DE60310393T2

DE60310393T2 - Viskositäts- und viskoelastizitätsmessinstrument

Info

Publication number: DE60310393T2
Application number: DE60310393T
Authority: DE
Inventors: D. Paul Carlisle MURRAY; O. Alfredo Carlisle KENIG; David Newton Porat
Original assignee: Boston Rheology Chestnut Hill LLC; BOSTON RHEOLOGY LLC
Current assignee: Boston Rheology Chestnut Hill LLC; BOSTON RHEOLOGY LLC
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: CA2481900A1; DE60310393D1; AU2003234707A1; IL164419A0; JP2006504073A; ATE348325T1; EP1495302B1; US6591663B1; EP1495302A1; WO2003087781A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Fluiditätsmessungen und insbesondere ein Instrument zur Messung der Viskosität von Fluiden.
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass sich die Viskoelastizität oder Klebkraft von einigen Körperfluiden als Reaktion auf Körperrhythmen ändert. Zum Beispiel hat die Gebärmutterschleimhaut und der Speichel einer Frau eine maximale Fluidität direkt vor der Ovulation, wobei die Ovulation als der Moment definiert ist, bei dem eine Eizelle aus dem Follikel freigesetzt wird. Dieses Wissen führte zu den früheren Aktivitäten des Antragstellers bei der Entwicklung von Techniken zur Beobachtung der Viskoelastizität oder Klebkraft und anderer Eigenschaften der Gebärmutterschleimhaut und des Speichels als Vorhersagefunktion des Zeitpunkts der Ovulation und für Verbesserungen bei Rheometer- oder Viskosimetergeräten zur Messung solcher viskoelastischen Eigenschaften. Siehe zum Beispiel L.E. Kopito und H.J. Kosasky, "The Tackiness Rheometer Determination of the Viscoelasticity of Cervical Mucus", Human Ovulation, herausgegeben von E.S.E. Hafez, Elsevier, North-Holland Biomedical Press, 1979, S. 351ff., S.S. Davis, "Saliva is Viscoelastic", Experienta, 26: 1298 (1970), R.H. Davis et al., "Saliva Viscosity Reflects the Time of Ovulation", Experienta, 30: 911 (1974), und die US-Patente Nr. 4,002,056 und 4,167,110.
Es ist ebenfalls bekannt, dass sich die normale Viskoelastizität von einigen Körperfluids als Reaktion auf anormale Körperzustände ändert. Zum Beispiel hat bei einem Neugeborenen mit Mukoviszidose das Mykonium, der erste Stuhlgang des Neugeborenen, eine etwa fünffach höhere Viskoelastizität als bei einem Säugling ohne Mukoviszidose.
Es gibt eine Anzahl von Vorrichtungen zur Messung der Viskosität. Das Patent 4,779,627 offenbart, zusätzlich zur der Offenbarung eines Verfahrens zur Bestimmung der weiblichen Ovulation durch Messung der Speichelviskoelastizität, eine Vorrichtung zur Messung der Viskoelastizität des sublingualen Speichels. Die Vorrichtung hat ein wenig die Gestalt einer Spritze mit einem äußeren Becher, einem inneren Becher, der konzentrisch zu dem äußeren Becher ist und sich innerhalb des äußeren Bechers befindet, sowie einen Kolben. Eine aufgeraute Oberfläche an dem Ende des Kolbens hält die Speichelprobe. Der Kolben wird in den inneren Becher eingeführt bis die Speichelprobe am Boden des inneren Bechers zusammen gepresst wird. Ein zuvor bestimmtes Gewicht zieht den inneren Becher nach unten, wobei die Speichelprobe gespannt wird. Wenn die Viskoelastizität des Speichels gering ist, wird die Speichelprobe reißen, dies bewirkt, dass der innere Becher auf den Boden des äußeren Bechers fällt. Ein Indikator am Boden des äußeren Bechers zeigt an, dass der innere Becher auf den Boden gefallen ist, was wiederum anzeigt, dass die Ovulation bald stattfinden wird. Wenn die Viskoelastizität jedoch hoch ist, wird die Speichelprobe den Kolben und den inneren Becher zusammenhalten, so dass der innere Becher nicht auf den Boden fällt, was anzeigt, dass die Ovulation nicht in naher Zukunft stattfinden wird.
Der Hauptnachteil dieses Geräts liegt, darin, dass es auseinander genommen werden muss, um eine Probe zu nehmen. Der Kolben muss von dem inneren Becher entfernt werden, bevor er in den Mund eingeführt wird, um eine Speichelprobe zu erhalten. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass die Speichelprobe leicht durch eine Person verunreinigt wird, indem der Kolben nach der Probennahme falsch eingeführt wird, was die Messung hinfällig macht.
Die US-Patente 5,640,968, 5,851,190 und 6,149,604 offenbaren tragbare Instrumente zur Messung der Speichelviskoelastizität. Die Instrumente sind spezifisch für Speichel ausgelegt, was bedeutet, dass ihr Messbereich sehr eingeschränkt ist und nicht die Viskosität oder Viskoelastizität von dichten Fluiden, wie Mykonium, messen kann.
Das US-Patent 5,144,845, das an Pyke vergeben wurde, offenbart ein Klebstofftestgerät. Ein Oberflächenpaar, auf die der zu testende Klebstoff aufgebracht wird, wird mittels eines Stempels zusammengedrückt. Um die Stärke des Klebstoffs zu testen, hat die Vorrichtung eine Kurve, die einen Folgerarm um eine Achse rotiert. Eine Blattfeder erstreckt sich vom Folgerarm so, dass sie um die Achse geschwenkt wird, wobei die zwei Testflächen auseinander gezogen werden. Ein Dehnungsmessstreifen an der Blattfeder misst die Auslenkung der Feder, aus der die Kraft, die benötigt wird, um die Testflächen auseinanderzuziehen, bestimmt wird, was die Stärke des Klebstoffs anzeigt. Pyke stützt sich auf zwei unterschiedliche und unabhängige Mechanismen, um die Testoberflächen zusammenzufügen und zu trennen, was die Komplexizität des Gerätes erhöht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Instrument bereitzustellen, das einen weiten Bereich von Viskositäten und Viskolelastizitäten messen kann.
Das erfindungsgemäße Instrument zur Messung der Viskosität und Viskolelastizität umfasst ein Gehäuse, in dem sich der Messmechanismus befindet. Die Komponenten des Messmechanismus umfassen eine Kurve, einen Folgerarm, eine Feder und einen Plattenträger. Bei der Kurve handelt es sich um eine vertikale, kreisförmige Scheibe mit einem spiralförmigen Schlitz, die durch einen elektrischen Schrittmotor rotiert wird. Ein an dem Kurvenfolgerarm befestigter Kurvenfolger läuft in dem spiralförmigen Schlitz, so dass beim Rotieren der Kurve der Folgerarm um sein festes Ende auf oder ab geschwenkt wird. Die Feder ist ein flaches, vorzugsweise metallisches Band, von dem ein Ende an dem und kollinear mit dem festen Ende des Folgerarms befestigt ist. So kann die Feder in die entgegengesetzte Richtung wie der Folgerarm schwenken. Der Plattenträger hält eine entfernbare Plattenanordnung, die drei Komponenten hat, eine obere Platte, eine untere Platte und einen Plattenclip. Die beiden Plattenkomponenten haben Kontaktflächen für die Probe, auf denen das zu testende Fluid aufgebracht wird. Der Träger weist eine untere Backe auf, die schwenkbar an der Instrumentenbasis befestigt ist, und eine obere Backe, die schwenkbar an dem freien Ende der Feder befestigt ist. Die schwenkbaren Befestigungen erlauben es, dass sich die Probenoberflächen der Platten zueinander ausrichten, wenn sie während des Tests zusammenkommen. Die Backen haben Kanäle, um die Platten entgegenzunehmen und zu halten.
Zur Durchführung einer Messung wird ein Fluid auf die untere Probenoberfläche aufgebracht. Die Kurve rotiert, wobei sie das freie Ende des Folgerarms nach oben drückt, was bewirkt, dass der Folgerarm um sein sein festes Ende herumgeschwenkt wird. Die am festen Ende des Folgerarm befestigte Feder rotiert nach unten, wobei sie die Probenoberflächen der oberen und unteren Platten zusammendrückt. Dann wird die Kurve zurückgedreht, wodurch bewirkt wird, dass die Feder eine Trennkraft auf die Platten weiterleitet. Der Zeitraum, der beansprucht wird, um die Platten zu trennen, wird gemessen und in Einen Viskositätswert überführt. Ein Dehnungsmessstreifen, der an der Feder befestigt ist, zeigt an, wenn sich die Platten trennen.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind den Zeichungen und der detaillierten Beschreibung der Erfindung zu entnehmen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigt:
1 eine perspektivische Darstellung der Vorderseite des erfindungsgemäßen Instruments ist;
2 eine perspektivische Darstellung des hinteren Teils des erfindungsgemäßen Instruments ist;
3 eine Aufrissdarstellung zweier Messplatten von vorne ist;
4 eine Aufrissdarstellung zweier Messplatten von vorne mit einer Fluidprobe ist;
5 eine Aufrissdarstellung zweier Messplatten von vorne aus 3 ist, die zusammengepresst sind;
6 eine Aufrissdarstellung zweier Messplatten von vorne aus 3 ist, die sich nach dem Auflösen des Drucks trennen;
7 ist eine perspektivische Darstellung des Instruments aus 1 mit entfernter Abdeckung;
8 ist eine perspektivische Darstellung des Instruments aus 7 in seinem Ruhezustand;
9 ist eine Seitendarstellung des Instruments aus 7 in seinem ersten Betriebszustand;
10 ist eine Seitendarstellung des Instruments aus 7 in seinem zweiten Betriebszustand;
11 ist eine Darstellung der Kurve aus 7
12 ist eine Seitendarstellung der Hauptfeder und der Blattfeder in komprimierter Form;
13 ist eine Seitendarstellung der Hauptfeder und der Blattfeder aus 12 in getrennter Form;
14 ist eine auseinander gezogene, teilweise durchsichtige Darstellung einer Konfiguration des Plattenträgers;
15 ist eine auseinander gezogene, teilweise durchsichtige Darstellung einer anderen Konfiguration des Plattenträgers;
16 ist eine perspektivische Darstellung einer Ausführung der entfernbaren Plattenanordnung;
17 ist eine auseinander gezogene, perspektivische Darstellung von hinten der entfernbaren Plattenanordnung aus 16;
18 ist Darstellung von hinten einer entfernbaren Plattenanordnung aus 16;
19 ist die perspektivische Ansicht von vorne einer zweiten Ausführungsform der entfernbaren Plattenanordnung;
20 ist die Darstellung von oben der sich überlappenden Probenoberflächen der entfernbaren Plattenanordnung
21 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung einer aufgerauten Probenoberfläche; und
22 ist ein Blockdiagramm der elektronischen Steuereinheit der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Basis des Viskositäts- und Viskoelastizitätsmessinstruments der vorliegenden Erfindung, liegt darin, dass es möglich ist, die Viskosität eines Fluids durch die Messung der Zeit, die unter bekannten Bedingungen bis zum Reißen beansprucht wird, zu bestimmen. Die bekannten Bedingungen schließen den Betrag der Kraft zum Auseinanderreißen des Fluids, die Fläche des Fluids, über das sich die Kraft erstreckt, und die Fluidtemperatur ein. In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich, sofern nicht anders angegeben, die Bezeichnung "Viskosität" sowohl auf Viskosität als auch auf Viskoelastizität.
Die dynamische Viskosität einer Fluidprobe ist eine Funktion der Trennkraft, der Fläche von einer der Probenoberflächen und der Zeitdauer, die für die Trennung der Probenoberflächen beansprucht wird. Die Werte stehen nach folgender Gleichung in Beziehung:
wobei die dynamische Viskosität in Poise (P) berechnet wird, die Trennkraft wird in Dyn (dy) gemessen, die Fläche der Oberfläche in Quadratzentimetern (cm²) und die Trennzeit in Sekunden (s). Die Trennkraft/Fläche der Oberfläche wird auch Scherbeanspruchung genannt. Die kinematische Viskosität ist die dynamische Viskosität geteilt durch die Dichte des Fluids und wird in Einheiten von Stoke (St) angegeben. Die gebräuchliche Einheit der dynamischen Viskosität ist Zentipoise (cP), was der Dimension von P × 10^–2 entspricht, und die gebräuchliche Einheit der kinematischen Viskosität ist Zentistoke (cSt), was der Dimension von St × 10^–2 entspricht.
Zu beachten ist, dass die Gleichung eher für die Viskosität als für die Viskoelastizität gilt. Wenn ein newtonsches Fluid, wie Wasser, verwendet wird, werden die Gleichungen die reine Viskosität berechnen. Jedoch sind einige Fluidproben nicht-newtonsche Fluids. Bei einem nicht-newtonschen Fluid gibt es neben der Viskosität ein Element des elastischen Rückstoßes oder der Elastizität. Die Elastizität beeinflusst die Trennzeit und die Trennkraft der Platten. So werden die Messungen, die in der vorstehenden Gleichung verwendet werden, durch die Elastizität der Fluidprobe beeinflusst. Da es keine spezifische Gleichung für die Viskoelastizität gibt, wird die Gleichung für die Viskosität verwendet, und die Viskoelastizität wird in Einheiten gemessen, die äquivalent zur Viskosität sind, wodurch sich ein newtonsches Äquivalent der Kombination von Viskosität und Elastizität ergibt, wie sie in einer nicht-newtonschen Fluidprobe gefundenen werder.
Die Anteile der bestimmten Viskoelastizität, die der Viskosität und der Elastizität zugeschrieben werden, hängen von der Dicke der Fluidprobe ab (Dichte, keine Breite). Wenn die Dicke ansteigt, steigt der Anteil, der der Viskosität zugeschrieben wird, als Prozentanteil der Viskoelastizität. Zum Beispiel kann in sehr dickem Speichel das Verhältnis von Viskosität zu Elastizität 80% zu 20% betragen, während in einem dünnen Speichel das Verhältnis 20% zu 80% betragen kann.
Ein anderer zu bedenkender Faktor ist, dass sich nicht nur die Verhältnisse von Viskosität und Elastiziät ändern, wenn ein Fluid dicker wird, sondern dass sich auch die Absolutwerte der Viskosität und Elastizität ändern. Zum Beispiel kann bei einem dicken Speichel 80% seiner Viskoelastizität der Viskosität zugeschrieben werden und 20% der Elastizität, mit den Absolutwerten von 64 cSt, die der Viskosität zugeschrieben werden, und 16 cSt, die der Elastizität zugeschrieben werden, und bei einem dünnen Speichel können 20% seiner Viskoelastizität der Viskosität zugeschrieben werden und 80% der Elastizität, mit den Absolutwerten von 5 cSt, die der Viskosität zugeschrieben werden, und 20 cSt, die der Elastizität zugeschrieben werden.
Die 3-6 zeigen den physikalischen Prozess, durch den die Viskosität eines Fluids gemessen wird. In 3 ist ein Plattenpaar 202 mit den Probenoberflächen 204 räumlich getrennt. In 4 wird eine Fluidprobe 206 in einem angemessenen Volumen zwischen den Probenoberflächen 204 aufgebracht. In 5 werden die Platten 202 mit einer vorbestimmten Druckkraft 208 zusammen gedrückt. Die Druckkraft 208 muss groß genug sein, so dass die Fluidprobe 206 die gesamte Fläche der Oberfläche 204 überdeckt. In 6 werden die Platten 202 durch eine Trennkraft 210 auseinander gezogen, bis die Fluidprobe reißt, wie bei 212. Das Reißen tritt auf, wenn die Kohäsion der Fluidprobe 206 überwunden ist, wobei die Kohäsion als die Tendenz von Teilen eines Körpers gleicher Zusammensetzung zusammen zu halten definiert ist.
Das Messen der Viskosität beruht auf der Adhäsion der Fluidprobe an der Probenoberfläche, wobei die Adhäsion als Tendenz definiert ist, dass Materialien, aufgrund von intermolekularen Kräften, an anderen Materialien haften. Um gültige Messungen zu haben, muss die Adhäsionskraft der Fluidprobe an den Probenoberflächen größer sein als die Kohäsionskraft der Fluidprobe, so dass die Fluidprobe reißt, bevor sie sich von einer der Probenoberflächen trennt. Daher müssen Probenoberflächen mit einer Adhäsionskraft für die Fluidprobe verwendet werden, die größer als die Kohäsionskraft der der gleichen Fluidprobe ist.
Der durch die 6 wiedergegebene Vorgang impliziert zwei Messwege: (1) die Verwendung einer bekannten Trennkraft 210 und die Messung der Zeit, die für das Reißen der Fluidprobe 206 benötigt wird, oder (2) die Verwendung einer bekannten Trennzeit und die Messung der Trennkraft 210, die für das Reißen der Fluidprobe 206 benötigt wird. Das erfindungsgemäße Instrument verwendet indirekt ersteren. Die vorstehende Gleichung für die dynamische Viskosität impliziert, dass die Trennkraft, die Trennzeit und die Fläche der Probenoberfläche bekannt sein müssen, um die Viskosität zu berechnen. Das erfindungsgemäße Instrument beruht jedoch nicht auf der Kenntnis der Absolutwerte für die Trennkraft und die Fläche der Probenoberfläche, sondern nur darauf, dass diese Werte von Messung zu Messung konsistent bleiben. Dies wird erreicht, indem eine Charakteristik des Instruments erstellt wird, um die Trennzeiten für Fluids bekannter Viskositäten zu bestimmen. Zum Beispiel werden bei dem Charakterisierungsverfahren die Trennzeiten für Fluids mit bekannten Viskositäten gemessen, dann interpoliert und aus diesen Messungen wird extrapoliert, um eine Tabelle zur Zuordnung von Trennzeiten zu Viskositäten zu erstellen. Alternativ wird die Viskosität aus der Trennzeit durch eine Gleichung berechnet und die Charakterisierungsdaten werden verwendet, um die Berechnung für das einzelne Instrument zu skalieren.
Die gegenwärtige äußere Konfiguration des erfindungsgemäßen Viskositätsmessinstruments 10 ist in den 1 und 2 gezeigt, wobei bedacht werden soll, dass die Ausgestaltung lediglich veranschaulichend ist, und dass jede Ausgestaltung, die dazu fähig ist, die notwendigen Funktionen auszuführen, in Erwägung gezogen werden kann. Von außen umfasst das Instrument 10 ein Gehäuse 11, eine Tür 13, eine optische Anzeige 14, einen Charakterisierungsschalter 15, einen Griff 16, einen Stromeingangsstecker 17, eine Netzschalteranordnung 18 und einen optionalen externen Kommunikationsanschluss 19. Der Zweck des Gehäuses 11, des Griffs 16, des Stromeingangs 17 und des Netzschalter 18 ist offensichtlich. Die Tür 13 ist nach unten aufklappbar und stellt dem Anwender, wie nachstehend beschrieben, einen Zugang für das Einschieben der entfernbaren Plattenanordnung 30 bereit. Durch die optische Anzeige 14 wird der Anwender sowohl angeleitet, als auch über den Status des Instruments 10 und die Testergebnisse informiert. Die vorliegende Erfindung erwägt auch, dass keine interne Anzeige vorhanden sein muss und dass die Anweisungen, der Status und die Ergebnisse zur Anzeige an einen externen Computer gesendet werden. Der Charakterisierungsschalter 15 weist das Instrument 10 an, wie nachstehend beschrieben, eine Instrumentencharakterisierung auszuführen. Der optionale externe Kommunikationsanschluss 19 stellt ein Mittel bereit, dass ein externer Computer die Einrichtungsparameter und die Testergebnisse empfängt und gegebenenfalls den Betrieb des Instruments 10 steuert.
Die in den 7 und 8 gezeigten, internen mechanischen Komponenten des Instruments 10 schließen eine Kurve 20, einen Folgerarm 22, eine Feder 24 und einen Plattenträger 28 ein. Kurz zusammengefasst, wird ein Fluid für einen Test auf die Testoberfläche 114 der unteren Platte 102 der Plattenanordnung 30 aufgebracht und der Test wird gestartet. Die Kurve 20 rotiert, wobei das freie Ende 58 des Folgerarms 22 nach oben gedrückt wird, was bewirkt, dass der Folgerarm 22 um das befestigte Ende 56 schwenkt. Die Feder 24, die an dem festen Ende 56 des Folgerarms 22 befestigt ist, rotiert nach unten, wobei die beiden Komponenten des Plattenträgers 28 zusammengedrückt werden. Die Platten 102, 104 der entfernbaren Plattenanordnung 30, die durch den Plattenträger 28 gehalten werden, werden zusammengedrückt. Wenn die Druckkraft ein vorbestimmtes Ausmaß für einen vorbestimmten Zeitraum erreicht hat, wird die Kurve 20 zurückgefahren, wobei letztendlich bewirkt wird, dass die Feder 24 eine Trennkraft auf die Platten 102, 104 überträgt. Der Zeitraum, den die Platten 102, 104 zur Trennung beanspruchen, wird gemessen. Die Zeitmessung wird in einen Viskositätswert überführt, der die Viskosität der Fluidprobe entweder durch Nachschlagen in einer Tabelle oder durch eine Gleichung wiedergibt.
Bei der im Einzelnen in 11 gezeigten Kurve 20 handelt es sich um eine kreisförmige Scheibe 32 mit einem Spiralschlitz 34. In der veranschaulichten Konfiguration ist der Schlitz 34 etwa 0,255'' Inch breit. Der Schlitz 34 umgibt den Mittelpunkt 36 der Scheibe 32, wobei er an einem inneren Endpunkt 38 mit einem Radius von etwa 0,587'', wie bei 42, beginnt. Da sich der Schlitz 34 um den Scheibenmittelpunkt 36 herum erstreckt, vergrößert sich sein Abstand vom Scheibenmittelpunkt 36 um etwas mehr als 0,001'' pro Winkelgrad. Der Schlitz erstreckt sich um einen Abstand, der etwa einem Winkelgrad von 781° gleichzusetzen ist, bis sein äußeren Endpunkt 40 einen Radius von etwa 1,377'', wie bei 44, hat. So vergrößert sich der Radius des Schlitzes während der Rotation um 781° um 0,790''. Die absoluten Radien des inneren Endpunkts 38 und des äußeren Endpunkts 40 sind nicht wichtig, sofern der Abstand zwischen den zwei Radien so ist, wie er für die betreffende Ausführungsform des Instruments erforderlich ist, in diesem Fall 0,790''.
Die Kurve 20 ist vertikal so befestigt, dass, wenn die Scheibe rotiert, ein Kurvenfolger innerhalb des Schlitzes vom dem Mittelpunkt 36 der Scheibe 32 um 0,001'' pro Grad der Rotation der Kurve 20 verschoben wird. Offensichtlich hängt es von der Richtung der Rotation der Kurve 20 ab, ob sich der Kurvenfolger in Richtung auf oder von dem Scheibenmittelpunkt 36 weg bewegt. In der Orientierung in 11 verschiebt sich der Kurvenfolger nach oben, da die Kurve 20 im Uhrzeigersinn rotiert. Die maximale Verschiebung für die veranschaulichte Konfiguration beträgt 0,790'', das ist der radiale Unterschied zwischen den Endpunkten 38 und 40 des Schlitzes 34.
Die vorstehend beschriebene Kurve 20 ist nur eine mögliche Konfiguration. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung von anderen Komponenten des Instruments können unterschiedliche Kurvenkonfigurationen verwendet werden, um das Testen verschiedener Bereiche von Viskoelastiziät auszuführen.
Die Kurve 20 wird durch einen elektrischen Schrittmotor 46 rotiert. Ein Satz von Untersetzungsgetrieben 48 verringert die Rotationsgewindigkeit des Motors 46, so wie es für die vorliegende Erfindung passend ist. Es kann jede Kombination von im Fachgebiet bekannten verschiedenen Motoren 46 und Untersetzungsgetrieben 48 verwendet werden, die eine passende Schrittauflösung und ein passendes Drehmoment bereitstellt. In der vorliegenden Erfindung wird ein 7,5°-Schrittmotor verwendet.
Bei dem Folgerarm 22 handelt es sich um einen Stab 52 mit einer Drehbefestigung 54 an dem festen Ende 56 und einem Kurvenfolger 60 an dem freien Ende 58. Die Drehbefestigung 54 erlaubt es dem freien Ende 58 auf und ab zu schwenken. Der Kurvenfolger 60 sitzt so im Kurvenschlitz 34, dass wenn die Kurve 20 nach vorne rotiert (im Uhrzeigersinn), das freie Ende 58 nach oben schwenkt, und wenn die Kurve rückwärts rotiert, schwenkt das freie Ende 58 nach unten. Gegebenenfalls ist der Kurvenfolger 60 drehbar an dem Stab 52 befestigt, um die Reibung während der Bewegung im Kurvenschlitz 34 zur verringern. In der veranschaulichten Ausführungsform sind die Dimensionen der Kurve 20 und des Folgerarms 22 so, dass der Folgerarm 22 um 3,8° schwenkt, wenn die Kurve 20 um 370° rotiert wird, und um 7,8° schwenkt, wenn die Kurve um 780° rotiert wird. Dies ist damit gleichzusetzen, dass der Folgerarm 22 um etwas mehr als 0,01° pro Grad der Kurvenrotation schwenkt. Um diese Verschiebung zu erreichen, beträgt der Abstand zwischen der Drehbefestigung 54 und dem Kurvenfolger 60, wenn sie in Verbindung mit den vorstehenden, beispielhaften Kurvendimensionen verwendet werden, 5,74''.
Bei der Feder 24 handelt sich um ein flaches Band 76, das an einem Ende 78 an dem festen Ende 56 des Folgerarm 22 so befestigt ist, dass die Feder 24 ungefähr kollinear zum Folgerarm 22 ist. Die Feder 24 hat eine freies Ende 74, das sich auf der entfernten Seite vom Folgerarm 22 befindet. Das Material aus dem die Feder 24 besteht, erlaubt es, dass sie sich auf ganzer Länge biegt. Die Feder 24 ist so gestaltet, dass sie eine maximale Kraft in einem Bereich von 2-10 lbs bereitstellt, wenn sie um 4° ausgelenkt ist. Gegenwärtig besteht die Feder aus 0,080'' dickem Aluminum Alloy 2024 T3 per AMS 4307. Ein Dehnungsmessstreifen 308, der an der oder integral mit der Feder 24 befestigt ist, misst, ob die Feder 24 unter Spannung steht und eine Kraft, entweder Druck- oder Trennkraft, ausübt oder nicht.
Um einige Fluids zu messen, kann es nötig sein, mehr Druckkraft als Trennkraft auszuüben. Die vorliegende Erfindung zieht es in Erwägung, dass, wie in den 12 und 13, die Feder 24 eine Hauptfeder 174, die durch eine Blattfeder 176 überlagert wird, einschließen kann. Wenn sich die Feder 24, wie in 12, im Druckmodus befindet, wenden sowohl die Hauptfeder 174 als auch die Blattfeder 176 die Druckkraft auf die Komponenten des Plattenträgers 86, 90 an. Wenn sich die Feder 24, wie in 13, im Trennmodus befindet, wendet nur die Hauptfeder 174 die Trennkraft an.
Der Träger 28 hält die entfernbare Plattenanordnung 30. Wie in den 14 und 15 gezeigt, weist der Träger 28 zwei Backenteile auf. Die untere Backe 86 ist an der Instrumentenbasis 12 über einen Sockel 72 befestigt und ist so ausgebildet, dass sie einen Kanal 88 einschließt. Die obere Backe 90 ist an dem freien Ende 74 der Feder 24 befestigt, wie bei 80, und ist so ausgebildet, dass sie einen Kanal 92 einschließt. Der Querschnitt der Kanäle 88, 92 ist vorzugsweise rechteckig, wie es in den 14 und 15 gezeigt wird, kann jedoch von jeder beliebigen Gestalt sein, die die Funktion ausführt, wie es nachstehend in Bezug auf die entfernbare Plattenanordnung 30 beschrieben ist. Die Kanäle 88, 92 sind, wie nachstehend beschrieben, für den Empfang der entfernbaren Plattenanordnung 30 offen.
Wenn die Backen 86, 90 starr an der Basis 12 beziehungsweise der Feder 24 befestigt wären, könnten Fehlerstellen bei der entfernbaren Plattenanordnung 30 oder Störungen bei der Bewegung der Feder 24 relativ zur der Basis 12 bedeuten, dass sich die Probenoberflächen 114, 128 der Platten 102, 104 während des Aufeinanderdrückens der Platten nicht voll und ganz treffen. Dies könnte bewirken, dass sich die Fluidprobe ungleichmäßig über die Probenoberflächen 114, 128 verteilt, was eine ungenaue Messung zur Folge hätte.
Zur Lösung dieses Problems werden die Backen 86, 90 schwenkbar befestigt, das heißt, sie werden so befestigt, dass sich die Platten 102, 104 selbst anpassen können, um sich richtig auszurichten, wenn die obere Probenoberfläche 128 die unter Probenoberfläche 114 berührt. Bei einer in 14 gezeigten Konfiguration ist die untere Backe 86 über eine Achse 94 schwenkbar an dem Sockel 72 befestigt, was ein Schwenken der unteren Backe 86 relativ zum Sockel 72 von einer Seite zur anderen erlaubt. Die obere Backe 90 ist über eine Achse 96 an der Feder 24 befestigt, was ein Schwenken der oberen Backe 90 relativ zu der Feder 24 von vorne nach hinten erlaubt. Bei einer anderen in 15 gezeigten Konfiguration ist die untere Backe 86 über ein Paar Schrauben 98 schwenkbar an dem Sockel 72 befestigt, was ein ein Schwenken der unteren Backe 86 relativ zum Sockel 72 von einer Seite zur anderen erlaubt. Die obere Backe 90 ist über ein Paar Schrauben 99 an der Feder 24 befestigt, was ein Schwenken der oberen Backe 90 relativ zu der Feder 24 von vorne nach hinten erlaubt.
Wie in den 16-19 gezeigt, hat die entfernbare Plattenanordnung 30 drei Komponenten, die untere Platte 102, die obere Platte 104 und den Plattenclip 106. Die unter Platte 102 ist im Allgemeinen ein rechteckiges, oben offenes Gehäuse 108. Die Probenoberfläche 114 befindet sich am Boden 110 des Gehäuses 108. Die Form des Gehäuses 108, die in den Figuren im Allgemeinen als rechteckig gezeigt wird, ist nur dahingehend wesentlich, dass der Boden 110 groß genug sein muss, um die erforderliche Probenoberfläche 114 aufzunehmen. Der Boden 110 erstreckt sich nach außen von dem Gehäuse 108 auf die gegenüberliegenden Seiten, wobei er ein Paar Schienen 116 bildet. Die Schienen 116 haben den gleichen Querschnitt wie der Kanal 88 der unteren Backe, so dass die untere Platte 102 in die untere Backe 88 gleitet. Gegebenenfalls kann sich ein Anschlussstück 118 von der oberen Kante des Gehäuses 108 erstrecken, um einen Griff für einen Anwender bereitzustellen, damit er ohne Verunreinigung die Platten 102, 104 greifen kann. Gegebenenfalls befindet sich eine Öffnung 120 in einer der Gehäusewände, um einen Zugang zur Probenoberfläche 114 zum Einbringen der Fluidtestprobe, wie in den 17 und 18, bereitzustellen.
Gegebenenfalls schließt die Plattenanordnung 30 einen Identifikator 122 für Plattentypen ein, um für die Steuerung zu identifizieren, welcher Typ von Plattenanordnung 30 in dem Instrument 10 installiert ist. Bei einer Konfiguration erstreckt sich der Boden 110 als ein Vorsprung 126 über das Gehäuse 108 hinaus. Dieser Vorsprung 126 umfasst Einkerbungen 124, um der Steuerung anzuzeigen, welcher Typ von Plattenanordnung 30 in dem Instrument 10 gegenwärtig verwendet wird. Die Einkerbungen 124 sind nur ein Mittel zum Anzeigen des Typs von Plattenanordnung. Jedes andere im Fachgebiet bekannte Verfahren, das die gleiche Funktion ausführt, wird in Erwägung gezogen. Zu Beispielen gehören Barcodes, reflektierende Spots, wobei die festen Spots auf der Plattenanordnung entweder reflektierend oder nicht-reflektierend sind, und interne Schaltkreisanschlüsse, wobei die Kontakte auf der Oberfläche der Plattenanordnung einen Schaltkreis in der Steuerung vervollständigen oder nicht. Die verschiedenen Plattentypen haben mit dem Messbereich zu tun, der wie nachstehend beschrieben, durch das Instrument 10 angewendet werden soll.
Die obere Platte 104 ist im Allgemeinen ein rechtwinkliges Gehäuse 170 mit einer Probenoberfläche 128 an seiner unterseitigen Stirnfläche 130. Die Größe der oberen Platte 104 ist so, dass sie in das untere Plattengehäuse 108 passt. Die oberen Seitenkanten des Gehäuses 170 erstrecken sich nach außen, wobei sie ein Paar Schienen 134 bilden. Die Schienen 134 haben den gleichen Querschnitt wie der Kanal 92 der oberen Backe, so dass die obere Platte 104 in die obere Backe 90 gleiten wird. Gegebenenfalls haben die Kanäle 88 der unteren Backe und die Schienen 116 der unteren Platte sowie die die Kanäle 92 der oberen Backe und die Schienen 134 der oberen Platte unterschiedliche Querschnittparameter, so dass die Plattenanordnung 30 nicht umgedreht installiert werden kann.
Der Plattenclip 106 hält die untere Platte 102 und die obere Platte 104 vorübergehend als eine Anordnung vor der Verwendung. Er verhindert, dass sich die Probenoberflächen 114, 128 gegenseitig berühren oder verunreinigt werden. Der Clip 116 besteht aus einem Rillenpaar 140, 142, in die die Schienen 116 der unteren Platte beziehungsweise die Schienen 134 der oberen Platte passen. Eine Öffnung 144 in dem Clip 104 stellt eine Aussparung bereit, durch die das Anschlussstück 122 hindurch passt. In der Ausführungsform der 16 und 17, ist der Clip 106 starr. In der Ausführungsform der 19 hat der Clip 106 ein Gelenk 146 zwischen den unteren Rillen 140 und den oberen Rillen 142, so dass die obere Platte 104 von der unteren Platte 102 weggeschwenkt werden kann, um einen Zugang zu der Probenoberfläche 114 zum Aufbringen der Fluidprobe bereitzustellen. Bei dem Gelenk 146 kann es sich um jeden Gelenktyp handeln, der für den Clip 106 passend ist, wie zum Beispiel ein Falzschanier, eine Kugelhülse oder ein Zylinderstift. Gelenke dieser Typen sind weithin bekannt.
Gegebenenfalls schließt die Plattenanordnung 30 ein Hilfsmittel zum Halten der Plattenanordung in dem Plattenträger 28 ein, so dass diese im Träger 28 verbleibt, wenn der Clip 106 entfernt wird. Das bevorzugte Verfahren ist die Verwendung eines Vertiefungspaars 178 in der unteren Plattenschiene 116 in Verbindung mit dazu passenden Vorsprüngen (nicht gezeigt) in dem Kanal 88 der unteren Backe. Wenn die untere Platte 102 in den Kanal 88 gleitet, schnappt der Vorsprung in die Vertiefung 178. In einer anderen Ausführungsform sind die Schienen- und/oder Kanaloberflächen aufgeraut, so dass die Reibung zwischen den aufgerauten Oberflächen die Plattenanordnung 30 in dem Plattenträger 28 hält. In noch einem anderen Verfahren sind die Schienenoberflächen einer Platte oder die Kanaloberflächen leicht schräg verlaufend, so dass, wenn die Platten in die Backen gleiten, sie in den Kanälen verkeilt werden.
Die vorliegende Erfindung beruht auf mehreren bekannten Bedingungen zum Testen von Viskoelastizität, von denen eine ist, dass die Oberfläche der Fluidprobe konsistent ist, das heißt, dass sie sich nicht von Test zu Test ändert. Wie vorstehend beschrieben, schwenken die Trägerbacken 86, 90 so, dass sich die Probenoberflächen 114, 128 ausrichten, wenn sie in Kontakt kommen. Dies bedeutet auch, dass, wenn die Probenoberflächen 114, 128 von genau der gleichen Größe der erforderlichen Fluidprobenoberflächen sind, es sehr wahrscheinlich ist, dass sich die Probenoberflächen 114, 128 relativ zueinander ein kleines bisschen seitwärts bewegen würden. Als ein Ergebnis würden die Probenoberflächen nicht genau ineinander greifen, so dass die eigentliche Fläche der Probenoberfläche von Test zu Test variieren könnte. Die gegenwärtige Ausführungsform der Erfindung löst dieses Problem, indem die Probenoberflächen rechteckig und in richtigem Winkel zueinander angefertigt werden. Wie in 20 gezeigt, ist die untere Probenoberfläche 114 rechteckig und erstreckt sich von einer Seite zur anderen, und die obere Probenoberfläche 128 ist rechteckig und erstreckt sich von vorne nach hinten. So ergibt sich, wenn die Oberflächen 114, 128 ineinander greifen, eine Überlappung, die eine Kontaktfläche 132 von konsistenter und bekannter Größe schafft. Wie bei den anderen Parametern des Testverfahrens ist die Kenntnis der absoluten Größe der Kontaktfläche 132 nicht wichtig. So bedeutet in diesem Zusammenhang der Ausdruck "bekannte Größe", dass das Testverfahren auf der Kenntnis beruhen kann, dass die Größe der Kontaktfläche von Test zu Test konsistent bleibt. In der gegenwärtigen Ausführungsform handelt es sich bei der Kontaktfläche um ein Quadrat mit einer Seitenlänge von etwa 1,5 cm.
Die vorliegende Erfindung erwägt die Verwendung von jedem anderen Verfahren, das sicher stellen kann, dass die Kontaktfläche von Test zu Test konsistent bleibt. Ein solches anderes Verfahren verwendet Probenoberflächen unterschiedlicher Größe. Angenommen die obere Probenoberfläche 128 ist größer als die untere Probenoberfläche 114, so dass die gesamte unter Probenoberfläche bequem in dem Umfang der oberen Probenoberfläche 128 passt. Dann wird, wenn die Probenoberflächen 114, 128 ineinander greifen, die Kontaktfläche 132 von der gleichen Größe sein, wie die untere Probenoberfläche 114, eine bekannte Größe, sogar dann wenn sich die Probenoberflächen 114, 128 relativ zueinander ein bisschen seitlich verschieben.
Vorzugsweise wird die untere Probenoberfläche 114 von dem Boden 110 angehoben, was um die Probenoberfläche 114 herum eine Furche verursacht. Überschüssiges Probenfluid, das aus dem Zwischenraum der Probenoberflächen 114, 128 während der Messung verdrängt wird, fließt nach unten in die Furche 172, weg von der unteren Probenoberfläche 114, so dass es die Messung nicht beeinflussen kann.
Nochmal bezugnehmend auf die 3-6 beruht die Messung der Viskoelastizität auf der Adhäsion der Fluidprobe 206 an den Probenoberflächen 204, wobei die Adhäsion als Tendenz definiert ist, dass Materialien, aufgrund von intermolekularen Kräften, an anderen Materialien haften. Um eine gültige Messung zu haben, muss die Adhäsionskraft der Fluidprobe 206 an den Probenoberflächen 114, 128 größer sein, als die Kohäsionskraft der Fluidprobe 206, so dass die Fluidprobe 206 reißt, bevor sie sich von einer der Probenoberfläche 204 trennt. Daher muss eine Probenoberfläche 204 mit einer Adhäsionskraft für die Fluidprobe 206 bereit gestellt werden, die größer ist als die Kohäsionskraft der Fluidprobe 206. Und im Allgemeinen gilt, dass je größer die Viskoelastizität eines Fluids ist, desto größer muss die Probenoberfläche sein, so dass das Fluid reißt, bevor es sich von der Probenoberfläche trennt.
Die Adhäsion der Fluidprobe 206 an einer Probenoberfläche 204 tritt über die gesamte Fläche auf, über die die Fluidprobe 206 und die Probenoberfläche 204 in Kontakt gebracht werden. So gilt, dass je größer die Kontaktfläche ist, desto proportional größer wird die Adhäsion der Fluidprobe 206 an der Probenoberfläche 204 sein.
Eine Möglichkeit die Fläche der Probenoberfläche 204 zu steigern ist es, die äußeren Dimensionen der Probenoberfläche 204 zu steigern. Jedoch soll das erfindungsgemäße Instrument 10 einen sehr weiten Bereich von Viskoelastizitäten messen, die nicht durch eine Probenoberfläche in einer einzigen Größe in Einklang gebracht werden können. Dies bedeutet, dass für unterschiedliche Testbereiche unterschiedliche Probenoberflächen benötigt werden. Gegen diese Erfordernisse sprechen praktische Aspekte des Instruments für einen einfachen Gebrauch und die Fertigung des Instrument, wo es erwünscht ist, dass die entfernbare Plattenanordnung 30 von der gleichen Größe ist, ungeachtet des zu testenden Viskoelastizitätsbereiches, so dass der Plattenträger 28 nicht geändert werden muss.
Zur Lösung dieses Problems ist es der bevorzugte Weg zur Vergrößerung der Fläche der Probenoberfläche 204, die Oberflächen so aufzurauen, dass es eine Vielzahl von Mulden gibt, die sich über die Probenoberfläche 204 erstrecken. Die Oberfläche, an der die Fluidprobe 206 anhaftet, schließt dann die Fläche ein, die von den Wänden einer jeden Mulde gebildet wird, die sich in die Probenoberfläche 204 erstreckt, mit der die Fluidprobe 206 in Kontakt kommen kann. Das Aufrauen der Probenoberfläche 204 stellt eine größere Fläche der Probenoberfläche bereit, ohne das äußere Profil der Probenoberfläche 204 zu vergrößern. Und es können unterschiedliche Viskoelastizitätsbereiche durch unterschiedliche Rauigkeitgrade in Einklang gebracht werden.
Eine aufgeraute Probenoberfläche 204 ist, wie in 21 gezeigt, aus einer zufälligen Verteilung von unregelmäßig geformten Mulden 216 und Spitzen 218 zusammengesetzt.
Es gibt zwei grundlegende Parameter, die für die Charakterisierung der Probenoberfläche 204, wenn sie in einem Instrument zur Viskositätsmessung verwendet werden, wichtig sind. Der erste dieser Parameter ist die durchschnittliche Tiefe der Mulden 216, wie sie von einer Ebene aus gemessen werden, die durch die oberen Enden der Spitzen 218 definiert ist. Der bevorzugte Bereich für diesen Durchschnitt liegt zwischen 10 Pikometern (pm) und 100 Mikrometern (μm), und der am stärksten bevorzugte Bereich zwischen 50 μm und 80 μm.
Der zweite Parameter ist die Betrag an Muldenflächen, die Summe der Flächen der Oberflächen von den Muldenwänden unterhalb von der Hälfte der durchschnittlichen Tiefe der Täler, relativ zu der Gesamtfläche der Oberfläche. Der bevorzugte Bereich von Muldenfläche liegt zwischen 35% und 65% der Gesamtfläche der Oberfläche, und am stärksten bevorzugt liegt der Bereich zwischen 45% und 55%.
Wenn die durchschnittliche Tiefe der Mulden 216 zu flach ist, wie weniger als 10 pm, wird die Probenoberfläche 204 zu glatt sein und wird nicht ausreichend funktionieren, da die Fläche der Probenoberfläche 204 so klein sein wird, dass die Fluidprobe nicht mit einer Kraft haften wird, die größer als die Kohäsionskraft der Fluidprobe ist. Wie vorstehend erklärt, wird sich die Fluidprobe, wenn die Adhäsionskraft kleiner ist als die Kohäsionskraft der Fluidprobe, von der Probenoberfläche 204 trennen, bevor sie reißt.
Wenn die durchschnittliche Tiefe der Mulden 216 zu groß ist, wie größer als 100 μm, oder das Verhältnis von Talflächen zu der Gesamtfläche zu groß ist, wie größer als 65%, wird die Oberfläche ebenfalls nicht ausreichend funktionieren, da sich die Fluidprobe in die tiefen und großen Mulden ausbreiten würde, wobei die Menge an Fluidprobe, die außerhalb der Mulden 216 verbleibt, für eine genaue Messung als zu klein übrig bleibt. Wenn die Fluidprobe zu klein ist, wird sie nicht die gesamte Probenfläche 204 abdecken, was einen ungenauen Wert für sie Fläche der Rissoberflächen zur Folge hat, und die berechnete Viskosität ungenau macht.
Wenn das Verhältnis von Muldenflächen zu der Gesamtfläche zu niedrig ist, wie niedriger als 35%, wird die Probenoberfläche 204 ebenfalls nicht ausreichend funktionieren, da die Fläche der Probenoberfläche 204 so klein sein wird, dass die Fluidprobe nicht mit einer Kraft haften wird, die größer als die Kohäsion der Fluidprobe ist. Wie vorstehend erklärt, wird sich die Fluidprobe, wenn die Adhäsionskraft kleiner ist als die Kohäsionskraft der Fluidprobe, von der Probenoberfläche 204 trennen, bevor sie reißt.
Die Platten 104, 106 und als eine Folge davon die Probenoberflächen 114, 128 sind aus einem starren Kunststoffmaterial zusammengesetzt. Gegenwärtig ist das bevorzugte Material Grilamid TR55, ein Nylon 12. Vorzugsweise werden die Platten 104, 106 durch eher durch Formpressen als durch Schleifen oder Strahlen hergestellt. Eine Gussform mit bestimmenten, eingeätzten Oberflächencharakteristiken kann erstellt und verwendet werden, um eine Probenoberfläche mit konsistenter Oberflächentopologie und Größe zu erzeugen. Obwohl keine zwei formgepressten Oberflächen genau gleich sein können, sind die Unterschiede von einer Oberfläche zur nächsten nicht annähernd so groß wie der Unterschied von einer geschliffenen oder gestrahlten Oberfläche zu der nächsten, was eine bessere Wiederholbarkeit der Messungen zur Folge hat.
Der Zweck des Instruments 10 der vorliegenden Erfindung ist es, die Viskosität von Fluids zu messen, und jede Verunreinigung auf den Probenoberflächen 114, 128 wird ein fehlerhaftes Testergebnis zur Folge haben. Um die Probenoberflächen 114, 128 vor Verunreinungen zu schützen und um wegen der intensiv hygroskopischen Natur des Plattenmaterials eine trockene Umgebung beizubehalten, wird die entfernbare Plattenanordnung 30 als letzte Stufe bei der Herstellung in einen durch Vakuum versiegelten Beutel verpackt. Die Plattenanordnung wird vor der Verwendung aus dem Beutel entfernt.
Das Instrument 10 hat eine Steuerung, von der ein Blockschaltbild in 22 gezeigt wird. Die Steuerung ist rund um einen Microcontroller (μC) 302 aufgebaut, der zur Durchführung der notwendigen Funktionen programmiert ist. Die Stromversorgung erfolgt über einen Stecker 304 und eine Stromversorgung 306, deren Ausgestaltung im Fachgebiet weithin bekannt ist. Eingangssignale zum μC 302 umfassen den Dehnungsmessstreifen 308, einen Sensor für die Kurvenausgangsstellung 312, einen Sensor für den Plattentyp 314, einen Sensor für die Türposition 316, einen Charaktierisierungsschalter 315 und gegebenenfalls einen Temperatursensor 310. Es gibt mehrere unterschiedliche, im Fachgebiet bekannte Wege, jede dieser verschiedenen Eingaben umzusetzen. Die folgende Beschreibung ist nur ein Beispiel eines Weges zur Umsetzung der Signale und soll nicht die Verwendung von anderen, die die gleichen Ergebnisse liefern, ausschließen.
Der Dehnungsmessstreifen 308 ist an der Feder 24 angebracht und wird verwendet, um zu bestimmen, ob die Feder 24 unter Spannung steht oder nicht. Wie in 10 ersichtlich, beginnt die Feder 24 sich zu verbiegen, wenn der Trägerarm 26 seine Schwenkbereichsgrenze erreicht, was von dem Dehnungsmessstreifen 308 erkannt wird. Umgekehrt erfasst der Dehnungsmessstreifen 308 den Eintritt des Reißens der Fluidprobe, indem die Entfernung der Spannung auf die Feder 24 erkannt wird.
Der Sensor für die Kurvenausgangsstellung 312 informiert den μC 302, wenn sich die Kurve in der Ausgangsposition befindet. Dabei handelt es sich um die Position, bei der die entfernbare Plattenanordnung 30 in den Träger 28 einführt werden kann und die, wie vorstehend beschrieben, der Ausgangspunkt für den Test ist. Bei dem Sensor für die Kurvenausgangsstellung 312 kann es sich um jeden Schaltertyp handeln, der für die Aufgabe angemessen ist, einschließlich eines mechanischen Schalters, optischen Sensors, magnetischen Sensors usw. Es wird erwartet, dass die physische Position des Sensors für die Kurvenausgangsstellung 312 einstellbar ist, so dass die Ausgangsstellung der Kurve 30 für jedes Instrument kalibriert werden kann.
Der Sensor für den Plattentyp 314 liest den Identifikator für Plattentypen 122 auf der Plattenanordnung 30 aus. Die Form des Sensors für den Plattentyp 314 hängt davon ab, wie der Identifikator für Plattentypen 122 ausgeführt ist. Zum Beispiel kann es sich, wenn der Identifikator für Plattentypen 122, wie in 17 gezeigt, die Einkerbungen 124 einschließt, bei dem Sensor für den Plattentyp 314 um ein Paar optischer Sensoren handeln, die jeweils positioniert sind, um die Stelle von einer dieser Einkerbung 124 zu überspannen. Ob eine Einkerbung 124 vorhanden ist, wird an dem optischen Sensor erfasst, der die Ablesedaten an den μC 302 weitergibt. Der μC 302 ist programmiert, um das Vorhandensein von zwei Einkerbungen so zu interpretieren, dass dies bedeutet, dass keine Plattenanordnung 30 installiert ist. Dies bedeutet, dass eine Plattenanordnung 30 nur eine oder keine Einkerbung haben kann. Festzuhalten ist, dass es irgendeine Anzahl von Einkerbungen 124 und die passende Anzahl von Sensorelementen geben kann. Für andere Ausführungen des Identifikators für Plattentypen 122 können andere Formen von Sensoren 314 für Plattentypen verwendet werden.
Der Sensor für die Türposition 316 zeigt dem μC 302 an, ob die Gehäusetür 13 geöffnet oder geschlossen ist oder nicht, der Zweck davon ist nachstehend beschrieben. In der gegenwärtigen Ausführung ist dieser Sensor ein mechanischer Schalter.
Der Charakterisierungsschalter 15 befindet sich an der Vorderseite des Instruments 10 und wird von dem Anwender verwendet, um das Gerät anzuweisen, eine Instrumentencharakterisierung durchzuführen. In der gegenwärtigen Ausführung ist der Charakterisierungsschalter 15 ein mechanischer Schalter.
Der optionale Temperatursensor 310 misst die Umgebungstemperatur. Die Viskosität eines Körperfluids wird durch die Temperatur des Fluids beeinflusst. So kann der Temperatursensor 310 verwendet werden, um die ungefähre Temperatur der Testprobe zu bestimmen, damit sie bei der Viskositätsmessung in Betracht gezogen werden kann. Bei dem Temperatursensor 310 selbst kann es sich um jeden im Fachgebiet bekannten Temperatursensor handeln, einschließlich Widerstands-, kapazitiver, mechanischer usw. Sensoren.
In seiner gegenwärtigen Konfiguration hat der μC 302 zwei Ausgänge: eine optische Anzeige 14 und Steuerungssignale für den Kurvenmotor 46. In der gegenwärtigen Ausführung ist die Anzeige 14 vom Flüssigkristalltyp (LDC), die im Fachgebiet weithin bekannt ist. Andere typische Anzeigentypen schließen Licht aussendende Dioden (LED)- und Plasmageräte ein. Die Motorsteuerungssignale liefern die Signale, die für den Motor 46 zur Steuerung der Richtung und der Rotationsgeschwindigkeit erforderlich sind. Die tatsächlich benötigten Signale hängen vom Motor ab und sind im Fachgebiet weithin bekannt.
Gegebenenfalls hat das Instrument einen externen Kommunikationsanschluss 19 für eine Verbindung zu einem externen Computer oder einem anderen Gerät. Es kann jedes Kommunikationsprotokoll implementiert werden, sofern es mit dem erwarteten externen Gerät kompatibel ist. In der gegenwärtigen Ausführung des Instruments 10 wird das weithin bekannte RS-232C-Protokoll angewendet.
Betrieb
Die Durchführung eines Tests unter Verwendung des Instruments 10 beginnt, indem die Plattenanordnung 30 und eine Probenentnahmespritze aus ihrer Schutzverpackung entnommen werden. Eine Probe des zu testenden Fluids wird in die Spritze aufgezogen. In der Ausführungsform von 17 wird die Spritze in die Öffnung der unteren Platte 120 eingebracht, oder in der Ausführungsform von 19 wird die obere Platte 104 von der unteren Platte 102 weggeschwenkt, um die Probenoberfläche 114 der unteren Platte zugänglich zu machen. Das Testfluid wird auf die Probenoberfläche 114 der unteren Platte 102 injiziert, wobei sorgfältig vorgegangen wird, um die Probenoberflächen 114, 128 nicht zu verunreinigen. Als nächstes wird die Instrumententür 13 geöffnet und die Plattenanordnung 30 wird in dem Plattenträger 28 über eine Öffnung 21 in dem Gehäuse 11 so installiert, dass die Schienen der unteren Platte 116 und die Schienen der oberen Platte 134 in den Kanal der unteren Backe 86 beziehungsweise in den Kanal der oberen Backe 88 gleiten. Wenn die Plattenanordnung 30 per Hand in den Plattenträger 28 gedrückt wird. gleiten die untere Platte 102 und die obere Platte 104 aus dem Plattenanordungsclip 106 heraus. Wenn die Platten 102, 104 vollständig im Plattenträger 28 installiert sind, wird der Plattenanordungsclip 106 nicht länger benötigt und wird entsorgt. Alternativ wird das Testfluid durch die Öffnung 120 auf die Probenoberfläche 114 aufgebracht, nachdem die Plattenanordnung 30 in dem Plattenträger 28 installiert ist.
Nach dem Installieren der Plattenanordnung 30 schließt der Anwender die Tür 13, was bewirkt, dass sich der Türschalter 316 schließt, was wiederum den μC 302 anweist, den Test zu beginnen. Der μC 302 liest den Sensor für den Plattentyp 314 ab, um zu bestimmen, ob eine Plattenanordnung 30 vorhanden ist, und um den Messbereich festzulegen. Das Instrument 10 ist zu einen weiten Bereich von Messungen imstande. Jedoch machen, wie vorstehend beschrieben, unterschiedliche Viskositätsbereiche unterschiedliche Charakteristiken von Plattenoberflächen und folglich unterschiedliche Messparameter erforderlich. Zum Beispiel wird die Viskosität von Speichel im Allgemeinen im Bereich von 0-50 cSt liegen. Dies bedeutet, dass eine relativ raue Oberfläche erforderlich sein wird, damit die Platten sich, um genau zu messen, nicht zu schnell trennen. In einem anderen Beispiel wird die Viskosität von Mekonium in einem Bereich von 10 000-40 000 cSt liegen, was eine relativ glatte Oberfläche erforderlich macht, so dass sich die Platten innerhalb eines angemessen kurzen Zeitraums trennen.
Die unterschiedlichen Plattentypen beeinflussen zwei Aspekte des Tests. Es beeinflusst zuerst die Stärke des Drucks, der durch das Instrument auf die Platten ausgeübt wird. Siehe dazu 5 und den damit zusammenhängenden Text. Wenn ein zu geringer Druck angewendet wird, überdeckt die Probe die Probenoberfläche nicht ausreichend, um einen genauen Test bereitzustellen. So kann das Instrument 10 die Stärke des Drucks, der auf die Platten angelegt wird, auf der Basis des Plattentyps einstellen. Es tut dies, indem die Kurve 20 für einen gewünschten Druck um ein vorbestimmtes Ausmaß rotiert wird. Für alle Plattentypen rotiert die Kurve 20 solange, bis die Feder 24, wie vorstehend in Bezug auf 9 beschrieben, ihre nominale Schwenkbereichsgrenze erreicht. Das Ausmaß der Kurvenrotation unterhalb davon hängt vom Plattentyp ab. Je weiter die Kurve 20 rotiert, desto größer ist die Druckkraft auf die Platten 102, 104.
Zweitens beeinflusst es der Plattentyp, wie die gemessene Trennzeit in das Ablesen der Viskosität übertragen wird. Zum Beispiel kann eine Trennzeit von 10 Sekunden eine Viskosität von 20 cSt für eine Speichelprobe mit rauen Platten bedeuten und eine Viskosität von 15 000 cSt für eine Mekoniumprobe mit glatten Platten.
Wenn der Plattentyp einmal bestimmt ist, bewirkt der μC, dass der Motor 46 die Kurve 20 in dem passenden Ausmaß dreht, um die gewünschte Druckkraft auf die Platten 102, 104 für die gewünschte Zeitdauer auszuüben. Dann rotiert der μC die Kurve 20 zurück in ihre Ausgangsposition, was bewirkt, dass die Feder 24 eine Trennkraft auf die Platten 102, 104 ausübt.
Wie vorstehend angegeben, muss die Trennkraft vom Messung zu Messung konsistent bleiben. Da die Trennkraft eine Funktion der Kurvenrotation ist, ist eine vorbestimmte Kurvenrotationsgeschwindigkeit notwendig, so dass die Trennkraft konsistent bleibt. Die nachstehend beschriebene Charakterisierungsfunktion wird verwendet, um empirisch die Funktion zur Überführung der Trennzeit in die Viskosität zu bestimmen. Somit muss der μC 302 nicht die tatsächliche Stärke der Trennkraft kennen, um die Viskosität zu berechnen; er muss nur wissen, das die Trennkraft als eine Funktion der Kurvenrotation konsistent ist.
Irgendwann dazwischen, wenn sich die Tür 13 schließt und sich die Kurve 20 zurückdreht, startet der μC 302 einen Zeitnehmer 318 und überwacht den Dehnungsmessstreifen 308. Wenn der Dehnungsmessstreifen 308 den μC 302 darüber informiert hat, dass sich die Platten 102, 104 getrennt haben, liest der μC 302 die Trennzeit von dem Zeitnehmer 318 ab. Wann in dem Testzyklus der Zeitnehmer gestartet wird, ist nicht wichtig, sofern dies erfolgt, bevor die Trennkraft an die Platten 102, 104 angelegt wird, und dies während des Testzyklus immer zur gleichen Zeitpunkt erfolgt. An diesem Punkt wird der μC 302 typischerweise die Trennzeit in eine Viskositätmessung überführen und das Ergebnis auf der Anzeige 14 anzeigen.
Die vorliegende Erfindung erwägt zwei grundlegende Verfahren für die Überführung der Trennzeit in die Viskosität. Das erste verwendet eine Nachschlagtabelle, die im μC 302-Speicher vorhanden ist. Die Trennzeit wird als ein Index in eine Tabelle von Viskositäten verwendet. Der Wert an der indizierten Stelle ist die Viskosität, die der Trennzeit entspricht. Bei diesem Verfahren kann es eine Tabelle für jeden Plattentyp geben oder es kann weniger Tabellen geben, wobei der μC 302 die Tabellenausgabe für den Plattentyp skaliert. Bei dem zweiten Verfahren zur Überführung der Trennzeit in die Viskosität, berechnet der μC 302 aus der Trennzeit unter Verwendung einer Gleichung die Viskosität mathematisch. Es kann jedes Überführungsverfahren und/oder Kombinationen der beiden angewendet werden.
Charakterisierung
Das Instrument 10 wird unter Verwendung von standardisierten Fluids bekannter Viskosität charakterisiert. In der vorliegenden Ausführungsform werden drei bekannte Fluids verwendet, um eine Grundlinie für die Überführung der Trennzeit in die Viskosität zu ermitteln. Der Rest der Überführungspunkte wird durch Interpolation und Extrapolation bestimmt.
Das Charakterisierungsverfahren für das Instrument der vorliegenden Erfindung ist im Wesentlichen das gleiche wie das vorstehend beschriebene Messverfahren, das dreimal durchgeführt wurde, je einmal mit drei Fluids bekannter Viskosität. Um eine Charakterisierung auszulösen, drückt der Anwender den Charakterisierungsschalter 15. Der μC 302 beginnt dann das Charakterisierungsverfahren und zeigt gegebenenfalls Schritt für Schritt die Anweisungen an der Anzeige 14 an. Wenn die Charakterisierung vollständig ist, kehrt das Instrument 10 zu seinen normalen Betrieb zurück.
Die Besonderheiten des Charakterisierungsverfahrens, nämlich die verwendeten Fluids, hängen von dem erwarteten Messbereich ab. Zum Beispiel werden, wenn der Messbereich bei 0-50 cSt liegt, die drei Fluids innerhalb des Bereichs von 0-50 cSt sein.
Somit wurde ein Viskositätsmessgerät für die Messung der Viskosität eines Fluids gezeigt und beschrieben, das die vorstehend bekannt gegebenen Aufgaben erfüllt.
Da in der vorliegenden Offenbarung bestimmte Änderungen gemacht werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, sollen sämtliche Angelegenheiten, die in der vorliegenden Beschreibung beschrieben und in den begleitenden Zeichungen gezeigt sind, als veranschaulichend und nicht im einschränkenden Sinne interpretiert werden.

Claims

Instrument zur Messung der Viskosität einer Fluidprobe, mit; (a) einem eine Basis aufweisenden Gehäuse (11); (b) einer Kurve (20) in der Form einer Scheibe mit einer Kurvenachse und einem um diese Achse herum verlaufenden spiralförmigen Schlitz (34); (c) einer Rotationseinrichtung (46) zum Rotieren der Kurve um ihre Achse; (d) einem Kurvenfolgerarm (22), der ein festes Ende und ein freies Ende aufweist, wobei der Kurvenfolgerarm mit seinem festen Ende schwenkbar an der Basis befestigt ist und einen Kurvenfolger (60) aufweist, der in dem Kurvenspiralschlitz (34) läuft, so dass bei einem Rotieren der Kurve der Kurvenfolgerarm um sein festes Ende herum geschwenkt wird; (e) einer Feder (24) in der Form eines flachen Bandes, das mit seinem festen Ende (56) am Kurvenfolgerarm (22) befestigt ist und ungefähr kollinear zum Kurvenfolgerarm ist, wobei die Feder ein freies Ende (74) aufweist, das vom Kurvenfolgerarm entfernt ist; (f) einem Plattenträger (28), der eine untere Backe und eine gegenüberliegende obere Backe aufweist, wobei die untere Backe an der Basis befestigt ist und die obere Backe am freien Ende der Feder befestigt ist; (g) einer Plattenanordnung (30), die eine untere Platte (102) und eine obere Platte (104) aufweist, wobei diese Platten eine untere Probenoberfläche (114) bzw. eine obere Probenoberfläche (128) aufweisen, wobei die Plattenanordnung derart entfernbar im Plattenträger installierbar ist, dass die untere Platte in der unteren Backe sitzt und die obere Platte in der oberen Backe sitzt; und (h) einer Steuerung (302) zum Steuern des Betriebs des Instruments; (i) wobei die Steuerung ausgefegt ist, wenn eine Fluidprobe auf die untere Probenoberfläche (114) aufgebracht ist und die Plattenanordnung im Plattenträger installiert ist, die Kurve vorwärts zu rotieren, so dass der Kurvenfolgerarm nach oben geschwenkt wird, wobei das freie Ende der Feder nach unten geschwenkt wird, um so die obere Probenoberfläche eine vorbestimmte Zeit lang mit einer vorbestimmten Druckkraft auf die untere Probenoberfläche zu drücken, dann die Kurve rückwärts zu rotieren, so dass der Kurvenfolgerarm nach unten geschwenkt wird, wodurch verursacht wird, dass das freie Ende der Feder nach oben geschwenkt wird, wodurch zwischen der oberen Probenoberfläche und der unteren Probenoberfläche eine Trennkraft angewendet wird, bis das Probenfluid reißt, und die Zeit von einem vorbestimmen Zeitpunkt bis zu dem Punkt, an dem die Fluidprobe reißt, als eine Trennzeit zu messen, wobei dieser vorbestimmte Zeitpunkt spätestens dann ist, wenn die Kurve beginnt, rückwärts zu rotieren.
Instrument nach Anspruch 1, wobei die Steuerung dazu ausgelegt ist, die Trennzeit in eine Viskositätsmessung umzuwandeln.
Instrument nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rotationseinrichtung (46) einen elektrischen Schrittmotor und ein Getriebe aufweist.
Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feder (24) einen Dehnungsmessstreifen (308) beinhaltet, der dazu ausgelegt ist anzuzeigen, wann das Probenfluid reißt.
Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die untere Backe (86) schwenkbar an der Basis befestigt ist und die obere Backe (90) schwenkbar an der Feder befestigt ist, so dass, wenn die obere Probenoberfläche die untere Probenoberfläche berührt, sich die obere und die untere Probenoberfläche aufeinander ausrichten.
Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die untere Platte dadurch an der unteren Backe (86) befestigt wird, dass zwei sich gegenüberliegender Schienen (116) an der unteren Platte (102) in einen dazu passenden Kanal (88) in der unteren Backe geschoben werden, und wobei die obere Platte (104) dadurch an der oberen Backe (90) befestigt wird, dass zwei sich gegenüberliegender Schienen (134) an der oberen Platte in einen dazu passenden Kanal (92) in der oberen Backe geschoben werden.
Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Probenoberflächen eine Textur haben, die Plattenanordnung einen Plattentyp, der von dieser Textur abhängt, und eine Plattentypidentifikation (122) zum Identifizieren des Plattentyps aufweist und das Instrument einen Plattentypsensor zum Lesen der Plattentypidentifikation aufweist.
Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Plattenanordnung einen Plattenclip (106) aufweist, der vor der Installation des Plattenträgers (28) die untere und die obere Platte (102, 104) derart in einem festen physischen Verhältnis zueinander hält, dass die untere und die obere Probenoberfläche einander gegenüber liegen und voneinander beabstandet sind.
Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem Kommunikationsanschluss (19), der zur Kommunikation mit einer externen Vorrichtung ausgelegt ist, und/oder mit einer visuellen Anzeige (14) zum Anzeigen von Befehlen, Status und Messergebnissen.
Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse eine Öffnung (21) zum Installieren der Plattenanordnung (30) im Plattenträger (28), eine Tür (13) für diese Öffnung, einen Türsensor (316) zum Erfassen, wenn die Tür geschlossen ist, und einen Plattensensor (314) zum Feststellen, ob die Plattenanordnung im Plattenträger installiert ist, aufweist, wobei die Steuerung dazu ausgelegt ist, den Plattensensor und den Türsensor zu lesen und einen Testzyklus zu beginnen, wenn die Plattenanordnung im Plattenträger installiert und die Tür geschlossen ist.
Verfahren zum Messen der Viskosität unter der Verwendung eines Instruments, mit: (a) einem eine Basis aufweisenden Gehäuse (11); (b) einer Kurve (20) in der Form einer Scheibe mit einer Kurvenachse und einem um diese Achse herum verlaufenden spiralförmigen Schlitz (34); (c) einer Rotationseinrichtung (46) zum Rotieren der Kurve um ihre Achse; (d) einem Kurvenfolgerarm (22), der ein festes Ende und ein freies Ende aufweist, wobei der Kurvenfolgerarm mit seinem festen Ende schwenkbar an der Basis befestigt ist und einen Kurvenfolger (60) aufweist, der in dem Kurvenspiralschlitz (34) läuft, so dass bei einem Rotieren der Kurve der Kurvenfolgerarm um sein festes Ende herum geschwenkt wird; (e) einer Feder (24) in der Form eines flachen Bandes, das mit seinem festen Ende (56) am Kurvenfolgerarm (22) befestigt ist und ungefähr kollinear zum Kurvenfolgerarm ist, wobei die Feder ein freies Ende (74) aufweist, das vom Kurvenfolgerarm entfernt ist; (f) einem Plattenträger (28), der eine untere Backe und eine gegenüberliegende obere Backe aufweist, wobei die untere Backe an der Basis befestigt ist und die obere Backe am freien Ende der Feder befestigt ist; (g) einer Plattenanordnung (30), die eine untere Platte (102) und eine obere Platte (104) aufweist, wobei diese Platten eine untere Probenoberfläche (114) bzw. eine obere Probenoberfläche (128) aufweisen, wobei die Plattenanordnung derart entfernbar im Plattenträger installierbar ist, dass die untere Platte in der unteren Backe sitzt und die obere Platte in der oberen Backe sitzt; und (h) einer Steuerung (302) zum Steuern des Betriebs des Instruments; wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – eine Fluidprobe wird auf der unteren Probenoberfläche (114) aufgebracht, und die Plattenanordnung wird im Plattenträger installiert, – die Kurve wird vorwärts rotiert, so dass der Kurvenfolgerarm nach oben geschwenkt wird, wodurch verursacht wird, dass das freie Ende der Feder nach unten geschwenkt wird und die obere Probenoberfläche eine vorbestimmte Zeit lang mit einer vorbestimmten Druckkraft auf die untere Probenoberfläche gedrückt wird, – die Kurve wird rückwärts rotiert, so dass der Kurvenfolgerarm nach unten geschwenkt wird, wodurch verursacht wird, dass das freie Ende der Feder nach oben geschwenkt wird, – zwischen der oberen Probenoberfläche und der unteren Probenoberfläche wird eine Trennkraft angewendet, bis das Probenfluid reißt, und – die Steuerung misst die Zeit von einem vorbestimmten Zeitpunkt bis zu dem Punkt, an dem die Fluidprobe reißt, als eine Trennzeit, wobei dieser vorbestimmte Zeitpunkt spätestens dann ist, wenn die Kurve beginnt, rückwärts zu rotieren.