GAUTSCH JOSEF (AT)
US20070041874A1 | 2007-02-22 | |||
GB1197476A | 1970-07-08 |
S.J. GILL AND D.S. THOMPSON: "A Rotating Cartesian-Diver Viscometer", PROC. N. A. S., vol. 57, 1 January 1967 (1967-01-01), pages 562 - 566, XP040527846
BRUNO H ZIMM AND DONALD M CROTHERS: "SIMPLIFIED ROTATING CYLINDER VISCOMETER FOR DNA", PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES, NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES, US, vol. 48, 1 January 1962 (1962-01-01), pages 905 - 911, XP007922893, ISSN: 0027-8424
Patentansprüche: 1 . Rotationsrheometer mit einem rotationsinvariant angeordneten Stator (2), mit einem mittels eines Wirbelstromantriebs um die Achse des Stators (2) um den oder innerhalb des Stator(s) (2) rotierbaren, rotationssymmetrisch ausgebildeten und mit seiner Rotationsachse (A) koaxial zu der Statorachse (B) gelegenen Rotor (1 ), wobei das zu untersuchende Prüfmedium (6) in zumindest einen zwischen einander gegenüberliegenden Flächen von Rotor (1 ) und Stator (2) ausgebildeten Messspalt (15) einbringbar ist, mit einer Messeinheit, mit der die Drehzahl des sich mit dem Prüfmedium (6) in Kontakt befindlichen Rotors (1 ) feststellbar ist, und mit einer Auswerteeinheit, mit der der Drehzahlunterschied zwischen der auf den Rotor (1 ) mit dem Wirbelstromantrieb aufgebrachten Drehzahl und der während des Prüfvorganges gemessenen Drehzahl des Rotors (1 ) ermittelt und als Messwert für die rheologischen und/oder viskosen Eigenschaften des Prüfmediums (6) herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem zu untersuchenden Prüfmedium (6) befüllte Messspalt (15) als hydrodynamisches Lager zwischen Rotor (1 ) und Stator (2) fungiert bzw. ausgebildet ist und ausschließlich durch die durch die Rotation des Rotors (1 ) relativ zum Stator (2) erzielte hydrodynamische Lagerwirkung der Abstand und die gegenseitige Lage der einander zugekehrten, den Messspalt (15) begrenzenden Flächen von Rotor (1 ) und Stator (2) vorgegeben und eingestellt und während des Messvorgangs beibehalten sind. 2. Rotationsrheometer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Endbereiche (17) des Messspaltes mit dem an diese Endbereiche (17) anschließenden Außenbereichen (19) bzw. dem in diesen Bereichen befindlichen Prüfmedium (6) frei, insbesondere ohne Querschnittsverengung des Endbereiches des Messspaltes, kommunizieren bzw. die Endbereiche (17) direkt in diese Außenbereiche (19) übergehen. 3. Rotationsrheometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1 ), ausgenommen seine hydrodynamische Lagerung im Bereich des Messspaltes, in radialer Richtung bezogen auf seine Rotationsachse (A), berührungs- und lagerfrei, insbesondere auch frei von Magnetlagern, auf bzw. gegenüber dem Stator (2) gelagert ist. 4. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des den Rotor (1 ) in Rotation versetzenden Wirbelstromantriebes der Rotor (1 ), vorzugsweise zur Gänze, aus nicht magnetischen, nicht magnetisierbaren, elektrisch leitfähigem Material ausgebildet ist und dass um den Rotor (1 ) herum oder zumindest teilweise innerhalb des Rotors (1 ) um die Statorachse (B) herum rotierbare Permanentmagnete (4) gelagert sind oder um den Rotor (1 ) herum oder zumindest teilweise innerhalb des Rotors (1 ) elektromagnetische Spulen (8) gelagert sind, mit denen ein um die Statorachse (B) rotierbares Magnetfeld generierbar ist. 5. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des den Rotor (1 ) in Rotation versetzenden Wirbelstromantriebs der Rotor (1 ), vorzugsweise zur Gänze, aus nicht magnetischen, nicht magnetisierbaren, elektrisch leitfähigem Material ausgebildet ist und dass zumindest teilweise innerhalb des Stators (2) Permanentmagnete (4) oder Spulen (8) gelagert sind, wobei die Permanentmagnete (4) um die Statorachse (B) rotierbar sind und mit den Spulen (8) ein um die Statorachse (B) rotierendes Magnetfeld generierbar ist. 6. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des den Rotor (1 ) in Rotation versetzenden Wirbelstromantriebs innerhalb des Rotors (1 ) Permanentmagnete (4) lagefest angeordnet bzw. mit dem Rotor (1 ) verbunden sind und dass ein, vorzugsweise gänzlich aus nicht magnetischem, nicht magnetisierbarem, elektrisch leitfähigem Material ausgebildeter Wirbelstromkörper (3), vorzugsweise ein Käfig, ein Topf oder eine Leiterschleife, vorgesehen ist, welche um den Rotor (1 ) rotierbar ist. 7. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1 ) im Innenraum eines eine rotationssymmetrische Innenwandung und die Form eines rotationssymmetrischen Behälters oder Bechers aufweisenden Stators (2) angeordnet ist, wobei zur Ausbildung des den Rotor (1 ) in Rotation versetzenden Wirbelstromantriebs innerhalb des Rotors (1 ) Permanentmagnete (4) lagefest angeordnet bzw. mit dem Rotor (1 ) verbunden sind und das Material des Behälters bzw. Bechers, vorzugsweise zur Gänze, nicht magnetisches, nicht magnetisierbares und elektrisch nicht leitendes Material ist und ein aus nicht magnetischem, nicht magnetisierbarem, elektrisch leitfähigem Material ausgebildeter Wirbelstromkörper (3), vorzugsweise ein Topf, ein Käfig oder eine Leiterschleife, vorgesehen ist, der um den Stator (2) rotierbar ist. 8. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem durch die Rotationsachse (A) des Rotors (1 ) bzw. durch die Statorachse (B) verlaufenden Schnitt der Messspalt (15) bzw. die den Messspalt (15) begrenzenden Flächen des Rotors (1 ) und Stators (2) zumindest einen geraden, geknickten, abgebogenen und/oder gekrümmten Abschnitt besitzen der zur Rotationsachse (A) bzw. zur Statorachse (B) geneigt verläuft bzw. mit diesen einen spitzen Winkel einschließt, dessen Scheitel ins Innere des Messspalts (15) gerichtet ist und/oder dass die einander gegenüberliegenden Flächen des Messspalts (15) bezüglich der Rotationsachse (A) jeweils zentrisch symmetrisch ausgebildet sind und/oder dass die den Messspalt (15) begrenzenden Flächen bezüglich einer senkrecht zur Rotationsachse (A) verlaufende Mittelebene (E) des Messspaltes (15) jeweils symmetrisch verlaufen. 9. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1 ) zylinderförmig, ringförmig, topfförmig, kegelförmig oder kegelstumpfförmig oder in einer durch die Rotationsachse (A) verlaufenden Ebene im Schnitt dreieckförmig, trapezförmig oder als Segment eines Kegelschnitts oder Ovoids ausgebildet ist. 10. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Rotor (1 ) an zumindest einer seiner Flächen, d.h. an seiner Innenfläche und/oder Außenfläche, und/oder an zumindest einer Endfläche, jeweils eine Fläche des Stators (2) oder eines Statorteiles (2') oder eines weiteren Statorteils (2') gegenüberliegt und der Rotor (1 ) bei seiner Rotation durch die im jeweiligen Messspalt (15, 15') zwischen den jeweiligen Flächen herrschende hydrodynamische Lagerwirkung des Prüffluids (6) in radialer und gegebenenfalls auch in axialer Richtung bezüglich der Statorachse (B) berührungsfrei gelagert ist. 1 1 . Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) in Form eines geschlossenen Topfes oder Zylinders ausgebildet ist und dass auf diesem Stator (2) ein die Form eines offenen Topfes aufweisender Rotor (1 ) mit seinem Innenraum unter Ausbildung des Messspaltes (15, 15') aufgestülpt ist, wobei gegebenenfalls zusätzlich an der dem Stator (2) abgewandten Seite des Rotors (1 ) im Abstand zum Rotor (1 ), insbesondere seiner End- und/oder Umfangswand gegenüberliegend, zumindest ein Statorteil (2') und/oder ein weiterer Statorteil (2') gelegen ist und gegebenenfalls dieser Abstand zwischen dem Rotor (1 ) und dem jeweiligen Statorteil (2') bzw. weiteren Statorteil (2') als ein eine hydrodynamische Lagerung bewirkender Messspalt (15, 15') ausgebildet ist. 12. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) an seiner zylindrisch ausgebildeten Au ßenfläche eine umlaufende Nut bzw. Vertiefung (20) aufweist, in der der an seiner Innenfläche zur Ausbildung des Messspalts (15) an die Querschnittsform der Vertiefung (20) angepasste Rotor (1 ) mit Abstand zur Fläche der Vertiefung (20) hydrodynamisch lagerbar bzw. gelagert ist. 13. Rotationsrheometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an einer dem Stator (2) abgewendeten Fläche des in der Vertiefung (20) gelagerten Rotors (1 ) die Fläche eines Statorteils (2') im Abstand und unter Ausbildung eines weiteren Messspaltes (15') hydrodynamischen Lagers gegenüberliegt. 14. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Spaltweite (S) des jeweiligen Messspaltes (15, 15') im Abstand (R) von der Rotationsachse (A) der Zusammenhang R1/R2 = S1/S2 gilt, wobei R1 und R2 die Abstände von Punkten auf den den Messspalt (15, 15') begrenzenden Flächen von der Rotationsachse (A) des Rotors (1 ) sind und S1 und S2 die in diesen Punkten R1 und R2 bei hydrodynamischer Lagerung des Rotors (1 ) ausgebildete Spaltdicke ist und diese Dicke des jeweiligen Messspalts (15, 15') mit zunehmender Entfernung von der Rotationsachse (A) zunimmt. 15. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie, vorzugsweise der Abstand und der Abstandsverlauf der einander gegenüberliegendenden Flächenabschnitte des Messspalts (15), insbesondere der radiale Abstand der die Rotationsachse (A) umgebenden, einander gegenüberliegenden Flächen von Rotor (1 ) und Stator (2), zur Ausbildung der hydrodynamischen Lagerung in Abhängigkeit von den von der Antriebseinheit (5) aufgebrachten Drehzahlen, einem vorab geschätzten Wert der Viskosität und/oder vorab geschätzten rheologischen Parametern des Prüfmediums (6) gewählt sind. 16. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein eine zylindrische Umfangsfläche und allenfalls dazu geneigte Endflächen aufweisender Rotor (1 ) vorgesehen ist, der allseitig von einem eine zylinderförmige Innenwandfläche und allenfalls dazu geneigte Endflächen aufweisender Innenraum des Stators (2) und innerhalb dieses Innenraums vom Prüfmedium (6) völlig umschlossen ist, wobei um den Stator (2) ein Wirbelstromkörper (3) rotierbar gelagert ist, der vorzugsweise die Form eines Topfes, eines Käfigs oder einer Leiterschleife aufweist und aus nicht magnetischem bzw. nicht magnetisierbarem, elektrisch leitfähigem Material ausgebildet ist, wobei im Rotor (1 ) Permanentmagnete (4) gelagert bzw. mit diesem verbunden sind. 17. Rotationsrheometer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) eine verschließbare Einbringöffnung für das Prüfmedium (6) aufweist. 18. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Lagestabilisierung des Rotors (1 ) bezüglich des Stators (2) in Längsrichtung der Statorachse (B) am Rotor (1 ) und am Stator (2) einander gegenüberliegend zusammenwirkende Permanentmagnete (4) und Weicheisenteile (10) angeordnet sind, die die Längslage des Rotors (1 ) relativ zur Statorachse (B) berührungsfrei stabilisieren. 19. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Messspalt (15) bei Rotation des Rotors (1 ) eine für die Ausbildung einer hydrodynamischen Lagerung ausreichend laminare, wirbelfreie Strömung ausgebildet ist. 20. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1 ) und/oder der Stator (2) und/oder der um den Rotor (1 ) rotierte Wirbelstromkörper (3) hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen und gegebenenfalls aus Cu, Pt, Ag oder Au gefertigt sind. 21 . Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass im Stator (2) Heiz- und/oder Kühleinheiten für das Prüfmedium (6) angeordnet sind. 22. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass am Stator (2) und/oder am Rotor (1 ) und/oder innerhalb des Messspalts (15, 15') berührungslose Messeinheiten für die Messung der Drehzahl des Rotors (1 ) und/oder der vom Wirbelstromantrieb vorgegebenen Antriebsdrehzahl und gegebenenfalls der Temperatur und/oder des Druckes und/oder der Dichte im Messspalt (15) angeordnet sind. 23. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (C) des Wirbelstromkörpers (3), vorzugsweise eines Topfes, Käfigs oder einer Leiterschleife (3), koaxial zur Rotationsachse des Rotors (1 ) liegt. |
Die Erfindung betrifft ein Rotationsrheometer zur Bestimmung der viskosen und/oder der rheologischen Eigenschaften von fluiden Medien gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Mit Rotationsrheometern kann man die viskosen und rheologischen Eigenschaften und Parameter von Fluiden, insbesondere die dynamische Viskosität von Fluiden, ermitteln.
Bei erfindungsgemäßen Rheometern läuft ein als Rotor ausgebildeter Messkörper um oder in oder gegenüber einen(m) Stator oder Statorteile(n). Der Messspalt liegt zwischen dem Rotor und dem Stator. Es erfolgt ein Wirbelstromantrieb des Rotors. Ferner erfolgt eine Messung der vom Antrieb vorgegebenen Drehzahl und der tatsächlichen Drehzahl des Rotors während der Messung und die Drehzahldifferenz dient als Maß für die viskosen/rheologischen Eigenschaften des Prüfmediums. Erfindungsgemäß ist eine hydrodynamische Lagerung des Rotors gegenüber dem Stator vorgesehen.
Aus der GB 1 197476 (A) ist ein Rheometer bekannt, bei dem der zylindrische Spalt zwischen Rotor und Stator eines dreiphasigen Induktionsmotors eine Passage für das zu vermessende Prüffluid bereitstellt; der Rotor ist dabei mit einer Spindel und Lagern abgestützt.
Messsysteme mit zylindrischen Flächen aufweisenden Messkörpern umfassen im Allgemeinen einen Messkörper (innerer Zylinder) und einen Messbecher (äu ßerer Zylinder). Die beiden Zylinder sind in Messposition konzentrisch angeordnet, d.h. die Achsen der Zylinder fallen zusammen. Bei derartigen Zylinder-Rotationsrheometern befindet sich das zu vermessende Prüfermedium in dem Ringspalt zwischen dem inneren und dem äußeren Zylinder. Wenn der innere Zylinder rotiert, spricht man von einem Searle-System, im umgekehrten Fall handelt es sich um ein sogenanntes Couette- System.
Prinzipielle Unterschiede im Aufbau von Rotationsrheometern und Rotationsviskosimetern bestehen nicht. Es wird in jedem Fall ein Rotor relativ gegenüber einem Stator bewegt und die Nacheil-Winkel- bzw. Drehzahl-Unterschiede werden ermittelt. Lediglich für unterschiedliche Einsatzzwecke und abhängig von den zu prüfenden Fluiden wird ein unterschiedlicher Aufbau bzw. werden unterschiedliche Konstruktionen und Messkörper eingesetzt. Häufig werden Rotationsrheometer für die Vermessung Theologischer Eigenschaften nicht-newtonscher Fluide verwendet, komplexe Rheometer vermessen dabei vor allem das schergeschwindigkeitsabhängige Verhalten der Fluide.
Searle-Viskosimeter umfassen einen stehenden Becher, in dem von einem Motor ein koaxialer Zylinderkörper in der Messflüssigkeit rotieren wird. Dabei wird in der Regel entweder das Geschwindigkeitsgefälle bei Vorgabe einer definierten Schubspannung oder die Schubspannung bei Vorgabe eines definierten Geschwindigkeitsgefälles (konstante Drehzahl) gemessen.
Ganz allgemein soll bei Rotationsviskosimetern der Messkörper möglichst reibungsfrei gelagert werden, um bei der Vermessung der Drehzahlen bzw. der auftretenden Drehmomente möglichst keine Lagerreibung mitzumessen. Die Rotationssymmetrieachse kann dabei im Gegensatz zur klassischen, senkrechten Anordnung auch in horizontaler Lage oder geneigt verlaufen. Der im äußeren Zylinder durch Magnete allenfalls berührungslos gelagerte Rotor kann durch ein komplexes Steuer- und Messsystem in seiner Ideallage gehalten und berührungslos induktiv angetrieben werden. Der Aufbau eines derartigen Viskosimeters und die Rotorlagerung sind jedoch äußerst komplex. Vor allem erfolgt eine Beeinflussung des Rotors durch die Magnete und eine Lagerreibung oder Lagerkräfte können nicht völlig ausgeschaltet werden.
Das zu untersuchende Prüfmedium befindet sich im Messspalt zwischen Rotor und Stator. Der Antrieb des als Messkörper fungierenden Rotors erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Rheometer durch einen Wirbelstromantrieb. Dazu werden z.B. um die Stator- bzw. Rotorachse Permanentmagnete rotiert oder es wird ein um die Statorbzw. Rotorachse umlaufendes (rotierendes) Magnetfeld erstellt, und zwar durch zumindest zwei, vorzugsweise mehr Induktionsspulen, die im leitfähigen Messkörper bzw. im Rotor Spannungen induzieren und damit zu Wirbelströmen führen. Dadurch entsteht eine Lorentzkraft senkrecht zu den magnetischen Feldlinien, die den Messkörper rotiert.
Eine alternative Variante eines Wirbelstromantriebs wird durch einen magnetischen bzw. mit Permanentmagneten bestückten Rotor erreicht. Um den Messspalt bzw. um den Rotor rotiert au ßen ein konzentrisch angeordneter, leitfähiger Wirbelstromkörper. In diesem Wirbelstromkörper werden aufgrund seiner Rotation um die Permanentmagnete Ströme induziert und diese Ströme induzieren wiederum im Inneren des Rotors Spannungen bzw. Wirbelströme, die ihrerseits eigene, dem herrschenden Magnetfeld gemäß der Lenzschen Regel entgegengesetzte Magnetfelder erzeugen, die den Rotor schlussendlich antreiben.
Betrachtet man allgemein die Strömungsverhältnisse eines Fluids in einem Scherspalt zwischen zwei Zylindern, so bildet sich ein Geschwindigkeitsgefälle zwischen der inneren und der äußeren Zylinderfläche aus, d.h. es erfolgt eine Scherung mit vorgegebenem Geschwindigkeitsgradienten. Das Drehmoment M, das durch das Gefälle auf den inneren oder äußeren Zylinder übertragen wird, ist der dynamischen Viskosität direkt proportional. Betrachtet man zwei Volumselemente, erfahren sie immer die gleiche Winkelbeschleunigung, aber das äu ßere Volumselement erfährt höhere Fliehkräfte, sodass Couette-Anordnungen eigentlich stabiler sind als Searle-Anordnungen, wobei bei Couette-Anordnungen die äußeren Volumselemente die höheren Geschwindigkeiten erfahren. Im Falle einer Searle-Anordnung wird der innere Zylinder gedreht und es ergibt sich ein Geschwindigkeitsprofil, bei dem die inneren Flüssigkeitsschichten mit höherer Geschwindigkeit rotieren, während die äußeren Schichten langsamer rotieren, was zu Wirbelbildung führen kann
Ein Searle-System ist aufgrund der Bewegung des inneren Zylinders und damit der maximalen Geschwindigkeit am inneren Zylinder immer die instabilere Variante, da die Wirbelbildung hauptsächlich aufgrund der wirkenden Zentrifugalkräfte erfolgt. Diese sogenannte Taylor-Couette-Wirbelbildung ist bekannt. Das Auftreten dieser Wirbel beschränkt den Einsatz der Searlesysteme. Um einen laminaren Fluss im Messspalt zu erzielen, wird der prinzipiell sehr weite Messbereich, insbesondere für Fluide geringer Viskosität, eingeschränkt.
Im Allgemeinen sind die Vorteile einer Searle-Anordnung die hohen möglichen Schergeschwindigkeiten, die homogene Schergeschwindigkeitsverteilung und die geringe Empfindlichkeit gegenüber Sedimentationserscheinungen. Nachteile sind Rand- bzw. Endeffekte mit notwendiger Korrektur, das Auftreten von Wirbeln und die Notwendigkeit der exakten Kalibrierung bzw. Messspaltsteuerung.
Die Lagerung eines Rotors ausschließlich mit Magneten bzw. mittels Magnetfeld funktioniert bei einer berührungslosen Kopplung zwischen Rotor und Antrieb nicht, da hier durch die Magnetkräfte die quadratisch zum Abstand abnehmen, immer ein Ungleichgewicht beim Rotor entsteht und diese Anordnung erst bei sehr hohen Umdrehungen des Rotors funktionieren (z.B. 10.000 upm) kann - ansonsten wird der Rotor gegen den Stator stoßen bzw. verreiben. Ein starkes Magnetfeld bewirkt ferner eine nahezu starre Kopplung zwischen dem Rotor und dem antreibenden Magnetfeld und bewirkt dieselbe Drehzahl von Magnetfeld und Rotor allenfalls mit einem sich bei der Prüfung einstellenden, vom Magnetfeld beeinflussten geringen Verdrehungswinkel zwischen Rotor und Stator, der jedoch nicht oder nur ausgesprochen schwierig zu detektieren ist.
Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Anordnungen bzw. Rheometer zu vermeiden und ein Rotationsrheometer zu erstellen, das einfach aufgebaut ist, exakte Messwerte liefert und frei von Lagerkräften, insbesondere mechanischen und magnetischen Lagerkräften, betrieben werden kann.
Erfindungsgemäß werden diese Ziele bei einem Rotationsrheometer der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale erreicht. Es ist somit vorgesehen, dass der mit dem zu untersuchenden Prüfmedium befüllte Messspalt als hydrodynamisches Lager zwischen Rotor und Stator fungiert bzw. ausgebildet ist und ausschließlich durch die durch die Rotation des Rotors relativ zum Stator erzielte hydrodynamische Lagerwirkung der Abstand und die gegenseitige Lage der einander zugekehrten, den Messspalt begrenzenden Flächen von Rotor und Stator vorgegeben und eingestellt und während des Messvorgangs beibehalten sind.
Es ist lediglich erforderlich, die Drehzahl des Rotors zu vermessen und die auf den Rotor einwirkende Antriebsdrehzahl bzw. seine Solldrehzahl zu kennen, um, unbeeinflusst von Lagerungseinflüssen, Werte zu erhalten, die einen direkten Rückschluss auf die rheologischen Parameter zulassen. Der einzige Einfluss auf die Rotordrehzahl erfolgt durch das Prüfmedium, das aufgrund seiner ihm innewohnenden Eigenschaften die Rotation des Rotors verlangsamt.
Es ist für den Fachmann einfach, für unterschiedliche Prüfmedien die für eine hydrodynamische Lagerwirkung erforderliche Spaltgeometrie zu erstellen. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass man vorab die zu ermittelnden Parameter näherungsweise ermittelt, dann den Messspalt einrichtet bzw. an diese Parameter anpasst und danach diese Parameter mit einem erfindungsgemäßen Rotationsrheometer in höchster Genauigkeit ermittelt. Auch kann die Drehzahl, mit der der Rotor rotiert wird, auf die Parameter von unterschiedlichen Prüfmedien abgestellt werden, ebenso kann eine Berücksichtigung von Temperatur und Druck des Prüfmediums erfolgen, um eine einwandfrei hydrodynamische Lagerung während des Messvorgangs zu erreichen. Es ist somit von Vorteil, wenn die Geometrie, vorzugsweise der Abstand und der Abstandsverlauf der einander gegenüberliegendenden Flächenabschnitte des Messspalts, insbesondere der radiale Abstand der die Rotationsachse umgebenden, einander gegenüberliegenden Flächen von Rotor und Stator, zur Ausbildung der hydrodynamischen Lagerung in Abhängigkeit von den von der Antriebseinheit aufgebrachten Drehzahlen, einem vorab geschätzten Wert der Viskosität und/oder vorab geschätzten rheologischen Parametern des Prüfmediums gewählt sind. Eine einwandfreie Lagerung wird unterstützt, wenn im Messspalt bei Rotation des Rotors eine für die Ausbildung einer hydrodynamischen Lagerung ausreichend laminare, wirbelfreie Strömung ausgebildet ist.
Für die stabile Ausbildung einer hydrodynamischen Lagerung bei einem Rotationsrheometer für den Messbetrieb ist es von Vorteil, wenn die Endbereiche des Messspaltes mit dem an diese Endbereiche anschließenden Au ßenbereichen bzw. dem in diesen Bereichen befindlichen Prüfmedium frei, insbesondere ohne Querschnittsverengung des Endbereiches des Messspaltes, kommunizieren bzw. die Endbereiche direkt in diese Außenbereiche übergehen.
Für den Erhalt von exakten Messwerten ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass der Rotor, ausgenommen seine hydrodynamische Lagerung im Bereich des Messspaltes, in radialer Richtung bezogen auf seine Rotationsachse, berührungs- und lagerfrei, insbesondere auch frei von Magnetlagern, auf bzw. gegenüber dem Stator gelagert ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn zur Ausbildung des den Rotor in Rotation versetzenden Wirbelstromantriebes der Rotor, vorzugsweise zur Gänze, aus nicht magnetischen, nicht magnetisierbaren, elektrisch leitfähigem Material ausgebildet ist und dass um den Rotor herum oder zumindest teilweise innerhalb des Rotors um die Statorachse herum rotierbare Permanentmagnete gelagert sind oder um den Rotor herum oder zumindest teilweise innerhalb des Rotors elektromagnetische Spulen gelagert sind, mit denen ein um die Statorachse rotierbares Magnetfeld generierbar ist. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass zur Ausbildung des den Rotor in Rotation versetzenden Wirbelstromantriebs der Rotor, vorzugsweise zur Gänze, aus nicht magnetischen, nicht magnetisierbaren, elektrisch leitfähigem Material ausgebildet ist und dass zumindest teilweise innerhalb des Stators Permanentmagnete oder Spulen gelagert sind, wobei die Permanentmagnete um die Statorachse rotierbar sind und mit den Spulen ein um die Statorachse rotierendes Magnetfeld generierbar ist. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zur Ausbildung des den Rotor in Rotation versetzenden Wirbelstromantriebs innerhalb des Rotors Permanentmagnete lagefest angeordnet bzw. mit dem Rotor verbunden sind und dass ein, vorzugsweise gänzlich aus nicht magnetischem, nicht magnetisierbarem, elektrisch leitfähigem Material ausgebildeter Wirbelstromkörper, vorzugsweise ein Käfig, ein Topf oder eine Leiterschleife, vorgesehen ist, welche um den Rotor rotierbar ist.
Eine in der Praxis gut einsetzbare, exakte Messwerte liefernde Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Rotor im Innenraum eines eine rotationssymmetrische Innenwandung und die Form eines rotationssymmetrischen Behälters oder Bechers aufweisenden Stators angeordnet ist, wobei zur Ausbildung des den Rotor in Rotation versetzenden Wirbelstromantriebs innerhalb des Rotors Permanentmagnete lagefest angeordnet bzw. mit dem Rotor verbunden sind und das Material des Behälters bzw. Bechers, vorzugsweise zur Gänze, nicht magnetisches, nicht magnetisierbares und elektrisch nicht leitendes Material ist und ein aus nicht magnetischem, nicht magnetisierbarem, elektrisch leitfähigem Material ausgebildeter Wirbelstromkörper, vorzugsweise ein Topf, ein Käfig oder eine Leiterschleife, vorgesehen ist, der um den Stator rotierbar ist.
Von Vorteil kann es sein, wenn ein eine zylindrische Umfangsfläche und allenfalls dazu geneigte Endflächen aufweisender Rotor vorgesehen ist, der allseitig von einem eine zylinderförmige Innenwandfläche und allenfalls dazu geneigte Endflächen aufweisender Innenraum des Stators und innerhalb dieses Innenraums vom Prüfmedium völlig umschlossen ist, wobei um den Stator ein Wirbelstromkörper rotierbar gelagert ist, der vorzugsweise die Form eines Topfes, eines Käfigs oder einer Leiterschleife aufweist und aus nicht magnetischem bzw. nicht magnetisierbarem, elektrisch leitfähigem Material ausgebildet ist, wobei im Rotor Permanentmagnete gelagert bzw. mit diesem verbunden sind. Für die Praxis zweckmäßig ist es, wenn dabei der Stator eine verschließbare Einbringöffnung für das Prüfmedium aufweist.
Für die Lagerung des Rotors während der Messung ist es besonders vorteilhaft, wenn zur Lagestabilisierung des Rotors bezüglich des Stators in Längsrichtung der Statorachse am Rotor und am Stator einander gegenüberliegend zusammenwirkende Permanentmagnete und Weicheisenteile angeordnet sind, die die Längslage des Rotors relativ zur Statorachse (B) berührungsfrei stabilisieren. Ein exakter und gut regelbarer Wirbelstromantrieb ergibt sich, wenn der Rotor und/oder der Stator und/oder der um den Rotor rotierte Wirbelstromkörper hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen und gegebenenfalls aus Cu, Pt, Ag oder Au gefertigt sind.
Die Einsatzmöglichkeit des erfindungsgemäßen Rheometers wird erhöht, wenn im Stator Heiz- und/oder Kühleinheiten für das Prüfmedium angeordnet sind.
Die Geometrie des Messspaltes kann unterschiedlich gewählt werden. Vorteilhaft ist es, wenn in einem durch die Rotationsachse des Rotors bzw. durch die Statorachse verlaufenden Schnitt der Messspalt bzw. die den Messspalt begrenzenden Flächen des Rotors und Stators zumindest einen geraden, geknickten, abgebogenen und/oder gekrümmten Abschnitt besitzen der zur Rotationsachse bzw. zur Statorachse geneigt verläuft bzw. mit diesen einen spitzen Winkel einschließt, dessen Scheitel ins Innere des Messspalts gerichtet ist und/oder dass die einander gegenüberliegenden Flächen des Messspalts bezüglich der Rotationsachse jeweils zentrisch symmetrisch ausgebildet sind und/oder dass die den Messspalt begrenzenden Flächen bezüglich einer senkrecht zur Rotationsachse verlaufende Mittelebene des Messspaltes jeweils symmetrisch verlaufen. Es ist ferner für den Messbetrieb von Vorteil, wenn der Rotor zylinderförmig, ringförmig, topfförmig, kegelförmig oder kegelstumpfförmig oder in einer durch die Rotationsachse verlaufenden Ebene im Schnitt dreieckförmig, trapezförmig oder als Segment eines Kegelschnitts oder Ovoids ausgebildet ist.
Allgemein ist es von Vorteil, wenn der Messspalt möglichst eng gewählt wird.
Um eine definierte, reibungsfreie Lagerung des Rotors radial und axial zu erreichen, ohne jedoch auf die Vorteile einer hydrodynamischen Lagerung zu verzichten, kann vorgesehen sein, dass dem Rotor an zumindest einer seiner Flächen, d.h. an seiner Innenfläche und/oder Au ßenfläche, und/oder an zumindest einer Endfläche, jeweils eine Fläche des Stators oder eines Statorteiles oder eines weiteren Statorteils gegenüberliegt und der Rotor bei seiner Rotation durch die im jeweiligen Messspalt zwischen den jeweiligen Flächen herrschende hydrodynamische Lagerwirkung des Prüffluids in radialer und gegebenenfalls auch in axialer Richtung bezüglich der Statorachse berührungsfrei gelagert ist.
Für eine optimale Lagerung kann vorgesehen sein, dass der Stator in Form eines geschlossenen Topfes oder Zylinders ausgebildet ist und dass auf diesem Stator ein die Form eines offenen Topfes aufweisender Rotor mit seinem Innenraum unter Ausbildung des Messspaltes aufgestülpt ist, wobei gegebenenfalls zusätzlich an der dem Stator abgewandten Seite des Rotors im Abstand zum Rotor, insbesondere seiner End- und/oder Umfangswand gegenüberliegend, zumindest ein Statorteil und/oder ein weiterer Statorteil gelegen ist und gegebenenfalls dieser Abstand zwischen dem Rotor und dem jeweiligen Statorteil bzw. weiteren Statorteil als ein eine hydrodynamische Lagerung bewirkender Messspalt ausgebildet ist.
Ein für die Praxis einfach aufgebautes, aber sehr exakt messendes Rotationsrheometer, das in das Prüfmedium eingetaucht werden kann, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stator an seiner zylindrisch ausgebildeten Au ßenfläche eine umlaufende Nut bzw. Vertiefung aufweist, in der der an seiner Innenfläche zur Ausbildung des Messspalts an die Querschnittsform der Vertiefung angepasste Rotor mit Abstand zur Fläche der Vertiefung hydrodynamisch lagerbar bzw. gelagert ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn an einer dem Stator abgewendeten Fläche des in der Vertiefung gelagerten Rotors die Fläche eines Statorteils im Abstand und unter Ausbildung eines weiteren Messspaltes hydrodynamischen Lagers gegenüberliegt.
Damit ergibt sich ein Doppelspaltsystem, das eine Kombination aus Couette- und Searle- Prinzip darstellt und ausgezeichnete hydrodynamische Lagerung gewährleistet.
Um die als für die Messungen von rheologischen Parametern vorteilhafte "Kegel-Platte- Geometrie" bei erfindungsgemäßen Rotationsrheometern nachbilden zu können, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass für die Spaltweite des jeweiligen Messspaltes im Abstand von der Rotationsachse der Zusammenhang
R1/R2 = S1/S2
gilt, wobei R1 und R2 die Abstände von Punkten auf den den Messspalt begrenzenden Flächen von der Rotationsachse des Rotors sind und S1 und S2 die in diesen Punkten R1 und R2 bei hydrodynamischer Lagerung des Rotors ausgebildete Spaltdicke ist und diese Dicke des jeweiligen Messspalts mit zunehmender Entfernung von der Rotationsachse zunimmt.
Prinzipiell können auch nicht rotationssymmetrische Au ßenflächen aufweisende Rotoren verwendet werden, solange sie eine hydrodynamische Lagerung zulassen. Derartige Rotoren können den Querschnitt von Vielecken oder Ellipsen besitzen.
Im Folgenden wir die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Fig. 1 und 2 zeigen einen schematischen Längs- und Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotationsrheometers.
Fig. 3 bis 7 zeigen schematische Schnitte durch weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßerr Rotationsrheometer.
Fig. 8 zeigt schematisch das Prinzip eines Kegel-Platte-Rotationsrheometers.
Ein erfindungsgemäßes Rotationsrheometer besitzt ganz allgemein einen feststehenden, äußeren oder inneren, als Stator 2 fungierenden, vorzugsweise rotationssymmetrischen, Körper, der auch als geschlossener Behälter ausgebildet sein kann, wobei in diesem Behälter als Rotor 1 ein, vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildeter, Messkörper angeordnet ist und konzentrisch zum äu ßeren und/oder inneren Stator 2 liegt. Zwischen Rotor 1 und Stator 2 liegt der Messspalt 15 und bei Rotation des Rotors 1 bildet sich im Messspalt 15 zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 1 eine hydrodynamische Lagerung aus. Durch das Gewicht des Rotors 2 bedingte Abweichungen von der konzentrischen Lage können bei den erfindungsgemäßen Rheometern prinzipiell auftreten, spielen aber insbesondere auch bei einer von der Vertikalen abweichenden Lagerung der Statorachse B bei der Messung keine Rolle und können vernachlässigt werden.
Prinzipiell erfolgt die erfindungsgemäß vorgesehene, hydrodynamische Lagerung des Rotors 1 speziell in radialer Richtung bezüglich seiner Rotationsachse A. Die Lagerung in axialer Richtung kann entweder ebenfalls durch ein hydrodynamisches Lager an den Endflächen des Rotors 1 erfolgen oder durch Anordnung von kleinen Führungsmagneten am Rotor 1 und von Weicheisenteilen 10 am Stator 2, welche Magnete 9 und Weicheisenteile 10 einander jeweils gegenüberliegen und die Bewegungsmöglichkeit des Rotors 1 in Richtung der Rotorachse A beschränken. Ganz allgemein ist mit dem Wirbelstromantrieb ein berührungsloser Antrieb des Rotors 1 möglich, ohne mechanische oder magnetische Lager einsetzen zu müssen.
Ganz allgemein ist es von der konstruktiven Auslegung, insbesondere dem Radius des magnetischen Rotors 1 , der Weite bzw. Dicke des Messspaltes 15, dem Verlauf des gegenseitigen Abstandes der den Messspalt 15 begrenzenden Flächen und der Drehzahl abhängig, welche Prüfmedien 6 aufgrund ihrer speziellen Dichteparameter, Viskositätsparameter und rheologischen Parameter den Rotor 1 beim Anlaufen bzw. Hochlaufen in eine stabile Lage im Bezug auf den Stator 2 bringen und sodann im stationären Messbetrieb die gegenseitige Lage von Rotor 1 und Stator 2 und eine laminare Schichtung des Prüfmediums 6 im Messspalt 15 aufrecht erhalten. Insbesondere ist dabei die Viskosität des Prüfmediums 6 für die Stabilität zu berücksichtigen.
Die hydrodynamische Lagerung soll derart ausgerichtet bzw. dimensioniert sein, dass der Rotor 1 innerhalb des Stators 2 in einer idealen Mittellage bzw. annähernd in der Mittellage, wie sie durch ein hydrodynamischen Lager vorgegeben werden kann, gehalten wird. Es soll des Weiteren der Rotor 1 so angetrieben werden, dass er bei einer zur Horizontalen geneigten Rotorachse A ausreichend aufschwimmt und dass sich im Prüfmedium 6 keine Wirbel bilden. Wenn der Rotor 1 um den Stator 2 rotiert, so wird der Rotor 1 durch die hydrostatische Lagerung in einem annähernd gleich bleibenden Abstand um den Stator 1 gehalten.
Die hydrodynamische Lagerung wird umso besser, je ähnlicher die spezifische Dichte des Rotors 1 der Dichte des zu vermessenden Prüffluids ist, insbesondere dann, wenn der eine zylindrische Umfangsfläche und allenfalls dazu geneigte Endflächen aufweisende Rotor 1 in einem angepassten, eine zylindrische Innenwandfläche und allenfalls dazu geneigte Endflächen aufweisenden Innenraum eines Stators 2 mit dem Wirbelstromantrieb rotiert wird. Zum Ausgleich unterschiedlicher, spezifischer Dichten des Rotors 1 und des Prüfmediums 6 können die Rotordrehzahlen erhöht bzw. angepasst werden.
Für die Ermittlung der Messwerte bzw. der Drehzahlen können bei allen Ausführungsformen Sensoren 31 , 32, z.B. Hallsensoren, optische Sensoren, kapazitive, induktive Sensoren und andere, berührungslos funktionierenden Messvorrichtungen dienen, mit denen die Drehzahl eines Rotors 1 gemessen werden kann. In Frage kommen auch Wirbelstromsensoren.
Prinzipiell ist es auch möglich, den Wirbelstromkörper 3 bzw. die zu rotierenden Permanentmagnete 4 mechanisch anzutreiben, z.B. über einen Riemenantrieb von einem Antriebsmotor; erforderlich ist es, die exakte Drehzahl der Magnete zu ermitteln.
Da die Viskosität eines Fluids im Regelfall temperaturabhängig ist, kann auch eine Temperaturmessung vorgesehen sein. Diese erfolgt mit einem Sensor (14) (Thermoelement etc.), der am Spalttopf bzw. Stator 2 möglichst nahe am Prüfmedium 6 bzw. direkt an der Statoroberfläche in Kontakt mit dem Prüfmedium 6 bündig montiert ist, ohne die Strömung zu stören, oder aber am bzw. im Rotor 1 angeordnet sein kann. Der Sensor umfasst dann Mittel zur berührungslosen Übertragung der Messwerte zum Stator 2 bzw. zu den feststehenden Teilen des Messgeräts.
Von besonderem Vorteil und allgemein einsetzbar ist die Ausführung des Wirbelstromantriebes 3 mit einem magnetischen Rückschluss, der dazu führt, dass die Feldlinien definierter, senkrecht zu den Flächen des Rotors 1 geführt werden können. Für diesen Rückschluss wird Weicheisen oder ein anderes weichmagnetisches Material verwendet, mit welchem Statorteile 2" und weitere Statorteile 2' ausgebildet werden, welche Teile auch für die Ausbildung eines vergrößerten bzw. längeren bzw. von weiteren Messspalten 15 vorgesehen sein können. Mit derartigen Statorteilen 2', 2" kann an der Innenwandfläche und an der Außenwandfläche des Rotors 1 ein Messspalt 15, 15' ausgebildet werden.
Ganz allgemein können bei den erfindungsgemäßen Rotationsrheometern zur Ausbildung von Wirbelströmen entweder rotierende Permanentmagnete 4 oder Spulen 8 eingesetzt werden, die ein rotierendes Magnetfeld erzeugen. Dies erfolgt abhängig von der konstruktiven Gestaltung und dem Einsatzzweck.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rheometers im Schnitt. Ein Gehäuse 30 trägt einen bezüglich einer Statorachse B rotationssymmetrisch ausgebildeten Stator 2, der topfförmig bzw. als Zylinder von dem Gehäuse 30 abgeht. Auf den Stator 2 ist ein topfförmiger, bezüglich der Rotorachse A rotationssymmetrisch ausgebildeter Rotor 1 aufgesetzt, der den Stator 2 unter Ausbildung eines Abstands umgibt. Umgeben wird der Rotor 1 unter Ausbildung eines Abstands von weiteren Statorteilen 2', 2", die mit dem Gehäuse 30 verbunden sind. Auf diese Weise werden zwischen der inneren und äußeren Zylinderfläche des Rotors 1 sowie der inneren und äußeren Endfläche des Rotors 1 und der Au ßenfläche des Stators 2 und der Innenfläche der Statorteile 2', 2" jeweils ein Messspalt 15 bzw. 15' mit einer hydrodynamischen Lagerung für den Rotor 1 ausgebildet. Innerhalb des Stators 2 sind auf einem Träger 33 Permanentmagnete 4 um die Rotorachse A verteilt angeordnet, wobei der Träger 33 um die Statorachse B von einem Antrieb 5 rotierbar ist. Über eine Öffnung 16 kann Prüfmedium 6 in die beiden Messspalte 15, 15' eintreten. Über eine Austrittsöffnung 17 kann das Prüfmedium 6, angetrieben durch die Rotation des Rotors 1 , die Messspalte 15, 15' wieder verlassen.
Es sind Einrichtungen 31 , 32 für die Messung der Drehzahl der Permanentmagnete 4 vorhanden, z.B. Hallsonden, deren zusammenwirkende Messteile einerseits auf dem Träger 33 der Permanentmagnete 4 und andererseits am Gehäuse 30 angeordnet sind. In ähnlicher Weise können Messeinheiten induktiver, optischer oder kapazitiver Art vorgesehen sein, um die Drehzahl des Rotors 1 zu bestimmen. Diese Messeinheiten werden vom Rotor 1 und vom Stator 2 bzw. den Statorteilen 2', 2" oder dem Gehäuse 30 getragen. Der Rotor 1 wird durch die Rotation der Permanentmagnete 4 rotiert, die in dem aus Weicheisen bestehenden Rotor 1 Wirbelströme induzieren, die ihrerseits die Rotation des Rotors 1 durch die auftretenden elektromagnetischen Kräfte bedingen. Die Permanentmagnete 4 sind hier, wie auch bei allen übrigen Ausführungsformen der Erfindung, rotationssymmetrisch und achssymmetrisch bezüglich der Statorachse B und der Rotationsachse A des Rotors 1 ausgebildet. Der Rotor 1 rotiert aufgrund des rotierenden Magnetfelds, das im vorliegenden Fall durch die Permanentmagnete 4 erzeugt wird, wobei die Antriebsdrehzahl des Rotors 1 durch die Drehzahl der Permanentmagnete 4 bzw. die Drehzahl des Antriebsmotors 5 vorgegeben ist.
Die Drehzahl der Permanentmagnete 4 kann in gleicher Weise, wie die Drehzahl des Rotors 1 , mit berührungslos messenden Messeinheiten 31 und 32, z.B. Hallsensoren, induktive, optische oder kapazitive Messeinheiten, ermittelt werden. Alternativ kann die Drehzahlvorgabe des Motors für die weitere Berechnung herangezogen werden.
In axialer Lage auf der Statorachse B wird der Rotor 1 durch die weiteren Statorteile 2', 2" gehalten, welche die Stirnwand des Rotors 1 umgreifen. Somit ist auch an der Stirnwand 1 ' des Rotors 1 beidseitig eine hydrodynamische Lagerung ausgebildet.
Durch die hydrodynamische Lagerung längs des Rotors 1 zentriert sich der Rotor 1 bezüglich der Statorachse B in radialer Richtung und durch die weiteren Statorteile 2" erfolgt eine lagemäßige Stabilisierung in Richtung der Statorachse B.
Um unterschiedliche Prüfmedien 6 vermessen zu können, können ganz allgemein die Geometrie der Anordnung bzw. die Dimensionen des Rotors 1 und gegebenenfalls des Stators 2 und der weiteren Statorteile 2', 2" insbesondere die Spaltdicke des Messspalts 15, 15' variiert werden, sodass für die Messung immer eine hydrodynamische Lagerung erreicht werden kann. Damit werden jegliche Lagerreibung bzw. Lagerkräfte, die durch mechanische Lagerung oder durch eine magnetische Lagerung bewirkt werden, ausgeschlossen. Es ist lediglich die Flüssigkeitsreibung zu überwinden, welche jedoch ein interessanter Messparameter ist und als Maß für die Eigenschaften des Prüfmediums herangezogen werden kann. Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. I .Man erkennt den Träger 33 für die Permanentmagnete 4, die mit abwechselnder Polung längs des Umfanges des Trägers 33 innerhalb des Stators 2 angeordnet sind. Direkt um den Stator 2 herum liegt der erste Messspalt 15, der nach au ßen zu vom Rotor 1 begrenzt ist. Der Rotor 1 ist außen von dem weiteren Messspalt 15' umgeben, der durch die weiteren Statorteile 2' nach au ßen zu begrenzt ist.
Ganz allgemein können die erfindungsgemäßen Rotationsrheometer in jeder beliebigen Lage bzw. Neigung zum Einsatz kommen, da durch die beidseitig des Rotors 1 ausgebildete hydrodynamische Lagerung die räumliche Ausrichtung der Rotorachse A keine Rolle spielt und der Rotor 1 immer unter Ausbildung von eine hydrodynamische Lagerung ermöglichenden Messspalten 15, 15' zwischen dem Stator 2 bzw. den Statorteilen 2' bzw. weiteren Statorteilen 2" gelagert ist. Auftretende ungleiche Gewichtsverteilungen können durch die hydrodynamische Lagerung kompensiert werden.
Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei der innerhalb des langgestreckten, zylindrischen Stators 2 mit dem Antrieb 5 Permanentmagnete 4, die mit abwechselnder Polung aufeinander erfolgend angeordnet sind, rotiert werden. Der Rotor 1 hat in diesem Fall die Ausbildung eines Hohlzylinders mit einem nach außen abgehenden Kragen 35. Der innere Messspalt 15 wird von der Au ßenfläche des Stators 2 und von der Innenfläche des Rotors 1 begrenzt. Der weitere Messspalt 15' wird von der Au ßenfläche des Rotors 1 und von der Innenfläche des Statorteils 2' begrenzt. Mit einem weiteren Statorteil 2" wird der Rotor 1 über den Kragen 35 in Längsrichtung der Statorachse B in einer im Wesentlichen fixen Lageposition während seiner Rotation festgelegt. Der Kragen 35 ist unter Ausbildung einer hydrodynamischen Lagerung zwischen den Statorteilen 2' und dem weiteren Statorteil 2" gelagert und die beidseits von ihm gelegenem Messspalte 15" verbessern die Messgenauigkeit.
Ganz allgemein verlaufen die Drehachse der Permanentmagnete 4 sowie die Statorachse B koaxial. Im Idealfall fällt die Rotationsachse A des Rotors 1 mit diesen Achsen zusammen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Statorachse B im Messbetrieb vertikal ausgerichtet ist. Sofern die Statorachse B horizontal oder in einem Winkel zur Horizontalen angeordnet ist, können aufgrund des Rotorgewichts geringe Abweichungen zwischen dem Verlauf der Rotorachse A und der Statorachse B eintreten.
Fig. 3a zeigt eine ähnliche, alternative Anordnung. Hier wird der leitfähige Rotor 1 durch ein durch Spulen 8 erzeugtes umlaufendes Magnetfeld angetrieben. Innerhalb des Stators 2 sind elektromagnetische Spulen 8, und zwar um die Statorachse B herum verteilt, angeordnet. Mit einer Versorgungseinheit 39 wird mit den Spulen 8 ein um die Statorachse 2 umlaufendes Magnetfeld errichtet, mit dem der um den Stator 2 rotierbar gelagerte Rotor 1 angetrieben wird. Um eine konstante Scherrate über den gesamten Messspalt zu erzielen, sind die Messspalte 15, 15' bzw. 15" so ausgebildet, dass für jeden beliebigen Abstand R1 und R2 von der Rotationsachse A des Rotors (bzw. von der Rotationsachse B des Stators ) für die zugehörigen Spaltweiten S1 und S2 gilt:
R1/S1 = R2/S2 =R1 /S1 ' = R2/S2 bzw. R1/R2 = S1/S2 = S1 7S2'
Das zu untersuchende Fluid 6 wird durch den Rotor 1 durch die Messspalte 15, 15' hindurchbewegt, was durch die Eintrittsöffnungen 16 und die Austrifttsöffnung 17 in Fig. 3a dargestellt ist.
Dabei verlaufen die beiden Spalte 15, 15' um die zylindrischen Flächen des Rotors 1 mit konstanter Spaltweite s (R= constant), während sich die Spaltweiten rund um den auskragenden Rotorteil 35 mit zunehmendem Abstand S von der Rotationsachse verbreitern.
Fig. 5 zeigt einen zylindrischen Rotor 1 , der vollständig vom Stator 2 umschlossen ist. Der Stator 2 ist ein allseitig geschlossener Behälter und mit Prüffluid 6 gefüllt. Zwischen der Außenwandfläche des Rotors 1 und der zylindrischen Innenwandfläche des Stators 2 wird der Messspalt 15 ausgebildet, der gleichzeitig als hydrodynamisches Lager dient.
Permanentmagnete 4 sind von einem Träger 43 getragen, der mit einem Antrieb 5 um den Stator 2 rotierbar ist. Diese rotierenden Permanentmagnete 4 bewirken die Rotation des Rotors 1 innerhalb des Stators 2. Der als Wirbelstromkörper dienende Rotor 1 ist aus elektrisch leitendem Material gebildet, das nicht magnetisierbar und nicht magnetisch ist. Der Stator 2 ist vorteilhafterweise aus nicht magnetisierbarem und nicht magnetischem Material gebildet. Für die Messung der Drehzahl des Rotors 1 sind Messeinheiten 31 , 32 vorgesehen. Ebenfalls wird die Drehzahl der rotierenden Permanentmagnete 4 mit einer Messeinheit 40 erfasst. Diese Messwerte werden mit einer Auswerteeinheit 34 ausgewertet.
Anstelle der rotierenden Permanentmagnete 4 kann ein rotierendes, von Spulen errichtetes Magnetfeld eingesetzt werden.
Um die hydrodynamische Lagerung in axialer Richtung zu verbessern, sind die Endflächen des Zylinders in Achsenrichtung zusätzlich abgeschrägt. In der dargestellten Ausführungsform ist die Innenwand des Stators 2 den Endflächen des Rotors nachgebildet ist und verläuft annähernd parallel zu diesen. Um definierte Scherraten zu erzielen, kann der Spaltabschnitt 15a an den Endflächen so ausgebildet werden, dass wiederum die Bedingung R1/R1 = S1/S2 erfüllt ist.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform, die vom Aufbau her nahezu identisch mit dem in Fig. 5 dargestellten Aufbau ist. In diesem Fall ist jedoch der zumindest eine Permanentmagnet 4 innerhalb des Rotors 1 angeordnet und um den Stator 2 wird mit dem vom Antrieb 5 angetriebenen Träger 43 als Wirbelstromkörper 3 ein Käfig oder eine topfartige Leiterschleife rotiert, womit der Rotor 1 in Rotation um seine Rotationsachse A versetzt wird. Es können auch wie in der Zeichnung beispielhaft mit den Magneten 4 ' , 4 " dargestellt, mehrere Permanentmagnete, möglichst symmetrisch angeordnet werden, so dass der Rotor eine gleichmäßige Massenverteilung entlang seiner Achse aufweist und die Magnetkräfte symmetrisch sind, um ein Torkeln des Rotors im hydrodynamischen Lager zu verhindern. Der vollständig zylindrische Rotor ist in Längsrichtung der Statorachse B durch am Stator 2 angeordnete Weicheisenteile 10, die zumindest einem der rotierenden Magneten des Rotors gegenüberliegen, in seiner Lage bezüglich der Achse stabilisiert.
Ganz allgemein können überwiegend zylindrische Rotoren mit nicht ausreichender axialer hydrodynamischer Lagerung in Längsrichtung der Rotorachse A bzw. Statorachse B durch am Rotor 1 und/oder am Stator 2 passend angeordnete Magnete 9 und diesen gegenüberliegende Weicheisenteile 10 stabilisiert werden.
Die Permanentmagnete 4 bzw. der Wirbelstromkörper 3 gemäß Fig. 5 und 6 rotieren außen um den Stator 2, in dem der Rotor 1 frei schwimmt. Die hydrodynamische Lagerung wird dabei umso besser, je ähnlicher die spezifische Dichte des Rotors 1 der Dichte des zu vermessenden Prüfmediums 6 ist. Je unterschiedlicher die Dichte des Rotors und der zu vermessenden Flüssigkeit ist, umso höher werden die Rotordrehzahlen gewählt. Insbesondere kommen Drehzahlbereiche von 0,2 bis 2000 upm und sogar bis zu 10.000 oder 30.000 upm in Frage, da der Rotor 1 in Mittellage aufschwimmen muss, insbesondere dann, wenn das Rheometer mit horizontal ausgerichteter Statorachse B betrieben wird. Im Allgemeinen sind ein hohes Drehmoment bzw. eine hohe Drehzahl für den Rotor 1 erforderlich, die auch von der Größe des Stators 2 bzw. des Innenraums des Stators 2, der den Rotor 1 umgibt, und den Abmessungen des Rotors 1 sowie den Parametern des Prüfmediums 6 abhängen.
Fig. 7 zeigt ein Rotationsrheometer, bei dem innerhalb des Stators 2 elektromagnetische Spulen 8, und zwar um die Statorachse B herum verteilt, angeordnet sind. Mit einer Versorgungseinheit 39 wird mit den Spulen 8 ein um die Statorachse 2 umlaufendes Magnetfeld errichtet, mit dem der um den Stator 2 rotierbar gelagerte Rotor 1 angetrieben wird. Der Stator 2 weist an seiner zylindrisch ausgebildeten Au ßenfläche eine umlaufende Nut bzw. Vertiefung 20 auf, in der der an seiner Innenfläche zur Ausbildung der speziellen Geometrie des Messspalts 15 an die Querschnittsform der Vertiefung 20 angepasste Rotor 1 mit Abstand zur Fläche der Vertiefung 20 hydrodynamisch lagerbar bzw. gelagert ist.
Mit den Statorteilen 2' wird der Rotor 1 auf dem Stator 2 in Richtung der Statorachse B lagestabilisiert bzw. der magnetische Rückfluss verstärkt. Zwischen der dem Stator 2 zugekehrten Fläche des Rotors 1 und der Außenfläche des Stators 2 liegt der Messspalt 15, der bezüglich der Statorachse B und der Rotorachse A zentrisch symmetrisch verlängert und bezüglich einer Ebene E, die senkrecht zur Rotationsachse A bzw. zur Statorachse B durch die Mitte des Messspalts 15 verläuft, symmetrisch ausgebildet ist. Ganz allgemein ist festzuhalten, dass in einem durch die Rotationsachse A des Rotors 1 bzw. durch die Statorachse B verlaufenden Schnitt der Messspalt 15 bzw. die den Messspalt 15 begrenzenden Flächen des Rotors 1 und Stators 2 zumindest einen geraden, geknickten, abgebogenen und/oder gekrümmten Abschnitt besitzen der zur Rotationsachse A bzw. zur Statorachse B geneigt verläuft bzw. mit diesen einen spitzen Winkel einschließt, dessen Scheitel ins Innere des Messspalts 15 gerichtet ist und/oder dass die einander gegenüberliegenden Flächen des Messspalts 15 bezüglich der Rotationsachse A jeweils zentrisch symmetrisch ausgebildet sind und/oder dass die den Messspalt 15 begrenzenden Flächen bezüglich einer senkrecht zur Rotationsachse A verlaufende Mittelebene E des Messspaltes 15 jeweils symmetrisch verlaufen. Ein derartiger Aufbau eines Messspaltes ist insbesondere aus der Fig. 4 und 7 ersichtlich.
Im vorliegenden Fall sind die Oberfläche der Vertiefung 20 im Stator 2 sowie die Flächen des Rotors 1 als auch die Innenfläche des vorteilhafterweise vorgesehenen weiteren Statorteils 2" gekrümmt. Die Messspalte 15, 15' verändern ihren Abstand; der innenliegende Messspalt 15 wird von innen nach außen zu größer; die Dicke des außen liegenden Messspaltes 15' nimmt nach außen zu ab. Entsprechend verändert sich die Dicke des Messspaltes 15. Diese Dickenänderung ist so gewählt, dass sie die Aufrechterhaltung einer hydrodynamischen Lagerung nicht beeinträchtigt.
Mit Messeinheiten 31 , 32 wird die Drehzahl des Rotors 1 vermessen, die aufgrund der den beiden Messspalten 15 und 15' vorhandenen Prüfmediums 6 kleiner ist als die Drehzahl des durch die Spulen 8 erzeugten Magnetfelds.
Fig. 7a zeigt schematisch einen Ausführungsform, in der der Rotor 1 auf einem Stator 2 läuft , deren Form im Wesentlichen einem Teil eines Kegelmantes entspricht. Die axiale und radiale Lagerung des Rotors erfolgt hier an derselben Rotorfläche, die Anteile in radialer und axialer Richtung entsprechen den Projektionen der Mantelfläche auf die Ebenen durch die Rotationsachse und die Normale dazu.
Die Ausführungsform des Rheometers gemäß Fig. 4, 7 und 7a können besonders einfach in die Wand 18 eines Rohres oder eines Behälters eingesetzt werden und das im Rohr bzw. Behälter befindliche Prüfmedium 6 vermessen werden.
Für Rotationsrheometer mit einem Kegel-Platte-Messsystem ist es bekannt, dass konstante Scherraten über den gesamten Spalt erzielt werden, wenn - wie in Fig. 8 im Schnitt dargestellt - für die Spalthöhe s in einem beliebigen Abstand bzw. Radius r von der Rotationsachse gilt : R1/R2 = S1/S2. Das bedeutet, dass die Spalthöhe s mit Vergrößerung des Abstandes R von der Rotationsachse A des Rotors 1 1 konstant zunimmt. Diese Bedingung kann auch bei erfindungsgemäßen Rotationsrheometern verwirklicht werden, insbesondere bei Rheometern gemäß Fig. 1 a, 4 und 7.
In Fig. 4 ist ein Rotationsrheometer dargestellt, bei dem der Rotor 1 Kegelstumpfform besitzt und in einen Messspalt 15 begrenzt, der nach obiger Bedingung einen dieser Bedingung genügenden, sich zur Rotationsachse A und zur Spaltmittelebene E hin sich verjüngenden Messspalt 15 besitzt. Auch das in Fig. 7 dargestellte Rotationsrheometer könnte bei entsprechender Umgestaltung des Rotors 1 , der Vertiefung 20 und des Statorteiles 2' diese Bedingung für Messspalte 15, 15' erfüllen. In der dargestellten Ausführungsform erfüllt nur der innen liegende Messspalt diese Bedingung. Diese Bedingung könnte dann für die in Fig. 7 verwendete Spaltgeometrie gelten, wenn sich beide Messspalten 15 und 15', die zwischen der Innenfläche des Rotors 1 und der feststehenden Au ßenfläche des Stators 2 sowie zwischen der Au ßenfläche des Rotors 1 und der Innenfläche des Statorteiles 2' liegen radial bzw. nach au ßen zu immer weiter öffnen und der obigen Bedingung genügen. In diesem Fall können auf das zu untersuchende Fluid konstante Scherraten ausgeübt werden. Damit können insbesondere bei Vornahme einer Kalibrierung auch nicht-newtonsche Flüssigkeiten in einfacher Weise untersucht werden.
Ganz allgemein ist es vorteilhaft, wenn alle einander gegenüberliegende, Messspalte 15 bzw. 15' begrenzenden Flächen rotationssymmetrisch bzw. zentrisch symmetrisch ausgebildet sind bzw. konzentrisch liegen. Dies gilt auch für die Wirbelstromkörper 3 und die Statorteile 2' und 2". Des Weiteren sind die eingesetzten Bauteile vorteilhafterweise homogen aufgebaut. Für die Erfindung ist es unbeachtlich, ob der Rotor 1 innerhalb eines Stators 2 oder um den Stator 2 herum rotiert, da zwischen dem Rotor 1 und dem Stator 2 immer eine hydrodynamische Lagerung ausgebildet werden kann.
Für den Fachmann ist es in einfacher Weise möglich, die Dicke und Geometrie der ausgebildete Messspalte 15, 15' sowie die Dimensionen des Rotors 1 und des Stators 2 aneinander anzupassen, sodass immer eine hydrodynamische Lagerung für die Prüfung eines bestimmten Prüfmediums 6 erreichbar ist. Insbesondere kann durch Austausch von Rotoren 1 und Wahl anderer Dicken, Längen oder spezifischer Gewichte der Rotoren 1 eine Anpassung an unterschiedliche Dichten und/oder rheologische Eigenschaften aufweisende Prüfmedien 6 einfach vorgenommen werden. Auch durch eine Wahl der Antriebsdrehzahlen, die durch umlaufende Magnetfelder oder umlaufende Permanentmagnete 4 oder umlaufende Wirbelstromkörper 3 vorgegeben werden, ist eine Anpassung einfach zu bewerkstelligen.
Die vorgesehenen Permanentmagnete 4 bzw. Spulen 8 sind zentrisch symmetrisch zur Rotorachse A angeordnet. Es sind zumindest zwei vorzugsweise mehr als zwei Permanentmagnete 4 bzw. Spulen 8 vorgesehen. Längs des Umfanges aufeinanderfolgende Permanentmagnete sind mit entgegengesetzter Polung angeordnet; die Spulen 8 sind entsprechend umpolbar.
Prinzipiell ergeben sich die Drehzahl des rotierenden Magnetfeldes und. die Antriebsdrehzahl durch die Rotation der Permanentmagnete 4 bzw. der Drehzahl des umlaufenden Magnetfeldes bzw. des umlaufenden Wirbelstromkörpers. Diese Drehzahlen sind exakt messbar. Zur Ermittlung der gewünschten rheologischen Parameter wird die Rotordrehzahl gemessen, die sich aufgrund der Bremsung des Rotors durch das Prüfmedium einstellt. Es ist möglich, eine Kalibrierung eines Rotors bzw. eine Rheometers mit Fluiden bekannter Viskosität bzw. bekannter Parameter vorzunehmen und eine Kalibriertabelle zu erstellen, die sich bei bestimmten Temperaturen oder Drucken ergebenden Drehzahlen des Rotors mit tatsächlichen Viskositätswerten bzw. rheologischen Parametern in Beziehung setzt.
Ganz allgemein und beispielsweise für Fig. 1 , 3 und 7 gilt, dass die ausgebildeten hydrodynamischen Lager bzw. Messspalte 15, 15', 15" radiale und axial verlaufende Lager- bzw. Messspaltabschnitte 15, 15', 15" besitzen können. Die in radialer Richtung verlaufenden hydrodynamischen Lagerabschnitte legen die Lage des Rotors in Längsrichtung der Statorachse B fest. Die Lagerabschnitte, die in axialer Richtung bzw. in Längsrichtung der Rotorachse A verlaufen, legen die radiale Ausrichtung des Rotors 1 fest. Bei einem Rotationsrheometer, wie dieses beispielsweise in Fig. 7 dargestellt ist, sind die Messspalte 15, 15' nicht in axiale und radiale Lagerabschnitte zu trennen. Aufgrund der Krümmung der Messspalte sind in jedem Punkt ein radialer und ein axialer Anteil vorhanden und somit ist insgesamt eine hydrodynamische Lagerung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung sichergestellt. Es sind somit auch kugelförmige bzw. elliptisch oder ovoid gestaltete Lagergeometrien denkbar. Wichtig ist dabei, dass die projizierte Fläche in axialer und radialer Richtung für eine hydrodynamische Lagerung ausreichend ist.
Nicht-newtonsche Fluide zeigen in ihren Parametern, insbesondere Viskositäten eine Abhängigkeit von der Schergeschwindigkeit. Um reale nicht-newtonsche Fluide beurteilen zu können, müsste über den tatsächlichen Messspalt eine konstante Scherrate auf das zu vermessende Fluid ausgeübt werden. Um dies zu bewerkstelligen muss der Messspalt besonders ausgeführt werden. Unter der Scherrate versteht man dabei die Steigung der Geschwindigkeit im Spalt.
Die Enden der bei den erfindungsgemäßen Rotationsrheometern zum Einsatz kommenden Rotoren 1 können abgerundet oder torpedoartig spitz zulaufend enden. In diesen Bereichen können die gegenüberliegenden Flächen am Stator 2 bzw. den Statorteilen 2' bzw. 2" eine entsprechende Neigung bzw. Anpassung besitzen.
Der Durchmesser der Rotoren 1 ist wählbar; beispielsweise können Rotoren 1 aus Aluminium oder Kupfer mit einem Durchmesser von 0,5 cm und einer Länge von 3 bis 4 cm oder mit einem Durchmesser von 1 cm und einer Länge von 15 bis 20 cm gewählt werden; die dabei ausgebildeten Spalte besitzen Spaltweiten von einigen zehntel Millimetern, z.B. 0,2 mm bzw. 0,5 bis 1 mm und es können Drehzahlwerte, z.B. von 500 rpm in einem Drehzahlbereich von kleiner 1 rpm bis zu 10.000 rpm zum Einsatz gelangen. Ohne Weiteres ist es jedoch auch möglich, dass Rotoren 1 eingesetzt werden, die 20 cm Durchmesser besitzen. Von Vorteil ist es jedoch, wenn die Länge des Rotors etwa um den Faktor 3 bis 6, insbesondere 4 bis 5, größer ist als der Durchmesser, da damit allenfalls auftretende Randeffekte minimiert werden und unberücksichtigt bleiben können. Die prinzipiell beliebig lange Ausführung des Rotors wird durch die Handhabbarkeit, Fertigungsbedingungen und Reinigung nach oben begrenzt.
Von Vorteil ist es, wenn während der Messung im Prüfmedium zeitlich und räumlich konstante Temperatur herrscht. Es kann somit eine Temperierung mit vorzugweise rotationssymmetrischen Peltier-Elementen oder mit einem flüssigkeitstemperierten Mantel und/oder mit Widerstandsheizungen vorgenommen werden.
Next Patent: METHOD FOR VERIFYING GENERATED SOFTWARE, AND VERIFYING DEVICE FOR CARRYING OUT SUCH A METHOD