DE3324842A1

DE3324842A1 - Torsionsrohr-viskosimeter

Info

Publication number: DE3324842A1
Application number: DE19833324842
Authority: DE
Inventors: Ronald Frank 08822 Flemington N.J. Garritano
Original assignee: Rheometrics Inc
Current assignee: Rheometrics Inc
Priority date: 1982-07-22
Filing date: 1983-07-09
Publication date: 1984-01-26
Also published as: GB8317229D0; DE3324842C2; JPS5919837A; FR2530815B1; CA1191720A; JPH0355778B2; US4468953A; GB2123966A; CH663471A5; FR2530815A1; GB2123966B

Description

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PA T* E Ν* TAN W ALTE UHLANDSTRASSE 14 c D 7O00 STUTTGART -.

A 45 640 b Anmelderin: Rheometrics, Inc.

]ζ _ 35 One Possumtown Road

5 Juli 1983 Piscataway, NJ 08854

USA

Beschreibung

Torsionsrohr-Viskosimeter

Die Erfindung betrifft ein Torsionsrohr-Viskosimeter zur Durchführung von Viskositäts- und Elastizitätsmessungen für eine Flüssigkeit, insbesondere im on-line-Betrieb, mit einem Torsionsrohr, mit einem konzentrisch dazu angeordneten, mittels Antriebseinrichtungen zu einer Drehbewegung antreibbaren äusseren Zylinder und mit einem Stab zum Übertragen von Torsionsbewegungen des Torsionsrohres auf mit diesem Stab gekuppelte Messeinrichtungen.

Insbesondere befasst sich die vorliegende Erfindung mit einem Torsionsrohr-Viskosimeter zum Messen der Viskosität und Elastizität von Flüssigkeiten, wie z.B. Polymerschmelzen. Dabei ist das erfindungsgemässe Viskosimeter speziell zum Durchführen von on-line-Messungen geeignet, wobei erfindungsgemäss die zu ermittelnden Parameter dynamisch bestimmt werden können, indem die Eigenschaften eines kontinuierlich fliessenden Stromes der betreffenden Flüssigkeit gemessen werden während dieser Flüssigkeitsstrom Scherkräften ausgesetzt wird.

Änderungen der Elastizität und Viskosität sind für viele Verarbeitungs- und Qualitätseigenschaften von Polymerschmelzen, wie z.B. Schmelzen thermoplastischer Materialien,

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verantwortlich. Beim kommerziellen Einsatz derartiger Materialien kann die Qualität des hergestellten Endproduktes gewöhnlich erfolgreich gesteuert werden, wenn die betreffenden Eigenschaften - Viskosität und Elastizität - bekannt sind und während der Fertigung überwacht werden.

Bisher werden Viskosität und Elastizität von Polymerschmelzen häufig im off-line-Betrieb gemessen, was bedeutet, dass Proben der Polymerschmelze aus dem Produktionsprozess entnommen und dann einzeln untersucht werden, und zwar häufig in einem relativ weit entfernten Laboratorium. Da jedoch derzeit Produkte aus Polymerschmelzen mittels automatisierter Anlagen mit hoher Geschwindigkeit hergestellt werden, besteht die Möglichkeit, dass eine grosse Anzahl von Erzeugnissen geringer Qualität bzw. von Erzeugnissen, die den vorgegebenen Spezifikationen nicht genügen, fertiggestellt wird ehe die im off-line-Betrieb ermittelten Messwerte hinsichtlich der Viskosität und Elastizität bekannt sind.

Es ist daher wünschenswert, die Viskosität und Elastizität von PoIjverschmelzen während der Herstellung und Verarbeitung derselben im on-line-Betrieb ermitteln zu können.

Stand der Technik

Es wurden bereits verschiedene Geräte vorgeschlagen, welche zur Messung der Viskosität und Elastizität von Flüssigkeiten, wie z.B. Polymerschmelzen, verwendet werden können. Derartige Geräte umfassen Einrichtungen, bei denen die zu untersuchende Flüssigkeit durch eine Kapillare oder einen schmalen Spalt fliesst sowie Einrichtungen, in denen die

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Fliesseigenschaften durch Bestimmung der Schercharakteristik der Polymerschmelze ermittelt werden. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Gerät des letztgenannten Typs und arbeitet vorzugsweise dynamisch bei Vorliegen eines kontinuierlich fliessenden Flüssigkeitsstroms .

Ein Beispiel für die vorbekannten Geräte zur Messung der Schercharakteristik ist das mit einem rotierenden Zylinder arbeitende Viskosimeter nach Couette-Hatschek, welches in "Plastics & Polymers", Februar 1973 beschrieben ist. Das bekannte Gerät weist einen inneren und einen dazu konzentrischen äusseren Zylinder auf, wobei der innere Zylinder an einem Torsionszylinder verringerten Durchmessers befestigt ist, der seinerseits an einem oberen Stempel befestigt ist, welcher am Rahmen des Gerätes montiert ist. Ferner ist an einem Ende des inneren Zylinders ein Stab befestigt, welcher durch den Torsionszylinder hindurchreicht und nach aussen über den Rahmen vorsteht. Bei dem bekannten Gerät wird eine Polymerschmelze in den Zwischenraum zwischen den beiden Zylindern eingebracht, und der äussere Zylinder wird gedreht, um in dem Polymermaterial eine Scherkraft zu erzeugen. Die Zähigkeit des Polymermaterials führt dabei zu einem Drehmoment am inneren Zylinder, welches als Scherbelastung ausgewertet wird.

Das Coutte-Hatschek-Viskosimeter weist hinsichtlich der Viskositätsmessung gewisse Fehlerquellen auf. Eine dieser Fehlerquellen ergibt sich aus der Notwendigkeit einer Endkorrektur hinsichtlich der Zylinderlänge, welche deshalb erforderlich ist, weil ausser in dem Ringspalt

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zwischen den beiden Zylindern auch noch an anderen Stellen des Gerätes eine Strömung der Viskoseflüssigkeit vorhanden ist. Ausserdem ergeben sich an gewissen Stellen des Strömungspfades Sekundärströme, welche ebenfalls zu Fehlern führen können. Weiterhin hat das Couette-Hatschek-Viskosimeter in der Praxis gewisse Nachteile, da der innere Zylinder und der Torsionszylinder gewöhnlich zwei getrennt hergestellte Bauteile sind.

Ein ähnliches Gerät ist ferner in einer Firmendruckschrift der Firma H.K. Bruss Rheoverfahrenstechnik GmbH beschrieben. Dort wird auch die Möglichkeit der Durchführung dynamischer Messungen der Schercharakteristik einer Polymerschmelze angedeutet. Da auch bei diesem Gerät ein innerer Zylinder und ein damit verbundener Torsionszylinder verringerten Durchmessers normalerweise als getrennte Bauteile hergestellt sind, ergeben sich die oben angedeuteten Probleme hinsichtlich der Genauigkeit der Messergebnisse.

Die US-PS 3 128 620 beschreibt ein Torsionsrohr-Dreh-Viskosimeter zum Messen der dynamischen Schercharakteristik einer flüssigkeit. Bei dem bekannten Gerät ist eine Torsionshülse konzentrisch in einem zylindrischen Rotor angeordnet und mit einem der Übertragung von Torsionskräften dienenden Torsionsstab verbunden. Im einzelnen ist die Hülse mittels einer Endkappenanordnung in einer Schutzmantelanordnung montiert, wobei der Rotor die Hülse nur auf einem Teil ihrer Länge umgibt, weshalb die Flüssigkeit zunächst einem Ringbereich zwischen einem äusseren Mantel und der Hülse zugeführt wird und erst dann dem Ringspalt zwischen dem Rotor und der Hülse. Somit ergeben sich auch bei diesem Viskosimeter ähnliche Probleme wie beim Couette-Hatschek-Viskosimeter.

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Ein weiteres dem Couette-Hatschek-Viskosimeter entsprechendes Viskosimeter ist ferner in der US-PS 2 817 231 beschrieben.

Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Torsionsrohr-Viskosimeter zum Messen der Viskosität und Elastizität einer Flüssigkeit anzugeben, bei dem die Nachteile der vorbekannten Viskosimeter zumindest weitgehend vermieden werden und bei dem insbesondere eine dynamische Messung der Schercharakteristik ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch ein Torsionsrohr-Viskosimeter mit den Merkmalen des Kennzeichenteils des Anspruches 1 gelöst.

Es ist ein besonderer Vorteil des Viskosimeters gemäss der Erfindung, dass für die zu untersuchende Flüssigkeit ein gleichmässiger Strömungspfad geschaffen wird, so dass Sekundärströme und störende Flüssigkeitsströmungen ausserhalb des Messbereichs, die zu einer Verfälschung der Messergebnisse führen können, auf ein Minimum reduziert werden.

Ein weiterer Vorteil des Viskosimeters gemäss der Erfindung besteht darin, dass die zu untersuchende Flüssigkeit gleichmässig und mit gleichmässigem Druck durch Teile des Gerätes hindurchf Hessen kann derart, dass auf die Flüssigkeit dynamische Scherkräfte ausgeübt werden können.

Es ist auch ein Vorteil des Viskosimeters gemäss der Erfindung, dass die Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit

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der durch das Gerät hindurchfliessenden Flüssigkeit exakt gesteuert und auf gleichbleibenden Soll-Werten„gehalten werden können.

Weiterhin ist es ein Vorteil des Viskosimeters gemäss der Erfindung, dass die Viskositäts- und Elastizitäts-Eigenschaften einer Flüssigkeit durch Verdrehen eines Torsionsrohres derart ermittelt werden können, dass Vibrationen und thermische Längenänderungen eines in dem Torsionsrohr zur übertragung der Torsionskräfte montierten Stabes keinen Einfluss auf die Genauigkeit des Messergebnisses haben.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die vorstehend angegebenen Vorteile dadurch erreicht, dass man die zu untersuchende Flüssigkeit durch den langen, gleichmässigen, ringförmigen Zwischenraum zwischen dem äusseren zu einer Drehbewegung antreibbaren Zylinder und dem darin konzentrisch angeordneten Torsionsrohr strömen lässt, dessen eines Ende an einem Gehäuse -befestigt ist. Das Vorhandensein eines derartigen gleichmässigen, ringförmigen Zwischenraums führt zu einem Selbstreinigungseffekt, da die neu zugeführte Flüssigkeit die gesagte zuvor zugeführte Flüssigkeit durch den Zwischenraum zum Auslass desselben hindurchdrückt. Es ergeben sich folglich keine toten Zonen, in denen Flüssigkeitsteile für längere Zeiten verbleiben und demgemäss zu Messfehlern führen können.. Ferner ist innerhalb des Torsionsrohres ein Stab am freien Ende desselben befestigt, der sich über die gesamte Länge des Rohres erstreckt und in einer Detektoranordnung bzw. einer Wandleranordnung endet, wo die Verdrehung des Stabes gemessen wird.

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Bei dem Viskosimeter gemäss der Erfindung führt die Drehbewegung des äusseren Zylinders ebenso wie bei den bekannten Geräten zu einer Drehbewegung der Flüssigkeit. Diese Drehbewegung bzw. die Torsionskraft in Umfangsrichtung wird jedoch erfindungsgemäss unmittelbar auf die Mantelfläche des Torsionsrohres übertragen. Folglich zeigen die Drehbewegungen des Stabes die durch die Torsionskräfte bewirkte Verdrehung des freien Endes des Torsionsrohres exakt an, so dass Viskosität und Elastizität der untersuchten Flüssigkeit aus verschiedenen Ausgangsdaten einschliesslich des Masses der Verdrehung des Stabes berechnet werden können.

Vorzugsweise sind der Aussendurchmesser des Torsionsrohres und der Innendurchmesser des verdrehbaren Zylinders auf der gesamten Länge der Bauteile zumindest im wesentlichen gleich, so dass sich ein glatter, ringförmiger Strömungskanal gleichbleibenden Querschnitts für die Flüssigkeit ergibt. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann der äussere Zylinder dabei zu oszillierenden Drehbewegungen angetrieben werden, um auf die durch den ringförmigen Zwischenraum hindurchfliessende Flüssigkeit die erforderlichen Drehmomente auszuüben.

Als günstig hat es sich auch erwiesen, wenn das Gehäuse des erfindungsgemässen Viskosimeters mit einer Öffnung versehen ist, welche angrenzend an das am Gehäuse befestigte Ende des Torsionsrohres von diesem konzentrisch durchgriffen wird, so dass sich eine ringförmige, als Drosselöffnung dienende Einlassöffnung zu dem langen Ringraum zwischen dem Torsionsrohr und dem äusseren

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Zylinder ergibt. Durch diese ringförmige Öffnung kann die zu prüfende Flüssigkeit dein Ringraum dann sehr gleichmässig zugeführt werden.

Da durch die vorstehend angegebenen Massnahmen erreicht wird, dass sich auf der gesamten Länge des Ringraums ein gleichmässiger zylinderförmiger Strom der zu prüfenden Flüssigkeit ergibt, können sich praktisch keine Abweichungen hinsichtlich der zu messenden Scherkräfte ergeben. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zwischen dem erfindungsgemässen Viskosimeter und den vorbekannten Viskosimetern, wo es nicht möglich ist, Diskontinuitäten in dem Flüssigkeitsstrom, die zu Messfehlern führen, zu vermeiden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung hat es sich ferner als günstig erwiesen, wenn der mit dem Torsionsrohr verbundene Stab mit zwei Differentialwandlern verbunden ist, die so an den Stab angekuppelt sind, dass der Einfluss von Vibrationen und thermischen Längenänderungen des Stabes unterdrückt wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend an Hand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Torsionsrohr-Viskosimeters gemäss der Erfindung;

Fig. 2 einen Teil-Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform eines Torsionsrohr-Viskosimeters gemäss der Erfindung;

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Fig. 3 eine Stirnansicht des rechten Endes des Viskosiineters gemäss Fig.2 mit seinen einander gegenüberliegenden Differentialwandlern.

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Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Torsionsrohr-Vorrichtung, die geeignet ist, die Elastizität und Viskosität einer Flüssigkeit, wie z. B. einer Polymerschmelze, zu messen. Die Vorrichtung kann im Echtzeit- und on-line-Betrieb arbeiten und wird nachstehend zur Verdeutlichung der Erfindung in Verbindung mit einem Prozeßextruder beschrieben und gezeigt, der eine entsprechende Polymerschmelze erzeugt. Dabei versteht es sich jedoch, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in anderer Umgebung zur Messung der Viskosität und Elastizität anderer Arten von Flüssigkeiten eingesetzt werden können. Beim Ausführungsbeispiel ist der Prozeßextruder 12 über eine Leitung 14 mit einer Pumpe 16 für die von ihm erzeugte Polymerschmelze verbunden. Die Pumpe 16 wird von einem Motor 18 angetrieben und liefert die Schmelze vom Extruderausgang mit erhöhtem Druck über eine Einlaßleitung 2o an di«. erfindungsgemäße Vorrichtung 1o.

Die Vorrichtung 1o besitzt ein Gehäuse 22, welches mit einer ringförmigen Einlaßkammer 24 versehen ist, welche mit der Einlaßleitung 2o verbunden ist, wobei sich stromabwärts von der Einlaßkammer 24 eine runde Öffnung 26 verringerten Durchmessers befindet. Die Kombination von Einlaßkammer 24 und Drosselöffnung 26 führt zu einem gleichmäßigen Druck auf dem gesamten Umfang der Öffnung. Der Materialfluß ist also beim Eintreten in einen hinter der Öffnung 26

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liegenden zylindrischen Hohlraum gleichmäßig aufgeteilt, was zu dem eingangs angesprochenen Selbstreinigungseffekt beiträgt.

Ein hohles Torsionsrohr 28 mit im wesentlichen gleichmäßigem Durchmesser ist mit seinem ersten Ende 32 starr an dem Gehäuse 22 befestigt, und zwar an der Basis 34 der Einlaßkammer 24. Das Torsionsrohr 28 besitzt ein Teilstück 3o, welches vom ersten Ende konzentrisch in die öffnung 26 hineinragt sowie ein freies Ende 36, welches im Abstand vom ersten Ende 32 in einer konischen Spitze 37 ausläuft, die vom ersten Ende 32 weg weist. Das Torsionsrohr 28 ist als einstückiges Bauteil hergestellt.

Die Vorrichtung 1o umfaßt ferner einen hohlen äußeren Zylinder 38 mit im wesentlichen gleichmäßigem Innendurchmesser und Außendurchmesser. Der Zylinder 38 ist mit seinem ersten Ende 39 an der Welle eines Motors 4o befestigt. Der Motor 4o kann den Zylinder 38 in der gewünschten Weise zu einer Drehbewegung um seine Längsachse antreiben, beispielsweise schrittweise, oszillierend oder kontinuierlich, worauf nachstehend noch näher-eingegangen wird. Der äußere Zylinder 38 ist koaxial und teleskopartig um das Torsionsrohr 28 herum angeordnet und endet angrenzend an das Gehäuse 22 mit seinem zweiten Ende 42 im Bereich der Drosselöffnung 26. Der äußere Zylinder und das Torsionsrohr 28 definieren somit einen

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länglichen ringförmigen Zwischenraum 44 mit im wesentlichen gleichbleibenden Innen- und Außendurchmesser, welcher einen glatten Strömungspfad für die Polymerschmelze bildet. Außerdem bilden die Drosselöffnung 26 und das Teilstück 3o des Torsionsrohres 28 eine ringförmige Einlaßkammer 24 sowie einen Einlaß 46 für den ringförmigen Raum 44, dem die Polymerschmelze zugeführt werden soll. In dem äußeren Zylinder 38 kann eine radiale Auslaßöffnung 48 vorgesehen sein, welche mit dem Raum 44 in Verbindung steht, so daß die Polymerschmelze aus der Vorrichtung 1o am Ende seines durch den ringförmigen Raum 44 gebildeten Weges als Abfallprodukt abgelassen werden kann.

In dem hohlen Torsionsrohr 28 ist koaxial zu diesem ein der Übertragung von Torsionskräften dienender Stab 5o angeordnet, dessen eines Ende 52 mit Hilfe eines Befestigungselementes 51 starr befestigt ist, welches diagonal zu dem Torsionsrohr 28 verläuft und dessen .^,nden im Bereich des freien Endes 36 des Torsionsrohres 28 an diesem befestigt sind. Das andere Ende 6o des Stabes 5o durchgreift eine Bohrung 54 des Gehäuses 22 und endet im Bereich der Gehäuseseite 56, welche derjenigen Gehäuseseite gegenüberliegt, von der das Torsionsrohr 28 absteht. Dieses zweite Ende 6o des Stabes 5o ist mit einer kurzen Kupplungsstange 58 verbunden, deren Achse im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Stabes 5o verläuft. An dem Gehäuse 22 sind zwei linear arbeitende

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Differentialwandler 62 jeweils im gleichen Abstand von der Längsachse A des Stabes 5o befestigt und dienen dazu, in unterschiedliche Winkelrichtungen wirkende Belastungen aufzunehmen. Jedes der Enden des Kupplungsstabes 58 ist dabei jeweils mit einem der Wandler 62 verbunden, um auf diesen eine solche Belastung zu übertragen. Koaxial zu dem äußeren Zylinder 38 ist eine zylindrische Heizvorrichtung 64 angeordnet, mit deren Hilfe der durch den inneren ringförmigen Raum 44 strömenden Flüssigkeit Wärme zuführbar ist.

Die vorstehend beschriebene Torsionsrohr-Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Am Prozeßextruder 12 wird ein kleiner Teil der Polymerschmelze zu der Pumpe 14 abgeleitet, die von dem Motor 18 angetrieben wird, um die Schmelze unter Druck der Einlaßkammer 24 des Gehäuses 22 zuzuführen. Die Zuführung der Polymerschmelze kann dabei kontinuierlich oder intermittierend erfolgen. Von der Einlaßkammer 24 fließt die Polymerschmelze im wesentlichen gleichmäßig und mit einem im wesentlichen gleichmäßigen Druck durch die ringförmige Einlaßöffnung 4 6 in den langgestreckten ringförmigen Raum 44, der zwischen dem Torsionsrohr 28 und dem äußeren Zylinder 38 definiert ist. Nach dem Durchfließen des Raumes 44 wird die Schmelze durch die Ablaßöffnung 48 abgelassen.

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Während sich die Polymerschmelze in dem ringförmigen Raum 44 befindet, wird der äußere Zylinder 38 von dem Motor 4o zu einer oszillierenden oder kontinuierlichen Drehbewegung um seine Achse angetrieben. Eine oszillierende Drehbewegung kleiner Amplitude, beispielsweise mit einer Amplitude von - o,5 rad und einer Frequenz von etwa o,1 bis 5oo rad/s werden bevorzugt. Durch die Drehbewegung des äußerer. Zylinders 38 entstehen zwischen diesem und der Schmelze Scherkräfte, die ihrerseits zu Scherkräften zwischen der Schmelze (bzw. einer anderen Flüssigkeit) und dem Torsionsrohr 28 führen. Das Torsionsrohr 28 wird durch die Scherkräfte in einem Maße verdreht, welches mit der Viskosität und Elastizität der Schmelze verknüpft ist. Die auftretende Torsionsbewegung wird über das Befestigungselement 51 auf den Stab 5o und von diesem über die Kupplungsstange 58 auf die Differentialwandler 62 in Form von Vorwärts- bzw. Rückwc~tsbewegungen übertragen. Jeder der Wandler erzeugt daraufhin ein elektrisches Signal, welches mit der an ihm angreifenden Belastung verknüpft ist und welches bei richtiger Eichung der Wandler zur Anzeige der Viskosität und der Elastizität der . Schmelze ausgewertet werden kann.

Die vorstehend allgemein beschriebene Torsionsrohr-Vorrichtung gemäß der Erfindung bietet gegenüber den bekannten Vorrichtungen eine Anzahl von wesentlichen Vorteilen. Insbesondere fördert die Ausbildung der öffnung 26 in Verbindung iuit dem durch diese

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Öffnung vorspringenden Teilstück 3o des Torsionsrohres 28 im Bereich der so geschaffenen ringförmigen Einlaßöffnung einen im wesentlichen gleichmäßigen Flüssigkeitsstrom bei im wesentlichen gleichmäßigem Druck. Außerdem sorgen der gleichmäßige Innendurchmesser und der gleichmäßige Außendurchmesser des den Strömungskanal bildenden ringförmigen Raumes für eine gleichmäßigen Flüssigkeitsbewegung, wobei eine konstante Dicke der Flüssigkeitsschicht an allen Punkten auf der gesamten Länge des Torsionsrohres erzwungen wird. Aus diesem Grunde werden sekundäre Flüssigkeitsströme bzw. Ströme, die zu Fehlern bei der Messung der Viskosität und Elastizität führen könnten, vermieden.

Durch die Verwendung zweier Differentialwandler 62 und durch die beschriebene Anordnung derselben werden ferner Vibrationen und thermische Bewegungen des Stabes 5o unterdrückt oder zumindest gedämpft, was nachstehend noch näher erläutert werden soll.

Die vorstehend anhand von Fig. 1 allgemein beschriebene Torsionsrohr-Vorrichtung gemäß der Erfindung wird nachstehend anhand-von Fig. 2 und 3 noch näher erläutert. Wie dort gezeigt, besitzt das Gehäuse 22 einen radial verlaufenden Einlaßkanal 66, welcher die Einlaßleitung 2o aufnimmt und dichtend mit dieser verbunden ist. Der Einlaßkanal 6 6 endet in der Einlaßkammer 24. An der Basis der Einlaßkammer 24 ist

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eine Montagefassung 68 ausgebildet. Das Torsionsrohr 28 besitzt ein Teilstück 7o vergrößerten Durchmessers, welches starr in der Fassung 68 befestigt ist. Eine Verschlußkappe 72 ist in einem fest vorgegebenen Abstand von der Seitenfläche 56 des Gehäuses 22 montiert, wobei sich zwischen der Verschlußkappe bzw. -platte 72 und der Gehäuseseite 56 eine Dichtung 74 befindet.

Der äußere Zylinder 38, der aus rostfreiem Stahl bestehen und zur Verbesserung der Wärmeübertragung mit einem Kupfermantel 86 versehen sein kann, ist mit der Antriebswelle 88 des Motors 4o über eine geeignete Drehkupplung 9o verbunden. Das andere Ende 42 des äußeren Zylinders 38 wird von einem Lager 32 abgestützt, welches in einer ringförmigen Aussparung 94 des Gehäuses 22 montiert ist und dafür sorgt, daß die koaxiale Ausrichtung zwischen dem Zylinder 38 und dt.'n- Rohr 28 aufrecht erhalten bleibt.

Wie Fig. 2 zeigt, umfaßt die Heizvorrichtung 64 einen zylindrischen Heizblock 9 6 sowie eine den Keizblock 96 umgebene Heizwicklung 48. Der Block 9 6 ist mit einer Innenbohrung-Too versehen, deren Durchmesser geringfügig größer ist als der Außendurchmesser des äußerer. Zylinders 38. Zwischen dem zweiten Ende 4 2 des äußeren Zylinders und der an die öffnung 26 angrenzenden Gehäusewand kann ein schmaler Spalt 1o2

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vorgesehen sein. Durch diesen kann ein geringer Teil der Polymerschmelze, die durch die ringförmige Einlaßöffnung 26 unter Druck zugeführt wird, nach außen austreten und durch das reibungsarme Lager 92 hindurch in den Ringraum 1o3 zwischen der Bohrung loo und der Außenwand des äußeren Zylinders 38 eintreten. Am auslaßseitigen Ende des Torsionsrohres 28 ist zwischen dem Block 96 und dem äußeren Zylinder 38 eine Dichtung 1o5 vorgesehen, so daß die Polymerschmelze aus dem äußeren Ringraum 1o3 ebenfalls dem Auslaß 48 zugeführt werden kann. Die Polymerschmelze in dem Ringraum 1o3 fördert die Wärmeübertragung von dem Heizblock 96 zu dem äußeren Zylinder 38 und damit zu der durch den inneren ringförmigen Raum 44 fließender. Polymerschmelze. Die verbesserte Wärmeübertragung unterstützt eine gleichmäßige Heizwirkung der Vorrichtung und eine gleichmäßige Flussigkeitsströmung in derselben. Aus Fig. 2 wird ferner deutlich, daß ein Teil des Gehäuses 22 ebenfalls von einer Heizwicklung 1o6 umgeben ist, um auch hier eine gleichmäßige Beheizung der Vorrichtung zu fördern.

Die zwei linear arbeitenden Differentialwandler 62 sind an einer Basisplatte 76 montiert, welche an der Kappe 72 mit Schrauben 78 befestigt ist. Die Wandler 62 sind ferner von einer Abdeckung 8o umschlossen, die an der Basisplatte 76 mit Schrauben 82 befestigt ist, welche in Winkel 84 eingeschraubt sind, die an der Basisplatte 76 befestigt sind. Die Abdeckung

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schützt die Wandler 62 gegen Schaden und äußere Störungen.

Wie Fig. 3 zeigt, sind die Wandler 6 2 an der Basisplatte 76 einander bezüglich der Achse A des Stabes 5o diametral gegenüberliegend befestigt. Der Kupplungsstab 58 weist zwei Verbindungsstücke 1o8 auf, die ausgehend von seinen Enden parallel zueinander verlaufen. Jedes Verbindungsstück 1o8 ist mit dem zugeordneten Wandler 62 verbunden, um auf diesen Drehbzw. Torsionsbewegungen des Stabes 5o zu übertragen. Die Wandler 62 sind also so montiere, daß die auf sie ausgeübten Kräfte parallel und zueinander entgegengesetzt sind. Wenn also auf den einen Wandler 62 eine Kraft aufgrund einer Vorwärtsbewegung des Kupplungsstabes 58 ausgeübt wird, dann wirkt auf den anderen Wandler 6 2 eine Kraft entsprechend der Rückwärtsbewegung des Kupplungsstabes 58 ein. Durch diese Art der Anordnung und Montage der Wandler 62 werden Vibrationen und thermische Bewegungen des Stabes 5o bei Viskositäts- und Elastizitätsmessungen unterdrückt bzw. hinsichtlich der Meßergebnisse kompensiert.

Die günstigste Strömungsgeschwindigkeit kann durch Steuerung bzw. Regelung der Drehzahl der Motor/ Pumpen-Kombination 16, 18 so eingestellt werden, daß die Flüssigkeit einer im wesentlichen kontinuierlichen axialen Scherbelastung ausgesetzt ist, während sie die Oberflächen des Torsionsrohres 28 und des

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äußeren Zylinders 38 benetzt. Eine kleine Scherwirkung in umfangsrichtung, die sich aufgrund der relativ kleinen winkelmäßigen Auslenkung des äußeren Zylinders 38 ergibt, wird dieser axialen Scherwirkung überlagert, wenn die Flüssigkeit kontinuierlich durch die Vorrichtung gepumpt wird. Auf diese Weise können in Abhängigkeit von den an den Wandlern 62 abgelesenen Meßwerten wertvolle dynamische Testergebnisse erhalten werden. Bei einer anderen Betriebsart kann die Pumpe 16 stillgesetzt werden, wodurch die kontinuierliche Strömung des zu prüfenden Materials zwischen den Zylinderflächen unterbrochen wird. Bei dieser Arbeitsweise ist keine axiale Strömung und folglich keine axiale Scherwirkung vorhanden, so daß die an den Wandlern ausgelesenen Meßergebnisse nur auf die in Umfangsrichtung auftretende Scherwirkung zurückzuführen sind, die durch das Verdrehen des äußeren Zylinders 38 gegenüber dem Torsionsrohr 28 hervorgerufen wird.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß erfindungsgemäß wesentliche Vorteile erreicht werden. Fehler, die sich aufgrund von Sekundärströmungen zwischen dem Torsionsrohr und dem äußeren Zylinder sowie an anderen Stellen eryeben können, werden erfindungsgemäß vermieden. Außerdem kann die Polymerschmelze dem Ringraum zwischen dem Torsionsrohr und dem äußeren Zylinder mit konstanter Geschwindigkeit zugeführt werden, so daß eine gleichmäßige, eine Selbstreinigung bewirkende Strömung

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der zu untersuchenden Flüssigkeit gewährleistet ist.

Ausgehend vom betrachteten Ausführungsbeispiel stehen dem Fachmann zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen und/oder Ergänzungen zu Gebote, ohne daß er dabei den Grundgedanken der Erfindung verlassen müßte. Beispielsweise können die Wandler symmetrisch zur Achse A auch so montiert werden, daß die Bewegungen des Stabes auf sie in derselben Richtung wirken und.nicht entgegengesetzt. Ferner kann die Vorrichtung an den jeweiligen Anwendungsfall besonders angepaßt werden, um Messungen der Elastizität und der Viskosität auszuführen.

Claims

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PATENTANWALT E UHLANDSTRASSE 1Ac D 7000 STUTTGART 1
A- 45 640 b Anmelderin: Rheometries, Inc.
k .- 35 One Possumtown Road
5.JuIi 1983 Piscataway, NJ 08854

USA

Patentansprüche

Torsionsrohr-Viskosimeter zur Durchführung von Viskositäts- und Elastizitätsmessungen für eine Flüssigkeit, insbesondere im on-line-Betrieb, mit einem Torsionsrohr, mit einem konzentrisch dazu angeordneten, mittels Antriebseinrichtungen zu einer Drehbewegung antreibbaren äusseren Zylinder und mit einem Stab zum Übertragen von Torsionsbewegungen des Torsionsrohres auf mit diesem Stab gekuppelte Messeinrichtungen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Es ist ein Gehäuse (22) vorgesehen;

b) der äussere Zylinder (38) ist bezüglich des Gehäuses (22) drehbar angeordnet;

c) das Torsionsrohr (28) ist zumindest überwiegend •innerhalb des äusseren Zylinders (38) und unter Bildung eines ringförmigen Zwischenraumes (44) in radialem Abstand von demselben angeordnet und an seinem einen Ende (32) fest mit dem Gehäuse (22) verbunden, während sein anderes Ende gegenüber dem äusseren Zylinder (38) -frei drehbar ist;

d) es sind Fördereinrichtungen (16, 1.8) vorgesehen, mit deren Hilfe die zu untersuchende Flüssigkeit dem Zwischenraum (44) zwischen dem äusseren Zylinder (38) und dem Torsionsrohr (28) im Bereich des einen Endes (32) des Torsionsrohres (28) zuführbar ist;

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e) der Stab (50) ist konzentrisch zu dem Torsionsrohr (28) angeordnet und an seinem inneren Ende (52) starr mit diesem verbunden, während sein äusseres Ende (54) sich im Bereich des Gehäuses (22) befindet und dort mit den Messeinrichtungen (62) verbunden ist.

2. Viskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Zylinder (38) drehbar an dem Gehäuse (22) gelagert ist und von diesem absteht.

3. Viskosimeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Foraereinrichtungen (16, 18) derart ausgebildet sind, dass die Flüssigkeit dem Zwischenraum (44) als kontinuierliche Strömung zuführbar ist.

4. Viskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit dem Zwischenraum (44) an dessen einem Ende zuführbar ist und dass am anderen Ende des Zwischenraums (44) Ablasseinrichtungen (48) für die Flüssigkeit vorgesehen sind.

5. Viskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtungen (16, 18) über eine Einlassleitung (20) mit dem Gehäuse (22) verbunden sind und dass in dem Gehäuse (22) eine ringförmige Einlasskammer (24) mit einer Drosselöffnung (26) vorgesehen ist, aus der Flüssigkeit an dem einen Ende (32) des Torionsrohres (28) dem Zwischenraum (44) gleichmässig zuführbar ist.

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6. Viskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtungen zwei im Abstand von der Achse (A) des Torsionsrohres (28) angeordnete Wandler (62) umfassen, die mit dem Stab (50) gekuppelt sind.
7. Viskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (44) auf seiner gesamten Länge einen zumindest im wesentlichen gleich-

. bleibenden Innen- und Aussendurchmesser aufweist.
8. Viskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionsrohr (28) als einstückiges Bauteil ausgebildet ist.
9. Viskosimeter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselöffnung (26) als ringförmige, aussen durch den Rand einer Gehäuseöffnung und innen durch die Mantelfläche eines diese Gehäuseöffnung konzentrisch durchgreifenden Teilstücks (30) des Torsionsrohres (28) definierte öffnung ausgebildet ist.
10. Viskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizvorrichtung (64) zum Beheizen der in dem Zwischenraum (44) befindlichen Flüssigkeit vorgesehen ist.
11. Viskosimeter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (64) einen den äusseren Zylinder (38) umgebenden Heizblock (96) mit einer Heizeinrichtung (48) aufweist.

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12. Viskosimeter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Heizblock (96) und der äusseren Mantelfläche des äusseren Zylinders (38) ein ringförmiger Spalt (103) vorgesehen ist und dass Verbindungseinrichtungen (102) vorgesehen sind, über die dem Spalt (103) ein Teil der Flüssigkeit zur Verbesserung der Wärmeübertragung zum Zwischenraum (44) zuführbar ist.
13. Viskosimeter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtungen (102) einen Spalt zwischen einer Seitenwand (106) des Gehäuses (22) und der im Abstand davon angeordneten Stirnfläche des äusseren Zylinders (38) umfassen.
14. Viskosimeter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (62) mit dem Gehäuse (22) verbunden sind.
15. Viskosimeter nach Anspruch 6 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (62) mit dem Stab (50) über einen an dem Stab (50) befestigten und senkrecht dazu angeordneten Kupplungsstab (58) verbunden sind.
16. Viskosimeter nach einem der Ansprüche 6, 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Wandler zwei einander bezüglich der. Achse (A) des Torsionsrohres (28) diametral und in gleichem Abstand von dieser Achse (A) gegenüberliegende Differentialwandler (62) vorgesehen sind, die mit dem Stab (50) über den Kupplungsstab (58) derart gekuppelt sind, dass bei gleichzeitiger Unterdrückung von auf Vibrationen

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und thermische Längenänderungen des Stabes (52) zurückzuführender Signalanteile der Verdrehung des Stabes (50) entsprechende Messsignale erzeugbar sind.
17. Viskosimeter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Differentialwandler (62) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die auf sie übertragenen Zug- und Druckkräfte an beiden Wandlern (6 2) jeweils parallel zueinander angreifen.
18. Viskosimeter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zug- und Druckkräfte an beiden Wandlern (62) gleichsinnig angreifen.
19. Viskosimeter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zug- und Druckkräfte an beiden Wandlern (62) gegensinnig angreifen.
20. Viskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtungen (40).für den äusseren Zylinder (38) derart ausgebildet sind, dass dieser zu einer gleichmässig oszillierenden Drehbewegung antreibbar ist.