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Die
Erfindung betrifft ein Rheometer mit einer Messwelle, die um ihre
Längsachse
drehbar und/oder axial verschiebbar gelagert ist, und einer Erfassungsvorrichtung
zur Erfassung der Normalkraft und/oder des Drehmoments, die/das
in der Messwelle während
einer Messung auftritt.
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Die
Messung rheologischer Größen eines Materials
in einem Rheometer beruht auf der genauen Kenntnis des Zusammenhangs
zwischen der Schubspannung und der Verformung einer Materialprobe.
Um aus diesen Kenngrößen die
Materialeigenschaften ableiten zu können, müssen die Schubspannung und
die Verformung der Materialprobe möglichst genau ermittelt werden.
Die Materialprobe wird zwischen zwei plattenförmigen Messteilen angeordnet,
wobei eines der Messteile mit einer angetriebenen Messwelle verbunden
ist, über
die auf die Materialprobe eine Scherkraft aufgebracht werden kann. Bei
der Messung tritt in der Messwelle eine von der Art der Materialprobe
abhängige,
zusätzliche
Normalkraft und ein resultierendes Drehmoment um die Längsachse
der Messwelle auf, die ebenfalls erfasst und in die Berechnung der
Materialkennwerte einbezogen werden.
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In
früheren
Zeiten war es üblich,
die Messwelle über
Federn am Gerätegehäuse zu lagern
und während
der Messung die Verformung der Federn zu bestimmen. Aus der Verformung
der Federn und der Kenntnis der Steifigkeit bzw. der Federkonstante
ließen
sich die Normalkraft und das resultierende Drehmoment ermitteln.
Bei neueren Rheometern wird die Verschiebung der Messwelle entweder
durch optische Verfahren unter Nutzung der Lichtbrechung an einem
engen Spalt oder durch elektro-kapazitive Verfahren ermittelt. Beide
Verfahren sind konstruktiv aufwändig
und insbesondere die optischen Verfahren sind hinsichtlich ihrer
Genauigkeit begrenzt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rheometer der genannten
Art zu schaffen, bei dem sich die Normalkraft und/oder das Drehmoment in
der Messwelle in einfacher Weise genau bestimmen lassen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Rheometer mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei
ist vorgesehen, dass die Erfassungsvorrichtung ein erstes Halteteil, das
mit der Messwelle verbunden ist, und ein zweites Halteteil umfasst,
das gestellfest montiert ist, wobei das zweite Halteteil über federnde
Verbindungsteile mit dem ersten Halteteil verbunden ist, und dass
an zumindest einem der Verbindungsstege ein Dehnungsmessstreifen
angebracht ist, mittels dessen die Verformung des Verbindungsteils
erfassbar ist.
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Dehnungsmessstreifen,
sogenannte DMS, sind in der Messtechnik seit langem bekannt. Erfindungsgemäß werden
diese Dehnungsmessstreifen nunmehr zur Bestimmung der Normalkraft
und/oder des resultierenden Momentes an einer Messwelle eines Rheometers
verwendet, indem die Dehnungsmessstreifen an definierter Position,
nämlich
an den Verbindungsteilen zwischen den beiden Halteteilen angebracht
werden. Die Auswertung der mittels der Dehnungsmessstreifen gewonnenen
Daten erfolgt in messtechnisch üblicher
Weise, so dass an dieser Stelle darauf nicht weiter eingegangen
werden soll.
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Vorzugsweise
sind mehrere Verbindungsteile zwischen den beiden Halteteilen vorgesehen,
die insbesondere über
den Umfang der Messwelle gleichmäßig verteilt
sind. Es hat sich als sinnvoll erwiesen, jedem Verbindungsteil einen
eigenen Dehnungsmessstreifen zuzuordnen, so dass auch eventuelle
Schrägstellungen
der Messwelle zuverlässig erfasst
und bei der Berechnung der Kenngrößen berücksichtigt werden können.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Halteteile von konzentrisch angeordneten Ringen gebildet sind und
dass die Verbindungsteile die Ringe verbindende, radiale Stege sind.
Insbesondere können
die Halteteile zusammen mit den Verbindungsteilen als einstückiges,
monolithisches Bauteil ausgebildet sein, das insbesondere aus einem
verformbaren Metall, beispielsweise Aluminium, bestehen kann.
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Die
Stege sind vorzugsweise als Platte ausgebildet, wobei die Platte
so orientiert ist, dass die geringe Höhe in Messrichtung weist, d.h.
für die
Messung der Normalkraft in Längsrichtung
der Messwelle und für
die Messung des Drehmoments tangential zur Längsrichtung der Messwelle.
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Die
Stege sind vorzugsweise gleichmäßig über den
Umfang der ringförmigen
Halteteile verteilt angeordnet, wobei entweder vier um jeweils 90° zueinander
versetzte Stege oder sechs um jeweils 60° zueinander versetzte Stege
vorgesehen sein können.
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Um
bei Auftreten von übermäßigen Normalkräften oder
Drehmomenten eine Beschädigung
bzw. plastische Verformung der Stege zu vermeiden, ist in Weiterbildung
der Erfindung eine Begrenzungseinrichtung vorgesehen, die die relative
Bewegung zwischen den Halteteilen auf ein vorbestimmtes Maß begrenzt
und somit sicherstellt, dass die Stege immer lediglich eine elastische
Verformung im Hooke'schen Bereich
der Werkstoffkennlinie erfahren und anschließend wieder in ihre Ausgangslage
zurückkehren.
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Eine
besonders einfache Ausgestaltung der Begrenzungseinrichtung ist
gegeben, wenn diese von Anschlägen
gebildet ist, wobei die Anschläge
an einem der Halteteile ausgebildet sein können und mit Anschlagelementen
zusammenwirken, die am anderen Halteteil ausgebildet sind.
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Weitere
Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht der Lagerung der Messwelle im Ausgangszustand,
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2 eine
der 1 entsprechende Darstellung bei axialer Verschiebung
der Messwelle infolge einer Normalkraft,
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3 eine
Aufsicht auf die bei der Ausgestaltung gemäß den 1 und 2 verwendeten Erfassungsvorrichtung,
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4 eine
Aufsicht auf eine alternative Erfassungsvorrichtung zur Erfassung
des Drehmoments der Messwelle im Ausgangszustand und
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5 eine
der 4 entsprechende Darstellung bei Wirkung eines
Drehmomentes an der Messwelle.
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1 zeigt
eine Messwelle 20 eines Rheometers 10, die an
ihrem unteren Ende ein plattenförmiges
Messteil 21 trägt,
das mit einer nicht dargestellten Materialprobe in die Anlage kommt.
Die Messwelle 20 erstreckt sich im Wesentlichen vertikal und
trägt in
ihrem oberen Endbereich einen Messkopf 18, auf dem ein
Drehantrieb 19 für
die Messwelle 20 montiert ist. Mittels des Drehantriebs 19 kann die
Messwelle 20 um ihre vertikale Längsachse L gedreht werden.
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Die
Messwelle 20 ist über
den Messkopf 18 an einer Erfassungsvorrichtung 12 gelagert,
die ein erstes ringförmiges
Halteteil 13 aufweist, das mit dem Messkopf 18 verbunden
und koaxial zur Längsachse L
der Messwelle 20 angeordnet ist. Die Erfassungsvorrichtung 12 umfasst
des Weiteren ein zweites ringförmiges
Halteteil 14, das koaxial zum ersten ringförmigen Halteteil 13 angeordnet
ist und fest an einem Gestell 11 des Rheometers 10 montiert
ist, wobei montagebedingte Zwängungsspannungen
vermieden sind. Die beiden ringförmigen
Halteteile 13 und 14 stehen über vier radiale Stege 15 in
Verbindung, die in einem gegenseitigen Versatz von 90° gleichmäßig über den
Umfang der Erfassungsvorrichtung 12 verteilt sind, wie 3 zeigt.
Die Stege 15 weisen in Längsrichtung der Messwelle 20 eine sehr
geringe Dicke auf und bilden federnde Verbindungsteile zwischen
den beiden ringförmigen
Halteteilen 13 und 14. An jedem Steg 15 ist
zumindest ein Dehnungsmessstreifen 16 fest angebracht,
mittels dessen die elastische Verformung des jeweiligen Stegs 15 erfasst
werden kann.
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Dem
ersten ringförmigen
Halteteil 13 ist ein Anschlag 17 zugeordnet, mit
dem das erste ringförmige
Halteteil 13 in Anlage kommt, sobald es eine vorbestimmte
Relativbewegung zu dem gestellfesten zweiten ringförmigen Halteteil 14 ausgeführt hat.
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In 1 ist
der Ausgangszustand des Rheometers 10 dargestellt, bei
dem die Messwelle 20 unbelastet ist und das erste ringförmige Halteteil 13 mit dem
Anschlag 17 außer
Eingriff steht.
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Wenn
während
einer Messung auf die Messwelle 20 eine in Längsrichtung
L wirkende, gemäß der 2 nach
oben weisende Normalkraft Nf wirkt, wird der Messkopf 18 mit
dem ersten ringförmigen Halteteil 13 von
dem zweiten ringförmigen
Halteteil 14 unter elastischer Verformung der Stege 15 abgehoben. 2 zeigt
die Endstellung der Bewegung, in der das erste ringförmige Halteteil 13 am
oberen Ende des Anschlags 17 anliegt. Die elastische Verformung
der Stege 15 kann mittels der Dehnungsmessstreifen 16 erfasst
und in herkömmlicher
Weise ausgewertet werden. Sobald die Normalkraft Nf in der Messwelle 20 nicht
mehr wirkt, kehrt die Messwelle 20 mit dem Messkopf 18 und
dem ersten ringförmigen
Halteteil 13 aufgrund der elastischen Rückstellkraft der Stege 15 in
die in 1 dargestellte Ausgangslage zurück.
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Während im
Vorstehenden anhand der 1, 2 und 3 die
Messung der Normalkraft Nf in der Messwelle 20 erläutert wurde,
zeigen die 4 und 5 eine Erfassungsvorrichtung 22,
mit der das Drehmoment in der Messwelle 20 erfasst werden
kann. Die Erfassungsvorrichtung 22 umfasst ein erstes ringförmiges Halteteil 23,
das koaxial zur Längsachse
L der Messwelle 20 angeordnet ist und vier radial nach
außen
hervorstehende, kreuzförmig angeordnete
Anschlagfinger 23a aufweist, auf denen in nicht dargestellter
Weise der mit der Messwelle verbundene Messkopf drehfest so montiert
ist, dass Zwängungsspannungen
vermieden sind. In den 4 und 5 wurde
auf die Darstellung des Messkopfs und der Messwelle verzichtet,
da diese den in den 1 und 2 dargestellten
Aufbau besitzen.
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Das
erste ringförmige
Halteteil 23 ist über vier
radiale Stege 25, die über
den Umfang gleich verteilt sind und einen gegenseitigen Versatz
von 90° aufweisen,
mit einem äußeren, konzentrischen
zweiten ringförmigen
Halteteil 24 verbunden, das in genannter Weise gestellfest
im Rheometer gehalten ist. Die Stege 25 sind ebenfalls
plattenförmig
ausgebildet, wobei sich die Plattenebene jeweils in Richtung der
Längsachse
L der Messwelle erstreckt, d.h. eine Normale zur Plattenebene im
Wesentlichen tangential zur Längsachse
L der Messwelle verläuft.
Auf diese Weise können
die beiden ringförmigen
Halteteile 23 und 24 relativ zueinander unter
elastischer Verformung der Stege 25 in Umfangsrichtung
der Messwelle verdreht werden. Auf jedem Steg 25 sind Dehnungsmessstreifen 16 angebracht,
die in herkömmlicher
Weise mit einer nicht dargestellten Auswerteeinheit verbunden sind.
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Auf
der inneren, dem ersten ringförmigen Halteteil 23 zugewandten
Seite des äußeren zweiten ringförmigen Halteteils 24 sind
Anschläge 27 angeformt,
wobei jedem Anschlagfinger 23a des ersten ringförmigen Halteteils 23 zwei
Anschläge 27 zugeordnet
sind und das freie Ende des jeweiligen Anschlagfingers 23a mit
Spiel zwischen den beiden Anschlägen 27 liegt.
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Wenn
auf die Messwelle ein Drehmoment Md einwirkt, führt dies zu einer Verdrehung
des Messkopfes und somit auch des ersten ringförmigen Halteteils 23 um
die Längsachse
L der Messwelle, wobei eine elastische Verformung der Stege 25 auftritt,
wie sie in 5 dargestellt ist. Diese elastische Verformung
der Stege 25 wird mittels der an den Stegen 25 angebrachten
Dehnungsmessstreifen 16 erfasst und in herkömmlicher
Weise einer Auswertung zugeführt.
Die Relativverdrehung zwischen dem ersten ringförmigen Halteteil 23 und
dem zweiten ringförmigen
Halteteil 24 ist durch die Anlage der Anschlagfinger 23a an
den Anschlägen 27 begrenzt, wie
es in 5 dargestellt ist.