DD252246A1 - Metallische schutzabdeckung fer geraete mit niederfrequenten magnetischen wechselfeldern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft stationaer und dynamisch messende Rotationsrheometer und die Rheometrie bei Zentrifugierung von Stoffen. Ziel der Erfindung ist ein Rotationsrheometer, welches die allgemeine rheologische Charakterisierung und die Untersuchung von Zentrifugalkraeften ermoeglicht, einen breiten Messbereich aufweist sowie eine hohe Messwertqualitaet bei geringen Aufwendungen aufweist. Erfindungsgemaess wird das Ziel dadurch erreicht, dass ein Teil des rheologischen Messsystems von einem drehzahlgeregelten oder -gesteuerten Motor angetrieben wird und der nicht angetriebene Teil des rheologischen Messsystems rotatorisch frei beweglich, gebremst wird, wobei das Drehmoment gesteuert oder geregelt ist. Der angetriebene und/oder gebremste Teil des rheologischen Messsystems ist mit Drehzahl- und/oder Drehmoment-Sensoren versehen. Die gemessenen und/oder vorgegebenen Beanspruchungsgroessen werden in einer Steuer- und Auswerteeinheit verarbeitet. Zur speziellen Untersuchung der Wirkung von Zentrifugalkraeften sind die Messsystemteile durchlaessig gestaltet. Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die rheologische Stoffcharakterisierung einschliesslich der bei unterschiedlichen Gravitationskraeften (Zentrifugalkraeften).

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft stationär und dynamisch messende Rotationsrheometer für Laborbetrieb und Prozeßüberwachung und die Rheometrie bei Zentrifugierung von Stoffen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, Rotationsrheometer zu verwenden wie sie in der Charakteristik der bekannten technischen Lösungen und in den Erfindungsansprüchen zum Wirtschaftspatent DD 229898 benannt sind. Diesen Rotationsrheometern ist gemeinsam, daß das Schergefälle durch geeignete Drehzahlregelsysteme vorgegeben und die auf Grund des Theologischen Verhaltens der Meßsubstanz sich ergebende Schubspannung in Form des Drehmomentes gemessen wird. Zur Auswertung von viskoelastischen Eigenschaften werden insbesondere Funktionen des Schergefälles bezüglich der Zeit und unter der Voraussetzung eines newtonschen Fließverhaltens (Rheomat 135, Rheomat 145 der Firma Contraves, Schweiz) gefahren. Die Auswertungen erfolgen nach verschiedenen Modellgleichungen (Reher E. O., Kärrner R., Mechanische Verfahrenstechnik, Technische Hochschule für Chemie „Carl Schorlemmer" Leuna-Merseburg, I.Lehrbrief). Das Schergefälle ist jedoch abhängig vom Fließgesetz des Stoffsystems. Nachteilig ist, daß in Abhängigkeit vom Fließverhalten die Schergefälle-Zeit-Funktionen verzerrt werden können und die Vergleichbarkeit von Meßsubstanzen mit unterschiedlichen Fließverhalten mit Zusatzfehlern behaftet ist. Weiterhin kann sich die gewählte Fließgleichung nach der Messung als ungeeignet herausstellen. Weiterhin ist bekannt, Rotationsrheometer mit Schergefälleregelung so im Schergefälle nachzuregeln, daß Schubspannungsfunktionen in Abhängigkeit von der Zeit erreicht werden. Die realisierte Schubspannung ist unabhängig vom bei der Auswertung verwendeten Fließgesetz des Stoffsystems. Damit ist die Schubspannungsfunktion unabhängig vom Fließverhalten der Meßsubstanz. Eine direkte Vergleichbarkeit wird ermöglicht. Nachteilig sind der zeitlich verzögerte Regelkreis, bei zeitlicher Veränderung des Fließverhaltens die Überlagerung mit der Schubspannungsfunktion sowie Schwingungs- und Resonanzerscheinungen.

Nachteilig ist für alle aufgeführten technischen Lösungen, daß der Meßbereich für ein Meßsystem von nur einer Regelgröße • (Drehzahl oder Drehmoment) abhängig und damit eingeschränkt ist. Es ist auch bekannt, daß sich bestimmte Stoffsysteme bei hohen Drehzahlen durch die Zentrifugalkräfte trennen. Genaue rheologische Bestimmungen während der Zentrifugierung konnten bisher nicht durchgeführt werden, dies ist durch die auftretenden turbulenten Bereiche nicht möglich.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Rotationsrheometers, welches die Theologische Charakterisierung von Stoffen mit viskosen, plastischen oder elastischen Verhalten oder Kombinationen davon ermöglicht, das einen breiten Meßbereich mit einer geringen Anzahl von Meßsystemen erreicht und in dem der Einfluß von Zentrifugalkräften auf das Stoffverhalten bestimmt werden kann sowie die Aufwendungen bei hohen Anforderungen an die Meßwertqualität möglichst gering sind.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rotationsrheometer zu schaffen, welches für die allgemeine rheologische Charakterisierung von Stoffen geeignet ist. Dazu ist die Realisierbarkeit von stationären und instationären Beanspruchungen sowohl für die Schergeschwindigkeit als auch für die Schubspannung erforderlich. Des weiteren ist das Rotationsrheometer so zu gestalten, daß die Effekte, die durch die Zentrifugalkräfte entstehen, untersucht werden können.

Bisher existierende Meßsysteme geben entweder die Drehzahl und damit die Schergeschwindigkeit vor — dieses System wird bevorzugt verwendet—^:oder aber es wird das Drehmoment, d.h. die Schubspannung vorgegeben, dadurch sind die Arbeitsmöglichkeiten eingeschränkt. Zur Ermittlung des Einflusses der Zentrifugalkräfte auf das Stoffverhalten existieren keine Meßsysteme, bei praktischen Beanspruchungen treten aber solche Fragestellungen auf. Eine völlig neuartige Gerätekonfiguration entsteht, wenn die Beanspruchungssysteme kombiniert werden. Erfind.ungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Teil des Theologischen Meßsystem von einem geregelten oder gesteuerten Motor rotatorisch angetrieben wird und der nicht angetriebene Teil des Theologischen Meßsystems, auf den durch den zu untersuchenden Stoff die Drehmomente übertragen werden, rotatorisch frei beweglich ist und auf diesen durch an sich bekannte Einwirkung ein Drehmoment vorgegeben wird, wobei das Drehmoment gesteuert oder geregelt ist. Das erfindungsgemäße Rotationsrheometer ist z.B. ein Koaxialzylinderrheometer, dessen äußerer Zylinder rotatorisch angetrieben wird und dessen innerer Zylinder durch eine elektromagnetische Vorrichtung oder durch eine Reibbremse gebremst wird. Zur Bestimmung der Beanspruchungsgrößen Schubspannung und Schergeschwindigkeit und der Regelung der Beanspruchungsgrößen sind der angetriebene und/oder der gebremste Teil des Theologischen Meßsystems mit Drehzahl-Meßwertgebern und/oder ein oder beide Teile des Theologischen Meßsystems mit Kraft-/Drehmoment-Sensoren versehen. Die Sensoren am rotatorisch frei beweglichen, gebremsten Teil des Theologischen Meßsystems sind mit einer Steuer- und Auswerteeinheit verbunden, wo aus den jeweils geführten Größen und/oder gemessenen Größen rheologische Werte berechnet werden.

In einer speziellen Ausführung zur Untersuchung des Einflusses von Zentrifugalkräften auf das Stoffverhalten sind alle Oberflächen oder nur bestimmte Bereiche der Oberflächen der den Meßspalt begrenzenden Teile des Theologischen Meßsystems für das zu untersuchende Stoffsystem vollständig öder nur für bestimmte Bestandteile durchlässig gestaltet. Bei der Anwendung des Rotationsrheometers wird im stationären oder instationären Betrieb gearbeitet. Bei stationärer Beanspruchung kann ein Schergeschwindigkeits- oder Schubspannungsprogramm verwendet werden, wozu über die vorzugebende, gesteuerte oder geregelte Drehzahl des angetriebenen Teils des rheologischen Meßsystems die Beanspruchung auf den zu untersuchenden Stoff aufgebracht wird, über den seinerseits die Drehmomente auf den rotatorisch frei beweglichen, gebremsten Teil des rheologischen Meßsystems übertragen werden. Durch die Vorgabe des Bremsmomentes bzw. der Drehzahl über die Steuer- und Auswerteeinheit wird das jeweilige Beanspruchungsprogramm realisiert. Aus den vorgegebenen Beanspruchungsgrößen und/oder den durch Sensoren ermittelten Beanspruchungen werden in der Auswerteeinheit rheologische Größen berechnet. Der Übergang in eine andere Beanspruchung kann dabei sowohl über die Drehzahl, das Bremsmoment als auch Drehzahl und Bremsmoment erfolgen. Dies ist auch vorteilhaft beim instationären Betrieb; die rheologischen Beanspruchungen können in einem breiten Spektrum, insbesondere auch der überlagerten Beanspruchung, variiert werden, wodurch ein hoher Informationsgehalt erzielt wird.

Zur Untersuchung des Stoffverhaltens unter dem Einfluß von Zentrifugalkräften werden entweder Meßsysteme angewendet, deren Oberflächen undurchlässig, vollständig durchlässig oder nur für bestimmte Bestandteile durchlässig sind und aus dem Sedimentationsverhalten, insbesondere auch bei unterschiedlichen Zentrifugalkräften, und den rheologischen Größen das Stoffverhalten bei dieser Beanspruchung beschrieben.

Ausführungsbeispiel

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die erfindungsgemäße Lösung in ihrer Form umfassend beschrieben werden. Die Figur zeigt den erfindungsgemäßen, vorteilhaften, schematischen Aufbau der Regeiungs- und Meßteile des Rotationsrheometers.

Durch das Drehzahlregelsystem 1 wird über die Drehzahluntersetzung 2 die Meßbehälteraufnahme 3 rotatorisch angetrieben. Die Meßbehälteraufnahme 3 ist über die Lagerung 4 mit dem ruhenden System 5 verbunden. Die Lagerung 4 ist durch eine Labyrinthdichtung 6 vor der Temperierflüssigkeit 7 und deren Dämpfe geschützt. In die Meßbehälteraufnahme 3 können Meßbehälter 8, verschiedener Meßgeometrie eingesetzt werden. Dazu ist die Kupplung 9, die den Innenrotor 10 mit dem Drehmomentregelsystem 11 und dem Drehzahlmeßsystem 12 verbindet, zu lösen und der gesamte Meßkopf 13 in vertikaler Richtung abzunehmen. Danach kann der Meßbehälter 8 mit dem Innenrotor 10 und der Meßsubstanz 14 aus der Meßbehälteraufnahme 3 gehoben und nach dem Abschrauben der Fülimutter 15 die Meßsubstanz 14 gewechselt bzw. der Innenrotor 10 entnommen werden. Die Innenrotorachse 16 ist in der gewählten Ausführung durch das Lager 17 mit der winkelstarr mit dem Meßbehälter 8 mitrotierenden Aufnahme 18 und durch das Lager 19 mit der ruhenden Aufnahme 20 verbunden. In der gewählten Ausführung ist das Drehmomentregelsystem 11 eine Wirbelstrombremse und das Drehzahlmeßsystem ein inkrementaler Geber, dessen Meßwerte vorteilhaft im Drehzahlregelsystem 1 mit verarbeitet werden. Durch das Drehzahlregelsystem 1 erhält der Meßbehälter 8 eine definierte Drehzahl. Erzeugt das Drehmomentregelsystem 11 kein entgegenwirkendes Drehmoment und ist keine Lagerreibung der Lager 17 und 19 durch deren geeignete Auslegung

vorhanden bzw. diese vernachlässigbar klein, rotiert der Innenrotor 10 mit der gleichen Drehzahl wieder Meßbehälter 8, ein Schergefälle tritt nicht auf bzw. dieses ist vernachlässigbar klein. Wird die Spule 21 des Magneten 22 von Strom durchflossen, wirkt auf die Metallscheibe 23 ein definiertes Drehmoment entgegen der Rotation des Innenrotors 10. Das Bremsdrehmoment kann in die auf das Stoffsystem wirkende Schubspannung umgerechnet und aus der sich ergebenden Drehzahldifferenz zwischen Meßbehälter 8 und Innenrotor 10 das Schergefälle berechnet werden. Durch die 2 Regelgrößen kann ohne Wechsel des Meßbehälters 8 und des Innenrotors 10 ein sehr großes Meßbereich durchfahren werden, da sowohl die Drehzahl der Metallscheibe 23 als auch die Stromstärke in der Spule 21 in die Schubspannung eingehen. Die beiden Regelgrößen wirken direkt auf die Schubspannungen ein und ermöglichen überlagerte Schubspannungsfunktionen. Da die Drehzahldifferenz in das Schergefälle eingeht, können der Meßbehälter 8 und der Innenrotor 10 mit hohen Drehzahlen rotieren, ohne daß turbulente Bereiche in der Meßsubstanz 14 auftreten. Damit können Zentrifugalerscheinungen rheologisch exakt und bei laminarer Strömung bestimmt und bei geeigneten Vorrichtungen sich zentrifugal trennende Stoffsysteme rheologisch kontrolliert getrennt werden. Eine geeignete Vorrichtung ist in der gewählten Ausführung ein hohl ausgebildeter Innenrotor 10 mit siebartiger Mantelfläche

Insgesamt können also für diese Ausführung folgende Vorteile dargelegt werden:

— Gesteuerte bzw. geregelte Fahrweise des Rheometers sowohl für die Schergeschwindigkeit als auch für die Schubspannung,

— überlagerte Beanspruchung aus stationärer und instationärer Beanspruchung,

— einfache Realisierung von hohen Beanspruchungsgradienten,

— Möglichkeit der Untersuchung von durch Zentrifugalkräften entstandenen Effekten.

Claims (6)

1. RotationsrheometermitSchergeschwindigkeits- bzw. Schubspannungs-Regelung, gekennzeichnet ' dadurch, daß ein Teil des Theologischen Meßsystems mit einem drehzahlgeregelten oder gesteuerten Antrieb oder Motor und der andere Teil, der nicht angetriebene Teil des Theologischen Meßsystems mit einem System, das ein definiertes, gesteuertes oder geregeltes Bremsmoment ^ erzeugt, verbunden ist.

2. Rotationsrheometer nach Punkt 1., dadurch gekennzeichnet, daß das rheologische Meßsystem eine Koaxialzylinderanordnung ist, der äußere.Zylinder dieses Meßsystems mit dem Antrieb oder Motor, der innere Zylinder mit einer elektromagnetischen Bremsvorrichtung oder mit einer Reibbremse verbunden ist.

3. Rotationsrheometer nach Punkt 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, daß der angetriebene und/oder der gebremste Teil des Theologischen Meßsystems mit Drehzahl-Meßwertgebern und/oder ein oder beide Teile des Theologischen Meßsystems mit Kraft-ZDrehmoment-Sensoren versehen sind.

4. Rotationsrheometer nach Punkt 1. bis 3., dadurch gekennzeichnet, daß das Drehzahlregel- oder -steuersystem für den rotatorisch angetriebenen Teil des Theologischen Meßsystems mit dem Drehzahlregel- oder -steuersystem des rotatorisch frei beweglichen, gebremsten Teiles des Theologischen Meßsystems in einer Steuer- und Auswerteeinheit verbunden sind, wobei aus den jeweils geführten Größen und/oder gemessenen Größen rheologische Werte berechnet werden.

5. Rotationsrheometer nach Punkt 1. bis 4., dadurch gekennzeichnet, daß die Systeme für die Kraft-Drehmoment-Messung mit den Drehzahlregel- oder -Steuersystemen in einer Auswerteeinheit verbunden sind.

6. Rotationsrheometer nach Punkt 1. bis 5., dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen oder nur bestimmte Bereiche dieser der den Meßspalt begrenzenden Teile des Theologischen Meßsystems für das zu untersuchende Stoffsystem vollständig oder nur für bestimmte Bestandteile durchlässig gestaltet sind.