DE102006003644A1

DE102006003644A1 - Rotationsviskosimeter

Info

Publication number: DE102006003644A1
Application number: DE102006003644A
Authority: DE
Inventors: Ralf Jenning; Raino Dr. Petricevic; Andreas Dr. Lohmüller; Mark Hartmann
Original assignee: KOMPETENZZENTRUM NEUE MATERIAL; KOMPETENZZENTRUM NEUE MATERIALIEN NORDBAYERN GmbH
Current assignee: NEUE MATERIALIEN FUERTH GMBH, DE
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotationsviskosimeter zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit, insbesondere einer Schmelze (S), mit einem um eine Achse (z) drehbaren Drehkörper (5) zum Eintauchen in die Flüssigkeit, wobei eine am Drehkörper (5) angebrachte Welle (4) in koaxialer Anordnung über ein Torsionselement (3) mit einer Motorwelle (2) verbunden ist. Zur Erhöhung der Genauigkeit der Viskositätsmessung, insbesondere von Schmelzen (S), wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Torsionselement (3) gegenüber in Axialrichtung (z) und senkrecht dazu wirkenden Zug- und Druckspannungen eine höhere Steifigkeit aufweist als entgegen einer Drehung um die Achse (z) wirkenden Schubspannungen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotationsviskosimeter zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit, insbesondere einer Schmelze.

Bei einem Rotationsviskosimeter taucht ein Drehkörper in eine Flüssigkeit ein, deren Viskosität zu bestimmen ist. Der Drehkörper ist über eine Welle mit einer Motorwelle eines Motors verbunden. Bei einer ersten Art von Rotationsviskosimetern wird während des Drehens das mit dem Motor erzeugte Drehmoment gemessen. Daraus sowie aus der exakten Geometrie des verwendeten Drehkörpers und der Drehgeschwindigkeit kann dann auf die Viskosität der Flüssigkeit geschlossen werden.

Bei einer zweiten Art von Rotationsviskosimetern ist die Motorwelle mit der vom Drehkörper sich erstreckenden Welle über ein Torsionselement verbunden. Es handelt sich dabei üblicherweise um einen Draht. Gemessen wird in diesem Fall die Verdrillung oder Torsion des Drahts. Daraus kann wiederum auf das zur Erzeugung der Verdrillung erforderliche Drehmoment und unter Verwendung der exakten Geometrie des Drehkörpers sowie der Drehgeschwindigkeit auf die Viskosität der Flüssigkeit geschlossen werden. – Die zweite Art von Rotationsviskosimetern ermöglicht bereits eine Messung geringster Änderungen der Viskosität. Sie eignen sich wegen ihres empfindlichen Messaufbaus allerdings nur zur Bestimmung der Viskosität relativ niedrig viskoser Flüssigkeiten bei Raumtemperatur. Insbesondere zur Bestimmung der Viskosität heißer Schmelzen, beispielsweise Metallschmelzen, sind solche Rotationsviskosimeter nicht geeignet.

Gerade bei der Verarbeitung von Metallschmelzen im Spritzguss ist zur Erzielung einer möglichst guten Produktqualität eine exakte Kenntnis der Viskosität der Metallschmelze erforder lich. Eine ausreichend genaue Messung der Viskosität mit den heutzutage zu diesem Zweck verwendeten oben beschriebenen Rotationsviskosimetern der ersten Art ist nicht immer möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Rotationsviskosimeter angegeben werden, mit dem eine Messung der Viskosität insbesondere von Schmelzen mit verbesserter Genauigkeit möglich ist. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll das Rotationsviskosimeter möglichst unempfindlich und robust aufgebaut sein.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 18.

Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass das Torsionselement gegenüber in Axialrichtung und senkrecht dazu wirkenden Zug- und Druckspannungen eine höhere Steifigkeit aufweist als entgegen einer Drehung um die Achse wirkenden Schubspannungen. – Erfindungsgemäß wird im Abkehr vom Stand der Technik vorgeschlagen, den Torsionskörper gegenüber in die drei Raumrichtungen wirkenden Zug- und Druckspannungen besonders steif auszugestalten. Das ermöglicht es, den Drehkörper über eine relativ lange Welle mit dem Torsionselement zu verbinden. Die Verwendung einer langen Welle wiederum ermöglicht den Einsatz des vorgeschlagenen Rotationsviskosimeters zur Bestimmung der Viskosität heißer Schmelzen, insbesondere von Metallschmelzen. Wegen der vorgeschlagenen hohen Steifigkeit des Torsionselements kann eine Verfälschung der Messung durch, beispielsweise durch Konvektionsströmungen in der Schmelze hervorgerufene, auf den Drehkörper wirkende Zug- oder Druckspannungen vermieden werden. Gleichzeitig ist eine Steifigkeit, d. h. ein Widerstand gegen elastische Verformung, entgegen dem Angriff von Schubspannungen bei einer Dre hung um die Achse vergleichsweise kleiner als beim Angriff von Druck- oder Zugspannungen: Eine betragsmäßig mit einer Zug- oder Druckspannung vergleichbare Schubspannung verursacht also eine vergleichsweise größere Formänderung. Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Torsionselements macht das vorgeschlagene Rotationsviskosimeter besonders robust und ermöglicht gleichzeitig eine exakte Messung der Viskosität, insbesondere von heißen Schmelzen. – Zur Erläuterung der Begriffe "Zug-, Druck- und Schubspannung" sowie "Steifigkeit" wird beispielhaft verwiesen auf B. Ilschner: Werkstoffwissenschaften, Springer-Verlag, 1982, Seiten 102, 103, 128 und 129. Der Offenbarungsgehalt des vorgenannten Dokuments wird hiermit einbezogen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich das Torsionselement radial über einen Wellendurchmesser hinaus. Dabei kann ein Durchmesser einer das Torsionselement radial umgebenden Hüllfläche größer als der Wellendurchmesser sein. Nach einer konkreten Ausgestaltung umfasst das Torsionselement eine mit der Motorwelle verbundene erste Scheibe und eine parallel dazu angeordnete, mit der Welle verbundene zweite Scheibe, wobei die erste und die zweite Scheibe über zumindest drei in Axialrichtung verlaufende Streben miteinander verbunden sind. Dabei können die Streben insbesondere im selben radialen Abstand von der Achse angebracht sein. Zweckmäßigerweise sind die Streben als in radialer Richtung sich erstreckende Stege ausgebildet. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, das Rotationselement einstückig aus Metall, vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung mit einem Elastizitätsmodul < 100 GN/m² (20°C), herzustellen. Es kann sich dabei beispielsweise um Aluminium handeln. Daneben kommen zur Herstellung des Torsionselements auch Kunststoffe in Betracht, deren Elastizitätsmodul die vorgenannte Bedingung erfüllt. – Ein Rotationselement mit den vorgenannten Merkmalen weist eine hervorragende Steifigkeit in Axialrichtung und senkrecht dazu auf. Gleichzeitig lässt es sich um die Achse verdrillen. Entgegen der Drehung der Achse wirkende Schubspannungen können besonders exakt gemessen werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist am Torsionselement eine Messeinrichtung zur Erfassung einer Torsion desselben vorgesehen. Das unmittelbare Vorsehen einer Messeinrichtung am Torsionselement ermöglicht eine exakte Messung der Torsion ohne großen messtechnischen Aufwand.

Die Messeinrichtung kann zumindest einen an einer Strebe angebrachten Sensor umfassen. Nach einer ersten Ausgestaltung kann es sich bei dem Sensor um einen Dehnungsmesssensor handeln. Damit kann über eine Verformung der Strebe auf die Torsion des Torsionselements und das zur Erzeugung der Torsion erforderliche Drehmoment geschlossen werden.

Nach einer zweiten Ausgestaltung umfasst die Messeinrichtung eine Schwingungserzeugungseinrichtung und eine davon beabstandete Schwingungserfassungseinrichtung. Die Schwingungserzeugungseinrichtung kann ein erstes piezoelektrisches Element und die Schwingungserfassungseinrichtung ein zweites piezoelektrisches Element umfassen. Das erste und das zweite piezoelektrische Element sind zweckmäßigerweise an verschiedenen Streben angebracht. Mit der Schwingungserzeugungseinrichtung kann die Strebe in ihrer Resonanzfrequenz angeregt werden. Bei einer infolge einer Schubspannung bewirkten Deformation der Strebe ändert sich die Resonanzfrequenz und/oder die Amplitude. Eine Messung der vorgenannten Änderungen ermöglicht einen Rückschluss auf die Torsion und das die Torsion bewirkende Drehmoment.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein den Sensor nachgeschalteter Messverstärker am Torsionselement an gebracht. Das ermöglicht eine Verstärkung der mit dem Sensor gemessenen Signale unter Vermeidung langer Signalwege. Eine, insbesondere durch Rauschen verursachte, Verfälschung der Messergebnisse kann damit weitgehend vermieden werden.

Nach einer konkreten Ausgestaltung ist der Messverstärker in einem zwischen der ersten und der zweiten Scheibe gebildeten Zwischenraum aufgenommen. Das ermöglicht eine besonders kompakte Ausgestaltung des vorgeschlagenen Rotationsviskosimeters.

Zur Übertragung der vom Sensor und/oder Messverstärker gelieferten Signale kann ein relativ zur ersten Scheibe drehfest angebrachter Schleifringträger vorgesehen sein. Der Schleifringträger ist vorteilhafterweise in einem Abschnitt zwischen dem Motor und der ersten Scheibe angebracht.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in Kontakt mit den Schleifringen angebrachte Schleifer mit einer Anzeigevorrichtung zur Anzeige der mit dem Sensor gemessenen oder daraus ermittelten Werten vorgesehen. Das ermöglicht ein unmittelbares Ablesen der gemessenen Viskosität.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Zeichnung zeigt eine schematische Seitenansicht eines Rotationsviskosimeters. Eine von einem Motor 1 sich erstreckende Motorwelle 2 ist in koaxialer Anordnung über ein Torsionselement 3 mit einer Welle 4 verbunden, an deren Ende ein zylindrischer Drehkörper 5 angebracht ist. Der Motor 1 ist an einem Gestell 6 befestigt, welches auf einem Ofen 7 abgestützt ist. Bei dem Ofen 7 kann es sich insbesondere um einen Vakuum- oder Schutzgasofen handeln, welcher eine Mehrzonenheizung aufweisen kann. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Stutzen zum Anschluss einer Vakuumpumpe bzw. zum Einleiten von Schutzgas. In einem Tiegel 9 ist eine Schmelze S aufgenommen. Der Tiegel 9 ist von einer Heizeinrichtung 10 umgeben.
Das Torsionselement 3 umfasst eine mit der Motorwelle 2 verbundene erste Scheibe 11 und eine zweite Scheibe 12, an deren zum Drehkörper 5 hingewandten Seite ein Spannfutter 13 zur Befestigung der Welle 4 angebracht ist. Die Scheiben 11, 12 sind über vier Stege 14 miteinander verbunden. Die Stege 14 erstrecken sich von einem äußeren Umfang der Scheiben 11, 12 radial nach innen. Eine in Radialrichtung sich erstreckende Breite der Stege 14 beträgt ein Vielfaches ihrer in Umfangsrichtung sich erstreckenden Dicke. Eine die Scheiben 11, 12 umgebende Hüllfläche weist einen Durchmesser auf, der größer ist als ein Wellendurchmesser der Welle 4.
An den Stegen 14 sind entweder Dehnungsmesssensoren 15 oder ein Piezo-Aktor 16 in Kombination mit einem Piezo-Sensor 17 angebracht. Dabei ist der Piezo-Aktor 16 zweckmäßigerweise an einem anderen Steg 14 angebracht, als der Piezo-Sensor 17. Mit dem Bezugszeichen 18 ist eine Messvorrichtung bezeichnet, welche in einem zwischen den Scheiben 11, 12 und den Stegen 14 gebildeten Käfig aufgenommen ist. An der Motorwelle 2 ist zwischen der ersten Scheibe 11 und dem Motor 1 ein Schleifringträger 19 befestigt, welcher über Schleifer 20 mit einem (hier nicht gezeigten) Anzeigeinstrument verbunden ist.
Die Funktion des Rotationsviskosimeters ist folgende:
Das Torsionselement 3 weist infolge der vorgeschlagenen Ausgestaltung, bei der zwei Scheiben 11, 12 über axial bzw. parallel zur z-Achse (z) verlaufende Stege 14 miteinander verbunden sind, ein hervorragende Steifigkeit im durch die Achse z und den Radius r beschriebenen Zylinderkoordinatensystem auf. Die hohe Steifigkeit des Torsionselements 3 wird insbesondere auch dadurch bedingt, dass die Stege 14 in einem radialen Abstand von der Achse z angebracht sind, welcher größer ist als ein Radius der Welle 4. Das, zweckmäßigerweise einstückig aus Aluminium hergestellte, Torsionselement 3 ist insbesondere unempfindlich gegenüber über den Drehkörper 5 und die Welle 4 eingeleitete, in x-, y- und z-Richtung wirkende Zug- und Druckspannungen. Dagegen ist das Torsionselement 3 empfindlich gegenüber einer entgegen einer Drehrichtung um die Achse z wirkenden Schubspannung. Eine auf das Torsionselement 3 wirkende Schubspannung bewirkt eine Verdrillung des Torsionselements 3 um einen Verdrillungswinkel Φ und damit eine Deformation der Stege 14. Die Deformation der Stege 14 kann nach einer ersten Alternative mittels Dehnungsmesssensoren 15 erfasst werden. In diesem Fall werden die von den Dehnungsmesssensoren 15 erfassten Signale mittels des Messverstärkers 18 verstärkt und über den Schleifringträger 19 und die Schleifer 20 an eine nachgeschaltete Anzeige- und/oder Auswerteeinrichtung weitergegeben.
Nach einer zweiten Alternative wird einer der Stege 14 mittels des Piezo-Aktors 16 mit seiner Resonanzfrequenz angeregt. Eine durch Einwirkung einer Schubspannung bewirkte Deformation der Stege 14 verursacht eine Änderung der Amplitude der Schwingung. Die Änderung der Amplitude wird mit dem Piezo-Sensor 17 erfasst. Daraus kann auf das die Deformation bewirkende Drehmoment geschlossen werden.
Nach einer dritten Alternative wird eine durch eine Deformation der Stege 14 bedingte Änderung der Resonanzfrequenz ermittelt. Dazu wird durch ein Zusammenwirken des Piezo-Aktors 16 und des Piezo-Sensors 17 sowie einer (hier nicht gezeigten) Regeleinrichtung jeweils einer der Stege 14 in jedem Deformationszustand auf der jeweiligen Resonanzfrequenz gehalten. Aus der Änderung der Resonanzfrequenz kann auf das die Deformation bewirkende Drehmoment geschlossen werden.

1: Motor
2: Motorwelle
3: Torsionselement
4: Welle
5: Drehkörper
6: Gestell
7: Ofen
8: Stutzen
9: Tiegel
10: Heizeinrichtung
11: erste Scheibe
12: zweite Scheibe
13: Spannfutter
14: Steg
15: Dehnungsmesssensor
16: Piezo-Aktor
17: Piezo-Sensor
18: Messverstärker
19: Schleifringträger
20: Schleifer
S: Schmelze
r: Radius
z: Achse
Φ: Verdrillungswinkel

Claims

Rotationsviskosimeter zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit, insbesondere einer Schmelze (S), mit einem um eine Achse (z) drehbaren Drehkörper (5) zum Eintauchen in die Flüssigkeit, wobei eine am Drehkörper (5) angebrachte Welle (4) in koaxialer Anordnung über ein Torsionselement (3) mit einer Motorwelle (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionselement (3) gegenüber in Axialrichtung (z) und senkrecht dazu wirkenden Zug- oder Druckspannungen eine höhere Steifigkeit aufweist als entgegen einer Drehung um die Achse (z) wirkenden Schubspannungen.
Rotationsviskosimeter nach Anspruch 1, wobei das Torsionselement (3) sich radial über einen Wellendurchmesser hinaus erstreckt.
Rotationsviskosimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Durchmesser einer das Torsionselement (3) radial umgebenden Hüllfläche größer als der Wellendurchmesser ist.
Rotationsviskosimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Torsionselement (3) eine mit der Motorwelle (2) verbundene erste Scheibe (11) und eine parallel dazu angeordnete, mit der Welle (4) verbundene zweite Scheibe (12) umfasst, wobei die erste (11) und die zweite Scheibe (12) über zumindest drei in Axialrichtung (z) verlaufende Stege (14) miteinander verbunden sind.
Rotationsviskosimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stege (14) im selben radialen Abstand von der Achse (z) angebracht sind.
Rotationsviskosimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stege (14) als in radialer Richtung sich erstreckende Stege ausgebildet sind.
Rotationsviskosimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Torsionselement (3) einstückig aus Metall, vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung mit einem Elastizitätsmodul < 100 GN/m² (20°C), hergestellt ist.
Rotationsviskosimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Torsionselement (3) eine Messeinrichtung zur Erfassung einer Torsion desselben vorgesehen ist.
Rotationsviskosimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung zumindest einen an einem Steg (14) angebrachten Sensor (15, 16, 17) umfasst.
Rotationsviskosimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor ein Dehnungsmesssensor (15) ist.
Rotationsviskosimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung eine Schwingungserzeugungseinrichtung und eine davon beabstandete Schwingungserfassungseinrichtung umfasst.
Rotationsviskosimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schwingungserzeugungseinrichtung ein erstes piezoelektrisches Element (16) und die Schwingungserfassungseinrichtung ein zweites piezoelektrisches Element (17) umfassen.
Rotationsviskosimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste (16) und das zweite piezoelektrische Element (17) an verschiedenen Stegen (14) angebracht sind.
Rotationsviskosimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein dem Sensor (15, 16, 17) nachgeschalteter Messverstärker (18) am Torsionselement (3) angebracht ist.
Rotationsviskosimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Messverstärker (18) in einem zwischen der ersten (11) und der zweiten Scheibe (12) gebildeten Zwischenraum aufgenommen ist.
Rotationsviskosimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein relativ zur ersten Scheibe (11) drehfest angebrachter Schleifringträger (19) vorgesehen ist.
Rotationsviskosimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schleifringträger (19) in einem Abschnitt zwischen dem Motor (1) und der ersten Scheibe (11) angebracht ist.
Rotationsviskosimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Kontakt mit den Schleifringen (20) angebrachte Schleifer mit einer Anzeigevorrichtung zur Anzeige der mit dem Sensor (15, 16, 17) gemessenen oder daraus ermittelten Werten vorgesehen sind.