DE10254502A1

DE10254502A1 - Rheometer

Info

Publication number: DE10254502A1
Application number: DE10254502A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Platzek
Original assignee: Thermo Electron Karlsruhe GmbH
Current assignee: Thermo Electron Karlsruhe GmbH
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2004-06-03
Also published as: US20040099049A1

Abstract

Ein Rheometer besitzt ein oberes Messteil und ein unteres Messteil, zwischen denen ein Messraum zur Aufnahme einer Probe eines zu untersuchenden Stoffes gebildet ist. Die beiden Messteile sind relativ zueinander bewegbar und insbesondere dreh- oder schwenkbar, wobei das obere Messteil und/oder das untere Messteil zumindest teilweise aus Keramik bestehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rheometer mit einem oberen Messteil und einem unteren Messteil, zwischen denen ein Messraum zur Aufnahme einer Probe eines zu untersuchenden Stoffes gebildet ist, wobei die beiden Messteile relativ zueinander bewegbar und insbesondere dreh- oder schwenkbar sind.

Zur Ermittlung der rheologischen Kennwerte eines viskosen Stoffes wird üblicherweise ein Rheometer verwendet, bei dem es sich um ein Oszillationsrheometer oder auch um ein Axialrheometer handeln kann. Ein Oszillationsrheometer, von dem im folgenden beispielhaft ausgegangen wird, umfasst üblicherweise ein unteres, feststehendes Messteil (Stator) und ein oberes, dreh- oder schwenkbares Messteil (Rotor), zwischen denen ein Messraum zur Aufnahme einer Probe des zu untersuchenden Stoffes ausgebildet ist. Die bei der relativen Verstellung zwischen dem oberen und dem unteren Messteil auftretenden Kräfte und Spannungen werden ermittelt, woraus sich die gewünschten rheologischen Kennwerte errechnen lassen. Die auf diese Weise bestimmten rheologischen Kennwerte hängen unter anderem von den Umgebungsbedingungen während der Messung und auch von den das Versuchsergebnis beeinflussenden physikalischen Gegebenheiten des Rheometers ab. Bei letzteren ist insbesondere zu beachten, dass die Geometrie der Messteile, die üblicherweise aus Metall, insbesondere Titan oder Aluminium, bestehen, die Dynamik des Rheometers bestimmt. Die Massenträgheit des bewegten Messteils ist proportional zu seiner Größe. Eine Verkleinerung des bewegten Messteils ist aufgrund von Normungsvorgaben in der Regel jedoch nicht möglich. Darüber hinaus besitzt Metall eine hohe Wärmeleitfähigkeit, so dass das thermodynamische Verhalten der metallischen Messteile bei der Temperierung der Probe berücksichtigt werden muss. Die Berücksichtigung der genannten physikalischen Eigenschaften der Messteile bei der Bestimmung der rheologischen Kennwerte ist aufwendig und fehleranfällig, weshalb die rheologische Messtechnik heutzutage an ihre physikalischen Grenzen zu stoßen scheint.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rheometer der genannten Art zu schaffen, mit dem sich eine erhöhte Messgenauigkeit erzielen lässt.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Rheometer erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das obere Messteil und/ oder das untere Messteil zumindest teilweise aus Keramik bestehen.

Die Verwendung von Keramik als Material für die Messteile bringt den Vorteil mit sich, dass die Messteile ein sehr hohe Verschleißfestigkeit bei gleichzeitig geringer Massenträgheit aufweisen, wobei die physikalischen Eigenschaften der Messteile, beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit der Ausdehnungskoeffizient, der Elastizitätsmodul, die Biege- sowie Torsionssteifigkeit mit hoher Genauigkeit bestimmbar und entsprechend bei der Berechnung der rheologischen Kennwerte zu berücksichtigen sind. Darüber hinaus lassen sich die keramischen Messteile in kostengünstiger Weise herstellen.

Das obere und/oder das untere Messteil kann kegelförmig, zylinderförmig, plattenförmig oder propellerartig ausgebildet sein oder jede andere beliebige Messgeometrie besitzen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das obere Messteil eine den Messraum oberseitig begrenzende Platte bzw. einen Kegel umfasst, die bzw. der mit einer angetriebenen Welle gekoppelt ist, wobei die Platte bzw. der Kegel aus Keramik besteht. Die Platte bzw. der Kegel kann auswechselbar an der Welle gehalten sein, was sich beispielsweise dadurch erreichen lässt, dass die Platte bzw. der Kegel einstückig mit einer Kupplungshülse ausgebildet ist, die mit einem an der Welle festlegbaren Kupplungsteil verbunden werden kann. In Weiterbildung der Erfindung können auch die Welle und/oder die Kupplungshülse und/oder das Kupplungsteil aus Keramik bestehen.

Das untere Messteil umfasst vorzugsweise eine den Messraum unterseitig begrenzende Grundplatte, die aus Keramik besteht.

Die Verwendung von Keramik als Baustoff für die Messteile ermöglicht es, auch komplizierte Formgebungen der Messteile in einfacher Weise herzustellen, was beispielsweise dadurch erreicht werden kann, dass die aus Keramik bestehenden Bauteile in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden.

In Weiterbildung ist vorgesehen, dass die aus Keramik bestehenden Bauteile oberflächenbehandelt sind. Auf diese weise lässt sich eine Erhöhung an chemischer bzw, physikalischer Resistenz gegenüber aggressiven oder abrasiven Medien erreichen. Als Oberflächenbehandlung kann beispielsweise eine Oberflächenbeschichtung, eine Metallisierung, eine Härtung oder auch eine Nitrierung vorgesehen sein. Durch Ausbildung von Hartstoffschichten, Gleitschichten oder anti-adhäsiven Schichten kann die Verschleißfestigkeit der keramischen Messteile weiter erhöht werden. Auf diese Weise ist es darüber hinaus möglich, die Oberflächenbeschaffenheit und Kratzfestigkeit der Messteile an die zu messende Substanz bzw. die jeweilige Anwendung anzupassen, was insbesondere bei rheologischen Messungen mit gleichzeitiger optischer Beobachtung von Bedeutung ist.

Die rheologischen Kennwerte hängen unter anderem von der Temperatur der Probe während der Messung ab. Um normierte rheologische Kennwerte zu erhalten, ist man deshalb bemüht, die Probe auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen und während der gesamten Messung auf dieser Temperatur zu halten. In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die im Messraum befindliche Probe mittels einer Tempiervorrichtung und insbesondere mittels einer Mikrowellenvorrichtung temperierbar ist, wobei die Probe durch die Mikrowellen direkt erhitzt werden kann, ohne dass diese die keramischen Messteile erhitzen. Alternativ ist es möglich, die im Messraum befindliche Probe mittels Infrarotstrahlung zu temperieren, wobei die Energieabsorption im Keramikwerkstoff durch Wahl einer geeigneten Wellenlänge gering oder auf einem gewünschten Niveau gehalten werden kann.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich, wobei die einzige Figur eine Ansicht des Messaufbaus eines Rheometers zeigt.
Ein in der Figur nur ausschnittsweise dargestelltes Rheometer 10 besitzt ein oberes dreh- oder schwenkbares Messteil (Rotor) 11, dass eine im wesentlichen horizontal ausgerichtete Platte 12 umfasst, die aus Keramik besteht und auf ih rer Oberseite einstückig mit einer Kupplungshülse 12a versehen ist. In die Kupplungshülse 12a ist ein Schaftabschnitt 13 eines Kupplungsteils 14 einsteckbar, das mit einer vertikalen angetriebenen Welle 15 koppelbar ist. Bei Drehung oder Schwenkung der Welle 15 wird die Bewegung über das Kupplungsteil 14 auf die Platte 12 übertragen.
Unterhalb der Platte 12 ist ein Messraum 19 gebildet, in dem eine nicht dargestellte Probe eines zu untersuchenden Stoffes angeordnet werden kann. Der Messraum 19 ist auf seiner Unterseite durch eine aus Keramik bestehende Grundplatte 18 begrenzt, die auf einem gestellfesten Basisteil 17 aufliegt. Das Basisteil 17 und die Grundplatte 18 bilden ein unteres Messteil 16.
Die aus Keramik bestehenden Bauteile, d.h. die Platte 12 mit der Kupplungshülse 12a sowie die Grundplatte 18 sind jeweils vorzugsweise auswechselbar gehalten.

Claims

Rheometer mit einem oberen Messteil (11) und einem unterem Messteil (16), zwischen denen ein Messraum (19) zur Aufnahme einer Probe eines zu untersuchenden Stoffes gebildet ist, wobei die beiden Messteile (11, 16) relativ zueinander bewegbar und insbesondere dreh- oder schwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Messteil (11) und/oder das untere Messteil (16) zumindest teilweise aus Keramik bestehen.
Rheometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Messteil (11) eine den Messraum (19) oberseitig begrenzende Platte (12) bzw. einen Kegel umfasst, die bzw. der mit einer angetriebenen Welle (15) gekoppelt ist, wobei die Platte (12) bzw. der Kegel aus Keramik besteht.
Rheometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (12) bzw. der Kegel einstückig mit einer Kupplungshülse (12a) ausgebildet ist, die mit einem an der Welle (15) festlegbaren Kupplungsteil (14) verbindbar ist.
Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Messteil (16) eine den Messraum (19) unterseitig begrenzende Grundplatte (18) umfasst, die aus Keramik besteht.
Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Keramik bestehende Bauteile in einem Spritzgussverfahren hergestellt sind.
Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Keramik bestehenden Bauteile oberflächenbehandelt sind.
Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die im Messraum (19) befindliche Probe mittels einer Mikrowellenvorrichtung temperierbar ist.
Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die im Messraum (19) befindliche Probe mittels Infrarotstrahlung temperierbar ist.