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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit mit ei- nem rotierbaren und mit der Messflüssigkeit füllbaren, äusseren Hohlzylinder und einem im Inneren des äusseren Hohlzylinders befindlichen und von der Messflüssigkeit umgebenen, inneren Zylinder, wobei eine Vorrichtung zur Erzeugung eines auf die Rotationsbewegung des inneren Zylinders wirkenden Bremsmoments vorgesehen ist, welche einen im inneren Zylinder festgelegten, normal zur Längsachse des inneren Zylinder polarisierten ersten Permanentmagneten, und ein ausserhalb des äusseren Zylinders auf Höhe dieses ersten Permanentmagneten angeordnetes, mit Strom (i) beaufschlagbares Spulenpaar, dessen Längsachse normal zur Längsachse des inneren Zylinders verläuft, umfasst.
Die Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten kann entweder in einem Kapillarviskosimeter durch Messung der Durchflussgeschwindigkeit durch eine Kapillare oder in einem Rotationsviskosi- meter durch Messung des Drehmoments zwischen zwei Zylinderkörpem mit dazwischen befindli- chem, flüssigkeitsdurchströmten Spalt bei unterschiedlicher Drehzahl beider Zylinderkörper vorge- nommen werden.
Bekannte Rotationsviskosimeter bestehen aus einem äusseren Hohlzylinder, in dem ein innerer Zylinder gelagert ist, sodass ein möglichst genau definierter Spalt zwischen äusserem Hohlzylinder und innerem Zylinder gebildet wird. Bei Rotation des äusseren Hohlzylinders wirkt über den mit der Messflüssigkeit gefüllten Spalt ein viskositätsabhängiges Drehmoment auf den inneren Zylinder.
Dieses Drehmoment wird als Ausschlagsgrösse einer Drehfeder oder über das Antriebsmoment gemessen und in den Viskositätswert umgerechnet.
Die Nachteile bekannter Vorrichtungen bestehen einerseits darin, dass durch die Lagerreibung des inneren Zylinders die Messgenauigkeit relativ gering ist und dass eine Bestimmung des Visko- sitätsbereiches über mehrere Grössenordnungen hinweg aus messtechnischen Gründen nicht möglich ist.
Aus der WO 86/00408 A1 geht ein Gerät zum Messen von rheologischen Eigenschaften eines Mediums, bei dem ein in das Medium eingetauchter Rotor mit einem Permanentmagneten verbun- den ist und durch ein äusseres, drehbares oder rotierendes, mittels feststehenden Spulen elektro- magnetisch erzeugten Magnetfeldes angetrieben wird hervor. Der Verdrehungswinkel des Rotors gegenüber dem antreibenden Magnetfeld wird berührungslos gemessen und daraus die Scher- spannung bzw. die Viskosität oder elastische oder plastische Eigenschaften des Mediums be- stimmt. Sowohl der Antrieb des Rotors wie auch die Messung des Verdrehungswinkels werden ohne Durchführung von mechanisch bewegten Teilen durch die Wandung eines geeigneten ge- schlossenen Gefässes hindurch vorgenommen.
Als nachteilig an der WO 86/00408 A1 erweist sich, dass durch die Unlinearität der Wirbel- strombremse und den hohen Temperaturkoeffizienten die Messunsicherheit auf ca. 5.10-3 des Messwertes beschränkt wird.
In der AT-B-406 425 wird ein gattungsgemässes Rotationsviskosimeter beschrieben, bei wel- chem diese Nachteile vermieden sind. Es ist hier als Vorrichtung zur Erzeugung eines auf die Rotationsbewegung des inneren Zylinders wirkenden Bremsmoments eine Wirbelstrombremse vorgesehen. Diese umfasst ein auf oder in dem inneren Zylinder angeordnetes, elektrisch leiten- des, vorzugsweise ringförmiges Wirbelstromelement und ein ausserhalb des äusseren Hohlzylinders angeordnetes Brems-Magnetelement zur Erzeugung eines quer zur Rotationsachse des äusseren Hohlzylinders orientierten Magnetfeldes.
Damit kann eine Verzögerung der Drehzahl des inneren Zylinders durch die Ausbildung von Wirbelströmen erzielt werden, wodurch sich insgesamt eine messbare Drehzahl n2 des inneren Zylinders einstellt, die aus der bremsenden Wirkung der Wir- belstrombremse und der antreibenden Wirkung des äusseren Hohlzylinders resultiert, die von der Viskosität der Messflüssigkeit abhängt.
Neben dem Vorteil des einfachen Aufbaues besteht bei dieser Bauform allerdings ebenfalls der Nachteil, dass durch die Unlinearität der Wirbelstrombremse durch Feldverdrängungseffekte und den hohen Temperaturkoeffizienten die Messunsicherheit auf ca. 5.10-3 des Messwertes be- schränkt wird. Ist die Wirbelstrombremse auf ein hohes Bremsmoment ausgelegt, um hochviskose Präparate zu messen, so ergeben sich für niedrige Viskositäten unzulässig hohe Relativgeschwin- digkeiten zwischen dem inneren Zylinder und dem äusseren Zylinder. Dies bewirkt eine, in der Rotationsviskometrie allgemein bekannte Verschlechterung der Messgenauigkeit durch Sekundär- strömungen am Messzylinder.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und ein Rotations- viskosimeter der eingangs erwähnten Art anzugeben, welches über sehr weite Viskositätsbereiche eine sehr hohe Messgenauigkeit aufweist.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines auf die Rotationsbewegung des inneren Zylinders wirkenden Bremsmoments eine Messvorrichtung zur Bestimmung der aktuellen Ausrichtung des ersten Permanentmagneten und der Drehzahl (n2) des inneren Zylinders, und eine Stromsteuer-Einrichtung, welche die Polarität des Stroms (i) bei jeder Ausrichtung des ersten Permanentmagneten in Richtung der Längsachse des Spulenpaares umkehrt, umfasst, sodass bei vorgegebener Drehzahl n1 des äusseren Zylinders und einer dem eingeprägten Strom i proportionalen Grösse K die Viskosität gemäss der Formel @ = K/(ni - n2) bestimmbar ist.
Die Bremsvorrichtung kann über die Stärke des Bremsstromes hinsichtlich des von ihr ausge- übten Bremsmomentes über eine Steuerung an die aktuellen Messbedingungen, d. h. an die Grö- #enordnung der Viskosität der gerade vermessenen Flüssigkeit angepasst werden. Unzulässig hohe, die Messgenauigkeit herabsetzende Relativgeschwindigkeiten zwischen dem inneren und dem äusseren Zylinder werden vermieden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Spulenpaar als Helm- holzspule ausgebildet ist, weil sich mit einer solchen Spulenkonfiguration ein besonders homoge- nes Brems-Magnetfeld erzeugen lässt.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die Messvorrichtung zur Bestimmung der aktuellen Aus- richtung des ersten Permanentmagneten und der Drehzahl (n2) des inneren Zylinders durch - wie an sich bekannt - einen im Wirkungsbereich des ersten Permanentmagneten angeordneten Hall- sensor gebildet ist.
Damit kann eine berührungslose Ausrichtungs- und Drehzahlbestimmung verwirklicht werden, die keine Reibungsverluste in der Rotationsbewegung des inneren Zylinders entstehen lässt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann darin liegen, dass ein im Inneren des inne- ren Zylinders angeordneter, in Richtung der Längsachse des inneren Zylinders polarisierter zweiter Permanentmagnet sowie eine den äusseren Zylinder umgebende, koaxial zum diesem und auf Höhe des zweiten Permanentmagneten angeordnete, mit Gleichstrom beaufschlagbare Spule vorgesehen ist.
Der innere Zylinder wird damit ohne störende Seitenkräfte und ohne zusätzliche Bremsmomen- te gegen axiale Verschiebungen gesichert.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen be- sonders bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemässe Vorrichtung der Fig. 1 und
Fig.3 ein Blockschaltbild einer Stromsteuer-Einrichtung zur Erzeugung des das bremsende Magnetfeld aufbauenden Stromes i.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit dargestellt, die einen rotierbaren äusseren Hohlzylinder 1 und einen im Inneren des äusseren Hohlzylinders befind- lichen, inneren Zylinder 2 umfasst. Die Darstellung in der Fig. 1 zeigt jene Lage des inneren Zylin- ders 2, den dieser annimmt, wenn der äussere Hohlzylinder 1 rotiert wird und die Messflüssigkeit den Raum zwischen dem äusseren Hohlzylinder 1 und dem inneren Zylinder 2 ausfüllt. Die Mess- flüssigkeit ist in Fig. 2 schraffiert symbolisiert. Der Innendurchmesser des äusseren Zylinders 1 ist zu diesem Zweck grösser als der Aussendurchmesser des inneren Zylinders 2, sodass zwischen der Innenfläche des äusseren Hohlzylinders 1 und des inneren Zylinders 2 ein zylinderringförmiger Spaltraum 3 ausgebildet werden kann.
Das Masse-Volumen-Verhältnis des inneren Zylinders 2 ist so gewählt, dass es kleiner als die Dichte der Messflüssigkeit ist, womit sich der innere Zylinder 2 bei Rotation des äusseren Hohlzylinders 1 infolge des zentrifugalen Druckgefälles in eine konzentri- schen Position relativ zum äusseren Hohlzylinder 1 bewegt und dort schwimmend in der Messflüs- sigkeit zu rotieren beginnt. Damit ist der innere Zylinder 2 in radialer Richtung zentriert.
In axialer Richtung kann dieser Zylinder 2 grundsätzlich in beliebiger Weise fixiert werden, ins- besondere auch mittels in der AT-B-406 425 beschriebenen Distanz-Magnetelementen, die im Bereich der stirnseitigen Enden des inneren Zylinders 2 vorgesehen sind und die sich jeweils im Wirkungsbereich von innerhalb des äusseren Zylinders 1 fest angeordneten Lager-Magnetelemen-
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ten befinden.
Bevorzugterweise ist für die axiale Fixierung des inneren Zylinders 2 jedoch ein in Inneren des inneren Zylinders 2 angeordneter, in Richtung der Längsachse 4 des inneren Zylinders 2 polarisier- ter zweiter Permanentmagnet 15 vorgesehen. Auf Höhe dieses zweiten Permanentmagneten 15 ist eine den äusseren Zylinder 1 umgebende, koaxial zu beiden Zylindern 1 und 2 ausgerichtete Spule 16 angeordnet, die im Betrieb der Vorrichtung mit Gleichstrom beaufschlagt wird. Das damit von dieser Spule 16 erzeugte Magnetfeld hält den zweiten Permanentmagneten 15 auf Höhe der Spule 16, womit axiale Verschiebungen des inneren Zylinders 2 verhindert werden, ohne dass störende Radialkräfte auftreten.
Der äussere Zylinder 1 ist drehbar gelagert sowie mittels einer geeigneten Antriebsvorrichtung, insbesondere einem Elektromotor, rotatorisch mit einer konstanten Drehzahl n, angetrieben.
Erfindungsgemäss ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines auf die Rotationsbewegung des in- neren Zylinders 2 wirkenden Bremsmoments vorgesehen, die zunächst einen im inneren Zylinder 2 festgelegten, normal zur Längsachse 4 des inneren Zylinder 2 polarisierten ersten Permanentmag- neten 5 umfasst. Zweite Komponente der erfindungsgemässen Bremsvorrichtung ist ein Spulenpaar 6, das ausserhalb des äusseren Zylinders 1 auf Höhe dieses ersten Permanentmagneten 5 liegt.
Wie sich aus den beigeschlossenen Zeichnungsfiguren ergibt, besteht dieses Spulenpaar 6 aus zwei parallelen, koaxialen Spulen. Vorzugsweise ist das Spulenpaar 6 als Helmholzspule ausgebil- det, d. h. dass beide Spulen gleichen Radius aufweisen und der Abstand zwischen den beiden Spulen gleich diesem Radius gewählt ist.
Das Spulenpaar 6 ist dabei so ausgerichtet, dass seine Längsachse 7 normal zur Längsachse 4 des inneren Zylinders 2 verläuft. Ein durch dieses Spulenpaar 6 geleiteter Strom baut damit ein auf den ersten Permanentmagneten 5 einwirkendes Magnetfeld auf. Je nach Phasenlage und Stärke des Stromes ergibt sich ein antreibendes oder bremsendes Moment auf den inneren Zylin- der, welches streng proportional diesem Strom ist.
Bei ordnungsgemässem Antrieb des erfindungsgemässen Rotationsviskosimeters sind lediglich Bremsmomente auf den inneren Zylinder 2 auszuüben, wozu die Polarität des das Spulenpaar 6 durchfliessenden Stromes immer dann umgekehrt werden muss, wenn der erste Permanentmagnet 5 in Richtung der Längsachse 7 des Spulenpaares 6 ausgerichtet ist. Das Spulenpaar 6 wird deshalb mit einem Strom i beaufschlagt, dessen Polarität stets so gewählt ist, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld ein bremsendes Moment auf den inneren Zylinder 2 ausübt.
Als dritte Hauptkomponente der erfindungsgemässen Bremsvorrichtung ist eine Messvorrich- tung zur Bestimmung der aktuellen Ausrichtung des ersten Permanentmagneten 5 und der Dreh- zahl n2 des inneren Zylinders 2 vorgesehen. Es können hierfür beispielsweise optische Sensoren eingesetzt werden, bevorzugt ist die Messvorrichtung jedoch durch einen im Wirkungsbereich des ersten Permanentmagneten 5 angeordneten Hallsensor 8 gebildet. Die in diesem Hallsensor 8 vom ersten Permanentmagneten 5 induzierte Wechselspannung weist immer dann, wenn der erste Permanentmagnet 5 in Richtung der Längsachse 7 des Spulenpaares 6 ausgerichtet ist, einen Nulldurchgang auf. Eine mit dem Hallsensor 8 verbundene Stromsteuer-Einrichtung 9 detektiert diese Nulldurchgänge und nimmt die erörterte Umpolung des das Spulenpaar 6 durchfliessenden Stromes i vor.
Da der innere Zylinder 2 frei von Lagerreibung in der Messflüssigkeit schwimmt, stellt sich die Drehzahl n2 des inneren Zylinders 2 so ein, dass das vom äusseren Zylinder 1 über die Messflüs- sigkeit eingebrachte Antriebsmoment Md - 7 (n1 - n2) gleich gross dem vorteilhafterweise bremsen- den Moment Mr ist, wobei n..... die dynamische Viskosität der Messflüssigkeit, n2..... die Drehzahl des inneren Zylinders 2 und n1...... die Drehzahl des äusseren Zylinders 1 ist.
Md = Mr; # (ni - n2) = K; # = K/(ni - n2)
K ist eine Konstante, die proportional dem in das Spulenpaar 6 eingeprägten Strom i ist.
K = C . i. Die Drehzahl n1 wird über einen Synchronmotor konstant gehalten und ist damit genau bekannt bzw. genau messbar. Die Drehzahl n2 des inneren Zylinders 2 wird ebenfalls mittels der Hallsonde 8 digital gemessen.
Die Apparatekonstante C wird an einem Präparat bekannter Viskosität ermittelt und ist somit ebenfalls genau bekannt. Da n, und n2 mit praktisch beliebiger Genauigkeit gemessen werden können, ist die Konstanz und Genauigkeit des Stromes i die einzige, die Messgenauigkeit bestim- mende Grösse. Auch die Höhe des Stromes i lässt sich aber sehr genau feststellen, sodass insge-
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samt die dynamische Viskosität # der Messflüssigkeit mit besonders hoher Genauigkeit ermittelt werden kann.
Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Stromsteuer-Einrichtung 9. Diese umfasst eine, vorteilhafterweise aus einer Bandgap-Diode bestehende Konstantspannungsquelle 10, die eine 20 ppm konstante Spannung liefert. Diese wird im Nulldurchgang des Hallsignales im Pol- wender 11 umgepolt und in einem Widerstandsteiler 12 mit einer Stabilität von besser als 10 ppm geteilt. Der Operationsverstärker 14 wandelt schliesslich die Spannung in den Strom i um, der durch das Spulenpaar 6 geschickt wird. Mit der beschriebenen Anordnung wird ein rechteckiger Strom i erzeugt, der jedes Mal, wenn der erste Permanentmagnet 5 in Richtung der Längsachse 7 des Spulenpaares 6 liegt, seine Polarität wechselt. Es entsteht dadurch ein sinusförmiger Verlauf des Bremsmomentes, was jedoch bei kleinen Bremsmomenten nicht stört.
Werden hohe Bremsmo- mente benötigt, ist es vorteilhaft, eine zweite identische Bremsvorrichtung vorzusehen, die um 90 versetzt ist, d. h. bei welcher die Längsachse des Spulenpaares 90 gegenüber der Längsachse 7 des ersten Spulenpaares 6 verdreht angeordnet ist. Damit lässt sich eine gleichförmige Bremswir- kung erzielen.
Wie in der Literatur (Hiroshi Kobayashi et al.: End effect in a coaxial viscometer;
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teten Strömung am inneren Zylinder 2 vernachlässigt werden, wenn die Reynolds-Zahl Re im zylinderringförmigen Spaltraum 3 den Wert R3knl < 10 nicht überschreitet.
Die Reynolds-Zahl Re ist proportional n1-n2 (v..... kinematische Viskosität). v
Die Höhe des Stromes i-und damit die Höhe des aktuellen Bremsmomentes- wird in Abhän- gigkeit von der Drehzahl n2 des inneren Zylinders 2 und der kinematischen Viskosität der Mess- flüssigkeit so gewählt, dass die Reynolds-Zahl im zylinderringförmigen Spaltraum 3 Re < 10 gehal- ten wird. Diese Einstellung kann händisch oder durch die Steuerlogik 13 erfolgen, wozu diese auf den Widerstandsteiler einwirken, d. h. das aktuelle Teilungsverhältnis entsprechend einstellen kann.
Vor allem im Bereiche niedriger Viskositäten lässt sich damit die Messgenauigkeit des erfin- dungsgemässen Rotationsviskosimeters um den Faktor 10 erhöhen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit mit einem rotierbaren und mit der Messflüssigkeit füllbaren, äusseren Hohlzylinder (1) und einem im Inneren des äusseren
Hohlzylinders (1) befindlichen und von der Messflüssigkeit umgebenen, inneren Zylinder (2), wobei eine Vorrichtung zur Erzeugung eines auf die Rotationsbewegung des inneren
Zylinders (2) wirkenden Bremsmoments vorgesehen ist, welche einen im inneren Zylinder (2) festgelegten, normal zur Längsachse (4) des inneren Zylinder (2) polarisierten ersten
Permanentmagneten (5), und ein ausserhalb des äusseren Zylinders (1) auf Höhe dieses ersten Permanentmagneten (5) angeordnetes, mit Strom (i) beaufschlagbares Spulenpaar (6), dessen Längsachse (7) normal zur Längsachse (4) des inneren Zylinders (2) verläuft, umfasst, dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines auf die
Rotationsbewegung des inneren Zylinders (2) wirkenden Bremsmoments eine Messvor- richtung (8) zur Bestimmung der aktuellen Ausrichtung des ersten Permanentmagneten (5) und der Drehzahl (n2) des inneren Zylinders (2), und eine Stromsteuer-Einrichtung (9), welche die Polarität des Stroms (i) bei jeder Ausrichtung des ersten Permanentmagneten (5) in Richtung der Längsachse (7) des Spulenpaares (6) umkehrt, umfasst, sodass bei vorgegebener Drehzahl n1 des äusseren Zylinders (1 ) und einer dem eingeprägten Strom i proportionalen Grösse K die Viskosität gemäss der Formel # = K/(ni - n2) bestimmbar ist.