Brevet FR2487520A1 — publié le 19820129

L'invention a pour objet un viscosimètre de type rotatif comprenant deux récipients cylindriques montés coaxialement l'un dans l'autre et entre lesquels on place le fluide dont on veut mesurer la viscosité. Dans les appareils connus de ce type, un cylindre, qui est généralement le cylindre extérieur, est entraîné en rotation par des moyens mécaniques appropries tandis que l'autre cylindre est immobilisé en rotation à l'aide d'un appareil de mesure de couple. I1 est reconnu que ces appareils ont deux points faibles : d'une part le mode d'entrainement en rotation qui est de nature mécanique et qui agit directement sur le cylindre entraîné par l'intermédiaire d'un arbre, ou d'un embrayages ou d'un accouplement, ou d'engrenages, dtautre part le centrage des deux cylindres qui doit rester aussi parfait que possible et qu'il est difficile de conserver en raison de l'influence perturbatrice qu'exercent les contacts mécaniques des moyens d'entrai- nenent et des moyens de mesure. L'invention a pour but principal d'apporter un viscosimètre rotatif à cylindres coaxiaux dans lequel tout contact mécanique avec les cylindres est supprimé aussi bien pour l'entraRnement du cylindre en rotation que pour la mesure de la vitesse de rotation. Dans un viscosimètre à cylindres xoaxiaux comprenant un cylindre extérieur, un cylindre intérieur, un entrefer les séparant rempli de fluide dont la viscosité est à mesurer, selon l'invention, le cylindre extérieur est fixe et le cylindre intérieur contient un volume de ferrofluide en quantité voulue pour que ce cylindre intérieur flotte dans le fluide remplissant l'entrefer ; en outre, des bobina bes sont disposés à-l'extérieur du cylindre fixe afin de créer un champ magnétique tournant agissant sur le Serroflui- de. De préférence ce dernier est du type à base d'eau, à grains de ferrite. Les cylindres sont en matière inactive électriquement et magn tiquement. La fréquence du champ tournant est en rapport avec la nature du ferrofluide ; il a été constaté qu'une fréquence choisie entre 30 Hz et 200 Hz convient bien. Selon l'invention, il est possible de placer sous le cylindre extérieur fixe une bobine créant un champ magnétique fixe coaxial aux deux cylindres. Ce champ apporte une contribution supplémentaire au maintien du centrage des deux cylindres. Pour bien faire comprendre l'invention on donnera maintenant une description d'un exemple de réalisation au cours de laquelle apparaitront d'autres caractéristiques ainsi que les avantages des viscosimètres conformes à l'invention. On se reportera au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une représentation schématique en vue de dessus d'un viscosimètre rotatif conforme à l'invention. - la figure 2 est une vue partielle en coupe selon II-II de la figure lo Un viscosimètre conforme à l'invention est composé de plusieurs organes connus en soi qutil n'est pas nécessaire de décrire en détail. Un générateur 1 de courant alternatif à basse fréquence (50 Hz) est réuni à un circuit de déphasage 2 dont les sorties sont reliées respectivement à deux paires d'entrées distinctes E1 et E2 d'un amplificateur double 3, de type réglable, dont les sorties correspondantes S1 et sont réunies à quatre bobines de Eelmholtz x, x' et Y, Y'. Ces dernières sont disposées et branchées en quadrature de manière à donner naissance à un champ magnétique tournant. il est clair que tout moyen connu permettant de créer ce champ magnétique peut être utilisé dans un appareil conforme à l'invention. Ce qui est caractéristique de l'invention, c'est l'emploi d'un champ magnétique tournant, quel que soit le moyen matériel adopté pour créer ce champ. Entre les bobines x, x' et Y, Y' sont placée deux récipients cylindriques coaxiaux 4, 5 (figure 2). Le cylindre extérieur 4 est supporté par des moyens non re présentés. n est fixe et il contient le cylindre intérieur 5. Ces deux cylindres sont en matière inactive électrique- ment et magnétiquement, de préférence en méthacrylate de méthyle ou en matière transparente analogue. Sur la figure 2, les récipients 4, 5 sont dessinés avec un fond plat ; l'invention n'exclut pas l'emploi de récipients à fonds ayant un profil différent, si on le åuge utile dans certaines circonstances. Le cylindre fixe 4 est destiné à contenir le fluide 6 dont la viscosité est à mesurer. Le cylindre intérieur 5 est rempli d'un volume de ferrofluide 7. La quantité est choisie pour que ce cylindre intérieur 5 flotte dans le fluide 6 en y étant en grande partie immergé. Dans un appareil réalisé selon l'invention, les deux cylindres avaient des hauteurs égales de 20 mm, le cylindre intérieur 5 avait un diamètre intérieur de 18 mm ; l'entrefer ou épais se > radiale du fluide à mesurer 6 était de 1 mm et quand le cylindre intérieur 5 contenait 1 cm3 de ferrofluide, il flottait en dépassant de 2 mm du bord supérieur du récipient ex térieur 4. Le ferrofluide est connu dans le commerce. C'est une suspension collo9dale stable de grains de ferrite o ayant un diamètre de 100 A. n est préférable d'utiliser un ferrofluide à base d'eau, ayant une intensité de saturation de 140 gauss, avec un temps de relaxation des grains-de ferrite de l'ordre de la milliseconde. Par exemple, le ferrofluide de la Sté américaine Georgia Pacific C vendu sous la dénomination Lignosite FlrriL peut convenir ; c'est une suspension colloïdale aqueuse de lignosulfonate de fer ferromagnétique. le temps de relaxation du ferrofluide est en rapport avec la viscosité du fluide 6 ainsi qu'on l'expliquera plus loin. Le champ tournant produit par les bobinages x, x' et Y, Y' a une valeur de 50 gauss environ ; il crée dans le ferrofluide une aimantation de l'ordre de 20 gauss. Par suinte du temps de relaxation du ferrofluide, il se crée un déphasage qui engendre un couple d'entratnement en rotation du ferrofluide qui, à son tour, entraRne en rota tion le cylindre intérieur 5. Celui-ci est freiné dans son mouvement par la viscosité du fluide 6 dans lequel il baigne. La mesure de la vitesse de rotation du cylindre 5 (mesure qui peut se faire sans contact matériel, par des moyens bien connus) et sa comparaison à la vitesse de rotation du champ tournant permet de connaRtre la viscosité du fluide 6. Un temps de relaxation des grains de ferrite de l'ordre de la milliseconde convient dans la gene- ralité des cas. Si on choisit un temps de relaxation trop petit, le déphasage est faible et le couple de rotation peut être insuffisant. Quand il s'agit d'un milieu 6 très visqueux, il faut un couple de rotation important et, par conséquent, un temps de relaxation plus grand afin que le déphasage soit lui-même plus grand.Avec un temps de relaxation d'une milliseconde, on constate qu'il se produit un glissement très grand, satisfaisant pour la plupart des fluides courants dont la viscosité est à mesurer ; du fait de ce glissement, la vitesse de rotation du cylindre intérieur 5 est comprise entre quelques dixièmes et un dix millième de la fréquence du champ tournant. il est préférable de choisir cette fréquence entre 30 Hz et 200 Hz, la valeur de 100 Hz étant à préférer dans cette gamme. Le cylindre 5 tourne lentement et il est facile de mesurer sa vitesse. La valeur de l'intensité du courant dans les bobinages x, x' et Y, Y' a de l'importance pour le fonc tionnement de l'appareil puisque le champ magnétique en dépend directement. Au cours des essais effectués avec l'appareil de l'invention décrit ci-dessus, il a été constaté qu'une intensité comprise entre lA et 2A convient bien. Laxelation entre la rotation du champ et celle du cylindre intérieur S Deut s'exprimer ainsi. dans laquelle : = la vitesse de rotation du cylindre inté rieur, = = la vitesse de rotation du champ, o = = le temps de relaxation du ferrofluide, K est une constante lorsque l'intensité I est constante, pour une valeur donnée de la viscosité du fluide 6 remplissant l'entrefer entre les cylindres. Dans un viscosimètre conforme à l'invention, il n'y a plus aucun palier, ni aucun mécanisme d'entrainement susceptibles de perturber le comportement des cylindres coaxiaux. Le cylindre intérieur tournant 5 est en contact uniquement avec le fluide 6 ; il est freiné exclusi- vexent par ce dernier. En outre, le centrage du cylindre intérieur 5 dans le cylindre extérieur 4 est facilement obtenu et conservé pendant le fonctionnement sous l'effet du champ magnétique et des forces capillaires qui agissent dans l'entrefer. Si on le urge souhaitable, on peut encore améliorer le centrage des cylindres 4, 5 en plaçant sous le cylindre fixe 4 une bobine 8 disposée coaxialement à ces cylindres, comme représente en trait mixte sur la figure 2, afin de créer un champ magnétique vertical constant qui contribue à maintenir le centrage. On remarquera que même lorsqu'on emploie la bobine 8, la partie supérieure du viscosimètre de l'invention reste totalement dégagée. En particulier, l'entrefer reste visible par le haut, comme indiqué par une flèche F. On peut donc observer le fluide 6 et effectuer des mesures optiques directes pendant son cisaillement au cours de la rotation du cylindre 5. REVENDICATIONS 1) Viscosimètre à cylindres coaxiaux comprenant un cylindre extérieur (4), un cylindre intérieur (5), un entrefer les séparant destiné à être rempli d'un fluide (6) dont la viscosité est à mesurer, caractérisé en ce que le cylindre extérieur (4) est fixe, des bobinages (xx', YY') sont disposés autour de ce cylindre extérieur (4) pour créer un champ magnétique tournant, et le cylindre intérieur (5) contient pendant le fonctionnement un ferroflui- de (7) en quantité voulue pour le faire flotter dans le fluide (6) remplissant l'entrefer en étant presque totalement immergé. 2) Viscosimètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que le ferrofluide est du type à base d'eau- à grains de ferrite. 3) Viscosimètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que le champ magnétique a une fréquence choisie entre 30 Hz et 200 Hz, de préférence 100 Hz. 4) Viscosimètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que le ferrofluide choisi a une intensité de saturation de 140 gauss et les bobinages (xx', YY') sont aptes à enGendrer un champ magnétique de 50 gauss crevant dans le ferrofluide une aimantation de 20 gauss environ. 5) Viscosimètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que le ferrofluide choisi a un temps de relaxation de l'ordre d'une millisecondee 6) Viscosimètre selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une bobine supplémentaire (8) est disposée coaxialement sous le cylindre extérieur fixe (4) afin de créer ur champ magnétique vertical constant qui contribue au centrage des deux cylindres (4, 5). 7) Viscosimètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux cylindres coaxiaux (4, 5) sont en matiere inactive electriquement et magnétiquement telle que le méthacrylate de méthyle.