CN107306506B - 用于振荡剪切和压力下的流变实验的压力单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量介质的弹性和粘度的测量装置，该测量装置包括具有用于接纳待测量的介质的容积的第一测量装置部件和突出到所述容积中的第二测量装置部件。第一测量装置部件借助于气流密封而相对于第二测量装置部件被密封。第一测量装置部件可在围绕预定轴线的转动运动中相对于第二测量装置部件运动。

Description

用于振荡剪切和压力下的流变实验的压力单元

技术领域

本发明涉及一种用于测量介质的弹性和粘度的测量装置，所述测量装置即使在分别地高压或高温下也容许介质的弹性和粘度的测量。特别地，本发明涉及一种用于在高压和高温下测量低粘度液体的弹性的装置。

背景技术

由现有技术得知例如借助于测量压力降、从毛细管通过的流量或通过测量浸入式探针的振荡的缓冲来进行粘度测量。此外，用于测量粘度的旋转流变仪是已知的。借助于这种类型的测量方法和测量装置，确实偶尔甚至在高温和高压下也可以测量粘度；然而，借助于这种类型的测量，不可能在同时很低的粘度下测量弹性特性。

发明内容

因此可见，本发明的一个目的是提供一种用于在分别地高压或高温下测量介质的弹性的装置，特别是用于在高压和高温下测量低粘度液体的弹性的装置。

本发明的该目的通过独立权利要求的主题来实现，而本发明的有利的细化方案通过从属权利要求来实施。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于测量介质的弹性和粘度的测量装置，其中所述测量装置具有：用于接纳待测量的介质的容积，所述容积由第一测量装置部件界定；突出到所述容积中的第二测量装置部件，其中所述第一测量装置部件借助于气流密封相对于所述第二测量装置部件被密封，其中所述第一测量装置部件能在围绕预定轴线的转动运动中相对于所述第二测量装置部件运动。

这样，借助于气流密封，可以以这样的方式将第一测量装置部件和第二测量装置部件相对于彼此密封，即第一测量装置部件和第二测量装置部件能相对转动以便基于该转动运动来确定介质的弹性或粘度，所述介质位于用于接纳待测量的介质的相应容积中。气流密封使得能够提供摩擦尽可能低或基本上无摩擦的两个测量装置部件的相互密封，以使得待测量的介质甚至在高压或高温下也能被保持在所述容积中，其中不会明显妥协第一测量装置部件和第二测量装置部件相对于彼此运动的能力。本发明的上下文中的高温应理解为高达约200℃的温度，并且本发明的上下文中的高压应理解为高达约16bar(绝对值)的压力。

气流密封容许所述容积的密封，以使得甚至在高压和高温下也能测量位于其中的介质，但不会通过实心垫片而限制或篡改转矩的测量值。气流密封与三路径结构有区别，其中一个路径终止于待密封的容积中，而另外两个路径分别用于供给气体或排出气体。密封效果借助于第一路径中的背压来实现，所述背压通过气体从第二路径向第三路径的通流而产生。第一路径与所述容积连接，以使得所述容积中通常不存在气流。这里的待测量的样品位于所述容积中，其中所述容积由第一和第二测量装置部件界定并且借助于气流密封来密封。由第一和第二测量装置部件界定的容积被构思为在其中进行粘度测量或弹性测量。这里的气流用于密封，其中接纳待测量的样品的容积本身一般不会发生空气的通流。确切而言，所述容积接纳待测量的液体并且保持该液体。与其中发生从屏障容积通过的恒定流量的空气轴承形成对比，在气流密封的情况下，测量容积的内部建立静压力。与其中轴承需要紧间隙尺寸的转动部件的空气轴承相反，气流密封相对于外部气氛密封用于接纳样品介质的容积。此外，气流密封由于动态流动原理而使得诸如驱动装置和测量装置的周边设备能够被保持在加压区的外部，这在具有静压力的反压密封的情况下不容易实现。

根据本发明的一个实施例，所述容积在设置用于接纳所述待测量的介质的区域中是旋转对称的，并且所述第二测量装置部件在突出到所述容积的设置用于接纳所述待测量的介质的区域中的那个区域/区段中是旋转对称的，其中所述第一测量装置部件具有中空圆柱形部分，并且所述第二测量装置部件具有圆柱形部分，其中所述中空圆柱形部分和所述圆柱形部分在设置用于接纳所述待测量的介质的区域中形成圆筒形间隙。

这样，可以开始第一测量装置部件与第二测量装置部件之间的一致转动运动，以便实现层状和无湍流的流动。由于该旋转对称，可以避免待测量的介质位于其中的容积内在转动运动的作用下而出现不同压力状态。

根据本发明的一个实施例，转动运动包括振荡运动。

这样，在第一测量装置部件或第二测量装置部件上可以设置有用于传感器或致动器的供给管线或排出管线，其中不存在必须使相应装置的接触在任何转动的情况下与后者一致的问题。特别地，当不存在自转的转动运动而是仅存在振荡转动运动时，能简化介质流的供给和排出装置如液体管线和气体管线。

根据本发明的一个实施例，所述振荡运动具有正弦振荡。

这样，能在第一测量装置部件与第二测量装置部件之间提供尽可能小幅的包含第一测量装置部件相对于第二测量装置部件的一定程度的加速或反之的一致振荡运动。此外，当能以尽可能简单的方式、也就是说以正弦振荡的形式展现振荡行为时，能以简单方式评估在振荡运动中为了测量弹性和粘度而确定的测定值，并且因此能从测定值消除相应影响。

根据本发明的一个实施例，所述振荡运动具有在0.01Hz与100Hz之间的频率。

这样，能考虑待测量的介质的不相似的弹性和粘度特性，并且能跨特定频率范围确定待测量介质的弹性或粘度。

根据本发明的一个实施例，所述振荡运动具有在1*10^-6°与180°之间的幅度。

这样，能在待测量的介质的弹性和粘度的测量中实现最大精确程度。根据本发明的一个实施例，所述振荡运动具有在5*10^-5°与45°之间的幅度，其中360°对应于圆的完整一周。根据一个实施例，所述振荡幅度能以迭代方式适合待测量的介质。为此，一个测量装置部件上的测定转矩在另一测量装置部件的振荡幅度的变化过程中的变化就幅度而言能被用作致动开始振荡运动的致动器的基础。

根据本发明的一个实施例，所述测量装置具有转矩传感器，其中所述转矩传感器设置在所述第一测量装置部件和所述第二测量装置部件中的一者上。

这样，能借助于确定设定第一测量装置部件相对于第二测量装置部件进行转动运动、特别是振荡运动所需的转矩来确定待测量的介质的弹性或粘度。

根据本发明的一个实施例，所述第一测量装置部件和所述第二测量装置部件中的一者相对于基准点被固定，并且所述转矩传感器设置在所述第一测量装置部件和所述第二测量装置部件中的被固定的那一者上。

这样，转矩传感器能关于直接抵靠在相应测量装置部件上的基准点确定该转矩，其中不存在影响弹性或粘度的测量的致动器的干扰影响。这特别适用于致动器设置在不是相对于基准点固定而是在致动器的促使下相对于固定在基准点上的测量装置部件围绕预定轴线进行转动运动的另一测量装置部件上的情况。

根据本发明的一个实施例，所述第一测量装置部件在气流密封的区域中具有第一圆筒形套筒部分和第二圆筒形套筒部分，并且所述第二测量装置部件在所述气流密封的区域中具有第一圆柱形部分和第二圆柱形部分，其中所述第一圆筒形套筒部分和所述第一圆柱形部分形成第一圆筒形间隙，并且所述第二圆筒形套筒部分和所述第二圆柱形部分形成第二圆筒形间隙，其中在所述第一圆筒形间隙与所述第二圆筒形间隙之间设置有加压气体供给装置。

这样，可以供给加压气体以使得借助于通向所述容积中的圆筒形间隙发生压力的积聚，并且气体的流出借助于另一圆筒形间隙以这样的方式进行，即由于该另一圆筒形间隙中的和相应气体供给装置中的流动阻力，待测量的介质设置在其中的容积中出现被维持的压力。

根据本发明的一个实施例，所述加压气体供给装置设置在所述第一测量装置部件上。

这样，气体供给装置能设置在不与转矩传感器连接的那个部件上，使得当第二测量装置部件相对于基准点被固定时第二测量装置部件上不会出现由于加压气体供给装置的联接而对转矩测量的影响。

根据本发明的一个实施例，所述第一测量装置部件的第一圆筒形套筒部分和第二圆筒形套筒部分以及所述加压气体供给装置共同形成能够与所述第一测量装置部件的设置用于接纳所述待测量的介质的杯状部分离的单元。

这样，第一测量装置部件的一部分实际上保留在第二测量装置部件上，但这样能维持第一和第二测量装置部件之间的气流密封的密封几何形状，所述密封几何形状由圆筒形间隙组成，所述圆筒形间隙由第二测量装置部件的圆柱形部分和第一测量装置部件的圆筒形套筒部分形成。此外，第二测量装置部件在相对于基准点被固定时能保持就位，而第一测量装置部件的可从加压气体供给单元移除的例如呈杯状部形式的部分能被移除。因此能更换杯状部中的介质，所述杯状部基本上代表用于接纳待测量的介质的容积。

根据本发明的一个实施例，位于背对加压气体供给装置的一侧的第二圆筒形间隙通向设置用于接纳待测量的介质的容积中。

这样，能通过经由第二圆筒形间隙供给加压气体来维持所述容积中的压力，使得即使在高温或高压下也能在所述容积中保持和测量介质。

根据本发明的一个实施例，所述测量装置具有温度控制装置，其中用于接纳待测量的介质的容积能够借助于所述温度控制装置来控制温度。

这样，能设定所述容积中的温度并进而设定待测量的介质的温度。这可以借助于例如珀尔帖元件来进行，使得能在一定程度上进行介质的冷却和加热两者。对于比较大的温度控制范围而言，例如能提供附加的(或替代的)电加热。应注意，另外的温度控制机构也能用于例如通过供给冷却液或加热液或冷却气体或加热气体来进行加热或冷却。

根据本发明的一个实施例，所述温度控制装置具有以控制接纳在所述容积中的所述待测量的介质的温度这样的方式构思和配置的珀尔帖元件。

当然，以上描述的各个特征也能互相组合，由此也能派生超过各个效果之和的有利效果。

将通过引用以下描述的示例性实施例来说明和强调本发明的这些和其它方面。

附图说明

图1示出贯穿测量装置的一个示例性实施例的剖视图。

图2示出测量装置的一个示例性实施例的剖视图的片段，所述剖视图示出了气流密封区域。

图3示出测量装置的一个示例性实施例的剖视图的片段，所述剖视图示出了用于接纳待测量的介质的容积。

具体实施方式

图1示出贯穿根据本发明的一个示例性实施例的测量装置的剖视图。图1所示的测量装置具有第一测量装置部件10，该第一测量装置部件10又具有杯状部8，该杯状部8具有待测量的介质被接纳在其中的容积11。这里的第二测量装置部件20浸入待测量的介质100中，所述第二测量装置部件20在其浸入到待测量的介质100中的那个区域中具有位移体或圆柱体28。这种用于避免二次流动的位移圆柱体可向例如在DIN 53019-1中指定的下部区域中的一个点收敛。第一测量装置部件10和第二测量装置部件20可绕转动轴线A相对转动。这里的第二测量装置部件20相对于例如基准点被固定，并且第一测量装置部件10相对于第二测量装置部件20转动。能借助于这两个部件的相对转动经由占主导的转矩来确定待测量的介质100的流变特性。受待测量的介质100的液体特性的影响，相对于转动轴线A作用在第二测量装置部件20上的转矩作用在一方面第二测量装置部件20在容积11中的圆柱形部分23与另一方面第一测量装置部件10在容积11中的中空圆柱形部分13之间。这样，中空圆柱形部分13和圆柱形部分23形成圆筒形套筒部分，其壁相对转动。能由产生的阻力并因此由占主导的转矩来推导介质的流变特性，特别是弹性和粘度。这里，可在第二测量装置部件20上设置转矩传感器40，特别是当第二测量装置部件相对于基准点被固定时。这里能使用绝大多数各种类型的转矩传感器，只要所述转矩传感器能够确定第二测量装置20与基准点之间的转矩并提供足够的分辨率即可。杯状部8或容积11能借助于温度控制装置70进行温度控制。该温度控制装置70可以是例如珀尔帖元件，能借助于该珀尔帖元件对杯状部8并进而对容积11进行加热和冷却两者。在仅必须实现容积11的加热的情况下，也能设置电加热装置作为替代方案。应注意，也能使用珀尔帖元件和电阻式加热器的组合，特别是当要实现比较高的温度时。温度控制装置特别是能配置成使得前者在位于要充填介质的区域中——也就是说如图1所示也沿比较大的壁部分——的壁区域上对杯状部8进行温度控制。为了以基本上无摩擦或低摩擦的方式相对于第二测量装置部件20密封第一测量装置部件10，在第一测量装置部件与第二测量装置部件之间使用气流密封50。该气流密封基本上通过借助于加压气体供给单元6经加压气体供给装置60将加压气体导入圆筒形间隙50a、50b中而形成，圆筒形间隙一方面由第一测量装置部件10的圆筒形套筒部分15a、15b且另一方面由第二测量装置部件20的圆柱形部分25a、25b形成。从加压气体供给装置60开始，形成了从加压气体供给装置60沿朝向容积11的方向延伸的第二圆筒形间隙50b，其中第二圆筒形间隙50b由第一测量装置部件10的圆筒形套筒部分15b和第二测量装置部件20的第二圆柱形部分25b形成。从加压气体供给装置60开始，第一圆筒形间隙50a沿反方向延伸，其中第一圆筒形间隙50a由第一测量装置部件10的第一圆筒形套筒部分15a和第二测量装置部件20的第一圆柱形部分25a形成。气流密封50现在通过借助于加压气体供给单元6向加压气体供给装置60供给加压气体而建立，其中加压气体沿朝向容积11的方向流经第二圆筒形间隙50b并且在容积11中积聚压力。此外，位于加压气体供给装置60中的气体流入第一圆筒形间隙50a中，并且通过该路径离开测量装置1(图1中向上)。由于第一圆筒形间隙50a中的流动阻力和加压气体供给装置中的追逐气体的压力，容积11中的压力借助在加压气体供给装置中设定的气体压力建立，从而以此方式实现容积11相对于外部气氛的密封。这里，气体流动仅从加压气体供给装置60向第二圆筒形间隙50a中进行，而圆筒形间隙50b中不发生实质的气体流动。这样，第二测量装置部件20——特别是第二测量装置部件20的从第一测量装置部件10引出并容许与基准点联接的轴——能相对于第一测量装置部件10以很小的损失被引导。借助于这里的气流密封50实现的密封具有很小的摩擦，使得能使因第一测量装置部件10的驱动装置(这里未示出)而对在转矩传感器40处进行的转矩测量的任何影响被最小化。该驱动装置(未示出)将第一测量装置部件10设定成围绕转动轴线A进行转动运动，而第二测量装置部件20相对于基准点被固定。如上文已经陈述的，使用图1所示的测量装置，在高达约200℃的温度范围内和高达约16bar(绝对值)的压力范围内的测量值是可以的。常见的温度范围为约150℃，而常见的压力范围为约5bar(绝对值)。

图2示出如上所述的视图的片段，所述视图特别示出了气流密封50的一部分。从图2再次可见，用于气流密封的气体经加压气体供给单元6(双箭头)流入并且然后流入例如环形腔室中的加压气体供给装置60中，然后到达第二测量装置部件20的相应轴，流入圆筒形间隙50a和50b中。这里在压力积聚时的气流首先被分割成在第二圆筒形间隙50b中流动(图2中向下)的部分和在第一圆筒形间隙50a中流动(图2中向上)的部分。只要容积11中已积聚压力，容积11中就由于加压气体向加压气体供给装置60中的供给和气体的经第一圆筒形间隙50a沿第二测量装置部件20的轴流出的部分而建立基本上恒定的压力。该压力能借助于经由加压气体供给单元6供给的气体的压力设定。这里的第一圆筒形间隙50a由第二测量装置部件20的第一圆柱形部分25a和第一测量装置部件10的第一圆筒形套筒部分15a形成。第二圆筒形间隙50b由第二测量装置部件20的第二圆柱形部分25b和第一测量装置部件10的第二圆筒形套筒部分15b形成。这里的第一圆筒形套筒部分15a和第二圆筒形套筒部分15b可以设置在例如加压气体供给单元6上，后者为了容积11中的测量而与第一测量装置部件10的杯状部8固定地连接但能从杯状部8释放以更换容积11中的待测量的介质100。加压气体供给单元6实际上安装成能相对于第二测量装置部件20转动，但在杯状部8被移除以便例如更换杯状部8中或容积11中的待测量的介质100时保持在第二测量装置部件上。

图3示出容积11的区域的放大剖视图，容积11一方面由第一测量装置部件10、特别是由第一测量装置部件10的杯状部8且另一方面由第二测量装置部件20的位移圆柱体28界定。位移圆柱体28具有圆柱形部分23，而杯状部8具有中空圆柱形部分13。在中空圆柱形部分13与圆柱形部分23之间形成有待测量的介质100位于其中的圆筒形间隙30。转动的第一测量装置部件10与静止的测量装置部件20之间的运动或阻力基本上由圆筒形间隙30中的液体的特性限定。取决于其中使用的液体，在第一测量装置部件10在第二测量装置部件20上进行凸起的转动运动的情况下建立能通过转矩传感器40(参见图1)确定的转矩。位移圆柱体28能通过拧松而能从部件20移除，或者位移圆柱体28能以一体方式与部件20连接。

应注意，用语“包括”不排除其它元件或方法步骤，并且用语“一个”和“一”不排除多个元件或步骤。

所使用的附图标记仅用于增强可理解性且不应理解为以任何方式加以限制，其中本发明的保护范围通过权利要求来反映。

附图标记清单

1 测量装置

6 加压气体供给单元

8 杯状部

10 第一测量装置部件

11 用于接纳介质的容积

13 容积中的第一测量装置部件的中空圆柱形部分

15a 第一测量装置部件的第一圆筒形套筒部分

15b 第一测量装置部件的第二圆筒形套筒部分

20 第二测量装置部件

23 容积中的第二测量装置部件的圆柱形部分

25a 第二测量装置部件的第一圆柱形部分

25b 第二测量装置部件的第二圆柱形部分

28 位移圆柱体

30 容积中的用于接纳待测量的介质的圆筒形间隙

40 转矩传感器

50 气流密封

50a 第一圆筒形间隙

50b 第二圆筒形间隙

60 加压气体供给装置

70 温度控制装置

100 待测量的介质

A 轴线，转动轴线

Claims (13)

1.一种用于测量介质的弹性和粘度的测量装置，其中所述测量装置(1)包括以下：

用于接纳待测量的介质(100)的容积(11)，所述容积(11)由第一测量装置部件(10)界定，

突出到所述容积(11)中的第二测量装置部件(20)；

其中，所述第一测量装置部件(10)借助于气流密封(50)相对于所述第二测量装置部件(20)被密封，

其中，所述第一测量装置部件(10)能在围绕预定轴线(A)的转动运动中相对于所述第二测量装置部件(20)运动,

其中，所述第一测量装置部件(10)在气流密封的区域中具有第一圆筒形套筒部分(15a)和第二圆筒形套筒部分(15b)，并且所述第二测量装置部件(20)在气流密封的区域中具有第一圆柱形部分(25a)和第二圆柱形部分(25b)，其中所述第一圆筒形套筒部分(15a)和所述第一圆柱形部分(25a)形成第一圆筒形间隙(50a)，并且所述第二圆筒形套筒部分(15b)和所述第二圆柱形部分(25b)形成第二圆筒形间隙(50b)，其中在所述第一圆筒形间隙(50a)与所述第二圆筒形间隙(50b)之间设有加压气体供给装置(60),

其中，位于背对所述加压气体供给装置(60)的一侧的所述第二圆筒形间隙(50b)通向设置用于接纳所述待测量的介质(100)的容积(11)，

所述测量装置构造成使得加压气体通过所述第一圆筒形间隙流出。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述容积(11)在设置用于接纳所述待测量的介质(100)的区域中是旋转对称的，并且所述第二测量装置部件(20)在如下区段中是旋转对称的，该区段突出到设置用于接纳所述待测量的介质(100)的容积(11)的区域中，其中所述第一测量装置部件(10)具有中空圆柱形部分(13)且所述第二测量装置部件(20)具有圆柱形部分(23)，其中所述中空圆柱形部分(13)和所述圆柱形部分(23)在设置用于接纳待测量的介质(100)的区域中形成圆筒形间隙(30)。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中，所述转动运动包括振荡运动。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其中，所述振荡运动具有正弦振荡。

5.根据权利要求4所述的测量装置，其中，所述振荡运动具有在0.01Hz与100Hz之间的频率。

6.根据权利要求4或5所述的测量装置，其中，所述振荡运动具有在1*10^-6°与180°之间的幅度。

7.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中，所述测量装置具有转矩传感器(40)，其中所述转矩传感器设置在所述第一测量装置部件(10)和所述第二测量装置部件(20)中的一者上。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其中，所述第一测量装置部件(10)和所述第二测量装置部件(20)中的一者相对于基准点被固定，并且所述转矩传感器(40)设置在所述第一测量装置部件(10)和所述第二测量装置部件(20)中的被固定的那一者上。

9.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述加压气体供给装置(60)设置在所述第一测量装置部件(10)上。

10.根据权利要求9所述的测量装置，其中，所述加压气体供给装置(60)以及所述第一测量装置部件(10)的第一圆筒形套筒部分(15a)和第二圆筒形套筒部分(15b)共同形成能够与所述第一测量装置部件(10)的设置用于接纳所述待测量的介质(100)的杯状部(8)分离的单元(6)。

11.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中，所述测量装置(1)具有温度控制装置(70)，并且用于接纳待测量的介质(100)的容积(11)能够借助于所述温度控制装置(70)进行温度控制。

12.根据权利要求11所述的测量装置，其中，所述温度控制装置(70)具有珀尔帖元件，所述珀尔帖元件是以控制用于接纳所述待测量的介质(100)的容积(11)的温度这样的方式构思和配置的。

13.根据权利要求6所述的测量装置，其中，所述振荡运动具有在5*10^-5°与45°之间的幅度。

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