用于流变测量的探针装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术介绍了使用可弃式探针(21，21’，21”)定量地测量流体(22)的流变参数的装置和方法。探针(21，21’，21”)可以是气密密封的，且可以完全地浸没在即使不透明的流体内。磁场角度传感器(18，18’，18”)测量由即时变化的外部磁场导致的探针(21，21’，21”)的角度的变化。外部磁场可以由两对正交放置的线圈(12a–d，12”)来形成，或者由能够在具有探针(21，21’，21”)的样品内产生旋转磁场的某些其他器件来形成。通过使用改进Kelvin‑Voigt或改进Jeffreys模型，振荡图将显示被检流体(22)的粘度、弹性或粘弹性。测量可以通过使得具有探针(21’)的样品阱的阵列同时进行测量来并行，或者通过具有用于以顺序方式测量变化的样品的圆形板状测试平台来并行。

Probe device and method for rheological measurement

A device and method for quantitatively measuring the rheological parameters of a fluid (22) using a disposable probe (21, 21', 21') are described. The probe (21, 21', 21') can be airtight and completely immersed in an even opaque fluid. The magnetic field angle sensor (18, 18', 18') measures the angle change of the probe (21, 21', 21') caused by an instantaneous change in the external magnetic field. The external magnetic field may be formed by two pairs of orthogonal coils (12a-d, 12\) or by some other device capable of generating a rotating magnetic field in a sample with a probe (21, 21', 21\). By using an improved Kelvin Voigt or Jeffreys model, the oscillogram will show the viscosity, elasticity, or viscoelasticity of the fluid (22) being examined. Measurement can be done in parallel by having an array of sample wells with probes (21') simultaneously measured, or by having a circular plate test platform for sequentially measuring samples of change.

【技术实现步骤摘要】
用于流变测量的探针装置和方法
本专利技术涉及流变仪，即测量流体物质的流量和特性的装置。
技术介绍
流变学是一关注物质的流动的研究，所述物质通常处于液体状态或其可以被描述为“软固体材料”。感兴趣的材料和物质的示例包括流体，例如血液、污泥、悬浊液、聚合物和食物。通常，流变学适用于化学品、油、药品、特种涂料、油漆、食品和饮料、化妆品、油墨、矿物浆料(例如，采矿业)的制造和加工，以及适用于学术器件中进行的研究。流变学可例如用于优化材料或物质的性质，或通过测量产品的流变学参数(例如在产品的生产线内)来预先避免可能的错误情况。通常，流变测量作为过程控制中的帮助工具通常非常有用。在最常见的情况下，流变参数包括材料的粘度和弹性。粘度是用于感测液体或凝胶基物质的可流动性的重要参数。此外，产品质量保障是有用的应用领域，这是由于材料的流变性质对开发的产品的质量、可靠性、耐久性、以及消费者的感知有直接的影响。通常，流变学特性可能对材料的剪切性能、光学、磁性或电学行为、机械强度或弹性、热稳定性、润湿性能、以及聚结、絮凝或沉淀过程有影响。由奥卢大学(OuluUniversity)在2015年9月30日提交的未公开专利申请EP15187524.2(“Kinnunen1”)中，公开了一种用于测量流体的粘弹性性质的方法及其在测量生物膜中的应用。在Kinnunen1中，传感器被放置在材料样品中(例如在样品阱中)，并且在材料样品体积中产生振荡磁场，并且传感器基于所产生的磁力而开始流体内的旋转运动。传感器的相对角度作为时间的函数而被跟踪。如果在传感器的角度数据中存在有可见到的所谓的欠阻尼振荡，则确定所测量的流体样品是粘弹性的，即粘性的且弹性的。传感器可以由上下叠置的单个或多个盘形成，或者形成为单个杆或细长元件。四个杆状磁性线圈大致以四边形布置放置在样品阱周围。传感器可以包括环形磁体，并且跟踪步骤可以通过从样品阱的顶部或下方观察旋转传感器的光学相机执行。US2014/047903(“Sakai1”)也公开了在填充有被检流体的样品容器中使用浮动转子的粘度/弹性测量方法。Sakai1的方法似乎没有测量粘弹性，而仅是测量了被测材料的粘度。另外，Sakai1不是在线测量方法。US6,691,560(“Abnett”)公开了一种自由转子粘度计，在转子和转子驱动源之间没有机械连接。然而，转子安装在低摩擦轴承上，外部电磁体向转子产生转矩。流体粘度影响转子的旋转速率。流体的测试室可以被密封。Abnett纯粹是一种粘度测量方法，没有提到任何弹性测量。在现有技术中，在多盘结构已被使用于探针中的情况下，在每次使用之后，必须清洁盘和它们之间的间隙，但仍然具有残留污染物的可能。这使得测量系统的使用变慢，并且测量过程也将变得不必要地复杂。在现有技术中，还没有公开用于测量物质的流变学参数的这样的传感器装置，其为可远程读取且是可弃式的，并从而是安全且具有成本效益的。此外，现有技术中的一个问题是所提出的方法通常导致用于粘度或粘弹性的二进制(binaric)类型的结果；即测量仅揭示了该物质是否在某种程度上是粘弹性的，或者完全不是。这对于许多应用领域是相当不准确的信息。
技术实现思路
本专利技术公开了一种用于测量流体的流变参数的装置。这是本专利技术构思的第一方面。所述装置包括：–探针，同时磁体固定到探针，其中探针配置为部分地或完全地浸没在样品阱内的要被测量的流体中；–外部磁场产生器件，用于产生外部磁场；–线圈驱动器件和控制器件，用于在磁场产生器件内馈送并测量电流；–磁场角度传感器，用于感测探针的作为时间的函数的角度方向；其中–外部磁场的方向配置为通过磁场产生器件即时地改变，该磁场产生器件与探针的惯性和流体的性质相耦合，导致探针在流体内的振荡运动；并且–控制器件配置为基于探针的作为时间的函数的角度方向来计算流体的至少一个流变参数。在本专利技术的实施例中，外部磁场产生器件包括围绕单个样品阱或样品阱的阵列定位的正交地放置的两对线圈。在本专利技术的实施例中，流变参数包括粘度、弹性和粘弹性的定量值。在本专利技术的实施例中，探针由塑料制成，其中磁体固定到塑料探针。在本专利技术的实施例中，探针包括围绕磁体缠绕的塑料部。在本专利技术的实施例中，探针的形状包括以下中的一种：平行的圆形互连盘或板、板或板-板结构、柱体形或椭圆形的杆、丸状元件、搅拌棒、锥形圆锥、包括至少一个叶片的结构、包括柱体或若干同心柱体的结构、具有杯和摆锤的结构、包括圆锥和板的结构、或库埃特型(couette-type)结构。在本专利技术的实施例中，控制器件在流变参数的计算中应用改进的Kelvin-Voigt模型或者改进的Jeffreys模型，其中也考虑了振荡中存在的摩擦。在本专利技术的实施例中，所述装置包括可旋转的盘形测试板，样品阱组放置在盘形测试板中，且在盘形测试板中所述测量被布置为样品阱组的顺序测量。在本专利技术的实施例中，所述装置包括样品阱的平面阵列，每个样品阱包括探针，且所述装置还包括印刷电路板，该印刷电路板包括磁场角度传感器的阵列。在本专利技术的实施例中，所述装置对于由探针和磁场角度传感器组成的每个对包括单独的外部磁场产生器件。在本专利技术的实施例中，探针是气密密封的，或者包括探针的样品阱是气密密封的。根据本专利技术构思的第二方面，本专利技术包括用于测量流体的流变参数的对应的方法。所述方法包括以下步骤：–将探针部分地或完全地浸没在样品阱内的要被测量的流体中，同时磁体固定到探针；–通过外部磁场产生器件产生外部磁场；–通过线圈驱动器件和控制器件在磁场产生器件内馈送并测量电流；–通过磁场角度传感器感测探针的作为时间的函数的角度方向；–通过磁场产生器件即时地改变外部磁场的方向，该磁场产生器件与探针的惯性和流体的性质相耦合，导致探针在流体内的振荡运动；以及–基于探针的作为时间的函数的角度方向通过控制器件来计算流体的至少一个流变参数。附图说明图1a示出了根据“Kinnunen1”用于确定流体的可能的粘弹性的流体样品的观察装置，图1b示出了更详细的用于确定流变参数的流体样品的观察装置，同时还示出了施加的力和产生的振动运动，同时转子由平行的圆形互连盘形成，图1c示出了在被测流体内围绕垂直轴线旋转的杆状探针，图1d示出了适用于本专利技术的实施例的根据Kelvin-Voigt的电路模型，图1e示出了适用于本专利技术的实施例的根据Jeffreys的电路模型，图2示出了具有样品阱组的旋转盘形测试板，图3a示出了形成为可弃式容器的阵列的测试样品阱装置，图3b示出了其中为样品阱的阵列中的每个样品阱产生独立磁场的装置，以及图4示出了关于旋转探针的形状的各种可行的实施例。具体实施方式本专利技术公开了通过可弃式流变传感器(即流变仪)来测量各种流体材料的流变参数的方法和装置。这种传感器是可靠的、准确的、可弃式的且仍然具有成本效益的探针、即流变仪。图1a示出了根据未公开专利申请“Kinnunen1”的用于测量样品阱中的液体的粘弹性的基本装置。该实施例通过定位在装置顶部的相机来施加对旋转元件的光学感测。用于流变测量的装置包括四个杆型线圈12a–d，其放置在主要形成正方形的位置中，同时每个线圈对之间具有90度的相互角度。将包括流体样品的阱11放置在线圈的中间。信号接收器和电流放大器13用作线圈的驱动元件，即以受控的方式将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量流体的流变参数的装置，其特征在于，所述装置包括：探针(21，21’，21”)，磁体(17)固定到所述探针，其中，所述探针配置为部分地或完全地浸没在样品阱(11)内的要被测量的流体(22)中；外部磁场产生器件(12a–d，12”)，用于产生外部磁场；线圈驱动器件(13，13’，13”)和控制器件(15)，用于在所述磁场产生器件(12a–d，12”)内馈送并测量电流；磁场角度传感器(18，18’，18”)，用于感测所述探针(21，21’，21”)的作为时间的函数的角度方向；其中所述外部磁场的方向配置为通过所述磁场产生器件(12a–d，12”)即时地改变，所述磁场产生器件与所述探针(21，21’，21”)的惯性和所述流体的性质相耦合，导致所述探针在所述流体(22)内的振荡运动；并且所述控制器件(15)配置为基于所述探针(21，21’，21”)的作为时间的函数的角度方向来计算所述流体(22)的至少一个流变参数。

【技术特征摘要】
2017.03.30 EP 17163749.91.一种用于测量流体的流变参数的装置，其特征在于，所述装置包括：探针(21，21’，21”)，磁体(17)固定到所述探针，其中，所述探针配置为部分地或完全地浸没在样品阱(11)内的要被测量的流体(22)中；外部磁场产生器件(12a–d，12”)，用于产生外部磁场；线圈驱动器件(13，13’，13”)和控制器件(15)，用于在所述磁场产生器件(12a–d，12”)内馈送并测量电流；磁场角度传感器(18，18’，18”)，用于感测所述探针(21，21’，21”)的作为时间的函数的角度方向；其中所述外部磁场的方向配置为通过所述磁场产生器件(12a–d，12”)即时地改变，所述磁场产生器件与所述探针(21，21’，21”)的惯性和所述流体的性质相耦合，导致所述探针在所述流体(22)内的振荡运动；并且所述控制器件(15)配置为基于所述探针(21，21’，21”)的作为时间的函数的角度方向来计算所述流体(22)的至少一个流变参数。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外部磁场产生器件(12a–d，12”)包括围绕单个样品阱或样品阱(11)的阵列定位的两对正交放置的线圈。3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述流变参数包括粘度、弹性和粘弹性的定量值。4.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述探针(21，21’，21”)由塑料制成，磁体固定到所述塑料探针。5.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述探针(21，21’，21”)包括围绕所述磁体(17)缠绕的塑料部。6.如权利要求1-5中任一项所述的装置，其特征在于，所述探针(21，21’，21”)的形状包括以下中的一个：平行的圆形互连盘或板、板或板-板结构、圆柱形或椭圆形的杆、丸状元件、搅拌棒、锥形圆锥、包括至少一个叶片的结构、包括圆柱体或若干同心圆柱体的结构、具有杯和摆锤的结构、包括圆锥和板的结构、...

【专利技术属性】
技术研发人员：J柴可夫斯基，T法布里蒂乌斯，P基努宁，
申请(专利权)人：奥卢大学，
类型：发明
国别省市：芬兰,FI