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Meßgerät für die Viskosität von Flüssigkeiten.
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Das Gebrauchsmuster bezieht sich auf Viskosimeter, die zum Messen
der Viskosität von Flüssigkeiten bestimmt sind, u. z. auf solche, die einen Zylinder
und einen darin enthaltenen Kolben verwenden, durch welche Mittel die Flüssigkeit,
von der die Viskosität gemessen werden soll, gezwungen wird, durch ein Kapillarrohr
oder eine Verengung zu treten.
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Die vorliegende Neuerung ist anwendbar auf Viskosimeter, in denen
der Druck auf die Flüssigkeit durch den Kolben über das Medium eines Gases ausgeübt
wird,
wie es beispielsweise beim Viskosimeter der Fall. ist, welches Gegenstand unserer
deutschen Patentanmeldung Akz. : T 18 355 IXb/42 1 ist.
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Der Hauptgegenstand der Erfindung besteht darin, ein Viskosimeter
zu entwickeln, das besonders für industrielle Laborzwecke geeignet ist und den Test
automatisch bei konstanten Druckbedingungen ausführt, wobei es als Resultat eine
direkte Ablesung der Viskosität-liefert. Dieses Resultat kann, wenn es gewünscht
wird, als gedruckte Aufzeichnung verfügbar sein.
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Das Viskosimeter gemäß dem Gebrauchsmuster enthält einen Zylinder
mit Kolben, ein Kapillarrohr oder eine Verengung, welches in direkter oder indirekter
Verbindung mit dem Zylinder steht und eine druckempfindliche Membran, auf die das
Gas oder die Flüssigkeit, die sich im Zylinder unter dem Kolben befindet, einwirkt.
Besagte Membran enthält eine Übertragungseinrichtung (transducer) und setzt in---folge-der-Druckunterschiede
im Zylinder einen Hilfemechanismus in Bewegung, der die Bewegung des Kolbens und
folglich das Fliesen der Flüssigkeit durch das Kapillarrohr kontrolliert, wodurch
der Druck auf die sich im Test befindliche Flüssigkeit im wesentlichen konstant
gehalten wird.
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Ein elektrischer oder anderer Mechanismus ist
vorgesehen,
der infolge der Axialbewegung des Kolbens betrieben wird. Diese axiale Bewegung
zeichnet ein elektrischer oder anderer Mechanismus in Bezug auf die Zeit auf, die
benötigt wird, um den Kolben über eine gegebene Strecke oder aber um ihn über eine
Strecke bei gegebener Zeit zu bewegen.
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Da die Neuerung ein Viskosimeter der Art betrifft, bei welchem der
Kolben auf die Flüssigkeit
| über das Medium eines. Gases wirkt, ist das Grund- |
| /ss |
prinzip derselben, die Erzeugung eines konstanten Gasdrucks mittels eines im Zylinder
angeordneten Kolbens, welcher die zu untersuchende Flüssigkeit durch ein Kapillarrohr
drückt, wobei der Kolben unmittelbar mit einem Servo-System verbunden ist, welches
durch Fehler-Signale gesteuert wird, die aus der Differenz'zwischen der Leistung
eines Druckübertragungsorgans (pressure transducer) und der einer belasteten biegsamen
Membran herrühren. Dank der Antriebsstärke des Servosystems ist-jede Reibung zwischen
Kolben und Zylinder in Bezug auf die Bewegung des Kolbens zu vernachlässigen. Infolgedessen
ist das durch den Kolben im Zylinder verschobene Volumen-stets gleich dem Flüssigkeitsvolumen,
welches durch die Kapillarröhre'gepresst wird.
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Die Erfindung ist in mehreren Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen
dargestellt. Es zeigt :
Fig. 1 die schematische Darstellung der
wesentlichen Einzelteile der Apparatur, Fig. 2 ein elektrisches Schaltschema des
Geräts, Fig. 3 einen Schnitt durch die bevorzugte Form eines Viskosimeters, wie
es für den Apparat gemäß der Neuerung zur Benutzung geeignet ist, - Fig. 4 einen
Teilschnitt durch den Kolben und seines dazugehörigen Zylinders, Fig. 5 eine Konstruktions-Einzelheit,
welche eine Methode darstellt, um Temperatur-Änderungen zu kompensieren und Fig.
6 einen Teilschnitt durch eine andere Ausführungsform der Apparatur.
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Die Neuerung soll zuerst für ein Viskosimeter beschrieben werden,
bei welchem ein Gas zwischen Kolben und der zu untersuchenden Flüssigkeit geschaltet
wird, wofür Luft bevorzugt wird. Der Druck, der auf die Flüssigkeit wirkenden Luft
wird hierbei automatisch kontrolliert.
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Das in Figur 3 dargestellte Viskosimeter besitzt vorzugsweise die
Form einer geraden Kapillarröhre 1, welche hauptsächlich in ihrer Mitte von einer
Zwischenwand 2 gehalten wird, die in einer Kammer 3 angeordnet ist. In letzterer
sind an gegenüberliegenden Seiten der Zwischenwand Leitungen 4
und
5 vorgesehen, welche zur freien Atmosphäre und zur Pressluftquelletführen. Die Kammer
3 trägt ein paar entgegengesetzt zueinander angeordnete röhrenförmige Hohlgefässe
6, die beispielsweise Glasprüfröhren sind, in welche die Enden der Kapillarröhre
1 hineinragen. Letztere ist in einer Stopfbüchse oder Stopfbüchsenmuffe 7 gelagert,
die von
der Zwischenwand 2 gehalten wird.
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Die Hohlgefässe 6 sind am Gehäuse 3 mittels Spannmutter 8 befestigt,
wobei Dichtungsringe 9 und 10 zwischen Muttern und Gehäuse einerseits und zwischen
Muttern und Hohlgefässen andererseits vorgesehen sind, um eine flüssigkeitssichere
Abdichtung zu erhalten.
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Die zu untersuchende Flüssigkeit ist in den Hohlgefässen 6 (Versuchsröhren)
enthalten, wobei sie unter dem Druck der Luft gezwungen wird, von der einen Versuchsröhre
zur anderen über die Kapillarröhre zu fliesen Das eigentliche Viskosimeter ist in
einem Flüssigkeitsbad eingetaucht, welches auf einer konstanten Temperatur gehalten
wird. Die von der Flüssigkeit beim Passieren der Kapillarröhre verdrängte Luft kann
über die Leitung 4 ins Freie strömen.
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Figur 1 zeigt die allgemeine Anordnung der Hauptteile der Apparatur,
die nachstehend wie folgt
beschrieben wird.
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Die der Flüssigkeit'zugeführte Druckluft wird durch einen Kolben
11 erzeugt, welcher gleitbar in einem dazugehörigen Zylinder 12 montiert ist. Der
Zylinder hat eine bereits erwähnte Leitung, welche zu dem eigentlichen Viskosimeter
führt und eine zweite Leitung 13, für den nachstehend beschriebenen Zweck.
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Der Kolben 11 besitzt eine axiale Bohrung 14, die an ihrem oberen
Ende durch eine biegsame Membran verschlossen ist. Letztere trägt eine Übertragungsstange
16,-die in einer Röhre 17 angeordnet ist.
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Die Stange 16-dient dazu, Bewegungen der Membranen zu übermitteln,
wobei das obere Ende der Stange mittels eines in senkrechter Richtung biegsamen
Metallsttaifens 18 gehalten wird. Am oberen Ende der Stange ist eine Abflachung
19 angebracht, die nicht
| benachbart bei einer Luftdüse 20 liegt und eine |
Flatterbewegung zu und weg der Luftdüse als Ergebnis der Durchbiegung der Membran
15 ermöglicht, wobei die Biegung der Membran einen seitlichen Ausschlag des oberen
Endes der Stange auf einer vergrösserten Skala hervorruft. Das obere Ende der Übertragungsstange
führt also eine Hin-und Her-oder Flatter-Bewegung zwischen der Luftdüse und einem
einstellbaren Anschlag 21 aus, wie er in Figur
5 dargestellt ist.
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Die Figur 5 der Zeichnung zeigt eine Verfeinerung der Grundform-der
Flattereinriohtung nach Figur 1, welche sicherstellt, daß der Spalt zwischen Düse
20 und Übertragungsstange 16 nicht durch Temperaturänderungen beeinflusst wird.
In dieser Ausführungsform ist die Düse 20 in einem Rahmen 22 gelagert, welcher von
einem parallelen Federantrieb 23 durch einen Block 24 gehalten wird, der an der
Röhre 17 befestigt ist. Die Übertragungsstange berührt den Anschlag beim Druck Null.
Der Rahmen 22 trägt einen Stahlstreifen 23a, welcher normalerweise am Block 24 befestigt
ist. Der Streifen kann aber gelöst werden, damit der Rahmen sich seitlich bewegen
kann, um den Spalt zwischen Anschlag und Düse unabhängig von einer Temperaturänderung
konstant zu halten.
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Das Servo-System schliesst ein pneumatisches Relais ein, welches
aus einem zylindrischen Behälter
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| 25 besteht, der durch eine dünne biegsame Membran 26 |
| - |
| aus synthetischem Gummi abgeschlossen ist. An der |
Unterseite der Membran ist ein Gewicht 27 befestigt, während ihre Oberseite eine
Stütze 28 trägt, welche in ihrer Mitte eine waagerechte Platte 29 hält, die unmittelbar
oberhalb einer aufwärts gerichteten fest angebrachten zweiten Luftdüse 30 liegt.
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Diese zweite Luftdüse 30 wird durch eine Pumpe 31 über ein mechanisches
Ausblasventil 32 und eine Verengung
33 mit Luft versorgt. Die Düse
bringt Luft an die Oberseite eines zweiten Kolbens 34 heran, der mit dem Hauptkolben
11 in Serie geschaltet ist.
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Dieser zweite Kolben 34 wird an seinem oberen und unteren Ende durch
biegsame Membranen 35 und 36 gehalten, welche ein oberes 37 und unteres Gehäuse
38 dicht abschliessen, die ihrerseits besondere Luftleitungen 39 und 40 besitzen,
deren Luft die Bewegung des zweiten Kolbens 34 und infolgedessen auch die Beweg
gung des Hauptkolbens 11 beim Abwärts-und Aufwärtshub kontrolliert.
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Das obere Abwärtshub-Gehäuse 37 ist mit der zweiten Luftdüse 30 und
einem durch ein Solenoid gesteuertes Luftventil 41 verbunden. Letzteres kontrolliert
die Bewegung des zweiten Kolbens beim Abwärtshüb.
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Das untere Aufwärtshub-Gehäuse 38 ist mit einem durch den Aufwärtshub
über ein Solenoid gesteuertes Ventil 42 und mit dem Hauptzylinder 12 über die zweite
Leitung 13, auf welche bereits Bezug genommen worden ist, über ein rückschlagsicheres
Ventil 43 im Hauptzylinder verbunden.
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Es sind zwei Luftpumpe vorgesehen, nämlich die Pumpe 31, welche Luft
unter Druck den zwei durch ein Solenoid gesteuerten Ventilen 41 und 42 zuführt und
eine zweite Pumpe 44, welche Luft zum Gehäuse 25 des pneumatischen Relais bringt.
Ferner versorgt die
Pumpe 44 auch die Düse 20 mit Luft, die mit
dem Anschlag zusammenarbeitet und fördert auch noch Luft zu einer konstanten Druck-Abblaseeinrichtung,
die aus einem Hohlgefäss 45 besteht, in welchem sich Wasser befindet, worin das
untere Ende 46 eines Abzweigrohrs eingetaucht ist, wodurch sichergestellt wird,
daß der Luftdruck der Pumpe konstanten Druck hat, der gleich ist der Eintauchtiefe
des Abzweigrohrs in das Wasser. Die Luft strömt dann zum pneumatischen Relais über
eine Verengung 47, die so bemessen ist, daß sie den Luftdruck auf annähernd 0,7
des Druckes im Abzweigrohr reduziert, wenn der Anschlag sich in seiner Arbeitsstellung
in Bezug auf die Kontrolldüse befindet. Der Ausdruck"Arbeitsstellung"soll die eingenommene
Stellung bezeichnen, die dann gegeben ist, wenn die Membran des Übertragungsorgans
(transducer) unter dem kontrollierten Druck steht.
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Um die Operation des Viskosimeters gemäß der Erfindung automatisch
wirksam zu machen, werden geeignete Schalter mit dem Kontrollkolben in der Weise
vereinigt, daß sie als'Ergebnis'der Axialbewegung des Kolbens in seinem zugehörigen
Zylinder betätigt werden. Indessen ist zu würdigen, daß es innerhalb des Rahmens
der vorliegenden Erfindung liegt, irgendeinen anderen geeigneten Mechanismus hierfür
zu verwenden.
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Bezieht man sich auf Figur 2 der Zeichnung, so stellt diese Darstellung
schematisch den bevorzugten
elektrischen Stromkreis da r, welcher
die Operation einer geeigneten Steuerungseinrichtung kontrolliert, die im Behälter
48 untergebracht ist.
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Der Stromkreis besitzt einen Zweiweg-Mikroschalter 49, welcher von
Hand heruntergedrückt wird, um das durch ein Solenoid gesteuerte Luftventil 42 mit
Netzstrom zu versorgen, welches, wie vorstehend dargelegt worden ist, den Kolben
sich nach oben bewegen läßt. Der elektrische Strom veranlasst gleichfalls, daß das
Relais 50 Unterbrecherkontakte 51 betätigt, um die Aufwärtsbewegung des Kolbens
zu verhindern, welcher den Steuermechanismus in Gang setzt.
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Wenn der Kolben die Spitze seines Hubes erreicht hat, legt er den
Mikroschalter 49 um, um das Soleoid mit Strom zu versorgen, welches das Luftventil
41 betätigt, Zur gleichen Zeit wird der elektrische Kontakt mit Teil 42 unterbrochen
und die Relaisspule 50 veranlaßt, die Kontakte 51 zu schliessen und ein Signal an
den Steuermechanismus zu übermitteln, damit die Steuerung des Kolbens während seines
Abwärtsganges beginnt. Gleichzeitig gestattet eine Stange 52, welche vom Kolben
oder eine mit ihm vereinigten Teil getragen wird, daß der Kontakt 53 mit dem festen
Kontakt 54 in Berührung kommt. Dieser Kontakt 53 sitzt an einem isolierten drehbaren
Hebel 55,
welcher mit einem einstellbaren Anschlag 56 der Stange
52 in Berührung steht.
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Während der Abwärtsbewegung des Kolbens wird der elektrische Kontakt
mit dem Steuermechanismus über die Kontakte 53, 54 und einem dritten Kontakt 57
aufrechterhalten, wobei sich der letztere am drehbaren isolierten'Hebel 58 befindet.
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Wenn der Kolben bei seiner Abwärtsbewegung einen Punkt erreicht,
in welchem es wünschenswert ist, den Steuermechanismus anzuhalten, so wird das untere
Ende des Anschlags 56 mit dem Hebel 58 in Berührung gebracht, um den Kontakt 57
mit dem Kontakt 54 ausser Eingriff zu bringen. Der Steuermechanismus in Form eines
elektromagnetischen Zählers hat dann die Abwärtsbewegung des Kolbens in Sekunden
und Zehntelsekunden zeitlich festgehalten.
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Nachdem der Steuerstromkreis unterbrochen worden ist, schliesst der
Anschlag 59 am Hebel 58 den Mikroschalter 60, um einen geeigneten Druck-und Zählerwiedereinrückmechanismus
(counter re-setting) im Gehäuse 48 in Gang zu setzen und einen fortlaufenden Bericht
der genommenen Zeit zu liefern.
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Die Figur 6 veranschaulicht die Type eines Kontrollkolbens und eines
geeigneten Zylinders für den Gebrauch beim Strangpressen von Kunstharz, welches
nicht in den Zylinder über ein rückschlagsicheres
Ventil eingebracht
werden könnte, wie es in den Figuren 1 und 4 gezeigt worden ist.
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In diesem Falle ist die Anordnung zweckmässigerweise umgeändert,
wie aus Figur 6 ersichtlich ist, wobei das Kunstharz in den Zylinder eingebracht
wird, nachdem der Stöpsel 61 entfernt worden ist.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Membran 15 auf seinem Wege
zur Viskosimeterröhre durch das Kunstharz betätigt, wobei die Übertragungsstange
16, wie es in der vorstehenden Konstruktion beschrieben worden ist, auch die vorher
geschilderte Form der pneumatischen Kontrolle durchführt.
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Die Viskosität von Flüssigkeiten schwankt merklich mit der Änderung
der Temperatur. Infolgedessen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das eigentliche
Viskosimeter und auch den Kontrollzylinder in eine Flüssigkeit einzutauchen, die
sich in einem Bad von konstanter Temperatur befindet.
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Die Wirkungsweise des Viskosimeters wird nachstehend unter Bezugnahme
auf die Figuren 1 bis 5 kurz beschrieben.
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Die Flüssigkeit, deren Viskosität gemessen werden soll, wird dem
Glasbehälter 6, beispielsweise dem rechten Behälter, über die Leitung 4 zugeführt.
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Wenn der Kontrollkolben 11 an der Spitze seines Hubes angelangt ist,
wird ein erster Druckstoß in
den Zylinder 12 unter den Kolben über
das rückschlagschere Ventil 43 eingespritzt, um den Druck im Zylinder und im Viskosimeter
um ein geringes höher als den kontrollierten Druck zu machen. Dies veranlasst die
Flüssigkeit zu fliessen. Hierauf wird der Druck auf den kontrollierten Wert absinken.
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Das Ubertragungsorgan wird dann in Tätigkeit treten und den Kolben
veranlassen, hinabzugehen.
| Bei Anwendung eines ersten Anfangdrucks kann |
| die Abmessung der Apparatur wesentlich reduziert |
| s |
| werden, da andernfalls der Kolben einen langen Weg |
| hinabzugehen hätte, bevor der gewünschte kontrollier- |
te Druck von beispielsweise zwölf Zoll Quecksilbersäule erreicht würde.
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Angenommen, der Druck im Kontrollzylinder 12 und damit im eigentlichen
Viskosimeter ist höher als der gewünschte kontrollierte Druck, so wird die Übertragungsmembran
15 nach aufwärts abgelenkt werden, der Anschlag 19 wird nach seitwärts gestossen
und gelangt näher an die Kontrolldüse 20. Der Luftdruck auf der Unterseite der gewichtbeschwerten
Membran 26 im pneumatischen Relais wird ansteigen und die Platte 29 über die zweite
Düse 30 mit sich nehmen. Infolgedessen wird der Luftdruck im zweiten Kreislauf ansteigen
und der Druck auf den zweiten Kolben 34 und von dort auf den Kontrollkolben 11 wird
zunehmen. Auf diese Weise wird das Servo-System den Fehler der
Überspannung
korrigieren.
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In der Praxis oszilliert die Membran 26 des pneumatischen Relais
leicht aber beständig. Dank der integrierenden Wirkung des Luftvolumen im Zylinder
über dem zweiten Kolben, wird der Druck auf den Kon-
| rollkolben im wesentlichen konstant bleiben. Der |
Kolben wird so ständig nach unten gehen als die Flüssigkeit durch die Kapillarröhre
strömt und während seines Hinabgehens schaltet er zuerst den elektrischen Strom
ein und unterbricht ihn später, um den Steuermechanismus in Gang zu setzen.
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Die durch ein Solgsoid gesteuerten Ventile 41 und 42 leiten die'Luft,
die von ihren zugehörigen Pumpen kommt, entweder zur Spitze des zweiten Kolbens
und zwingt ihn unter kontrollierten Bedingungen nach abwärts zu gehen, oder die
Luft gelangt zur Unterseite des zweiten Kolbens, damit er seine Ausgangsstellung
wieder einnimmt, nachdem'eine Viskositätsbestimmung gemacht worden ist. Die Ventile
| gehören zum Dreiwegty |
| gehören zum Dreiwegtyp) so daß die Luft von der |
Spitze oder dem Boden des zweiten Kolbens ins Freie treten kann, wenn es erforderlich
ist.