CH682348A5

CH682348A5 -

Info

Publication number: CH682348A5
Application number: CH206991A
Authority: CH
Inventors: Christian Millauer
Original assignee: Buehler Ag
Priority date: 1991-07-11
Filing date: 1991-07-11
Publication date: 1993-08-31
Also published as: DE4220157B4; DE4220157A1

Description

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Beschreibung description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäss dem Anspruch 2. The invention relates to a method according to claim 1 and a device according to claim 2.

Zur Kontrolle der Konsistenz von plastischem Material, pastösen Massen, Emulsionen und Flüssigkeiten wird die Viskosität in Abhängigkeit vom Schergefälle bestimmt. Die Viskosität beschreibt dynamische Scherspannungen aufgrund der inneren Reibung in bewegten Flüssigkeiten oder in pastösen Massen. Die Definition der Viskosität geht auf den Ansatz von Newton zurück, welcher besagt, dass die Schubspannung proportional zum Schergefälle ist. Der Proportionalitätsfaktor wird dabei als Viskosität (Scherviskosität) bezeichnet. Die beiden Begriffe Schubspannung und Schergefälle lassen sich am Beispiel eines Flüssigkeitsfilms der Dicke d, der an der einen Grenzfläche ruht und an der anderen mit einer Geschwindigkeit v aufgrund der darauf wirkenden Schubkraft bewegt wird, erklären. Die Schubspannung entspricht der Schubkraft pro Flächeneinheit und das Schergefälle entspricht dem Quotienten v/d und somit der Änderung der Verschiebungsgeschwindigkeit von der einen zur anderen Grenzfläche dividiert durch den Abstand zwischen den beiden Grenzflächen. To check the consistency of plastic material, pasty masses, emulsions and liquids, the viscosity is determined depending on the shear rate. The viscosity describes dynamic shear stresses due to the internal friction in moving liquids or in pasty masses. The definition of viscosity is based on Newton's approach, which states that the shear stress is proportional to the shear rate. The proportionality factor is referred to as viscosity (shear viscosity). The two terms shear stress and shear gradient can be explained using the example of a liquid film of thickness d, which rests on one interface and is moved on the other at a speed v due to the shear force acting on it. The shear stress corresponds to the shear force per unit area and the shear gradient corresponds to the quotient v / d and thus the change in the speed of displacement from one interface to the other divided by the distance between the two interfaces.

Bei den meisten Flüssigkeiten und pastösen Massen trifft der Newtonsche Ansatz nicht zu, da sich die Viskosität mit dem Schergefälle ändert. Um eine Beziehung zwischen dem Schergefälle und der Schubspannung respektive der Viskosität zu bestimmen, müssen für verschiedene Schergefälle Viskositätsmessungen durchgeführt werden. Die Viskosität kann nach dem Verfahren von Hagen-Poiseuille mittels einer Kapillare, die von der zu untersuchenden Flüssigkeit oder Masse aufgrund eines Beschickungsdruckes durchströmt wird, bestimmt werden. Aus der Durchflussmenge, dem Beschickungsdruck, der Druckänderung entlang der Kapillare und dem Querschnitt der Kapillare kann die Schubspannung und das Schergefälle und somit die Viskosität bestimmt werden. Weil das Schergefälle sowohl vom Beschickungsdruck wie auch vom Querschnitt der Kapillare abhängt, können durch das Ändern dieser Grössen Messungen bei verschiedenen Schergefällen durchgeführt werden. Newton's approach does not apply to most liquids and pasty masses because the viscosity changes with the shear rate. In order to determine a relationship between the shear rate and the shear stress or the viscosity, viscosity measurements must be carried out for different shear rates. The viscosity can be determined by the Hagen-Poiseuille method by means of a capillary through which the liquid or mass to be examined flows due to a feed pressure. The shear stress and the shear rate and thus the viscosity can be determined from the flow rate, the feed pressure, the pressure change along the capillary and the cross-section of the capillary. Because the shear rate depends on both the feed pressure and the cross-section of the capillary, measurements can be carried out at different shear rates by changing these sizes.

Der Artikel «Determination of the Viscosity of Starch during its Extrusion Cooking with a Co-rota-ting Twinscrew Extruder» von B. van Lengerich and F. Meuser (Singapore Institute of Food Science and Technology, 1989, ISBN 981-00-1653-0) beschreibt Viskositätsmessungen mit einer einzigen schlitzförmigen Kapilare. Unterschiedliche Schergefälle werden durch unterschiedliche Schneckendrehzahlen bzw. Durchsätze erzeugt. Bei den so veränderten Materialdurchsätzen ändern sich aufgrund von entsprechenden Druckänderungen auch Materialeigenschaften wie etwa die Temperatur, sodass die verschiedenen Viskositätsmessungen nicht zu einer Kurve gehören, bei der lediglich ein Parameter, nämlich das Schergefälle verändert wird. Da in der gleichen Arbeit gezeigt wird, dass Materialparameter, wie Temperatur und Feuchtigkeit des Materials sowie Füllgrad der Extruderschnecke einen grossen Einfluss auf die Viskosität haben, wird deutlich, dass mit dem Verändern des Durchsatzes die gewünschten Charakteristiken nur sehr ungenau gemessen werden können. The article «Determination of the Viscosity of Starch during its Extrusion Cooking with a Co-rotating Twinscrew Extruder» by B. van Lengerich and F. Meuser (Singapore Institute of Food Science and Technology, 1989, ISBN 981-00-1653- 0) describes viscosity measurements with a single slit-shaped capillary. Different shear rates are generated by different screw speeds or throughputs. With the material throughputs changed in this way, material properties such as the temperature also change due to corresponding pressure changes, so that the various viscosity measurements do not belong to a curve in which only one parameter, namely the shear rate, is changed. Since the same work shows that material parameters such as temperature and moisture of the material as well as the degree of filling of the extruder screw have a great influence on the viscosity, it becomes clear that changing the throughput means that the desired characteristics can only be measured very imprecisely.

Zur Produktionsüberwachung gebräuchliche Vis-kositäts-Messverfahren (wie beispielsweise beschrieben in «Neues Konzept zur On-line Rheome-trie in Echtzeit», A, Göttfert, Buchen; Kunststoffe 81 (1991) 1, Seite 44; Carl Hanser Verlag, München 1991) weisen ebenfalls nur eine Kapillare auf. Unter konstanten Produktionsbedingungen kann somit nur bei einer Scherrate die Viskosität bestimmt werden. Zur reinen Produktionskontrolle genügt dies auch. Um Charakteristiken zu bestimmen, müsste wie oben bereits als ungenügend beschrieben, der Durchsatz variiert werden. Viscosity measurement methods used for production monitoring (as described, for example, in “New concept for on-line rheometry in real time”, A, Göttfert, Buchen; Kunststoffe 81 (1991) 1, page 44; Carl Hanser Verlag, Munich 1991) also have only one capillary. Under constant production conditions, the viscosity can only be determined at a shear rate. This is also sufficient for pure production control. In order to determine characteristics, the throughput would have to be varied, as already described above as insufficient.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu beschreiben, die es ermöglichen, die Schubspannung für verschiedene Scherraten, in einer Weise zu bestimmen, die alle anderen Materialparameter unverändert lässt. Kennt man die Schubspannungen für mindestens zwei Scherraten, so kann im Bereich dieser Scherraten die Steigung der Kurve, welche die Abhängigkeit der Schubspannung von der Scherrate darstellt, abschätzen. Diese Steigung wird beispielsweise zur Berechnung der Dimensionierung von Extruderbauteilen und zur Modellierung von Extrudern benötigt. The invention is therefore based on the object of describing a method and a device which make it possible to determine the shear stress for different shear rates in a manner which leaves all other material parameters unchanged. If the shear stresses are known for at least two shear rates, the slope of the curve, which represents the dependence of the shear stress on the shear rate, can be estimated in the area of these shear rates. This slope is required, for example, to calculate the dimensioning of extruder components and to model extruders.

Das erfindungsgemässe Verfahren sieht zur Lösung dieser Aufgabe vor, dass die Masse gleichzeitig durch mindestens zwei Kapillaren unterschiedlicher Querschnittsfläche gepresst wird. Unterschiedliche Querschnittsflächen unterscheiden sich entweder im Flächenmass, oder sie haben gleich grosse Flächen, unterscheiden sich aber in der Formgebung. Um bei gleichem Durchsatz und verschiedenen Querschnittsflächen die gleiche mittlere Massengeschwindigkeit, aber unterschiedliche Scherraten, zu haben, wird zweckmässig die Form und nicht das Flächenmass der Querschnittsfläche verändert. Bei kleinen Änderungen des Flächen-masses und somit der mittleren Massengeschwindigkeit ist der daraus resultierende Fehler sehr klein, sodass die erfindungsgemässen Ausführungsformen auch Kapillaren mit unterschiedlichem Flächenmass vorsehen. To achieve this object, the method according to the invention provides that the mass is pressed simultaneously through at least two capillaries of different cross-sectional area. Different cross-sectional areas either differ in terms of area, or they have areas of the same size, but differ in shape. In order to have the same average mass velocity but different shear rates with the same throughput and different cross-sectional areas, the shape and not the area dimension of the cross-sectional area is expediently changed. With small changes in the area dimension and thus the average mass velocity, the resulting error is very small, so that the embodiments according to the invention also provide capillaries with different area dimensions.

Zur Bestimmung der Viskosität wird der Druck respektive die Druckdifferenz an zwei in Längsrichtung voneinander beabstandeten Stellen jeder Kapillare bestimmt. Aufgrund der verschiedenen Querschnittsflächen entsprechen die Viskositätsmessungen an verschiedenen Kapillaren Messungen mit verschiedenen Scherraten. Aus den Differenzen der Schubspannungen und den Differenzen der Scherraten kann die Steigung der Charakteristik bestimmt werden. Da die Druckmessung an allen Kapillaren im wesentlichen gleichzeitig erfolgt, kann auch die Steigung ohne Verzögerung bestimmt werden. To determine the viscosity, the pressure or the pressure difference is determined at two locations of each capillary that are spaced apart in the longitudinal direction. Due to the different cross-sectional areas, the viscosity measurements on different capillaries correspond to measurements with different shear rates. The slope of the characteristic can be determined from the differences in the shear stresses and the differences in the shear rates. Since the pressure measurement on all capillaries takes place essentially simultaneously, the slope can also be determined without delay.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung sieht vor, dass mindestens zwei Kapillaren entweder in Parallel- oder in Serie-Schaltweise an eine Druckerzeugungsvorrichtung, mit einer Vorrichtung zum Messen des erzeugten Druckes, angeschlossen sind. The device according to the invention provides that at least two capillaries are connected either in parallel or in series connection to a pressure generating device with a device for measuring the pressure generated.

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Bei der Parallel-Schaltweise ist vorzugsweise vorgesehen, dass Kapillare mit kleinerer Querschnittsfläche kürzer sind als solche mit grösserer Querschnittsfläche. Bei der Serie-Schaltung nimmt die Querschnittsfläche vorzugsweise in Durchflussrichtung von Kapillare zu Kapillare ab. Die Querschnitte haben gegebenenfalls eine Rechteckform und die verschiedenen Querschnittsflächen ergeben sich bei gleichbleibender Länge durch verschiedene Breiten. In the parallel connection, it is preferably provided that capillaries with a smaller cross-sectional area are shorter than those with a larger cross-sectional area. In the series connection, the cross-sectional area preferably decreases in the flow direction from capillary to capillary. The cross-sections may have a rectangular shape and the different cross-sectional areas result from different widths with the same length.

Jede Kapillare weist an mindestens zwei in ihrer Längsrichtung voneinander beabstandeten Stellen Anschlüsse und Vorrichtungen zur Druckmessung und/oder zur Messung der Druckdifferenz auf. Each capillary has connections and devices for pressure measurement and / or for measuring the pressure difference at at least two points spaced apart in its longitudinal direction.

Als Druckerzeugungsvorrichtung kann beispielsweise ein Extruder dienen, es könnte aber auch ein Druckkolben sein. Abhängig von den Systemparametern, wie zum Beispiel der Schneckendrehzahl, bildet sich ein Beschickungsdruck und ein Material-Durchsatz aus, der ebenfalls von den Fliesseigenschaften des untersuchten Materials und von den angeschlossenen Kapillaren sowie der gegebenenfalls zusätzlich vorhandenen Extrusionsdüsen abhängt. Eine erfindungsgemässe Vorrichtung kann sowohl zum Bestimmen von Viskositätskurven in Abhängigkeit des Schergefälles sowie zur Kontrolle der Materialkonsistenz während der Produktion dienen. Weil immer nebst der Schubspannung respektive der Viskosität auch die Änderung der entsprechenden Grösse abhängig von der Änderung des Schergefälles und somit des Durchsatzes bekannt ist, kann eine zum Erreichen der gewünschten Viskosität nötige Änderung der Schneckendrehzahl abgeschätzt werden. Würde gemäss den bekannten Verfahren lediglich die Viskosität bestimmt, so könnte ein Vergleich dieses Ist-Wertes mit einem Sollwert nur angeben, in welche Richtung die Drehzahl geändert werden müsste und das Problem des Übersteuerns respektive des Schwankens um den gewünschten Wert wäre viel grösser. For example, an extruder can serve as the pressure generating device, but it could also be a pressure piston. Depending on the system parameters, such as the screw speed, a feed pressure and a material throughput are formed, which also depend on the flow properties of the examined material and on the connected capillaries as well as any extrusion nozzles that may be present. A device according to the invention can be used both for determining viscosity curves as a function of the shear gradient and for checking the material consistency during production. Because, in addition to the shear stress or the viscosity, the change in the corresponding size depending on the change in the shear rate and thus the throughput is always known, a change in the screw speed necessary to achieve the desired viscosity can be estimated. If, according to the known methods, only the viscosity was determined, a comparison of this actual value with a target value could only indicate in which direction the speed would have to be changed and the problem of oversteering or fluctuating around the desired value would be much greater.

Im Falle einer Serienschaltung wäre zwar die Aufeinanderfolge einer kleineren und dann einer grösseren Kapillare möglich, doch ist die Anordnung im Sinne des Anspruches 6 vorteilhafter. In the case of a series connection, the sequence of a smaller and then a larger capillary would be possible, but the arrangement within the meaning of claim 6 is more advantageous.

Die Zeichnungen erläutern die Erfindung anhand einer schematisch dargestellten Ausführungsform. The drawings explain the invention using a schematically illustrated embodiment.

Fig. 1: Zwei schlitzförmige Kapillare in Serien-Schaltung Fig. 1: Two slot-shaped capillaries in series connection

Fig. 2: Schematische Darstellung eines Extruders mit zwei in Serie daran anschliessenden Kapillaren. Fig. 2: Schematic representation of an extruder with two capillaries connected in series.

Fig. 3: Schematische Darstellung eines Extruders mit drei parallel daran anschliessenden Kapillaren. Fig. 3: Schematic representation of an extruder with three capillaries connected in parallel.

Ein erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 besteht aus einem Anschlussteil 1 an eine Druckerzeugungsvorrichtung und aus einem Teil 3 mit den Kapillaren. An einer Druck-Messstelle 2 im Anschlussteil 1 wird der Gesamtdruck bestimmt. Zwischen zwei Platten 4 und 5 des Teils 3 führt ein Schlitz vom Anschlussteil durch den Teil 3. Die Breite des Schlitzes ist zweckmässig konstant, kann aber auch zur Erzielung eines konstanten Flä-chenmasses der Querschnittsfläche verändert werden. Die Dicke des Schlitzes wechselt von einer grösseren Dicke im an den Anschlussteil angrenzenden Abschnitt, zu einer kleineren Dicke im zweiten Abschnitt des Teils 3. Der Schlitz wird seitlich von Abstandshaltern 6.1, 6.2, 6.3 berandet, so dass die Schlitzdicke durch Auswechseln dieser Abstandhalter 6.1 bis 6.3 leicht möglich ist, falls dies gewünscht wird. Durch die Platte 5 führen die Anschlüsse 7 für die Druckmessung an verschiedenen Stellen der Kapillaren. Am Ende der Kapillaren tritt das untersuchte Material 8 aus einer Schlitzdüse einer Rechtecklänge L und einer Rechteckbreite B aus. 1 consists of a connection part 1 to a pressure generating device and a part 3 with the capillaries. The total pressure is determined at a pressure measuring point 2 in the connection part 1. Between two plates 4 and 5 of part 3, a slot leads from the connecting part through part 3. The width of the slot is expediently constant, but can also be changed to achieve a constant area dimension of the cross-sectional area. The thickness of the slot changes from a greater thickness in the section adjoining the connecting part to a smaller thickness in the second section of part 3. The slot is laterally bordered by spacers 6.1, 6.2, 6.3, so that the slot thickness is replaced by exchanging these spacers 6.1 to 6.3 is easily possible if desired. The connections 7 lead through the plate 5 for the pressure measurement at different points of the capillaries. At the end of the capillaries, the examined material 8 emerges from a slot nozzle with a rectangular length L and a rectangular width B.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 zeigt eine Extruderschnecke 9 und ein Drucksensor 10 zur Messung des Gesamtdrucks im Anschlussgebiet der Kapillaren. Die Kapillaren 11 und 12 sind in Serie hintereinander geschaltet. In den beiden Endbereichen der Kapillaren 11 respektive 12 befinden sich die Drucksensoren 13, 14 respektive 15, 16. Another embodiment according to FIG. 2 shows an extruder screw 9 and a pressure sensor 10 for measuring the total pressure in the connection area of the capillaries. The capillaries 11 and 12 are connected in series. The pressure sensors 13, 14 and 15, 16 are located in the two end regions of the capillaries 11 and 12, respectively.

Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit drei Kapillaren 17, 18 und 19 in Parallel-Schaltweise. Je kürzer die Kapillare ist, umso kleiner ist vorzugsweise ihre Dicke. An jeder Kapillare sind zwei Anschlüsse mit Sensoren 113, 114 bzw. 213, 214 und 313, 314 zur Druckmessung vorgesehen. Fig. 3 shows an embodiment with three capillaries 17, 18 and 19 in parallel connection. The shorter the capillary, the smaller its thickness is preferably. Two connections with sensors 113, 114 or 213, 214 and 313, 314 for pressure measurement are provided on each capillary.

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Varianten möglich; beispielsweise kann eine Parallel- und eine Serienschaltung von Kapillaren entsprechend einer Kombination der Fig. 2 und 3 vorgesehen sein. Ferner müssen die Kapillaren nach Fig. 3 nicht unbedingt parallel zueinander verlaufen, sondern können miteinander auch einen Winkel ein-schliessen. Ebenso können die Messvorrichtungen auf die verschiedenste Weise ausgebildet sein, um entweder den absoluten Druck und/oder unmittelbar die Druckdifferenz an zwei voneinander beabstandeten Stellen zu bestimmen. An Stelle der Extruderschnecke 9, die bevorzugt verwendet wird, könnte auch jede andere Druckerzeugungsvorrichtung, wie etwa ein Druckkolben, vorgesehen sein. Numerous variants are possible within the scope of the invention; For example, a parallel and a series connection of capillaries can be provided in accordance with a combination of FIGS. 2 and 3. Furthermore, the capillaries according to FIG. 3 do not necessarily have to run parallel to one another, but can also form an angle with one another. Likewise, the measuring devices can be designed in a wide variety of ways in order to determine either the absolute pressure and / or the pressure difference directly at two spaced apart locations. Instead of the extruder screw 9, which is preferably used, any other pressure generating device, such as a pressure piston, could also be provided.

Claims

1. A method for measuring the viscosity of a mass in which the mass is pressed through a capillary of predetermined cross-sectional area and at least one differential pressure is determined along the length of the capillary, whereupon the shear stress and / or the shear rate is calculated from the pressure difference, characterized in that the mass is pressed simultaneously through at least two capillaries of different cross-sectional area and the difference measurement is carried out essentially simultaneously on all capillaries.

2. Device for performing the method according to claim 1 with a capillary (11 or 12 or 17-19) and at least two pressure measuring points (13-16), characterized in that at least a second capillary (12 or 11) with a cross-sectional area that is different from that of the first capillary (11 or 12), and that each capillary (11, 12; 17-19) has connections and devices at at least two points spaced apart in its longitudinal direction

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(13-16) for pressure measurement and / or for measuring the pressure difference.

3. Device according to claim 2, characterized in that the capillaries (17-19) are connected in parallel to a pressure generating device (9) (Fig. 3).

4. The device according to claim 3, characterized in that a capillary (17 or 18) with a smaller cross-sectional area is in each case shorter than one (18 or 19) with a larger cross-sectional area.

5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the capillaries (11, 12) are connected in series connection to a pressure generating device (9).

6. The device according to claim 5, characterized in that the cross-sectional areas of the capillaries (11, 12) become smaller in the flow direction.

7. Device according to one of claims 2 to

6, characterized in that the pressure generating device (9) in the connection area of the capillary (11) is assigned a connection and a device (2; 10) for measuring the pressure of the total pressure.

8. Device according to one of claims 2 to

7, characterized in that the cross-sectional areas are rectangular and that at least in some of the capillaries (11, 12; 17-19) the length (L) of the rectangles is the same and only the width (B) is different.

9. The device according to claim 8, characterized in that the capillaries (11, 12; 17-19) as a slot between two plates (4, 5) by spacers (6.1-6.3), which the plates (4, 5) in the desired Keep distance and edge the slot laterally, are formed.

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