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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Ermittlung axialer Kräfte
(Normalkräfte)
an einer drehangetriebenen Welle eines Rheometers, wobei auf der
Welle eine sich im wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Welle erstreckende
Encoderscheibe angeordnet ist, deren Drehung erfasst wird. Darüber hinaus
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung axialer Kräfte (Normalkräfte) an
einer drehangetriebenen Welle eines Rheometers, wobei auf der Welle
eine sich im wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Welle erstreckende
Encoderscheibe angeordnet ist, mit einer 1. Erfassungsvorrichtung, mittels
der eine Drehung der Encoderscheibe und der Welle erfassbar ist.
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Ein Rheometer dient zur Ermittlung
der rheologischen Kennwerte eines Stoffes und 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. Der Rotor ist mit einer drehangetriebenen Welle verbunden.
Die bei der Drehung oder Schwenkung des oberen Messteils relativ
zu dem unteren Messteil auftretenden Wege, Kräfte und Spannungen werden ermittelt,
woraus sich die gesuchten rheologischen Kennwerte ermitteln lassen.
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Die Positions- und Geschwindigkeitserfassung
der Welle während
ihrer Drehbewegung wird mittels eines sogenannten Winkelencoders
durchgeführt.
Zu diesem Zweck ist auf der Welle eine Encoderscheibe fest montiert,
die sich senkrecht zur Längsachse
der Welle erstreckt und zusammen mit dieser dreht. Am äußeren Rand
der Encoderscheibe sind eine Vielzahl von Markierungen insbesondere
in Form äquidistanter
Linien angeordnet, die über
den gesamten Umfang der Encoderscheibe verteilt sind und üblicherweise
durch ein lithographisches Belichtungs- oder Ätzverfahren aufgebracht werden.
Die Markierungen werden angeleuchtet und das reflektierte und/oder
transmittierte Licht wird erfasst und einer Auswerteeinheit zugeführt. Aus
den erfassten Lichtsignalen lässt
sich die Bewegung der Encoderscheibe mit sehr hoher Genauigkeit
ermitteln, wodurch auch die Drehung der Welle erfasst ist.
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Zusätzlich dazu ist es notwendig,
die axialen Kräfte
(Normalkräfte)
in der Welle zu kennen. Die Normalkräfte werden in der Regel mittelbar
erfasst, indem die axiale Bewegung der Welle ermittelt und daraus
unter Kenntnis der Rahmenbedingungen und insbesondere der Lagersteifigkeit
die Normalkräfte errechnet
werden. Es ist bekannt, die Welle in einem axialen Magnet- oder
Luftlager zu lagern und direkt im Magnet- oder Luftlager Sensoren
anzuordnen, um die axiale Bewegung der welle zu ermitteln. Jedoch sind
die im Magnet- oder Luftlager gegebenen räumlichen Verhältnisse
sehr beschränkt,
so dass eine optimale Anordnung der Sensoren in vielen Fällen nicht gegeben
ist.
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Alternativ dazu ist es bekannt, die
Bewegung der Welle an ihrem oberen, dem Messraum abgewandten Ende
zu erfassen. Dort steht zwar ausreichend Bauraum zur Verfügung, jedoch
ist der Abstand zum Messraum relativ groß, so dass sich Längenänderungen
der Welle infolge Temperaturschwankungen stark nachteilig auswirken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit dem bzw. der sich
die axialen Kräfte
an der Welle in einfacher Weise ermitteln lassen.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich des
Verfahrens dadurch gelöst,
dass eine in Richtung der Längsachse
der Welle gerichtete, axiale Bewegung der Encoderscheibe an dieser
erfasst wird und dass aus der erfassten Bewegung der Encoderscheibe
die Normalkräfte
der Welle ermittelt werden.
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Die Erfindung geht von der Überlegung
aus, nicht die axiale Bewegung der Welle direkt bzw. in deren Lager
zu erfassen, sondern die axiale Bewegung der mit der Welle festverbundenen
Encoderscheibe zu erfassen. Die Encoderscheibe ist leicht zugänglich und
es steht ausreichend Bauraum zur Verfügung. Da die Encoderscheibe
fest mit der Welle verbunden ist, entspricht die axiale Bewegung
der Encoderscheibe der entsprechenden Bewegung der Welle, so dass
aus der erfassten Bewegung der Encoderscheibe in herkömmlicher
Weise die Normalkräfte der
Welle ermittelt werden können.
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In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung
ist vorgesehen, dass die Encoderscheibe zumindest teilweise aus
Metall besteht oder zumindest abschnittsweise mit einer metallischen
Beschichtung versehen ist und dass die axiale Bewegung der Encoderscheibe über zumindest
einen kapazitiven Sensor oder einen Wirbelstromsensor erfasst wird.
Mittels des oder der Sensoren lässt
sich eine Bewegung der Encoderscheibe mit hoher Genauigkeit erfassen, wobei
vorzugsweise mehrere Sensoren vorhanden sind, um Kippeffekte der
Encoderscheibe und/oder Bewegungen infolge Temperaturänderungen
ausgleichen zu können.
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Alternativ oder zusätzlich dazu
kann vorgesehen sein, dass die Amplituden der bei der Erfassung
der Drehung der Encoderscheibe erzeugten zwei sinusförmigen elektrischen
Signale, die um einen vorbestimmten Winkel gegeneinander phasenverschoben
sind, erfasst werden und dass aus einer Abweichung der Ist-Amplitudenwerte
von vorgegebenen Soll-Amplitudenwerten
die axialen Bewegung der Encoderscheibe ermittelt wird. Bei der
eingangs genannten Erfassung der Drehung der Encoderscheibe wird
durch Anwendung eines optischen Durchlicht-, Auflicht- oder Interferenzverfahrens
in Verbindung mit einer optischen Auswerteeinheit, die üblicherweise
eine Lichtquelle, eine Maske und eine elektrische Signalaufbereitung
umfasst, die Drehbewegung der Encoderscheibe in zwei um 90° phasenverschobene,
sinusförmige
elektrische Signale umgesetzt. Bei einer unbelasteten Welle sowie
vorgegebenen Einbaubedingungen besitzen diese sinusförmigen Signale
vorbekannte Amplitudenwerte (Soll-Amplitudenwerte) sowie eine strenge
Phasenverschiebung von 90°.
wenn die Encoderscheibe axial verschoben wird, ändern sich die Amplitudenwerte.
Die Ist-Amplituden-werte werden erfasst und mit den Soll-Amplitudenwerten,
d.h. den Ausgangswerten, verglichen. Die Abweichung der Ist-Amplitudenwerte von
den Soll-Amplitudenwerten ist ein Maß für die axiale Verschiebung der
Encoderscheibe relativ zu der optischen Auswerteeinheit, wodurch
sich auch die absoluten axialen Bewegungen der Encoderscheibe und
somit der Welle ermitteln lassen.
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Hinsichtlich der Vorrichtung wird
die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass der Encoderscheibe
eine 2. Erfassungsvorrichtung mit zumindest einem Sensor zugeordnet
ist, mittels der eine in Richtung der Längsachse der Welle gerichtete
axiale Bewegung der Encoderscheibe erfassbar ist, und dass eine
Auswerteeinheit vorgesehen ist, mittels der aus der axialen Bewegung
der Encoderscheibe die Normalkräfte
der Welle ermittelbar sind. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass
der Sensor der 2. Erfassungsvorrichtung ein kapazitiver Sensor ist,
der mit einem Abschnitt der Encoderscheibe zusammenwirkt, der entweder
aus Metall besteht oder zumindest abschnittsweise mit einer metallischen
Beschichtung versehen ist.
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Die Encoderscheibe besitzt in vorgenannter weise
zur Ermittlung ihrer Drehung an ihrem Rand eine Vielzahl von über den
Umfang verteilten Markierungen. Der oder die Sensoren der 2. Erfassungsvorrichtung
wirken vorzugsweise mit einer relativ zu den Markierungen radial
innenliegenden Ringfläche
der Encoderscheibe zusammen. Wenn die Encoderscheibe aus Glas oder
Kunststoff besteht, kann sie auf ihrer radial innenliegenden Ringfläche zumindest einseitig
oder auch beidseitig mit einer metallischen Beschichtung versehen
sein, die vorzugsweise durch Chromatisierung aufgebracht wird.
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In Weiterbildung der Erfindung können mehrere
Sensoren der 2. Erfassungsvorrichtung auf der gleichen Seite der
Encoderscheibe in vorbestimmtem gegenseitigen Winkelabstand angeordnet
sein. Wenn zwei Sensoren vorgesehen sind, liegen diese sich relativ
zur Welle bzw. deren Längsachse
diametral gegenüber,
d.h. sie besitzen einen Winkelabstand von 180°. Es können jedoch auch drei Sensoren in
einem gegenseitigen Winkelabstand von 120° oder vier Sensoren in einem gegenseitigen
Winkelabstand von 90° angeordnet
sein. Auf jeden Fall sollten die Sensoren gleich verteilt über den
Umfang angeordnet sein. Auf diese Weise ist es möglich, Kippeffekte der Encoderscheibe
bei der Bestimmung der axialen Bewegung zu berücksichtigen und bei der Berechnung
zu eliminieren.
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In Weiterbildung der Erfindung kann
vorgesehen sein, dass mehrere Sensoren der 2. Erfassungsvorrichtung
auf entgegengesetzten Seiten der Encoderscheibe angeordnet sind.
In diesem Fall sollte die Encoderscheibe – wenn sie nicht selbst aus Metall
besteht – auf
ihren beiden Scheibenflächen
mit einer metallischen Beschichtung versehen sein. Dabei sollten
sich zwei Sensoren jeweils paarweise auf den entgegengesetzten Seiten
der Encoderscheibe gegenüberliegen,
um Bewegungen der Encoderscheibe infolge Temperaturänderungen
(Temperaturdrift) erfassen und bei der Berechnung der axialen Bewegung
der Welle eliminieren zu können.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale
der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht des oberen Endes einer Welle eines Rheometers,
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2 eine
schematische Darstellung von Erfassungsvorrichtungen an der Encoderscheibe,
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3 eine
Aufsicht auf eine Encoderscheibe und
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4 eine
Abwandlung der Ausgestaltung gemäß 2.
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Gemäß 1 umfasst ein Rheometer 10 eine
vertikal ausgerichtete Welle 11 mit einer Längsachse
L, die mittels eines Motors 12 drehangetrieben ist. Auf
der Welle 11 sitzt eine sich senkrecht zur Längsachse
L erstreckende Encoderscheibe, der eine 1. Erfassungsvorrichtung 14 zur
optischen Erfassung der Drehbewegung der Encoderscheibe 13 und
somit der Welle 11 zugeordnet ist.
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Oberhalb der Encoderscheibe 13 sind
auf verschiedenen Seiten der Welle 11 und somit diametral
zu dieser zwei kapazitive Sensoren 15 angeordnet, mit deren
Hilfe eine axiale Bewegung der Encoderscheibe 13 und somit
der Welle 11 ermittelt werden kann. Die Sensoren 15 sind
in nicht dargestellter weise mit einer Auswerteeinheit verbunden,
in der aus der festgestellten axialen Bewegung der Encoderscheibe 13 in
bekannter Weise die Normalkräfte der
welle 11 ermittelt werden können.
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Die Wirkungsweise der 1. Erfassungsvorrichtung 14 sowie
einer 2. Erfassungsvorrichtung zur Ermittlung der axialen Bewegungen
der Encoderscheibe 13 werden anhand von 2 erläutert.
Die 1. Erfassungsvorrichtung 14 umfasst eine Lichtquelle 23,
die ein divergierendes Lichtbündel
B abgibt, das mittels einer Kondensorlinse 23 bzw. einer
entsprechenden Linsenanordnung in ein Lichtbündel paralleler Lichtstrahlen
umgeformt wird. Das Lichtbündel paralleler
Lichtstrahlen fällt
auf eine Glasplatte 19, die oberseitig mit einer Maske 20 versehen
ist, die ein vorbestimmtes Muster von Durchlässen 21 aufweist. Nach
Durchlaufen der Maske 20 sind eine Vielzahl von kleinen
Lichtbündeln
B* gebildet, die in eine vorbestimmte Form
und einen vorbestimmten gegenseitigen Abstand besitzen.
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Die Encoderscheibe 13 umfasst
eine transparente Trägerscheibe 16 aus
Glas oder Kunststoff, auf deren Randbereich (siehe 3) eine Vielzahl von über den Umfang verteilten Markierungen 18 aufgebracht
ist. Auf der der Lichtquelle 23 und der Maske 20 abgewandten
Unterseite der Encoderscheibe 13 sind Fotosensoren 24 angeordnet,
die das durch die Encoderscheibe 13 hindurchtretende Licht
der Lichtquelle 23 empfangen und entsprechende Lichtsignale
an eine Auswerteeinheit geben. Aufgrund der Markierungen 18 ändert sich
bei einer Drehung der Encoderscheibe 13 das von den Fotosensoren 24 empfangene
Lichtmuster, so dass sich die Drehung der Encoderscheibe 13 mit
hoher Genauigkeit feststellen und ermitteln lässt.
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Wie die 2 und 3 zeigen,
sind die Markierungen 18 nur in einem äußeren Ringbereich der Oberfläche der
Encoderscheibe 13 vorgesehen. Die relativ zu den Markierungen 18 radial
innenliegende Ringfläche
der Encoderscheibe 13 ist mit einer metallischen Beschichtung 17 versehen.
Oberhalb der metallischen Beschichtung 17 ist der kapazitive
Sensor 15 angeordnet, dessen Ausgangssignal sich ändert, wenn
sich sein Abstand von der metallischen Beschichtung 17 ändert, d.h.
bei einer axialen Bewegung der Encoderscheibe 13. Mittels
der kapazitiven Sensoren 15 wird somit die axiale Bewegung
der Encoderscheibe 13 und auf diese Weise auch die axiale Bewegung
der damit verbundenen Welle 11 erfasst, aus der sich in
bekannter Weise die Normalkräfte
der Welle ermitteln lassen.
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Gemäß den 1 und 2 sind
die Sensoren 15 nur auf einer Seite der Encoderscheibe 13 angeordnet
und diese ist auch nur auf ihrer den Sensoren 15 zugewandten
inneren Ringfläche
mit der metallischen Beschichtung 17 versehen.
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4 zeigt
eine Weiterbildung dieser Ausgestaltung, wonach auf entgegengesetzten
Seiten der Encoderscheibe 13 jeweils mehrere Sensoren 15 angeordnet
sind, die paarweise einander zugewandt sind, wobei die Encoderscheibe 13 auf
ihren beiden Oberflächen
in der jeweils radial innenliegenden Ringfläche mit der metallischen Beschichtung 17 versehen
ist.