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Rotationsviskosimeter mit großem Schubspannungsbereich Die Erfindung
bezieht sich auf Rotationsviskosimeter, bei denen eine motorisch angetriebene rotierende
Meßfläche, z. B. ein Zylinder, in der zu messenden Substanz eine Radialströmung
erzeugt und das zufolge des viskosen Fließwiederstandes an derselben oder einer
anderen, über die Substanz gekoppelten Meßfläche auftretende Drehmoment von einem
Torsionsdynamometer gemessen wird. Durch die Apparatur vorgegeben sind also die
geometrischen Abmessungen der von den Meßflächen gebildeten, mit der Substanz benetzten
sogenannten Meßeinrichtung und die Drehgeschwindigkeit; gemessen wird das viskositätsabhängige
Drehmoment, von dem auf die Viskosität umgerechnet werden kann. Die Meßeinrichtung
hat dabei in vielen Fällen die Form zweier konzentrischer Zylinder, zwischen denen
sich die Substanz befindet (Couette). Der eine der beiden Zylinder wird angetrieben;
die Drehmomentmessung erfolgt an diesem oder an dem anderen über die viskose Substanz
gekoppelten Zylinder. Das Drehmoment wird ermittelt durch die Messung der Verformung
eines elastischen Elements, das mit der betreffenden Meßfläche, eventuell unter
Zwischenschaltung weiterer Apparaturglieder, verbunden ist. Da es sich um Drehbewegungen
handelt, dient als elastisches Meßelement vielfach eine Torsionsfeder, die sich
unter der Wirkung des Drehmomentes um einen bestimmten Winkelbetrag verformt. Die
Messung der Winkelverformung erfolgt visuell (ZeigerüberSkala), optisch (durch Spiegel
abgelenkter Lichtzeiger) oder elektrisch über Widerstands-, induktive, kapazitive
oder photoelektrische Geber, wobei im Falle der elektrischen Geber das Ergebnis
an einem elektrischen Meßinstrument abgelesen wird.
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Zur Erzielung eines großen Drehmoment- und damit Viskositäts-Meßbereiches
ist vorgeschlagen worden, mehrere Torsionsfedern unterschiedlicher Stärke als Meßelemente
vorzusehen, die durch einen manuellen Auswechselvorgang nacheinander beliebig in
Eingriff gebracht werden können.
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Durch diese Maßnahme wurde zwar grundsätzlich ein großer Meßbereich
erzielt, der Auswechselvorgang nahm jedoch eine beträchtliche Zeit in Anspruch,
und es mußte zu seiner Durchführung das Rotationsviskosimeter vorher stillgesetzt
werden.
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Das führte neben einer allgemein unerwünschten Beeinträchtigung der
Schnelligkeit der Messungen zu Meßfehlern bei sogenannten thixotropen Stoffen, bei
denen die Viskosität eine Funktion der Zeit ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil
zu beseitigen.
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Die Lösung der Aufgabe fußt auf der Erkenntnis, daß sich das Drehmoment,
welches an der Meßfläche aus dem viskosen Fließwiderstand der Substanz resultiert,
von dort durch alle Teile der Rappe ratur bis zum motorischen Antrieb bzw. bis zum
Stativ fortpflanzt, natürlich abgesehen von etwaigen Reibungsverlusten auf diesem
Wege. In diesen Weg hintereinander eingeschaltete Torsionsfedern werden sich also
gemäß dem Drehmoment und gemäß ihrer Charakteristiken verdrillen. Indem jede Feder
mit einem Winkelmesser versehen wird, kann so ein Drehmoment gleichzeitig mit verschiedenen
Meßempfindlichkeiten gemessen werden Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, im
drehmomentmessenden Teil des Rotationsviskosimeters, dem Torsionsdynamometer, mehrere
Torsionsfedern unterschiedlicher Charakteristik hintereinander anzuordnen, so daß
jeweils das Ende der einen mit dem Anfang der anderen Feder in mechanischer Verbindung
steht und das Drehmoment auf die Federn gleichzeitig einwirkt. Weiterhin wird vorgeschlagen,
jede Feder mit einem eigenen Winkelmesser auszustatten, der die Verdrillung der
betreffenden Feder anzeigt.
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Man erreicht nämlich durch diese Anordnung, daß die schwächste der
Federn schon durch sehr niedrige Drehmomente beträchtlich verdrillt wird und daher
eine genaue Messung gestattet, während die stärkste der Federn für die Messung größter
Drehmomente in Betracht kommt. Mithin können, je nach Wahl und Anzahl der Federn,
Drehmomente in einem sehr großen Bereich gemessen werden, ohne daß ein Auswechseln
der Federn und eine Stillsetzung der Apparatur erforderlich wäre. Mechanische Anschläge,
die zweckmäßigerweise vorgesehen werden, verhindern ein Überdrehen der schwächeren
Federn bei größeren Drehmomenten. Dadurch, daß für jede Feder ein eigener Winkelmesser
vorgesehen wird, ist es möglich, die Gesamtverdrillung einschließlich des Null-
punktes
einer jeden Feder auf der Skala des Winkelmessers abzulesen.
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Das ist wesentlich für die Genauigkeit der Messungen im Hinblick
auf Nullpunktwanderungen, die durch Kriechvorgänge innerhalb der Federn sowie durch
Blindreibungseffekte in den Lagern erfolgen können.
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Weiterhin werden zweckmäßigerweise die Winkelmesser als elektrische
Winkelgeber ausgebildet, die über einen Umschalter beliebig mit einer Anzeigeelektrik
verbunden werden können. Es ist dadurch nur eine Anzeigeskala erforderlich.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist für jeden der elektrischen
Winkelgeber ein an sich bekanntes Abgleichorgan (z. B. variabler Widerstand) vorgesehen,
wodurch es möglich ist, bei verschwindender Viskosität die Anzeige für alle Federn
auf Null zu bringen.
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Als elektrische Winkelgeber können Widerstands-, induktive, kapazitive
und photo elektrische Geber verwendet werden. Die folgenden Ausführungen fassen
insbesondere Widerstandsgeber, also Potentiometer, ins Auge.
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Die Abbildung zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Rotationsviskosimeters, bei dem die Drehmomentmessung an der angetriebenen, rotierenden
Meßfläche erfolgt. Es ist natürlich auch möglich, das Drehmoment an der nicht angetriebenen,
über die Substanz gekoppelten Meßfiäche zu messen.
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1 und 2 stellen einen Elektromotor, beispielsweise einen Synchronmotor,
und ein nachgeschaltetes Wechselgetriebe dar. Mit dem Getriebe ist das Torsionsdynamometer
verbunden. Es besteht zunächst aus der zweimal gelagerten Welle 3, die an ihrem
Ende den über den Schleifkontakt 4 a mit Strom versorgten Widerstandsgeber 5 a trägt.
Es folgt die Torsionsfeder 6 die bei einer Verdrillung um 3000 ein Drehmoment von
500 g cm überträgt. Der Verdrillungswinkel wird durch den Schleifer 7a an dem Widerstandsgeber
abgegriffen. Das untere Ende der Feder 6 ist an der zweimal gelagerten Welle 8 befestigt.
Die Welle 8 trägt an ihrem unteren Ende ebenfalls einen über einen Schleifkontakt
4b mit Strom versorgten Widerstandsgeber 5 b. Der Reibungswiderstand der Lager der
Welle 8 und des Schleifkontaktes 4b geht in den von der Torsionsfeder 6 zu übertragenden
Drehmomentwert mit ein. Er bedingt also grundsätzlich einen Fehler. Daher müssen
diese Lager und der Schleifkontakt möglichst weitgehend reibungsfrei ausgeführt
werden. An der Welle 8 ist die Torsionsfeder 9 befestigt, die bei einer Winkelverdrillung
um 3000 ein Drehmoment von 50 g cm überträgt.
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Das untere Ende dieser Torsionsfeder ist mit der zweimal gelagerten
Welle 10 verbunden, die ihrerseits den in die Prüfsubstanz eintauchenden Meßkörper
11, der die Meßfläche darstellt, antreibt. Mit dem Umschalterl2 kann nun wahlweise
der obere oder der untere Widerstandsgeber mit der an sich bekannten Anzeigeelektrik
13 verbunden werden. Mit dem variablen Widerstand 14 wird der obere Widerstandsgeber
5a auf den unteren Widerstandsgeber Sb
elektrisch abgeglichen, so daß bei einer Rotation
des Viskosimeters ohne Eintauchen des Meßkörpers in eine Prüfsubstanz das Anzeigeinstrument
denselben Wert, nämlich »0«, anzeigt. Bei Drehmomenten zwischen 0 und 50 g cm sind
die Winkelausschläge der Feder 9 zehnmal größer als die der Feder 6, und es wird
nun mittels des Umschalters die Anzeigeelektrik auf den Widerstandsgeber 5 b geschaltet,
um möglichst große Skalenausschläge des Anzeigeinstrumentes zu erhalten. Bei einem
Drehmoment von 50 g cm ist die Feder 9 um 3000 verdrillt, und es wird nun ein nicht
gezeichneter begrenzender Anschlag erreicht, der eine noch größere Verdrillung verhindert.
Zugleich zeigt das Anzeigeinstrument den vollen Skalenausschlag. Bei größeren Drehmomenten
wird mittels des Umschalters 12 der Widerstandsgeber 5 a mit der Anzeigeelektrik
verbunden, die also zunächst bei 50 g cm 100/o vom vollen Ausschlag anzeigt. Bei
einem Drehmoment von 500 g cm erreicht auch die Feder 6 einen nicht gezeichneten
begrenzenden Anschlag, und es schlägt das Anzeigeinstrument voll aus.
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Auf diese Weise kann daher ein Drehmoment-und damit Schubspannungsbereich,
der sich wie etwa 200 : 1 verhält, mit befriedigender Genauigkeit gemessen werden.
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Die Umschaltung der beiden Drehmomentbereiche auf die Anzeigeelektnk
kann dabei beliebig während der Rotation des Viskosimeters, also ohne Unterbrechung
des Meßvorganges, erfolgen.