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Die Erfindung betrifft ein Rotationsviskosimeter, vorzugsweise mit oszillierendem Messprinzip, enthaltend eine über einen Antrieb um ihre Längsachse drehbare Messwelle, die an einem ihrer Enden einen Rotor aufweist, und einen dem Rotor gegenüberliegenden Stator, wobei ein zwischen dem Rotor und dem Stator gebildeter Raum zur Aufnahme einer Messprobe bestimmt ist.
Viskosimeter mit oszillierendem Messprinzip (d. h. die Messspindel dreht sich nicht kontinuierlich sondern schwingt nur um wenige Winkelgrade um den Rotationsmittelpunkt) sind bekannt. Sie werden hauptsächlich für hochviskose Messmedien eingesetzt und ermöglichen das Erfassen von plastischen und elastischen Eigenschaften (Verlustund Speichermodul) der Messprobe.
In der Praxis sind diese Viskosimetertypen mit sehr aufwendiger Mechanik und Elektronik ausgestattet, weil sie möglichst reibungsfrei und hochauflösend arbeiten müssen, da sehr kleine Kräfte und kleine Wegamplitude zu erfassen sind. Für die Lagerung der Messwelle werden beispielsweise sogenannte"Luftlager", das sind teure, bochpräzise feinmechanische Anfertigungen und für den Antrieb Spezial-Elektronikmotoren mit aufwendiger digital-elektronischer Steuerung eingesetzt. Derartige Messgeräte sind unter der Bezeichnung Rheometer"im Handel und sehr teuer.
Rheometer sind aber unentbehrliche Messgeräte für die gesamten Bereiche der chemischen Industrie (Petrochemie, Lebensmitteltechnologie, Kunststoffverarbeitung u. a.), Medizin, Biologie usw. Durch die häufig sehr aufwendige Bauart der handelsüblichen Reometer werden sie wohl in Forschung und Entwicklung in gut ausgestatteten Laboratorien eingesetzt, finden aber wegen des hohen Preises kaum Eingang in die Bereiche der Produktionsüberwachung in kleineren Laboratorien, obwohl sie auch hier gebraucht würden und wertvolle Erkenntnisse für die Qualitätskontrolle und Entwicklungsarbeiten liefern konnten.
In der Asphalt/Bitumenbranche spielen Viskositätsmessungen z. B. eine
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grosse Rolle. Bitumen erweist sich aufgrund der starken Tss'mperaturab- hängigkeit seiner Viskosität und des sehr geringen Wärmeleitvermo- gens als sehr schwierig zu messender Stoff. Die modernen Rheoneter würden sich sehr gut für feinauflösende Messungen eignen, der hohe Preis dieser Geräte ist aber für die breitere Anwendung in der Bitumenbranche ein absolutes Hindernis. Daher wird Bitumen noch immer mit sehr einfachen, etwa hundert Jahre alten Methoden vermessen, die nur sehr eingeschränkte Aussagen über die qualitativen Praxiseigenschaften zulassen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den Einsatz derartiger Messgeräte auch jenen Bereichen der Industrie zugänglich zu machen, in denen bisher die Investitionen aus Kostengründen gescheut wurden. Dabei soll die erzielbare Messgenauigkeit trotz des einfachen Aufbaues ausreichend hoch sein.
Die hohen Kosten für die Rheometer des Standes der Technik werden vor allem durch die aufwendige Lagerung der Messwelle sowie durch den aufwendigen Antrieb verursacht, wodurch versucht wird, die Reibungverluste so gering wie möglich zu halten. Deshalb soll das eingangs genannte Rotationsviskosimeter diesbezüglich verbessert werden ; d. h., die Reibungsverluste sollen sowohl bei der Lagerung der Messwelle als auch beim Antrieb gering gehalten werden, gleichzeitig soll dies mit möglichst kostengünstigen Mitteln erreicht werden.
Die erfindungsgemässe Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Messwelle auf einer zwischen den einander zugewandten Oberflächen des Rotors um des Stators angeordneten und beide Oberflächen beriihrenien Kugel aufliegt. Dadurch ergibt sich nur ein einziger reibungsbehafteter Auflagepunkt der Messwelle und die Reibung wird gering gehalten.
Vorzugsweise ist die Kugel aus magnetisierbarem Material und wird von im Rotor und im Stator vorgesehenen und zur Längsachse der Messwelle rotationssymetrischen Magneten zentriert. Dadurch befindet sich der einzige reibungsbehaftete Auflagepunkt auf der Längsachse der Messwelle, d. h. der Mittelpunkt der Kugel liegt im Drehnullpunkt
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und die Reibungskraft hat daher praktisch keinen Hebelarm und kann somit vernachlässigt werden.
Nach einer bevorzugten Ausfuhrungsformder Erfindung weist die Messwelle an ihrem dem Rotor abgewandten Ende einen weiteren, zu ihrer Längsachse rotationssymetrischen und axial gepolten Magneten auf, der einem in einem ortsfesten Träger angeordneten, ebenfalls zur Längsachse der Messwelle rotationssymetrischenund axial gepolten Ge-
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hend gepolt sind und zwischen dem Ende der Messwelle und dem Träger ein Spalt vorhanden ist. Dadurch wird die Messwelle berührungslos und damit reibungslos zentriert.
Erfindungsgemäss ist die Messwelle mit einem normal zu ihrer Längsach- se ausgerichteten Dreharm verbunden, der an seinen beiden Armen rotationssymetrisch Antriebsmagnete trägt, die in Rotationsrichtung gepolt sind und sich im Wirkungsbereich eines ortsfesten Magnetsstems befinden. Durch die Wirkung des Magnetsystems auf die An- trietsmagnete kann die Rotationsbewegung gesteuert werden.
Dabei besteht das Magnetsystem vorzugsweise aus zwei Helmholtz- spulen-oder Tauchspulenpaaren, die, wenn eine oszillierende Bewegung der Messwelle gewünscht wird, mit Wechselspannung versorgt werden.
Nach einer anderen Ausführung der Erfindung ist das Magnetsystem ein Permanentmagnetsystem, das händisch in die Wirkposition bringbar ist. Diese einfache Ausführungsform der Erfindung kann für Einzelos- zillatiortsmessungen herangezogen werden.
Im Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik lässt sich ein Gerät mit den oben beschriebenen Eigenschaften mit sehr einfachen Mitteln fertigen, so dass die Herstellung sehr kostengünstig möglich ist. Es baut auf sehr einfachen grundsätzlichen Prinzipien der Mechanik, Physik und Elektronik auf, gewährleistet aber dennoch geringste Reibung und damit hohe Genauigkeit sowie sehr einfache leichtverständ-
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liche Handhabung.
Die Erfindung soll nun anhand von den beiliegenden Zeichnungen detaillierter beschrieben werden. Die Zeichnungen zeigen eine von vielen verschiedenen Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung, und zwar zeigt Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein erfindungsgemässes Viskosimeter und Fig. 2 einen Horizontalschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1. In Fig. 3 ist eine mögliche Messschaltung schematisch dargestellt.
Ein Gehäuse weist einen oberen Träger 1 auf, der einen Magnet Sb trägt, und einen unteren Träger 2, der einen Stator 5 sowie zwei HelJoholtzsp. 1lenpaare 11 trägt. Der Stator 5 weist eine umgekehrt kegelstumpfförmige Schale zur Aufnahme der Messprobe 12 auf, auf deren Grundfläche die Kugel 10 liegt, die von dem Rotor 6 im Auflagepunkt 14 berührt wird. Der Rotor 6 befindet sich am unteren Ende der Messwelle 3 und enthält einen Magneten 9a, der gemeinsam mit einem gleichartigen Magneten 9b im Stator 5 die Kugel 10 zentriert. Am oberen Ende der Welle 3 befindet sich ein Magnet 8a, der im Zusammenwirken mit dem ortsfesten Magneten 8b die Messwelle 3 zentriert.
Die Messwelle 3 ist auf diese Weise labil geführt und nicht starr gelagert. Die Zentrierung erfolgt berührungslos mit Hilfe von kleinen Höchleistungs-Dauermagneten 8a, 8b auf einfachste Weise. Der einzige (reibungsbehaftete) mechanische Auflagepunkt 14 liegt im DrehNullpunkt, die Reibungskraft hat daher praktisch keinen Hebelarm und ist damit vernachlässigbar klein. Durch diesen besonderen Aufbau kann der Rotor 6 gemeinsam mit der Messwelle 3 zum Zwecke des Auswechselns der Messprobe 12 mit einem Handgriff ausgebaut werden.
Die Messwelle 3 ist relativ kurz (einige an bis maximal 20 cm) und liegt mit ihrem unteren Ende direkt in der Probe 12. Sie ruht (als mechanischer Auflagepunkt) zentrisch symetrisch auf der kleinen Kugel 10 (Durchmesser etwa 0, 5 bis 2 mm), die sich in der Messprobe 12 befindet. Diese Kugel 10 bestimmt dadurch die Weite des Messspaltes in eindeutiger Weise. Diese Kugel 10 wird durch die kleinen Magnete
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9a, 9b, die der Kugelgrösse entsprechen, exakt zentriert.
An ihrem oberen Ende ist die Messwelle 3 freischwebend, sie trägt jedoch an diesem Ende den starken Permanentmagneten 8a (NeFeB oder SmCo o. ä. als Magnetwerkstoff) der zentrisch-symetrisch angeordnet und axial gepolt ist. Über einen entsprechenden (wenige mm grossen) Luftspalt 15 entfernt liegt gegenüber diesem Rotor-Magnet 8a der gleichartige Gegenmagnet 8b, der auf Anziehung gepolt ist. Dieser Stator-Magnet Sb zieht die Messwelle 3 exakt und reibungslos in die gewünschte Richtung, so dass die Messwelle 3 exakt senkrecht ausgerichtet wird.
Die Messwelle 3 wird durch die Zugkraft des oberen Fuhrungsmagnet- Paares 8a, Sb gleichzeitig auch gewichtsmässig entlastet, so dass sie praktisch reibungsfrei auf dem 1-Punkt-Kugelauflager in der Probe 12 ruht. Die Viskosität der Messprobe 12 bewirkt eine weitere rotationssymetrische Stabilisierung der Messwelle 3 während der oszillierenden (rotierenden) Bewegung in der Messphase.
Diese Anordnung ist sehr einfach herstellbar (eine Drehbank reicht aus) aber sehr wirkungsvoll. Die Magnete in der Grösse von wenigen Millimetern bis maximal 20 mm kosten wenig. Das System ist durch die einfache Zerlegbarkeit (ein Handgriff) sehr bedienungsfreundlich, ein Verbiegen der Messwelle 3 ist mit Sicherheit auszuschliessen.
Da der Messbetrieb nicht rotierend sondern nur oszillierend erfolgt, kann auch der Antrieb auf einfache Weise hergestellt werden. Die Oszillation beträgt nur wenige Winkelgrade, was bei einem Radius des Antriebssystems von z. B. 50 mm einer Wegamplitude von nur wenigen Millimetern entspricht.
Der Aufbau des Antriebssystems besteht aus einem Dreharm 4, der durch die Messwelle 3 exakt horizontal hindurchgeführt ist. An den beiden Enden des Dreharmes 4 sind rotationssymetrisch zwei Permanentmagnete 7 befestigt, die mechanisch derart angeordnet sind, dass sie sich exakt in der Ebene der Messprobe 12 befinden. Dadurch ist gewährleistet, dass die Messwelle 3 infolge des viskosen Widerstandes der Messprobe 12 beim Messbetrieb nicht auspendelt. Die beiden Permanentmagnete 7 weisen mit ihren Polen in die Bewegungsrichtung, also
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in Richtung des Umfanges der Rotatiawbmyegurig.
Die Magnete 7 befinden sich innerhalb des Wirkraumes zweier He1mholtz-Spulenpaare 11. Eine Helmholtz-Spule hat zwischen den beiden Einzelspulen eine sehr homogene magnetische Flussdichte, unabhängig von der genauen Position im Wirkraum. Je nach Polung des Spulenstromes und seiner Stromstärke wird der Magnet 7 daher mehr oder minder kräftig in die entsprechende Richtung gezogen. Legt man eine Wechselspannung an die Spule 11, so entsteht die gewünschte Oszillation der Messzelle 3 in rotationssymetrischer Richtung. Über die Auslegung des Hebelarmes (=Abstand der Antriebsmagnete 7 von der Drehachse 3) kann die Kraftamplitude sehr gut an den Viskositätsmessbe- reich bzw. die Probengeometrie angepasst werden.
Alternativ zur Helmholtz-Spule können auch Tauchspulensysteme (Prinzip des dynamischen Lautsprechers) oder bei einfacheren Messaufgaben für Einzel-Oszillationen auch Permanentmagnetsysteme, die einfach händisch in den Wirkbereich der beiden Antriebsmagnete eingeschwenkt werden, Verwendung finden.
Die Antriebswechselspannung kann mit handelsüblichen durchstimmbaren Frequenzgeneratoren in gängigen Kurvenformen (Rechteck, Dreieck, Sinus, Impuls u. a.) oder mit einem PC oder mit RückkopplungSchwingungserzeugern erzeugt werden.
Die Kraftamplitude können relativ einfach ermittelt werden, da sie streng mit der Stromstärke der Antriebswechselspannung korrellieren. Man kann sie rechnerisch erfassen oder über Kalibrierverfahren anhand bekannter Eichmessproben bzw. indirekt über eine Kraftmessung (z. B. mittels Waagen) experimentell bestimmen.
Die Wegamplitude lassen sich ebenfalls mit geringem Aufwand über optoelektronische Sensoren oder Magnetfeldsensoren (z. B. Hallsonde) erfassen. Bei letzterer Methode kann der Magnetfeldeinfluss des Antriebsmagneten direkt das Messsignal der Hallsonde verursachen, ein besonders geringer baulicher Aufwand wird damit ermöglicht.
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Eine solche ErfassuIJ3 der Weganplitude ist der Schaltung gemäss Fig. 3 zugrundegelegt. Die Bewegung des Antriebsmagneten 7 verändert das Magnetfeld zwischen den Spulen 11 und diese Magnetfeldänderung wird von der Hallsande 20 erfasst. Das durch einen entsprechenden Instrumentenverstärker 21 verstärkte Spannungssignal wird als Wegsignal der Datenverarbeitungsanlage einerseits und einem Gleichspannungs- verstärker 22 mit variabler Verstärkung andererseits zugeleitet.
Über diese Gleichspannungsverstärker 22 lässt sich die maximale Wegamplitude einstellen. Das so verstärkte Signal wird einem Schmitt-Trigger 23 zugeführt und verursacht sofern die Triggerschwelle überschritten wird ein Ausgangssignal, das über einen Integrator 24 mit Dreiecksausgangsspannung und gegebenenfalls einen Dreick-Sinuswandler 25 sowie eine Ausgangsstufe 26 (i 10 V, 1-100 mA) ein Steuersignal, das einerseits als Kraftsignal der Datenverarbeitung und andererseits der Steuerung 27 der Spulen 11 zugeleitet wird.
Diese Schaltung bewirkt, dass bei Erreichen der maximalen Weamplitude durch den Antriebsmagneten 7 das Magnetfeld zwischen den Spulen 11 umgepolt wird, so dass der Antriebsmagnet 7 zwischen den beiden Spulen 11 hin und her schwingt. Über die Datenverarbeitungsanlage können aus den Wegsignalen und den Kraftsignalen die plastischen und elastischen Eigenschaften der Messprobe bestimmt werden.
Die Verarbeitung der Messsignale wird in Abstimmung auf das gewünsch- te Messziel entweder analog, digital oder kombiniert vorgenomnen. Für höhere Anforderungen empfiehlt sich jedenfalls die heutzutage schon sehr preisgünstig mögliche PC-unterstützte Messdatenerfassung. Die Messserien können kraft-, weg-, phasen-, frequenz-oder temperaturge- steuert geführt werden.
Ein sehr einfacher Messbetrieb lässt sich weggesteuert durchführen. Eine gewünschte Wegamplitude wird vorher eingestellt. Über eine Triggerschaltung wird bei Erreichen der Soll-Wegamplitude der Speisestrom der Antriebsspulen umgepolt, so dass eine (rückgekoppelte) Oszillation entsteht. Je höher die Viskosität der Probe ist, desto länger wird die Periodendauer der einzelnen Schwingung, desto lang-
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samer also die Schwingfrequenz. Die Periodendauer kann auf sehr ein- fache und ebenfalls preisgünstige Weise ermittelt und angezeigt werden. In diesem Betriebsmodus können sehr einfach Temperaturviskositätskurven ermittelt werden.
Etwas aufwendiger ist die Ermittlung von Speicher-und Verlustmodu- len. Hiezu wird am besten über eine fest vorgegebene Sinusfrequenz die Oszillation erregt. Aus der Phasenverschiebung und den Amplituden von Kraft-und Wegsignal lassen sich mittels PC-Auswertung die rheologischen Kenndaten errechnen. Besonders interessant sind diese Messungen bei den modernen polymermodifizierten Strassenbau-Binde- mitteln.