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Rotationsviskosimeter zur kontinuierlichen Messung der Viskosität
von Substanzen relativ hoher Zähigkeit Zur kontinuierlichen Messung der Viskosität
geschmolzener Stoffe verwendet man im allgemeinen Kapillar- und Rotationsviskosimeter.
An einem Viskosimeter des Kapillarprinzips wird ein Zweigstrom der zu bestimmenden
Schmelze mittels einer Dosierpumpe in konstanter Menge durch eine Kapillare mit
festgelegten Abmessungen gedrückt. Der Druck vor der Kapillare dient als Maß für
die Viskosität und wird über einen Druckgeber vorzugsweise elektrisch gemessen und
aufgezeichnet. Die Voraussetzungen für die Anwendung der einer solchen Vorrichtung
zugrunde liegenden Meßmethode sind eine konstante Fördermenge der Dosierpumpe sowie
eine hinreichend konstant gehaltene Temperatur der zu bestimmenden Schmelze. Da
bei dieser bekannten Vorrichtung auch der Druckgeber temperaturabhängig ist, erfordert
eine solche Meßvorrichtung einen relativ großen Aufwand.
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Bei einem bekannten Rotationsviskosimeter wird durch die Reibung
der zu bestimmenden Schmelze an einem rotierenden Meßkörper, der sich in einem feststehenden
Meßbecher befindet, eine Drehung des antreibenden Motorblocks bewirkt. Das von der
Viskosität der Schmelze abhängige Drehmoment wird durch eine Feder kompensiert.
Ein solches Viskosimeter läßt sich für betriebliche Meßaufgaben in Behältern oder
in Rohrleitungen anordnen.
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Ähnlich arbeitet ein anderes Rotationsviskosimeter, bei welchem ebenfalls
ein innerer Zylinder rotiert, während der äußere Zylinder festgehalten ist. Das
viskositätsabhängige Drehmoment wird hierbei von einer Torsionsfeder aufgenommen,
deren Verdrehungswinkel mittels eines Schleifdraht-Potentiometers elektrisch gemessen
und gegebenenfalls registriert wird.
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Ein anderes bekanntes Rotationsviskosimeter vom Couette-Typ mißt
das von einem rotierenden Außenzylinder auf einen feststehenden Innenzylinder ausgeübte
Drehmoment mit Hilfe eines einseitig eingespannten Torsionsstabes. Mit Hilfe zweier
induktiv wirkender Verlagerungsaufnehmer wird die Verdrehung des Torsionsstabes
praktisch weglos gemessen. Dieses Rotationsviskosimeter ist jedoch für kontinuierliche
betriebliche Messungen, wie sie z. B. in Verbindung mit Produktionsanlagen vorgenommen
werden müssen, nicht brauchbar. Insbesondere sind die oben genannten Rotationsviskosimeter
für die kontinuierliche Messung der Schmelzviskosität eines thermoplastischen Kunststoffes
im Produktionsbetrieb nicht geeignet. Thermoplastische Kunststoffe werden aus der
geschlossenen Produktionsanlage im allgemeinen über Strangpressen ausgetragen, und
der
Einbau des Viskosimeters in den Austragsbehälter oder Reaktor ist dann wegen des
Fehlens ausreichend stationärer Zustände nicht möglich.
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Ferner können bei einem direkten Einbau des Gerätes in einen Reaktor
die Temperaturen der zu bestimmenden Schmelze meist nicht mit der notwendigen Genauigkeit
konstant gehalten werden.
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Es ist zur Ausführung betrieblicher Viskositätsmessungen üblich,
vom Strom des zu bestimmenden Produktes einen Teilstrom abzuzweigen. Um eine genügend
konstante Stofftemperatur zu erreichen, wird dieser Teilstrom zunächst durch einen
Wärmetauscher und anschließend durch das eigentliche Viskosimeter geführt. In vielen
Fällen genügt aber der Druck, unter dem die aus der Produktionsanlage austretende
Schmelze steht, nicht, um den abgezweigten Stoffstrom meßgerecht durch das Viskosimeter
zu drücken. Eine zu kleine Durchflußgeschwindigkeit hat eine unerwünschte Verzögerung
der Messung zur Folge. Im Betrieb auftretende Druckschwankungen bewirken ferner
unterschiedliche Durchflußgeschwindigkeiten. Daraus ergeben sich Schwierigkeiten
bei der Konstanthaltung der Temperatur der zu bestimmenden Schmelze und häufig auch
für die Messung selbst. In diesem Zusammenhang ist zwar bereits vorgeschlagen worden,
die Viskosimeter über besondere Zuführungsstrangpressen anzuschließen, die neben
dem Viskosimeter angeordnet sind. Abgesehen von dem hierfür erforderlichen höheren
Aufwand an einzelnen Apparaten muß bei solchen Anordnungen zwangläufig eine Vergrößerung
des Totvolumens und somit eine unerwünschte Trägheit der Meßanzeige eintreten. Schließlich
reicht die obere Grenze des
Meßbereiches der bekannten Viskosimeter
für die im praktischen Betrieb auftretenden hohen Viskositäten häufig nicht aus.
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Es wurde nun gefunden, daß man unter Ausschaltung der oben angeführten
Nachteile eine die betrieblichen Verhältnisse weitgehend berücksichtigende Viskositätsmessung
durchführen kann, wenn die zu bestimmende Schmelze sofort nach dem Eintritt in das
thermostatisierte Viskosimeter zwangläufig durch die Meßstelle gefördert wird. Demzufolge
ist an einem mit konstanter Drehzahl rotierenden Außenzylinder und koaxial dazu
einem an einem Torsionsstab festgehaltenen Innenzylinder aufgebauten Rotationsviskosimeter
erfindungsgemäß innerhalb eines eines Meßraum einschließenden Wärmeaustauschkörpers
dem rotierenden Außenzylinder eine auf derselben Antriebswelle sitzende, ebenfalls
mit konstanter Drehzahl bewegte Förderschnecke vorgeschaltet, die die zu untersuchende
Substanz durch die ringspaltförmige Meßstrecke zwischen dem rotierenden Außenzylinder
und dem am Torsionsstab festgehaltenen Innenzylinder drückt. Vorzugsweise ist die
Förderschnecke mit dem rotierenden Außenzylinder des Viskosimeters unmittelbar fest
verbunden, so daß beide dieselbe Drehzahl besitzen. Dadurch wird bei einer Änderung
der Drehzahl der Antriebswelle gleichzeitig auch die Durchflußgeschwindigkeit, d.
h. die Längsgeschwindigkeit des Produktes im Ringspalt des Viskosimeters, geändert.
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Ein solcher Zusammenhang ist notwendig, da die Meßergebnisse nur dann
von der Durchflußgeschwindigkeit unabhängig sind, wenn das Verhältnis von Längsgeschwindigkeit
zur Rotationsgeschwindigkeit einen bestimmten Betrag nicht überschreitet. Durch
die Förderung des Produktes durch eine Schnecke innerhalb des thermostatisierten
Wärmeaustauschkörpers ergibt sich infolge der Durchmischung des Produktes ein guter
Wärmeausgleich.
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Weitere Merkmale ergeben sich aus der Zeichnung in Verbindung mit
der nachfolgenden Beschreibung.
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Das Gehäuse des Rotationsviskosimeters besteht aus zwei etwa gleich
großen, vorzugsweise prismatischen Körpern 1 und 2, die an den Stirnflächen zusammengefügt
sind. Beide Gehäusekörper können elektrisch oder mit Dampf bzw. erwärmtem Öl beheizt
oder auch vorzugsweise durch flüssige Mittel gekühlt werden. Die Hohlräume in den
Körpern 1 und 2 zur Aufnahme des Heiz- oder Kühlmittels sind in der Zeichnung nicht
näher dargestellt. Jeder der Körper 1 und 2 besitzt eine axiale Bohrung la bzw.
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2 a zur Aufnahme der bewegten Teile des Viskosimeters. Die Bohrung
ist von der dem Körper 2 zugewandten Stirnseite her zu einem zylindrischen Arbeitsraum
1 b erweitert, in den über den radialen Kanal 3 die zu bestimmende Schmelze eingeführt
wird. Eine Förderschnecke 4 von beispielsweise etwa zwei Drittel der Länge des Arbeitszylinders
1 b ist am rechten Ende in der Bohrung la gelagert. Das linke Ende der Förderschnecke
4 ist als glatter rotierender Außenzylinder 4 a ausgeführt und schließt den Arbeitsraum
1 b am linksseitigen Ende ab. Zur Aufnahme des Innenzylinders 9 ist in die Förderschnecke
4 ferner vom linksseitigen Ende her konzentrisch eine zylindrische Bohrung 5 eingebracht,
die über mehrere radiale Öffnungen 6 mit dem Arbeitsraum 1 b in Verbindung steht.
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Die vom Synchronmotor 7 über ein auswechselbares Getriebe 8 und die
Welle 8 a angetriebene För-
derschnecke 4 drückt folglich die durch den Kanal 3 in
den Arbeitsraum lb eintretende Schmelze durch die Öffnungen 6 in den einerseits
aus der Bohrung 5 der Förderschnecke 4 und andererseits aus der Bohrung 2 a im Körper
2 gebildeten Kanal, der im wesentlichen mit gleichbleibenden Querschnittsabmessungen
ausgeführt ist.
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Der Zylinder 9 ist am Ende des in der Bohrung 2a gelagerten Torsionsstabes
10 befestigt und liegt im Weg der aus dem Arbeitsraum 1 b durch die Öffnungen 6
zum Austrittsstutzen 11 des Viskosimeters geförderten Schmelze. Der Zylinder 9 ist
in die Bohrung 5 der Förderschnecke 4 konzentrisch eingeführt.
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Die zwangläufig geförderte Schmelze passiert demnach die ringspaltförmige
Meßstrecke zwischen der Mantelfläche des Zylinders 9 und dem rotierenden Außenzylinder
4a unabhängig von dem Betriebsverhalten der Produktionsanlage. Das von der Viskosität
der Schmelze abhängige und auf den Zylinder 9 übertragene Drehmoment verdrillt in
an sich bekannter Weise den Torsionsstab 10. Hinter der ringspaltförmigen Meßstrecke
des Viskosimeters tritt die Schmelze entsprechend der Förderleistung der Schnecke
4 fortlaufend aus dem Stutzen 11 aus. Die viskositätsabhängige Verdrehung des Torsionsstabes
10 in seinem äußeren linken Ende 12 kann auf verschiedene Weise, z. B. durch einen
induktiven Verlagerungsaufnehmer gemessen und fernübertragen werden.
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Bei einer herstellungsmäßig weiter vereinfachten Ausführung des Viskosimeters
ist es vorteilhaft, nur einen zylindrischen Wärmeaustauschkörper zu verwenden, an
dessen einer Stirnseite das Lager der Antriebswelle 8 a und an dessen anderer Stimseite
ein den Torsionsstab enthaltendes Element angeflanscht ist. Durch Verlängern der
Förderschnecke 4 nach rechts über den Kanal 3 hinaus kann in allen Fällen, bei denen
die zu bestimmende Schmelze unter hohem Druck steht, ihr Austreten durch das Lager
der Antriebswelle 8 a verhindert werden.
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Der erfaßte Meßbereich des Viskosimeters ist breit und läßt sich
mittel- oder unmittelbar auf einen Schreiber mit umschaltbarem Meßbereich übertragen.
Ein Viskosimeter mit den Merkmalen der Erfindung ist außerordentlich betriebssicher
und billig in der Herstellung. Es erfüllt die Forderung eines Produktionsbetriebes
nach einer kontinuierlichen Überwachung der Schmelzviskosität des hergestellten
Stoffes ohne merkliche Anzeigeverzögerung. Im Bedarfsfall kann es ohne Schwierigkeiten
in explo sionsgeschützter Ausführung hergestellt werden.