WO2004003540A2 - Ultrasound doppler methods for determining rheological parameters of a fluid - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a method for determining rheological parameters of a free-flowing fluid, especially a suspension or an emulsion, which is transported by a line, especially a pipe. The inventive method uses ultrasound Doppler methods and at least two pressure measurements to obtain information relating to the free-flowing fluid. According to the invention, said information is evaluated by determining the wall shear stress in the fluid along the flow direction of the fluid flow in the region of the fluid flow penetrated by the ultrasound waves, by determining the fluid velocity profile transversally to the flow direction of the fluid flow in the region of the fluid flow penetrated by the ultrasound waves, and by selecting and adapting a suitable (adaptable) model for the viscosity function (shear viscosity) and suitable marginal conditions for the free-flowing fluid.

Description

Ultraschall-Doppler-Methode zur Bestimmung rheologischer Parameter eines Fluids Ultrasonic Doppler method for determining rheological parameters of a fluid
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen rheologischer Parameter eines strömenden Fluids, insbesondere einer Suspension oder einer Emulsion, gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.The present invention relates to a method for determining rheological parameters of a flowing fluid, in particular a suspension or an emulsion, according to the preamble of claim 1.
Ähnliche Verfahren sind bereits bekannt. Hierbei wird die Ultraschall-Doppler-Methode verwendet, um für das in einer Leitung bzw. einem Strömungskanal fliessende und suspendierte oder emulgierte Partikel mitführende Fluid ein lokales Geschwindigkeitsprofil quer zur Leitung zu bestimmen. Ausserdem wird durch eine Messung des statischen Druckes stromauf und stromab von dem Bereich des bestimmten lokalen Geschwindigkeitsprofil eine Druckdifferenz entlang der Strömungsrichtung im Bereich des lokalen Geschwindigkeitsprofils bestimmt. Aus dem Geschwindigkeitsprofil und der ihm zugeordneten Druckdifferenz können dann bestimmte rheologische Parameter des untersuchten strömenden Fluids, wie z.B. die Viskositätsfunktion (Scherviskosität), die Fliessgrenze etc., bestimmt werden.Similar processes are already known. Here, the ultrasonic Doppler method is used to determine a local velocity profile transverse to the line for the fluid carrying and suspended or emulsified particles flowing in a line or a flow channel. In addition, a measurement of the static pressure upstream and downstream of the region of the determined local velocity profile determines a pressure difference along the direction of flow in the region of the local velocity profile. From the speed profile and the pressure difference assigned to it, certain rheological parameters of the examined flowing fluid, such as the viscosity function (shear viscosity), the yield point etc. are determined.
Diese Kombination der Ultraschall-Doppler Methode (UVP, Ultrasound Velocity Profi- ling) und der Druckdifferenzbestimmung (PD, Pressure Difference), die der Fachmann kurz als UVP-PD bezeichnet, wurde in zahlreichen Publikationen in verschiedenen Varianten mit stets geringen Abwandlungen beschrieben.This combination of the ultrasound Doppler method (UVP, Ultrasound Velocity Profiling) and the pressure difference determination (PD, Pressure Difference), which the expert briefly calls UVP-PD, has been described in numerous publications in various versions with always minor modifications.
In dem Artikel "Velocity profile measurement by ultrasound Doppier shift method" von Y. Takeda in International Journal of Heat and Fluid Flow", Band 7, Nr. 4, Dezember 1986 wird die Tauglichkeit der UVP-Methodik für die Bestimmung eines eindimensionalen Geschwindigkeitsprofils in Röhrchen oder Blutgefässen mit nur einigen Millimetern Durchmesser bestätigt. In "Rheological Study of Non-Newtonian Fluids" von E. Windhab, B. Ouriev, T. Wagner und M. Drost, 1st International Symposium on Ultrasonic Doppier Methods for Fluid Me- chanics and Fluid Engineering, September 1996 wird das eingangs erwähnte UVP-PD- Verfahren beschrieben.In the article "Velocity profile measurement by ultrasound Doppier shift method" by Y. Takeda in the International Journal of Heat and Fluid Flow ", Volume 7, No. 4, December 1986, the suitability of the EIA methodology for the determination of a one-dimensional velocity profile in Tubes or blood vessels with a diameter of only a few millimeters are confirmed. In "Rheological Study of Non-Newtonian fluid" by E. Windhab, B. Ouriev, T. Wagner and M. Drost, 1 st International Symposium on Ultrasonic Doppler Methods for Fluid Me- chanics and Fluid Engineering, September 1996, the initially mentioned UVP-PD method described.
Eine ausführliche Beschreibung der theoretischen und apparativen Grundlagen des UVP-PD-Verfahrens sowie seine Anwendung bei Schleppscherströmungen und Druckscherströmungen, insbesondere von Modell-Suspensionen und bei rheologischen Flui- den wie z.B. bei der Schokoladen- oder der Teigwarenherstellung, findet sich in "Ultrasound Doppier Based In-Line Rheometry of Highly Concentrated Suspensions" von B. Ouriev, Diss. ETH Nr. 13523, Zürich 2000.A detailed description of the theoretical and apparatus-based principles of the UVP-PD method as well as its application in drag shear and pressure shear flows, in particular model suspensions and rheological fluids such as e.g. in chocolate or pasta production can be found in "Ultrasound Doppier Based In-Line Rheometry of Highly Concentrated Suspensions" by B. Ouriev, Diss. ETH No. 13523, Zurich 2000.
Das hier geschilderte UVP-PD-Verfahren liefert gute Ergebnisse für diverse Arten von Geschwindigkeitsprofilen und für die zu bestimmenden rheologischen Parameter der untersuchten Fluide sowohl bei laminaren als auch bei turbulenten Strömungen.The UVP-PD method described here provides good results for various types of velocity profiles and for the rheological parameters of the fluids to be determined, both in laminar and in turbulent flows.
Das eingangs geschilderte Verfahren ermöglicht zwar die Bestimmung der rheologischen Parameter zahlreicher Fluide, doch musste hierbei stets auf die Erfahrung und Intuition eines Rheologie-Experten zurückgegriffen werden, um sinnvolle Entscheidungen bei der Bestimmung der rheologischen Parameter des Fluids zu treffen.Although the method described at the outset enables the rheological parameters of numerous fluids to be determined, the experience and intuition of a rheology expert always had to be used to make sensible decisions when determining the rheological parameters of the fluid.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das eine routi- nemässige Bestimmung der rheologischen Parameter eines Fluids auch für einen NichtFachmann mit wenig Erfahrung auf dem Gebiet der Rheologie ermöglicht.The invention has for its object to provide a method that enables a routine determination of the rheological parameters of a fluid even for a non-specialist with little experience in the field of rheology.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the characterizing features of claim 1.
Zum Bestimmen der rheologischen Parameter des strömenden Fluids, insbesondere einer Suspension oder Emulsion, das durch einen Strömungskanal, insbesondere eine Leitung oder ein Rohr, gefördert wird, werden die folgenden Schritte durchgeführt: a) Einstrahlen eines aus einem Ultraschallsender gesendeten Ultraschallsignals mit mindestens einer vorgegebenen ersten Frequenz f1 unter einem von 90° verschiedenen Winkel Θ zur Strömungsrichtung in die Fluidströmung; b) Empfangen und Messen der Frequenz eines Ultraschallsignals, das von in dem Fluid in jeweiligen Fluidbereichen mitgeführten Partikeln reflektiert/gestreut wird, mit mindestens einer für den jeweiligen Fluidbereich charakteristischen zweiten Frequenz f2, die gegenüber der Frequenz f1 um eine jeweilige Frequenzverschiebung Δf verschobenen ist, in einem Ultraschallempfänger; c) Messen des statischen Druckes entlang der Strömungsrichtung der Fluidströmung in dem von den Ultraschallwellen durchstrahlten Bereich der Fluidströmung an N Stellen; und d) Auswerten der in den Schritten a), b) und c) vorgegebenen und gemessenen Information zur Bestimmung rheologischer Parameter des strömenden Fluids,The following steps are carried out to determine the rheological parameters of the flowing fluid, in particular a suspension or emulsion which is conveyed through a flow channel, in particular a line or a pipe: a) irradiation of an ultrasound signal sent from an ultrasound transmitter with at least a predetermined first frequency f1 at an angle Θ different from 90 ° to the direction of flow into the fluid flow; b) receiving and measuring the frequency of an ultrasonic signal which is reflected / scattered by particles carried in the fluid in the respective fluid areas, with at least one second frequency f2 which is characteristic of the respective fluid area and which is shifted by a respective frequency shift Δf with respect to the frequency f1, in an ultrasound receiver; c) measuring the static pressure along the flow direction of the fluid flow in the region of the fluid flow irradiated by the ultrasonic waves at N locations; and d) evaluating the information predetermined and measured in steps a), b) and c) for determining rheological parameters of the flowing fluid,
gekennzeichnet durchmarked by
d1) Bestimmen der Wandschubspannung in dem Fluid entlang der Strömungsrichtung der Fluidströmung in dem von den Ultraschallwellen durchstrahlten Bereich der Fluidströmung; d2) Bestimmen des Fluid-Geschwindigkeitsprofils in dem Fluid quer zur Strömungsrichtung der Fluidströmung in dem von den Ultraschallwellen durchstrahlten Bereich der Fluidströmung; d3) Auswählen eines passenden Modells für die Viskositätsfunktion (Scherviskosität) und passender Randbedingungen für das strömende Fluid; und d4) iteratives Anpassen der Parameter und Randbedingungen des passenden Modells an die gemessenen Informationen.d1) determining the wall shear stress in the fluid along the direction of flow of the fluid flow in the region of the fluid flow irradiated by the ultrasound waves; d2) determining the fluid velocity profile in the fluid transversely to the direction of flow of the fluid flow in the region of the fluid flow irradiated by the ultrasound waves; d3) selection of a suitable model for the viscosity function (shear viscosity) and suitable boundary conditions for the flowing fluid; and d4) iteratively adapting the parameters and boundary conditions of the appropriate model to the measured information.
Indem während des erfindungsgemässen Verfahrens sowohl ein passendes, d.h. an die gemessenen Daten anpassbares Modell für die rheologischen Eigenschaften, d.h. für die Viskositätsfunktion und die Randbedingungen, gewählt wird, und dieses Modell dann iterativ an die gemessenen Daten angepasst wird, wird gewährleistet, dass das richtige Modell für eine optimale Beschreibung der rheologischen Eigenschaften herangezogen wird. Vorzugsweise umfasst das ausgesendete Ultraschallsignal mehrere diskrete erste Frequenzen (f1. f11, fl", ...) und das empfangene Ultraschallsignal mindestens jeweils mehrere diskrete zweite Frequenzen (f2, f2\ f2", ...), die gegenüber den jeweiligen ersten Frequenzen (fl , fl', fl", ...) jeweils um eine für den jeweiligen Fluidbereich charakteristische Frequenzverschiebung Δf verschobenen sind. Dies ermöglicht die Bestimmung der für einen Fluidbereich charakteristischen Fluidgeschwindigkeit aufgrund mehrerer Differenzbildungen, für die zumindest in erster Näherung f2-f1 = f2'-f1' = f2"-f1" = ... = Δf gilt. Vorzugsweise wird das arithmetische Mittel der einzelnen Differenzen gebildet, um einen verlässlichen Wert für Δf und somit für die jeweilige Fluidgeschwindigkeit eines der Feldbereiche zu erhalten.By selecting both a suitable, that is to say adaptable to the measured data, model for the rheological properties, that is to say for the viscosity function and the boundary conditions, and then adapting this model iteratively to the measured data, it is ensured that the correct one Model is used for an optimal description of the rheological properties. The emitted ultrasound signal preferably comprises a plurality of discrete first frequencies (f1. F1 1 , fl ", ...) and the received ultrasound signal in each case at least a plurality of discrete second frequencies (f2, f2 \ f2", ...), which are in relation to the respective first Frequencies (fl, fl ', fl ", ...) are each shifted by a frequency shift Δf which is characteristic of the respective fluid area. This enables the determination of the fluid speed which is characteristic of a fluid area on the basis of several differences, for which at least in a first approximation f2-f1 = f2'-f1 '= f2 "-f1" = ... = Δf. The arithmetic mean of the individual differences is preferably formed in order to obtain a reliable value for Δf and thus for the respective fluid velocity of one of the field areas.
Es ist auch vorteilhaft, wenn das ausgesendete Ultraschallsignal ein erstes Frequenzspektrum (FS1) aufweist und das empfangene Ultraschallsignal mindestens ein zweites Frequenzspektrum (FS2) aufweist, das gegenüber dem ersten Frequenzspektrum (FS1) jeweils um eine für den jeweiligen Fluidbereich charakteristische Frequenzverschiebung Δf verschobenen ist. Auch hier können Frequenzverschiebungen an mehreren Stellen der beiden Frequenzspektren zur gemittelten Bestimmung des Wertes Δf und somit für die Bestimmung der jeweiligen Fluidgeschwindigkeit eines der Fluidbereiche verwendet werden.It is also advantageous if the emitted ultrasound signal has a first frequency spectrum (FS1) and the received ultrasound signal has at least one second frequency spectrum (FS2), which is shifted in relation to the first frequency spectrum (FS1) by a frequency shift Δf that is characteristic of the respective fluid range. Here, too, frequency shifts at several points in the two frequency spectra can be used for averaging the value Δf and thus for determining the respective fluid velocity of one of the fluid areas.
Das ausgesendete und das empfangene Ultraschallsignal können auch jeweils gepulste Signale sein, die insbesondere jeweils eine konstante Trägerfrequenz aufweisen. Dies erleichtert das Zuordnen der jeweiligen Frequenzverschiebung Δf und eines jeweiligen Fluidbereichs unter Verwendung der jeweiligen Laufzeit des Ultraschallsignals zwischen dem Zeitpunkt des Verlassens des Ultraschallsenders und dem Zeitpunkt des Empfangs durch den Ultraschallempfänger.The emitted and the received ultrasonic signal can also be pulsed signals, each of which in particular has a constant carrier frequency. This facilitates the assignment of the respective frequency shift Δf and a respective fluid range using the respective transit time of the ultrasound signal between the time of leaving the ultrasound transmitter and the time of reception by the ultrasound receiver.
Das ausgesendete und das empfangene Ultraschallsignal können aber auch jeweils kontinuierliche Signale sein. Insbesondere bei der Verwendung der weiter oben beschriebenen Frequenzspektren FS1 und FS2 ist dies vorteilhaft. Zweckmässigerweise erfolgen das Aussenden des in das Fluid eingestrahlten Ultraschallsignals und das Empfangen des reflektierten Ultraschallsignals an demselben Ort, z.B. mittels eines Ultraschall-Senderempfängers.The transmitted and the received ultrasonic signal can also be continuous signals. This is particularly advantageous when using the frequency spectra FS1 and FS2 described above. The emission of the ultrasound signal radiated into the fluid and the reception of the reflected ultrasound signal expediently take place at the same location, for example by means of an ultrasound transceiver.
In manchen Fällen ist es auch vorteilhaft, wenn das Aussenden des in das Fluid eingestrahlten Ultraschallsignals und das Empfangen des reflektierten Ultraschallsignals an verschiedenen Orten erfolgen. So können der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger z.B. gegenüberliegend, beiderseits des strömenden Fluids angeordnet sein. Dies ermöglicht das Arbeiten mit Ultraschallwellen, die an den im Fluid mitgeführten Partikeln zwar nicht mit einer Richtungsumkehr von 180°, sondern mit einer nur relativ kleinen Richtungsänderung reflektiert gestreut werden. Dies garantiert für alle am gegenüberliegenden Ultraschallsensor empfangenen Ultraschallwellen eine näherungsweise gleich lange Laufzeit bzw. einen näherungsweise gleich langen Weg im strömenden Medium. Auf diese Weise werden praktisch alle zwischen dem Ultraschallsensor und dem Ultraschallempfänger über Partikel in verschiedenen dazwischen liegenden Fluidbereichen reflektierte/gestreute Ultraschallwellen näherungsweise gleich stark durch das durchquerte fliessende Medium gedämpft. Allerdings muss darauf geachtet werden, dass mit zunehmend kleiner werdendem Ablenkungswinkel der an den bewegten Partikeln reflektierten/gestreuten Schallwellen zwar eine Vergleichmässigung der Absorption der empfangenen Schallwellen erfolgt, wobei dies jedoch einerseits mit einer entsprechend verringerten Auflösung bei der Ortung der jeweiligen reflektierenden Feldbereiche des erfindungsgemässen Verfahrens, insbesondere unter Verwendung gepulster Signale, und andererseits durch kleinere Frequenzverschiebungen erkauft werden muss. Mit zunehmenden Strömungsgeschwindigkeiten in dem Fluid nehmen jedoch auch die Frequenzverschiebungen zu, so dass dann zumindest die Auswirkung der kleinen Ablenkungswinkel kompensiert wird.In some cases it is also advantageous if the emission of the ultrasound signal radiated into the fluid and the reception of the reflected ultrasound signal take place at different locations. The ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver can e.g. opposite, on both sides of the flowing fluid. This enables working with ultrasonic waves, which are scattered on the particles carried in the fluid, not with a reversal of direction of 180 °, but with a relatively small change in direction. This guarantees an approximately equally long transit time or an approximately equally long path in the flowing medium for all ultrasonic waves received at the opposite ultrasonic sensor. In this way, practically all of the ultrasound waves reflected / scattered between the ultrasound sensor and the ultrasound receiver via particles in different fluid areas lying between them are approximately equally attenuated by the flowing medium that has been crossed. However, care must be taken to ensure that, with an increasingly smaller deflection angle of the sound waves reflected / scattered on the moving particles, the absorption of the received sound waves is evened out, but on the one hand with a correspondingly reduced resolution when locating the respective reflecting field areas of the method according to the invention , in particular using pulsed signals, and on the other hand has to be bought through smaller frequency shifts. However, with increasing flow velocities in the fluid, the frequency shifts also increase, so that at least the effect of the small deflection angles is then compensated for.
Vorzugsweise ist in dem ersten Wandbereich ein erster Ultraschall-Senderempfänger und in dem zweiten Wandbereich ein zweiter Ultraschall-Senderempfänger angeordnet. Dadurch kann die Strömung "von links nach rechts" und gleichzeitig "von rechts nach links" mit Ultraschallwellen durchstrahlt werden. Auf diese Weise können "linken" und "rechten" Messergebnisse gemittelt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn man vor die Frage gestellt ist, ob gewisse Asymmetrien in der experimentell bestimmten Ge- schwindigkeitsverteilung quer zur Strömungsrichtung nur messtechnische Artefakte oder wirkliche Asymmetrien der realen Geschwindigkeitsverteilung im Fluid sind. Derartige Artefakte, die eine Asymmetrie der Geschwindigkeitsverteilung vortäuschen, können dann in der Regel durch Mittelung der beiden artefaktbehafteten Verteilungen korrigiert werden. Wenn das gemittelte Ergebnis dann immer noch asymmetrisch ist, deutet dies dann auf eine tatsächliche Asymmetrie in der Strömung hin.A first ultrasound transceiver is preferably arranged in the first wall area and a second ultrasound transceiver is arranged in the second wall area. As a result, the flow can be irradiated "from left to right" and at the same time "from right to left" with ultrasound waves. In this way, "left" and "right" measurement results can be averaged. This is particularly advantageous when one is asked whether certain asymmetries in the experimentally determined velocity distribution transverse to the direction of flow are only metrological artifacts or real asymmetries of the real velocity distribution in the fluid. Such artifacts, which simulate an asymmetry in the speed distribution, can then generally be corrected by averaging the two artifact-related distributions. If the averaged result is still asymmetrical, then this indicates an actual asymmetry in the flow.
Zweckmässigerweise erfolgt die Anpassung eines passenden Modells durch iteratives Anpassen eines modellbasierten theoretischen Geschwindigkeitsprofils an ein gemessenes Geschwindigkeitsprofil. Aus dem angepassten theoretischen Geschwindigkeitsprofil lassen sich dann die diverse rheologische Parameter ablesen.A suitable model is expediently adapted by iteratively adapting a model-based theoretical speed profile to a measured speed profile. The various rheological parameters can then be read from the adjusted theoretical speed profile.
Vorzugsweise werden die gemessenen Geschwindigkeitsprofile vor der Anpassung behandelt, wobei insbesondere eine zeitliche Mittelung der gemessenen Geschwindigkeitsprofile erfolgt. Dadurch erhält man zuverlässigere Geschwindigkeitsprofile für die anschliessende Anpassung der Modelle.The measured speed profiles are preferably treated before the adaptation, in particular a temporal averaging of the measured speed profiles. This gives you more reliable speed profiles for the subsequent adjustment of the models.
Vorzugsweise werden von den bestimmten Wandschubspannungen und/oder von den bestimmten Geschwindigkeitsprofilen jeweils eine statistische Schwankungsgrösse, insbesondere die Standardabweichung, bestimmt und mit einem vorgegebenen Grenzwert für die Schwankungsgrösse verglichen. Vorzugsweise wird dieser Vergleich als Grundlage für die Auswahl zuverlässiger Messdaten verwendet.A statistical fluctuation variable, in particular the standard deviation, is preferably determined in each case from the determined wall shear stresses and / or from the determined speed profiles and compared with a predetermined limit value for the fluctuation variable. This comparison is preferably used as the basis for the selection of reliable measurement data.
Die Auswahl eines passenden Modells kann durch Überprüfung der in dem Modell verwendeten Randbedingungen erfolgen. So kann z.B. angenommen werden, dass die Geschwindigkeit des Fluids an der Wand Null ist, d.h. dass Wandhaftung vorliegt. Diese Annahme kann je nach erfolgreicher oder nicht erfolgreicher Kurvenanpassung beibehalten oder verworfen werden. Ähnlich kann mit der Annahme, dass die Geschwindigkeit des Fluids an der Wand von Null verschieden ist, vorgegangen werden.A suitable model can be selected by checking the boundary conditions used in the model. For example, assume that the velocity of the fluid on the wall is zero, i.e. that there is wall adhesion. Depending on whether the curve fitting was successful or not, this assumption can be retained or rejected. A similar procedure can be used with the assumption that the velocity of the fluid on the wall is different from zero.
Eine Überprüfung der Randbedingungen kann vorteilhaft auch durch Zählen vergeblicher Iterationsschritte bei der versuchten Anpassung eines Modells erfolgen, wobei insbesondere beim Überschreiten einer vorgegebenen Anzahl von Iterationsschritten ein anderes Modell mit anderen Parametern und/oder anderen- Randbedingungen gewählt wird.The boundary conditions can advantageously also be checked by counting unsuccessful iteration steps when attempting to adapt a model, in particular when a predetermined number of iteration steps is exceeded another model with different parameters and / or other boundary conditions is selected.
Die verwendeten Modelle werden vorzugsweise aus der folgenden Gruppe von Modellen ausgewählt:The models used are preferably selected from the following group of models:
> Potenzgesetz-Modell> Power law model
> Herschel-Bulkley-Modell> Herschel Bulkley model
> Cross-Modell.> Cross model.
Es können aber auch andere rheologische Modelle ausgewählt werden.However, other rheological models can also be selected.
Die verwendeten Randbedingungen werden vorzugsweise aus der folgenden Gruppe von Randbedingungen ausgewählt:The boundary conditions used are preferably selected from the following group of boundary conditions:
> Fluidgeschwindigkeit an der Wand ist Null bzw. Vorliegen von Wandhaftung> Fluid velocity on the wall is zero or there is wall adhesion
> Fluidgeschwindigkeit an der Wand ist nicht Null bzw. Vorliegen von Wandgleitung> Fluid velocity on the wall is not zero or there is wall sliding
> Fliessgrenze in einem Bereich der Fluidströmung unterschritten bzw. Pfropfen in der Strömung vorhanden> The yield point in one area of the fluid flow is not reached or there are grafts in the flow
> Fliessgrenze in keinem Bereich der Fluidströmung unterschritten bzw. kein Pfropfen in der Strömung vorhanden> The flow limit was not exceeded in any area of the fluid flow or there was no grafting in the flow
> Strömungsart: laminar> Flow type: laminar
> Strömungsart: turbulent.> Flow type: turbulent.
Eine Beschreibung der verwendeten Modelle und Randbedingungen findet sich in "Ultrasound Doppier Based In-Line Rheometry of Highly Concentrated Suspensions" von B. Ouriev, Diss. ETH Nr. 13523, Zürich 2000 oder in "Rheological study of concentrated suspensions in pressure-driven shear flow using a novel in-line ultrasound Doppier method" von B. Ouriev und E.J. Windhab, Experiments in Fluids 32 (2002).A description of the models and boundary conditions used can be found in "Ultrasound Doppier Based In-Line Rheometry of Highly Concentrated Suspensions" by B. Ouriev, Diss. ETH No. 13523, Zurich 2000 or in "Rheological study of concentrated suspensions in pressure-driven shear" flow using a novel in-line ultrasound Doppier method "by B. Ouriev and EJ Windhab, Experiments in Fluids 32 (2002).
Zumindest ein Teil der bestimmten rheologischen Parameter des Fluids können auch mit Werten dieser Parameter verglichen werden, die auf andere Art bestimmt wurden. Dies ermöglicht eine zusätzliche Absicherung der Ergebnisse für die rheologischen Pa- rameter. Vorzugsweise erfolgt die andersartige Bestimmung der rheologischen Parameter durch Messung der Viskosität in einem Rotationsrheometer und/oder in einem Kapil- lar-Rheometer.At least some of the determined rheological parameters of the fluid can also be compared with values of these parameters that were determined in a different way. This enables the results for the rheological pa parameters. The rheological parameters are preferably determined differently by measuring the viscosity in a rotary rheometer and / or in a capillary rheometer.
Zweckmässigerweise wird die statistische Schwankungsgrösse, insbesondere die Standardabweichung, für die erfassten Geschwindigkeitssignale jedes Geschwindigkeitskanals (= Ort am Geschwindigkeitsprofil) und/oder für die erfassten Drucksignale jeder Druckmessstelle bestimmt. Diese Information kann unter anderem verwendet werden, um zu unterscheiden, ob sich das strömende Fluid im turbulenten oder im laminaren Strömungszustand befindet.The statistical fluctuation variable, in particular the standard deviation, is expediently determined for the recorded speed signals of each speed channel (= location on the speed profile) and / or for the recorded pressure signals of each pressure measuring point. This information can be used, among other things, to distinguish whether the flowing fluid is in a turbulent or laminar flow state.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung nicht einschränkend aufzufassender bevorzugter Ausführungsbeispiele, wobei:Further advantages, features and possible uses of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments which are not to be understood as restricting, wherein:
Fig. 1 eine an sich bekannte Messanordnung schematisch zeigt, mit deren Hilfe das erfindungsgemässe Verfahren durchgeführt wird; und1 schematically shows a measuring arrangement known per se, with the aid of which the method according to the invention is carried out; and
Fig. 2 bis 6 die erfindungsgemässe Vorgehensweise zur Verarbeitung und Auswertung der durch die Messanordnung von. Fig.1 gewonnenen Messwerte schematisch zeigen.2 to 6 the procedure according to the invention for processing and evaluating the measurement arrangement by. Fig. 1 schematically show the measured values obtained.
In Fig. 1 ist ein Rohrabschnitt 1 gezeigt, in dem ein Fluid 2 strömt. Die Messanordnung in Fig. 1 umfasst einen Ultraschall-Senderempfänger 3 sowie einen Drucksensor 4 stromab und einen Drucksensor 5 stromauf von dem Ultraschall-Senderempfänger 3.1 shows a pipe section 1, in which a fluid 2 flows. The measuring arrangement in FIG. 1 comprises an ultrasound transceiver 3 and a pressure sensor 4 downstream and a pressure sensor 5 upstream from the ultrasound transceiver 3.
Gemäss dem Ultraschall-Doppler-Verfahren (UVP-Verfahren) sendet ein Ultraschall- Senderempfänger 3 eine schmale Ultraschallwelle US mit einer Frequenz fl (praktisch ebene Welle bzw. paralleles Strahlenbündel) in das strömende Fluid 2 quer zur Fluid- Strömungsrichtung. Die Ultraschallwelle US wird von bewegten Teilchen, die in dem strömenden Fluid 2 mitgeführt werden, reflektiert bzw. gestreut. Der in den Ultraschall- Senderempfänger 3 zurück reflektierte bzw. gestreute Teil der Ultraschallwelle US hat aufgrund der Bewegung der Teilchen eine verschobene Frequenz f2 (Doppier- Verschiebung). Diese Frequenzverschiebung gibt Auskunft über die Geschwindigkeit der Teilchen bzw. das Fluids in einem bestimmten Fluidvolumen. Die Zuordnung der erfassten unterschiedlichen Frequenzverschiebungen zu den Orten im Fluid, an denen die frequenzverschiebende Reflexion bzw. Streuung stattfindet, erfolgt über eine Laufzeitmessung zwischen dem Zeitpunkt des Aussendens und des Empfangene der Ultraschallwelle am Ultraschall-Senderempfänger 3. Vorzugsweise verwendet man deshalb gepulste Ultraschallwellen. Je kleiner die zeitlichen und damit auch örtlichen Abstände der nacheinander empfangenen reflektierten Ultraschallimpulse sind, desto grösser ist die örtliche Auflösung und die Anzahl der erfassten Frequenzverschiebungen. Auf diese Weise lässt sich das Geschwindigkeitsprofil bestimmen.According to the ultrasonic Doppler method (UVP method), an ultrasonic transceiver 3 sends a narrow ultrasonic wave US with a frequency fl (practically flat wave or parallel beam) into the flowing fluid 2 transversely to the fluid flow direction. The ultrasonic wave US is reflected or scattered by moving particles which are carried in the flowing fluid 2. The part of the ultrasonic wave US which is reflected or scattered back into the ultrasonic transmitter-receiver 3 has a shifted frequency f2 due to the movement of the particles (double Shift). This frequency shift provides information about the speed of the particles or the fluid in a certain fluid volume. The assignment of the detected different frequency shifts to the locations in the fluid at which the frequency shifting reflection or scattering takes place takes place via a transit time measurement between the time of transmission and the reception of the ultrasound wave at the ultrasound transmitter-receiver 3. Preferably, therefore, pulsed ultrasound waves are used. The smaller the temporal and thus also the spatial distances between the reflected ultrasound pulses received in succession, the greater the local resolution and the number of frequency shifts detected. The speed profile can be determined in this way.
Mit den beiden Drucksensoren 4 und 5 wird ein erster statischer Druck P1 stromab und ein zweiter statischer Druck P2 stromauf von dem durch die Ultraschallwellen durchquerten Bereich der Fluidströmung gemessen. Hieraus wird dann die Wandschubspannung im Fluid ermittelt.With the two pressure sensors 4 and 5, a first static pressure P1 downstream and a second static pressure P2 upstream of the area of the fluid flow crossed by the ultrasonic waves are measured. The wall shear stress in the fluid is then determined from this.
Durch die Kombination der Fluid-Geschwindigkeitsverteilung ("Reaktion des Fluids") quer zur Strömungsrichtung und der Fluid-Wandschubspannung ("äussere Einwirkung auf das Fluid") kann dann die Viskositätsfunktion (Scherviskosität) des Fluids bestimmt werden.The viscosity function (shear viscosity) of the fluid can then be determined by the combination of the fluid velocity distribution ("reaction of the fluid") transverse to the direction of flow and the fluid wall shear stress ("external influence on the fluid").
Zusätzlich zu der Bestimmung der Fluid-Wandschubspannung und der Bestimmung des Fluid-Geschwindigkeitsprofils werden erfindungsgemäss ein passendes Modell für die Viskositätsfunktion (Scherviskosität) sowie passende Randbedingungen für das strömende Fluid ausgewählt.In addition to the determination of the fluid wall shear stress and the determination of the fluid velocity profile, a suitable model for the viscosity function (shear viscosity) and suitable boundary conditions for the flowing fluid are selected according to the invention.
Fig. 2 zeigt schematisch die Vorgehensweise zur Auswertung der gemessenen Druckinformation für die Bestimmung der Wandschubspannung in dem Fluid. Bei 1) wird die Geometrie des Strömungskanals eingegeben. Bei 2) wird der erste Druck P1 eingegeben, bei 3) wird der zweite Druck P2 eingegeben, und bei 4) wird der N-te Druck PN eingegeben. Es können also bis zu N verschiedene Drücke P1 bis PN eingegeben werden. Die eingegebenen Druckwerte P1 bis PN werden mittels einer bei 11 ) getriggert, um die gemessenen Druckwerte den gemessenen Geschwindigkeitswerten in Echtzeit zuzuordnen, und werden in einem Filter bei 10) gefiltert, um eine Signalglättung zu erzielen. Bei 5) wird dann eine Druckdifferenz in Echtzeit berechnet, aus der dann bei 6) die Wandschubspannung und bei 7) die Wandschubspannungs-Verteilung bestimmt wird. Aus der bei 5) bestimmten Echtzeit-Druckdifferenz wird bei 8) der Mittelwert des absoluten Druckes bestimmt. Mittels der bei 5) bestimmten Echtzeit-Druckdifferenz werden zusammen mit den Werten des bei 10) geglätteten Signals statistische Grossen (z.B. Standardabweichung etc.) erstellt, welche den zeitlich schwankenden Verlauf der bei 9) weitergeleiteten Druckwerte beschreiben.2 schematically shows the procedure for evaluating the measured pressure information for determining the wall shear stress in the fluid. At 1) the geometry of the flow channel is entered. At 2) the first pressure P1 is entered, at 3) the second pressure P2 is entered and at 4) the Nth pressure PN is entered. So up to N different pressures P1 to PN can be entered. The entered pressure values P1 to PN are triggered by means of one at 11) in order to measure the measured pressure values in real time assign, and are filtered in a filter at 10) to achieve signal smoothing. At 5) a pressure difference is then calculated in real time, from which the wall shear stress is determined at 6) and the wall shear stress distribution at 7). From 8) the real-time pressure difference determined at 5) determines the mean value of the absolute pressure. Using the real-time pressure difference determined at 5), statistical values (eg standard deviation etc.) are generated together with the values of the signal smoothed at 10), which describe the time-varying course of the pressure values passed on at 9).
Fig. 3 zeigt schematisch die Vorgehensweise zur Behandlung der unbearbeiteten "rohen" Geschwindigkeitsprofile vor der Kurvenanpassung. Bei 1) werden gemessene unbearbeitete Geschwindigkeitsprofile eingegeben. Bei 2) wird die für das untersuchte Fluid und die vorgegebene Schallfrequenz gemessene Fluid-Schailgeschwindigkeit eingegeben. Die Werte der eingegebenen Geschwindigkeitsprofile werden über eine bei 19) erfolgende Triggerung bei 18) einer zeitlichen Mittelung unterzogen, um bei 3) gemittelte Geschwindigkeitsprofile zu erhalten. Ausserdem werden bei 18) die beim Ultra- schall-Doppler-Verfahren verwendeten Parameter eingegeben, und zwar bei 11) der Doppler-Winkel, bei 12) akustische Information, bei 13) die Anfangstiefe, bei 14) der Kanalabstand, bei 15) das Messfenster, bei 16) die Impuls-Repetitionsfrequenz und bei 17) die verwendete Strahlgeometrie. Bei 4) wird die Standardabweichung für jeden Geschwindigkeitskanal des Geschwindigkeitsprofils bestimmt, die dann bei 5) mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen wird. Hieraus werden dann bei 6), 7) und 8) jeweils die wirkliche Anfangstiefe, die wirkliche Eindringungstiefe und der wirkliche Kanalabstand bestimmt. Ausgehend von diesen drei Werten werden dann bei 9) zuverlässige Geschwindigkeitsdaten für die weiteren Berechnungen ausgewählt, die schliesslich bei 10) für die Kurvenanpassung vorbereitet werden.Fig. 3 shows schematically the procedure for handling the unprocessed "raw" speed profiles before curve fitting. At 1) measured unprocessed speed profiles are entered. At 2), the fluid shelling speed measured for the fluid under investigation and the specified sound frequency is entered. The values of the entered speed profiles are subjected to a temporal averaging via a trigger at 19) in order to obtain averaged speed profiles at 3). In addition, the parameters used in the ultrasonic Doppler method are entered at 18), specifically at 11) the Doppler angle, at 12) acoustic information, at 13) the initial depth, at 14) the channel spacing, at 15) that Measurement window, at 16) the pulse repetition frequency and at 17) the beam geometry used. At 4) the standard deviation for each speed channel of the speed profile is determined, which is then compared at 5) with a predetermined limit value. At 6), 7) and 8), the real starting depth, the real penetration depth and the real channel spacing are then determined from this. Based on these three values, reliable speed data are then selected at 9) for the further calculations, which are finally prepared at 10) for curve fitting.
Fig. 4 zeigt schematisch die Vorgehensweise zur Wahl eines passenden Modells, zur Auswahl zuverlässiger Daten und zur Überprüfung der Randbedingungen für das strömende Fluid. Bei 1) werden die Geschwindigkeitsdaten für die Kurvenanpassung vorbereitet. Bei 2) erfolgt ein Vergleich der ermittelten Standardabweichung SMD mit einem vorbestimmten Grenzwert SMDL der Standardabweichung. Wenn SMD kleiner als SMDL ist,, wird bei 3) entschieden, dass SMD für das Anpassen der Daten (Kurvenanpassung) verwendet wird. In diesem Fall wird bei 4) über die Methode der kleinsten Fehlerquadrate eine Kurvenanpassung durchgeführt. Dies wird bei 5) zur Überwachung der axialen Symmetrie des Strömungsprofils und bei 6) Bestimmung der maximalen Strömungsgeschwindigkeit verwendet. Wenn SMD grösser als SMDL ist, wird bei 18) die Lösung des Randwertproblems eingeleitet und bei 20) ein Warnsignal ausgegeben. Das Warnsignal zeigt an, dass die Randbedingungen nicht erfüllt sind.4 schematically shows the procedure for choosing a suitable model, for selecting reliable data and for checking the boundary conditions for the flowing fluid. At 1) the speed data are prepared for curve fitting. In 2), the standard deviation SMD determined is compared with a predetermined limit value SMDL of the standard deviation. If SMD is smaller than SMDL, it is decided at 3) that SMD is used for fitting the data (curve fitting). In this case, curve fitting is carried out at 4) using the method of least squares. This is used in 5) to monitor the axial symmetry of the flow profile and in 6) to determine the maximum flow speed. If SMD is larger than SMDL, the solution to the boundary value problem is initiated at 18) and a warning signal is issued at 20). The warning signal indicates that the boundary conditions have not been met.
Bei 7) wird geschaut, ob die Wandgeschwindigkeit Null ist. Wenn bei 11) dann bejaht wird, dass die Geschwindigkeit an der Wand von Null verschieden ist, wird bei 16) das Potenzgesetz-Modell mit der Annahme eines Wandgleiteffekts geladen. Wenn hingegen bei 11) verneint wird, dass die Geschwindigkeit an der Wand von Null verschieden ist, wird diese Aussage (Geschwindigkeit an der Wand ist Null) als Bedingung an 12) herangeführt. Bei 8) wird geschaut, ob die maximale Strömungsgeschwindigkeit konstant ist, bei 9) wird geschaut, ob die Druckschwankungen niedrig sind, d.h., ob SMD klein ist und bei 10) wird geschaut, ob die Temperaturdifferenz entlang des Strömungskanals (Rohr) klein oder Null ist.At 7) it is checked whether the wall speed is zero. If it is affirmed at 11) that the speed on the wall is different from zero, the power law model is loaded at 16) with the assumption of a wall sliding effect. If, however, at 11) it is denied that the speed on the wall is different from zero, this statement (speed on the wall is zero) is used as a condition at 12). At 8) it is checked whether the maximum flow rate is constant, at 9) it is checked whether the pressure fluctuations are low, that is to say whether SMD is small and at 10) it is checked whether the temperature difference along the flow channel (tube) is small or zero is.
Wenn bei 12) alle der Bedingungen 8), 9) und 10) bejaht bzw. erfüllt werden und wenn die Geschwindigkeit an der Wand Null ist, wird bei 13) das Potenzgesetz-Modell als Teil des Lösungsansatzes von 18) geladen. Wenn bei 14) dann bestimmt wird, dass der Strömungsindex grösser als ein gegebener Grenzwert ist, wird bei 16) das Potenzgesetz-Modell mit der Annahme eines Wandgleiteffekts geladen, und bei 17) wird das Modell mit der Annahme einer Fliessgrenze geladen. Wenn bei 14) hingegen bestimmt wird, dass der Strömungsindex kleiner als ein gegebener Wert ist, wird bei 15) das Potenzgesetz-Modell geladen. Wenn hingegen bei 12) alle der Bedingungen 8), 9) und 10) verneint werden bzw. nicht erfüllt sind und wenn die Geschwindigkeit an der Wand von Null verschieden ist, wird bei 18) der Lösungsansatz mit dem Potenzgesetz-Modell eingeleitet zur Bestimmung des Strömungsindexes, bei 19) eine Wiederholung der Messung eingeleitet und bei 20) ein Warnsignal ausgegeben. Fig. 5 zeigt schematisch die Vorgehensweise zur Lösung des Randwertproblems durch Kurvenanpassung und insbesondere die Berücksichtigung der Annahme der Wandgleitung bei der Kurvenanpassung.If at 12) all of the conditions 8), 9) and 10) are answered in the affirmative and if the speed on the wall is zero, at 13) the power law model is loaded as part of the solution approach from 18). If it is determined at 14) that the flow index is greater than a given limit value, the power law model is loaded at 16) with the assumption of a wall sliding effect, and at 17) the model is loaded with the assumption of a flow limit. If, on the other hand, it is determined at 14) that the flow index is less than a given value, the power law model is loaded at 15). If, on the other hand, in 12) all of the conditions 8), 9) and 10) are negated or are not fulfilled and if the speed on the wall is different from zero, the solution is initiated in 18) with the power law model to determine the Flow index, at 19) a repetition of the measurement is initiated and at 20) a warning signal is issued. 5 schematically shows the procedure for solving the boundary value problem by curve fitting and in particular the consideration of the assumption of wall sliding during curve fitting.
Bei 1) geht man davon aus, dass die maximale Strömungsgeschwindigkeit konstant ist. Bei 2) sowie bei der ersten Iteration von 9) geht man davon aus, dass die Geschwindigkeit an der Wand Null ist. Bei 3) erfolgt mit der Information von 1 ) und 2) eine Anpassung unter Verwendung des Potenzgesetz-Modells. Bei 4) wird dann der Strömungsindex n des Potenzgesetz-Modells von 7) auf n=1 gesetzt. Unter dieser Voraussetzung sowie der Voraussetzung von 1) und der von 9) stammenden Voraussetzung, dass die Gleitgeschwindigkeit an der Wand Null ist, wird bei 5) das theoretische Geschwindigkeitsprofil für n=1 berechnet.With 1) it is assumed that the maximum flow rate is constant. With 2) and with the first iteration of 9) it is assumed that the speed on the wall is zero. In 3), the information from 1) and 2) is used to adapt using the power law model. At 4) the flow index n of the power law model is then set from 7) to n = 1. Based on this requirement and the requirement of 1) and the requirement of 9) that the sliding speed on the wall is zero, the theoretical speed profile for n = 1 is calculated at 5).
Bei 6) wird dann eine Anpassung der eingegebenen Daten mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate durchgeführt. Die Daten hierfür werden bei 18), 19), 20), 21) und 22) eingegeben, und zwar bei 18) die wirkliche Anfangstiefe, bei 19) die wirkliche Ein- dringungstiefe, bei 20) der wirkliche Kanalabstand, bei 21) das Überschreiten der Standardabweichungsgrenze durch die Standardabweichung und bei 22) Information über die axiale Symmetrie des Strömungsprofils von der Steuerung der axialen Symmetrie. Bei 17) wird aus den bei 18) bis 22) eingegebenen Daten ein Datenbereich ausgewählt. Bei 12) und 13) werden aus der bei 6) erfolgten Anpassung der Strömungsindex bzw. Kriterien der Anpässungsqualität abgelesen.At 6) an adjustment of the entered data is carried out using the method of least squares. The data for this are entered at 18), 19), 20), 21) and 22), namely at 18) the real starting depth, at 19) the real penetration depth, at 20) the real channel spacing, at 21) that Exceeding the standard deviation limit by the standard deviation and at 22) information about the axial symmetry of the flow profile from the control of the axial symmetry. At 17), a data area is selected from the data entered at 18) to 22). In 12) and 13), the flow index or criteria of the adaptation quality are read from the adjustment made in 6).
Bei 11) wird entschieden, ob der bei 12) abgelesene Strömungsindex unter einem niedrigsten Grenzwert liegt oder nicht. Wenn dies nicht der Fall ist, wird bei 10) der Strömungsindex inkrementiert, um bei 3) erneut mit dem Potenzgesetz-Modell verwendet zu werden. Man geht dann iterativ vor, wobei die Schritte 10), 3), 4), 5), 6), 12) und 13) mehrmals durchlaufen werden. Wenn jedoch bei 11) der andere Fall vorliegt, dass nämlich der Strömungsindex unter einem niedrigsten Grenzwert liegt, wird bei 8) die Lösung des Randwertproblems mit anderen Modellen eingeleitet.At 11) a decision is made as to whether the flow index read at 12) is below a lowest limit or not. If this is not the case, the flow index is incremented at 10) in order to be used again at 3) with the power law model. One then proceeds iteratively, with the steps 10), 3), 4), 5), 6), 12) and 13) being carried out several times. However, if the other case at 11), namely that the flow index is below a lowest limit value, the solution of the boundary value problem with other models is initiated at 8).
Bei 7) geht man davon aus, dass das Fluid an der Wand gleitet, die Fluidgeschwindigkeit an der Wand also von Null verschieden ist. Diese Annahme wird bei 4) mit dem Po- tenzgesetz-Modell verwendet, um bei 5) wiederum ein entsprechendes theoretisches Profil zu berechnen. Die weitere Vorgehensweise bei der Iteration ist dann genauso wie im vorherigen Absatz.At 7) it is assumed that the fluid slides on the wall, so that the fluid velocity on the wall is different from zero. This assumption is confirmed in 4) with the tenzgesetz model used to calculate a corresponding theoretical profile at 5). The further procedure for the iteration is then the same as in the previous paragraph.
Bei 16) wird entschieden, ob die bei 13) abgelesenen Kriterien der Anpassungsqualität vorgegebene Grenzwerte übersteigen oder nicht. Wenn dies der Fall ist, wird bei 14) abgefragt, ob die Anzahl der Iterationen eine vorgegebene Anzahl übersteigt oder nicht. Wenn dies der Fall ist, wird bei 9) in einem ersten Iterationsschritt die Gleitgeschwindigkeit an der Wand auf Null gesetzt, und man steigt bei 5) erneut in die Iteration ein. Ansonsten wir die Iteration fortgeführt. Die weitere Vorgehensweise bei der Iteration ist wieder dieselbe wie in den beiden vorhergehenden Absätzen. Wenn bei 16) entschieden wird, dass die Kriterien der Anpassung die vorgegebenen Grenzwerte nicht übersteigen, werden bei 15) die Argumente (z.B. Strömungsindex, Gleitgeschwindigkeit, Radius des Pfropfens, etc.) ausgegeben, und man schreitet zu 23) fort.At 16), a decision is made as to whether the criteria of the quality of adaptation read at 13) exceed predetermined limit values or not. If this is the case, a query is made at 14) whether the number of iterations exceeds a predetermined number or not. If this is the case, the sliding speed on the wall is set to zero in 9) in a first iteration step, and the iteration is started again in 5). Otherwise we continue the iteration. The further procedure for the iteration is again the same as in the two previous paragraphs. If it is decided at 16) that the criteria of the adaptation do not exceed the predetermined limit values, the arguments (e.g. flow index, sliding speed, radius of the plug, etc.) are output at 15) and the process proceeds to 23).
Bei 23) wird abgefragt, ob die Gleitgeschwindigkeit an der Wand Null ist oder nicht. Wenn sie Null ist, werden bei 24), 25) und 26) aus der Anpassung an das Geschwindigkeitsprofil jeweils die volumetrische Strömungsgeschwindigkeit, die Wandschergeschwindigkeit und die Schergeschwindigkeitsverteilung berechnet. Wenn die Gleitgeschwindigkeit an der Wand nicht Null ist, werden bei 27), 28) und 29) aus der Anpassung an das Geschwindigkeitsprofil unter Annahme von Wandgleitung in analoger Weise jeweils die volumetrische Strömungsgeschwindigkeit, die Wandschergeschwindigkeit und die Schergeschwindigkeitsverteilung berechnet. Aus den bei 24) bis 26) oder bei 27) bis 29) berechneten Grossen werden dann bei 32) die Wand-Scherviskosität und bei 33) die Scherviskositätsfunktion berechnet (z.B. deren Verteilung entlang einer zur Strömung quer verlaufenden Richtung).At 23) it is queried whether the sliding speed on the wall is zero or not. If it is zero, the volumetric flow velocity, the wall shear velocity and the shear velocity distribution are calculated from the adaptation to the velocity profile at 24), 25) and 26). If the sliding speed on the wall is not zero, the volumetric flow rate, the wall shear rate and the shear rate distribution are calculated in an analogous manner at 27), 28) and 29) from the adaptation to the speed profile assuming wall sliding. From the variables calculated at 24) to 26) or at 27) to 29), the wall shear viscosity is calculated at 32) and the shear viscosity function at 33) (e.g. their distribution along a direction transverse to the flow).
Fig. 6 zeigt schematisch die Vorgehensweise zur Bestimmung des Strömungszustands. Bei 1 ), 2), 3) und 4) geht man jeweils vom Potenzgesetz-Modell, vom Herschel-Bulkley- Modell, vom Cross-Model bzw. von anderen Modellen aus. Hieraus erfolgt bei 7) wiederum die Lösung des Randwertproblems, und die rheologischen Grossen werden bei 9) ausgegeben. Bei 15) wird entschieden, ob die aus der Scherviskositätsverteilung berechnete Scherviskosität kleiner als ein vom Benutzer eingegebener vorgegebener Viskositäts- Grenzwert ist, der durch off-line und/oder on-line durchgeführte Referenzmessungen z.B. unter Verwendung eines Rotationsrheometers, eines Kapillarrheometers oder irgendeines anderen Rheometers verwendet wurde. Wenn die Scherviskosität kleiner als der Grenzwert ist, wird entschieden, dass ein turbulenter Strömungszustand gemäss 14) vorliegt. Wenn die Scherviskosität grösser oder gleich wie der Grenzwert ist, wird entschieden, dass ein laminarer Strömungszustand gemäss 13) vorliegt.6 schematically shows the procedure for determining the flow state. With 1), 2), 3) and 4) one starts from the power law model, from the Herschel-Bulkley model, from the cross model or from other models. From this, the boundary value problem is solved again at 7) and the rheological parameters are output at 9). At 15), a decision is made as to whether the shear viscosity calculated from the shear viscosity distribution is less than a predetermined viscosity limit value entered by the user, which is carried out by reference measurements carried out off-line and / or on-line, for example using a rotary rheometer, a capillary rheometer or some other rheometer was used. If the shear viscosity is less than the limit value, it is decided that there is a turbulent flow state according to 14). If the shear viscosity is greater than or equal to the limit value, it is decided that there is a laminar flow state according to 13).
Bei 6) wird ein Lösungsansatz für den turbulenten Strömungszustand verwendet. Dieser Lösungsansatz unterscheidet sich von dem Lösungsansatz beim laminaren Strömungszustand nur durch das Anpassungsmodell, das eine ähnliche Form hat, bei dem aber andere Werte für die Parameter, z.B. für den Strömungsindex, verwendet werden. Der "turbulente" Strömungsindex wird dann bei 6) berechnet und bei 11 ) verwendet.At 6) a solution for the turbulent flow state is used. This approach differs from the approach in the laminar flow state only in the adaptation model, which has a similar shape, but in which other values for the parameters, e.g. for the flow index. The "turbulent" flow index is then calculated at 6) and used at 11).
Bei 12) wird entschieden, ob der Strömungsindex unter einem niedrigsten Grenzwert liegt oder nicht. Wenn der Strömungsindex darunter liegt, wird entschieden, dass ein turbulenter Strömungszustand gemäss 14) vorliegt Wenn der Strömungsindex gleich gross oder grösser als der niedrigste Grenzwert ist und aufgrund einer Bewertung der Grossen SMD, Viskosität, Strömungsindex und maximale Geschwindigkeit wird entschieden, dass ein laminarer Strömungszustand gemäss 13) oder ein turbulenter Strömungszustand gemäss 14) vorliegt, und man verwendet bei 6) den Lösungsansatz für die turbulente Strömung.At 12) it is decided whether the flow index is below a lowest limit or not. If the flow index is below, it is decided that there is a turbulent flow state according to 14) If the flow index is equal to or greater than the lowest limit value and based on an evaluation of the large SMD, viscosity, flow index and maximum speed, it is decided that a laminar flow state according to 13) or a turbulent flow state according to 14), and 6) uses the solution for the turbulent flow.
Bei 10) geht man von der Annahme aus, dass Wandgleitung vorliegt. Bei 5) verwendet man den Lösungsansatz unter Berücksichtigung von Wandgleitung. Hieraus erhält man einen Wert für die Wandgleitung bei 8) sowie andere Theologische Parameter bei 9).At 10) one assumes that there is wall sliding. In 5) the solution is used taking into account wall sliding. This gives a value for the wall glide at 8) and other theological parameters at 9).
Bei 18) geht man von der Standardabweichung SMD für jeden Geschwindigkeitskanal aus. Bei 16) wird entschieden, ob die SMD einen maximalen Grenzwert übersteigt oder nicht. Wenn die SMD diesen maximalen Grenzwert übersteigt, wird bei 12) wiederum entschieden, ob der Strömungsindex kleiner als der niedrigste Grenzwert ist oder nicht. Wenn ja, liegt der turbulente Zustand gemäss 14) vor. Wenn nein, liegt der laminare Strömungszustand gemäss 13) vor.At 18) one starts from the standard deviation SMD for each speed channel. At 16) it is decided whether the SMD exceeds a maximum limit or not. If the SMD exceeds this maximum limit, a decision is again made at 12) whether or not the flow index is less than the lowest limit. If so, the turbulent state according to 14) is present. If no, the laminar flow state according to 13) is present.
Bei 19) geht man von der Standardabweichung SMD der laufenden n-ten Anpassung an das unverarbeitete "rohe" Drucksignal aus. Bei 17) wird entschieden, ob Druckschwankungen vorliegen oder nicht. Wenn Druckschwankungen vorliegen und wenn eine Beurteilung der Viskosität, des Strömungsindexes und der maximalen Geschwindigkeit es zulassen, wird entschieden, dass ein turbulenter Zustand gemäss 14) vorliegt, und man verwendet bei 6) den Lösungsansatz für die turbulente Strömung. Wenn keine Druckschwankungen vorliegen, wird für den laminaren Zustand entschieden, und man verwendet bei 7) den Lösungsansatz für die laminare Strömung.At 19) one starts from the standard deviation SMD of the current nth adaptation to the unprocessed "raw" pressure signal. At 17) it is decided whether there are pressure fluctuations or not. If there are pressure fluctuations and if an assessment of the viscosity, the flow index and the maximum speed allow it, it is decided that a turbulent state according to 14) is present, and the approach for the turbulent flow is used in 6). If there are no pressure fluctuations, the decision is made for the laminar state, and the solution for the laminar flow is used in 7).
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass man im wesentlichen die folgenden Strömungsarten unterscheiden kann:In summary, it can be said that the following types of flow can essentially be distinguished:
> laminare Strömung mit Pfropfen (hochviskoses Material, z.B. stark konzentrierte Suspension)> laminar flow with grafting (highly viscous material, e.g. highly concentrated suspension)
> laminare Strömung ohne Pfropfen (sowohl mit Strömungsindex n > 1, d.h. dilatan- tes bzw. scherverdickendes Material, als auch mit Strömungsindex n < 1 , d.h. strukturviskoses bzw. scherverdünnendes Material)> laminar flow without grafting (both with flow index n> 1, i.e. dilatant or shear thickening material, as well as with flow index n <1, i.e. pseudoplastic or shear thinning material)
> turbulente Strömung (niederviskoses Material, z.B. schwach konzentrierte Suspension).> turbulent flow (low-viscosity material, e.g. weakly concentrated suspension).
Das ("geglättete") globale Strömungsprofil der turbulenten Strömung quer zur Rohrachse, bei dem die lokalen Geschwindigkeitsschwankungen herausgefiltert wurden, kann in Analogie zur hochviskosen Pfropfenströmung z.B. durch das Herschel-Bulkley-Modell beschrieben werden. The ("smoothed") global flow profile of the turbulent flow transverse to the pipe axis, in which the local speed fluctuations have been filtered out, can be analogous to the highly viscous plug flow e.g. can be described by the Herschel-Bulkley model.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Bestimmen rheologischer Parameter eines strömenden Fluids, insbesondere einer Suspension oder Emulsion, das durch einen Strömungskanal, insbesondere eine Leitung oder ein Rohr, gefördert wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:1. A method for determining rheological parameters of a flowing fluid, in particular a suspension or emulsion, which is conveyed through a flow channel, in particular a line or a pipe, the method comprising the following steps:
a) Einstrahlen eines aus einem Ultraschallsender gesendeten Ultraschallsignals mit mindestens einer vorgegebenen ersten Frequenz fl unter einem von 90° verschiedenen Winkel Θ zur Strömungsrichtung in die Fluidströmung; b) Empfangen und Messen der Frequenz eines Ultraschallsignals, das von in dem Fluid in jeweiligen Fluidbereichen mitgeführten Partikeln reflektiert/gestreut wird, mit mindestens einer für den jeweiligen Fluidbereich charakteristischen zweiten Frequenz f2, die gegenüber der Frequenz fl um eine jeweilige Frequenzverschiebung Δf verschobenen ist, in einem Ultraschallempfänger; c) Messen des statischen Druckes entlang der Strömungsrichtung der Fluidströmung in dem von den Ultraschallwellen durchstrahlten Bereich der Fluidströmung an N Stellen; d) Auswerten der in den Schritten a), b) und c) vorgegebenen und gemessenen Information zur Bestimmung rheologischer Parameter des strömenden Fluids, e) dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung unter d) die folgenden Schritte durchgeführt werden: d1) Bestimmen der Wandschubspannung in dem Fluid entlang dera) irradiation of an ultrasound signal sent from an ultrasound transmitter with at least one predetermined first frequency fl at an angle Θ different from 90 ° to the direction of flow into the fluid flow; b) receiving and measuring the frequency of an ultrasound signal which is reflected / scattered by particles carried in the fluid in the respective fluid areas with at least one second frequency f2 which is characteristic of the respective fluid area and which is shifted by a respective frequency shift Δf with respect to the frequency fl, in an ultrasound receiver; c) measuring the static pressure along the flow direction of the fluid flow in the region of the fluid flow irradiated by the ultrasonic waves at N locations; d) evaluating the information specified and measured in steps a), b) and c) for determining rheological parameters of the flowing fluid, e) characterized in that the following steps are carried out for evaluation under d): d1) determining the wall shear stress in the fluid along the
Strömungsrichtung der Fluidströmung in dem von den Ultraschallwellen durchstrahlten Bereich der Fluidströmung; d2) Bestimmen des Fluid-Geschwindigkeitsprofils in dem Fluid quer zur Strömungsrichtung der Fluidströmung in dem von den Ultraschallwellen durchstrahlten Bereich der Fluidströmung; d3) Auswählen eines passenden Modells für die Viskositätsfunktion (Scherviskosität) sowie passender Randbedingungen für das strömende Fluid; und d4) iteratives Anpassen der Parameter und Randbedingungen des passenden Modells an die gemessenen Informationen.Flow direction of the fluid flow in the area of the fluid flow irradiated by the ultrasonic waves; d2) determining the fluid velocity profile in the fluid transversely to the direction of flow of the fluid flow in the region of the fluid flow irradiated by the ultrasound waves; d3) selection of a suitable model for the viscosity function (shear viscosity) and suitable boundary conditions for the flowing fluid; and d4) iteratively adapting the parameters and boundary conditions of the appropriate model to the measured information.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das ausgesendete Ultraschallsignal mehrere diskrete erste Frequenzen (fl , fT, fl", ...) aufweist und das empfangene Ultraschallsignal mindestens jeweils mehrere diskrete zweite Frequenzen (f2, f2", f2", ...) aufweist, die gegenüber den jeweiligen ersten Frequenzen (fl , fT, fl", ...) jeweils um eine für den jeweiligen Fluidbereich charakteristische Frequenzverschiebung Δf verschobenen sind.2. The method according to claim 1, characterized in that the emitted ultrasound signal has a plurality of discrete first frequencies (fl, fT, fl ", ...) and the received ultrasound signal at least in each case a plurality of discrete second frequencies (f2, f2", f2 ", ...), which are shifted from the respective first frequencies (fl, fT, fl ", ...) by a frequency shift Δf characteristic of the respective fluid range.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das ausgesendete Ultraschallsignal ein erstes Frequenzenspektrum (FS1) aufweist und das empfangene Ultraschallsignal mindestens ein zweites Frequenzspektrum (FS2) aufweist, das gegenüber dem ersten Frequenzspektrum (FS1) jeweils um eine für den jeweiligen Fluidbereich charakteristische Frequenzverschiebung Δf verschobenen ist.3. The method according to claim 1, characterized in that the emitted ultrasound signal has a first frequency spectrum (FS1) and the received ultrasound signal has at least a second frequency spectrum (FS2), each of which is characteristic of the respective fluid range compared to the first frequency spectrum (FS1) Frequency shift Δf is shifted.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgesendete und das empfangene Ultraschallsignal jeweils gepulste Signale sind.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the transmitted and the received ultrasonic signal are each pulsed signals.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulsten Signale jeweils eine konstante Trägerfrequenz aufweisen.5. The method according to claim 4, characterized in that the pulsed signals each have a constant carrier frequency.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgesendete und das empfangene Ultraschallsignal jeweils kontinuierliche Signale sind.6. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the transmitted and the received ultrasonic signal are continuous signals.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussenden des in das Fluid eingestrahlten Ultraschallsignals und das Empfangen des reflektierten Ultraschallsignals an demselben Ort5 erfolgen.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the transmission of the ultrasound signal radiated into the fluid and the reception of the reflected ultrasound signal at the same location 5 .
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussenden des in das Fluid eingestrahlten Ultraschallsignals und das Empfangen des reflektierten Ultraschallsignals an verschiedenen Orten erfolgen.8. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the emission of the ultrasound signal radiated into the fluid and the reception of the reflected ultrasound signal take place at different locations.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung eines passenden Modells durch iteratives Anpassen eines modellbasierten theoretischen Geschwindigkeitsprofils an ein gemessenes Geschwindigkeitsprofil erfolgt.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the adaptation of a suitable model is carried out by iteratively adapting a model-based theoretical speed profile to a measured speed profile.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Geschwindigkeitsprofile vor der Anpassung behandelt werden.10. The method according to claim 9, characterized in that the measured speed profiles are treated before the adaptation.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung eine zeitliche Mittelung der gemessenen Geschwindigkeitsprofile ist.11. The method according to claim 10, characterized in that the treatment is a temporal averaging of the measured speed profiles.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass von den bestimmten Wandschubspannungen und/oder von den bestimmten Geschwindigkeitsprofilen jeweils eine statistische Schwankungsgrösse, insbesondere die Standardabweichung, bestimmt und mit einem vorgegebenen Grenzwert für die Schwankungsgrösse verglichen wird.12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that from the determined wall shear stresses and / or from the determined speed profiles in each case a statistical fluctuation variable, in particular the standard deviation, is determined and compared with a predetermined limit value for the fluctuation variable.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich als Grundlage für die Auswahl zuverlässiger Messdaten verwendet wird.13. The method according to claim 12, characterized in that the comparison is used as the basis for the selection of reliable measurement data.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl eines passenden Modells durch Überprüfung der in dem Modell verwendeten Randbedingungen erfolgt.14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the selection of a suitable model is carried out by checking the boundary conditions used in the model.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Überprüfung der Randbedingungen durch Zählen vergeblicher Iterationsschritte bei der versuchten Anpassung eines Modells erfolgt.15. The method according to claim 14, characterized in that the checking of the boundary conditions by counting unsuccessful iteration steps in the attempted Adaptation of a model is done.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überschreiten einer vorgegebenen Anzahl von Iterationsschritten ein anderes Modell mit anderen Parametern und/oder anderen Randbedingungen gewählt wird.16. The method according to claim 15, characterized in that when a predetermined number of iteration steps is exceeded, a different model with different parameters and / or other boundary conditions is selected.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Modelle aus der folgenden Gruppe von Modellen ausgewählt werden:17. The method according to any one of claims 1 to 16, characterized in that the models used are selected from the following group of models:
> Potenzgesetz-Modell> Power law model
> Herschel-Bulkley-Modell> Herschel Bulkley model
> Cross-Modell.> Cross model.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Randbedingungen aus der folgenden Gruppe von Randbedingungen ausgewählt werden:18. The method according to any one of claims 1 to 17, characterized in that the boundary conditions used are selected from the following group of boundary conditions:
> Fluidgeschwindigkeit an der Wand ist Null bzw. Vorliegen von Wandhaftung> Fluid velocity on the wall is zero or there is wall adhesion
> Fluidgeschwindigkeit an der Wand ist nicht Null bzw. Vorliegen von Wandgleitung> Fluid velocity on the wall is not zero or there is wall sliding
> Fliessgrenze in einem Bereich der Fluidströmung unterschritten bzw. Pfropfen in der Strömung vorhanden> The yield point in one area of the fluid flow is not reached or there are grafts in the flow
> Fliessgrenze in keinem Bereich der Fluidströmung unterschritten bzw. kein Pfropfen in der Strömung vorhanden> The flow limit was not exceeded in any area of the fluid flow or there was no grafting in the flow
> Strömungszustand: laminar> Flow state: laminar
> Strömungszustand: turbulent.> Flow state: turbulent.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der bestimmten rheologischen Parameter des Fluids mit Werten dieser Parameter verglichen werden, die auf andere Art bestimmt wurden. 19. The method according to any one of claims 1 to 18, characterized in that at least some of the determined rheological parameters of the fluid are compared with values of these parameters, which were determined in a different way.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Art der Bestimmung der rheologischen Parameter die Messung der Viskosität in einem Rotationsrheometer und/oder in einem Kapillar-Rheometer ist.20. The method according to claim 19, characterized in that the other type of determination of the rheological parameters is the measurement of viscosity in a rotary rheometer and / or in a capillary rheometer.
21. Verfahren nach Anspruch 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die statistische Schwankungsgrösse, insbesondere die Standardabweichung, für die erfassten Geschwindigkeitssignale jedes Geschwindigkeitskanals (= Ort am Geschwindigkeitsprofil) und/oder für die erfassten Drucksignale jeder Druckmessstelle bestimmt wird. 21. The method according to claim 12 to 20, characterized in that the statistical fluctuation variable, in particular the standard deviation, is determined for the recorded speed signals of each speed channel (= location on the speed profile) and / or for the recorded pressure signals of each pressure measuring point.
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