DE112009001023T5

DE112009001023T5 - Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität und Verfahren zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität

Info

Publication number: DE112009001023T5
Application number: DE112009001023T
Authority: DE
Inventors: Keiji Sakai
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2029-04-24
Also published as: JP2009264982A; CN102016542A; CN102016542B; US20110036150A1; WO2009131185A1; DE112009001023B4; JP5093599B2; US8365582B2

Abstract

Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität, mit einem elektrisch leitfähigen Rotor; einem Behälter, der eine Probe und den Rotor derart enthält, dass der Rotor in der Probe angeordnet ist; einer Magneteinheit, die in der Umgebung des Behälters angeordnet ist und auf den Rotor ein Magnetfeld ausübt; einer Rotationssteuereinheit, welche die Magneteinheit antreibt, um ein sich drehendes Magnetfeld auf den Rotor auszuüben, um so in dem Rotor einen Induktionsstrom zu induzieren und den Rotor durch Versehen des Rotors mit einem Drehmoment, das durch die Lorentz'sche Wechselwirkung zwischen dem Induktionsstrom und dem auf den Rotor ausgeübten Magnetfeld verursacht wird, zu induzieren; einer Rotationserfassungseinheit, welche die Rotation des Rotors erfasst; und einer Erfassungseinheit dynamischer Eigenschaften, welche die Viskosität und/oder die Elastizität der Probe in Kontakt mit dem Rotor basierend auf dem Drehmoment und der Drehbewegung erfasst.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen dynamischer Eigenschaften, insbesondere von Viskosität und Elastizität, von Materialien sowie ein Verfahren zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität.
Es wird die Priorität der am 25. April 2008 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2008-116359 beansprucht, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme eingebunden wird.
STAND DER TECHNIK
Die Messung von Viskosität und/oder Elastizität von Materialien ist eine unvermeidbare Technik für die Qualitätskontrolle, die Leistungsbewertung, die Materialkontrolle und die Forschung und Entwicklung bezogen auf die Herstellung verschiedener Materialien wie Arzneimittel, Speisen, Beschichtungen, Tinten, Kosmetika, Chemikalien, Chemieprodukte, Klebstoffe, Fasern, Kunststoffe, Getränke (z. B. Bier), Waschmittel, Betonzuschlagsstoffe, Silikon oder dergleichen. Deshalb wurden im Stand der Technik Messungen von Viskosität und/oder Elastizität von Materialien durchgeführt, um so dynamische Eigenschaften der zu untersuchenden Materialien zu erfassen (vgl. z. B. Patentdokument 1).
Die folgenden Verfahren zum Messen der Viskosität waren im Stand der Technik bekannt:

(1) Ein Viskositätsrohrverfahren, bei welchem die Viskosität eines Fluids basierend auf einer Geschwindigkeit des in einem Rohr nach unten strömenden Fluids gemessen wird.
(2) Ein Verfahren zum Messen der Viskosität, bei welchem ein Oszillator mit einer Probe in Kontakt kommt und die Viskosität der Probe basierend auf der Veränderung der Amplitude des Oszillators gemessen wird.
(3) Ein Verfahren zum Messen der Viskosität basierend auf einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von akustischen Oberflächenwellen.
(4) Ein Verfahren zum Messen der Viskosität, bei welchem ein Rotor in einer Probe gedreht wird und eine Viskosität basierend auf einer direkten Messung des durch den viskosen Widerstand erzeugten Drehmoments gemessen wird.
(5) Ein Verfahren zum Messen der Viskosität basierend auf einer Falldauer einer in einem Probenfluid fallenden starren Kugel.
(6) Bei einem dynamischen Lichtstreuverfahren wird die Viskosität eines Materials basierend auf einem Diffusionskoeffizienten gemessen, den man durch die Messung der dynamischen Streuung eines auf Partikel in Brownscher Bewegung gerichteten Laserlichts erhält.
(7) Bei einer Zimm-Viskositätsmessung wird eine in der Probe schwimmende Sonde gedreht und die Viskosität wird basierend auf dem Drehmoment der Sonde gemessen.

Dokument zum Stand der Technik

Patendokument 1: japanische ungeprüfte Patentanmeldung, erste Veröffentlichung, Nr. 2005-69872 .

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösende Probleme.
Die in den obigen Punkten (1) bis (5) beschriebenen Verfahren zum Messen der Viskosität enthielten ein Problem dahingehend, dass eine große Probenmenge mit einem Volumen von einigen cc oder mehr zum Messen der Viskosität erforderlich war.
In den in den obigen Punkten (2) bis (5) beschriebenen Verfahren muss eine Probe eine Viskosität von wenigstens 10 cP oder mehr zum Durchführen einer genauen Messung der Viskosität haben. Deshalb konnte die Viskosität eines niederviskosen Materials durch diese Verfahren nicht gemessen werden.
Weiter enthält das in Punkt (6) beschriebene Verfahren ein Problem dahingehend, dass eine große Vorrichtung erforderlich ist und dass das Verfahren nicht auf ein anderes als ein transparentes Material angewendet werden kann.
Bei dem in dem obigen Punkt (7) beschriebenen Verfahren wird die Wellenbildung einer Probenoberfläche durch die Drehung der auf der Oberfläche schwimmenden Sonde durch einen Auftrieb verursacht, was in einem nicht vernachlässigbaren Energieverlust resultiert. Wenn ein Teilchenabsorptionsfilm auf der Probenoberfläche gebildet wird, verursacht außerdem die Oberflächenelastizität des Films einen Fehler der Messung. Da die Drehung der Sonde von einer Länge eines in die Probe einsinkenden (eintauchenden) Abschnitts abhängt, ist es notwendig, dass eine Dichte der Probe bereits bekannt ist.
Weiter ist in allen in den Punkten (1) bis (7) beschriebenen Verfahren der Probenbehälter teuer und ist deshalb eine Wiederverwendung erforderlich. Deshalb ist es notwendig, den Behälter nach der Messung zu reinigen. Sofern die zuvor gemessene Probe nicht vollständig entfernt ist, ist es wegen des Einflusses der Restprobe unmöglich, eine genaue Messung durchzuführen.
D. h. in einem Verfahren zum Messen der Viskoelastizität, das im Stand der Technik üblicherweise verwendet wird, war wenigstens eine bestimmte Probenmenge erforderlich, um eine Messung mit einer vorbestimmten Genauigkeit durchzuführen.
Außerdem verschlechterte sich die Genauigkeit der Messung für eine Probe mit einer Viskosität kleiner als 100 cP. Ferner war es bei einer Messung mit einem Rotations-Viskometer oder mit Lichtstreuung aufgrund der Anforderungen einer groß bemessenen Vorrichtung unmöglich, die Messung einfach durchzuführen.
Viskosität und Elastizität sind allgemeine physikalische Größen von Flüssigkeiten und anderen weichen Materialien. Basierend auf dem oben beschriebenen Grund war es schwierig, die Viskosität und/oder die Elastizität einfach unter Verwendung einer kleinen Probenmenge durch ein Verfahren gemäß dem herkömmlichen Prinzip zu messen. Außerdem war es schwierig, die Viskosität und/oder die Elastizität einer Probe geringer Viskosität mit hoher Genauigkeit zu messen. Ferner gab es eine Einschränkung der Messeffizienz aufgrund eines Erfordernisses zum Reinigen des Messbehälters.
Basierend auf dem oben beschriebenen Umstand ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität und ein Verfahren zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität vorzusehen, durch welche die Viskosität und/oder die Elastizität unter Verwendung einer im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren relativ kleinen Probenmenge unter Verwendung einer kleinen und einfachen Vorrichtung und unter Verwendung eines kostengünstigen Wegwerfbehälters zum Aufnehmen eines zu untersuchenden Materials gemessen werden können.
Problemlösungen
Eine Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität (Vorrichtung zum Messen dynamischer Eigenschaften) gemäß der vorliegenden Erfindung enthält einen elektrisch leitenden Rotor; einen Behälter, der eine Probe (eine der Erfassung von Viskosität und/oder Elastizität zu unterziehende Probe) und den Rotor derart enthält, dass der Rotor in der Probe angeordnet ist; eine Magneteinheit (Magnete), die in der Umgebung des Behälters angeordnet ist und ein Magnetfeld auf den Rotor ausübt; eine Rotationssteuereinheit, welche die Magneteinheit antreibt, um ein rotierendes Magnetfeld auf den Rotor auszuüben, um so in dem Rotor einen Induktionsstrom zu induzieren und den Rotor durch Versehen des Rotors mit einem Drehmoment, das durch die Lorentz'sche Wechselwirkung zwischen dem Induktionsstrom und dem auf den Rotor ausgeübten Magnetfeld verursacht wird, zu drehen; eine Rotationserfassungs-(Rotationsbestimmungs-)Einheit, welche die Drehung (Drehbewegung) des Rotors erfasst; und eine Erfassungseinheit dynamischer Eigenschaften (Viskosität/Elastizität-Erfassungseinheit), welche die Viskosität und/oder die Elastizität der mit dem Rotor in Kontakt stehenden Probe basierend auf dem Drehmoment und der Drehbewegung des Rotors erfasst (bestimmt).
Die in der oben beschriebenen Vorrichtung erfasste Viskosität kann durch einen Viskositätskoeffizienten der Probe ausgedrückt werden.
Die in der oben beschriebenen Vorrichtung erfasste Elastizität kann durch einen Elastizitätskoeffizienten ausgedrückt werden.
Die oben beschriebene Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität kann so ausgebildet sein, dass die Rotationserfassungseinheit eine Rotationsfrequenz (Periode) des Rotors erfasst und die Erfassungseinheit dynamischer Eigenschaften die Viskosität der Probe basierend auf dem Drehmoment und der Rotationsfrequenz erfasst.
Die oben beschriebene Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität kann derart ausgebildet sein, dass die Rotationserfassungseinheit einen Rotationswinkel zwischen der statischen Ausgangsstelle des Rotors vor der Beaufschlagung mit dem Drehmoment und einer statischen Gleichgewichtsstellung des Rotors, bei welcher der Rotor durch das Gleichgewicht zwischen dem Drehmoment und dem elastischen Widerstand des Rotors stoppt, erfasst und die Erfassungseinheit dynamischer Eigenschaften die Elastizität der Probe basierend auf dem Drehmoment und dem Rotationswinkel des Rotors erfasst.
Die oben beschriebene Vorrichtung zum Messen von Viskosität und Elastizität kann so ausgebildet sein, dass die Vorrichtung weiter eine Speichereinheit enthält, welche Standarddaten speichert, die man durch eine Vorab-Messung von Beziehungen zwischen Drehmomenten und Rotationsfrequenzen des Rotors in einer Vielzahl von Materialien (Standardproben) mit bekannten Viskositäten erhält, und die Erfassungseinheit physikalische Eigenschaften die Viskosität der Probe durch Vergleichen der Standarddaten und einer erfassten Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Rotationsfrequenz des Rotors in einer Probe erfasst.
Die oben beschriebene Vorrichtung zum Messen von Viskosität und Elastizität kann derart ausgebildet sein, dass die Vorrichtung weiter eine Speichereinheit enthält, welche Standarddaten speichert, die man durch eine Vorab-Messung von Beziehungen zwischen Drehmomenten und Rotationswinkeln des Rotors in einer Vielzahl von Materialien mit bekannten Elastizitäten erhält, und die Erfassungseinheit physikalischer Eigenschaften die Elastizität der Probe durch Vergleichen der Standarddaten und einer erfassten Beziehung zwischen dem Drehmoment und dem Rotationswinkel des Rotors in einer Probe erfasst.
Die oben beschriebene Vorrichtung zum Messen von Viskosität und Elastizität kann so ausgebildet sein, dass der Rotor mit einer Markierung versehen ist und die Rotationserfassungseinheit die Rotation des Rotors durch Erfassen der Markierung des Rotors erfasst.
Die oben beschriebene Vorrichtung zum Messen von Viskosität und Elastizität kann derart ausgebildet sein, dass wenigstens ein Teilabschnitt eines Bodens des Rotors mit einem Bodenabschnitt einer Innenfläche des Behälters in Kontakt steht und der Bodenabschnitt der Innenfläche des Behälters in Kontakt mit dem Rotor eine ebene Fläche oder eine leicht konkav gekrümmte Fläche ist und der Bodenabschnitt des Rotors eine leicht konvex gekrümmte Fläche hat.
Die oben beschriebene Vorrichtung zum Messen von Elastizität und Viskosität kann derart ausgebildet sein, dass ein Radius des Rotors durch die folgende Formel bestimmt wird: R < 3 / 2ωηβ / αΔρμg wobei R einen Radius des Rotors bezeichnet, g eine Gravitationsbeschleunigung bezeichnet, ω eine Winkelgeschwindigkeit bezeichnet, η einen Viskositätskoeffizienten bezeichnet, Δρ einen Dichteunterschied zwischen einem unteren Abschnitt des Rotors und der Probe bezeichnet, μ einen Reibungskoeffizienten zwischen dem unteren Abschnitt des Rotors und dem Bodenabschnitt des Behälters bezeichnet, und α und β Koeffizienten bezeichnen.
Hierbei kann R durch Einsetzten des Viskositätskoeffizienten eines Materials (z. B. eines Materials mit einer chemischen Zusammensetzung im Wesentlichen ähnlich jener der Probe), welches der Probe ähnelt und eine bekannte Viskosität für die Viskosität η hat, bestimmt werden. Alternativ kann ein vorläufiger Viskositätskoeffizient, der auf einen Wert etwas höher (110 bis 150%) als ein Viskositätskoeffizient eines Materials, welches der Probe ähnelt und eine bekannte Viskosität besitzt, gesetzt ist, für den Viskositätskoeffizienten η eingesetzt werden, um R zu bestimmen.
In der oben beschriebenen Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität kann ein Teilabschnitt oder ein Gesamtabschnitt des Rotors in die Probe eintauchen.
In der oben beschriebenen Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität kann die Probe eine Flüssigkeit oder ein weiches Material sein.
Ein Verfahren zum Erfassen von Viskosität und/oder Elastizität gemäß der vorliegenden Erfindung kann enthalten: Füllen einer Probe (Erfassungsziel), die einer Erfassung von Viskosität und/oder Elastizität unterzogen werden soll, in einen Behälter und Anordnen eines elektrisch leitfähigen Rotors in der Probe, Anlegen eines Magnetfeldes an den Rotor durch eine in der Umgebung des Behälters angeordnete Magneteinheit; Durchführen einer Rotationssteuerung des Rotors durch zeitliches Verändern des Magnetfeldes, um in dem Rotor einen Induktionsstrom zu induzieren und den Rotor durch Beaufschlagen des Rotors mit einem Drehmoment, das durch die Lorentz'sche Wechselwirkung zwischen dem Induktionsstrom und dem auf den Rotor wirkenden Magnetfeld verursacht wird, zu drehen; Durchführen einer Rotationserfassung des Rotors; und Erfassen einer dynamischen Eigenschaft der Probe, um die Viskosität und/oder die Elastizität der mit dem Rotor in Kontakt stehenden Probe basierend auf dem Drehmoment und der Drehbewegung des Rotors zu erfassen.
Die in dem oben beschriebenen Verfahren erfasste Viskosität der Probe kann durch einen Viskositätskoeffizienten ausgedrückt werden.
Die in dem oben beschriebenen Verfahren erfasste Elastizität der Probe kann durch einen Elastizitätskoeffizienten ausgedrückt werden.
Das oben beschriebene Verfahren zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität kann so ausgebildet sein, dass die Rotationssteuerung das Drehen des Rotors enthält, die Rotationserfassung das Erfassen einer Rotationsfrequenz des Rotors enthält und die Viskosität der Probe basierend auf dem Drehmoment und der Rotationsfrequenz erfasst wird.
Das oben beschriebene Verfahren zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität kann so ausgebildet sein, dass die Rotationssteuerung das Drehen des Rotors von einer statischen Ausgangsstellung (einer Stellung vor dem Anlegen des Drehmoments) zu einer statischen Gleichgewichtsstellung (eine Stellung, an welcher der Rotor durch das Gleichgewicht des Drehmoments zwischen dem elastischen Widerstand der Probe stoppt) enthält, die Rotationserfassung das Erfassen eines Rotationswinkels von der statischen Ausgangsstellung zur statischen Gleichgewichtsstellung enthält, und die Erfassung dynamischer Eigenschaften das Erfassen der Elastizität der mit dem Rotor in Kontakt stehenden Probe basierend auf dem Drehmoment und dem Rotationswinkel des Rotors enthält.
Das oben beschriebene Verfahren zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität kann so ausgebildet sein, dass das Verfahren weiter das Vorbereiten von Standarddaten enthält, die man durch Vorab-Messen der Beziehungen zwischen Drehmomenten und Rotationsfrequenzen des Rotors in einer Vielzahl von Materialien (Standardproben) mit bekannten Viskositäten erhält, und die Viskosität der Probe durch Vergleichen der Standarddaten und der Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Rotationsfrequenz des Rotors in der Probe erfasst wird.
Das oben beschriebene Verfahren zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität kann so ausgebildet sein, dass das Verfahren weiter das Vorbereiten von Standarddaten durch Vorab-Messen von Beziehungen zwischen Drehmomenten und Rotationswinkeln des Rotors in einer Vielzahl von Materialien mit jeweils einer bekannten Elastizität enthält und die Elastizität der Probe durch Vergleichen der Standarddaten und den erfassten Beziehungen zwischen dem Drehmoment und dem Rotationswinkel des Rotors in einer Probe erfasst wird.
In der Rotationssteuerung des oben beschriebenen Verfahrens zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität kann das Magnetfeld so gesteuert werden, dass es ein sich drehendes Magnetfeld ist, bei welchem sich eine horizontale Richtung des Magnetfeldes (horizontale Komponente der Richtung des Magnetfeldes) mit der Zeit dreht.
In dem oben beschriebenen Verfahren zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität kann der Rotor ein spezifisches Gewicht größer als das spezifische Gewicht der Probe haben.
Effekt der Erfindung
Wie oben erläutert, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Viskosität und/oder die Elastizität einer Probe basierend auf der Beziehung zwischen dem Drehmoment, das auf den Rotor ausgeübt wird, der in Kontakt mit der Probe gedreht wird, und der Drehbewegung des Rotors gemessen. Deshalb kann eine Viskosität, die von niedriger Viskosität bis hin zu hoher Viskosität reicht, unter Verwendung einer kleinen Menge einer Zielprobe gemessen werden. Da außerdem die Viskosität und/oder die Elastizität einer Probe durch Drehen des Rotors durch Anlegen eines Magnetfeldes an den Rotor erfasst wird, können das Messen der Rotationsfrequenz des Rotors, das Erfassen der Viskosität der Probe basierend auf der Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Rotationsfrequenz sowie das Erfassen der Elastizität der Probe basierend auf einer Beziehung zwischen dem Drehmoment und dem Rotationswinkel des Rotors [Ergänzung durch den Übersetzer: mittels einer einfachen Vorrichtung erfolgen]. Deshalb ist es möglich, die Viskosität und/oder die Elastizität unter Verwendung einer Vorrichtung mit einer im Vergleich zum herkömmlichen Fall einfachen Aufbau zu messen. Weiter ist es möglich, ein gewöhnliches Testrohr oder dergleichen als einen Probenbehälter zu benutzen und den Behälter als Einwegbehälter zu konzipieren. Deshalb ist es möglich, eine hochgenaue Messung durchzuführen, während auf ein Reinigen des Behälters verzichtet werden kann und ein Einfluss eines Materials, welches im Behälter unmittelbar vor der Messung enthalten war, vermieden wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaltbild eines Beispiels eines Aufbaus einer Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit (Rotationsfrequenz) des Rotors und dem Unterschied zwischen der Rotationsgeschwindigkeit des sich drehenden Magnetfeldes und der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors (Kugel) zeigt, wobei die Zielprobe Wasser ist.
3 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit (Rotationsfrequenz) des Rotors und dem Unterschied zwischen der Rotationsgeschwindigkeit des sich drehenden Magnetfeldes und der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors (Kugel) zeigt, wobei die Zielprobe ein Rohrzucker ist.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
Nachfolgend wird eine Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf die Zeichnungen erläutert. 1 ist ein Blockschaltbild eines Beispiels eines Aufbaus der Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität des Ausführungsbeispiels.
In dieser Figur ist ein Behälter 101 zum Beispiel ein kleines Testrohr oder dergleichen. Eine Zielprobe ist in dem Behälter 101 aufgenommen, um eine Viskosität (Viskositätskoeffizient) als eine dynamische Eigenschaft der Probe zu messen. Der Innendurchmesser des Behälters 101 sollte etwas größer als der Innendurchmesser des Rotors 106 sein. Die Tiefe der in dem Behälter 101 für die Messung enthaltenen Probe (Zielmaterial) sollte ausreichen, um den Rotor 106 in der Probe einsinken zu lassen. Deshalb kann die Messung unter Verwendung einer äußerst kleinen Menge einer Probe durchgeführt werden. Wenn z. B. eine leitfähige Kugel von 1 mm als Rotor 106 benutzt wird, genügt die Probe einer Menge von 100 Mikroliter einer notwendigen Menge der Messung. Hierbei kann der Rotor 106 teilweise oder ganz in der Probe, die ein Erfassungszielmaterial ist, einsinken.
Der Rotor 106 ist aus seinem leitfähigen Material (z. B. Metall wie beispielsweise Aluminium) gebildet und hat eine Form mit einer leicht konvex gekrümmten Fläche im unteren Teil davon, die mit dem Behälter 101 in Kontakt gebracht wird. Zum Beispiel kann der Rotor 106 eine Kugel- oder Halbkugelform (sphärisch) haben. D. h. eine Teiloberfläche des Rotors 106 in Kontakt mit der inneren Bodenfläche (Bodenabschnitt der Innenfläche) des Behälters 101 kann aus einem Teilabschnitt einer Kugelfläche gebildet sein. Der Rotor 106 kann auch eine Sphäroidform haben. Der Rotor 106 ist in dem Behälter 101 derart angeordnet, dass der Rotor 106 mit dem Erfassungszielmaterial im Behälter in Kontakt kommt. D. h. der Rotor 106 ist derart angeordnet, dass ein Teilabschnitt oder ein Gesamtabschnitt des Rotors 106 in das Erfassungsziel eintaucht. Die innere Bodenfläche des Behälters 101 in Kontakt mit dem Rotor 106 kann eine ebene Fläche sein oder kann eine leicht konkave gekrümmte Fläche haben.
Es ist möglich, ein kommerzielles Metallkügelchen als Rotor 106 zu verwenden. Durch Verwenden eines solchen Rotors 106 mit einem kommerziellen Testrohr als Behälter 101 ist es möglich, die Teile der Vorrichtung in Kontakt mit der Probe durch Wegwerfartikel zu bilden. Deshalb ist es selbst bei der Messung eines Materials (zum Beispiel Biomaterialien), die eine spezielle Pflicht bei der Entsorgung erfordern, dies nach einer Behandlung wie beispielsweise Veraschung und Sterilisierung einfach durchzuführen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Viskosität und/oder die Elastizität einer kleinen Probenmenge unter Verwendung eines kleinen Rotors zu messen. Zum Beispiel kann der Rotor ein Metallkügelchen mit einem Durchmesser von nicht mehr als 1 cm oder einen Durchmesser von nicht mehr als 2 mm sein. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Messung von Viskosität und/oder Elastizität einer Probe mit einem Volumen von 100 bis 500 Mikroliter durchzuführen.
Elektromagnete 102, 103, 104 und 105 sind in der Umgebung (Umfang) des Behälters angeordnet. Ein Paar A der Elektromagnete 102 und 103 ist in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Behälters in einer Linie mit dem Behälter 101 dazwischen angeordnet. Ein Paar B der Elektromagnete 104 und 105 ist in der gleichen Ebene wie das Paar A in einer Linie senkrecht zur Ausrichtung des Paares A mit dem Behälter 101 dazwischen angeordnet. D. h. wenn die Längsrichtung des Behälters 101 in einem rechtwinkligen Koordinatensystem entlang einer z-Achse angeordnet ist, kann das Paar A entlang einer x-Achse angeordnet sein und kann das Paar B entlang einer y-Achse angeordnet sein. Zum Beispiel kann der Behälter 101 so angeordnet sein, dass seine Längsrichtung entlang einer vertikalen Richtung ist, und das Paar A und das Paar B der Elektromagnete können in einer horizontalen Ebene angeordnet sein.
Die Elektromagnete 102, 103, 104 und 105 sind mit einer Rotationssteuereinheit 107 verbunden. Die Rotationssteuereinheit setzt das Paar A und das Paar B der Elektromagnete abwechselnd unter Strom, wodurch ein Magnetfeld in einer Richtung, die sich zeitlich zwischen zwei Richtungen (Richtung der x-Achse und Richtung der y-Achse) senkrecht zueinander abwechselnd verändert, erzeugt wird.
Zum Beispiel werden der Elektromagnet 104 und der Elektromagnet 105 des Paares B während der Zeit, in welcher der Elektromagnet 102 und der Elektromagnet 103 des Paares A durch die Rotationssteuereinheit 107 erregt werden (d. h. während der Elektrifizierung der Spulen des Elektromagneten 102 und des Elektromagneten 103), nicht erregt. Der Elektromagnet 102 und der Elektromagnet 103 des Paares A werden während der Zeit, in welcher der Elektromagnet 104 und der Elektromagnet 105 des Paares B erregt werden, nicht erregt.
Durch die oben beschriebene Steuerung der Elektromagnete übt die Rotationssteuereinheit 107 ein sich drehendes Magnetfeld auf den Rotor 106 aus, wodurch in dem Rotor 106 ein Induktionsstrom induziert wird. Durch die Lorentz'sche Wechselwirkung zwischen dem Induktionsstrom und dem auf den Rotor 106 ausgeübten Magnetfeld wird der Rotor 106 mit einem Drehmoment versehen und wird gedreht.
Eine Erfassungseinheit dynamischer Eigenschaften 108 befiehlt der Rotationssteuereinheit 107 eine Zykluszeit des abwechselnden Erregens der Magnete.
Bei dem oben beschriebenen Aufbau wird das sich drehende Magnetfeld auf den Rotor 106 mittels Elektromagneten und sequenziellen Erregens der Spulen der Elektromagnete ausgeübt.
Als ein alternatives Ausführungsbeispiel kann ein Paar Permanentmagnete in einer Linie mit dem Behälter 101 dazwischen angeordnet sein. Ein Drehmoment kann auf den Rotor 106 durch Drehen der Permanentmagnete um den Behälter 101 mittels eines Motors oder dergleichen vorgesehen werden, wodurch ein sich drehendes Magnetfeld auf den Rotor 106 ausgeübt wird. In diesem Fall wird die Rotationsfrequenz der Permanentmagnete durch die Rotationssteuereinheit 107 in Abhängigkeit von einem Befehl von der Erfassungseinheit dynamischer Eigenschaften 108 gesteuert.
Eine Bildverarbeitungseinheit 109 kann zum Beispiel aus einer mit einem Mikroskop ausgestatteten Aufnahmevorrichtung (CCD) gebildet sein. Die Bildverarbeitungseinheit 109 ist über einer Öffnung des Behälters 101 angeordnet. Die Bildverarbeitungseinheit 109 misst die Rotationsfrequenz des Rotors 106 durch Erfassen der Rotation der Markierung, die an dem Rotor 106 vorgesehen ist. Deshalb ist die Bildverarbeitungseinheit 109 über dem Behälter 101 derart angeordnet, dass eine Ausrichtung der Aufnahmerichtung die Erfassung der Markierung auf einer Oberseite des Rotors 106 ermöglicht.
Standarddaten, die Beziehungen zwischen dem auf den Rotor 106 ausgeübten Drehmoment und der Rotationsfrequenz des Rotors 106 in einer Vielzahl von Standardproben unterschiedlicher Viskosität zeigen, sind in einer Standarddaten-Speichereinheit 110 gespeichert.
Die Standarddaten kann man im Voraus durch Füllen jeder Standardprobe in den Behälter 101, Drehen des Rotors 106 und Aufzeichnen des auf den Rotor 106 ausgeübten Drehmoments und der Rotationsfrequenz des Rotors 106 erhalten.
Bei der Messung jeder Standardprobe werden die Drehmomente für jede Rotationsfrequenz berechnet, während die Rotationsfrequenz geändert wird, um eine Grundkurve zu erhalten, die durch die nachfolgend beschriebene Formel (8) angenähert werden kann. Die Steigung der Grundkurve wird bestimmt und als ein Teil der Standarddaten gespeichert.
Die Erfassungseinheit dynamischer Eigenschaften 108 ist mit der Bildverarbeitungseinheit 109 und der Standarddaten-Speichereinheit 110 verbunden. Die Erfassungseinheit dynamischer Eigenschaften 108 nimmt Daten der Rotationsfrequenz des Rotors 106, die von der Bildverarbeitungseinheit 109 ausgegeben werden, und das Drehmoment entsprechend der Rotationsfrequenz auf. Als nächstes wird eine Steigung der Grundkurve, die durch die nachbeschriebene Gleichung (8) dargestellt ist, für das Erfassungsziel bestimmt und wird das Verhältnis der Steigung zur Steigung der Standarddaten, die aus der Standarddaten-Speichereinheit 110 gelesen werden, bestimmt. D. h. die Steigung der Grundkurve der Standarddaten wird durch eine Steigung der Grundkurve des Erfassungsziels geteilt und die Viskosität der Standardprobe wird mit dem Verhältnis der Steigungen multipliziert, wodurch die Viskosität η des Erfassungsziels berechnet wird.
Dabei kann die Erfassungseinheit dynamischer Eigenschaften 108 die Viskosität des Erfassungsziels basierend auf einer Vielzahl von Standarddaten bestimmen. Zum Beispiel kann die Erfassungseinheit dynamischer Eigenschaften 108 Steigungen von Grundkurven einer Vielzahl unterschiedlicher Standardproben, die in der Standarddaten-Speichereinheit 110 gespeichert sind, lesen. In diesem Fall wird für alle Standarddaten die Steigung der Grundkurve der Standarddaten durch die Steigung der Grundkurve des Erfassungsziels geteilt und wird die Viskosität der entsprechenden Standarddaten mit dem Verhältnis der Steigung multipliziert, wodurch die Viskosität η des Erfassungsziels berechnet wird. Die Viskosität des Erfassungsziels kann als ein Mittelwert der basierend auf der Vielzahl von Standarddaten bestimmten Viskositäten bestimmt werden.
Nachfolgend wird ein Prinzip der Messung der Viskosität basierend auf dem auf den Rotor 106 ausgeübten Drehmoment und der Rotationsfrequenz des Rotors 106 erläutert. Hierbei wird für eine Erläuterung basierend auf einem rechtwinkligen Koordinatensystem die Längsrichtung des Behälters als eine Richtung parallel zur z-Achse angesehen und die Anordnung des Paares A wird als Richtung parallel zur x-Achse angesehen und die Anordnung des Paares B wird als eine Richtung parallel zur y-Achse angesehen.
Zum Beispiel kann ein Magnetfeld parallel zur x-Achse, ausgedrückt als B = (B₀cosωt, 0, 0) um den Behälter 101 durch die Elektromagnete 102 und 103 des Paares A erzeugt werden. Ein Magnetfeld parallel zur y-Achse, ausgedrückt als B = (0, B₀sinωt, 0) kann durch die Elektromagnete 104 und 105 des Paares B erzeugt werden. Hierbei bezeichnet B₀ den Maximalwert der magnetischen Fellstärke, ω bezeichnet die Winkelgeschwindigkeit und t bezeichnet eine Zeit.
Durch das sich mit der Zeit ändernde Magnetfeld (sich drehende Magnetfeld) B wird das elektrische Feld in dem leitfähigen Rotor 106 so erzeugt, dass rotE = –(dB/dt) erfüllt wird. Dieses elektrische Feld kann durch die folgende Formel (1) berechnet werden:
Durch das elektrische Feld wird der elektrische Strom I in dem Rotor 106 aus einem leitfähigen Material so erzeugt, dass I = σE erfüllt ist, wobei σ eine Leitfähigkeit des leitfähigen Materials bezeichnet. Durch die Lorentz'sche Wechselwirkung zwischen dem Strom I und Magnetfeld B wirkt in dem Rotor 106 eine Kraft F (Lorentzkraft), die durch die folgende Formel (2) ausgedrückt werden kann:
Radialkomponenten der oben beschriebenen Kraft F um eine Drehachse senkrecht zur Rotationsebene des Rotors 106 können durch Integration über die Zeit für einen Zyklus durch die nachfolgend beschriebene Formel (3) berechnet werden:
Die durch die oben beschriebene Formel (3) ausgedrückte Kraft F_θ wirkt als eine Kraft, die den Rotor 106 um eine vertikale Rotationsachse dreht. Das Drehmoment T wird durch die folgende Formel (4) ausgedrückt:
Der Rotor wird durch das Drehmoment gedreht. Die Rotationsgeschwindigkeit wird jedoch durch zwei Faktoren gesteuert: einer ist eine Reibung zwischen dem Rotor 106 und einem Bodenteil des Behälters 101 und der andere ist der Viskositätswiderstand des Erfassungsziels in Kontakt mit dem Rotor 106.
Um die Viskosität des Erfassungsziels in Kontakt mit dem Rotor 106 genau zu erhalten, ist es notwendig, dass ein durch die Reibungskraft im Bodenabschnitt des Behälters 101 verursachter Widerstand im Wesentlichen gleich (ähnlicher Wert) oder kleiner als der Viskositätswiderstand des Erfassungsziels ist.
Um die Gleichung zu vereinfachen, wird der Radius des Rotors 106 senkrecht zur Rotationsebene des Rotors 106 durch R ausgedrückt und wird ein Radius einer effektiven Kontaktfläche der Unterseite des Rotors in Kontakt mit der Bodenseite eines Behälters durch αR (α < 1) ausgedrückt.
In dem effektiven Kontaktradius ist eine auf den Rotor 106 durch die Schwerkraft ausgeübte Belastung etwa konstant.
Ein Reibungskoeffizient zwischen dem unteren Abschnitt des Rotors 106 und dem Bodenabschnitt des Behälters 101 wird durch μ ausgedrückt, ein Dichteunterschied zwischen dem Rotor 106 und der Erfassungsziel wird als Δρ ausgedrückt, und die Schwerkraftbeschleunigung wird als g ausgedrückt. Das Drehmoment T_f, das zum Drehen der Kugel unter Überwindung der Reibung erforderlich ist, wird durch die nachfolgende Formel (5) berechnet: T_f = 8π / 9αμuΔρgR⁴ (5)
Das Drehmoment T_r, das zum Drehen des Rotors 106 mit einer Winkelgeschwindigkeit ω in einem unendlichen Raum, der mit dem Erfassungsziel gefüllt ist, erforderlich ist, wird durch die nachfolgende Formel (6) ausgedrückt, wobei η einen Viskositätskoeffizienten bezeichnet: T_r= 4 / 3πR³ωη (6)
Wenn der untere Abschnitt des Rotors 106 mit einer ebenen oder gekrümmten Bodenfläche des Behälters 101 in Kontakt ist, wird das erforderliche Drehmoment T_f weiter vergrößert. Wenn der Vergrößerungskoeffizient durch β ausgedrückt wird, ist β ein Wert in der Größenordnung von 1, aber größer als 1. β enthält einen Koeffizienten einer indirekten Wechselwirkung zwischen dem Rotor 106 und der Seitenwand des Behälters während der Rotation des Erfassungsziels, verursacht durch die Rotation des Rotors 106. Zurück zur Formel (6) ist β auf β = 1 gesetzt.
Basierend auf den oben beschriebenen Berechnungen versteht man, dass eine Bedingung T_r > T_f für den Viskositätswiderstand erfüllt sein muss, um stärker als die Reibungskraft zu wirken. Das Drehmoment T_f ist proportional zur vierten Potenz von R und das Drehmoment T_r ist proportional zur dritten Potenz von R. Deshalb kann die oben beschriebene Bedingung erfüllt werden, falls ein ausreichend kleines R gewählt wird.
D. h. die Bedingungen zum Messen der Viskosität einer Flüssigkeit mit einem Viskositätskoeffizienten η werden durch die folgende Formel (7) bestimmt: R < 3 / 2ωηβ / αΔρμg (7)
In vielen Fällen wird ein Zielmaterial (Probe) der Viskositätsmessung durch Modifizieren der Eigenschaften eines bekannten Materials gebildet. Deshalb können die Bedingungen in Bezug auf R durch Ersetzen von η der oben beschriebenen Formel durch einen Viskositätskoeffizienten eines bekannten Materials, das der Probe ähnelt (z. B. ein Material mit einer chemischen Zusammensetzung ähnlich der Probe) oder einen Wert von etwa 110 bis 150% des Viskositätskoeffizienten des bekannten Materials bestimmt werden.
Wenn zum Beispiel η auf η = 10^–3 Pas gesetzt wird unter der Annahme, dass das Erfassungsziel Wasser ist, Δρ auf etwa 2.000 kg/m³ gesetzt wird unter der Annahme, dass der Rotor 106 eine Aluminiumkugel ist, α auf etwa 1/100 gesetzt wird, β auf 1 gesetzt wird und μ auf etwa 0,1 gesetzt wird, ist die Bedingung für R R < 1 mm, wobei die Winkelgeschwindigkeit ω etwa 10 rad/s beträgt, was eine Drehung pro Sekunde erlaubt.
Das auf die Aluminiumkugel ausgeübte Drehmoment T_r ist proportional zu einer Differenz zwischen der Rotationsgeschwindigkeit des Magnetfeldes (Änderungsrate des Magnetfeldes abwechselnd zwischen der x-Richtung und der y-Richtung, während das Paar A und das Paar B abwechselnd erregt werden) und der aktuellen Rotationsgeschwindigkeit der Aluminiumkugel.
Deshalb kann das auf die Kugel ausgeübte Drehmoment T abgeschätzt werden, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Magnetfeldes im Voraus bestimmt wird und die Rotationsgeschwindigkeit der Kugel gemessen wird.
Es ist möglich, bei der Berechnung des Drehmoments T die Formel (4) zu verwenden. Alternativ ist es möglich, eine Kalibrierkurve (Steigung der Standarddaten, die in der Standarddaten-Speichereinheit 110 gespeichert sind) zu verwenden, die man unter Verwendung von Standardproben mit bekannten Viskositäten erhält.
Das so erhaltene Drehmoment T wird durch die folgende Formel (8) ausgedrückt: T = 4 / 3πβR³ωη + 8π / 9αμΔρgR⁴ (8)
Wie durch die Formel gezeigt, wird die Beziehung zwischen dem ausgeübten Drehmoment T und der Winkelgeschwindigkeit ω als eine Grundkurve ausgedrückt, die einen Achsenabschnitt passiert. D. h. wenn die Winkelgeschwindigkeit ω entlang der horizontalen Achse aufgetragen wird und das Drehmoment T entlang der vertikalen Achse aufgetragen wird, kann die Kurve als eine Kurve ausgedrückt werden, welche die vertikale Achse an einem Punkt schneidet, bei dem der zweite Term der Formel (8) den Achsenabschnitt bezeichnet. Das Drehmoment durch die Reibung wird basierend auf dem Achsenabschnitt (zweiter Term der Formel (8)) bestimmt und die Viskosität η (erster Term der Formel (8)) wird basierend auf der Steigung bestimmt. Die Winkelgeschwindigkeit ω kann basierend auf der gemessenen Rotationsfrequenz bestimmt werden.
Eine Steigung der Grundkurve der Formel (8), ausgedrückt durch die Beziehung zwischen der Rotationsfrequenz des Rotors 106 und den Größen proportional zu den Drehmomenten in den durch die Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität gemessenen Standardproben, d. h. das Verhältnis der Änderung des Drehmoments zur Rotationsfrequenz, wird in der Standarddaten-Speichereinheit 110 aufgezeichnet. Diese Daten werden mit einem Viskositätswert für eine Vielzahl von Standardproben mit unterschiedlichen Viskositäten aufgezeichnet.
Bei der Beobachtung der Drehbewegung des Rotors 106 wird die Rotationsfrequenz des Rotors 106 durch Erfassen einer Drehung der Markierung an dem Rotor 106 mittels einer Aufnahmevorrichtung 111, die mit einem Mikroskop ausgestattet ist, wie in 1 dargestellt, gemessen.
Die Messung der Rotationsfrequenz kann auch durch ein anderes Verfahren durchgeführt werden. Zum Beispiel kann als alternatives Verfahren Laserlicht auf den Rotor 106 gerichtet werden und kann eine Veränderung der Reflexion und des Interferenzmusters aufgrund der Rotation optisch gemessen werden. Alternativ kann ein Teil des Rotors 106 durch ein dielelektrisches Material ersetzt werden, um einen Kondensator zu bilden, wenn der Rotor zwischen Elektroden gesetzt ist, und eine Rotationsfrequenz des Rotors 106 kann durch eine periodische Veränderung der Dielektrizitätskonstanten des Kondensators durch die Drehung des Rotors 106 gemessen werden.
Als Alternative zur Beobachtung durch die Aufnahmevorrichtung 111 kann der Behälter 101 aus einem transparenten Material gemacht sein und die Beobachtung kann vom Boden des Behälters 101 durch ein umgedrehtes Mikroskop erfolgen. In diesem Fall kann die Beobachtung durch Zwischensetzen einer dünnen Schicht des Erfassungsziels zwischen die Bodenfläche des Behälters 101 und den unteren Teil des Rotors 106 durchgeführt werden. Deshalb ist es möglich, die Messung selbst dann durchzuführen, wenn das Erfassungsziel ein Material wie beispielsweise ein Tintenmaterial ist, das Licht kaum durchlässt. In diesem Fall ist die Markierung zum Erfassen der Rotationsfrequenz am unteren Teil des Rotors 106 vorgesehen.
Die Periode und die Richtung des Magnetfeldes, das durch die Rotationssteuereinheit 107 auf den Rotor 106 ausgeübt wird, können beliebig verändert werden.
Zum Beispiel ist es durch periodisches Scannen der Richtung des Magnetfeldes und der Rotationsfrequenz möglich, ein periodisches Drehmoment auf den Rotor 106 auszuüben.
Zusätzlich zur Viskosität ist es möglich, gleichzeitig die Elastizität für Materialien wie beispielsweise Gel oder Gummi mit Viskosität und/oder Elastizität oder eine makromolekulare Lösung, bei der eine Elastizität mit Relaxaktion der Viskosität auftritt, zu bestimmen. Die Messung kann basierend auf einer statischen Stellung des Rotors im Material bei einem vorbestimmten Drehmoment durchgeführt werden.
Das Elastizitätsmodul sieht eine Rückstellkraft proportional zur Rotationsverformung wie im Fall einer Federkonstanten vor. Deshalb wird, wenn das Material zusätzlich zur Viskosität eine Elastizität besitzt, die Rückstellkraft durch die Elastizität proportional zur Belastung größer. Deshalb stoppt der Rotor 106 nach einer Drehung bis zu einem bestimmten Ausmaß durch das Gleichgewicht der elastischen Kraft (elastischer Widerstand) und dem durch das Magnetfeld gegebenen Drehmoment.
Die Stärke des auf den Rotor 106 ausgeübten Drehmoments wird durch Verändern der Stärke des sich drehenden Magnetfeldes, das durch die Elektromagneten 102 bis 105 erzeugt wird, und Verändern der Rotationsgeschwindigkeit verändert. Durch Messen einer statischen Gleichgewichtsstellung des Rotors 106 wird der Rotationswinkel von dem Ausgangszustand, bei dem kein Drehmoment auf die statische Stellung ausgeübt wird, erfasst. Der Rotationswinkel ist proportional zum angelegten Drehmoment und der Proportionalitätskoeffizient ist umgekehrt proportional zum Elastizitätsmodul. Basierend auf dieser Beziehung ist es möglich, das Elastizitätsmodul zu bestimmen. In diesem Fall werden wie im Fall der Messung der Viskosität Standardproben bekannter Elastizität verwendet. Der Proportionalkoeffizient wird für jede Standardprobe basierend auf der Beziehung zwischen dem Drehmoment und dem Rotationswinkel bestimmt. Dann kann das Elastizitätsmodul des Erfassungsziels basierend auf dem Verhältnis des für das Zielmaterial (Probe) bestimmten Proportionalitätskoeffizienten und dem für die Standardproben bestimmten Proportionalkoeffizienten bestimmt werden.
Es ist möglich, das Elastizitätsmodul und das Viskositätsmodul gleichzeitig durch zeitliches Verändern des auf den Rotor 106 ausgeübten Drehmoments zu bestimmen.
Wenn zum Beispiel eine Bewegung des Rotors 106 unmittelbar nach einem Aufheben des angelegten Magnetfeldes nach der Anwendung eines vorbestimmten Drehmoments auf den Rotor 106 beobachtet wird, oszilliert der Rotor 106 durch die Elastizität der Probe und die Amplitude der Oszillation wird durch das Viskositätsmodul schwächer.
Elastizitätsmodul und Viskositätsmodul können basierend auf der Amplitude, der Periode und der Dauer der Oszillation des Rotors 106 in dem Zielmaterial bestimmt werden. Es ist zum Beispiel möglich, ein Elastizitätsmodul des Erfassungsziels durch Vergleichen von Amplitude, Periode und Dauer der Oszillation des Rotors 106 im Zielmaterial mit der Amplitude, der Periode und der Dauer der Oszillation des Rotors 106 in einer Standardprobe zu bestimmen.
Durch periodisches Scannen der Richtung des Magnetfeldes und der Rotationsgeschwindigkeit ist es möglich, ein periodisches Drehmoment auf den Rotor 106 auszuüben.
Die Viskosität und/oder die Elastizität können unabhängig bestimmt werden, indem die Amplitude und die Phase der Rotationsoszillation des Rotors 106 bei Verändern der Periode beobachtet werden.
Diese Beobachtung erfasst eine Schwächung nach einem Aufheben des Magnetfeldes als ein Frequenzspektrum. Deshalb ist das Prinzip der Messung das Gleiche wie bei dem oben beschriebenen Verfahren.
Beispiele
Nachfolgend werden praktische Beispiele gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erläutert. Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die nachfolgend erläuterten Beispiele beschränkt ist.
Die nachfolgend beschriebenen Viskositätserfassungsbehandlungen wurden unter Verwendung einer Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität (Vorrichtung zum Messen dynamischer Eigenschaften), wie in 1 dargestellt, ausgeführt.
Ein Glastestrohr mit einem Innendurchmesser von 7 mm und einer Höhe von 7 mm wurde als Behälter 101 verwendet. 0,4 cc reinen Wassers mit 20°C wurde als Probenmaterial (Erfassungsziel) in das Glastestrohr gegossen.
Das reine Wasser hatte eine Viskosität von 1,0 cP. Eine Aluminiumkugel mit einem Durchmesser von 2 mm wurde als Rotor 106 in das reine Wasser eingetaucht.
Als nächstes wurde ein sich drehendes Magnetfeld durch Drehen von zwei Permanentmagneten um den Probenbehälter erzeugt.
Die Drehbewegung der Aluminiumkugel, verursacht durch das durch das sich drehende Magnetfeld erzeugte Drehmoment, wurde durch eine Aufnahmevorrichtung 110 erfasst und das Bild wurde auf einem Videoband aufgezeichnet. Danach wurde die Rotationsfrequenz der Aluminiumkugel durch Bildverarbeitung mittels eines Computers (Bildverarbeitungseinheit 109) bestimmt. D. h. während einer Veränderung der Rotationsgeschwindigkeit des sich drehenden Magnetfeldes wurde die Rotationsgeschwindigkeit der Aluminiumkugel gemessen.
2 zeigt ein Diagramm der Beziehung zwischen der Rotationsfrequenz der Aluminiumkugel und der Differenz (Parameter proportional zum Drehmoment) zwischen der Rotationsgeschwindigkeit des sich drehenden Magnetfeldes und der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 106. Wie oben beschrieben, ist die Differenz der Rotationsgeschwindigkeit zwischen dem Magnetfeld und dem sich drehenden Körper proportional zu dem in der Aluminiumkugel erzeugten Drehmoment.
Deshalb drückt die vertikale Achse der Figur eine Größe proportional zum Drehmoment aus. Die Beziehung ist in Form einer Grundfunktion, dargestellt durch die Formel (8), dargestellt. Deshalb wird die Viskosität durch die Steigung des ersten Terms bestimmt und wird die Reibungskraft durch den Achsenabschnitt (der vertikalen Achse), dargestellt durch den zweiten Term, bestimmt.
Weiter wurde die oben beschriebene Funktionsweise unter Verwendung der in 1 dargestellten Messvorrichtung dynamischer Eigenschaften ausgeführt. Ein Glastestrohr mit einem Innendurchmesser von 7 mm und einer Höhe von 7 mm wurde als Behälter 101 verwendet. 0,4 cc einer wässrigen Lösung Rohrzucker von 30 Gewichtsprozent wurde als Probenmaterial (Erfassungsziel) in das Glastestrohr gegossen. Die wässrige Lösung hatte eine Viskosität von 3,2 cP. Eine Aluminiumkugel von 2 mm Durchmesser wurde als Rotor in die wässrige Lösung eingetaucht. Als nächstes wurde durch Drehen von zwei Permanentmagneten um den Probenbehälter 101 ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt.
Die Drehbewegung der Aluminiumkugel, verursacht durch das durch das sich drehende Magnetfeld erzeugte Drehmoment, wurde durch eine Aufnahmevorrichtung 111 erfasst und das Bild wurde auf einem Videoband aufgezeichnet. Danach wurde die Rotationsfrequenz der Aluminiumkugel durch eine Bildverarbeitung mittels eines Computers (Bildverarbeitungseinheit 109) bestimmt. D. h. während einer Änderung der Rotationsgeschwindigkeit des sich drehenden Magnetfeldes wurde die Rotationsgeschwindigkeit der Aluminiumkugel gemessen.
3 zeigt ein Diagramm einer Beziehung zwischen der Rotationsfrequenz des sich drehenden Körpers und der Differenz zwischen der Rotationsgeschwindigkeit des sich drehenden Magnetfeldes und der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 106.
Im Vergleich zu dem reinen Wasser in 2 zeigt das Diagramm eine große Steigung aufgrund der großen Viskosität der wässrigen Lösung von Rohrzucker.
Die Rotationsfrequenz des sich drehenden Magnetfeldes am Achsenabschnitt betrug etwa 0,4 Umdrehungen/Sekunde. Dieser Wert ist im Wesentlichen in der gleichen Größenordnung wie 1 Umdrehung/Sekunde, d. h. eine reibungskraft-konsistente Rotationsfrequenz abgeleitet aus Formel (7) unter Annahme einer Viskosität von 3 cP und einem Durchmesser sich drehenden Körpers von 2 mm. Somit ist die Effizienz des Prinzips der Erfindung bestätigt.
Das Verhältnis der Steigung von 2 und der Steigung von 3 betrug 3,26, was mit dem praktischen Verhältnis der Viskositäten von 3,2 konsistent ist. Deshalb erkennt man, dass eine Viskosität in der Größenordnung von 1 cP präzise gemessen werden kann.
Zusätzlich erkennt man basierend auf den Ergebnissen, dass die Viskosität eines Zielmaterials durch Bestimmen eines Verhältnisses von Steigungen des Drehmoments zur Rotationsfrequenz im Zielmaterial und einem Standardmaterial und Multiplizieren einer Viskosität der Standardprobe mit dem Verhältnis abgeschätzt werden kann.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Viskosität und/oder die Elastizität einer kleinen Probenmenge mit hoher Genauigkeit zu messen. Dabei ist es möglich, den Behälter und den Rotor in Kontakt mit der Probe unter Verwendung kommerzieller, kostengünstiger Artikel als Wegwerfgegenstände auszubilden. Deshalb ist es möglich, den Einfluss einer Verunreinigung durch die andere Probe perfekt zu beseitigen, während die für die Vorrichtung erforderlichen Kosten reduziert werden. Außerdem ist es möglich, eine Nachbehandlung in Bezug auf das Entsorgen der Probe einfach und sicher durchzuführen.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität weist auf: einen elektrisch leitfähigen Rotor; einen Behälter, der eine Probe und den Rotor derart enthält, dass der Rotor in der Probe angeordnet ist; eine Magneteinheit, die in der Umgebung des Behälters angeordnet ist und auf den Rotor ein Magnetfeld ausübt; eine Rotationssteuereinheit, welche die Magneteinheit antreibt, um ein sich drehendes Magnetfeld auf den Rotor auszuüben, um so in dem Rotor einen Induktionsstrom zu induzieren und den Rotor durch Versehen des Rotors mit einem Drehmoment, verursacht durch die Lorentz'sche Wechselwirkung zwischen dem Induktionsstrom und dem auf den Rotor ausgeübten Magnetfeld, zu drehen; eine Rotationserfassungseinheit, welche die Rotation des Rotors erfasst; und eine Erfassungseinheit dynamischer Eigenschaften, welche die Viskosität und/oder die Elastizität der Probe in Kontakt mit dem Rotor basierend auf dem Drehmoment und der Drehbewegung erfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008-116359 [0002]
JP 2005-69872 [0005]

Claims

Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität, mit einem elektrisch leitfähigen Rotor; einem Behälter, der eine Probe und den Rotor derart enthält, dass der Rotor in der Probe angeordnet ist; einer Magneteinheit, die in der Umgebung des Behälters angeordnet ist und auf den Rotor ein Magnetfeld ausübt; einer Rotationssteuereinheit, welche die Magneteinheit antreibt, um ein sich drehendes Magnetfeld auf den Rotor auszuüben, um so in dem Rotor einen Induktionsstrom zu induzieren und den Rotor durch Versehen des Rotors mit einem Drehmoment, das durch die Lorentz'sche Wechselwirkung zwischen dem Induktionsstrom und dem auf den Rotor ausgeübten Magnetfeld verursacht wird, zu induzieren; einer Rotationserfassungseinheit, welche die Rotation des Rotors erfasst; und einer Erfassungseinheit dynamischer Eigenschaften, welche die Viskosität und/oder die Elastizität der Probe in Kontakt mit dem Rotor basierend auf dem Drehmoment und der Drehbewegung erfasst.
Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität nach Anspruch 1, bei welcher die Rotationserfassungseinheit eine Rotationsfrequenz des Rotors erfasst und die Erfassungseinheit dynamischer Eigenschaften die Viskosität der Probe basierend auf dem Drehmoment und der Rotationsfrequenz erfasst.
Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität nach Anspruch 1, bei welcher die Rotationserfassungseinheit einen Rotationswinkel von der statischen Ausgangsstellung des Rotors, bevor er mit dem Drehmoment versehen wird, zu einer statischen Gleichgewichtsstellung des Rotors, an welcher der Rotor durch das Gleichgewicht des Drehmoments und des elastischen Widerstands des Rotors stoppt, erfasst und die Erfassungseinheit dynamischer Eigenschaften die Elastizität der Probe basierend auf dem Drehmoment und dem Rotationswinkel des Rotors erfasst.
Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität nach Anspruch 2, weiter mit einer Speichereinheit, welche Standarddaten speichert, die man durch Vorab-Messen von Beziehungen zwischen Drehmomenten und Rotationsfrequenzen des Rotors in einer Vielzahl von Materialien mit bekannten Viskositäten erhält, wobei die Erfassungseinheit dynamischer Eigenschaften die Viskosität der Probe durch Vergleichen der Standarddaten und einer erfassten Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Rotationsfrequenz des Rotors in einer Probe erfasst.
Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität nach Anspruch 3, weiter mit einer Speichereinheit, die Standarddaten speichert, die man durch Vorab-Messen von Beziehungen zwischen Drehmomenten und Rotationswinkeln des Rotors in einer Vielzahl von Materialien mit jeweils bekannter Elastizität erhält, wobei die Erfassungseinheit physikalischer Eigenschaften die Elastizität der Probe durch Vergleichen der Standarddaten und einer erfassten Beziehung zwischen dem Drehmoment und einem Rotationswinkel des Rotors in einer Probe erfasst.
Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der Rotor mit einer Markierung versehen ist und die Rotationserfassungseinheit die Rotation des Rotors durch Erfassen der Markierung des Rotors erfasst.
Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem wenigstens ein Teil eines Bodenabschnitts des Rotors in Kontakt mit einem Bodenabschnitt einer Innenfläche des Behälters steht und der Bodenabschnitt der Innenfläche des Behälters in Kontakt mit dem Rotor eine ebene Fläche oder eine leicht konkav gekrümmte Fläche ist und der Bodenabschnitt des Rotors eine leicht konvex gekrümmte Fläche hat.
Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher ein Radius des Rotors durch die folgende Formel bestimmt wird: R < 3 / 2ωηβ / αΔρμg wobei R einen Radius des Rotors bezeichnet, g eine Gravitationsbeschleunigung bezeichnet, ω eine Winkelgeschwindigkeit bezeichnet, η einen Viskositätskoeffizienten bezeichnet, Δρ einen Dichteunterschied zwischen dem Rotor und der Probe bezeichnet, μ einen Reibungskoeffizienten zwischen dem unteren Abschnitt des Rotors und dem Bodenabschnitt des Behälters bezeichnet und α und β Koeffizienten bezeichnen.
Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher ein Teilabschnitt oder ein Gesamtabschnitt des Rotors in der Probe einsinkt.
Vorrichtung zum Messen von Viskosität und Elastizität nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die Probe eine Flüssigkeit oder ein weiches Material ist.
Verfahren zum Erfassen von Viskosität und/oder Elastizität, mit den Schritten: Einfüllen einer einer Erfassung von Viskosität und/oder Elastizität zu unterziehenden Probe in einen Behälter und Anordnen eines elektrisch leitfähigen Rotors in der Probe; Anlegen eines Magnetfeldes an den Rotor durch eine Magneteinheit, die in der Umgebung des Behälters angeordnet ist; Steuern einer Drehung des Rotors durch zeitliches Verändern des Magnetfeldes, um in dem Rotor einen Induktionsstrom zu induzieren und den Rotor durch Versehen des Rotors mit einem Drehmoment, verursacht durch die Lorentz'sche Wechselwirkung zwischen dem Induktionsstrom und dem auf den Rotor ausgeübten Magnetfeld, zu drehen; Erfassen einer Rotation des Rotors; und Erfassen einer dynamischen Eigenschaft der Probe, um die Viskosität und/oder die Elastizität der Probe in Kontakt mit dem Rotor basierend auf dem Drehmoment und der Drehbewegung des Rotors zu erfassen.
Verfahren zum Erfassen von Viskosität und/oder Elastizität nach Anspruch 11, bei welchem die Rotationssteuerung ein Drehen des Rotors enthält, die Rotationserfassung ein Erfassen einer Rotationsfrequenz des Rotors enthält und die Viskosität der Probe basierend auf dem Drehmoment und der Rotationsfrequenz erfasst wird.
Verfahren zum Erfassen von Viskosität und/oder Elastizität nach Anspruch 11, bei welchem die Rotationssteuerung ein Drehen des Rotors von einer statischen Ausgangsstellung, bevor er mit dem Drehmoment versehen wird, zu einer statischen Gleichgewichtsstellung, an welcher der Rotor durch das Gleichgewicht des Drehmoments und des elastischen Widerstands der Probe stoppt, enthält; die Rotationserfassung ein Erfassen eines Rotationswinkels von der statischen Ausgangsstellung zur statischen Gleichgewichtsstellung enthält; und die Erfassung dynamischer Eigenschaften ein Erfassen der Elastizität der Probe in Kontakt mit dem Rotor basierend auf dem Drehmoment und dem Rotationswinkel des Rotors enthält.
Verfahren zum Erfassen von Viskosität und/oder Elastizität nach Anspruch 12, weiter mit einem Vorbereiten von Standarddaten, die man durch Vorab-Messen von Beziehungen zwischen Drehmomenten und Rotationsfrequenzen des Rotors in einer Vielzahl von Materialien mit bekannten Viskositäten erhält, wobei die Viskosität der Probe durch Vergleichen der Standarddaten und einer Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Rotationsfrequenz des Rotors in der Probe erfasst wird.
Verfahren zum Erfassen von Viskosität und/oder Elastizität nach Anspruch 13, weiter mit einem Vorbereiten von Standarddaten durch Vorab-Messen von Beziehungen zwischen Drehmomenten und Rotationswinkeln des Rotors in einer Vielzahl von Materialien mit bekannten Elastizitäten, wobei die Elastizität der Probe durch Vergleichen der Standarddaten mit einer erfassten Beziehung zwischen dem Drehmoment und einem Rotationswinkel des Rotors in einer Probe erfasst wird.
Verfahren zum Erfassen von Viskosität und/oder Elastizität nach einem Ansprüche 11 bis 15, bei welchem das Magnetfeld als ein sich drehendes Magnetfeld gesteuert wird, wobei eine horizontale Richtung des Magnetfeldes sich mit der Zeit dreht.
Verfahren zum Erfassen von Viskosität und/oder Elastizität nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei welchem der Rotor aus einem Material mit einem spezifischen Gewicht größer als ein spezifisches Gewicht der Probe gemacht ist.