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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.
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The invention relates to a device for determining the viscosity of a liquid with a rotatable outer hollow cylinder which can be filled with the measuring liquid and an inner cylinder which is located in the interior of the outer hollow cylinder and is surrounded by the measuring liquid, wherein a device for generating a rotation movement of the inner cylinder acting braking torque is provided, which has a first permanent magnet fixed in the inner cylinder, polarized normal to the longitudinal axis of the inner cylinder, and a coil pair arranged outside the outer cylinder at the level of this first permanent magnet, whose longitudinal axis is normal to Longitudinal axis of the inner cylinder extends.
The viscosity of liquids can be determined either in a capillary viscometer by measuring the flow rate through a capillary or in a rotary viscometer by measuring the torque between two cylinder bodies with an interposed liquid-flow gap at different speeds of both cylinder bodies.
Known rotary viscometers consist of an outer hollow cylinder in which an inner cylinder is mounted, so that a gap as precisely defined as possible is formed between the outer hollow cylinder and the inner cylinder. When the outer hollow cylinder rotates, a viscosity-dependent torque acts on the inner cylinder through the gap filled with the measuring liquid.
This torque is measured as the deflection variable of a torsion spring or via the drive torque and converted into the viscosity value.
The disadvantages of known devices are, on the one hand, that the measurement accuracy is relatively low due to the bearing friction of the inner cylinder and that a determination of the viscosity range over several orders of magnitude is not possible for measurement reasons.
WO 86/00408 A1 describes a device for measuring rheological properties of a medium in which a rotor immersed in the medium is connected to a permanent magnet and by an external, rotatable or rotating magnetic field generated by means of fixed coils is driven out. The angle of rotation of the rotor with respect to the driving magnetic field is measured without contact and the shear stress or the viscosity or elastic or plastic properties of the medium are determined from this. Both the drive of the rotor and the measurement of the angle of rotation are carried out through the wall of a suitable closed vessel without carrying out mechanically moving parts.
A disadvantage of WO 86/00408 A1 is that the non-linearity of the eddy current brake and the high temperature coefficient limit the measurement uncertainty to approximately 5.10-3 of the measured value.
AT-B-406 425 describes a generic rotary viscometer in which these disadvantages are avoided. An eddy current brake is provided here as a device for generating a braking torque acting on the rotational movement of the inner cylinder. This comprises an electrically conductive, preferably ring-shaped eddy current element arranged on or in the inner cylinder and a brake magnet element arranged outside the outer hollow cylinder for generating a magnetic field oriented transversely to the axis of rotation of the outer hollow cylinder.
A delay in the speed of the inner cylinder can thus be achieved by the formation of eddy currents, as a result of which a measurable speed n2 of the inner cylinder results, which results from the braking effect of the eddy current brake and the driving effect of the outer hollow cylinder, which is caused by the Viscosity of the measuring liquid depends.
In addition to the advantage of the simple structure, there is also the disadvantage with this design that the measurement uncertainty is limited to approx. 5.10-3 of the measured value due to the non-linearity of the eddy current brake due to field displacement effects and the high temperature coefficient. If the eddy current brake is designed for a high braking torque in order to measure highly viscous preparations, then for low viscosities there are impermissibly high relative speeds between the inner cylinder and the outer cylinder. This causes a deterioration in the measuring accuracy due to secondary flows on the measuring cylinder, which is generally known in rotary viscometry.
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It is an object of the present invention to avoid these disadvantages and to provide a rotary viscometer of the type mentioned at the outset which has a very high measurement accuracy over very wide viscosity ranges.
According to the invention, this is achieved in that the device for generating a braking torque acting on the rotational movement of the inner cylinder, a measuring device for determining the current orientation of the first permanent magnet and the speed (n2) of the inner cylinder, and a current control device which determines the polarity of the Current (i) reverses with each alignment of the first permanent magnet in the direction of the longitudinal axis of the coil pair, so that at a given speed n1 of the outer cylinder and a quantity K proportional to the impressed current i, the viscosity according to the formula @ = K / (ni - n2 ) can be determined.
The braking device can use the strength of the braking current with regard to the braking torque it exerts to control the current measurement conditions, i. H. can be adapted to the order of magnitude of the viscosity of the liquid being measured. Inadmissibly high relative speeds between the inner and outer cylinders, which reduce the measuring accuracy, are avoided.
In a further embodiment of the invention, it can be provided that the pair of coils is designed as a hardwood coil, because a particularly homogeneous brake magnetic field can be generated with such a coil configuration.
Furthermore, it can be provided that the measuring device for determining the current orientation of the first permanent magnet and the rotational speed (n2) of the inner cylinder is formed - as is known per se - by a Hall sensor arranged in the effective range of the first permanent magnet.
This enables a contactless determination of the orientation and speed, which does not result in any friction losses in the rotational movement of the inner cylinder.
An advantageous development of the invention can be that a second permanent magnet arranged in the interior of the inner cylinder, polarized in the direction of the longitudinal axis of the inner cylinder, and a direct current surrounding the outer cylinder, arranged coaxially to the latter and at the level of the second permanent magnet actable coil is provided.
The inner cylinder is thus secured against axial displacement without any disruptive side forces and without additional braking torque.
The invention is described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which particularly preferred exemplary embodiments are shown. It shows:
1 shows a cross section through an inventive device.
Fig. 2 shows a longitudinal section through the inventive device of Fig. 1 and
3 shows a block diagram of a current control device for generating the current i which builds up the braking magnetic field.
1 shows a device for determining the viscosity of a liquid, which comprises a rotatable outer hollow cylinder 1 and an inner cylinder 2 located in the interior of the outer hollow cylinder. The illustration in FIG. 1 shows that position of the inner cylinder 2 which it assumes when the outer hollow cylinder 1 is rotated and the measuring liquid fills the space between the outer hollow cylinder 1 and the inner cylinder 2. The measuring liquid is symbolized by hatching in FIG. 2. For this purpose, the inner diameter of the outer cylinder 1 is larger than the outer diameter of the inner cylinder 2, so that a cylindrical annular gap 3 can be formed between the inner surface of the outer hollow cylinder 1 and the inner cylinder 2.
The mass-volume ratio of the inner cylinder 2 is selected such that it is smaller than the density of the measuring liquid, so that the inner cylinder 2 rotates into a concentric position relative to the outer hollow cylinder when the outer hollow cylinder 1 rotates due to the centrifugal pressure drop 1 moves and begins to rotate while floating in the measuring liquid. The inner cylinder 2 is thus centered in the radial direction.
In principle, this cylinder 2 can be fixed in any direction in the axial direction, in particular also by means of distance magnet elements described in AT-B-406 425, which are provided in the region of the front ends of the inner cylinder 2 and which are each in the effective range of bearing magnet elements fixedly arranged inside the outer cylinder 1
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ten.
However, a second permanent magnet 15, which is arranged in the interior of the inner cylinder 2 and is polarized in the direction of the longitudinal axis 4 of the inner cylinder 2, is preferably provided for the axial fixation of the inner cylinder 2. At the level of this second permanent magnet 15 there is a coil 16, which surrounds the outer cylinder 1 and is arranged coaxially to both cylinders 1 and 2 and is supplied with direct current during operation of the device. The magnetic field thus generated by this coil 16 holds the second permanent magnet 15 at the level of the coil 16, which prevents axial displacements of the inner cylinder 2 without the occurrence of disturbing radial forces.
The outer cylinder 1 is rotatably mounted and driven in rotation by means of a suitable drive device, in particular an electric motor, at a constant speed n.
According to the invention, a device for generating a braking torque acting on the rotational movement of the inner cylinder 2 is provided, which first comprises a first permanent magnet 5 fixed in the inner cylinder 2 and polarized normally to the longitudinal axis 4 of the inner cylinder 2. The second component of the braking device according to the invention is a pair of coils 6, which lies outside the outer cylinder 1 at the level of this first permanent magnet 5.
As can be seen from the attached drawing figures, this pair of coils 6 consists of two parallel, coaxial coils. The coil pair 6 is preferably designed as a Helmholz coil, i. H. that both coils have the same radius and the distance between the two coils is selected equal to this radius.
The pair of coils 6 is oriented such that its longitudinal axis 7 extends normal to the longitudinal axis 4 of the inner cylinder 2. A current conducted through this pair of coils 6 thus builds up a magnetic field acting on the first permanent magnet 5. Depending on the phase position and strength of the current, there is a driving or braking moment on the inner cylinder, which is strictly proportional to this current.
When the rotary viscometer according to the invention is properly driven, only braking torques have to be exerted on the inner cylinder 2, for which purpose the polarity of the current flowing through the coil pair 6 must always be reversed when the first permanent magnet 5 is aligned in the direction of the longitudinal axis 7 of the coil pair 6. A current i is therefore applied to the coil pair 6, the polarity of which is always selected such that the magnetic field generated by it exerts a braking moment on the inner cylinder 2.
A measuring device for determining the current orientation of the first permanent magnet 5 and the speed n2 of the inner cylinder 2 is provided as the third main component of the braking device according to the invention. For example, optical sensors can be used for this, but the measuring device is preferably formed by a Hall sensor 8 arranged in the effective range of the first permanent magnet 5. The AC voltage induced in this Hall sensor 8 by the first permanent magnet 5 always has a zero crossing when the first permanent magnet 5 is aligned in the direction of the longitudinal axis 7 of the coil pair 6. A current control device 9 connected to the Hall sensor 8 detects these zero crossings and carries out the polarity reversal of the current i flowing through the coil pair 6.
Since the inner cylinder 2 floats free of bearing friction in the measuring liquid, the speed n2 of the inner cylinder 2 adjusts itself so that the drive torque Md - 7 (n1 - n2) introduced by the outer cylinder 1 via the measuring liquid is advantageously the same size braking torque is Mr, where n ..... is the dynamic viscosity of the measuring liquid, n2 ..... is the speed of the inner cylinder 2 and n1 ...... is the speed of the outer cylinder 1.
Md = Mr; # (ni - n2) = K; # = K / (ni - n2)
K is a constant that is proportional to the current i injected into the coil pair 6.
K = C. i. The speed n1 is kept constant by a synchronous motor and is therefore precisely known or precisely measurable. The speed n2 of the inner cylinder 2 is also measured digitally by means of the Hall probe 8.
The apparatus constant C is determined on a preparation of known viscosity and is therefore also exactly known. Since n, and n2 can be measured with practically any accuracy, the constancy and accuracy of the current i is the only variable that determines the measurement accuracy. However, the level of the current i can also be determined very precisely, so that in total
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together with the dynamic viscosity # of the measuring liquid can be determined with particularly high accuracy.
FIG. 3 shows a possible embodiment of a current control device 9. This comprises a constant voltage source 10, advantageously consisting of a bandgap diode, which supplies a 20 ppm constant voltage. This is reversed at the zero crossing of the Hall signal in the pole changer 11 and divided in a resistance divider 12 with a stability of better than 10 ppm. The operational amplifier 14 finally converts the voltage into the current i, which is sent through the coil pair 6. With the arrangement described, a rectangular current i is generated which changes its polarity each time the first permanent magnet 5 lies in the direction of the longitudinal axis 7 of the coil pair 6. This creates a sinusoidal curve of the braking torque, which, however, does not interfere with small braking torques.
If high braking torques are required, it is advantageous to provide a second identical braking device which is offset by 90, i. H. in which the longitudinal axis of the pair of coils 90 is rotated relative to the longitudinal axis 7 of the first pair of coils 6. This enables a uniform braking effect to be achieved.
As in the literature (Hiroshi Kobayashi et al .: End effect in a coaxial viscometer;
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flow at the inner cylinder 2 are neglected if the Reynolds number Re in the cylindrical annular gap 3 does not exceed the value R3knl <10.
The Reynolds number Re is proportional to n1-n2 (v ..... kinematic viscosity). v
The magnitude of the current i - and thus the magnitude of the current braking torque - is selected as a function of the speed n2 of the inner cylinder 2 and the kinematic viscosity of the measuring liquid such that the Reynolds number in the cylindrical gap 3 Re <10 is held. This setting can be done manually or by the control logic 13, for which purpose they act on the resistance divider, i. H. can set the current division ratio accordingly.
Especially in the area of low viscosities, the measurement accuracy of the rotary viscometer according to the invention can be increased by a factor of 10.
PATENT CLAIMS:
1. Device for determining the viscosity of a liquid with a rotatable outer cylinder (1) that can be filled with the measuring liquid and one inside the outer one
Hollow cylinder (1) located and surrounded by the measuring liquid, inner cylinder (2), wherein a device for generating an on the rotational movement of the inner
Cylinder (2) acting braking torque is provided which has a first polarized in the inner cylinder (2), normalized to the longitudinal axis (4) of the inner cylinder (2)
Permanent magnet (5), and a pair of coils (6) arranged outside the outer cylinder (1) at the level of this first permanent magnet (5) and whose longitudinal axis (7) is normal to the longitudinal axis (4) of the inner cylinder ( 2) runs, includes, characterized,
that the device for generating a on the
Rotational movement of the inner cylinder (2) acting braking torque, a measuring device (8) for determining the current orientation of the first permanent magnet (5) and the speed (n2) of the inner cylinder (2), and a current control device (9), which the polarity of the current (i) reverses with each alignment of the first permanent magnet (5) in the direction of the longitudinal axis (7) of the coil pair (6), so that at a given speed n1 of the outer cylinder (1) and one proportional to the impressed current i Size K the viscosity can be determined according to the formula # = K / (ni - n2).