CN101506640B - 流变仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流变仪，所述流变仪具有：旋转轴(1)，在该旋转轴上固定有转子盘(2)；和用于测量在轴(1)旋转期间由待研究的物质(6)作用在转子盘(2)上的转矩的测量装置(10)，其中在转子盘(2)的第一侧(3)和第一剪切面(4)之间形成有用于接纳待研究的物质(6)的第一测量间隙(5)，而在转子盘(2)的与第一侧相对的第二侧(7)和第二剪切面(8)之间形成有用于接纳待研究的物质(6)的第二测量间隙(9)。所述流变仪包括用于在第一和第二测量间隙(5，9)中产生磁场的磁体。

Description

流变仪

技术领域

本发明涉及一种具有固定在旋转轴上的转子盘的流变仪和一种用流变仪测定待研究的物质的流变性质的方法。

背景技术

流变学是关于流动过程——即材料在外力的作用下的持续变形——的科学。流动变形(粘滞变形)以有限的速度发生。在实际材料中，粘滞特性由塑性和弹性特性叠加。根据现有技术使用各种流变仪来测量流变大小。旋转流变仪、毛细管流变仪、拉伸流变仪和压缩流变仪有所不同。

在实验室中，旋转流变仪使用最为广泛。在此通常使用具有不同几何的三种不同的测量系统。这些不同的测量系统包括锥/盘-测量系统、盘/盘-测量系统和柱体-测量系统。

DE 19911441A1涉及一种具有柱体-测量系统的旋转粘度计，其中测量圆柱在填充有待研究的样品的柱形测量杯中转动。在此测量并评估样品作用在测量圆柱上的力，其中样品填充测量圆柱和测量杯之间的间隙。

DE 3423873A1、AT 404192B、AT 409304B、AT 409422B和AT500358A1涉及盘-盘或锥-盘测量系统，其中样品在相互平行排列的盘之间被剪切，所述盘中的一个转动。

根据盘-锥或盘-盘原理的、带有两个相对彼此转动的测量面的、在现有技术中已知的旋转流变仪通常包括支架或构架，盘布置在该支架或构架上。由马达驱动的旋转轴支承作为测量体的转子盘，该转子盘能被马达经由旋转轴驱动旋转。设置有一测量装置，该测量装置例如间接地通过测量设计成电机的马达的电流消耗来测量例如所述轴上的转矩或者由待研究的物质作用在转子盘上的力矩。测量装置还可以测量轴的旋转位置和转速(例如通过角度编码器)。在支架上通常形成有用于轴的导向轴承，例如使用空气轴承、磁力轴承或其它摩擦很小的轴承结构。对于空气轴承，在法向力对轴轴向加载的情况下，空气垫像弹簧一样克服该载荷。这种例如由于待研究的物质在测量过程中受热或其它影响发生膨胀而产生的法向力作用在转子盘上并由此作用在轴上。然而，在现有技术已知的流变仪中，所容许的法向力由于轴承、例如空气轴承的设置而被向上限制，因而限制了流变仪的测量范围。

发明内容

本发明的目的是，避免现有技术的缺点以及特别是提供一种用于测定待研究的物质的流变性质的流变仪和方法，使得能覆盖大的测量范围。

根据本发明，上述目的通过一种具有旋转轴和测量装置的流变仪来实现，在所述旋转轴上固定有转子盘，所述测量装置用于测量在轴旋转时由待研究的物质作用在转子盘上的转矩，其中在转子盘的第一侧和第一剪切面之间形成有用于接纳待研究的物质的第一测量间隙，而在转子盘的、与第一侧相对的第二侧和第二剪切面之间形成有用于接纳待研究的物质的第二测量间隙，并且其中所述流变仪包括用于在第一和第二测量间隙(5，9)之间产生磁场的磁体。

流变仪是用于测定待研究物质的流变性质、尤其是待研究物质的粘性的装置。根据本发明的流变仪是旋转流变仪，其与盘-盘和/或锥-盘原理类似地工作。转子盘固定在旋转轴上并被马达、例如实验室搅拌器驱动。

为了测定待研究物质的流变性质，根据本发明的流变仪包括至少一个测量装置、特别是用于测量在轴旋转期间由待研究的物质作用在转子盘上的转矩的测量装置。为了测定待研究的物质(特别是样品流体)的流变性质，可以使轴以恒定的转速旋转并测量为此所需的转矩。但也可以利用马达对轴施加恒定的转矩并测量由作用在转子盘上的转矩得到的转速或者旋转位置。所述轴还可以执行正弦曲线形的或者按其它波形分布的旋转运动(振荡实验)，其中除粘性分量外还可以测定待研究的物质的弹性分量。在各种情况下，(有时或许间接地)通过测量装置测量待研究的物质在转子盘运动期间作用在该转子盘上的转矩。

在测量过程中，转子盘在两侧与待研究的物质接触。该物质位于所述的、分别由转子盘的一侧和一个静止的剪切面界定的两个间隙中。优选地，测量间隙设计成基本上对称的和/或两个测量间隙具有相等的高度，该高度由转子盘的表面和各自的剪切面之间的距离决定。

本发明还涉及一种用于测定待研究的物质——优选磁流变流体——的流变性质的方法。该方法包括使固定在轴上的转子盘旋转，其中该转子盘在第一侧与容纳在第一测量间隙中的、待研究的物质接触，并在与第一侧相对的第二侧与容纳在第二测量间隙中的、待研究的物质接触。该方法还包括在第一和第二测量间隙中产生磁场以及测量在转子盘旋转期间由待研究的物质作用在转子盘上的转矩。

根据本发明的流变仪的双间隙测量布置结构和根据本发明的方法具有下述优点，即可补偿转子盘上的法向力、尤其是补偿由磁流变流体在磁场中由于其各向异性而产生的法向力，使得该法向力不再像在常规的单个间隙中那样限制流变仪的测量范围。在根据本发明的流变仪中，通过测量该双间隙布置结构在流变仪轴上的法向力还可以检查转子盘的正确安装，因为在正确安装时法向力(基本上)被补偿。

根据本发明的流变仪或者说用于根据本发明的方法的流变仪还包括至少一个用于在第一和第二测量间隙中产生垂直于剪切平面分布的磁场的磁体。这种装置尤其用于测定磁流变流体的流变性质。

磁流变流体(简称：MRF)通常是指其流变性质在磁场的作用下改变的流体。在此，它们通常是载体液(通常也称为基油)中的铁磁、超顺磁或顺磁微粒的悬浮液。

如果这种悬浮液暴露在磁场中，则其流动阻力增加。这是由于分散的可磁化的微粒例如铁粉由于其磁性交互作用而形成与磁力线平行的链状结构而引起的。在MRF变形期间，这些结构部分地被破坏，但它们又回复原状。磁流变流体在磁场中的流变性质与具有屈服点的塑性体的性质相似，也就是说，为了使磁流变流体流动，必须施加最小剪应力。

磁流变流体属于非牛顿流体。粘性/粘度很大程度上取决于施加的剪切率(Scherrate)。通过施加磁场能在几毫秒内实现可逆的粘性改变。

磁流变流体的流变特性可大致由Bingham模型描述，其屈服点随磁场强度的增加而升高。例如，在磁通密度小于1特斯拉的情况下即可获得几万N/m²的剪应力值。高的能传递的剪应力对于磁流变流体应用在诸如减震器、离合器、制动器和其它可控装置(例如触感装置、碰撞吸收装置、线控转向系统、线控传动和线控制动系统、密封结构、保持系统、假肢、健身设备或轴承)的设备中是必需的。

例如在US 5547049、EP 1016806B1或EP 1025373B1中描述了磁流变流体的已知应用。因此，根据本发明的带有磁体的流变仪以及根据本发明的方法——该方法可能包括在进行测量期间在测量间隙中产生磁场的步骤——可以用于测定磁流变流体的流变性质。当在具有测量间隙的旋转流变仪中研究磁流变流体时，该磁流变流体在磁场中由于其各向异性而产生沿纵向方向(平行于流变仪的轴)的法向力。因此，由于布置在转子盘两侧上的、填充有磁流变流体的测量间隙使法向力得到补偿，从而本发明的双间隙布置结构对于研究磁流变流体的流变性质特别有利。

为了测定磁流变流体的流变性质，优选在两个测量间隙中产生对称且均匀的磁场。这种对称的磁场优选关于作为对称轴线的流变仪旋转轴并关于作为对称平面的转子盘对称。

根据本发明的一种优选实施方式，磁体是具有线圈、布置在第一测量间隙上方的第一磁轭和布置在第二测量间隙下方的第二磁轭的电磁体，其中第一和第二磁轭设计成关于转子盘和(旋转)轴对称。轭关于双间隙中的转子盘上下对称的结构使得可以在两个测量间隙中建立均匀的磁通密度，即使间隙高度或者待研究的磁流变流体的性质改变。但在本发明中也可使用永磁体。

根据本发明的一种优选实施方式，转子盘至少部分地由可磁化的材料制成。在由不可磁化的材料制成的轴上的可磁化的转子盘(例如由材料号为1.0037的钢制成)显著地增大了测量间隙中的磁通密度并改善了在有效的测量间隙范围内的磁场径向均匀性。但对于根据本发明的流变仪也可以使用由不可磁化的材料制成的转子盘。

与测量间隙邻接的两个剪切面优选由分别与第一或第二测量间隙邻接的第一和第二盘形成，或者各由磁体(例如磁轭)的与第一或第二测量间隙邻接的表面形成。

在根据本发明的流变仪中，优选在与测量间隙邻接的构件中包括至少一条用于接纳至少一个测量传感器的通道，所述传感器选自霍尔探头或温度传感器。借助于霍尔探头可以在线地测量测量间隙中的有效的磁通密度。例如，霍尔探头位于在所述测量间隙之一上方或下方的非磁性盘内的扁平通道中。还可以在剪切位于测量间隙中的待研究的物质期间使用霍尔探头进行测量，从而可以检测由于剪切导致的物质磁化变化。改变霍尔探头在通道中的径向位置(垂直于旋转轴)可以测量径向磁通密度曲线。

借助于温度传感器、尤其是尽可能靠近测量间隙之一安装的热电偶，可以在线测量测量间隙中的待研究的物质的温度。例如，温度传感器位于在测量间隙之一的上方或下方的导热盘内的扁平通道中。还可以在剪切位于测量间隙中的待研究的物质期间使用温度传感器进行测量，从而可以检测在剪切过程中待研究的物质的温度变化，并且有时或许可以通过为此设置的调温装置对温度进行调节。

例如，可以对用于在测量间隙中产生磁场的磁体的上轭和下轭的中间部件设置(液体)温度调节。调温装置应当尽可能与测量间隙直接接触，以便即使在高能量输入(大转矩/高转速)的情况下也在两个测量间隙中确保尽可能恒定的温度。根据一种变型实施方式，调温装置构造成使得流变仪的整个测量单元——该测量单元包括具有转子盘、测量间隙的壳体、轴的至少一部分以及有时或许还有磁体——在测量和/或剪切期间浸入在被调温的液体中。

根据本发明的一种优选实施方式，第一和第二测量间隙向外被一限制元件封闭。这具有以下优点，即待研究的物质在转子盘旋期间不会由于离心力而径向地从测量间隙中出来。该限制元件可以设计成一体的或者多件式的。可以将限制元件相邻地直接布置在转子盘圆周上(不妨碍旋转)或者布置在离转子盘圆周一定距离处，从而待研究的物质在两个测量间隙中沿转子盘圆周(与其)接触。限制元件可以例如是中心地包围圆形转子盘的环形套筒。由于测量间隙中的待研究的物质的体积会变化，所以优选(例如沿着轴)设置一避让容积(Ausweichvolumen)，物质能逸出到该避让容积中。

根据本发明的流变仪的转子盘优选设计为圆形的，并具有优选在3mm至10cm、特别优选在5mm至25mm范围内的半径。转子盘优选具有两个平的盘表面、一个平的和一个锥形的盘表面或者两个锥形的盘表面。根据本发明的流变仪还可以具有两个剪切面，这两个剪切面由两个平的表面、一个平的和一个锥形的表面或者两个锥形的表面形成。

两个平的转子盘表面连同流变仪的两个平的剪切面共同形成双重的盘-盘布置结构。在盘-盘系统中，待研究的物质在相互平行排列的转子盘表面和剪切面之间的测量间隙中被剪切。在这种情况下，剪切速度在各自的整个测量间隙中不同。更确切地说，剪切速度随着半径增大，并在转子盘的最外缘到达最大。

与两个平的转子盘表面连同流变仪的两个锥形剪切面相同，两个锥形转子盘表面连同流变仪的两个平的剪切面共同形成双重的锥-盘布置结构。在锥-盘系统中，各自的锥(转子盘表面)在各自的盘(剪切面)上旋转。待研究的物质位于分别布置在转子盘表面和剪切面之间的测量间隙中。锥表面上的圆周速度向外增加。同时，由于锥形形状，间隙高度增大。这使得剪切速度径向地保持恒定。因此，在本发明中，双锥布置结构使得可以在两个测量间隙中建立一致的剪切率。

在本发明中，两个测量间隙的高度优选分别在0.1mm到1mm之间的范围内、特别优选分别在0.2mm到0.4mm之间的范围内。在根据本发明的流变仪中，测量间隙的高度可以通过选择特定的转子盘厚度来调节。因此，在根据本发明的流变仪中，优选可以更换转子盘。在间隙高度较小的情况下，最大可达到的剪切率增加。

可以使用根据本发明的流变仪实施根据本发明的方法。根据本发明方法的一种优选实施方式，在转子盘旋转并且由此产生剪切的过程中连续地测量轴上的转矩曲线或者转速曲线。根据另一实施方式，转子盘的旋转仅用于使待研究的物质均匀化、对其调节或持续加载的阶段与在转子盘运动(例如旋转或振动)过程中测量转矩或转速的阶段交替进行。

根据本发明的方法也可以不带磁场地实施或者包括在测量间隙中产生(优选均匀且对称的)磁场的步骤。

根据本发明的一种优选实施方式，本发明的方法和/或本发明的流变仪用于研究磁流变流体用于特定应用的适宜性，特别是应用在MRF离合器中的适宜性。本发明还涉及根据本发明的流变仪用于测量鉴定磁流变流体、悬漂液或聚合物熔体或溶液的性质的应用。除了用于磁流变流体外，根据本发明的双间隙测量布置结构例如还可以用于在高的剪切速度下测量粘弹性聚合物熔体(聚苯乙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸亚丁基酯、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯和聚二甲基硅氧烷等)和聚合物溶液以及悬漂液、特别是聚合物悬漂液(苯乙烯悬漂液、丙烯酸盐共聚物悬漂液)或悬浮液。例如可以以0.01到10⁴(1/s)的剪切率使用本发明的流变仪或方法剪切待研究的物质。在此例如获得在0.01到200kPa之间的剪应力。通过用一限制元件将测量间隙的边缘封闭，可以避免如在常规的单个间隙的开放边缘处那样在材料中发生断裂。另外，这避免了待研究的物质被大的离心力从测量间隙中抛出。为了研究热塑性塑料，可通过插入由待研究的热塑性塑料制成的盘和/或环来填充测量间隙。磁流变流体、溶液或悬漂液可以例如通过为此设置的填充通道填充到测量间隙中，同时换气通道打开。然后封闭两个通道以便对待研究的物质进行流变研究。

除了研究流体，还可以测量粉末。因此，例如也可以研究用在磁粉离合器中的材料。因此，合适于此的材料例如是羰基铁粉。

实施例

奥地利安东帕(Anton Paar)公司的商业上可购得的测量装置PhysicaMRD180(1T)被修改并用在安东帕公司的MCR 501流变仪(最大转矩0.3Nm)中。使用两个不同的转子盘。一个转子盘的半径为8mm，另一个的半径为9.7mm。因此，与使用的直径为20mm的限制元件结合分别得到2mm和0.3mm的圆筒形环形间隙。如果在使用半径为9.7mm的大转子盘测量时达到流变仪的载荷极限，则使用半径为8mm的转子盘。在两个测量间隙的间隙高度分别为0.3mm的情况下，通过提高马达转速可以达到0.01至10000(1/s)的剪切率范围，并且可以测量在3Pa至150000Pa之间的剪应力。利用本发明的测量结构以及利用根据生产商的说明书可能的最大转速3000rpm可得到10000(1/s)的剪切率。当马达转速为2055rpm、转子盘半径为9.7mm且测量间隙高度为0.3mm时，得到7000(1/s)的剪切率。通过使用由钢(材料号为1.0037)制成的可磁化的转子盘，带有样品(磁流变流体)的磁通密度在0T到1.4T的范围内。测量在-25℃至100℃的温度范围内进行。因此，根据本发明的流变仪具有以下优点，即实现了高的剪切率和磁通密度高的磁场，而法向力不超过空气轴承的容许范围(60N)。现有技术中的流变仪无法覆盖所述测量范围。

附图说明

下面借助于附图对本发明进行更加详细的说明，其中

图1是根据本发明的具有双测量间隙的流变仪的剖视示意图。

具体实施方式

所述流变仪包括由不可磁化的材料(例如材料号为1.4571的奥氏体不锈钢)制成的旋转轴1。旋转轴1与驱动该轴1的马达(未示出)连接。优选使用空气轴承(未示出)支承所述轴。由可磁化的材料(例如材料号为1.0037的钢)制成的转子盘2固定在轴1的端部上。在图1中容纳有待研究的物质6(例如磁流变流体)的第一测量间隙5位于转子盘2的上侧(第一侧3)和第一剪切面4之间。在转子盘2的下侧(第二侧7)和第二剪切面8之间形成一同样容纳待研究的物质6的第二测量间隙9。

该流变仪还包括一测量装置10，该测量装置测量马达的转速和转矩并且由此还间接地检测在轴1旋转期间由待研究的物质6作用在转子盘2上的转矩。

所述第一剪切面4和第二剪切面8分别由与第一测量间隙5相邻的第一盘11和与第二测量间隙9相邻的第二盘12形成。为了测试例如材料或表面结构对能传递的剪应力的影响，可以更换盘11和盘12。在第二盘12中形成有通道13，该通道13例如可以接纳霍尔探头或热电偶。所述两个盘11和12还可以包括其它的通道(未示出)。

在该实施方式中，转子盘2在其两侧3、7上具有两个平的盘表面。亦即，这里是双重的盘-盘布置结构。

所述两个测量间隙5、9向外被套筒形式的共同的限制元件14封闭。一过渡区域15沿着限制元件14延伸，待研究的物质经由该过渡区域15能从一个间隙到达另一个间隙。从而，在体积增大的情况下，待研究的物质6有避让可能性，在轴1周围具有开放的避让区域16。

所述流变仪还包括用于在第一和第二测量间隙中产生磁场的磁体。该磁体包括上部的第一磁轭17、下部的第二磁轭18和线圈19。第一和第二磁轭17、18设计成关于转子盘2和关于轴1基本上对称的。第一轭17由两个半区段(未示出)组成，而第二轭18一体地形成。两个轭17和18都具有中心孔20，其中该中心孔在第一磁轭17中接纳轴1。这两个磁轭17、18沿线21组装。第一磁轭17包括穿通部22，通过该穿通部例如能将要插入通道13中的霍尔探头或者热电偶从外部引入到磁轭的内部。

利用图1所示的根据本发明的流变仪能实施根据本发明的用于测定待研究的物质的流变性质的方法。

Claims (10)

1.一种流变仪，具有：旋转轴(1)，在该旋转轴上固定有转子盘(2)；和用于测量在轴(1)旋转期间由待研究的物质(6)作用在转子盘(2)上的转矩的测量装置(10)，其特征在于：在转子盘(2)的第一侧(3)和流变仪的第一剪切面(4)之间形成有用于接纳待研究的物质(6)的第一测量间隙(5)，而在转子盘(2)的、与第一侧相对的第二侧(7)和流变仪的第二剪切面(8)之间形成有用于接纳待研究的物质(6)的第二测量间隙(9)；所述流变仪包括用于在第一和第二测量间隙(5，9)中产生均匀磁场的磁体。

2.根据权利要求1所述的流变仪，其特征在于：所述磁体是电磁体。

3.根据权利要求1所述的流变仪，其特征在于：所述转子盘(2)至少部分地由可磁化的材料制成。

4.根据权利要求1所述的流变仪，其特征在于：所述磁体是具有线圈(19)、布置在第一测量间隙(5)上方的第一磁轭(17)和布置在第二测量间隙(9)下方的第二磁轭(18)的电磁体，其中第一和第二磁轭(17，18)设计成关于转子盘(2)和关于轴(1)对称的。

5.根据权利要求1所述的流变仪，其特征在于：所述第一和第二剪切面(4，8)分别由与第一或第二测量间隙(5，9)邻接的第一和第二盘(11，12)形成，或者各由磁体的、与第一或第二测量间隙(5，9)邻接的表面形成。

6.根据权利要求1所述的流变仪，其特征在于：在与所述第一测量间隙(5)或所述第二测量间隙(9)邻接的构件中包含有至少一个用于接纳至少一个选自霍尔探头或温度传感器的测量传感器的通道(13)。

7.根据权利要求1所述的流变仪，其特征在于：所述第一和第二测量间隙(5，9)向外被限制元件(14)封闭。

8.根据权利要求1所述的流变仪，其特征在于：所述转子盘(2)具有两个平的盘表面、一个平的和一个锥形的盘表面或者两个锥形的盘表面。

9.一种用于测定待研究的磁流变流体的流变性质的方法，其特征在于：使固定在轴上的转子盘旋转，其中该转子盘在第一侧与容纳在第一测量间隙中的、待研究的磁流变流体接触，而在与第一侧相对的第二侧与容纳在第二测量间隙中的、待研究的磁流变流体接触；在第一和第二测量间隙中产生均匀磁场并测量在转子盘旋转期间由待研究的磁流变流体作用在转子盘上的转矩。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的流变仪用于测量鉴定磁流变流体、悬漂液、聚合物熔体、聚合物溶液、或者粉末的性质的应用。