[发明专利]用于牛顿流体和非牛顿流体的粘度计

说明书

技术领域

本发明涉及粘度测量，更具体地讲，涉及既能够处理牛顿流体也能够处理非牛顿流体的粘度计。

背景技术

流体粘度在许多工业过程中是关键的普遍测量的参数。各种各样的粘度通常是通过从主过程流体路径中分出少量过程流体流经与主过程流体路径并行连接的粘度计这样的过程中使用。相反，一些嵌入(in-line)设计允许粘度计直接位于主流体路径中，不需要分出过程流体。大多数传统的工业粘度计利用与过程流体接触的旋转部件，并且因此需要轴承和密封以防止流体泄露。在涉及粗糙的、腐蚀性的或造成磨蚀的流体的应用中，这种粘度计可能需要频繁的维护。

传统的工业过程粘度计非常适合于测量牛顿流体(其中粘度是恒定的)。然而，各种各样的工业应用处理泥浆、浆糊、和塑料，它们的行为是非牛顿方式，并且不适合用传统粘度计进行测量。这种工业应用包括油田钻探(例如，处理钻出的泥浆)、浆糊或塑料制造(例如，处理化妆品或聚合体、或者诸如油漆、石膏或灰泥之类的建筑产品)、炼油(例如，处理润滑油或者燃料油)以及食品处理。

库爱特(粘度计)中的牛顿流体(即，在彼此相对移动的两个平行的板之间流动)的粘度由下式来描述：

FA=τ=-μdudy]]>[等式1]

其中，F是剪切力，A是每个平面的横截面面积，τ是剪切应力(或等价于动量通量)，μ是粘度，以及du/dy是剪切速率。从该公式进行推断，得到携带牛顿流体流的管子内的剪切应力、剪切速率以及粘度之间的下述关系：

τrz=-μdVzdr]]>牛顿流体              [等式2]

其中，τ_rz是垂直于管子的轴(即，z方向)的半径(r)方向上的剪切应力，以及dV_z/dr是相对于r的z方向上的剪切速率。

等式2描述了牛顿流体(以及基本是牛顿模式的流体)，其中粘度(μ)不随着剪切速率发生变化。然而，非牛顿流体在剪切速率增大时粘度可能变得更大(“剪切增稠”或“膨胀型”流体)或更小(“剪切变稀”或“假塑性”流体)。已经开发出各种各样的经验模型来描述非牛顿流体行为，包括Bingham塑料、Ostwald-de Waele、Ellis和Herschel-Bulkley模型(在下文中更深入地进行了描述)。图1描述了针对这些模型中的每个模型，作为剪切速率的函数的剪切应力的示意。在极大程度上，这些模型没有理论基础，但是每个模型都已经表明可以精确地描述非牛顿流体的子集。

Bingham塑料模型利用了两个粘度相关的参数，“剪切应力”和“表观粘度”，而不是单个牛顿粘度参数。Bingham塑料除非受到剪切应力，否则不会流动。一旦超过临界剪切应力τ₀，则Bingham塑料的行为基本上是牛顿方式，表现出恒定的表观粘度μ_A，示出如下：

τrz=τ0-μAdVzdr]]>Bingham塑料        [等式3]