SE501809C2 - Sätt att mäta reologiska egenskaper och reometer för genomförande av sättet - Google Patents

Description

. av 501 809 10 15 20 25 30 35 2 i varandra. Den yttre cylindern kan vridas medelst en drivanordning och den inre är fast. Vätskeprovet vars viskositet skall bestämmas placeras i spalten mellan cylindrarna. Viskositeten hos vätskeprovet bestäms genom mätning av det moment med vilket vätskan påverkar den inre cylindern när den yttre cylindern vrids och vätskan skju- vas mellan cylindrarna.

En sådan reometer är emellertid av flera skäl inte lämpad att användas för kroppsvätskor. Den kräver nämligen att vätskeprovets volym är åtminstone 10 ml för att nog- granna viskositetsvärden skall kunna erhållas. Vissa kroppsvätskor, t ex ledvätskan, har en total volym i kroppen av denna storleksordning och därför kan inte prov som är tillräckligt stora för viskositetsbestämning tas.

Vidare har vissa kroppsvätskor mycket låg viskositet, i närheten av den hos vatten. Viskositeten hos sådana vätskor kan ej mätas med den kända reometern eftersom vätskeprovets påverkan på den fasta cylindern är för liten för att kunna mätas.

Slutligen är den kända reometern alltför dyr för att en vittomfattande användning inom sjukvården skall vara realistisk.

Ett ändamål med uppfinningen är därför att anvisa ett sätt och en reometer för mätning av reologiska egenskaper hos en vätska, som gör det möjligt att bestämma viskosite- ten för vätskor med låg viskositet och/eller för vätske- prov med liten volym.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att anvisa ett sätt och en anordning som kan ersätta den traditionella mätningen av sänkereaktionen. Ändamålen uppnås med ett sätt och en anordning som har de i bifogade patentkrav angivna kännetecknen.

Genom att bringa ett svängningssystem som innefattar provet att utföra fria svängningar och genom att mäta den av provet orsakade dämpningen av svängningen kan man be- stämma reologiska egenskaper hos provet. Denna princip kan användas generellt oberoende av volymen hos provet och 10 15 20 25 30 35 501 809 3 dess viskositet. Sättet enligt uppfinningen kan alltså an- vändas som ett alternativ till ovan beskrivna, kända sätt.

Teorin bakom uppfinningen är den följande. Antag att en ihålig cylinder, vars inre radie är R och vars inre höjd är H är upphängd i en torsionstràd längs sin axel.

Fjäderkonstanten för denna konstruktion är 1002, där I är tröghetsmomentet och oo vinkelhastigheten när svängnings- systemet med den tomma cylindern utför fria torsionssväng- ningar. De fria torsionssvängningarna dämpas pà grund av dämpning i torsionstråden och övrig upphängning. Dämp- ningen definieras av det logaritmiska dekrementet A: A = l/n (nn(An/A1)), där n är antalet perioder av svängningen och An är ampli- tuden hos svängningen i den n:e perioden och A1 är ampli- tuden i den första svängningsperioden.

Om cylindern fylls med vätska och svängningssystemet bringas att utföra fria torsionssvängningar kommer dämp- ningen av svängningen att vara större än i fallet med tom cylinder. När cylindern svänger kommer svängningen näm- ligen att penetrera in i vätskan i cylindern. Penetre- ringsdjupet 6 bestäms av viskositeten W, vätskans densitet p samt vinkelhastigheten 0 enligt formeln 6 = (w/pw>1/2 Genom val av lämplig oscillationsfrekvens kan man för en làgviskös vätska erhålla ett penetreringsdjup 6 som är mycket mindre än cylinderns radie R. I detta fall kommer vätskan i mitten av cylindern att stà stilla under tor- sionssvängningarna och vätskan mellan cylinderväggen och den stillastående delen av vätskan att skjuvas. Skjuv- ningen bidrar till att dämpa svängningen. Den av skjuv- ningen orsakade dämpningen kan mätas och från den kan vätskans viskositet bestämmas. 501 809 10 15 20 25 30 35 4 För en viskös vätska gäller följande samband under förutsättning att penetreringsdjupet 8 är mycket mindre än radien R och höjden H: v: = zkwø (Av-AGP <1) där Av och AG är logaritmiska dekrementet vid svängning med respektive utan vätska i cylindern och k en kalibre- ringskonstant.

Genom att mäta dämpningen och det relativa frekvens- skiftet kan den dynamiska viskositeten W' och lagrings- modulen G' bestämmas för ett något elastiskt prov enligt följande formler: Au Yi' = ZRUP (ÄV-Ao) - '- (2) 0 o OCh Ao 2 s' = kuzp (Av-AGP - _ (s) (o) o m» där - - “o är det relativa skiftet i frekvens.

Om penetreringsdjupet inte är mycket mindre än radien R och höjden H gäller inte formlerna (1)-(3). För att bestämma ett provs reologiska egenskaper i detta fall byts cylindern ut mot exempelvis en platta, på vilken provet anordnas, och bringas ett fast mothàll i kontakt med provet, varvid provet skjuvas mellan plattan och mothàllet när svängningssystemet utför fria svängningar. Provets närvaro i svängningssystemet resulterar generellt i en 10 15 20 25 30 35 501 809 5 dämpning av svängningen som liksom tidigare representeras av ett logaritmiskt dekrement A, samt en ändring av svängningsfrekvensen från oc till u. Genom att mäta dämpningen och frekvensen kan den dynamiska viskositeten w' och lagringsmodulen G' bestämmas enligt följande formler.

Y? = kl (Av - A0) (4) och, i en första approximation kz wz - wcz) (s) Q' = varvid kl och kz är kalibreringskonstanter.

Med uppfinningen är det möjligt att bestämma reo- logiska egenskaper för prov med liten volym, eftersom även små prov ger upphov till en dämpning. För att dämpningen skall kunna mätas på rimlig tid bör företrädesvis provets massa utgöra en väsentlig del av den svängande massan i reometern.

Med uppfinningen är det vidare möjligt att bestämma reologiska egenskaper för prov med låg viskositet. Detta är möjligt genom att reometern enligt uppfinningen har liten egendämpning i förhållande till den av lågviskösa prov orsakade dämpningen. Som ett exempel kan nämnas att egendämpningen är ca 1% av den dämpning som erhålles vid mätning på ett vattenprov.

Uppfinningen är alltså väl lämpad att användas för viskositetsbestämning för blod och andra kroppsvätskor.

Eftersom en reometer enligt uppfinningen är betydligt billigare att tillverka än kända reometrar skulle använd- ningen av en sådan reometer för bestämning av viskositeten hos blod kunna ersätta den traditionella bestämningen av sänkereaktionen. Reometern skulle då kunna ha organ för 501 809 10 15 20 25 30 35 6 omvandling av viskositetsvärden till sänkereaktionsvärden.

I beskrivningen av teorin bakom uppfinningen var mätcellen, dvs cylindern, upphängd i en torsionstråd och utförde svängningssystemet fria torsionssvängningar. Det inses emellertid att de fria svängningarna inte behöver vara torsionssvängningar utan att motsvarande dämpning även erhålles vid exempelvis pendelsvängningar.

Uppfinningen kan användas för att bestämma reologiska egenskaper för material som uppvisar viskösa och/eller elastiska egenskaper. Materialen kan vara fasta, flytande, gasformiga, plastiska eller gelartade.

I det följande skall sättet och anordningen enligt uppfinningen beskrivas genom ett utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka fig 1 visar en delvis genomskuren sidovy av ett exem- pel på en anordning enligt uppfinningen; och fig 2 visar en vy ovanifrån av ett exempel på en an- ordning enligt uppfinningen.

I fig l visas ett exempel pà en utföringsform av en reometer enligt uppfinningen, som är avsedd för mätning på prov som uppvisar i huvudsak viskösa egenskaper, i synner- het vätskor med låg viskositet. Reometern innefattar ett fast stativ l med en bottenplatta 2, tre vertikala ben 3 och en övre platta 4. I bottenplattan är fäst en nedre chuck 5, fast inspänd. Torsionstrådar finns kommersiellt tillgäng- i vilken den nedre änden av en torsionstråd 6 är liga och kan fås med olika fjäderkonstanter. Den övre änden av torsionstràden 6 är fäst i en övre chuck 7, vil- ken är förbunden i axiell led med en fri axel 8, som via en koppling 9 är förbunden med ett fäste 10, som har for- men av en avhuggen kon. På fästet är en mätcell 11 löstag- bart anbringad. Mätcellen ll har, såsom närmare framgår i från vilket tre bär- armar 13 utgår. Bärarmarna 13 uppbär vid sina navpartiet fig 2, ett rörformigt navparti 12, som är anordnat att innehålla ett vätskeprov. Röret 14 har cirkulärt tvär- snitt och vätska kan röra sig fritt i röret utan hinder av motsatta ändar ett cirkelformat rör 14, 10 15 20 25 30 35 501 809 7 mellanväggar eller liknande hinder. Som alternativ till mätcellen med det rörformade provutrymmet skulle en cy- lindrisk eller skivformad mätcell kunna användas. Huvud- saken är att mätcellen är rotationssymmetrisk och att vätskan kan röra sig runt i provutrymmet utan hinder.

Den fria axeln 8 är lagrad i ett luftlager 15 i sta- tivets övre platta 4. Luftlagret 15 består i princip av ett lager av poröst kol, som är anordnat med en spalt kring den fria axeln 8. Tryckluft tillförs ett uttag 16 och sprutas genom kollagret och in i spalten, varvid axeln hålls lagrad med mycket liten dämpning av svängningarna.

Luftlager finns kommersiellt tillgängliga under den engelska beteckningen “Porous Carbon Air Bearing".

Mellan den övre chucken 7 och luftlagret 15 är en de- tektorenhet 17 för detektering av amplituden och frekven- sen hos den fria svängningen anordnad. Detektorenheten är en s k RVDT-enhet (Rotational Variable Differential Trans- former), som finns kommersiellt tillgänglig. Den innefat- tar en primärlindning 18, ett på den fria axeln 8 anordnat ankare 19 samt två sekundärlindningar 20, riskt anordnade i vinkelled i förhållande till primär- lindningen. RVDT-enheten 17 ansluts till en ej visad sig- som är symmet- nalbehandlings- och beräkningsenhet.

Reometern har vidare ett svängningsexciteringsorgan 21, ordnad på stativet 1, en första stång 23, som är rörligt som innefattar en elektromagnet 22, som är fast an- monterad på stativet och som är förspänd i ett viloläge med hjälp av en fjäder 24, en på den första stången 23 an- ordnad andra stång 25, och en pinne 26 på den fria axeln 8. När elektromagneten 22 tillförs en spänning dras den första stången 23 och den därpå anordnade andra stången 25 mot elektromagneten 22, varvid den andra stången 25 knuf- far till pinnen 26, som försätter torsionstràden 6, den fria axeln 8, kopplingen 10 och mätcellen 11 i svängning.

Så snart spänningen till elektromagneten bryts återgår stången 23 till sitt viloläge. 501 809 10 15 20 25 30 35 8 Alternativt kan RVDT-enheten 17 användas som excite- ringsorgan, varvid en spänning påläggs den ena av sekun- därlindningarna under en kort tid.

Det väsentliga med exciteringen är att den görs på samma sätt vid varje tillfälle.

I det följande skall reometerns funktion beskrivas.

Före användning kalibreras lämpligen reometern för mät- ningar på en speciell vätska, vars reologiska egenskaper är kända eller har mätts tidigare med någon annan metod.

Vid mätning fylls mätcellen med ett vätskeprov och sväng- ningen exciteras med hjälp av exciteringsorganet 21. Dämp- ningen hos svängningen mäts med hjälp av RVDT-enheten 17, varvid en sinusformad växelspänning av ca 5 kHz påläggs primärlindningen 19 och skillnadsignalen från sekundär- lindningarna 20 som uppkommer på grund av ankarets osym- metriska läge i förhållande till sekundärlindningarna 20 under svängningen, mäts. Skillnadsignalen demoduleras genom att den samplas synkront med den på primärlindningen pålagda växelspänningen på så sätt att ett sampel tas vid samma punkt i varje period. Effektivvärdet av den demodu- lerade signalen omvandlas därefter till en likspännings- signal, som alltså representerar svängningsamplituden.

Denna likspänningssignal analog-digitalomvandlas och matas till en persondator, som beräknar viskositeten på följande sätt: Vid en första och en andra förutbestämd nivå för likspänningen bestäms det antal sampel som tagits fram till det att likspänningen minskat till den aktuella ni- vån. Eftersom samplingsfrekvensen är känd kan den tid det tar för svängningen att dämpas från den första till den andra förutbestämda nivån bestämmas med hjälp av antalet tagna sampel. Med kännedom om svängningsfrekvensen kan då det logaritmiska dekrementet för vätskeprovet i fråga bestämmas och därigenom viskositeten enligt formel (1) på sid 4.

Svängningsfrekvensen kan också bestämmas med hjälp av RVDT-enheten 17 och därmed det relativa frekvensskiftet och den dynamiska viskositeten W' och lagringsmodulen G' J-Pç 10 15 20 25 30 35 501 809 9 enligt formel (2) och (3) pà sid 4.

I en utföringsform av reometern som är avsedd för prov med högre viskositet eller mer utpräglat plastiska eller elastiska egenskaper ersätts den visade rörformiga mätcellen 11 med en plattformad mätcell och anordnas ett mothàll på reometern så att provet skjuvas mellan plattan och mothállet. Mothàllet kan vara fixerat på reometern.

Claims (16)

501 809 10 15 20 25 30 35 10 PATENTKRAV

1. Sätt att bestämma reologiska egenskaper hos ett prov, k ä n n e t e c k n a t av att ett svängningssys- tem som innefattar provet bringas att utföra fria sväng- ningar, att den av provet orsakade dämpningen hos sväng- ningen bestäms och att de reologiska egenskaperna för pro- vet beräknas ur dämpningen.

2. Sätt enligt krav 1, att svängningarna är torsionssvängningar.

3. Sätt enligt krav 1 eller 2, n a t av att den av provet orsakade ändringen av frekven- k ä n n e t e c k n a t av k ä n n e t e c k - sen för svängningen mäts.

4. Sätt enligt något av krav l-3, t e c k n a t k ä n n e - av att svängningarna exciteras på så sätt att svängningarna endast penetrerar ett litet stycke in i provet och att en del av provet är stilla under sväng- ningarna.

5. Reometer för bestämning av reologiska egenskaper hos ett prov, innefattande ett svängningssystem (5-11) med en mätcell (11) för provet, k ä n n e t e c k n a d av att svängningssystemet vidare innefattar ett svängnings- element (6), med vilket mätcellen är förbunden och medelst vilket svängningssystemet kan bringas att utföra fria svängningar, en detektor (17) för detektering av amplitu- den hos svängningarna, organ för bestämning av dämpningen av svängningen och organ för beräkning av de reologiska egenskaperna för provet ur den av dämpningsbestämningsor- ganen bestämda dämpningen.

6. Reometer enligt krav 5, k ä n n e t e c k - n a d av att mätcellens (11) volym är sådan att vätske- provets massa utgör en väsentlig del av den svängande massan i svängningssystemet. k ä n - av att mätcellen (11) är löstagbart

7. Reometer enligt något av krav 5 och 6, n e t e c k n a d anordnad. 10 15 20 25 30 35 501 809 ll

8. Reometer enligt något av krav 5-7, av att mätcellen (11) är anordnad på ett k ä n n e - t e c k n a d kopplingselement, som är förbundet med svängningselemen- tet, och av ett luftlager (15), i vilket kopplingselemen- tet är lagrat.

9. Reometer enligt något av krav 5-8, k ä n n e - t e c k n a d av att svängningselementet (6) sträcker sig i vertikal led.

10. Reometer enligt något av krav 5-9, k ä n n e - t e c k n a d av organ för mätning av svängningens frek- vens.

11. k ä n n e - t e c k n a d av Reometer enligt något av krav 5-10, att mätcellen (ll) innefattar begräns- ningsytor för provet som är orörliga i förhållande till varandra och som utgör de enda begränsningsytorna som provet är i kontakt med under svängningarna.

12. Reometer enligt något av krav 5-11, k ä n n e - att mätcellen (11) är sluten. enligt något av krav 5-10, t e c k n a d av

13. Reometer k ä n n e - t e c k n a d av att mätcellen innefattar begränsnings- ytor för provet som är rörliga i förhållande till varan- dra, varvid en yta är fixerad och en rörlig så att provet skjuvas mellan dessa ytor under svängningarna.

14. Reometer enligt något av krav 5-13, k ä n n e - t e c k n a d av att den är avsedd att användas för mät- ning av reologiska egenskaper hos kroppsvätskor.

15. Reometer enligt krav 14, k ä n n e t e c k n a d av att den är avsedd att användas för mätning av viskosi- teten hos blod.

16. Reometer enligt krav 15, k ä n n e t e c k n a d av organ för omvandling av viskositetsvärden till sänke- reaktionsvärden.