AT514549B1 - 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

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Rotationsrheometer zur Bestimmung der viskosen und/oder derTheologischen Eigenschaften von fluiden Medien gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Mit Rotationsrheometern kann man die viskosen und Theologischen Eigenschaften undParameter von Fluiden, insbesondere die dynamische Viskosität von Fluiden, ermitteln.

[0003] Bei erfindungsgemäßen Rheometern läuft ein als Rotor ausgebildeter Messkörper umoder in oder gegenüber einen(m) Stator oder Statorteile(n). Der Messspalt liegt zwischen demRotor und dem Stator. Es erfolgt ein Wirbelstromantrieb des Rotors. Ferner erfolgt eine Mes¬sung der vom Antrieb vorgegebenen Drehzahl und der tatsächlichen Drehzahl des Rotors wäh¬rend der Messung und die Drehzahldifferenz dient als Maß für die viskosen/rheologischenEigenschaften des Prüfmediums. Erfindungsgemäß ist eine hydrodynamische Lagerung desRotors gegenüber dem Stator vorgesehen.

[0004] Aus der GB 1197476 (A) ist ein Rheometer bekannt, bei dem der zylindrische Spaltzwischen Rotor und Stator eines dreiphasigen Induktionsmotors eine Passage für das zu ver¬messende Prüffluid bereitstellt; der Rotor ist dabei mit einer Spindel und Lagern abgestützt.

[0005] Die SU 1092381 zeigt ein Viskosimeter mit einem plattenförmigen Messkörper an einerMesswelle, die durch eine Kombination aus radialen Gleitlagern und einem axialen Lager ge¬stützt wird. Diese Gleitlager werden durch die zu untersuchende Flüssigkeit geschmiert. Nachaußen hin ist das System über eine hydrodynamische Dichtung flüssigdicht abgeschlossen.

[0006] Die WO 2006/021808 zeigt ein Couette-Viskosimeter mit einem zylinderförmigen Mess¬körper, der über einen Stator bzw. ein Spulensystem in einem konzentrischen Messbecherrotiert wird. Der ansonsten frei in der zu untersuchenden Flüssigkeit schwimmende Messkörperwird durch ein System aus Lagermagneten in Position gehalten.

[0007] Messsysteme mit zylindrischen Flächen aufweisenden Messkörpern umfassen im All¬gemeinen einen Messkörper (innerer Zylinder) und einen Messbecher (äußerer Zylinder). Diebeiden Zylinder sind in Messposition konzentrisch angeordnet, d.h. die Achsen der Zylinderfallen zusammen. Bei derartigen Zylinder-Rotationsrheometern befindet sich das zu vermes¬sende Prüfermedium in dem Ringspalt zwischen dem inneren und dem äußeren Zylinder. Wennder innere Zylinder rotiert, spricht man von einem Searle-System, im umgekehrten Fall handeltes sich um ein sogenanntes Couette- System.

[0008] Prinzipielle Unterschiede im Aufbau von Rotationsrheometern und Rotationsviskosime¬tern bestehen nicht. Es wird in jedem Fall ein Rotor relativ gegenüber einem Stator bewegt unddie Nacheil-Winkel- bzw. Drehzahl-Unterschiede werden ermittelt. Lediglich für unterschiedlicheEinsatzzwecke und abhängig von den zu prüfenden Fluiden wird ein unterschiedlicher Aufbaubzw. werden unterschiedliche Konstruktionen und Messkörper eingesetzt. Häufig werden Rota¬tionsrheometer für die Vermessung Theologischer Eigenschaften nicht-newtonscher Fluideverwendet, komplexe Rheometer vermessen dabei vor allem das schergeschwindigkeitsabhän¬gige Verhalten der Fluide.

[0009] Searle-Viskosimeter umfassen einen stehenden Becher, in dem von einem Motor einkoaxialer Zylinderkörper in der Messflüssigkeit rotieren wird. Dabei wird in der Regel entwederdas Geschwindigkeitsgefälle bei Vorgabe einer definierten Schubspannung oder dieSchubspannung bei Vorgabe eines definierten Geschwindigkeitsgefälles (konstante Drehzahl)gemessen.

[0010] Ganz allgemein soll bei Rotationsviskosimetern der Messkörper möglichst reibungsfreigelagert werden, um bei der Vermessung der Drehzahlen bzw. der auftretenden Drehmomentemöglichst keine Lagerreibung mitzumessen. Die Rotationssymmetrieachse kann dabei im Ge¬gensatz zur klassischen, senkrechten Anordnung auch in horizontaler Lage oder geneigt verlau¬fen. Der im äußeren Zylinder durch Magnete allenfalls berührungslos gelagerte Rotor kanndurch ein komplexes Steuer- und Messsystem in seiner Ideallage gehalten und berührungslos induktiv angetrieben werden. Der Aufbau eines derartigen Viskosimeters und die Rotorlagerungsind jedoch äußerst komplex. Vor allem erfolgt eine Beeinflussung des Rotors durch die Magne¬te und eine Lagerreibung oder Lagerkräfte können nicht völlig ausgeschaltet werden.

[0011] Das zu untersuchende Prüfmedium befindet sich im Messspalt zwischen Rotor undStator. Der Antrieb des als Messkörper fungierenden Rotors erfolgt bei dem erfindungsgemä¬ßen Rheometer durch einen Wirbelstromantrieb. Dazu werden z.B. um die Stator- bzw. Rotor¬achse Permanentmagnete rotiert oder es wird ein um die Stator- bzw. Rotorachse umlaufendes(rotierendes) Magnetfeld erstellt, und zwar durch zumindest zwei, vorzugsweise mehr Indukti¬onsspulen, die im leitfähigen Messkörper bzw. im Rotor Spannungen induzieren und damit zuWirbelströmen führen. Dadurch entsteht eine Lorentzkraft senkrecht zu den magnetischenFeldlinien, die den Messkörper rotiert.

[0012] 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 diesem Wir¬belstromkörper werden aufgrund seiner Rotation um die Permanentmagnete Ströme induziertund diese Ströme induzieren wiederum im Inneren des Rotors Spannungen bzw. Wirbelströme,die ihrerseits eigene, dem herrschenden Magnetfeld gemäß der Lenzschen Regel entgegenge¬setzte Magnetfelder erzeugen, die den Rotor schlussendlich antreiben.

[0013] Betrachtet man allgemein die Strömungsverhältnisse eines Fluids in einem Scherspaltzwischen zwei Zylindern, so bildet sich ein Geschwindigkeitsgefälle zwischen der inneren undder äußeren Zylinderfläche aus, d.h. es erfolgt eine Scherung mit vorgegebenem Geschwindig¬keitsgradienten. Das Drehmoment M, das durch das Gefälle auf den inneren oder äußerenZylinder übertragen wird, ist der dynamischen Viskosität direkt proportional. Betrachtet manzwei Volumselemente, erfahren sie immer die gleiche Winkelbeschleunigung, aber das äußereVolumselement erfährt höhere Fliehkräfte, sodass Couette-Anordnungen eigentlich stabiler sindals Searle-Anordnungen, wobei bei Couette-Anordnungen die äußeren Volumselemente diehöheren Geschwindigkeiten erfahren. Im Falle einer Searle-Anordnung wird der innere Zylindergedreht und es ergibt sich ein Geschwindigkeitsprofil, bei dem die inneren Flüssigkeitsschichtenmit höherer Geschwindigkeit rotieren, während die äußeren Schichten langsamer rotieren, waszu Wirbelbildung führen kann.

[0014] Ein Searle-System ist aufgrund der Bewegung des inneren Zylinders und damit dermaximalen Geschwindigkeit am inneren Zylinder immer die instabilere Variante, da die Wirbel¬bildung hauptsächlich aufgrund der wirkenden Zentrifugalkräfte erfolgt. Diese sogenannte Tay-lor-Couette-Wirbelbildung ist bekannt. Das Auftreten dieser Wirbel beschränkt den Einsatz derSearlesysteme. Um einen laminaren Fluss im Messspalt zu erzielen, wird der prinzipiell sehrweite Messbereich, insbesondere für Fluide geringer Viskosität, eingeschränkt.

[0015] Im Allgemeinen sind die Vorteile einer Searle-Anordnung die hohen möglichen Scherge¬schwindigkeiten, die homogene Schergeschwindigkeitsverteilung und die geringe Empfindlich¬keit gegenüber Sedimentationserscheinungen. Nachteile sind Rand- bzw. Endeffekte mit not¬wendiger Korrektur, das Auftreten von Wirbeln und die Notwendigkeit der exakten Kalibrierungbzw. Messspaltsteuerung.

[0016] Die Lagerung eines Rotors ausschließlich mit Magneten bzw. mittels Magnetfeld funktio¬niert bei einer berührungslosen Kopplung zwischen Rotor und Antrieb nicht, da hier durch dieMagnetkräfte die quadratisch zum Abstand abnehmen, immer ein Ungleichgewicht beim Rotorentsteht und diese Anordnung erst bei sehr hohen Umdrehungen des Rotors funktionieren (z.B.10.000 upm) kann - ansonsten wird der Rotor gegen den Stator stoßen bzw. verreiben. Einstarkes Magnetfeld bewirkt ferner eine nahezu starre Kopplung zwischen dem Rotor und demantreibenden Magnetfeld und bewirkt dieselbe Drehzahl von Magnetfeld und Rotor allenfalls miteinem sich bei der Prüfung einstellenden, vom Magnetfeld beeinflussten geringen Verdre¬hungswinkel zwischen Rotor und Stator, der jedoch nicht oder nur ausgesprochen schwierig zudetektieren ist.

[0017] Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Anordnungen bzw. Rheometer zuvermeiden und ein Rotationsrheometer zu erstellen, das einfach aufgebaut ist, exakte Messwer¬te liefert und frei von Lagerkräften, insbesondere mechanischen und magnetischen Lagerkräf¬ten, betrieben werden kann.

[0018] Erfindungsgemäß werden diese Ziele bei einem Rotationsrheometer der eingangs ge¬nannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale erreicht.Es ist somit vorgesehen, dass der mit dem zu untersuchenden Prüfmedium befüllte Messspaltals hydrodynamisches Lager zwischen Rotor und Stator fungiert bzw. ausgebildet ist und aus¬schließlich durch die durch die Rotation des Rotors relativ zum Stator erzielte hydrodynamischeLagerwirkung der Abstand und die gegenseitige Lage der einander zugekehrten, den Messspaltbegrenzenden Flächen von Rotor und Stator vorgegeben und eingestellt und während desMessvorgangs beibehalten sind.

[0019] Es ist lediglich erforderlich, die Drehzahl des Rotors zu vermessen und die auf den Rotoreinwirkende Antriebsdrehzahl bzw. seine Solldrehzahl zu kennen, um, unbeeinflusst von Lage¬rungseinflüssen, Werte zu erhalten, die einen direkten Rückschluss auf die Theologischen Pa¬rameter zulassen. Der einzige Einfluss auf die Rotordrehzahl erfolgt durch das Prüfmedium, dasaufgrund seiner ihm innewohnenden Eigenschaften die Rotation des Rotors verlangsamt.

[0020] Es ist für den Fachmann einfach, für unterschiedliche Prüfmedien die für eine hydrody¬namische Lagerwirkung erforderliche Spaltgeometrie zu erstellen. Dies kann insbesonderedadurch erfolgen, dass man vorab die zu ermittelnden Parameter näherungsweise ermittelt,dann den Messspalt einrichtet bzw. an diese Parameter anpasst und danach diese Parametermit einem erfindungsgemäßen Rotationsrheometer in höchster Genauigkeit ermittelt. Auch kanndie Drehzahl, mit der der Rotor rotiert wird, auf die Parameter von unterschiedlichen Prüfmedienabgestellt werden, ebenso kann eine Berücksichtigung von Temperatur und Druck des Prüfme¬diums erfolgen, um eine einwandfrei hydrodynamische Lagerung während des Messvorgangszu erreichen. Es ist somit von Vorteil, wenn die Geometrie, vorzugsweise der Abstand und derAbstandsverlauf der einander gegenüberliegendenden Flächenabschnitte des Messspalts,insbesondere der radiale Abstand der die Rotationsachse umgebenden, einander gegenüber¬liegenden Flächen von Rotor und Stator, zur Ausbildung der hydrodynamischen Lagerung inAbhängigkeit von den von der Antriebseinheit aufgebrachten Drehzahlen, einem vorab ge¬schätzten Wert der Viskosität und/oder vorab geschätzten Theologischen Parametern des Prüf¬mediums gewählt sind. Eine einwandfreie Lagerung wird unterstützt, wenn im Messspalt beiRotation des Rotors eine für die Ausbildung einer hydrodynamischen Lagerung ausreichendlaminare, wirbelfreie Strömung ausgebildet ist.

[0021] Für die stabile Ausbildung einer hydrodynamischen Lagerung bei einem Rotationsrheo¬meter für den Messbetrieb ist es von Vorteil, wenn die Endbereiche des Messspaltes mit deman diese Endbereiche anschließenden Außenbereichen bzw. dem in diesen Bereichen befindli¬chen Prüfmedium frei, insbesondere ohne Querschnittsverengung des Endbereiches desMessspaltes, kommunizieren bzw. die Endbereiche direkt in diese Außenbereiche übergehen.

[0022] Für den Erhalt von exakten Messwerten ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass derRotor, ausgenommen seine hydrodynamische Lagerung im Bereich des Messspaltes, in radia¬ler Richtung bezogen auf seine Rotationsachse, berührungs- und lagerfrei, insbesondere auchfrei von Magnetlagern, auf bzw. gegenüber dem Stator gelagert ist.

[0023] Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn zur Ausbildung desden Rotor in Rotation versetzenden Wirbelstromantriebes der Rotor, vorzugsweise zur Gänze,aus nicht magnetischen, nicht magnetisierbaren, elektrisch leitfähigem Material ausgebildet istund dass um den Rotor herum oder zumindest teilweise innerhalb des Rotors um dieStatorachse herum rotierbare Permanentmagnete gelagert sind oder um den Rotor herum oderzumindest teilweise innerhalb des Rotors elektromagnetische Spulen gelagert sind, mit denenein um die Statorachse rotierbares Magnetfeld generierbar ist. Alternativ dazu kann vorgesehensein, dass zur Ausbildung des den Rotor in Rotation versetzenden Wirbelstromantriebs derRotor, vorzugsweise zur Gänze, aus nicht magnetischen, nicht magnetisierbaren, elektrisch leitfähigem Material ausgebildet ist und dass zumindest teilweise innerhalb des Stators Perma¬nentmagnete oder Spulen gelagert sind, wobei die Permanentmagnete um die Statorachserotierbar sind und mit den Spulen ein um die Statorachse rotierendes Magnetfeld generierbarist.

[0024] Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zur Ausbildung des denRotor in Rotation versetzenden Wirbelstromantriebs innerhalb des Rotors Permanentmagnetelagefest angeordnet bzw. mit dem Rotor verbunden sind und dass ein, vorzugsweise gänzlichaus nicht magnetischem, nicht magnetisierbarem, elektrisch leitfähigem Material ausgebildeterWirbelstromkörper, vorzugsweise ein Käfig, ein Topf oder eine Leiterschleife, vorgesehen ist,welche um den Rotor rotierbar ist.

[0025] Eine in der Praxis gut einsetzbare, exakte Messwerte liefernde Ausführungsform derErfindung sieht vor, dass der Rotor im Innenraum eines eine rotationssymmetrische Innenwan¬dung und die Form eines rotationssymmetrischen Behälters oder Bechers aufweisenden Statorsangeordnet ist, wobei zur Ausbildung des den Rotor in Rotation versetzenden Wirbelstroman¬triebs innerhalb des Rotors Permanentmagnete lagefest angeordnet bzw. mit dem Rotor ver¬bunden sind und das Material des Behälters bzw. Bechers, vorzugsweise zur Gänze, nichtmagnetisches, nicht magnetisierbares und elektrisch nicht leitendes Material ist und ein ausnicht magnetischem, nicht magnetisierbarem, elektrisch leitfähigem Material ausgebildeterWirbelstromkörper, vorzugsweise ein Topf, ein Käfig oder eine Leiterschleife, vorgesehen ist,der um den Stator rotierbar ist.

[0026] Von Vorteil kann es sein, wenn ein eine zylindrische Umfangsfläche und allenfalls dazugeneigte Endflächen aufweisender Rotor vorgesehen ist, der allseitig von einem eine zylinder¬förmige Innenwandfläche und allenfalls dazu geneigte Endflächen aufweisender Innenraum desStators und innerhalb dieses Innenraums vom Prüfmedium völlig umschlossen ist, wobei umden Stator ein Wirbelstromkörper rotierbar gelagert ist, der vorzugsweise die Form eines Top¬fes, eines Käfigs oder einer Leiterschleife aufweist und aus nicht magnetischem bzw. nichtmagnetisierbarem, elektrisch leitfähigem Material ausgebildet ist, wobei im Rotor Permanent¬magnete gelagert bzw. mit diesem verbunden sind. Für die Praxis zweckmäßig ist es, wenndabei der Stator eine verschließbare Einbringöffnung für das Prüfmedium aufweist.

[0027] Für die Lagerung des Rotors während der Messung ist es besonders vorteilhaft, wennzur Lagestabilisierung des Rotors bezüglich des Stators in Längsrichtung der Statorachse amRotor und am Stator einander gegenüberliegend zusammenwirkende Permanentmagnete undWeicheisenteile angeordnet sind, die die Längslage des Rotors relativ zur Statorachse (B)berührungsfrei stabilisieren.

[0028] Ein exakter und gut regelbarer Wirbelstromantrieb ergibt sich, wenn der Rotor und/oderder Stator und/oder der um den Rotor rotierte Wirbelstromkörper hohe elektrische Leitfähigkeitbesitzen und gegebenenfalls aus Cu, Pt, Ag oder Au gefertigt sind.

[0029] Die Einsatzmöglichkeit des erfindungsgemäßen Rheometers wird erhöht, wenn im StatorHeiz- und/oder Kühleinheiten für das Prüfmedium angeordnet sind.

[0030] Die Geometrie des Messspaltes kann unterschiedlich gewählt werden. Vorteilhaft ist es,wenn in einem durch die Rotationsachse des Rotors bzw. durch die Statorachse verlaufendenSchnitt der Messspalt bzw. die den Messspalt begrenzenden Flächen des Rotors und Statorszumindest einen geraden, geknickten, abgebogenen und/oder gekrümmten Abschnitt besitzender zur Rotationsachse bzw. zur Statorachse geneigt verläuft bzw. mit diesen einen spitzenWinkel einschließt, dessen Scheitel ins Innere des Messspalts gerichtet ist und/oder dass dieeinander gegenüberliegenden Flächen des Messspalts bezüglich der Rotationsachse jeweilszentrisch symmetrisch ausgebildet sind und/oder dass die den Messspalt begrenzenden Flä¬chen bezüglich einer senkrecht zur Rotationsachse verlaufende Mittelebene des Messspaltesjeweils symmetrisch verlaufen. Es ist ferner für den Messbetrieb von Vorteil, wenn der Rotorzylinderförmig, ringförmig, topfförmig, kegelförmig oder kegelstumpfförmig oder in einer durchdie Rotationsachse verlaufenden Ebene im Schnitt dreieckförmig, trapezförmig oder als Seg- ment eines Kegelschnitts oder Ovoids ausgebildet ist.

[0031] Allgemein ist es von Vorteil, wenn der Messspalt möglichst eng gewählt wird.

[0032] Um eine definierte, reibungsfreie Lagerung des Rotors radial und axial zu erreichen,ohne jedoch auf die Vorteile einer hydrodynamischen Lagerung zu verzichten, kann vorgesehensein, dass dem Rotor an zumindest einer seiner Flächen, d.h. an seiner Innenfläche und/oderAußenfläche, und/oder an zumindest einer Endfläche, jeweils eine Fläche des Stators odereines Statorteiles oder eines weiteren Statorteils gegenüberliegt und der Rotor bei seiner Rota¬tion durch die im jeweiligen Messspalt zwischen den jeweiligen Flächen herrschende hydrody¬namische Lagerwirkung des Prüffluids in radialer und gegebenenfalls auch in axialer Richtungbezüglich der Statorachse berührungsfrei gelagert ist.

[0033] Für eine optimale Lagerung kann vorgesehen sein, dass der Stator in Form eines ge¬schlossenen Topfes oder Zylinders ausgebildet ist und dass auf diesem Stator ein die Formeines offenen Topfes aufweisender Rotor mit seinem Innenraum unter Ausbildung des Mess¬spaltes aufgestülpt ist, wobei gegebenenfalls zusätzlich an der dem Stator abgewandten Seitedes Rotors im Abstand zum Rotor, insbesondere seiner End- und/oder Umfangswand gegen¬überliegend, zumindest ein Statorteil und/oder ein weiterer Statorteil gelegen ist und gegebe¬nenfalls dieser Abstand zwischen dem Rotor und dem jeweiligen Statorteil bzw. weiteren Stator¬teil als ein eine hydrodynamische Lagerung bewirkender Messspalt ausgebildet ist.

[0034] Ein für die Praxis einfach aufgebautes, aber sehr exakt messendes Rotationsrheometer,das in das Prüfmedium eingetaucht werden kann, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Statoran seiner zylindrisch ausgebildeten Außenfläche eine umlaufende Nut bzw. Vertiefung aufweist,in der der an seiner Innenfläche zur Ausbildung des Messspalts an die Querschnittsform derVertiefung angepasste Rotor mit Abstand zur Fläche der Vertiefung hydrodynamisch lagerbarbzw. gelagert ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn an einer dem Stator abgewendeten Fläche desin der Vertiefung gelagerten Rotors die Fläche eines Statorteils im Abstand und unter Ausbil¬dung eines weiteren Messspaltes hydrodynamischen Lagers gegenüberliegt.

[0035] Damit ergibt sich ein Doppelspaltsystem, das eine Kombination aus Couette- und Se-arle- Prinzip darstellt und ausgezeichnete hydrodynamische Lagerung gewährleistet.

[0036] Um die als für die Messungen von Theologischen Parametern vorteilhafte "Kegel-Platte-Geometrie" bei erfindungsgemäßen Rotationsrheometern nachbilden zu können, kann erfin¬dungsgemäß vorgesehen sein, dass für die Spaltweite des jeweiligen Messspaltes im Abstandvon der Rotationsachse der Zusammenhang R1/R2 = S1/S2 gilt, wobei R1 und R2 die Abstände von Punkten auf den den Messspalt begrenzenden Flächenvon der Rotationsachse des Rotors sind und S1 und S2 die in diesen Punkten R1 und R2 beihydrodynamischer Lagerung des Rotors ausgebildete Spaltdicke ist und diese Dicke des jewei¬ligen Messspalts mit zunehmender Entfernung von der Rotationsachse zunimmt.

[0037] Prinzipiell können auch nicht rotationssymmetrische Außenflächen aufweisende Rotorenverwendet werden, solange sie eine hydrodynamische Lagerung zulassen. Derartige Rotorenkönnen den Querschnitt von Vielecken oder Ellipsen besitzen.

[0038] Im Folgenden wir die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.

[0039] Fig. 1 und 2 zeigen einen schematischen Längs- und Querschnitt durch eine Ausfüh¬ rungsform eines erfindungsgemäßen Rotationsrheometers.

[0040] Fig. 3 bis 7 zeigen schematische Schnitte durch weitere Ausführungsformen erfin¬ dungsgemäßer Rotationsrheometer.

[0041] Fig. 8 zeigt schematisch das Prinzip eines Kegel-Platte-Rotationsrheometers.

[0042] Ein erfindungsgemäßes Rotationsrheometer besitzt ganz allgemein einen feststehen¬den, äußeren oder inneren, als Stator 2 fungierenden, vorzugsweise rotationssymmetrischen, Körper, der auch als geschlossener Behälter ausgebildet sein kann, wobei in diesem Behälterals Rotor 1 ein, vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildeter, Messkörper angeordnet istund konzentrisch zum äußeren und/oder inneren Stator 2 liegt. Zwischen Rotor 1 und Stator 2liegt der Messspalt 15 und bei Rotation des Rotors 1 bildet sich im Messspalt 15 zwischen demStator 2 und dem Rotor 1 eine hydrodynamische Lagerung aus. Durch das Gewicht des Rotors2 bedingte Abweichungen von der konzentrischen Lage können bei den erfindungsgemäßenRheometern prinzipiell auftreten, spielen aber insbesondere auch bei einer von der Vertikalenabweichenden Lagerung der Statorachse B bei der Messung keine Rolle und können vernach¬lässigt werden.

[0043] Prinzipiell erfolgt die erfindungsgemäß vorgesehene, hydrodynamische Lagerung desRotors 1 speziell in radialer Richtung bezüglich seiner Rotationsachse A. Die Lagerung in axia¬ler Richtung kann entweder ebenfalls durch ein hydrodynamisches Lager an den Endflächendes Rotors 1 erfolgen oder durch Anordnung von kleinen Führungsmagneten am Rotor 1 undvon Weicheisenteilen 10 am Stator 2, welche Magnete 9 und Weicheisenteile 10 einanderjeweils gegenüberliegen und die Bewegungsmöglichkeit des Rotors 1 in Richtung der Rotor¬achse A beschränken. Ganz allgemein ist mit dem Wirbelstromantrieb ein berührungsloserAntrieb des Rotors 1 möglich, ohne mechanische oder magnetische Lager einsetzen zu müs¬sen.

[0044] Ganz allgemein ist es von der konstruktiven Auslegung, insbesondere dem Radius desmagnetischen Rotors 1, der Weite bzw. Dicke des Messspaltes 15, dem Verlauf des gegensei¬tigen Abstandes der den Messspalt 15 begrenzenden Flächen und der Drehzahl abhängig,welche Prüfmedien 6 aufgrund ihrer speziellen Dichteparameter, Viskositätsparameter undrheologischen Parameter den Rotor 1 beim Anlaufen bzw. Hochlaufen in eine stabile Lage imBezug auf den Stator 2 bringen und sodann im stationären Messbetrieb die gegenseitige Lagevon Rotor 1 und Stator 2 und eine laminare Schichtung des Prüfmediums 6 im Messspalt 15aufrecht erhalten. Insbesondere ist dabei die Viskosität des Prüfmediums 6 für die Stabilität zuberücksichtigen.

[0045] Die hydrodynamische Lagerung soll derart ausgerichtet bzw. dimensioniert sein, dassder Rotor 1 innerhalb des Stators 2 in einer idealen Mittellage bzw. annähernd in der Mittellage,wie sie durch ein hydrodynamischen Lager vorgegeben werden kann, gehalten wird. Es soll desWeiteren der Rotor 1 so angetrieben werden, dass er bei einer zur Horizontalen geneigtenRotorachse A ausreichend aufschwimmt und dass sich im Prüfmedium 6 keine Wirbel bilden.Wenn der Rotor 1 um den Stator 2 rotiert, so wird der Rotor 1 durch die hydrostatische Lage¬rung in einem annähernd gleich bleibenden Abstand um den Stator 1 gehalten.

[0046] Die hydrodynamische Lagerung wird umso besser, je ähnlicher die spezifische Dichtedes Rotors 1 der Dichte des zu vermessenden Prüffluids ist, insbesondere dann, wenn der einezylindrische Umfangsfläche und allenfalls dazu geneigte Endflächen aufweisende Rotor 1 ineinem angepassten, eine zylindrische Innenwandfläche und allenfalls dazu geneigte Endflächenaufweisenden Innenraum eines Stators 2 mit dem Wirbelstromantrieb rotiert wird. Zum Aus¬gleich unterschiedlicher, spezifischer Dichten des Rotors 1 und des Prüfmediums 6 können dieRotordrehzahlen erhöht bzw. angepasst werden.

[0047] Für die Ermittlung der Messwerte bzw. der Drehzahlen können bei allen Ausführungs¬formen Sensoren 31, 32, z.B. Hallsensoren, optische Sensoren, kapazitive, induktive Sensorenund andere, berührungslos funktionierenden Messvorrichtungen dienen, mit denen die Drehzahleines Rotors 1 gemessen werden kann. In Frage kommen auch Wirbelstromsensoren.

[0048] Prinzipiell ist es auch möglich, den Wirbelstromkörper 3 bzw. die zu rotierenden Perma¬nentmagnete 4 mechanisch anzutreiben, z.B. über einen Riemenantrieb von einem Antriebsmo¬tor; erforderlich ist es, die exakte Drehzahl der Magnete zu ermitteln.

[0049] Da die Viskosität eines Fluids im Regelfall temperaturabhängig ist, kann auch eine Tem¬peraturmessung vorgesehen sein. Diese erfolgt mit einem Sensor (14) (Thermoelement etc.),der am Spalttopf bzw. Stator 2 möglichst nahe am Prüfmedium 6 bzw. direkt an der Statorober¬ fläche in Kontakt mit dem Prüfmedium 6 bündig montiert ist, ohne die Strömung zu stören, oderaber am bzw. im Rotor 1 angeordnet sein kann. Der Sensor umfasst dann Mittel zur berüh¬rungslosen Übertragung der Messwerte zum Stator 2 bzw. zu den feststehenden Teilen desMessgeräts.

[0050] Von besonderem Vorteil und allgemein einsetzbar ist die Ausführung des Wirbelstro¬mantriebes 3 mit einem magnetischen Rückschluss, der dazu führt, dass die Feldlinien definier¬ter, senkrecht zu den Flächen des Rotors 1 geführt werden können. Für diesen Rückschlusswird Weicheisen oder ein anderes weichmagnetisches Material verwendet, mit welchem Stator¬teile 2" und weitere Statorteile 2' ausgebildet werden, welche Teile auch für die Ausbildungeines vergrößerten bzw. längeren bzw. von weiteren Messspalten 15 vorgesehen sein können.Mit derartigen Statorteilen 2', 2" kann an der Innenwandfläche und an der Außenwandflächedes Rotors 1 ein Messspalt 15, 15' ausgebildet werden.

[0051] Ganz allgemein können bei den erfindungsgemäßen Rotationsrheometern zur Ausbil¬dung von Wirbelströmen entweder rotierende Permanentmagnete 4 oder Spulen 8 eingesetztwerden, die ein rotierendes Magnetfeld erzeugen. Dies erfolgt abhängig von der konstruktivenGestaltung und dem Einsatzzweck.

[0052] Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßenRheometers im Schnitt. Ein Gehäuse 30 trägt einen bezüglich einer Statorachse B rotations¬symmetrisch ausgebildeten Stator 2, der topfförmig bzw. als Zylinder von dem Gehäuse 30abgeht. Auf den Stator 2 ist ein topfförmiger, bezüglich der Rotorachse A rotationssymmetrischausgebildeter Rotor 1 aufgesetzt, der den Stator 2 unter Ausbildung eines Abstands umgibt.Umgeben wird der Rotor 1 unter Ausbildung eines Abstands von weiteren Statorteilen 2', 2", diemit dem Gehäuse 30 verbunden sind. Auf diese Weise werden zwischen der inneren und äuße¬ren Zylinderfläche des Rotors 1 sowie der inneren und äußeren Endfläche des Rotors 1 und derAußenfläche des Stators 2 und der Innenfläche der Statorteile 2', 2" jeweils ein Messspalt 15bzw. 15' mit einer hydrodynamischen Lagerung für den Rotor 1 ausgebildet. Innerhalb desStators 2 sind auf einem Träger 33 Permanentmagnete 4 um die Rotorachse A verteilt ange¬ordnet, wobei der Träger 33 um die Statorachse B von einem Antrieb 5 rotierbar ist. Über eineÖffnung 16 kann Prüfmedium 6 in die beiden Messspalte 15, 15' eintreten. Über eine Austritts¬öffnung 17 kann das Prüfmedium 6, angetrieben durch die Rotation des Rotors 1, die Messspal¬te 15, 15' wieder verlassen.

[0053] Es sind Einrichtungen 31, 32 für die Messung der Drehzahl der Permanentmagnete 4vorhanden, z.B. Hallsonden, deren zusammenwirkende Messteile einerseits auf dem Träger 33der Permanentmagnete 4 und andererseits am Gehäuse 30 angeordnet sind. In ähnlicher Wei¬se können Messeinheiten induktiver, optischer oder kapazitiver Art vorgesehen sein, um dieDrehzahl des Rotors 1 zu bestimmen. Diese Messeinheiten werden vom Rotor 1 und vomStator 2 bzw. den Statorteilen 2', 2" oder dem Gehäuse 30 getragen. Der Rotor 1 wird durch dieRotation der Permanentmagnete 4 rotiert, die in dem aus Weicheisen bestehenden Rotor 1Wirbelströme induzieren, die ihrerseits die Rotation des Rotors 1 durch die auftretenden elekt¬romagnetischen Kräfte bedingen. Die Permanentmagnete 4 sind hier, wie auch bei allen übri¬gen Ausführungsformen der Erfindung, rotationssymmetrisch und achssymmetrisch bezüglichder Statorachse B und der Rotationsachse A des Rotors 1 ausgebildet. Der Rotor 1 rotiertaufgrund des rotierenden Magnetfelds, das im vorliegenden Fall durch die Permanentmagnete4 erzeugt wird, wobei die Antriebsdrehzahl des Rotors 1 durch die Drehzahl der Permanent¬magnete 4 bzw. die Drehzahl des Antriebsmotors 5 vorgegeben ist.

[0054] 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 die Drehzahlvorgabedes Motors für die weitere Berechnung herangezogen werden.

[0055] In axialer Lage auf der Statorachse B wird der Rotor 1 durch die weiteren Statorteile 2',2" gehalten, welche die Stirnwand des Rotors 1 umgreifen. Somit ist auch an der Stirnwand 1'des Rotors 1 beidseitig eine hydrodynamische Lagerung ausgebildet.

[0056] 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" erfolgteine lagemäßige Stabilisierung in Richtung der Statorachse B.

[0057] Um unterschiedliche Prüfmedien 6 vermessen zu können, können ganz allgemein dieGeometrie der Anordnung bzw. die Dimensionen des Rotors 1 und gegebenenfalls des Stators2 und der weiteren Statorteile 2', 2" insbesondere die Spaltdicke des Messspalts 15, 15' variiertwerden, sodass für die Messung immer eine hydrodynamische Lagerung erreicht werden kann.Damit werden jegliche Lagerreibung bzw. Lagerkräfte, die durch mechanische Lagerung oderdurch eine magnetische Lagerung bewirkt werden, ausgeschlossen. Es ist lediglich die Flüssig¬keitsreibung zu übenwinden, welche jedoch ein interessanter Messparameter ist und als Maß fürdie Eigenschaften des Prüfmediums herangezogen werden kann. Fig. 2 zeigt einen Schnittlängs der Linie C-C in Fig. I.Man erkennt den Träger 33 für die Permanentmagnete 4, die mitabwechselnder Polung längs des Umfanges des Trägers 33 innerhalb des Stators 2 angeordnetsind. Direkt um den Stator 2 herum liegt der erste Messspalt 15, der nach außen zu vom Rotor 1 begrenzt ist.

[0058] Der Rotor 1 ist außen von dem weiteren Messspalt 15' umgeben, der durch die weiterenStatorteile 2' nach außen zu begrenzt ist.

[0059] Ganz allgemein können die erfindungsgemäßen Rotationsrheometer in jeder beliebigenLage bzw. Neigung zum Einsatz kommen, da durch die beidseitig des Rotors 1 ausgebildetehydrodynamische Lagerung die räumliche Ausrichtung der Rotorachse A keine Rolle spielt undder Rotor 1 immer unter Ausbildung von eine hydrodynamische Lagerung ermöglichendenMessspalten 15, 15' zwischen dem Stator 2 bzw. den Statorteilen 2' bzw. weiteren Statorteilen2" gelagert ist. Auftretende ungleiche Gewichtsverteilungen können durch die hydrodynamischeLagerung kompensiert werden.

[0060] Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei der innerhalb des langgestreckten, zylindrischen Stators 2 mit dem Antrieb 5 Permanentmagnete 4, die mit abwechselnder Polung aufeinander erfolgendangeordnet sind, rotiert werden. Der Rotor 1 hat in diesem Fall die Ausbildung eines Hohlzylin¬ders mit einem nach außen abgehenden Kragen 35. Der innere Messspalt 15 wird von derAußenfläche des Stators 2 und von der Innenfläche des Rotors 1 begrenzt. Der weitere Mess¬spalt 15' wird von der Außenfläche des Rotors 1 und von der Innenfläche des Statorteils 2'begrenzt. Mit einem weiteren Statorteil 2" wird der Rotor 1 über den Kragen 35 in Längsrichtungder Statorachse B in einer im Wesentlichen fixen Lageposition während seiner Rotation festge¬legt. Der Kragen 35 ist unter Ausbildung einer hydrodynamischen Lagerung zwischen denStatorteilen 2' und dem weiteren Statorteil 2" gelagert und die beidseits von ihm gelegenemMessspalte 15" verbessern die Messgenauigkeit.

[0061] Ganz allgemein verlaufen die Drehachse der Permanentmagnete 4 sowie die Statorach¬se B koaxial. Im Idealfall fällt die Rotationsachse A des Rotors 1 mit diesen Achsen zusammen.Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Statorachse B im Messbetrieb vertikal ausgerich¬tet ist. Sofern die Statorachse B horizontal oder in einem Winkel zur Horizontalen angeordnetist, können aufgrund des Rotorgewichts geringe Abweichungen zwischen dem Verlauf derRotorachse A und der Statorachse B eintreten.

[0062] Fig. 3a zeigt eine ähnliche, alternative Anordnung. Hier wird der leitfähige Rotor 1 durchein durch Spulen 8 erzeugtes umlaufendes Magnetfeld angetrieben. Innerhalb des Stators 2sind elektromagnetische Spulen 8, und zwar um die Statorachse B herum verteilt, angeordnet.Mit einer Versorgungseinheit 39 wird mit den Spulen 8 ein um die Statorachse 2 umlaufendesMagnetfeld errichtet, mit dem der um den Stator 2 rotierbar gelagerte Rotor 1 angetrieben wird.Um eine konstante Scherrate über den gesamten Messspalt zu erzielen, sind die Messspalte15, 15‘ bzw. 15“ so ausgebildet, dass für jeden beliebigen Abstand R1 und R2 von der Rotati¬onsachse A des Rotors (bzw. von der Rotationsachse B des Stators ) für die zugehörigenSpaltweiten S1 und S2 gilt: R1/S1 = R2/S2 =R1/S1'= R2/S2 bzw. R1/R2 = S1/S2 = S17S2‘ [0063] 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. 3adargestellt ist.

[0064] 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 den auskragen¬den Rotorteil 35 mit zunehmendem Abstand S von der Rotationsachse verbreitern.

[0065] Fig. 5 zeigt einen zylindrischen Rotor 1, der vollständig vom Stator 2 umschlossen ist.Der Stator 2 ist ein allseitig geschlossener Behälter und mit Prüffluid 6 gefüllt. Zwischen derAußenwandfläche des Rotors 1 und der zylindrischen Innenwandfläche des Stators 2 wird derMessspalt 15 ausgebildet, der gleichzeitig als hydrodynamisches Lager dient. Permanentmag¬nete 4 sind von einem Träger 43 getragen, der mit einem Antrieb 5 um den Stator 2 rotierbar ist.Diese rotierenden Permanentmagnete 4 bewirken die Rotation des Rotors 1 innerhalb desStators 2. Der als Wirbelstromkörper dienende Rotor 1 ist aus elektrisch leitendem Materialgebildet, das nicht magnetisierbar und nicht magnetisch ist. Der Stator 2 ist vorteilhaftenweiseaus nicht magnetisierbarem und nicht magnetischem Material gebildet. Für die Messung derDrehzahl des Rotors 1 sind Messeinheiten 31, 32 vorgesehen. Ebenfalls wird die Drehzahl derrotierenden Permanentmagnete 4 mit einer Messeinheit 40 erfasst. Diese Messwerte werdenmit einer Auswerteeinheit 34 ausgewertet.

[0066] Anstelle der rotierenden Permanentmagnete 4 kann ein rotierendes, von Spulen errich¬tetes Magnetfeld eingesetzt werden.

[0067] Um die hydrodynamische Lagerung in axialer Richtung zu verbessern, sind die Endflä¬chen des Zylinders in Achsenrichtung zusätzlich abgeschrägt. In der dargestellten Ausführungs¬form ist die Innenwand des Stators 2 den Endflächen des Rotors nachgebildet ist und verläuftannähernd parallel zu diesen. Um definierte Scherraten zu erzielen, kann der Spaltabschnitt15a an den Endflächen so ausgebildet werden, dass wiederum die Bedingung R1/R1 = S1/S2erfüllt ist.

[0068] Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform, die vom Aufbau her nahezu identisch mit dem in Fig.5 dargestellten Aufbau ist. In diesem Fall ist jedoch der zumindest eine Permanentmagnet 4innerhalb des Rotors 1 angeordnet und um den Stator 2 wird mit dem vom Antrieb 5 angetrie¬benen Träger 43 als Wirbelstromkörper 3 ein Käfig oder eine topfartige Leiterschleife rotiert,womit der Rotor 1 in Rotation um seine Rotationsachse A versetzt wird. Es können auch wie inder Zeichnung beispielhaft mit den Magneten 4', 4" dargestellt, mehrere Permanentmagnete,möglichst symmetrisch angeordnet werden, so dass der Rotor eine gleichmäßige Massenvertei¬lung entlang seiner Achse aufweist und die Magnetkräfte symmetrisch sind, um ein Torkeln desRotors im hydrodynamischen Lager zu verhindern. Der vollständig zylindrische Rotor ist inLängsrichtung der Statorachse B durch am Stator 2 angeordnete Weicheisenteile 10, die zu¬mindest einem der rotierenden Magneten des Rotors gegenüberliegen, in seiner Lage bezüglichder Achse stabilisiert.

[0069] Ganz allgemein können übenwiegend zylindrische Rotoren mit nicht ausreichenderaxialer hydrodynamischer Lagerung in Längsrichtung der Rotorachse A bzw. Statorachse Bdurch am Rotor 1 und/oder am Stator 2 passend angeordnete Magnete 9 und diesen gegen¬überliegende Weicheisenteile 10 stabilisiert werden.

[0070] 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 hydrodynamische Lagerung wirddabei umso besser, je ähnlicher die spezifische Dichte des Rotors 1 der Dichte des zu vermes¬senden Prüfmediums 6 ist. Je unterschiedlicher die Dichte des Rotors und der zu vermessen¬den Flüssigkeit ist, umso höher werden die Rotordrehzahlen gewählt. Insbesondere kommenDrehzahlbereiche von 0,2 bis 2000 upm und sogar bis zu 10.000 oder 30.000 upm in Frage, dader Rotor 1 in Mittellage aufschwimmen muss, insbesondere dann, wenn das Rheometer mithorizontal ausgerichteter Statorachse B betrieben wird. Im Allgemeinen sind ein hohes Dreh¬moment bzw. eine hohe Drehzahl für den Rotor 1 erforderlich, die auch von der Größe des

Stators 2 bzw. des Innenraums des Stators 2, der den Rotor 1 umgibt, und den Abmessungendes Rotors 1 sowie den Parametern des Prüfmediums 6 abhängen.

[0071] Fig. 7 zeigt ein Rotationsrheometer, bei dem innerhalb des Stators 2 elektromagnetischeSpulen 8, und zwar um die Statorachse B herum verteilt, angeordnet sind. Mit einer Versor¬gungseinheit 39 wird mit den Spulen 8 ein um die Statorachse 2 umlaufendes Magnetfeld er¬richtet, mit dem der um den Stator 2 rotierbar gelagerte Rotor 1 angetrieben wird. Der Stator 2weist an seiner zylindrisch ausgebildeten Außenfläche eine umlaufende Nut bzw. Vertiefung 20auf, in der der an seiner Innenfläche zur Ausbildung der speziellen Geometrie des Messspalts15 an die Querschnittsform der Vertiefung 20 angepasste Rotor 1 mit Abstand zur Fläche derVertiefung 20 hydrodynamisch lagerbar bzw. gelagert ist.

[0072] 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 2 zugekehr¬ten Fläche des Rotors 1 und der Außenfläche des Stators 2 liegt der Messspalt 15, der bezüg¬lich der Statorachse B und der Rotorachse A zentrisch symmetrisch verlängert und bezüglicheiner Ebene E, die senkrecht zur Rotationsachse A bzw. zur Statorachse B durch die Mitte desMessspalts 15 verläuft, symmetrisch ausgebildet ist. Ganz allgemein ist festzuhalten, dass ineinem durch die Rotationsachse A des Rotors 1 bzw. durch die Statorachse B verlaufendenSchnitt der Messspalt 15 bzw. die den Messspalt 15 begrenzenden Flächen des Rotors 1 undStators 2 zumindest einen geraden, geknickten, abgebogenen und/oder gekrümmten Abschnittbesitzen der zur Rotationsachse A bzw. zur Statorachse B geneigt verläuft bzw. mit dieseneinen spitzen Winkel einschließt, dessen Scheitel ins Innere des Messspalts 15 gerichtet istund/oder dass die einander gegenüberliegenden Flächen des Messspalts 15 bezüglich derRotationsachse A jeweils zentrisch symmetrisch ausgebildet sind und/oder dass die den Mess¬spalt 15 begrenzenden Flächen bezüglich einer senkrecht zur Rotationsachse A verlaufendeMittelebene E des Messspaltes 15 jeweils symmetrisch verlaufen. Ein derartiger Aufbau einesMessspaltes ist insbesondere aus der Fig. 4 und 7 ersichtlich.

[0073] Im vorliegenden Fall sind die Oberfläche der Vertiefung 20 im Stator 2 sowie die Flächendes Rotors 1 als auch die Innenfläche des vorteilhafterweise vorgesehenen weiteren Statorteils2" gekrümmt. Die Messspalte 15, 15' verändern ihren Abstand; der innenliegende Messspalt 15wird von innen nach außen zu größer; die Dicke des außen liegenden Messspaltes 15' nimmtnach außen zu ab. Entsprechend verändert sich die Dicke des Messspaltes 15. Diese Di¬ckenänderung ist so gewählt, dass sie die Aufrechterhaltung einer hydrodynamischen Lagerungnicht beeinträchtigt.

[0074] 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 die Drehzahldes durch die Spulen 8 erzeugten Magnetfelds.

[0075] 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 axiale undradiale Lagerung des Rotors erfolgt hier an derselben Rotorfläche, die Anteile in radialer undaxialer Richtung entsprechenden Projektionen der Mantelfläche auf die Ebenen durch die Rota¬tionsachse und die Normale dazu.

[0076] Die Ausführungsform des Rheometers gemäß Fig. 4, 7 und 7a können besonders ein¬fach in die Wand 18 eines Rohres oder eines Behälters eingesetzt werden und das im Rohrbzw. Behälter befindliche Prüfmedium 6 vermessen werden.

[0077] Für Rotationsrheometer mit einem Kegel-Platte-Messsystem ist es bekannt, dass kon¬stante Scherraten über den gesamten Spalt erzielt werden, wenn - wie in Fig. 8 im Schnittdargestellt - für die Spalthöhe s in einem beliebigen Abstand bzw. Radius r von der Rotations¬achse gilt: R1/R2 = S1/S2. Das bedeutet, dass die Spalthöhe s mit Vergrößerung des Abstan¬des R von der Rotationsachse A des Rotors 11 konstant zunimmt. Diese Bedingung kann auchbei erfindungsgemäßen Rotationsrheometern verwirklicht werden, insbesondere bei Rheome¬tern gemäß Fig. 1a, 4 und 7.

[0078] In Fig. 4 ist ein Rotationsrheometer dargestellt, bei dem der Rotor 1 Kegelstumpfformbesitzt und in einen Messspalt 15 begrenzt, der nach obiger Bedingung einen dieser Bedingunggenügenden, sich zur Rotationsachse A und zur Spaltmittelebene E hin sich verjüngendenMessspalt 15 besitzt. Auch das in Fig. 7 dargestellte Rotationsrheometer könnte bei entspre¬chender Umgestaltung des Rotors 1, der Vertiefung 20 und des Statorteiles 2' diese Bedingungfür Messspalte 15, 15' erfüllen. In der dargestellten Ausführungsform erfüllt nur der innen lie¬gende Messspalt diese Bedingung. Diese Bedingung könnte dann für die in Fig. 7 verwendeteSpaltgeometrie gelten, wenn sich beide Messspalten 15 und 15', die zwischen der Innenflächedes Rotors 1 und der feststehenden Außenfläche des Stators 2 sowie zwischen der Außenflä¬che des Rotors 1 und der Innenfläche des Statorteiles 2' liegen radial bzw. nach außen zuimmer weiter öffnen und der obigen Bedingung genügen. In diesem Fall können auf das zuuntersuchende Fluid konstante Scherraten ausgeübt werden. Damit können insbesondere beiVornahme einer Kalibrierung auch nicht-newtonsche Flüssigkeiten in einfacher Weise unter¬sucht werden.

[0079] Ganz allgemein ist es vorteilhaft, wenn alle einander gegenüberliegende, Messspalte 15bzw. 15' begrenzenden Flächen rotationssymmetrisch bzw. zentrisch symmetrisch ausgebildetsind bzw. konzentrisch liegen. Dies gilt auch für die Wirbelstromkörper 3 und die Statorteile 2'und 2". Des Weiteren sind die eingesetzten Bauteile vorteilhafterweise homogen aufgebaut.

[0080] 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 eine hydrodyna¬mische Lagerung ausgebildet werden kann.

[0081] 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 2 anei¬nander anzupassen, sodass immer eine hydrodynamische Lagerung für die Prüfung einesbestimmten Prüfmediums 6 erreichbar ist. Insbesondere kann durch Austausch von Rotoren 1und Wahl anderer Dicken, Längen oder spezifischer Gewichte der Rotoren 1 eine Anpassungan unterschiedliche Dichten und/oder rheologische Eigenschaften aufweisende Prüfmedien 6einfach vorgenommen werden. Auch durch eine Wahl der Antriebsdrehzahlen, die durch umlau¬fende Magnetfelder oder umlaufende Permanentmagnete 4 oder umlaufende Wirbelstromkör¬per 3 vorgegeben werden, ist eine Anpassung einfach zu bewerkstelligen.

[0082] Die vorgesehenen Permanentmagnete 4 bzw. Spulen 8 sind zentrisch symmetrisch zurRotorachse A angeordnet. Es sind zumindest zwei vorzugsweise mehr als zwei Permanent¬magnete 4 bzw. Spulen 8 vorgesehen. Längs des Umfanges aufeinanderfolgende Permanent¬magnete sind mit entgegengesetzter Polung angeordnet; die Spulen 8 sind entsprechend um-polbar.

[0083] Prinzipiell ergeben sich die Drehzahl des rotierenden Magnetfeldes und die Antriebs-drehzahl durch die Rotation der Permanentmagnete 4 bzw. der Drehzahl des umlaufendenMagnetfeldes bzw. des umlaufenden Wirbelstromkörpers. Diese Drehzahlen sind exakt mess¬bar. Zur Ermittlung der gewünschten rheologischen Parameter wird die Rotordrehzahl gemes¬sen, die sich aufgrund der Bremsung des Rotors durch das Prüfmedium einstellt. Es ist möglich,eine Kalibrierung eines Rotors bzw. eine Rheometers mit Fluiden bekannter Viskosität bzw.bekannter Parameter vorzunehmen und eine Kalibriertabelle zu erstellen, die sich bei bestimm¬ten Temperaturen oder Drucken ergebenden Drehzahlen des Rotors mit tatsächlichen Viskosi¬tätswerten bzw. rheologischen Parametern in Beziehung setzt.

[0084] Ganz allgemein und beispielsweise für Fig. 1, 3 und 7 gilt, dass die ausgebildeten hyd¬rodynamischen Lager bzw. Messspalte 15, 15', 15" radiale und axial verlaufende Lager- bzw.Messspaltabschnitte 15, 15', 15" besitzen können. Die in radialer Richtung verlaufenden hydro¬dynamischen Lagerabschnitte legen die Lage des Rotors in Längsrichtung der Statorachse Bfest. Die Lagerabschnitte, die in axialer Richtung bzw. in Längsrichtung der Rotorachse A ver¬laufen, legen die radiale Ausrichtung des Rotors 1 fest. Bei einem Rotationsrheometer, wiedieses beispielsweise in Fig. 7 dargestellt ist, sind die Messspalte 15, 15' nicht in axiale undradiale Lagerabschnitte zu trennen.

[0085] Aufgrund der Krümmung der Messspalte sind in jedem Punkt ein radialer und ein axialerAnteil vorhanden und somit ist insgesamt eine hydrodynamische Lagerung sowohl in axialer alsauch in radialer Richtung sichergestellt. Es sind somit auch kugelförmige bzw. elliptisch oderovoid gestaltete Lagergeometrien denkbar. Wichtig ist dabei, dass die projizierte Fläche inaxialer und radialer Richtung für eine hydrodynamische Lagerung ausreichend ist.

[0086] Nicht-newtonsche Fluide zeigen in ihren Parametern, insbesondere Viskositäten eineAbhängigkeit von der Schergeschwindigkeit. Um reale nicht-newtonsche Fluide beurteilen zukönnen, müsste über den tatsächlichen Messspalt eine konstante Scherrate auf das zu ver¬messende Fluid ausgeübt werden. Um dies zu bewerkstelligen muss der Messspalt besondersausgeführt werden. Unter der Scherrate versteht man dabei die Steigung der Geschwindigkeitim Spalt.

[0087] Die Enden der bei den erfindungsgemäßen Rotationsrheometern zum Einsatz kommen¬den Rotoren 1 können abgerundet oder torpedoartig spitz zulaufend enden. In diesen Berei¬chen können die gegenüberliegenden Flächen am Stator 2 bzw. den Statorteilen 2' bzw. 2" eineentsprechende Neigung bzw. Anpassung besitzen.

[0088] Der Durchmesser der Rotoren 1 ist wählbar; beispielsweise können Rotoren 1 aus Alu¬minium oder Kupfer mit einem Durchmesser von 0,5 cm und einer Länge von 3 bis 4 cm odermit einem Durchmesser von 1 cm und einer Länge von 15 bis 20 cm gewählt werden; die dabeiausgebildeten Spalte besitzen Spaltweiten von einigen zehntel Millimetern, z.B. 0,2 mm bzw.0,5 bis 1 mm und es können Drehzahlwerte, z.B. von 500 rpm in einem Drehzahlbereich vonkleiner 1 rpm bis zu 10.000 rpm zum Einsatz gelangen. Ohne Weiteres ist es jedoch auch mög¬lich, dass Rotoren 1 eingesetzt werden, die 20 cm Durchmesser besitzen. Von Vorteil ist esjedoch, wenn die Länge des Rotors etwa um den Faktor 3 bis 6, insbesondere 4 bis 5, größerist als der Durchmesser, da damit allenfalls auftretende Randeffekte minimiert werden undunberücksichtigt bleiben können. Die prinzipiell beliebig lange Ausführung des Rotors wirddurch die Handhabbarkeit, Fertigungsbedingungen und Reinigung nach oben begrenzt.

[0089] Von Vorteil ist es, wenn während der Messung im Prüfmedium zeitlich und räumlichkonstante Temperatur herrscht. Es kann somit eine Temperierung mit vorzugweise rotations¬symmetrischen Peltier-Elementen oder mit einem flüssigkeitstemperierten Mantel und/oder mitWiderstandsheizungen vorgenommen werden.

Claims (23)

1. Patentansprüche 1. Rotationsrheometer mit einem rotationsinvariant angeordneten Stator (2), mit einem mittelseines Wirbelstromantriebs um die Achse des Stators (2) um den oder innerhalb des Sta¬tors) (2) rotierbaren, rotationssymmetrisch ausgebildeten und mit seiner Rotationsachse (A) koaxial zu der Statorachse (B) gelegenen Rotor (1), wobei das zu untersuchende Prüf¬medium (6) in zumindest einen zwischen einander gegenüberliegenden Flächen von Rotor(1) und Stator (2) ausgebildeten Messspalt (15) einbringbar ist, mit einer Messeinheit, mitder die Drehzahl des sich mit dem Prüfmedium (6) in Kontakt befindlichen Rotors (1) fest¬stellbar ist, und mit einer Auswerteeinheit, mit der der Drehzahlunterschied zwischen derauf den Rotor (1) mit dem Wirbelstromantrieb aufgebrachten Drehzahl und der währenddes Prüfvorganges gemessenen Drehzahl des Rotors (1) ermittelt und als Messwert für dierheologischen und/oder viskosen Eigenschaften des Prüfmediums (6) herangezogen wird,dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem zu untersuchenden Prüfmedium (6) befüllteMessspalt (15) als hydrodynamisches Lager zwischen Rotor (1) und Stator (2) ausgebildetist und ausschließlich durch die durch die Rotation des Rotors (1) relativ zum Stator (2) er¬zielte hydrodynamische Lagerwirkung der Abstand und die gegenseitige Lage der einanderzugekehrten, den Messspalt (15) begrenzenden Flächen von Rotor (1) und Stator (2) vor¬gegeben und eingestellt und während des Messvorgangs beibehalten sind.
2. 2. Rotationsrheometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endbereiche(17) des Messspaltes mit den an diese Endbereiche (17) anschließenden Außenbereichen(19) und/oder dem in diesen Bereichen befindlichen Prüfmedium (6) frei, insbesondere oh¬ne Querschnittsverengung des Endbereiches des Messspaltes, kommunizieren oder dieEndbereiche (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, in radi¬aler Richtung bezogen auf seine Rotationsachse (A), berührungs- und lagerfrei, insbeson¬dere 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 der Rotor(1), vorzugsweise zur Gänze, aus nicht magnetischen, nicht magnetisierbaren, elektrischleitfähigem Material ausgebildet ist und dass um den Rotor (1) herum oder zumindest teil¬weise innerhalb des Rotors (1) um die Statorachse (B) herum rotierbare Permanentmagne¬te (4) gelagert sind oder um den Rotor (1) herum oder zumindest teilweise innerhalb desRotors (1) elektromagnetische Spulen (8) gelagert sind, mit denen ein 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) ro¬tierendes 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 oder mit dem Rotor (1) verbun¬den sind und dass ein, vorzugsweise gänzlich aus nicht magnetischem, nicht magnetisier¬barem, elektrisch leitfähigem Material ausgebildeter Wirbelstromkörper (3), vorzugsweiseein Käfig, ein Topf oder eine Leiterschleife, vorgesehen ist, welche um den Rotor (1) rotier¬bar ist.
7. 7. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dassder Rotor (1) im Innenraum eines eine rotationssymmetrische Innenwandung und die Formeines rotationssymmetrischen Behälters oder Bechers aufweisenden Stators (2) angeord¬net ist, wobei zur Ausbildung des den Rotor (1) in Rotation versetzenden Wirbelstroman¬triebs innerhalb des Rotors (1) Permanentmagnete (4) lagefest angeordnet und/oder mitdem Rotor (1) verbunden sind und das Material des Behälters oder Bechers, vorzugsweisezur Gänze, nicht magnetisches, nicht magnetisierbares und elektrisch nicht leitendes Mate¬rial ist und ein aus nicht magnetischem, nicht magnetisierbarem, elektrisch leitfähigem Ma¬terial ausgebildeter Wirbelstromkörper (3), vorzugsweise ein Topf, ein Käfig oder eine Lei¬terschleife, vorgesehen ist, der um den Stator (2) rotierbar ist.
8. 8. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ineinem durch die Rotationsachse (A) des Rotors (1) und/oder durch die Statorachse (B) ver¬laufenden Schnitt der Messspalt (15) und/oder die den Messspalt (15) begrenzenden Flä¬chen des Rotors (1) und Stators (2) zumindest einen geraden, geknickten, abgebogenenund/oder gekrümmten Abschnitt besitzen der zur Rotationsachse (A) und/oder zurStatorachse (B) geneigt verläuft oder mit diesen einen spitzen Winkel einschließt, dessenScheitel ins Innere des Messspalts (15) gerichtet ist und/oder dass die einander gegen¬überliegenden Flächen des Messspalts (15) bezüglich der Rotationsachse (A) jeweils zent¬risch symmetrisch ausgebildet sind und/oder dass die den Messspalt (15) begrenzendenFlächen bezüglich einer senkrecht zur Rotationsachse (A) verlaufende Mittelebene (E) desMessspaltes (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, dassdem Rotor (1) an zumindest einer seiner Flächen, d.h. an seiner Innenfläche und/oder Au¬ßenfläche, und/oder an zumindest einer Endfläche, jeweils eine Fläche des Stators (2) o-der eines Statorteiles (2') oder eines weiteren Statorteils (2') gegenüberliegt und der Rotor(1) bei seiner Rotation durch die im jeweiligen Messspalt (15, 15') zwischen den jeweiligenFlächen herrschende hydrodynamische Lagerwirkung des Prüffluids (6) in radialer und ge¬gebenenfalls auch in axialer Richtung bezüglich der Statorachse (B) berührungsfrei gela¬gert ist.
11. 11. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dassder Stator (2) in Form eines geschlossenen Topfes oder Zylinders ausgebildet ist und dassauf diesem Stator (2) ein die Form eines offenen Topfes aufweisender Rotor (1) mit seinemInnenraum unter Ausbildung des Messspaltes (15, 15') aufgestülpt ist, wobei gegebenen¬falls zusätzlich an der dem Stator (2) abgewandten Seite des Rotors (1) im Abstand zumRotor (1), insbesondere seiner End- und/oder Umfangswand gegenüberliegend, zumindestein Statorteil (2') und/oder ein weiterer Statorteil (2') gelegen ist und gegebenenfalls dieserAbstand zwischen dem Rotor (1) und dem jeweiligen Statorteil (2') bzw. weiteren Statorteil(2') als ein eine hydrodynamische Lagerung bewirkender Messspalt (15, 15') ausgebildetist.
12. 12. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dassder Stator (2) an seiner zylindrisch ausgebildeten Außenfläche eine umlaufende Nut oderVertiefung (20) aufweist, in der der an seiner Innenfläche zur Ausbildung des Messspalts(15) an die Querschnittsform der Vertiefung (20) angepasste Rotor (1) mit Abstand zur Flä¬che der Vertiefung (20) hydrodynamisch lagerbar oder 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) die Flä¬che 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, dassfür die Spaltweite (S) des jeweiligen Messspaltes (15, 15') im Abstand (R) von der Rotati¬onsachse (A) der Zusammenhang R1/R2 = S1/S2 gilt, wobei R1 und R2 die Abstände von Punkten auf den den Messspalt (15, 15') begren¬zenden Flächen von der Rotationsachse (A) des Rotors (1) sind und S1 und S2 die in die¬sen Punkten R1 und R2 bei hydrodynamischer Lagerung des Rotors (1) ausgebildeteSpaltdicke ist und diese Dicke des jeweiligen Messspalts (15, 15') mit zunehmender Ent¬fernung von der Rotationsachse (A) zunimmt.
15. 15. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dassdie Geometrie, vorzugsweise der Abstand und der Abstandsverlauf der einander gegen¬überliegendenden Flächenabschnitte des Messspalts (15), insbesondere der radiale Ab¬stand der die Rotationsachse (A) umgebenden, einander gegenüberliegenden Flächen vonRotor (1) und Stator (2), zur Ausbildung der hydrodynamischen Lagerung in Abhängigkeitvon den von der Antriebseinheit (5) aufgebrachten Drehzahlen, einem vorab geschätztenWert der Viskosität und/oder vorab geschätzten Theologischen Parametern des Prüf medi¬ums (6) gewählt sind.
16. 16. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dassein eine zylindrische Umfangsfläche und allenfalls dazu geneigte Endflächen aufweisenderRotor (1) vorgesehen ist, der allseitig von einem eine zylinderförmige Innenwandfläche undallenfalls dazu geneigte Endflächen aufweisender Innenraum des Stators (2) und innerhalbdieses Innenraums vom Prüfmedium (6) völlig umschlossen ist, wobei um den Stator (2)ein Wirbelstromkörper (3) rotierbar gelagert ist, der vorzugsweise die Form eines Topfes,eines Käfigs oder einer Leiterschleife aufweist und aus nicht magnetischem und/oder nichtmagnetisierbarem, elektrisch leitfähigem Material ausgebildet ist, wobei im Rotor (1) Per¬manentmagnete (4) gelagert und/oder mit diesem verbunden sind.
17. 17. Rotationsrheometer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) eineverschließbare Einbringöffnung für das Prüfmedium (6) aufweist.
18. 18. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dasszur Lagestabilisierung des Rotors (1) bezüglich des Stators (2) in Längsrichtung derStatorachse (B) am Rotor (1) und am Stator (2) einander gegenüberliegend zusammenwir¬kende Permanentmagnete (4) und Weicheisenteile (10) angeordnet sind, die die Längslagedes Rotors (1) relativ zur Statorachse (B) berührungsfrei stabilisieren.
19. 19. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dassim Messspalt (15) bei Rotation des Rotors (1) eine für die Ausbildung einer hydrodynami¬schen Lagerung ausreichend laminare, wirbelfreie Strömung ausgebildet ist.
20. 20. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dassder Rotor (1) und/oder der Stator (2) und/oder der um den Rotor (1) rotierte Wirbelstrom¬körper (3) hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen und gegebenenfalls aus Cu, Pt, Ag oderAu gefertigt sind.
21. 21. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dassim Stator (2) Heiz- und/oder Kühleinheiten für das Prüfmedium (6) angeordnet sind.
22. 22. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dassam Stator (2) und/oder am Rotor (1) und/oder innerhalb des Messspalts (15, 15') berüh¬rungslose Messeinheiten für die Messung der Drehzahl des Rotors (1) und/oder der vomWirbelstromantrieb vorgegebenen Antriebsdrehzahl und gegebenenfalls der Temperaturund/oder des Druckes und/oder der Dichte im Messspalt (15) angeordnet sind.
23. 23. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dassdie Rotationsachse (C) des Wirbelstromkörpers (3), vorzugsweise eines Topfes, Käfigs o-der einer Leiterschleife (3), koaxial zur Rotationsachse des Rotors (1) liegt. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen