DE3333920A1

DE3333920A1 - Verfahren zum messen der scherkraft in einer viskosen oder viskoelastischen fluessigkeit

Info

Publication number: DE3333920A1
Application number: DE19833333920
Authority: DE
Inventors: John M. Montreal Quebec Dealy
Original assignee: Individual
Current assignee: John M Dealy & Associates Inc Montreal Quebec
Priority date: 1982-09-20
Filing date: 1983-09-20
Publication date: 1984-04-19
Also published as: DE3333920C2; GB2130382A; GB2130382B; US4464928A; GB8324706D0

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Messen von Wandscherkräften in viskosen oder viskoelastischen Flüssigkeiten.

Es ist oftmals erwünscht, die viskoelastischen Eigenschaften von Polymerlösungen und -schmelzen zu bestimmen. Diese Eigenschaften sind für Polymer-Chemiker und -Physiker wegen ihrer Beziehung zur Molekularstruktur von Interesse. Außerdem sind die Fließeigenschaften von geschmolzenen Polymeren von vitaler Wichtigkeit in der Kunststoffindustrie, wo sie als Basis für den Vergleich und die Beurteilung von verschiedenen Kunststoffmaterialien wie auch für die Qualitätskontrolle und das Gestalten bzw. modellmäßige Erstellen von industriellen Schmelzprozeßvorgängen, wie beispielsweise die Herstellung von Kunststoffflaschen und -filmen benutzt werden.

Generell gibt es zwei umfangreiche Klassen von Fließeigenschaften, nämlich erstens solche, die Scherung in einem stationären Zustand betreffen und zweitens solche, die Scherwirkungen betreffen, welche eine kompliziertere Funktion der Zeit sind. Diese zwei Arten von Deformationen können allgemein als "stationäre Scherung" und "vorübergehende Scherung" bezeichnet werden, wobei letztere auch als "nichtstationäre Scherung" bezeichnet werden kann. Stationäre Scherung ist dazu geeignet, die Viskosität eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, zu bestimmen, während Tests auf der Grundlage der vorübergehenden Scherung bzw. nichtstationäre Scherungstests dazu geeignet sind, die elastischen Eigenschäften eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit zu •bestimmen. Weiter kann man die Tests der vorübergehenden bzw. nichtstationären Scherung in "kleine" und "große" vorübergehende bzw. nichtstationäre Tests einteilen. Kleine

nichtstationäre Scherungstests, wie beispielsweise Schwingungsscherung kleiner Amplituden, liefern Informationen über die Viskoelastizität des Fluids in dessen "Gleichgewichts "-Zustand oder in dessen unbeanspruchten Zustand und sind von Interesse für Polymer-Chemiker und -Physiker.

Sie sind jedoch nur von beschränktem Wert für diejenigen, die an kommerziellen Kunststoffverfahren bzw. -Verarbeitungen interessiert sind, da diese große vorübergehende Deformationen beinhalten.

Obwohl der Stand der Technik überreich Techniken zum Messen von Fließeigenschaften von geschmolzenen Polymeren umfaßt, sind nur wenige dieser Techniken für das Studium von großen vorübergehenden Deformationen geeignet. Diese wenigen Instrumente , die zur Verwendung in Verbindung mit dieser wichtigen Kategorie von Deformationen entwickelt worden sind, sind sehr kompliziert, und es ist schwierig, sie zu bauen und sie zu benutzen. Grundsätzliche Schranke für die Entwicklung einer einfacheren und bequemeren sowie leichter zu handhabenderen Technik ist die NichtVerfügbarkeit eines Verfahrens oder einer Einrichtung zum Messen der lokalen Scherkraft, die von einer fließenden Flüssigkeit auf die Oberfläche einer die Strömung begrenzenden Wand ausgeübt wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Messen von Wandscherkräften in einer Flüssigkeit, die eine

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Viskosität zwischen etwa 10 und etwa 10 Centipoise hat, zur Verfügung gestellt. Dieses Verfahren umfaßt die Verfahrensschritte des Anordnens einer bewegbaren Platte in einem Loch oder in einem ausgenommenen bzw. vertieften Bereich der bzw. einer Wand, und zwar so, daß die bewegbare Platte koplanar mit der Wand und ein wenig kleiner als das Loch oder der ausgenommene bzw. vertiefte Bereich ist.

so daß ein schmaler Spalt zwischen dem Rand der bewegbaren Platte und dem Rand des Lochs oder des ausgenommenen bzw. vertieften Bereichs vorhanden ist. Das Loch oder der ausgenommene bzw. vertiefte Bereich kann kreisförmig, quadratisch, rechteckig oder von irgendeiner anderen geeigneten Form sein. Die bewegbare Platte kann sich ein wenig frei bewegen, und zwar generell parallel zu der Wand. Durch Messen der Kraft, die erforderlich ist, die Bewegung der Platte anzuhalten, kann die dieser Kraft gleiche und entgegengesetzte Kraft bestimmt werden, welche durch die Flüssigkeit auf die Fläche der Platte ausgeübt wird. Diese Kraft, geteilt durch die Fläche der Platte, ergibt die Scherkraft in der Flüssigkeit.

Das Verfahren kann sowohl für die Ausführung von rheologischen Messungen bzw. Fließeigenschaftsmessungen verwendet werden, z. B. durch seine Verwendung in Verbindung mit einem Gleitplatten-oder Sehlitzrheometer, als auch für die kontinuierliche Überwachung von industriellen Prozessen, wie beispielsweise für die Überwachung von Extrusionen.

Es kann eine Anzahl von Techniken dazu benutzt werden, die auf die Platte ausgeübte Kraft zu messen, z. B. kann ein piezoelektrisches Material, daß für Scherkräfte empfindlich ist, verwendet werden. Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann die Platte so angebracht werden, daß ein elastisches Element ihrer Bewegung in der Richtung der Scherung Widerstand leistet, so daß die Auslenkung der Platte in dieser Richtung direkt in Beziehung zu der Kraft steht.

Zum Beispiel kann die Platte auf dem Ende eines Freiträgers bzw. Freiträgerstabs angebracht sein, der an seinem entgegengesetzten Ende starr befestigt ist. Die Auslenkung des Freiträgers bzw. Freiträgerstabs kann durch Dehnungsmesser insbesondere Dehnungsmeßstreifen, oder durch in geringem Abstand befindliche Detektoren, die auf Kapazitätsmessungen oder reflektiertem Licht basieren, ermittelt werden. Oder

die Platte kann auf einer Anordnung angebracht sein, die sich in einem Satz von Linearlagern bewegt, wobei eine Feder der Bewegung Widerstand entgegensetzt. Die Bewegung der Plattenbefestigung bzw. der Anordnung, auf der -die Platte angebracht ist, und auf diese Weise die Durchbiegung der Feder (Dehnung oder Zusammendrückung) kann mittels eines Linearbewegungswandlers überwacht bzw. ermittelt werden, z. B. mittels eines linear veränderlichen Differentialtransformators. Und schließlich kann die Feder in dieser letzteren «. _n Anordnung durch einen kleinen linearen Servomotor ersetzt werden, der eine Kraft hervorbringt, die genau dazu ausreicht, die Auslenkung bzw. Verschiebung der Platte auf Null zu halten. Ein Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Nettoauslenkung bzw. -verschiebung der Platte vir-

,. tuell Null ist, so daß der Spalt extrem klein gemacht werden kann, wodurch dessen Wirkung auf das Strömungsmuster der zu untersuchenden Flüssigkeit minimalisiert wird. Nach dem Stande der Technik sind auch andere Einrichtungen zum Messen der auf die Platte wirkenden Kraft verfügbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren, wie es vorstehend erörtert wurde, bildet ein einfaches und sehr kostengünstiges Mittel zum Messen der lokalen Wandscherkraft in viskosen oder viskoelastischen Flüssigkeiten,wie z. B. geschmolzenen Kunststof-

2 _,. fen und Rohelastomeren,die eine Viskosität zwischen 10 und

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10 Centipose haben, insbesondere in solchen, die eine Viskosität zwischen 10 und 10 Centipoise besitzen.

Die vorstehenden sowie weitere Vorteile und Merkmale der ₃- Erfindung seien nachstehend anhand einiger in den Fig. 1 bis 4 der Zeichnung im Prinzip dargestellter, besonders bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht einer Wand, über welche die Flüssigkeit fließt, zusammen mit einer Querschnittsansicht, wobei beide Ansichten eine bewegbare Platte veranschaulichen, die zur Messung der Scherkraft verwendet wird; 5

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht einer möglichen Anordnung, in der ein piezoelektrisches Element verwendet wird;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer Anordnung, in der ein Freiträger bzw. Freiträgerstab verwendet wird; und

Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht einer Anordnung, welche das Anbringen der Platte auf Linearlagern zusammen mit der Verwendung eines linearen Verschiebungswandlers beinhaltet.

Es sei nun in näheren Einzelheiten auf die Fig. der Zeichnung unter Verwendung von deren Bezugszeichen Bezug genommen,und zwar zunächst auf Fig. 1, in welcher das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. Wie man
daraus ersieht, ist in einer Wand W ein mit 10 bezeichnetes Plattensegment vorgesehen, und dieses Plattensegment
ist bewegbar und hat eine Hauptfläche 12, die eine Fläche bzw. Flächengröße A besitzt.

Flüssigkeit wird über die Fläche 12 fließen gelassen, wie durch den Pfeil 14 angedeutet ist, wodurch eine auf die
Platte 10 wirkende Kraft verursacht wird, die mit F₁ bezeichnet ist. Die Scherkraft ist demgemäß equivalent der
Reaktionskraft F₂, geteilt durch die Flächengröße A der
Fläche 12.

Wie man ohne weiteres sieht, ist die Platte 10 so angeordnet, daß die Fläche 12 von planarer Art, insbesondere eben, ist, und daß diese Fläche im wesentlichen koplanar mit der

Wand W ist. Wie man aus Fig. 1A sieht, liegt die Ebene der Fläche 12 der Platte 1O in der Ebene derjenigen Fläche der Wand W, welche an die vorbeiströmende Flüssigkeit angrenzt. Die Platte 10 kann so angebracht sein, daß sie nur in einer Richtung parallel zu der Wand bewegbar ist.

Die Platte 10 ist in geringem Abstand von der Wand W vorgesehen, so daß um die Platte 10 herum nur ein kleiner Spalt 16 bleibt. Der Spalt 16 kann in der Größenordnung zwischen 0,1 mm und 1,0 mm sein. Die Weite des Spalts 16 sollte minimalisiert sein, damit die Menge an Flüssigkeit,die in den Spalt eintreten und die Bewegung der Platte 10 beeinflussen kann, minimalisiert wird. Natürlich ist bei einer viskosen bzw. zähflüssigen Flüssigkeit das Eindringen durch den Spalt 16 extrem langsam und die anfänglichen Ablesungen bzw. Messungen werden nicht nachteilig beeinflußt. Weiter wird, wenn die Scherkraft stationär ist oder sich noch langsam verändert, durch das Eindringen nur ein geringes Problem bewirkt, da ein Gleichgewicht erreicht wird. Wenn jedoch ein Wandler für vorübergehende "bzw. instationäre Schermessungen verwendet wird, in denen sich die Beanspruchung bzw. Scherkraft sehr schnell ändert, bildet die vorhandene Flüssigkeit bzw. deren Eindringen in den Spalt bis zu.einem gewissen Grade ein Problem.

Um die obigen Schwierigkeiten zu überwinden, kann man den Spalt 16 mit einem elastomeren Material ausfüllen, so daß das Hineinfließen von Flüssigkeit verhindert wird. Jedoch wird dadurch ein weiterer Faktor in die Messung der Scherkraft eingeführt.und dieser Faktor muß in Rechnung gestellt werden.

Es sei nun auf Fig. 2 Bezug genommen, wonach in der dort dargestellten Ausführungsform ein piezoelektrischer Quarzkristall 70 im Wandaufbau W angebracht und koplanar mit der Hauptfläche der Wand ist. Der Kristall 70, dessen der Strömung zugewandte ebene Fläche in. der gleichen Ebene wie die der Strömung zugewandte ebene Fläche der Wand W liegt, ist eine Scheibe, die von einem Quarz in einer solchen Weise abgeschnitten worden ist, daß, wenn sie einer Scherkraft ausgesetzt ist, eine elektrische Ladung an gewissen Stellen erscheint. Diese Ladung kann dann unter Verwendung von konventioneller Technologie gemessen werden.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform veranschaulicht, in der eine Platte 110, die eine Hauptfläche 112 hat, vorgesehen und von dem umgebenden Wandaufbau W durch einen Spalt 116 getrennt ist. Ein Stab 120 ist auf bzw. in der Basis des Gehäuses 125 des Scherkraftwandlers angebracht. Zum Messen der Biegung des Stabs und demgemäß der Scherkraft kann eine Vielzahl von Einrichtungen verwendet werden und zwar einschließlich Dehnungsmessern, insbesondere Dehnungsmeßstreifen, Kapazitätsbrücken und Einrichtungen, mit denen die Intensität von Licht, das von dem Stab in eine optische Faser reflektiert worden ist, ermittelt wird. Diese Art der Einrichtung ist robust und läßt sich leicht aufbauen.

Es sei nun auf Fig. 4 Bezug genommen, wonach in der dort gezeigten Anordnung ein Plattenteil 210 mit einer Hauptfläche 212 vorgesehen ist, das auf einer Anordnung 220 angebracht ist, die sich von der Platte 210 nach abwärts erstreckt. Die Anordnung umfaßt zwei Paare von Stäben 234, 234', die mittels vier Linearlagern 232 bzw. 232' gehaltert sind. Ein Linearverschiebungswandler 236, der kommerziell erhältlich ist, kann zum Messen der Bewegung der Anordnung 220 benutzt werden. Der seitlichen Bewegung der Anordnung

kann durch eine Feder 250 derart entgegengewirkt werden, daß der Meßwert des Verschiebungswandlers 236 direkt in Beziehung zu der Kraft steht, die durch die Flüssigkeit auf die Platte ausgeübt wird. Wenn als das Element 250 in Fig. 4 ein linearer Servomotor benutzt wird, dann bildet diese Anordnung ein Nullmeter, in dem das Signal von dem Linearverschiebungsmotor bzw. von dem linearen Servomotor als das Fehlersignal in einer Regelschleife benutzt wird, die dem Servomotor gerade genug Strom zuführt, daß die Verschiebung der Anordnung 220 verhindert wird. Dieser Strom steht infolgedessen in direkter Beziehung zu der Kraft, die durch die Flüssigkeit auf die Anordnung ausgeübt wird. Bei Verwendung einer solchen Ausführungsform kann der Betrag des Spalts zwischen dem Plattenteil und der Wand minimalisiert werden. Es muß zwar noch ein Spalt vorhanden sein, jedoch kann dieser extrem sein klein, da keine endliche Auslenkung bzw. Verschiebung im Betrieb stattfindet. Dieses Verfahren zum Messen der Kraft, die auf die Platte ausgeübt wird, minimalisiert auch die Wirkung der Flüssigkeit in dem Spalt auf den Frequenzgang bzw. das Frequenzverhalten. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern sie läßt sich im Rahmen des Gegenstandes der Erfindung, wie er in den Ansprüchen angegeben ist, sowie im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedanken, wie er den gesamten Unterlagen zu entnehmen ist, in vielfältiger Weise abwandeln.

-A-

Leerseite

Claims

PATCNTANWALTi.

UND ZUGELASSENE VERTRETER VOR DEM E U WO PA I S C H El N PATENTAMT

DR. WALTER KRAUS D I PLO M C H EM I K ER · D R.-l N β. AN N EKÄT E WEISERT DIPL-ING. FACHRICHTUNG CHEMIE IRMGARDSTRASSE 15 · D-8OOO MÜNCHEN 71 ■ TELEFON O 8 9/7 fc) 7 O 7 7-7 9 70 78 · TELEX O5-ΰ1 2 1 5 6 Uprat d

TELEGRAMM KRAUSPATENT

JOHN M. DEALY 3961 JS/ei

MONTREAL, KANADA

Verfahren zum Messen der Scherkraft in einer viskosen oder

viskoelastischen Flüssigkeit

Patentansprüche

( ^ - J Verfahren zum Messen der Scherkraft in einer viskosen oder viskoelastischen Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

Vorbeifließenlassen der Flüssigkeit an einem Plattenteil (10; 70; 110; 210) in einer Richtung, die im wesentlichen parallel zur generell planaren bzw. ebenen Fläche (12; 112; 212) desselben ist, und Messen der Kraft, die auf die Platte (10; 70; 110; 210) in einer Richtung, welche im wesentliehen parallel zu der Fläche (12; 112; 212) ist, ausgeübt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (10; 110; 210) in einer -Wand (W) angebracht und koplanar mit der Wand (W) ist, welche die Flüssigkeit enthält bzw. an welcher die Flüssig-

keit vorbeifließt und daß der Verfahrensschritt des Messens der Kraft den Verfahrensschritt des Anbringens der Platte (10; 110; 210) auf einem bewegbaren Teil (120; 220) und des Messens der Plattenauslenkung in der Richtung der Flüssigkeitsströmung umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet/ daß die Platte (10; 210) in der Richtung der Strömungsmittel- bzw. Flüssigkeitsströmung bewegbar ist, und daß der Verfahrensschritt des Messens der Kraft den Verfahrensschritt des Messens der Kraft, welche zum Halten der Platte (10; 210) in deren ursprünglichen Positionen erforderlich ist, umfaßt.
4. Verfahren zum -Messen der Scherkraft in einer viskosen oder viskoelastischen Flüssigkeit, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei einer Flüssigkeit angewandt wird, die

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eine Viskosität zwischen etwa 10 und etwa 10 Centipoise hat, und daß das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfaßt: Anordnen einer bewegbaren Platte (10; 110; 210) in einer Wand (W), wobei die bewegbare Platte (10; 110; 210) ein wenig im Abstand von einem Teil der Wand (W) an ihren bzw. deren Rändern angeordnet ist und sich in einer zu ihrer Fläche (12; 112; 212) parallelen Richtung frei bewegen kann; Vorbeifließenlassen einer Flüssigkeit an der Platte (10; 110; 210) in einer Richtung, die generell parallel zur Fläche (12; 112; 212) derselben ist; und Messen der Kraft, die auf die Platte (10; 110; 210) in einer Richtung ausgeübt wird, welche parallel zu der Fläche (12; 112; 212) ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit eine Polymerlösung, geschmolzenes Polymer oder Rohelastomer enthält oder ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch g e kennzeichnet, daß die Flüssigkeit eine Polymerlösung, geschmolzenes Polymer oder Rohelastomer ent-

2 hält od.er ist ,die bzw. das eine Viskositätzwischen etwa 10 und 10 Centipoise hat.