AT515077B1 - Verfahren zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit (2, 200), bei dem ein von der Flüssigkeit (2, 200) vollständig umgebener magnetischer Körper (3) mit Hilfe mindestens eines ersten Magnetfelds (5, 6), insbesondere eines magnetischen Gleichfelds (7), in einer levitierten Ruhelage (8) gehalten wird und mit Hilfe mindestens eines zweiten Magnetfelds (11, 12, 38, 39, 51, 52), das dem ersten Magnetfeld (5, 6) zumindest bereichsweise überlagert ist und ein magnetisches Wechselfeld (13, 37) aufweist, ausgehend von der levitierten Ruhelage (8) in Bewegung versetzt wird, von der Bewegung des magnetischen Körpers (3) abhängige Messdaten (21, 22) erfasst werden und anhand dieser die Viskosität der Flüssigkeit (2, 200) bestimmt wird, gezeigt. Um eine Scherung der Flüssigkeit während der Ermittlung der Messwerte zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der magnetische Körper (3) zumindest in eine erzwungene Drehschwingung (34, 28) oder in eine erzwungene Rotation (17) versetzt wird.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit, beidem ein von der Flüssigkeit vollständig umgebener magnetischer Körper mit Hilfe mindestenseines ersten Magnetfelds, insbesondere eines anhand der Position des magnetischen Körpersgeregelten magnetischen Gleichfelds, in einer levitierten Ruhelage gehalten wird und mit Hilfemindestens eines zweiten Magnetfelds, das dem ersten Magnetfeld zumindest bereichsweiseüberlagert ist und ein magnetisches Wechselfeld aufweist, ausgehend von der levitierten Ruhe¬lage in Bewegung versetzt wird, von der Bewegung des magnetischen Körpers abhängigeMessdaten erfasst werden und anhand dieser die Viskosität der Flüssigkeit bestimmt wird.

[0002] Um die Viskosität einer Flüssigkeit bestimmen zu können, zeigt die DE102004009089A1ein Verfahren, bei dem kleine magnetische Körper bzw. Partikel einer Flüssigkeit mit einemmagnetischen Gleichfeld levitiert werden. Zudem werden die magnetischen Körper mit Hilfeeines magnetischen Wechselfelds in Bewegung versetzt und aus der gemessenen Amplitudeund/oder Phase der Schwingung die Viskosität ermittelt. Nachteilig hat sich herausgestellt, dassbei diesem Verfahren nur ein allgemeiner Wert für die Viskosität ermittelt werden kann, der sichaus der Viskosität in Scherung und der Dehnviskosität zusammensetzt. Die Viskosität in Sche¬rung kann dadurch nicht genau bestimmt werden.

[0003] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom eingangs geschildertenStand der Technik, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Viskosität in Scherung genau undreproduzierbar ermittelt werden kann.

[0004] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass der magnetische Körper zumin¬dest in eine erzwungene Drehschwingung oder in eine erzwungene Rotation versetzt wird.

[0005] Wird der magnetische Körper zumindest in eine erzwungene Drehschwingung oder ineine erzwungene Rotation versetzt, kann dadurch die Viskosität in Scherung besonders vorteil¬haft ermittelt werden. Drehschwingungen oder Rotationen bewirken einen Bewegungsverlaufdes magnetischen Körpers in der Flüssigkeit, der beinahe zu einer reinen Scherbewegungzwischen Körperoberfläche und Flüssigkeit führen kann. Somit kann dezidiert die Scherge¬schwindigkeit der Flüssigkeit und damit die Viskosität in Scherung mit Hilfe der aufgenommenenMesswerte ermittelt werden. Zudem fallen aufgrund der Levitation des magnetischen Körpersunerwünschte Einflüsse von mechanischen Verbindungen weg, d. h. das Messsystem selbstverfälscht nicht die Ergebnisse der Messung und damit die Ermittlung der Viskosität. Ein ge¬naues, aussagekräftiges und reproduzierbares Ergebnis der Bestimmung der Scherviskositätder Flüssigkeit kann so ermöglicht werden.

[0006] Im Allgemeinen wird festgehalten, dass unter Drehschwingungen im Zusammenhang mitdieser Anwendung ein Oberbegriff für Pendelschwingungen und Rotationsschwingungen ver¬standen wird. Unter Rotation wird nicht nur die Drehung um eine Achse des magnetischenKörpers, sondern auch die Bewegung auf einer Kreisbahn um eine nicht durch den Massenmit¬telpunkt des magnetischen Körpers gehende Achse verstanden. Die aufgenommenen Mess¬werte entsprechen der zeitlichen Veränderung der räumlichen Lage des magnetischen Körpersin der Flüssigkeit. Diese Messwerte können mit Hilfe von Hallsensoren oder Auslesespulenermittelt werden, aber auch andere Verfahren zur Positionsmessung von Körpern, wie mit Hilfevon Laser oder Mikrowellen, sind denkbar.

[0007] Hat der magnetische Körper die Form einer Kugel oder eines Kreiszylinders, kann dieszur einfach handhabbaren Ermittlung der Viskosität in Scherung beitragen. Aufgrund der spezi¬ellen Oberflächenformen dieser Körper kann die Flüssigkeit bei Bewegungen des magnetischenKörpers reinen Scherbewegungen unterworfen sein.

[0008] Das Verfahren kann weiter verbessert werden, falls der magnetische Körper ein Perma¬nentmagnet ist. Durch das Bestreben eines Permanentmagneten, sich im magnetischen Feldräumlich auszurichten, kann die räumliche Lage des magnetischen Körpers in der Flüssigkeitdefiniert werden.

[0009] Wird der magnetische Körper in eine resonante Drehschwingung versetzt, kann damitdie Amplitude der Bewegung einen Maximalwert erreichen und zu besonders aussagekräftigenAusgangsdaten für Vergleichsmessungen unterschiedlicher Flüssigkeiten genutzt werden.

[0010] Wird der magnetische Körper in eine Pendelschwingung versetzt, kann damit eine einfa¬che und kostengünstige Möglichkeit geschaffen werden, die Viskosität der Flüssigkeit zu ermit¬teln. Um eine Pendelschwingung normal zur Richtung des magnetischen Gleichfelds zu erzeu¬gen, kann nämlich ein Sekundärspulenpaar ausreichen, ein gegengleiches Wechselfeld inRichtung des magnetischen Gleichfelds zu generieren. Des Weiteren kann bei dieser Pendel¬schwingung die Bewegung und damit die zu messende Positionsänderung relativ groß ausfal-len, wodurch die Anforderungen hinsichtlich der Positionsmessgenauigkeit reduziert werdenkönnen. Konstruktive Einfachheit bei gleichzeitig einfacher Handhabbarkeit können das erfin¬dungsgemäße Verfahren somit auszeichnen.

[0011] Besonders vorteilhaft lässt sich die Schergeschwindigkeit und in weiterer Folge dieViskosität in Scherung ermitteln, wenn der Permanentmagnet in eine Rotationsschwingungversetzt wird. Dabei kann dem Permanentmagneten eine Rotationsschwingung um eine hori¬zontale Achse durch ein magnetisches Wechselfeld, welches senkrecht zur Richtung des mag¬netischen Gleichfelds gerichtet ist, aufgezwungen werden. Somit kann ein einfach handhabba¬res Verfahren zur Ermittlung der Viskosität geschaffen werden, indem einem Permanentmagne¬ten, der zugleich der Messkörper ist, Schwingungen um die eigene Achse, sogenannte Rotati¬onsschwingungen, aufgezwungen werden.

[0012] Dies kann weiter verbessert werden, wenn der Permanentmagnet die Form eines dia¬metral magnetisierten Kreiszylinders hat und um seine Längsachse in eine Rotationsschwin¬gung versetzt wird. Gerade ein Kreiszylinder, dem um seine Längsachse Rotationsschwingun¬gen aufgezwungen werden, kann sich besonders beim Ermitteln der Viskosität in Scherungauszeichnen. Überraschenderweise können erst durch die permanente diametrale Magnetisie¬rung des Kreiszylinders die magnetische Levitation und die magnetisch aufgezwungene Rotati¬onsschwingung um die Längsachse des Kreiszylinders ermöglicht werden.

[0013] Werden die Amplitude und/oder Phase der Drehschwingung des magnetischen Körpersaus den Messdaten ermittelt und zur Bestimmung der Viskosität der Flüssigkeit herangezogen,kann sich ein besonders einfach durchzuführendes Verfahren ergeben, da Amplitude und/oderPhase der Schwingung direkt aus der zeitlichen Änderung der räumlichen Lage des magneti¬schen Körpers bestimmt werden können.

[0014] Wird der magnetische Körper in Rotation versetzt, ergibt sich ein weiteres vorteilhaftesVerfahren um die Viskosität in Scherung zu ermitteln. Insbesondere wenn die Rotation nicht umdie eigene Achse, sondern entlang einer Kreisbahn erfolgt, kann über eine einfach durchzufüh¬rende, zeitliche Positionsermittlung auf die Viskosität der Flüssigkeit rückgeschlossen werden.Um dem magnetischen Körper eine Rotation auf einer Kreisbahn aufzuzwingen, können zweiSekundärspulenpaare genutzt werden, bei denen je zwei gegenüberliegende Spulen ein ge¬gengleiches Wechselfeld in Richtung des magnetischen Gleichfelds generieren. Durch Verset¬zung der magnetischen Wechselfelder der Spulenpaare gegeneinander um 90 Grad bzw. tt/2,kann eine Kreisbahn des resultierenden magnetischen Wechselfelds erreicht werden. Mit derKreisbewegung des magnetischen Körpers, die dem magnetischen Wechselfeld folgt, kann sichdie Viskosität in Scherung ähnlich vorteilhaft wie bei einer aufgezwungenen Rotationsschwin¬gung ermitteln lassen, da bei der Kreisbewegung die den magnetischen Körper berührendeFlüssigkeit hauptsächlich einer Scherbewegung ausgesetzt ist.

[0015] Werden die Phasenverschiebungen der Rotation des magnetischen Körpers zum mag¬netischen Wechselfeld und/oder die Abweichung des Massenmittelpunkts des magnetischenKörpers zu seiner levitierten Ruhelage aus den Messdaten ermittelt und zur Bestimmung derViskosität der Flüssigkeit herangezogen, kann das Verfahren in der Genauigkeit verbessertwerden. Die Abweichung des Massenmittelpunkts des magnetischen Körpers zu seiner levitier¬ten Ruhelage kann nämlich so direkt aus der räumlichen Lage des magnetischen Körpers ermit¬telt werden. Zudem kann die Phasenverschiebung aus der räumlichen Lage des magnetischen Körpers relativ zum magnetischen Wechselfeld bestimmt und zur Auswertung herangezogenwerden.

[0016] Im Allgemeinen wird erwähnt, dass unter Phasenverschiebung in diesem Zusammen¬hang der Winkel zwischen der Position des magnetischen Körpers auf der Kreisbahn und derPosition des tatsächlichen aktuellen Maximums des überlagerten magnetischen Wechselfeldes,welches sich durch die gewählte Anordnung und Ansteuerung der Sekundärspulen auch aufeiner Kreisbahn bewegt, verstanden wird.

[0017] Eine weitere Verbesserung des Verfahrens kann sich ergeben, falls die Abweichung desMassenmittelpunkts des magnetischen Körpers zu seiner levitierten Ruhelage aus den Messda¬ten ermittelt wird und in Abhängigkeit der Höhe der Abweichung die, die levitierte Ruhelagebestimmenden und auf den magnetischen Körper einwirkenden Levitationskräfte verändertwerden. Die Rückstellkräfte in Richtung levitierter Ruhelage nehmen nämlich mit zunehmendemAbstand des magnetischen Körpers von der Ruhelage nichtlinear ab - durch Anpassung desmagnetischen Gleichfelds, das die levitierte Ruhelage bestimmt, kann diese Nichtlinearitätkompensiert werden. Durch diese Linearisierung der auf den magnetischen Körper einwirken¬den Kräfte wird die Ermittlung der Viskosität aus dem Bewegungsverlauf deutlich vereinfacht.

[0018] Die vorgenannten Vorteile können weiter erhöht werden, wenn die Frequenz der reso-nanten Drehschwingung verändert wird, indem die, die levitierte Ruhelage bestimmenden undauf den magnetischen Körper einwirkenden Levitationskräfte verändert werden. Da die auf denmagnetischen Körper einwirkenden Levitationskräfte bei jeder Bewegung des magnetischenKörpers als Rückstellkraft in Richtung der levitierten Ruhelage wirken, beeinflussen diese Levi¬tationskräfte zugleich die Resonanzfrequenz der Drehschwingung. Die Veränderung der Levita¬tionskräfte kann durch Anpassung des magnetischen Gleichfelds, das die levitierte Ruhelagebestimmt oder durch Überlagerung eines zusätzlichen Gleichfelds erfolgen. Dieses zusätzlicheGleichfeld kann bei einer Ausrichtung der Sekundärspulen parallel zum ersten Magnetfelddurch die Sekundärspulen erzeugt werden, aber auch die Verwendung einer zusätzlichen Spu¬lenanordnung ist denkbar. Durch die Änderung der Resonanzfrequenz der Drehschwingung,der Frequenz an der das Verfahren seine höchste Sensitivität hat, können genaue und aussa¬gekräftige Messungen reproduzierbar durchgeführt werden.

[0019] In den Figuren ist beispielsweise das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Ausfüh¬rungsvarianten näher dargestellt. Es zeigen [0020] Fig. 1 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens für Pen¬ delschwingungen und Rotationen des magnetischen Körpers, [0021] Fig. 2 eine Schnittansicht nach Fig. 1, [0022] Fig. 3 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mittels

Rotationsschwingungen eines Permanentmagneten, [0023] Fig. 4 eine Schnittansicht nach Fig. 3, [0024] Fig. 5 theoretische Resonanzkurven mit verschiedener Dämpfungen für nichtlineare Rückstellkräfte, [0025] Fig. 6 die Resonanzkurven mit verschiedenen Flüssigkeiten für lineare Rückstellkräfte, [0026] Fig. 7 Radial- und Tangentialkraft die auf den Körper bei einer Bewegung auf einer

Kreisbahn wirken, dargestellt über der Phasenverschiebung zwischen magneti¬schen Wechselfeld und der Position des Messkörpers, [0027] Fig. 8 Beispiel einer Stromvorgabekennlinie in Abhängigkeit der Messkörperposition zum Linearisieren der Rückstellkräfte, [0028] Fig. 9 die Resonanzkurven verschiedener Flüssigkeiten mit angepasster Resonanzfre¬ quenz und [0029] Fig. 10 eine beispielhafte Anordnung von Hallsensoren.

[0030] Gemäß Fig. 1 wird beispielsweise ein Schnitt durch eine Vorderansicht einer Vorrichtung1 gezeigt, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Vis¬kosität einer Flüssigkeit 2 geeignet ist. Die Flüssigkeit 2, von der die Viskosität bestimmt werdensoll, und der von ihr umgebene magnetische Körper 3 sind gemeinsam in einem Probengefäß 4gelagert. Dabei wird der magnetische Körper 3 mit Hilfe eines ersten Magnetfelds 5, 6, nämlicheines anhand der Position des magnetischen Körpers 3 geregelten magnetischen Gleichfelds 7,in einer levitierten Ruhelage 8 gehalten. In der beispielhaften Vorrichtung 1 wird das magneti¬sche Gleichfeld 7 von den Primärspulen 9, 10 erzeugt. Ausgehend von der levitierten Ruhelage8 wird der magnetische Körper 3 mit Hilfe eines zweiten Magnetfelds 11, 12 in Bewegung, undzwar in diesem Ausführungsbeispiel in eine Pendelschwingung 34 versetzt. Dabei wird daszweite Magnetfeld 11, 12, das von den Sekundärspulen 14, 15 erzeugt wird, als magnetischesWechselfeld 13 ausgebildet, was sich mit dem ersten Magnetfeld 5, 6 bereichsweise überlagert.Besonders geeignet zur Bestimmung der Schergeschwindigkeit der Flüssigkeit 2 und damit derViskosität in Scherung sind Bewegungen des magnetischen Körpers 3, die eine erzwungeneDrehschwingung 34, 28 - siehe Fig. 3 - oder eine Rotation 17 - siehe Fig. 2 - enthalten. Nämlichgerade diese Formen der Bewegung bewirken hauptsächlich eine Scherbeanspruchung zwi¬schen Körperoberfläche 18 und Flüssigkeit 2. Von dieser Bewegung abhängige, über dieHallsensoren 19, 20 erfasste Messdaten 21, 22 werden dann zur Bestimmung der Viskositätder Flüssigkeit 2 herangezogen. Zudem fallen aufgrund der Levitation des magnetischen Kör¬pers 3, der zugleich der Messkörper 23 ist, unerwünschte Einflüsse von mechanischen Verbin¬dungen weg, d. h. das Messsystem selbst verfälscht nicht die Ergebnisse der Messung unddamit die Ermittlung der Viskosität. Ein robustes, flexibles und störungsunempfindliches Verfah¬ren ist somit geschaffen.

[0031] Wie in Fig. 3 dargestellt, ist in einer vorzugsweisen Ausführung des Verfahrens dermagnetische Körper 3 ein Permanentmagnet 24. Durch die Bestrebungen des Permanentmag¬neten 24 seine Pole 25, 26 im magnetischen Feld 32 auszurichten, levitieren permanentmagne¬tische Körper 24 in einer durch das resultierende Magnetfeld 32 vorgegebenen Lage in derFlüssigkeit 200. Dementsprechend sind für das Verfahren, sobald die Körperform keine Kugel27 ist oder die Bewegung Rotationsschwingungen 28 um die eigene Achse beinhalten, perma¬nentmagnetische Körper 24 vorzuziehen.

[0032] Entsprechend dem Schnitt durch die Fig. 1 zeigt Fig. 2 eine Anordnung von Sekundär¬spulen 14, 15 die ein magnetisches Wechselfeld zur Erzeugung von Pendelschwingungengenerieren. Dazu erzeugen zwei gegenüberliegende Sekundärspulen 14, 15 ein gegengleichesWechselfeld 13 - wie in Fig. 1 angedeutet -, das dem magnetischen Gleichfeld 7 überlagert wirdund so ein resultierendes magnetisches Feld 32 erzeugt, dessen Maximum der in Fig. 1 undFig. 2 eingezeichneten Hilfslinie 33 folgt. Dementsprechend folgt auch der magnetische Körper3 diesem Maximalwert des resultierenden magnetischen Felds 32. Durch die zur Verdrängungder Flüssigkeit 2 bzw. der zur Beschleunigung des magnetischen Körpers 3 notwendigen Ener¬gie folgt der Körper 3 jedoch mit einer Verzögerung. Wird nun die Frequenz des zweiten mag¬netischen Feldes 11, 12, dem überlagerten Wechselfeld 13 geändert, erreicht bei einer be¬stimmten Frequenz - der Resonanzfrequenz 48 - die Bewegung des magnetischen Körpers 3einen maximalen Abstand zur levitierten Ruhelage 8. Messungen bei dieser Resonanzfrequenz48 zeichnen sich zur Bestimmung der von der Flüssigkeit 2 verursachten Dämpfung und mit derdamit unmittelbar zusammenhängenden Viskosität besonders aus. Auch Vergleichsmessungenzweier verschiedener Flüssigkeiten 2 können durch Bestimmung der Resonanzfrequenz unddes maximalen Abstands des magnetischen Körpers zur levitierten Ruhelage 8 durchgeführtwerden. Somit ist ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Ermittlung der Viskositätgeschaffen worden, da nur zwei Sekundärspulen 14, 15 benötigt werden, um dem magneti¬schen Köper 3 eine Pendelschwingung 34 normal zur Richtung des magnetischen Gleichfelds 7aufzuzwingen.

[0033] Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch eine Vorderansicht einer Vorrichtung 100 als anderesAusführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird derPermanentmagnet 24 mittels Sekundärspulen 35, 36, deren magnetisches Wechselfeld 37 senkrecht zum ersten magnetischen Gleichfeld 7 gerichtet ist, aus seiner levitierten Ruhelage 8gedreht. Aufgrund der wechselnden Stärke und Richtung dieses zweiten magnetischen Feldes38, 39 wird dem Permanentmagneten 24 eine Rotationsschwingung 28 aufgezwungen. Dasmagnetische Wechselfeld 37 wird bei diesem Beispiel von einem Sekundärspulenpaar 35, 36,bei dem die beiden Spulen 35, 36 ein Wechselfeld 37 gleicher Richtung generieren, verursacht.Natürlich kann die Rotationsschwingung 28 auch mit nur einer, den Permanentmagnet 24 um¬schließenden Sekundärspule aufgezwungen werden, was hier nicht näher dargestellt ist. Vor¬teilhafte erzeugen Rotationsschwingungen 28 Bewegungen, die eine Scherung einer Flüssigkeit200 bewirken und sich somit bei der Ermittlung der Schergeschwindigkeit und damit der Visko¬sität in Scherung besonders auszeichnen können.

[0034] Eine besonders günstige Konfiguration zur Ermittlung der Schergeschwindigkeit ist, wiein Fig. 3 bzw. dem zugehörigen Schnitt in Fig. 4 dargestellt, ein diametral magnetisierter, kreis¬zylinderförmiger Permanentmagnet 24 in einem kreiszylindrischen Probengefäß 42, das miteiner Flüssigkeit 200 gefüllt ist. Aufgrund der permanenten diametralen Magnetisierung desKreiszylinders 43 sind die magnetische Levitation und die magnetisch aufgezwungene Rotati¬onsschwingung 28 um die Längsachse 44 des Kreiszylinders 43 realisierbar. Somit ist ein ein¬faches Verfahren geschaffen, bei dem dem Messkörper 23 ohne mechanische Verbindung zumMesssystem, um seine Längsachse 44 Rotationsschwingungen 28 zur Ermittlung der Viskositätin Scherung aufgezwungen werden.

[0035] Amplitude 45 und Phase 46 der Schwingung des magnetischen Körpers 3 können zurBestimmung der Viskosität der Flüssigkeit 2 bzw. 200 herangezogen werden. Dabei werdenAmplitude 45 und Phase 46 der Schwingung aus den Messdaten 21,22 bestimmt und über diesich ändernde Frequenz des zweiten magnetischen Wechselfelds 13 bzw. 37 aufgezeichnet.Dabei entsprechen die in Fig. 5 dargestellten, auf die Resonanzfrequenz normierten theoreti¬schen Resonanzkurven 47 des magnetischen Körpers 3 Pendelschwingungen 34 in verschie¬denen Flüssigkeiten 2, 200, 201, 202, und 203. Die nichtlineare Rückstellkraft des magneti¬schen Gleichfelds 7 bei zunehmender Auslenkung des magnetischen Körpers 3 aus seinerRuhelage 8 bewirkt, dass die maximale Amplitude unterhalb die Resonanzfrequenz des Sys¬tems verschoben wird.

[0036] Fig. 6 stellt hingegen das Resonanzverhalten für Rotationsschwingungen 28 von ver¬schiedenen Flüssigkeiten 2, 200, 201, 202, und 203 bei kleinen Amplituden dar. Hier kommt eszu keiner Verzerrung der Resonanzkurven, da aufgrund der geringen Auslenkungen keinenichtlinearen Rückstellkräfte auftreten. Aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Eigen¬schaften der Flüssigkeiten 2, 200, weisen diese auch verschiedene Resonanzfrequenzen 48,49 auf.

[0037] Ein weiteres vorteilhaftes Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren, um die Viskosi¬tät in Scherung zu ermitteln, kann anhand Fig. 2 erläutert werden. Mit Hilfe der vier Sekundär¬spulen 14, 15, 30, 31 wird der magnetische Körper 3 in eine Rotation 17 um die levitierte Ruhe¬lage 8 auf einer Kreisbahn 50 versetzt. Dazu werden je zwei Sekundärspulenpaare 14, 15 und30, 31, bei denen je zwei gegenüberliegende Spulen 14 und 15 bzw. 30 und 31 ein gegenglei¬ches Wechselfeld 13 parallel zur Richtung des magnetischen Gleichfelds 7 generieren, um 90Grad versetzt angeordnet. Zudem sind auch die Magnetfelder 11, 12, 51, 52 der Spulenpaare14, 15 und 30, 31 gegeneinander um 90 Grad bzw. tt/2 versetzt. Durch die Überlagerung desmagnetischen Wechselfelds 13 der Sekundärspulen 14, 15, 30, 31 mit dem magnetischenGleichfeld 7 der Primärspulen 9, 10 entsteht ein magnetisches Feld 32, dessen Bereich maxi¬maler Stärke sich auf einer Kreisbahn 50 bewegt. Dementsprechend folgt auch der magneti¬sche Körper 3 diesem Maximalwert des resultierenden magnetischen Felds 32 mit einer gewis¬sen Verzögerung auf einer Kreisbahn 50 - ähnlich einer Synchronmaschine. Diese Kreisbewe¬gung des magnetischen Körpers 3 ist besonders interessant, um Messergebnisse zu erzielen,die mit dem Kugelfallviskosimeter vergleichbar sind.

[0038] Die Phasenverschiebungen 53 der Rotation 17 des magnetischen Körpers 3 zum mag¬netischen Wechselfeld 13 und/oder die Abweichung 54 des Massenmittelpunkts 55 des magne¬ tischen Körpers 3 zu seiner levitierten Ruhelage 8 können zur Bestimmung der Viskosität derFlüssigkeit 2 herangezogen werden. Dabei kann der gemäß Fig. 7 dargestellte Zusammenhangzwischen Phasenverschiebungen 53 der Rotation 17 - entsprechend dem Lastwinkel einerSynchronmaschine - und den auf den magnetischen Körper 3 wirkenden Radial- 59 und Tagen-tialkräften 60 genutzt werden, um die Viskosität der Flüssigkeit 2 zu ermitteln. Dabei können nurWerte bis zu einer Phasenverschiebungen 53 von 90 Grad (tt/2) praktisch ermittelt werden, dagrößere Phasenverschiebungen 53 in der Praxis nicht eingehalten werden können. DiesesVerhalten bei größeren Phasenverschiebungen 53 als 90 Grad (tt/2) entspricht dem außer Trittfallen einer Synchronmaschine.

[0039] Für eine Pendelschwingung 34 entsprechend Fig. 5 kann die Nichtlinearität kompensiertwerden. Dazu wird die Abweichung 54 des Massenmittelpunkts 55 des magnetischen Körpers 3zu seiner levitierten Ruhelage 8 aus den Messdaten 21, 22 ermittelt und in Abhängigkeit derHöhe der Abweichung 54 das magnetische Gleichfeld 7 zur Erzeugung der levitierten Ruhelage8 angepasst. Die Rückstellkräfte des magnetischen Körpers 3 in Richtung der levitierten Ruhe¬lage 8 nehmen nämlich nichtlinear mit der Abweichung 54 von der levitierten Ruhelage 8 ab.Wird nun bei größerer Abweichung 54 die Rückstellkraft - bewirkt durch das magnetischeGleichfeld 7 - erhöht, kann dieser Effekt kompensiert werden. Dies kann durch Erhöhung desSpulenstroms 63 gegenüber einem linearen Spulenstrom 64 in Abhängigkeit der Abweichung54 des Massenmittelpunkts 55 des magnetischen Körpers 3 zu seiner levitierten Ruhelage 8gemäß Fig. 8 erfolgen. Dementsprechend ergibt sich eine kompensierte Resonanzkurve fürPendelschwingungen 34, die die Bestimmung der Viskosität vereinfacht. Der nichtlineare Ver¬lauf der Rückstellkräfte muss nämlich nicht mehr berücksichtigt werden.

[0040] Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, indem demersten magnetischen Gleichfeld 7 ein zweites magnetisches Gleichfeld 56, wie in Fig. 4 gezeigt,überlagert wird. Dies kann durch Erhöhung des Stroms durch die Primärspulen 9, 10 erfolgen,oder aber auch durch eine zusätzliche nicht nähere dargestellte Spulenanordnung. Die Überla¬gerung eines zweiten magnetischen Gleichfelds 56 bewirkt eine Veränderung der Rückstellkraftin die levitierte Ruhelage und somit auch eine Veränderung der Resonanzfrequenz 48, 49 desMesssystems. Dies erlaubt, für verschiedene Flüssigkeiten gleiche Resonanzfrequenzen 58einzustellen. So kann ein Verfahren geschaffen werden, das relativ einfach aussagekräftigeVergleichsmessungen für verschiedene Flüssigkeiten 2, 200 bei einer gemeinsamen Resonanz¬frequenz 58 erlaubt. Ein Diagramm verschiedener Flüssigkeiten 2, 200, 201, 202 und 203 mitangepasster Resonanzfrequenz 58 ist in Figur 9 dargestellt.

[0041] I m Allgemeinen wird festgehalten, dass es neben den in den Ausführungsbeispielenbeispielhaft gezeigten Anordnungen der Spulen noch andere Anordnungen vorstellbar sind, dievergleichbare magnetische Felder bewirken und damit genauso für das erfindungsgemäßeVerfahren genutzt werden können.

[0042] I m Allgemeinen wird festgehalten, dass es neben der in den Ausführungsbeispielenbeispielhaft gezeigten aktiven magnetischen Levitation mit zwei Primärspulen auch noch weite¬re Möglichkeiten der passiven magnetischen Levitation gibt. Diese weiteren Möglichkeiten, wiezum Beispiel ein passiver Aufbau mit Permanentmagnet und diamagnetischem Material anstelleder zwei Primärspulen, sind für dieses Verfahren ebenso denkbar, aber nicht näher dargestellt.

[0043] Zudem wird festgehalten, dass die Positionserfassung des magnetischen Körpers überHallsensoren oder Messspulen möglich ist. Diese Positionserfassung ist in den Ausführungs¬beispielen nur schematisch dargestellt. Für eine entsprechend genaue Auflösung der Messer¬gebnisse werden Messdaten 22 von mehreren Hallsensoren 20 benötigt, die zum Beispiel wiein Fig. 10 gezeigt, zwischen Primärspule 10 und magnetischem Körper 3 angeordnet sind.

Claims (12)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit (2, 200), bei dem ein von derFlüssigkeit (2, 200) vollständig umgebener magnetischer Körper (3) mit Hilfe mindestenseines ersten Magnetfelds (5, 6), insbesondere eines anhand der Position des magneti¬schen Körpers geregelten magnetischen Gleichfelds (7), in einer levitierten Ruhelage (8)gehalten wird und mit Hilfe mindestens eines zweiten Magnetfelds, das dem ersten Mag¬netfeld (5, 6) zumindest bereichsweise überlagert ist und ein magnetisches Wechselfeld(13, 37) aufweist, ausgehend von der levitierten Ruhelage (8) in Bewegung versetzt wird,von der Bewegung des magnetischen Körpers (3) abhängige Messdaten (21, 22) erfasstwerden und anhand dieser die Viskosität der Flüssigkeit (2, 200) bestimmt wird, dadurchgekennzeichnet, dass der magnetische Körper (3) zumindest in eine erzwungene Dreh¬schwingung (34, 28) oder in eine erzwungene Rotation (17) versetzt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Körper (3)in der Form als Kugel (27) oder als Kreiszylinder (43) ausgebildet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetischeKörper (3) durch einen Permanentmagneten (24) ausgebildet wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetischeKörper (3) in eine resonante Drehschwingung (34, 28) versetzt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der magne¬tische Körper (3) in eine Pendelschwingung (34) versetzt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmag¬net (24) in eine Rotationsschwingung (28) versetzt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (24) inder Form als diametral magnetisierter Kreiszylinder (43) ausgebildet und um seine Längs¬achse (44) in eine Rotationsschwingung (28) versetzt wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieAmplitude (45) und/oder Phase (46) der Drehschwingung (34, 28) des magnetischen Kör¬pers (3) aus den Messdaten (21, 22) ermittelt und zur Bestimmung der Viskosität der Flüs¬sigkeit (2, 200) herangezogen werden.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetischeKörper (3) in Rotation (17) versetzt wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebungen(53) der Rotation (17) des magnetischen Körpers (3) zum magnetischen Wechselfeld (13,37) und/oder die Abweichung (54) des Massenmittelpunkts (55) des magnetischen Körpers (3) zu seiner levitierten Ruhelage (8) aus den Messdaten (21, 22) ermittelt und zur Be¬stimmung der Viskosität der Flüssigkeit (2, 200) herangezogen werden.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ab¬weichung (54) des Massenmittelpunkts (55) des magnetischen Körpers (3) zu seiner levi¬tierten Ruhelage (8) aus den Messdaten (21,22) ermittelt wird und in Abhängigkeit der Hö¬he der Abweichung (54) die, die levitierte Ruhelage (8) bestimmenden und auf den magne¬tischen Körper (3) einwirkenden Levitationskräfte verändert werden.
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fre¬quenz der resonanten Drehschwingung (34, 28) verändert wird, indem die, die levitierteRuhelage (8) bestimmenden und auf den magnetischen Körper (3) einwirkenden Levitati¬onskräfte verändert werden. Hierzu 10 Blatt Zeichnungen