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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur reibungsarmen Lagerung einer Messspindel, insbesondere eines Rotationsviskosimeters, in einem Messspindellager.
Bei Rotationsviskosimetern befindet sich die Flüssigkeit, deren Viskosität gemessen werden soll, zwischen zwei rotationssymmetrischen und koaxial angeordneten Randflächen, z. B. in Zylinderform, von denen eine mit einer zeitlich konstanten Drehzahl rotiert. Dabei wirkt auf jede der beiden Randflächen das gleiche Drehmoment, jedoch in entgegengesetzter Richtung. Aus dem Zusammenhang zwischen Drehmoment und Drehzahl wird die Viskosität der Flüssigkeit bestimmt.
Dazu wird entweder die Drehzahl der rotierenden Randfläche, des sog. Messkörpers, vorgegeben und das von der Flüssigkeit auf den Messkörper ausgeübte Drehmoment gemessen, oder das Drehmoment auf den Messkörper vorgegeben und die Drehzahl des Messkörpers gemessen.
Zumeist wird die Rotation des Messkörpers über einen Elektromotor gesteuert und das auf den Messkörper wirkende Drehmoment über die Auslenkung einer Spiralfeder oder die Stromaufnahme des Elektromotors gemessen.
Die JP 08-338802 A zeigt ein Rotationsviskosimeter mit einem Rotationsaktivator, der mit einem rotierbaren Rotor über eine Wirbelstromkopplung verbunden ist. Der Rotor wird über einen Drehzahlmesser und eine Steuereinheit auf einer vorgebbaren Drehzahl gehalten, während die Viskosität in einer Auswerteeinheit aus den Signalen der vorgebbaren Drehzahl, der tatsächlichen Drehzahl des Rotors und einem Additionsteil berechnet wird.
Die EP 0 926 481 A2 zeigt eine Vorrichtung zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit in einem rotierbaren und mit der Messflüssigkeit füllbaren äusseren Hohlzylinder und einem darin befindlichen von der Messflüssigkeit umgebenen inneren Zylinder, wobei eine Vorrichtung zur Erzeugung eines auf die Rotationsbewegung des inneren Zylinders wirkenden Bremsmomentes mit einem Wirbelstromelement und einem Brems-Magnetelement vorgesehen ist.
Die WO 90/06500 A1 zeigt schliesslich ein Rotationsviskosimeter, bei dem Flüssigkeit in einem geschlossenen Kanal mit einem Rotor fliesst, wobei die Drehgeschwindigkeit des Rotors direkt von der Fliessgeschwindigkeit der Flüssigkeit abhängt, und bei dem ein Bremselement vorgesehen ist, das über Wirbelstromkörper die Drehgeschwindigkeit des Rotors in Abhängigkeit der Viskosität herabsetzt.
Solche Rotationsviskosimeter sind seit langem bewährt, weisen jedoch entscheidende Nachteile auf. So sind bezüglich der Messung des Drehmoments z.T. der Messbereich einer Spiralfeder und andererseits die Genauigkeit der Drehmomentmessung über den Motorstrom stark begrenzt.
Ein weiterer Nachteil ist die infolge der Lagerung des Messkörpers auftretende, nicht konstante Lagerreibung. Diese spielt eine besonders grosse Rolle bei niedrigen Drehmomenten, die bei der Messung von niederviskosen Flüssigkeiten auftreten.
Insbesondere bei der Bestimmung von kleinen Viskositäten wird die Messgenauigkeit durch Reibung am Lager beeinträchtigt.
Ziel der Erfindung ist es, das auf einen Messkörper wirkende Drehmoment mit grosser Genauigkeit über einen grossen Drehmomentbereich mit im wesentlichen konstanter Lagerreibung messen zu können, ohne dazu die Messanordnung umbauen zu müssen, wobei zur Erhöhung der Messgenauigkeit Reibungseffekte minimiert werden sollen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das Messspindellager, insbesondere als Hohlwelle ausgebildet, die Messspindel gelagert durchsetzt, und dass dieses Messspindellager von in ortsfesten Aufnahmen angeordneten Lagern, z.B. Wälzlager, drehbar gelagert ist. Damit wird der Einfluss der Lagerreibung bei der Messung herabgesetzt, was die Messgenauigkeit bei der Bestimmung des Drehmoments weiter erhöht. Weiters können so elektrische Signale erzeugt werden, die für eine effiziente Bestimmung und elektronische Anzeige der Viskosität geeignet sind.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dieser erfindungsgemässen Vorrichtung zur reibungsarmen Lagerung der Messspindel kann darin bestehen, dass zum Antrieb des Messspindellagers ein drehzahlregelbarer Elektromotor, z. B. ein Synchronmotor, vorgesehen ist, dessen mit Permanentmagneten ausgebildeter Läufer drehfest mit dem Messspindellager, verbunden ist, und dessen Erregerspulen an einen Ausgang einer Steuerung angeschlossen sind, an deren Eingang ein der Drehzahl der Messspindel proportionales Signal anlegbar ist, wobei an diesem einen Ausgang ein periodisch um die Drehzahl der Messspindel schwankendes Signal erzeugbar ist.
Durch diese vorstehenden Massnahmen kommt es zu einem periodischen Vor- und Nacheilen des Lagers gegenüber der Messspindel, wodurch allenfalls auftretende Einflüsse einer Haftreibung zwischen
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der Messspindel und dem Lager sicher ausgeschaltet werden. Die Einflüsse auf die Messspindel aufgrund der Einwirkung der Reibmomente in positiver und negativer Richtung heben sich dabei in Summe auf und beeinflussen die Messung der Viskosität praktisch nicht.
Ferner kann vorgesehen sein, dass an der Messspindel eine Codierung drehfest zur Messspindel angeordnet ist, die zur Erzeugung eines der Drehzahl der Messspindel proportionalen Signals mit einem Sensor zusammenwirkt, der in einem Gehäuseteil gehalten ist. Dies ermöglicht es, die Drehzahlen des Lagers an jene der Messspindel anzugleichen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein die Temperatur des Wirbelstrom-Körpers erfassender Sensor vorgesehen ist, der mit der Auswerteschaltung verbunden ist. Dadurch gelingt es, den Einfluss der Temperatur des Wirbelstrom-Körpers, die über die temperaturabhängige Leitfähigkeit desselben auch die Drehzahl des Wirbelstrom-Körpers bei gleicher Viskosität der zu messenden Flüssigkeit beeinflusst, zu kompensieren und dadurch die Messgenauigkeit zu verbessern.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der die Temperatur des Wirbelstrom-Körpers erfassende Sensor als Infrarot-Sensor ausgebildet ist. Durch diese Ausführung wird eine berührungslose und damit das Messergebnis nicht beeinflussende Erfassung der Temperatur des WirbelstromKörpers ermöglicht.
Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zur reibungsarmen Lagerung einer Messspindel, insbesondere eines Rotationsviskosimeters, in einem Messspindellager.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur reibungsarmen Lagerung einer Messspindel, insbesondere eines Rotationsviskosimeters, in einem Messspindellager derart weiterzubilden, dass die Reibungseffekte minimiert werden.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das Messspindellager, das insbesondere als Hohlwelle ausgebildet sein kann, welche die Messspindel gelagert durchsetzt, drehbar gehalten und von einem drehzahlregelbaren Motor, insbesondere Synchronmotor, derart angetrieben wird, dass die Drehzahl des Messspindellagers periodisch um den zeitlichen Mittelwert der Drehzahl n2 der Messspindel schwankt, indem während einer Halbperiode die Drehzahl des Messspindellagers um einen Betrag Ax grösser und in der darauffolgenden Halbperiode um einen Betrag Ay kleiner als die Drehzahl n2 der Messspindel gewählt wird. Damit wird der Einfluss der Lagerreibung bei der Messung herabgesetzt, was die Messgenauigkeit bei der Bestimmung des Drehmoments weiter erhöht.
Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass Ax gleich Ay gewählt wird.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen Ausführungsformen dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 den Querschnitt durch ein Rotationsviskosimeter mit Antrieb einer Messspindel über einen Wirbelstrom-Körper und antreibbarem Messspindellager, und
Fig. 2 den Querschnitt durch ein Rotationsviskosimeter mit direktem Antrieb einer Messspindel über einen Elektromotor und antreibbarem Messspindellager.
Das Rotationsviskosimeter gemäss Fig. 1 umfasst einen im wesentlichen zylindrischen Messkörper 1, der bei einer Messung von der zu messenden Flüssigkeit 2 umgeben ist, die sich in einem Gefäss 3 befindet. Dieser Messkörper 1 ist über eine Messspindel 4 drehfest mit einem Wirbelstrom-Körper 5 verbunden.
Die Messspindel 4 durchsetzt - gelagert in Wälzlager 6 - eine Hohlwelle 7, die ihrerseits in Wälzlager 8 gelagert ist. Die Wälzlager 8 sind in Aufnahmen 9 von ortsfesten Gehäuseteilen 10, 11 angeordnet. Hohlwelle 7 sowie die Lager 6,8 bilden das Messspindellager.
Oberhalb des Wirbelstrom-Körpers 5 ist ein von einem Elektromotor 12, z. B. einem Scheibenläufermotor, antreibbarer Permanentmagnet 13 angeordnet. Versetzt der Elektromotor 12 den Permanentmagnet 13 mit einer Drehzahl n1 in Rotation, so werden durch das Magnetfeld des rotierenden Permanentmagneten 13 im Wirbelstrom-Körper 5 Wirbelströme induziert, welche auf den Wirbelstrom-Körper 5 ein Drehmoment ausüben, dessen Grösse proportional zum Unterschied zwischen der Drehzahl n1 des Permanentmagneten 13 und der Drehzahl n2 der Messspindel 4 ist.
Der Elektromotor 12 umfasst weiters Spulen 14, die mit einer Steuerschaltung 15 verbunden sind über welche die Drehzahl n1 geregelt werden kann. Die in der Steuerschaltung 15 geregelte Drehzahl n1 des Elektromotors 12 und das von der Viskosität der Flüssigkeit 2 abhängige, über den Messkörper 1 auf die Messspindel 4 ausgeübte bremsende Drehmoment bestimmen die Drehzahl
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n2 der Messspindel 4.
Zur Erfassung der Drehzahl n2 des Wirbelstrom-Körpers 5 und somit der Messspindel 4 ist ein Sensor 16 vorgesehen, welcher mit einer Codierung 17 zusammenwirkt, die auf dem WirbelstromKörper 5 angeordnet ist. Dabei ist der Sensor 16 im Gehäuseteil 11gehalten.
Das Ausgangssignal des Sensors 16 wird über eine Steuerung 117 an einen Eingang einer Auswerteschaltung 18 geführt. An einem weiteren Eingang der Auswerteschaltung 18 liegt das der Drehzahl n1 proportionale Ausgangssignal der Steuerschaltung 15 an.
Die Stärke der im Wirbelstrom-Körper 5 induzierten Wirbelströme und damit das auf die Messspindel 4 übertragene Drehmoment ist proportional zur elektrischen Leitfähigkeit des WirbelstromKörpers 5, die von der Temperatur t abhängt. Die Temperatur des Wirbelstrom-Körpers 5 kann von einem in dem Gehäuseteil 11 ortsfest angeordneten Sensor 19, vorzugsweise einem Infrarotsensor, insbesondere berührungslos, gemessen werden. Dieses Sensor-Ausgangssignal kann einem dritten Eingang der Auswerteschaltung 18 als Korrekturgrösse für die Messwertauswertung zugeführt werden.
Aus diesen Eingangsgrössen errechnet die Auswerteschaltung 18 die Viskosität # der zu messenden Flüssigkeit nach der Beziehung
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und zeigt das Ergebnis in einem Display 20 an.
Ferner kann gemäss der Erfindung der Einfluss der Lagerreibung zwischen Messspindel 4 und Messspindellager 6,7, 8 auf das Messergebnis eines Rotationsviskosimeters weitgehend herabgesetzt werden.
Dies ist nachstehend in Zusammenhang mit einem erfindungsgemässen Rotationsviskosimeter gemäss Fig. 1 sowie anhand Fig. 2 in Zusammenhang mit einem nach dem Stand der Technik mit einem herkömmlichen Elektromotor angetriebenen Rotationsviskosimeter beschrieben, wobei übereinstimmende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.
Zum Zwecke der Kompensation der Lagerreibung ist die Hohlwelle 7 drehfest, vorzugsweise einstückig, mit einem mit Permanentmagneten 21 versehenen Läufer 22 eines drehzahlregelbaren Elektromotors 23, beispielsweise eines Synchronmotors, verbunden. Die Hohlwelle 7 ist von den Lagern 8, die Messspindel 4 in den Lagern 6 gelagert, wobei es sich bevorzugt um ein Wälzlager handelt. Dieser drehzahlregelbare Elektromotor 23 umfasst Spulen 24, die mit einem weiteren Ausgang der Steuerung 17 bzw. einem Ausgang der Steuerung 34 (Fig. 2) verbunden sind.
Über diesen Ausgang der Steuerung 117 bzw. 34 liegt an dem drehzahlregelbaren Elektromotor 23 ein periodisches Steuersignal an. Während einer Halbperiode ist das Steuersignal so gewählt, dass es das Messspindellager mit einer Drehzahl antreibt, die um den Betrag Ax grösser als die Drehzahl n2 der Messspindel ist, also mit n2 + #x. In der darauf folgenden - gleich grossen Halbperiode wird das Messspindellager mit einer Drehzahl angetrieben, die um den Betrag Ay kleiner als die Drehzahl n2 der Messspindel ist, also mit n2 - #y.
Bevorzugt werden diese Beträge Ax und Ay gleich gross gewählt. Das ist insbesondere bei der allfälligen Verwendung von Gleitlagern für die Messspindellager 6 von Bedeutung ; Verwendung von Wälzlagern, bei welchen das Reibmoment unabhängig von der Differenzdrehzahl ist, kann #x # Ay gewählt werden.
Dadurch, dass die Drehzahl der angetriebenen Lager 6 um Ax grösser als die Drehzahl n2 der Messspindel 4 ist, wird auf diese ein solches Drehmoment ausgeübt, dass die Messspindeldrehzahl n2 + Ax' beträgt, wobei zufolge der Lagerreibung der Messspindel 4 in den Lagern 6 gilt #x' #x.
Die Messspindel hat nunmehr eine Drehzahl n2 + Ax', die Steuerung 117 erhöht die Läuferdrehzahl um Ax', die Messspindeldrehzahl erhöht sich um Ax" wobei Ax" < #x' ist usw.
Die Inkremente #xn konvergieren gegen Null, so dass sich eine Gleichgewichtsdrehzahl der
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bar klein. Die Drehzahl n2 ist somit in dieser Halbperiode um die reibungsbedingten Inkremente #x', #x''....... #xn grösser.
In der darauffolgenden Periode wird der Läufer mit einer Drehzahl n2 - #y angetrieben. Die vorstehenden Überlegungen gelten sinngemäss, so dass sich eine Gleichgewichtsdrehzahl
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n2 - #y'- #y''- .... #yn
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In der Steuerung 117 wird für diese beiden Halbperioden der Mittelwert gebildet:
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sodass am Ausgang der Steuerung 117 die nicht von den Reibungswerten der Lager 6 verfälschte Drehzahl der Messspindel 4 anliegen. Hinsichtlich Fig. 2 gelten die analogen Überlegungen für die Drehzahl n3 der Messspindel.
Der am Ausgang der Steuerung 117 anliegende Drehzahlwert n2 der Messspindel ist somit durch die Reibungswerte der Lager nicht verfälscht. Somit kann das viskositätsabhängige Drehmoment am Messkörper 1 in der zu messenden Flüssigkeit 2 als weitgehend fehlerfrei erfasst werden.
Der in Fig. 2 gezeigte Elektromotor 25 nach dem Stand der Technik umfasst einen Läufer 26 und einen Stator 27. Über eine Spannungsquelle 28 wird der Motor 25 mit einer vorgegebenen Drehzahl n3 in Umdrehungen versetzt und die hiefür erforderliche Stromaufnahme I der Statorwicklung mit einem Strommesser 29 erfasst. Aus dieser Stromgrösse wird in einem Rechenwerk 30 das auf die Messspindel 4 wirkende Drehmoment bzw. die Viskosität errechnet und in einem Display 31 zur Anzeige gebracht.
Der Sensor 32 erfasst im Zusammenwirken mit einer Codierung 33 die Drehzahl des Läufers 26, sein Messsignal liegt an einem Eingang einer Steuerung 34 an, deren Ausgang mit den Spulen 14 des drehzahlregelbaren Elektromotors 25 verbunden sind.
Die vorstehend erläuterte Steuerung 34 und 117, die Steuerschaltung 15, die Auswerteschaltung 18 und das Rechenwerk 30 sind bevorzugt auf Software-Basis realisiert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur reibungsarmen Lagerung einer Messspindel (4), insbesondere eines Rota- tionsviskosimeters, in einem Messspindellager (6), dadurch gekennzeichnet, dass das
Messspindellager (6), insbesondere als Hohlwelle (7) ausgebildet, die Messspindel (4) ge- lagert durchsetzt, und dass dieses Messspindellager (6) von in ortsfesten Aufnahmen (9) angeordneten Lagern (8), z.B. Wälzlager, drehbar gelagert ist.