[发明专利]一种用于测量流体的流体力学有效材料参数的装置和方法

说明书

本发明涉及流体力学领域，尤其是流体材料特性的流体测量领域。

一方面，对流体流过的通道中的流阻的认识，以及另一方面，同样地，对被输送通过管道的流动中的流体(例如液体或气体)的材料特性的确切认识，对于流体力学装置的评价和设计是重要的。这些相应的特性基本上是材料所固有的，但个别地也取决于不同的限制，例如温度或者流速(例如关于非牛顿流体)。

对于在医疗技术中的应用来说尤其是这样，当生物有效的流体和那些受到生物处理的流体待被输送时，这些流体的相应的特性可能会不断地变化。该类型的特殊的应用是身体自己的血液输送，该血液输送关于血液的粘度取决于不同的生理过程。因此，例如，关于被应用于输送血液的泵的泵功率可以适于连续监控的血液粘度。

用于测量流体的密度和/或粘度的不同的方法从现有技术中已知。

合适的粘度计从例如文献中获知，如粘度杯、落体粘度计、测量搅拌驱动器，合适的粘度计还可从标准中获知。

同样已知的是粘度和密度测量装置，这些装置测量流体对位于装置中的振荡元件的作用。

而且，从美国专利6581476B1已知一种测量方法，其中，同步电动机的转子在流体内被驱动，同时测量旋转速率和能量损耗以确定粘度。

针对现有技术的背景，本发明的目的是提供一种方法和装置，通过该方法和装置人们能够尽可能少费力地，但以可靠且精确的方式测量流体的流体力学特性。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的装置以及通过具有权利要求10的特征的方法实现。

根据本发明，由此，流体泵被使用，其包括安装在磁轴承中的输送元件。而，用于测量材料参数的装置包括激励装置，该激励装置用于抵抗由所述磁轴承产生的反作用力而振荡激励所述输送元件；以及传感器装置，该传感器装置用于测量所述输送元件的振荡行为。

根据本发明的装置，因此，通过应用通常存在于任何情况下用于输送流体的流体泵，允许测量所关心的流体力学有效材料参数，而不必将专用元件装配到流路中，或者不必以复杂的方式移除样品。仅用于所述输送元件的激励装置和用于检测振荡行为的传感器装置是必要的。由此，典型的输送元件由转子形成，该转子取决于所述泵的结构类型，沿轴向或径向输送流体，并且能以低磨擦的方式合适地安装在磁轴承上。这样的磁轴承因此被设计成径向轴承或推力轴承。设想所述轴承的主动闭环控制，以便在施加泵功率时稳定所述输送元件的位置并且补偿待输送的流体在所述轴承上的反作用。这样的磁轴承闭环控制通常设想(包括)用于所述输送元件的位置传感器，以及用于控制额外产生的磁力的控制装置，该磁力例如通过电磁铁产生。该控制装置可被用于例如控制通过产生磁场的线圈的电流。相应的位置传感器同样可以通过敏感电磁线圈执行所述输送元件的位置的测量。

如果设想一种沿其中也发生振荡的所述磁轴承的方向的主动轴承闭环控制，那么必须保证该闭环控制不会以不受控制的方式与振荡相互作用。这例如可以通过具有与振荡不同的时间常数的所述闭环控制来实现，所述闭环控制例如以比振荡显著更高的频率的方式或以比振荡低得多的频率操作。

而且，为了激励所述输送元件并响应于该激励感测该输送元件的运动，能使用不同于所述闭环控制的传感器和执行器的单独的传感器和执行器，以便避免干涉粘度测量和所述磁轴承的所述闭环控制的功能。在一个实施方式中，激励元件独立于所述闭环控制，在另一个实施方式中，所述传感器是所述轴承的所述闭环控制的一部分，并且所述执行器是单独的部件。

用于粘度测量，例如用于测量所述输送元件的振荡特性的所述执行器和所述传感器，能够沿表示输送元件的转子的轴向或径向起作用或者它们能够指出并感测所述转子的倾斜运动。

还可以设想与振荡相互作用的所述轴承闭环控制，其中，于是对振荡的评价必须考虑轴承力的变化。

根据本发明的用于分析所述传感器装置中振荡的装置有利地包括用于测量所述输送元件的振荡频率的第一传感器和/或用于测量所述输送元件的振幅的第二传感器，以及(视情况而定)用于测量所述输送元件的振荡增强和/或振荡衰减行为的时间检测装置。

因此，所述输送元件的振荡特性的测量优选地能够发生在一时域内，其中在考虑激励过程开始或结束的时间点的情况下测量系统的应答。例如，激励可以是脉冲或有限数量的脉冲或单个的矩形信号，随后能得到系统的应答。这具有如下优点，被检测的信号不受激励信号的干扰。而且，如果仅频率或阻尼时间而不是振幅的绝对值必须被测量，那么这也能是优点。

激励信号也可以是周期的，其中从开始直到达到稳定的状态的系统振荡的发展能够被检测。