CN110945342A - 用于测量粘度的设备 - Google Patents

Abstract

描述一种用于测量流体的粘度的设备，包括：测量系统(1)，所述测量系统具有至少一个测量管(5)，在测量操作中所述至少一个测量管填充有流体或者流体流过所述至少一个测量管，并且所述至少一个测量管具有可激励以执行振荡的至少一个管部分(4、7)；激励器系统(3)，其用于激励不同频率的至少两个想要的振荡模式，在每个振荡模式下，所述管部分(4、7)中的至少一个被激励以执行振荡——尤其谐振振荡；感测系统(9)，所述感测系统被实施以使得对于在测量操作中激励的所述想要的振荡模式，所述感测系统在每种情况下确定被激励以执行所述想要的振荡模式中的一个振荡模式的振荡的至少一个管部分(4、7)的产生的振荡的频率和阻尼——尤其频率、振幅和阻尼；以及，评估系统(15)，所述评估系统被实施以使得基于对于在测量操作中激励的个别所述想要的振荡模式存储于存储器(17)中的校准数据，在每种情况下基于所产生的振荡的激励确定的频率和阻尼——尤其频率、振幅和阻尼，确定测量到的剪切速率值和粘度测量值，其中所述粘度测量值对应于在对应于所述剪切速率值的静态剪切速率下所述流体的动态粘度。

Description

用于测量粘度的设备

技术领域

本发明涉及一种用于测量流体的粘度的设备，并且包括：

-测量系统，其具有至少一个测量管，在测量操作中所述至少一个测量管填充有流体或者流体流过所述至少一个测量管，并且所述至少一个测量管具有在测量操作中可激励以执行振荡的至少一个管部分，

-激励器系统，其用于激励不同频率的至少两个想要的振荡模式，在每个振荡模式下，所述管部分中的至少一个被激励以执行所需振荡模式的振荡——尤其谐振振荡，以及

-感测系统其被实施以使得对于在测量操作中激励的想要的振荡模式，所述感测系统在每种情况下确定被激励以执行所述想要的振荡模式中的一个振荡模式的振荡的至少一个管部分的产生的振荡的频率和阻尼——尤其频率、振幅和阻尼。

例如，用于测量流体的粘度的设备应用于工业测量技术中。

背景技术

因此，例如在EP 1 158 289 B1和DE 10 2004 021 690 A1中描述了用于测量流体的粘度的设备，其中流体流过的测量管的管部分被激励以执行想要的振荡模式的振荡，并且基于取决于粘度的所产生的振荡的阻尼来确定流动流体的粘度。

此外，DE 10 2004 021 690 A1描述了一种被设计用于应用中的科里奥利质量流量测量装置，其中将确定非均匀流体，例如两相或多相流体的测量变量。为此，DE 10 2004021 690 A1描述了一种方法，其中同时或在时间上相近地按顺序激励笔直测量管，以进行不同频率的横向和扭转振荡，并且测量基本上仅取决于流体的粘度的所产生的横向振荡的阻尼以及取决于流体的粘度和非均匀性的所产生的扭转振荡的阻尼。从两个测量的阻尼推导出中间值，随后考虑所述中间值以提高通过测量装置测量的变量的测量精度，所述变量例如，质量流量、密度或粘度。此方法基于以下事实：在激励用于确定中间值的两个想要的振荡模式的情况下，流体的粘度必须相同。

通过这种方法，可以检测并考虑非均匀性。然而，对于流体的流动行为和流变性，流体是否是牛顿流体的决定性问题无法由此得到回答。在相同方面，在给定情况下，流体粘度的当前剪切速率依赖性也无法通过在DE 10 2004 021 690 A1中描述的测量装置定性地检测或定量地确定。

发明内容

本发明的目标是提供一种设备以及一种方法，可以通过所述设备和方法确定与剪切速率相关的流体粘度。

为此，本发明在于一种用于测量流体的粘度的设备，包括

-测量系统，其具有至少一个测量管，在测量操作中所述至少一个测量管填充有流体或者流体流过所述至少一个测量管，并且所述至少一个测量管具有可激励以执行振荡的至少一个管部分，

-激励器系统，其用于激励不同频率的至少两个想要的振荡模式，在每个振荡模式下，所述管部分中的至少一个被激励以执行所需振荡模式的振荡——尤其谐振振荡，

-感测系统，其被实施以使得对于在测量操作中激励的想要的振荡模式，所述感测系统在每种情况下确定被激励以执行所述想要的振荡模式中的一个振荡模式的振荡的至少一个管部分的所产生振荡的频率和阻尼——尤其频率、振幅和阻尼，以及

-评估系统，其被实施以使得基于对于在测量操作中激励的个别想要的振荡模式存储于存储器中的校准数据，在每种情况下，基于所产生的振荡的激励确定的频率和阻尼——尤其频率、振幅和阻尼，所述评估系统确定剪切速率值和粘度测量值，其中所述粘度测量值对应于在对应于剪切速率值的静态剪切速率下流体的动态粘度。

第一进一步发展提供了评估系统被实施以使得基于在不同剪切速率值下确定的至少两个粘度测量值，

-所述评估系统创建反映流体粘度随剪切速率而变化的粘度曲线，

-所述评估系统检测流体的粘度是否具有剪切速率依赖性，和/或

-基于在不同剪切速率值下确定的粘度测量值，所述评估系统确定流体是粘度基本上与剪切速率无关的牛顿流体，还是粘度随着剪切速率增加而下降的剪切稀化流体，还是粘度随着剪切速度增加而上升的剪切增稠流体。

在第二进一步发展中，所述设备包括检测系统，其用于在测量操作期间检测流体的改变和/或流体的粘度与其规范的差，其中所述检测系统被实施以使得

-所述检测系统将在所测量的剪切速率值下确定的粘度测量值或基于粘度曲线确定的粘度测量值与参考值——尤其是存储于存储器中的指定期望值或存储于存储器中的指定期望值范围，和/或存储于存储器中并且在一个或多个较早时间点在由设备确定的剪切速率值下确定的粘度测量值——相比较，并且

-当至少一个粘度测量值与所属参考值相差超过指定公差——尤其根据粘度测量的测量精度指定的公差或由用户指定的公差——时，所述检测系统检测改变和/或差。

第一实施例提供了

-激励器系统包括控制系统，所述控制系统将在每种情况下将由激励想要的振荡模式产生的振荡振幅控制到恒定值，并且

-感测系统被实施以使得所述感测系统在每种情况下对于能量需求基于借助于能量需求测量系统查明的度量来确定阻尼，所述能量需求是对于在激励想要的振荡模式将所产生的振荡保持在恒定振幅所需的能量需求。

第三进一步发展提供了

-校准数据包括在较早校准过程中针对每个想要的振荡模式查明的数据，经由所述数据，剪切速率值和粘度测量值与在激励想要的振荡模式时在测量操作中测量的阻尼和频率——尤其阻尼、频率和振幅——相关联，或

-校准数据包括在较早校准过程中针对每个想要的振荡模式查明的数据，经由所述数据，粘度测量值与在激励想要的振荡模式时在测量操作中测量的阻尼相关联，并且剪切速率值与测量的频率相关联，其中剪切速率值基本上等于特定管部分的所产生的振荡的频率的2π倍。

第二实施例提供了设备包括连接到感测系统的测量单元，所述测量单元被实施以使得在测量操作中，所述测量单元基于在激励想要的振荡模式中的至少一个的情况下产生的振荡来确定流体的质量流量和/或密度。

第四进一步发展提供了

-想要的振荡模式具有小于或等于1600Hz，尤其小于或等于1000kHz，尤其小于或等于800Hz，尤其从100Hz到800Hz的频率，和/或

-可激励到想要的振荡的一个或多个管部分在每种情况下具有大于穿透深度的管半径，在激励管部分以执行想要的振荡模式的振荡时形成的剪切波从管部分的管壁开始穿透到流体中并延伸到流体中至所述穿透深度。

第五进一步发展提供了

-评估系统被实施以使得在每种情况下，所述评估系统基于所产生的振荡的激励确定的频率、振幅和阻尼来确定用于在测量操作中激励的个别想要的振荡模式的剪切速率值和粘度测量值，或

-在每种情况下在激励想要的振荡模式时偏转的每个管部分的管半径和长度或子长度被定尺寸以使得从激励个别想要的振荡模式产生的振荡的频率和阻尼在每种情况下不依赖于所产生的振荡的振幅或仅较少地依赖于所产生的振荡的振幅，并且评估系统被实施以使得在每种情况下，所述评估系统基于所产生的振荡的激励确定的频率和阻尼来确定用于在测量操作中激励的个别想要的振荡模式的剪切速率值和粘度测量值。

第六进一步发展提供了

-流体具有复数粘度，所述复数粘度包括可归因于弹性特性的贡献以及可归因于粘性特性的贡献，并且与可归因于弹性特性的贡献相比，可归因于粘性特性的贡献较大，其中所述复数粘度尤其基本上仅(exclusively)具有弹性特性，

-可激励到想要的振荡的一个或多个管部分在每种情况下具有大于或等于穿透深度的十倍的管半径，在激励管部分以执行想要的振荡模式的振荡时形成的剪切波从管部分的管壁开始穿透到流体中并延伸到流体中至所述穿透深度，并且

-评估单元被实施以使得所述评估单元基于在激励特定管部分的想要的振荡模式期间特定管部分的所产生的振荡的阻尼来确定粘度测量值，并且基于特定管部分的所产生的振荡的频率来确定相关联的测量的剪切速率。

此外，本发明包括一种用于测量流体的粘度的方法，在针对不同频率的至少两个想要的振荡模式执行测量的情况下，所述方法包括如下方法步骤，

-在每种情况下，借助于激励器系统激励至少一个测量管的至少一个管部分，以执行想要的振荡模式的振荡——尤其谐振振荡，所述至少一个测量管填充有流体和/或流体流过所述至少一个测量管，

-确定被激励以执行想要的振荡模式的振荡的至少一个管部分的所产生的振荡的频率和阻尼——尤其频率、振幅和阻尼，以及

-基于由校准过程确定的校准数据以及所产生的振荡的想要的模式激励确定的频率和阻尼——尤其频率、振幅和阻尼——来确定剪切速率值和粘度测量值，其中粘度测量值对应于在对应于剪切速率值的静态剪切速率下流体的动态粘度。

所述方法的第一进一步发展提供了

-想要的振荡模式具有小于或等于1600Hz，尤其小于或等于1000kHz，尤其小于或等于800Hz，尤其从100Hz到800Hz的频率，和/或

-可激励到想要的振荡的一个或多个管部分在每种情况下具有大于穿透深度的管半径，在将管部分激励到所需振荡时形成的剪切波从管部分的管壁开始穿透到流体中并延伸到流体中至所述穿透深度。

所述方法的第二进一步发展提供了

-流体具有复数粘度，所述复数粘度具有可归因于弹性特性的贡献以及可归因于粘性特性的贡献，并且与可归因于弹性特性的贡献相比，可归因于粘性特性的贡献较大，其中所述复数粘度尤其基本上仅具有弹性特性，

-可激励到想要的振荡的一个或多个管部分在每种情况下具有大于或等于穿透深度的十倍的管半径，在激励管部分以执行想要的振荡模式的振荡时形成的剪切波从管部分的管壁开始穿透到流体中并延伸到流体中至所述穿透深度，并且

-基于在激励管部分的想要的振荡模式期间确定的管部分的所产生的振荡的阻尼来确定粘度测量值，并且基于管部分的所产生的振荡的频率来确定相关联的剪切速率值。

所述方法的第三进一步发展提供了

-在用于个别想要的振荡模式中的每一个的校准过程中执行参考测量，在当对应管部分填充有参考流体和/或参考流体流过对应管部分的情况下激励想要的振荡模式，并且测量从激励每个所需振荡模式产生的振荡的阻尼和频率——尤其阻尼、频率和振幅，

-其中参考测量包括用不同已知动态粘度的牛顿参考流体执行的参考测量，并且

-其中与每个测量到的频率相关联的剪切速率值基本上等于特定管部分的所产生的振荡的频率的2π倍，和/或参考测量包括用非牛顿参考流体执行的参考测量，所述非牛顿参考流体具有以已知方式取决于剪切速率的粘度，

-其中参考测量尤其包括用参考流体执行的参考测量，所述参考流体具有与其粘性特性相比以不同方式强烈发展的弹性特性，并且

-对于每个想要的振荡模式，确定校准数据，经由所述校准数据，剪切速率值和粘度测量值与在激励想要的振荡模式时在测量操作中测量到的阻尼和频率——尤其阻尼、频率和振幅——相关联。

所述方法的第三进一步发展规定，基于在不同剪切速率值下确定的至少两个粘度测量值，

-创建反映流体粘度随剪切速率而变化的粘度曲线，

-检测流体的粘度是否具有剪切速率依赖性，和/或

-基于在剪切速率值下确定的粘度测量值，确定流体是牛顿流体、剪切稀化流体还是剪切增稠流体。

所述方法的第四进一步发展规定，以如下检测在测量操作期间发生的流体改变和/或流体的粘度与其规范的差，

-将在所测量的剪切速率值下确定的粘度测量值与参考值——尤其与指定所需值、与指定所需值范围或与在一个或多个较早时间点在所测量的剪切速率值下确定的粘度测量值——相比较，并且

-当至少一个粘度测量值与所属参考值偏离超过指定公差——尤其根据粘度测量精度指定的公差或由用户指定的公差——时，检测改变和/或差。

附图说明

现将基于示出实施例实例的附图更详细地解释本发明以及其它优点；在图中用相同参考标记提供相同部件。附图如下示出：

图1：本发明的设备；

图2：借助于示例，在每种情况下对应于笔直管部分的本征振荡模式的三个想要的振荡模式；

图3：测量系统的实施例的示例；

图4：带有具有弯曲管部分的四个测量管的测量系统；以及

图5：带有具有笔直管部分的四个测量管的测量系统。

具体实施方式

图1示出用于测量流体的粘度的本发明的设备。所述设备包括在图1中仅说明为功能块的测量系统1，所述测量系统包括至少一个测量管，所述至少一个测量管在测量操作中填充有流体，或者流体流过所述至少一个测量管，并且所述至少一个测量管具有可激励以执行振荡的至少一个管部分。

此外，所述设备包括激励器系统3，其用于激励不同频率的至少两个想要的振荡模式，其中在每种情况下管部分中的至少一个被激励以执行想要的振荡模式中的一个振荡模式的振荡——尤其谐振振荡。为此，激励器系统3被实施以使得在测量操作中通过激励器系统可激励所提供管部分中的至少一个以执行第一想要的振荡模式的振荡，并且可激励所提供管部分中的至少一个以执行至少一个附加想要的振荡模式的振荡。个别想要的振荡模式优选地对应于其管部分的本征振荡模式。在此种情况下，这取决于将激励的管部分的实施例以及想要的振荡模式的形式、个别想要振荡模式的激励以及下文将描述的针对个别想要的振荡模式产生的振荡的评估可以同时发生还是必须被实施为在时间上按顺序发生。

为了执行本发明的测量方法，使用仅具有单个测量管且该测量管仅具有单个管部分的一个测量系统1就足够，所述单个管部分可以被激励以执行具有另一频率的第一想要的振荡模式和至少一个附加想要的振荡模式的振荡。其示例是具有至少一个测量管的测量系统，所述至少一个测量管例如具有可激励以执行扭转和/或弯曲振荡的至少一个管部分。

因此，测量系统1可以包括例如固定在其相对定位的端部上的笔直管部分4。可以例如以执行横向振荡的本征振荡模式激励此管部分4。在此种情况下，管部分4被激励以在振荡平面x-y中执行振荡，所述振荡平面x-y由管部分的纵轴x以及垂直于管部分的纵轴x延伸的轴y限定，其中管部分经历垂直于其纵轴x定向的偏转。这些本征振荡模式包括在图2中示为第一想要的振荡模式N1的基本振荡模式，其中垂直于纵轴x出现的偏转振幅形成单个振荡波腹。此外，本征振荡模式包括N1本征振荡模式的谐波，其在图2中示为下一更高的对称第二想要的振荡模式N2并且因此产生三个振荡波腹。替代地或补充地，可以将笔直管部分4激励到本征振荡，所述本征振荡被形成为围绕延伸穿过管部分4的两个固定端的旋转轴的扭转振荡。作为示例，图2示出被实施为纯扭转振荡模式的第三想要的振荡模式N3。

替代地，还可以使用测量系统1，所述测量系统具有呈另一形式的至少一个管部分。在此情况下，示例是具有至少一个测量管的测量系统1，所述至少一个测量管包括弧形、弯曲、u形、v形和/或至少一个Ω形管部分，所述管部分可激励以执行预定的想要的振荡模式的振荡。替代地，然而，测量系统1还可以包括彼此连接用于平行或串行流的两个或更多个测量管，所述测量管中的至少一个具有可激励以执行振荡的一个或多个串行流过的管部分，其中在每种情况下，这些管部分在此处还可以具有例如前述形式中的一个。

图3表示测量系统1的实施例的实例，所述测量系统具有基本上彼此平行延伸的两个测量管5，所述测量管中的每一个具有例如弯曲管部分7，所述弯曲管部分牢固地以机械方式固定在其相对定位的端部上并且可执行以执行振荡。在实施例的此实例中，想要的振荡模式优选地包括管部分7的本征振荡模式，例如，组合的扭转和弯曲振荡的基本模式和更高模式，其中管部分7被激励以围绕延伸穿过其固定端的扭转轴执行振荡。

图4示出测量系统1的实施例的另一示例，所述测量系统具有在流动方向上彼此平行连接的四个测量管5，所述测量管中的每一个具有弯曲管部分7，所述弯曲管部分牢固地机械地固定在其相对定位的端部上并且可被激励以执行振荡。

图5示出测量系统1的实施例的另一示例，所述测量系统具有在流动方向上彼此平行连接的四个测量管，所述测量管中的每一个具有至少一个笔直管部分4，所述笔直管部分牢固地机械地固定在其相对定位的端部上并且可被激励以执行振荡。

图4和5中所说明的测量系统1优选地被操作以使得四个测量管中的每两个测量管形成测量管对，在每种情况下彼此平行布置的所述测量管对的管部分4或7被激励以执行上文结合图2描述的用于笔直管部分4或上文结合图3描述的用于弯曲管部分7的想要的振荡模式中的至少一个的振荡，优选地反相振荡。在此种情况下，操作优选地被进行以和/或管部分4或7优选地被实施以使得两个测量管对中的管部分4或7的想要的振荡模式的频率不同。

测量系统1的管部分4、7的个别想要的振荡模式的激励优选地经由激励器系统3的一个或多个驱动器D进行，所述驱动器在每种情况下作用于对应于要激励的想要的振荡模式选定的特定管部分4、7的区域。尤其例如静电、压电或磁性驱动器D的驱动器适合于此，所述驱动器在现有技术中应用于科里奥利质量流量测量装置或密度测量装置以激励想要的振荡模式。对应驱动器D以及激励想要的振荡模式所需的驱动器的数目和布置对本领域技术人员是已知的，并且因此此处不再详细描述。在图1和3中所说明的实施例的示例中，激励器系统3包括作用于图3中的弧形管部分7的中间点上的驱动器D，所述驱动器优选地被实施以使得所述驱动器将平行管部分7激励到反相振荡。

另外，设备包括感测系统9，所述感测系统被实施以使得对于在测量操作中激励的个别想要的振荡模式，所述感测系统在每种情况下确定至少一个管部分4、7的所产生的振荡的频率和阻尼，所述至少一个管部分被激励以执行想要的振荡模式的振荡。如下文详细地说明，存在本发明的设备的实施例，在这种情况下，补充地需要所产生的振荡的频率，还补充地需要记录所产生的振荡的振幅。在这种情况下，感测系统9被实施以使得所述感测系统确定所产生的振荡的频率、振幅和阻尼。

在测量操作中，在每个测量周期中，设备对不同频率的至少两个想要的振荡模式执行测量，在这种情况下，在每种情况下至少一个管部分4、7被激励以执行想要的振荡模式中的一个的振荡。在激励想要的振荡模式期间，在每种情况下，优选地借助于感测系统9的至少一个传感器S在计量上记录一个或多个激励的管部分4、7的所产生的振荡。可用于此目的的例如静电、压电或磁性传感器的传感器S以及关于记录所产生振荡所需的特定管部分4、7的传感器的数目和布置从现有技术中已知，并且因此此处不再详细描述。可以通过例如与在从现有技术中已知的科里奥利质量流量测量装置或密度测量装置的情况下相同的方式实施和/或布置传感器S。在图1和3中所说明的实施例的示例的情况下，感测系统9具有两个传感器S，所述传感器在图3中被布置在弧形管部分7的支腿区域中的入口侧和出口侧上，用于在计量上记录所产生振荡。

为了确定填充特定管部分4、7或流过所述特定管部分的流体的与阻尼相关的粘度，在从激励所述特定管部分的想要的振荡模式产生的振荡的情况下，设备——尤其所述设备的感测系统9可以例如被实施以使得在每种情况下，所述设备基于特定管部分4、7的振荡质量因数通过US 2004/0255648 A1中描述的方式确定阻尼，所述因数可以例如从所述特定管部分的想要的振荡模式的谐振峰的宽度导出。

替代地，设备可以被实施以使得在每种情况下，所述设备基于保持特定想要的振荡模式所需的能量结合质量流量测量装置通过例如EP 1 158 289 B1中或DE 10 2004 021690 A1中描述的方式查明阻尼。图1中示出这种形式的实施例。此处，激励器系统3优选地经由连接到感测系统9和激励器系统3的控制系统11被实施以使得在从激励特定管部分4、7的想要的振荡模式产生的所述特定管部分的振荡的情况下，所述激励器系统在每种情况下将借助于传感器S测量到的振幅控制到恒定值。在此种情况下用于保持具有恒定振幅的所产生的振荡所需的能量需求取决于阻尼，进而取决于流体的粘度。因此，借助于相应地形成的能量需求感测系统13，确定为此所需的能量的度量，所述度量对应于与粘度相关的阻尼。

在每种情况下，优选地以与其想要的振荡模式的谐振频率对应的频率发生想要的振荡模式的激励。例如，以从现有技术中已知的方式进行谐振频率的激励。为此，设备优选地被实施以使得所述设备通过相应地控制驱动频率来最大化借助于传感器S测量的所产生的振荡的振幅，和/或通过相应地将驱动频率控制到对应于谐振的值来控制激励与所产生的振荡之间的相移。

根据本发明，设备包括评估系统15，所述评估系统被实施以使得基于针对在测量操作中激励的个别想要的振荡模式存储于存储器17中的校准数据，在每种情况下基于在激励想要的振荡模式时产生的特定管部分4、7的振荡的频率和阻尼，以及在要求的情况下振幅，所述评估系统确定剪切速率值和粘度测量值。在此种情况下，基于校准数据确定剪切速率值和粘度测量值以使得在与剪切速率值对应的静态剪切速率下，粘度测量值对应于所述流体的动态粘度。

激励想要的振荡模式影响受影响的管部分4、7的振荡移动。在此种情况下，在位于其中的流体中或在流过其的流体中形成剪切波，所述剪切波从特定管部分的管壁开始穿透到流体中并且延伸到一定穿透深度h。穿透深度h取决于所产生的振荡的频率，以及流体的动态粘度和密度，并且可以例如根据以下公式估计：

其中η是动态粘度，f是所产生的振荡的频率并且ρ是流体的密度。在此种情况下，在激励想要的振荡模式的情况下产生的与粘度相关的振荡阻尼随着对应于粘度的穿透深度h增加而增加。因此，可以用本发明的设备测量处于的值范围内的粘度，其中穿透深度h随着粘度改变。只要穿透深度h小于管部分4、7的管半径，事实就是这样。测量管5的管部分4、7具有处于厘米或分米范围内的半径。因此，本发明的设备的穿透深度h即使在例如在100Hz到1000Hz范围中的频率的低频率下也显著小于管部分的管半径。

在本发明的设备的情况下，在每种情况下，优选地一个或多个管部分4、7以及在激励其想要的振荡模式时偏转的随着流体(应测量其与剪切速率相关的粘度)的粘性和弹性特性而变的管部分的长度或子长度的尺寸被定尺寸以使得在激励个别想要的振荡模式时产生的振荡的频率和阻尼在每种情况下不依赖于特定管部分4、7的所产生的振荡的振幅或仅较少地依赖于所述振幅。这提供以下优点：既不需要在测量操作中测量所产生的振荡的振幅，也不需要在确定剪切速率值和粘度测量值时将所产生的振荡的振幅考虑在内。在不可能的情况下，所产生的振荡的振幅必须借助于感测系统9进行计量记录并且在使用校准数据确定剪切速率值和粘度测量值时加以考虑，所述校准数据反映测量的现有振幅依赖性。

优选地在较早校准过程中确定校准数据。在第一变型中，对于每个个别想要的振荡模式，用具有不同已知动态粘度的牛顿参考流体以及用具有以已知方式取决于剪切速率的粘度的非牛顿参考流体进行参考测量。在这些参考测量中，在管部分4、7填充有参考流体时，或在参考流体流过管部分4、7时，激励个别想要的振荡模式。在此种情况下，通过用于每个想要的振荡的感测系统9测量所产生振荡的频率和阻尼，在要求的情况下以及振幅。随后，校准数据由此导出并存储于与评估单元15相关联的存储器17中。

通过本发明的设备，可以确定诸如例如油的具有基本上排他性粘度特性的流体的动态粘度。在这些流体的情况下，测量的阻尼是动态粘度的直接度量。对于这些应用，优选地通过具有基本上排他性粘性特性的参考流体进行参考测量。在此种情况下，用牛顿参考流体进行的参考测量产生校准数据，所述校准数据反映测量的阻尼对流体的动态粘度的依赖性。使用此校准数据，粘度测量值可以与在测量操作中测量到的阻尼相关联。

此外，用非牛顿参考流体进行的参考测量产生校准数据，在每种情况下，剪切速率值，即对应于剪切速率的剪切速率值通过所述校准数据可以与测量的频率，或测量的频率和振幅相关联，其中参考流体具有对应于相关联的粘度测量值的动态粘度。

此外，本发明的设备还可以确定流体的动态粘度，除了纯粘性特性之外，所述流体还补充地具有弹性特性。在这些流体的情况下，阻尼包括取决于动态粘度的部分，以及可归因于由流体的弹性特性造成的能量损失的部分。在这些流体的情况下，就像在牛顿流体的情况下，在给定情况下，阻尼可以取决于频率或频率和振幅。这种依赖性越强，则可归因于流体的弹性特性的阻尼的部分越大。相反，在这些流体的情况下，将与粘度测量值相关联的剪切速率值还可以取决于流体的动态粘度和/或流体的粘性特性和弹性特性的比率。优选地通过用具有与其粘性特性相比不同方式强烈发展的弹性特性的参考流体进行参考测量而在记录校准数据时考虑到这一点。基于用这些参考流体进行的参考测量，在测量操作中测量的阻尼对动态粘度和频率，或频率和振幅的依赖性，以及剪切速率值对测量到的阻尼和频率，或频率和振幅的依赖性可以被查明为根据参考流体的粘性和弹性特性的比率变化。替代地或补充地，为此目的，校准数据优选地包括基于用至少一种参考流体进行的参考测量查明的数据，就流体的粘弹性特性而言，所述参考流体与流体相同或尤其尽可能相似，将通过本发明的设备确定所述参考流体的与剪切速率相关的粘度。

在本发明的设备的情况下，其中剪切波的穿透深度h显著小于管部分4、7的管半径，优选地至少小十倍或更少，可以大致假设在流体中形成剪切，由W.P.Cox和E.H.Merz针对振荡粘度计制定的规则至少大致可适用于所述剪切。此规则表示用振荡粘度计在某一振荡电路频率ω下测量到的流体的复数粘度|η*|的量值对应于流体在静态剪切速率f_stat下的动态粘度|η|的量值，所述静态剪切速率对应于振荡电路频率ω。在振荡粘度计中测量的复数粘度η*由可归因于弹性特性的贡献和可归因于流体的粘性特性的贡献组成。

在此规则应用于本发明的设备的情况下，用本发明的设备测量的阻尼在每种情况下被解释为与在振荡粘度计中测量的复数粘度对应的测量变量，并且被考虑为在与所产生的振荡的频率对应的静态剪切速率下流体的动态粘度的度量。

因此，评估系统15此处优选地被实施以使得所述评估系统基于在激励特定管部分4、7的想要的振荡模式期间确定的所述特定管部分的所产生的振荡的阻尼来确定粘度测量值，并且基于特定管部分4、7的所产生的振荡的频率来确定相关联的剪切速率值。

在这些设备的情况下，当收集校准数据时，优选地已通过前述方式考虑W.P.Cox和E.H.Merz针对振荡粘度计导出的规则。在这种情况下，用于每个想要的振荡模式的校准数据在每种情况下包括数据，所属粘度测量值经由所述数据与在激励特定管部分4、7的想要的振荡模式期间确定的所述特定管部分的所产生的振荡的阻尼相关联，并且剪切速率值与特定管部分4、7的所产生的振荡的频率相关联。可以例如在显著简化的校准过程中确定校准数据，在这种情况下仅确定阻尼对所属粘度测量值的依赖性，并且剪切速率值基本上基于所产生的振荡的频率的2π倍。为此，例如，可以仅用牛顿参考流体进行参考测量，所述牛顿参考流体具有已知的与剪切速率相关的粘度。在此种情况下不需要用具有以已知方式取决于剪切速率的粘度的参考流体进行参考测量。

通过应用W.P.Cox和E.H.Merz的规则，尤其当设备被实施以使得在激励想要的振荡模式时产生的振荡的阻尼和频率基本上与所产生的振荡的振幅无关时，可以实现具有主要粘性特性的流体的可接受测量精度。

经由将管部分、尤其管部分的横截面积、壁厚和在激励个别想要的振荡模式时偏转的长度或子长度定尺寸，本发明的设备优选地被实施以使得针对测量的剪切速率值确定的想要的振荡模式的频率涵盖频率范围，所述频率范围实现在剪切速率范围内测量动态粘度，其中非牛顿流体的粘度通常随剪切速率而变化。

可以至少大致通过应用W.P.Cox和E.H.Merz的前述规则来估计此频率范围。为了能够用本发明的设备在小于或等于10000 1/s的剪切速率范围内测量动态粘度，优选地激励频率小于1600Hz的想要的振荡模式。优选地，激励想要的振荡模式，所述振荡模式的频率小于或等于1000Hz，优选地甚至小于或等于800Hz。因此，可以例如基于想要的振荡模式在约600 1/s至5000 1/s的量值的剪切速率范围内测量动态粘度，所述振荡模式的频率处于100Hz至800Hz的频率范围中。

本发明的设备提供以下优点：基于通过所述设备确定的粘度测量值，可以检测到流体是否具有取决于剪切速率的粘度。此外，在给定情况下，可以定量地确定和/或评估粘度的剪切速率依赖性。设备的操作员可以基于粘度测量值和所属剪切速率值查明与其相关的附加信息。替代地，此信息还可以在设备中确定并且被发送到输出单元19。为此，评估单元15优选地被实施以使得基于在至少两个不同测量到的剪切速率值下确定的粘度测量值，所述评估单元检测流体是否具有与剪切速率相关的粘度。为此，足以检查在不同测量的剪切速率值下测量的至少两个粘度测量值是否彼此相差超过指定最小差。

替代地或补充地，评估单元15优选地被实施以使得基于在至少两个不同的测量的剪切速率值下确定的粘度测量值，所述评估单元创建反映流体粘度随剪切速率而变化的粘度曲线。就存在以在足够程度上彼此不同的测量到的剪切速率值确定的足够多粘度测量值的程度来说，可以基于粘度测量值和相关联的测量的剪切速率值直接地创建曲线。替代地或补充地，可以基于数学函数确定曲线，所述数学函数描述非牛顿流体的粘度对剪切速率的函数依赖性。在这种情况下，仅在不同剪切速率值下确定的两个粘度测量值足以创建信息曲线，还可以经由所述信息曲线将流体粘度的剪切速率依赖性外推到剪切速率范围，用于所述剪切速率范围的粘度测量值未被确定。

替代地或补充地，评估单元15优选地被实施以使得基于在不同剪切速率值下确定的粘度测量值或从其导出的曲线，所述评估系统确定流体是粘度基本上与剪切速率无关的牛顿流体，还是粘度随着剪切速率增加而下降的剪切稀化流体，还是粘度随着剪切速度增加而上升的剪切增稠流体。

此外，用本发明的设备测量到的粘度测量值还可以用于检测在正进行的测量操作期间发生的流体的粘度改变和/或流体的粘度与其规范的差。确切地如在上文所描述的查明附加信息的情况下，还可以由设备的操作员基于粘度测量值检测这些改变和/或差。替代地，然而，此检测还可以由检测系统21执行，所述检测系统连接到设备或集成到设备并且相应地在某一其它方式显示或输出。检测系统21的功能可以例如通过配备有对应软件、微处理器等的PC执行。替代地，诸如此处所示，检测系统21可以被实施为评估单元15的组件。

检测优选地以使得设备一个接一个执行粘度测量的方式发生，其中在每种情况下，确定至少两个粘度测量值和相关联的不同剪切速率值。随后，在剪切速率值下确定的粘度测量值与存储于与检测单元21相关联的存储器23中的参考值相比较。

例如，参考值可以包括针对流体指定的期望值或期望值范围，流体的粘度在一定剪切速率下应具有所述期望值或期望值范围。在这种情况下，当至少一个粘度测量值与所属期望值，或所属期望值范围相差超过指定公差时，检测系统21检测与由期望值限定的规范的差。例如，设置为指定公差可以是根据粘度测量的测量精度指定的公差，或以某一其它方式确定的公差，例如，由用户指定的公差。替代地或补充地，还可以基于从测量的粘度测量值和相关联的剪切速率值产生的粘度曲线自然地执行比较。当期望值或期望值范围仅对于剪切速率或剪切速率范围已知时，后一者也使得能够检测差异，所述剪切速率或剪切速率范围不同于针对其确定粘度测量值的剪切速率值。

替代地或补充地，参考值可以包括在设备以测量的剪切速率值进行的一个或多个较早测量期间确定的粘度测量值。在这种情况下，在当前粘度测量值中的至少一个与在较早时间点测量的并且存储于存储器23中的所属参考值相差超过取决于粘度测量的测量精度的公差或由用户指定的公差时，检测系统21检测流体粘度的时间改变。

当本发明的设备同时还应用于测量例如质量流量和/或密度的其它测量变量，和/或由设备确定的粘度测量值用于补偿在密度和/或质量流量测量中与粘度相关的测量误差时，附加信息以及流体粘度的差和/或改变的检测尤其有利。

如果借助于激励器系统3激励流体流过的本发明的设备的管部分4、7以执行振荡，则在管部分4、7中出现科里奥利力，这会影响管部分4、7的所产生的振荡形式。在此处所说明的实施例的示例的情况下，这导致以下事实：用设置在特定管部分4、7上的入口侧和出口侧传感器S记录的振荡具有所产生的振荡形式的频率，所述频率相等但相对于彼此相位偏移取决于质量流量的相移。随后，可以例如借助于测量单元25查明此相移，所述测量单元25连接到传感器S并且随后基于测量的相移确定质量流量。替代地或补充地，设备可以应用于测量密度。在这种情况下，借助于激励器系统3和控制系统11激励测量系统1的至少一个管部分4、7，以在谐振频率下执行振荡。在这种情况下，借助于连接到振荡传感器S的测量单元25以及从其确定的流体的密度来查明取决于密度的谐振频率。如果感测系统还被操作为密度感测系统，则提供以下优点：可以基于测量的密度将对应于动态粘度的粘度测量值转换成对应于所述运动粘度的粘度测量值。同时，密度测量和粘度测量可以用于校正粘度测量值的与密度相关的测量误差，和/或测量的密度的与粘度相关的测量误差。

参考符号列表

1 测量系统 15 评估单元

3 激励器系统 17 存储器

4 管部分 19 输出单元

5 测量管 21 检测系统

7 管部分 23 存储器

9 感测系统 25 测量单元

11 控制系统

13 能量需求感测系统

Claims (15)

1.一种用于测量流体的粘度的设备，包括：

-测量系统(1)，所述测量系统具有至少一个测量管(5)，在测量操作中所述至少一个测量管填充有流体或者流体流过所述至少一个测量管，并且所述至少一个测量管具有可激励以执行振荡的至少一个管部分(4、7)，

-激励器系统(1)，所述激励器系统用于激励不同频率的至少两个想要的振荡模式，在每个振荡模式下，所述管部分(4、7)中的至少一个被激励以执行振荡——尤其谐振振荡，

-感测系统(3)，所述感测系统被实施以使得对于在测量操作中激励的所述想要的振荡模式，所述感测系统在每种情况下确定被激励以执行所述想要的振荡模式中的一个振荡模式的振荡的至少一个管部分(4、7)的所产生的振荡的频率和阻尼——尤其频率、振幅和阻尼，以及

-评估系统(15)，所述评估系统被实施以使得基于对于在测量操作中激励的个别所述想要的振荡模式存储于存储器(17)中的校准数据，在每种情况下，基于所产生的振荡的激励确定的频率和阻尼——尤其频率、振幅和阻尼，确定剪切速率值和粘度测量值，其中所述粘度测量值对应于在对应于所述剪切速率值的静态剪切速率下所述流体的动态粘度。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述评估系统(15)被实施以使得基于在不同剪切速率值下确定的至少两个粘度测量值，

-所述评估系统创建反映所述流体的粘度随剪切速率而变化的粘度曲线，

-所述评估系统检测所述流体的粘度是否具有剪切速率相关性，和/或

-基于在不同剪切速率值下确定的粘度测量值，所述评估系统确定所述流体是粘度基本上与剪切速率无关的牛顿流体，还是粘度随着剪切速率增加而下降的剪切稀化流体，还是粘度随着剪切速度增加而上升的剪切增稠流体。

3.根据权利要求1至2所述的设备，进一步包括检测系统(21)，所述检测系统用于在测量操作期间检测所述流体的改变和/或所述流体的所述粘度与其规范的差，其中所述检测系统(21)被实施以使得

-所述检测系统将在所测量的剪切速率值下确定的粘度测量值或基于所述粘度曲线确定的粘度测量值与参考值——尤其是存储于存储器(23)中的指定期望值或指定期望值范围和/或存储于存储器(23)中并且在一个或多个较早时间点在由所述设备确定的剪切速率值下确定的粘度测量值——相比较，并且

-当至少一个粘度测量值与所属参考值相差超过指定公差——尤其根据粘度测量的测量精度指定的公差或由用户指定的公差——时，所述检测系统检测改变和/或差。

4.根据权利要求1至3所述的设备，其中

-所述激励器系统(3)包括控制系统(11)，所述控制系统在每种情况下将由激励所述想要的振荡模式产生的振荡的振幅控制到恒定值，并且

-所述感测系统(3)被实施以使得所述感测系统在每种情况下对于能量需求基于借助于能量需求感测系统(13)查明的度量来确定阻尼，所述能量需求是对于激励想要的振荡模式将所产生的振荡保持在恒定振幅所需的能量需求。

5.根据权利要求1至4所述的设备，其中

-所述校准数据包括在较早校准过程中针对每个想要的振荡模式查明的数据，经由所述数据，剪切速率值和粘度测量值与在激励所述想要的振荡模式时在测量操作中测量的阻尼和频率——尤其阻尼、频率和振幅——相关联，或

-所述校准数据包括在较早校准过程中针对每个想要的振荡模式查明的数据，经由所述数据，粘度测量值与在激励所述想要的振荡模式时在测量操作中测量的阻尼相关联，并且剪切速率值与测量的频率相关联，其中所述剪切速率值基本上等于特定管部分(4、7)的所产生的振荡的频率的2π倍。

6.根据权利要求1至5所述的设备，进一步包括连接到所述感测系统(9)的测量单元(25)，所述测量单元被实施以使得在测量操作中，所述测量单元基于在激励所述想要的振荡模式中的至少一个的情况下产生的振荡来确定所述流体的质量流量和/或密度。

7.根据权利要求1至6所述的设备，其中

-所述想要的振荡模式具有小于或等于1600Hz，尤其小于或等于1000kHz，尤其小于或等于800Hz，尤其从100Hz到800Hz的频率，和/或

-可激励到想要的振荡的所述一个或多个管部分(4、7)在每种情况下具有大于穿透深度(h)的管半径，在激励所述管部分(4、7)以执行想要的振荡模式的振荡时形成的剪切波从所述特定管部分(4、7)的管壁开始穿透到所述流体中并延伸到所述流体中至所述穿透深度。

8.根据权利要求1至7所述的设备，其中

-所述评估系统(15)被实施以使得在每种情况下，所述评估系统基于所产生的振荡的激励确定的频率、振幅和阻尼来确定用于在测量操作中激励的个别所述需要的振荡模式的剪切速率值和粘度测量值，或

-在每种情况下，在激励想要的振荡模式时偏转的每个管部分(4、7)的管半径和长度或子长度被定尺寸以使得从激励个别所述想要的振荡模式产生的振荡的频率和阻尼在每种情况下不依赖于所产生的振荡的所述振幅或仅较少地依赖于所产生的振荡的所述振幅，并且所述评估系统(15)被实施以使得在每种情况下，所述评估系统基于所产生的振荡的激励确定的频率和阻尼来确定用于在测量操作中激励的个别所述想要的振荡模式的剪切速率值和粘度测量值。

9.根据权利要求1至7所述的设备，其中

-所述流体具有复数粘度、可归因于弹性特性的贡献以及可归因于粘性特性的贡献，并且与可归因于弹性特性的所述贡献相比，可归因于粘性特性的所述贡献较大，其中所述复数粘度尤其基本上仅具有弹性特性，

-可激励到想要的振荡的所述一个或多个管部分(4、7)在每种情况下具有大于或等于穿透深度(h)的十倍的管半径，在激励所述管部分(4、7)以执行想要的振荡模式的振荡时形成的剪切波从所述管部分(4、7)的管壁开始穿透到所述流体中并延伸到所述流体中至所述穿透深度，并且

-所述评估单元(15)被实施以使得所述评估单元基于在激励特定管部分(4、7)的想要的振荡模式期间所述特定管部分的所产生的振荡的阻尼来确定粘度测量值，并且基于所述特定管部分(4、7)的所产生的振荡的频率来确定相关联的测量的剪切速率。

10.一种用于测量流体的粘度的方法，在针对不同频率的至少想要的所需振荡模式执行测量的情况下，包括如下方法步骤：

-在每种情况下，借助于激励器系统(3)激励至少一个测量系统测量管(5)的至少一个管部分(4、7)，以执行所述想要的振荡模式的振荡——尤其谐振振荡，所述至少一个测量系统测量管填充有流体和/或流体流过所述至少一个测量系统测量管，

-确定被激励以执行想要的振荡模式的振荡的至少一个管部分(4、7)的所产生的振荡的频率和阻尼——尤其频率、振幅和阻尼，以及

-基于由校准过程确定的校准数据以及所产生的振荡的想要的模式激励确定的频率和阻尼——尤其频率、振幅和阻尼——来确定剪切速率值和粘度测量值，其中所述粘度测量值对应于在对应于剪切速率值的静态剪切速率下所述流体的动态粘度。

11.根据权利要求10所述的方法，其中

-所述想要的振荡模式具有小于或等于1600Hz，尤其小于或等于1000kHz，尤其小于或等于800Hz，尤其从100Hz到800Hz的频率，和/或

-可激励到想要的振荡的所述一个或多个管部分(4、7)在每种情况下具有大于穿透深度(h)的管半径，在激励所述管部分(4、7)至想要的振荡时形成的剪切波从所述管部分(4、7)的管壁开始穿透到所述流体中并延伸到所述流体中至所述穿透深度。

12.根据权利要求10至11所述的方法，其中

-所述流体具有复数粘度，所述复数粘度具有可归因于弹性特性的贡献以及可归因于粘性特性的贡献，并且与可归因于弹性特性的所述贡献相比，可归因于粘性特性的所述贡献较大，其中所述复数粘度尤其基本上仅具有弹性特性，

-可激励到想要的振荡的所述一个或多个管部分(4、7)在每种情况下具有大于或等于穿透深度(h)的十倍的管半径，在激励所述管部分(4、7)至想要的振荡时形成的剪切波从所述管部分(4、7)的管壁开始穿透到所述流体中并延伸到所述流体中至所述穿透深度，并且

-基于在激励特定管部分(4、7)的想要的振荡模式期间确定的所述特定管部分的所产生的振荡的阻尼来确定所述粘度测量值，并且基于所述管部分(4、7)的所产生的振荡的频率来确定所述相关联的剪切速率值。

13.根据权利要求10至12所述的方法，其中

-在用于个别所述想要的振荡模式中的每一个的所述校准过程中执行参考测量，在当所述对应管部分(4、7)填充有参考流体和/或所述参考流体流过所述对应管部分的情况下激励所述想要的振荡模式，并且测量所产生的振荡的想要的模式激励确定的频率和阻尼——尤其频率、振幅和阻尼，

-其中，所述参考测量包括用不同的已知动态粘度的牛顿参考流体进行的参考测量，并且

-其中，与每个测量到的频率相关联的剪切速率值基本上等于所述特定管部分(4、7)的所产生的振荡的频率的2π倍，和/或所述参考测量包括用非牛顿参考流体进行的参考测量，所述非牛顿参考流体具有以已知方式取决于剪切速率的粘度，

-其中，所述参考测量尤其包括用参考流体进行的参考测量，所述参考流体具有与其粘性特性相比以不同方式强烈发展的弹性特性，并且

-对于每个想要的振荡模式，确定校准数据，经由所述校准数据，剪切速率值和粘度测量值与在激励所述想要的振荡模式时在测量操作中测量的阻尼和频率——尤其阻尼、频率和振幅——相关联。

14.根据权利要求10至13所述的方法，其中，基于在不同剪切速率值下确定的至少两个粘度测量值，

-创建反映所述流体的粘度随剪切速率而变化的粘度曲线，

-检测所述流体的粘度是否具有剪切速率相关性，和/或

-基于在剪切速率值下确定的粘度测量值，确定所述流体是牛顿流体、剪切稀化流体还是剪切增稠流体。

15.根据权利要求10至14所述的方法，其中，以如下检测在测量操作期间发生的所述流体的改变和/或所述流体的粘度与其规范的差，

-将在所测量的剪切速率值下确定的粘度测量值与参考值——尤其与指定所需值、与指定所需值范围或与在一个或多个较早时间点在所测量的剪切速率值下确定的粘度测量值——相比较，并且

-当至少一个粘度测量值与所属参考值偏离超过指定公差——尤其根据粘度测量精度指定的公差或由用户指定的公差——时，检测改变和/或差。

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