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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Viskositätsmessvorrichtung zur Messung der Viskosität von Materialien mittels eines Rotors.
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Stand der Technik
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Die Messung der Viskosität eines Materials ist eine unverzichtbare Technik zur Qualitätskontrolle, Leistungsauswertung, Materialkontrolle, Forschung und Entwicklung bei Verfahren zur Herstellung von Medikamenten, Lebensmitteln, Beschichtungen, Tinten, Kosmetika, Chemikalien, Papier, Klebstoffen, Fasern, Kunststoffen, Bier, Detergenzien, Betonzusatzmitteln und Silikon oder dergleichen. Als Verfahren zur Messung der Viskosität eines derartigen Produkts existiert ein Verfahren unter Verwendung eines Kapillarrohrs, ein Verfahren, bei dem ein Oszillator eine Probe berührt, ein Verfahren unter Verwendung eines Rotors und so weiter.
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Aus der Druckschrift
DE 11 2009 001 023 T5 ist eine Vorrichtung zum Messen von Viskosität und/oder Elastizität mit einem elektrisch leitfähigen Rotor bekannt. Hierbei sind Elektromagnete in der Umgebung (Umfang) eines Behälters angeordnet. Ein Paar A der Elektromagnete ist in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Behälters in einer Linie mit denn Behälter dazwischen angeordnet. Ein Paar B der Elektromagnete ist in der gleichen Ebene wie das Paar A in einer Linie senkrecht zur Ausrichtung des Paares A mit dem Behälter dazwischen angeordnet. Das rotierende Magnetfeld ist also um den Behälter herum angeordnet und das Magnetfeld wirkt somit von einer Außenseite des Behälters auf den Rotor.
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Die japanische Patentanmeldung
JP S63-12 936 A bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen von Viskosität, Die JP S63-12 936 A weist keinen Magneten mit einem N-Pol und S-Pol, bestehend aus bandartigen Bereichen, auf, die parallel zueinander in einer Ebene in einem bestimmten Abstand von einer Rotationsebene eines Rotors in Richtung der Rotationsachse des Rotor sind.
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Aus der
DE 11 2012 002 120 T5 ist D3 bezieht sich auf eine Viskosität-/Elastizität-Messvorrichtung, welche ausgestaltet ist, Viskosität und Elastizität zu messen, welche mechanische Eigenschaften eines Materials sind, und auf deren Messverfahren. Hierbei weist die DE 11 2012 002 120 T5 einen schwebenden Rotor aus einem Material, welches einen Leiter aufweist, der in Form einer Platte gebildet ist und der eine kreisförmige Gestalt ausweist, wenn er von oben betrachtet wird, und der ausgestaltet ist, auf der Oberfläche des zu messenden Materials der Messung zu schweben” auf.
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In der Druckschrift
GB 2417564 wird nur ein System zur Feststellung einer Winkel- und Radialposition eines Rotors offenbart, jedoch keine Viskosität-Messvorrichtung.
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Schließlich ist der Druckschrift
US 2010 0008182 A1 ein Magnetmischsystem entnehmbar und keine Viskosität-Messvorrichtung.
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Eines der Verfahren unter Verwendung eines Rotor unter den vorgenannten Verfahren ist in einer nachfolgend genannten Patentliteratur 1 offenbart. Die Technik ist so konfiguriert, dass ein leitfähiger Rotor (sphärisch) in einen Probenbehälter enthaltend eine Probenflüssigkeit gesenkt wird, und ein rotierendes Magnetfeld auf den Rotor von außerhalb des Probenbehälters aufgebracht wird. Beim Aufbringen des drehenden Magnetfelds, wird der elektrische Strom in dem Rotor von dem rotierenden Magnetfeld angeregt. Der Rotor dreht sich aufgrund der Wechselwirkung der Lorentz-Kraft zwischen dem elektrischen Strom und dem rotierenden Magnetfeld, mit dem der Rotor beaufschlagt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Drehgeschwindigkeit des Rotors niedriger als die Drehzahl des rotierenden Magnetfelds in Abhängigkeit von der Viskosität der Probenflüssigkeit. Die Viskosität kann durch eine solche Verzögerung der Drehgeschwindigkeit berechnet werden. D. h., eine Beziehung der Drehgeschwindigkeit des Rotors und der Differenz zwischen Drehgeschwindigkeit des Rotors und der Drehzahl des rotierenden Magnetfelds kann durch eine lineare Gleichung ausgedrückt werden und eine Steigung der linearen Gleichung ergibt die Viskosität.
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Zitierliste
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Patentliteratur
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- Patentliteratur 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, offengelegte Veröffentlichung Nr. 2009-264982
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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Die in der Patentliteratur 1 offenbarte Technik ist jedoch so konfiguriert, um das rotierende Magnetfeld auf den Rotor durch eine Seitenfläche des Probenbehälters aufzubringen. Mit anderen Worten wird das rotierende Magnetfeld durch Elektromagnetenpaare oder Dauermagnetpaare auf einer Rotationsebene des Rotors erzeugt. In ersterem Fall wird das rotierende Magnetfeld erzeugt, wenn jedes Paar von gegenüberliegenden Elektromagneten, die mit zwischen gefügtem Rotor angeordnet sind, nacheinander erregt wird, indem eine unterschiedliche Polarität auf jeden Elektromagneten des Elektromagnetenpaars aufgebracht wird. Bei letzterem wird ein Paar von Permanentmagneten in der Rotationsebene in Drehung versetzt, wobei die Permanentmagnete mit zwischen gefügtem Rotor angeordnet sind, in einem Zustand, dass die jeweiligen Magneten in gegenüberliegender Position eine unterschiedliche Polarität aufweisen. In beiden Konfigurationen ist es erforderlich, die Vielzahl der Elektromagneten oder der Permanentmagneten (im Folgenden einfach als ”Magnete” bezeichnet) in der gleichen Ebene anzuordnen. Da der Probenbehälter zwischen den gegenüber liegenden Magneten angeordnet ist, ist es schwer den Abstand der einander gegenüberliegen Magnete zu verringern. Daher benötigt die Viskositätsmessvorrichtung einen relativ großen Bereich und relativ große Abmessungen, und die Form des Probenbehälters für die Messung ist begrenzt ist, da der Probenbehälter zwischen den einander zugewandt Magneten angeordnet ist.
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Beim Erhalten der Temperaturabhängigkeit der Viskosität der Probe ist es notwendig, die Messung bei Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperatur der Probenflüssigkeit durchzuführen. Unter der in der Patentliteratur 1 offenbarten Konfiguration ist es jedoch schwierig, ein Temperaturregelsystem nur um den Probenbehälter anzuordnen, so dass das Temperaturregelsystem um die gesamte Vorrichtung angeordnet werden muss. Wie oben beschrieben, sind die Abmessungen der Viskositätsmessvorrichtung relativ groß, so dass eine große Vorrichtung für das Temperaturregelsystem notwendig ist. Zusätzlich dauert die Messung zur Gewinnung der Temperaturabhängigkeit eine sehr lange Zeit, da die Abmessungen, die der Temperaturregelung unterzogen werden in einer solchen Vorrichtung groß sind.
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Die vorliegende Erfindung wird in Hinblick auf die Probleme im Stand der Technik wie oben beschrieben vorgeschlagen, und verfolgt den Zweck, eine Viskositätsmessvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die verkleinert ist und eine vergleichsweise hohe Gestaltungsfreiheit bei der Form des Probenbehälters aufweist.
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Lösung des Problems
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Die oben genannte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Viskositätsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung weist einen Probenbehälter. einen leitfähigen Rotor, einen Magneten, eine fluktuierende Magnetfeld-Antriebseinheit, und eine Viskositätserfassungseinheit auf. Der Probenbehälter enthält eine Probenflüssigkeit. Der leitfähige Rotor ist in die Probenflüssigkeit im Probenbehälter eingetaucht. Der Magnet ist an einem spezifischen Abstand von einer Rotationsebene des Rotors in einer Richtung einer Drehachse des Rotors angeordnet, um dem Probenbehälter zugewandt zu sein. Der Magnet beaufschlägt den Rotor mit einem Magnetfeld von der Außenseite des Probenbehälters. Die fluktuierende Magnetfeld-Antriebseinrichtung treibt den Magneten an, um das mit der Zeit fluktuierende Magnetfeld auf den Rotor aufzubringen. Ein induzierter Strom wird in dem Rotor durch das fluktuierende Magnetfeld erregt. Ein Drehmoment wird durch die Lorentz Wechselwirkung zwischen dem induzierten Strom und dem fluktuierenden Magnetfeld auf den Rotor ausgeübt. Im Ergebnis rotiert der Rotor in der Rotationsebene. Die Viskositätserfassungseinheit erhält die Viskosität der Probenflüssigkeit basierend auf einem Drehzustand des Rotors und einem zeitlich schwankenden Zustand des fluktuierenden Magnetfelds. Daneben kann der Magnet als Permanentmagnet oder Elektromagnet ausgebildet sein. Im Fall der Permanentmagnete wird das fluktuierende Magnetfeld durch eine Bewegung des Permanentmagneten erzeugt. Im Falle des Elektromagneten wird das fluktuierende Magnetfeld durch Steuern des anzulegenden Stroms an den Elektromagneten erzeugt. Als das fluktuierende Magnetfeld, zum Erzeugen des Drehmoments auf den Rotor, kann ein rotierendes Magnetfelds eingesetzt werden.
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Bei der Viskositäts-Messvorrichtung umgibt der Magnet nicht den Probenbehälter, sondern ist in einem bestimmten Abstand von der Rotationsebene des Rotors in der Richtung der Rotationsachse des Rotors angeordnet, so dass er auf den Probenbehälter hin ausgerichtet ist. Insbesondere ist der Magnet an einer Seite an dem Probenbehälter platziert, so dass ein eingenommener Bereich (footprint – Ausleuchtzone) oder Abmessungen der Vorrichtung, gemäß der vorliegenden Erfindung, wesentlich verringert werden können verglichen mit der konventionellen Vorrichtung. Bei der Konfiguration gemäß dieser Erfindung ist es möglich, die Viskosität einer Probenflüssigkeit, die in einem beliebig geformten Probenbehälter enthalten ist, zu detektieren. Beispielsweise ist es möglich, die Viskosität eines flüssigen Materials oder eines in einem Rohr einer Fertigungslinie einer Fabrik strömende Flüssigprodukt on-line, d. h. kontinuierlich zu detektieren. Der Magnet ist nicht den Probenbehälter umgebend angeordnet, so dass ein Temperaturregelsystem nur den Probenbehälter umgebend angeordnet werden kann. D. h., es ist möglich, die Viskositätsmessvorrichtung mit dem Temperaturregelsystem so zu konfigurieren, dass sie kompakter ist und die Temperatur in einer kürzeren Zeit als die herkömmlichen Vorrichtungen regeln kann.
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Die oben erwähnte Viskositäts-Messvorrichtung kann in einer Konfiguration arbeiten, in der der Magnet eine Magnetfeldlinie parallel zu der Rotationsebene des Rotors in der Rotationsebene erzeugt. In der Beschreibung impliziert der Terminus ”parallel” nicht nur einen perfekt parallelen Fall, sondern auch einen im Wesentlichen parallelen Fall. Durch eine solche Konfiguration kann das Drehmoment an dem Rotor wirkungsvoll bereitgestellt werden. Beispielsweise ist es möglich die Magneten mit N-Pol und S-Pol bestehend aus bandartigen Bereichen parallel zueinander auf einer Ebene in einem bestimmten Abstand von der Rotationsebene des Rotors in der Richtung der Rotationsachse des Rotors zu benutzen.
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Die Viskositäts-Messvorrichtung kann ferner ein Gehäuse zum Lager des Magnets aufweisen. Dabei ist eine Wandfläche des Gehäuses zwischen dem Probenbehälter und dem Magnet angeordnet. In der Konfiguration ist es leicht möglich eine vorbestimmte Distanz von der Wandoberfläche des Gehäuses zwischen dem Probenbehälter und dem Magneten zu dem Probenbehälter aufrecht zu erhalten. Beispielsweise kann der Probenbehälter derart angeordnet werden, um mit der Wandoberfläche des Gehäuses zwischen dem Probenbehälter und dem Magnet in Berührung zu stehen. In diesem Fall kann der Probenbehälter durch Einstellung eines kleinen Abstandes zwischen dem Magneten und der Wandoberfläche des Gehäuses zwischen dem Probenbehälter und dem Magneten, sehr nahe an dem Magneten platziert sein. D. h., es ist möglich das Magnetfeld wirksam auf den Rotor aufzubringen. Daneben ist es sehr leicht den Probenbehälter einzustellen, wenn die Wandoberfläche des Gehäuses zwischen dem Probenbehälter und dem Magneten eine vertikal nach oben verlaufende Wandfläche des Gehäuses bildet.
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Es ist möglich die Konfiguration zu verwenden, bei der die Wandoberfläche des Gehäuses zwischen dem Probenbehälter und dem Magneten einen Befestigungsabschnitt zum Befestigen an dem Probenbehälter aufweist. In diesem Fall lässt sich der Probenbehälter an einer vorbestimmten Position leicht einstellen, falls der Boden des Probenbehälters eine gekrümmte Oberfläche ist. Die Wandoberfläche des Gehäuses zwischen dem Probenbehälter und dem Magneten kann eine flache Ebene sein. In einem solchen Fall ist es einfach, ein Stützelement zum Einstellen des Probencontainers an der vorbestimmten Position anzuordnen.
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Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Magnet zur Erzeugung des Magnetfeldes an einer Seite gegen den Probenbehälter platziert, so dass der besetzte Bereich und die Abmessungen der Vorrichtung signifikant reduziert werden können, im Vergleich zu konventionellen Vorrichtungen. Da es zudem nicht erforderlich ist, dass der Magnet zur Erzeugung des Magnetfeldes um den Probenbehälter herum angeordnet ist, ist es möglich, einen beliebig geformten Probenbehälter zu verwenden. Es ist leicht möglich, dass eine zusätzliche Einheit, wie ein Temperaturregelsystem, nur um den Probenbehälter herum angeordnet ist.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 zeigt eine schematische Darstellung mit einer Gesamtkonfiguration einer Viskositätsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2(a) und 2(b) zeigen schematische Darstellungen mit Varianten der Viskositätsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt eine schematische Darstellung mit einer Variante der Viskositätsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt eine schematische Darstellung mit einer Variante der Viskositätsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt eine schematische Darstellung mit einer Variante der Viskositätsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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6 zeigt eine schematische Darstellung mit einer Variante der Viskositätsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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7(a) und 7(b) zeigen schematische Querschittsansichten mit einer Variante gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend gemäß den Zeichnungen in Details erläutert. In der Beschreibung wird die Viskositätsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung durch Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes mittels Permanentmagneten realisiert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung mit einer Konfiguration der Viskositätsmessvorrichtung in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform. Wie in 1 gezeigt, stellt die Viskositätsmessvorrichtung 100 einen Probenbehälter 1, einen Rotor 2, einen Magnet 3 (Magnete 3a, 3b), eine fluktuierende Magnetfeldantriebseinheit 4 und eine Viskositätserfassungseinheit 9 zur Verfügung.
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Der Probenbehälter enthält eine zu messende Probenflüssigkeit 8. Ein Material des Probenbehälters 1 ist insofern nicht begrenzt, wenn das Magnetfeld innerhalb des Behälters durch den Magneten 3 erzeugt wird. In 1 wird ein Quarzglasprüfrohr, dessen Öffnungsende in einer vertikalen Richtung nach oben angeordnet ist, als Probenbehälter 1 verwendet.
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Der Rotor 2 ist aus einem leitenden Material hergestellt und in die Probenflüssigkeit 8 des Probenbehälters 1 eingetaucht. Ein Teil des Rotors 2, der in Kontakt mit dem Probenbehälter 1 ist, hat wünschenswert eine konvex gebogene Fläche. Der Rotor 2 dieser Ausführungsform hat einen Radius, der kleiner ist als ein Krümmungsradius am Boden der Teströhre, die dem Probenbehälter 1 entspricht, und ist aus einer Aluminium-Kugel hergestellt. Der Rotor 2 ist in dem Probenbehälter 1 so angeordnet, dass ein Teil oder die Gesamtheit des Rotors 2 in die Probenflüssigkeit 8 eingetaucht ist. In 1 wird die Rotationsebene des Rotors 2 parallel zu einer oberen Oberfläche der Probenflüssigkeit 8, die in dem Probenbehälter 1 aufgenommen ist, da der Rotor 2 um die vertikale Achse rotiert.
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Der Magnet 3, bestehend aus Permanentmagneten, unterhalb gegenüber dem Probenbehälter 1 angeordnet, und beaufschlagt den Rotor 2 von der Außenseite des Probenbehälters 1 mit einem Magnetfeld. In dieser Ausführungsform umfasst der Magnet 3 einen Magneten 3a mit S-Pol gegenüber dem Probenbehälter 1 und einen Magneten 3b mit N-Pol gegenüber dem Probenbehälter 1. Eine ebene Oberfläche des Magneten 3a (S-Pol) gegenüber dem Probenbehälter 1 und eine ebene Oberfläche des Magneten 3b (N-Pol) gegenüber dem Probenbehälter 1 sind so angeordnet, dass sie parallel mit der Rotationsebene des Rotors 2 sind.
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Die Magnete 3a und 3b sind in Draufsicht in einer bandartigen Form und auf einem Drehtisch 30 befestigt und rotieren in einer Ebene parallel zu der Rotationsebene des Rotors 2. Der Probenbehälter 1 ist so eingestellt, dass eine Rotationsachse des Drehtisches 30 identisch mit einer Mittelachse der Teströhre ist, die dem Probenbehälter 1 entspricht, und dass die rechteckigen quaderförmigen Magnete 3a und 3b symmetrisch zu einer Ebene, einschließlich der Rotationsachse, angeordnet sind. Durch die Anordnung der Magnete 3a und 3b in dieser Art, erzeugt der Magnet eine Magnetfeldlinie auf der Rotationsebene des Rotors 2 und verläuft die Magnetfeldlinie parallel zu der Rotationsebene des Rotors 2. Insbesondere ist bei dieser Ausführungsform nicht beschränkt, dass Längsseiten der Magnete 3a und 3b parallel zur genannten Ebene, einschließlich der Rotationsachse des Drehtisches 30, verlaufen.
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Die Ausführungsform ist insbesondere darin nicht begrenzt, dass ein Probentisch 6 in Kontakt mit dem Probenbehälter 1 platziert wird und so zwischen dem Magneten 3 und dem Probenbehälter 1 angeordnet wird, dass ein Abstand zwischen dem Magneten 3 und dem Rotor 2 immer festgelegt ist. Der Probentisch 6 kann aus einem Material bestehen, dass den Magneten 3 nicht davon abhält, das Magnetfeld auf den Rotor 2 aufzubringen, zum Beispiel wie nicht-magnetische Materialien oder dünne magnetische Materialien. Die obere Oberfläche des Probentisches 6 ist parallel zu der Rotationsebene des Rotors 2 und der Rotationsebene des Drehtisches 30. Mit einer solchen Konfiguration ist es möglich, den Magneten nahe dem Probenbehälter 1, durch Reduzieren eines Abstands zwischen dem Probentisch 6 und dem Magneten 3, anzuordnen. Es ist also möglich das Magnetfeld effektiv auf den Rotor 2 aufzubringen.
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Die fluktuierende Magnetfeldantriebseinheit 4 treibt den Magneten 3 an, zum Aufbringen des mit der Zeit fluktuierenden Magnetfeldes auf den Rotor 2. Die fluktuierende Magnetfeldantriebseinheit umfasst in dieser Ausführungsform einen Motor 4 mit einer Rotationsantriebsachse 5, die auf der gleichen Achse wie die Rotationsachse des Drehtisches 30 angeordnet ist. Dadurch verleiht die fluktuierende Magnetfeldantriebseinheit 4 in dieser Ausführungsform dem Rotor 2 ein magnetisches Drehfeld wie das fluktuierende Magnetfeld.
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Der induzierte Strom wird im Rotor 2 von dem rotierenden Magnetfeld angeregt. Durch die Lorentz Wechselwirkung zwischen dem induzierten Strom und dem rotierenden Magnetfeld wird das Rotationsmoment für den Rotor 2 zur Verfügung gestellt, und dadurch rotiert der Rotor 2. Diese Ausführungsform wird dadurch nicht eingeschränkt in dem ein Beispiel gezeigt wird, bei dem die Rotationsachse des Rotors 2 identisch mit der Rotationsachse des Drehtisches 30 ist.
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Die Viskositätserfassungseinheit 9 ermittelt die Viskosität der Probenflüssigkeit 8, basierend auf einem Drehzustand des Rotors 2 und eines zeitlich fluktuierenden Zustands des fluktuierenden Magnetfelds. Der Rotationszustand des Rotors 2 kann durch eine CCD (Charge Couplet Devise) Kamera 7 ermittelt werden, die oberhalb des Probenbehälters 1 angeordnet ist. Eine Bildverarbeitungseinheit 11 verarbeitet Bilder, die den Rotationszustand des Rotors 2, ermittelt durch die CCD Kammera 7, zeigen und daraus kann die Anzahl der Umdrehungen des Rotors 2 berechnet werden. Beispielsweise zählt die Bildverarbeitungseinheit 11 die Anzahl der Umdrehungen des Rotors 2 durch Erkennen einer Markierung auf einer Oberseite des Rotors 2.
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Der zeitfluktuierende Zustand des fluktuierenden Magnetfelds kann als die Anzahl an Umdrehungen des rotierenden Magnetfeldes ermittelt werden. Die Anzahl an Umdrehungen des rotierenden Magnetfeldes ist identisch mit der Anzahl an Umdrehungen der Rotationsantriebsachse 5. Entsprechend kann die Anzahl an Umdrehungen des rotierenden Magnetfelds aus der Anzahl an Umdrehungen des Motors der fluktuierenden Magnetfeldantriebseinheit 4 oder aus der Anzahl an Umdrehungen des Drehtisches 30 ermittelt werden. Obwohl die Anzahl an Umdrehungen des rotierenden Magnetfelds mittels Bildverarbeitung in der gleichen Weise wie die Anzahl der Umdrehungen des Rotors 2 ermittelt werden kann, wurde diese Ausführungsform so konfiguriert, dass die Anzahl von Umdrehungen des rotierenden Magnetfelds von einer Antriebssteuerung 12 zum Steuern der Anzahl von Umdrehungen der fluktuierenden Magnetfeldantriebseinheit 4 ermittelt wird.
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Die Viskositätserfassungseinheit 9 ermittelt die Anzahl der Umdrehungen des Rotors 2 und die Anzahl der Umdrehungen des rotierenden Magnetfeldes aus der Bildverarbeitungseinheit 11 und der Antriebssteuerung 12, und berechnet die Viskosität der Probenflüssigkeit 8 basierend auf der erhaltenen Umdrehungszahlen des Rotors 2 und des rotierenden Magnetfeldes. Für die Berechnung der Viskosität wird die Verzögerung in der Drehgeschwindigkeit des Rotors 2 gegenüber der Drehzahl des rotierenden Magnetfelds, hervorgerufen durch die Viskosität der Probenflüssigkeit verwendet. D. h., basierend auf einer Beziehung der Drehgeschwindigkeit des Rotors 2 und der Differenz zwischen der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 2 und der Drehzahl des rotierenden Magnetfelds, kann die Beziehung durch eine lineare Gleichung ausgedrückt werden, bei der ein Anstieg der linearen Gleichung die Viskosität definiert. Die Viskosität der Probenflüssigkeit 8 kann als ein Produkt der Viskosität einer Standardprobe (eine Beispielflüssigkeit mit einer bekannten Viskosität) und eines Verhältnisses des Anstiegs bezüglich der Probenflüssigkeit 8 und des zuvor erhaltenen Anstiegs bezüglich der Standardprobe gefunden werden. Dieses Viskositätsberechnungsverfahren entspricht herkömmlichen Verfahren, die im Detail hierbei nicht erläutert werden. Hinsichtlich der oben genannten Konfiguration, kann die Viskositätserfassungseinheit 9, die Bildverarbeitungseinheit 11 und die Antriebssteuerung 12 zum Beispiel durch eine Exklusiv-Verwendungsberechnungsschaltung realisiert werden, oder einer Hardware mit einem Prozessor und Speicher wie RAM (Random Access Memory) oder ROM (Read Only Memory) usw. und gespeicherter Software in den Speichern und Betrieb durch den Prozessor.
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In dem Viskositätsmessgerät 100 umgibt der Magnet nicht einen Umfang des Probenbehälters 1, ist aber an einer Seite an dem Probenbehälter 1 angeordnet. Entsprechend ist es möglich, eine belegte Fläche (footprint) oder Abmessungen der Vorrichtung gegenüber einer konventionellen Vorrichtung erheblich zu reduzieren.
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Da der Magnet nicht an dem Umfang des Probenbehälters 1 angeordnet ist, selbst wenn die Probenflüssigkeit in dem Behälter mit irgendeiner Form enthalten ist, kann die Viskosität ermittelt werden. Des Weiteren kann das Temperaturregelsystem nur am Umfang des Probenbehälters angeordnet werden, da der Magnet nicht am Umfang des Probenbehälters 1 angeordnet ist. Dadurch kann die Viskositätsmessvorrichtung mit dem Temperaturregelsystem als eine Vorrichtung realisiert werden, die kompakt ist und die Temperatur in einer kurzen Zeit gegenüber der konventionellen Vorrichtung regeln kann. Außerdem kann der Magnet 3 aus einem Elektromagneten bestehen. 2(a) und 2(b) sind schematische Konfigurationsdiagramme, die eine Konfiguration zeigen, bei der ein Elektromagnet verwendet wird, der dem Rotor 2 das fluktuierende Magnetfeld zur Verfügung stellt. 2(a) ist eine Draufsicht und 2(b) eine Seitenansicht. In 2(a) werden die Außenformen des Probenbehälters 1 und des Rotors 2 als eine unterbrochene Linie dargestellt.
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Wie in 2(a) und 2(b) gezeigt werden zwei Paare der Elektromagnete 13 und 14 unterhalb und gegenüber dem Probenbehälter 1 angeordnet. Das Elektromagnetenpaar 13 ist ein Paar von Elektromagneten 13a und 13b, die so angeordnet sind, um die Rotationsachse des Rotors 2 dazwischen zu positionieren, so dass sie einander zugewandt sind. Auf die gleiche Weise ist das Elektromagnetenpaar 14 ein Paar von Elektromagneten 14a und 14b, die so angeordnet sind, um die Rotationsachse des Rotors 2 dazwischen zu positionieren, so dass sie einander zugewandt sind. Wie in 2(a) gezeigt, zeigt diese Ausführungsform in der Draufsicht, dass die Anordnungsrichtung des Elektromagnetenpaar 13 senkrecht zu der Anordnungsrichtung des Elektromagnetenpaars 14 ist.
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Die Elektromagnete 13a, 13b, 14a und 14b sind mit einer Spule gewickelt, um das Magnetfeld entlang der Rotationsachse des Rotors 2 (die Mittelachse der Teströhre in dem Probenbehälter 1) zu erzeugen und ein einziger magnetischer Pol wird auf jeder Oberfläche (Oberseite) der Elektromagnete 13a, 13b, 14a und 14b erzeugt, gegenüber dem Probenbehälter 1. Die Elektromagnete schaffen ein Paar von Elektromagneten, die zur gleichen Zeit mit dem Strom beaufschlagt werden. Wenn die Elektromagnete ein Paar Elektromagnete geschafft haben, die mit Strom beaufschlagt werden, dann wird ein Magnetfeld mit entgegengesetzter Polarität auf jedem Elektromagneten erzeugt.
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Beispielsweise, wenn Strom an dem Elektromagnetenpaar 13 angelegt wird, wenn die Oberfläche des Elektromagneten 13a gegenüber dem Probenbehälter 1 ein N-Pol ist, dann wird die Oberfläche des Elektromagneten 13b gegenüber dem Probenbehälter 1 ein S-Pol.
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In dieser Konfiguration schließt die fluktuierende Magnetfeldantriebseinheit 4 eine Stromquelle zum Steuern des anzulegenden Stroms zu den jeweiligen Elektromagnetenpaaren 13 und 14 ein. Die Antriebssteuerung 12 steuert den Zeitpunkt des Anbringens des Stromes zu den jeweiligen Elektromagnetenpaaren 13 und 14. Die Antriebssteuerung 12 legt den Antriebsstrom entsprechend an die Elektromagnetenpaare 13 und 14 an, der verschiedene Schwankungen über der Zeit aufweist. Wenn zum Beispiel eine Sinuswellen-Stromschwingung bei der Frequenz f, I = I0sin (2π ft) an dem Elektromagnetenpaar 13 anliegt, darin liegt an dem Elektromagnetpaar 14 eine Cosinuswellen-Stromschwingung bei der Frequenz f, I = I0cos (2π ft) an. Hierbei bezeichnet I0 eine Konstante und t die Zeit. Durch diese Ausgestaltung kann das rotierende Magnetfeld wie die Konfiguration zum Drehen des Drehtisches 30 erzeugt werden.
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Die Anzahl der Umdrehungen des Rotor 2 kann durch jedes beliebige Verfahren detektiert werden, nicht nur das vorstehende. Beispielsweise ist das optische Erfassen der Änderung der Reflektion und der Interferenzmuster aufgrund der Drehung durch Bestrahlen des Rotors 2 mit Laserstrahlen möglich. Die Anzahl der Umdrehungen des rotierenden Magnetfelds kann in gleicher Weise detektiert werden.
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In 1 wird die Anzahl der Umdrehungen des Rotors 2 von einer oberen Seite des Probenbehälters 1 erfasst, aber die Anzahl der Umdrehungen kann auch von einer unteren Seite des Behälters 1 detektiert werden, von einer Seite des Probentisches 6 aus. 3 und 4 sind schematische Darstellungen, die eine Konfiguration zum Erfassen der Anzahl der Umdrehungen des Rotors 2 von der Seite des Probentischs 6 aus zeigen. Die Konfiguration nach 3 und 4, die Permanentmagnete erläutert gemäß 1 verwendet, wird als Konfiguration zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes herangezogen. Deshalb sind die Elemente mit den gleichen Effekten wie die Elemente in 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen, was aber hier nicht im Detail erläutert wird.
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In 3 ist die Rotationsantriebsachse 5 des Motors, der die fluktuierende Magnetfeldantriebseinheit 4 ist, im Inneren hohl und eine optische Faser 16, die als ein Lichtleiter arbeitet, ist in dem Hohlprofil vorgesehen. Ein Ende der optischen Faser 16 erstreckt sich auf einer Oberfläche des Drehtisches 30 so, dass sie dem in dem Probenbehälter 1 rotierenden Rotor 2 gegenüber ist. Das andere Ende der optischen Faser 16 ist mit einer Rotationserfassungseinheit 15 zum Erfassen der Anzahl der Umdrehungen verbunden, die in einer gegenüberliegenden Position zu dem Drehtisch 30, den Motor dazwischengefügt, der die fluktuierende Magnetfeldantriebseinheit 4 ist, angeordnet ist. Es ist insbesondere dadurch nicht beschränkt, dass die Rotationserfassungseinheit 15 mit einer Licht emittierenden Einheit zum Aussenden eines Laserstrahls 17 zu dem Rotor 2 über die optische Faser 16 und einer Lichtempfangseinheit zum Empfangen des Laserstrahls 17, der von dem rotierenden Rotor 2 über die optische Faser 16 reflektiert wird, ausgestattet ist. Die Rotationserfassungseinheit 15 ermittelt die Anzahl der Drehungen durch Detektieren der Änderung der Reflektion und der Interferenz-Muster aufgrund der Drehung des Rotors 2 an der Lichtempfangseinheit. Bei einer solchen Konfiguration besteht ein Teil des Probentischs 6 und des Probenbehälters 1, die auf dem Pfad des Laserstrahls 17 stehen, aus durchsichtigem Material.
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In 4 ist eine Lichtführung 18 an einer Seite des Probentischs 6 gegenüber der fluktuierenden Magnetfeldantriebseinheit 4 angeordnet. Die Lichtführung 18 ist zwischen dem Probentisch 6 und dem Magnet 3 in einer horizontalen Richtung angeordnet, unmittelbar unterhalb des Rotors 2, der in dem Probenbehälter 1 rotiert, Richtung äußeres Ende des Drehtisches 30 in einer Draufsicht. Das äußere Ende des Drehtisches 30 ist mit der Rotationserfassungseinheit 15 verbunden. Der Laserstrahl 17 wird von der Licht emittierenden Einheit der Rotationserfassungseinheit 15 emittiert, verbreitet durch die Lichtführung 18 in horizontaler Richtung. Zur Reflexion des Laserstrahls 17 in Richtung des Rotors 2 (vertikale Richtung) ist eine reflektierende Fläche unmittelbar unterhalb des sich in dem Probenbehälter 1 drehenden Rotors 2 vorgesehen. Die reflektierende Oberfläche reflektiert den Laserstrahl 17, der durch den rotierenden Rotor 2 reflektiert wird, in Richtung der Lichtempfangseinheit der Rotationserfassungseinheit 15. Die Rotationserfassungseinheit 15 ermittelt die Anzahl der Drehungen durch Detektieren der Änderung der Reflektion und der Interferenz-Muster aufgrund der Drehung des Rotors 2 an der Lichtempfangseinheit. Bei dieser Konfiguration besteht zumindest ein Teil des Probentisches 6 und des Probenbehälters 1, die auf einem Weg des Laserstrahls 17 bestehen, auch aus durchsichtigem Material. Diese Konfiguration kann durch Anordnen der Magnete 3a und 3b in Kontakt miteinander auf dem Drehtisch 30, wie in 4. gezeigt, realisiert werden. Diese Anordnung ist sehr wirksam zum Reduzieren des Platzbedarfs des Viskositätsmessgerät.
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In der genannten Anordnung zum Erfassen der Anzahl der Drehungen des Rotors 2 aus dem unteren Probenbehälter 1, können alle Bauteile, mit Ausnahme des Probenbehälters 1 auf einer Seite des Probentisches 6 gegenüber dem Probenbehälter 1, angeordnet werden. Somit kann die Viskosität nur von einer Seite der Probenbehälters 1 gemessen werden. Dadurch kann, wie beispielsweise in 5 gezeigt, die Viskosität der Probenflüssigkeit 8 ermittelt werden, wenn der Probenbehälter 1 von einem Temperierbehälter 21 mit dem Temperaturregelsystem umgeben ist. Wie in 6 gezeigt, ist es beispielsweise in einer Anlage möglich, kontinuierlich on-line die Viskosität eines Flüssigkeitsmaterials oder eines Flüssigproduktes, das in ein Rohr 22 auf einer Produktionslinie strömt, zu ermitteln. Neben dem Messen der Viskosität der Probenflüssigkeit 8, die durch das Rohr 22 strömt, ist es wünschenswert, dass eine Drehposition des Rotors 2 durch Bereitstellen der Innenseite des Rohres 22 mit einer Aushöhlung in einer festen Position gehalten wird. In 5 und 6 sind der Magnet 3, der Drehtisch 30 und die fluktuierende Magnetfeldantriebseinheit 4 in einem Gehäuse untergebracht. In diesem Fall umfasst der Probentisch 6 die gesamte oder einen Teil einer Wand (Oberseite) des Gehäuses 20 gegenüber dem Probenbehälter 1.
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Die obige Beschreibung bezieht sich auf ein Beispiel, bei dem die Oberfläche des Probentisches 6, die in Kontakt mit dem Probenbehälter 1 ist, eine flache Ebene ist. Wenn die Oberfläche des Probentisches 6 in Kontakt mit dem Probenbehälter 1 eine flache Ebene ist, kann im Falle der Verwendung einer Vielzahl von Probenbehältern mit unterschiedlichen Formen, jedes Stützelement zu jedem Probenbehälter auf dem Probentisch 6 angeordnet werden. Im Ergebnis kann der Rotor 2 in jedem Probenbehälter in einer vorbestimmten Position gesetzt werden, selbst wenn die Vielzahl von Probenbehältern mit verschiedenen Formen verwendet werden.
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Es ist nicht unerlässlich, dass die Oberfläche des Probentisches 6 in Kontakt mit dem Probenbehälter 1 eine flache ebene Oberfläche sein soll. Die 7(a) und (7b) zeigen ein anderes Beispiel des Probentisches 6. 7(a) ist eine Darstellung, die einen Zustand zeigt, bei dem der Probenbehälter 1 nicht darauf angeordnet ist, und 7(b) ist eine Darstellung die einen Zustand zeigt, bei dem der Probenbehälter 1 darauf angeordnet ist. Wie in den 7(a) und 7(b) gezeigt, stellt die Oberfläche des Probentisches 6, die in Kontakt mit dem Probenbehälter 1 ist, einen Passabschnitt 23 zur Verfügung, in den der Probenbehälter 1 eingepasst ist. Gemäß der Konfiguration mit dem Passabschnitt 23, in den die Kontaktfläche des Probenbehälter 1 eingepasst ist, ist es einfach den Rotor 2 des Probenbehälters 1 an die vorbestimmten Position zu setzen, selbst wenn die Bodenfläche des Probenbehälters 1 gekrümmt ist. Wie oben beschrieben, ist die vorliegende Erfindung konfiguriert, damit der Magnet zur Herstellung des fluktuierenden Magnetfelds auf einer Seite an dem Probenbehälter angeordnet ist. Daher können der belegte Bereich und die Abmessungen der Vorrichtung erheblich reduziert werden. Da keine Notwendigkeit zum Anordnen der Magnete zur Erzeugung des fluktuierenden Magnetfelds um den Probenbehälter besteht, ist es möglich, beliebig geformte Probenbehälter zu verwenden. Zusätzlich können verschiedene Zusatzeinheiten, inklusive des Temperaturregelsystems, um den Probenbehälter herum leicht angeordnet werden.
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Die oben genannten Ausführungsformen beschränken nicht den technischen Bereich der vorliegenden Erfindung, und zusätzlich zu den oben beschriebenen Beispielen sind verschiedene Modifikation und Anwendung innerhalb eines Bereichs der vorliegenden Erfindung verfügbar. Beispielsweise zeigt die oben beschriebene Ausführungsform eine Konfiguration, bei der zwei Magnetpole dem Probenbehälter zugewandt angeordnet sind, aber die Position der Magnete kann beliebig konfiguriert werden, damit es möglich ist, das fluktuierende Magnetfeld zum Übertragen des Drehmoments an den Rotor zur Verfügung zu stellen. D. h., es kann nur ein Magnetpol sein, der an der zugewandten Position des Probenbehälters existiert.
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Die vorgenannten Ausführungsformen haben ein Beispiel erläutert, bei dem die Rotationsebene des Rotors horizontal ist, aber die Rotationsebene des Rotors kann beliebig innerhalb des Bereichs, bei dem die Wirkung der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, einstellbar sein.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Gestaltungsfreiheit der Form des Probenbehälters sehr hoch, und die Abmessungen der Vorrichtung können verkleinert werden, so dass die Viskositätsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine hohe Verwendbarkeit hat.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Viskositätsmessvorrichtung
- 1
- Probenbehälter
- 2
- Rotor
- 3, 13, 14
- Magnet (Magnetpaar)
- 3a, 3b
- Permanentmagnet
- 13a, 13b, 14a, 14b
- Elektromagnet
- 4
- fluktuierende Magnetfeldantriebseinheit
- 5
- Drehantriebsachse
- 6
- Probentisch
- 7
- CCD-Kamera
- 8
- Probenflüssigkeit
- 9
- Viskositätserfassungseinheit
- 11
- Bildverarbeitungseinheit
- 12
- Antriebssteuerung
- 15
- Rotationserfassungseinheit
- 16
- optische Faser
- 17
- Laserstrahl
- 18
- Lichtführung
- 20
- Gehäuse
- 21
- Temperierbehälter
- 22
- Rohr
- 23
- Passabschnitt
