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Vorrichtung zur Führung und Lagerung rheologischer Meßsysteme,
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insbesondere Rotationsrheometer Die erfindung betrifft eine Vorrichtung
ur Führung und Lagerung rheologischer Meßaysteme, vorzugsweise angewendet in Rotationsrhsometern
für den Laborbetrieb und die Prozeßüberwachung, zum Beispiel für Suspensionen, Poylmerlösungen
und Schmelzen.
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Es is bekannt, die Lagerung der feststehenden oder sich drehenden
Rheometerteile wie Kegel und/oder Platte beziehungsweise Außenzylinder und/oder
Innenzylinder durch Gleit- und/oder Rollager auszuführen. (Bedienungsanleitung zum
Rotationsviskosimeter "Rheotest 2" der Firma VEB MLW Prüfgerätewerrk Medingen, DDR,
Bedienungsanleitung zum Rotationsrheometer "Ferranti-Shirley" der frima Ferrantio
Ltd.).
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Es ist weiterhin bekannt, die Lagerung dergestalt auszuführen, daß
Luft als Stützmedium verwendet wird. Insbesondere dadurch erweicht, daß ein konstanter
Luftstrom im Gehäuse des Luftlagers in Umfangsrichtung gleichverteilt und axial
abgeführt wird (Bedienungslaeitung zum Rotationsthermometer "Weißenberg rheogoniometer
R iS" der Firma Sangamo LED, England).
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Es kommen jedoch auch andere Formen der Luftführung vor (J. C.
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Ravey, M. Dognon, M. Lucius: Rheol. Acta 19, 51-59 (1980)).
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Weiterhin ist bekannt, daß die zu vermessende Substanz, insbesondere
deren Oberflächeneigenschaften, zur Führung und Zentrierung des bewegten Rheometerteils
genutzt wird. Die Wirkung der Oberflächenspannung besteht darin, die im Falle einer
exzentrischen Lagerung über den Umfang auftretende ungleichmäßige Verteilung des
statischen Randwinkels auszugleichen. Dabei werden bestimmte Anforderungen an den
eingesetzten Werkstoff gestellt (Bedienungsanleitung zum Rotationsviskosimeter "LS
30" der Firma Contraves, Schweiz, J. Mehisheimer: Kolloid-Zeitschrift und Zeitschrift
für Polymere 250, 97-101 (1972), S. Oks: Biorheology 1, 57-70 (1962)).
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Es ist weiterhin bekannt, daß der Zylinder eines Rotationsrheometern
durch die zu untersuchende Substanz selbst zentriert und gelagert wird. Dabei erfolgt
der Antrieb über ein sich drehendes Magnetfeld (J O. Ravey, X. Dognon, M. Lucius:
Rheol. Acta 19, 51-59 (1980), V. N. Zakharchenko, S. M. Larionov: Biorheology 10,
267-270 (1973)).
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Die vorgenannten Vorrichtungen und Meßverfahren haben inebesondere
die folgenden Nachteile: Durch Gleit- oder Rollager treten Reibungsanteile auf,
die bei kleinen Scherspannungen, die dem Bereich der Anfangsviskosität entsprechen,
zu einer erheblichen Meßwertverfälschung führen, wobei sowohl der Reibungsanteil
bei statischer als auch bei dynamischer Deformation in Form einer Umkehr spanne
wirksam wird.
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Verwendet man dagegen ein BuStlager, so sind durch Druckfluktuationen
die axiale und radiale Fürhungsgenauigkeit verringert, außerdem ist dar technische
Aufwand dieser Lager- und Führungselemente erheblich. Die aus dem Iluftlager austretende
Luftmenge kann bei bestimmten zu vermessenden Substanzen unzulässige Beeinträchtigungen
hervorrufen.
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Wird die Meßsubstanz zur Zentrierung mit verwendet, so führen Instabilitätserscheinungen
der Volumen- und/oder Oberflächenpahase
dr Substanz zu Querkräften
und damit zur Aufhebung der stabilisierenden Wirkung, so daß Messungen unmöglich
werden.
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Wird ein Meßsystem entsprechemnd V. N. Zakharchenko, S. M. Larionov:
Biorheology 10, 267-270 (1973) verwendet, so treten zu vorhergenannten Stabilitätsproblemen
noch hinzu, die Rotation und das Drehmoment durch zusätzliche Messungen bzw. Eichung
mit entsprechenden Substanzen zu bestimmen.
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Es sind aber auch Lagerungs- und Führungssysteme aus anderen Bereichen
als der Rheometrie bekannt. Diese orientieren größtenteils auf die Anwendung dauermagnetischer
Radiallager für hochtourig)aufende Wellen. Dabei wird die radiale Steifigkeit durch
die Anwendung axial magnetisierter Dauermagnete erreicht, deren zugewandte Flächen
gleiche magnetische Pole haben (DS-OS 28 16 125).
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Es wird dabei auch darauf hingewiesen, daß diese Magnete unterschiedliche
Axiallängen haben, wobei die Länge des innen liegenden Magneten immer größer ist,
als die des außen liegenden Magnoten (DS-OS 29 51 010, DE-OS 30 32 938).
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Bekannt ist auch, Dauermagnetringe axial hintereinander anzuordnen,
dabei eine alternierende Polrichtung (axial) zu wählen und einander zugewandte Flächen
durch nichtmagnetisierbares Material zu trennen (DS-OS 30 32 938). Dadurch wird
eine Vergrößerung der Baulänge sowie eine Erhöhung der Radialsteifigkeit erreicht.
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Auch ist bekannt, die bei axialer Magnetisierung zur radialen Stabilisierung
auftretenden Axialkräft e durch Stirnlager abzufangen (De-OS 29 51 010).
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Um besonders hohe stabilisierende Kräfte zu erzeugen, sind Ausführungen
von Dauermagnetlagern bekannt, die große radiale Ausdehnungen haben. Dies führt
zu großen Massen, sowohl des Stators, aber auch des Rotors und damit zu großen Trägheitsmomenten
(DS-OS 29 17 217), Außerdem sind magnetische Schwebelager für Rotationskörper. bekannt,
bei denen die gegenüberliegenden Dauermagnete so angeordnet sind, daß sie sowohl
zur radialen, als auch axialen Fixierung einer Achse beitragen. Durch geeignete
Wahl der Neigung (Magnetringform) der Dauermagnete und deren radiale
Ausdehnung
können die axial und radial wirkenden Kräfte ersetzt werden (DE-OS 29 38 809). Die
vorgenannten Vorrichtungen zur Lagerung von Achsen haben insbesondere die Nachteile,
daß die bei großen stabilisierenden Radialkräften auftretenden radialen Ausmaße
zu Trägheitsmomentan und Massen an der zu bewegenden Achse führen, die für rheologische
Untersuchungen unzumutbar sind, in den meisten Fällen die radiale Stabilisierung
überwiegt, so daß axiale Kräfte durch Stirnlager abgefangen werden nissen und die
für die Stabilisierung hochtourig laufender Wellen ausgelegten Lager für rheologische
Meßsysteme bei keinen Drehgeschwindigkeiten nicht anwendbar sind. Außerd em sind
die Aufwendungen verhältnismäßig hoch.
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Ziel der Erfindung sind die Reduzierung des Störeinflusses der Lagerung
und der Führung auf die Meßgenauigkeit und die Verringerung des erforderlichen Aufwandes
für die Lagerung und Führung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung
zur Lagerung und Führung zu schaffen, die eine höhere Genauigkeit rheologischer
Messungen gedattet.
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Zur Lösung dieser Erfidnung ist vorgesehen, am gerührten und führenden
Teil je einen rotationssymmetrischen Magneten anzuordnen. Die mit diesem Magnet
verbundenen Weicheisenkörper bilden einen zur Achse des geführten Teiles nicht senkrechten
Suftspalt.
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Beide Magnete sind axial und/oder radial raagnetisiert.
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In zweckmäßigen Ausführungen ist weiterhin vorgesehen: Es wird der
führende Teil am Gehäuse befestigt und das geführte Teil am Torsionsstab. Die Metallflächen,
die den BuStspalt æwischen den Weicheisenkörpern bilden, können in ihrer Form von
der Geraden abweichen. Weiterhin können mehrere Magnetsysteme axial zueinander angeordnet
sein.
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Der winkel zwischen der Kegelstumpffläche des Luftspaltes und der
Drehachse beträgt zwischen 30 und 60 Grad. Außerdem sind die Magnet Systeme über
außen und innen befindliche Joche aus Weicheisen verbunden.
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Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert
werden.
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's zeigen: Fig. 1: die Vorrichtung mit zwei axial polarisierten Magneten
Fig. 2: die Vorrichtung mit zwei radial polarisierten Magneten ii'i£i. 3: die Vorrichtung
mit einem axial und einem radial polarisierten Magneten.
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Sig. 4: die Vorrichtung mit zwei Magnetsystemen, deren Magnete axial
polarisiert sind0 Sig. 1 zeigt die Vorrichtung zur Führung und Lagerung rheologi
scher Meßsysteme, bestehend aus zwei axial polarisierten rotationssymmetrischen
Magneten 1 und 2, die jeweils mit einem Weicheisenkörper 3 und 4 versehen sind.
Sie sind gegeneinander gepolt, so daß eine Abstoßung zwischen den beiden Magnetsystemen
eintritt. Der Kegelwinkel des zwischen den beiden Weicheisenkörpern entstehenden
Luftspaltes 5 mit der Drehachse beträgt vorzugsweise zwischen 30 und 60 Grad. Das
geführte Magnetsystem ist mit der Achse des rheologischen Meßsystems 6 axialsymmetrisch
verbunden. Zur Führung des rheologischen Meßsystems ist es vorteilhaft, daß die
magnetische, axial wirkende Kraftkomponente in Richtung des Meßsystems zeigt.
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In einer anderen Ausführung sind die Kegelwinkel der Weicheisenkörper
auf dem geführten und dem führenden Magnet system nicht gleich. Auch sind in weiteren
Ausführungen die den Iiuftspalt bildenden Mantelflächen der Weicheisenkörper axial
nicht eben und die Magnet systeme und/oder die Weicheisenkörper bestehen aus Segmenten.
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Fig. 2 zeigt eine ähnliche Ausführung wie in Fig. 1 dargestellt, jedoch
mit radial polarisierten Magneten. In der Fig. 2 besteht
das führende
Magnetsystem aus dem radial polarisierten Dauermagneten 7, der innen, in radialer
Richtung den Weicheisenkörper 8 trägt; das geführte Magnetsystem besteht aus dem
radial magnetisierten Dauermagneten 9, der mit der zu führenden Achse 11 verbunden
ist und dem Weicheisenkörper 10. Die Atagnetsysteme sind gegeneinander gepolt.
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Die Vorteile dieser Vorrichtungen bestehen insbesondere in der Reibungsfreiheit
der Führung und Lagerung, den geringen huSwendungen, der sehr variablen Anpassung
der Kagnetsystema an die jeweiligen rheologischen Meßbedingungen und in der WartungsSreiheit
bei Verwendung von Dauermagneten.
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Fig. 3 zeigt in einer weiteren Ausführung die Vorrichtung zur Führung
und Lagerung in einer Kombination von Magnetsystemen mit axialer und radialer Magnetisierung.
Der axial polarisierte Magnet 12 ist in Achsenrichtung mit dem Weicheisenkörper
13 verbunden und auf der zu führenden Achse 16 zentrisch angeordnet. Das führende
Magnetsystem besteht aus dem radial polarisierten Magneten 15 mit dem innen angebrachten
Weicheisenkörper 14, und es ist entgegen dem zu führenden Magnetsystem gepolt. Besonders
vorteilhaft ist in diesem Ausführungsbeispiel, daß die Bereiche hoher Magnetfelddichte
des führenden und des geführten Magnetsystems gegeneinander wirken, womit eine hohe
Puhrungssteifigkeit erreicht wird.
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Fig. 4 zeigt eine Ausführung der Vorrichtung zur Führung und Lagerung
als Kombination von zwei Magnetsystemen, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Magnete sind
axial polarisiert. Die Magnete 17 und 18 mit ihren zugehörigen Weicheisenkörpern
sind axialsymmetrisch auf der zu führenden Achse angeordnet und werden durch die
Magnetsysteme 19 und 20 geführt. Zwischen den Magnetsystemen 17 und 18 sowie 19
und 20 sind Verbindungsstücke bzw. Joche aus Weicheisen angeordnet.
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Die besonderen Vorteile dieser Vorrichtung bestehen darin, daß bei
gleicher geometrischer und magnetischer Auslegung keine Axialkräfte auftreten.
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Aufstellung der verwendaten Bezugszeichen 1 axial polarisierter rotationssymmetrischer
Magnet 2 axial polarisierter rotationssymmetrischer Magnet 3 Weicheisenkörper 4
Weiche is enkörper 5 Luftspalt 6 Achse des rheologischen Meßsystems 7 radial polarisierter
Dauermagnet ) des führenden 8 Weicheisenkörper ) Magnetsystems 9 radial magnetisierter
Dauermagnet )des geführten 10 Weicheisenkörper )Magnetsystems 11 zu führende Achse
12 axial polarisierter Magnet )des geführten 13 Weicheisenkörper)Magnetsystems 14
Weicheisen ) des führenden 15 radial polarisierter Magnet ) Magnetsystems 16 zu
führende Achse 17 Magnet mit zugehörigem Weicheisenkörper 18 Magnet mit zugehörigem
Weicheisenkörper 19 Magnetsystem 20 Magnetsystem 21 Weicheisen 22 Weicheisen
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