旋转流变仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种旋转流变仪，具有旋转不变地布置的定子(2)；具有借助于围绕所述定子(2)的轴线的涡流驱动能够旋转的转子(1)，其中，能够将待检查的测试媒介(6)带到至少一个在转子(1)和定子(2)彼此相对而置的面之间构造的测量间隙(15)中。根据本发明设置：以待检查的测试媒介(6)来填充的测量间隙(15)用作为或构造为在转子(1)与定子(2)之间的流体动力的支承部且仅仅通过由于所述转子(1)相对于所述定子(2)的旋转实现的流体动力的支承作用，转子(1)和定子(2)的彼此转向的、限制所述测量间隙(15)的面的间距和互相的位置被给出且调整且在测量过程期间保持。
【专利说明】
旋转流变仪
技术领域
[0001]本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的旋转流变仪(Rotat1nsrheometer)，用于确定流体的介质的粘性的和/或流变的特性。
【背景技术】
[0002]利用旋转流变仪能够求得流体的粘性的和流变的特性以及参数、尤其是流体的动态的粘度。
[0003]在根据本发明的流变仪中构造为转子的测量体围绕定子或定子部件运转或者在定子或定子部件中运转或者相对定子或定子部件运转。测量间隙处于转子与定子之间。对转子进行祸流驱动(Wirbelstromantrieb)。此外，在测量期间进行由驱动规定的转速的以及转子的实际上的转速的测量并且该转速差用作测试介质的粘性的/流变的特性的量度。根据本发明，设置有转子相对定子的流体动力的支承。
[0004]由GB1197476 (A)已知一种流变仪，在其中在三相感应马达的转子与定子之间的柱状的间隙为待测量的测试流体提供通道;转子在此利用心轴和支承部来支撑。
[0005]带有具有柱状的面的测量体的测量系统通常来说包含测量体(内柱体)和量杯(夕卜柱体)。这两个柱体在测量位置中同心地布置，也就是说，柱体的轴线重合。在这样的柱体-旋转流变仪中，待测量的测试介质位于在内部的与外部的柱体之间的环形间隙中。如果内部的柱体旋转，则涉及Searle-系统，而反之涉及所谓的Couette-系统。
[0006]在旋转流变仪与旋转粘度仪(Rotat1nsviskosimeter)的结构上不存在原则上的区别。在任何情况下转子相对于定子运动且损失(Nacheil)-角度-差或转速-差被求得。仅仅针对于不同的使用目的且依赖于待测试的流体，使用不同的结构或者不同的构造以及测量体。
[0007]通常，使用旋转流变仪用于测量非-牛顿的流体的流变的特性，复杂的流变仪在此尤其测量流体的依赖于剪切速度的性质。
[0008]Searle-粘度仪包含竖立的杯，在该杯中同轴的柱体在测量液体中由马达旋转。在此，通常或者在规定限定的剪切应力(Schubspannung)情况下测量速度坡度或者在规定限定的速度坡度(恒定的转速)的情况下测量剪切应力。
[0009]十分普遍地，在旋转粘度仪中测量体应尽可能无摩擦地支承，用以在测量转速或出现的转矩时尽可能不一起测量支承摩擦。旋转对称轴线在此还能够与传统的、垂直的布置不同在水平的位置中延伸或者倾斜地延伸。在外部柱体中通过磁体在任何情况下无接触地支承的转子能够通过复杂的控制及测量系统保持在其理想位置中且无接触地感应地被驱动。然而这样的粘度仪的结构和转子支承是极其复杂的。尤其发生转子通过磁体的影响并且不能完全地排除支承摩擦或支承力。
[0010]待检查的测试介质位于在转子与定子之间的测量间隙中。用作为测量体的转子的驱动在根据本发明的流变仪中通过涡流驱动实现。为此例如永磁体围绕定子或转子轴线旋转或者建立围绕定子或转子轴线环绕的(旋转的)磁场，常常通过至少两个、优选更多感应线圈来建立，其在导电的测量体中或者在转子中感应出电压且因此产生涡流。由此垂直于磁场线产生旋转测量体的洛伦兹力。
[0011]涡流驱动的备选的变体通过磁性的转子或者利用配备永磁体转子来实现。围绕测量间隙或者围绕转子在外部旋转有同心布置的、导电的祸流体(WirbelstromkSrper)。在这样的涡流体中，基于其围绕永磁体的旋转感应出电流且这些电流又在转子的内部感应出电压或涡流，其在其方面产生自身的、根据楞次定律相反于存在的磁场的磁场，所述磁场最终驱动转子。
[0012]如果一般地观察在两个柱体之间的剪切间隙中的流体的流动性质，那么在内部的与外部的柱体面之间形成速度坡度，也就是说，发生具有规定的速度梯度的剪切。由该坡度传递到内部的或者外部的柱体上的转矩M直接成比例于动态的粘度。如果观察两个总是经历相同的角加速度的体积元件，但是外部的体积元件经历更大的离心力，从而Couette-布置实际上比SearIe-布置更稳定，其中，在Couette-布置中外部的体积元件经历更高的速度。在Searle-布置的情况下，内部的柱体转动且产生如下的速度特征，在其中内部的液体层以更高的速度旋转，而外部的层更慢地旋转，这会引起涡旋形成。
[0013]Searle-系统是基于内部的柱体的运动的并且因此在内部的柱体处的最大的速度总是为更不稳定的变体，因为涡旋形成主要地基于起作用的离心力发生。该所谓的Taylor-Couette-祸旋形成是已知的。这样的祸旋的出现限制Searle系统(Searlesysteme)的使用。为了在测量间隙中实现层状的流，限制了原则上很宽的测量区域、尤其对于粘度较小的流体。
[0014]通常，Searle-布置的优点是高的可能的剪切速度、均匀的剪切速度分布和相对沉降效应(Sedimentat1nserscheinung)小的敏感性。缺点是伴随必要的修正的边缘或端部效果(Rand- bzw.Endeffekte)，祸旋的出现以及测量间隙控制或准确校准的必要性。
[0015]转子的支承仅仅利用磁体或借助于磁场在转子与驱动之间无接触地耦联时不起作用，因为此处由于与间距成平方地下降的磁力，对于转子总是产生不平衡且该布置在转子非常高地转圈时才能够起作用(例如10000转/分)_否则转子相对定子碰撞或摩擦。强的磁场此外引起在转子与驱动的磁场之间几乎刚性的耦联以及引起磁场与转子的在任何情况下以在转子与定子之间在测试时调整的、由磁场影响的小的扭转角度的相同的转速，然而该扭转角度不能探测或仅可极其困难地探测。
【发明内容】
[0016]本发明目的在于，避免已知的装置或者说流变仪的缺点且建立如下的旋转流变仪，其构造简单，提供准确的测量值且能够无支承力、尤其机械的及磁性的支承力地运行。
[0017]根据本发明，所述目的在开头提及类型的旋转流变仪中通过在权利要求1的特征中列出的特征来实现。因此设置:以待检查的测试介质填充的测量间隙用作为或者构造为在转子与定子之间的流体动力的支承部并且仅仅通过由于转子相对于定子的旋转实现的流体动力的支承作用，转子和定子彼此面向的、限制测量间隙的面的间距和互相的位置被规定且被调整且在测量过程期间保持。
[0018]仅要求的是，测量转子的转速及识别作用到转子上的驱动转速或其额定转速，以便不受支承影响而影响地获取允许关于流变的参数的直接的推论的值。通过测试介质实现对转子转速的唯一的影响，该测试介质基于其固有的特性减缓转子的旋转。
[0019]对于专业人员简单的是，对于不同的测试介质建立对于流体动力的支承作用必要的间隙几何结构。这尤其能够如下实现，即提前近似求得待求得的参数，而后设立测量间隙或者匹配这些参数且随后利用根据本发明的旋转流变仪以最高的精确性来求得这些参数。此外，转子以其旋转的转速能够适应不同的测试介质的参数，同样能够进行对测试介质的温度和压力的考虑，用以实现在测量过程期间的无缺点的流体动力的支承。因此有利的是，几何结构、优选测量间隙的彼此相对而置的面区段的间距和间距延伸(尤其转子和定子环绕旋转轴线的彼此相对而置的面的径向间距)被选择用于依赖于由驱动单元施加的转速、测试介质的之前估计的粘度值和/或之前估计的流变的参数来构造流体动力的支承。当在测量间隙中在转子旋转时构造有足够用于构造流体动力的支承的层状的、无涡旋的流动时，那么无缺点的支承得到支持。
[0020]为了稳定地构造流体动力的支承，在旋转流变仪中对于测量运行有利的是，测量间隙的端部区域与连接到该端部区域的外部区域或者位于这些区域中的测试介质自由地，尤其无测量间隙的端部区域的横截面变窄地相连或者这些端部区域直接过渡到这些外部区域中。
[0021]为了准确地获取测量值有利地规定:转子除了其在测量间隙的区域中流体动力的支承之外，在径向方向上关于其旋转轴线无接触地及无支承地、尤其还无磁体支承部地在定子上或相对定子得到支承。
[0022]如下得到本发明优选的实施方式:为了构造使转子置于旋转中的涡流驱动，转子、优选全部，由非磁性的、不能磁化的、导电的材料构造并且围绕转子或至少部分地在转子内部围绕定子轴线支承有能够旋转的永磁体或者围绕转子或至少部分地在转子内部支承有电磁的线圈(利用其能够生成围绕定子轴线能够旋转的磁场)。备选于此能够规定:为了构造使转子置于旋转中的涡流驱动，转子、优选全部由非磁性的、不能磁化的、导电的材料构造并且至少部分地在定子内部支承有永磁体或线圈，其中，永磁体围绕定子轴线能够旋转且利用这些线圈能够生成围绕定子轴线旋转的磁场。
[0023]本发明另外的实施形式规定:为了构造使转子置于旋转中的涡流驱动，在转子内部位置固定地布置有永磁体或永磁体与转子连接并且设置有优选完全由非磁性的、不能磁化的、导电的材料构造成的涡流体、优选笼、罐或导体环，其围绕转子能够旋转。
[0024]本发明在实践中能够良好使用的、提供准确的测量值的实施形式规定:转子布置在具有旋转对称的内壁及旋转对称的容器或杯的形状的定子的内部空间中，其中，为了构造使转子置于旋转中的涡流驱动，在转子内部位置固定地布置有永磁体或者永磁体与转子连接并且容器或杯(优选完全)的材料是非磁性的、不能磁化的且不导电的材料并且设置有由非磁性的、不能磁化的、导电的材料构造成的涡流体、优选罐、笼或导体环，其围绕定子能够旋转。
[0025]能够有利的是，设置有具有柱状的周缘面及任何情况下相对其倾斜的端部面的转子，该转子全面地由定子的、具有柱形的内壁面及任何情况下相对其倾斜的端部面的内部空间完全地包围且在这样的内部空间内部由测试介质完全地包围，其中，围绕定子能够旋转地支承有涡流体，其优选具有罐、笼或导体环的形状且由非磁性的或者不能磁化的、导电的材料形成，其中，在转子中支承有永磁体或者永磁体与转子连接。对于实践有利地是:在此定子具有用于测试介质的能够关闭的引入开口。
[0026]对于转子在测量期间的支承特别有利的是:为了使转子关于定子在定子轴线的纵向方向上位置稳定化，在转子处且在定子处布置有彼此相对而置地共同作用的永磁体和软铁部件，其无接触地使转子相对于定子轴线(B)的纵向位置稳定化。
[0027]如下得出准确的且能够良好调节的涡流驱动:转子和/或定子和/或围绕转子旋转的祸流体具有尚的导电能力并且必要时由Cu、Pt、Ag或者Au制成。
[0028]如下提高根据本发明的流变仪的使用可能性:在定子中布置用于测试介质的加热和/或冷却单元。
[0029]测量间隙的几何结构能够选择得不同。有利的是:在通过转子的旋转轴线或者通过定子轴线延伸的剖面中，测量间隙或者转子的和定子的限制测量间隙的面具有至少一个直的、折叠的、弯曲的和/或曲折的区段，所述区段相对旋转轴线或定子轴线倾斜地延伸或者与其围成尖的角度，其顶点指向测量间隙的内部并且/或者测量间隙的彼此相对而置的面关于旋转轴线分别中心地对称地构造并且/或者限制测量间隙的面关于测量间隙的垂直于旋转轴线延伸的中间平面分别对称地延伸。此外对于测量运行有利的是:转子柱形地、环形地、罐形地、锥形地或截锥形地构造或者在延伸通过旋转轴线的平面中在剖面上三角形地、梯形地构造或者构造为锥剖面或卵的部分。
[0030]普遍地有利的是:测量间隙尽可能选择得狭小。
[0031]为了径向及轴向实现转子的限定的、无摩擦的支承，而没有失去流体动力的支承的优点，能够规定:在转子的面的至少一个处、也就是说在转子的内部面和/或外部面处和/或在至少一个端部面处，定子的或定子部件的或另外的定子部件的分别一个面对置于转子并且转子在其旋转时通过测试流体的、在在相应的面之间的相应的测量间隙中存在的流体动力的支承作用在径向方向上且必要时还在轴向方向上关于定子轴线无接触地得到支承。
[0032]对于最优的支承能够规定:定子以封闭的罐或柱的形状来构造且具有敞开的罐的形状的转子以其内部空间在构造测量间隙的情况下放上在这样的定子上，其中，必要时附加地在转子的背向定子的侧面处与转子有间距地、尤其对置于其端部和/或周缘壁地至少放置定子部件和/或另外的定子部件且必要时在转子与相应的定子部件或另外的定子部件之间的这样的间距构造为实现流体动力的支承的测量间隙。
[0033]对于实践简单构造的、但很准确地测量的能够沉入到测试介质中的旋转流变仪的特征在于:定子在其柱状构造的外部面处具有环绕的槽或凹部，在其中在转子的内部面处为了构造测量间隙匹配于凹部的横截面形状的转子与凹部的面有间距地能够得到流体动力地支承或得到流体动力地支承。在此有利的是，在在凹部中支承的转子的背向定子的面处，有间距地且在构造流体动力的支承部的另外的测量间隙的情况下对置有定子部件的面。
[0034]因此得到如下双间隙系统，其是Couette-和Searle-原理的组合且确保了优秀的流体动力的支承。
[0035]为了能够对于根据本发明的旋转流变仪仿制作为对于流变的参数的测量有利的"板球几何结构(Kegel-Platte—Geometrie)"，根据本发明能够规定:对于相应的测量间隙的间隙宽度在与旋转轴线的间距上适用如下关系
R1/R2 = S1/S2 其中，Rl和R2是在限制测量间隙的面上的点与转子的旋转轴线的间距且SI和S2是在这些点Rl和R2中在流体动力地支承转子的情况下构造的间隙厚度且相应的测量间隙的该厚度随着与旋转轴线越来越远离而增大。
[0036]原则上还能够应用具有非旋转对称的外部面的转子，只要其允许流体动力的支承。这样的转子能够具有多角形的或椭圆的横截面。
【附图说明】
[0037]接下来根据附图举例性地更详细阐释本发明:
图1和2显示了穿过根据本发明的旋转流变仪的一实施形式的示意性的纵剖面和横截面，
图3至7显示了穿过根据本发明的旋转流变仪的另外的实施形式的示意性的剖面，
图8示意性显示了板球旋转流变仪(Kegel-Platte-Rotat1nsrheometers)的原理。
【具体实施方式】
[0038]根据本发明的旋转流变仪十分普遍地具有固定的、外部的或内部的、作为定子2起作用的、优选旋转对称的体，该体还能够构造为封闭的容器，其中，优选旋转对称构造的测量体作为转子I布置在该容器中且与外部的和/或内部的定子2处于同心。在转子I与定子2之间存在测量间隙15且在转子I旋转时在测量间隙15中在定子2与转子I之间形成流体动力的支承。由转子2的重量引起的与同心的位置的偏差原则上在根据本发明的流变仪的情况下会出现，但在测量时尤其即使在定子轴线B偏离竖直线支承时没有产生影响且能够忽略。
[0039]原则上，转子I的根据本发明设置的流体动力的支承主要在关于其旋转轴线A的径向方向上实现。支承在轴向方向上能够或者同样通过流体动力的支承部在转子I的端部面处实现或者通过在转子I处布置小的引导磁体及在定子2处布置软铁部件10实现，这些磁体9和软铁部件10彼此分别对置且限制转子I在转子轴线A方向上的运动可能性。十分普遍地利用涡流驱动能够无接触地驱动转子I，而无须使用机械的或磁性的支承部。
[0040]十分普遍地其依赖于:结构上的设计，尤其磁性的转子I的半径、测量间隙15的宽度或者说厚度、限制测量间隙15的面的互相的间距的延伸以及转速，哪些测试介质6基于其特有的密度参数、粘度参数和流变的参数将转子I在起动或加速时置入到关于定子2的稳定的位置中且而后在稳定的测量运行中维持转子I与定子2互相的位置以及测试介质6在测量间隙15中的层状的分层。尤其在此对于稳定性应考虑测试介质6的粘度。
[0041]流体动力的支承应如下定向或设计尺寸，即转子I在定子2内部保持在理想的中间位置或近似在中间位置中(如其能够通过流体动力的支承部规定的那样)。此外应如下驱动转子I，使得其在相对水平线倾斜的转子轴线A的情况下充分地悬浮且在测试介质6中不形成涡旋。如果转子I围绕定子2旋转，那么转子I通过流体静力的支承围绕定子I保持在近似保持相同的间距中。
[0042]尤其当具有柱状的周缘面及任何情况下相对其倾斜的端部面的转子I在定子2的匹配的、具有柱状的内壁面及任何情况下相对其倾斜的端部面的内部空间中利用涡流驱动来旋转时，转子I的特定的密度越近似待测量的测试流体的密度，流体动力的支承越好。为了平衡转子I和测试介质6的不同的特定的密度，转子转速能够提高或匹配。
[0043]对于所有实施形式，传感器31、32例如霍尔传感器，光学传感器、电容的、感应的传感器以及其它的无接触地作用的测量装置能够用于求得测量值或转速，利用其能够测量转子I的转速。还考虑涡流传感器。
[0044]原则上还能够机械地驱动祸流体3或待旋转的永磁体4，例如通过驱动马达的带驱动;要求的是，求得磁体的准确的转速。
[0045]因为流体的粘度在通常情况下依赖于温度，所以还可设置温度测量机构。这利用传感器(14)(热电偶等)实现，其在间隙罐或定子2处尽可能靠近测试介质6地或直接在定子表面处与测试介质6接触地齐平地装配，而不干扰流动，或者可然而布置在转子I处或在转子I中。那么，传感器包含用于无接触地传递测量值至定子2或至测量设备的固定的部件的机构。
[0046]特别有利的且能够普遍使用的是具有磁性的搭铁的涡流驱动3的实施方案，该搭铁引起场力线能够更限定地、垂直于转子I的面被引导。对于该搭铁使用软铁或者其它的软磁性的材料，定子部件2〃和另外的定子部件2’以其来构造，这些部件还能够设置用于构造增大的或更长的或更宽的测量间隙15。利用这样的定子部件2’、2"能够在转子I的外壁面处且在内壁面处构造测量间隙15、15 ’。
[0047]十分普遍地在根据本发明的旋转流变仪中能够为了形成涡流，或者使用旋转的永磁体4或者使用线圈8(其产生旋转的磁场)。这依赖于结构上的构造和使用目的实现。
[0048]图1以剖面显示了根据本发明的流变仪的实施形式的原则上的结构。壳体30承载关于定子轴线B旋转对称地构造的定子2，该定子罐形地或作为柱体与壳体30脱离。罐形的、关于转子轴线A旋转对称地构造的转子I套装到定子2上，该转子在构造有间距的情况下围绕定子2。转子I在构造有间距的情况下由另外的定子部件2’、2〃(其与壳体30连接)围绕。以此方式在转子I的内部的和外部的柱体面以及转子I的内部的和外部的端部面以及定子2的外部面与定子部件2’、2〃的内部面之间分别构造有测量间隙15或15’，具有用于转子I的流体动力的支承。永磁体4围绕转子轴线A分布地布置在定子2内部在载体33上，其中，载体33围绕定子轴线B能够由驱动5旋转。测试介质6能够经由开口 16进入到两个测量间隙15、15’中。测试介质6经由排出开口 17通过转子I的旋转驱动地能够又离开测量间隙15、15’。
[0049]存在机构31、32用于永磁体4的转速的测量，例如霍尔探测器(Hallsonden)，其共同作用的测量部件一方面布置在永磁体4的载体33上且另一方面布置在壳体30处。以类似的方式能够设置感应式、光学式或电容式的测量单元，用以确定转子I的转速。这些测量单元由转子I且由定子2或定子部件2’、2〃或壳体30承载。转子I通过永磁体4的旋转而旋转，其在由软铁组成的转子I中感应出涡流，所述涡流本身通过出现的电磁力引起转子I的旋转。永磁体4在此以及在本发明所有剩余的实施形式中关于定子轴线B和转子I的旋转轴线A旋转对称地且轴对称地构造。转子I基于旋转的磁场(其在当前情况下通过永磁体4产生)旋转，其中，转子I的驱动转速通过永磁体4的转速或驱动马达5的转速规定。
[0050]永磁体4的转速能够以相同的方式，如转子I的转速那样，利用无接触地测量的测量单元31和32，例如霍尔传感器，感应的、光学的或电容的测量单元来求得。备选地，马达的转速规定能够用于其它的计算。
[0051]转子I通过另外的定子部件2’、2〃在轴向的位置方面保持在定子轴线B上，这些定子部件围卡转子I的端面壁。因此还在转子I的端面壁I’处在两侧面构造有流体动力的支承。
[0052]转子I通过沿着转子I的流体动力的支承关于定子轴线B在径向方向上定心且通过另外的定子部件2〃在定子轴线B的方向上实现位置方面的稳定化。
[0053]为了能够测量不同的测试介质6，十分普遍地，布置的几何构造或者说转子I及必要时定子2和另外的定子部件2’、2"的尺寸设计，尤其是测量间隙15、15’的间隙厚度能够变化，从而对于测量总是能够实现流体动力的支承。因此排除了那些通过机械的支承或通过磁性的支承引起的支承摩擦或支承力。仅仅须克服液体摩擦，然而液体摩擦是有用的测量参数且能够用作为测试介质的特性的量度。图2显示了沿着图1中的线C-C的剖面。可看出用于永磁体4的载体33，所述永磁体以交替的极性沿着载体33的周缘布置在定子2内部。第一测量间隙15直接围绕定子2，所述第一测量间隙朝外由转子I限制。转子I在外部由另外的测量间隙15’围绕，所述另外的测量间隙通过另外的定子部件2’朝外受限制。
[0054]十分普遍地，根据本发明的旋转流变仪能够使用在每个任意的位置或倾斜中，因为由于在转子I的两侧面构造的流体动力的支承，转子轴线A的空间上的定向不起作用且转子I总是在构造有实现流体动力的支承的测量间隙15、15’的情况下支承在定子2或定子部件2’或另外的定子部件2"之间。出现的不同的重量分布能够通过流体动力的支承来补偿。
[0055]图3显示了如下的布置，其中在细长的、柱状的定子2内部，以交替的极性相继先后地布置的永磁体4利用驱动5旋转。转子I在该情况下具有带有向外叉开的凸缘35的空心柱体的构造。内部的测量间隙15由定子2的外部面且由转子I的内部面限制。另外的测量间隙15’由转子I的外部面且由定子部件2’的内部面限制。利用另外的定子部件2〃，转子I通过凸缘35在定子轴线B的纵向方向上在其旋转期间被固定在基本上固定的位置中。凸缘35在构造有流体动力的支承的情况下支承在定子部件2’与另外的定子部件2〃之间且在两侧由所述凸缘放置的测量间隙15"改善测量精确性。
[0056]十分普遍地，永磁体4的转动轴线以及定子轴线B同轴地延伸。在理想情况下转子I的旋转轴线A与这些轴线重合。尤其当定子轴线B在测量运行中竖直地定向时是这种情况。如果定子轴线B水平地或者相对水平线以某一角度地布置，那么基于转子重量会在转子轴线A与定子轴线B的延伸之间出现较小的偏差。
[0057]图3a显示了类似的备选的布置。此处有传导能力的的转子I通过由线圈8产生的环绕的磁场来驱动。在定子2内部更确切地说围绕定子轴线B分布地布置有电磁的线圈8。利用供给单元(Versorgungseinheit )39以线圈8设立围绕定子轴线2环绕的磁场，利用该磁场来驱动能够围绕定子2旋转地支承的转子I。为了在整个测量间隙上实现恒定的剪切速率，测量间隙15、15 ’或15〃如下构造，使得对于每个任意的与转子的旋转轴线A(或与定子的旋转轴线B)的间距Rl和R2对于配属的间隙宽度SI和S2适用以下情况:
Rl/Sl = R2/S2 =R1/Sr= R2/S2 或者 R1/R2 = S1/S2 = Sl’/S2’。
[0058]待检查的流体6通过转子I穿过测量间隙15、15’运动，这在图3a中通过进入开口16和排出开口 17示出。
[0059]在此两个间隙15、15’围绕转子I的柱状的面以恒定的间隙宽度s(R=常量)延伸，而间隙宽度围绕突出的转子部件35与旋转轴线的间距S越来越大地加宽。
[0060]图5显示了柱状的转子I，其完全由定子2包围。定子2是全面封闭的容器且以测试流体6填充。在转子I的外壁面与定子2的柱状的内壁面之间构造有测量间隙15，其同时用作流体动力的支承部。永磁体4由载体43承载，该载体利用驱动5围绕定子2能够旋转。这些旋转的永磁体4引起转子I在定子2内部旋转。用作祸流体的转子I由导电的材料形成，其不能磁化且是非磁性的。定子2有利地由不能磁化且非磁性的材料形成。设置有测量单元31、32用于测量转子I的转速。同样，旋转的永磁体4的转速利用测量单元40来检测。这些测量值利用分析单元34来分析。
[0061 ]替代旋转的永磁体4可使用旋转的、由线圈建立的磁场。
[0062]为了在轴向方向上改善流体动力的支承，柱体的端部面在轴线方向上附加地被斜切。在所示的实施形式中，定子2的内壁仿制转子的端部面且近似平行于其延伸。为了实现限定的剪切速率，间隙区段15a在端部面处可如下构造，使得又满足条件Rl/Rl = S1/S2。
[0063]图6显示了如下的实施形式，即其在结构上几乎与在图5中所示的结构相同。然而在该情况下所述至少一个永磁体4布置在转子I内部且围绕定子2利用由驱动5来驱动的载体43旋转作为涡流体3的笼或罐状的导体环，以此转子I被置于围绕其旋转轴线A的旋转中。还可如在附图中示例性地以磁体4’、4"所示的那样，使多个永磁体尽可能对称地布置，使得转子沿着其轴线具有均匀的质量分布且磁力是对称的，用以防止转子在流体动力的支承部中摇晃。完全柱状的转子在定子轴线B的纵向方向上通过布置在定子2处的对置于转子的旋转的磁体中的至少一个的软铁部件10关于该轴线稳定化在其位置中。
[0064]十分普遍地，具有不足够的轴向的流体动力的支承的主要地柱状的转子能够在转子轴线A或定子轴线B的纵向方向上通过在转子I处和/或在定子2处匹配地布置的磁体9以及对置于这些磁体的软铁部件10稳定化。
[0065]永磁体4或涡流体3根据图5和6在外部围绕定子2旋转，在该定子中转子I自由地浮动。在此，转子I的特有的密度越类似待测量的测试介质6的密度，流体动力的支承越好。转子的密度与待测量的液体的密度越不同，转子转速选择得越高。尤其考虑0.2到2000转/分钟(rpm)以及甚至到10000或30000转/分钟的转速范围，因为尤其当流变仪以水平定向的定子轴线B来运行时，转子I须在中间位置中悬浮。通常来说，大转矩或者说高转速对于转子I是必要的，其还依赖于围绕转子I的定子2的或者说围绕转子I的定子2的内部空间的大小以及转子I的尺寸和测试介质6的参数。
[0066]图7显示了如下的旋转流变仪，在其中在定子2内部布置有更确切地说围绕定子轴线B分布地布置有电磁的线圈8。利用供给单元39以线圈8建立围绕定子轴线2环绕的磁场，利用其来驱动围绕定子2能够旋转地支承的转子I。定子2在其柱状构造的外部面处具有环绕的槽或凹部20，在其中在其内部面处为了构造测量间隙15的特别的几何构造而匹配于凹部20的横截面形状的转子I与凹部20的面有间距地流体动力地能够支承或被支承。
[0067]转子I利用定子部件2’在定子2上在定子轴线B的方向上位置稳定化或者磁性的回流得到增强。在转子I的转向定子2的面与定子2的外部面之间存在测量间隙15，其关于定子轴线B与转子轴线A中心对称地延长且关于垂直于旋转轴线A或定子轴线B延伸穿过测量间隙15的中心的平面E对称地构造。十分普遍地应记录的是:在延伸通过转子I的旋转轴线A的或通过定子轴线B的剖面中，测量间隙15或转子I与定子2的限制测量间隙15的面具有至少一个直的、折叠的、弯曲的和/或曲折的区段，所述区段相对于旋转轴线A或定子轴线B倾斜地延伸或者与他们围成尖的角度，其顶点指向测量间隙15的内部并且/或者测量间隙15的彼此相对而置的面关于旋转轴线A分别中心对称地构造并且/或者限制测量间隙15的面关于测量间隙15的垂直于旋转轴线A延伸的中间平面E分别对称地延伸。测量间隙的这样的结构尤其由图4和7可见。
[0068]在当前情况下，在定子2中的凹部20的表面和转子I的面以及有利地设置的另外的定子部件2〃的内部面曲折化。测量间隙15、15’改变其间距;位于内部的测量间隙15从内朝外变大;位于外部的测量间隙15’的厚度朝外减小。相应地，测量间隙15的厚度改变。这样的厚度改变被选择成使得其不妨碍流体动力的支承的维持。
[0069]利用测量单元31、32来测量转子I的转速，该转速基于对于所述两个测量间隙15和
15’存在的测试介质6小于通过线圈8产生的磁场的转速。
[0070]图7a示意性显示了如下实施形式，即在其中转子I在定子2上运转，其形状基本上相应于锥曲面的部分。转子的轴向的和径向的支承此处在同样的转子面处实现，在轴向的和径向的方向上的分量相应于侧面到通过旋转轴线和相对于此的法线的平面上的投影。
[0071]根据图4、7和7a的流变仪的实施形式能够特别简单地置入到管的或容器的壁18中且位于管或容器中的测试介质6能够被测量。
[0072]对于具有板球测量系统(Kegel-Platte-Messsystem)的旋转流变仪已知的是:如果-如在图8中以剖面所示的那样-对于间隙高度s在与旋转轴线的任意的间距或者说半径r中适用:R1/R2 = S1/S2，则在整个间隙上得到恒定的剪切速率。这意味着，间隙高度s随着与转子11的旋转轴线A的间距R变大而恒定地增加。该条件还能够在根据本发明的旋转流变仪中实现，尤其在根据图la、4和7的流变仪中。
[0073]在图4中示出如下的旋转流变仪，在其中转子I具有截锥形状且限制到测量间隙15中，其根据上述的条件具有对于该条件满足的、朝着旋转轴线A和间隙中间平面E逐渐变细的测量间隙15。在图7中所示的旋转流变仪还可在相应地改造转子1、凹部20和定子部件2’时满足对于测量间隙15、15’的条件。在所示的实施形式中，仅位于内部的测量间隙满足所述条件。如果在转子I的内部面与定子2的固定的外部面之间以及在转子I的外部面与定子部件2’的内部面之间的两个测量间隙15和15’径向上或朝外部越来越宽地敞开且满足上述的条件，所述条件而后能够适用于在图7中应用的间隙几何结构。在该情况下能够对待检查的流体施加恒定的剪切速率。由此尤其在进行校准时也能够以简单的方式检查非牛顿的液体。
[0074]十分普遍地有利的是:所有彼此相对而置的、限制测量间隙15或15’的面旋转对称地或中心对称地构造或处于同心。这也适用于涡流体3及定子部件2’和2〃。此外所使用的构件有利地均匀地构造。
[0075]转子I是否在定子2内部或围绕定子2旋转对于本发明是不重要的，因为在转子I与定子2之间总是能够构造流体动力的支承。
[0076]对于专业人员，能够以简单的方式使所构造的测量间隙15、15’的厚度和几何结构以及转子I的与定子2的尺寸设计彼此匹配，从而对于确定的测试介质6的测试总是能够实现流体动力的支承。尤其能够通过更换转子I以及选择转子I其它的厚度、长度或单位的(spezifisch)重量简单地进行对具有不同的密度和/或流变的特性的测试介质6的匹配。此外通过选择由环绕的磁场或环绕的永磁体4或环绕的涡流体3规定的驱动转速能够简单地实现匹配。
[0077]所设置的永磁体4或线圈8相对转子轴线A中心对称地布置。设置了至少两个优选多于两个永磁体4或线圈8。沿着周缘相继先后的永磁体以相反的极性布置;线圈8是相应地能够换向的。
[0078]原则上，得出旋转的磁场的转速以及通过永磁体4的或者环绕的磁场的或环绕的涡流体的旋转产生的驱动转速。这些转速能够准确地测量。为了求得期望的流变的参数，测量转子转速，该转子转速基于转子的通过测试介质的制动调整。可行的是，转子的或者说流变仪的校准利用粘度已知的或参数已知的流体来进行且制成如下校准表，其在确定的温度或压力情况下将得到的转子的转速与实际上的粘度值或流变的参数建立联系。
[0079]十分普遍地且例如适用于图1、3和7的是，所构造的流体动力的支承部或者说测量间隙15、15’、15"能够具有径向和轴向延伸的支承部区段或测量间隙区段15、15’、15"。在径向方向上延伸的流体动力的支承部区段固定转子在定子轴线B的纵向方向上的位置。在轴向方向上或在转子轴线A的纵向方向上延伸的支承部区段固定转子I的径向的定向。对于旋转流变仪，如其例如在图7中所示的那样，测量间隙15、15’不能分成轴向的和径向的支承部区段。基于测量间隙的曲折在每个点中存在径向的和轴向的分量且因此总体上不仅在轴向方向上而且在径向方向上确保流体动力的支承。因此还可考虑球形或椭圆或卵形构造的支承部几何结构。在此重要的是，投影的面在轴向的和径向的方向上对于流体动力的支承是足够的。
[0080]非牛顿的流体在其参数、尤其粘度方面显示对剪切速度的依赖性。为了能够评判真正的非牛顿的流体，须在实际上的测量间隙上施加恒定的剪切速率到待测量的流体上。为了实现此，测量间隙须特别地实施。剪切速率在此被理解成在间隙中的速度的斜率。
[0081]在根据本发明的旋转流变仪中使用的转子I的端部能够倒圆地或鱼雷状逐渐尖地收尾地结束。在这些区域中，在定子2或者定子部件2’或2"处的对置的面能够具有相应的倾斜或匹配。
[0082]转子I的直径是能够选择的；例如能够选择由铝或铜制的转子I，具有0.5cm的直径和3至4cm的长度或者具有Icm的直径和15至20cm的长度;在此所构造的间隙具有几个十分之一毫米的、例如0.2mm或0.5至Imm的间隙宽度且转速值(例如500rpm)能够在从较小的Irpm直至10000 rpm的转速范围中使用。然而无问题地还可行的是，使用具有20cm直径的转子I。然而有利的是，转子的长度约以系数3至6，尤其4至5地大于直径，因为以此在任何情况下出现的边缘效应最小化且能够保持不被考虑。转子的原则上任意长度的实施通过可操作性、生产条件和清洗朝上受限。
[0083]有利的是，在测量期间在测试介质中存在时间上和空间上恒定的温度。因此能够利用优选旋转对称的Peltier元件或者利用液体调温的外罩且/或利用电阻加热来进行调温O
【主权项】
1.旋转流变仪，具有旋转不变地布置的定子(2);具有借助于围绕所述定子(2)的轴线的涡流驱动能够围绕所述定子(2)或在所述定子(2)内部旋转的、旋转对称地构造的且以其旋转轴线(A)相对于定子轴线(B)同轴地放置的转子(I)，其中，待检查的测试介质(6)能够被引入到至少一个在转子(I)的和定子(2)的彼此相对而置的面之间构造的测量间隙(15)中；具有测量单元，利用所述测量单元能够确定与所述测试介质(6)处于接触中的转子(I)的转速;且具有分析单元，以所述涡流驱动施加到所述转子(I)上的转速与在测试过程期间测量的、所述转子(I)的转速之间的转速差利用所述分析单元求得且被用作为用于所述测试介质(6)的流变的和/或粘性的特性的测量值，其特征在于，以所述待检查的测试介质(6)来填充的测量间隙(15)用作为或构造为在转子(I)与定子(2)之间的流体动力的支承部且仅仅通过由所述转子(I)相对于所述定子(2)的旋转实现的流体动力的支承作用，转子(I)的和定子(2)的彼此面向的、限制所述测量间隙(15)的面的间距和互相的位置被规定且被调整且在测量过程期间被保持。2.根据权利要求1所述的旋转流变仪，其特征在于，所述测量间隙的端部区域(17)与连接到所述端部区域(17)的外部区域(19)或位于这些区域中的测试介质(6)自由地相连，而尤其没有使所述测量间隙的端部区域的横截面变窄，或者所述端部区域(17)直接过渡到所述外部区域(19)中。3.根据权利要求1或2所述的旋转流变仪，其特征在于，所述转子(I)，除了其在所述测量间隙的区域中的流体动力的支承之外，在径向方向上关于所述转子的旋转轴线(A)无接触地及无支承地，尤其还无磁体支承部地在所述定子(2)上或相对于所述定子(2)得到支承。4.根据权利要求1至3中任一项所述的旋转流变仪，其特征在于，为了构造将所述转子(I)置于旋转中的涡流驱动，所述转子(I)、优选全部，由非磁性的、不能磁化的、导电的材料构造并且围绕所述转子(I)或至少部分地在所述转子(I)内部围绕所述定子轴线(B)支承有能够旋转的永磁体(4)或者围绕所述转子(I)或至少部分地在所述转子(I)内部支承有电磁的线圈(8)，利用其能够生成围绕所述定子轴线(B)能够旋转的磁场。5.根据权利要求1至4中任一项所述的旋转流变仪，其特征在于，为了构造将所述转子(I)置于旋转中的涡流驱动，所述转子(I)、优选全部，由非磁性的、不能磁化的、导电的材料构造并且至少部分地在所述定子(2)内部支承有永磁体(4)或线圈(8)，其中，所述永磁体(4)围绕所述定子轴线(B)能够旋转且利用所述线圈(8)能够生成围绕所述定子轴线(B)旋转的磁场。6.根据权利要求1至5中任一项所述的旋转流变仪，其特征在于，为了构造将所述转子(I)置于旋转中的涡流驱动，在所述转子(I)内部位置固定地布置有永磁体(4)或与所述转子(I)连接有永磁体(4)并且设置有由非磁性的、不能磁化的、导电的材料，优选完全由非磁性的、不能磁化的、导电的材料构造成的涡流体(3)、优选笼、罐或导体环，其围绕所述转子(I)能够旋转。7.根据权利要求1至6中任一项所述的旋转流变仪，其特征在于，所述转子(I)布置在具有旋转对称的内壁和旋转对称的容器的或杯的形状的定子(2)的内部空间中，其中，为了构造将所述转子(I)置于旋转中的涡流驱动，在所述转子(I)内部位置固定地布置有永磁体(4)或与所述转子(I)连接有永磁体(4)且所述容器的或杯的材料、优选全部，是非磁性的、不能磁化的且不导电的材料且设置有由非磁性的、不能磁化的、导电的材料构造成的涡流体(3)、优选罐、笼或导体环，其围绕所述定子(2)能够旋转。8.根据权利要求1至7中任一项所述的旋转流变仪，其特征在于，在通过所述转子(I)的旋转轴线(A)或通过所述定子轴线(B)延伸的剖面中，所述测量间隙(15)或者所述转子(I)的和定子(2)的限制所述测量间隙(15)的面具有至少一个直的、折叠的、弯曲的和/或曲折的区段，所述区段相对于所述旋转轴线(A)或所述定子轴线(B)倾斜地延伸或者与其围成尖的角度，所述尖的角度的顶点指向到所述测量间隙(15)的内部并且/或者所述测量间隙(15)的彼此相对而置的面关于所述旋转轴线(A)分别中心对称地构造并且/或者所述限制所述测量间隙(15)的面关于所述测量间隙(15)的垂直于所述旋转轴线(A)延伸的中间平面(E)分别对称地延伸。9.根据权利要求1至8中任一项所述的旋转流变仪，其特征在于，所述转子(I)柱形地、环形地、罐形地、锥形地或截锥形地构造或者在延伸通过所述旋转轴线(A)的平面中以剖面三角形地、梯形地构造或者构造为锥剖面的或卵的部分。10.根据权利要求1至9中任一项所述的旋转流变仪，其特征在于，在所述转子的面的至少一个处、也就是说在所述转子的内部面和/或外部面处和/或在至少一个端部面处，所述定子(2)的或定子部件(2’)的或另外的定子部件(2’)的分别一个面对置于所述转子(I)并且所述转子(I)在其旋转时通过所述测试流体(6)的、在相应的面之间的相应的测量间隙(15、15’)中存在的流体动力的支承作用在径向方向上且必要时还在轴向方向上关于所述定子轴线(B)无接触地得到支承。11.根据权利要求1至10中任一项所述的旋转流变仪，其特征在于，所述定子(2)以封闭的罐的或柱的形状构造并且具有敞开的罐的形状的转子(I)以其内部空间在构造所述测量间隙(15、15’)的情况下放上在所述定子(2)上，其中，必要时附加地在所述转子(I)的背向所述定子(2)的侧面处与所述转子(I)有间距地、尤其对置于所述转子的端部壁地和/或周缘壁地，至少放置有定子部件(2’)和/或另外的定子部件(2’)且必要时在所述转子(I)与相应的定子部件(2’)或另外的定子部件(2’)之间的这样的间距构造为实现流体动力的支承的测量间隙(15、15’)。12.根据权利要求1至11中任一项所述的旋转流变仪，其特征在于，所述定子(2)在其柱状构造的外部面处具有环绕的槽或凹部(20)，在所述环绕的槽或凹部中在所述转子的内部面处为了构造所述测量间隙(15)匹配于所述凹部(20)的横截面形状的转子(I)与所述凹部(20)的面有间距地流体动力地能够得到支承或得到支承。13.根据权利要求12所述的旋转流变仪，其特征在于，在在所述凹部(20)中支承的转子(I)的背向所述定子(2)的面处，有间距地且在构造流体动力的支承部的另外的测量间隙(15’)的情况下对置有定子部件(2 ’)的面。14.根据权利要求1至13中任一项所述的旋转流变仪，其特征在于，对于相应的测量间隙(15、15’)的间隙宽度(S)在与所述旋转轴线(A)的间距(R)上适用如下关系 R1/R2 = S1/S2 其中，Rl和R2是在限制所述测量间隙(15、15’)的面上的点与所述转子(I)的旋转轴线(A)的间距且SI和S2是在这些点Rl和R2中在流体动力地支承所述转子(I)的情况下构造的间隙厚度且相应的测量间隙(15、15’)的所述厚度随着与所述旋转轴线(A)越来越远离而增大。15.根据权利要求1至14中任一项所述的旋转流变仪，其特征在于，为了构造所述流体动力的支承依赖于由驱动单元(5)所施加的转速、所述测试介质(6)的之前估计的粘度的值和/或之前估计的流变的参数来选择几何结构、优选所述测量间隙(15)的彼此相对而置的面区段的间距和间距延伸、尤其转子(I)的和定子(2)的围绕所述旋转轴线(A)的彼此相对而置的面的径向的间距。16.根据权利要求1至15中任一项所述的旋转流变仪，其特征在于，设置有具有柱状的周缘面及任何情况下相对于其倾斜的端部面的转子(I)，所述转子全面地由所述定子(2)的具有柱形的内壁面及任何情况下相对于其倾斜的端部面的内部空间包围且在所述内部空间的内部由所述测试介质(6)完全地包围，其中，围绕所述定子(2)能够旋转地支承有涡流体(3)，所述涡流体优选具有罐的、笼的或导体环的形状且由非磁性的或者不能磁化的、导电的材料构造，其中，在所述转子(I)中支承有永磁体(4)或与所述转子连接有永磁体(4)。17.根据权利要求16所述的旋转流变仪，其特征在于，所述定子(2)具有用于所述测试介质(6)的能够封闭的引入开口。18.根据权利要求1至17中任一项所述的旋转流变仪，其特征在于，为了使所述转子(I)关于所述定子(2)在所述定子轴线(B)的纵向方向上位置稳定化，在所述转子(I)和所述定子(2)处布置有彼此相对而置地共同作用的永磁体(4)和软铁部件(10)，所述永磁体和所述软铁部件无接触地使所述转子(I)相对于所述定子轴线(B)的纵向位置稳定化。19.根据权利要求1至18中任一项所述的旋转流变仪，其特征在于，在所述测量间隙(15)中在所述转子(I)旋转时构造有足够用于构造流体动力的支承的层状的、无涡旋的流动。20.根据权利要求1至19中任一项所述的旋转流变仪，其特征在于，所述转子(I)和/或所述定子(2)和/或围绕所述转子(I)旋转的涡流体(3)具有高的导电能力且必要时由Cu、Pt、Ag或Au制成。21.根据权利要求1至20中任一项所述的旋转流变仪，其特征在于，在所述定子(2)中布置有用于所述测试介质(6)的加热和/或冷却单元。22.根据权利要求1至21中任一项所述的旋转流变仪，其特征在于，在所述定子(2)处和/或在所述转子(I)处和/或在所述测量间隙(15、15’)的内部布置有无接触的测量单元用于测量所述转子(I)的转速和/或由所述涡流驱动规定的驱动转速且必要时在所述测量间隙(15)中的温度和/或压力和/或密度。23.根据权利要求1至22中任一项所述的旋转流变仪，其特征在于，所述涡流体(3)的、优选罐的、笼的或导体环(3)的旋转轴线(C)与所述转子(I)的旋转轴线处于同轴。
【文档编号】G01N11/14GK105874315SQ201480061674
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年8月25日
【发明人】R.亨津格, J.高特施
【申请人】安东帕有限责任公司