Способ и устройство для определения реологических параметров жидкости
Изобретение предназначено для исследования суспензий и эмульсий. С помощью ультразвукового доплеровского метода определяют локальный профиль скорости поперек трубопровода. Осуществляют локальное измерение напряжение сдвига жидкости в зоне определения локального профиля скорости с помощью датчика напряжения сдвига, расположенного в пограничном слое жидкости. На основе локального профиля скорости и соответствующего ему локального напряжения сдвига вычислительный блок определяет реологические параметры протекающей жидкости: сдвиговую вязкость, предел текучести. Изобретение повышает точность и упрощает измерение, а также снижает затраты на его проведение благодаря использованию компактного измерительного устройства. 2 н. и 29 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение касается способа и устройства для определения реологических параметров протекающей жидкости, в частности суспензии или эмульсии, согласно п.1 и 24 соответственно.
Подобные способы и устройства уже известны. Для того чтобы для протекающей в проточном канале жидкости, несущей с собой суспендированные или эмульгированные частицы, определить локальный профиль скорости поперек трубопровода, применяют ультразвуковой доплеровский метод. Кроме того, за счет измерения статического давления вверх и вниз по потоку от зоны определенного локального профиля скорости определяют разность давлений в направлении течения в зоне локального профиля скорости. По профилю скорости и соответствующей ему разности давлений можно определить затем определенные реологические параметры исследуемой протекающей жидкости, например функцию вязкости (сдвиговую вязкость), предел текучести и т.д.
Эта комбинация ультразвукового доплеровского метода (UVP, Ultrasound Velocity Profiling) и определения разности давлений (PD, Pressure Difference), известная специалисту сокращенно как UVP-PD, описывалась в различных комбинациях и в различных вариантах с постоянно небольшими видоизменениями.
В статье У. Takeda "Velocity profile measurement by ultrasound Doppler shift method", "International Journal of Heat and Fluid Flow", Band 7, Nr.4, декабрь 1986 г. подтверждается" пригодность метода UVP для определения одномерного профиля скорости в трубках или кровеносных сосудах диаметром лишь в несколько миллиметров.
В Е.Windhab, В.Ouriev, Т.Wagner und M.Drost, 1st International Symposium on Ultrasonic Doppler Methods for Fluid Mechanics and Fluid Engineering, сентябрь 1996 г. описан вышеупомянутый метод UVP-PD.
Подробное описание теоретических и аппаратных основ метода UVP-PD, а также его применение в увлекаемых течениях среза и напорных течениях среза, в частности модельных суспензиях или реологических жидкостях, например в производстве шоколадных или макаронных изделий, приведены в В.Ouriev "Ultrasound Doppler Based in-Line Rheometry of Highly Concentrated Suspensions", Diss. ETH Nr.13523, Цюрих, 2000 г. В этой публикации рассматриваются как ламинарные, так и турбулентные течения.
Описанный здесь метод UVP-PD дает хорошие результаты для различных видов профилей скорости и для определяемых реологических параметров исследуемых жидкостей. Однако для измерения давления вверх и вниз по потоку от определенного скорости профиля всегда требуются обе удаленные друг от друга измерительные точки. Сегодня можно, правда, прибегнуть к интрузивным миниатюрным ультразвуковым приемопередатчикам, ультразвуковым измерительным преобразователям и датчикам давления, однако уже из-за постоянно требуемого для точности измерений расстояния между обеими точками измерения давления вверх и вниз по потоку от зарегистрированного локального профиля скорости возникает предел дальнейшего «компактирования» измерительного UVP-PD-устройства вследствие смещения обоих датчиков давления.
В основе изобретения поставлена задача создания способа, использующего ультразвуковой доплеровский метод, и более компактного измерительного устройства, позволяющего уменьшить затраты на способ по сравнению с методом UVP-PD из уровня техники.
Эта задача решается посредством способа по п.1 и устройства по п.24.
Согласно изобретению, способ определения реологических параметров протекающей жидкости, в частности суспензии или эмульсии, требует оградить течение жидкости, по меньшей мере, на отдельных участках от касающейся жидкости стенки и включает в себя следующие этапы:
а) ввод в течение жидкости переданного ультразвуковым передатчиком ультразвукового сигнала, по меньшей мере, с одной заданной первой частотой f1 под отличающимся от 90° углом θ к направлению течения;
б) прием в ультразвуковом приемнике ультразвукового сигнала, отражаемого от ведомых жидкостью на ее соответствующих участках частиц, по меньшей мере, со второй, характерной для соответствующего участка жидкости частотой t2, смещенной относительно частоты f1 на величину соответствующего частотного сдвига Δf;
в) определение локального напряжения сдвига стенки, по меньшей мере, на одном касающемся стенки участке жидкости;
г) расчет, по меньшей мере, одной величины частотного сдвига Δf с использованием, по меньшей мере, первой f1 и, по меньшей мере, второй f2 частот;
д) присвоение величины соответствующего частотного сдвига Δf соответствующему участку жидкости с использованием соответствующего времени прохождения ультразвукового сигнала между моментом выхода из ультразвукового передатчика и моментом приема ультразвуковым приемником;
е) расчет скорости соответствующего участка жидкости, на котором перемещаются отражающие частицы, с использованием величины соответствующего частотного сдвига;
ж) расчет реологических параметров жидкости с использованием зарегистрированного, по меньшей мере, на одном локальном участке стенки напряжения сдвига в жидкости и рассчитанной скорости соответствующих локальных участков протекающей жидкости.
Устройство, согласно изобретению, для определения реологических параметров протекающей жидкости с использованием способа, согласно изобретению, содержит:
- по меньшей мере, одну зону стенки, которая касается и ограждает протекающую в устройстве жидкость, по меньшей мере, на отдельных участках граничной поверхности жидкости;
- ультразвуковой передатчик для передачи ультразвукового сигнала, по меньшей мере, с одной заданной частотой f1 под отличающимся от 90° углом θ к направлению течения жидкости в устройстве;
- ультразвуковой приемник для приема ультразвукового сигнала, по меньшей мере, с частотой f2, которая может быть смещена относительно частоты f1 на величину частотного сдвига Δf;
- по меньшей мере, один датчик напряжения сдвига для регистрации напряжения сдвига стенки, по меньшей мере, на одном касающемся стенки участке жидкости;
- вычислительно-обрабатывающий блок для расчета разностей частот и для присвоения определенной разности частот соответствующему участку жидкости с использованием соответствующей разности времени между передачей и приемом ультразвукового сигнала, для расчета скорости жидкости на соответствующем участке жидкости с использованием величины соответствующего частотного сдвига Δf и для расчета реологических параметров жидкости с использованием зарегистрированного напряжения сдвига стенки в жидкости и вычисленной скорости протекающей жидкости на соответствующих участках.
За счет регистрации локального напряжения сдвига стенки на этапе в), т.е. осуществления единственного измерения напряжения сдвига в зоне пограничного слоя протекающей жидкости, можно избежать двух измерений давления, как в уровне техники. Таким образом, можно уменьшить занимаемую площадь и уменьшить затраты на кабельную разводку измерительного устройства, а также упростить способ.
Поскольку у способа, согласно изобретению, требуется лишь оградить течение жидкости, по меньшей мере, на отдельных участках от касающейся жидкости стенки, способ, согласно изобретению, может применяться также у течений жидкости в частично открытом канале, например у движущегося за счет силы тяжести течения жидкости в наклонном желобе или течения жидкости между боковой поверхностью цилиндра ротора и статора, например в ротационном реометре. Этим применениям дополнительно способствует компактное измерительное устройство, используемое в способе, согласно изобретению. Вполне достаточно, если в одной локальной зоне, в которой находятся ультразвуковой передатчик, ультразвуковой приемник или, при необходимости, ультразвуковой приемопередатчик или датчик напряжения сдвига, провести исследование поведения протекающей жидкости (скорости жидкости на локальных участках) под действием внешних влияний на жидкость (действие сдвига, например за счет разности давлений или массовых усилий; увлекающее действие приставшей к перемещенной стенке или скользящей по ней с проскальзыванием жидкости). Способ пригоден, таким образом, для исследования течений сдвига и увлекаемых течений среза, а также комбинированных течений сдвига/увлекаемых течений среза. Можно исследовать также турбулентные течения.
У течений среза, поддерживаемых подобным увлекающим действием стенки, например в упомянутом в предыдущем абзаце ротационном реометре, даже невозможно применить способ UVP-PD из уровня техники, поскольку можно, правда, определить скорости жидкости посредством UVP, однако нельзя определить разность давлений вдоль направления течения.
Напротив, способ, согласно изобретению, вместе с устройством, согласно изобретению, позволяет на основе локального, в крайнем случае, даже точечного измерения напряжения сдвига стенки в зоне пограничного слоя жидкости применить метод UVP как у чисто увлекаемых течений среза, смешанных увлекаемых течений/течений сдвига и среза, в частности также у течений в трубе с внутренней пробкой, и, конечно, у чистых течений сдвига и среза. Можно выбрать, следовательно, произвольные экспериментальные «краевые условия». Это открывает тогда новые возможности параметризации самых различных течений и соотнесения между такими параметрами и основанными на механике сплошных сред или микроскопическими, основанными на частицах моделями.
Переданный ультразвуковой сигнал может быть сигналом с несколькими дискретными первыми частотами (f1, f1', f1'', ...), а принятый ультразвуковой сигнал может быть, по меньшей мере, одним вторым сигналом с соответственно несколькими дискретными вторыми частотами (f2, f2', f2'', ...), которые сдвинуты соответственно на характерную для данного участка жидкости величину частотного сдвига Δf. Это позволяет определить характерную для участка жидкости скорость жидкости на основе образования нескольких разностей, для которых, по меньшей мере, в первом приближении справедливо f2-f1=f2''-f1''=...=Δf. Преимущественно образуют среднеарифметическое значение отдельных разностей с тем, чтобы получить надежное значение Δf и, тем самым, соответствующей скорости жидкости на одном из участков.
Переданный ультразвуковой сигнал может быть сигналом с дискретными первым частотным спектром (FS1), а принятый ультразвуковой сигнал может быть, по меньшей мере, одним вторым сигналом с соответственно вторым частотным спектром (FS2), который сдвинут относительно первого частотного спектра (FS1) соответственно на характерную для данного участка жидкости величину частотного сдвига Δf. Также здесь частотные сдвиги могут использоваться в нескольких местах обоих частотных спектров для усредненного определения значения Δf и, тем самым, соответствующей скорости жидкости на одном из участков.
Преимущественно для переданного и, тем самым, принятого ультразвуковых сигналов используют соответственно импульсные сигналы. Это облегчает на этапе д) способа, согласно изобретению, соотнесение соответствующего частотного сдвига Δf и соответствующего участка жидкости с использованием соответствующего времени прохождения ультразвукового сигнала между моментом выхода из ультразвукового передатчика и моментом приема ультразвуковым приемником. В частности, импульсные сигналы имеют при этом соответственно постоянную несущую частоту.
Переданный и принятый ультразвуковые сигналы могут быть также соответственно непрерывными сигналами. Это предпочтительно, в частности, при использовании описанных выше частотных спектров FS1 и FS2.
Целесообразно, если определение напряжения сдвига жидкостии происходит только на единственном, касающемся стенки участке жидкости. Это обеспечивает особенно компактную реализацию способа, согласно изобретению.
Также целесообразно, если передача введенного в жидкость и прием отраженного ультразвуковых сигналов происходят в одном месте, например, посредством ультразвукового приемопередатчика.
Преимущественно на основе вычисленных на этапе е) скоростей жидкости на отдельных участках жидкости создают локальный профиль скорости поперек направления течения, причем, в частности, на основе вычисленного на этапе е) локального профиля скорости и зарегистрированного на этапе в) локального напряжения сдвига жидкостипере, по меньшей мере, на одном касающемся стенки участке жидкости определяют функцию вязкости (сдвиговую вязкость) жидкости.
У способа, согласно изобретению, согласование подходящей модели происходит преимущественно за счет итеративного согласования основанного на модели теоретического профиля скорости с измеренным профилем скорости. По согласованному теоретическому профилю скорости можно определить тогда различные реологические параметры.
Преимущественно измеренные профили скорости перед согласованием обрабатывают, причем, в частности, происходит временное усреднение измеренных профилей скорости. В результате получают надежные профили скорости для последующего согласования моделей.
Преимущественно на основе определенных напряжений сдвига стенки и/или определенных профилей скорости определяют соответственно статистическую колебательную величину, в частности стандартное отклонение, и сравнивают с заданным предельным значением колебательной величины. Преимущественно это сравнение используют в качестве основы для выбора надежных данных измерений.
Выбор подходящей модели может происходить за счет проверки использованных в модели краевых условий. Так, например, можно предположить, что скорость жидкости у стенки равна нулю, т.е. имеется сцепление со стенкой. Это предположение можно в зависимости от успешного или безуспешного согласования кривых сохранить или отбросить. Аналогично можно действовать с предположением, что скорость жидкости у стенки отличается от нуля.
Проверка краевых условий может происходить предпочтительно также путем подсчета безрезультатных шагов итерации при попытке согласования модели, причем, в частности, при превышении заданного числа шагов итерации выбирают другую модель с другими параметрами и/или другими краевыми условиями.
Используемые модели выбирают преимущественно из следующей группы моделей:
- модель свойства степени;
- модель Хершеля-Бакли;
- кросс-модель.
Могут использоваться также другие реологические модели.
Используемые краевые условия выбирают преимущественно из следующей группы краевых условий:
- скорость жидкости у стенки равна нулю или имеет место сцепление со стенкой;
- скорость жидкости у стенки не равна нулю или имеет место скольжение по стенке;
- предел текучести на одном участке течения жидкости ниже заданного или имеется пробка в течении;
- предел текучести ни на одном участке течения жидкости не ниже заданного или отсутствует пробка в течении;
- состояние течения: ламинарное;
- состояние течения: турбулентное.
Описание используемых моделей и краевых условий приведено в В. Ouriev "Ultrasound Doppler Based in-Line Rheometry of Highly Concentrated Suspensions", Diss. ETH Nr.13523, Цюрих, 2000 г. или в В.Ouriev und E.J.Windhab "Rheological study of concentrated suspensions in pressure-driven shear flow using a novel in-line ultrasound Doppler method", Experiments in Fluids 32 (2002).
По меньшей мере, часть определенных реологических параметров жидкости можно сравнить также со значениями этих параметров, определявшихся иным образом. Это обеспечивает дополнительную защиту результатов по реологическим параметрам. Преимущественно определение реологических параметров иным образом происходит путем измерения вязкости в ротационном реометре и/или в капиллярном реометре.
Целесообразно статистическую колебательную величину, в частности стандартное отклонение, определяют для зарегистрированных сигналов скорости каждого канала скорости (= точка на профиле скорости) и/или для зарегистрированных сигналов давления в каждом месте измерения давления. Эта информация может быть использована, в том числе, для различения, находится ли течение жидкости в турбулентном или в ламинарном состоянии.
Преимущественно устройство, согласно изобретению, содержит только один датчик напряжения сдвига, который установлен, по меньшей мере, в одном участке стенки и служит для регистрации напряжения сдвига жидкости, по меньшей мере, на одном касающемся стенки участке жидкости.
У одного особенно предпочтительного, поскольку является компактным, выполнения устройства, согласно изобретению, датчик напряжения сдвига, ультразвуковой передатчик и ультразвуковой приемник или ультразвуковой приемопередатчик установлены, по меньшей мере, на одном участке стенки.
У другого предпочтительного выполнения устройство, согласно изобретению, может содержать, по меньшей мере, один первый и, по меньшей мере, один второй участки стенки, между которыми может течь протекающая в устройстве жидкость и которые, по меньшей мере, на отдельных участках касаются и ограждают граничную поверхность жидкости, причем преимущественно в первом участке стенки установлен ультразвуковой передатчик, а во втором участке стенки - ультразвуковой приемник. Это обеспечивает работу с ультразвуковыми волнами, которые отражаются/рассеиваются от ведомых жидкостью частиц, правда, не с реверсированием направления на 180°, а лишь с относительно небольшим изменением направления. Это гарантирует для всех принимаемых противоположным ультразвуковым датчиком ультразвуковых волн приблизительно одинаковое по длительности время прохождения или приблизительно одинаковый по длине путь в протекающей среде. Таким образом, практически все ультразвуковые волны, отраженные/рассеянные между ультразвуковыми датчиком и приемником через частицы на различных, лежащих между ними участках, приблизительно одинаково сильно демпфируются пересеченной текучей средой. Необходимо, однако, обратить внимание на то, что по мере уменьшения угла отклонения отраженных/рассеянных от ведомых частиц звуковых волн происходит, правда, выравнивание поглощения принятых звуковых волн, причем это, однако, с одной стороны, достигается за счет соответственно уменьшенного разрешения при определении местоположения соответствующих отражающих участков жидкости на этапе д) способа, согласно изобретению, в частности с использованием импульсных сигналов, а, с другой стороны, - за счет меньших частотных сдвигов. По мере возрастания скоростей течения жидкости возрастают, однако, и частотные сдвиги, так что тогда компенсируется, по меньшей мере, воздействие небольшого угла отклонения.
Преимущественно в первом участке стенки установлен первый ультразвуковой приемопередатчик, а во втором участке стенки - второй ультразвуковой приемопередатчик. За счет этого течение можно просвечивать ультразвуковыми волнами «слева направо» и одновременно «справа налево». Таким образом, можно усреднить «левые» и «правые» результаты измерений. Это особенно предпочтительно тогда, когда встает вопрос о том, являются ли определенные асимметрии в определенном экспериментальным путем распределении скорости поперек направления течения только измерительно-техническими артефактами или в жидкости действительно господствуют асимметрии реального распределения скорости. Подобные артефакты, симулирующие асимметрию распределения скорости, могут быть тогда скорректированы, как правило, за счет усреднения обоих, обремененных артефактами распределений. Если усредненный результат тогда все еще асимметричный, то это указывает на фактическую асимметрию течения.
Преимущественно также здесь в первом участке стенки установлены первый ультразвуковой приемопередатчик и первый датчик напряжения сдвига, а во втором участке стенки - второй ультразвуковой приемопередатчик и второй датчик напряжения сдвига.
Участок стенки устройства может быть внутренней стенкой отрезка трубы или канала, который может быть интегрирован соответственно в трубопровод или канал для транспортировки жидкости, причем преимущественно ультразвуковой приемопередатчик и датчик напряжения сдвига интегрированы в компактный измерительнопреобразовательный блок из ультразвукового приемопередатчика и датчика напряжения сдвига. Это обеспечивает «зондовое» выполнение не только каждого отдельного элемента устройства, но и всего устройства, согласно изобретению, что обеспечивает еще лучшую «процессную доступность» способа, согласно изобретению.
Другие преимущества, признаки и возможности применения устройства приведены в нижеследующем описании предпочтительных примеров выполнения, которые не следует рассматривать как ограничивающие его. На чертежах изображают:
- фиг.1: измерительное устройство в соответствии с уровнем техники;
- фиг.2: измерительное устройство согласно изобретению;
- фиг.3-7: блок-схему процесса, согласно изобретению, обработки и оценки данных измерений, полученных с помощью измерительного устройства на фиг.1.
На фиг.1 изображен отрезок 1 трубы, в котором протекает жидкость 2. Измерительное устройство на фиг.1 содержит ультразвуковой приемопередатчик 3, а также датчик 4 давления вниз по потоку и датчик 5 давления вверх по потоку от ультразвукового приемопередатчика 3.
Согласно ультразвуковому доплеровскому методу (метод UVP), ультразвуковой приемопередатчик 3 передает узкую ультразвуковую волну US с частотой f1 (практически плоская волна или параллельный пучок лучей) в протекающую жидкость 2 поперек направления ее течения. Ультразвуковая волна US отражается или рассеивается от движущихся частиц, ведомых протекающей жидкостью 2. Отраженная или рассеянная обратно в ультразвуковой приемопередатчик 3 часть ультразвуковой волны US имеет вследствие движения частиц сдвинутую частоту f2 (доплеровский сдвиг). Этот частотный сдвиг дает информацию о скорости частиц или жидкости в ее определенном объеме. Соотнесение различных зарегистрированных частотных сдвигов с местами в жидкости, где происходит сдвигающее частоту отражение или рассеяние, осуществляют посредством измерения времени прохождения между моментами передачи и приема ультразвуковой волны ультразвуковым приемопередатчиком 3. Преимущественно используют поэтому импульсные ультразвуковые волны. Чем меньше по времени и, тем самым, по месту промежутки между последовательно принятыми отраженными ультразвуковыми импульсами, тем выше локальное разрешение и число зарегистрированных частотных сдвигов. Таким образом определяется профиль скорости.
С помощью обоих датчиков 4,5 давления измеряют первое статическое давление Р1 вниз по потоку и второе статическое давление Р2 вверх по потоку от пересеченного ультразвуковыми волнами участка течения жидкости. По ним определяют затем напряжение сдвига стенки в жидкости.
За счет комбинации распределения скорости жидкости («реакция жидкости») поперек направления ее течения и напряжение сдвига жидкости в жидкости («внешнее воздействие на жидкость») можно определить тогда функцию вязкости (сдвиговую вязкость) жидкости.
В дополнение к определению напряжение сдвига жидкости в жидкости и определению профиля скорости жидкости выбирают, согласно изобретению, подходящую модель для функции вязкости (сдвиговой вязкости) и подходящие краевые условия для протекающей жидкости.
На фиг.2 также изображен отрезок 1 трубы, в котором протекает жидкость 2. Измерительное устройство на фиг.2 содержит ультразвуковой приемопередатчик 3, а также датчик 6 напряжения сдвига, установленный по сравнению с ультразвуковым приемопередатчиком 3 в зоне, в которой требуется определить профиль скорости.
Согласно ультразвуковому доплеровскому методу (метод UVP), также здесь с использованием ультразвукового приемопередатчика 3 профиль скорости определяют таким же образом, что и описано с помощью фиг.1.
Вместо обоих датчиков 4,5 давления здесь использован один датчик 6 напряжения сдвига, который обеспечивает локальное определение напряжения сдвига стенки в жидкости. Здесь напряжение сдвига стенки определяют непосредственно и в зоне, где методом UVP определяют также профиль скорости. В то время как в уровне техники (фиг.2) осуществляют «глобальное» косвенное определение напряжения сдвига стенки, при котором принудительным образом происходит усреднение посредством общего расстояния между обоими датчиками давления, у способа, согласно изобретению, с использованием устройства, согласно изобретению, происходит, напротив, «локальное» непосредственное определение напряжения сдвига стенки. Таким образом, в конце концов, происходит соотнесение между фактическими значениями напряжения сдвига стенки (краевое условие) в месте зарегистрированного профиля скорости и профилем скорости, относящимся к этому краевому условию.
Также здесь можно затем за счет комбинации распределения скорости жидкости («реакция жидкости») поперек направления ее течения и напряжения сдвига стенки в жидкости («внешнее воздействие на жидкость») определить функцию вязкости (сдвиговую вязкость) жидкости.
На фиг.3 в виде блок-схемы изображен процесс оценки измеренной информации о напряжении сдвига для определения напряжения сдвига стенки в жидкости. На шаге 1 вводят геометрию проточного канала. На шаге 2 вводят напряжение S сдвига, а на шагах 3 и 4 вводят, при необходимости, другие напряжения сдвига. Можно (в качестве опции!) ввести до N различных напряжений S1-SN сдвига. Введенное значение напряжения сдвига посредством осуществляемого на шаге 9 триггерования отфильтровывают в фильтре на шаге 8 для достижения сглаживания сигнала. На шаге 5 выдают затем напряжение сдвига стенки. На шаге 6 определяют распределение напряжения сдвига стенки, а на шаге 7 определяют, при необходимости, и, как правило, измеренные только в одном месте колебания давления.
На фиг.4 в виде блок-схемы изображен процесс обработки необработанных «сырых» профилей скорости перед согласованием кривых. На шаге 1 вводят измеренные необработанные профили скорости. На шаге 2 вводят измеренную для исследуемой жидкости и заданной частоты звука скорость звука в жидкости. Значения введенных профилей скорости на шаге 18 подвергают посредством осуществляемого на шаге 19 триггерования временному усреднению для получения на шаге 3 усредненных профилей скорости. Кроме того, на шаге 18 вводят использованные в ультразвуковом доплеровском методе параметры, а именно на шаге 11 доплеровский угол, на шаге 12 акустическую информацию, на шаге 13 начальную глубину, на шаге 14 расстояние между каналами, на шаге 15 измерительное окно, на шаге 16 частоту повторения импульсов, а на шаге 17 использованную геометрию струи. На шаге 4 определяют стандартное отклонение для каждого канала скорости профиля скорости, которое затем на шаге 5 сравнивают с заданным предельным значением. Из этого затем на шагах 6, 7 и 8 определяют соответственно действительную начальную глубину, действительную глубину проникновения и действительное расстояние до канала. Исходя из этих трех значений, затем на шаге 9 выбирают надежные данные скорости для дальнейших расчетов, которые, наконец, на шаге 10 подготавливают для согласования кривых.
На фиг.5 в виде блок-схемы изображен процесс выбора подходящей модели, выбора надежных данных и проверки краевых условий для протекающей жидкости. На шаге 1 подготавливают данные скорости для согласования кривых. На шаге 2 происходит сравнение вычисленного стандартного отклонения SMD с заданным предельным значением SMDL стандартного отклонения.
Если SMDL меньше SMD, то на шаге 3 принимают решение об использовании SMD для согласования данных (согласования кривых). В этом случае на шаге 4 методом наименьших квадратичных погрешностей осуществляют согласование кривых. Это используют на шаге 5 для контроля осевой симметрии профиля течения, а на шаге 6 - для определения максимальной скорости течения. Если SMDL больше SMD, то на шаге 18 начинают решать проблему краевых значений, а на шаге 20 выдают предупредительный сигнал. Предупредительный сигнал указывает, что краевые условия не соблюдены.
На шаге 7 смотрят, равна ли скорость у стенки нулю. Если на шаге 11 подтверждается, что скорость у стенки отличается от нуля, то на шаге 16 используют модель свойства степени с предположением эффекта скольжения по стенке. Если же на шаге 11 отрицается, что скорость у стенки отличается от нуля, то эту информацию (скорость у стенки равна нулю) привлекают на шаге 12 в качестве условия. На шаге 8 смотрят, является ли максимальная скорость течения постоянной, на шаге 9 - являются ли колебания давления низкими, т.е. мало ли значение SMD, а на шаге 10 - мала ли или равна нулю разность температур вдоль проточного канала (труба).
Если на шаге 12 все условия шагов 8, 9 и 10 подтверждены или выполнены и если скорость у стенки равна нулю, то на шаге 13 модель свойства степени используют как часть подхода к решению на шаге 18. Если на шаге 14 определяют, что коэффициент течения больше заданного предельного значения, то на шаге 16 используют модель свойства степени с предположением эффекта скольжения по стенке, а на шаге 17 - модель с предположением предела текучести. Если же на шаге 14 все условия шагов 8, 9 и 10 не подтверждены или не выполнены и если скорость у стенки отличается от нуля, то на шаге 18 осуществляют решение с моделью свойства степени для определения коэффициента течения, на шаге 19 - повторение измерения, а на шаге 20 выдают предупредительный сигнал.
На фиг.6 в виде блок-схемы изображен процесс решения проблемы краевых значений за счет согласования кривых и, в частности, учета предположения скольжения по стенке при согласовании кривых.
На шаге 1 исходят из того, что максимальная скорость течения является постоянной. На шаге 2, а также при первой итерации на шаге 9 исходят из того, что скорость у стенки равна нулю. На шаге 3 с помощью информации шагов 1 и 2 осуществляют согласование с использованием модели свойства степени. На шаге 4 коэффициент n течения модели свойства степени на шаге 7 устанавливают на n=1. При этом условии, а также условии шага 1 и условии шага 9, что скорость у стенки равна нулю, на шаге 5 вычисляют теоретический профиль скорости для n=1.
На шаге 6 затем методом наименьших квадратичных погрешностей осуществляют согласование введенных данных. Данные для этого вводят на шагах 18, 19, 20, 21 и 22, а именно на шаге 18 действительную начальную глубину, на шаге 19 действительную глубину проникновения, на шаге 20 действительное расстояние до канала, на шаге 21 превышение предела стандартного отклонения за счет стандартного отклонения, а на шаге 22 информацию об осевой симметрии профиля течения от управления осевой симметрией.
На шаге 17 из введенных на шагах 18-22 данных выбирают диапазон данных. На шагах 12 и 13 считывают из осуществленного на шаге 6 согласования коэффициент течения или критерии качества согласования.
На шаге 11 решают, лежит ли считанный на шаге 12 коэффициент течения ниже самого низкого предельного значения или нет. Если это не так, то на шаге 10 инкрементируют коэффициент течения, чтобы на шаге 3 снова использовать модель свойства степени. В этом случае действуют итеративно, причем шаги 10, 3, 4, 5, 6, 12 и 13 еще раз повторяют. Если же на шаге 11 имеет место другой случай, а именно, что коэффициент течения лежит ниже самого низкого предельного значения, то на шаге 8 начинают решение проблемы краевых значений с другими моделями.
На шаге 7 исходят из того, что жидкость скользит по стенке, т.е. скорость жидкости у стенки отличается от нуля. Это предположение используют на шаге 4 с моделью свойства степени, чтобы на шаге 5 рассчитать соответствующий теоретический профиль. Дальнейший процесс итерации тогда такой же, что и в предыдущем абзаце.
На шаге 16 решают, превышают ли считанные на шаге 13 критерии качества согласования заданные предельные значения или нет. Если это так, то на шаге 14 запрашивают, превышает ли число итераций заданное число или нет. Если это так, то на шаге 9 (первый шаг итерации) скорость скольжения по стенке устанавливают на нуль и на шаге 5 снова осуществляют итерацию. В противном случае итерацию продолжают. Дальнейший процесс итерации снова такой же, что в обоих предыдущих абзацах. Если на шаге 16 решают, что критерии согласования не превышают заданные предельные значения, то на шаге 15 выдают аргументы (например, коэффициент течения, скорость скольжения, радиус пробки и т.д.) и переходят к шагу 23.
На шаге 23 запрашивают, равна ли скорость скольжения по стенке нулю или нет. Если она равна нулю, то на шагах 24, 25 и 26 из согласования с профилем скорости вычисляют соответственно объемную скорость течения, скорость сдвига у стенки и распределение скорости сдвига. Если скорость скольжения по стенке не равна нулю, то на шагах 27, 28 и 29 из согласования с профилем скорости с предположением скольжения по стенке аналогичным образом вычисляют соответственно объемную скорость течения, скорость сдвига у стенки и распределение скорости сдвига. Из вычисленных на шагах 24-26 или 27-29 величин затем на шаге 32 вычисляют сдвиговую вязкость на стенке, а на шаге 33 - функцию сдвиговой вязкости (например, ее распределение вдоль направления поперек течения).
На фиг.7 в виде блок-схемы изображен процесс определения состояния течения. На шагах 1, 2, 3 и 4 исходят соответственно из модели свойства степени, модели Хершеля-Бакли, кросс-модели или других моделей. Из этого на шаге 7 снова осуществляют решение проблемы краевых значений и на шаге 9 выдают реологические величины.
На шаге 15 решают, меньше ли вычисленная из распределения сдвиговой вязкости сдвиговая вязкость заданного пользователем предельного значения вязкости, использовавшегося при осуществленных в автономном режиме и/или в режиме реального времени опорных измерениях, например, с использованием ротационного реометра, капиллярного реометра или какого-либо другого реометра. Если сдвиговая вязкость меньше предельного значения, то решают, что имеет место турбулентное состояние течения на шаге 14. Если сдвиговая вязкость больше или равна предельному значению, то решают, что имеет место ламинарное состояние течения на шаге 13.
На шаге 6 используют решение для турбулентного состояния течения. Это решение отличается от решения в случае ламинарного состояния течения только моделью согласования, которая имеет аналогичную форму, у которой, однако, используют другие значения для параметров, например для коэффициента течения. «Турбулентный» коэффициент течения рассчитывают тогда на шаге 6 и используют на шаге 11.
На шаге 12 решают, лежит ли коэффициент течения ниже самого низкого предельного значения или нет. Если коэффициент течения ниже него, то решают, что имеет место турбулентное состояние течения на шаге 14. Если коэффициент течения равен или выше самого низкого предельного значения, то на основе оценки величин SMD, вязкость, коэффициент течения и максимальная скорость решают, что имеет место ламинарное состояние течения на шаге 13 или турбулентное состояние течения на шаге 14 и используют на шаге 6 решение для турбулентного течения.
На шаге 10 исходят из предположения, что имеет место скольжение по стенке. На шаге 5 используют решение с учетом скольжения по стенке. Из этого получают значение для скольжения по стенке на шаге 8 и другие реологические параметры на шаге 9.
На шаге 18 исходят из стандартного отклонения SMD для каждого сигнала скорости. На шаге 16 решают, превышает ли SMD максимальное предельное значение или нет. Если SMD превышает это максимальное предельное значение, то на шаге 12 снова решают, меньше ли коэффициент течения самого низкого предельного значения или нет. Если да, то имеет место турбулентное состояние на шаге 14. Если нет, то имеет место ламинарное состояние течения на шаге 13.
На шаге 19 исходят из стандартного отклонения SMD текущего n-го согласования с необработанным «сырым» сигналом давления. На шаге 17 решают, имеют ли место колебания давления или нет. Если колебания давления имеют место и если это допускает оценка вязкости, коэффициента течения и максимальной скорости, то решают, что имеет место турбулентное состояние на шаге 14, и используют на шаге 6 решение для турбулентного течения. Если колебания давления отсутствуют, то решают в пользу ламинарного течения и используют на шаге 7 решение для ламинарного течения.
Резюмируя вышесказанное, можно констатировать, что можно различать, в основном, следующие виды течений:
- ламинарное течение с пробкой (высоковязкий материал, например, сильно концентрированная суспензия);
- ламинарное течение без пробки (как с коэффициентом течения n>1, т.е. расширенный или утолщенный сдвигом материал, так и с коэффициентом течения n<1, т.е. обладающий структурной вязкостью или утоненный сдвигом материал);
- турбулентное течение (низковязкий материал, например, слабо концентрированная суспензия).
(«Сглаженный») глобальный профиль турбулентного течения поперек оси трубы, у которого локальные колебания скорости были отфильтрованы, может быть описан по аналогии с течением с пробкой, например, посредством модели Хершеля-Бакли.
1. Способ определения реологических параметров протекающей жидкости, в частности суспензии или эмульсии, причем течение жидкости, по меньшей мере, на отдельных участках ограждено от касающейся жидкости стенки включает в себя следующие этапы:
а) ввод в течение жидкости переданного ультразвуковым передатчиком ультразвукового сигнала, по меньшей мере, с одной заданной первой частотой f1 под отличающимся от 90° углом θ к направлению течения;
б) прием в ультразвуковом приемнике ультразвукового сигнала, отражаемого от ведомых жидкостью на ее соответствующих участках частиц, по меньшей мере, со второй, характерной для соответствующего участка жидкости частотой f2, смещенной относительно частоты f1 на величину соответствующего частотного сдвига Δf;
в) определение локального напряжения сдвига жидкости, по меньшей мере, в пограничном слое жидкости;
г) расчет, по меньшей мере, одной величины частотного сдвига Δf с использованием, по меньшей мере, первой f1 и, по меньшей мере, второй f2 частот;
д) присвоение величины соответствующего частотного сдвига Δf соответствующему участку жидкости с использованием соответствующего времени прохождения ультразвукового сигнала между моментом выхода из ультразвукового передатчика и моментом приема ультразвуковым приемником;
е) расчет скорости соответствующего участка жидкости, на котором перемещаются отражающие частицы, с использованием величины соответствующего частотного сдвига; и определение профиля скорости в, по меньшей мере, пограничном слое жидкости, в котором также рассчитывают локальное напряжение сдвига жидкости;
ж) расчет реологических параметров жидкости с использованием напряжения сдвига жидкости, зарегистрированного, по меньшей мере, на одном локальном участке стенки, и рассчитанной скорости соответствующих локальных участков протекающей жидкости, причем локальное измерение напряжения сдвига жидкости производят в области, в которой также определяют профиль скорости.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что переданный ультразвуковой сигнал является сигналом с несколькими дискретными первыми частотами (f1, f1', f1'', ...), а принятый ультразвуковой сигнал является, по меньшей мере, одним вторым сигналом с соответственно несколькими дискретными вторыми частотами (f2, f2', f2'', ...), которые сдвинуты соответственно на характерную для данного участка жидкости величину частотного сдвига Δf.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что переданный ультразвуковой сигнал является сигналом с дискретными первым частотным спектром (FS1), а принятый ультразвуковой сигнал является, по меньшей мере, одним вторым сигналом с соответственно вторым частотным спектром (FS2), который сдвинут относительно первого частотного спектра (FS1) соответственно на характерную для данного участка жидкости величину частотного сдвига Δf.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что переданный и принятый ультразвуковые сигналы являются соответственно импульсными сигналами.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что импульсные сигналы имеют соответственно постоянную несущую частоту.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что переданный и принятый ультразвуковые сигналы являются соответственно непрерывными сигналами.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе в) напряжение сдвига жидкости определяют только на одном касающемся стенки участке жидкости.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что передачу введенного в жидкость ультразвукового сигнала и прием отраженного ультразвукового сигнала осуществляют в одном месте.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что по вычисленным на этапе е) скоростям жидкости на ее участках создают локальный профиль скорости поперек направления течения.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что на основе вычисленного на этапе е) локального профиля скорости и зарегистрированного на этапе в) локального напряжения сдвига жидкости, по меньшей мере, на одном касающемся стенки участке жидкости определяют функцию вязкости (сдвиговую вязкость) жидкости.
11. Способ по п.1, отличающийся тем, что согласование подходящей модели осуществляют преимущественно за счет итеративного согласования основанного на модели теоретического профиля скорости с измеренным профилем скорости.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что измеренный профиль скорости перед согласованием обрабатывают.
13. Способ по п.12, отличающийся тем, что обработкой является временное усреднение измеренного профиля скорости.
14. Способ по п.1, отличающийся тем, что на основе определенных напряжений сдвига жидкости и/или определенного профиля скорости определяют соответственно статистическую колебательную величину, в частности стандартное отклонение, и сравнивают с заданным предельным значением колебательной величины.
15. Способ по п.14, отличающийся тем, что сравнение используют в качестве основы для выбора надежных данных измерений.
16. Способ по п.1, отличающийся тем, что выбор подходящей модели осуществляют путем проверки использованных в модели краевых условий.
17. Способ по п.16, отличающийся тем, что проверку краевых условий осуществляют путем подсчета безрезультатных шагов итерации при попытке согласования модели.
18. Способ по п.17, отличающийся тем, что при превышении заданного числа шагов итерации выбирают другую модель с другими параметрами и/или другими краевыми условиями.
19. Способ по п.16, отличающийся тем, что используемые модели выбирают преимущественно из следующей группы моделей:
модель свойства степени;
модель Хершеля-Бакли;
кросс-модель.
20. Способ по п.16, отличающийся тем, что используемые краевые условия выбирают преимущественно из следующей группы краевых условий:
скорость жидкости у стенки равна нулю или имеет место сцепление со стенкой;
скорость жидкости у стенки не равна нулю или имеет место скольжение по стенке;
предел текучести на одном участке течения жидкости ниже заданного или имеется пробка в течении;
предел текучести ни на одном участке течения жидкости не ниже заданного или отсутствует пробка в течении;
состояние течения: ламинарное;
состояние течения: турбулентное.
21. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть определенных реологических параметров жидкости сравнивают со значениями этих параметров, определявшимися иным образом.
22. Способ по п.21, отличающийся тем, что иным образом определения реологических параметров является измерение вязкости в ротационном реометре и/или капиллярном реометре.
23. Способ по п.14, отличающийся тем, что статистическую колебательную величину, в частности стандартное отклонение, определяют, по меньшей мере, для
зарегистрированных сигналов скорости каждого канала скорости (= точка на профиле скорости);
локально измеренных сигналов напряжения сдвига;
локальных сигналов давления в местах измерения давления.
24. Устройство для определения реологических параметров протекающей жидкости с применением способа по одному из пп.1-23, содержащее
по меньшей мере, один участок стенки, который касается и ограждает протекающую в устройстве жидкость, по меньшей мере, на отдельных участках граничной поверхности жидкости;
ультразвуковой передатчик для передачи ультразвукового сигнала, по меньшей мере, с одной заданной частотой f1 под отличающимся от 90° углом θ к направлению течения жидкости в устройстве;
ультразвуковой приемник для приема ультразвукового сигнала, по меньшей мере, с частотой f2, которая может быть смещена относительно частоты f1 на величину частотного сдвига Δf;
по меньшей мере, один датчик напряжения сдвига для регистрации напряжения сдвига жидкости, по меньшей мере, в пограничном слое жидкости;
вычислительно-обрабатывающий блок для расчета разностей частот и для присвоения определенной разности частот соответствующему участку жидкости с использованием соответствующей разности времени между передачей и приемом ультразвукового сигнала, для расчета скорости жидкости на соответствующем участке жидкости с использованием величины соответствующего частотного сдвига Δf; и для определения профиля скорости в пограничном слое жидкости, в котором также расположен датчик напряжения сдвига, и для расчета реологических параметров жидкости с использованием зарегистрированного напряжения сдвига жидкости, причем локальное измерение напряжения сдвига жидкости производится в области, в которой также определяется профиль скорости.
25. Устройство по п.24, отличающееся тем, что оно содержит только один датчик напряжения сдвига, который установлен на одном участке стенки и служит для регистрации напряжения сдвига жидкости, по меньшей мере, на одном касающемся стенки участке жидкости.
26. Устройство по п.24, отличающееся тем, что ультразвуковые передатчик и приемник объединены в один ультразвуковой приемопередатчик.
27. Устройство по п.24 или 26, отличающееся тем, что датчик напряжения сдвига, ультразвуковой датчик и ультразвуковой приемник или ультразвуковой приемопередатчик установлены на одном участке стенки.
28. Устройство по п.24, отличающееся тем, что оно содержит, по меньшей мере, один первый и, по меньшей мере, один второй участок стенки, между которыми может течь протекающая в устройстве жидкость и которые, по меньшей мере, на отдельных участках касаются и ограждают граничную поверхность жидкости.
29. Устройство по п.28, отличающееся тем, что в первом участке стенки установлен ультразвуковой передатчик, а во втором участке стенки - ультразвуковой приемник.
30. Устройство по п.24, отличающееся тем, что участок стенки является внутренней стенкой отрезка трубы или канала, который может быть интегрирован соответственно в трубопровод или канал для транспортировки жидкости.
31. Устройство по п.26, отличающееся тем, что ультразвуковой приемопередатчик и датчик напряжения сдвига интегрированы в компактный блок из ультразвукового приемопередатчика и датчика напряжения сдвига.
