AT508705B1 - Rotationsviskosimeter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotationsviskosimeter mit einer mit vorgegebener Drehzahl rotierbaren Messwelle (25), einem von dieser getragenen, in eine Probe absenkbaren Messteil (3) und einer Detektionseinheit zur Ermittlung des Verdrehungswinkels des Messteils (3) gegenüber dem angetriebenen Teil der Messwelle (25).Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in die Messwelle (25), vorzugsweise in ihrem motornahen Abschnitt, ein tordierbares Element (2) eingesetzt ist, dass die Detektionseinheit (17, 18, 24) mit der Welle mitbewegt wird und die Relativverdrehung bzw. den Verdrehungswinkel zwischen dem bezüglich des tordierbaren Elementes (2) motorseitig gelegenen Wellenteil (9) und dem messteilseitig gelegenen Wellenteil (10) ermittelt und dass die Ausgangssignale der Detektionseinheit (17, 18, 24) als Basis zur Ermittlung der Viskosität der Probe einer Auswerteeinrichtung (13) zugeführt sind

Description

österreichisches Patentamt AT508 705B1 2011-06-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Rotationsviskosimeter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Mit Rotationsviskosimetern wird über weite Messbereiche in ausreichender Genauigkeit die Viskosität von Proben durch Rotation von Messteilen in beliebigen unter dem Viskosimeter stehenden, die Probe enthaltenden Messgefäßen bestimmt.

[0003] Derartige Viskometer werden beispielsweise gemäß ASTM D2983 für die Prüfung von Schmiermitteln in der Automobilindustrie vorgeschlagen und sind vom Prinzip her aus der US 2,679,750 als Brookfield - Viskosimeter bekannt.

[0004] Dabei wird die Viskosität einer Probe durch Rotation eines genormten Messteiles in der zu vermessenden Probe bestimmt. Messteile sind beispielsweise aus der ASTM D5133-96 bekannt.

[0005] Der Messteil wird im Allgemeinen lösbar und damit austauschbar an der mit einem Motor rotierten Messwelle befestigt, in die Probe getaucht und mittels Motor und Messwelle in Rotation versetzt. Aufgrund ihrer Zähigkeit wirkt die Probe im Messgefäß dieser Bewegung des Messteils bremsend entgegen. Die Antriebswelle, an der der Messteil befestigt ist, wird tordiert bzw. kann mit einem der Rotation entgegenwirkenden federnden Element ausgestattet sein, wobei das der Drehbewegung entgegenwirkende Drehmoment zu einer Torsion der Welle bzw. zu einer Auslenkung dieses federnden Elements führt. Durch geeignete Sensoren wird der sich einstellende Winkel bestimmt, dieser Winkel ist ein Maß für die Viskosität der Probe.

[0006] Im Gegensatz zu Präzisionsrheometern bzw. absolut messenden Viskosimetern mit genau definierten Versuchsgeometrien, z.B. mit Scherspalt mit definierter Spaltgeometrie zwischen zwei Messteilen, und damit auch definierten Scherbedingungen, taucht hier der Messteil bzw. Messkörper in die flüssige Probe ein, wobei die Geometrie des Bechers unberücksichtigt bleibt. Eine genaue Ermittlung der Scherrate ist in diesem Fall nicht möglich.

[0007] Die Ergebnisse sind somit Relativ-Viskositätswerte, die von den verwendeten Messteilen ebenso abhängen wie von der sich einstellenden Strömung in der Probe, z.B. verändert eine Wirbelbildung durch eine Verhinderung von laminarer Strömung die Messergebnisse. Im Einzelfall werden unterschiedliche Oberflächen, z.B. sandgestrahlte oder profilierte Messteile, verwendet, um die Ausbildung von Gleitschichten zu verhindern. Trotzdem sind diese Viskosimeter in vielen Anwendungsbereichen, z.B. Lebensmittel-, Kosmetik- oder Farbindustrie, für die Qualitätskontrolle probate Hilfsmittel, um die Probenviskosität zu überprüfen, z.B. zur Einhaltung von Standardbedingungen.

[0008] Der Aufbau eines Viskosimeters umfasst prinzipiell einen Motor mit exakter konstanter Drehzahlvorgabe, der eine Messwelle antreibt, Sensoren zur Drehwinkelmessung, am unteren Ende der Messwelle einen Messteil sowie ein Stativ, das Motor, Welle und Messteil trägt und gegebenenfalls Mittel zur Höhenverstellung besitzt. Der Messteil taucht bis zu einer definierten Eintauchmarke in die Probe, die sich in einem beliebigen Behälter befindet.

[0009] Unterschiedliche Anordnungen von federnden Elemente sind bekannt, um das durch den Widerstand der Probe gegen die rotierende Bewegung entgegengerichtete Drehmoment zu messen.

[0010] In Präzisionsgeräten erfolgt die Drehmomentmessung im allgemeinen über den Stromverbrauch I des antreibenden Elektromotors und es gilt dabei je nach verwendetem Motor bzw. Gerätetyp für das Drehmoment M: [0011] M = c-i.1 oder M = c2.l2 mit gerätespezifischen Konstanten q bzw. c2.

[0012] In einfachen, kostengünstigen Geräten wird ein Federelement zur Drehmomentmessung verwendet, z.B. Spiralfedern oder Federdrähte. Diese Torsionselemente zeigen einen Auslenkweg s bzw. einen Auslenkwinkel, der proportional zur angelegten Kraft F bzw. zum Drehmo- 1/12 österreichisches Patentamt AT508 705B1 2011-06-15 ment ist.

[0013] Es gilt das Hooksche Federgesetz, F = cH.s mit cH gleich der Hookschen Federkonstante.

[0014] Diese mechanischen Kraftaufnehmer sind weniger genau als die Messung der Stromaufnahme der Messmotoren, weil sie stets auch das Verhalten des Kraftsensors selbst miterfassen und relativ große Auslenkungen nötig sind, um überhaupt ein auswertbares Signal zu erhalten. Deshalb werden sie nur in einfacheren, kostengünstigen Relativ-Viskosimetern eingesetzt.

[0015] Derartige Federelemente besitzen in Richtung der Drehachse, also in z-Achsenrichtung, keine ausreichende Festigkeit; die Messwelle mit Feder muss daher drehbar gelagert und abgestützt werden, um die Messung zu ermöglichen.

[0016] Die Drehmomentmessung im bekannten Brookfield-Viskosimeter erfolgt über eine Spiralfeder. Da diese in z-Richtung nicht stabil ist, muss die Welle separat auf einem Reiblager gelagert und oberhalb derselben das Drehmoment der Probe gegen die Rotation gemessen werden. Diese Lagerung führt aber im Allgemeinen durch die Lagerreibung zu einer Verfälschung der Messergebnisse. Die Verwendung möglichst reibungsfreier Lager, beispielsweise Spitzenlager, verteuert und kompliziert die Messgeräte. Darüber hinaus ist der Messbereich dieser Geräte begrenzt, es können nur zur Federkonstante der jeweils verwendeten Feder passende Winkelauflösungen vermessen werden.

[0017] Zumeist befinden sich in den bekannten Ausführungen an der Antriebswelle oberhalb der federnden Verbindung zur Messwelle bzw. zum Messteil Mittel, wie beispielsweise ein „Balken", die die Bestimmung des sich einstellenden Drehwinkels erlauben. Der Drehwinkel ist dem Drehmoment proportional bzw. es besteht ein funktionaler Zusammenhang zwischen Drehmoment und Drehwinkel. Das Drehmoment, das die Probe der Bewegung des Messkörpers entgegengesetzt, ist damit ein Maß für die Probenviskosität. Auch Anordnungen mit Drillachsen, z. B. Klavierdraht, sind bekannt, bieten allerdings nur mangelnde Stabilität.

[0018] Ziel der Erfindung ist es, ein Rotationsviskosimeter zu erstellen, das einen möglichst weiten Einsatzbereich hat, einfach aufgebaut ist und präzise Messwerte liefert. Längenänderungen der Messwelle und eine damit einhergehende Verfälschung von Messwellen, deren Torsion gemessen wird, sollen vermieden werden. Es soll eine empfindliche und möglichst kompakte Anordnung erstellt werden.

[0019] Dies wird bei einem Rotationsviskosimeter mit einer mit vorgegebener, insbesondere konstanter, Drehzahl rotierbaren Messwelle, einem von dieser getragenen, in eine Probe ab-senkbaren Messteil und einer Detektionseinheit zur Ermittlung des Verdrehungswinkels des Messteils gegenüber dem angetriebenen Teil der Messwelle erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass in die Messwelle, vorzugsweise in ihrem motornahen Abschnitt, ein tordierbares Element eingesetzt ist, dass die Relativverdrehung bzw. den Verdrehungswinkel zwischen dem bezüglich des tordierbaren Elementes motorseitig gelegenen Wellenteil und dem messteilseitig gelegenen Wellenteil ermittelt und dass die Ausgangssignale der Detektionseinheit als Basiswerte zur Ermittlung der Viskosität der Probe einer Auswerteeinrichtung zugeführt sind. Die Detektionseinheit wird mit der Messwelle mitbewegt.

[0020] Bei dem erfindungsgemäßen Rotationsviskosimeter wird durch das in die Messwelle eingesetzte tordierbare Element erreicht, dass das vom Messteil auf die Messwelle ausgeübte Torsionsmoment nur auf einen speziellen, dafür eingerichteten Bereich der Messwelle einwirkt und dort die Verdrehung des Messteiles gegenüber dem Motor bzw. dem motorseitigen Teil der Messwelle erfolgt. Das tordierbare Element ist sensibel gegen Torsion ausgebildet und wird durch wärmebedingte Längenveränderungen der oberhalb und unterhalb liegenden Wellenteile nicht beeinflusst.

[0021] Von Vorteil hat es sich erwiesen, wenn als tordierbares Element ein Kreuzfedergelenk oder ein Torsionsstab eingesetzt ist und/oder wenn als Detektionseinheit ein induktiver, ein kapazitiver oder ein optischer Messgeber vorgesehen ist. Derartige tordierbare Elemente bieten 2/12 österreichisches Patentamt AT508 705B1 2011-06-15 die erforderliche Sensibilität und ergeben exakte reproduzierbare Messwerte.

[0022] Eine besonders exakte Messwerte liefernde Anordnung ergibt sich, wenn bei einem gegeneinander verdrehbare Hülsen aufweisenden Kreuzfedergelenk einer der Messgeberteile am Ende der einen Hülse und der andere Messgeberbauteil am Ende der jeweils anderen Hülse befestigt ist.

[0023] Bei der Auswahl eines tordierbaren Elementes ist es zweckmäßig, wenn das tordierbare Element in Achsrichtung der Messwelle steif ausgebildet ist. Damit wird eine Verfälschung von Messergebnissen durch eine Bewegung der Messwellen in axialer Richtung weitgehend ausgeschaltet.

[0024] Ein kompakter und sensibler Aufbau wird erreicht, wenn vorgesehen ist, dass die Detektionseinheit zwei einander gegenüberliegende und miteinander zusammenwirkende Messgeberteile, z.B. zwei Kondensatorplatten, zwei Spulen oder zwei mit Lichtdurchlässen versehene Blenden, besitzt, wobei der eine Messgeberteil, vorzugsweise direkt mit dem motorseitigen Wellenteil der Messwelle und der andere Messgeberteil, vorzugsweise direkt mit dem messteilseitigen Wellenteil der Messwelle verbunden ist.

[0025] Um Einflüsse externer Art bzw. aus der Umgebung auf die Wellenteile auszuschalten, ist es von Vorteil, wenn die beiden Messgeberteile in unmittelbarer Nachbarschaft, insbesondere ein Messgeberteil unmittelbar oberhalb und ein Messgeberteil unmittelbar unterhalb, des tordierbaren Elementes jeweils an einem Wellenteil befestigt sind.

[0026] Ein einfacher, leicht herstellbarer und sensitiver Aufbau ergibt sich, wenn eine kapazitive Detektoreinheit vorgesehen ist, die als Messgerberteile zwei, insbesondere scheibenförmige, Kondensatorplatten umfasst, wobei die einander gegenüberliegenden Flächen der Kondensatorplatten mit Metallschichten belegt sind, die vorzugsweise radial verlaufende Flächenbereiche bzw. Stege ausbilden, und dass eine Messeinheit zur Ermittlung der Kapazitätsänderungen des von den beiden Platten gebildeten Kondensators im Zuge einer gegenseitigen Rotation der beiden Platten vorgesehen ist, wobei gegebenenfalls vorgesehen ist, dass auf jeder der Platten jeweils zwei segmentierte bzw. fingerförmig ineinandergreifende Kondensatorflächen ausgebildet sind oder dass auf jeder der beiden Platten zumindest eine Kondensatorfläche ausbildende Metallschicht aufgebracht ist und/oder dass die Kondensatorfläche(n), die auf der jeweiligen Platte ausgebildet ist (sind), in eine Brückenschaltung eingeschaltet sind.

[0027] Eine weitere Vereinfachung des konstruktiven Aufbaus insbesondere in Hinblick auf Kompaktheit und eine gesicherte Messdatenübertragung ergibt sich, wenn von einem, vorzugsweise dem oberen bzw. motorseitig gelegenen, Messgeberteil und/oder einem, vorzugsweise dem motorseitigen, Wellenteil ein Sende-Empfänger-Bauteil bzw. Transmitter getragen ist zur über eine Luftstrecke erfolgende Aufnahme der zur Messung erforderlichen Energie und zur über eine Luftstrecke erfolgende Abstrahlung der Messsignale an einen geräteseitigen Sende-Empfänger. Vorteilhaft ist es ferner, wenn von dem oberen bzw. motorseitigen Messgeberteil und/oder dem motorseitigen Wellenteil mitbewegte Spulen zur Energieeinkopplung und gegebenenfalls Datenübertragung getragen werden, die mit am Stativ bzw. Gehäuse des Viskosimeters gelegenen Erregerspulen Zusammenwirken. Dabei ist es vom Aufbau her gesehen vorteilhaft, wenn zumindest das tordierbare Element und/oder die mit der Welle mitbewegten Spulen und/oder die Messgeberteile im Bereich bzw. zumindest teilweise oder zur Gänze unterhalb des für die Lagerung der Messwelle bzw. des motorseitigen Wellenteils vorgesehenen Raumes angeordnet sind.

[0028] Wenn vorgesehen ist, dass die Ausgangssignale der Detektoreinheit über einen Transmitter berührungslos bzw. über eine Luftstrecke an die gehäuseseitig gelegene Empfangs- bzw. Auswerteeinheit übertragen werden, oder dass die von der Detektionseinheit ermittelten Werte in dieser verarbeitet und die erhaltenen Viskositätswerte oder aufbereitete Messwerte zur Ermittlung der Viskositätswerte über den Transmitter berührungslos bzw. über eine Luftstrecke einer gehäuseseitig gelegenen Empfangs- bzw. Auswerteeinheit übertragen werden, erhält man den Vorteil, dass ein weitgehend von Umgebungseinflüssen nicht beeinflusstes Rotationsviskosimeter vorliegt, das ohne Eingriff von außen bzw. ohne die Anordnung von störenden Leitun- 3/12 österreichisches Patentamt AT508 705B1 2011-06-15 gen betrieben werden kann.

[0029] Das erfindungsgemäße Rotationsviskosimeter ist für die Anwendung mit extrem hohen Drehmomenten geeignet, bei welcher Anwendung Fehlereinflüsse von Reibung und Winkelauflösung keine allzu große Rolle spielen, die Anordnung jedoch über ausreichende Steifigkeit des tordierbaren Elements erfordert. Allerdings leistet das erfindungsgemäße Viskosimeter aufgrund seiner hochauflösenden Positions- und Winkelbestimmung auch eine Messwertaufnahme, wie kompliziert gelagerte Messwertaufnehmer sie ermöglichen, ohne dass möglichst reibungsfreie Anordnungen zur Lagerung der Messwelle oder eingesetzte Edelsteinlager erforderlich sind. Es ist lediglich erforderlich, einen Antriebsmotor mit exakt einstellbarer Drehzahl einzusetzen und über ein tordierbares Element den Drehwinkel zu ermitteln. Von Vorteil ist es dabei, wenn das federnde Element in z-Richtung möglichst steif ausgebildet und in z-Richtung möglichst kurz gehalten ist bzw. in radialer Richtung gegen Verkippung möglichst steif ausgebildet ist.

[0030] Das erfindungsgemäß ersetzbare Kreuzfedergelenk ist empfindlich auf kleinste Drehmomentänderungen und ist unterhalb der Lagerung der Messwelle angeordnet, das heißt, unterhalb des den motornahen Wellenteil tragenden Lagers angeordnet und misst somit rein das Gegenmoment der Probe. Weitere Einflüsse können ausgeschaltet werden, wenn die Bauteile zur Positions- bzw. Winkelbestimmung mit der Welle mitbewegt bzw. mitgedreht werden bzw. die Messwerte für den Drehwinkel berührungslos ausgelesen werden. Ein Fehlereinfluss durch die Lagerung der Messwelle auf das Messergebnis entfällt. Weitere Umgebungseinflüsse werden ausgeschaltet, wenn zur Messung des sich einstellenden Drehwinkels die erforderlichen Sensoren direkt am tordierbaren Element angeordnet sind.

[0031] Soferne eine kapazitive Winkelmessung eingesetzt wird, erlaubt dies ein permanentes Auslesen der Messwerte der Torsion des tordierbaren Elementes bzw. des Verdrehungswinkels des Messteils. Die in z-Achsenrichtung bzw. in Richtung der Drehachse der Wellenteile steife Federwirkung eines Kreuzfedergelenkes oder eines Torsionsstabs ermöglicht einen robusten Aufbau und die Anbringung der beiden miteinander zusammenwirkenden Messgeberteile einander nahe gegenüber direkt oberhalb und unterhalb des tordierbaren Elementes. Die dadurch hoch auflösende Positionsmessung mit der hoch auflösenden kapazitiven Winkelmessung, insbesondere wenn die Kondensatorbelegung in Form von Segmenten erfolgt und die Messflächen in eine Doppelbrücke eingeschaltet sind, erlaubt eine Messung über einen großen Drehzahl- bzw. Viskositätsbereich.

[0032] Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

[0033] Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Rotatioinsviskosimeters. Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Rotationsviskosimeters. Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäß eingesetzten Kreuzfedergelenkes. Fig. 4 zeigt einen möglichen Gesamtaufbau eines Rotationsviskosimeters. Fig. 5 zeigt Messgeberbauteile in Form von Scheiben mit einer segmentierten leitfähigen Beschichtung. Eine besonders kompakte Bauweise ist in Fig. 6 dargestellt [0034] Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Rotationsviskosimeter besitzt eine Einheit mit einem Antriebsmotor 1 und eine von diesem angetriebene Messwelle 25. Die Messwelle 25 umfasst in ihrem motornahen Bereich einen an den Motor anschließenden Wellenteil 9, der ein tordierbare Element 2 trägt. Das Element 2 trägt einen unteren Wellenteil 10, der den Messteil 3 trägt. Oberhalb und unterhalb des tordierbaren Elementes 2 sind Messgeberteile 17, 18 angeordnet. Der obere Messgeberteil 17 trägt einen Transmitter 22, mit dem die Messwerte betreffend eine Verdrehung des tordierbaren Elementes 2 bzw. des oberen und unteren Messteiles gegeneinander an eine Auswerte-Empfangseinheit 13 übertragen werden. Bei einer Messung rotiert der Motor 1 die Messwelle 25 mit einer vorgegebenen Drehzahl. Aufgrund der von der Probe auf den Messteil 3 aufgrund ihrer Viskosität ausgeübten Reibung bleibt der Messteil 3 um einen bestimmten Winkel zurück. Dieser Verdrehungswinkel wird mit den Messgeberbauteilen 17, 18 bestimmt und der Auswerteeinheit 13 übermittelt. Diese Übermittlung erfolgt vorteilhafterweise drahtlos. Diese Ausführungsform stellt eine relativ einfache Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotationsviskosimeters dar. 4/12 österreichisches Patentamt AT508 705B1 2011-06-15 [0035] Fig. 2 zeigt schematisch ein Rotationsviskosimeter, mit einem Stativ, in dem mit einer Spindel 20 ein Träger 21 durch Rotation der Spindel 20 in einer Spindelmutter 19 höhenverstellt wird. Der Träger 21 trägt einen Motor 1, der die Antriebs- bzw. Messwelle 25 mit einer vorgegebenen Drehzahl rotiert. Dieser Motor kann beispielsweise von elektrischen Spulen 7 gebildet sein, welche mit von der Antriebs- bzw. Messwelle 25 bzw. dem oberen Wellenteil 9 getragenen Spulen 8 Zusammenwirken und diese berührungslos durch Erregung antreiben. Die Messwelle 25 kann in einem Lager L bekannter Bauart gelagert sein (Luftlager, Reiblager etc.) Im allgemeinen ist die in den Antriebsmotoren übliche Lagerung der Welle ausreichend. Eine Steuer-und Auswerteeinheit 13 erteilt dem Motor 1 die entsprechenden Steuerbefehle, insbesondere betreffend Drehzahl und Drehrichtung.

[0036] Die Messwelle 25 wird von einem tordierbaren Element 2 für die Drehmomentmessung unterbrochen, das zwischen dem oberen Wellenteil 9 und dem unteren Wellenteil 10 eingesetzt ist und eine Relativverdrehung der Messteile 9, 10 bezüglich der Rotationsachse ermöglicht. Der untere Wellenteil 10 trägt, allenfalls über Koppelvorrichtungen, den Messteil 3. Der Messsteil 3 wird in ein Messgefäß 4 mit einer Probe 16 abgesenkt.

[0037] Knapp oberhalb des tordierbaren Elementes 2 ist ein erster Messgeberteil 17 und knapp unterhalb des tordierbaren Elements 2 ist ein weiterer Messgeberteil 18 angeordnet. Der obere Messgeberteil 17 ist am oberen Wellenteil 9 der Messwelle 25 befestigt oder an dem diesem Wellenteil 9 nahen Ende des tordierbaren Elementes 2. Der weitere Messgeberteil 18 ist am unteren Ende des tordierbaren Elementes 2 oder am unteren Wellenteil 10 möglichst nahe dem tordierbaren Element 2 befestigt. Damit wird jeder Einfluss der Messwelle auf das tordierbare Element bzw. den sich einstellenden Verdrehungswinkel vermieden.

[0038] Im Zuge der Messung werden die beiden Messgeberteile 17 und 18 relativ zueinander verdreht. Diese Verdrehung bzw. der Drehwinkel wird mit Sensoren 24, die sich auf den Messgeberteilen 17, 18 befinden bzw. von diesen gebildet sind oder Teil derselben sind, abgefühlt. Die erhaltenen Ergebnisse werden entweder direkt oder nach entsprechender Auswertung von einer Sendeeinheit 22, die von einem der Messgeberteile, vorteilhafterweise vom oberen Messgeberteil 17, getragen ist, einem geräte- bzw. gehäuseseitigen Empfänger 23 übermittelt, der die Werte der Steuer- und Auswerteeinheit 13 zuführt.

[0039] Prinzipiell ist es auch möglich, dass die Messwerte oder die ausgewerteten Messwerte über die von der Messwelle 25 getragenen Spulen 8 auf die geräteseitigen bzw. gehäuseseitigen Erregerspulen 7 und von dort auf die Steuer- und Auswerteeinheit 13 übertragen werden.

[0040] Das in Fig. 4 dargestellte Rotationsviskosimeter zeigt eine Tastatur 12, insbesondere Folientastatur, zur Eingabe bzw. Vorgabe von Versuchparametern. Ein Display 11 kann die erhaltenen Messwerte darstellen bzw. zur Anzeige bringen. Die Steuer- und Auswerteeinheit 13 kann über ein PC/Printer-lnterface 14 die erhaltenen Messwerte ausgeben. Ein Netzteil 14' dient zur Stromversorgung. Die Steuer- und Auswerteeinheit 13 steuert das User-Interface, das PC/Printer-lnterface 14, ein Thermostat/Printer-Interface 14', sofern die Versuchsdurchführung unter konstanten Versuchsbedingungen bzw. bei bestimmten Temperaturen erfolgen soll, den Motor 1, die Übertragung der Messwerte, und die Temperatur der Probe und der Probenumgebung.

[0041] Da erfindungsgemäß eine in z-Achse stabile Lagerung erfolgt, kann direkt an der Messwelle gemessen werden. Kreuzfedergelenke als zylindrische Lager für Drehbewegungen mit begrenztem Drehwinkel zeigen hohe Steifigkeit in axialer und radialer Richtung, während die Torsionssteifigkeit in Abhängigkeit von den verwendeten Materialien und Federkonstanten der Blattfedern gewählt werden kann.

[0042] Bei derartigen Kreuzfedergelenken ist die Achse zweigeteilt, der obere und untere Teil der Messwelle sind durch ein in Drehrichtung federndes bzw. Federcharakteristik zeigendes Gelenk verbunden. Dabei sind zwei ineinander drehbare Hülsen 40, 41 durch zumindest zwei in zueinander senkrechten Ebenen verlaufende Blattfedern 42 miteinander verbunden, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist. 5/12 österreichisches Patentamt AT508 705B1 2011-06-15 [0043] Zur Bestimmung des relativen Drehwinkels zwischen den vorgesehenen Messgeberteilen, z.B. von parallelen Scheiben 17, 18, sind diese Messgeberteile bzw. Scheiben in zwei benachbarten, insbesondere parallel zueinander und senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden, Ebenen an den Hülsen befestigt. Unter Belastung verdrehen die Messgeberteile 17,18 die bewegliche, mit dem unteren Wellenteil 10 verbundenen Hülse 41 und die eingesperrte, am oberen Wellenteil 9 befestigte Hülse 40 des Kreuzfedergelenkes gegeneinander um einen der Viskosität der Probe proportionalen Winkel, der detektiert und ausgewertet wird. Geeignete Messmethoden zur Bestimmung dieses Winkels sind z.B. optische oder elektrische Methoden.

[0044] Das in Fig. 3 schematisch dargestellte Kreuzfedergelenk 2 ist nicht in seiner Gebrauchslage dargestellt, in der es üblicherweise senkrecht nach unten von einem oberen Wellenteil 9 nach unten abgeht. Ein derartiges Kreuzfedergelenk 2 umfasst die beiden gegeneinander verdrehbar gelagerte Hülsen 40, 41. Zwischen den Hülsen 40, 41 verlaufen Blattfedern 42, welche das im Bereich B gelegene Ende der Hülse 41 mit dem im Bereich A gelegene Ende der Hülse 40 verbinden. Im Bereich A ist an der Hülse 40 der obere Messteil 9 angeschlossen bzw. kann der obere Messgeberteil 17 an der Hülse 40 befestigt sein. An der Hülse 41 ist im Bereich B der untere Wellenteil 10 befestigt bzw. ist in diesem Bereich der Hülse 41 der untere Messgeberteil 18 befestigt. Die langgestreckten Federn reagieren sehr sensibel auf eine relative Rotation der Hülsen 40 und 41 gegeneinander.

[0045] Um höchstpräzise Ergebnisse zu erzielen, soll diese Messung unempfindlich gegenüber minimale Verkippungen bzw. Auslenkungen in Achsenrichtung sein. Dies wird beispielsweise durch eine kapazitive Messung mit Messgeberteilen 17, 18 in Form von Kondensatorscheiben in Brückenschaltung ermöglicht. Aber auch andere Methoden wie z.B. eine optische Bestimmung des Versatzes der beiden Kondensatorscheiben gegeneinander oder induktive Methoden sind möglich.

[0046] Sämtliche für die Messung benötigten Komponenten, wie z.B. die Vollbrückenschaltung oder die für die elektrische Messung oder optische Durchstrahlung benötigten Komponenten können auf den beiden Messgeberteilen 17, 18 angeordneten oder von der Messwelle 25 bzw. dem oberen Wellenteil 9 getragen werden. Dadurch kann der Motor 1 die zur Bestimmung der Verdrehung der Messachse bzw. der Relativverdrehung der beiden Wellenteile 9, 10 benötigten Teile mitdrehen und die gesamte Messanordnung rotiert frei mit dem Messkörper 3.

[0047] Die so generierten Messwerte des sich einstellenden Drehwinkels werden drahtlos ausgelesen und in der angeschlossenen Auswerteeinheit in Relativ-Viskositätswerte gemäß Kalibrierung umgeformt.

[0048] Bei der in Fig. 5 dargestellten kapazitiven Messung werden zwei scheibenförmige Messgeberteile 17, 18 mit einer segmentierten leitfähigen Beschichtung 50 parallel zueinander am oberen Bereich A bzw. unteren Bereich B eines tordierbaren Elementes 2, vorzugsweise eines Kreuzfedergelenkes, montiert. Dies führt dazu, dass die Verdrehung des Elementes 2 zu einer Verdrehung der beiden Scheiben 17, 18 gegeneinander führt. Die Kapazitäten der beiden Teilsegmente auf den sich verdrehenden Scheiben ändern sich. Die leitfähige Beschichtung ist radial in, hier beispielsweise 36, Segmente geteilt, die auf den beiden Scheiben so angebracht sind, dass sie sich teilweise überlappen. Die Bestimmung der Kapazitäten erfolgt elektronisch mit einer Brückenschaltung; die Auswertung erfolgt also nicht in Hinblick auf absolute Werte der Kapazität, sondern auf die Änderung bzw. Relativwerte der Vollbrücke.

[0049] Die Elektronik reagiert in dieser Anordnung sensibel auf Änderung in der Überlappung; durch „Ausmitteln" der einzelnen Segmente ist die Anordnung aber unsensibel gegen Abstandsänderung oder Verkippen der Scheiben 17, 18 gegeneinander. Im Gegensatz dazu würde eine Messung des Absolutwerts der Kapazität Änderungen der Kapazitäten durch Verkippung oder Abstandsänderung mangels Steifigkeit der Anordnung mitmessen.

[0050] Neben der kapazitiven Bestimmung des Drehwinkels sind auch optische Methoden möglich. Dazu werden Scheiben mit überlappenden, teildurchlässigen Strukturen, wie z.B. gezackten Rändern, vorgesehen, und die Überlappung bzw. der Versatz wird durch die Durchstrahlung der beiden Scheiben aus der Intensität des durchstrahlten Lichts bestimmt, wobei ein 6/12

Claims (13)

1. österreichisch ps Patentamt AT508 705B1 2011-06-15 Versatz der Scheiben zu einer Verminderung des freien Querschnittes führt, die ggf. gegenüber einem Referenzstrahl ausgewertet wird. [0051] Auf den beiden Scheiben kann jeweils oben und/oder unten eine Auswerteelektronik angebracht sein, die RFID-artig aufgebaut sein kann. Die Daten werden berührungslos ausgelesen, das gesamte Scheiben-System dreht sich mit der Messwelle mit. [0052] Der eingesetzte Motor soll die Möglichkeit einer Messung mit genau definierter Drehzahl bieten. Dies kann mit kommerziell erhältlichen Steppermotoren erreicht werden, oder es wird ein kommerzieller Gleichstrommotoren mit eingebautem Drehzahlregler verwendet. [0053] Eine besonders kompakte, robuste und einfache Bauweise ist in Fig. 6 dargestellt. Hier ist die Koppelspule 8, die mit der am Motor bzw. Gehäuse 16 bzw. Träger 21 feststehenden Erregerspule 7 wechselwirkt und die zur Messung benötigte Energie induktiv aufnimmt, in eine der beiden Messgeberteile 17 oder 18 integriert. Die parallelen Messgeberteile 17,18 tragen an den einander zugewandten Seiten Detektoreinheiten, insbesondere die in Fig. 5 dargestellten Strukuturen zur kapazitiven Messung des Drehwinkels. Die benötigte Brückenschaltung und Elektronik 24 wird auf den Messgeberteilen 17,18 realisiert. Die Messwerte werden nach Modulation des Spulensignals über die Erregerspule ausgelesen. Die Anbringung der Spulen kann natürlich analog am unteren Messgeberteil 18 erfolgen, die Wechselwirkung erfolgt dann mit unten liegenden Erregerspulen 7 die am Gehäuse 16 feststehend montiert werden. Erfindungsgemäß befindet sich die Lagerung der Messwelle 25 motorseitig zumindest oberhalb des Torsi-onselelmentes 2. Patentansprüche 1. Rotationsviskosimeter mit einer mit vorgegebener, insbesondere konstanter, Drehzahl rotierbaren Messwelle (25), einem von dieser getragenen, in eine Probe absenkbaren Messteil (3) und einer Detektionseinheit zur Ermittlung des Verdrehungswinkels des Messteils (3) gegenüber dem angetriebenen Teil der Messwelle (25), dadurch gekennzeichnet, - dass in die Messwelle (25), vorzugsweise in ihrem motornahen Abschnitt, ein tordierba-res Element (2) eingesetzt ist, - dass die Detektionseinheit (17, 18, 24) mit der Welle mitbewegt wird und die Relativverdrehung bzw. den Verdrehungswinkel zwischen dem bezüglich des tordierbaren Elementes (2) motorseitig gelegenen Wellenteil (9) und dem messteilseitig gelegenen Wellenteil (10) ermittelt und - dass die Ausgangssignale der Detektionseinheit (17, 18, 24) als Basis zur Ermittlung der Viskosität der Probe einer Auswerteeinrichtung (13) zugeführt sind.
2. 2. Rotationsviskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als tordierbares Element (2) ein Kreuzfedergelenk (26) oder ein Torsionsstab eingesetzt ist und/oder dass als Detektionseinheit zumindest ein induktiver, ein kapazitiver oder ein optischer Messgeber vorgesehen ist.
3. 3. Rotationsviskosimeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit zwei einander gegenüberliegende und miteinander zusammenwirkende Messgeberteile (17, 18), z.B. zwei Kondensatorplatten, zwei Spulen oder zwei mit Lichtdurchlässen versehene Blenden, besitzt, wobei der eine Messgeberteil (17), vorzugsweise direkt, mit dem motorseitigen Wellenteil (9) der Messwelle (25) und der andere Messgeberteil (18), vorzugsweise direkt, mit dem messteilseitigen Wellenteil (10) der Messwelle (25) verbunden ist.
4. 4. Rotationsviskosimeter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Messgeberteile (17, 18) in unmittelbarer Nachbarschaft, insbesondere ein Messgeberteil unmittelbar oberhalb und ein Messgeberteil unmittelbar unterhalb, des tordierbaren Elementes (2) jeweils an einem Wellenteil (9,10) befestigt sind.
5. 5. Rotationsviskosimeter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem gegeneinander verdrehbare Hülsen (27, 28) aufweisenden Kreuzfedergelenk (26) einer der 7/12 österreichisches Patentamt AT508 705B1 2011-06-15 Messgeberteile (17, 18) am freien Ende der einen Hülse (41) und der andere Messgeberbauteil (18, 17) am freien Ende der jeweils anderen Hülse (42) befestigt ist.
6. 6. Rotationsviskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine kapazitive Detektoreinheit vorgesehen ist, die als Messgerberteile (17, 18) zwei, insbesondere scheibenförmige, Kondensatorplatten umfasst, wobei die einander gegenüberliegenden Flächen der Kondensatorplatten mit Metallschichten belegt sind, die vorzugsweise radial verlaufende Flächenbereiche bzw. Stege (50) ausbilden, und dass eine Messeinheit zur Ermittlung der Kapazitätsänderungen des von den beiden Platten gebildeten Kondensators im Zuge einer Rotation der beiden Platten relativ zueinander vorgesehen ist.
7. 7. Rotationsviskosimeter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder der Platten jeweils zwei segmentierte bzw. fingerförmig ineinandergreifende Kondensatorflächen ausgebildet sind oder dass auf jeder der beiden Platten zumindest eine Kondensatorfläche ausbildende Metallschicht aufgebracht ist und/oder dass die Kondensatorfläche(n), die auf der jeweiligen Platte ausgebildet ist (sind), in eine Brückenschaltung eingeschaltet sind.
8. 8. Rotationsviskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von einem, vorzugsweise dem oberen bzw. motorseitig gelegenen, Messgeberteil (17, 18) und/oder einem, vorzugsweise dem motorseitigen, Wellenteil (9) ein Sende-Empfänger-Bauteil bzw. Transmitter (22) getragen ist zur über eine Luftstrecke erfolgenden Aufnahme der zur Messung erforderlichen Energie und zur über eine Luftstrecke erfolgenden Abstrahlung der Messsignale an einen geräteseitigen Sende-Empfänger (23).
9. 9. Rotationsviskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass von dem oberen bzw. motorseitigen Messgeberteil (17, 18) und/oder dem motorseitigen Wellenteil (9) und/oder dem messteilseitig gelegenen Wellenteil (10) und/oder dem messteilseitig gelegenen Messgeberteil (18) Koppelspulen (8) zur induktiven Energieeinkopplung und/oder Messdatenübertragung getragen sind, die mit am Stativ (15) und/oder Gehäuse (16) und/oder Träger (21) des Viskosimeters gelegenen Koppel- bzw. Erregerspulen (7) Zusammenwirken.
10. 10. Rotationsviskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das tordierbare Element (2) und/oder die Spulen (7, 8) und/oder die Messgeberteile (17, 18) zumindest teilweise oder zur Gänze unter dem für die Lagerung (L) der Messwelle (25) bzw. des motorseitigen Wellenteils (9) vorgesehenen Raum (R) angeordnet sind.
11. 11. Rotationsviskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das tordierbare Element (2) in Achsrichtung der Messwelle (25) steif und in radialer Richtung gegen Verkippung möglichst steif ausgebildet ist.
12. 12. Rotationsviskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale der Detektoreinheit (17, 18, 24) über einen Transmitter (22) berührungslos bzw. über eine Luftstrecke an die gehäuseseitig gelegene Empfangs- bzw. Auswerteeinheit (13) übertragen werden, oder dass die von der Detektionseinheit (17, 18, 24) ermittelten Werte in dieser verarbeitet und die erhaltenen Viskositätswerte oder aufbereitete Messwerte zur Ermittlung der Viskositätswerte über den Transmitter (22) berührungslos bzw. über eine Luftstrecke einer gehäuseseitig gelegenen Empfangs- bzw. Auswerteeinheit (13) übertragen werden.
13. 13. Rotationsviskosimeter nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit zur Ermittlung der Kapazitätsänderungen von einem der beiden Messgeberteile (17, 18) getragen ist und die Messwerte einer Koppelspule (8) zur Übertragung an eine Erregerspule (7) aufgibt. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 8/12