CN110220822B - 流变仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于获取流变的测量数据的流变仪，所述流变仪包括旋转流变仪，该旋转流变仪至少具有用于测量和/或设定测量部分的和/或测量轴的法向力和/或转速或者施加到所述测量轴上的转矩和/或所述测量轴的偏转角的单元，旋转流变仪与线性的DM(T)A‑分析单元组合，该DM(T)A‑分析单元具有调节杆且至少具有用于测量调节杆的拉力和/或压力和/或位置和/或进给运动的单元，待检查的粘弹性的样本装入到测量间隙中。DM(T)A‑分析单元具有磁性作用的线性马达，所述DM(T)A‑分析单元具有磁性作用的重力补偿单元，利用该重力补偿单元可补偿调节杆的、布置在调节杆上的测量部分的、转子的以及固定在转子上的组件的重力。

Description

流变仪
技术领域
本发明涉及一种根据本发明的流变仪。
背景技术
由现有技术已知不同的流变仪，AT 515219A1例如公开了转动-流变仪(旋转的测量马达，包括转矩确定以及必要时法向力确定在内)和线性马达(线性的测量马达)的组合，该线性马达在流变仪的旋转轴线的方向上在高度上移动下面的测量部分并且规定或测量移动行程。两个测量马达都包含力测量或者由相应的运动和马达的电流消耗确定力。
流变仪是用于确定特别是粘弹性的样本的流变特性的仪器。用于确定流变特性的已知方法例如是旋转试验、蠕变试验、松弛试验和振荡试验。通常情况下，这里研究流体样本。
借助这种转动-流变仪，也例如在振荡试验中研究固体。这样的研究称为动态力学分析。
动态力学分析(DMA)主要被考虑用来确定塑料和其他材料的粘弹性特性。通过捕获不同的应力状态，可以根据温度、频率和其他依赖参数来确定材料特性，比如存储模量和损耗模量(复数模量)。
在动态力学分析(DMA)—或者也称为动态力学热分析(DMTA)—时，将小的正弦形的机械应力施加到检测体上。在样本的纯弹性行为的情况下，在力作用与响应信号之间不出现时间上的相移。在纯粘性行为—比如其在所谓的牛顿液体的情况下出现—的情况下，可以发现恰好90°的相移。对于粘弹性的样本、比如塑料，可以测量相移，并且因此可以测量弹性的但也粘性的特性。
借助动态力学分析可以研究非常广泛范围的具有不同特性的不同材料。为了涵盖尽可能大范围的特性，使用了最为不同的应力种类，比如拉伸、压缩、弯曲或扭曲。由此可以针对具有较低模数值—其比如在弹性体的情况下出现—和较高模数值—其比如在复合材料的情况下出现—的材料，利用测量设备的限制的力范围和行程范围实现测量构造(Messaufbauten)。
具有较小横截面的材料样本通常在拉伸应力中测量，以便实现足够的力分辨率由于在扭曲情况下DMTA-测量的高灵敏性和精度，优选以该方式对热塑性塑料进行测量。由于复合材料的各向异性的特性，几乎仅以弯曲方式分析所述复合材料。通常以压缩或剪切来测量具有较低模数值的材料、比如弹性体。
如在AT 515219A1中所描述的那样，线性的测量马达和旋转马达的组合能实现特别是同时地或者在时间上紧密地彼此相继地在同一个样本上测量大量不同的参数。
在此使用的线性的DM(T)A-分析单元是带有集成的力测量的线性马达。根据线性马达的运动部分，分成两种结构。在线圈组固定的情况下，可谓移动-磁铁-线性马达，在磁铁固定的情况下，可谓移动-线圈-线性马达。移动-磁铁-线性马达具有如下优点：用于马达和测量系统的电流-输送线路不必运动。对于移动-线圈-马达而言，必须强制地拖动电流-输送线路，这导致维护费用，并且会不利地影响测量质量。
在使用移动-磁铁-马达作为线性马达时，活动线圈马达的原理被反过来：磁铁在固定不动的线圈中运动，并且因此能实现线性进给。这一方面具有如下优点：不必拖动用于供电的电引线，这些电引线由于引线的所出现的重力和摩擦力而会对敏感的力测量造成不利影响，这在移动-线圈-马达的情况下为了接触线圈而不可避免，但同时在移动-磁铁-马达的情况下也通过磁铁而增大了运动部分的重量，这会不利地影响测量质量，因为需要更大的线圈电流，并且因此需要更高的信号噪声，以克服转子(包括磁铁在内)的重力。
如果给线圈通电，就会产生电磁场，该电磁场将力施加到转子上。所产生的力在此与电流成比例(F～I)。为了实现转子在z-方向上(与重力相逆)偏转，必须首先克服转子的重力FG。如果使用者想要以明显小于马达重力的力FP(FP<<FG)对样本加载，则对于施加到样本上的力所需要的电流也明显小于为了克服转子重力所需要的电流(I测量＝IG+IP≈IG)。以测量流经线圈的电流为基础的力测量因而具有下限，如果IP如此之小，以至于其位于IG的噪声带内。
此外，由现有技术已知了带有轴或转子的弹性悬架的线性驱动器。通过固定的弹簧座只能实现小的偏转，因为在偏转较大时，弹簧表现出非线性的特性、迟滞效应或者表现出在超过弹簧的截止点(Kipppunkt)时的影响，这导致其他的测量精度。
发明内容
本发明的目的因此是，提供一种流变仪，该流变仪通过测量线圈电流能实现力测量，并且在对施加到样本上的力进行力测量时能实现较高的精度和较小的误差。
该目的通过本发明得以实现。在此规定，DM(T)A-分析单元具有特别是磁性作用的带有定子和转子的线性马达，其中，DM(T)A-分析单元具有磁性作用的重力补偿单元，利用该重力补偿单元可补偿调节杆的重力、布置在调节杆上的测量部分的重力、转子的重力和必要时固定在转子上的组件的重力。
通过布置重力补偿单元，实现了单独地补偿重力，并且因此通过减轻运动的转子(包括磁铁在内)的重力分量而显著地改善了测量质量。重力补偿单元的显著优点是，能以十分小的力和/或高的测量分辨率研究样本，而重力不会明显地对测量产生不利影响，因为重力和补偿力相互抵消，且仅仅还测量作用到样本上的力。
流变仪的特别有利的实施方式通过本发明被进一步限定。
如果重力补偿单元具有至少一个永磁铁和铁磁性的部分，则提供了根据本发明的流变仪的一种有利的构造方案，
-永磁铁布置在调节杆上和/或布置在线性马达的转子上，并且铁磁性的部分布置在流变仪的基座上，或者
-铁磁性的部分布置在调节杆上和/或布置在线性马达的转子上，并且永磁铁布置在流变仪的基座上，并且
-铁磁性的部分和永磁铁如此相互协调，从而在铁磁性的部分和永磁铁之间，补偿力与重力方向相逆地作用到转子或调节杆上，该补偿力反作用于调节杆的重力、布置在调节杆上的测量部分的重力和转子的重力。
为了有利地形成磁通量，并且使得永磁铁和铁磁性的部分的几何形状和尺寸最佳地相互协调，可以规定：铁磁性的部分构造成管或者管形地构造，并且永磁铁柱形地构造，其中，永磁铁在构造成管的铁磁性的部分内部布置在转子上，特别是围绕转子布置；或者铁磁性的部分柱形地构造并且布置在转子上，特别是围绕转子布置，其中，永磁铁构造成管并且用作定子，其中，铁磁性的部分布置在构造成管的永磁铁的内部。
用于铁磁性的部分的有利的材料是铁或者具有较小磁滞的铁-镍合金。
为了提供特别紧凑的且简单的实施方式，可以规定，重力补偿单元集成到线性马达中，和/或线性马达构造成移动-磁铁-马达，永磁铁构造成线性马达的磁铁，并且铁磁性的部分集成到线性马达的定子中。
为了有利地集中(bündeln)永磁铁的磁场，并且将该磁场保持在重力补偿单元内部，可以规定：永磁铁分别在永磁铁沿着线性马达的运动方向的端部处被铁磁性的部件遮盖并且形成磁轭(magnetischen Rückschluss)。
合适的磁性接地通过永磁铁在z-方向上、即在上面和下面沿着轴线A-A的封闭(Abschluss)来实现。永磁铁的场力线因而在所述布置内部形成闭合的回路，并且仅仅最小程度地伸展超出作用位置(Wirkort)。由此实现了所述布置的最佳效率，并防止出来的场分量干扰测量。磁场因而在重力补偿单元内部主要/仅仅在永磁铁和铁磁性的部分之间的力传递的地方有效。
可以有利地规定：永磁铁在初始位置布置在铁磁性的部分的中央，从而在初始位置最小的磁阻在线性马达的运动方向的方向上起作用。如果磁铁大致位于铁磁性的定子的中央，则定子中的磁场的能量达到最小值，因为磁阻在这里最小。磁铁因此经受了朝向定子的中央的磁阻力(FR)，从而该磁铁尽可能均匀地用铁磁性的材料包围。这引起了磁铁在定子内部的对中。如果磁铁例如因线圈电流而偏转，那么该磁铁经受朝向定子中央的反向磁阻力。
本发明的其他优点和设计可由说明书和附图得到。
附图说明
下面借助特别有利的、但不受限定地理解的实施例，在附图中示意性地示出本发明，并将参照附图示范性地介绍本发明。
在图1中示意性地示出了根据本发明的流变仪。图2示出了具有重力补偿单元和移动-磁铁-马达的一种实施方式的根据本发明的示意图。在图3中示出了具有移动-线圈-马达和重力补偿单元的一种实施方式。图4示出了具有集成到线性马达中的重力补偿单元的一种实施方式。
具体实施方式
在图1中所示的流变仪包括两个优选模块式地构造的且因此可更换的单元，所述单元安置在具有支架24和支座25的座架20上，在所述单元中，上面的单元具有旋转流变仪100并且下面的单元具有线性的DM(T)A-分析单元200。替代地也可行的是，线性的DM(T)A-分析单元200布置在上面，并且旋转流变仪100靠近支架地布置。
旋转流变仪100包括带有测量马达室17的支座25，在该测量马达室中布置着测量或驱动马达2，该测量或驱动马达驱动安置在旋转空气轴承5中的测量轴3。该旋转空气轴承5对测量轴3或与该测量轴连接的支撑板30进行支撑和对中。同样可采用替代的支撑可行方案，例如磁性轴承。测量部分1a可通过耦接件4与测量轴3连接。
支座25通过调节部分23可移调高度地安置在丝杠22上。丝杠22由伺服马达21驱动，并且支座25相对于在支架24上规定的基座50的高度和/或支座25的移调行程可以借助行程测量单元26予以测量。
原则上，对支座25的一切任意的气动的、液压的、压电的或机电的高度移调都是可行的，并且可以光学地、机械地或电地获取支座25的高度位置。测量马达2被构造用于确定在规定的负荷的情况下作用到样本上的转矩和法向力。
旋转流变仪100有利地在测量轴3上和/或在支撑板30上和/或在轴承5中具有法向力测量单元9，利用该法向力测量单元可以获取在流变仪100的轴线AA的方向上施加到测量轴3上的力。同时，该法向力测量单元9也可以被构造用于将力沿着轴线AA的方向施加到支撑板30和/或测量轴3上。替代于或附加于法向力测量单元9，可以设置高度测量单元39，作为用于测量轴3和/或支撑板30的高度位置或高度变化的传感器。利用力测量单元9和/或利用高度测量单元39可以操控存在的移调单元，并且利用这些移调单元来反作用于在轴线AA的方向上施加到测量轴3上的力，并且恒定地保持测量部分1a的高度位置。这种移调单元可以机械地、气动地、液压地、电地、压电地或机电地起作用。这种移调单元可以例如集成到法向力测量单元9中，或者以驱动所述丝杠22的伺服马达21的形式存在，该伺服马达由高度测量单元39获得调节信号。
驱动或测量马达2具有力矩探测器12，利用该力矩探测器可以获取由其施加的或者施加于其上的转矩。替代地，也可以由测量马达2的电流消耗来获取所述转矩。此外，为测量轴3设置了角度-编码器7，利用该角度-编码器能够获取测量轴3的转角或者能够确定出测量轴3的扭转。转矩和/或转角和/或所出现的法向力是在旋转流变仪100中要确定的主要的测量值。
与测量部分1a对置的测量部分1b由与旋转流变仪100对置地布置的线性的DM(T)A-分析单元200的可线性移动的调节杆3'支撑。测量部分1a和1b限定所述间隙1，在该间隙中布置着待检查的样本19。通过耦接件4'，测量部分1b可更换地能与线性马达2'连接。线性马达2'在流变仪轴线AA的方向上移调安置在空气轴承6中的调节杆3'。为了测量所述移调行程，给调节杆3'配设了行程-编码器8。对由调节杆3'施加的压力或拉力的测量可以利用流变仪马达100的法向力测量单元9或者在DM(T)A-分析单元200中的自己的力测量单元来进行。优选地，线性-或伺服马达2'设计成测量马达，并且可由线性马达2'的电流消耗获取作用到样本19上的拉力或压力。为了获取调节杆3'围绕轴线AA的可能的旋转，可以设置角度-编码器10，该角度-编码器操控用于使调节杆3'旋转的转动单元31。替代地，可以通过合适地放置的附加的轴承、例如空气轴承—其作用到经过调节杆3'而伸展的横梁上—或者通过调节杆3'在轴承内的适当的几何形状、特别是调节杆3'的方形的横截面，来防止调节杆3'围绕流变仪轴线AA转动。
流变仪具有在图1中未示出的重力补偿单元60，利用该重力补偿单元可补偿调节杆3'的重力、布置在调节杆3'上的测量部分1b的重力和线性马达2'的转子62的重力。
在图2中示出了DM(T)A-分析单元200的一种实施方式的示意性的详图。DM(T)A-分析单元200具有磁性作用的线性马达2'，该线性马达2'构造成移动-磁铁-马达，其具有定子61和转子62。转子62是指DM(T)A分析单元200内部的在流变仪的轴线A-A的方向上运动的部分的总和，特别是调节杆3'和磁性单元。在定子61上布置着线性马达2'的线圈67，该线圈在通电时使固定在转子62上的磁铁66在流变仪的或调节杆3'的轴线A-A的方向上移调。在线性马达2'与空气轴承6之间布置了磁性作用的重力补偿单元60。该重力补偿单元60包括布置在转子62或调节杆3'上的永磁铁63，该永磁铁柱形地构造且围绕调节杆3'或转子62布置。重力补偿单元60此外包括铁磁性的部分64，该铁磁性的部分管形地构造并且通过线性马达2'的定子61与流变仪的基座50连接。调节杆3'或转子62穿过管形的铁磁性的部分64，并且永磁铁63参照轴线A-A在初始位置布置在其中心。铁磁性的部分64和永磁铁63相互协调，从而在铁磁性的部分64和永磁铁63之间，补偿力在轴线A-A的方向上与重力方向相反地作用到转子62或调节杆3'上。该补偿力反作用于调节杆3'的重力、布置在调节杆3'上的测量部分1b的重力和转子62的重力、以及磁铁63的重力、磁铁66的重力、铁磁性的部件65的重力和耦接件4'的重力。永磁铁63与铁磁性的部分64一起将整个布置，即调节杆3'、转子62和测量部分1b保持住，而线性马达2'的线圈67通过磁场的变化使得调节杆3'或转子62偏转。由此只需小的线圈电流即可将力作用到样本19上。当永磁铁63大致处于铁磁性的部分64的中央时，重力补偿单元60的磁场68的能量达到最小值，因为磁阻在此最小。永磁铁63因此受到朝向铁磁性的部分64的中央的磁阻力(FR)，从而该永磁铁尽可能均匀地用铁磁性的材料包围。这引起永磁铁63在铁磁性的部分64内部的对中。如果永磁铁63例如通过线圈电流而偏转，该永磁铁就会经受朝向铁磁性的部分64的中央的反向磁阻力。该磁阻力的大小与几何形状和位置有关。现在可行的是，如此选取铁磁性的部分64和永磁铁的几何形状，从而磁阻力具有与转子62(包括磁铁、调节杆3'和测量部分1b以及必要时耦接件在内)的重力相同的大小，但所具有的符号相反。这引起磁阻力和重力相互抵消，并且转子62因而悬浮。在适当的几何形状的情况下，所述系统具有稳定的平衡，并且转子62在偏转之后自主地返回到悬浮位置，这是由于与位置有关的反向磁阻力而发生的。转子定位在z-方向上，即在轴线A-A的方向上，因而在不施加线圈电流的情况下是自主的。视几何形状和材料及它们相互间的协调而定，可以形成对转子62或弱或强的定位。系统的不稳定的平衡—在所述不稳定的平衡中有一悬浮位置，但转子并不自主地又返回到其最初的位置—也适合于精确的测量，因为在悬浮位置的较近的环境中只需很小的电流来使得转子保持定位。重力补偿单元60的优点是，能以很小的力来检查样本19，而重力不会影响测量。
在图3中以详图示出了根据本发明的流变仪的另一实施方式。线性马达2'构造成移动-线圈-马达或构造成活动线圈马达。重力补偿单元60布置在线性马达2'与轴承6之间。重力补偿单元60在此与在图2中的重力补偿单元相同地构造。重力补偿单元60包括布置在转子62或调节杆3'上的永磁铁63，该永磁铁柱形地构造且围绕调节杆3'或转子62布置。重力补偿单元60此外包括铁磁性的部分64，该铁磁性的部分管形地构造并且通过线性马达2'的定子61与流变仪的基座50连接。调节杆3'或转子62穿过管形的铁磁性的部分64，并且永磁铁63参照轴线A-A布置在其中心。线性马达2'构造成活动线圈马达，且具有与转子62连接的线圈67。活动线圈马达的定子61包括马达永磁铁69，该马达永磁铁例如柱形地位于定子61的中央。在一种替代的实施方式中，马达永磁铁69也可以安置在定子61中的其他位置，例如环形地安置在定子61的外部区域中。
在图4中以示意图示出了根据本发明的流变仪的另一实施方式。线性马达2'构造成移动-磁铁-马达。在该实施方式中，重力补偿单元60集成到线性马达2'中。永磁铁63构造成线性马达2'的磁铁或者集成到其中，并且所述永磁铁布置在转子62上。铁磁性的部分64集成到线性马达2'的定子61中，或者定子61构造成铁磁性的部分64。通过把重力补偿单元60集成到线性马达2'中，可实现特别紧凑的构造方式，并且省去了时效硬化的永磁铁64的额外的重量，且可以明显减小安装空间。
替代于图2和3的构造，可以规定，铁磁性的部分64布置在调节杆3'上和/或线性马达2'的转子62上，并且永磁铁63作为环形磁铁布置在定子61中或者布置在流变仪的基座50上或者与该基座连接。
可选地，如在图2至4中所示，永磁铁63可以分别在该永磁铁63沿着线性马达2'的或转子62的运动方向、即沿着轴线A-A的方向的端部处被铁磁性的部件65遮盖，并且形成磁轭。
铁磁性的部分64和/或铁磁性的部件65在根据本发明的实施方式中有利地由铁构成或者由具有较小磁滞的铁-镍合金构成。

Claims (19)

1.用于获取流变的测量数据的流变仪，其中，所述流变仪包括旋转流变仪(100)，该旋转流变仪至少具有下述单元，所述单元用于测量和/或设定测量部分(1a)的和/或测量轴(3)的法向力和/或转速或者施加到所述测量轴(3)上的转矩和/或所述测量轴(3)的偏转角，其中，所述测量轴(3)可旋转地安置在第一轴承(5)中，其中，所述旋转流变仪(100)与线性的DM(T)A分析单元(200)组合，该DM(T)A分析单元具有在第二轴承(6)中受引导地可线性地移调的调节杆(3')，并且该DM(T)A分析单元至少具有用于测量所述调节杆(3')的拉力和/或压力和/或位置和/或进给运动的单元，并且其中，所述测量轴(3)和所述调节杆(3')分别具有一测量部分(1a、1b)，所述测量部分形成一测量间隙(1)，并且待检查的样本(19)装入到在彼此对置的测量部分(1a、1b)之间的测量间隙(1)中，
其特征在于，
所述DM(T)A分析单元(200)具有线性马达(2')，该线性马达带有定子(61)和转子(62)，其中，所述DM(T)A分析单元(200)具有磁性作用的重力补偿单元(60)，利用该重力补偿单元可补偿所述调节杆(3')的重力、布置在所述调节杆(3')上的测量部分(1b)的重力以及所述转子(62)的重力。
2.如权利要求1所述的流变仪，其特征在于，所述测量轴(3)在所述旋转流变仪(100)的基座(50)上方的规定的高度可旋转地安置在所述第一轴承(5)中。
3.如权利要求1所述的流变仪，其特征在于，所述第一轴承(5)是空气轴承。
4.如权利要求1所述的流变仪，其特征在于，所述第二轴承(6)是空气轴承。
5.如权利要求1所述的流变仪，其特征在于，所述调节杆(3')在规定的转动位置受引导地可线性地移调。
6.如权利要求1所述的流变仪，其特征在于，所述样本(19)是粘弹性的。
7.如权利要求1所述的流变仪，其特征在于，所述线性马达(2')是磁性作用的线性马达。
8.如权利要求1所述的流变仪，其特征在于，利用该重力补偿单元可补偿固定在所述转子(62)上的组件的重力。
9.如权利要求1-8中任一项所述的流变仪，其特征在于，所述重力补偿单元(60)具有至少一个永磁铁(63)和铁磁性的部分(64)，
-所述永磁铁(63)布置在所述调节杆(3')上和/或布置在所述线性马达(2')的转子(62)上，并且所述铁磁性的部分(64)布置在所述流变仪的基座(50)上，或者
-所述铁磁性的部分(64)布置在所述调节杆(3')上和/或布置在所述线性马达(2')的转子(62)上，并且所述永磁铁(63)布置在所述流变仪的基座(50)上，并且-所述铁磁性的部分(64)和所述永磁铁(63)如此相互协调，从而在所述铁磁性的部分(64)和所述永磁铁(63)之间，补偿力与重力方向相逆地作用到所述转子(62)或所述调节杆(3')上，该补偿力反作用于所述调节杆(3')的重力、布置在所述调节杆(3')上的测量部分(1b)的重力以及所述转子(62)的重力。
10.如权利要求9所述的流变仪，其特征在于，所述铁磁性的部分(64)构造成管，并且所述永磁铁(63)柱形地或环形地构造，其中，所述永磁铁(63)在构造成管的铁磁性的部分(64)内部布置在所述转子(62)上。
11.如权利要求10所述的流变仪，其特征在于，所述永磁铁(63)在构造成管的铁磁性的部分(64)内部围绕所述转子(62)布置。
12.如权利要求9所述的流变仪，其特征在于，所述铁磁性的部分(64)柱形地构造，并且布置在所述转子(62)上，其中，所述永磁铁(63)构造成管并且用作定子，其中，所述铁磁性的部分(64)布置在构造成管的永磁铁(63)内部。
13.如权利要求12所述的流变仪，其特征在于，所述铁磁性的部分(64)围绕所述转子(62)布置。
14.如权利要求1-8中任一项所述的流变仪，其特征在于，所述线性马达(2')构造成移动-磁铁-马达或移动-线圈-马达或活动线圈马达。
15.如权利要求1-8中任一项所述的流变仪，其特征在于，所述重力补偿单元(60)集成到所述线性马达(2')中。
16.如权利要求15所述的流变仪，其特征在于，所述重力补偿单元(60)具有至少一个永磁铁(63)和铁磁性的部分(64)，所述线性马达(2')构造成移动-磁铁-马达，所述永磁铁(63)构造成所述线性马达(2')的磁铁，并且所述铁磁性的部分(64)集成到所述线性马达(2')的定子中。
17.如权利要求1-8中任一项所述的流变仪，其特征在于，所述重力补偿单元(60)具有至少一个永磁铁(63)和铁磁性的部分(64)，所述铁磁性的部分(64)由铁构成或者由具有小磁滞的铁-镍合金构成。
18.如权利要求1-8中任一项所述的流变仪，其特征在于，所述重力补偿单元(60)具有至少一个永磁铁(63)和铁磁性的部分(64)，所述永磁铁(63)分别在该永磁铁(63)沿着所述线性马达(2')的运动方向的端部处被铁磁性的部件(65)遮盖并且形成磁轭。
19.如权利要求1-8中任一项所述的流变仪，其特征在于，所述重力补偿单元(60)具有至少一个永磁铁(63)和铁磁性的部分(64)，所述永磁铁(63)在初始位置布置在所述铁磁性的部分(64)的中央，从而在初始位置中最小的磁阻在所述线性马达(2')的运动方向的方向上起作用。
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