混合器傳感器及其使用方法
【專利摘要】提供了用于測量流體的流變特性的設(shè)備及其使用方法。在一總體實(shí)施例中，本發(fā)明公開提供了一種混合器傳感器，該混合器傳感器構(gòu)造成附接到流變儀驅(qū)動(dòng)頭上并用于在寬的溫度和剪切率范圍上測量具有微粒的流體的流變特性。能夠在寬的溫度和剪切率范圍上獲得具有微粒的流體的流變數(shù)據(jù)的設(shè)備可供用于更精確的流變測量。所述溫度可以是超過100℃的很高溫度，并且所述剪切率可包括處理管道系統(tǒng)通常存在的剪切率的范圍。
【專利說明】混合器傳感器及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開總體上涉及用于表征材料的流變特性的設(shè)備及其使用方法。更具體地，本公開針對(duì)于用于在各種處理?xiàng)l件下對(duì)具有顆粒的流體進(jìn)行流變表征的混合器傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]不同類型的流變測試設(shè)備已廣泛用于實(shí)驗(yàn)室、制造廠等以用于測試材料的流變特性。盡管在本領(lǐng)域中易于獲得用于測試材料的流變特性的設(shè)備，但它們無法始終供需要流變表征的每一種流體使用。例如，已知設(shè)備可能不適合用于表征暴露于高溫環(huán)境如無菌處理系統(tǒng)的流體。另外，已知設(shè)備可能不適合供具有微粒的流體使用。實(shí)際上，大部分可商購的設(shè)備需要在流變表征前濾除或以其它方式去除流體中的任何微粒。這樣，留下了用于表征的樣品的唯一部分為流體部分，其可能提供不會(huì)反映處理管道系統(tǒng)內(nèi)的樣品的實(shí)際處理?xiàng)l件的樣品的不很準(zhǔn)確的流變測量結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本公開提供了用于測量材料的流變特性的設(shè)備及其使用方法。在一普通實(shí)施例中，提供了一種用于測量材料的流變特性的設(shè)備。該設(shè)備包括軸和基部，所述軸包括呈中斷的螺旋形狀配置的至少三個(gè)葉片，所述基部構(gòu)造成接納所述軸的一端。
[0004]在一實(shí)施例中，該軸具有約2英寸至約6英寸的長度。軸還可長約4英寸。軸可由選自鋼、鋼合金、不銹鋼、鉻、鈷鉻合金或它們的組合所組成的群組的材料制成。在一實(shí)施例中，該材料為鈷鉻合金。
[0005]在一實(shí)施例中，該基部構(gòu)造成接納軸的底端。該基部還可包括構(gòu)造成接納O形圈密封件的至少一個(gè)O形圈凹槽。在一實(shí)施例中，基部由選自鋼、鋼合金、不銹鋼、鉻、鈷鉻合金或它們的組合所組成的群組的材料制成。在一實(shí)施例中，該材料為鈷鉻合金。
[0006]在一實(shí)施例中，該設(shè)備包括驅(qū)動(dòng)頭(drive head)附件。該驅(qū)動(dòng)頭附件構(gòu)造和配置成附接到流變儀和粘度計(jì)中的一者上。該驅(qū)動(dòng)頭附件可構(gòu)造成將軸的頂端接納于其中。該驅(qū)動(dòng)頭附件可由選自鋼、鋼合金、不銹鋼、鉻、鈷鉻合金或它們的組合所組成的群組的材料制成。在一實(shí)施例中，該材料為鈷鉻合金。
[0007]在一實(shí)施例中，多個(gè)葉片圍繞軸的軸線徑向地隔開。多個(gè)葉片可彼此徑向地隔開約45°至約135°。在一實(shí)施例中，多個(gè)葉片圍繞軸的軸線并沿軸的圓周彼此徑向地隔開約 90。。
[0008]在一實(shí)施例中，多個(gè)葉片彼此豎直地隔開約0.25英寸至約1.25英寸。多個(gè)葉片也可彼此豎直地隔開約0.75英寸。在一實(shí)施例中，多個(gè)葉片彼此徑向地隔開約90°且彼此豎直地隔開約0.75英寸。
[0009]在一實(shí)施例中，多個(gè)葉片中的每個(gè)從水平方向旋轉(zhuǎn)約20°至約80°。多個(gè)葉片中的每個(gè)也可從水平方向旋轉(zhuǎn)約45°。
[0010]在一實(shí)施例中，多個(gè)葉片中的每個(gè)大致呈三角形。[0011]在一實(shí)施例中，該基部還構(gòu)造成與顆粒篩匹配。該顆粒篩可包括構(gòu)造成接納基部的開放中心部。該顆粒篩可大致呈圓形并可包括位于中心部與圓周之間的多個(gè)孔。該顆粒篩可具有約I英寸至約3英寸的直徑。在一實(shí)施例中，該顆粒篩具有約1.5英寸的直徑。該顆粒篩也可位于與顆粒篩一體地形成或摩擦配合在顆粒篩的孔中的多個(gè)銷柱(peg)上。
[0012]在一實(shí)施例中，該設(shè)備包括溫度探頭。該溫度探頭可構(gòu)造成穿過顆粒篩的至少一個(gè)孔延伸。
[0013]在另一實(shí)施例中，提供了一種用于測量材料的流變特性的設(shè)備。該設(shè)備包括:軸；附接到軸上的至少兩個(gè)彎曲葉片，每個(gè)彎曲葉片包括三個(gè)區(qū)段；以及附接到軸上的至少兩個(gè)線狀葉片。
[0014]在一實(shí)施例中，該軸具有約2英寸至約6英寸的長度。該軸還可長約4英寸。該軸可由選自鋼、鋼合金、不銹鋼、鉻、鈷鉻合金或它們的組合所組成的群組的材料制成。在一實(shí)施例中，該材料為鈷鉻合金。
[0015]在一實(shí)施例中，該基部構(gòu)造成接納軸的底端。該基部還可包括構(gòu)造成接納O形圈密封件的至少一個(gè)O形圈凹槽。在一實(shí)施例中，該基部由選自鋼、鋼合金、不銹鋼、鉻、鈷鉻合金或它們的組合所組成的群組的材料制成。在一實(shí)施例中，該材料為鈷鉻合金。
[0016]在一實(shí)施例中，該設(shè)備包括驅(qū)動(dòng)頭附件。該驅(qū)動(dòng)頭附件構(gòu)造和配置成附接到流變儀和粘度計(jì)中的一者上。該驅(qū)動(dòng)頭附件可構(gòu)造成將軸的頂端接納于其中。該驅(qū)動(dòng)頭附件可由選自鋼、鋼合金、不銹鋼、鉻、鈷鉻合金或它們的組合所組成的群組的材料制成。在一實(shí)施例中，該材料為鈷鉻合金。
[0017]在一實(shí)施例中，該基部還構(gòu)造成與顆粒篩匹配。該顆粒篩可包括構(gòu)造成接納基部的開口中心部。該顆粒篩可大致呈圓形并可包括位于中心部與圓周之間的多個(gè)孔。該顆粒篩可具有約I英寸至約3英寸的直徑。在一實(shí)施例中，該顆粒篩具有約1.5英寸的直徑。該顆粒篩也可位于與顆粒篩一體地形成或摩擦配合在顆粒篩的孔中的多個(gè)銷柱上。
[0018]在一實(shí)施例中，該設(shè)備包括溫度探頭。該溫度探頭可構(gòu)造成穿過顆粒篩的至少一個(gè)孔延伸。在一實(shí)施例中，每個(gè)彎曲葉片具有約I英寸至約4英寸的總長度。
[0019]在一實(shí)施例中，每個(gè)彎曲葉片具有約2.7英寸的總長度。三個(gè)區(qū)段中的每個(gè)區(qū)段也可通過一空間分離。三個(gè)區(qū)段中的每個(gè)區(qū)段的長度可以相等。每個(gè)彎曲葉片可占據(jù)約30°至約80°的角域。在一實(shí)施例中，每個(gè)彎曲葉片占據(jù)約75°的角域。至少兩個(gè)彎曲葉片可圍繞軸的軸線彼此徑向地隔開約180°。
[0020]在一實(shí)施例中，線狀葉片為表面刮板。每個(gè)線狀葉片可在線狀葉片的頂端和底端附接到軸上。每個(gè)線狀葉片具有約1.5英寸至約3.5英寸的長度。在一實(shí)施例中，每個(gè)線狀葉片具有約2.3英寸的長度。線狀葉片可具有形成線狀葉片的兩個(gè)不同平行部分的階梯形狀。線狀葉片的第一平行部分可具有約0.1英寸至約0.2英寸的長度。在一實(shí)施例中，線狀葉片的第一平行部分具有約0.15英寸的長度。線狀葉片的第二平行部分具有約0.2英寸至約0.6英寸的長度。在一實(shí)施例中，線狀葉片的第二平行部分具有約0.4英寸的長度。至少兩個(gè)線狀葉片可圍繞軸的軸線彼此徑向地隔開約180°。
[0021]在又一實(shí)施例中，提供了一種用于測量材料的流變特性的設(shè)備。該設(shè)備包括軸，所述軸包括第一對(duì)葉片和第二對(duì)葉片和倒錐體，其中第一對(duì)葉片中的每個(gè)基本豎直地定向，并且其中第二對(duì)葉片中的每個(gè)相對(duì)于水平面成銳角定向。[0022]在一實(shí)施例中，該軸具有約2英寸至約6英寸的長度。該軸還可長約4英寸。該軸可由選自鋼、鋼合金、不銹鋼、鉻、鈷鉻合金或它們的組合所組成的群組的材料制成。在一實(shí)施例中，該材料為鈷鉻合金。
[0023]在一實(shí)施例中，該基部構(gòu)造成接納軸的底端。該基部還可包括構(gòu)造成接納O形圈密封件的至少一個(gè)O形圈凹槽。在一實(shí)施例中，該基部由選自鋼、鋼合金、不銹鋼、鉻、鈷鉻合金或它們的組合所組成的群組的材料制成。在一實(shí)施例中，該材料為鈷鉻合金。
[0024]在一實(shí)施例中，該設(shè)備包括驅(qū)動(dòng)頭附件。該驅(qū)動(dòng)頭附件構(gòu)造和配置成附接到流變儀和粘度計(jì)中的一者上。該驅(qū)動(dòng)頭附件可構(gòu)造成將軸的頂端接納于其中。該驅(qū)動(dòng)頭附件可由選自鋼、鋼合金、不銹鋼、鉻、鈷鉻合金或它們的組合所組成的群組的材料制成。在一實(shí)施例中，該材料為鈷鉻合金。
[0025]在一實(shí)施例中，基部還構(gòu)造成與顆粒篩匹配。該顆粒篩可包括構(gòu)造成接納基部的開口中心部。該顆粒篩可大致呈圓形并可包括位于中心部與圓周之間的多個(gè)孔。該顆粒篩可具有約I英寸至約3英寸的直徑。在一實(shí)施例中，該顆粒篩包括約1.5英寸的直徑。該顆粒篩也可擱置在與顆粒篩一體地形成或摩擦配合在顆粒篩的孔中的多個(gè)銷柱上。
[0026]在一實(shí)施例中，該設(shè)備包括溫度探頭。該溫度探頭可構(gòu)造成穿過顆粒篩的至少一個(gè)孔延伸。在一實(shí)施例中，每個(gè)彎曲葉片具有約I英寸至約4英寸的總長度。
[0027]在一實(shí)施例中，第一對(duì)葉片圍繞軸的軸線徑向地隔開。第一對(duì)葉片可彼此徑向地隔開約180°。第一對(duì)葉片彼此豎直地隔開，使得第一葉片的底側(cè)位于與第二葉片的頂側(cè)相同的豎直高度。第一對(duì)葉片彼此徑向地隔開約180°且彼此豎直地隔開，使得第一葉片的下側(cè)位于與第二葉片的上側(cè)相同的豎直高度。第一對(duì)葉片包括選自矩形、方形或它們的組合所組成的群組的形狀。第一對(duì)葉片中的每個(gè)可具有約IOmm至15_的寬度。在一實(shí)施例中，第一對(duì)葉片中的每個(gè)具有約13mm的寬度。第一對(duì)葉片中的每個(gè)可具有約IOmm至20mm的高度。在一實(shí)施例中，第一對(duì)葉片中的每個(gè)具有約15mm的高度。在一實(shí)施例中，第一對(duì)葉片位于軸的底部。
[0028]在一實(shí)施例中，第二對(duì)葉片圍繞軸的軸線徑向地隔開。第二對(duì)葉片可彼此徑向地隔開約180°。第二對(duì)葉片可位于基本相同的水平面內(nèi)。在一實(shí)施例中，第二對(duì)葉片彼此徑向地隔開約180°并位于基本相同的水平面內(nèi)。第二對(duì)葉片中的每個(gè)可從豎直方向旋轉(zhuǎn)約15°。在一實(shí)施例中，第二對(duì)葉片中的每個(gè)從水平方向旋轉(zhuǎn)約45°。第二對(duì)葉片中的每個(gè)包括選自矩形、方形或它們的組合所組成的群組的形狀。第二對(duì)葉片中的每個(gè)可具有約IOmm至約20mm的高度。在一實(shí)施例中，第二對(duì)葉片中的每個(gè)具有約15mm的高度。第二對(duì)葉片中的每個(gè)可具有約IOmm至約15mm的寬度。在一實(shí)施例中，第二對(duì)葉片中的每個(gè)具有約13.5mm的寬度。在一實(shí)施例中，第二對(duì)葉片位于軸的中部。
[0029]在一實(shí)施例中,第一對(duì)葉片沿軸與第二對(duì)葉片分隔約5mm至約15mm的距離。第一對(duì)葉片也可沿軸與第二對(duì)葉片分隔約IOmm的距離。
[0030]該錐體的基部具有約20mm至約40mm的直徑。
[0031]在一實(shí)施例中，該錐體的基部可具有約30_的直徑。在一實(shí)施例中，該錐體與軸形成約15°至約45°的角度。該錐體可與軸形成約30°或31°的角度。在一實(shí)施例中，倒錐體位于軸的頂部。
[0032]在再又一實(shí)施例中，提供了一種用于測量材料的流變特性的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括具有靜止量杯和葉輪(impeller)驅(qū)動(dòng)頭的裝置以及附接到葉輪驅(qū)動(dòng)頭上的葉輪。該葉輪包括軸和基部，所述軸包括呈中斷的螺旋形狀配置的至少三個(gè)葉片，所述基部構(gòu)造成接納所述軸的一端。
[0033]在一實(shí)施例中，該裝置是流變儀和粘度計(jì)中的一者。
[0034]在一實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括容納于量杯內(nèi)的流體。該流體可包括微粒。
[0035]在一實(shí)施例中，該靜止量杯包括位于杯底部的靜止顆粒篩。該靜止量杯還可包括一體的溫度探頭。在一實(shí)施例中，該溫度探頭構(gòu)造成與顆粒篩配合。
[0036]在另一實(shí)施例中，提供了一種用于測量材料的流變特性的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括具有靜止量杯和葉輪驅(qū)動(dòng)頭的裝置，以及附接到葉輪驅(qū)動(dòng)頭上的葉輪。該葉輪包括:軸；附接到軸上的至少兩個(gè)彎曲葉片，每個(gè)彎曲葉片包括三個(gè)區(qū)段；以及附接到軸上的至少兩個(gè)線狀葉片。
[0037]在一實(shí)施例中，該裝置是流變儀和粘度計(jì)中的一者。
[0038]在一實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括容納于量杯內(nèi)的流體。該流體可包括微粒。
[0039]在一實(shí)施例中,靜止量杯包括位于杯底部的靜止顆粒篩。靜止量杯還可包括一體的溫度探頭。在一實(shí)施例中，該溫度探頭構(gòu)造成與顆粒篩配合。
[0040]在又一實(shí)施例中，提供了一種用于測量材料的流變特性的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括具有靜止量杯和葉輪驅(qū)動(dòng)頭的裝置以及附接到葉輪驅(qū)動(dòng)頭上的葉輪。該葉輪包括軸，所述軸包括第一對(duì)葉片和第二對(duì)葉片和倒錐體，其中第一對(duì)葉片中的每個(gè)基本豎直地定向，并且其中第二對(duì)葉片中的每個(gè)相對(duì)于水平面成銳角定向。
[0041 ] 在一實(shí)施例中，該裝置是流變儀和粘度計(jì)中的一者。
[0042]在一實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括容納于量杯內(nèi)的流體。該流體可包括微粒。
[0043]在一實(shí)施例中，該靜止量杯包括位于杯底部的靜止顆粒篩。該靜止量杯還可包括一體的溫度探頭。在一實(shí)施例中，該溫度探頭構(gòu)造成與顆粒篩配合。
[0044]在再又一實(shí)施例中，提供了一種用于測量材料的流變特性的方法。該方法包括:提供包括充填有材料的靜止缸筒(cylinder)和可旋轉(zhuǎn)的傳感器驅(qū)動(dòng)頭的裝置；將傳感器附接到可旋轉(zhuǎn)的傳感器驅(qū)動(dòng)頭上；將該傳感器插入靜止缸筒內(nèi)；以及使該傳感器旋轉(zhuǎn)。該傳感器包括軸和基部，所述軸包括呈中斷的螺旋形狀配置的至少三個(gè)葉片，所述基部構(gòu)造成接納所述軸的一端。
[0045]在一實(shí)施例中，該裝置是流變儀和粘度計(jì)中的一者。
[0046]在一實(shí)施例中，該材料為流體。該流體可包括微粒。
[0047]在一實(shí)施例中，該方法包括使用溫度探頭感測流體的溫度。
[0048]在一實(shí)施例中，該方法包括將靜止顆粒篩安置在靜止缸筒的底部。該方法還可包括使溫度探頭與顆粒篩匹配。
[0049]在一實(shí)施例中，該方法包括使傳感器以不同角速率旋轉(zhuǎn)。
[0050]在另一實(shí)施例中，提供了一種用于測量材料的流變特性的方法。該方法包括:提供包括充填有材料的靜止缸筒和可旋轉(zhuǎn)的傳感器驅(qū)動(dòng)頭的裝置；將傳感器附接到可旋轉(zhuǎn)的傳感器驅(qū)動(dòng)頭上；將該傳感器插入靜止缸筒內(nèi)；以及使該傳感器旋轉(zhuǎn)。該傳感器包括:軸；附接到軸上的至少兩個(gè)彎曲葉片，每個(gè)彎曲葉片包括三個(gè)區(qū)段；以及附接到軸上的至少兩個(gè)線狀葉片。[0051]在一實(shí)施例中，該裝置是流變儀和粘度計(jì)中的一者。
[0052]在一實(shí)施例中，該材料為流體。該流體可包括微粒。
[0053]在一實(shí)施例中，該方法包括使用溫度探頭感測流體的溫度。
[0054]在一實(shí)施例中，該方法包括將靜止顆粒篩安置在靜止缸筒的底部。該方法還可包括使溫度探頭與顆粒篩匹配。
[0055]在一實(shí)施例中，該方法包括使傳感器以不同角速率旋轉(zhuǎn)。
[0056]在又一實(shí)施例中，提供了一種用于測量材料的流變特性的方法。該方法包括:提供包括充填有材料的靜止缸筒和可旋轉(zhuǎn)的傳感器驅(qū)動(dòng)頭的裝置；將傳感器附接到可旋轉(zhuǎn)的傳感器驅(qū)動(dòng)頭上；將該傳感器插入靜止缸筒內(nèi)；以及使該傳感器旋轉(zhuǎn)。該傳感器包括軸，所述軸包括第一對(duì)葉片和第二對(duì)葉片和倒錐體，其中第一對(duì)葉片中的每個(gè)基本豎直地定向，并且其中第二對(duì)葉片中的每個(gè)相對(duì)于水平面成銳角定向。
[0057]在一實(shí)施例中，該裝置是流變儀和粘度計(jì)中的一者。
[0058]在一實(shí)施例中，該材料為流體。該流體可包括微粒。
[0059]在一實(shí)施例中，該方法包括使用溫度探頭感測流體的溫度。
[0060]在一實(shí)施例中，該方法包括將靜止顆粒篩安置在靜止缸筒的底部。該方法還可包括使溫度探頭與顆粒篩匹配。
[0061 ] 在一實(shí)施例中，該方法包括使傳感器以不同角速率旋轉(zhuǎn)。
[0062]本公開的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于提供了改進(jìn)的混合器傳感器。
[0063]本公開的另一優(yōu)點(diǎn)在于提供了提供密切地模仿實(shí)際處理?xiàng)l件的流變測量的混合器傳感器。
[0064]本公開的又一優(yōu)點(diǎn)在于提供了可以精確地表征具有微粒的流體的流變特性的混合器傳感器。
[0065]本公開的再又一優(yōu)點(diǎn)在于提供了有助于防止樣品流體中的微粒在流變表征期間沉淀的混合器傳感器。
[0066]本公開的另一優(yōu)點(diǎn)在于提供了可附接到不同流變儀驅(qū)動(dòng)頭上的可更換的混合器傳感器。
[0067]本公開的又一優(yōu)點(diǎn)在于提供了可附接到同一流變儀驅(qū)動(dòng)頭上的不同混合器傳感器。
[0068]本公開的再又一優(yōu)點(diǎn)在于提供了構(gòu)造成在跨越寬的溫度范圍和寬剪切率范圍的條件下使用的混合器傳感器。
[0069]另外的特征和優(yōu)點(diǎn)在文中描述，并且將從以下詳細(xì)描述顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0070]圖1是根據(jù)本發(fā)明公開的一實(shí)施例的混合器傳感器的透視圖。
[0071]圖2是根據(jù)本發(fā)明公開的一實(shí)施例的顆粒篩的頂視圖。
[0072]圖3是根據(jù)本發(fā)明公開的一實(shí)施例的混合器傳感器和顆粒篩的透視圖。
[0073]圖4是根據(jù)本發(fā)明公開的一實(shí)施例的混合器傳感器的透視圖。
[0074]圖5是根據(jù)本發(fā)明公開的一實(shí)施例的圖4的混合器傳感器的頂視圖。
[0075]圖6是根據(jù)本發(fā)明公開的一實(shí)施例的混合器傳感器的透視圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0076]如本公開和所附權(quán)利要求書中所用，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”包括復(fù)數(shù)個(gè)指代物，除非上下文清楚地另外指出。因此，例如，“多肽”的說法包括兩種或更多種多肽的混合物等。
[0077]如文中所用，“約”應(yīng)理解為指數(shù)值范圍內(nèi)的數(shù)。此外，文中的所有數(shù)值范圍應(yīng)當(dāng)被理解為包括該范圍內(nèi)的整數(shù)、整體或分?jǐn)?shù)。
[0078]流變學(xué)是對(duì)主要呈液態(tài)但在物質(zhì)對(duì)塑性流動(dòng)作出響應(yīng)而不是響應(yīng)于所施加的力彈性變形的條件下也作為軟固體或固體的物質(zhì)的流動(dòng)的研究。物質(zhì)的流動(dòng)通常無法通過單個(gè)粘度值來表征，盡管在特定溫度下的粘度測量可提供與材料的特性有關(guān)的有價(jià)值的信息。流變研究通常利用流變儀來執(zhí)行，流變儀對(duì)流體施加特定應(yīng)力場或變形并監(jiān)視作為結(jié)果的變形或應(yīng)力。這些儀器可以以穩(wěn)定流動(dòng)或振蕩流動(dòng)的方式以及剪切和擴(kuò)展兩種方式操作。
[0079]通常測量的材料的流變特性為其剪切粘度。通常簡稱為粘度的剪切粘度體現(xiàn)了材料對(duì)所施加的剪切應(yīng)力的反應(yīng)。換言之，剪切應(yīng)力是沿橫向或水平方向施加在流體的表面上的“應(yīng)力”(每單位面積的力)與隨著在流體中下移流體的速率的變化(“速率梯度”)之間的比率。容積粘度或體積粘度體現(xiàn)了對(duì)壓縮的反應(yīng)并且對(duì)于流體中的聲學(xué)的表征而言是必不可少的。
[0080]粘度和其它復(fù)雜的流體特性如密度、固體含量等不僅可用作在制造過程中的化學(xué)或物理變化的指標(biāo)，而且對(duì)于處理設(shè)備的設(shè)計(jì)和操作尤其是必不可少的。然而，當(dāng)處理非均質(zhì)系統(tǒng)如包括顆粒、纖維、細(xì)菌等的水性懸液時(shí)不易獲得粘度評(píng)估，因?yàn)樗鼈兺ǔ３尸F(xiàn)非牛頓性質(zhì)。如本領(lǐng)域中已知的，牛頓流體是呈現(xiàn)獲得流體的移動(dòng)所需的剪切應(yīng)力(τ )與有效
剪切率(# )之間的直接線性關(guān)系的流體。這些流體的表觀粘度不受剪切率(#)影響并且
保持不變。不根據(jù)這些原理表現(xiàn)的流體稱為非牛頓干流體，其兩個(gè)示例包括剪切增稠流體和剪切變稀流體。
[0081]剪切增稠流體和剪切變稀流體可具有l(wèi)og ( η )與(log (K)+ (n-l)log (:.:))之
間的線性關(guān)系，其中f為剪切率，n為表觀速率，K為稠度指數(shù)，且n為冪律指數(shù)。呈現(xiàn)這種
線性關(guān)系的那些流體稱為冪律流體。盡管牛頓流體也是冪律流體，但非牛頓流體復(fù)雜得多，因?yàn)榱黧w可能在一個(gè)環(huán)境中表現(xiàn)為冪律流體，而在另一環(huán)境中不這樣。
[0082]非牛頓流體的表觀速率(η )取決于進(jìn)行測量時(shí)的有效剪切率(f )，并且可利用
方程log (η) =1g ( K) + ( ( n-1 ) *log (廣))來計(jì)算表觀速率(n)。牛頓流
體的冪律指數(shù)(n)為1，且稠度指數(shù)(K)的值提供了表觀粘度(η )，對(duì)于這些流體而言稱為動(dòng)態(tài)粘度(μ )。
[0083]如上所述，當(dāng)試圖表征非均質(zhì)或復(fù)雜的系統(tǒng)的流變特性時(shí)可能出現(xiàn)某些困難。此類困難通常涉及例如顆粒沉淀、相分離、材料結(jié)構(gòu)的破壞等。存在此類問題的具有微粒的流體的示例包括某些類型的食品。例如，嬰兒食品的粘度在考慮到它必須足夠濃以保留在湯匙上但不會(huì)過濃以致嬰兒將難以吞咽食品時(shí)特別重要。然而，由于大部分嬰兒食品為懸液(例如，果泥)，故常規(guī)窄間隙粘度計(jì)可能由于相分離和隨后在壁處的滑動(dòng)或間隙中的顆?；蝾w粒合體導(dǎo)致的錯(cuò)誤而不適合于嬰兒食品的流變表征。
[0084]實(shí)際上，大部分可商購的流變儀和它們相關(guān)的傳感器是針對(duì)均質(zhì)流體樣品(例如，不具有微粒的流體樣品)而設(shè)計(jì)的。然而，當(dāng)處理具有微粒的流體樣品時(shí)，必須在測量其流變特性前濾除或以其它方式去除微粒。通過從流體樣品濾除出微粒，留下來用于測量的樣品的唯一部分為流體部分。僅測量樣品的流體部分提供了樣品的不很準(zhǔn)確的流變測量結(jié)果并且可能不會(huì)反映實(shí)際處理?xiàng)l件。
[0085]因此，對(duì)于流變數(shù)據(jù)測量的更精確的工程計(jì)算而言，需要用于食品樣品的流變測量，所述食品樣品i)具有分散的微粒，ii)處于包括很低溫度到很高溫度的溫度范圍(例如，在無菌處理?xiàng)l件、高于100° T的溫度等)，以及iii)覆蓋典型的處理管道中存在的剪切率的范圍。本公開的混合器傳感器因此被設(shè)計(jì)成在密切地模仿全面生產(chǎn)條件的實(shí)驗(yàn)室條件下預(yù)測多相(例如，非均質(zhì))產(chǎn)品的流變特性。然而，技術(shù)人員將立即理解的是，本發(fā)明的混合器傳感器也可用于表征不具有顆粒的流體的流變特性，這尤其在發(fā)生相分離或沉淀問題的狀況下尤其有用。
[0086]獲得用于產(chǎn)品流變表征的理想幾何傳感器，其使用也稱為Couette的具有同心缸筒系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)流變儀。Couette粘度計(jì)包括在被保持在恒溫浴中的靜止杯內(nèi)旋轉(zhuǎn)的缸筒。靜止杯與內(nèi)旋轉(zhuǎn)缸筒之間的空間充填有待測量的流體。隨著內(nèi)缸筒以均勻的角速率(Ω )旋轉(zhuǎn)，缸筒與靜止杯之間的流體由于流體上的拖曳力而以比內(nèi)缸筒慢的速率移動(dòng)。這些拖曳力可通過粘度計(jì)測量。或者，外杯可在內(nèi)缸筒保持靜止的同時(shí)旋轉(zhuǎn)。Couette顯示確定的剪切率并允許獲得絕對(duì)流變數(shù)據(jù)。
[0087]相反，由于復(fù)雜的流動(dòng)模式，可能難以利用混合物流變測定法來獲得絕對(duì)流變數(shù)據(jù)。然而，混合器流變數(shù)據(jù)是不能通過具有窄間隙的同心缸筒系統(tǒng)確定的流體的流體流變特性的良好代表。此類流體可包括例如具有微粒的流體，其典型地存在沉淀問題、滑動(dòng)、相分離和時(shí)間依賴性，如上所述。混合器粘度計(jì)通?？稍谶@些類型的流體需要流變表征并且不能使用常規(guī)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)時(shí)使用。
[0088]如Steffe 和 Daubert 的“Bioprocessing Pipelines:Rheology and Analysis”(2006)中所述，每個(gè)單獨(dú)的混合物粘度計(jì)必須在用于流變表征前表征。該分析典型地利用無量綱數(shù)和具有已知的流變特性的表征流體來完成。用于表征每個(gè)單獨(dú)的混合器粘度計(jì)的方法在本領(lǐng)域中是已知的并在“Bioprocessing Pipelines”中公開。這些方法認(rèn)為牛頓流體的粘度(μ )為:
M kuM[0_ μ=_ = _
[0090]其中k’ ’是定義為混合器系數(shù)的的常數(shù):k’ ’ =A-M-3, A是無量綱常數(shù)，且d是葉輪直徑。具有已知粘度的牛頓流體用于確定k’’，k’’是系統(tǒng)、轉(zhuǎn)矩、葉輪的角速率和粘度的函數(shù)。
[0091]為了評(píng)估混合器粘度計(jì)中的冪律流體，將表觀粘度(η)定義為平均剪切率的函數(shù):
[0092]Q = KU、..[0093]平均剪切率(之)是混合器粘度計(jì)常數(shù)(k’ )與角速率(Ω )的乘積。為了確定該
值，必須采用牛頓粘度和表觀速率在相同的剪切速率下相等的匹配粘度假設(shè)。利用該假設(shè)，得出平均剪切率為:
【權(quán)利要求】
1.一種用于測量材料的流變特性的設(shè)備，所述設(shè)備包括: 驅(qū)動(dòng)頭附件，其構(gòu)造和配置成附接至流變儀和粘度計(jì)中的一者； 軸，其包括至少三個(gè)葉片，其中多個(gè)所述葉片圍繞所述軸的軸線徑向地隔開，其中所述驅(qū)動(dòng)頭附件構(gòu)造成將所述軸的頂端接納于所述驅(qū)動(dòng)頭附件之中，其中多個(gè)葉片中的每個(gè)葉片從水平方向旋轉(zhuǎn)約20°至約80°，并且其中多個(gè)葉片彼此豎直地隔開約0.25英寸至約1.25英寸；和 基部，其構(gòu)造成接納所述軸的一端，并且其中所述基部還包括構(gòu)造成接納O形圈密封件的至少一個(gè)O形圈凹槽，并且其中所述基部構(gòu)造成接納所述軸的底端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述軸、所述基部和所述驅(qū)動(dòng)頭附件中的至少一者由選自鋼、鋼合金、不銹鋼、鉻、鈷鉻合金及它們的組合所組成的群組的材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述材料為鈷鉻合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述多個(gè)葉片呈中斷的螺旋形狀配置，并且彼此徑向地隔開約45°至約135°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述多個(gè)葉片中的每個(gè)葉片大致呈三角形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述基部還構(gòu)造成與顆粒篩匹配，其中所述顆粒篩包括構(gòu)造成接納所述基部的開放中心部，并且其中所述顆粒篩具有約I英寸至約3英寸的直徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述顆粒篩的形狀大致為圓形并且還在所述中心部與圓周之間包括多個(gè)孔 。
8.根據(jù)權(quán)利要求6中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述顆粒篩位于與顆粒篩一體地形成或摩擦配合在顆粒篩的孔內(nèi)的多個(gè)銷柱上。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，還包括溫度探頭，其中所述溫度探頭構(gòu)造成穿過所述顆粒篩的至少一個(gè)所述孔延伸。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，至少三個(gè)葉片為: 附接到所述軸上的至少兩個(gè)彎曲葉片，每個(gè)所述彎曲葉片包括三個(gè)區(qū)段；和 附接到所述軸上的至少兩個(gè)線狀葉片。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述三個(gè)區(qū)段中的每個(gè)被空間相互分離。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述三個(gè)區(qū)段中的每個(gè)的長度相等。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述線狀葉片為表面刮板。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述線狀葉片中的每個(gè)在線狀葉片的頂端和底端附接至所述軸。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述線狀葉片中的每個(gè)具有約1.5英寸至約3.5英寸的長度。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述線狀葉片中的每個(gè)包括形成所述線狀葉片的兩個(gè)不同平行部分的階梯形狀，其中所述線狀葉片的第一平行部分具有約0.1英寸至約0.2英寸的長度，并且其中所述線狀葉片的第二平行部分具有約0.2英寸至約0.6英寸的長度。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中: 包括至少三個(gè)葉片的所述軸包括第一對(duì)葉片、第二對(duì)葉片以及倒錐體，其中所述第一對(duì)葉片中的每個(gè)大致豎直地定向，其中所述第二對(duì)葉片中的每個(gè)相對(duì)于水平面成銳角定向，其中所述第一對(duì)葉片中的每個(gè)具有約IOmm至15mm的寬度，并且其中所述倒錐體與所述軸形成約15°至約45°的角度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述第一對(duì)葉片和所述第二對(duì)葉片均圍繞所述軸的軸線徑向地隔開。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述第一對(duì)葉片和所述第二對(duì)葉片均彼此徑向地隔開約180°。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述第一對(duì)葉片彼此豎直地隔開，使得第一葉片的底側(cè)處于與第二葉片的頂側(cè)相同的豎直高度。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述第一對(duì)葉片和所述第二對(duì)葉片各自具有選自矩形、方形及它們的組合所組成的群組的形狀。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述第一對(duì)葉片位于所述軸的底部。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述第二對(duì)葉片大致位于相同的平面內(nèi)。
24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述倒錐體位于所述軸的頂部。
25.一種用于測量材料的流變特性的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 包括靜止量杯和葉輪驅(qū)動(dòng)頭的裝置；以及 附接至所述葉輪驅(qū)動(dòng)頭的葉輪，所述葉輪包括: 軸，其包括呈中斷螺旋形狀配置的`至少三個(gè)葉片；和 基部，其構(gòu)造成接納所述軸的一端，其中所述裝置是流變儀和粘度計(jì)中的一者。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，還包括容納于所述量杯內(nèi)的流體。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其中，所述流體包括微粒。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中，所述靜止量杯在量杯的底部包括靜止顆粒篩。
29.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中，所述靜止量杯包括一體的溫度探頭。
30.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中，所述至少三個(gè)葉片為附接至所述軸的至少兩個(gè)彎曲葉片和附接至所述軸的至少兩個(gè)線狀葉片，每個(gè)所述彎曲葉片包括三個(gè)區(qū)段。
31.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中，包括至少三個(gè)葉片的軸是包括第一對(duì)葉片和第二對(duì)葉片以及倒錐體的軸，其中所述第一對(duì)葉片中的每個(gè)大致豎直地定向，并且其中所述第二對(duì)葉片中的每個(gè)相對(duì)于水平面成銳角定向。
32.一種用于測量材料的流變特性的方法，所述方法包括以下步驟: 提供包括充填有所述材料的靜止缸筒和可旋轉(zhuǎn)的傳感器驅(qū)動(dòng)頭的裝置； 將傳感器附接到所述可旋轉(zhuǎn)的傳感器驅(qū)動(dòng)頭上，所述傳感器包括軸，所述軸包括呈中斷的螺旋形狀配置的至少三個(gè)葉片，和構(gòu)造成接納所述軸的一端的基部； 將所述傳感器插入所述靜止缸筒中；以及 使所述傳感器旋轉(zhuǎn)，其中所述裝置是流變儀和粘度計(jì)中的一者。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，所述材料為流體。
34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，所述流體包括微粒。
35.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，還包括利用溫度探頭感測所述流體的溫度。
36.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，還包括將靜止顆粒篩安置在所述靜止缸筒的底部。
37.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，所述至少三個(gè)葉片為附接至所述軸的至少兩個(gè)彎曲葉片和附接至所述軸的至少兩個(gè)線狀葉片，每個(gè)所述彎曲葉片包括三個(gè)區(qū)段； 將所述傳感器插入所述靜止缸筒中；以及 使所述傳感器旋轉(zhuǎn)。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，還包括使所述傳感器以不同的角速率旋轉(zhuǎn)。
39.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，包括至少三個(gè)葉片的軸是包括第一對(duì)葉片和第二對(duì)葉片以及倒錐體的軸，其中所述第一對(duì)葉片中的每個(gè)大致豎直地定向，并且其中所述第二對(duì)葉片中的每個(gè)相對(duì)于水平面成銳角定向； 將所述傳感器插入所述靜止缸筒中；以及 使所述傳感器旋轉(zhuǎn)。
40.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，還包括使所述傳感器以不同的角速率旋轉(zhuǎn)。
【文檔編號(hào)】B01F7/00GK103502793SQ201280022106
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年5月1日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月6日
【發(fā)明者】F·奧扎達(dá)里, D·K·米施拉, R·蘇萊曼 申請人:雀巢產(chǎn)品技術(shù)援助有限公司