CN116547519A - 高脚杯式粘度计 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种用于——基于流体液位在流出过程中以恒率下降——测量流体之流变特性的粘度计，所述粘度计包括：容器，其具有由比例关系x～C*y^(1/n)定义的三维形状，其中，符号～指比例关系，变量x和y是x‑y笛卡尔坐标面上的坐标，其中x是长度，y是高度；n是介于并包括2和4的可变指数项；C是具有长度量纲的常数；并且其中，所述容器包括位于或接近y坐标最小处的孔。

Description

高脚杯式粘度计

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年10月6日所提交的美国申请第17/063,903号的优先权，该美国申请的全文在此通过引用纳入本文。

技术领域

本公开总体涉及粘度计，特别是高脚杯式粘度计(goblet viscometers)。

背景技术

目前用于测量流体流变性的最先进技术提供了一些复杂精密的、在现场应用或许多工业应用中并不实用或不易获取的实验室设备。此外，目前可用的实验室流变学设备无法在现场与其他各种流动条件下进行实时、连续的流体流变性测量。

因此，需要：在现场与在实验室环境中连续实时地测量流体流变性的更快更准确的方法。

发明内容

本公开提供了一种用于测量流体之流变特性的粘度计，包括：容器，其具有由比例关系所定义的形状，其中，符号∝指比例关系，变量x和y是x-y笛卡尔坐标平面上的坐标，其中x是长度，y是高度，C是具有长度量纲的常数，并且其中，所述容器包括位于或接近所述y坐标最小处的孔。

本公开流体粘度计及软件为现场与工业流变学测量应用提供了教科书级的准确性。本发明实现了对用于测量流体流变性的剪切率的教科书级定义，其可以以实时连续方式被频繁重复而具有最小误差。测量结果(如同用更复杂的实验室设备所获得的那些测量结果)随时随地可获得。本公开流体粘度计简单、却比其他更复杂实验室设备更精确。

本公开软件也可用于提供一种系统，该系统用于即时预测和显示：用于测量各种流动条件下流体粘度的、由本公开粘度计所确定的各种剪切率。使用本公开粘度计并通过应用这种新方法，可以达到极高的精度。由此解决另一问题，即，可以实现对流体流变性的实时连续测量。

本公开流体粘度计包括：在所述粘度计容器的形状上的一种比例关系，所述粘度计容器可尺寸设计成确保倒入该粘度计的液体高度以恒率(constant rate)下降，换句话说，本公开粘度计维持体积流率的下降的恒率。所述流率的该方面保证了在任何时间点都能确定精确流率。由此可确定剪切率的教科书级定义，并且通过结合流体密度，可从本发明获得与从传统更复杂设备获得的那些读数等效的数据。此外，所述粘度计的尺寸、高度、和容量可有所改变而同时维持所述比例关系，以便酌情仅需较少流体体积来进行实时流变学测量。

本公开软件可用于一种系统，该系统提供即时预测和显示：用于测量各种流动条件下流体粘度的各种剪切率(如同由传统流变仪所确定的那些剪切率)。

本发明提供了在任何时间点所述粘度计的所有截面(sections)上的体积流率的精确知识。这使得能够实现：剪切率的精确确定，和与实验室环境中所用传统流变仪的完全(exact)匹配和对比。通过使用本公开软件中实现的统计技术，从而能立即呈报(report)：用于描述流变性的所述声称(purported)行业标准表盘读数。

本公开系统价格低廉并能很容易地整合到任何工业或现场环境中，而无任何干扰。通过让大大减少的流体体积流过本发明的装置，就可在其他方法所需时间的几分之一之内确定出该流体的完整流变曲线(rheological profile)，从而使本发明适用于实时流体流变性测量。

其他特征和方面将从以下详细描述、附图、和权利要求书中显见。

附图说明

图1示出本公开的粘度计的一个实施例。

图2A示出本公开的粘度计的另一实施例。

图2B示出本公开的粘度计的又一实施例。

图2C示出本公开的粘度计的再一实施例。

图3示出来自本公开的粘度计的测量的一个实施例。

图4示出水样品的估计体积流率。

图5示出甘油样品的估计体积流率。

图6示出玉米淀粉溶液的估计体积流率。

图7示出本公开的软件显示的一个实施例。

图8示出本公开的软件的另一显示。

图9是示出本公开的软件的操作的流程图。

图10示出为适应不同流体类型而调整容器形状。

在整个附图和详细描述中，相同的附图标记指代相同元件。附图可能未按比例绘制，并且，出于清晰、说明、以及方便起见，附图中元件的相对尺寸、比例、和绘制可能被放大。

具体实施方式

以下详细描述是提供来帮助读者全面理解本文所描述的方法、产品、和/或系统。而本文所描述的方法、产品、和/或系统的各种变化、变型、和等同方案对于普通技术人员而言将显而易见。

本发明有赖于托里切利定律(Torricelli’s Law)的一个特例，该定律描述了从开口流出的流体喷射速度与该孔口上方流体柱的高度之间的关系。本发明将该定理推广到具有不同流量系数(coefficient of discharge)的各种粘度的真实流体，并考虑了湍流的影响。

为了精确说明跨整个容器的流率和流型(flow profile)，重要的是：确定一种使流体液位按恒率下降的装置(means)。

对于流体液位按恒率下降，数学表示为：

考虑一具有径向横截面的桶状或管状容器，在任一液位处流体的表面积为：(π×半径_容器 ²)。

通过应用微分学的概念，流体体积的瞬时变化率为：

通过引入流量系数，使得托里切利定律适应于真实流体应用，并将g记为重力常数，则瞬时体积流出率为：

将方程式3与方程式5等同：

常数_{液位下降率}(方程式6)

得到：

仔细观察方程式7的右边可以发现，所有项都是常数或固有的流体属性。

由此建立起容器的高度与半径之间的比例关系。

在数学上表示为：

高度_容器∝(半径_容器)⁴(方程式8)

或表示为：

方程式9中的比例符号(∝)意味着：可以通过应用比例关系常数项来将其转换为方程，从而得到方程式10。

方程式10可适用于水和众多低粘度的液体。为了说明粘度高得多的流体，该指数项有所变化，并且对于粘度很高的流体(如甘油)将接近方程式10a。

更一般地，方程式10b可适用于本发明，其中容器半径、比例关系常数、容器高度、和指数项(n)在本文规定的范围内是可变的。

其中2≤n≤4

该比例关系规定，任何置于所述容器内并允许在重力作用下排出的流体，其液位将以常数下降，该常数下降率规定体积流率具有恒定的减速度。因此，所述比例关系常数可按需调整，以实现容器的任何尺寸、高度、或容量(体积)而同时维持所述容器的半径与高度之间的所述指数关系，如附图所示。

这一特点使所述容器或器皿形状能够被调整或缩小尺寸成较小体积，以便在期望的片刻时间内快速排出流体，以确定其流动行为并增进对流体的物理特性(如流变性、粘度、和密度)的实时、自动、连续的测量。

在实施例中，本公开粘度计容器的体积可在约10cm³和约7500cm³之间。在实施例中，本公开容器的体积可在约500cm³和约1000cm³之间。在实施例中，本公开容器的体积可在约10cm³和约250cm³之间。在实施例中，本公开容器的体积可在约1000cm³和约5000cm³之间。

在实施例中，所述容器底部的孔的直径可在约0.1cm和2cm之间。在实施例中，所述容器底部的孔的直径可在约1cm和1.5cm之间。

因此，跨整个容器的确切(exact)体积流率已知，并且任一时间和位置的剪切率都可用下面的方程式11计算出：

由此确定的确切剪切率可被等同至和对应至从传统流变仪获得的剪切率，从而相应地呈报所述表盘读数。例如，石油工业中所用的传统流变仪按对应转速下的这些标准剪切率呈报表盘读数。

当与重量天平结合和联用时，通过应用本发明还可同时实时确定流体的密度，如附图所示，据此同时测出质量流率和密度。填充所述容器至预设体积，该预设体积已经用水校准过。这样一来，通过该容器排出的任何其他流体的密度都可被确定出。

消除了人为误差。每次只需将相同预设体积的流体置入所述容器中，然后让其在重力作用下排出。记录单一输出，即，用于推导其余读数的排出时间。

本公开粘度计可作为独立设备使用，也可与相关软件结合使用，以输出和显示在所有所需剪切率下的表盘读数。

本发明还可应用于测量流体的凝胶强度(凝胶化)，方法是大力搅拌预设体积的流体样品，让其在静态条件下静止一段选定时间，并根据排出时间测量所需剪切率。

由此确定的确切剪切率可被等同至和对应至从传统流变仪获得的剪切率或任何其他所需剪切率，从而相应地呈报标准表盘读数。例如，石油工业中所用的传统流变仪呈报对应转速下的以下标准剪切率下的表盘读数。

3RPM->5.11s^-1

6RPM->10.21s^-1

100RPM->170.23s^-1

200RPM->340.46s^-1

300RPM->510.69s^-1

600RPM->1021.38s^-1

所述粘度计的尺寸、高度、和容量可被调整而同时维持所述比例关系，以便仅需较少流体体积用于实时流变测量和其他目的，如附图所示。所述粘度计可由任何合适材料制成，包括塑料、复合材料、树脂、玻璃等，优选透明或透视材料。

本公开粘度计也能连接至工业环境，从而所述容器中流体的填充和排出可自动化。该装置可通过本领域已知的用于制造(例如漏斗式粘度计)的各种方法来制造，并且包括但不限于3D打印。

在实施例中，本公开进一步提供了可与本公开粘度计一起使用的软件，以容易且准确地测量流体流变特性，而无需使用复杂的实验室流变学设备。

本公开软件同时呈报和显示不同流动条件下的流体流变性的读数。所呈报的读数等效于从传统旋转式流变仪获得的那些目前行业标准读数。目前的技术利用了一些复杂的、在工业操作与现场过程中不易获取的设备。目前最先进的技术需要时间来操作和分析非频繁获得的流变测量。因此，不可能使用目前可用的技术来频繁进行流体流变性的适当监测。

本发明通过提供软件解决了该长期存在的问题，所述软件——基于流经粘度计的流体的排出时间和流体密度的简单输入——随时显示和以图形方式绘制不同流动条件下的流变特性。本发明简化了流体流变性的监测，并有助于确保流体流变特性的适当监测和测量。本发明还实现流变性呈报的即时更频繁的获得。

本发明包括机器学习算法和软件应用程序，所述软件应用程序用于手机、平板电脑、计算机、图形和视觉显示单元、仪表板等，所述软件采用两(2)个输入值——即流经本公开粘度计的排出时间和流体密度——来输出流变读数，所述流变读数等效于传统直接指示型旋转式流变仪的表盘读数。本发明显示在几种转速(3-600RPM)下的表盘读数或相应的剪切率(其可等效地获得自传统的6速式流变仪)。所述软件应用程序将所述多个读数附加地显示于图表中，从而使用户很容易直观地看到流体的流变特性。本公开软件还即时呈报其他用于描述流体流变性的推导值，包括屈服点、塑性粘度、表观粘度、以及分析确定出的壁面剪切应力值。

本公开软件提供了使用方便性。只需输入密度和粘度计排出时间这两个输入值，就能产生——原本从传统旋转式流变仪获得的——多个值。本发明的软件可在手机、平板电脑、计算机、图形和视觉显示单元、仪表盘等上使用。目前最先进的技术无法呈报不同流动条件下的流变特性读数。传统旋转式流变仪须每次都进行操作才能获得流体流变性的测量结果，然而，本发明简化了这一过程，即，基于仅两个读数输入就能随时获得流变特性值。本发明在需要频繁监测和测量流体流变性的多种可操作环境中(比如石油工业、食品加工业、水泥工业等)将是有利的。

本发明可在各种硬件上实现，所述硬件包括存储器和处理器，包括但不限于移动电话、平板电脑、笔记本电脑、台式电脑、图形和视觉显示单元、仪表板等。所获得的主要输出读数是：3、6、100、200、300、和600RPM表盘读数(其等效于传统旋转式流变仪的那些表盘读数)、塑性粘度、屈服点和表观粘度、以及示出所有这些值的图表。也可以显示额外的选择值。见例如图7和图8。

在实施例中，液位在流出过程中以恒率下降，从而能够确切确定所述容器所有截面上的流速和关联的剪切率。

在实施例中，可以使用机器学习算法和统计技术，以基于测量液体流变特性的粘度(流动时间)和流体密度来进行推断解释。这包括但不限于：集成树(ensemble tree)算法、(极端)提升树((Extreme)Boosted Trees)、引导森林(Bootstrap Forests)、人工神经网络、支持向量机、和多项式回归。

在实施例中，从本发明确定的确切剪切率可等效至和对应至从传统流变仪获得的那些剪切率，从而相应地呈报所述表盘读数。例如，石油工业中所用的传统流变仪呈报对应转速下、这些标准剪切率下的表盘读数。

在实施例中，当与重量天平结合和联用时，通过应用本发明，还能同时实时确定流体的密度，如附图所示，由此同时测出质量流率和密度。填充所述容器至预设体积，该预设体积已经用水校准过。在此过程中，通过该容器排出的任何其他流体的密度都可被即时(on-the-fly)确定。

在实施例中，人为误差被最小化，并且消除了仪器误差。本发明完全依靠重力自由下落。每次只需将相同预设体积的流体置入所述容器中，然后让所述流体在重力作用下排出。记录单一输出，即，用于推导其余读数的排出时间。

在实施例中，所述粘度计的尺寸(半径)、高度、和容量可有所变化而同时维持所述容器的形状的比例关系，以便酌情仅需较少流体体积用于实时连续的流变测量。

在实施例中，本发明还可应用于测量流体的凝胶强度(凝胶化)，方法是大力搅拌预设体积的流体样品，让其在静态条件下静止一段选定时间，并根据排出时间测量所需剪切率。

在实施例中，容器倾斜并填充所述高脚杯，然后再倾斜回去。所述高脚杯可具有阻挡其底部的挡板(flapper)或板(plate)，所述挡板或板在容器倾斜填充时关闭并在容器倾斜回竖立时打开。当所述容器竖立时，它将不断地被续填充以所述被测流体。

当所述板或挡板被从所述高脚杯的顶端抽走时，所述流体从所述高脚杯中释出并且计时器(例如秒表)同时启动。依据需要，排出的流体可被收集并在重量天平上动态称重，以额外地确定该流体的密度。一旦所述高脚杯变空，传感器可点击秒表，所述计时器就停止。然后所述收集装置被清空，所述时间被呈报给系统，所述时间供机器学习算法使用来即时呈报所推断出的流体流变曲线(rheological profile)。

图1示出本公开的粘度计容器100。图1示出容器101和可用于描述该容器的形状的笛卡尔坐标系102。

图2A、图2B和图2C示出本发明的粘度计容器，并示出该容器的大小和形状可如何改变的示例。

图3示出水样品的测得流率与理论算得流率的对比。在图3中，排出的体积为710.11cm³，密度为1.0g/cm³。

图4示出用重量天平动态测得的水样品的估计体积流率。排出的体积为710.11cm³，密度为1.0g/cm³。

图5示出甘油样品的测得流率与理论算得流率的对比。在图5中，排出的体积为699.79cm³，密度为1.293g/cm³。

图6示出玉米淀粉溶液的测得流率与理论算得流率的对比。在图6中，排出的体积为710.11cm³，密度为1.1185g/cm³。

图7示出本公开的软件显示的一个实施例。

图8示出本公开的软件的另一显示。

图9是示出本公开的软件的操作的流程图。

图10示出可如何基于改变所述指数项从而调整所述容器的形状。

图10示出可如何调整所述容器的形状以适应不同流体类型，从而通过改变所述指数项来获得广泛的应用。在图10中，以下方程式中e'＝0.25。当e＝0.25时，可测量低粘度流体(比如水)。当e＝0.5时，可测量高粘度液体(比如甘油)。对于e的中间值，可用于中等粘度流体(比如钻液(drilling fluid))。

半径_容器∝(高度_容器)^指数

半径_容器＝常数_比例关系×(高度_容器)^指数

其中0.25≤指数≤0.5

(注意：该指数的范围分别是从无粘性流体到高粘性流体)。

其中0.1≤常数_比例关系≤4

或表达为

其中2≤n≤4

其中0.1≤常数_比例关系≤4

其中10cm≤高度_容器≤100cm

其中0.1cm≤孔_直径≤1.25cm

实例1

理论算得流率与实验测得值之间的完全匹配(如图3所示)验证了本发明的精度。确切掌握所述容器全部截面上的直径，使得能够应用名义壁面剪切率方程(方程式11)来获得剪切率的教科书级定义，并由此与从传统粘度计获得的那些剪切率精确匹配。

此技术的一个额外优势是，所述容器的尺寸可被缩减至小得多的体积(容量)，以便容许所述容器中的流体快速排出，并从该流率中推导出完全相同的期望值。这有助于实时测量，并适合自动化。

实例2

图4示出由重量天平动态测得的水样品的估计体积流率。

实例3

图5示出由重量天平动态测得的甘油样品的估计体积流率。

实例4

图6示出由重量天平动态测得的玉米淀粉溶液的估计体积流率。

虽然本公开包括具体实例，但显然地，在了解本申请的公开内容后，可以在不背离权利要求及其等同方案的精神和范围的情况下对这些实例做出形式和细节上的各种变化。

Claims (18)

1.一种用于测量流体之流变特性的粘度计，包括：

容器，具有由以下比例关系定义的形状：

其中，符号∝指比例关系，变量x和y是x-y笛卡尔坐标平面上的坐标，其中x是长度，y是高度；2≤n≤4；C是具有长度量纲的常数；并且

其中，所述容器包括位于或接近y坐标最小处的孔。

2.如权利要求1所述的粘度计，其中，所述容器的体积在约10cm³和约5000cm³之间。

3.如权利要求1所述的粘度计，其中，所述容器的体积在约500cm³和约1000cm³之间。

4.如权利要求1所述的粘度计，其中，所述孔的直径在约0.1cm和约1.5cm之间。

5.如权利要求1所述的粘度计，其中，所述孔的直径在约0.1cm和约1.25cm之间。

6.如权利要求1所述的粘度计，其中，所述粘度计包括聚乙烯。

7.如权利要求1所述的粘度计，其中，所述粘度计包括玻璃或耐热玻璃(pyrex)。

8.如权利要求1所述的粘度计，其中，所述粘度计包括树脂。

9.如权利要求1所述的粘度计，其中，所述粘度计包括透视材料。

10.如权利要求1所述的粘度计，其中，所述容器形状由以下比例关系定义：

其中，所述变量如权利要求1中所定义。

11.一种用于测量液体之流变特性的系统，包括：

如权利要求1所述的粘度计；和

软件应用程序，用于移动式显示设备、平板电脑、或计算机，所述移动式显示设备、平板电脑、或计算机包括存储器和处理器，所述软件应用程序被配置来执行操作，所述操作包括：

接受两个输入数值，所述两个输入数值包括由如权利要求1所述的粘度计测得的粘度和密度；

以及输出1和6之间的行业标准表盘读数。

12.如权利要求11所述的系统，其中，所述行业标准表盘读数包括：在3RPM、6RPM、100RPM、200RPM、300RPM、和600RPM表盘读数时的剪切率，其中RPM指由传统流变仪所定义的每分钟转数。

13.如权利要求11所述的系统，其中，所述软件应用程序用于蜂窝式电话。

14.如权利要求11所述的系统，其中，所述软件应用程序被配置成显示表盘读数相对于塑性粘度和屈服点的关系图。

15.如权利要求11所述的系统，其中，所述系统进一步输出流体密度。

16.如权利要求11所述的系统，其中，所述系统进一步输出流体的凝胶强度。

17.如权利要求11所述的系统，其中，所述软件应用程序执行操作，所述操作包括机器学习算法和统计技术，包含集成树算法、(极端)提升树、引导森林、人工神经网络、支持向量机、和/或多项式回归。

18.如权利要求11所述的系统，其中，所述系统进一步输出壁面剪切应力。