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Die Erfindung betrifft ein Rotationsviskosimeter, welches einen in einem viskosen Medium rotierbaren Messzylinder sowie einen zum Antrieb des Messzylinders vorgesehenen, einen Rotor und einen Stator aufweisenden Elektromotor umfasst.
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Ein auch als Rheometer bezeichnetes Rotationsviskosimeter ist beispielsweise aus der
DE 199 11 441 A1 bekannt. Dieses Rheometer ist als Zylindermesssystem ausgebildet, wobei ein Messzylinder in einem mit der zu untersuchenden Probe gefüllten Messbecher rotiert, während die von der den Spalt zwischen Messzylinder und Messbecher füllenden Probe auf den Messzylinder ausgeübten Kräfte gemessen werden. Zum rotatorischen Antrieb des Messzylinders ist oberhalb des Messbechers ein in einem Stativ gehaltener Messmotor angeordnet. Die aus der
DE 199 11 441 A1 bekannte Vorrichtung ist für Viskositätsmessungen im Labormaßstab vorgesehen.
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Ein aus der
DE 44 08 816 C1 bekanntes Rotationsviskosimeter ist zur Verwendung als In-Line Viskosimeter vorgesehen. Hierbei befindet sich der Messzylinder – allgemein auch als Rotationskörper bezeichnet – in einer Kammer, welche in einen Flüssigkeitsstrom eingeschaltet ist. Um die Kammer des Rotationsviskosimeters als Druckkammer ausbilden zu können, ist der DE 44 08 816 C1 zufolge eine druckfeste Abdichtung zwischen dem Antriebsmotor und dem Rotationskörper erforderlich. Eine für hohe Temperaturen und Drücke geeignete Wellendurchführung bedeutet einen hohen konstruktiven Aufwand. Dieser Aufwand wird nach DE 44 08 816 C1 dadurch vermieden, dass die Drehbewegung zwischen dem Antriebsmotor und dem Rotationskörper mittels einer Magnetkupplung übertragen wird. Die Magnetkupplung soll insbesondere den Wartungsaufwand und die Störanfälligkeit des Rotationsviskosimeters verringern. Jedoch weist das Rotationsviskosimeter bereits aufgrund der Magnetkupplung, welche unter anderem eine magnetisch neutrale, aus Titan gefertigte Stirnplatte umfasst, eine erhebliche Komplexität auf.
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Die
DE 894 327 B offenbart ein Drehviskosimeter zum Messen der Viskosität von Flüssigkeiten, Halbflüssigkeiten oder ähnlichen flüssigen Stoffen. Zur Messung der Viskosität von Flüssigkeiten fließt eine zu untersuchende Flüssigkeit zwischen dem Stator und dem Rotor eines Elektromotors hindurch. Dazu wird ein Teil der zu untersuchenden Flüssigkeit durch Leitungen abgeleitet.
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Die
US 4,643,021 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen der biologischen Eigenschaften einer Flüssigkeit. Ein vollständig in eine Flüssigkeit eingetauchter Zylinder dreht sich um seine Achse aufgrund eines drehenden elektromagnetischen Feldes. Die Drehgeschwindigkeit wird gemessen, und die Messung wird bei anderen Drehmomenten wiederholt.
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Die
US 2007/0041874 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen von Fluideigenschaften. Ein Elektromotor zum Antreiben eines Messzylinders befindet sich dabei außerhalb der Messvorrichtung. Die rotierbare Messvorrichtung ist über eine Welle mit dem Elektromotor verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein rationell herstellbares Rotationsviskosimeter bereitzustellen, welches besonders für den Einsatz in einer im Betrieb befindlichen Maschine oder Anlage geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Rotationsviskosimeter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Rotationsviskosimeter weist als Antriebsmotor einen Elektromotor auf, dessen Rotor als zur Bestimmung der Viskosität des zu prüfenden Mediums vorgesehener Rotationskörper, das heißt Messzylinder, ausgebildet ist. Die Bezeichnung „Messzylinder” impliziert in diesem Zusammenhang nicht, dass es sich um einen exakt zylindrischen oder rotationssymmetrischen Körper handeln muss. Entscheidend ist vielmehr, dass der Rotationskörper des Rotationsviskosimeters nicht über eine Welle mit dem Elektromotor verbunden ist, sondern selbst den mit dem Stator des Elektromotors zusammenwirkenden Rotor des Elektromotors bildet. Abgedichtete Wellendurchführungen oder Magnetkupplungen sind beim Betrieb des Rotationsviskosimeters als In-Line Viskosimeter nicht erforderlich, da sich dieses vollständig, einschließlich des Antriebsmotors, in dem zu prüfenden viskosen Medium, beispielsweise Öl, befindet.
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Das Rotationsviskosimeter ist zur Verwendung in Medien, die Metallpartikel enthalten können, geeignet. Falls die Partikel magnetisierbar sind, beispielsweise in einem Verbrennungsmotor, dient gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ein Magnet dazu, die Partikel festzuhalten („Immobilisierung”) und damit empfindlichere Komponenten des Rotationsviskosimeters sowie weitere Komponenten der das viskose Medium enthaltenden Maschine zu schützen. Der Magnet ist als ein den Elektromotor umgebender Magnetring ausgebildet. Dabei ist es ausreichend, wenn ein im Vergleich zum Durchmesser des Elektromotors relativ kleiner Permanentmagnet in einen magnetisierbaren, um den Elektromotor oder den Sockel des Rotationsviskosimeters gelegten Draht eingefügt ist. Unabhängig von der Geometrie des Magneten eignet sich zu dessen Herstellung auch kunststoffgebundenes Magnetmaterial.
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Der Antriebsmotor des Rotationsviskosimeters ist vorzugsweise als bürstenloser, elektronisch kommutierter Elektromotor ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass innerhalb des zu prüfenden Mediums keine elektrischen Verbindungen zwischen zueinander bewegten Teilen hergestellt werden müssen. Zudem entfällt prinzipbedingt jeglicher Verschleiß an stromübertragenden, Schleifkontakte bildenden Bauteilen. Das Rotationsviskosimeter ist damit auch für einen langjährigen Betrieb in einer ein zu überwachendes viskoses Medium enthaltenden Maschine, insbesondere in einem Verbrennungsmotor, geeignet. Nach einer ersten Ausführungsform ist der zugleich den Messzylinder bildende Rotor des Elektromotors mit einem oder mehreren Permanentmagneten bestückt. Eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Rotor und nicht rotierenden Teilen des Viskosimeters ist somit nicht erforderlich. Zur Erhöhung des zwischen dem Stator und dem Rotor übertragbaren Drehmoments ist als optionale Komponente des Rotors ein den Permanentmagnet beziehungsweise die Permanentmagnete umgebender Rückschlussring geeignet. Der mindestens eine Permanentmagnet sowie gegebenenfalls der Rückschlussring sind vorzugsweise an der Innenseite eines glockenförmigen Rotorgehäuses angeordnet. Der Elektromotor ist in diesem Fall als Außenläufer ausgebildet.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist der Rotor des Elektromotors als metallischer, mittels induziertem Wirbelstrom antreibbarer Rotor ausgebildet. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform ist in diesem Fall der Rotor vorzugsweise radial innerhalb des Stators des Elektromotors angeordnet.
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Darüber hinaus sind Kombinationen zwischen den im Zusammenhang mit den beiden Ausführungsformen genannten Merkmalen realisierbar. Beispielsweise kann ein Außenläufer-Motor einen metallischen, nach dem Wirbelstromprinzip antreibbaren Rotor aufweisen. Ebenso ist es möglich, bei einem Innenläufer-Motor einen permanentmagnetbestückten Rotor vorzusehen.
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In allen Ausführungsformen ist der Rotor vorzugsweise mittels einer Gleitlagerung drehbar gelagert. Hierbei kann beispielsweise eine drehfest mit dem Rotor verbundene oder einen Teil des Rotors bildende Welle in eine zentrisch im Stator angeordnete Lagerbuchse eingreifen. Alternativ kann der Rotor, eine mittige Bohrung aufweisend, auf einen fest mit dem Stator verbundenen Lagerzapfen aufgesteckt sein. Das Medium, dessen Viskosität zu bestimmen ist, kann in beiden Fällen gleichzeitig zur Schmierung des Lagers genutzt werden. Werden als Werkstoffe des Gleitlagers Sintermaterialien, beispielsweise Sintermetalle, verwendet, so werden die Eigenschaften des Lagers dadurch positiv beeinflusst, dass Medium, insbesondere Öl, in das Lagermaterial eindringen kann.
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Von besonderem Vorteil ist die Integration eines Temperatursensors in das Rotationsviskosimeter. Die temperaturbedingte Änderung der Viskosität des zu untersuchenden Mediums kann damit bei der Messung und Auswertung auf einfache Weise mit berücksichtigt werden. Vorzugsweise ist der Temperatursensor Teil einer Schaltungsanordnung, deren einzelne Bauteile auf einer Leiterplatte oder einem Stanzgitter innerhalb des Rotationsviskosimeters angeordnet sind.
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Insbesondere in Fällen, in denen damit zu rechnen ist, dass viskoses Medium besonders hoher Temperatur auf das Rotationsviskosimeter spritzt, kann es vorteilhaft sein, den Rotor und/oder elektronische Komponenten des Viskosimeters mittels einer Schutzabdeckung vor unzulässiger thermischer Belastung zu schützen. Dies kann beispielsweise beim Einsatz des Viskosimeters in einem Verbrennungsmotor zweckmäßig sein. Um einen ausreichenden Zutritt des zu prüfenden Mediums zum Rotor des Viskosimeters zu gewährleisten, weist dis Schutzabdeckung beispielsweise radial außerhalb des Rotors angeordnete Öldurchtrittsöffnungen auf. Im Spaltraum zwischen der Schutzabdeckung und dem Messzylinder, das heißt dem Rotor, kommt es zu Scherungen, die in besonders vorteilhafter Weise für gleich bleibende Messbedingungen und damit für eine gute Reproduzierbarkeit der Messergebnisse sorgen.
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Die Viskosität des zu prüfenden Mediums wird gemessen, indem direkt oder indirekt detektiert wird, welches Bremsmoment durch die Rotation des im Medium befindlichen Messzylinders erzeugt wird. Prinzipiell sind als Extremfälle zwei unterschiedliche Messprinzipien anwendbar:
Nach einem ersten Messprinzip wird die Winkelgeschwindigkeit des Rotors konstant gehalten. Als Größe für die Bestimmung der Viskosität wird in diesem Fall das aufzuwendende Drehmoment herangezogen. Prinzipiell wäre es möglich, das auf den Rotor wirkende Drehmoment mittels einer in das Rotationsviskosimeter eingebauten, beispielsweise mit Dehnungsmessstreifen arbeitenden Messvorrichtung zu bestimmen. In bevorzugter, konstruktiv einfach gehaltener Ausführungsform, welche eine für viele Anwendungsfälle ausreichende Messgenauigkeit bietet, ist jedoch vorgesehen, das Drehmoment indirekt, nämlich über die dem Elektromotor zugeführte elektrische Leistung, zu bestimmen.
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Nach einem zweiten Messprinzip wird die zur Drehung des Rotors aufgewandte Leistung konstant gehalten. In diesem Fall ist somit die Winkelgeschwindigkeit des Messzylinders von der Viskosität des Mediums abhängig. Ein besonderer Vorteil dieses Messprinzips liegt darin, dass damit ein extrem breites Spektrum von Viskositäten, bis hin zu einer sehr geringen Fließfähigkeit des Mediums – entsprechend einer äußerst niedrigen Drehzahl des Messzylinders – abdeckbar ist.
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Zusätzlich zu den beiden die Extremfälle darstellenden Messprinzipien sind auch Zwischenlösungen realisierbar, bei denen sowohl die Drehzahl des Rotors als auch die dem Elektromotor zugeführte Leistung variabel ist. Unabhängig vom Messprinzip kann zur Bestimmung der Drehzahl des Elektromotors in konstruktiv besonders einfacher Ausgestaltung die magnetische Teilung des Rotors, sofern dieser mit Permanentmagneten bestückt ist, genutzt werden. Ist eine höhere Winkelauflösung erforderlich oder der Rotor nicht mit Permanentmagneten bestückt, so kann eine Winkelmessung beispielsweise mittels eines optoelektronischen Messsystems erfolgen. Statt eines optischen Messsystems kann zum Beispiel auch ein Hall-Sensor zur Bestimmung der Drehzahl des Rotors verwendet werden.
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Die Drehzahl- und/oder Leistungsmessung bietet zusätzlich zur Viskositätsmessung eine Möglichkeit, zu detektieren, ob sich der Messzylinder innerhalb des zu prüfenden Mediums befindet. Das Rotationsviskosimeter ist damit ohne apparativen Mehraufwand auch zur Füllstandsüberwachung verwendbar. In das Rotationsviskosimeter sind bei Bedarf auch zusätzliche Detektoren, beispielsweise zur Bestimmmung der Dielektrizitätskonstante des Mediums, des Rußgehalts und/oder des Kraftstoffgehalts, in der Art eines Baukastensystems integrierbar.
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Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass ein vollständiges Rotationsviskosimeter einschließlich Antriebsmotor dazu vorgesehen ist, komplett in das zu prüfende Medium eingetaucht zu werden, wobei ein besonders kompakter, eine rationelle Herstellung sowie einen zuverlässigen Betrieb begünstigender Aufbau dadurch gegeben ist, dass der unmittelbar mit den Statorwicklungen des Elektromotors zusammenwirkende Rotor des Elektromotors zugleich der Rotationskörper des Viskosimeters ist. Bevorzugt wird das Rotationsviskosimeter in elektrisch nicht leitenden Medien, die zugleich als Schmiermittel wirken, eingesetzt.
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Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 in einer vereinfachten, teilweise geschnittenen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines Rotationsviskosimeters und
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2 in einer Darstellung analog 1 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Rotationsviskosimeters.
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Einander entsprechende oder gleichwirkende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In jedem Ausführungsbeispiel umfasst ein Rotationsviskosimeter 1 einen auf einem Sockel 2 angeordneten Elektromotor 3, welcher einen fest mit dem Sockel 2 verbundenen Stator 4 sowie einen relativ zu diesem drehbaren Rotor 5 aufweist. Der Rotor 5 ist zugleich der Messzylinder des Rotationsviskosimeters 1. Beim Betrieb des Rotationsviskosimeters 1 befindet sich der gesamte Elektromotor 3 innerhalb des Raumes, der zumindest teilweise mit dem zu prüfenden Medium befüllt ist. In bevorzugter Anwendung handelt es sich hierbei um die Ölwanne eines Verbrennungsmotors, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Ein Flansch 6, welcher auf der dem Elektromotor 3 abgewandten Seite des Sockels 2 mit diesem verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet ist, ermöglicht es, das Rotationsviskosimeter 1 in eine Öffnung im Gehäuse der mit dem viskosen Medium befüllten Maschine einzustecken und dort in ausreichend druckfester Weise zu befestigen.
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Eine weitere mögliche Anwendung des Rotationsviskosimeters 1 ist beispielsweise die Überwachung einer in einem Tank befindlichen Flüssigkeit. Auch ist es möglich, das Rotationsviskosimeter 1 zur permanenten Kontrolle einer durch eine Rohrleitung fließenden Flüssigkeit zu verwenden, wobei der Sockel 2 unmittelbar in die durchströmte Rohrleitung ragen kann. In allen Fällen dient ein an der Außenseite des Flansches 6 angeordneter Stecker 7 zur Übertagung elektrischer Signale und Energie. Beispielsweise ist ein Anschluss des Rotationsviskosimeters 1 an ein LIN-Bussystem (Local Interconnect Network) in einem Fahrzeug vorgesehen.
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Im Ausführungsbeispiel nach 1 ist der Elektromotor 3 als Außenläufermotor ausgebildet. Der Rotor 5 ist in diesem Fall glockenförmig ausgebildet, wobei sich an den Rand einer kreisrunden Rotorscheibe 8 einstückig ein zylindermantelförmiger, zur Achse 25 des Elektromotors 3 rotationssymetrischer Wandungsbereich 9 anschließt. Die Rotorscheibe 8 wird zusammen mit dem Wandungsbereich 9 auch als Rotorgrundkörper bezeichnet, welcher beispielsweise als Kunststoffspritzgussteil rationell herstellbar ist. Eine Rotorwelle 10 ist zentrisch in der Rotorscheibe 8 angeordnet, insbesondere im Zweikomponentenspritzgussverfahren eingespritzt. Die Rotorwelle 10 ist im Stator 4 vorzugsweise mittels einer Gleitlagerung, alternativ mit einer Wälzlagerung, gelagert, wobei im Fall einer Gleitlagerung durch die Verwendung von Sintermaterialien besonders vorteilhafte, eine lange Lebensdauer sicherstellende Lagereigenschaften erzielbar sind.
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An der Innenseite des zylindermantelförmigen Wandungsbereichs 9 befindet sich ein ringförmiger Permanentmagnet 11, welcher wiederum einen ebenfalls zylindermantelförmigen Rückschlussring 12 umgibt. Als Permanentmagnet 11 ist zum Beispiel ein Neodym-Eisen-Bor- oder ein AlNiCo-Magnet geeignet. Abweichend von der Ausführungsform nach 1 ist es gemäß einer konstruktiv weiter vereinfachten Variante auch möglich, den Rotor 5 mit Ausnahme der Rotorwelle 10 aus einem Magnetmaterial enthaltenden Kunststoff zu fertigen. Der Rotor dieser Variante wird ebenso wie der Rotor der in 1 dargestellten Bauform unter den Begriff „permanentmagnetbestückter Rotor” subsumiert. In beiden Fällen können an den Rotor 5 Strömungswiderstandselemente 13 wie Schaufeln, Noppen oder Kerben angeformt beziehungsweise in die Oberfläche des Rotors 5 eingeformt sein. Zur Erhöhung des auf den Rotor 5, das heißt auf den Messzylinder, wirkenden, durch das viskose Medium verursachten Bremsmoments kann auch eine von der in 1 sichtbaren Gestaltung abweichende Dimensionierung des Rotors 5, beispielsweise mit einer größeren axialen oder einer zumindest in Teilbereichen größeren radialen Erstreckung der Rotorscheibe 8 und/oder des Wandungsbereichs 9, gewählt werden.
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Der mit dem Rotor 5 unmittelbar zusammenwirkende Stator 4 weist eine bestrombare Wicklung 14 auf, die einen Wickelkörper 15 umgibt und in Klauenpolschuhen 16 angeordnet ist. Die Bestromung der Wicklung 14 erfolgt über eine Schaltungsanordnung 17, welche insbesondere die zum Betrieb des Elektromotors 3 benötigte Kommutierungselektronik umfasst. Der Elektromotor 3 ist damit als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet.
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Die Schaltungsanordnung 17 umfasst auch einen die Temperatur des viskosen Mediums detektierenden Temperatursensor 18 und einen Hall-Sensor 19. Während mit Hilfe des Temperatursensors 18 im Rahmen der Viskositätsbestimmung die Abhängigkeit der Eigenschaften des untersuchten Mediums von dessen Temperatur in die Auswertung einbezogen wird, dient der Hall-Sensor 19 dazu, die Drehzahl des Rotors 5, gegebenenfalls auch Drehzahlschwankungen, festzustellen. Im Ausführungsbeispiel nach 1 ist der Hall-Sensor 19 in einen weitere Funktionen, insbesondere die Ansteuerung der Wicklung 14, wahrnehmenden ASIC integriert und ebenso wie der Temperatursensor 18 auf einer Leiterplatte 20 angeordnet. Je nach Einsatzgebiet des Rotationsviskosimeters 1 sind dessen elektrisch leitfähige Komponenten, insbesondere die Wicklung 14 sowie Bauteile der Schaltungsanordnung 14, von einer geeigneten medienresistenten Beschichtung, beispielsweise aus Kunststoff oder Silikon, umgeben.
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Wie aus 1 weiter hervorgeht, ist der Rotor 5 durch eine Schutzabdeckung 21 geschützt, wobei radial außerhalb des Rotors 5 angeordnete Öldurchtrittsöffnungen 22 in der Schutzabdeckung 21 eine für die Viskositätsmessung ausreichende Zufuhr von viskosem Medium zum Messzylinder 5 sicherstellen. Zusätzlich zu ihrer Schutzfunktion, insbesondere vor thermischen Spitzenbelastungen sowie gegebenenfalls auch vor auf das Rotationsviskosimeter 1 einwirkenden mechanischen Belastungen, sorgt die Schutzabdeckung 21 für gleich bleibende Messbedingungen. Die Öldurchtrittsöffnungen 22 können durch ein Sieb abgedeckt oder in Form eines Siebes ausgebildet werden und damit bei Bedarf den Elektromotor 3, insbesondere dessen Rotor 5, vor eventuell im Medium vorhandenen festen Partikel schützen.
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Zum Schutz des Elektromotors 3 auch vor feineren Partikeln, soweit diese magnetisierbar sind, ist ein ringförmiger, im Ausführungsbeispiel nach 1 einen kreisförmigen Querschnitt aufweisender Magnet 23 vorgesehen. Zur Herstellung des Magneten 23 eignet sich beispielsweise ein kunststoffgebundenes Magnetmaterial.
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Das Ausführungsbeispiel nach 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach 1 hauptsächlich dadurch, dass der Elektromotor 3 als Innenläufermotor ausgebildet ist. Der Rotor 5 weist hierbei eine scheibenförmige Gestalt auf und ist aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise einer Leichtmetalllegierung, gefertigt. Die den Rotor 5 umgebende Wicklung 14 des Stators 4 induziert bei Bestromung Wirbelströme im Rotor 5, die eine elektromotorische Kraft erzeugen, die den Rotor 5 antreibt.
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Die Winkelgeschwindigkeit des scheibenförmigen Rotors 5 wird mittels eines optischen Sensors 24 bestimmt, der in ein komplexeres Elektronikbauteil integriert sein kann und als Komponente der Schaltungsanordnung 17 auf der Leiterplatte 20 angeordnet ist. In nicht näher dargestellter Weise wirkt der optische Sensor 24 mit einer optischen Maßverkörperung auf dem Rotor 5 zusammen. Die Messanordnung nach 2 eignet sich damit für alle Anwendungen, in denen das zu prüfende viskose Medium ausreichend lichtdurchlässig ist. Die Verwendung des nicht magnetbestückten Rotors 5 hat insbesondere den Vorteil, dass das Rotationsviskosimeter 1 durch die Vermeidung relativ temperaturempfindlicher Materialien wie etwa kuststoffgebundener Magnete oder Sinterferritmagnete auch für den Einsatz unter erhöhter thermischer Beanspruchung, beispielsweise mit Spitzentemperaturen über 150°C, geeignet ist.
