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BETRIEBSVISKOSIMETER Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
Betriebsviskosimeter, das in Rohrleitungen oder Reaktionsgefäße eingebaut werden
kann und bei dem der viskose Fließwiderstand der Substanz im wesentlichen in Form
eines Drehmomentes gemessen wird, das von der Substanz auf rotierende Meßflächen
ausgeiibt wird.
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Bei einer bisher bekanntgewordenen Ausfiihrungsform eines derartigen
Viskosimeters erfolgte die reibungsfreie Übertragung der Drehbewegung der Meßfläche
aus dem zumeist unter Druck stehenden substanzerfüllten Meßraum heraus durch eine
Magnetkupplung. Der Nachteil einer solchen Anordnung besteht einmal darin, daß nur
relativ kleine Drehmomente iibertragen werden können, so daß die Messung hochviskoser
Substanzen auf Schwierigkeiten stößt. Zum anderen geht der Substanzaustausch in
dem engen Spalt zwischen den gegenpoligen Magnetflächen nur langsam vonstatten,
so daß schnell erfolgte Viskositätsänderungen nicht richtig erfaßt werden.
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Bei einer anderen bisher bekanntgewordenen Ausführungsform eines derartigen
Viskosimeters ist die Meßfläche an einer Hohlwelle angeordnet, die in den Meßraum
hineinragt und deren Verdrillung unter der Wirkung des viskositätsabhängigen Drehmomentes
mit elektronischen Mitteln gemessen wird. Der Nachteil einer solchen Anordnung ist,
daß die llohlwelle aus Gründen der erforderlichen Stabilität sehr starr ist, so
daß nur sehr große Viskositäten gemessen werden können. Weiterhin m die elektronische
Drehmomentmeßeinrichtung entsprechend empf indlieh sein. Ein derartiges Viskosimeter
is L daher auch entsprechend störanfällig und kostspielig.
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Demgegenüber schlägt die vorliegende Erfindung ein Betriebsviskosimeter
bei vor, dem die Dr@hbewegung der Meßfläche, an der das Drehmoment gemessen wird,
weitgehend reibungsfrei aus dem Meßraum herausgeführt wird und zwar unter Vermeidung
der oben aufgeführten Nachteile der bisher beka@ntgewordenen
Ausführungsformen.
Die Erfindung fußt einmal auf der Erkenntnis, daß eine Meßfläche, z.B. ein Rührflügel,
auch dann eine Drehbewegung, und @war um eine körperfremde (ide@lle) Achse ausfiihrt,
wenn man ihn zwei lineare Ilin- und Herbewegungen, die zeitlich und räumlich um
90° verschoben sind, machen läßt. Denn bekanntlich läßt sich die Zirkularbewegung
eines Raumpunktes aus 2 zeitlich und räumlich um 90° verschobenen Linearbewegungen
super ponieren. Die vorliegende @rfindung fußt zum anderen auf der Erkenntnis, <laß
als praktisch reibungsfreies Dichtelement für Linearbewegungen, die aus einem unter
Druck stehenden Meßraum herauszuführen sind, ein elastischer Hohlkörper, z.B. Schlauch
aus einem elastischen Material oder ein gewellter Schlauch aus Metall oder ein ähnliches
Element dienen kann.
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Die vorliegende Erfindung schlägt daher in einer ersten möglichen
Ausführungsform vor, eine Meßfläche an einem Stab zu befestigen, den Stab mit einem
Schlauch als Abdichtung zu umkleiden und weiterhin den Stab zwei um 90° zeitlich
und räumlich gegeneinander versetzte Linearbewegungen ausführen zu lassen, so daß
er einen Zylinderumfang beschreibt. Das kann durch einen entsprechenden, ansich
bekannten Antriebsmechanismus geschehen. Der Stab samt Meßfläche ragt in den unter
Druck stehenden Meßraum hinein. Der Srhlauch dichtet den Meßraum zur Umgebung hin
ab. Die Meßfläche vollführt dann eine Drehbewegung um eine körperfremde Achse. Das
vom Antriebsmechanismus aufzubringende Drehmoment ist der Viskosität proportional
und kann durch bekannte Mittel gemessen werden. Die Blindreibung dieser Anordnung
ist lediglich durch die innere Reibung des Schlauches gegeben. Sie ist besonders
klei@, wenn ein gewellter Metallschlauch als Dichtelement verwendet wird.
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In einer weiteren Ausführungsform wird eine Welle verwendet, die innerhalb
des Meßraumes einfach gekriimmt oder zweifach gekrümmt (gekröpft) ist. Die Welle
ist innerhalb des Meßraumes allseitig, also auch am Lande, von einem Schlaucll als
Dichtelement umgeben. Das Ende der Welle, das sich im Meßraum befindet, liunn sich
auf der Schlauchinnenseite abwälzen.
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Die Stirnseite des Schlauches, die sich im Meßraum befindet, ist geschlossen.
An diesem Schlauchende ist die Meßfläche befestigt. Außerhalb
des
Meßraumes verläuft die Welle gradlinig, sie wird dort von einem Antriebselement
angetrieben. Das im M@ßraum befindliche Schlau@hende und damit die Meßfläche vollführen
dann eine Drehbewegung um eine körperfremde Achse, die in diesem Falle identisch
ist mit dem geradlinigen Wellenteil. Dort kann auch das viskositätsabhängige Drehmoment
gemessen werden.
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Der Druck im Meßraum sucht den Schlauch zusammenzudrücken, was verhindert
werden muß. Daher schlägt in weiterer Ausgestaltung die vorliegende Erfindung vor,
die Welle im Meßraumteil mit Lagern, und zwar Kugellagern oder Gleitlagern, auszustatten,
deren Außendurchmesser dem Innendurehmesser des Schlauches entspricht.
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Der Schlauch behält dadurch auch bei hohen Drucken seinen kreisförmigen
Querschnitt bei, denn die Druckkräfte werden con den Lagerringen aufgenommen. Außerdem
wird dadurch verhindert, dan der Schlauch bei der Drehbewegung der Welle diese beriihrt,
was zu erhöhter Blindreibung fiihren viirde. Die Lager bewirken nämlich, daPJ die
Schlauchseele im wesentlichen identisch mit der Welle verläuft. Die Lager wälzen
sich bei der Wellendrehung ab, und zwar bei Gleitringlagern entweder auf der Welle
oder auf der Schlauchinnenwand.
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Es sind auch noch andere Anordnungen denkbar, bei denen unter Verwendung
des Erfindungsgedankens stab- oder wellenförmige Elemente, also allgemein Halterungen,
auf eine Meßfläche eine zirkulare oder elliptische Drehbewegung übertra-gen, und
zwar dadurch, daß zwei räumlich und zeitlich verschobene Linearbewegungen superponiert
werden, wodurch es möglich wird, als Dichtelement für die Halterung ein im wesentlichen
schlauehartiges elastisches Gebilde zu verwenden.
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Die Zirkularbewegung hat dabei gegenüber der elliptischen Bewegung
den Vorteil, daß das viskositätsabhängige Drehmoment bei konstanter Viskosität ebenfalls
konstant bleibt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, der
viskosen Substanz durch eine in den Meßraum ragende und von außen angetriebene Drehfläche,
z.B. einen Hohlzylinder oder einen Riihrfliigel, eine Drehbewegung aufzuprägen.
Weiterhin soll eine Meßfläche vorgesehen werden, die in einer d-er zuvor beschriebenen
erfindungsmäßigen
Weisen angeordnet ist. Die rotierende Substanz sucht dann ihrem viskosen Fließwiderstand
zufolge die Meßfläche mitzunehmen, was sich in einem viskositätsabhängigen und meßbaren
Drehmoment äußert. Das schlauchförmige Dichtelement der Meßfldehenhalterung wird
bei dieser Version nur um einen bestimmten Winkelbetrag verformt beim Einschalten
des Viskosimeters und bei Viskositätsänderungen. Die Welle für die Drehfläehe kann
z.B. durch eine Stopfbuchse abgedichtet sein, da hier Reibungsverluste ohne Einfluß
auf das Meßresultat sind.
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Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung war als
Meßfläche eine Art Rührflügel oder ein rotationssymmetrischer Körper vorgesehen.
Die durch die Drehbewegung in der Substanz erzeugte Strömung ist dann keine ebene
Scherströmung und somit bei strukturviskosen Substanzen mathematisch nicht faßbar.
In weiterer Ausgestaltung schlagt die Erfindung daher vor, als Meßfläche eine Platte
oder Teller in der Weise am runde der Welle oder des Stabes zu befestigen, daß die
Flächennormale im wesentlichen parallel zur Welle oder zum Stab verläuft. Weiterhin
soll in einigem Abstand parallel zu der Platte eine weitere Platte starr angeordnet
werden.
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Die Substanz zwischen den beiden Platten unterliegt dann einer im
wesentlichen ebenen Scherströmung, die der Rerechnung zugänglich ist.
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Es ist dabei zweckmäßig, wenigstens eine der beiden parallelen Platten
mit Löchern zu versehen, damit ein guter Stoffaustausch in den Raum zwischen den
beiden Platten erfolgen kann. Es ist auch möglich, statt eines an der Messung beteiligten
Plattenpaares mehrere Plattenpaare vorzusehen, um ein größeres Drehmoment zu erhalten.
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Die Abbildung I beschreibt ein Ausfiihrungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung: (1) ist die Wandung einer Rohrleitung oder eines Reaktionskessels, in
die die Grundplatte (2) des Viskosimeters eingesetzt ist.
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Die Welle (3) besteht aus einem gekriimmten Teil im Meßraum und einem
geradlinigen Teil außerhalb. Sie ist im Me(3raum von dein druckdichten, gewellten
Metallrohr (4) umgeben, das mit (2) starr und druckdicht
verbunden
ist. Lagerringe aus Teflon (5) fiihren das Wellrohr.
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Sie wälzen sich bei der Drehbewegung auf (3) ab. Das Wellrohr (4)
wird durch normales, starres Rohr (6) fortgesetzt und endet schließlich in der,
Kugel (7), die als Rührkörper dient. Die-Welle (3) wird über den Drehmomentmesser
(8) von dem Getriebemotor (9) angetrieben. Die Kugel. (7) beschreibt dadurch in
der Meßsubstanz eine Kreisbahn, deren Mittelpunkt die strichpunktierte Linie (io)
darstellt. Das Wellrohr (4) macht zwei um 900 phasenverschobene Hin- und Herbewegungen.
Die Blindreibung der Anordnung resultiert im wesentlichen aus der Reibung der Lagerringe
(5) auf der Weile.
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Wegen des Werkstoffes Teflon ist diese Reibung jedoch sehr klein.
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Axialkräfte, die aus dem Druck im Meßraum resultieren, werden von
dem Wellrohr aufgenommen, das in axialer Richtung sehr steif ist.
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Das von dem Drehmomentmesser (8) gemessene Drehmoment ist der Viskosität
der Substanz proportional.. Als Grundlage für den rechne -rischen Zusammenhang von
Drehmoment und Viskosität kann das Stokes'sche Gesetz dienen.
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Die Abbildung II zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung:
Die Welle (3) trägt hier 2 Kugellager (11). Die Außenringe der beiden Lager sitzen
auf der Innenwand des Rohres (G). Die Wlenfläche (12) ist hier eine gekrüminte Platte.
Iitr Krümmungsmittelpunkt ist der Schnittpunkt (15) ihrer Normalen mit der Mittellinie
(10).
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Sie beschreibt eine Drehbewegung ui die Mittellinie (10). In geringem
Abstand zu (12) ist eine zweite größere und gekrümmte Platte (13).
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starr angeordnet. Sie ist mit Löchern (14) versehen. Die Substanz
zwischen (12) und (13) unterliegt bei er Drehung von (3) einer Scherströmung, die
auch bei strulitnrviskosen Substanzen eine exakte Berechnung gestattet. Das von
(8) gemessene Drehmoment ist der Viskosität daher Substanz direkt proportional.