毫米级颗粒流体食品的非侵入式在线流变测量技术研究

为解决食品工业中复杂流体流变特性在线监测难题，日本名古屋大学团队开发了一种基于超声速度剖面仪(UVP)和相位分析的非侵入式管道流变测量技术(UIR)。该技术通过分析脉动流的径向相位差分布，成功实现了含毫米级颗粒流体(如米粥)的有效粘度精确测量，精度较传统方法提升十倍以上，为食品制造过程质量控制提供了创新解决方案。

　　

在食品工业蓬勃发展的今天，含果粒酸奶、杂粮粥等含毫米级颗粒的流体食品日益受到消费者青睐。然而这类复杂流体的质量控制面临重大挑战——传统流变仪需要取样离线检测，而现有在线测量技术如UVP-PD（超声速度剖面仪-压差联用技术）又存在爆炸风险且安装复杂。更棘手的是，流体中悬浮的颗粒会导致超声信号衰减，使得基于超声速度剖面仪(UVP)的测量精度急剧下降。这一技术瓶颈严重制约了食品工业对复杂流体产品生产过程的实时监控能力。

针对这一行业痛点，名古屋大学(Graduate School of Engineering, Nagoya University)的Kohei Ohie团队在《Journal of Food Engineering》发表创新研究。研究人员将原本用于离线的相位分析技术创造性应用于管道系统，通过解析脉动流在管道径向传播的相位延迟，成功实现了含颗粒流体粘度的精确测量。这项被称为超声在线流变测量(UIR)的技术，仅需在管道外壁安装UVP探头即可完成非侵入检测，其抗噪声能力较传统方法提升十倍以上。

研究采用三项关键技术：超声速度剖面仪(UVP)实时捕捉管道内脉动流速分布；傅里叶相位分析提取径向粘性传播特征；基于Navier-Stokes方程的逆问题求解算法重建局部粘度分布。实验设计包含硅油(牛顿流体)、CMC水溶液(剪切稀化流体)和含米粒的粥样流体三类测试样本，通过对比离线测量结果验证方法可靠性。

【噪声抵抗评估】部分显示，在模拟添加5%随机噪声条件下，相位分析法获得的粘度标准差仅0.002 Pa·s，而传统振幅分析法高达0.03 Pa·s，证明新方法对UVP测量噪声具有显著鲁棒性。

【应用案例】章节验证了该技术的普适性：对硅油测量结果与标称值误差<3%；对0.5%CMC溶液获得的幂律指数n=0.53与旋转流变仪结果一致；特别在米粥实验中，通过添加水、增稠剂和淀粉酶改变流动性时，系统成功捕捉到粘度变化趋势，证实其对含颗粒流体的适用性。

【结论】部分强调，这项研究首次将相位分析原理拓展至管道流变测量，突破性地解决了含颗粒流体在线监测的精度难题。该技术无需改造现有管道，符合食品工业的防爆和卫生要求，为实时调控产品质构特性提供了新工具。在老龄化社会背景下，该技术对吞咽障碍食品的粘度精准控制具有特殊价值，未来可望推广至药品、化妆品等复杂流体制造领域。研究团队指出，进一步开发适用于非轴对称流动的算法将是下一阶段重点方向。