DE10209350B4

DE10209350B4 - Rheometer

Info

Publication number: DE10209350B4
Application number: DE10209350A
Authority: DE
Inventors: Dr. Braun Hartmut; Wolfgang Platzek
Original assignee: Thermo Electron Karlsruhe GmbH
Current assignee: Thermo Electron Karlsruhe GmbH
Priority date: 2002-03-02
Filing date: 2002-03-02
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2022-03-03
Also published as: DE10209350A1

Abstract

Rheometer mit einem Rotor, der eine angetriebene Welle (11) umfasst, auf der eine sich im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Welle (11) erstreckende Scheibe (12) sitzt, mit einem ersten Lager (15), mittels dessen die Welle (11) berührungsfrei in ihrer radialen Richtung abgestützt ist, und mit einem zweiten Lager (20), das an der Scheibe (12) wirksam ist und mittels dessen die Welle (11) berührungsfrei in ihrer axialen Richtung abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lager (20) ein Magnetlager ist und dass das Magnetlager (20) zumindest eine obere Spule (16) und zumindest eine untere Spule (17) umfasst, wobei die Scheibe (12) zwischen der oberen Spule (16) und der unteren Spule (17) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rheometer mit einem Rotor, der eine angetriebene Welle umfasst, auf der eine sich im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Welle erstreckende Scheibe sitzt, mit einem ersten Lager, mittels dessen die Welle berührungsfrei in ihrer radialen Richtung abgestützt ist, und mit einem zweiten Lager, das an der Scheibe wirksam ist und mittels dessen die Welle berührungsfrei in ihrer axialen Richtung abgestützt ist.
Die Messung rheologischer Größen in einem Rheometer beruht auf der genauen Kenntnis des Zusammenhangs zwischen der Schubspannung und der Verformung des zu untersuchenden Materials. Eine der beiden Größen wird vorgegeben, während die andere mittels einer Messeinrichtung gemessen wird. Um aus diesen Größen die genauen Materialeigenschaften ableiten zu können, müssen die mechanischen Reibungsverluste der Messeinrichtung so gering wie möglich gehalten werden. Dies wird bei einem Rheometer der bekannten Art, wie es beispielsweise in der US 6,167,752 beschrieben ist, dadurch erreicht, dass eine angetriebene Welle der Messeinrichtung eine sich im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Welle erstreckende Scheibe trägt, die mittels Luftlagern in radialer und axialer Richtung abgestützt wird.
In viskolastischen Proben entstehen zusätzliche Normalkräfte (Weissenberg-Effekt), d. h. Kräfte in Längsrichtung der Welle, die man messen möchte, weil sie ein Maß für die elastische Komponente im Fließverhalten des zu untersuchenden Materials sind. Hierbei spielt die Steifigkeit der Messeinrichtung eine große Rolle, um ein axiales Öffnen des Messspaltes unter Wirkung der Normalkräfte zu verhindern, da sich ansonsten die Probengeometrie verändert, was wiederum die Genauigkeit der Messung beeinträchtigt. Da Luftlager relativ weich und nachgiebig sind, ist das Problem der Veränderung der Probengeometrie besonders bei luftgelagerten Wellen sehr ausgeprägt.
Darüber hinaus weist eine sowohl in axialer als auch in radialer Richtung über Luftlager gelagerte Welle den Nachteil auf, dass sich die Lager gegenseitig beeinflussen können.
Die genannten Probleme treten sowohl bei einem Rotations-Rheometer als auch bei einem Quetsch-Rheometer (squeeze rheometer) auf, bei dem die Welle keine Drehbewegung, sondern eine geringe axiale Bewegung während der Messung ausführt.
Die US 6,218,751 B1 zeigt eine andere Lagerung eines Rotors eines Rheometers. Der Rotor ist über ein Verbindungselement in Form eines Torsionsstranges axial gehalten. Dabei verhindert der Strang jede axiale Verlagerung des Rotors. Eine radiale Zentrierung des Rotors ist mittels Magnetlagern erreicht, die zusätzlich auch eine Axialkraft auf den Rotor ausüben. Diese Axialkraft dient lediglich dazu, den Strang unter Vorspannung zu halten, so dass die axiale Position des Rotors fest definiert ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rheometer der genannten Art zu schaffen, bei dem eine verbesserte Lagerung der Welle erreicht ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Rheometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass das zweite Lager ein Magnetlager ist. Mit der Lagerung der Welle in axialer Richtung über ein Magnetlager ist eine erhöhte Lagersteifigkeit im Vergleich zu einem Luftlager gegeben und es ist darüber hinaus möglich, durch eine entsprechende Ansteuerung des Magnetlagers dessen Steifigkeit in gewünschten Maße zu verändern. Auf diese Weise lässt sich ein Öffnen des Messspaltes aufgrund von in dem zu untersuchenden Material erzeugten Normalkräften zuverlässig vermeiden. Da die Welle mit der Scheibe in dem Magnetlager über elektromagnetische Kräfte abgestützt ist, ist auch hiermit der Vorteil einer berührungslosen Lagerung mit vernachlässigbaren Reibungsverlusten gegeben.
Weiterhin ist vorgesehen, dass das Magnetlager zumindest eine obere Spule und zumindest eine unter Spule umfasst, wobei die Scheibe zwischen der oberen Spule und der unteren Spule angeordnet ist.
Die Scheibe ist vorzugsweise als Kreisringscheibe ausgebildet, die zentrisch zu der sie durchdringenden Welle angeordnet ist. Auch die obere Spule und die untere Spule besitzen jeweils eine Kreisringform und umgeben die Welle bzw. sind von dieser mittig durchdrungen. Vorzugsweise besteht jede Spule aus einem weichmagnetischen Ring mit eingebetteten Wicklungen und ist an einem feststehenden Gehäuseteil (Stator) des Rheometers gelagert bzw. mit diesem fest verbunden.
Darüber hinaus bietet das erfindungsgemäße Magnetlager die Möglichkeit, durch eine angepasste Steuerungselektronik die auf die Welle und somit das Magnetlager einwirkenden Normalkräfte zu bestimmen. Zu diesem Zweck kann erfindungsgemäß ein Sensor vorgesehen sein, der die axiale Position der Welle erfasst. Bei dem Sensor kann es sich um einen induktiven, einen kapazitiven oder einen optischen Sensor handelt. Er kann die Position der Welle an der damit verbundenen Scheibe oder auch direkt an der Welle und insbesondere in der Nähe der Probe des zu untersuchenden Materials erfassen, um Messfehler insbesondere infolge temperaturbedingter Abmessungsänderungen von Bauteilen möglichst gering zu halten.
Der Sensor erzeugt ein der Ist-Position der Welle entsprechendes Positionssignal und gibt dieses an eine Steuervorrichtung bzw. eine Steuerungselektronik ab, die die Ist-Position der Welle mit einer Soll-Position vergleicht. Falls die Abweichung oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegt, wird diejenige Normalkraft errechnet, die notwendig ist, um die Welle wieder in die gewünschte Soll-Position zurückzustellen. Ein zu der Rückstellkraft proportionaler Strom zu dem Magnetlager wird initiiert und führt dort zu einer Zunahme des magnetischen Flusses, d. h. zu einer Veränderung der Stützkraft des Magnetlagers. Die Welle wird mit der Scheibe dadurch in Richtung ihrer Soll-Position bewegt. Auf diese Weise lassen sich die in Längsrichtung der Welle wirksamen Normalkräfte mit hoher Genauigkeit bestimmen.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die obere Spule und die untere Spule mittels der Steuervorrichtung unabhängig voneinander ansteuerbar sind, so dass eine schnelle und exakte Rückstellung der Scheibe und somit der Welle in die Soll-Position erreicht werden kann.
Zusätzlich zu der Abstützung der Welle in axialer Richtung, d. h. ihrer Längsrichtung, über das auf die Scheibe einwirkende Magnetlager, muss die Welle auch senkrecht dazu in radialer Richtung abgestützt werden. Das dazu verwendete erste Lager kann ebenfalls ein Magnetlager sein, bevorzugterweise wird die Abstützung in radialer Richtung jedoch über ein Luftlager erzielt, das sich in besonders kostengünstiger Weise herstellen lässt.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich, wobei die einzige Figur eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rheometers zeigt.
Ein in der Figur dargestelltes Rheometer 10 besitzt ein Traggestell 21 mit einer unteren Grundplatte 25, auf der eine nur angedeutete Aufnahme 22 für eine Probe eines zu untersuchenden Materials aufliegt. Oberhalb der Aufnahme 22 ist ein sich nach unten verjüngender Messkörper 19 angeordnet, wobei zwischen dem Messkörper 19 und der Aufnahme 22 in bekannter Weise ein Messraum M gebildet ist. Der Messkörper 19 ist am unteren Ende einer vertikalen Welle 11 montiert, die an ihrem oberen Ende mittels eines berührungsfreien Antriebs 23, der an einem an dem Traggestell 21 gelagerten Lagergehäuse 13 gehalten ist, drehangetrieben ist. Auf der Welle 11 sitzt zentrisch eine kreisförmige Scheibe 12, die sich senkrecht zur Längsrichtung der Welle 11 erstreckt und eine konstante Dicke besitzt.
Das an dem Traggestell 21 des Weiteren gehaltene Lagergehäuse 13 ist von der Welle 11 an einer Öffnung 14 durchdrungen, wobei die Scheibe 12 in einem Innenraum 13a des Lagergehäuses 13 angeordnet ist. In der Wandung der Öffnung 14, an der die Welle 11 das Lagergehäuse 13 durchdringt, ist ein Luftlager 15 mit mehreren in Längsrichtung der Welle 11 beabstandeten Luftdüsen 15a vorgesehen, das über eine Leitung L5 von einer Luftquelle 26 in nicht näher dargestellter Weise mit unter einem Überdruck stehender Luft versorgt werden kann. Die aus den Düsen 15a austretende Druckluft beaufschlagt die Welle außenseitig in radial nach innen gerichteter Weise und bildet somit eine radiale Lagerung der Welle 11, die diese in vorbestimmter vertikaler Ausrichtung hält. Die Druckluftquelle 26 steht über eine Leitung L4 mit einer Steuervorrichtung 24 in Verbindung. Die Steuervorrichtung 24 kann die Betriebszustände der Druckluftquelle 26 in gewünschter Weise verändern.
Im Innenraum 13a des Lagergehäuses 13 ist oberhalb der Scheibe 12 eine obere Spule 16 und unterhalb der Scheibe 12 eine gleichartige untere Spule 17 angeordnet. Jede Spule 16, 17 besteht aus einem weichmagnetischen Ring mit eingebetteten Wicklungen. Wie die Figur zeigt, ist die Scheibe 12 mit geringem Spiel zwischen der oberen Spule 16 und der unteren Spule 17 aufgenommen. Die obere Spule 16 steht über eine Leitung L1 mit der Steuervorrichtung 24 in Verbindung, während die untere Spule 17 über eine Leitung L2 mit der Steuervorrichtung 24 verbunden ist. Die Spulen 16 und 17 werden in nicht näher dargestellter Weise von Strom durchflossen, wodurch in bekannter Weise ein Magnetfeld erzeugt wird, das die Scheibe 12 berührungsfrei in der Schwebe zwischen den beiden Spulen 16 und 17 hält und somit eine axiale Lagerung für die Welle 11 darstellt.
Am unteren Ende der Welle 11 nahe dem Messkörper 19 ist ein Sensor 18 vorgesehen, der die IST-Position der Welle 11 in axialer Richtung erfasst und über eine Leitung L3 ein entsprechendes Positionssignal an die Steuervorrichtung 24 abgibt. In der Steuervorrichtung 24 wird die axiale IST-Position der Welle 11 mit einer SOLL-Position verglichen. Falls eine Abweichung oberhalb eines vorbestimmten Grenzwertes liegen sollte, wird die obere Spule 16 und/oder die untere Spule 17 von der Steuervorrichtung einzeln oder gemeinsam so angesteuert, dass das Magnetfeld geändert und die Scheibe 12 und somit die Welle 11 in die SOLL-Position zurückgestellt wird. Dabei wird ein zur Normalkraft proportionaler Strom auf eine der beiden Spulen 16, 17 in Abhängigkeit von der Richtung der Rückstellbewegung aufgegeben. Auf diese Weise kann die Messgeometrie im Messraum M zwischen dem Messkörper 19 und der Aufnahme 22 mit hoher Genauigkeit konstant gehalten und zusätzlich die bei der Messung entstehende axiale Normalkraft in der Welle 11 bestimmt werden.

Claims

Rheometer mit einem Rotor, der eine angetriebene Welle (11) umfasst, auf der eine sich im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Welle (11) erstreckende Scheibe (12) sitzt, mit einem ersten Lager (15), mittels dessen die Welle (11) berührungsfrei in ihrer radialen Richtung abgestützt ist, und mit einem zweiten Lager (20), das an der Scheibe (12) wirksam ist und mittels dessen die Welle (11) berührungsfrei in ihrer axialen Richtung abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lager (20) ein Magnetlager ist und dass das Magnetlager (20) zumindest eine obere Spule (16) und zumindest eine untere Spule (17) umfasst, wobei die Scheibe (12) zwischen der oberen Spule (16) und der unteren Spule (17) angeordnet ist.
Rheometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Sensor (18), der die axiale Position der Welle (11) erfasst und ein entsprechendes Positionssignal an eine Steuervorrichtung (24) abgibt, mittels der die Auflagerkraft des Magnetlagers (20) veränderbar ist.
Rheometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Spule (16) und die untere Spule (17) mittels der Steuervorrichtung (24) unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (16, 17) von der Steuervorrichtung (24) so ansteuerbar sind, dass die zwischen den Spulen (16, 17) angeordnete Scheibe (12) mit der Welle (11) eine vorgegebene Soll-Position einnimmt.
Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lager (15) ein Luftlager ist.
Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lager ein Magnetlager ist.