AT515077A4 - Verfahren zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit (2, 200), bei dem ein von der Flüssigkeit (2, 200) vollständig umgebener magnetischer Körper (3) mit Hilfe mindestens eines ersten Magnetfelds (5, 6), insbesondere eines magnetischen Gleichfelds (7), in einer levitierten Ruhelage (8) gehalten wird und mit Hilfe mindestens eines zweiten Magnetfelds (11, 12, 38, 39, 51, 52), das dem ersten Magnetfeld (5, 6) zumindest bereichsweise überlagert ist und ein magnetisches Wechselfeld (13, 37) aufweist, ausgehend von der levitierten Ruhelage (8) in Bewegung versetzt wird, von der Bewegung des magnetischen Körpers (3) abhängige Messdaten (21, 22) erfasst werden und anhand dieser die Viskosität der Flüssigkeit (2, 200) bestimmt wird, gezeigt. Um eine Scherung der Flüssigkeit während der Ermittlung der Messwerte zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der magnetische Körper (3) zumindest in eine erzwungene Drehschwingung (34, 28) oder in eine erzwungene Rotation (17) versetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit,bei dem ein von der Flüssigkeit vollständig umgebener magnetischer Körper mitHilfe mindestens eines ersten Magnetfelds, insbesondere eines anhand der Positiondes magnetischen Körpers geregelten magnetischen Gleichfelds, in einer levitiertenRuhelage gehalten wird und mit Hilfe mindestens eines zweiten Magnetfelds, dasdem ersten Magnetfeld zumindest bereichsweise überlagert ist und ein magneti¬sches Wechselfeld aufweist, ausgehend von der levitierten Ruhelage in Bewegungversetzt wird, von der Bewegung des magnetischen Körpers abhängige Messdatenerfasst werden und anhand dieser die Viskosität der Flüssigkeit bestimmt wird.

Um die Viskosität einer Flüssigkeit bestimmen zu können, zeigt dieDE102004009089A1 ein Verfahren, bei dem kleine magnetische Körper bzw. Parti¬kel einer Flüssigkeit mit einem magnetischen Gleichfeld levitiert werden. Zudemwerden die magnetischen Körper mit Hilfe eines magnetischen Wechselfelds in Be¬wegung versetzt und aus der gemessenen Amplitude und/oder Phase der Schwin¬gung die Viskosität ermittelt. Nachteilig hat sich herausgestellt, dass bei diesemVerfahren nur ein allgemeiner Wert für die Viskosität ermittelt werden kann, der sichaus der Viskosität in Scherung und der Dehnviskosität zusammensetzt. Die Viskosi¬tät in Scherung kann dadurch nicht genau bestimmt werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom eingangs geschil¬derten Stand der Technik, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Viskosität inScherung genau und reproduzierbar ermittelt werden kann.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass der magnetische Körper zu¬mindest in eine erzwungene Drehschwingung oder in eine erzwungene Rotationversetzt wird.

Wird der magnetische Körper zumindest in eine erzwungene Drehschwingung oderin eine erzwungene Rotation versetzt, kann dadurch die Viskosität in Scherung be¬sonders vorteilhaft ermittelt werden. Drehschwingungen oder Rotationen bewirkeneinen Bewegungsverlauf des magnetischen Körpers in der Flüssigkeit, der beinahezu einer reinen Scherbewegung zwischen Körperoberfläche und Flüssigkeit führenkann. Somit kann dezidiert die Schergeschwindigkeit der Flüssigkeit und damit dieViskosität in Scherung mit Hilfe der aufgenommenen Messwerte ermittelt werden.Zudem fallen aufgrund der Levitation des magnetischen Körpers unerwünschte Ein¬flüsse von mechanischen Verbindungen weg, d. h. das Messsystem selbst ver¬fälscht nicht die Ergebnisse der Messung und damit die Ermittlung der Viskosität.Ein genaues, aussagekräftiges und reproduzierbares Ergebnis der Bestimmung derScherviskosität der Flüssigkeit kann so ermöglicht werden.

Im Allgemeinen wird festgehalten, dass unter Drehschwingungen im Zusammen¬hang mit dieser Anwendung ein Oberbegriff für Pendelschwingungen und Rota¬tionsschwingungen verstanden wird. Unter Rotation wird nicht nur die Drehung umeine Achse des magnetischen Körpers, sondern auch die Bewegung auf einerKreisbahn um eine nicht durch den Massenmittelpunkt des magnetischen Körpersgehende Achse verstanden. Die aufgenommenen Messwerte entsprechen der zeit¬lichen Veränderung der räumlichen Lage des magnetischen Körpers in der Flüssig¬keit. Diese Messwerte können mit Hilfe von Hallsensoren oder Auslesespulen ermit¬telt werden, aber auch andere Verfahren zur Positionsmessung von Körpern, wiemit Hilfe von Laser oder Mikrowellen, sind denkbar.

Hat der magnetische Körper die Form einer Kugel oder eines Kreiszylinders, kanndies zur einfach handhabbaren Ermittlung der Viskosität in Scherung beitragen.Aufgrund der speziellen Oberflächenformen dieser Körper kann die Flüssigkeit bei

Bewegungen des magnetischen Körpers reinen Scherbewegungen unterworfensein.

Das Verfahren kann weiter verbessert werden, falls der magnetische Körper einPermanentmagnet ist. Durch das Bestreben eines Permanentmagneten, sich immagnetischen Feld räumlich auszurichten, kann die räumliche Lage des magneti¬schen Körpers in der Flüssigkeit definiert werden.

Wird der magnetische Körper in eine resonante Drehschwingung versetzt, kanndamit die Amplitude der Bewegung einen Maximalwert erreichen und zu besondersaussagekräftigen Ausgangsdaten für Vergleichsmessungen unterschiedlicher Flüs¬sigkeiten genutzt werden.

Wird der magnetische Körper in eine Pendelschwingung versetzt, kann damit eineeinfache und kostengünstige Möglichkeit geschaffen werden, die Viskosität derFlüssigkeit zu ermitteln. Um eine Pendelschwingung normal zur Richtung des ma¬gnetischen Gleichfelds zu erzeugen, kann nämlich ein Sekundärspulenpaar ausrei¬chen, ein gegengleiches Wechselfeld in Richtung des magnetischen Gleichfelds zugenerieren. Des Weiteren kann bei dieser Pendelschwingung die Bewegung unddamit die zu messende Positionsänderung relativ groß ausfallen, wodurch die An¬forderungen hinsichtlich der Positionsmessgenauigkeit reduziert werden können.Konstruktive Einfachheit bei gleichzeitig einfacher Handhabbarkeit können das er¬findungsgemäße Verfahren somit auszeichnen.

Besonders vorteilhaft lässt sich die Schergeschwindigkeit und in weiterer Folge dieViskosität in Scherung ermitteln, wenn der Permanentmagnet in eine Rotations¬schwingung versetzt wird. Dabei kann dem Permanentmagneten eine Rotations¬schwingung um eine horizontale Achse durch ein magnetisches Wechselfeld, wel¬ches senkrecht zur Richtung des magnetischen Gleichfelds gerichtet ist, aufge¬zwungen werden. Somit kann ein einfach handhabbares Verfahren zur Ermittlungder Viskosität geschaffen werden, indem einem Permanentmagneten, der zugleich der Messkörper ist, Schwingungen um die eigene Achse, sogenannte Rotations¬schwingungen, aufgezwungen werden.

Dies kann weiter verbessert werden, wenn der Permanentmagnet die Form einesdiametral magnetisierten Kreiszylinders hat und um seine Längsachse in eine Rota¬tionsschwingung versetzt wird. Gerade ein Kreiszylinder, dem um seine LängsachseRotationsschwingungen aufgezwungen werden, kann sich besonders beim Ermit¬teln der Viskosität in Scherung auszeichnen. Überraschender Weise können erstdurch die permanente diametrale Magnetisierung des Kreiszylinders die magneti¬sche Levitation und die magnetisch aufgezwungene Rotationsschwingung um dieLängsachse des Kreiszylinders ermöglicht werden.

Werden die Amplitude und/oder Phase der Drehschwingung des magnetischenKörpers aus den Messdaten ermittelt und zur Bestimmung der Viskosität der Flüs¬sigkeit herangezogen, kann sich ein besonders einfach durchzuführendes Verfahrenergeben, da Amplitude und/oder Phase der Schwingung direkt aus der zeitlichenÄnderung der räumlichen Lage des magnetischen Körpers bestimmt werden kön¬nen.

Wird der magnetische Körper in Rotation versetzt, ergibt sich ein weiteres vorteilhaf¬tes Verfahren um die Viskosität in Scherung zu ermitteln. Insbesondere wenn dieRotation nicht um die eigene Achse, sondern entlang einer Kreisbahn erfolgt, kannüber eine einfach durchzuführende, zeitliche Positionsermittlung auf die Viskositätder Flüssigkeit rückgeschlossen werden. Um dem magnetischen Körper eine Rota¬tion auf einer Kreisbahn aufzuzwingen, können zwei Sekundärspulenpaare genutztwerden, bei denen je zwei gegenüberliegende Spulen ein gegengleiches Wechsel¬feld in Richtung des magnetischen Gleichfelds generieren. Durch Versetzung dermagnetischen Wechselfelder der Spulenpaare gegeneinander um 90 Grad bzw.tt/2, kann eine Kreisbahn des resultierenden magnetischen Wechselfelds erreichtwerden. Mit der Kreisbewegung des magnetischen Körpers, die dem magnetischenWechselfeld folgt, kann sich die Viskosität in Scherung ähnlich vorteilhaft wie bei einer aufgezwungenen Rotationsschwingung ermitteln lassen, da bei der Kreisbe¬wegung die den magnetischen Körper berührende Flüssigkeit hauptsächlich einerScherbewegung ausgesetzt ist.

Werden die Phasenverschiebungen der Rotation des magnetischen Körpers zummagnetischen Wechselfeld und/oder die Abweichung des Massenmittelpunkts desmagnetischen Körpers zu seiner levitierten Ruhelage aus den Messdaten ermitteltund zur Bestimmung der Viskosität der Flüssigkeit herangezogen, kann das Verfah¬ren in der Genauigkeit verbessert werden. Die Abweichung des Massenmittelpunktsdes magnetischen Körpers zu seiner levitierten Ruhelage kann nämlich so direktaus der räumlichen Lage des magnetischen Körpers ermittelt werden. Zudem kanndie Phasenverschiebung aus der räumlichen Lage des magnetischen Körpers rela¬tiv zum magnetischen Wechselfeld bestimmt und zur Auswertung herangezogenwerden.

Im Allgemeinen wird erwähnt, dass unter Phasenverschiebung in diesem Zusam¬menhang der Winkel zwischen der Position des magnetischen Körpers auf derKreisbahn und der Position des tatsächlichen aktuellen Maximums des überlagertenmagnetischen Wechselfeldes, welches sich durch die gewählte Anordnung und An¬steuerung der Sekundärspulen auch auf einer Kreisbahn bewegt, verstanden wird.

Eine weitere Verbesserung des Verfahrens kann sich ergeben, falls die Abweichungdes Massenmittelpunkts des magnetischen Körpers zu seiner levitierten Ruhelageaus den Messdaten ermittelt wird und in Abhängigkeit der Höhe der Abweichungdie, die levitierte Ruhelage bestimmenden und auf den magnetischen Körper ein¬wirkenden Levitationskräfte verändert werden. Die Rückstellkräfte in Richtung levi-tierter Ruhelage nehmen nämlich mit zunehmendem Abstand des magnetischenKörpers von der Ruhelage nichtlinear ab - durch Anpassung des magnetischenGleichfelds, das die levitierte Ruhelage bestimmt, kann diese Nichtlinearität kom¬pensiert werden. Durch diese Linearisierung der auf den magnetischen Körper ein¬ wirkenden Kräfte wird die Ermittlung der Viskosität aus dem Bewegungsverlaufdeutlich vereinfacht.

Die vorgenannten Vorteile können weiter erhöht werden, wenn die Frequenz derresonanten Drehschwingung verändert wird, indem die, die levitierte Ruhelage be¬stimmenden und auf den magnetischen Körper einwirkenden Levitationskräfte ver¬ändert werden. Da die auf den magnetischen Körper einwirkenden Levitationskräftebei jeder Bewegung des magnetischen Körpers als Rückstellkraft in Richtung derlevitierten Ruhelage wirken, beeinflussen diese Levitationskräfte zugleich die Reso¬nanzfrequenz der Drehschwingung. Die Veränderung der Levitationskräfte kanndurch Anpassung des magnetischen Gleichfelds, das die levitierte Ruhelage be¬stimmt oder durch Überlagerung eines zusätzlichen Gleichfelds erfolgen. Dieseszusätzliche Gleichfeld kann bei einer Ausrichtung der Sekundärspulen parallel zumersten Magnetfeld durch die Sekundärspulen erzeugt werden, aber auch die Ver¬wendung einer zusätzlichen Spulenanordnung ist denkbar. Durch die Änderung derResonanzfrequenz der Drehschwingung, der Frequenz an der das Verfahren seinehöchste Sensitivität hat, können genaue und aussagekräftige Messungen reprodu¬zierbar durchgeführt werden.

In den Figuren ist beispielsweise das erfindungsgemäße Verfahren anhand vonAusführungsvarianten näher dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens fürPendelschwingungen und Rotationen des magnetischen Körpers,

Fig. 2 eine Schnittansicht nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit¬tels Rotationsschwingungen eines Permanentmagneten,

Fig. 4 eine Schnittansicht nach Fig. 3,

Fig. 5 theoretische Resonanzkurven mit verschiedener Dämpfungen für nichtlinea¬re Rückstellkräfte,

Fig. 6 die Resonanzkurven mit verschiedenen Flüssigkeiten für lineare Rückstell¬kräfte,

Fig. 7 Radial- und Tangentialkraft die auf den Körper bei einer Bewegung aufeiner Kreisbahn wirken, dargestellt über der Phasenverschiebung zwischenmagnetischen Wechselfeld und der Position des Messkörpers,

Fig. 8 Beispiel einer Stromvorgabekennlinie in Abhängigkeit der Messkörperposi¬tion zum Linearisieren der Rückstellkräfte,

Fig. 9 die Resonanzkurven verschiedener Flüssigkeiten mit angepasster Reso¬nanzfrequenz und

Fig. 10 eine beispielhafte Anordnung von Flallsensoren.

Gemäß Fig. 1 wird beispielsweise ein Schnitt durch eine Vorderansicht einer Vor¬richtung 1 gezeigt, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zurBestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit 2 geeignet ist. Die Flüssigkeit 2, vonder die Viskosität bestimmt werden soll, und der von ihr umgebene magnetischeKörper 3 sind gemeinsam in einem Probengefäß 4 gelagert. Dabei wird der magne¬tische Körper 3 mit Hilfe eines ersten Magnetfelds 5, 6, nämlich eines anhand derPosition des magnetischen Körpers 3 geregelten magnetischen Gleichfelds 7, ineiner levitierten Ruhelage 8 gehalten. In der beispielhaften Vorrichtung 1 wird dasmagnetische Gleichfeld 7 von den Primärspulen 9, 10 erzeugt. Ausgehend von derlevitierten Ruhelage 8 wird der magnetische Körper 3 mit Hilfe eines zweiten Ma¬gnetfelds 11, 12 in Bewegung, und zwar in diesem Ausführungsbeispiel in einePendelschwingung 34 versetzt. Dabei ist das zweite Magnetfeld 11,12 ein magneti¬sches Wechselfeld 13, das von den Sekundärspulen 14, 15 erzeugt wird und sichmit dem ersten Magnetfeld 5, 6 bereichsweise überlagert. Besonders geeignet zurBestimmung der Schergeschwindigkeit der Flüssigkeit 2 und damit der Viskosität inScherung sind Bewegungen des magnetischen Körpers 3, die eine erzwungeneDrehschwingung 34, 28 - siehe Fig. 3 - oder eine Rotation 17 - siehe Fig. 2 - enthal¬ten. Nämlich gerade diese Formen der Bewegung bewirken hauptsächlich eineScherbeanspruchung zwischen Körperoberfläche 18 und Flüssigkeit 2. Von dieserBewegung abhängige, über die Hallsensoren 19, 20 erfasste Messdaten 21, 22werden dann zur Bestimmung der Viskosität der Flüssigkeit 2 herangezogen. Zu¬dem fallen aufgrund der Levitation des magnetischen Körpers 3, der zugleich der

Messkörper 23 ist, unerwünschte Einflüsse von mechanischen Verbindungen weg,d. h. das Messsystem selbst verfälscht nicht die Ergebnisse der Messung und damitdie Ermittlung der Viskosität. Ein robustes, flexibles und störungsunempfindlichesVerfahren ist somit geschaffen.

Wie in Fig. 3 dargestellt, ist in einer vorzugsweisen Ausführung des Verfahrens dermagnetische Körper 3 ein Permanentmagnet 24. Durch die Bestrebungen des Per¬manentmagneten 24 seine Pole 25, 26 im magnetischen Feld 32 auszurichten, levi-tieren permanentmagnetische Körper 24 in einer durch das resultierende Magnet¬feld 32 vorgegebenen Lage in der Flüssigkeit 200. Dementsprechend sind für dasVerfahren, sobald die Körperform keine Kugel 27 ist oder die Bewegung Rotations¬schwingungen 28 um die eigene Achse beinhalten, permanentmagnetische Körper24 vorzuziehen.

Entsprechend dem Schnitt durch die Fig. 1 zeigt Fig. 2 eine Anordnung von Sekun¬därspulen 14, 15 die ein magnetisches Wechselfeld zur Erzeugung von Pendel¬schwingungen generieren. Dazu erzeugen zwei gegenüberliegende Sekundärspu¬len 14, 15 ein gegengleiches Wechselfeld 13 - wie in Fig. 1 angedeutet -, das demmagnetischen Gleichfeld 7 überlagert wird und so ein resultierendes magnetischesFeld 32 erzeugt, dessen Maximum der in Fig. 1 und Fig. 2 eingezeichneten Hilfslinie33 folgt. Dementsprechend folgt auch der magnetische Körper 3 diesem Maximal¬wert des resultierenden magnetischen Felds 32. Durch die zur Verdrängung derFlüssigkeit 2 bzw. der zur Beschleunigung des magnetischen Körpers 3 notwendi¬gen Energie folgt der Körper 3 jedoch mit einer Verzögerung. Wird nun die Fre¬quenz des zweiten magnetischen Feldes 11, 12, dem überlagerten Wechselfeld 13geändert, erreicht bei einer bestimmten Frequenz - der Resonanzfrequenz 48 - dieBewegung des magnetischen Körpers 3 einen maximalen Abstand zur levitiertenRuhelage 8. Messungen bei dieser Resonanzfrequenz 48 zeichnen sich zur Be¬stimmung der von der Flüssigkeit 2 verursachten Dämpfung und mit der damit un¬mittelbar zusammenhängenden Viskosität besonders aus. Auch Vergleichsmessun¬gen zweier verschiedener Flüssigkeiten 2 können durch Bestimmung der Reso¬ nanzfrequenz und des maximalen Abstands des magnetischen Körpers zur levitier-ten Ruhelage 8 durchgeführt werden. Somit ist ein einfaches und kostengünstigesVerfahren zur Ermittlung der Viskosität geschaffen worden, da nur zwei Sekundär¬spulen 14, 15 benötigt werden, um dem magnetischen Köper 3 eine Pendelschwin¬gung 34 normal zur Richtung des magnetischen Gleichfelds 7 aufzuzwingen.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch eine Vorderansicht einer Vorrichtung 100 als ande¬res Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Da¬bei wird der Permanentmagnet 24 mittels Sekundärspulen 35, 36, deren magneti¬sches Wechselfeld 37 senkrecht zum ersten magnetischen Gleichfeld 7 gerichtet ist,aus seiner levitierten Ruhelage 8 gedreht. Aufgrund der wechselnden Stärke undRichtung dieses zweiten magnetischen Feldes 38, 39 wird dem Permanentmagne¬ten 24 eine Rotationsschwingung 28 aufgezwungen. Das magnetische Wechselfeld37 wird bei diesem Beispiel von einem Sekundärspulenpaar 35, 36, bei dem diebeiden Spulen 35, 36 ein Wechselfeld 37 gleicher Richtung generieren, verursacht.Natürlich kann die Rotationsschwingung 28 auch mit nur einer, den Permanentma¬gnet 24 umschließenden Sekundärspule aufgezwungen werden, was hier nicht nä¬her dargestellt ist. Vorteilhafte erzeugen Rotationsschwingungen 28 Bewegungen,die eine Scherung einer Flüssigkeit 200 bewirken und sich somit bei der Ermittlungder Schergeschwindigkeit und damit der Viskosität in Scherung besonders aus¬zeichnen können.

Eine besonders günstige Konfiguration zur Ermittlung der Schergeschwindigkeit ist,wie in Fig. 3 bzw. dem zugehörigen Schnitt in Fig. 4 dargestellt, ein diametral ma¬gnetisierter, kreiszylinderförmiger Permanentmagnet 24 in einem kreiszylindrischenProbengefäß 42, das mit einer Flüssigkeit 200 gefüllt ist. Aufgrund der permanentendiametralen Magnetisierung des Kreiszylinders 43 sind die magnetische Levitationund die magnetisch aufgezwungene Rotationsschwingung 28 um die Längsachse44 des Kreiszylinders 43 realisierbar. Somit ist ein einfaches Verfahren geschaffen,bei dem dem Messkörper 23 ohne mechanische Verbindung zum Messsystem, um seine Längsachse 44 Rotationsschwingungen 28 zur Ermittlung der Viskosität inScherung aufgezwungen werden.

Amplitude 45 und Phase 46 der Schwingung des magnetischen Körpers 3 könnenzur Bestimmung der Viskosität der Flüssigkeit 2 bzw. 200 herangezogen werden.Dabei werden Amplitude 45 und Phase 46 der Schwingung aus den Messdaten 21,22 bestimmt und über die sich ändernde Frequenz des zweiten magnetischenWechselfelds 13 bzw. 37 aufgezeichnet. Dabei entsprechen die in Fig. 5 dargestell¬ten, auf die Resonanzfrequenz normierten theoretischen Resonanzkurven 47 desmagnetischen Körpers 3 Pendelschwingungen 34 in verschiedenen Flüssigkeiten 2,200, 201,202, und 203. Die nichtlineare Rückstellkraft des magnetischen Gleich¬felds 7 bei zunehmender Auslenkung des magnetischen Körpers 3 aus seiner Ru¬helage 8 bewirkt, dass die maximale Amplitude unterhalb die Resonanzfrequenzdes Systems verschoben wird.

Fig. 6 stellt hingegen das Resonanzverhalten für Rotationsschwingungen 28 vonverschiedenen Flüssigkeiten 2, 200, 201,202, und 203 bei kleinen Amplituden dar.Hier kommt es zu keiner Verzerrung der Resonanzkurven, da aufgrund der geringenAuslenkungen keine nichtlinearen Rückstellkräfte auftreten. Aufgrund der unter¬schiedlichen physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeiten 2, 200, weisen dieseauch verschiedene Resonanzfrequenzen 48, 49 auf.

Ein weiteres vorteilhaftes Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren, um die Vis¬kosität in Scherung zu ermitteln, kann anhand Fig. 2 erläutert werden. Mit Hilfe dervier Sekundärspulen 14, 15, 30, 31 wird der magnetische Körper 3 in eine Rotation17 um die levitierte Ruhelage 8 auf einer Kreisbahn 50 versetzt. Dazu werden jezwei Sekundärspulenpaare 14,15 und 30, 31, bei denen je zwei gegenüberliegendeSpulen 14 und 15 bzw. 30 und 31 ein gegengleiches Wechselfeld 13 parallel zurRichtung des magnetischen Gleichfelds 7 generieren, um 90 Grad versetzt ange¬ordnet. Zudem sind auch die Magnetfelder 11, 12, 51, 52 der Spulenpaare 14, 15und 30, 31 gegeneinander um 90 Grad bzw. tt/2 versetzt. Durch die Überlagerung des magnetischen Wechselfelds 13 der Sekundärspulen 14, 15, 30, 31 mit demmagnetischen Gleichfeld 7 der Primärspulen 9, 10 entsteht ein magnetisches Feld32, dessen Bereich maximaler Stärke sich auf einer Kreisbahn 50 bewegt. Dement¬sprechend folgt auch der magnetische Körper 3 diesem Maximalwert des resultie¬renden magnetischen Felds 32 mit einer gewissen Verzögerung auf einer Kreisbahn50 - ähnlich einer Synchronmaschine. Diese Kreisbewegung des magnetischenKörpers 3 ist besonders interessant, um Messergebnisse zu erzielen, die mit demKugelfallviskosimeter vergleichbar sind.

Die Phasenverschiebungen 53 der Rotation 17 des magnetischen Körpers 3 zummagnetischen Wechselfeld 13 und/oder die Abweichung 54 des Massenmittelpunkts55 des magnetischen Körpers 3 zu seiner levitierten Ruhelage 8 können zur Be¬stimmung der Viskosität der Flüssigkeit 2 herangezogen werden. Dabei kann dergemäß Fig. 7 dargestellte Zusammenhang zwischen Phasenverschiebungen 53 derRotation 17 - entsprechend dem Lastwinkel einer Synchronmaschine - und den aufden magnetischen Körper 3 wirkenden Radial- 59 und Tagentialkräften 60 genutztwerden, um die Viskosität der Flüssigkeit 2 zu ermitteln. Dabei können nur Wertebis zu einer Phasenverschiebungen 53 von 90 Grad (tt/2) praktisch ermittelt wer¬den, da größere Phasenverschiebungen 53 in der Praxis nicht eingehalten werdenkönnen. Dieses Verhalten bei größeren Phasenverschiebungen 53 als 90 Grad(tt/2) entspricht dem außer Tritt fallen einer Synchronmaschine. Für eine Pendelschwingung 34 entsprechend Fig. 5 kann die Nichtlinearität kom¬pensiert werden. Dazu wird die Abweichung 54 des Massenmittelpunkts 55 desmagnetischen Körpers 3 zu seiner levitierten Ruhelage 8 aus den Messdaten 21,22ermittelt und in Abhängigkeit der Höhe der Abweichung 54 das magnetische Gleich¬feld 7 zur Erzeugung der levitierten Ruhelage 8 angepasst. Die Rückstellkräfte desmagnetischen Körpers 3 in Richtung der levitierten Ruhelage 8 nehmen nämlichnichtlinear mit der Abweichung 54 von der levitierten Ruhelage 8 ab. Wird nun beigrößerer Abweichung 54 die Rückstellkraft - bewirkt durch das magnetische Gleich¬feld 7 - erhöht, kann dieser Effekt kompensiert werden. Dies kann durch Erhöhung des Spulenstroms 63 gegenüber einem linearen Spulenstrom 64 in Abhängigkeitder Abweichung 54 des Massenmittelpunkts 55 des magnetischen Körpers 3 zuseiner levitierten Ruhelage 8 gemäß Fig. 8 erfolgen. Dementsprechend ergibt sicheine kompensierte Resonanzkurve für Pendelschwingungen 34, die die Bestim¬mung der Viskosität vereinfacht. Der nichtlineare Verlauf der Rückstellkräfte mussnämlich nicht mehr berücksichtigt werden.

Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, indemdem ersten magnetischen Gleichfeld 7 ein zweites magnetisches Gleichfeld 56, wiein Fig. 4 gezeigt, überlagert wird. Dies kann durch Erhöhung des Stroms durch diePrimärspulen 9, 10 erfolgen, oder aber auch durch eine zusätzliche nicht näheredargestellte Spulenanordnung. Die Überlagerung eines zweiten magnetischenGleichfelds 56 bewirkt eine Veränderung der Rückstellkraft in die levitierte Ruhelageund somit auch eine Veränderung der Resonanzfrequenz 48, 49 des Messsystems.Dies erlaubt, für verschiedene Flüssigkeiten gleiche Resonanzfrequenzen 58 einzu¬stellen. So kann ein Verfahren geschaffen werden, das relativ einfach aussagekräf¬tige Vergleichsmessungen für verschiedene Flüssigkeiten 2, 200 bei einer gemein¬samen Resonanzfrequenz 58 erlaubt. Ein Diagramm verschiedener Flüssigkeiten 2,200, 201, 202 und 203 mit angepasster Resonanzfrequenz 58 ist in Figur 9 darge¬stellt.

Im Allgemeinen wird festgehalten, dass es neben den in den Ausführungsbeispielenbeispielhaft gezeigten Anordnungen der Spulen noch andere Anordnungen vorstell¬bar sind, die vergleichbare magnetische Felder bewirken und damit genauso für daserfindungsgemäße Verfahren genutzt werden können.

Im Allgemeinen wird festgehalten, dass es neben der in den Ausführungsbeispielenbeispielhaft gezeigten aktiven magnetischen Levitation mit zwei Primärspulen auchnoch weitere Möglichkeiten der passiven magnetischen Levitation gibt. Diese weite¬ren Möglichkeiten, wie zum Beispiel ein passiver Aufbau mit Permanentmagnet und diamagnetischem Material anstelle der zwei Primärspulen, sind für dieses Verfahrenebenso denkbar, aber nicht näher dargestellt.

Zudem wird festgehalten, dass die Positionserfassung des magnetischen Körpersüber Hallsensoren oder Messspulen möglich ist. Diese Positionserfassung ist in denAusführungsbeispielen nur schematisch dargestellt. Für eine entsprechend genaueAuflösung der Messergebnisse werden Messdaten 22 von mehreren Hallsensoren20 benötigt, die zum Beispiel wie in Fig. 10 gezeigt, zwischen Primärspule 10 undmagnetischem Körper 3 angeordnet sind.

Claims (12)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit (2, 200), bei demein von der Flüssigkeit (2, 200) vollständig umgebener magnetischer Körper (3) mitHilfe mindestens eines ersten Magnetfelds (5, 6), insbesondere eines anhand derPosition des magnetischen Körpers geregelten magnetischen Gleichfelds (7), ineiner levitierten Ruhelage (8) gehalten wird und mit Hilfe mindestens eines zweitenMagnetfelds (11, 12, 38, 39, 51, 52), das dem ersten Magnetfeld (5, 6) zumindestbereichsweise überlagert ist und ein magnetisches Wechselfeld (13, 37) aufweist,ausgehend von der levitierten Ruhelage (8) in Bewegung versetzt wird, von derBewegung des magnetischen Körpers (3) abhängige Messdaten (21, 22) erfasstwerden und anhand dieser die Viskosität der Flüssigkeit (2, 200) bestimmt wird,dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Körper (3) zumindest in eineerzwungene Drehschwingung (34, 28) oder in eine erzwungene Rotation (17)versetzt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetischeKörper (3) die Form einer Kugel (27) oder eines Kreiszylinders (43) hat.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dermagnetische Körper (3) ein Permanentmagnet (24) ist.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass dermagnetische Körper (3) in eine resonante Drehschwingung (34, 28) versetzt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dassder magnetische Körper (3) in eine Pendelschwingung (34) versetzt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass derPermanentmagnet (24) in eine Rotationsschwingung (28) versetzt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (24) die Form eines diametral magnetisierten Kreiszylinders (43)hat und um seine Längsachse (44) in eine Rotationsschwingung (28) versetzt wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dassdie Amplitude (45) und/oder Phase (46) der Drehschwingung (34, 28) desmagnetischen Körpers (3) aus den Messdaten (21, 22) ermittelt und zurBestimmung der Viskosität der Flüssigkeit (2, 200) herangezogen werden.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass dermagnetische Körper (3) in Rotation (17) versetzt wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebungen (53) der Rotation (17) des magnetischen Körpers (3) zummagnetischen Wechselfeld (13, 37) und/oder die Abweichung (54) des Massenmittelpunkts (55) des magnetischen Körpers (3) zu seiner levitiertenRuhelage (8) aus den Messdaten (21, 22) ermittelt und zur Bestimmung derViskosität der Flüssigkeit (2, 200) herangezogen werden.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,dass die Abweichung (54) des Massenmittelpunkts (55) des magnetischen Körpers (3) zu seiner levitierten Ruhelage (8) aus den Messdaten (21,22) ermittelt wird undin Abhängigkeit der Höhe der Abweichung (54) die, die levitierte Ruhelage (8)bestimmenden und auf den magnetischen Körper (3) einwirkenden Levitationskräfteverändert werden.
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dassdie Frequenz der resonanten Drehschwingung (34, 28) verändert wird, indem die,die levitierte Ruhelage (8) bestimmenden und auf den magnetischen Körper (3)einwirkenden Levitationskräfte verändert werden.