DE10047793A1 - Rotationsrheometer - Google Patents
RotationsrheometerInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Rotationsrheometer mit einem Messmotor (1), der eine einen ersten Messteil (4) tragende Messwelle (16) rotiert, wobei zwischen diesem ersten Messteil (4) und einem weiteren, feststehenden Messteil (5) ein Messspalt (S) ausgebildet ist, in den die zu untersuchende Substanz (12), insbesondere Flüssigkeit, eingebracht wird, wobei die Dicke des Messspaltes (S) durch eine Verstellung der beiden Messteile (4, 5) relativ zueinander einstellbar ist, und wobei eine Einrichtung zur Bestimmung des gegenseitigen Abstandes der beiden Messteile vorhanden ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass von einem der beiden Messteile (4, 5) zumindest ein induktiver oder zumindest ein magnetischer Wegsensor (19, 21) getragen ist, dass mit dem ersten Messteil (4) oder mit einer auf diesem Messteil (4) angeordneten Einrichtung (18) der auf dem anderen Messteil (5) angeordnete Wegsensor (19, 21) beeinflussbar bzw. das Ausgangssignal, z. B. Impedanz, Widerstand, Spannung, dieses Wegsensors (19, 21) veränderbar ist, und dass die Ausgangssignale des Wegsensors (19, 21) einer Auswerteeinheit (22, 24, 17) zugeführt sind.
Description
Die Erfindung betrifft ein Rotationsrheometer gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1.
Der prinzipielle Aufbau von Rotationsrheometern ist beispielsweise aus dem
österreichischen Patent 404 192 bekannt. Ein Rotationsrheometer der eingangs genannten
Art ist aus der DE 34 23 873 A1 bekannt. Diese Druckschrift beschreibt ein Dreh-
Rheometer, dessen Rotor mit einer Probe gekoppelt und in einem Stator mit einem
Lagersystem mit geringer Reibung gelagert ist. Erfindungsgemäß ist eine
Kompensationsanordnung vorgesehen, welche Drehmomente, die vom Lager auf den Rotor
ausgeübt werden, über dem vollen Drehbereich des Rotors kompensiert. Außerdem sind
Positionswandler vorgesehen, welche die Winkelstellung des Rotors auf einem Drehwinkel
von 360° über den vollen Bereich exakt bestimmen können. Weiterhin ist ein Wandler
vorgesehen, mit dessen Hilfe die Längsposition des Rotors bezüglich des Stators exakt
erfasst werden kann. Nachteilig ist es, dass bei diesem Rheometer die thermische
Ausdehnung, die Steifigkeit des Stativs und die Temperaturdrift im Stativ die Messung
beeinflussen.
Ziel der Erfindung ist es, bei diesen grundlegende Prinzipien aufweisenden
Rotationsrheometern, den Abstand zwischen den Messteilen nicht indirekt messen zu
müssen, d. h. über den Umweg des Abstandes zwischen einem Punkt auf der Messwelle und
einem Punkt auf dem Stativ bzw. Stator, sondern den Abstand zwischen den den Messspalt
S bildenden Messteilen direkt messen und/oder einstellen und/oder konstant halten zu
können. Dies ist insoferne von Bedeutung, als bereits geringe Änderungen der Dicke des
Messspaltes S im Zuge der Messung, z. B. durch Temperaturänderungen, insbesondere des
Statives und/oder der Messteile, beträchtlichen Einfluss auf die Genauigkeit der Messung
haben.
Dieses Ziel wird bei einem Rotationsrheometer der eingangs genannten Art durch die
im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführten Merkmale erreicht.
Erfindungsgemäß werden somit berührungslos arbeitende Wegsensoren zur
Ermittlung und/oder Einstellung und/oder Konstanthaltung der Dicke des Messspaltes S
vorgesehen bzw. von einem der beiden, den Messspalt S begrenzenden Messteilen
getragen. Der jeweils andere Messteil trägt den den Wegsensor beeinflussenden Bauteil
bzw. beeinflusst selbst den Wegsensor. Die Ausgangssignale der Wegsensoren sind der
Auswerteeinheit zugeführt, wobei vorteilhafterweise vorgesehen ist, dass mit den
Ausgangssignalen der Auswerteeinheit in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des
Wegsensors eine Einrichtung zur Veränderung bzw. Einstellung des Messspaltes durch
Höhenverstellung zumindest eines der beiden Messteile gesteuert ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale der
Ansprüche 2 oder 3 oder 4 gekennzeichnet. Die Merkmale dieser Ansprüche betreffen
unterschiedliche Realisierungen bzw. Ausführungsvarianten von Wegsensoren, die eine sehr
exakte berührungslose Vermessung der Dicke des Messspaltes S ermöglichen bzw. sehr
empfindlich auf Abstandsänderungen der einander gegenüberliegenden Messteile reagieren.
Die Genauigkeit der erfindungsgemäß eingesetzten Wegsensoren reicht aus, um die
gewünschte Genauigkeit zu erreichen, mit der die Einstellung der Dicke des Messspaltes
erfolgen soll. Damit werden die bisher aufgrund mangelnder Genauigkeit bei der Einstellung
der Dicke des Messspaltes auftretenden Messfehler weitgehend eliminiert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Merkmale
des Anspruches 5 verwirklicht; damit können weitgehend auf Temperaturschwankungen
resultierende Messfehler ausgeschaltet werden. Zur raschen Auswertung sind
vorteilhafterweise die Merkmale des Anspruches 9 vorgesehen.
Die mit den Wegsensoren gemessenen Werte für die Dicke des Messspaltes werden
in der Auswerteeinheit mit den Messwerten betreffend das Moment der zu untersuchenden
Substanz und allenfalls den Messwerten einer Normalkraftmesseinrichtung verknüpft und
zur Berechnung der Viskosität herangezogen.
Bei einem Rotationsviskosimeter, bei dem eine Probe bzw. Substanz mit der sich
durch die Dicke des Messspaltes S ergebenden Höhe h vermessen wird, die sich zwischen
einem feststehenden Messteil (Platte) und einem relativ zu diesem rotierenden Messteil
(Platte) mit dem Radius R ergibt, gelten für die Schergeschwindigkeit D (1) und die
Viskositat η (2) folgende Beziehungen:
Bei Vorgabe, z. B. eines konstanten Drehmomentes M, ändert sich bei Veränderung
der Höhe h die Winkelgeschwindigkeit ω in gleichem Verhältnis, wodurch die errechnete
Viskosität konstant bleibt. Wird jedoch allerdings eine Höhenänderung in der Berechnung
nicht berücksichtigt, ergibt sich für die Viskosität η folgender Fehler:
Wird für die Höhe h' = k . h (Fehlerfaktor k) eingesetzt, ergibt sich Gleichung (3) für die
tatsächliche Winkelgeschwindigkeit:
und Gleichung (4) für die ermittelte Viskosität:
h = gerechnete Probenhöhe [m]
h' = tatsächliche Probenhöhe [m]
D(R) = Schergeschwindigkeit am Radius "R" [1/s]
ω. = gerechnete Winkelgeschwindigkeit [1/s]
ω' = tatsächliche Winkelgeschwindigkeit [1/s]
τ = Schubspannung [Pa]
M = Drehmoment [Nm]
η = Viskosität [Pa.s]
h' = tatsächliche Probenhöhe [m]
D(R) = Schergeschwindigkeit am Radius "R" [1/s]
ω. = gerechnete Winkelgeschwindigkeit [1/s]
ω' = tatsächliche Winkelgeschwindigkeit [1/s]
τ = Schubspannung [Pa]
M = Drehmoment [Nm]
η = Viskosität [Pa.s]
Aus obiger Ableitung ist ersichtlich, dass sich bei einem Messfehler der Probenhöhe
die Viskosität verkehrt proportional zum Höhenverhältnis ändert, d. h. ein Messfehler in der
Höhe um +1% ergibt eine 1-%ige Verringerung der Viskosität. Der Messspalt beträgt in der
Regel 1 bis 2 mm, wodurch für einen Viskositätsfehler von < 1% die Bestimmung der
Spaltgröße mit einer Genauigkeit von besser 10 µm bzw. 20 µm erforderlich ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung, den Patentansprüchen und der Zeichnung.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher
erläutert:
Es zeigen Fig. 1 und 2 Rotationsrheometer von an sich bekannter Bauart; Fig. 3 und
4 zeigen Messteile erfindungsgemäßer Rotationsrheometer, die Wegsensoren tragen.
Gemäß Fig. 1 und 2 umfasst ein Rotationsrheometer einen Messmotor 1 mit der
speziellen Eigenschaft, dass die Beziehung zwischen dem Drehmoment an der Motorachse
und der elektrischen Versorgung bzw. den Versorgungsparametern, insbesondere der
Stromaufnahme und/oder der Frequenz und/oder der Phasenlage, in einem bekannten
Zusammenhang steht. Dadurch kann während eines Rotationsversuches das Moment einer
Probe 12 durch Messung der Versorgungsparameter bestimmt werden. Die Beziehungen
zwischen dem Drehmoment und den Versorgungsparametern werden durch Kalibrieren
ermittelt.
Des weiteren umfasst das Rotationsrheometer einen Winkelencoder 2 zur
Bestimmung der Drehposition und der Drehzahl der Welle 16. Die Welle 16 ist in einem
Führungslager 3 gelagert. Je nach Aufbau des Rotationsrheometers und der geforderten
Drehmomentauflösung werden Wälzlager oder Luftlager verwendet.
Als Messsystem bzw. Messteile 4, 5 mit bekannter Geometrie können drei
unterschiedliche Systeme eingesetzt werden, nämlich Platte/Platte-Messsysteme, wie sie in
den Fig. 1 bis 4 dargestellt sind oder Kegel/Platte-Messsysteme oder Zylindermesssysteme.
Das Rotationsrheometer umfasst des weiteren ein Stativ in möglichst formstabiler
Ausführung.
Mit einer Hubeinrichtung kann die Dicke h des Messspaltes S durch
Höhenverstellung zumindest eines der Messteile 4, 5 eingestellt werden.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Rotationsrheometer, bei dem die Anordnung bestehend
aus Messmotor 1, Lagerung 3, Winkelencoder 2 und der als Platten ausgebildeten
Messteilen 4 und 5 mit dem Stativ 11 über eine Linearführung 30 verbunden bzw. auf dieser
gelagert und relativ zum Stativ 11 verschiebbar sind. Durch ein Antriebssystem bestehend
aus einer Spindel 6 mit einem Drucklager 7 und einem Motor 8 und gegebenenfalls mit
einem angeflanschten Winkelencoder 9 kann diese Anordnung in vertikaler Richtung relativ
zum Stativ 11 bewegt und die Dicke h des Messspaltes S verändert werden.
Fig. 2 zeigt ein Rotationsrheometer in einer gegenüber Fig. 1 abgeänderten
Anordnung, wobei der Messmotor 1, das Luftlager 3 und der Winkelencoder 2 fest mit dem
Stativ 11 verbunden sind. Der Messspalt S wird mit einem Hubtisch 15 eingestellt, welcher
axial im Stativ 11 gelagert ist und über eine Spindel 6 mit einem Drucklager 7 und einem
Motor 8, der gegebenenfalls einen angeflanschten Winkelencoder 9 aufweist, angetrieben
ist.
Anstelle des Spindelantriebes, bestehend aus den Bauteilen 6, 7, 8 und 9 können
auch andere Linearantriebe verwendet werden, z. B. ein Uhing-Mutter-Antrieb (Wälzmutter),
Linearmotoren, pneumatisch angetriebene Verstelleinrichtungen usw.
Grundsätzlich gibt es drei Versuchsarten:
- a) Die Welle 16 wird mit konstanter Drehzahl beaufschlagt und das Drehmoment wird gemessen.
- b) In diesem Fall wird ein konstantes Moment vorgegeben und die Drehzahl der Welle 16 wird gemessen.
- c) Oszillationsversuch: Bei diesem Versuch wird die Welle 16 mit sinusförmigen (oder andere Wellenform aufweisenden) Drehbewegungen beaufschlagt. Bei dieser Versuchsart kann neben dem viskosen Anteil auch die elastische Komponente der Probe 12 bestimmt werden.
Wie bereits erwähnt, wird die Erfindung anhand eines Platte/Platte-Messsystems
erläutert, bei welchem sich die Probe 12 zwischen einem als feststehende Platte
ausgebildeten Messteil 5 und einer als rotierende Platte ausgebildeten Messteil 4 befindet.
Dabei kann die rotierende Platte 4 kleinere Abmessungen als die feststehende Platte 5
besitzen und ist üblicherweise oberhalb der feststehenden Platte 5 angeordnet. Auch gleich
große Messteile sind einsetzbar. Der untere Messteil ist in der Regel eine Platte.
Die berechnete Viskosität ändert sich verkehrt proportional zur Probendicke, d. h. ein
Messfehler in der Größe von +1% ergibt eine 1%ige Verringerung der Viskosität. Somit ist
die Bestimmung eines Messspaltes von z. B. 100 µm mit einer Genauigkeit von besser 1 µm
erforderlich.
Bei einem Kegel/Platte-Messsystem befindet sich die Probe zwischen einem
feststehenden Messteil 5, der von einer Platte gebildet ist und einem rotierenden Messteil 4,
der von einem rotierenden Kegel mit typischen Winkeln gebildet ist. Die Winkel, gemessen
zwischen der feststehenden Platte und dem Kegel, betragen z. B. 0,5°, 1° oder 2°.
Entsprechend der vorgegebenen Norm sitzt die Kegelspitze an der feststehenden Platte auf.
Um die Reibung an diesem Punkt zu verhindern, kann die Kegelspitze um 50 µm abgeflacht
und die Höhe derart eingestellt werden, dass die theoretische Spitze des Kegels wiederum
auf die feststehende Platte aufsitzt. Bei Kegel/Platte-Messsystemen werden die
Anforderungen an die Genauigkeit der Spalteinstellung durch die Kegelgeometrie bestimmt.
Bei z. B. einem 1° Kegel mit 25 mm Durchmesser verursacht ein Spaltfehler von 1,5 µm eine
Viskositätsänderung von 1%.
Der Messspalt S kann indirekt mit einem Längenmesssystem 13, 14, wie es in Fig. 1 und 2
dargestellt ist, eingestellt werden, das eine Genauigkeit von < 1 µm aufweist. Als
Längenmesssysteme können Aufnehmer mit Widerstandsänderung (Potentiometer),
induktive Wegaufnehmer (LVDT), oder inkrementale Wegaufnehmer oder Messuhren
eingesetzt werden. Anstelle einer Wegmessung kann ein definierter Messspalt S eingestellt
werden, indem die Hubeinrichtung über eine Spindel 6 mit bekannter Steigung durch
Messung des Spindelwinkels (Winkelencoder 9) angetrieben wird, wie in Fig. 1 und 2
dargestellt. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass diese Systeme die Distanz zwischen der
Hubeinrichtung und dem Stativ 11 bestimmen und nicht direkt die Höhe h des Messspaltes
S. Unter konstanten Umgebungsbedingungen (konstante Raumtemperatur, konstante und
angeglichene Proben- und Messsystemtemperatur) können damit Messsystemspalte µ-
genau angefahren werden, jedoch zeigen praktische Erfahrungen, dass sich innerhalb der
Dauer der rheologischen Vermessung einer Probe die Veränderung des Messspaltes einige
0,1 mm betragen kann, verursacht durch folgende Einflüsse:
- - Thermische Ausdehnung sowie mechanische Verwindung des Statives 11 und
- - Thermische Ausdehnung des Messteiles 4, des Messteiles 5 und der Welle 16 (Ein extrem hoher Einfluss ergibt sich bei Verwendung von Temperierkammern mit einem Temperaturbereich von -180° bis 600°C)
- - Die Stativsteifigkeit sowie die Steifigkeit der Wellenlagerung 3, da viskoelastische Substanzen unter Scherung Normalkräfte bis einige 10 N generieren.
Highend-Rheometer verfügen über eine Kompensationseinrichtung, die es
ermöglicht, den Spalt über eine empirisch ermittelte Temperatur/Weg-Funktion nachzuregeln
und damit konstant zu halten. Aufgrund der meist unbekannten Temperatur-Angleichszeiten,
der Vielzahl von Messgeometrien und der unterschiedlichen Temperierkammern ist in der
Praxis eine ausreichend gute Kompensation nicht realisierbar.
Hier greift nunmehr die Erfindung, die die Dicke h des Messspaltes S nicht wie bei
bekannten Rheometern über den Umweg des Statives und der jeweiligen Bauteile feststellt,
sondern direkt den Abstand zwischen den Messteilen 4, 5, d. h. einer feststehenden Platte
und einer rotierenden Platte bzw. einem rotierenden Kegel misst und/oder einstellt und/oder
konstant hält.
Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau eines Rotationsrheometers mit einem induktiven
Wegsensor. Die zu untersuchende Substanz bzw. die Probe 12 ist in einem Messspalt S
angeordnet, der sich zwischen einem von einer Messplatte gebildeten feststehenden
Messteil 5 und einem als Platte oder Kegel ausgeführten Messteil 4 befindet. In dem
feststehenden Messteil 5 ist zumindest eine Spule 21 in einen Magnetkern 20 eingebettet.
Der Magnetkern kann als Schalenkern oder als E- oder U-Kern ausgeführt sein und besteht
aus vorzugsweise weichmagnetischem Material, z. B. Weicheisen, Transformatorblech oder
Ferrit. Der Magnetkern 20 kann aus geschichteten Blechen, vorzugsweise gegenseitig
isoliert, oder aus einem Stück gefertigt sein. Die im Magnetkern bzw. auf diesem
angeordneten Spulen 21 sind an die Form des Magnetkerns 20 angepasst.
Die Vermessung des Messspaltes S beruht auf dem Effekt der Änderung der
elektrischen Impedanz Z der zumindest einen Spule 21 im magnetischen Kreis, durch
Annäherung des Messteiles 4 an das von der zumindest einen Spule 21 und dem
Magnetkern 20 gebildete Sensor- bzw. Magnetsystem. Die Dicke des Messspaltes S und die
Impedanz Z der zumindest einen Spule 21 stehen in einem festen Zusammenhang, welcher
berechnet oder durch Kalibrieren empirisch ermittelt werden kann. Die Impedanz Z und/oder
Teile der Impedanz Z des Magnetsystems werden durch eine dafür geeignete elektrische
bzw. elektronische Schaltung 22 gemessen und aus den Messwerten ein Ausgangssignal
Z = f(S) gewonnen, das die Impedanz als Funktion der Dicke des Messspaltes S ergibt. Die
Schaltung 22 liefert somit ein elektrisches Signal, das in einer bekannten Funktion zur Dicke
des Messspaltes S steht; Schaltungsanordnungen zur Messung von Spulenimpedanzen sind
dem Fachmann bekannt.
Die Ausgangssignale der Schaltung 22 werden sodann der Auswerteeinheit 17 zur
weiteren Verwendung, insbesondere zur Einregelung bzw. Konstanthaltung des Messspaltes
oder zur Auswertung von Messergebnissen bzw. zur Errechnung gewünschter Werte, z. B.
Viskositätswerten, zugeführt. Es ist vorgesehen, dass zur Bestimmung des Momentes einer
zu untersuchenden Substanz 12 die Beziehung zwischen dem Drehmoment an der Achse
des Messmotors 1 und den Versorgungsparametern des Messmotors 1, insbesondere
Stromaufnahme und/oder Frequenz und/oder Phasenlage, bekannt bzw. durch Kalibrierung
ermittelt ist und dass diese Beziehung vorteilhafterweise in der Auswerteeinheit 17
gespeichert vorliegt.
Bei der in Fig. 3 beschriebenen Ausführungsform eines induktiven Wegsensors
besteht der Messteil 4 aus einem weichmagnetischen Material und bildet damit einen
magnetischen Rückschluss. Der Messteil 4 könnte auch einen Bauteil aus
weichmagnetischem Material tragen bzw. eingebettet aufweisen.
Als Alternative zu dem beschriebenen Wegsensor könnte ein Wegsensor mit einem
offenen magnetischen Kreis vorgesehen werden, ein sogenannter Wirbelstromaufnehmer.
Der magnetische Kreis besteht in diesem nicht dargestellten Fall aus einem
Magnetkern 20 und zumindest einer Spule 21, wie dies in Zusammenhang mit Fig. 3
beschrieben wurde. Der Messteil 4 besteht aus elektrisch insbesondere gut leitendem,
jedoch nicht magnetischem Material oder trägt einen derartig ausgebildeten Bauteil. Die
Annäherung des Messteiles 4 bzw. dieses Bauteils an den Magnetkern 20 beeinflusst
aufgrund einer durch Wirbelstromverluste verursachten Energieentnahme aus dem
Spulensystem die Impedanz Z der zumindest einen Spule 21. Aus der Änderung der
Impedanz Z kann wiederum die Dicke h des Messspaltes S ermittelt werden.
Derartige Wirbelstromaufnehmer können auch ohne weichmagnetischen Kern
ausgeführt werden. Die zumindest eine Spule 21 ist dann direkt in den feststehenden
Messteil 5 eingebettet. Der feststehende Messteil 5 ist aus nichtmagnetischem und
elektrisch schlecht leitendem Material ausgeführt. Die Ermittlung oder Einstellung oder
Konstanthaltung des Messspaltes erfolgt in der oben beschriebenen Weise.
Als Alternative kann erfindungsgemäß auch ein magnetischer Wegsensor eingesetzt
werden. Ein derartiger Wegsensor umfasst einen auf Magnetfelder empfindlich reagierenden
Bauteil, z. B. einen Hallsensor oder eine Feldplatte, welche Bauteile unter Einwirkung eines
magnetischen Feldes eine Spannungs- oder Widerstandsänderung erfahren.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Rheometers, bei dem auf dem rotierenden
Messteil 4 ein magnetisch aktiver Bauteil, z. B. ein Dauermagnet 18, angeordnet bzw.
eingebettet ist, dessen Nord/Süd-Polarisierung in der Achse des Messsystems des
Rotationsrheometers ausgerichtet ist, wobei die Polarität belanglos ist. Dieser magnetisch
aktive Bauteil wirkt auf den magnetfeldempfindlichen Bauteil 19, sodass eine Änderung des
Abstandes zwischen den Messteilen 4 und 5 eine Magnetfeldänderung im Bereich des
Bauteiles 19 bewirkt, womit eine Spannungs- oder Widerstandsänderung in diesem Bauteil
19 hervorgerufen wird, die in einer Schaltung 24 detektiert werden kann. Das am Ausgang
der Schaltung 24 auftretende, von der Dicke h des Messspaltes S abhängige elektrische
Signal wird der Auswerteeinheit 17 zugeführt.
Allenfalls kann eine optische Anzeige und/oder Speicherung und/oder
Weiterverwendung der in der Auswerteeinheit 17 berechneten Messwerte in einer
angeschlossenen Einheit 28 erfolgen.
Wegsensoren, die nach dem Prinzip der Impedanzänderung funktionieren, verändern
ihre Impedanz Z nicht ausschließlich in Abhängigkeit von der Dicke des Messspaltes S.
sondern auch mit der Sensortemperatur. Die Ursache liegt in der Temperaturabhängigkeit
der physikalischen Eigenschaften der verwendeten Materialien, wie z. B. Permeabilität der
weichmagnetischen Teile, elektrische Leitfähigkeit, thermische Ausdehnung aller Sensorteile
inklusive dem Messteil 4 usw. Bei magnetischen Wegsensoren ist zusätzlich die
Temperaturabhängingkeit der hartmagnetischen Werkstoffe und der Magnetfeldsensoren zu
berücksichtigen.
Die Temperatur wird mit einem Temperaturfühler 23, welcher im Wegsensor 19, 21
oder möglichst nahe am Wegsensor 19, 21 plaziert ist, gemessen. Der Schaltung 22 bzw. 24
oder der nachfolgenden Auswerteeinheit 17 wird der Temperaturmesswert zugeführt,
wodurch der Einfluss der Temperatur auf die Größe des Messspaltes S weitgehend
kompensiert werden kann. Die Temperaturabhängigkeit des Wegsensors wird in einem
Referenzlauf empirisch ermittelt, indem bei verschiedenen konstanten Spaltgrößen die
Temperatur innerhalb des Anwendungsbereiches durchfahren wird.
Zur Auswertung der Messergebnisse bzw. zur Einstellung der Dicke des Messspaltes
S kann in verschiedenartiger Weise vorgegangen werden:
Durch einen Abgleichvorgang kann ein Wegsensor, ausgeführt in der oben
beschriebenen Art, auf eine absolute Längenskala (z. B.: mm) justiert werden. Der Nachteil
liegt darin, dass für alle unterschiedliche Geometrie aufweisenden Messteile, ein eigener
Abgleichvorgang durchgeführt werden muss.
Über die Hubeinrichtung und die Steuerelektronik 17 wird der gewünschte Messspalt
S eingestellt, wobei der Istwert vom Wegsensor geliefert wird.
Eine Möglichkeit ist es, den Messspalt für die Dauer einer rheologischen Messung
konstant zu halten, indem die Steuerelektronik den Istwert laufend mit dem Sollwert
vergleicht und durch Nachregelung über die Hubeinrichtung den Messspalt S konstant hält.
Die andere Möglichkeit ist es, den Istwert des Messspaltes bei der Berechnung der
rheologischen Größen zu berücksichtigen. Beide Verfahren kompensieren den Einfluss der
Spaltveränderung auf die rheologischen Messergebnisse.
Für die Spalteinstellung ermittelt die Rheometersteuerung 17 den Spaltnullpunkt,
indem z. B. der Messteil 4 mit der Hubvorrichtung gegen den feststehenden Messteil 5
gefahren wird, bis die Messteile kontaktieren. Als Erkennung wird der Anstieg des
Drehmoments, hervorgerufen durch Kontaktreibung, verwendet.
Ein anderes Verfahren zur Erkennung des Spaltnullpunktes beruht auf dem
sprunghaften Anstieg der Kraft in axialer Richtung des Messsystems bei der Kontaktierung.
Diese Kraft kann mit einer vorgesehenen Normalkraftmesseinrichtung des Rheometers
detektiert werden. Andere Möglichkeiten sind durchaus vorstellbar, z. B. auch ein
detektierbarer Stromschluss bei der Berührung der beiden Messteile 4, 5. Dieser
Positionswert der Hubeinrichtung wird als Nullposition abgespeichert. Daraufhin erfolgt
- - Öffnung des Spaltes auf einige mm und Einbringen der Probe,
- - Absenken des Messteiles 4 zur Einstellung der vorgewählten Spaltdicke. Die Einstellung erfolgt über die Hubmesseinrichtung des Rheometers.
- - Abspeichern des vom Wegsensor gelieferten Signalwertes (Spaltreferenzwert) und Start der rheologischen Messung.
- - laufender Vergleich des vom Wegsensor gelieferten Signalistwertes durch die Rheometersteuerung 17 mit dem Spaltreferenzwert (Sollwert). Im Falle einer Regelabweichung wird der Spalt über die Hubvorrichtung nachgestellt und damit konstant gehalten.
Die beschriebene Relativmessung ist weniger aufwendig als ein Abgleichen des
Rheometers auf eine absolute Abstands-Skala, die nach jedem Wechsel eines Sensors oder
Messteiles wiederholt bzw. neu kalibriert werden müsste.
Claims (11)
1. Rotationsrheometer mit einem Messmotor (1), der eine einen ersten Messteil (4), z. B.
Platte oder Kegel, tragende Messwelle (16) rotiert, wobei zwischen diesem ersten
Messteil (4) und einem weiteren, feststehenden Messteil (5), z. B. Platte oder Kegel, ein
Messspalt (S) ausgebildet ist, in den die zu untersuchende Substanz (12), insbesondere
Flüssigkeit, eingebracht wird, wobei die Dicke des Messspaltes (S) durch eine
Verstellung der beiden Messteile (4, 5) relativ zueinander einstellbar ist, und wobei eine
Einrichtung zur Bestimmung des gegenseitigen Abstandes der beiden Messteile
vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet,
- - dass zur berührungslosen Ermittlung bzw. Messung und/oder zur Einstellung und/oder zur Konstanthaltung der Dicke des Messspaltes (S) von einem der beiden Messteile (4, 5) zumindest ein induktiver oder zumindest ein magnetischer Wegsensor (19, 21) getragen ist,
- - dass mit dem einen bzw. ersten Messteil (4) oder mit einer auf diesem Messteil (4) angeordneten Einrichtung (18) der auf dem anderen bzw. weiteren Messteil (5) angeordnete Wegsensor (19, 21) - insbesondere abhängig vom Abstand der beiden Messteile (4, 5) bzw. vom Abstand der Einrichtung (18) von dem anderen bzw. weiteren Messteil (5) - beeinflussbar bzw. das Ausgangssignal, z. B. Impedanz, Widerstand, Spannung, dieses Wegsensors (19, 21) veränderbar ist, und
- - dass die Ausgangssignale des Wegsensors (19, 21) einer Auswerteeinheit (22, 24, 17) zugeführt sind.
2. Rotationsrheometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem
weiteren Messteil (5) getragene Wegsensor als induktiver Wegsensor mit zumindest
einer, vorzugsweise mit Wechselstrom oder -spannung bedaufschlagten, Spule (21),
gegebenenfalls mit Spulenkern (20), ausgebildet ist, wobei die Spule (21) von diesem
Messteil (5) getragen oder in diesem Messteil (5) zumindest teilweise eingebettet ist,
- - wobei von dem ersten Messteil (4) ein Bauteil aus weichmagnetischem Material getragen ist oder dieser erste Messteil (4) zumindest in dem der Spule (21) zugekehrten Bereich, vorzugsweise zur Gänze, aus weichmagnetischem Material ausgebildet ist, und
- - wobei die durch magnetischen Rückschluss veränderbaren Impedanzwerte (Z) der zumindest einen Spule (21) bzw. deren Veränderungen als Ausgangssignale des induktiven Wegsensors der Auswerteeinheit (22, 17) zugeführt sind.
3. Rotationsrheometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem
weiteren Messteil (5) getragene Wegsensor als induktiver Wegsensor mit zumindest
einer Spule (21), gegebenenfalls mit einem Spulenkern (20), ausgebildet ist, wobei die
zumindest eine Spule (21) von dem weiteren Messteil (5) getragen oder in diesem
Messteil (5) zumindest teilweise eingebettet ist und
- - wobei vom ersten Messteil (4) zumindest ein Bauteil aus elektrisch leitendem, insbesondere nichtmagnetischem, Material getragen ist oder der erste Messteil (4) zumindest in dem der Spule (21) zugekehrten Bereich, vorzugsweise zur Gänze, aus elektrisch leitendem, insbesondere nichtmagnetischem, Material besteht und
- - wobei die durch Wirbelstromverluste veränderbaren Impedanzwerte (Z) der zumindest einen Spule (21) bzw. deren Veränderungen als Ausgangssignale des induktiven Wegsensors der Auswerteeinheit (22, 17) zugeführt sind.
4. Rotationsrheometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem
weiteren Messteil (5) getragene Wegsensor ein auf Magnetfelder ansprechender Bauteil
(19), insbesondere ein Hallsensor oder eine Feldplatte, ist, und
- - wobei von dem ersten Messteil (4) ein Dauermagnet getragen oder in den ersten Messteil (4) eingebettet ist, wobei vorteilhafterweise die Achse des Dauermagneten senkrecht zur zugewandten Fläche des Wegsensors bzw. zur Oberfläche des den magnetischen Wegsensor tragenden weiteren Messteiles (5) ausgerichtet ist, und
- - wobei durch Magnetfelder beeinflussbare Eigenschaften des Bauteiles (19), insbesondere Spannungswerte oder Widerstandswerte, der Auswerteeinheit (24, 17) zugeführt sind.
5. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Messung der Temperatur der Wegsensoren (19, 21) und/oder der Messteile (4, 5)
und/oder deren Umgebungsbereiche ein Temperaturfühler (23) vorgesehen ist, der
vorzugsweise von dem Messteil (4, 5) getragen ist, auf dem der Wegsensor (19, 21)
angeordnet ist, wobei die Ausgangssignale des Temperaturfühlers (23) der
Auswerteeinrichtung (22, 24, 17) zur Temperaturkompensation der Ausgangssignale
des Wegsensors (19, 21) zugeführt sind.
6. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Messteile (4, 5) übereinander angeordnet sind und der Wegsensor (19, 21)
auf dem unteren, insbesondere gleich großen oder flächenmäßig größeren, Messteil (5)
angeordnet ist.
7. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Einstellung des Abstandes der beiden Messteile (4, 5) bzw. der Dicke des
Messspaltes (S) Einrichtungen zur Relativbewegung der Messteile (4, 5) zueinander
vorgesehen sind, die z. B. von Linearantrieben, Spindeltrieben, Uhing-Mutter-Antrieben,
od. dgl. Antrieben gebildet sind.
8. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Spule(n) (21) in bzw. auf einen U-förmigen oder E-förmigen
Kern (20) aus Weicheisen, Transformatorblech oder Ferrit, ein- bzw. aufgesetzt ist
(sind).
9. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass zur Berechnung oder Ermittlung der Impedanz (Z) der Spule(n)
(21) oder des Spannungs- oder Widerstandswertes des auf Magnetfelder
ansprechenden Bauteiles (19), gegebenenfalls unter Berücksichtigung der mit dem
Temperaturfühler (23) ermittelten Temperaturwerte, eine Recheneinheit vorgesehen
oder in die Auswerteeinheit (22, 24, 17) integriert ist.
10. Rotationsrheometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere
Messteil (5) aus nichtmagnetischem, elektrisch schlecht leitendem Material ausgebildet
ist und dass vorteilhafterweise die vom weiteren Messteil (5) getragene(n) Spule(n) (21)
kernlos ausgebildet ist (sind).
11. Rotationsrheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
mit den Ausgangssignalen der Auswerteeinheit (17) in Abhängigkeit von den
Ausgangssignalen des Wegsensors (19, 21) eine Einrichtung (6, 8; 8, 15) zur
Veränderung bzw. Einstellung des Messspaltes (S) durch Höhenverstellung zumindest
eines der beiden Messteile (4, 5) gesteuert ist.
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