JP4013082B2 - 回転粘度計 - Google Patents

Description

本発明は、固定子の空気軸受けに取り付けられた円板を持つ測定シャフトを駆動する測定モータを装備し、また、試験しようとする物質、特に、液体の粘-弾性特性に基づいて測定シャフトの軸方向運動を決定するために、少なくとも１つの距離センサを有する基準力測定装置を装備した回転粘度計に関するものである。試験する物質は、どのような種類であっても良く、例えば、ゴム、蜂蜜、溶液、エマルジョン、オイル、合成樹脂、等のような塑性−弾性特性挙動を示すものとする。
上述の種類の回転粘度計は、例えば、DE 27 33 099 B1から公知である。この明細書には、互いに回転する２つの測定面を持ち、下部測定面を取り囲む調整室に測定装置を有する、プレート−円すい−原理、あるいは、プレート−プレート−原理に従った回転粘度計が記載されており、その際、基準力を測定するための装置は測定面から分離された独自のハウジングがあり、そのハウジングは、その下で、着脱可能なコネクタによって架台、あるいは、調整室に配置されている。この配置では、バーが転回することによって、下部測定プレートに対する基準力が算出される。こうした回転粘度計は、複雑な構造で、生じた基準力について得られた測定値は、多くの機器パラメータの影響を受ける。
本発明の目的は、レオロジーによって要求された十分に高い精度で基準力を決定するため、温度の影響を決定できる回転粘度計を提供することにある。
回転粘度計は、単純で、確実に動作するよう製造でき、最高の測定精度が可能でなければならない。回転粘度計は、固体を試験する場合には、有利に軸方向に予め基準力の負荷を受ける。
上述の種類の回転粘度計の場合は、空気軸受けの領域での基準力を測定するために、固定子に取り付けた空気軸受けの領域に、特に固定子の中に埋め込んで距離センサ（複数）を配置し、測定シャフトの軸方向に発生する固定子に対する円板の運動を感知することによって、目的が達成される。
本発明に従った回転粘度計によれば、無動力、無接触で、特に、摩擦なしで、構造を複雑にすることなく、あるいは、測定精度、または動作の安定性を損なうことなく、基準力を測定することができる。
請求項２の特徴を満足させれば、回転粘度計の構造的に単純な実施例が得られる。距離センサとしては、特に、容量性、誘導性、および／または、光学的（干渉計的）距離センサが問題になり、そうした距離センサは、測定シャフトの軸方向に力を発生させたり、固定子と軸受け円板との間に摩擦を生じることがなく、また、無動力及び無接触距離センサである。
請求項４によれば、距離、あるいは、その距離の変化に関して非常に正確な測定値が得られ、基準力を求めるために非常に良好に利用できる。
請求項６によれば、非常に正確な分析ができる。
請求項７の特徴によれば、測定精度が更に高められる。
請求項８、９、及び１０の特徴は、それぞれ、回転粘度計の有利な実施形態を示しており、有利な箇所に形成された無動力、無接触で動作する距離センサを備えている。
各請求項、下記の説明、及び図面から、本発明の好ましい実施形態が得られる。
図１は、本発明に従った回転粘度計の構造を示している。図２は、空気軸受けの構造を示している。図３、４、５、及び６は、基準力測定装置を備えた空気軸受けの本発明による様々な実施形態を示している。
発明を実施するための最良の形態
図面を参照しながら、実例を示して本発明を詳しく説明する。図１には、本発明による回転粘度計の構造を概略的に示してある。また、従来の回転粘度計は、主にその種の構造を示しているが、組み込んだ測定センサ１２、あるいは、複数の測定センサが−本発明に従って組み込んだように−空気軸受けの領域に配置されているのではなく、別の場所に配置され、測定シャフト３の軸方向の運動を監視しているということが例外である。
図１に示した回転粘度計は、三脚、あるいは、架台２に取り囲まれ、その上にプレート８が配置されており、その上に試験しようとする物質１９を置く。測定モータ１によって駆動された測定シャフト３は、測定体として既知の構造の固体装着装置、あるいは、円すい７、あるいは、円すい７の代りとなるプレートを持ち、それは、測定モータ１によって測定シャフト３を介して回転に転換される。測定モータ１の場合は、測定シャフト３の回転モーメントと測定モータ１の電流消費との間の関係は既知であるか、あるいは、対応した目盛測定装置によって出来るだけ正確にそれを求め、それによって、測定の電流消費を測定することによって、試験する物質１９によって、円すい７、あるいは、プレートを介して装着に加えられるモーメントを決定することができる。
測定シャフト３の回転位置と回転数を算出できるように、測定シャフト３には、角度エンコーダ４、４’が配置されている。固定子、あるいは、ハウジング、あるいは、サポート２には、測定モータ１がプレート８に対して固定して支持され；更に、測定シャフト３の位置を決定、あるいは確定し、それに対して、測定シャフト３用の案内軸受けを架台２に形成しなければならない。その種の回転粘度計に課せられた測定要求を満たすために、こうした案内軸受けは、空気軸受け２０である。回転粘度計は、＜０．１μＮｍの物質のモーメントを分析することができる。従来のころ軸受けは、転がり摩擦が高いことにより、そうした用途には適していない。空気軸受けの残留摩擦の大きさはほぼ１μＮｍで低いので、空気軸受けを使用することによって、そうした問題が解決する。
基本的に、試験を行うには、３種類の方法がある：
ａ）ＣＳＲ（被制御剪断率）試験：測定シャフトに定回転数を与え、回転モーメントを測定し、評価する。
ｂ）ＣＣＳ（被制御剪断応力）試験：この場合は、測定シャフト３に定回転モーメントを加え、回転数を測定する。
ｃ）発振試験：粘度成分の他に、試験する物質の弾性成分も決定できるように、測定シャフト３に、例えば、正弦形の軌跡を持つ回転モーメント、あるいは、回転運動を加える。
回転試験の際には、ニュートンの液体、あるいは、理想的液体は回転面でもっぱら逆トルクを生じるが、粘弾性物質、特に、柔らかい、またはペースト状の塑性弾性物質、あるいは、液体は、付加的に力Ｆ（図２）を生じ、通常、その方向は回転方向に向かっており、図１では矢印２１で示してある。この力は、レオロジーでは「基準力」と呼ばれ、物質１９の（分子的）構造に関する重要な固有値となっている。
図１及び図２に概略図で示すように、回転粘度計に空気軸受け２０の使用は、それ自体知られている。その種の空気軸受け２０は、主として架台、あるいは、ハウジングに固定された固定子６、及びその中に回転可能に支持された円板、あるいは、測定シャフト３と結合された回転子５を取り囲んでいる。円板５は、例えば、重量によって測定シャフト３に作用する軸方向負荷を受け入れる役割を果たし、空気クッションを介して固定子６に対して支持されている。円板５の下側および／または上側で測定シャフト３に取り付けられた円筒形の構成部品１１は、ラジアル軸受けを形成し、それを取り囲む空気クッションによって、固定子６の中で測定シャフト３のセンタリングを行っている。図示していない供給装置によって、空気インレット２２を介して空気軸受けに空気が供給され、加圧されて供給された空気が、円板５及び構成部品１１を上下に半径方向に支えている。供給された空気は、空気アウトレット２３を介して排出される。できるだけ一定の圧力で空気の供給を行う。空気軸受け２０の剛性は、主として空気クッション面、空気間隙１０及び１０’の大きさによって、並びに、空気間隙１０及び１０’中の圧力に依存する。空気間隙１０、１０’の空気クッションは、軸方向負荷の場合は、基準力Ｆによって２１の方向に作用する。すなわち、対応する測定シャフト３の軸方向負荷の場合、スプリングのように基準力Ｆに対向して作用する。従って、軸方向に作用する力は、空気軸受け２０の空気間隙の変化を発生させ、その際、測定シャフト３の運動、あるいは、運動、または空気間隙１０、１０’の圧力の変化は加えられた力に比例するか、あるいは、それと数学的関係にある。比例性、あるいは、成立する数学的関係に基づいて、厚さおよび／または、空気間隙１０、１０’、すなわち、その軸方向の測定シャフト３の位置変化、あるいは、距離変化を測定することによって、作用した力を逆推論できる。
作用力を決定するために、その種の回転粘度計に基準力測定装置を組み込む基準力測定装置では、測定シャフト３の位置変化を確定するために備えた距離センサを測定シャフト３のいずれかの場合、特に、測定モータ１の近くに配置する。その種の容量性および／または、誘導性距離センサによって、測定シャフト３の変位を無接触で測定することができる。しかしながら、こうした既知の実施形態の主要な欠点は、温度変化が生じた場合、その距離が通常数センチメートルにもなる、空気軸受け５と距離センサの取り付け場所との間の熱膨張によって、測定しようとする基準力が原因ではない距離変化が生じる、という点にある。
測定しなければならない力と距離の値に関して、そのように構成した回転粘度計は、温度に対して明らかに敏感に反応する。既知の回転粘度計の場合、物質１９で満たされた測定間隙を一定に維持するために空気軸受けの高い剛性が要求される。それは、通常１０Ｎ／μｍである。更に、１０ｍＮの分解能で基準力を測定しなければならない；これは、１ｎｍの距離測定の場合の分解能に相当する。
測定シャフト３の膨張係数を１×１０^-5１/℃とし、軸受け円板５と距離センサとの間の距離を３０ｍｍとすると、それが鋼鉄製である限り３００ｎｍ／℃の温度係数、と３０００ｍＮ／℃の基準力のドリフトが算出される。温度の影響に基づいて、レオロジーで要求される精度で基準力Ｆを決定するためには、その種の機構の適性は制約される。
基本的に、そうした機構は、単一の距離センサ、あるいは、間隔センサで十分である；多段測定によって、更に良好な測定結果が得られる。図３には、本発明に従った回転粘度計の実施形態を示してあり、コンデンサＣ₁及びＣ₂で構成された距離センサを備えており、コンデンサは固定子６の上部空気間隙１０の領域に直接配置されている。こうした容量性距離センサＣ₁、Ｃ₂、あるいは、その出力信号を用いて、基準力測定装置によって、その距離センサＣ₁、Ｃ₂からの軸受け円板５の距離、あるいは、その距離の変化を決定することができる。同心に配置された２つの距離センサ、この場合は、コンデンサリングで形成された距離センサが、軸受け円板５と共に２つのキャパシタンスを形成する。基準力Ｆが発生すると、それが、ある値Δｓの回りの測定シャフト３の上昇及び上部空気間隙１０の厚さＳ₁の減少、及び、ある値Δｓの回りの下位空気間隙１０’の厚さＳ₂の減少を発生させる。既知の回路、例えば、ブリッジ回路を用いて、基準力測定装置９の中で、容量性測定センサのキャパシタンス値の変化を測定、評価、保存、及び、場合によっては、する基準力Ｆとして表示のために取り出すことができる。
測定シャフト３を取り囲むコンデンサリングの代りに、コンデンサプレートを使用することができる。しかしながら、コンデンサリングには、軸受け円板５のほぼ前面にわたって空気間隙を測定し、そうすることによって、回転中の軸受け円板５の機械的衝撃が測定に影響を与えない、という利点がある。
図４は、空気間隙１０、１０’の厚さＳ₁、Ｓ₂の複合測定を示している。間隙の厚さの変化を有利に測定し、測定値から差を求めれば、それにより、著しい利点が得られる。円板５、および／または、固定子６の熱膨張は、上部空気間隙１０、並びに、下部空気間隙１０’で、それぞれ、円板５の上面及び下面との間の距離変化、及びその面に向いたそれぞれの固定子６の内面に影響を与える。両方の空気間隙１０、１０’は、大きいか、あるいは、小さくなっている。しかしながら、空気間隙の厚さが変化しても、両方の測定信号に予め想定したした差が生じることに基づいて基準力の変化を検知できない。基準力Ｆが発生した場合に、測定シャフト３、あるいは、円板５の軸方向負荷は、上部空気間隙１０及び下部空気間隙１１’の厚さの変化を発生させる：
上部空気間隙：Ｓ₁（−Δｓ）
下部空気間隙：Ｓ₂（＋Δｓ）
こうした変化は、等しくない前置記号を持ち、差の発生に基づいて、Ｓ₁及びＳ₂に対する値が既に知られている場合は、変化に対する測定信号として、発生した基準力Ｆに基づいて二重の変化に対応した信号値が得られる。測定信号が同時に二倍になり、それに対応して分解能が増大した場合、空気間隙１０、１０’の熱的変化がシステムに条件付けられて補償される。
図５は、本発明の回転粘度計の実施形態を示し、少なくとも１つの誘導距離センサ１２を用いて距離測定、あるいは、間隔測定を行う。円板５の上昇、あるいは、下降に基づいた空気間隙１０の厚さの変化は、磁気回路の中の誘導の変化に影響を与える。誘導の変化は、発生した厚さの変化、あるいは、距離センサ１２からの軸受け円板５の距離の変化と既知の数学的関係を持ち、そこから基準力Ｆを決定することができる。
図５に斜線で示したように、軸受け円板５の両側の２つのセンサ１２、１２’を用いて誘導性距離測定を行い、図４と関連させて説明したように信号の差を評価することができる。
図６は、本発明による回転粘度計の実施形態を示し、上部空気間隙１０および／または下部空気間隙１０’の厚さは、光学的距離センサ、あるいは、干渉計１３、１３’を用いて監視されている。半透過性ミラー１５、１５’を介して光源１４、１４’から円板5の表面に光が照射され、そこで、反射され、ミラー１５、１５’によって検出器１６、１６’に戻される。得られた干渉像は、前述のように測定値として評価される。
距離センサと最適に共同して動作するように、軸受け円板５の対向する面の上の距離センサＣ₁、Ｃ₂、Ｃ₃、Ｃ₄、１２、１２’、１３、１３’を形成することができる。軸受け円板５の表測定精度、あるいは、感度を高めるために、面領域は、金属的および／または、磁気的領域、あるいは、研磨、あるいは、鏡面仕上げされた領域を備えなければならない。
距離センサをできるだけ軸受け円板５の近くに配置する考えから、軸受け円板５と距離センサ間の領域で測定シャフト３の全体的な熱的変化を無くすようにする。従って、距離センサに関する軸受け円板５の位置の変化は、測定シャフト３に作用する軸方向力、あるいは、基準力Ｆに由来し、それを大きな精度で検知することができる。
本発明では、誘導性、容量性、あるいは、光学的距離センサの組み合わせを徹底的に利用することができる。

Claims (10)

1. 固定子の空気軸受けに取り付けられた円板をもつ測定シャフトを駆動する測定モータ、試験しようとする液体物質の粘-弾性特性に基づく側定シャフトの軸方向の運動を決定するための少なくとも一つの距離センサを有する基準力測定装置、及び空気軸受けの領域で基準力測定用固定子の空気軸受け領域に配置され、側定シャフトの軸方向に生じる固定子に対する円板（5）の運動を感知する少なくとも一つの距離センサを含有して成る回転粘度計。
2. 少なくとも一つの距離センサが、空気軸受けの上部空気間隙の上部末端領域に、あるいは僅か上部に、また、空気軸受けの下部空気間隙の下部末端領域の僅か下部に、固定子に配置されている請求項１に記載の回転粘度計。
3. 容量性、誘導性及び光学的（干渉計による）距離センサの少なくとも一つが、少なくとも一つの距離センサとして備えられている請求項１又は２に記載の回転粘度計。
4. 固定子からの円板の上面及び／又は下面の距離、あるいはその距離の変化（空気間隙の厚さ）が、少なくとも一つの距離センサで測定され、その距離又は距離の変化に対応した少なくとも一つの距離センサの測定信号が、基準力測定装置に供給される請求項１〜３のいずれかに記載の回転粘度計。
5. 少なくとも一つの距離センサ円板の上に、また少なくとも一つの距離センサを円板の下に、固定子に接して又は固定子の中に配置されている請求項１〜４のいずれかに記載の回転粘度計。
6. 円板の上及び下に配置された距離センサが、信号値の差を形成する部材又は形成ユニットにそれぞれ接続され、場合によっては、基準力測定装置に一体化されている請求項１〜５のいずれかに記載の回転粘度計。
7. 測定信号の品質を改善するために、少なくとも一つの距離センサのそれぞれの一つと協働する円板に配置された手段を含有する請求項１〜６のいずれかに記載の回転粘度計。
8. 少なくとも一つの距離センサが、測定シャフトを取り囲み、固定子に形成されたコンデンサリング形状の容量測定センサを含有する請求項１〜７のいずれかに記載の回転粘度計。
9. 固定子の窪みに挿入されコイルで取り囲まれたヨークが、誘導距離センサを包含する請求項１〜７のいずれかに記載の回転粘度計。
10. 固定子が、半透明のミラーを介して円板を照らすための窪みを有し、干渉計による評価のために、円板により検知器に反射された光を透過させるための半透明ミラーを含有する請求項１〜７のいずれかに記載の回転粘度計。

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