DE19829956C1 - Betriebsviskosimeter für erhöhte Mediumsdrücke - Google Patents

Abstract

Ein Betriebsviskosimeter weist ein Gehäuse mit einem Meßraum, eine durch Gehäuse und Meßraum laufende Meßwelle, einen Meßkörper am Ende des im Meßraum liegenden Abschnittes der Meßwelle, einen Antrieb, eine Drehmomentmeßvorrichtung und einen den im Meßraum liegenden Abschnitt der Meßwelle umschließenden Faltenbalg auf, wobei der Meßkörper eine Taumelbewegung um eine körperfremde Achse ausführt. Bei den bekannten Viskosimetern dieser Art werden die auftretenden hohen Axialkräfte von den die Meßwelle haltenden Kugellagern aufgenommen. Erfindungsgemäß werden diese von einer zwischen dem Meßkörper und dem Gehäuse eingespannten Druckfeder aufgenommen. Dadurch werden die Kugellager entlastet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Betriebsviskosimeter für erhöhte Mediumsdrücke mit einem Gerätegehäuse und mit einem Meßraum, mit einer teilweise im Gerätegehäuse und teilweise im Meß­ raum liegenden Meßwelle, mit einem Meßkörper am Ende des im Meßraum liegenden Abschnittes der Meßwelle, mit einem An­ trieb und mit einer Drehmomentmeßvorrichtung an dem im Gerä­ tegehäuse liegenden Abschnitt der Meßwelle, wobei der Meßkör­ per eine Taumelbewegung um eine körperfremde Achse ausführt, und mit einem den im Meßraum liegenden Abschnitt der Meßwel­ le umschließenden Faltenbalg.

Bei einem Betriebsviskosimeter dieser Art führt der Falten­ balg eine Winkel- oder Angularbewegung aus. Die Meßwelle wird von einem Elektromotor angetrieben. Im allgemeinen ist dies ein Synchronmotor. Der viskose Fließwiderstand des Me­ diums läßt an dem Meßkörper ein seiner Viskosität proportio­ nales Drehmoment entstehen. Dieses wird mit der zwischen dem Motor und der Meßwelle angeordneten Drehmomentmessvorrich­ tung gemessen.

Betriebsviskosimeter dieser Gattung sind bekannt. Bei einem bekannten Betriebsviskosimeter (US-A-2 683 984) ist die Meß­ welle gestreckt. Ein im Drehpunkt angeordnetes Schwenklager läßt die Taumelbewegung zu. Das Schwenklager mit vorgewölb­ ter Durchführung wird von einer flexiblen Hülle umgeben. Die­ se hat einen verhältnismäßig großen Durchmesser, da sie den Schwenkradius der Meßwelle innerhalb der Vorwölbung wie auch diese selbst umschließen muß. Ein erhöhter Druck im Medium führt zu einer großen, auf das Lager einwirkenden Druck­ kraft. Dies bedingt eine erhöhte Blindreibung. Dadurch ent­ stehen Meßfehler.

Bei einem weiteren bekannten Betriebsviskosimeter dieser Gat­ tung (DE 20 06 119 C3) ist die Meßwelle im Meßraum gekrümmt. Die Taumelbewegung ergibt sich durch die Krümmung. Ein Me­ tallbalg bildet die flexible Umhüllung. Auch hier führt ein erhöhter Mediumsdruck zu einer zwar kleineren, aber nicht zu vernachlässigenden Druckkraft auf das Lager. Auch hieraus er­ geben sich Meßfehler.

Bekannt ist ein weiteres Betriebsviskosimeter dieser Gattung (DE 26 32 076 C3), bei dem die Meßwelle über eine Magnetkupp­ lung angetrieben wird. Hierdurch ergibt sich ein hermetisch dichter Raum für die Meßwelle. Dieser wird mit Flüssigkeit gefüllt und ist mit einer Gasdruckquelle verbunden. Bei Gleichheit des Flüssigkeits- oder Gasdruckes mit dem Druck im Medium sind die resultierenden, auf das Lager einwirken­ den Kräfte Null. Damit werden Meßfehler ausgeschlossen. We­ gen der Magnetkupplung und der Art der Erzeugung des Druckes ist dieses Betriebsviskosimeter jedoch sehr verwickelt und in der Herstellung aufwendig.

Den bekannten Betriebsviskosimetern ist somit gemeinsam, daß das die Meßwelle im Gerätegehäuse haltende Kugellager hohen axialen Druckkräften ausgesetzt ist und damit eine geringe Lebensdauer aufweist oder daß die Konstruktion des Betriebs­ viskosimeters insgesamt aufwendig und es damit in der Her­ stellung teuer ist.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Betriebsviskosimeter so auszubil­ den, daß die Meßergebnisse unabhängig vom Mediumsdruck sind und es sich trotzdem kostengünstig herstellen läßt.

Die Lösung für diese Aufgabe ergibt sich bei einem Betriebs­ viskosimeter der eingangs genannten Gattung durch eine Aus­ bildung, die gekennzeichnet ist durch eine im Meßraum liegen­ de, zwischen dem Meßkörper und dem Gerätegehäuse eingespann­ te Druckfeder zur Aufnahme der durch den Druck des Mediums auf den Meßkörper ausgeübten Axialkraft.

Bei den Betriebsviskosimetern nach dem Stand der Technik wird das die Meßwelle im Gehäuse lagernde Kugellager axial so stark belastet, daß seine Lebensdauer weit unter der der anderen Teile des Betriebsviskosimeters liegt. Erfindungsge­ mäß werden die Axialkräfte von der Druckfeder aufgenommen und das Kugellager von diesen freigehalten. Seine Lebensdau­ er erreicht normale Werte.

Im Meßraum wird die Meßwelle von einem Faltenbalg umschlos­ sen. Dieser ist auch in Axialrichtung elastisch beweglich. Die Taumelbewegung führt zu Biegeverformungen der Druckfe­ der, also Hin- und Herbewegungen des meßkörperseitigen Feder­ endes. Eine Verdrehung findet nicht statt. Die Druckfeder muß sehr steif sein, damit kleine axiale Bewegungen von nur wenigen Millimetern ausreichen, um große Federkräfte im kp- Bereich zum Ausgleich der axialen Druckkräfte zu bewirken. Das bewegte Federende ist im wesentlichen mit dem Meßkörper bzw. dem Balgende verbunden und folgt dessen Taumelbewegung. Wegen der Steifheit der Feder sind die Biegekräfte, die die unbelastet gestreckte Feder ausübt, groß. Sie müssen von der Meßwelle aufgebracht werden und sind radial gerichtet. Es ge­ hört zu den Erkenntnissen der Erfindung, daß aus diesen im wesentlichen radial gerichteten Biegekräften der Druckfeder kein Drehmoment auf die Meßwelle resultiert und die Messung damit nicht beeinflußt wird. Die Kräfte, die aus dem visko­ sen Fließwiderstand des Mediums resultieren und das Meßdreh­ moment erzeugen, sind nämlich tangential gerichtet. Der Dreh­ momentmesser spricht aber nur auf solche Kräfte an.

Der Faltenbalg kann sich axial bewegen, wenn auch die Meßwel­ le in Axialrichtung frei beweglich ist. Erfindungsgemäß wird daher weiter vorgeschlagen, daß die Meßwelle nicht bis zum Antrieb durchgeführt wird, sondern der im Gerätegehäuse lie­ gende Abschnitt der Meßwelle drehfest, aber längsverschieb­ lich mit einer getrennten, an den Antrieb angeschlossenen An­ triebswelle verbunden ist. In einer zweckmäßigen Ausgestal­ tung sind die Meß- und die Antriebswelle durch eine längen­ veränderbare, teleskopartig ausziehbare Kupplung miteinander verbunden.

Vorzugsweise ist die Kupplung in radialer oder seitlicher Richtung unbeweglich. Dann bedingt ihre Verwendung kein zu­ sätzliches Lager, da die Wellen dann starr durchgehend und lediglich axial verschiebbar sind.

Da das die Meßwelle im Gerätehäuse haltende Kugellager axial nicht mehr belastet wird, empfiehlt die Erfindung, daß der im Gerätegehäuse liegende Abschnitt der Meßwelle im Gerätege­ häuse in einem Kugellager mit Schiebesitz gelagert ist. Ein solches Kugellager ist in der Anschaffung preiswert und hat eine hohe Lebensdauer.

Bei der eben geschilderten ersten Ausführungsform der Erfin­ dung ist der im Meßraum liegende Abschnitt der Meßwelle ge­ genüber dem Gehäuse oder der im Gehäuse liegenden Antriebs­ welle axial verschiebbar. Auf diese axiale Verschiebbarkeit kann verzichtet werden, wenn statt dessen der Meßkörper ge­ genüber der Meßwelle axial verschiebbar ist.

Zur Verwirklichung dieses Gedankens sieht die Erfindung in einer zweiten Ausführungsform vor, daß der Meßkörper längs­ verschiebbar auf dem im Meßraum liegenden Abschnitt der Meß­ welle gehalten ist. Zweckmäßig ist der Meßkörper mit eine Längenverschiebung zulassenden Kugellagern auf dem im Meß­ raum liegenden Abschnitt der Meßwelle gelagert. Durch den Druck des Mediums wird der Meßkörper auf der Meßwelle um ei­ ne kleine Wegstrecke in Richtung auf das Gerätegehäuse be­ wegt. Dadurch werden der Faltenbalg und die erfindungsgemäß vorgesehene Druckfeder bis zur Gleichheit von Druck- und Federkraft gestaucht. Durch die axiale Bewegung des Meßkör­ pers auf dem abgewinkelten Teil der Meßwelle wird der Schwenkradius der Taumelbewegung kleiner. Damit ändern sich der viskose Fließwiderstand und die Kalibrierkonstanten. Die­ sem betrieblichen Nachteil steht der konstruktive Vorteil gegenüber, daß sich der Meßkörper mit einfachen Mitteln und damit kostengünstig längsverschiebbar auf der Meßwelle anord­ nen läßt.

Die erfindungsgemäß verwendete Druckfeder ist zweckmäßig ei­ ne Schraubenfeder.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen wird das erfindungsgemäße Betriebsviskosimeter nun weiter be­ schrieben.

Die einzige Figur zeigt die erste Ausführungsform mit der die Axialkraft aufnehmenden Druckfeder und der längenverän­ derlichen Verbindung zwischen der Meß- und der Antriebswelle und die zweite Ausführungsform, bei der statt dieser län­ genveränderlichen Verbindung der Meßkörper längsverschiebbar gehalten ist.

Ein Synchronmotor 1 ist unter einer Haube 2 angeordnet. Der Drehmomentmesser 3 sitzt ebenfalls unter der Haube 2 und mißt das von der Viskosität des Mediums abhängige Drehmo­ ment. Die Haube 2 sitzt auf dem Gerätegehäuse 4. Dieses wird mit einem Flansch 5 an dem Gefäß, in dem sich das Medium be­ findet, befestigt. Die Kupplung 6 sitzt im Gerätegehäuse 4. Sie verbindet die Meßwelle 7 mit der mit dem Drehmomentmes­ ser 3 bzw. dem Synchronmotor 1 verbundenen Antriebswelle 8. In der Kupplung 6 sind die Meßwelle 7 und die Antriebswelle 8 nur leichtgängig ineinandergesteckt. Ein Faltenbalg 9 um­ schließt die Enden der Meßwelle 7 und der Antriebswelle 8 und ist mit beiden drehfest verbunden. Er ist torsionssteif. In Axialrichtung ist er weich. Er überträgt das Drehmoment. Die Kupplung 6 unterbindet seitliche Bewegungen zwischen der Meßwelle 7 und der Antriebswelle 8. Damit ist diese Verbin­ dung in Radialrichtung starr. Zwei im Gerätegehäuse 8 ange­ ordnete Kugellager 16 reichen damit für die Lagerung der Meßwelle 7 und der Antriebswelle 8 aus. Im Meßraum 10 weist die Meßwelle 7 eine Krümmung 11 auf. Das Ende 12 der Meßwel­ le 7 führt eine Taumelbewegung aus. Es trägt den Meßkörper 13. Dieser ist mit zwei Kugellagern 17 und 18 drehbar auf dem Ende 12 der Welle befestigt. Der Meßkörper 13 taucht in das Medium, die Meßsubstanz, ein. Diese veranlaßt er eben­ falls zum Ausführen einer Taumelbewegung. Ein Faltenbalg 14 umschließt die Meßwelle 7 und dichtet sie gegenüber dem Me­ dium ab. Der Faltenbalg 14 führt eine Angular- und eine Axi­ albewegung aus. Eine Druckfeder 15 ist zwischen dem Gerätege­ häuse 4 und dem Meßkörper 13 eingespannt. Sie hat eine Stei­ figkeit von zum Beispiel 25 N/mm. Durch einen Mediumsdruck im Meßraum 10 entsteht eine im wesentlichen zum Gerätegehäu­ se 4 gerichtete Axialkraft auf den Meßkörper 13 von zum Bei­ spiel 10 N/bar. 10 bar erzeugen also 100 N. Infolge der axia­ len Leichtgängigkeit der Meßwelle 7 im unteren Kugellager 16 und der längenveränderbaren Kupplung 6 führt der Meßkörper 13 eine axiale Bewegung aus, und zwar gegen die Druckkraft der Druckfeder 15. Durch beispielsweise 10 bar wird diese so um 4 mm zusammengedrückt. Ein Drehmoment entsteht dabei nicht. Der Mediumsdruck beeinflußt damit die Messung der Viskosität nicht.

Bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Meßwelle 7 und die Antriebswelle 8 längs­ verschiebbar miteinander verbunden. Bei der zweiten Ausfüh­ rungsform ist der Meßkörper 13 längsverschiebbar auf der Meß­ welle 7 gelagert. Hierzu dienen die beiden bei dieser Ausfüh­ rungsform eine geringe Axialbewegung zulassenden Kugellager 17 und 18.

Claims (7)

1. Betriebsviskosimeter für erhöhte Mediumsdrücke mit einem Gerätegehäuse und mit einem Meßraum, mit einer teilweise im Gerätegehäuse und teilweise im Meßraum liegenden Meß­ welle, mit einem Meßkörper am Ende des im Meßraum liegen­ den Abschnittes der Meßwelle, mit einem Antrieb und mit einer Drehmomentmeßvorrichtung an dem im Gerätegehäuse liegenden Abschnitt der Meßwelle, wobei der Meßkörper ei­ ne Taumelbewegung um eine körperfremde Achse ausführt, und mit einem den im Meßraum liegenden Abschnitt der Meß­ welle umschließenden Faltenbalg, gekennzeichnet durch ei­ ne im Meßraum (10) liegende, zwischen dem Meßkörper (13) und dem Gerätegehäuse eingespannte Druckfeder (15) zur Aufnahme der durch den Druck des Mediums auf den Meßkör­ per (13) ausgeübten Axialkraft.

2. Betriebsviskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der im Gerätegehäuse liegende Abschnitt der Meß­ welle (7) drehfest, aber längsverschieblich mit einer an den Antrieb (1) angeschlossenen Antriebswelle (8) verbun­ den ist.

3. Betriebsviskosimeter nach Anpruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der im Gerätegehäuse liegende Abschnitt der Meß­ welle (7) in diesem mit Schiebesitz in einem Kugellager (16) gelagert ist.

4. Betriebsviskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der im Gerätegehäuse liegende Abschnitt der Meß­ welle (7) und die Antriebswelle (8) im Schiebe- oder Gleitsitz miteinander verbunden sind.

5. Betriebsviskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Meßkörper (13) längsverschiebbar auf dem im Meßraum (10) liegenden Abschnitt der Meßwelle (7) gehal­ ten ist.

6. Betriebsviskosimeter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Meßkörper (13) mit eine Längsverschiebung zu­ lassenden Kugellagern (17, 18) auf dem im Meßraum (10) liegenden Abschnitt der Meßwelle (7) gelagert ist.

7. Betriebsviskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Druckfeder (15) eine Schraubenfeder ist.