CH663471A5

CH663471A5 - Torsionsrohrgeraet zum messen der viskositaet und elastizitaet eines fluids.

Info

Publication number: CH663471A5
Application number: CH3130/83A
Authority: CH
Inventors: Ronald F Garritano
Original assignee: Rheometrics Inc
Priority date: 1982-07-22
Filing date: 1983-06-08
Publication date: 1987-12-15
Also published as: JPS5919837A; FR2530815A1; US4468953A; CA1191720A; GB8317229D0; DE3324842C2; GB2123966B; FR2530815B1; GB2123966A; DE3324842A1; JPH0355778B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zum Messen der Viskosität und Elastizität eines Fluids, wie einer poly-meren Schmelze. Das hier beschriebene Gerät ist insbesondere zur Durchführung solcher Messungen im On-Line-Betrieb während der ablaufenden Fluidverarbeitung gut geeignet. In Übereinstimmung mit der Erfindung werden solche Parameter dynamisch durch Messen der Charakteristika eines kontinuierlich bewegten Fluidstromes bestimmt, während der Strom Scherkräften ausgesetzt ist.

Veränderungen in der Elastizität und Viskosität sind für viele der Unterschiede in den Verarbeitungs- und Leistungseigenschaften von polymeren Schmelzen, wie Thermoplasten, verantwortlich. Bei der kommerziellen Nutzung von solchen Materialien kann die Güte des hergestellten Endprodukts gewöhnlich mit Erfolg gesteuert werden, wenn solche Charakteristika bekannt und während des Herstellungsprozesses kontrolliert werden.

Früher wurden die Vi skositätswerte und Elastizitätswerte oft in Off-Line-Messungen bestimmt, d.h. es wurde eine Probe der polymeren Schmelze aus der Verarbeitungseinrichtung entnommen und in einem eigenen oft weit entfernten Laboratorium geprüft. Da jetzt jedoch automatisierte Anlagen aus polymeren Schmelzen Produkte mit hoher Geschwindigkeit herstellen können, kann jeweils eine grosse Anzahl von Produkten mit schlechter Qualität oder von den Spezifikationen nicht entsprechenden Produkten hergestellt werden, bevor die Resultate der Off-Line-Viskositäts- und Elastizitätsmessung bekannt sind.

Es ist daher erwünscht, die Viskosität und Elastizität von polymeren Schmelzen während deren Herstellung und Verarbeitung in einem On-Line-Vorgang messen zu können.

Es sind schon verschiedene Geräte vorgeschlagen worden, die zum Messen der Viskosität und Elastizität von flüssigen Medien, wie polymeren Schmelzen, verwendet werden können. Solche Geräte umfassen kapillare oder schlitzförmige Strömungsvorrichtungen und Vorrichtungen, die die Theologischen Grössen durch Bestimmung der Schercha-rakteristika der polymeren Schmelze messen. Das Gerät der vorliegenden Erfindung ist von der letzteren Art und arbeitet dynamisch an einem kontinuierlichen Fluidstrom.

Ein Beispiel für ein Schwerströmungs-Messgerät ist das Couette-Hatschek-Rotationszylinderviskosimeter, das in «Plastics & Polymers», Februar 1973 dargestellt und beschrieben ist. Dieses Gerät weist konzentrische Innen- und Aussenzylinder auf. Der Innenzylinder ist an einem Torsionszylinder kleineren Durchmessers befestigt, der seinerseits an einem am Geräterahmen montierten oberen Presskolben befestigt ist. Eine Welle ist am einen Ende des Innenzylinders befestigt und erstreckt sich durch den Torsionszylinder aus dem Geräterahmen hinaus. Eine polymere Schmelze wird zwischen den Innen- und Aussenzylinder eingegeben und der Aussenzylinder wird gedreht, um auf das polymere Material eine Scherkraft auszuüben. Der viskose Widerstand des Materials erzeugt ein Drehmoment am Innenzylinder, welches als Scherbeanspruchung interpretiert wird.

Das Couette-Hatschek-Viskosimeter ist jedoch gewissen Fehlerquellen beim Messen der Viskosität unterworfen. Eine Fehlerquelle ist die notwendige Endkorrektur bei der Zylinderlänge, welche wegen der viskosen Strömung an anderen Stellen ausser im ringförmigen Spalt zwischen den Zylindern erforderlich ist. Komplexe Sekundärströmungen treten auch an anderen Stellen im Strömungspfad des Fluids auf und führen zu Fehlern. Ausserdem weist das Couette-Hatschek-Gerät gewisse praktische Nachteile auf, da der Innenzylinder und der Torsionszylinder als zwei separate Teile ausgeführt sind.

In einer Veröffentlichung von H.K. Bruss Rheoverfahrens-

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technik GmbH ist ein Bericht über Viskosimetermessungen bekannt gemacht, die ein Messen der dynamischen Scherbeanspruchung einer polymeren Schmelze umfassen. Das dort behandelte Viskosimeter vereinigt jedoch einen Innenzylinder oder «Bob» mit erweitertem Durchmesser und einen Torsionsmesszylinder mit verkleinertem Durchmesser, die aus zwei separaten Bauteilen konstruiert sind und somit fehlerhafte Ablesungen ergeben, wie es oben beschrieben ist.

Die US-PS 3 128 620 (Gupta) betrifft auch ein Drehrohr-Rotationsviskosimeter zum Messen der dynamischen Scherbeanspruchung eines Fluids. Es enthält eine Drehbüchse, die konzentrisch in einem zylindrischen Rotor angeordnet und an eine Welle zur Übertragung der Verdrehung angekoppelt ist. Die Büchse ist über einen Schutzmantel mit einer Abschlusskappe versehen. Der Rotor umschliesst die Büchse nur auf einem Teil ihrer Länge und daher wird das Fluid zuerst in ein zwischen einem Aussenkörper und der Büchse vorhandenes kreisförmiges Gebiet und danach in ein ringförmiges Gebiet zwischen dem Rotor und der Büchse geführt. Dieses Gerät weist demnach gewisse der bei den oben behandelten bekannten Apparaten festgestellten Nachteile auf.

Ein dem Couette-Hatschek-Rotationszylinderviskosimeter ähnliches Viskosimeter ist auch in der US-PS 2 817 231 (Barstow) geoffenbart.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Torsionsrohrgerät zum Messen der Viskosität und der Elastizität eines Fluids zu schaffen, bei dem die für die bekannten Geräte bezeichnenden Nachteile vermindert oder behoben sind.

Positiv ausgedrückt, handelt es sich darum, ein Gerät zu schaffen, welches die Viskosität und Elastizität eines Fluids durch Messen der dynamischen Scherbelastung des Fluids bestimmt, wobei das Gerät mit einem glatten Strömungspfad ausgebildet sein soll, um die Neben- und Sekundär-Fluid-ströme zu verringern, die zu fehlerhaften Messungen führen können.

Weiterhin ist ein Gerät zu schaffen, bei welchem das Fluid gleichmässig unter konstantem Druck durch Bauteile des Gerätes derart fliesst, dass an das Fluid dynamische Scherkräfte angelegt sind.

Ferner soll bei dem Gerät die Temperatur und die Geschwindigkeit des durchfliessenden Fluids genau gesteuert und konstant gehalten werden können.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Gerät zu schaffen, bei welchem die Viskositäts- und Elastizitätswerte eines Fluids bestimmt werden, indem ein Torsionsrohr so verdreht wird, dass Schwingungs- und Wärmebewegungen einer in dem Rohr angeordneten Welle zur Torsionsübertragung wirkungsvoll aufgehoben sind.

Zur Lösung der genannten Aufgaben weist das Torsionsrohrgerät die Merkmale nach Anspruch 1 auf. Die Vorteile bestehen darin, dass man das zu prüfende Fluid durch einen langen, glatten ringförmigen Hohlraum fliessen lässt, der zwischen einem drehenden Aussenzylinder und einem inneren Torsionsrohr mit einem am Gehäuse befestigten Ende gebildet ist. Das Vorhandensein eines solchen glatten ringförmigen Hohlraumes führt zu einem Selbstreinigungseffekt, bei dem das einströmende Fluid alles zuvor eingeführte Fluid durch das Prüfgerät ausstösst. Demgemäss sind hier keine Totbereiche vorhanden, in denen das Fluid für längere Zeit zurückbehalten werden kann und dadurch Fehlmessungen entstehen. Eine im Torsionsrohr angeordnete Welle zur Torsionsanzeige ist an dessen freien Ende befestigt und erstreckt sich über die ganze Länge des Torsionsrohres, um in einer Anzeigevorrichtung zu enden, welche den Verdrehungsgrad der Welle abfühlt. Wie oben mit Bezug auf den Stand der Technik beschrieben, führt ein Drehen des Aussenzylinders zu einer Drehbewegung des Fluids. Durch die vorliegende Erfindung ist jedoch erreicht, dass die Drehbewegung des Fluids direkt auf die Mantelfläche des Torsionsrohres wirkt. Die Drehbewegung der Anzeigewelle ergibt sich demnach aus der Verdrehung des freien Endes des Torsionsrohres, die durch ein an das Rohr angelegtes, durch die Drehbewegung des durch den Hohlraum strömenden Fluids verursachtes Drehmoment verursacht ist. Das Endergebnis davon ist, dass die Viskosität und die Elastizität des Fluids aus verschiedenen, den Grad der Wellenverdrehung einschlies-senden Ausgangsdaten berechnet werden kann.

In allgemeiner Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können insbesondere der Aussendurchmesser des Torsionsrohres und der Innendurchmesser des drehenden Aussenzylinders über deren ganzen Länge im wesentlichen konstant sein, wodurch für das Fluid ein glatter Strömungspfad entsteht. Eine Antriebsvorrichtung kann den Aussenzylinder oszillierend drehen, um dem durch den ringförmigen Hohlraum strömenden Fluid die erforderliche Drehkraft zu geben.

Gemäss einer weiteren Ausbildung der vorliegenden Erfindung kann das Gehäuse mit einer Öffnung ausgestattet sein, durch welche das feste Ende des Torsionsrohres konzentrisch hindurchgeführt ist, wodurch sich eine ringförmige Durchlassöffnung für das Fluid zum langen ringförmigen Strömungspfad hin ergibt. Das Fluid kann durch eine mit der Durchlassöffnung in Verbindung stehende Zuführungsleitung in den Strömungspfad eingegeben werden.

Hierdurch, d.h. aufgrund dessen, dass der zylindrische Fluidstrom während des Messens über seine ganze Länge zwischen der Einlauföffnung und der Auslauföffnung des Viskositäts-Prüfgerätes im wesentlichen gleichmässig ist,

können bei den zu messenden Scherkräften keine Abweichungen oder Unregelmässigkeiten erzeugt werden. Anders ausgedrückt, ein wesentlicher Unterschied zwischen einem Gerät nach der Erfindung und einem bekannten Gerät besteht darin, dass bei dem Gerät nach der Erfindung jegliche Diskontinuität im zu messenden zylindrischen Fluidstrom vermieden ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Messvorrichtung zum Abfühlen der Drehbewegung der Welle vorzugsweise ein Paar Gegen-Differentialtransducer auf, die an die Welle so angekuppelt sind, dass Schwingungsund Wärmebewegungen der Welle aufgehoben werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung ausführlich erläutert. Auf der Zeichnung zeigen :

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch ein Torsionsrohrgerät zum Messen der Viskosität und der Elastizität eines Fluids nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Längsschnitt einer bevorzugten Ausführungsform des in Fig. 1 gezeigten Torsionsrohrgerätes und

Fig. 3 von dem in Fig. 2 dargestellten Torsionsrohrgerät eine Seitenansicht, von rechts gesehen, die die dualen Gegen-Differentialtransducer veranschaulicht.

Wie schematisch in Fig. 1 gezeigt ist, ist das im ganzen mit 10 bezeichnete und gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildete Torsionsrohrgerät zum Messen der Elastizität und der Viskosität eines Fluids, wie einer polymeren Schmelze, geeignet. Dieses Gerät kann im Echtzeit- und im On-Line-Betrieb eingesetzt werden und ist, der Bequemlichkeit halber, in der Verwendung bei einem Prozess-Extruder 12, der eine solche polymere Schmelze erzeugt, beschrieben und dargestellt. Selbstverständlich kann das Gerät der vorliegenden Erfindung,

wenn erwünscht, anderen Gegebenheiten zum Messen der Viskosität und Elastizität von anderen Fluidarten angepasst sein.

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In der hier beschriebenen Ausführungsform ist der Prozessextruder 12 durch eine Leitung 14 an eine Schmelzenpumpe 16 angeschlossen. Ein Motor treibt die Pumpe 16 an, um die polymere Schmelze aus dem Extruder unter Druck durch eine Zuführungsleitung 20 in das Gerät einzutragen.

Das Gerät 10 umfasst ein Gehäuse 22, in dem eine ringförmige Eingabekammer 24, die mit der Zuführungsleitung 20 in Verbindung steht, und eine die Kammer öffnende kreisförmige Öffnung 26 kleineren Durchmessers ausgebildet sind. Die Kombination von Eingabekammer 24 und verengter Öffnung 26 bewirkt einen gleichförmigen Druck rings um den ganzen Umfang der Öffnung. Demzufolge ist der Materialstrom beim Eintreten in den zylindrischen Hohlraum gleichförmig, was zu dem obenerwähnten Selbstreinigungseffekt beiträgt.

Ein hohles Torsionsrohr 28, das im wesentlichen einen einheitlichen Durchmesser aufweist, hat ein mit dem Gehäuse 22 an der Basis 34 der Eingabekammer 24 fest verbundenes erstes festes Ende 32, einen Abschnitt 30, der von dem ersten Ende konzentrisch durch die Öffnung 26 hindurchragt, und ein freies Ende 36, das in einer konischen Spitze 37 endet und von dem festen Ende 32 absteht. Das Torsionsrohr ist einstückig als integriertes Bauteil ausgebildet.

Das Gerät 10 weist ferner einen hohlen Aussenzylinder 36 auf, der im wesentlichen einen einheitlichen Innen- und einen einheitlichen Aussendurchmesser hat. Der Aussenzylinder ist an einem ersten Ende 39 an der Abtriebswelle eines Motors 40 befestigt. Der Motor dreht den Aussenzylinder um dessen Achse auf irgendeine gewünschte Weise, z.B. für eine schrittweise, oszillierende oder kontinuierliche Bewegung, wie es ausführlicher weiter unten beschrieben wird. Der Aussenzylinder erstreckt sich, das Torsionsrohr konzentrisch, teleskopartig einschliessend vom Motor weg und endigt in einem zweiten Ende 42 nahe am Gehäuse 22 im Bereich der Öffnung 26. Der Aussenzylinder und das Torsionsrohr begrenzen so einen inneren, langgestreckten ringförmigen Hohlraum 44, der im wesentlichen einen einheitlichen Innen- und einen einheitlichen Aussendurchmesser hat und welcher einen glatten Strömungspfad für die polymere Schmelze bildet. Die Öffnung 36 und der Abschnitt 30 des Torsionsrohres bilden zudem eine ringförmige Durchlassöffnung 46 als Auslass von der Kammer 24 und Einlass in den ringförmigen Hohlraum 44 zum Einführen von polymerer Schmelze in den Hohlraum. Eine radial ausgerichtete Auslassöffnung 48, die mit dem ringförmigen Hohlraum in Verbindung steht, kann in dem Aussenzylinder vorgesehen sein, so dass die polymere Schmelze am Ende ihres Strömungsweges durch den ringförmigen Hohlraum aus dem Gerät als Abfall abgeführt werden kann.

Zur Torsionsübertragung ist in dem Torsionsrohr koaxial eine Welle 50 angeordnet. Eine Verbindungsstange 51 erstreckt sich senkrecht zur Welle 50 und ist an deren einem Ende 52 starr befestigt. Die Verbindungsstange 51 erstreckt sich als Befestigungselement diametral quer durch das Torsionsrohr und ist an der Innenseite im Bereich des freien Rohrendes 36 befestigt. Ein zweites, abstehendes Ende 60 der Welle so erstreckt sich durch eine Bohrung 54 im Gehäuse 22 und endigt im Bereich der Gehäuseseite 56, die der das Torsionsrohr tragenden Gehäuseseite gegenüberliegt. Eine kurze Kuppelstange 58 ist an dem vorstehenden Ende 60 der Welle 50 befestigt und ist im allgemeinen senkrecht zu dieser ausgerichtet. Am Gehäuse sind duale, geradlinig verstellbare Differentialtransducer 62 befestigt, von denen jeder den gleichen Abstand von der ihnen gemeinsamen Achse A der Welle 50 hat, um entgegengesetzt gerichtete Belastungen aufzunehmen. Zur Aufnahme einer solchen Belastung ist jeder Transducer an ein Ende der Kuppelstange angeschlossen.

Auf den Aussenzylinder 38 ist koaxial eine zylindrische Heizvorrichtung 64 befestigt, welche Wärme an den Aussenzylinder und an das durch den inneren ringförmigen Hohlraum fliessende Fluid liefert.

Das im allgemeinen vorstehend beschriebene Torsionsrohrgerät arbeitet wie folgt: Von dem Prozess-Extruder 12 wird eine kleine Menge polymerer Schmelze zur Pumpe 16 abgezweigt, welche von dem Motor 18 angetrieben wird, um die Schmelze unter Druck in die Eingabekammer 24 des Gehäuses zu fördern. Die Eingabe von polymerer Schmelze kann kontinuierlich oder intermittierend erfolgen. Danach fliesst die polymere Schmelze im wesentlichen gleichmässig und unter im wesentlichen konstantem Druck durch die ringförmige Durchlassöffnung 46 in den langgestreckten inneren ringförmigen Hohlraum 44 zwischen dem Torsionsrohr 28 und dem Aussenzylinder 38. Nach dem Durch-fliessen des Hohlraumes 44 wird die Schmelze durch die Auslassöffnung 48 abgeführt.

Während sich die polymere Schmelze in dem ringförmigen Hohlraum befindet wird der Aussenzylinder von dem Motor 40 entweder kontinuierlich oder oszilliernd um seine Achse gedreht. Eine oszillierende Drehung um kleine Amplituden, z.B. um plus oder minus 0,5 rad mit einer Frequenz von 0,1 bis 500 rad pro Sekunde wird bevorzugt. Die Drehbewegung des Aussenzylinders erzeugt zwischen dem Zylinder und der eine Scherkraft, die ihrerseits eine Scherkraft zwischen der Schmelze und dem Torsionsrohr 28 erzeugt. Das Torsionsrohr wird um einen Betrag verdreht, der über den Scherwiderstand an der Mantelfläche des Torsionsrohres von der Viskosität und der Elastizität der Schmelze abhängt. Diese Verdrehung wird von der als Befestigungselement dienenden Verbindungsstange 51 auf die Welle 50 und weiter von der Kuppelstange 58 auf die Differentialtransducer 62 als Vor-und Rückwärtsbewegungen übertragen. Jeder Transducer erzeugt ein von seiner Belastung abhängiges elektrisches Signal, welches bei sachgemässer Eichung zur Anzeige der Viskosität und Elastizität der Schmelze verwendet werden kann.

Das vorstehend im allgemeinen beschriebene Torsionsrohrgerät nach der Erfindung weist mehrere wichtige Vorteile gegenüber bekannten Geräten auf. Speziell bestimmt die Anordnung der Öffnung 26 und der durch sie ragende Teil 30 des Torsionsrohres 28 eine ringförmige Durchlassöffnung, die eine im wesentlichen gleichförmige Einführung von Fluid unter im wesentlichen konstantem Druck gewährleistet. Der einheitliche Innendurchmesser und einheitliche Aussendurchmesser des ringförmigen Strömungs-Hohlraumes 44 ergeben eine schlichte Strömung, welche bei dem Fluid eine konstante Dicke an allen Berührungspunkten über die ganze Länge des Torsionsrohres erzwingt. Deshalb sind sekundäre Fluidströme und -läufe, die zu Fehlern bei der Viskositäts- und Elastizitätsmessung führen könnten, unterdrückt.

Die Verwendung und Anordnung von dualen Differential-transducern 62 löscht oder dämpft auch wirksam Schwin-gungs- und Wärmebewegungen der die Torsion übertragenden Welle auf die im folgenden näher beschriebenen Weise.

Das vorstehend im allgemeinen beschriebene Torsionsrohrgerät ist mit mehr Einzelheiten in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Wie man dort sehen kann, ist das Gehäuse 22 mit einem radial ausgerichteten Einlasskanal 66 ausgebildet, der die Zuführungsleitung 20 aufnimmt und gegen diese abgedichtet ist. Der Einlasskanal 66 endet in der Eingabekammer 24. An der Basis der Eingabekammer 24 ist eine Montagetülle 68 eingeformt. Das Torsionsrohr 28 hat einen Abschnitt 70 erweiterten Durchmessers, der in die Montagetülle 68 fest eingesetzt ist. Auf der Seite 56 des Gehäuses 22 ist ein

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Abschlussdeckel 72 befestigt und eine Dichtung 74 dichtet das Gebiet dazwischen ab.

Der Aussenzylinder 38, der aus rostfreiem Stahl bestehen und einen Mantel 86 aus Kupfer zur Vergrösserung des Wärmeübergangs haben kann, ist mit der Abtriebswelle 88 des Motors 40 durch eine geeignete Drehkupplung 90 verbunden. Das andere Ende 42 des Aussenzylinders 38 ist in einem Lager 92 gehalten, das in einer ringförmigen Ausnehmung 94 im Gehäuse 22 befestigt ist, um die koaxiale Anordnung von Aussenzylinder 38 und Torsionsrohr 28 aufrechtzuerhalten.

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, umfasst die Heizvorrichtung 64 einen zylindrischen Heizblock 96 und eine den Block umgebende Heizwicklung 98. Der Block 96 hat eine Innenbohrurig 100 mit einem Durchmesser, der etwas grösser als der Aussendurchmesser des Aussenzylinders ist. Zwischen dem zweiten Ende 42 des Aussenzylinders und der Wandung 104 des Gehäuses im Bereich der Öffnung 26 kann ein enger Spalt 102 vorgesehen sein. So kann eine kleine Menge der unter Druck durch die ringförmige Durchlassöffnung 46 zugeführten polymeren Schmelze durch den Spalt 102 abgezweigt werden und über das Wälzlager 92 in den äusseren ringförmigen Hohlraum 103 zwischen der Bohrung 100 und der Mantelfläche des Aussenzylinders 38 abgeleitet werden. Am niederdruckseitigen Ausflussende des Torsionsrohres ist zwischen dem Heizblock 96 und dem Aussenzylinder 38 eine Dichtung 105 vorhanden, so dass in dem äusseren ringförmigen Hohlraum 103 die polymere Schmelze zur Auslassöffnung 48 hin gerichtet wird. Die den äusseren ringförmigen Hohlraum 103 ausfüllende polymeren Schmelze fördert die Wärmeleitung von dem Heizerblock zum Aussenzylinder und von da zu der durch den inneren ringförmigen Hohlraum 44 fliessenden polymere Schmelze. Diese erhöhte Wärmeleitung fördert eine gleichmässige Erwärmung des Gerätes und der dieses durchströmenden polymeren Schmelze. Wie weiterhin in Fig. 2 ersichtlich ist, ist eine zweite Heizwicklung 106 um einen Teil des Gehäuses herum angeordnet, um die gleichmässige Erwärmung des Gerätes noch weiter zu fördern.

Die dualen, linear verstellbaren Differentialtransducer 62 sind auf einer Grundplatte 76 montiert, die durch Schrauben 78 an dem Abschlussdeckel 72 befestigt ist. Die Transducer sind ferner in einer Abdeckkappe 80 eingeschlossen, die an der Grundplatte 76 durch Schrauben 82 festgehalten ist, die in auf der Grundplatte befestigte geeignete Winkelstücke 84 eingeschraubt sind. Die Abdeckkappe schützt die Transducer vor Beschädigungen sowie vor Störungen von aussen.

Wie in Fig. 3 ersichtlich ist, sind die Differentialtransducer 62 auf der Grundplatte 76 in bezüglich der Achse A der Welle 50 im wesentlichen einander diametral gegenüberliegenden Positionen montiert. Die Kuppelstange 58 weist ein Paar Verbindungsglieder 108 auf, von denen sich jedes an einem Ende derselben parallel zum anderen erstreckt. Jedes Verbindungsglied 108 ist ferner an einen Transducer 62 angeschlossen,

um die Verdrehung der Welle auf diesen zu übertragen. Die Transducer sind somit in bezüglich der Achse A einander im wesentlichen diametral gegenüberliegenden Positionen angeordnet, um zueinander parallele aber einander entgegengerichtete Belastungen aufzunehmen. D.h., wenn ein Transducer eine Vorwärtsbewegung der Kuppelstange 58 aufnimmt, nimmt der andere eine Rückwärtsbewegung derselben auf. Diese Anordnung und Befestigung der Transducer macht im wesentlichen Schwingungs- und Wärmebewegungen der Welle 50 während der Viskositäts- und Elastizitätsmessung unwirksam.

Die am meisten erwünschte Fluid-Strömungsgeschwindig-keit kann durch Steuerung der Motor-Pumpen-Kombination 16,18 gewählt werden, wobei das Fluid beim Benetzen der Oberflächen des Torsionsrohres 28 und des Aussenzylinders 38 einer axialen Scherbeanspruchung unterworfen ist. Wenn das Fluid kontinuierlich durch das Gerät gepumpt wird, ist der obengenannten axialen Scherbeanspruchung eine geringe Umfangsscherung überlagert, die von der verhältnismässig geringen Verdrehung des Aussenzylinders herrührt. Auf diese Weise können nützliche dynamische Prüfdaten aus den Messwertablesungen der Transducer 62 erhalten werden. In einer alternativen Betriebsart kann die Pumpe 16 angehalten werden, wodurch die kontinuierliche Strömung des Prüfmaterials durch den Hohlraum abgebrochen wird. Bei einer solchen Arbeitsweise ist keine axiale Strömung und damit auch keine axiale Scherbeanspruchung vorhanden, so dass die Ausgabemesswerte der Transducer allein von einer durch die Drehbewegung des Aussenzylinders 38 hervorgerufene Dreh-Scherbeanspruchung herrühren.

Aus der vorstehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist ersichtlich, dass mit ihr wesentliche Vorteile erzielt werden. Fehler, die aus einem sekundären Fluidstrom zwischen dem Torsionsrohr und dem Aussenzylinder oder sonstwo im Gerät resultieren können, sind eliminiert. Ausserdem wird die polymere Schmelze mit einer konstanten Geschwindigkeit dem ringförmigen Hohlraum zwischen Torsionsrohr und Aussenzylinder zugeführt, wodurch eine gleichmässige und selbstreinigende Strömung des zu prüfenden Fluids gewährleistet ist.

Es ist auch einzusehen, dass an dem beschriebenen Aufbau von einem Fachmann Modifikationen vorgenommen werden können. So können z.B. die Transducer an bezüglich der Achse A einander diametral gegenüberliegenden Stellen angeordnet jedoch zur Aufnahme von Wellendrehungen in der gleichen Richtung statt in entgegengesetzten Richtungen angeordnet sein.

Demgemäss ist verständlich, dass die vorstehende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung lediglich zu deren Erläuterung dient. Es können noch andere Abänderungen an dem beschriebenen Torsionsrohrgerät zum Messen der Elastizität und der Viskosität eines Fluids vorgenommen werden, um es jeweils besonderen Gegebenheiten anzupassen.

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2 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRUCH E

1. Torsionsrohrgerät zur Durchführung von On-Line-Vis-kositäts- und Elastizitätsmessungen an einem Fluid, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (22); einen von dem Gehäuse (22) abstehenden und an dieses drehbar angeschlossenen Aussenzylinder (38); eine Antriebsvorrichtung (40) zum Drehen des Aussenzylinders (38); ein langgestrecktes Torsionsrohr (28), das in dem Aussenzylinder (38) konzentrisch und mit radialem Abstand von diesen angeordnet ist, wobei das Torsionsrohr (28) an seinem einen Ende (32) an dem Gehäuse (22) befestigt ist und sein anderes Ende (36) für eine Verdrehung in bezug auf das ortsfeste Ende (32) frei in dem Aussenzylinder (38) liegt, und wobei zwischen dem Torsionsrohr (28) und dem Aussenzylinder (38) ein ringförmiger Hohlraum (44) vorhanden ist; durch Mittel (46 bzw. 48) zum Einführen eines kontinuierlichen Fluidstromes in das Innere des Aussenzylinders (38) an dem einen Ende (32) des Torsionsrohres (28) und zum Abführen des Fluids aus dem Aussenzylinder (38) an dem anderen Torsionsrohr-Ende (36), wobei eine durch Drehen des Aussenzylinders (38) hervorgerufene Drehbewegung des Fluids eine Torsionskraft direkt auf die Aussenfläche des Torsionsrohres (28) ausübt; durch eine Welle (50) zur Torsionsanzeige, die sich konzentrisch in dem Torsionsrohr (28) erstreckt, mit ihrem einen Ende (52) an dem anderen Ende (36) des Torsionsrohres (28) befestigt und durch das Gehäuse (22) hindurchgeführt ist; und durch eine Anzeigevorrichtung (62,108), die mit dem anderen Ende (60) der Welle (50) verbunden ist, wobei die auf das Torsionsrohr (28) wirkende Torsionskraft die einzige Kraftquelle zum Drehen der Welle (50) ist und die Anordnung einen glatten Strömungspfad für das kontinuierlich durch den ringförmigen Hohlraum (44) zwischen dem Aussenzylinder (38) und dem Torsionsrohr (28) fliessende Fluid bildet.
2. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an das Gehäuse (22) eine Fluid-Zuführungslei-tung (20) angeschlossen ist, und dass das Gehäuse (22) eine ringförmige Eingabekammer (24) mit einer an dem genannten einen Ende (32) des Torsionsrohres (28) angeordneten und mit der Zuführungsleitung (20) in Verbindung stehenden verengenden Durchlassöffnung (46) aufweist, um das Fluid gleichmässig durch die Durchlassöffnung (46) in den zylindrischen Hohlraum (44) im Bereich des Torsionsrohres (28) zu injizieren.
3. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung (62,108) duale Gegen-Differentialtransducer (62) umfasst und dass die Gegen-Transducer (62) die aus der Verdrehung des Torsionsrohres (28) resultierende Drehbewegung der Welle (50) messen, deren Schwingungs- und Wärmebewegung jedoch aufheben.
4. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Hohlraum (44) zwischen der Aussenfläche des Torsionsrohrs (28) und dem Aussenzylinder (38) einen sich längs erstreckenden ringförmigen Raum mit im wesentlichen über die gesamte Länge dieses Raums konstantem Innen- und Aussendurchmesser bildet, der einen glatten Strömungspfad für das fliessende Fluid darstellt, und dass die Welle (50) zur Torsionsanzeige koaxial innerhalb des Torsionsrohrs (28) angeordnet ist und ein bis in den Bereich des Gehäuses (22) sich erstreckendes zweites Ende aufweist.
5. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionsrohr (28) ein integriertes Einzelbauteil ist und für das Fluid einen selbstreinigenden Strömungspfad bildet.
6. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (22) eine Öffnung aufweist, durch die hindurch sich konzentrisch das Torsionsrohr (28)

erstreckt, um eine ringf örmige Durchlassöffnung (46) zum inneren ringförmigen Hohlraum (44) zu bilden, und dass das Gerät eine Zuführungsleitung (20) aufweist, die mit der Durchlassöffnung (46) zur Versorgung mit Fluid in Verbindung steht.
7. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Heizvorrichtung (64) zum Erwärmen des durch den ringförmigen Hohlraum (44) fliessenden Fluids ; einen Zylinderblock (96) als Träger der Heizvorrichtung (64), welcher Zylinderblock (96) konzentrisch und mit Abstand um den Aussenzylinder (38) herum angeordnet ist, um dazwischen einen äusseren ringförmigen Hohlraum (103) zu begrenzen, und durch Mittel (92,102,104) zum Einleiten von Fluid in den äusseren ringförmigen Hohlraum (103), um über das den äusseren ringförmigen Hohlraum (103) durchströmende Fluid den Wärmeübergang durch Wärmeleitung von dem Zylinderblock (96) zum Aussenzylinder (38) und weiter zum durch den inneren ringförmigen Hohlraum (44) fliessenden Fluid zu unterstützen.
8. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (22) mit einer Öffnung ausgestattet ist, durch die das Torsionsrohr (28) konzentrisch hindurchgeführt ist, um eine ringförmige Durchlassöffnung zu bilden, und dass der Aussenzylinder (38) ein an die Antriebsvorrichtung (40) angekuppeltes erstes Ende (39) und ein im Bereich der Durchlassöffnung liegendes zweites Ende (42) aufweist, das jedoch an der Durchlassöffnung von der daran angrenzenden Wandung des Gehäuses (22) Abstand hat, wobei die genannten Bereiche des Aussenzylinders (38) und des Gehäuses (22) die Mittel zum Einleiten von Fluid darstellen, die es gestatten, einen Teil von dem durch die Durchlassöffnung zugeführten Fluid durch den äusseren ringförmigen Hohlraum (103) fliessen zu lassen.
9. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung (62,108) eine am zweiten Ende (60) der Welle (50) in zu dieser senkrechten Ausrichtung befestigte Kuppelstange (58) und ein Paar Dif-ferentialtransducer (62) umfasst, von denen jeder am Gehäuse (22) befestigt und an einer von der Welle (50) weg liegenden Stelle an die Kuppelstange (58) angeschlossen ist.
10. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Differentialtransducer (62) beiderseits der Welle (50) einander gegenüberliegend mit gleichem Abstand von der Wellen-Achse (A) angeordnet sind, wobei jeder Transducer (62) zur Aufnahme von Zug- und Druckbelastung eingerichtet ist, die abwechselnd in zueinander parallelen Richtungen senkrecht zur Kuppelstange (58) angelegt sind.
11. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Differentialtransducer (62) zur Aufnahme von Belastungen in zueinander entgegengesetzten Drehrichtungen angeordnet sind.
12. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Differentialtransducer (62) zur Aufnahme von Belastung in gleicher Drehrichtung angeordnet sind.
13. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (22) eine kreisförmige Ausflussöffnung aufweist und ein Abschnitt des zylindrischen Torsionsrohrs (28) konzentrisch durch die Ausflussöffnung sich hindurch erstreckt, wodurch eine ringförmige Durchtrittsöffnung (46) gebildet ist, dass mit der Welle (50) zum Anzeigen der Torsionskräfte ein Paar von Gegen-Differen-tialtransducern (62) gekuppelt ist, die an dem Gehäuse (22) derart befestigt und an die Welle (50) derart angekuppelt sind, dass das Beaufschlagen des einen Transducers durch die Welle (50) mit einer Bewegung nach vorn bei dem anderen Transducer ein Beaufschlagen durch die Welle mit einer

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Rücklaufbewegung zur Folge hat; dass ferner Mittel (20,24) zum Einführen von Fluid durch die ringförmige Durchlassöffnung (46) in den ringförmigen Hohlraum (44) vorgesehen sind, so dass beim Drehen des Aussenzylinders (38) das Fluid den ringförmigen Hohlraum (44) in ungehinderter Strömung durchfliesst, wobei die Drehung des Aussenzylinders (38) Dreh-Scherkräfte zwischen dem Aussenzylinder (38) und dem Fluid und weiter zwischen dem Fluid und dem Torsionsrohr (28) erzeugt, um unmittelbar an dem freien Ende (36) des Torsionsrohres (28) eine Torsionskraft in bezug auf dessen festes Ende (32) zu entwickeln, die durch die Welle (50) auf die Differentialtransducer (62) als Zug- und Druckbelastung übertragen wird und deren Betrag mit der Viskosität und der Elastizität des Fluids verknüpft ist.
14. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionsrohr (28) ein einstückiger, integrierter Bauteil ist.
15. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Heizvorrichtung (64) zum Erwärmen des durch den ringförmigen Hohlraum (44) fliessenden Fluids; einen Zylinderblock (96) als Träger der Heizvorrichtung (64), welcher Zylinderblock (96) konzentrisch und mit Abstand um den Aussenzylinder (38) herum angeordnet ist, um dazwischen einen äusseren ringförmigen Hohlraum (103) zu begrenzen; und durch Mittel (92, 102,104) zum Einleiten von Fluid in den äusseren ringförmigen Hohlraum (103), um über das den äusseren ringförmigen Hohlraum (103) durchströmende Fluid den Wärmeübergang von dem Zylinderblock (96) zum Aussenzylinder (38) und weiter zum durch den inneren ringförmigen Hohlraum (44) fliessenden Fluid durch Wärmeleitung zu unterstützen.
16. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenzylinder (38) ein an die Antriebsvorrichtung (40) angekuppeltes erstes Ende (39) und ein im Bereich der Durchlassöffnung liegendes zweites Ende (42) aufweist, das jedoch an der Durchlassöffnung von der daran angrenzenden Wandung des Gehäuses (22) Abstand hat, wobei die genannten Bereiche des Aussenzylinders (38) und des Gehäuses (22) die Mittel zum Einleiten von Fluid darstellen, die es gestatten, einen Teil von dem durch die Durchlassöffnung zugeführten Fluid durch den äusseren ringförmigen Hohlraum (103) fliessen zu lassen.
17. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zweiten Ende der Welle (50) eine zur Welle (50) senkrechte Kuppelstange (58) befestigt ist und die Differentialtransducer (62) am Gehäuse (22) befestigt und je an einer von der Welle (50) Abstand aufweisenden Stelle an die Kuppelstange (58) angeschlossen sind.
18. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Differentialtransducer (62) mit gleichen Abständen von der Achse (A) der Welle (50) und in bezug auf die Wellen-Achse (A) einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind, wobei jeder Transducer (62) zur Aufnahme von Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen eingerichtet ist, die abwechselnd in zueinander parallelen Richtungen senkrecht zur Kuppelstange (58) angelegt sind.
19. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (40) eingerichtet ist, um den Aussenzylinder (38) regelmässig oszillierend in beiden Richtungen zu drehen.
20. Torsionsrohrgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenzylinder (38) eine Abflussleitung (48) zum Abführen von Fluid aus dem inneren ringförmigen Hohlraum (44) aufweist.