DE3423873C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Dreh-Rheometer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit der Aus­ wertung der rheologischen Eigenschaften von Proben mit Hilfe von Dreh-Rheometern, bei denen ein Rotor mit einer Probe gekoppelt ist, deren Fließeigenschaf­ ten ermittelt werden sollen.

Dreh-Rheometer stehen seit vielen Jahren für die Ana­ lyse der rheologischen Eigenschaften einer großen Viel­ zahl von Materialien zur Verfügung. Bei der Bestimmung bzw. Auswertung dieser rheologischen Eigenschaften ist es wichtig, die auf die Probe einwirkenden Spannungen bzw. Kräfte und die Dehnung bzw. Verformung der Probe auf relativ geringe Werte zu beschränken, damit man bei Polymerschmelzen oder -lösungen innerhalb des Newton'schen Bereichs bzw. des scherungsfreien Bereichs bleibt, und bei strukturierten Materialien, wie z. B. kolloidalen Suspensionen, im linearen Bereich der Visko-Elastizität. Derart niedrige Werte der Spannung und der Dehnung bzw. der einwirkenden Kraft und der De­ formation bringen erhebliche Anforderungen an das Rheo­ meter mit sich, wenn man Meßergebnisse mit hoher Ge­ nauigkeit erhalten möchte, da der Einfluß von Reibungs­ kräften zwischen den sich bewegenden Teilen des Rheo­ meters bei niedrigen Spannungs- und Dehnungswerten er­ heblich ist und zu beträchtlichen Meßfehlern führen kann. Da mit dem Ausüben einer Kraft auf eine Probe gewöhnlich entsprechende Reibungskräfte verbunden sind, werden die meisten Rheometer derart betrieben, daß in einer Probe eine vorgegebene Dehnung bzw. Dehnungsrate erzeugt wird und daß dann die daraus resultierende Spannung gemessen wird.

Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, auf eine Probe eine exakt vorgegebene Kraft bzw. Spannung aus­ zuüben und dann die resultierende Dehnung bzw. Defor­ mation zu messen, da hierdurch bei bestimmten rheolo­ gischen Untersuchungen der Zeitaufwand verkürzt wird. Dabei hat es sich auch gezeigt, daß unter diesen Um­ ständen die verschiedenen Kräfte in der Probe schneller in ein Gleichgewicht kommen, so daß auf günstigere Weise schneller genaue Testergebnisse erhalten werden. Außerdem wird aufgrund der Tatsache, daß die Dehnung in Abhängigkeit von der Zeit leichter mit hoher Ge­ nauigkeit gemessen werden kann als die Spannung bzw. die Kraft, die Genauigkeit der Meßergebnisse erhöht. Wenn man nach dem sogenannten Erholungsverfahren ar­ beitet, d. h. wenn man einen Spannungsausgleich bzw. eine Entspannung oder Erholung der Probe bei Fehlen einer von außen einwirkenden Spannung zuläßt, während man die Dehnung überwacht, ergibt sich außerdem die Möglichkeit, bei der Messung der Dehnung bei gleich­ zeitigem Fehlen einer äußeren Spannung die Elastizitäts- Komponente des Moduls der Visko-Elastizität unabhängig von der Viskositätskomponente desselben zu messen, da die Dehnung während der Entspannungs- bzw. Erholungs­ phase allein eine Funktion der elastischen Komponente ist. Somit können mit einem Gerät, bei dem die Mög­ lichkeit besteht, die Dehnung zu erfassen, während keine äußere Spannung an der Probe angreift, selbst für solche Materialien exakte Meßwerte erhalten wer­ den, bei denen die Elastizitätskomponente im Vergleich zur Viskositätskomponente sehr klein ist.

Aus den vorstehend angeführten Gründen wäre es vor­ teilhaft, wenn ein Dreh-Rheometer verfügbar wäre, mit dem auf eine Probe eine exakt vorgegebene Kraft bzw. Spannung ausgeübt werden kann und bei dem eine exakte Messung der resultierenden Dehnung bzw. Deformation möglich ist, die nicht durch Reibungseffekte zwischen den sich bewegenden Elementen des Rheometers beein­ trächtigt ist. Für ein Dreh-Rheometer mit solchen Eigen­ schaften würde man ein im wesentlichen reibungsarmes System für die Aufhängung und den Antrieb des Rotors des Instruments bezüglich des Stators desselben be­ nötigen. Außerdem sollte ein solches Gerät geeignet sein, auf die Probe eine exakt vorgegebene Spannung auszuüben und die Dehnung über eine volle Drehung von 360° des Rotors zu überwachen, um auf diese Weise eine erhöhte Flexibilität für die Untersuchung eines brei­ teren Spektrums von Materialien zu erreichen. Weiter­ hin wäre die Fähigkeit, die Dehnung während der Er­ holung des Materials einer Probe exakt zu überwachen, ein wertvoller Vorteil.

Es wurde bereits angeregt, eine geeignete reibungs­ lose Aufhängung dadurch zu schaffen, daß man ein Lager mit sehr niedriger Reibung verwendet, wie z. B. ein aerostatisches Lager bzw. ein gasgeschmiertes Lager, welches gewöhnlich als Luftlager bezeichnet wird. Die Verwendung derartiger reibungsarmer Lageranordnungen bringt jedoch die Gefahr mit sich, daß unerwünschte Lager-Drehmomente auftreten, die auf die charakteristi­ schen Eigenschaften der Lageranordnungen selbst zu­ rückzuführen sind, wobei ein solches Lager-Drehmoment, selbst wenn es sehr klein ist, trotzdem in dem Meßbereich, für den Geräte gemäß der Erfindung gedacht sind, einen ins Gewicht fallenden Faktor darstellt. Beispielsweise wird bei einem Luftlager Druckluft durch einen engen Spalt zwischen einander gegenüber­ liegenden Lagerflächen geleitet. Damit die hohe Lager­ steifigkeit erhalten wird, die für rheologische Unter­ suchungen gewisser Materialien, wie z. B. Kunststoff­ schmelzen, erforderlich ist, muß der Spalt sehr eng sein. Folglich ist die Strömungsgeschwindigkeit der durch den engen Spalt hindurchtretenden Luft sehr hoch. Jede Abweichung der Lagerflächen von der idealen Ober­ flächenform kann folglich zu Kräften führen, die auf die Wechselwirkung zwischen den mit hoher Geschwindig­ keit fließenden Luftströmen und den Oberflächenunregel­ mäßigkeiten zurückzuführen sind. Da diese Oberflächen­ unregelmäßigkeiten an den Lagerflächen eine Funktion der Maschinentoleranzen, der Oberflächenbehandlung, des Verschleißes usw. sind, können sie in der Praxis nicht völlig vermieden werden, so daß auch das Auf­ treten entsprechender Kräfte nicht gänzlich vermieden werden kann.

Es treten also Kräfte auf, die zu einem unerwünschten Drehmoment am Rotor führen, wobei sich die Größe dieses Drehmoments bei unterschiedlichen Drehwinkeln des Ro­ tors relativ zum Stator ändert und damit die Genauig­ keit des Geräts beeinträchtigt. Bei anderen reibungs­ armen Lageranordnungen, wie z. B. Magnetlagern, kann ein unerwünschtes Drehmoment durch Schwankungen des magnetischen Widerstandes (der Reliktanz) bei verschie­ denen Orientierungen des Rotors relativ zum Stator auf­ treten, wodurch ebenfalls die Genauigkeit des Geräts beeinträchtigt wird.

Es wäre vorteilhaft, wenn ein Dreh-Rheometer verfügbar wäre, welches einerseits die Vorteile eines im wesent­ lichen reibungslosen Aufhängungssystems bietet, wie sie sich in Lagern, wie z. B. Luftlagern mit sehr geringer Reibung realisieren lassen, und das andererseits die Nach­ teile einer derartigen Anordnung vermeidet, insbesondere, wenn das Rheometer verwendet wird, um auf eine Probe eine exakt vorgegebene Spannung auszuüben, während die Dehnung gemessen wird, und zwar insbesondere über eine volle Drehung von 360°, wobei auch die Dehnung während der Er­ holungsphase überwacht werden kann, in der im wesentlichen keine Kraft auf die Probe ausgeübt wird.

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Dreh-Rheometer dahingehend zu verbessern, daß Zusatzdrehmomente am Rotor, welche beispielsweise durch Reibung im Rotorlager verursacht werden, zu vermeiden bzw. zu kompensieren, so daß auf eine Probe eine exakt vor­ gegebene Spannung ausgeübt werden kann, während die Dehnung, insbesondere über einen vollen Drehwinkel von 360°, gemes­ sen wird.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Dreh-Rheometer durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentan­ spruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß werden also die Lagerdrehmomente im stati­ schen Betrieb aufgenommen, abgespeichert und zur Kompensa­ tion der Meßdaten im Meßbetrieb verwendet, wobei es sich gezeigt hat, daß auf diese Weise sehr genaue Meßergebnisse erhalten werden, insbesondere wenn die Kompensationsmaß­ nahmen für die Lagerdrehmomente durch den Einsatz geeigne­ ter Drehwinkel-Erfassungseinrichtungen unterstützt werden, die selbst keine unerwünschten Zusatzdrehmomente erzeugen.

Es ist zwar im Prinzip bereits bekannt, bei Dreh-Rheome­ tern bzw. Viskosimetern gewisse Kompensationsmaßnahmen vor­ zusehen; diese Maßnahmen betreffen jedoch andere Typen von Viskosimetern und sind somit mit dem der Erfindung zugrun­ de liegenden Arbeitsprinzip nicht vergleichbar.

Im einzelnen beschreibt die US-PS 38 75 791 ein Viskosime­ ter, dessen Drehzahl auf einen konstanten Wert geregelt wird, wobei der Motorstrom als Maß für die Viskosität ge­ messen wird. Dabei wird vom Meßergebnis derjenige Wert ab­ gezogen, den der Motorstrom dann hat, wenn sich der Meß­ körper bzw. die Spindel in Luft dreht. Auf diese Weise soll eine Kompensation der durch die Lagerreibung usw. verursachten Verfälschung der Meßergebnisse erfolgen. Da­ bei ist jedoch zu beachten, daß gemäß der genannten Druck­ schrift eine relativ grobe Kompensation von Meßfehlern für eine zu einer kontinuierlichen Drehbewegung angetriebene Spindel des Viskosimeters erfolgt und keine Kompensation von Drehmomenten beim Verdrehen der Spindel um einen vor­ gegebenen Drehwinkel, wie dies erfindungsgemäß der Fall ist. Ähnlich ist die Situation bei anderen, mit kontinuier­ lich umlaufender Spindel arbeitenden Viskosimetern, wie sie beispielsweise in der US-PS 25 74 973, in der EP-OS 00 71 387, in der EP-OS 00 19 685 und in der US-PS 33 43 405 beschrieben sind, wobei sich die zuletzt genannte Druckschrift speziell mit dem Problem befaßt, variable kurzfristige Drehmomentschwankungen an der kontinuierlich umlaufenden Spindel automatisch auszufiltern.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.

Es ist ein besonderer Vorteil des Dreh-Rheometers gemäß der Erfindung, daß die Dehnung zu untersuchenden Materials während der Erholung einer Probe überwacht bzw. aufgezeichnet werden kann, insbesondere über einen vollen Drehwinkel von 360°, während auf die Probe keine äußere Spannung ausgeübt wird.

Dabei wird erfindungsgemäß für die Lagerung des Rotors ein Lager mit sehr geringer Reibung, wie zum Beispiel eine Luftlageranordnung, eingesetzt, um ein im wesentlichen reibungsfreies Aufhängungssystem für den Rotor des Rheome­ ters zu schaffen, wobei diejenigen Abweichungen, die sich üblicherweise bei solchen Lageranordnungen finden, kompen­ siert werden. Auf diese Weise gelingt es mit Hilfe geeigne­ ter Drehmelder bzw. Drehwinkelwandler, eine exakt kompen­ sierte Anzeige der Winkelstellung des Rotors des Rheometers in jeder Winkelstellung, insbesondere über einen vollen Drehwinkelbereich von 360°, zu erreichen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Gerätes gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines Kompensationssystems des Geräts gemäß Fig. 1

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Positions-Wandleranordnung eines Gerätes gemäß der Erfindung und

Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise eines mit der Positions- Wandleranordnung des Geräts zusammen­ wirkenden Kompensationssystems.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Gerät 10 in Form eines Dreh-Rheometers mit dem eine Probe 12 verbunden ist, deren Fließeigenschaften bzw. deren rheologisches Verhalten ermittelt werden soll. Während die Proben generell verschiedene Formen haben können, ist die Probe 12 beim Ausführungsbeispiel eine Polymerscheibe, die an einem feststehenden Tisch 14 fixiert ist und die mit einer Platte 16 des Geräts ge- kuppelt ist, welche von einem rohrförmigen Träger 18 getragen wird, der einen Flansch 20 besitzt, der mit dem zentralen Rotor 22 des Geräts 10 bzw. des Rheo- meters verbunden ist. Wenn die Proben eine andere Form haben, werden der Tisch 14 und die Platte 16 entspre- chend dieser Form der Probe ausgebildet.

Die Längsachse des Rotors 22 verläuft vertikal und längs einer Mittelachse 24 des Geräts. Der Rotor 22 ist um seine Längsachse 24 drehbar innerhalb eines Stators 26 mittels einer sehr reibungsarmen Lagerung aufgehängt. Beim Ausführungsbeispiel ist das Lager ein aerostati- sches Lager bzw. ein Lager mit einer Gasspülung in Form eines linearen Luftlagers 30. Das Lager 30 umfaßt eine Buchse 32 mit einem zentral angeordneten Ringkanal 34, der mit einem Lufteinlaßanschluß 36 über einen Ver- sorgungskanal 38 in Verbindung steht. Druckluft mit einem Druck von typischerweise etwa 5,6 Bar wird dem Anschluß 36 zugeführt und fließt durch den Versorgungs- kanal 38 und den Ringkanal 34 in einen engen, in axialer Richtung verlaufenden Ringspalt 40 zwischen dem Rotor 22 und der Buchse 32, und zwar auf beide Seiten des Ringkanals 38 gegeneinander gegenüberliegende Druck­ platten 42, 44, wo die Luft radial nach außen umgelenkt wird und durch in radialer Richtung verlaufende Spalte 46, 48 in die Umgebung austritt. Die Druckplatten 42, 44 sind einstückig mit dem Rotor 22 ausgebildet und bilden an den einander gegenüberliegenden Enden einer längs des Rotors 22 verlaufenden axialen Lagerfläche 50 radiale seitliche Lagerflächen 49, so daß die durch die Spalte 40, 46 und 48 hindurchströmende Luft einen dünnen Film bildet, welcher den Rotor 22 in Form einer im wesent­ lichen reibungslosen Aufhängung innerhalb des Stators 26 trägt.

Eine zentrale Welle 52 ist einstückig mit dem Rotor 22 ausgebildet und erstreckt sich längs der Achse 24 in Längsrichtung nach oben, um für eine Drehung des Rotors 22 innerhalb des Stators 26 zu sorgen. Ein Mo­ tor 54 wird durch eine Steuerung 56 derart angesteuert, daß er an der Welle 52 und damit am Rotor 22 ein Dreh­ moment erzeugt. Der Motor 54 ist ein "Schleppkappen- Motor" (Drag Cup Motor) mit einem becherförmigen Rotor 60, der an der Welle 52 befestigt ist und axial in einen Stator 62 hineinragt, der an einem stationären Gehäuse 64 befestigt ist. Die zentrale Welle 52 reicht nach oben über den Motor 54 hinaus bis in einen Wandler­ abschnitt 66, in welchem Wellen-Positionswandler 70, 72 und 74 angeordnet sind, mit deren Hilfe eine Informa­ tion über die Winkelstellung der Welle 52 bezüglich der Achse 24 und über die Längsposition der Welle 52 längs der Achse 24 erzeugbar ist, wie dies nachstehend noch näher erläutert werden wird.

Beim Einsatz des Geräts 10 ist das Drehmoment, welches von dem Motor 54 auf den Rotor bei einer bestimmten Winkelstellung desselben gegenüber dem Stator 26 aus- geübt wird, die Grundlage, auf der die Analyse der Fließcharakteristik der Probe 12 basiert. Ein exakt vorgegebenes Drehmoment, welches von dem Motor 54 auf die Welle 52 ausgeübt wird, kann nämlich dazu dienen, die Probe einer bestimmten Belastung auszusetzen, wo- bei dann der Drehwinkel der Welle 52 gemessen wird, um die an der Probe 12 wirksame Materialdehnung zu bestimmen. Bei einer anderen Betriebsart läßt man die Probe, ohne Kräfte auf sie auszuüben, wieder in ihren unbelasteten Zustand zurückkehren, wobei die Materialdehnung aufgezeichnet wird. Bei beiden Be- triebsarten kann der vom Rotor 22 überstrichene Dreh- winkel sich über eine volle Drehung von 360° erstrecken. Die Verwendung eines Lagers mit niedriger Reibung, beispielsweise des Luftlagers 30, verringert die Rei- bungskräfte, so daß Ungenauigkeiten aufgrund von Dreh- momenten in der Lagerung vermieden werden. Gewisse Eigenschaften derartiger Lager mit niedriger Reibung, welche zu Fehlern führen könnten, werden bei dem er- findungsgemäßen Gerät kompensiert.

Beispielsweise müssen bei einem Luftlager 30 zur Er- zielung einer hohen Lagersteifigkeit, wie sie für das Untersuchen von Kunststoffschmelzen mit dem Gerät 10 erforderlich ist, die Spalte 40, 46 und 48 so eng bemessen werden, daß eine Luftfilmdicke von etwa 8 bis 10 µm aufrechterhalten wird. Folglich ist selbst beim Arbeiten mit einer geringen Luftmenge (typischerweise weniger als etwa 14 l pro Minute) die Strömungsge­ schwindigkeit der Luft beim Durchströmen der Spalte ziemlich hoch und beträgt typischerweise mehr als 160 km/h. Eine derart hohe Strömungsgeschwindigkeit führt zu beträchtlichen Schlepp- bzw. Reibkräften an den Lagerflächen, insbesondere längs der Lagerflächen 49 und 50. Das Luftlager 30 ist an sich so konstruiert und auf Präzisionsmaschinen gearbeitet, daß sich längs der Oberfläche 50 eine axiale Strömung und längs der Ober­ flächen 49 eine radiale Strömung ergibt und daß keine Strömung in Umfangsrichtung entsteht, die zu einem un­ erwünschten Drehmoment am Rotor 22 und zu einer ent­ sprechenden mechanischen Spannung an der Probe 12 führen würde (aufgrund der von der mit hoher Geschwin­ digkeit fließenden Luftströmung induzierten Reibungs­ kräfte). Die Toleranzen bei der maschinellen Bearbei­ tung und der Endbearbeitung der Oberflächen im Bereich der Lagerflächen sowie kleine Maschinenfehler und Ver­ schleißspuren führen jedoch zu einem Drehmoment im La­ ger, welches einen bedeutenden Einfluß auf die Meß­ genauikeit des Geräts haben kann. Da der Einfluß die­ ser verschiedenen Ungenauigkeiten bei der Drehung des Rotors 22 bezüglich des Stators 26 um einen Winkel von 360° von Position zu Position unterschiedlich sein kann, kann sich folglich auch das unerwünschte Dreh­ moment in Abhängigkeit vom jeweiligen Drehwinkel än­ dern. Zur Optimierung der Genauigkeit des Geräts 10 sind Kompensationseinrichtungen vorgesehen, welche die vorstehend beschriebenen Eigenschaften bzw. Ab- weichungen bei einem Luftlager 30 kompensieren.

Wie aus Fig. 1 und 2 deutlich wird, umfaßt die Steuerung 56 ein Kompensationssystem 80, welches vor der Durch­ führung von Versuchen mit Proben betätigt wird, um eine "Eichung" des Luftlagers 30 durchzuführen, so daß bei den anschließend durchgeführten Messungen eine exakte Kompensation erreichbar ist. Bei dem Kompensa­ tionssystem 80 liegt der Motor 54 in einer Regel­ schleife, und der Rotor 22 wird mit Hilfe des Motors 54 in ausgewählte Winkelstellungen gedreht. In jeder dieser Winkelstellungen stellt das Kompensationssystem 80 sicher, daß das von dem Motor 54 auf den Rotor 22 ausgeübte Drehmoment exakt entgegengesetzt gleich zu dem unerwünschten Drehmoment ist, welches auf den Rotor 22 aufgrund von Kräften ausgeübt wird, die in dieser Position durch das Luftlager 30 erzeugt werden.

Im Eichbetrieb arbeitet ein Rechner 82 mit einem nach einem Programm betriebenen Wählelement 84 zusammen, um einen Befehl zu erzeugen, durch den der Rotor 22 in eine ausgewählte Winkelstellung gebracht wird. Die tatsächliche Winkelstellung des Rotors, die von den Positionswandlern 70 und 72 angezeigt wird, wird mit der Soll-Position in einem nach einem Programm arbeitenden Subtraktionselement 86 verglichen und jede Differenz, die durch das Subtraktionselement 86 fest­ gestellt wird, führt zu einem Signal bei 88, welches ausgewertet wird, um mit Hilfe des Motors 54 ein Dreh­ moment zu erzeugen, durch welches die Differenz zwischen dem Soll-Wert der Winkelposition und dem Ist-Wert der Winkelposition des Rotors 22 auf Null reduziert wird. Das Signal auf der Leitung 88 wird dem Motor 54 über einen Leistungsverstärker 92 zugeführt. Die Regel­ schleife 94 umfaßt ferner einen programmierten Kreis 100 zur Kompensation einer Phasenvoreilung und damit zur Stabilisierung der Regelschleife 94. Wenn der Rotor 22 die ausgewählte Winkelposition gemäß dem vor­ gegebenen Soll-Wert erreicht, ist das resultierende Drehmoment des Rotors 22 Null und das Ausgangsdreh­ moment T _M des Motors ist dem unerwünschten Drehmoment T _AB des Luftlagers exakt entgegengesetzt gleich. Das Signal auf der Leitung 88 führt also zu einem Dreh­ moment, welches auf den Rotor 22 ausgeübt wird, und für jede der vorgegebenen Positionen des Rotors 22 sorgt das Signal auf der Leitung 88 für das erforder­ liche Drehmoment, um dem in dieser Position wirksamen unerwünschten Drehmoment des Luftlagers exakt entgegen­ zuwirken. Da mit Hilfe des Wählelementes bzw. des Wähl­ kreises 84 nacheinander mehrere verschiedene Winkel­ stellungen ausgewählt werden, werden die entsprechenden Signale auf der Leitung 88 in einem Speicher 110 ge­ speichert, um eine vollständige Liste von Kompensations­ drehmomenten zu erhalten, die jeweils dem unerwünschten Drehmoment entsprechen, welches durch das Luftlager 30 in den verschiedenen Winkelstellungen des Rotors er­ zeugt wird. Die Liste von Kompensationsdrehmomenten wird später dazu verwendet, die Drehmomentmessungen bzw. das Drehmoment, welches während der tatsächlichen Messungen ausgeübt wird, zu korrigieren bzw. zu kompen- sieren, um auf diese Weise alle Fehler auszuschalten, welche andernfalls aufgrund des Luftlager-Drehmomentes entstehen können.

Zu den Vorteilen des Kompensationssystems 80 gehört die Fähigkeit, das Gerät 10 vor der Durchführung von Messungen zu eichen, ohne daß zusätzliche Hilfsein­ richtungen bzw. Bauteile benötigt würden, wodurch die für eine Eichung erforderliche Zeit verkürzt wird. Weiterhin wird das Lager-Drehmoment mit Hilfe derselben Einrichtungen ermittelt, die während des normalen Be­ triebes dazu dienen, ein Drehmoment auf den Rotor aus­ zuüben, nämlich mit Hilfe des Motors 54. Auf diese Weise werden Gerätefehler wie Fehler hinsichtlich der Linearität und der absoluten Genauigkeit kompensiert. Die Fähigkeit, das Gerät 10 unabhängig von Gerätefehlern zu betreiben, ist besonders bei der Betriebsart vor­ teilhaft, bei der auf die Probe keine Belastung ausge­ übt werden soll, wie dies oben erwähnt wurde. Das Kom­ pensationssystem 80 steht somit zur Verfügung, um un­ erwünschte Lager-Drehmomente bei allen Lageranordnungen mit geringer Reibung zu kompensieren, bei denen das Lager-Drehmoment sich in Abhängigkeit von der Rotor­ position ändert. Die Einsatzmöglichkeiten und die Ge­ nauigkeit des Geräts 10 sind in hohem Maße von der Art und Weise abhängig, in der die tatsächliche Winkelpo­ sition des Rotors 22 jeweils bestimmt wird. Die Rotor­ Positionswandler 70, 72 und 74 werden folglich unter Berücksichtigung der Empfindlichkeit, der Genauigkeit und der Zuverlässigkeit sowie der Kosten ausgewählt. Die Wandler müssen eine hohe Auflösung besitzen und sollten keine ins Gewicht fallenden Trägheitseffekte auf die Anordnung aus Rotor 22 und Welle 52 ausüben. Wie oben ausgeführt, werden die Wandler 70 und 72 da­ zu verwendet, eine bestimmte Winkelposition des Rotors 22 bezüglich der Längsachse 24 bzw. bezüglich des Stators 26 zu ermitteln. Der Wandler 74 dient dazu, die Längsposition des Rotors 22 längs der Achse 24 zu bestimmen. Was zunächst das Problem der Bestimmung der Winkelposition des Rotors 22 anbelangt, so sind seit einiger Zeit verschiedene Drehwinkelgeber bekannt, mit deren Hilfe der Drehwinkel von drehbaren Elementen ge­ messen werden kann. Dabei handelt es sich im wesent­ lichen um induktive Geber mit mehreren Ausgängen, welche trigonometrische Funktionen der Winkelstellungen darstellen, die dann unter Verwendung eines entsprechend programmierten Rechners direkt in Winkelgrade umgewan­ delt werden können. Bei derartigen Drehwinkelgebern werden gewöhnlich gewickelte Rotoren eingesetzt, die eine entsprechende träge Masse besitzen und Schleif­ ringe oder andere Kommutatoren benötigen, um die er­ forderliche Positionsinformation liefern zu können.

Schleifringe, Kommutatoren usw. haben von Natur aus eine statische Reibung und sind folglich für das hier betrachtete System nicht geeignet. Bürstenlose Dreh- winkelgeber mit Permanentmagnetrotoren sind verfügbar; derartige Geber bringen jedoch Reluktanz-Drehmomente mit sich, welche bevorzugte Rotororientierungen be- wirken und exakte Messungen beeinträchtigen.

Der bevorzugte Wandler zur Verwendung in einem erfin- dungsgemäßen Gerät ist ein Dreh-Differentialtransformator. Ein solcher Trans- formator ist billig, hat ein niedriges Trägheitsmoment, liefert eine kontinuierliche (analoge) Information für eine unbegrenzt hohe Auflösung und benötigt keinen mechanisch-elektrischen Kontakt mit dem Rotorelement der Anordnung. Der Transformator hat einen kleinen Kern aus ferromagnetischem Material, der gewöhnlich an dem Bauteil montiert wird, dessen Drehung gemessen werden soll, und einen gewickelten Differentialtrans- formator, der stationär und angrenzend an den Kern an- geordnet ist. Die Bewegung des Kerns in dem stationären Transformator ändert den Kopplungskoeffizienten zwi- schen der Primärwicklung und den Sekundärwicklungen des Transformators, was zu einem linearen Ausgangs- signal führt, welches der Lageänderung proportional ist. Das lineare Ausgangssignal ist jedoch auf Verla- gerungen von 120° bezüglich einer Null-Position und 120° bezüglich einer diametral gegenüberliegenden 180°-Position beschränkt. Folglich arbeitet das Ge- rät 10 mit zwei Transformatoranordnungen bzw. Wandlern 70, 72, die bezüglich der Achse 24 um 90° versetzt sind, wobei dann die Ausgangssignale der beiden Wandler 70 und 72 mit Hilfe eines programmierten Rechners in ein kontinuierliches Ausgangssignal umgesetzt werden, wel­ ches für eine volle Drehung von 360° des Rotors 22 und der Welle 52 verfügbar ist und keine Diskontinuitäten aufweist. Jeder der Wandler 70 und 72 umfaßt einen stationären Transformator 120, der am Gehäuse 64 des Geräts 10 befestigt ist, sowie einen beweglichen Kern 122, der an der Welle 52 befestigt ist und sich mit dieser innerhalb des Transformators 120 dreht.

Wie die schematische Darstellung gemäß Fig. 3 zeigt, liefert der Wandler 70 ein lineares Ausgangssignal A, welches auf die 120°-Segmente 126 beschränkt ist, die symmetrisch zur 0°-Position und zur 180°-Position der Welle 52 orientiert sind. Der Wandler 72 liefert in entsprechender Weise ein Ausgangssignal B für die Dreh­ bereiche der Welle 52 des Rotors 22, welches auf die 120°-Segmente 130 beschränkt ist. Der Wandler 72 ist jedoch relativ zu dem Wandler 70 um einen Winkel von 90° versetzt, so daß die Segmente 130 symmetrisch zur 90°-Position und zur 270°-Position der Welle 52 liegen. Auf diese Weise überlappen sich die Ausgangssignale A und B, so daß ein lineares, fehlerfreies Ausgangs- signal über einen Drehwinkel von 360° der Welle 52 erhalten wird.

Ein Problem ergibt sich jedoch, wenn ein Übergang von dem einen Ausgangssignal (A oder B) zu dem jeweils anderen Ausgangssignal erfolgt. Um ein kontinuierliches Ausgangssignal für einen Drehwinkel von 360° der Welle 52 und des Rotors 22 zu erhalten, erfolgt eine Umschal­ tung von dem einen Ausgangssignal (A oder B) auf das andere Ausgangssignal innerhalb der Bereiche 132, in denen sich die Ausgangssignale überlappen. Die Überlap­ pungsbereiche 132 sollten jeweils innerhalb eines 30°-Segments liegen, in dem die Segmente 126 und 130 voll- ständig miteinander "fluchten". Aufgrund der Fertigungs- toleranzen wird jedoch ein solches vollkommenes Fluchten nicht in allen Fällen erreicht. Aus diesem Grund sind die Ausgangssignale A und B innerhalb der Bereiche 132 nicht notwendigerweise in jeder einzelnen Winkelstel- lung exakt gleich groß. Aus diesem Grund kann beim Um- schalten von dem einen Ausgangssignal auf das andere ein sofortiger wahrnehmbarer Unterschied in der Größe des überwachten Ausgangssignals auftreten; es ergibt sich also eine unerwünschte Diskontinuität. Selbst dann, wenn ein perfektes Fluchten der Segmente 126 und 130 erreicht werden könnte, würden sich aufgrund der ther- mischen Drift, der Alterung, des elektrischen Rauschens und anderer Verzerrungen Unterschiede der Ausgangssignale A und B in jeder einzelnen Winkelposition innerhalb der Bereiche 132 bemerkbar machen.

Zur Überwindung der vorstehend aufgezeigten Probleme erfolgt die Umschaltung zwischen den Ausgangssignalen A und B in Abhängigkeit von einem (Software-)Programm, dessen Flußdiagramm in Fig. 4 gezeigt ist. Die Umschal- tung erfolgt in den Winkelstellungen, die in Fig. 3 als Positionen 136 eingezeichnet sind. Die Positionen 136 liegen bei einem Winkel von 45° bezüglich der 0°-Position bzw. der 180°-Position und damit voll in den Überlappungsbereichen 132. Wie Fig. 3 zeigt, liegt je­ weils eine Position 136 bei 45°, 135°, 225° und 315°. In den Positionen 136 sollten die absoluten Größen (die Beträge) der Ausgangssignale A und B gleich sein; die Signale können jedoch entgegengesetzte Polarität haben. Gemäß dem Diagramm in Fig. 3 hat das Ausgangs­ signal A bei 45° den Wert +V, während das Ausgangs­ signal B den Wert -V hat. Bei 135° haben die Signale A und B beide den Wert +V. Bei 225° hat das Signal A den Wert -V, während das Signal B den Wert +V hat. Bei 315° haben beide Signale A und B den Wert -V. Da wahr­ scheinlich Abweichungen von der idealen Übereinstimmung der Größen der Ausgangssignale A und B in den Umschalt­ positionen 136 auftreten, und zwar aus den oben darge­ legten Gründen, werden derartige Abweichungen bzw. Unterschiede mit dem Programm gemäß dem in Fig. 4 ge­ zeigten Flußdiagramm 140 kompensiert.

Im einzelnen werden die Signale A und B mit Hilfe eines Rechners ständig verfolgt, welcher nach dem Flußdia­ gramm 140 arbeitet, um jede Differenz zwischen den Ab­ solutwerten der Ausgangssignale A und B in jeder Winkel­ position 136 unmittelbar vor dem Umschalten von dem einen Ausgangssignal (A oder B) auf das jeweils andere zu berechnen und um diese Differenz unmittelbar nach dem Umschalten zu dem anderen Ausgangssignal zu addieren um so die Kontinuität während des Übergangs von dem einen Ausgangssignal auf das andere sicherzustellen. Die berechnete Differenz wird ständig zu dem anderen Ausgangssignal addiert, bis der nächste Übergang in der nächsten Umschaltposition 36erfolgt, wo eine neue Differenz für diesen nächsten Umschaltvorgang berechnet wird. Es hat sich gezeigt, daß dieses System bei allen Ausrichtungsfehlern von bis zu 3°erfolg­ reich arbeitet.

Das Flußdiagramm 140 zeigt die Einzelheiten des vor­ stehend zusammenfassend erläuterten Kompensations- Unterprogramms. Das Programm beginnt mit einem Block 142. Ein Bedienungsmann kann das Programm selektiv mit einem Startbefehl einleiten - Block 144. Vor dem Eintreffen des Startbefehls, d. h. solange kein Start­ befehl vorliegt, läuft das Programm zunächst von selbst, wobei die Daten ausgewählt werden, die dem Signal A entsprechen - Block 146 - und wobei jegliche Differen­ zen zwischen den Daten, die den Signalen A und B ent­ sprechen, auf den Wert Null gebracht werden - Block 148. Sobald ein Startbefehl eintrifft - Block 144 - werden die den beiden Signalen entsprechenden Daten "A-Daten" und "B-Daten" überwacht - Block 150. Wenn ge­ mäß dem Entscheidungsblock 152 die A-Daten ausgewählt sind, dann werden gemäß Block 154 die A-Daten verfolgt, bis festgestellt wird, daß eine Umschaltposition 136 erreicht ist. Beim Erreichen einer Umschaltposition 136, bei der die Signale A und B entgegengesetzte Po- larität haben, werden gemäß Block 156 die dem Signal B entsprechenden B-Daten gewählt und gemäß Block 158 wird jegliche Differenz zwischen den A-Daten und den B-Daten an dieser Position 136 bestimmt. Die Differenz wird dann gemäß Block 160 zu den B-Daten addiert. Die Daten, aus denen die Winkelpositionsinformation erhalten wird, stehen dann am Programmende gemäß Block 162 zur Verfügung. Solange die dem Signal A entsprechenden A-Daten im Bereich eines Segments 126 zwischen zwei Um­ schaltpunkten 136 bleiben, wird die gemäß Block 162 verfügbare Winkelpositionsinformation durch die A-Daten bestimmt, die dem Signal A entsprechen. Wenn gemäß dem Entscheidungsblock 152 festgestellt wird, daß nicht die A-Daten gewählt sind, dann werden in entsprechender Weise gemäß Block 174 die dem Signal B entsprechenden B-Daten verfolgt, bis festgestellt wird, daß eine Um­ schaltposition 136 erreicht wurde. Beim Erreichen einer Umschaltposition 136, bei der die Signale A und B die­ selbe Polarität haben, werden die dem Signal A ent­ sprechenden A-Daten ausgewählt - Block 176 - und jede Differenz zwischen den auf den Signalen A und B ba­ sierenden Daten an dieser Position 136 wird gemäß Block 178 bestimmt und gemäß Block 180 zu den A-Daten addiert. Solange das Signal B in dem Bereich eines Segments 130 zwischen den Umschaltpunkten 136 bleibt, wird die Winkelpositionsinformation am Block 162 wie­ der aufgrund der B-Daten bestimmt, die dem B-Signal entsprechen. Dadurch, daß jedesmal die Differenz ad­ diert wird, ergibt sich bei jeder Umschaltung zwischen den Signalen A und B ein kontinuierlicher Übergang ohne eine Unterbrechung. Dabei ist zu beachten, daß bei dem vorstehend beschriebenen Programm das Umschal­ ten während der Drehung der Welle 52 im Gegenuhrzeiger­ sinn erfolgt - die Drehrichtung ist in Fig. 3 durch einen Pfeil angedeutet. Beim Verfolgen der Signale A und B bei einer Drehung im entgegengesetzten Drehsinn erfolgt das Umschalten von Signal A auf das Signal B dann, wenn die Polaritäten der Signale A und B gleich sind, während das Umschalten vom Signal B auf das Signal A erfolgt, wenn die Polaritäten entgegengesetzt sind. Das Programm gemäß dem Flußdiagramm 140 berück­ sichtigt folglich den Drehsinn der Welle 52.

Bei dem erfindungsgemäßen Gerät 10 ist es wichtig, die Längsposition der Platte 16 relativ zu dem Tisch 14 exakt zu bestimmen. Die Messung dieser Position bestimmt die Geometrie der Probe 12 für das Umsetzen der Winkel- position des Rotors 22 und der Welle 52 sowie Drehmoment­ messungen zum Belasten und Verformen der Probe. Der Spalt 200 zwischen der Platten 16 und dem Tisch 14 wird selektiv durch ei­ ne Längsbewegung der gesamten Anordnung variiert, wel­ che das Gehäuse 64, die Welle 52, den Rotor 22 und den Träger 18 umfaßt, und zwar relativ zu dem Tisch 14 wobei der Abstand zwischen der Platte 16 und dem Tisch 14 mit Hilfe einer Mikrometerschraube oder der- gleichen (nicht dargestellt) bestimmt wird, die übli­ cherweise an derselben Anordnung montiert ist. Es ist jedoch erforderlich, die Mikrometerschraube auf Null zu stellen, wenn sich die Platte 16 und der Tisch 14 gerade berühren. Die Bestimmung dieses Nullpunkts, d. h. des Punkts, an dem sich die Platte 16 und der Tisch 14 gerade berühren, muß mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.

Es wurde bereits angeregt, einen elektrischen Kreis zu verwenden, um einen elektrischen Kontakt zwischen der Platte und dem Tisch zu erfassen. Ein solches System macht elektrische Anschlüsse für die Platte erforderlich, wobei diese Anschlüsse während der Ver­ suche nicht vorhanden sein dürfen und vor jedem Ver­ such entfernt werden müssen. Außerdem zeigt eine elek­ trische Durchgangsinformation lediglich an, ob ein Kontakt besteht oder nicht, so daß man keine Infor­ mation über eine axiale Verlagerung der Platte 16 rela­ tiv zum Gehäuse 64 hat, wie sie sich aufgrund der Kom­ pression des Luftfilms in dem Spalt 48 ergibt, wenn das Gehäuse 64 über den Nullpunkt hinaus nach unten bewegt wird, wobei der tatsächliche Nullpunkt ohne weiteres überlaufen werden kann.

Erfindungsgemäß wird für eine exakte Bestimmung des Nullpunkts bei dem Gerät 10 der Positionswandler 74 verwendet, welcher eine axiale Bewegung der Welle 52 bezüglich des Gehäuses 64 anzeigt. Vorzugsweise ist der Wandler 74 ein in Abhängigkeit von einer linearen Bewegung variabler Differentialtransformator mit einem relativ leichten Kern 210, der an der Welle 52 be­ festigt ist und der von einem gewickelten Differential­ transformator 212 umgeben ist, der in dem Gehäuse 64 in einer stationären Lage gehalten wird. Das Ausgangs­ signal des Wandlers 74 steuert eine Anzeige 214, wel­ che auf Null gestellt wird, wenn die Platte 16 nichts berührt und wenn sich der Rotor 22 bezüglich der Längs­ richtung in seiner normalen Position befindet und in dem Stator 26 durch das Luftlager 30 aufgehängt ist. Sobald die Platte 16 in Kontakt mit dem Tisch 14 ge­ bracht wird, können sich der Rotor 22 und die Welle 52 in axialer Richtung bezüglich des Stators 26 und des Gehäuses 64 bewegen, was auf die Kompressibilität des Luftfilms in dem Spalt 48 des Luftlagers 30 zurückzu­ führen ist. Eine solche axiale Bewegung wird von dem Wandler 74 erfaßt, der ein entsprechendes Signal an die Anzeige 214 liefert. Die Anzeige 214 ist direkt in Abstandsabweichungen vom Nullpunkt geeicht, und der Nullpunkt wird folglich mit hoher Genauigkeit bestimmt.

Claims (10)

1. Dreh-Rheometer zum Ermitteln der Fließeigenschaften einer Probe, mit einem mit der Probe gekoppelten Rotor, der mittels eines Lagers, insbesondere eines Luftlagers, rei­ bungsarm gelagert ist, mit Drehwinkel-Erfassungseinrich­ tungen zum Erfassen des jeweiligen Drehwinkels des Ro­ tors bezüglich seiner Achse und mit Antriebsein­ richtungen, durch die in jeder Winkelstellung des Rotors ein einstellbares Drehmoment für denselben erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation von durch Asymmetrien des Lagers (30) am Rotor (22) hervorgerufenen drehwinkelabhängigen Drehmomentkomponenten ein Kompensationssystem (80) vor­ gesehen ist, mit dessen Hilfe im Leerbetrieb drehwin­ kelabhängige Korrekturwerte ermittelbar und in einem Speicher (110) elektronisch speicherbar sind, und bei dem diese Korrekturwerte im Meßbetrieb bei den entspre­ chenden Winkelstellungen des Rotors (22) aus dem Speicher (110) auslesbar und zur Korrektur der am Rotor (22) je­ weils wirksamen Drehmomente in entsprechende Drehmoment­ korrektursignale umsetzbar sind.

2. Dreh-Rheometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationssystem (80) eine die Antriebsein­ richtungen (54, 92) für den Rotor (22) enthaltende Re­ gelschleife (94) zur Ableitung der Korrekturwerte um­ faßt.

3. Dreh-Rheometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drehwinkel-Erfassungseinrichtungen mindestens einen Differentialtransformator (70, 72) umfassen, dessen Elemente (120, 122) einerseits mit dem Rotor (22) und andererseits mit dem Gehäuse (26) des Lagers (30) verbunden sind.

4. Dreh-Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß sich der Drehwinkelbereich des Rotors (22) bezüglich eines Gehäuses (26) des Lagers (30) über einen Drehwinkel von 360° erstreckt.

5. Dreh-Rheometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwinkel-Erfassungseinrichtungen zwei Drehwin­ kelwandler (70, 72) umfassen, daß der Drehwinkel des Rotors (22) bezüglich des Gehäuses (26) in einem ersten Drehwinkelbereich von weniger als 360° mit dem einen Dreh­ winkelwandler (70) erfaßbar ist und daß der Drehwinkel des Rotors (22) bezüglich des Gehäuses (26) in einem zweiten Drehwinkelbereich mit Hilfe des anderen Drehwin­ kelwandlers (72) erfaßbar ist und daß die beiden Dreh­ winkelbereiche derart gewählt sind, daß sie gemeinsam einen Drehwinkelbereich von 360° überdecken.

6. Dreh-Rheometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Drehwinkelwandler als Differentialtrans­ formator (70, 72) ausgebildet ist.

7. Dreh-Rheometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß Schalteinrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe das Kompensationssystem (80) beim Erreichen vorgegebener Winkelstellungen des Rotors (22) von dem einen auf den anderen Drehwinkelwandler (70, 72) um­ schaltbar ist,
daß Differenzerfassungseinrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe beim Umschalten die Differenz zwischen den von den beiden Drehwinkelwandlern (70, 72) geliefer­ ten Positionsdaten bestimmbar ist,
und daß Kompensationseinrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe eine Differenz mit den Positionsdaten des nach der Umschaltung wirksamen Drehwinkelwandlers derart kombinierbar ist, daß sich ein kompensierter Übergang von der Auswertung der Positionsdaten des einen Dreh­ winkelwandlers auf die Auswertung der Positionsdaten des anderen Drehwinkelwandlers ergibt.

8. Dreh-Rheometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste und der zweite Drehwinkelbereich in definierten Bereichen überlappen und daß jede vorgege­ bene Winkelstellung für einen Umschaltvorgang innerhalb eines solchen Überlappungsbereiches liegt.

9. Dreh-Rheometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Drehwinkelbereich sich jeweils über zwei einander diametral gegenüberliegende Segmente erstrecken.

10. Dreh-Rheometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich jedes der einander diametral gegenüberliegenden Segmente über einen Winkel von etwa 120° erstreckt und daß die als Drehwinkelgeber dienenden Differential­ transformatoren (70, 72) bezüglich der Achse (24) des Rotors (22) um 90° gegeneinander versetzt sind.