传感器126，128可作为用于测量通过所述第二部件114的压力降的单一传感器来提供，即，测量入口压力和出口压力之间的差的单一传感器压力。

控制器130被提供以用于从传感器120，122，124，126，128收集数据。为了这个目的，控制器130包括多个计算单元134的输入信道，其中，每个输入信道与一个特定的传感器120，122，124，126，128对应。

因此，该计算单元被与所述第一部件112中的第一传感器120相连接，由此计算单元134接收对应于跨越管状导管110的体积流量数据。

计算单元134还与第二和第三传感器122，124相连接，由此计算单元134接收对应于跨越所述第一部件112的压力降数据。为此，计算单元134被配置为从第二和第三传感器122，124的数据中计算压力降。可选地，如果压力降由根据上述实施方式所述的单一传感器测量，计算单元134仅需要被连接到单个传感器，用于接收对应压力降的数据。

计算单元134与所述第二部件114中的传感器126，128相连接，由此，计算单元134接收对应于跨越所述第二部件114的压力降的数据。为此，计算单元134被配置为从传感器122，124的数据中计算压力降。可选地，如果压力降由根据上述实施方式所述的单一传感器测量，计算单元134仅需要被连接到单个传感器，用于接收对应于跨越所述第二部件的压力降的数据。

计算单元134从每个传感器120，122，124，126，128接收数据。计算单元134还包括存储器(未示出)，即存储在控制器130内或远程布置并且经由有线或无线数据通讯进行数据的接收存取。存储器存储对应于系统常数的值，如管状导管110的半径和每个部件112，114的长度。当计算单元134从传感器120，122，124，126，128接收数据时，计算单元134被编程来从所述存储器中读取系统常数用于根据上面给出的公式计算一致性K和流体行为指数n。因此，这些值被发送到两个单独的输出端136a，136b，用于使液体处理系统10的其他部件能够访问和分析这些表示正被液体处理系统处理的液体的流变属性的值。

现在转到图3，将对另一实施方式的装置200进行说明。该装置200包括各种用于测量相关压力降和流量数据的传感器，以及等同于参照图1已描述的控制器130的控制器230。因此，控制器230及其输入通道，计算单元，和输出端将不作进一步说明。然而，装置200与装置100的不同之处在于同液体处理系统10连接的具体细节。

该装置200包括具有恒定直径的管状导管210，即管状导管210的横截面在其长度上是恒定的。管状导管210通过两个分支管16a，16b连接到所述液体处理系统10的配管16中。管状导管210的直径被选择以使其与所述液体处理系统10的配管16的直径不同。在本实施方式中，管状导管210配备有三个传感器220，222，224，用于测量穿过整个管状导管210的流量和压力降。因此，管状导管210的传感器布置等同于参考图1所描述的管状导管110的第一部件112的传感器布置。

配管16还包括三个传感器30，32，34，用于测量穿过配管16的的流量和压力降。因此，配管16的传感器布置等同于参考图1所描述的管状导管110的第一部件112的传感器布置。

应当指出的是传感器222，224，即，设置用于测量管状导管210的入口压力和出口压力的压力传感器可被配置为直接测量压力降的单个传感器所替代。这同样适用于所提供的用于测量配管16的入口压力和出口压力的传感器32，34。

同样地，参考图1所描述的，控制器230接收对应于配管16的流量和压力降的数据，以及接收装置200的管状导管210的流量和压力降数据。因此，控制器230的计算单元可以计算流体的一致性K和流体行为指数n，因为配管16的系统常数(即流道尺寸)和管状导管210的系统常数一样被存储在存储器中。在本实施方式中，控制器需要接收管状导管210的流量值以及对应配管16的流量值，因为流量可以在管状导管210和配管16之间变化。

现在转到图4所示的另一实施方式。图中描述了与图3所示的装置200相同的装置200，即包括管状导管210，传感器220，222，224和控制器230。管状导管210可以作为液体处理系统10的一部分的形式，使得所述管状导管210实际上是配管16的一部分，或它可以作为通过例如支管(未示出)被连接到所述配管16的一独立的导管来提供。

装置200通过测量在特定时间的压力降和流量来工作，并且在第二时间再次测量跨越管状导管210的的压力降和流量。对于这些测量点，流量以及因此压力降一定有改变，从而使得第一和第二输入通道的值与第三和第四输入通道的值不同。因此，通过测定两种不同的液体流的压力降和流量，可以计算出流体的一致性K和流动行为指数n。

对于迄今所描述的所有实施方式，选择工艺参数(即几何形状，压力降以及体积流量)是必要的，从而使得在上述公式中分母不等于零。还优选设计过程，使得在上述公式中分子并不等于零。

装置100，200可以优选地用于许多的液体处理应用中，特别是用于食品加工。为了执行工艺中的质量检查，装置100，200可被操作以提供n和K的实际值。通过使用附加控制器(例如所述液体处理系统的控制器或控制器130，230内的另一模块)比较这些值与参考值，能够检测在最终产品中的任何不希望的变化。例如对于番茄酱制造来说就是如此，其中要使消费者体验到消费者所预期的产品质量，流变属性应在严格的范围内。如果原料是从第一批西红柿改变为第二批西红柿，其中由于成熟程度的不同导致淀粉含量的不同，流变参数可在其量上变化足够大，使得最终产品在消费者的期望之外。

因为流变参数n和K是依赖于热处理，即温度和用于使该产品暴露于这样的温度的时间，装置100，200也可以被用于通过比较测量值与参考值来验证热处理工艺。因此，该装置100，200可用于状态监测，即，用于实时地监视加工设备的实际情况。

现在转到图5，根据某个实施方式的方法300进行说明。该方法包括通过预定的几何形状R₁，L₁提供第一液流的第一步骤302。该几何形状对应于具有明确的长度和内径的管状导管。在第二步骤304中，该方法使用所提供的传感器确定通过所述几何形状的流量Q₁和通过所述几何形状R₁，L₁的压力降Δp₁。在随后的步骤306中，第二液流通过预定的几何形状R₂，L₂，其中，所述几何形状对应于具有明确的长度和内径的管状导管。如果几何形状不同，步骤306可以随步骤302在同一时间执行。在步骤308中，对应于所述第二液流的通过所述几何形状的流量Q₂和通过所述几何形状R₂，L₂的压力降Δp₂被确定。在最后的步骤310中，该方法依据上述的公式，采用所述几何形状R₁，R₂，L₁，L₂计算所述液体的一致性K和流动行为指数n，以及所述第一液流和第二液流的流量Q₁，Q₂以及压力降Δp₁，Δp₂。

方法300也可以包括一个可选的步骤312，其中n和K的值被发送到另一将测量值与参考值比较的控制器，用于评估和/或分析液体的当前工艺。

预定的几何形状可以优选地表示具有圆形截面的管状导管或管道的长度和半径。然而，所提出的方法和装置也可以用于具有非圆形横截面的导管和管道。对于这样的实施方式，一致性和流动行为指数可以由对应于所述液压半径的值替换半径值R_1，2来计算，其可以表示为

因此，对于圆形管状导管，液压半径等于圆形横截面的半径。

虽然上面的描述主要参照本发明的液体食品加工系统制成，但是应当容易理解的是，该方法和装置的一般原理适用于各种不同的液体处理系统。

此外，本发明已经参照几个实施方式进行了主要描述。然而，作为本领域的技术人员所容易理解的，除了上面公开之外的其它实施方式同样可能在本发明的范围之内，如所附权利要求所限定的那样。

Claims (13)

1.一种用于液体处理系统的方法，包括以下步骤：

通过预定的几何形状(R₁，L₁)提供第一液流；

确定所述第一液流通过所述几何形状的流量(Q₁)和跨越所述几何形状(R₁，L₁)的压力降(Δp₁)；

通过预定的几何形状(R₂，L₂)提供第二液流；

确定所述第二液流通过所述几何形状的流量(Q₂)和跨越所述几何形状(R₂，L₂)的压力降(Δp₂)；和

利用所述几何形状(R₁，R₂，L₁，L₂)计算所述液体的一致性(K)和流动行为指数(n)，以及所述第一液流和所述第二液流的流量(Q₁，Q₂)以及压力降(Δp₁，Δp₂)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述液体是一种非牛顿流体。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中与所述第一液流相关联的几何形状(R₁，L₁)和与所述第二液流相关联的几何形状(R₂，L₂)不相同。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中与所述第一液流相关联的几何形状(R₁，L₁)和与所述第二液流相关联的几何形状(R₂，L₂)相同，与所述第一液流相关联的流量(Q₁)和/或压力降(Δp₁)不同于与所述第二液流相关联的流量(Q₂)和/或压力降(Δp₂)。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述几何形状确定为各自的长度(L)和内半径(R)。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述的流动行为指数(n)计算如下：

$n=\frac{\ln \left(\frac{{\mathrm{\Δp}}_2{R}_2{L}_1}{{\mathrm{\Δp}}_1{R}_1{L}_2}\right)}{\ln \left({\left(\frac{R_1}{R_2}\right)}^3\frac{Q_2}{Q_1}\right)}.$

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述一致性(K)的计算方法如下：

$K={\left(\frac{n}{3n+1}\frac{{\mathrm{\πR}}^3}{Q}\right)}^n\frac{\mathrm{\Δ}pR}{2L},$

其中R，Q，L和Δp与所述第一液流或第二液流之一相关联。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括：将所述的一致性(K)和流动行为指数(n)的计算值和与流经液体处理系统的液体相关联的参考值相比较的步骤。

9.一种用于液体处理系统的装置，包括

被配置成测量第一液流通过几何形状(R₁，L₁)的流量(Q₁)和跨越所述几何形状(R₁，L₁)的压力降(Δp₁)的第一测量单元(120，122，124，220，222，224)，

被配置成测量第二液流通过几何形状(R₂，L₂)的流量(Q₂)和跨越所述几何形状(R₂，L₂)的压力降(Δp₂)的第二测量单元(126，128，220，222，224，30，32，34)，和

利用所述几何形状(R₁，R₂，L₁，L₂)计算所述液体的一致性(K)和流动行为指数(n)，以及所述第一液流和所述第二液流的流量(Q₁，Q₂)以及压力降(Δp₁，Δp₂)的控制单元(130，230)。

10.根据权利要求9所述的装置，还包括与所述第一和/或第二测量单元(220，222，224)流体连接的端部开口的液体通道(210)，该通道(210)被配置为与所述液体处理系统(10)的管(16)流体连接。

11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述装置被配置以形成所述液体处理系统(10)的部分，以使得所述控制单元(130，230)被允许来实时地确定通过所述液体处理系统(10)处理的液体的一致性(K)和流动行为指数(n)。

12.一种液体处理系统，包括根据权利要求9-11中任一项所述的装置(100，200)。

13.根据权利要求12所述的液体处理系统，其中所述的液体是食品。