DD231644A1 - Rotationsviskosimeter zur normalspannungsmessung von insbesondere niedrigviskosen, schwachelastischen fluessigkeiten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotationsviskosimeter zur Messung des Normalspannungsverhaltens von insbesondere niedrigviskosen, schwachelastischen Fluessigkeiten, mit zwei gegeneinander rotierenden Messflaechen, wobei eine Messflaeche einen Kegel und die zweite Messflaeche eine Platte darstellt und im Keilspalt zwischen beiden Messflaechen sich die zu messende Fluessigkeit befindet, mit einer Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer sphaerischen Form der freien Oberflaeche der Fluessigkeit im Bereich des aeusseren Randes des Keilspaltes. Ziel ist, den Aufwand zu verringern und Fehlermoeglichkeiten zu minimieren. Aufgabengemaess wird die aus dem Keilspalt austretende Fluessigkeit mengenmaessig und dosiert diesem wieder zugefuehrt und dabei eine sphaerische Form der freien Oberflaeche gebildet. Gemaess der Erfindung besteht die Einrichtung aus mindestens zwei dem Umfang des aeusseren Randes des Keilspaltes gleichmaessig zugeordneten Dosiereinrichtungen, die je ein Speichervolumen fuer die zu messende Fluessigkeit aufweisen und deren Austrittsoeffnung im Bereich der freien Oberflaeche der im Keilspalt befindlichen Fluessigkeit muendet. Figur

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Rotationsviskosimeter zur Messung des Normalspannungsverhaltens von insbesondere niedrigviskosen, schwachelastischen Flüssigkeiten, mit zwei gegeneinander rotierenden Meßflächen, wobei eine Meßiiäche einen Kegel und die zweite Meßfläche eine Platte darstellt und im Keilspalt zwischen beiden Meßfiächen sich die zu messende Flüssigkeit befindet, mit einer Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer sphärischen Form derfreien Oberfläche der Flüssigkeit im Bereich des äußeren Randes des Keilspaltes.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur exakten Bestimmung der ersten Normalspannungsdifferenz mittels eines Rotationsviskosimeters der oben genannten Bauart bedarf es der Einhaltung bestimmter Randbedingungen. Unter anderem betrifft dies die Aufrechterhaltung einer sphärischen Form der freien Oberfläche der zu messenden Flüssigkeit zwischen den äußeren Rändern der beiden Meßflächen sowie die Einhaltung des atmosphärischen Umgebungsdruckes an dieser Oberfläche. Die bekannten technischen Lösungen erfüllen die Einhaltung dieser Bedingungen im Rahmen der allgemeinen Meßungenauigkeit nur für hochviskose Lösungen und Schmelzen.

Es ist eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer sphärischen Form derfreien Oberfläche der zu messenden Flüssigkeit bekannt (R.W. Whorlow „Rheological Techniques", Ellis Horwood Ltd., 1980, S. 143 ff.). Diese besteht aus einem beide Meßflächen umgebenden Ring, welcher ein Flüssigkeits-Reservoir darstellt. Die Höhe des Ringes ist dabei so gestaltet, daß der Flüssigkeitsspiegel mindestens die obere Meßfläche erreicht.

Bei Betrieb des Rotationsviskosimeters bildet sich im Bereich der äußeren Ränder der beiden Meßflächen eine virtuelle sphärische Oberfläche aus. Jedoch werden die Druckverhältnisse an dieser Oberfläche verfälscht. Dieser hydrostatische Anteil wird um so bedeutender, je kleiner die zu messenden Normalspannungen sind.

Es ist weiterhin bekannt, die freie Oberfläche der zu messenden Flüssigkeit mit höherviskosen Newtonschen Ölen abzudecken (a.a.O., S. 137). Dadurch wird bezweckt, durch die veränderten Kraftverhältnisse Instabilitätserscheinungen zu dämpfen, die zu einem Umschlagen der Oberflächenform von konvex in konkav führen können. Diese Vorgehensweise läßt sich jedoch gleichfalls nur bei hochviskosen Flüssigkeiten anwenden, da bei niedrigviskosen Substanzen bereits während des Auftragens des Öls die konvexe Form zerstört wird.

Des weiteren ist es bekannt, die kegelförmige Meßfläche zweiteilig auszuführen. Dabei ist der innere Teil des Kegels die eigentliche Meßfläche, während der äußere Teil als Schutzring wirkt (a.a.O., S. 144). Auch diese bekannte Anordnung eignet sich nur für hochviskose Schmelzen und Lösungen, bei denen der Meßeffekt stark ausgeprägt ist.

Eine ähnlich gestaltete Einrichtung geht aus DE-OS 2149721 als bekannt hervor. Hier ist die obere, kegelförmige Meßfläche in einer Scheibe angeordnet, welche, unmittelbar an den Kegelrand anschließend, eine ringförmige Hinterstechung besitzt. Diese dient u.a. der Sammlung der überschüssigen, d.h. aus dem Keilspalt zwischen den beiden Meßflächen heraustretenden Flüssigkeit. Für die Aufrechterhaltung einer sphärischen Form derfreien Oberfläche der zu messenden Flüssigkeit ist sie aus oben genannten Gründen nicht geeignet.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, ein Rotationsviskosimeter anzugeben, welches für die Normalspannungsmessung von insbesondere er niedrigviskosen, schwachelastischen Flüssigkeiten bei geringem technischem und ökonomischem Aufwand und bei geringen systematischen und zufälligen Fehlern geeignet ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rotationsviskosimeter zur Messung des Normalspannungsverhaltens von insbesondere niedrigviskosen, schwachelastischen Flüssigkeiten, mit zwei gegeneinander rotierenden Meßflächen, wobei eine Meßfläche einen Kegel und die zweite Meßfläche eine Platte darstellt und im Keilspalt zwischen beiden Meßflächen sich die zu messende Flüssigkeit befindet, mit einer Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer sphärischen Form derfreien Oberfläche der Flüssigkeit im Bereich des äußeren Randes des Keilspaltes, zu schaffen, wobei dieaustiem Keilspalt austretende Flüssigkeit mengenmäßig und dosiert diesem wieder zugeführt wird und dabei eine sphärische Form derfreien Oberfläche gebildet wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Einrichtung aus mindestens zwei dem Umfang des äußeren Randes des Keilspaltes gleichmäßig zugeordneten Dosiereinrichtungen besteht, die je ein Speichervolumen für die zu messende Flüssigkeit aufweisen und deren Austrittsöffnung im Bereich der freien Oberfläche der im Keilspalt befindlichen Flüssigkeit mündet.

Vorteilhaft weist dabei die Dosiereinrichtung einen Trichter für die Aufnahme des Speichervolumens auf, weicher in einem Röhrchen mündet, das an seiner Austrittsöffnung parallel zur Rotationsachse der Meßflächen abgeschnitten ist. Zweckmäßig ist weiterhin jederTrichter in einer gleichen (endlichen) Höhe über den beiden Meßflächen einstellbar. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß das Röhrchen jeder Dosiereinrichtung in einem Ständer unter einem Schrägungswinkel α zur Rotationsachse jder Meßflächen ein- und feststellbar ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Rotationsviskosimeters der eingangs genannten Bauart im Teilschnitt dargestellt. Das Rotationsviskosimeter besteht im wesentlichen aus einer unteren Meßfläche, die als Platte 1 ausgebildet ist, und einer oberen Meßfläche, die als Kegel 2 gestaltet ist. Beide Meßflächen sind separat um eine Rotationsachse 3 drehbar in einem in der Zeichnung nicht dargestellten Gehäuse gelagert.

Die Platte 1 ist mit einem nicht gezeichneten Antrieb verbunden, wodurch sie in eine definierte Drehbewegung versetzt werden

Der Kegel 2 ist mit einer gleichfalls nicht gezeichneten Normalkraft- und Drehmomentmeßeinrichtung verbunden.

Die Flächen von Kegel 2 und Platte 1 bilden einen ringförmigen Keilspalt 4, in dem sich die zu messende Flüssigkeit 5 befindet.

Deren freie Oberfläche 6 im Bereich des äußeren Randes des Keilspaltes 4 besitzt im Normalfall eine sphärische Form mit einem Radius R, bezogen auf den Berührungspunkt der Spitze des Kegels 2 auf der Platte 1.

Dem Rotationsviskosimeter sind am Umfang des äußeren Randes des Keilspaltes 4 in gleichen Abständen, d. h. unter je einem Zentriwinkel von 120° — bezogen auf die Rotationsachse 3—drei Dosiereinrichtungen 7 zugeordnet. Davon ist in der Zeichnung eine Dosiereinrichtung 7 dargestellt. Jede Dosiereinrichtung 7 besteht aus einem Trichter 8 für die Aufnahme eines bestimmten (geringen) Speichervolumens an zu messender Flüssigkeit 5. Der Trichter 8 mündet in einem Röhrchen 9, dessen Austrittsöffnung 10 sich im Bereich der freien Oberfläche 6 der Flüssigkeit 5 am Keilspalt 4 befindet. Zweckmäßig ist das Röhrchen 9 an seiner Austrittsöffnung 10 parallel zur Rotationsachse 3 abgeschnitten. Das Röhrchen 9 ist in einer Halterung 11 eines höheneinstellbaren Ständers 12 unter einem Schrägungswinkel α zur Rotationsachse 3 ein- und feststellbar, so daß auch der Trichter 8 in einer bestimmten Höhe über den beiden Meßflächen einstellbar ist.

Die Wirkungsweise ist wie folgt:

Die zu messende Flüssigkeit 5, eine Substanz von niedriger Viskosität und schwacher Elastizität, z. B. Humanglobulin, wird in den Keilspalt 4 zwischen den beiden Meßflächen eingebracht. Zusätzlich wird eine geringe Menge dieser Flüssigkeit 5 in jeden Trichter 8 der Dosiereinrichtungen 7 eingefüllt. Nun ist durch Verstellung des höheneinstellbaren Ständers 12 und dessen Halterung 11 die Höhe des Trichters 8 über den Meßflächen und der Schrägungswinkel α des Röhrchens 9 jeder Dosiereinrichtung 7 so einzustellen, daß im Ruhezustand des Rotationsviskosimeters ein Gleichgewichtszustand zwischen dem hydrostatischen Druck der Flüssigkeit 5 und deren Wandscherspannung (im Röhrchen 9) und der Oberflächenspannung eintritt,

d. h. kein Fließen der Flüssigkeit 5 im Röhrchen 9 stattfindet.

Bei Betrieb des Rotationsviskosimeters tritt unweigerlich aus dem Keilspalt 4 eine geringe Menge der Flüssigkeit 5 aus. Dies führt zu Formschwankungen der freien Oberfläche 6, wobei letztendlich ein Umschlagen in eine konkave Oberflächenform eintreten kann. Entsprechende fehlerhafte Meßergebnisse werden mit den erfindungsgemäßen Dosiereinrichtungen 7 vermieden, indem die aus dem Keilspalt 4 austretende Flüssigkeit 5 mengenmäßig und dosiert ersetzt wird. Dabei wird durch die spezieile Anordnung und Form der Austrittsöffnung 10 gleichzeitig die erforderliche sphärische Form der freien Oberfläche 6 (neu) gebildet.

Claims (4)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Rotationsviskosimeter zur Messung des Normalspannungsverhaltens von insbesondere niedrigviskosen, schwachelastischen Flüssigkeiten, mit zwei gegeneinander rotierenden Meßflächen, wobei eine Meßfläche einen Kegel und die zweite Meßfläche eine Platte darstellt und im Keilspalt zwischen beiden Meßflächen sich die zu messende Flüssigkeit befindet, mit einer Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer sphärischen Form derfreien Oberfläche der Flüssigkeit im Bereich des äußeren Randes des Keilspaltes, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus mindestens zwei dem Umfang des äußeren Randes des Keilspaltes (4) gleichmäßig zugeordneten Dosiereinrichtungen (7) besteht, die je ein Speichervolumen für die zu messende Flüssigkeit (5) aufweisen und deren Austrittsöffnung (10) im Bereich derfreien Oberfläche (6) der im Keilspalt (4) befindlichen Flüssigkeit (5) mündet.
2. 2. Rotationsviskosimeter nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiereinrichtung (7) einen Trichter (8) für die Aufnahme des Speichervolumens aufweist, welcher in einem Röhrchen (9) mündet, das an seiner Austrittsöffnung (10) parallel zur Rotationsachse (3) der Meßflächen abgeschnitten ist.
3. 3. Rotationsviskosimeter nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Trichter (8) in einer gleichen (endlichen) Höhe über den beiden Meßflächen einstellbar ist.
4. 4. Rotationsviskosimeter nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrchen (9) jeder Dosiereinrichtung (7) in einem Ständer (12) unter einem Schrägungswinkel (α) zur Rotationsachse (3) der Meßflächen ein-und feststellbar ist.

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