[发明专利]振动的屈服应力流体的性质的测量

说明书

描述了屈服应力流体的粘塑性边界层的模型，基于此，提供了一种包括以下步骤的方法：使振动换流器在屈服应力流体中以第一共振模式共振而振动并进行共振频率的第一测量；提供振动，以使一个或多个振动换流器周围的屈服应力流体的至少一部分液化；当屈服应力材料的所述部分被液化时，使振动换流器在屈服应力流体中以第一共振模式共振而振动并进行共振频率的第二测量；以及基于第一测量和第二测量估算屈服应力流体的屈服应力。通过以相对于第一测量增大的振动振幅进行第二测量，可以提供振动以使一个或多个换流器周围的屈服应力流体液化。

背景技术

本公开涉及用于测量流体性质的技术和设备，具体地涉及确定非牛顿流体的屈服应力。

在牛顿流体中，剪切应力与剪切速率成正比，比例常数是流体的粘度(viscosity)。因此，作为单个参数的粘度可以用于建模(model，模拟)或限定流体的剪切应力与剪切速率之间的关系，以及因此建模或限定牛顿流体的流动行为。水是牛顿流体的一个示例。

在非牛顿流体中，剪切应力与剪切速率之间的关系不是那么简单。发现流体的表观粘度(apparent viscosity)随着例如剪切应力或剪切速率而变化。表现出非牛顿行为的流体包括番茄酱、蛋黄酱和颜料。对这些类型的流体流动的研究是“流变学”的领域。

已经生成了用于非牛顿流体的流变模型，对于该流变模型可以获得流体的少量参数，这些参数可以用于确定在剪切应力或剪切速率的一定范围内的流体中的剪切应力与剪切速率之间的关系，或者换言之，确定在那些特定条件下流体提供的“表观”粘度。

在现有技术中，通常使用利用旋转或振荡元件在流体样品中施加剪切力的装置来确定流变模型的这些参数。复杂的粘弹性(viscoelastic)参数通常通过分析剪切速率与所产生的剪切应力之间的关系来确定。然而，装置使用敏感的运动部件，这些部件的性能、并且因此测量的准确性会被使用它们的环境条件影响。此外，为了准确地计算剪切速率，需要管理在仔细限定(define，定义)的体积(volume，容积)内的流体样品，通常使得这些类型的设备仅适合用于实验环境。

特别感兴趣的是流体的屈服应力的实时测量。屈服应力被限定为固体物质流动所需的应力，并且代表固体的塑性变形点。这是许多流体的特征，并且在食品、颜料和石油地质流体的制造中尤其重要，例如，在诸如泥浆和沉积物的天然存在的材料中也是如此。

流体的屈服应力行为的细节和起源是研究人员感兴趣的主题。确定屈服应力的传统方法在以下文献中进行了阐述：Sun等人发表的“Yield Stress in Foods:Measurementsand Applications(食物中的屈服应力：测量与应用)”，收录于International Journal ofFood Properties(《国际食物性质》)2009年第12卷的第70-101页；以及“UnderstandingYield Stress Measurements(理解屈服应力测量)”，收录于由英国伍斯特郡马尔文市格罗夫伍德路的马尔文仪器有限公司(Malvern Instruments Limited of Grovewood Road,Malvern,Worcestershire,UK)生产的白皮书。

传统方法测量静态样品的屈服应力。

例如，在外推(extrapolation，外推法)方法中，存在从常规流变仪获得的剪切应力与剪切速率相比的数据的外推。将实验数据外推回零剪切速率，以获得在剪切应力截距处的屈服应力值。

例如，在应力松弛方法中，首先在常规旋转粘度计中以恒定剪切速率或恒定剪切应力剪切流体材料，然后使材料逐渐地或突然地静止(rest，搁置)。之后将屈服应力作为停止流动时留在流体中的残余应力而进行测量。

例如，在蠕变/恢复响应方法中，将恒定的剪切应力逐步地施加到流体材料。如果所施加的应力低于屈服应力，则测试材料表现为弹性固体，当应力消除时完全恢复并且将不会流动。可以根据时间与剪切应变曲线的斜率的急剧改变来检测屈服点。