技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于确定与作用在转子上的力相关联的量的仪器，所述仪器包括：
[0002] 转子；
[0004] 至少一个
轴承，其用于安装所述转子以允许所述转子相对于所述定子发生至少有限的位移，所述轴承包括相对的轴承面，所述相对的轴承面被布置成在使用时分别相对于所述转子和所述定子大体上保持固定就位；
[0005] 至少一个轴承，在垂直于所述轴承面的方向上具有可调整的
刚度；
[0006] 用于对用于调整所述至少一个轴承的刚度的参数进行控制的系统；以及[0007] 用于确定与第二力相关联的量的值的系统，所述第二力作用在所述转子和所述定子之间且相反于与待确定的所述量相关联的所述力。
[0008] 本发明还涉及一种用于确定与作用在转子上的力相关联的量的方法，[0009] 其中所述转子借助至少一个轴承而被安装，从而允许所述转子相对于所述定子发生至少有限的位移，所述轴承包括相对的轴承面，所述相对的轴承面分别相对于所述转子和定子大体上保持固定就位；
[0010] 其中至少一个轴承在垂直于所述轴承面的方向上具有可调整的刚度，所述方法包括：
[0011] 确定与第二力相关联的量的值，所述第二力作用在所述转子和所述定子之间且相反于与待确定的所述量相关联的所述力。
[0012] 本发明还涉及一种生产用于确定与作用在转子上的力相关联的量的仪器的方法，所述仪器包括：
[0013] 转子；
[0014] 定子；
[0015] 至少一个轴承，其用于安装所述转子以允许所述转子相对于所述定子发生至少有限的位移，所述轴承包括相对的轴承面，所述相对的轴承面被布置成分别相对于所述转子和所述定子大体上保持固定就位；
[0016] 至少一个轴承，在垂直于所述轴承面的方向上具有可调整的刚度；以及[0017] 用于确定与第二力相关联的量的值的系统，所述第二力作用在所述转子和所述定子之间且相反于与待确定的所述量相关联的所述力。
背景技术
[0019] US 4,501,155公开了用于评估测试样品的流变特性的一种旋转流变仪。所述测试样品被示为
聚合物盘的形式，该聚合物盘被固定至一个固定的台且被联接至一个
压板，所述压板由一个具有凸缘的管状载体
支撑，所述凸缘被固定至所述流变仪的中心转子。所述转子被悬挂以通过一个线性
空气轴承形式的非常小摩擦的轴承在定子内围绕纵向轴线旋转。一个
电机被控制，以将
扭矩施加至一个轴从而施加至所述转子。轴
位置转换器位于转换器部分，用于提供关乎所述轴的
角位置以及所述轴的沿着所述纵向轴线的纵向位置的信息。一种控制包括一个补偿系统，所述补偿系统在对测试样品执行任何测试以前被操作，以本质上校准所述空气轴承，以使可得到对
摩擦力的适当补偿以用在测试中。在所述补偿系统中，所述电机被用在伺服回路中，以将所述转子驱动至
选定的角位置。在那些位置中的每一个，所述补偿系统都确保，由所述电机施加至所述转子的扭矩将与在该位置由在所述空气轴承中生成的力作用在所述转子上的不期望的扭矩刚好相反。
[0020] 已知仪器的一个问题是，供应至所述轴承的空气的压力从而所述轴承的刚度必须在评估所述测试样品之前被设定，并且在评估所述测试期间保持恒定。如果所述测试样品具有高
粘度，则所述气压将被设置为高值，以提供所要求的刚度。将同样的值用于测量具有较低粘度的相同或不同样品可引起不必要地不精确的测量，因为所述扭矩的大的测量值将被大的摩擦值所补偿，以达到作用在所述样品上或者由所述样品所作用的相对低的扭矩值。
发明内容
[0021] 本发明的一个目标是提供开始几段中提及的类型的、允许在值的宽范围上进行精确测量的仪器、方法和计算机程序。
[0022] 所述目标是通过根据本发明的仪器而实现的，所述仪器的特征在于，所述仪器进一步包括用于通过偏置值来校正与所述第二力相关联的所述量的确定值的
数据处理系统，所述偏置值是使用将如下变量作为参数的映射来获得的，所述变量代表用于调整所述刚度的所述参数。与力相关联的量可对应于所述力本身或者与所述力直接相关的量，例如扭矩、力矩等。
[0023] 由于使用了将代表用于调整所述刚度的参数的变量作为参数的映射，所述轴承的刚度可被调整，而不需要暂停测量来重新校准仪器。因此，可能的是，当期望所述转子上有大的力时选择一较大的刚度，从而避免损坏所述仪器(主要是所述轴承)。相对于测量值而言，所述偏置值通常——但不必然——较大。当期望所述转子上有小的力时，所述轴承可被制成具有较低的刚度，这通常会引起较低的偏置力和/或所述转子的无意位移。在此情况下，与所述第二力相关联的量的小值被小偏置值补偿，以得到要确定的量的值，作为所述仪器的输出。在气压轴承或
磁性轴承——它们是具有可调整的刚度的轴承的普通实例——中，平行于所述轴承面的压力或磁力的小分量将出现，并且随着垂直于所述轴承面的方向上的力的增加而增加。
[0024] 在一个实施方案中，所述仪器被配置为执行至少一个程序，用于自动地确定用于调整所述至少一个轴承的刚度的参数的期望值。
[0025] 一个效果是，有助于避免用户因对所述刚度的设置不正确而损坏所述轴承或其他部件或者获得无效结果。用户不能用不适当的刚度值——例如导致所述轴承面移动太多的太低的值——执行测量。相反，用户不需为了
预防而将刚度设置为太高的值，从而测量不会因所述轴承中的太高
水平的扭矩偏置而毁坏。
[0026] 在一个变体中，所述程序基于以下中的至少一个来确定所述期望值：
[0027] 代表所述转子相对于所述定子的位移的变量；
[0028] 调整一设备的变量，用于在所述转子和定子之间施加设定的力矩；
[0029] 通过
接口接收的输入，用于选择标准化的操作程序；以及
[0030] 代表所述轴承面之间的实际距离的变量。
[0031] 代表所述转子相对于所述定子的位移——例如与所述轴承面垂直或平行的位移——的变量，是可发生的期望偏置力和/或所述轴承的损坏
风险的参考标准。例如，当所述轴承面快速地靠近时，与所述轴承面垂直的位移是即将发生损坏的指标。当已知的力矩被施加至所述转子时，与所述轴承面平行的高速度标示着低的反力矩。例如，在流变仪中，这将对应于低粘度样本的存在。在这种情况下，所述轴承的刚度可被降低。如果要施加高的设定的力矩，则所述轴承应被制作得更刚硬。通过接口接收的、用于选择标准化的操作程序的输入确定了待执行的测量的种类。代表所述轴承面之间的实际距离的变量是标示所述轴承是否处于损坏风险的有用指标。
[0032] 所述仪器的实施方案包括如下的系统，该系统用于将待研究的样品安装在所述定子和所述转子之间，以使待确定的量对应于由样品经受应变时所施加的力矩。
[0033] 这是所述仪器所基于的原理的有用应用，因为存在具有广泛的不同机械性质的材料样本。所述转子相对于所述定子的位移致使所述样品经受应变。施加预定量的应变引起了
应力，该应力的值待由所述仪器确定并且取决于所述样品材料的性质。施加受控制的力矩导致了可类似地被测量的应变。为了精确地关联所述值从而表征所述样品的特性，有必要确保所预设的力矩确实被所述样品经受。
[0034] 该实施方案的变体包括如下的系统，该系统用于测量所述转子相对于所述定子的位移的至少一个方面。
[0035] 一个效果是允许应力与应变相关，因为后者可在测得的位移的
基础上被量化。
[0036] 一个变体被配置以执行至少一个用于连续地调整如下参数的期望值的程序，所述参数用于在对经受应变的样品执行测量期间调整所述至少一个轴承的刚度。
[0037] 一个效果是，在所述样品的弹性/粘度值的宽范围上维持精确的测量。这在研究所述样品内发生的
相变和/或反应时尤其有用。一个实例是
固化过程。
[0038] 在所述仪器的一个实施方案中，所述转子被安装，以允许在固定至所述定子的
坐标系内进行旋转运动。
[0039] 一个效果是允许连续测量。
[0040] 所述仪器的一个实施方案包括用于确定所述转子相对于所述定子的位置的系统，其中用于通过偏置值来校与所述第二力相关联的量的正所确定的值的
数据处理系统被配置，以使用将代表所述转子相对于所述定子的位置的变量作为又一参数的映射来获得所述偏置值。
[0041] 一个效果是补偿不规则的偏置力，所述不规则的偏置力是因所述轴承面的不平整和/或用于保持所述轴承面分离的系统中的非线性而引起的。
[0042] 在所述仪器的一个实施方案中，所述具有可调整的刚度的至少一个轴承包括
增压流体轴承，并且所述用于对用于调整所述刚度的参数进行控制的系统包括一个如下的系统，该系统用于调整供应至所述增压流体轴承的流体的压力。
[0043] 一个效果是，所述映射保持适合于所述轴承的工况。这对磁性轴承是不同的，在磁性轴承的情况下，部件例如转子在使用中可以被磁化。另一效果是，不像机械轴承那样有“启动力矩”——即移动轴承所需的力矩。而是有低得多的弥补扭矩(offset torque)。通常，例如旋转流变仪中的机械轴承具有20□Nm数量级的启动扭矩，然而增压空气轴承具有100nNm数量级的弥补扭矩。
[0044] 根据另一方面，根据本发明的用于确定与作用在转子上的力相关联的量的方法的特征在于，通过偏置值来校正与所述第二力相关联的量的确定值，所述偏置值是使用将代表用于调整所述刚度的所述参数的变量作为参数的映射而获得的。在使用中，所述方法提供了与根据本发明的仪器所提供的效果可匹敌的效果。
[0045] 在所述方法的实施方案中，用于调整所述至少一个轴承的刚度的参数的期望值是自动地确定的。
[0046] 在一个变体中，所述期望值是基于以下变量中的至少一个来确定的：
[0047] 代表所述转子相对于所述定子的位移的变量；
[0048] 调整一设备的变量，用于在所述转子和所述定子之间施加设定的力矩；
[0049] 通过接口接收的变量，用于选择标准化的操作程序；以及
[0050] 代表所述轴承面之间的实际距离的变量。
[0051] 所述方法的一个实施方案包括：
[0052] 将待研究的样品安装在所述定子和所述转子之间；以及
[0053] 使所述转子相对于所述定子移位，从而使所述样品经受应变；
[0054] 其中待确定的所述量对应于所述样品经受应变时所施加的力矩。
[0055] 所述方法的一个实施方案包括，测量所述转子相对于所述定子的位移的至少一个方面。
[0056] 所述方法的一个
实施例包括，在测量所述样品期间连续地调整用于调整所述至少一个轴承的刚度的参数的期望值。
[0057] 在所述方法的一个实施方案中，所述转子被安装，以允许在固定至所述定子的坐标系内进行旋转运动。
[0058] 所述方法的一个实施方案包括：
[0059] 确定所述转子相对于所述定子的位置；以及
[0060] 使用将代表所述转子相对于所述定子的位置的变量作为另一参数的映射来获得所述偏置值。
[0061] 在所述方法的一个实施方案中，所述具有可调整的刚度的至少一个轴承包括增压流体轴承，所述方法包括对供应至所述增压流体轴承的流体的压力进行调整。
[0062] 根据另一方面，根据本发明的用于确定与作用在转子上的力相关联的量的仪器的生产方法，特征在于，获得代表以下二者之间的映射的数据：所述量的偏置值，所述量趋于与所述转子相对于所述定子的位移方向相反；和，至少如下的变量，所述变量代表至少部分地确定所述至少一个轴承的刚度的参数。
[0063] 如此获得的映射使得能够在使用仪器期间调整所述轴承的刚度而又保持精确。
[0064] 在一个实施方案中，其中所述仪器进一步包括用于确定所述转子相对于所述定子的位置的系统，所述方法进一步包括获得以下二者之间的映射：所述偏置值；和，又一参数，其包括代表所述转子相对于所述定子的位置的变量。
[0065] 如此获得的映射更精确，因为轴承特性中的非线性和/或不平整可被补偿。
[0066] 根据本发明的另一方面，提供了包括指令集的计算机程序，所述计算机程序被纳入机器可读的介质中时能够使一个系统具有执行根据本发明的方法的信息处理能力。
[0067] 本发明的另一方面提供了一种用于确定与作用在转子上的力相关联的量的仪器，所述仪器包括：
[0068] 转子；
[0069] 定子；
[0070] 至少一个轴承，其用于安装所述转子以允许所述转子相对于所述定子发生至少有限的位移，所述轴承包括相对的轴承面，所述相对的轴承面被布置以在使用中分别相对于所述转子和所述定子大体上保持固定就位；
[0071] 至少一个轴承，在垂直于所述轴承面的方向上具有可调整的刚度；
[0072] 用于调整所述至少一个轴承的刚度的装置；以及
[0073] 用于确定与第二力相关联的量的值的系统，所述第二力作用在所述转子和所述定子之间且相反于与待确定的量相关联的所述力，其中所述仪器被布置，以
[0074] (i)当所述轴承的刚度被调整至对应于所述量的上限值的值时，确定与所述转子上的力相关联的所述量的第一测量值；
[0075] (ii)将所述轴承的刚度调整为对应于所述第一测量值的值；以及
[0076] (iii)当所述轴承的刚度被调整至对应于所述第一测量值的所述值时，确定与所述转子上的力相关联的所述量的第二测量值。
[0077] 由于所述仪器被布置以当所述轴承的刚度被调整至对应于所述量的上限值时对与转子上的力相关联的量做出第一或初步测量值，所以保护了所述仪器免于在所述转子经受高的
角速度和/或经历大角度的旋转时损坏。所述第一或初步测量值通常是不精确的，因为所述轴承的刚度通常太高，如上面关于US 4,501,155中公开的流变仪所解释的。但是，之后所述轴承的刚度被调整至对应于所述第一或初步测量值的值，并且确定了与所述转子上的力相关联的量的第二、更精确的测量值。在根据本发明的此方面的仪器是例如流变仪的情况下，可以以降低的仪器损坏风险测量具有未知粘度的样本。如果所述样本碰巧具有相对低的粘度，那么就在所述轴承被调整至高刚度的情况下做出粘度的最初测量，从而保护所述仪器。之后，在所述轴承的刚度被降低至对应于所述粘度的第一测量值的值的情况下，做出粘度的第二、更精确测量值，从而提供更精确的测量值。
[0078] 该原理可延伸，使得所述轴承的刚度随后被设置为对应于与所述转子上的力相关联的量的第二测量值的值，以及确定量的第三测量值，则所述第三测量值比所述第二测量值更精确。类似地可确定与所述转子上的力相关联的量的第四和随后的测量值，以提供相继地更精确的测量值。当连贯的测量值收敛至所需的或预定的程度时，所述仪器可被布置，以停止测量与作用在所述转子上的力相关联的量。
[0079] 用于调整所述至少一个轴承的刚度的装置可便利地是一个用于控制参数的系统，所述刚度至少部分地是所述参数的函数。例如，如果所述至少一个轴承是增压空气轴承，则可以通过调整供应至所述轴承的空气的压力来调整所述轴承的刚度。如果所述轴承是磁性轴承，则可以通过调整穿过所述轴承的电磁体的
电流来控制刚度。
[0080] 所述仪器可以可选地包括一个数据处理系统，其用于通过偏置值来校正所确定的与所述第二力相关联的量的值，所述偏置值是使用将代表用于调整所述刚度的参数的变量作为参数的映射而获得的。
[0081] 本发明的另一方面提供了一种用于确定与作用在转子上的力相关联的量的方法，其中所述转子借助至少一个轴承而被安装，从而允许所述转子相对于所述定子发生至少有限的位移，所述轴承包括相对的轴承面，所述相对的轴承面分别相对于所述转子和所述定子大体地保持固定就位，其中所述至少一个轴承在垂直于所述轴承面的方向上具有可调整的刚度，所述方法包括确定与第二力相关联的量的值，所述第二力分别作用在所述转子和所述定子之间且相反于待确定的量相关联的力，其中所述方法包括如下步骤：
[0082] (i)当所述轴承的刚度被调整至所述量的上限值时，确定与所述转子上的力相关联的量的第一测量值；
[0083] (ii)将所述轴承的刚度调整至对应于所述第一测量值的值；以及
[0084] (iii)当所述轴承的刚度被调整至对应于所述第一测量值的所述值时，确定与所述转子上的力相关联的量的第二测量值。所述方法可进一步包括如下步骤：
[0085] (iv)将所述轴承的刚度设置为对应于与所述转子上的力相关联的量的第二测量值的值；以及
[0086] (v)当所述轴承的刚度被设置为对应于所述第二测量值的所述值时，确定所述量的第三测量值。
[0087] 所述方法可包括对与所述转子上的力相关联的量做出一系列测量值，每一测量值在所述轴承的刚度被调整为对应于所述系列中的前一测量值(或者在先测量的平均，加权或其他方式的)的值时被确定。
[0088] 当评估该值的
迭代足够收敛时，或者在预定数目的迭代之后，所测量的量的最终答案值可被确定。
[0089] 可选地，所述方法可以包括以下步骤：通过偏置值来校正与所述第二力相关联的量的确定值，所述偏置值是使用将代表用于调整所述刚度的参数的变量作为参数的映射而获得的。
附图说明
[0090] 下面将参考附图更详细地解释本发明，附图中：
[0091] 图1是旋转流变仪的几个部件的示意性立体图；
[0092] 图2是安装在空气轴承中的流变仪的转子的截面图；
[0093] 图3示出在不同的供气压力下由增压空气轴承造成的扭矩弥补的曲线图；
[0094] 图4是包括具有可调节的刚度的增压空气轴承的系统的第一变体的示意图；
[0095] 图5是包括具有可调节的刚度的增压空气轴承的系统的第二变体的示意图；
[0096] 图6是示出应用扭矩弥补修正对粘度测定法数据的效果的第一图；
[0097] 图7是示出应用扭矩弥补修正对粘度测定法数据的效果的第二图；
[0098] 图8是示出在低扭矩值时降低所述增压空气轴承的刚度对测量
精度的效果的图。
具体实施方式
[0099] 典型的旋转流变仪1包括用于安装材料样本的样本盘2。在示出的实施方案中，样本盘安装在
温度控制单元3的上方。样本盘2相对于流变仪1的主体是位置固定的。样本盘2只不过是用于安装样本的各种结构的代表。由于夹紧系统4——其用于将样本盘2和
温度控制单元3相对于流变仪1的主体保持在固
定位置——的存在，可以更换样本盘。因此，例如，可以在夹紧系统4中插入用于容纳材料样本的杯(未示出)。至少流变仪1的相对于流变仪1的主体大体保持固定那个部件在本
说明书中也被称为“定子”。
[0100] 流变仪1包括用于保持探针6的卡盘5。在所示出的实施方案中，探针6包括另一个用于
接触样品的样本盘7。在使用中，样品被夹在两个样本盘2、7之间。在一侧，样品被探针6拖住，而在另一侧它被样本盘2拖住。当存在移动差异时，样品就会
变形。流变仪1用来将样品的应变与作用在样品上的应力关联起来。
[0101] 样本盘2、7的组合只是
工件几何形状的一个实例。主要根据待分析样品的类型，也可以使用其他类型的工件。实例包括杯和锤的组合、锥体和盘的组合等。每一工件将样品限制在明确的流变条件下。
[0102] 还参考图2，卡盘5设置在轴8上，轴8通过轴承组件9安装，下面将更详细地描述。设置电机10来致动轴8。在一个实施方案中，电机10是具有相对低的惯性和快的瞬态响应的感应电机。由电机10产生的扭矩是可控制的，并且通过温度补偿可以被相对精确地设定。位置
传感器组件11允许对转子相对于流变仪1的主体——从而相对于(静止的)样本盘2——的角位置和速度进行测量。包括在所述
位置传感器组件中的位置传感器通常是非接触式的，并且允许确定至少差异位置，该差异位置可以与绝对角位置相关。在一个实施方案中，位置传感器组件11进一步被配置以测量轴8在其轴线方向上——至少在有限程度上——的位移的至少一个方面(速度、距离)。如将要解释的，轴承组件9允许有限程度的这种移动。
[0103] 刚才描述的这些部件形成了一个在本说明书中被称作轴承和电机组件12的单元。轴承和电机组件12可在大体平行于轴8的纵向轴线的方向上相对于流变仪的主体线性地移动。它由一个线性轴承13引导和支撑。在其他实施方案中，可以存在多个的线性轴承。轴承和电机组件12使用导螺杆组件14来定位。导螺杆组件14包括预张紧的
螺母和步进电机(未详细示出)，并且被设置以控制下面中的至少一个：样本盘2、7之间的间隙，和作用在放置在样本盘2、7之间的样品上的法向力。应注意，该力还将作用在轴承组件9的一部分上。
[0104] 在示出的实施方案中，轴承组件9包括具有可调节的刚度的增压空气轴承。所述刚度指的是相对的轴承面之间的间隔响应于在相对的轴承面的法向方向上的给定力而发生的变化。在增压空气轴承中，通过对供应至所述轴承的空气的压力进行调节来调整所述刚度。在另一实施方案中，轴承组件9包括或者进一步包括磁性轴承。在此情况下，通过对穿过所述轴承中的电磁体的电流进行调节来调整所述刚度。
[0105] 参考图2，轴承组件9包括多孔插入物形式的第一和第二轴承定子15、16。例如，轴承定子15、16可由多孔
碳制成。第一和第二入口17、18向定子15、16馈送空气。轴8上的第一
径向轴承面19与第一轴承定子15的内表面20相对。轴8上的第二径向轴承面21与第二轴承定子16的内表面22相对。因此，提供了两个径向轴承。第二轴承定子16的上部轴承面23与
推力轴承部件25——其与所述轴成一体——的下部推力轴承面24相对。第一轴承定子15的下部轴承面26与推力轴承部件25的上部推力轴承面27相对。
[0106] 效果上，轴承组件9包括：两个径向轴承，其允许轴8无限制地旋转运动；和，一个轴向轴承，其允许在轴线方向上非常有限地运动。在示出的实施方案中，上部轴承面23和下部推力轴承面24之间的气压与第一径向轴承面19和内表面20之间的气压相同，因为存在用于第一定子15的单一入口17。在另一实施方案中，所述或每一径向轴承的刚度是独立于所述轴向轴承的刚度可控制的。例如，这可以通过使用增压空气的分立供应来实现，或者通过使用附加的或替代的磁性轴承用于径向轴承或轴向轴承来实现。
[0107] 实际上，轴承组件9，尤其是轴承面19、20、21、22、23、24、26、27，不是完全地
旋转对称，并且所述表面不是完全地平滑。由于这种表面瑕疵，包括轴8、卡盘5和探针6的组件的旋转运动受到轴承组件9中的增压空气而产生的偏置扭矩的阻止。由于旋转不对称，所述偏置扭矩依赖于轴8的位置。
[0108] 在示出的流变仪1的每一操作模式中，在轴8和电机10之间产生的扭矩是确定的。在另一实施方案中，测量作用在样本盘2上的相对于流变仪主体的扭矩。轴8的速度确定了样品的
剪切速率，并且也是确定的。测量可以以振荡模式进行，其
中轴8的振荡的幅度和
频率是确定的。测量还可以以恒定的速度或者以恒定的扭矩进行。在另一模式的测量中，样品在被施加特定应变后的松弛被测量。由于上面讨论的扭矩弥补，与样品的应力有关的扭矩与所测得的扭矩不同。在另一类型的测量中，非常小的设定的应力被施加，并且应变响应被测量(蠕变测量)，以确定所述样本的粘-弹性响应(visco-elastic response)。在所示出的仪器中，最初确定的扭矩值被包括在流变仪1中或连接至流变仪1的数据处理系统通过偏置值来校正。所述偏置值是使用扭矩弥补值对以下二者的映射来获得的：由位置传感器组件11确定的轴8的位置；和，代表被供应至轴承组件19的空气的压力的参数。
[0109] 该轴承映射和该映射的应用可采取如下形式：不同气压值处的离散图(discrete maps)；跨越不同气压值的内插图(interpolated maps)；跨越不同气压值的外插图(extrapolated maps)；或者，单值弥补(single value offsets)(即，针对多个不同气压值中的每一个的单一值)。
[0110] 图3中示出了在具有增压空气轴承组件的旋转流变仪的另一实施例中的弥补扭矩在两个不同气压值处的幅度。每一曲线都绘出了与轴8的角位置相对应的弥补扭矩。沿着x轴的每一点对应于所述轴的一个特定角位置，在特定角位置处进行测量。可以看到，这两条曲线中的每一条都具有包络(最小值至最大值)，其表示弥补扭矩随位置的变化。然而，即使这两个包络中的较大者也显著地小于这两条曲线的差异。这表明，气压对弥补扭矩有较大的影响。由于这两条曲线的包络是不同的，所以将如下二者作为参数的映射允许相对精确的校正：代表用于调整轴承组件9中的增压空气轴承的刚度的参数的变量，和，代表轴8相对于流变仪1的主体(隐含地样本盘2)的位置的变量。
[0111] 人们期望现代流变仪能够确定类型和性质各异的样本——从非常低粘度的液体(例如水和
溶剂)到非常高模量的样本(例如
钢)——的流动参数和形变参数。
[0112] 有时在一个样本中这种范围的性质可以被看到并且需要被精确地测量。一个实例是对结构胶粘剂的固化属性的测量。这常常可起始于两个相当低粘度的成分开始，这两个相当低粘度的成分被混合在一起，然后可选地使用温度控制单元3加热。随着时间的流逝，混合物的粘度减小。如果达到固化的活化能，则固化过程开始且所述成分固化为硬的——有时易碎的——物质。这个过程可花费从几秒(在活性系统例如由紫外光固化的情况下)至几小时(在自然条件下固化的样本)的时间。从开始到结束，样本模量的变化可以高达十或十二个数量级。
[0113] 另一情形是处理条件的测量。人们期望流变仪可用于精确地模拟样本在其整个生命周期中经历的过程。典型的实施例由乳化漆所体现。在生产过程中，组成所述漆的颗粒被
研磨成小部分，所述小部分然后可被乳化。这是一个高剪切过程。乳化过程采取油相和水相，并且使用
表面活性剂以生产非常小的悬浮在水——连续相——中的油颗粒(包含色素)——这是分散相。所述颗粒部分的尺寸将影响产品的长期
稳定性，因此颗粒通过高剪切而被研磨。一旦被制成，漆将被长时间安置在罐中，并且有望不沉淀。在存放期间作用在所述漆上的应力是非常小的。要求流变仪1能够表示这种混合物的样本脱水收缩(syneresis)或絮凝(flocculation)的倾向。流变仪1还得能够再现高剪切(例如在生产或后面的搅拌中所出现的)。
[0114] 表1示出了流变仪1所要满足的配置要求。
[0115] 表1
[0116]
[0117] 流变仪1满足这些难以兼顾的要求，因为流变仪1被配置以执行至少一个用于连续地调整如下参数期望值的程序，所述参数在材料样本测量中用于调整轴承组件9中的至少一个轴承的刚度。因此，例如，随着固化过程发展，所述轴承的刚度被调整。同时，所述映射被用于获得用于校正所测扭矩的校正扭矩弥补值。
[0118] 所述程序基于下列中的至少一个来确定气压的期望值：
[0119] -代表轴8相对于流变仪1的
外壳的位移的变量；
[0120] -调整电机10变量，以在轴8上施加设定的力矩；
[0121] -通过接口(例如，由连接至流变仪1的计算机提供)接收的输入，用于选择标准化的操作程序；以及
[0122] -代表轴承面之间的实际距离——尤其是第二轴承定子16的上表面23和下部推力轴承部件表面24之间的实际距离——的变量。
[0123] 当所述轴承和电机组件12沿着线性轴承13降低时，使用程序基于代表轴8相对于流变仪1的外壳的位移的至少一个变量来自动地确定所述气压的适当值，可增加所述轴承的刚度。替代地或者附加地，可使用基于标准操作程序的选择的程序，所述标准操作程序包括所述轴承和电机组件12的降低。
[0124] 当对呈现第一法向应力差非零且相对大的样本进行测量时，可使用通过接口(例如，由连接至流变仪的计算机提供)接收的输入，该输入用于选择标准化的操作程序和/或选择代表轴承面之间的实际距离——尤其是第二轴承定子16的上表面23和下部推力轴承部件表面24之间的实际距离——的变量。当所述样本通过旋转被拉紧时，其在轴向方向上施加力。要求更刚硬的轴承来避免因第二轴承定子16的上表面23和下部推力轴承部件表面24之间的接触或者第一轴承定子15的下表面26和上部推力轴承部件表面27之间的接触而造成的损坏。还要求允许样本的所述性质被精确地测量。
[0125] 概括之，对于低旋转速度时的低扭矩测量，以及对于第二轴承定子16的上表面23和下部推力轴承部件表面24之间的间隙以及第一轴承定子15的下表面26和上部推力轴承部件表面27之间的间隙处于小变化时的低轴向力测量，所述气压被设置为相对低的值。所述气压在下列操作模式中被自动地设置为相对高的值。
[0126] -高扭矩旋转测量；
[0127] -速度和惯性的乘积相对高的旋转测量；
[0128] -第二轴承定子16的上表面23和下部推力轴承部件表面24之间的间隙以及第一轴承定子15的下表面26和上部推力轴承部件表面27之间的间隙在尺寸上相对快地或者期望相对快地改变的测量；
[0129] -作用在探针6上从而作用在轴8上的轴向力相对高或者期望相对高的情况下的测量；
[0130] -样本的放置或移除；
[0131] -探针6的装配或移除；以及
[0132] -空闲或者断电模式。
[0133] 通过动态地改变气压以及应用校正扭矩映射数据，流变仪1可具有1nNm至300mMm的动态范围。即使对于未经训练的用户，所述动态范围也是可得的，因为该仪器将自动地补偿所述样本的动态变化，并且使用最适用的压力设置进行测量，从而给出最好的数据，并且同时保护所述仪器。
[0134] 在第一变体中，如图4中示意性示出的，流变仪1包括选择地供应有处于两个压力值之一的空气的空气轴承28。该系统包括用于将源29和
过滤器30连接至设置在相对低压的精度调整器31以及连接至旁路管道32的装置。控制单元33将选择
信号提供至空气选择
阀34，用于选择来自精度调整器31的空气或者来自旁路于精度调整器31的管道的空气。用于校正所测得的扭矩值的映射允许进行不会使测量数据显著激增的切换。
[0135] 在第二变体中，如图5所示，空气轴承35被供应来自连续可变压力调整器36的空气。所述连续可变压力调整器由控制单元37所控制，并且被供应来自源38和过滤器39的空气。当该仪器的电源被关断时(源38通常在所述流变仪的外部，例如，实验室空气源)，旁路40被提供，用于使空气轴承35的刚度增至最大值。
[0136] 图6、图7和图8示出了将如下映射应用至粘度数据的效果，所述映射将轴承组件9的气压作为参数。图6和图7的图中的曲线是使用样机仪器和处于3bar的气压而获得的。图8示出了降低所述气压的效果。图8中的两条曲线是使用扭矩弥补校正而获得的。
图6-图8的图示出了，扭矩弥补校正允许对低得多的扭矩值进行精确测量，因为与平均粘度值之间的偏差保持很低都可接受，低至更低的扭矩值。图8示出了降低供应至轴承组件
9的气压在精确地测量更低扭矩值的能力方面的益处。
[0137] 上面详细描述的流变仪1将这些性能组合在一个仪器中，所述仪器自动地将轴承组件9中的轴承的刚度调整为一适当值，从而防止对所述轴承的损坏并且提高测量的精确度。
[0138] 本发明的另一示例性流变仪包括图1和图2中表示的结构，以及包括如下装置，该装置被布置为当样本被放置在定子2上时该装置做出一系列扭矩测量值。为了做出所述系列中的第一测量值，所述增压空气轴承的刚度被调整为对应于有望获得的扭矩值范围内的最高扭矩值所映射的刚度，即对应于刚度的上限。换句话说，针对所述第一测量实施——例如通过对供应至所述增压空气轴承的气压的合适控制——高的轴承刚度。因此一定程度地保护了所述流变仪免受当相对低粘度的样本被放置在定子2上时可发生的损坏。在这种情况下，由探针6、样本盘7和轴8施加至样本的给定扭矩可造成轴8的角
加速度或角度偏转，所述
角加速度或角度偏转大到足以在不存在所述刚硬轴承时损坏所述流变仪。尽管所述第一扭矩测量值可能对应于粘度的不精确表示，但是然后它被用在反馈布置中，以将所述轴承的刚度减少到与对应于第一扭矩测量的值相映射的刚度。然后第二扭矩测量被做出，并且被用在所述反馈布置中，以进一步调整所述空气轴承的刚度。随后的扭矩测量以相似的方式被做出和使用。
[0139] 如果期望，所述流变仪可被布置来做出仅两个扭矩测量值，且所述第二测量值被用于产生最终的、精确的粘度值。替代地，所述流变仪可被布置，以做出一系列扭矩测量值，所述系列扭矩测量值对应于精度递增的粘度值。当连贯的扭矩测量值收敛于预定程度时，所述流变仪可停止做出测量值。然后所述系列中的最终测量值被用于确定所述样本的粘度值。所述流变仪可在转瞬间例如在几毫秒或者几十毫秒内建立所述样本的粘度值。
[0140] 在该实施例中，存在一个查找表(或者
算法)，其把所测得的扭矩与要使用的轴承的刚度(或者链接至轴承刚度的参数，例如空气轴承的气压或者电
磁轴承的电流)关联起来。所述流变仪使用刚硬的轴承开始测量样本，并且使用从所述样本测出的信息来将所述轴承的刚度减小至适合于所测得的扭矩的水平。可仅采用两个轴承刚度值，即高刚度和低-5刚度，其中当所测得的扭矩高于一
阈值——例如10 Nm——时使用所述高刚度。(然而所述-5
阈值可以大于10 Nm。)如果期望，所述流变仪可以被布置为，当所测得的扭矩在所述阈值之上时采用最大轴承刚度，以及当所测得的扭矩在所述阈值之下时，根据所测得扭矩而采用多个离散刚度值之一。替代地，根据在所述阈值之下的所测得的扭矩，轴承刚度可连续地被改变。另外，所测得的扭矩的峰值或平均可在某一段时间中被监测，并且所述轴承刚度以上面描述的方式在一给定时段中被调整为对应于所述峰值或平均扭矩。因而所述轴承刚度在一系列连贯时间段中的每一段中可以是固定的，但是在各个时间段之间可以不同。
[0141] 所述方法可有助于减少所述流变仪的不熟练操作者因使用对具体样本而言太软(即，具有太低的刚度)的轴承而意外损坏所述流变仪的机会。
[0142] 当然，如果所述样本的粘度随时间改变，则所述系统可改变所述轴承的刚度，以适应当前所测得的扭矩，或者预测的/选定的扭矩值。在一些实施方案中，上述“在
安全模式中自动开始”这一特征可以能够被用户用适当的授权代码来激活/禁用。
[0143] 所述轴承组件可包括具有可调整刚度的磁性轴承，所述轴承的刚度由穿过所述轴承中电磁体的电流所控制。轴承刚度还可至少部分地是轴8的轴向位置的函数。
[0144] 本发明不限于上面描述的实施方案，可在附随的
权利要求的范围内改变所述实施方案。尽管本发明的原理是使用旋转流变仪作为实施例示出的，但是本发明的原理可同样应用在线性流变仪中，其中转子影响相对于定子的线性移动且样本被放置于其间。由转子上的力以及转子和定子之间的距离所确定的力矩被转子和定子表面的平面中的摩擦力抵抗。本发明还可应用在其他类型的旋转仪器中，用于确定作用在(例如，在电流计中的)转子上的力矩。
[0145] 参考数字列表
[0146]1 流变仪
2 样本盘
3 温度控制单元
4 夹紧系统
5 卡盘
6 探针
7 第二样本盘
8 轴
9 轴承组件
10 电机
11 位置传感器组件
12 轴承电机组件
13 线性轴承
14 导螺杆组件
15 第一轴承定子
16 第二轴承定子
17 第一入口
18 第二入口
19 第一径向轴承面
20 第一轴承定子的内表面
21 第二径向轴承面
22 第二轴承定子的内表面
23 第二轴承定子的上表面
24 下部推力轴承部件表面
25 推力轴承部件
26 第一轴承定子的下表面
27 上部推力轴承部件表面
28 空气轴承
29 源
30 过滤器
31 精度调节器
32 旁路
33 控制单元
34 空气选择阀
35 空气轴承
36 可变压力调节器
37 控制单元
38 源
39 过滤器
40 旁路
