DD215172A1 - Verfahren und einrichtung zur viskositaetsmessung eines plastischen fluids - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Viskositaet eines heissen, plastischen Fluids sowie eine Messeinrichtung. Sie dient d. Zweck, einen entscheidenden qualitaetsbestimmenden Parameter unmittelbar im Schmelzprozess zu ermitteln und durch einfache Sensorgestaltung eine hochtemperaturbestaendige Ausfuehrung zu erleichtern, wobei die Erfordernis einer intelligenzintensiven Messwertaufbereitung, mit Blick auf zeitgemaesse elektronische Hardware in Kauf genommen wird. Das Wesen besteht darin, auf der Basis von akustischen Resonanzerscheinungen Fluidfuellstandsaenderungen i. einem in d. Schmelze eingetauchten, zunaechst mit Gas gefuelltem Messraum, der im wesentlichen ein Rohr mit Messduese darstellt, nach Aufhebung des darin herrschenden Gasueberdruckes, als Stroemungsgeschwindigkeit in der Messduese umzuwerten und mit den jeweils wirksamen geodaetischen Druckdifferenzen in Beziehung zu setzen, so dass Eichkurven von Stroemungsviskosimetern anwendbar sind. Bei leerem Messraum wird im Messzyklus aehnlich zusaetzlich die Messraumtemperatur ermittelt. Die Gestaltung des Sensors laesst den Einsatz ueber bekannte wassergekuehlte Messgeraetetraeger zu. Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Schmelzoefen im Mittel- und Hochtemperaturbereich.

Description

Titel der Erfindung .

Verfahren und Einrichtung zur Viskositätsmessung eines- pla-

stischen Fluids '

Anwendungsgebiet der Srfinduns

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Viskosität eines plastischen Fluids, vorzugsweise von geschmolzenem Glas sowie, eine Meßeinrichtung,'

-o '

.. . . In der Glasindustrie ist es erforderlich, die allgemein in ihrer Temper at ar kor r elation als Verarbeit'oarkeit des Glases bezeichnete Viskosität der Schneize, vor allem in Speisern, exakt und kontinuierlich zu messen, um die Leistungs- und Qualitätsparameter der Verarbeitungstechnologie- zu gewahrleisten sowie- optimieren zu können. Viskositätsmessungen in der Schmelzwanne' während des Schmeizprozasses bieten die . .· Möglichkeit, einen entscheidenden qualitätsbestinimenden Parameter unmittelbar im Schmelzprozeß zu ermitteln<>

Derartige Messungen sind'jedoch auch in der Stahl- und chemischen Industrie sowie bei nahezu allen Arbeiten mit quasiflüssigen Medien dringend'erforderlich, aber bei den dort zu verzeichnenden hohen Medientemperaturen nur schwierig zu realisierer.o

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind in der Vergangenheit bereits eine Reihe von Ver-

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fahren und Einrichtungen zur -Viskositätsbestimmung von plastischen Fluiden bekanntgeworden, so zum Beispiel das Rotations-, Vibrations- und Ausfließverfahren sowie Viskosimeter, die nach dem Höpplerschen Kugelfallprinzip arbeiten»

Diese Verfahren und Geräte sind nicht geeignet, die vorliegende technische Aufgabenstellung befriedigend zu lösen, da sie vorwiegend Meßmittel für labortechnische, nicht: Jedoch für betriebstechnische Untersuchungen darstellen, Sie stellen . an die Meßdurchführenden und--auswertenden.hohe Qualifikatipnsanfcrderungen und erfüllen darüber hinaus nicht bzw. nur unbefriedigend die Anforderungen eines kontinuierlichen Meßbe-

triebea* .. ,

Mit der DD-PS 115 215 sind ein Verfahren und^:ein Strömungsviskoslmeter zur Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten vorgeschlagen wordene Bei diesen durchströmt die zu.prüfende Flüssigkeit aus·:einem Überlaufgefäß in vertikaler Richtung nacheinander ein Kapillarrohr, ein Steigrohr' und eine Blende« Dabei wird ein'im Steigrohr -sich einstellender,, in Aphängig-

'; ;. keit von der Zähigkeit: der zu prüfendem Flüssigkeit sich ändernder Flüssigkeitsspiegel zum Messen.der.Zähigkeit benutzte

Dieses Verfahren ist für die Viskositätsbestimmung von plastischen Fluiden wenig bzw» nicht geeignet, da die Meßeinrichtung den Hochtemperatureinflüssen nicht standhält. Kapillar- und Steigrohr setzen sich rasch zu und erfordern daher ^: einen hohen Wartungsaufwand, · ; .· : . ··. .

Für die Messung in tiochtemperaturprozessen fanden, bereits Rührgeräte Verwendung, wobei die Stromaufnahine deren Antriebsmötore al3 Maß für die Viskosität der Schmelze herangezogen wurde. '

Die Standzeit dieser Rührgeräte ist sehr kurz, woraus dis Hacht-eile dieses Vorschlages deutlich zu erkennen sind«

Irr der DS-PS 1 773 295 wurde schließlich ein Verfahren -vorgeschlagen, das mit charakteristischen Kenngrößen der Blasenbildung im Glasbad arbeitet» Durch aufsteigende Blasen wird jedoch ein Bubblingeffekt erzeugt» Das heißt, bei diesem

Meßverfahren wird am Meßort durch vertikale Glasströmungen das Meßergebnis verfälscht» Ära Meßort entsteht insbesondere . dann ein systematischer Fehler, sobald ein Viskositätsgradient im vertikalen Sinn vorhanden ist.

Im allgemeinen muß in der Schmeizwanne jedoch von diesem Gradienten ausgegangen werden, und Viskositätsmessungen sind gerade dann von Interesse, wenn dieser Gradient ausgebildet ist oder gar Schichtungen mit ausgeprägten ViskositätsSprüngen im Glasbad des Schmelzofens vorhanden sind»

Diese Nachteile schließen eine Anwendung dieses Verfahrens für präzise Betriebsmessungen aus,

Ziel der Erfindung-Ziel der Erfindung ist ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur kontinuierlichen Messung der Viskosität sowie des Viskositätsgradienten eines plastischen Fluids, insbesondere von geschmolzenem Glas, mit hoher Genauigkeit und einfacher Sensorgestaltung. Dabei soll mit der Viskositätsmessung zugleich die Temperatur des Fluids ermittelt werden»,

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine verfahrensrealisierende Einrichtung zu schaffen, mit

SO ' denen die Viskosität eines plastischen Fluids gemessen werden kann, wobei die den bekannten Verfahren und Einrichtungen anhaftenden vorstehend hinreichend beschriebenen Nachteile vermieden werden. Insbesondere wurde dabei die Anfälligkeit der-Meßeinrichtungen gegenüber den hohen Temperaturen der Glas- ' '·" schmelzen überwundene Durch Vermeidung einer Homogenisierung der Glasschmelzen werden bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren Meßfehler ausgeschaltet« .

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß nach dem Prinzip eines an sich bekannten Strömungsviskosimeters ein definierter Meßrauin zur Messung vertikal in das zu prüfende Medium eingetaucht wird, wobei der Meßrauin durch eine geeignete Beaufschlagung mit einem Gas bis zum Meßzeitpunkt frei von der Glasschmelze bleibt_s

Der gleiche Effekt wird im übrigen erzielt, wenn ein stationär im Schmelzbad befindlicher Meßraum zur Einleitung der Messung durch Gasdruck entleert.wird.

Durch die Flüssigkeitssäule über der Meßöffnung des Meßraumes wirkt eine Kraft, durch welche es im Augenblick der Freigabe der Meßöffnung zu einem spontanen Füllstandsausgleich zwischen Schmelzwanne und Meßrauin kommt. Die zeitliche Aufnahme der damit verbundenen Füllstandsänderung im Meßraum-.wird erfindungsgemäß als Viskositätskenngröße gewonnen, Hierzu wird der Meßraum mit einem definierten Meßton beschallt, der bei bestimmten Füllständen im Meßraum eine Resonanz erzeugte Diese Resonanz ist ausschließlich von der Länge 1 des Meßraumes, einer Gaskonstanten aß ,.. dem Druck ρ des Gases im Meßraum, dessen Dichte Q₁ und der-Frequenz f des Schalls abhängig, womit eine Eichfähigkeit der Meßergebnisse gewährleistet wird«

Die Strömungsgeschwindigkeit der abschnittsweisen zeitlichen Füllstandsänderung in Zuordnung zu den jeweils wirkenden Kräften läßt eine Anwendung der für Kapillarviskosimeter an sich bekannten Bichkurven zu. Erfahrungsgemäß wird jedoch eine in Soft- und Hardware realisierte mathematische Beschreibung des Sinströmvorganges vorgeschlagen, wodurch aus der Messung weniger Markendurchgangszeiten die hohe Meßgenauigkeit des Verfahrens gesichert wird.

Resonanzen treten an gedachten Resonanzrohren, .wie sie der Meßraum darstellt, jeweils bei Streckenlängen auf, die

1 > , 3 ι , 5 χ usw. betragen

"ξ ^A 4 ^ 4 ^

Sie sind an aktiven Tongebern zuverlässig und genau über dessen Leistungscharakteristik meßbar, sofern eine Rückkopplung besteht. Soll jedoch auf den Effekt der Rückkopplung verzichtet werden, wird erfindungsgemäß zusätzlich zum aktiven Geber ein Tonaufnehmer angeordnet. Eine Verfahrensvariante besteht darin, die Änderung der Schwebungs- .·. frequenz in der Umgebung von Resonanzfäilen zwischen Tongeber und MeQraum zur Ermittlung der Püllstandsänderung heranau-'

' ziehen,,

3rfindungsgemaß, nach einem weiterhin modifizierten Verfahren/ das auf die Ausnutzung der mehrfachen Resonanz einer kon-..-. stanten. Geber frequenz verzichten soll, wird während des Sinströmvorgangs mittels an sich bekannter elektronischer Einrichtungen die Resonanzfrequenz zwischen Tongeber und Meßraum kontinuierlich gesucht, nachgeführt und deren Zeitkurve erfaßt

£i^e Rssonanzerkennung ist nur dann für das vorgesehene Anwendungsgebiet technisch lösbar, wenn .der Meßraum relativ weif vom Tonfrequenzgeber entfernt ist, da dieser, den hohen Temperaturen nicht standzuhalten vermag. Deshalb ist zwischen . Meßraum und Tonfrequenzgeber ein Temperaturaüsgieichsraum angeordnet, der zur Schallübertragung und zum Temperaturausgleich

auf das Meßniveau dient. Die Rückkopplung geschieht auf mecha- : nischem Weg über vorzugsweise keramische Wände von Meßraum und Temperaturausgleichsraum sowie den akustischen Storkörper₀

Voraussetzung der Füllstandsmessung im Meßraum ist die Kenntnis der Schallgeschwindigkeit, die aus der Punktion

c = f * ß. , in welcher c - Schallgeschwindigkeit f - Tonfrequenz Λ .-- Wellenlänge

gewinnbar ist· Dies geschieht folgendermaßen:

Die Länge des Meßzylinders ist bekannt. Der Meßzylinder wird durch Gasdruck entleert, Ss wird'eine Tonfrequenz gesucht, die nunmehr zur Resonanz führt» Damit istA bekannt, sobald eine richtige Einschätzung darüber erfolgte, welches der zu-lässigen Vielfachen von A zur Resonanz ..führte;

Wenn dabei die Temperatur der Schmelze gleich der des Meßraumes gesetzt wird, gewinnt man als Uebenergebnis zugleich die Temperatur des Fluids, indem eine Approximation der Punktion

_„| _{in welG}n_er

2i'po

ν- Gastemper.atur . . . ·

aC - kubischer Ausdehnungskoeffizient , f - Tonfrequenz Λ - Wellenlänge

1Ö5. ³^ - Isentropenexponent ρ - Normdruck des Gases ^ - Hormdiohte des Gases

bedeuten, erfolgt.

• ^{: :} Die Ermittlung der "Startfrequenz"' stellt somit eine se.lb-170: ständige Temperaturmessung auf akustischem Weg dar» Dies ist . '' ' deshalb besonders erheblich, da es eindeutiges Verfa.hrensziel

aller Viskcsitätsmessungen ist,' möglichst zugleich die Tem-, - peratur des Pl'uids zu ermitteln,

':'.- Die Durchführung dieses Verfahrens erfolgt mittels einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem. Tonfrequenzgeber zur • . .- Meßwertgewinnung und einer an sich bekannten elektronischen Schaltungsanordnung zur Meßwertauswertung.- ..:

Hierzu ist innerhalb des Ofens mit dem zu messenden Fluid ein Sensor, bestehend aus einem isolierten Meßraum, einem Temperatürausgleichsraum, einem akustischen Störkörper, einem '. Tongeber sowie Gas- und elektrischen Zuleitungen derart angeordnet, daß der Meßraum in das Pluia eintaucht· Der Meßraumeingang für die Schmelze ist als Meßdüse ausgebildet«,

Mittels einer Gasbeaufschlagung über einen Druckgeber, der außerhalb des Schmelzofens angeordnet ist, kann der Meßraum

frei von der ihn ansonsten umgebenden Schmelze gehalten ' werden, bis für den Beginn des vorstehend beschriebenen . Meßverfahrens der Meßraum entspannt wird und das Fluid in diesen hineinströmen kann«

Da das zu messende Fluid außerordentlich hohe Temperaturen . aufweist, denen der Tonfrequenzgeber nicht standhält, ist zwischen dem Sensor und dem ,Tonfrequenzgeber ein Temperaturausgleichsraum angeordnet, über einen Kühler und ein not- _: wendiges Anschlußrohr werden die Gas- und elektrischen Leitungen aus. dem Schmelzofen heraus zu dem dort angeordneten ^:. Druckgeber und einen Fallanalysator Drucksprung-sowie der - ... elektronischen Schaltungsanordnung mit einem Fallanalysator Hesonanzleistung, einer Zeitmessung und Digitalisierung sowie einem Mikrorechner geführt. : .

.200 Diese erfindungsgemäße Einrichtung gestattet es, den einfach und zuverlässig aufgebauten Sensor bei der Viskositätsmessung .

; , plastischer Fluide, den dabei auftretenden höchsten /thermischen Belastungen auszusetzen, ohne daß dabei die Einrichtung selbst Schaden erleidet oder das Meßverfahren durch Meßverfälschungen

eingeschränkt wird· ; .

. Die für jede Einzelmessung erforderliche intelligenzintensive „ . Meßwertaufbereitung ist durch den Einsatz elektronischer Rechentechnik rasch, exakt und ohne weiteren Aufwand durchführbar» - . . . ^: ---.- .

Ausfuhrungsbeispiel

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfinderische verfahrensrealisierende Einrichtung sollen nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden«

Die zugehörigen Zeichen zeigen

-in Fig. 1: das Schema der Meßeinrichtung und in Pig. 2: den Sensor der Einrichtung als Einzelheit»

In einein Schmelzofenraum 1 mit dem zu messenden Fluid 2 sind ein Sensor 3 und Kühler 4 der Meßeinrichtung angeordnet· und über ein Verbindungsrohr mit Gas- und elektrischen Zuleitungen 5, 6 mit einem Druckgeber und -messer 7, einem FaIlanalysator Drucksprung 8 sowie der elektronischen Schaltungsanordnung mit einem Fallanalysator Resonanzleistung 9, einer Zeitmessung und Digitalisierung TO sowie einem Mikrorechner verbunden.

Der Sensor besteht dabei aus einem Meßraujn 12 mit Meßdüse 13, einem Temperaturausgleichsraum 14» einem akustischen Störkörper 15, einem Tongeber 16 und einer thermischen .Isolierung 17«

Das Verfahren zur Viskositätsmessung, des plastischen Fluids 2 wird eingeleitet, indem das Fluid, aus dem in dasselbe eingetauchten Meßraum 12 durch eine Beaufschlagung über den Druckgeber und -messer 7 mit einem Gas von bekanntem Issntropenexponenten ae ausgetrieben wird. Dabei wird im Meßraum zur Erfassung einer Unstetigkeit des Druckabfalls beim Vorgang des Austreibens der statische Gasdruck gemessen, um die Beendigung dieses Vorganges zu kennzeichnen* Im nunmehr fluidfreien Meßraum erfolgt dann die Resonanzfrequenzermittlung für einen der möglichen diskreten Resonanzfälle der Raumlänge 1 = 3/4 Λ , 5/4 A aus einer signifikanten Änderung der Leistungsaufnahme des definierte Meßtöne ausstrahlenden Tongebers i6_a

240 Mittels der Funktion 245

- 1

36·

wird die Gastemperatur im Resonanzraum berechnet, bevor der Überdruck im Meßraum aufgehoben wird und sich der statische Gasdruck im Meßraum gleich dem oberhalb des freien Pluidspiegels einstellt» Bei weiterer Beschallung des Meßraumes mit dem definierten Ton werden die Resonanzfälle 5/4 A, 3/4 λ , '1/4 A zeitlich aufgenommen und so der Einstrb'mvorgang einer mathematischen Behandlung zugängig gemacht.

Claims (9)

Srfindungsanspruch

1. Verfahren zur Viskositätsmessung eines plastischen'Fluids, vorzugsweise von geschmolzenem. Glas, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem in das zu messende Fluid (2) eingetauchten Meßraum (12) durch eine Beaufschlagung mit einem Gas von bekannten Isentropenexponenten afc das Fluid ausgetrieben . wird und bei. der Entspannung des Meßraumes der volumetrische Durchsatz des Fluids durch eine Meßdüse (13) als Kriterium für die Bestimmung der Viskosität des Fluids herangezogen wird, indem dieser mittels akustischer Füllstandsmessungen in dem über der Meßdüse angeordneten Meßraum ermittelt wird und der Füllstand in Körrelation mit der durch den geodätischen Druck der Flüssigkeitssäule gebildeten wirksamen Kraft zur Füllstandsänderung zeitlich aufgenommen wird und hieraus eichfähige, reproduzierbare und berechenbare Viskositätskenngrößen abgeleitet "werden, wobei sich die wirksame Kraft als Differenz zwischen dem Fluidstand in der Schmslzwanne und dem im Meßraum gemessenen Pegel ergibt. .. , -.

20:

2« Verfahren nach Punkt T, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Meßraumes weitestgehend der Temperatur des diesen umgebenden Fluids angeglichen wird und Temperaturgradienten im Meßraum während des Meßvorganges durch eine geeignete thermische Isolierung unterdrückt werden,

3« Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur akustischen Füllstandsmessung im Meßraum Resonanzfälle einer definierten Tonfrequenz an diskreten Füllständen bei 1/4 .Λ » 3/4 λ , 5/4Λ usw_e herangezogen werden, die definierte Tonfrequenz für den geleerten Meßraum gleichfalls durch Resonanz ermittelt wird'-.-sowie zugleich in Kenntnis der Abmessungen des Meßraumes in diesem eine Temperaturmessung erfolgt«

4. Verfahren nach Punkt 1 bis'3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des Resonanzfalles .durch Rückkopplung zwischen Tonfrequenzgeber (16) und Meßraum (12) über die Leistungscharakteristik des Gebers ".erfolgte

5« Verfahren nach Punkt 1 bis 3, dadurch ,gekennzeichnet, daß die Ermittlung des Resonanzfalles durch.einen gesonderten Empfänger über .die Messung signifikanter Änderungen der 40' Lautstärke erfolgt, ' . '".'

6, Verfahren nach Punkt 1 bis 3 und 4 oder- 5.,. dadurch ge- "·.

kennzeichnet} daß die Resonanzfrequenz während,desMeß- Vorganges kontinuierlich-elektronisch .nachgeführt wird,

7· Verfahren nach Punkt 1 bis 6, dadurch, gekennzeichnet, daß!- ·. bei einer oder mehreren "Frequenzen, in der Umgebung ' zugehöriger Füllstände die Änderung "der, Schwebungsfrecuenz/. -. .' ! zwischen Tonfrequsnzgeber ^und.-^:Meßraum als!-Füllstands- ' .· !signal· einer Auswertung zugeführt wird, - . · _: . ·

' S, Einrichtung zur !Durchführung des Verfahrens nach ^;Punkt ;1 -bis 7, dadurch-'gekennzeichnet, ^daß in- einem Schmelzofen-... raum (1 ) mit dem zu messenden Fluid , (2) sin Sensor (3) und ein Kühler (4) angeordnet sind un-d diese'über ' Gasundelektrische Zuleitungen (5 ; ,6) mit einem außerhalb. des Schmelzofens befindlichen Druckgeber und. -messer (7), einem FaI!analysator.

Drucksprung- (S) !sowie einer elektronischen Schaltungsanordnung mit eln.em Fallanalj^sator Resonanzleistung" (9), einer Zeitmessung und Digitalisierun; " - (10) sowie einem Mikrorechner (11 ) verbunden sinä-,

9« Einrichtung nach Pankt 8, dadurch' gekennzeichnet, ^aß 6ö ' der Sensor aus einem Meßraum (12) mit-Meßdüss (13)_s einem teilweise vom Kühler umgebenden .Temperaturausgleichsr.aum' (14), einem akustischen Störkörper (15), einem Tonfrequenzgeber (1o) besteht und von einer thermischen Isolie: umgeben ist« .

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HJerzu 1 Seite Zeichnungen