AT514549A4 - Rotationsrheometer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotationsrheometer mit einem rotationsinvariant angeordneten Stator (2), mit einem mittels eines Wirbelstromantriebs um die Achse des Stators (2) rotierbaren 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. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, 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.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotationsrheometer zur Bestimmung der viskosen und/oder derTheologischen Eigenschaften von fluiden Medien gemäß dem Oberbegriff desAnspruchs 1.

Mit Rotationsrheometern kann man die viskosen und Theologischen Eigenschaften undParameter von Fluiden, insbesondere die dynamische Viskosität von Fluiden, ermitteln.

Bei erfindungsgemäßen Rheometern läuft ein als Rotor ausgebildeter Messkörper umoder in oder gegenüber einen(m) Stator oder Statorteile(n). Der Messspalt liegt zwischendem Rotor und dem Stator. Es erfolgt ein Wirbelstromantrieb des Rotors. Ferner erfolgteine Messung der vom Antrieb vorgegebenen Drehzahl und der tatsächlichen Drehzahldes Rotors während der Messung und die Drehzahldifferenz dient als Maß für dieviskosen/rheologischen Eigenschaften des Prüfmediums. Erfindungsgemäß ist einehydrodynamische Lagerung des Rotors gegenüber dem Stator vorgesehen.

Aus der GB 1197476 (A) ist ein Rheometer bekannt, bei dem der zylindrische Spaltzwischen Rotor und Stator eines dreiphasigen Induktionsmotors eine Passage für das zuvermessende Prüffluid bereitstellt; der Rotor ist dabei mit einer Spindel und Lagernabgestützt.

Messsysteme mit zylindrischen Flächen aufweisenden Messkörpern umfassen imAllgemeinen einen Messkörper (innerer Zylinder) und einen Messbecher (äußererZylinder). Die beiden Zylinder sind in Messposition konzentrisch angeordnet, d.h. dieAchsen der Zylinder fallen zusammen. Bei derartigen Zylinder-Rotationsrheometernbefindet sich das zu vermessende Prüfermedium in dem Ringspalt zwischen dem innerenund dem äußeren Zylinder. Wenn der innere Zylinder rotiert, spricht man von einemSearle-System, im umgekehrten Fall handelt es sich um ein sogenanntes Couette-System.

Prinzipielle Unterschiede im Aufbau von Rotationsrheometern und Rotationsviskosimeternbestehen nicht. Es wird in jedem Fall ein Rotor relativ gegenüber einem Stator bewegtund die Nacheil-Winkel- bzw. Drehzahl-Unterschiede werden ermittelt. Lediglich fürunterschiedliche Einsatzzwecke und abhängig von den zu prüfenden Fluiden wird einunterschiedlicher Aufbau bzw. werden unterschiedliche Konstruktionen und Messkörpereingesetzt. Häufig werden Rotationsrheometer für die Vermessung Theologischer Eigenschaftennicht-newtonscher Fluide verwendet, komplexe Rheometer vermessen dabei vor allemdas schergeschwindigkeitsabhängige Verhalten der Fluide.

Searle-Viskosimeter umfassen einen stehenden Becher, in dem von einem Motor einkoaxialer Zylinderkörper in der Messflüssigkeit rotieren wird. Dabei wird in der Regelentweder das Geschwindigkeitsgefälle bei Vorgabe einer definierten Schubspannung oderdie Schubspannung bei Vorgabe eines definierten Geschwindigkeitsgefälles (konstanteDrehzahl) gemessen.

Ganz allgemein soll bei Rotationsviskosimetern der Messkörper möglichst reibungsfreigelagert werden, um bei der Vermessung der Drehzahlen bzw. der auftretendenDrehmomente möglichst keine Lagerreibung mitzumessen. Die Rotationssymmetrieachsekann dabei im Gegensatz zur klassischen, senkrechten Anordnung auch in horizontalerLage oder geneigt verlaufen. Der im äußeren Zylinder durch Magnete allenfallsberührungslos gelagerte Rotor kann durch ein komplexes Steuer- und Messsystem inseiner Ideallage gehalten und berührungslos induktiv angetrieben werden. Der Aufbaueines derartigen Viskosimeters und die Rotorlagerung sind jedoch äußerst komplex. Vorallem erfolgt eine Beeinflussung des Rotors durch die Magnete und eine Lagerreibungoder Lagerkräfte können nicht völlig ausgeschaltet werden.

Das zu untersuchende Prüfmedium befindet sich im Messspalt zwischen Rotor undStator. Der Antrieb des als Messkörper fungierenden Rotors erfolgt bei demerfindungsgemäßen Rheometer durch einen Wirbelstromantrieb. Dazu werden z.B. umdie Stator- bzw. Rotorachse Permanentmagnete rotiert oder es wird ein um die Stator-bzw. Rotorachse umlaufendes (rotierendes) Magnetfeld erstellt, und zwar durchzumindest zwei, vorzugsweise mehr Induktionsspulen, die im leitfähigen Messkörper bzw.im Rotor Spannungen induzieren und damit zu Wirbelströmen führen. Dadurch entstehteine 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 Rotorrotiert außen ein konzentrisch angeordneter, leitfähiger Wirbelstromkörper. In diesemWirbelstromkörper werden aufgrund seiner Rotation um die Permanentmagnete Strömeinduziert und diese Ströme induzieren wiederum im Inneren des Rotors Spannungen bzw.Wirbelströme, die ihrerseits eigene, dem herrschenden Magnetfeld gemäß der LenzschenRegel entgegengesetzte Magnetfelder erzeugen, die den Rotor schlussendlich antreiben.

Betrachtet man allgemein die Strömungsverhältnisse eines Fluids in einem Scherspaltzwischen zwei Zylindern, so bildet sich ein Geschwindigkeitsgefälle zwischen der innerenund der äußeren Zylinderfläche aus, d.h. es erfolgt eine Scherung mit vorgegebenemGeschwindigkeitsgradienten. Das Drehmoment M, das durch das Gefälle auf den innerenoder äußeren Zylinder übertragen wird, ist der dynamischen Viskosität direkt proportional.Betrachtet man zwei Volumselemente, erfahren sie immer die gleicheWinkelbeschleunigung, aber das äußere Volumselement erfährt höhere Fliehkräfte,sodass Couette-Anordnungen eigentlich stabiler sind als Searle-Anordnungen, wobei beiCouette-Anordnungen die äußeren Volumselemente die höheren Geschwindigkeitenerfahren. Im Falle einer Searle-Anordnung wird der innere Zylinder gedreht und es ergibtsich ein Geschwindigkeitsprofil, bei dem die inneren Flüssigkeitsschichten mit höhererGeschwindigkeit rotieren, während die äußeren Schichten langsamer rotieren, was zuWirbelbildung führen kann

Ein Searle-System ist aufgrund der Bewegung des inneren Zylinders und damit dermaximalen Geschwindigkeit am inneren Zylinder immer die instabilere Variante, da dieWirbelbildung hauptsächlich aufgrund der wirkenden Zentrifugalkräfte erfolgt. Diesesogenannte Taylor-Couette-Wirbelbildung ist bekannt. Das Auftreten dieser Wirbelbeschränkt den Einsatz der Searlesysteme. Um einen laminaren Fluss im Messspalt zuerzielen, wird der prinzipiell sehr weite Messbereich, insbesondere für Fluide geringerViskosität, eingeschränkt.

Im Allgemeinen sind die Vorteile einer Searle-Anordnung die hohen möglichenSchergeschwindigkeiten, die homogene Schergeschwindigkeitsverteilung und die geringeEmpfindlichkeit gegenüber Sedimentationserscheinungen. Nachteile sind Rand- bzw.Endeffekte mit notwendiger Korrektur, das Auftreten von Wirbeln und die Notwendigkeitder exakten Kalibrierung bzw. Messspaltsteuerung.

Die Lagerung eines Rotors ausschließlich mit Magneten bzw. mittels Magnetfeldfunktioniert bei einer berührungslosen Kopplung zwischen Rotor und Antrieb nicht, da hierdurch die Magnetkräfte die quadratisch zum Abstand abnehmen, immer einUngleichgewicht beim Rotor entsteht und diese Anordnung erst bei sehr hohenUmdrehungen des Rotors funktionieren (z.B. 10.000 upm) kann - ansonsten wird derRotor gegen den Stator stoßen bzw. verreiben. Ein starkes Magnetfeld bewirkt ferner einenahezu starre Kopplung zwischen dem Rotor und dem antreibenden Magnetfeld undbewirkt dieselbe Drehzahl von Magnetfeld und Rotor allenfalls mit einem sich bei der

Prüfung einstellenden, vom Magnetfeld beeinflussten geringen Verdrehungswinkelzwischen Rotor und Stator, der jedoch nicht oder nur ausgesprochen schwierig zudetektieren ist.

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Anordnungen bzw. Rheometer zuvermeiden und ein Rotationsrheometer zu erstellen, das einfach aufgebaut ist, exakteMesswerte liefert und frei von Lagerkräften, insbesondere mechanischen undmagnetischen Lagerkräften, betrieben werden kann.

Erfindungsgemäß werden diese Ziele bei einem Rotationsrheometer der eingangsgenannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmaleerreicht. Es ist somit vorgesehen, dass der mit dem zu untersuchenden Prüfmediumbefüllte Messspalt als hydrodynamisches Lager zwischen Rotor und Stator fungiert bzw.ausgebildet ist und ausschließlich durch die durch die Rotation des Rotors relativ zumStator erzielte hydrodynamische Lagerwirkung der Abstand und die gegenseitige Lageder einander zugekehrten, den Messspalt begrenzenden Flächen von Rotor und Statorvorgegeben und eingestellt und während des Messvorgangs beibehalten sind.

Es ist lediglich erforderlich, die Drehzahl des Rotors zu vermessen und die auf den Rotoreinwirkende Antriebsdrehzahl bzw. seine Solldrehzahl zu kennen, um, unbeeinflusst vonLagerungseinflüssen, Werte zu erhalten, die einen direkten Rückschluss auf dierheologischen Parameter zulassen. Der einzige Einfluss auf die Rotordrehzahl erfolgtdurch das Prüfmedium, das aufgrund seiner ihm innewohnenden Eigenschaften dieRotation des Rotors verlangsamt.

Es ist für den Fachmann einfach, für unterschiedliche Prüfmedien die für einehydrodynamische Lagerwirkung erforderliche Spaltgeometrie zu erstellen. Dies kanninsbesondere dadurch erfolgen, dass man vorab die zu ermittelnden Parameternäherungsweise ermittelt, dann den Messspalt einrichtet bzw. an diese Parameteranpasst und danach diese Parameter mit einem erfindungsgemäßen Rotationsrheometerin höchster Genauigkeit ermittelt. Auch kann die Drehzahl, mit der der Rotor rotiert wird,auf die Parameter von unterschiedlichen Prüfmedien abgestellt werden, ebenso kann eineBerücksichtigung von Temperatur und Druck des Prüfmediums erfolgen, um eineeinwandfrei hydrodynamische Lagerung während des Messvorgangs zu erreichen. Es istsomit von Vorteil, wenn die Geometrie, vorzugsweise der Abstand und derAbstandsverlauf der einander gegenüberliegendenden Flächenabschnitte desMessspalts, insbesondere der radiale Abstand der die Rotationsachse umgebenden, einander gegenüberliegenden Flächen von Rotor und Stator, zur Ausbildung derhydrodynamischen Lagerung in Abhängigkeit von den von der Antriebseinheitaufgebrachten Drehzahlen, einem vorab geschätzten Wert der Viskosität und/oder vorabgeschätzten Theologischen Parametern des Prüfmediums gewählt sind. Eine einwandfreieLagerung wird unterstützt, wenn im Messspalt bei Rotation des Rotors eine für dieAusbildung einer hydrodynamischen Lagerung ausreichend laminare, wirbelfreieStrömung ausgebildet ist. Für die stabile Ausbildung einer hydrodynamischen Lagerung bei einemRotationsrheometer für den Messbetrieb ist es von Vorteil, wenn die Endbereiche desMessspaltes mit dem an diese Endbereiche anschließenden Außenbereichen bzw. dem indiesen Bereichen befindlichen Prüfmedium frei, insbesondere ohneQuerschnittsverengung des Endbereiches des Messspaltes, kommunizieren bzw. dieEndbereiche 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 radialerRichtung bezogen auf seine Rotationsachse, berührungs- und lagerfrei, insbesondereauch frei von Magnetlagern, auf bzw. gegenüber dem Stator gelagert ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn zur Ausbildung des denRotor in Rotation versetzenden Wirbelstromantriebes der Rotor, vorzugsweise zur Gänze,aus nicht magnetischen, nicht magnetisierbaren, elektrisch leitfähigem Materialausgebildet ist und dass um den Rotor herum oder zumindest teilweise innerhalb desRotors um die Statorachse herum rotierbare Permanentmagnete gelagert sind oder umden Rotor herum oder zumindest teilweise innerhalb des Rotors elektromagnetischeSpulen gelagert sind, mit denen ein um die Statorachse rotierbares Magnetfeldgenerierbar ist. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass zur Ausbildung des den Rotorin Rotation versetzenden Wirbelstromantriebs der Rotor, vorzugsweise zur Gänze, ausnicht magnetischen, nicht magnetisierbaren, elektrisch leitfähigem Material ausgebildet istund dass zumindest teilweise innerhalb des Stators Permanentmagnete oder Spulengelagert sind, wobei die Permanentmagnete um die Statorachse rotierbar sind und mitden Spulen ein um die Statorachse rotierendes Magnetfeld generierbar ist.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zur Ausbildung des den Rotorin Rotation versetzenden Wirbelstromantriebs innerhalb des Rotors Permanentmagnetelagefest angeordnet bzw. mit dem Rotor verbunden sind und dass ein, vorzugsweise gänzlich aus nicht magnetischem, nicht magnetisierbarem, elektrisch leitfähigem Materialausgebildeter Wirbelstromkörper, vorzugsweise ein Käfig, ein Topf oder eineLeiterschleife, vorgesehen ist, welche um den Rotor rotierbar ist.

Eine in der Praxis gut einsetzbare, exakte Messwerte liefernde Ausführungsform derErfindung sieht vor, dass der Rotor im Innenraum eines eine rotationssymmetrischeInnenwandung und die Form eines rotationssymmetrischen Behälters oder Bechersaufweisenden Stators angeordnet ist, wobei zur Ausbildung des den Rotor in Rotationversetzenden Wirbelstromantriebs innerhalb des Rotors Permanentmagnete lagefestangeordnet bzw. mit dem Rotor verbunden sind und das Material des Behälters bzw.Bechers, vorzugsweise zur Gänze, nicht magnetisches, nicht magnetisierbares undelektrisch nicht leitendes Material ist und ein aus nicht magnetischem, nichtmagnetisierbarem, elektrisch leitfähigem Material ausgebildeter Wirbelstromkörper,vorzugsweise ein Topf, ein Käfig oder eine Leiterschleife, vorgesehen ist, der um denStator rotierbar ist.

Von Vorteil kann es sein, wenn ein eine zylindrische Umfangsfläche und allenfalls dazugeneigte Endflächen aufweisender Rotor vorgesehen ist, der allseitig von einem einezylinderförmige Innenwandfläche und allenfalls dazu geneigte Endflächen aufweisenderInnenraum des Stators und innerhalb dieses Innenraums vom Prüfmedium völligumschlossen ist, wobei um den Stator ein Wirbelstromkörper rotierbar gelagert ist, dervorzugsweise die Form eines Topfes, eines Käfigs oder einer Leiterschleife aufweist undaus nicht magnetischem bzw. nicht magnetisierbarem, elektrisch leitfähigem Materialausgebildet ist, wobei im Rotor Permanentmagnete gelagert bzw. mit diesem verbundensind. Für die Praxis zweckmäßig ist es, wenn dabei der Stator eine verschließbareEinbringöffnung für das Prüfmedium aufweist. Für die Lagerung des Rotors während der Messung ist es besonders vorteilhaft, wenn zurLagestabilisierung des Rotors bezüglich des Stators in Längsrichtung der Statorachse amRotor und am Stator einander gegenüberliegend zusammenwirkende Permanentmagneteund Weicheisenteile angeordnet sind, die die Längslage des Rotors relativ zurStatorachse (B) berührungsfrei stabilisieren.

Ein exakter und gut regelbarer Wirbelstromantrieb ergibt sich, wenn der Rotor und/oderder Stator und/oder der um den Rotor rotierte Wirbelstromkörper hohe elektrischeLeitfähigkeit besitzen und gegebenenfalls aus Cu, Pt, Ag oder Au gefertigt sind.

Die Einsatzmöglichkeit des erfindungsgemäßen Rheometers wird erhöht, wenn im StatorHeiz- 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 Statorachseverlaufenden Schnitt der Messspalt bzw. die den Messspalt begrenzenden Flächen desRotors und Stators zumindest einen geraden, geknickten, abgebogenen und/odergekrümmten Abschnitt besitzen der zur Rotationsachse bzw. zur Statorachse geneigtverläuft bzw. mit diesen einen spitzen Winkel einschließt, dessen Scheitel ins Innere desMessspalts gerichtet ist und/oder dass die einander gegenüberliegenden Flächen desMessspalts bezüglich der Rotationsachse jeweils zentrisch symmetrisch ausgebildet sindund/oder dass die den Messspalt begrenzenden Flächen bezüglich einer senkrecht zurRotationsachse 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 Rotationsachseverlaufenden Ebene im Schnitt dreieckförmig, trapezförmig oder als Segment einesKegelschnitts 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, ohnejedoch auf die Vorteile einer hydrodynamischen Lagerung zu verzichten, kannvorgesehen sein, dass dem Rotor an zumindest einer seiner Flächen, d.h. an seinerInnenfläche und/oder Außenfläche, und/oder an zumindest einer Endfläche, jeweils eineFläche des Stators oder eines Statorteiles oder eines weiteren Statorteils gegenüberliegtund der Rotor bei seiner Rotation durch die im jeweiligen Messspalt zwischen denjeweiligen Flächen herrschende hydrodynamische Lagerwirkung des Prüffluids in radialerund gegebenenfalls auch in axialer Richtung bezüglich der Statorachse berührungsfreigelagert ist. Für eine optimale Lagerung kann vorgesehen sein, dass der Stator in Form einesgeschlossenen Topfes oder Zylinders ausgebildet ist und dass auf diesem Stator ein dieForm eines offenen Topfes aufweisender Rotor mit seinem Innenraum unter Ausbildungdes Messspaltes aufgestülpt ist, wobei gegebenenfalls zusätzlich an der dem Statorabgewandten Seite des Rotors im Abstand zum Rotor, insbesondere seiner End-und/oder Umfangswand gegenüberliegend, zumindest ein Statorteil und/oder ein weitererStatorteil gelegen ist und gegebenenfalls dieser Abstand zwischen dem Rotor und dem jeweiligen Statorteil bzw. weiteren Statorteil als ein eine hydrodynamische Lagerungbewirkender 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 derStator an seiner zylindrisch ausgebildeten Außenfläche eine umlaufende Nut bzw.Vertiefung aufweist, in der der an seiner Innenfläche zur Ausbildung des Messspalts andie Querschnittsform der Vertiefung angepasste Rotor mit Abstand zur Fläche derVertiefung hydrodynamisch lagerbar bzw. gelagert ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn aneiner dem Stator abgewendeten Fläche des in der Vertiefung gelagerten Rotors dieFläche eines Statorteils im Abstand und unter Ausbildung eines weiteren Messspalteshydrodynamischen 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 Theologischen Parametern vorteilhafte "Kegel-Platte-Geometrie" bei erfindungsgemäßen Rotationsrheometern nachbilden zu können, kannerfindungsgemäß vorgesehen sein, dass für die Spaltweite des jeweiligen Messspaltes imAbstand von der Rotationsachse der Zusammenhang R1/R2 = S1/S2 gilt, wobei R1 und R2 die Abstände von Punkten auf den den Messspalt begrenzendenFlächen von der Rotationsachse des Rotors sind und S1 und S2 die in diesen Punkten R1und R2 bei hydrodynamischer Lagerung des Rotors ausgebildete Spaltdicke ist und dieseDicke des jeweiligen Messspalts mit zunehmender Entfernung von der Rotationsachsezunimmt.

Prinzipiell können auch nicht rotationssymmetrische Außenflächen aufweisende Rotorenverwendet werden, solange sie eine hydrodynamische Lagerung zulassen. DerartigeRotoren 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 eineAusführungsform eines erfindungsgemäßen Rotationsrheometers.

Fig. 3 bis 7 zeigen schematische Schnitte durch weitere Ausführungsformenerfindungsgemäßerr 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 diesemBehälter als Rotor 1 ein, vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildeter, Messkörperangeordnet ist und konzentrisch zum äußeren und/oder inneren Stator 2 liegt. ZwischenRotor 1 und Stator 2 liegt der Messspalt 15 und bei Rotation des Rotors 1 bildet sich imMessspalt 15 zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 1 eine hydrodynamische Lagerungaus. Durch das Gewicht des Rotors 2 bedingte Abweichungen von der konzentrischenLage können bei den erfindungsgemäßen Rheometern prinzipiell auftreten, spielen aberinsbesondere auch bei einer von der Vertikalen abweichenden Lagerung der StatorachseB bei der Messung keine Rolle und können vernachlässigt werden.

Prinzipiell erfolgt die erfindungsgemäß vorgesehene, hydrodynamische Lagerung desRotors 1 speziell in radialer Richtung bezüglich seiner Rotationsachse A. Die Lagerung inaxialer Richtung kann entweder ebenfalls durch ein hydrodynamisches Lager an denEndflächen des Rotors 1 erfolgen oder durch Anordnung von kleinen Führungsmagnetenam Rotor 1 und von Weicheisenteilen 10 am Stator 2, welche Magnete 9 undWeicheisenteile 10 einander jeweils gegenüberliegen und die Bewegungsmöglichkeit desRotors 1 in Richtung der Rotorachse A beschränken. Ganz allgemein ist mit demWirbelstromantrieb ein berührungsloser Antrieb des Rotors 1 möglich, ohne mechanischeoder magnetische Lager einsetzen zu müssen.

Ganz allgemein ist es von der konstruktiven Auslegung, insbesondere dem Radius desmagnetischen Rotors 1, der Weite bzw. Dicke des Messspaltes 15, dem Verlauf desgegenseitigen Abstandes der den Messspalt 15 begrenzenden Flächen und der Drehzahlabhängig, 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 imstationären Messbetrieb die gegenseitige Lage von Rotor 1 und Stator 2 und einelaminare Schichtung des Prüfmediums 6 im Messspalt 15 aufrecht erhalten. Insbesondereist dabei die Viskosität des Prüfmediums 6 für die Stabilität zu berücksichtigen.

Die hydrodynamische Lagerung soll derart ausgerichtet bzw. dimensioniert sein, dass derRotor 1 innerhalb des Stators 2 in einer idealen Mittellage bzw. annähernd in derMittellage, wie sie durch ein hydrodynamischen Lager vorgegeben werden kann, gehaltenwird. Es soll des Weiteren der Rotor 1 so angetrieben werden, dass er bei einer zurHorizontalen geneigten Rotorachse A ausreichend aufschwimmt und dass sich imPrüfmedium 6 keine Wirbel bilden. Wenn der Rotor 1 um den Stator 2 rotiert, so wird derRotor 1 durch die hydrostatische Lagerung in einem annähernd gleich bleibendenAbstand um den Stator 1 gehalten.

Die hydrodynamische Lagerung wird umso besser, je ähnlicher die spezifische Dichte desRotors 1 der Dichte des zu vermessenden Prüffluids ist, insbesondere dann, wenn dereine zylindrische Umfangsfläche und allenfalls dazu geneigte Endflächen aufweisendeRotor 1 in einem angepassten, eine zylindrische Innenwandfläche und allenfalls dazugeneigte Endflächen aufweisenden Innenraum eines Stators 2 mit dem

Wirbelstromantrieb rotiert wird. Zum Ausgleich unterschiedlicher, spezifischer Dichten desRotors 1 und des Prüfmediums 6 können die Rotordrehzahlen erhöht bzw. angepasstwerden. 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 Messvorrichtungendienen, mit denen die Drehzahl eines Rotors 1 gemessen werden kann. In Frage kommenauch Wirbelstromsensoren.

Prinzipiell ist es auch möglich, den Wirbelstromkörper 3 bzw. die zu rotierendenPermanentmagnete 4 mechanisch anzutreiben, z.B. über einen Riemenantrieb von einemAntriebsmotor; erforderlich ist es, die exakte Drehzahl der Magnete zu ermitteln.

Da die Viskosität eines Fluids im Regelfall temperaturabhängig ist, kann auch eineTemperaturmessung vorgesehen sein. Diese erfolgt mit einem Sensor (14)(Thermoelement etc.), der am Spalttopf bzw. Stator 2 möglichst nahe am Prüfmedium 6bzw. 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. DerSensor umfasst dann Mittel zur berührungslosen Übertragung der Messwerte zum Stator2 bzw. zu den feststehenden Teilen des Messgeräts.

Von besonderem Vorteil und allgemein ersetzbar ist die Ausführung desWirbelstromantriebes 3 mit einem magnetischen Rückschluss, der dazu führt, dass dieFeldlinien definierter, senkrecht zu den Flächen des Rotors 1 geführt werden können. Fürdiesen Rückschluss wird Weicheisen oder ein anderes weichmagnetisches Materialverwendet, mit welchem Statorteile 2" und weitere Statorteile 2' ausgebildet werden,welche Teile auch für die Ausbildung eines vergrößerten bzw. längeren bzw. von weiterenMessspalten 15 vorgesehen sein können. Mit derartigen Statorteilen 2', 2" kann an derInnenwandfläche und an der Außenwandfläche des Rotors 1 ein Messspalt 15, 15'ausgebildet werden.

Ganz allgemein können bei den erfindungsgemäßen Rotationsrheometern zur Ausbildungvon Wirbelströmen entweder rotierende Permanentmagnete 4 oder Spulen 8 eingesetztwerden, die ein rotierendes Magnetfeld erzeugen. Dies erfolgt abhängig von derkonstruktiven Gestaltung und dem Einsatzzweck.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßenRheometers im Schnitt. Ein Gehäuse 30 trägt einen bezüglich einer Statorachse Brotationssymmetrisch ausgebildeten Stator 2, der topfförmig bzw. als Zylinder von demGehäuse 30 abgeht. Auf den Stator 2 ist ein topfförmiger, bezüglich der Rotorachse Arotationssymmetrisch ausgebildeter Rotor 1 aufgesetzt, der den Stator 2 unter Ausbildungeines Abstands umgibt. Umgeben wird der Rotor 1 unter Ausbildung eines Abstands vonweiteren Statorteilen 2', 2", die mit dem Gehäuse 30 verbunden sind. Auf diese Weisewerden zwischen der inneren und äußeren Zylinderfläche des Rotors 1 sowie der innerenund äußeren Endfläche des Rotors 1 und der Außenfläche des Stators 2 und derInnenfläche der Statorteile 2', 2" jeweils ein Messspalt 15 bzw. 15' mit einerhydrodynamischen Lagerung für den Rotor 1 ausgebildet. Innerhalb des Stators 2 sind aufeinem Träger 33 Permanentmagnete 4 um die Rotorachse A verteilt angeordnet, wobeider Träger 33 um die Statorachse B von einem Antrieb 5 rotierbar ist. Über eine Öffnung16 kann Prüfmedium 6 in die beiden Messspalte 15, 15' eintreten. Über eineAustrittsöffnung 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 4vorhanden, z.B. Hallsonden, deren zusammenwirkende Messteile einerseits auf demTräger 33 der Permanentmagnete 4 und andererseits am Gehäuse 30 angeordnet sind. Inähnlicher Weise können Messeinheiten induktiver, optischer oder kapazitiver Artvorgesehen 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 30getragen. Der Rotor 1 wird durch die Rotation der Permanentmagnete 4 rotiert, die in demaus Weicheisen bestehenden Rotor 1 Wirbelströme induzieren, die ihrerseits die Rotationdes Rotors 1 durch die auftretenden elektromagnetischen Kräfte bedingen. DiePermanentmagnete 4 sind hier, wie auch bei allen übrigen Ausführungsformen derErfindung, rotationssymmetrisch und achssymmetrisch bezüglich der Statorachse B undder Rotationsachse A des Rotors 1 ausgebildet. Der Rotor 1 rotiert aufgrund desrotierenden Magnetfelds, das im vorliegenden Fall durch die Permanentmagnete 4erzeugt wird, wobei die Antriebsdrehzahl des Rotors 1 durch die Drehzahl derPermanentmagnete 4 bzw. die Drehzahl des Antriebsmotors 5 vorgegeben ist.

Die Drehzahl der Permanentmagnete 4 kann in gleicher Weise, wie die Drehzahl desRotors 1, mit berührungslos messenden Messeinheiten 31 und 32, z.B. Hallsensoren,induktive, optische oder kapazitive Messeinheiten, ermittelt werden. Alternativ kann dieDrehzahlvorgabe 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 Stirnwand1' des Rotors 1 beidseitig eine hydrodynamische Lagerung ausgebildet.

Durch die hydrodynamische Lagerung längs des Rotors 1 zentriert sich der Rotor 1bezüglich 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 dieGeometrie der Anordnung bzw. die Dimensionen des Rotors 1 und gegebenenfalls desStators 2 und der weiteren Statorteile 2', 2" insbesondere die Spaltdicke des Messspalts15, 15' variiert werden, sodass für die Messung immer eine hydrodynamische Lagerungerreicht werden kann. Damit werden jegliche Lagerreibung bzw. Lagerkräfte, die durchmechanische Lagerung oder durch eine magnetische Lagerung bewirkt werden,ausgeschlossen. Es ist lediglich die Flüssigkeitsreibung zu überwinden, welche jedoch eininteressanter Messparameter ist und als Maß für die Eigenschaften des Prüfmediumsherangezogen werden kann. Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 1 .Manerkennt den Träger 33 für die Permanentmagnete 4, die mit abwechselnder Polung längsdes Umfanges des Trägers 33 innerhalb des Stators 2 angeordnet sind. Direkt um denStator 2 herum liegt der erste Messspalt 15, der nach außen zu vom Rotor 1 begrenzt ist.

Der Rotor 1 ist außen von dem weiteren Messspalt 15' umgeben, der durch die weiterenStatorteile 2' nach außen zu begrenzt ist.

Ganz allgemein können die erfindungsgemäßen Rotationsrheometer in jeder beliebigenLage bzw. Neigung zum Einsatz kommen, da durch die beidseitig des Rotors 1ausgebildete hydrodynamische Lagerung die räumliche Ausrichtung der Rotorachse Akeine Rolle spielt und der Rotor 1 immer unter Ausbildung von eine hydrodynamischeLagerung ermöglichenden Messspalten 15, 15' zwischen dem Stator 2 bzw. denStatorteilen 2' bzw. weiteren Statorteilen 2" gelagert ist. Auftretende ungleicheGewichtsverteilungen können durch die hydrodynamische Lagerung kompensiert werden.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei der innerhalb des langgestreckten, zylindrischen Stators2 mit dem Antrieb 5 Permanentmagnete 4, die mit abwechselnder Polung aufeinandererfolgend angeordnet sind, rotiert werden. Der Rotor 1 hat in diesem Fall die Ausbildungeines Hohlzylinders mit einem nach außen abgehenden Kragen 35. Der innere Messspalt15 wird von der Außenfläche des Stators 2 und von der Innenfläche des Rotors 1begrenzt. Der weitere Messspalt 15' wird von der Außenfläche des Rotors 1 und von derInnenfläche des Statorteils 2' begrenzt. Mit einem weiteren Statorteil 2" wird der Rotor 1über den Kragen 35 in Längsrichtung der Statorachse B in einer im Wesentlichen fixenLageposition während seiner Rotation festgelegt. Der Kragen 35 ist unter Ausbildungeiner hydrodynamischen Lagerung zwischen den Statorteilen 2' und dem weiterenStatorteil 2" gelagert und die beidseits von ihm gelegenem Messspalte 15" verbessern dieMessgenauigkeit.

Ganz allgemein verlaufen die Drehachse der Permanentmagnete 4 sowie die StatorachseB koaxial. Im Idealfall fällt die Rotationsachse A des Rotors 1 mit diesen Achsenzusammen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Statorachse B im Messbetriebvertikal ausgerichtet ist. Sofern die Statorachse B horizontal oder in einem Winkel zurHorizontalen angeordnet ist, können aufgrund des Rotorgewichts geringe Abweichungenzwischen dem Verlauf der Rotorachse A und der Statorachse B eintreten.

Fig. 3a zeigt eine ähnliche, alternative Anordnung. Hier wird der leitfähige Rotor 1 durchein durch Spulen 8 erzeugtes umlaufendes Magnetfeld angetrieben. Innerhalb des Stators2 sind elektromagnetische Spulen 8, und zwar um die Statorachse B herum verteilt,angeordnet. Mit einer Versorgungseinheit 39 wird mit den Spulen 8 ein um dieStatorachse 2 umlaufendes Magnetfeld errichtet, mit dem der um den Stator 2 rotierbargelagerte Rotor 1 angetrieben wird. Um eine konstante Scherrate über den gesamtenMessspalt 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 derRotationsachse B des Stators) für die zugehörigen Spaltweiten S1 und S2 gilt: R1/S1 = R2/S2 =R1/S1 '= R2/S2 bzw. R1/R2 = S1/S2 = S17S2‘

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 mitkonstanter Spaltweite s (R= constant), während sich die Spaltweiten rund um denauskragenden Rotorteil 35 mit zunehmendem Abstand S von der Rotationsachseverbreitern.

Fig. 5 zeigt einen zylindrischen Rotor 1, der vollständig vom Stator 2 umschlossen ist. DerStator 2 ist ein allseitig geschlossener Behälter und mit Prüffluid 6 gefüllt. Zwischen derAußenwandfläche des Rotors 1 und der zylindrischen Innenwandfläche des Stators 2 wirdder Messspalt 15 ausgebildet, der gleichzeitig als hydrodynamisches Lager dient.Permanentmagnete 4 sind von einem Träger 43 getragen, der mit einem Antrieb 5 umden Stator 2 rotierbar ist. Diese rotierenden Permanentmagnete 4 bewirken die Rotationdes Rotors 1 innerhalb des Stators 2. Der als Wirbelstromkörper dienende Rotor 1 ist auselektrisch leitendem Material gebildet, das nicht magnetisierbar und nicht magnetisch ist.Der Stator 2 ist vorteilhafterweise aus nicht magnetisierbarem und nicht magnetischemMaterial gebildet. Für die Messung der Drehzahl des Rotors 1 sind Messeinheiten 31, 32vorgesehen. Ebenfalls wird die Drehzahl der rotierenden Permanentmagnete 4 mit einerMesseinheit 40 erfasst. Diese Messwerte werden mit einer Auswerteeinheit 34ausgewertet.

Anstelle der rotierenden Permanentmagnete 4 kann ein rotierendes, von Spulenerrichtetes Magnetfeld eingesetzt werden.

Um die hydrodynamische Lagerung in axialer Richtung zu verbessern, sind dieEndflächen des _Zylinders in Achsenrichtung zusätzlich abgeschrägt. In der dargestelltenAusführungsform ist die Innenwand des Stators 2 den Endflächen des Rotorsnachgebildet ist und verläuft annähernd parallel zu diesen. Um definierte Scherraten zuerzielen, kann der Spaltabschnitt 15a an den Endflächen so ausgebildet werden, dasswiederum die Bedingung R1/R1 = S1/S2 erfüllt ist.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform, die vom Aufbau her nahezu identisch mit dem in Fig. 5dargestellten Aufbau ist. In diesem Fall ist jedoch der zumindest eine Permanentmagnet 4innerhalb des Rotors 1 angeordnet und um den Stator 2 wird mit dem vom Antrieb 5angetriebenen Träger 43 als Wirbelstromkörper 3 ein Käfig oder eine topfartige

Leiterschleife rotiert, womit der Rotor 1 in Rotation um seine Rotationsachse A versetztwird. 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 unddie Magnetkräfte symmetrisch sind, um ein Torkeln des Rotors im hydrodynamischenLager zu verhindern. Der vollständig zylindrische Rotor ist in Längsrichtung derStatorachse B durch am Stator 2 angeordnete Weicheisenteile 10, die zumindest einemder rotierenden Magneten des Rotors gegenüberliegen, in seiner Lage bezüglich derAchse stabilisiert.

Ganz allgemein können überwiegend zylindrische Rotoren mit nicht ausreichender axialerhydrodynamischer Lagerung in Längsrichtung der Rotorachse A bzw. Statorachse Bdurch am Rotor 1 und/oder am Stator 2 passend angeordnete Magnete 9 und diesengegenüberliegende Weicheisenteile 10 stabilisiert werden.

Die Permanentmagnete 4 bzw. der Wirbelstromkörper 3 gemäß Fig. 5 und 6 rotierenaußen um den Stator 2, in dem der Rotor 1 frei schwimmt. Die hydrodynamischeLagerung wird dabei umso besser, je ähnlicher die spezifische Dichte des Rotors 1 derDichte des zu vermessenden Prüfmediums 6 ist. Je unterschiedlicher die Dichte desRotors und der zu vermessenden Flüssigkeit ist, umso höher werden die Rotordrehzahlengewählt. Insbesondere kommen Drehzahlbereiche von 0,2 bis 2000 upm und sogar bis zu10.000 oder 30.000 upm in Frage, da der Rotor 1 in Mittellage aufschwimmen muss,insbesondere dann, wenn das Rheometer mit horizontal ausgerichteter Statorachse Bbetrieben wird. Im Allgemeinen sind ein hohes Drehmoment bzw. eine hohe Drehzahl fürden Rotor 1 erforderlich, die auch von der Größe des Stators 2 bzw. des Innenraums desStators 2, der den Rotor 1 umgibt, und den Abmessungen des Rotors 1 sowie denParametern des Prüfmediums 6 abhängen.

Fig. 7 zeigt ein Rotationsrheometer, bei dem innerhalb des Stators 2 elektromagnetischeSpulen 8, und zwar um die Statorachse B herum verteilt, angeordnet sind. Mit einerVersorgungseinheit 39 wird mit den Spulen 8 ein um die Statorachse 2 umlaufendesMagnetfeld errichtet, mit dem der um den Stator 2 rotierbar gelagerte Rotor 1 angetriebenwird. Der Stator 2 weist an seiner zylindrisch ausgebildeten Außenfläche eine umlaufendeNut bzw. Vertiefung 20 auf, in der der an seiner Innenfläche zur Ausbildung der speziellenGeometrie des Messspalts 15 an die Querschnittsform der Vertiefung 20 angepassteRotor 1 mit Abstand zur Fläche der Vertiefung 20 hydrodynamisch lagerbar bzw. gelagertist.

Mit den Statorteilen 2' wird der Rotor 1 auf dem Stator 2 in Richtung der Statorachse Blagestabilisiert bzw. der magnetische Rückfluss verstärkt. Zwischen der dem Stator 2zugekehrten Fläche des Rotors 1 und der Außenfläche des Stators 2 liegt der Messspalt15, der bezüglich der Statorachse B und der Rotorachse A zentrisch symmetrischverlängert und bezüglich einer Ebene E, die senkrecht zur Rotationsachse A bzw. zurStatorachse B durch die Mitte des Messspalts 15 verläuft, symmetrisch ausgebildet ist.Ganz allgemein ist festzuhalten, dass in einem durch die Rotationsachse A des Rotors 1bzw. durch die Statorachse B verlaufenden Schnitt der Messspalt 15 bzw. die denMessspalt 15 begrenzenden Flächen des Rotors 1 und Stators 2 zumindest einengeraden, geknickten, abgebogenen und/oder gekrümmten Abschnitt besitzen der zurRotationsachse A bzw. zur Statorachse B geneigt verläuft bzw. mit diesen einen spitzenWinkel einschließt, dessen Scheitel ins Innere des Messspalts 15 gerichtet ist und/oderdass die einander gegenüberliegenden Flächen des Messspalts 15 bezüglich derRotationsachse A jeweils zentrisch symmetrisch ausgebildet sind und/oder dass die denMessspalt 15 begrenzenden Flächen bezüglich einer senkrecht zur Rotationsachse Averlaufende Mittelebene E des Messspaltes 15 jeweils symmetrisch verlaufen. Einderartiger 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 Flächendes Rotors 1 als auch die Innenfläche des vorteilhafterweise vorgesehenen weiterenStatorteils 2" gekrümmt. Die Messspalte 15, 15' verändern ihren Abstand; derinnenliegende Messspalt 15 wird von innen nach außen zu größer; die Dicke des außenliegenden Messspaltes 15' nimmt nach außen zu ab. Entsprechend verändert sich dieDicke des Messspaltes 15. Diese Dickenänderung ist so gewählt, dass sie dieAufrechterhaltung einer hydrodynamischen Lagerung nicht beeinträchtigt.

Mit Messeinheiten 31, 32 wird die Drehzahl des Rotors 1 vermessen, die aufgrund derden beiden Messspalten 15 und 15' vorhandenen Prüfmediums 6 kleiner ist als dieDrehzahl des durch die Spulen 8 erzeugten Magnetfelds.

Fig. 7a zeigt schematisch einen Ausführungsform, in der der Rotor 1 auf einem Stator 2läuft , deren Form im Wesentlichen einem Teil eines Kegelmantes entspricht. Die axialeund radiale Lagerung des Rotors erfolgt hier an derselben Rotorfläche, die Anteile inradialer und axialer Richtung entsprechen den Projektionen der Mantelfläche auf dieEbenen durch die Rotationsachse und die Normale dazu.

Die Ausführungsform des Rheometers gemäß Fig. 4, 7 und 7a können besonders einfachin die Wand 18 eines Rohres oder eines Behälters eingesetzt werden und das im Rohrbzw. Behälter befindliche Prüfmedium 6 vermessen werden. Für Rotationsrheometer mit einem Kegel-Platte-Messsystem ist es bekannt, dasskonstante Scherraten über den gesamten Spalt erzielt werden, wenn - wie in Fig. 8 imSchnitt dargestellt - für die Spalthöhe s in einem beliebigen Abstand bzw. Radius r vonder Rotationsachse gilt : R1/R2 = S1/S2. Das bedeutet, dass die Spalthöhe s mitVergrößerung des Abstandes R von der Rotationsachse A des Rotors 11 konstantzunimmt. Diese Bedingung kann auch bei erfindungsgemäßen Rotationsrheometernverwirklicht werden, insbesondere bei Rheometern gemäß Fig. 1a, 4 und 7.

In Fig. 4 ist ein Rotationsrheometer dargestellt, bei dem der Rotor 1 Kegelstumpfformbesitzt und in einen Messspalt 15 begrenzt, der nach obiger Bedingung einen dieserBedingung genügenden, sich zur Rotationsachse A und zur Spaltmittelebene E hin sichverjüngenden Messspalt 15 besitzt. Auch das in Fig. 7 dargestellte Rotationsrheometerkönnte bei entsprechender Umgestaltung des Rotors 1, der Vertiefung 20 und desStatorteiles 2' diese Bedingung für Messspalte 15, 15' erfüllen. In der dargestelltenAusführungsform erfüllt nur der innen liegende Messspalt diese Bedingung. DieseBedingung könnte dann für die in Fig. 7 verwendete Spaltgeometrie gelten, wenn sichbeide Messspalten 15 und 15', die zwischen der Innenfläche des Rotors 1 und derfeststehenden Außenfläche des Stators 2 sowie zwischen der Außenfläche des Rotors 1und der Innenfläche des Statorteiles 2' liegen radial bzw. nach außen zu immer weiteröffnen und der obigen Bedingung genügen. In diesem Fall können auf das zuuntersuchende Fluid konstante Scherraten ausgeübt werden. Damit können insbesonderebei Vornahme einer Kalibrierung auch nicht-newtonsche Flüssigkeiten in einfacher Weiseuntersucht werden.

Ganz allgemein ist es vorteilhaft, wenn alle einander gegenüberliegende, Messspalte 15bzw. 15' begrenzenden Flächen rotationssymmetrisch bzw. zentrisch symmetrischausgebildet sind bzw. konzentrisch liegen. Dies gilt auch für die Wirbelstromkörper 3 unddie Statorteile 2' und 2". Des Weiteren sind die eingesetzten Bauteile vorteilhaftenweisehomogen aufgebaut. Für die Erfindung ist es unbeachtlich, ob der Rotor 1 innerhalb eines Stators 2 oder umden Stator 2 herum rotiert, da zwischen dem Rotor 1 und dem Stator 2 immer einehydrodynamische Lagerung ausgebildet werden kann. Für den Fachmann ist es in einfacher Weise möglich, die Dicke und Geometrie derausgebildete Messspalte 15, 15' sowie die Dimensionen des Rotors 1 und des Stators 2aneinander anzupassen, sodass immer eine hydrodynamische Lagerung für die Prüfungeines bestimmten Prüfmediums 6 erreichbar ist. Insbesondere kann durch Austausch vonRotoren 1 und Wahl anderer Dicken, Längen oder spezifischer Gewichte der Rotoren 1eine Anpassung an unterschiedliche Dichten und/oder rheologische Eigenschaftenaufweisende Prüfmedien 6 einfach vorgenommen werden. Auch durch eine Wahl derAntriebsdrehzahlen, die durch umlaufende Magnetfelder oder umlaufendePermanentmagnete 4 oder umlaufende Wirbelstromkörper 3 vorgegeben werden, ist eineAnpassung einfach zu bewerkstelligen.

Die vorgesehenen Permanentmagnete 4 bzw. Spulen 8 sind zentrisch symmetrisch zurRotorachse A angeordnet. Es sind zumindest zwei vorzugsweise mehr als zweiPermanentmagnete 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. dieAntriebsdrehzahl durch die Rotation der Permanentmagnete 4 bzw. der Drehzahl desumlaufenden Magnetfeldes bzw. des umlaufenden Wirbelstromkörpers. Diese Drehzahlensind exakt messbar. Zur Ermittlung der gewünschten rheologischen Parameter wird dieRotordrehzahl gemessen, die sich aufgrund der Bremsung des Rotors durch dasPrüfmedium einstellt. Es ist möglich, eine Kalibrierung eines Rotors bzw. eineRheometers mit Fluiden bekannter Viskosität bzw. bekannter Parameter vorzunehmenund eine Kalibriertabelle zu erstellen, die sich bei bestimmten Temperaturen oderDrucken 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 ausgebildetenhydrodynamischen Lager bzw. Messspalte 15, 15', 15" radiale und axial verlaufendeLager- bzw. Messspaltabschnitte 15, 15', 15" besitzen können. Die in radialer Richtungverlaufenden hydrodynamischen Lagerabschnitte legen die Lage des Rotors inLängsrichtung der Statorachse B fest. Die Lagerabschnitte, die in axialer Richtung bzw. inLängsrichtung der Rotorachse A verlaufen, legen die radiale Ausrichtung des Rotors 1fest. 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 axialerAnteil vorhanden und somit ist insgesamt eine hydrodynamische Lagerung sowohl inaxialer als auch in radialer Richtung sichergestellt. Es sind somit auch kugelförmige bzw.elliptisch oder ovoid gestaltete Lagergeometrien denkbar. Wichtig ist dabei, dass dieprojizierte Fläche in axialer und radialer Richtung für eine hydrodynamische Lagerungausreichend ist.

Nicht-newtonsche Fluide zeigen in ihren Parametern, insbesondere Viskositäten eineAbhängigkeit von der Schergeschwindigkeit. Um reale nicht-newtonsche Fluide beurteilenzu können, müsste über den tatsächlichen Messspalt eine konstante Scherrate auf das zuvermessende Fluid ausgeübt werden. Um dies zu bewerkstelligen muss der Messspaltbesonders ausgeführt werden. Unter der Scherrate versteht man dabei die Steigung derGeschwindigkeit im Spalt.

Die Enden der bei den erfindungsgemäßen Rotationsrheometern zum Einsatzkommenden Rotoren 1 können abgerundet oder torpedoartig spitz zulaufend enden. Indiesen Bereichen können die gegenüberliegenden Flächen am Stator 2 bzw. denStatorteilen 2' bzw. 2" eine entsprechende Neigung bzw. Anpassung besitzen.

Der Durchmesser der Rotoren 1 ist wählbar; beispielsweise können Rotoren 1 ausAluminium oder Kupfer mit einem Durchmesser von 0,5 cm und einer Länge von 3 bis 4cm oder mit einem Durchmesser von 1 cm und einer Länge von 15 bis 20 cm gewähltwerden; die dabei ausgebildeten Spalte besitzen Spaltweiten von einigen zehntelMillimetern, z.B. 0,2 mm bzw. 0,5 bis 1 mm und es können Drehzahlwerte, z.B. von 500rpm 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 cmDurchmesser besitzen. Von Vorteil ist es jedoch, wenn die Länge des Rotors etwa umden Faktor 3 bis 6, insbesondere 4 bis 5, größer ist als der Durchmesser, da damitallenfalls 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 räumlichkonstante Temperatur herrscht. Es kann somit eine Temperierung mit vorzugweiserotationssymmetrischen Peltier-Elementen oder mit einem flüssigkeitstemperierten Mantelund/oder mit Widerstandsheizungen vorgenommen werden.

Claims (23)

1. Patentansprüche: 1. Rotationsrheometer mit einem rotationsinvariant angeordneten Stator (2), mit einem mittels eines Wirbelstromantriebs um die Achse des Stators (2) um den oder innerhalbdes Stator(s) (2) rotierbaren, rotationssymmetrisch ausgebildeten und mit seinerRotationsachse (A) koaxial zu der Statorachse (B) gelegenen Rotor (1), wobei das zuuntersuchende 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, mitder der Drehzahlunterschied zwischen der auf den Rotor (1) mit dem Wirbelstromantriebaufgebrachten Drehzahl und der während des Prüfvorganges gemessenen Drehzahl desRotors (1) ermittelt und als Messwert für die rheologischen und/oder viskosenEigenschaften des Prüfmediums (6) herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dassder mit dem zu untersuchenden Prüfmedium (6) befüllte Messspalt (15) als hydrodynamisches Lager zwischen Rotor (1) und Stator (2) fungiert bzw. ausgebildet istund ausschließlich durch die durch die Rotation des Rotors (1) relativ zum Stator (2)erzielte hydrodynamische Lagerwirkung der Abstand und die gegenseitige Lage dereinander zugekehrten, den Messspalt (15) begrenzenden Flächen von Rotor (1) undStator (2) vorgegeben und eingestellt und während des Messvorgangs beibehalten sind.
2. 2. Rotationsrheometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endbereiche(17) des Messspaltes mit dem an diese Endbereiche (17) anschließendenAußenbereichen (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. 3. Rotationsrheometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor(1), ausgenommen seine hydrodynamische Lagerung im Bereich des Messspaltes, inradialer Richtung bezogen auf seine Rotationsachse (A), berührungs- und lagerfrei,insbesondere auch frei von Magnetlagern, auf bzw. gegenüber dem Stator (2) gelagert ist.
4. 4. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dasszur Ausbildung des den Rotor (1) in Rotation versetzenden Wirbelstromantriebes derRotor (1), vorzugsweise zur Gänze, aus nicht magnetischen, nicht magnetisierbaren,elektrisch leitfähigem Material ausgebildet ist und dass um den Rotor (1) herum oderzumindest teilweise innerhalb des Rotors (1) um die Statorachse (B) herum rotierbare Permanentmagnete (4) gelagert sind oder um den Rotor (1) herum oder zumindestteilweise innerhalb des Rotors (1) elektromagnetische Spulen (8) gelagert sind, mit denenein um die Statorachse (B) rotierbares Magnetfeld generierbar ist.
5. 5. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dasszur Ausbildung des den Rotor (1) in Rotation versetzenden Wirbelstromantriebs der Rotor (1), vorzugsweise zur Gänze, aus nicht magnetischen, nicht magnetisierbaren, elektrischleitfähigem 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. 6. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dasszur Ausbildung des den Rotor (1) in Rotation versetzenden Wirbelstromantriebs innerhalbdes Rotors (1) Permanentmagnete (4) lagefest angeordnet bzw. mit dem Rotor (1)verbunden sind und dass ein, vorzugsweise gänzlich aus nicht magnetischem, nichtmagnetisierbarem, elektrisch leitfähigem Material ausgebildeter Wirbelstromkörper (3),vorzugsweise ein Käfig, ein Topf oder eine Leiterschleife, vorgesehen ist, welche um denRotor (1) rotierbar ist.
7. 7. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dassder Rotor (1) im Innenraum eines eine rotationssymmetrische Innenwandung und dieForm eines rotationssymmetrischen Behälters oder Bechers aufweisenden Stators (2)angeordnet ist, wobei zur Ausbildung des den Rotor (1) in Rotation versetzendenWirbelstromantriebs innerhalb des Rotors (1) Permanentmagnete (4) lagefest angeordnetbzw. mit dem Rotor (1) verbunden sind und das Material des Behälters bzw. Bechers,vorzugsweise zur Gänze, nicht magnetisches, nicht magnetisierbares und elektrisch nichtleitendes Material ist und ein aus nicht magnetischem, nicht magnetisierbarem, elektrischleitfähigem Material ausgebildeter Wirbelstromkörper (3), vorzugsweise ein Topf, ein Käfigoder eine Leiterschleife, vorgesehen ist, der um den Stator (2) rotierbar ist.
8. 8. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dassin einem durch die Rotationsachse (A) des Rotors (1) bzw. durch die Statorachse (B)verlaufenden Schnitt der Messspalt (15) bzw. die den Messspalt (15) begrenzendenFlächen 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 einandergegenüberliegenden 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) verlaufendeMittelebene (E) des Messspaltes (15) jeweils symmetrisch verlaufen.
9. 9. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dassder Rotor (1) zylinderförmig, ringförmig, topfförmig, kegelförmig oder kegelstumpfförmigoder in einer durch die Rotationsachse (A) verlaufenden Ebene im Schnitt dreieckförmig,trapezförmig oder als Segment eines Kegelschnitts oder Ovoids ausgebildet ist.
10. 10. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,dass dem Rotor (1) an zumindest einer seiner Flächen, d.h. an seiner Innenflächeund/oder Außenfläche, und/oder an zumindest einer Endfläche, jeweils eine Fläche desStators (2) oder eines Statorteiles (2') oder eines weiteren Statorteils (2') gegenüberliegtund der Rotor (1) bei seiner Rotation durch die im jeweiligen Messspalt (15, 15') zwischenden jeweiligen Flächen herrschende hydrodynamische Lagenwirkung des Prüffluids (6) inradialer und gegebenenfalls auch in axialer Richtung bezüglich der Statorachse (B)berührungsfrei gelagert ist.
11. 11. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,dass der Stator (2) in Form eines geschlossenen Topfes oder Zylinders ausgebildet istund 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, wobeigegebenenfalls zusätzlich an der dem Stator (2) abgewandten Seite des Rotors (1) imAbstand zum Rotor (1), insbesondere seiner End- und/oder Umfangswandgegenüberliegend, zumindest ein Statorteil (2') und/oder ein weiterer Statorteil (2')gelegen ist und gegebenenfalls dieser Abstand zwischen dem Rotor (1) und demjeweiligen Statorteil (2') bzw. weiteren Statorteil (2') als ein eine hydrodynamischeLagerung bewirkender Messspalt (15,15') ausgebildet ist.
12. 12. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,dass der Stator (2) an seiner zylindrisch ausgebildeten Außenfläche eine umlaufende Nutbzw. Vertiefung (20) aufweist, in der der an seiner Innenfläche zur Ausbildung desMessspalts (15) an die Querschnittsform der Vertiefung (20) angepasste Rotor (1) mitAbstand zur Fläche der Vertiefung (20) hydrodynamisch lagerbar bzw. gelagert ist.
13. 13. Rotationsrheometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an einer demStator (2) abgewendeten Fläche des in der Vertiefung (20) gelagerten Rotors (1) dieFläche eines Statorteils (2') im Abstand und unter Ausbildung eines weiteren Messspaltes(15') hydrodynamischen Lagers gegenüberliegt.
14. 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 derRotationsachse (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 diein diesen Punkten R1 und R2 bei hydrodynamischer Lagerung des Rotors (1)ausgebildete Spaltdicke ist und diese Dicke des jeweiligen Messspalts (15, 15') mitzunehmender Entfernung von der Rotationsachse (A) zunimmt.
15. 15. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet,dass die Geometrie, vorzugsweise der Abstand und der Abstandsverlauf der einandergegenüberliegendenden Flächenabschnitte des Messspalts (15), insbesondere derradiale Abstand der die Rotationsachse (A) umgebenden, einander gegenüberliegendenFlächen von Rotor (1) und Stator (2), zur Ausbildung der hydrodynamischen Lagerung inAbhängigkeit von den von der Antriebseinheit (5) aufgebrachten Drehzahlen, einem vorabgeschätzten Wert der Viskosität und/oder vorab geschätzten rheologischen Parameterndes Prüfmediums (6) gewählt sind.
16. 16. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet,dass ein eine zylindrische Umfangsfläche und allenfalls dazu geneigte Endflächenaufweisender Rotor (1) vorgesehen ist, der allseitig von einem eine zylinderförmigeInnenwandfläche und allenfalls dazu geneigte Endflächen aufweisender Innenraum desStators (2) und innerhalb dieses Innenraums vom Prüfmedium (6) völlig umschlossen ist,wobei um den Stator (2) ein Wirbelstromkörper (3) rotierbar gelagert ist, der vorzugsweisedie Form eines Topfes, eines Käfigs oder einer Leiterschleife aufweist und aus nichtmagnetischem bzw. nicht magnetisierbarem, elektrisch leitfähigem Material ausgebildetist, wobei im Rotor (1) Permanentmagnete (4) gelagert bzw. mit diesem verbunden sind.
17. 17. Rotationsrheometer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2)eine verschließbare Einbringöffnung für das Prüfmedium (6) aufweist.
18. 18. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet,dass zur Lagestabilisierung des Rotors (1) bezüglich des Stators (2) in Längsrichtung derStatorachse (B) am Rotor (1) und am Stator (2) einander gegenüberliegendzusammenwirkende Permanentmagnete (4) und Weicheisenteile (10) angeordnet sind,die die Längslage des Rotors (1) relativ zur Statorachse (B) berührungsfrei stabilisieren.
19. 19. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet,dass im Messspalt (15) bei Rotation des Rotors (1) eine für die Ausbildung einerhydrodynamischen Lagerung ausreichend laminare, wirbelfreie Strömung ausgebildet ist.
20. 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) rotierteWirbelstromkörper (3) hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen und gegebenenfalls aus Cu,Pt, Ag oder Au gefertigt sind.
21. 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. 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 dervom Wirbelstromantrieb vorgegebenen Antriebsdrehzahl und gegebenenfalls derTemperatur und/oder des Druckes und/oder der Dichte im Messspalt (15) angeordnetsind.
23. 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.