[发明专利]用于测量船中易流动性材料的物理性质的方法和装置

说明书

本申请根据35U.S.C.§119(e)请求美国临时申请序列号No.61/230,803，标题为″METHOD AND APPARATUS FOR MEASUREMENT OF PHYSICAL PROPERTIES OF FREE FLOWING MATERIALS IN VESSELS″，申请日为2009年8月3日优先权，通过引用将其全文包含于此。

技术领域

本发明的特征涉及用于非侵入式地测量船中非气态的、易流动性物质的机械性质的系统和方法，更特别地，涉及确定非气态的、易流动性物质的密度和抗剪力的相关变量。

背景技术

密度和粘度测量是许多工艺流程不可或缺的部分，遍及多个工业，比如包括化学制品、药品、石油和汽油、食品、建筑材料和废水。虽然经过几百年的工业发展，已经开发了大量测量密度和粘度的方法，但只有几个方法能够非侵入式地测量密度或粘度。

传统上，使用若干方法之一来检查船内非气态材料，从而执行所述材料的物理性质的非侵入式测量。这些方法中所使用的检查技术本质上可以是辐射测量的、重力的、光的或超声的。

基于辐射的方法监视辐射能穿过船壁和内部包含的材料的衰减。令人遗憾地是，基于辐射的方法有许多缺点。举例来说，这种方法典型地主要集中在密度上，这是因为基于辐射的方法一般不适用于测量与抗剪力相关的变量，比如液体的粘度或固体颗粒的聚结。此外，典型地，利用辐射的密度测量装置不是便携式的，因为这种设备的安装、校准和维护的准确性和精确性需要有经验的人员。另外，与轻型粉末材料(例如，汽相二氧化硅)相关的20到150g/L的密度范围内，这些系统执行起来的密度准确性减少。另外，要想保持足够的安全系数，基于辐射的系统典型地需要特定设计和努力操作。基于辐射、非侵入式的非气态材料的密度测量方法的实例包括由Berthold Technologies公司供应的Radiation Uni-Probe LG 491和下列美国专利中所描述的设备和方法：美国专利4292522(Okumoto)、4506541(Cunningham)、6738720(Robins)和7469033(Kulik等)。

用于测量非气态材料的密度的重力系统需要针对空船的重量和内部尺寸进行调节。由于经常运用各种载荷单元配置的重量测量设备的安装问题，重力系统受限于它们的适用性。此外，重量测量系统不适用于粘度测量。

光学法适用于测量船内材料的密度，所述船装备有孔径，用于聚焦通过填充材料的光束。美国专利5110208(Sreepada等)描述了这样一种方法，其中所述填充材料是″...基本上透明的″，并可具有″...由基本上透明的具有光滑、圆形表面的泡沫、液滴或颗粒组成的分散相″。由于对要测量的材料有透光性要求，因此用于密度测量的光学、非侵入式方法的使用受到限制。

利用超声波的传播来测量填充船的材料的物理性质的方法有着特定的意义。基于超声的方法表现出辩别船内材料的各种性质的卓越能力。如果使用于液体，这些方法允许在预定这些性质之一之后测量密度或粘度。然而，利用超声波的传统测量方法具有一些缺点。

举例来说，基于超声的方法需要大量均匀的填充材料。因此，基于超声的技术不适用于松散的固体和非均匀的液体，例如泥浆、悬浮液、浆料或膏剂。在船中，各种搅动部件、混合器或起泡器的存在可以对密度或粘度测量的准确性产生相似的作用。此外，这些方法需要附着于船壁的超声发射器/接收器。典型地，这些附着需要对所述容器的表面进行特定处理，以便为由传送器发射入所述容器的超声波创建输送管。此外，基于超声的方法对影响介质中的声速的干扰非常敏感，例如温度和流的变化。因此，按照惯例，使用特定的补偿技术来提供输出变量对这些干扰的不变性。而且，超声换能器为提供足够的脉动所耗费的能量会限制这些方法的适用性。

各种超声密度或粘度测量的实现实例公开于下列美国专利和美国专利申请：美国专利申请20030089161，美国专利7059171(Gysling)，只用于测量流动液体的密度；美国专利5359541(Pope等)，其局限于用定位于船的相对侧的声学发射器和接收器来测量船内的液体密度；美国专利6945094(Eggen等)，只用于测量流动液体的流变性质；美国专利5686661(Singh)，用于测量高密度熔融材料的粘度；美国专利6194215(Rauh等)，用于测量和控制溶液的成分。一些基于超声的方法包括用于在测量密度时将填充材料的抗剪力影响最小化的操作(和一些利用所述方法的设备，包括装置)。

发明内容