SE525764C2

SE525764C2 - Device in a rheometer and container for use in a rheometer

Info

Publication number: SE525764C2
Application number: SE0302483A
Authority: SE
Inventors: Jan-Eric Litton; Lars Jaegare; Haakan Bergstroem; Sven Erik Larsson
Original assignee: Viscocheck Ab
Priority date: 2003-09-18
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2005-04-19
Also published as: SE0302483D0; SE0302483L; WO2005026698A1

Abstract

In a rheometer (1) for measuring characteristics of a fluid, comprising a container (3) for the fluid, a bob (9) that is suspended in the container (3) to be in contact with the fluid, oscillating means (4, 5) for causing oscillating relative movements between the container and the bob to expose the fluid to shearing, measuring means (8, 12) for determining the movements of the container and the bob, and calculating means (14) for calculating the rheological properties of the fluid in response to the movements of the container and the bob, the bob is suspended in tension loaded wires (10) extending between the ends of the bob and the bottom and the top, respectively, of the container (3).

Description

25 30 525 764 2 den lyftkraft som härrör från bobens deplacement av ﬂuiden. F riktionen kommer vidare att vara beroende av den undersökta ﬂuidens smörjningseffekter som dras- tiskt kan skilja sig från effekterna när kalibreringsﬂuider används. Behållaren kommer vid hanteringen även att vara känslig för stötar. Dessutom kommer det att bli svårt att noggrant mäta bobens rörelse. 25 30 525 764 2 the lifting force arising from the bobs' displacement of the ﬂ uiden. The friction will furthermore depend on the lubrication effects of the investigated ﬂ uid, which can differ drastically from the effects when calibration ﬂ uids are used. When handling, the container will also be sensitive to shocks. In addition, it will be difficult to accurately measure the bobs' movement.

REDoGöRELsE FöR UPPFINNINGEN Ändamålet med uppﬁnningen består i att åstadkomma en reometer och en sluten engångsbehållare som möjliggör noggrann mätning av viskoelasticitet genom att friktionsproblemen elimineras.DESCRIPTION OF THE INVENTION The object of the invention is to provide a rheometer and a closed disposable container which enables accurate measurement of viscoelasticity by eliminating friction problems.

Detta ernås enligt uppfinningen i en reometer för mätning av en ﬂuids egenskaper och innefattande en behållare för ﬂuiden, en bob som är belägen i behållaren för att vara i kontakt med ﬂuiden, oscilleringsorgan för att åstadkomma relativa oscilla- tionsrörelser mellan behållaren och boben för att utsätta ﬂuiden för skjuvning, mät- organ för att bestämma behållarens och bobens rörelser samt beråkningsorgan för att beräkna reologiska egenskaper hos ﬂuiden i beroende av behållarens och bobens rörelser genom att boben är upphängd i behållaren i förspända trådar som sträcker sig mellan bobens ändar och behållarens botten respektive lock.This is achieved according to the invention in a rheometer for measuring the properties of a och uid and comprising a container for the ﬂ uiden, a bob located in the container to be in contact with the ﬂ uiden, oscillating means for effecting relative oscillation movements between the container and the bob to expose ﬂ uiden for shear, measuring means for determining the movements of the container and the bob and calculating means for calculating rheological properties of ﬂ uiden depending on the movements of the container and the bob by hanging the bob in the container in prestressed wires extending between the ends of the bob and the container lid.

Detta ernås enligt uppfinningen även medelst en behållare för upptagande av en ﬂuid för mätning av ﬂuidens egenskaper, vilken behållare är anslutbar till oscil- leringsorgan för oscillering av behållaren runt dess längdaxel, varvid en bob är anordnad i behållaren för att vara i kontakt med ﬂuiden på sådant sätt att behållaren och boben utför relativa oscillationsrörelser för att utsätta ﬂuiden för skjuvning vid oscillation av behållaren, varjämte behållaren är anordnad att möjliggöra mätning av åtminstone bobens oscillationsrörelser vid oscillation av behållaren, genom att boben är upphängd i behållaren i förspända trådar som sträcker sig mellan bobens ändar och behållarens botten respektive lock. 10 15 20 25 525 764 FIGURBESKRIVNING Fig. 1 är en sehematisk tvärsektionsvy av en utföringsfonn av en reometer enligt uppﬁnningen med en provbehållare enligt uppﬁnningen.This is achieved according to the invention also by means of a container for receiving a ﬂ uid for measuring the properties of ﬂ uiden, which container is connectable to oscillation means for oscillating the container around its longitudinal axis, a bob being arranged in the container to be in contact with the ﬂ uiden on such that the container and the bobbin perform relative oscillating movements to subject the shear to oscillation upon oscillation of the container, and the container is arranged to enable measurement of at least the oscillating movements of the bobsle upon oscillation of the container, by the bobbin being suspended in the container the ends of the bob and the bottom and lid of the container, respectively. 525 764 DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a sehematic cross-sectional view of an embodiment of a rheometer according to the invention with a sample container according to the invention.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Fig. 1 är en schematisk tvärsektionsvy av en utföringsforrn av en reometer 1 enligt uppﬁnningen.DESCRIPTION OF THE INVENTION Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a rheometer 1 according to the invention.

Reometem 1 i ﬁg.1 innefattar axiella och radiella luftlager 2 för att i ett hus (icke visat) positionera en drivenhet för upptagande av en behållare 3 för ett prov av en ﬂuid, vars egenskaper, exempelvis viskoelasticitet, ska bestämmas.The rheometer 1 in ﬁ g.1 comprises axial and radial air bearings 2 for positioning in a housing (not shown) a drive unit for receiving a container 3 for a sample of a ﬂ uid, the properties of which, for example viscoelasticity, are to be determined.

Drivenheten innefattar en motor med en lindningstörsedd stator 4 och en rotor 5.The drive unit comprises a motor with a winding-disturbed stator 4 and a rotor 5.

Rotorn 5 som exempelvis är av ”drag cup”-typ är anordnad att upptaga behållaren 3.The rotor 5, which is, for example, of the "drag cup" type, is arranged to receive the container 3.

Statorn 4 strömmatas för att bibringa rotorn 5 en oscillerande rörelse under kontroll av en styrenhet 15 for att åstadkomma en kontrollerad oscillation av rotorn 5.The stator 4 is energized to impart an oscillating motion to the rotor 5 under the control of a control unit 15 to effect a controlled oscillation of the rotor 5.

Vid utföringsforrnen enligt ﬁg. 1 uppvisar rotorn 5 en kavitet som är formanpassad till behållarens 3 form för att hålla fast behållaren 3 i rotoms 5 kavitet.At the embodiments according to ﬁ g. 1, the rotor 5 has a cavity which is shaped to the shape of the container 3 in order to hold the container 3 in the cavity of the rotor 5.

Det är emellertid underförstått att behållaren lika väl kan vara försedd med separata organ för att låsa densamma vid motsvarande organ i rotom.It is to be understood, however, that the container may just as well be provided with separate means for locking it to corresponding means in the rotor.

För att möjliggöra mätning av oscillationsrörelsema, d.v.s. vridningsvínkeln hos rotom 5 med behållaren 3 används en optisk rotationsgivare. Den optiska rota- tionsgivaren innefattar en kodskiva 6 med ett centrumhâl i vilket rotom 5 är fast i ﬁg. 1. Skivans 6 kant är försedd med markeringar (icke visade) på sådant sätt att skivans 6 rörelser kan mätas med hjälp av exempelvis en laseranordning 8. 10 15 20 25 30 525 764 4 I behållaren 3 för att upptaga ett prov av en ﬂuid vars egenskaper ska bestämmas är en bob 9 upphängd för att vara i kontakt med ﬂuiden på sådant sätt att behållaren 3 och boben 9 vid oscillering av rotorn 5 kommer att utföra relativa oscillations- rörelser för att utsätta ﬂuiden i behållaren 3 för skjuvningskrafter.To enable measurement of the oscillation movements, i.e. the angle of rotation of the rotor 5 with the container 3 uses an optical rotation sensor. The optical rotation sensor comprises a code disc 6 with a center hole in which the rotor 5 is fixed in ﬁ g. The edge of the disc 6 is provided with markings (not shown) in such a way that the movements of the disc 6 can be measured by means of, for example, a laser device 8. In the container 3 to receive a sample of a properties to be determined, a bob 9 is suspended to be in contact with ﬂ uiden in such a way that the container 3 and the bob 9 when oscillating the rotor 5 will perform relative oscillation movements to subject ﬂ uiden in the container 3 to shear forces.

Fluidprovbehållaren 3 kan vara av exempelvis plast. Behållarens 3 insida som utsätts för ﬂuiden kan vara belagd med exempelvis guld för att minska glid- motståndet och ytkemin för en specifik ﬂuid såsom exempelvis helblod.The fluid sample container 3 can be made of, for example, plastic. The inside of the container 3 which is exposed to the ﬂ uid may be coated with, for example, gold to reduce the sliding resistance and surface chemistry of a specific ﬂ uid such as, for example, whole blood.

För att åstadkomma ett tillräckligt tröghetsmoment kan boben 9 exempelvis bestå av en ihålig, tung metallcylinder av exempelvis mässing med ändlock av plast. Cylind- em kan också vara fylld med något lämpligt material. Det är även möjligt att form- spruta exempelvis polykarbonat direkt in i cylindern och därigenom även forma ändlocken.In order to achieve a sufficient moment of inertia, the bobbin 9 can for instance consist of a hollow, heavy metal cylinder of, for example, brass with a plastic end cap. Cylindemes can also be filled with any suitable material. It is also possible to injection mold, for example, polycarbonate directly into the cylinder and thereby also shape the end caps.

I beroende av vilken typ av ﬂuid som ska mätas kan behållaren 3 vara av en- gångstyp.Depending on the type of ﬂ uid to be measured, the container 3 can be of a disposable type.

I enlighet med uppfinningen är boben 9 axiellt upphängd i behållaren 3 med hjälp av forspända trådar 10 som är infästa mellan bobens 9 ändar och behâllarens 3 botten respektive lock. Trådarna 10 kan fästas vid bobens 9 ändar i samband med ovan- nämnda formsprutningsprocess.In accordance with the invention, the bob 9 is axially suspended in the container 3 by means of prestressed wires 10 which are fastened between the ends of the bob 9 and the bottom and lid of the container 3, respectively. The wires 10 can be attached to the ends of the bob 9 in connection with the above-mentioned injection molding process.

Trådarna 10 är förspända för att centrera boben 9 i behållaren 3.The wires 10 are biased to center the bob 9 in the container 3.

För att förspänna trådarna 10 anordnas enligt ﬁg. 1 dragfjädrar ll i respektive ände av behållaren 3. Det skulle vara möjligt att montera dylika dragﬁ ädrar i endast den ena av behållarens ändar men detta skulle resultera i en väsentlig minskning av stöttåligheten. 10 15 20 25 30 525 764 5 Enligt uppfinningen är trådarna 10 företrädesvis multiﬁlamentﬁbrer bestående av ett antal, exempelvis åttio, oﬂätade och otvinnade ﬁlament av ﬂytkristallpolyrner, där varje ﬁlament har en cirkeldiameter av ca. 23 mikrometer, exempelvis av den typ som tillverkas under varumärket VECTRAN® av Celanese Acetate LLC, Charlotte, NC, USA.To bias the wires 10 are arranged according to ﬁ g. 1 tension springs ll at each end of the container 3. It would be possible to mount such tension springs in only one of the ends of the container but this would result in a significant reduction in impact resistance. According to the invention, the wires 10 are preferably multi-lamenters consisting of a number, for example eighty, uneaten and unwound laminates of surface crystal polymers, each lament having a circular diameter of approx. 23 micrometers, for example of the type manufactured under the trademark VECTRAN® by Celanese Acetate LLC, Charlotte, NC, USA.

Fördelen med att använda dylika trådar består i att de uppvisar hög draghållfasthet samtidigt som de uppvisar mycket låg torsionsstyvhet. Eftersom trådarna 10 är vare sig ﬂätade eller tvinnade kommer friktionen till följd av ñbrernas inbördes rörelse som förorsakar tvärsektionsdeformation och sträckning under torsionsrörelse att vara mycket låg mellan de enskilda trådarna. Torsionsdämpningen, d.v.s. energi- förlusten kommer således att vara mycket låg i dylika trådar. Eftersom dessa fibrer kännetecknas av hög dimensionsstabilitet för såväl olika belastningar som olika termiska och kemiska omgivningar kan behovet att kalibrera enskilda behållare undvikas, vilket är en förutsättning för massproduktion av engångsbehållare till låg kostnad.The advantage of using such wires is that they have high tensile strength at the same time as they have very low torsional rigidity. Since the wires 10 are neither eaten nor twisted, the friction due to the mutual movement of the wires which causes cross-sectional deformation and stretching during torsional movement will be very low between the individual wires. The torsional damping, i.e. the energy loss will thus be very low in such wires. Since these fibers are characterized by high dimensional stability for different loads as well as different thermal and chemical environments, the need to calibrate individual containers can be avoided, which is a prerequisite for mass production of disposable containers at low cost.

Dylika fibrer är dessutom inte spröda. Detta innebär att de är lätta att montera.In addition, such fibers are not brittle. This means that they are easy to assemble.

Det är även möjligt att blanda olika typer av ﬂytkristallpolymerer för att optimera trådamas 10 handhavandeegenskaper såsom exempelvis att möjliggöra smältning av trådändama vid monteringsprocessen.It is also possible to mix different types of surface crystal polymers in order to optimize the handling properties of the wires, such as, for example, to enable melting of the wire ends during the assembly process.

Bobens 9 position i behållaren 3, d.v.s. dess vridningsvinkel när behållaren 3 oscillerar via rotorn 5 mäts med hjälp av en anordning 12 genom att exempelvis belysa ett litet ojämnt parti av bobens 9 cylindriska yta ovanför ﬂuidytan med en ljuskälla med smal bandbredd, exempelvis en enkelmodlaser, och registrera det erhållna speckelmönstret med hjälp av en CCD-kamera. Optisk tillgång till boben erhålls genom ett fönster 13 på behållaren 3, genom vilket bobens ojämna, cylind- riska yta kan såväl observeras som belysas. 10 525 764 För att bestämma egenskapema, exempelvis viskoelasticiteten, hos ﬂuidprovet i behållaren 3 föreﬁnns en beräkningsanordning 14.The position of the bob 9 in the container 3, i.e. its angle of rotation when the container 3 oscillates via the rotor 5 is measured by means of a device 12 by illuminating, for example, a small uneven portion of the cylindrical surface of the bob 9 above the surface with a light source with narrow bandwidth, for example a single model laser, and recording a CCD camera. Optical access to the bob is obtained through a window 13 on the container 3, through which the uneven, cylindrical surface of the bob can be both observed and illuminated. In order to determine the properties, for example the viscoelasticity, of the sample in the container 3, a calculating device 14 is present.

Beräkningsanordningen 14 i ﬁg. l har två ingångsklåmmor som är anslutna till utgångsklämmor hos positionsdetektorerna 8 respektive 12 i ﬁg. 1. Beräknings- anordningen 14 är ansluten med en utgångsklämma till styranordningen 15 för att förse denna med information om såväl rotoms 5 som bobens 9 oscillation. För att reglera den skjuvníng som ﬂuiden utsätts för är information nödvändig om såväl rotoms 5 som bobens 9 oscillation.The calculation device 14 in ﬁ g. l has two input terminals which are connected to output terminals of the position detectors 8 and 12 in ﬁ g, respectively. The calculation device 14 is connected with an output terminal to the control device 15 to provide it with information about the oscillation of both the rotor 5 and the bob 9. In order to regulate the shear to which the ﬂ uiden is subjected, information is necessary about both the oscillation of the rotor 5 and the bob 9.

Genom att beräkna rotoms 5 och bobens 9 rörelser, d.v.s. vridningsvinkel, kan viskoelasticiteten hos ﬂuidprovet i behållaren beräknas på i och för sig känt sätt.By calculating the movements of the rotom 5 and the bobs 9, i.e. angle of rotation, the viscoelasticity of the ﬂ uid sample in the container can be calculated in a manner known per se.

Claims

10 15 20 25 30 525 764 PATENT CLAIMS

Device in a rheometer (1) for measuring the properties of a ﬂ uid and comprising a container (3) for the ﬂ uiden, a bob (9) located in the container for being in contact with the ﬂ uiden, oscillating means (4, 5) for to effect relative oscillation movements between the container (3) and the bobbin (9) to subject the displacement to the shear, measuring means (8, 12) for determining the movements of the container (3) and the bob (9) and calculation means (14) for to calculate the rheological properties of the ﬂ uiden in dependence on the movements of the container (3) and the bob (9), characterized in that the bob (9) is suspended in the container (3) in prestressed wires (10) extending between the bob (9) ends and the bottom and lid of the container (3), respectively.

The device according to claim 1, characterized in that the wires (10) are multi-elements.

The device according to claim 2, characterized in that the multifilament ﬁ brema are uneaten and unwrapped.

The device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the multi-lament fibers are of ﬂ surface crystal polymer.

The device according to any one of claims 1 - 4, characterized in that the bob (9) has an uneven surface portion to enable non-contact determination of its movement.

A container (3) for receiving a ﬂ uid for measuring the properties of the fluid, which container (3) is connectable to oscillating means (4, 5) for oscillating the container (3) about its longitudinal axis, wherein a bob (9 ) is arranged in the container (3) to be in contact with the container in such a way that the container (3) and the bobbin (9) perform relative oscillating movements to subject the container to shear upon oscillation of the container (3), each of which the container is arranged to enable measurement of at least oscillation movements during oscillation of the container (3), characterized in that the bob (9) is suspended in the container (3) in prestressed wires (10) which extend between the ends of the housing (9) and the bottom and lid of the container (3), respectively.

The container according to claim 6, characterized in that the wires (10) are multi-element.

The container according to claim 7, characterized! because the multi-members are uneaten and untapped.

The container according to any one of claims 6 - 8, characterized in that the multi-lament ﬁ bristles are of ﬂ surface crystal polymers.

The container according to any one of claims 6 - 9, characterized in that the bobbin (9) has an uneven surface portion to enable non-contact determination of its movement.