DE3426139A1 - Betriebs-schwingungsviskosimeter - Google Patents

Description

11. Juli 1984 vA. Anmelder: Herr Diplom-Physiker

Werner Heinz , Dabringhauser Straße 72, 5000 Köln-Dellbrück

Mein Zeichen: B 1/202

Betriebs-Schwingungsviskosimeter

Die Erfindung betrifft ein Betriebs-Schwingungsviskosimeter mit einem auf einen Meßraum aufsetzbaren und mit diesem verbindbaren Gehäuse mit einem Innenraum, mit einem im Gehäuse gelagerten und in den Meßraum hineinreichenden Gestänge, mit einem das Gestänge im Meßraum umschließenden und mit seinem einen Ende an der Gehäusewandaußenseite befestigten Metallbalg, mit einem Meßsystem mit einem rotationssymmetrischen Meßkörper an dem in den Meßraum hineinragenden Ende des Gestänges und mit einem Antrieb "mit einer Drehmomentmeßvorrichtung am Gestänge zum Erzeugen einer Meßströmung zwischen dem Meßkörper und dem Meßgut im Meßraum.

Bei einem Betriebs-Schwingungsviskosimeter ergeben sich Probleme dadurch, daß sich das Meßgut fast immer unter erhöhtem Druck und vielfach auch auf hoher Temperatur befindet. Das heißt, daß das Gestänge gegenüber der Drehmomentmeßvorrichtung sorgfältig abgedichtet werden muß. Dabei sollen durch die Abdichtung nach Möglichkeit keine Kraft- oder Drehmomentverluste auftreten. Anderenfalls würden Meßfehler entstehen.

Bei einem bekannten Betriebsviskosimeter (DE-PS 2 632 076), bei dem sich der Meßkörper kontinuierlich dreht und nur die viskosen Eigenschaften des Meßgutes ermittelt werden, wird die Drehbewegung·über eine Magnetkupplung reibungsfrei in den Meßraum übertragen. Abhängig vom Drehmoment tritt jedoch eine Winkelverschiebung zwischen den beiden Hälften der Magnetkupplung auf. Diese Winkelverschiebung läßt sich nur schwierig I/202

überblicken. Bei einem Viskosimeter mit kontinuierlicher Drehung stört eine solche Winkelverschiebung nicht. Sie stört jedoch bei einem Schwingungsviskosimeter der eingangs genannten Gattung. Bei einem Schwingungsviskosimeter der eingangs genannten Gattung muß sich die Winkel-Phasenlage des im Meßraum befindlichen angetriebenen Meßkörpers der des Antriebes eindeutig zugeordnet werden können. Zweckmäßig sollten die Verschiebungen identisch sein.

Bei einem anderen bekannten Schwingungsviskosimeter (DE-PS 2 330 964) , bei dem der Meßkörper ebenfalls kontinuierlich rotiert, wird dieser durch eine sich bis in den Meßraum erstrekkende Hohlwelle angetrieben. Deren Verdrillung ist ein Maß für das Drehmoment. Die Hohlwelle, die damit gleichzeitig die Drehmomentmeßvorrichtung bildet, ist der thermischen, chemischen und abrasiven Einwirkung des Meßgutes ausgesetzt. Ihre Eintrittsstelle in den Meßraum muß mit einer Stopfbuchse oder dergleichen abgedichtet sein. Angesichts der genannten Eigenschaften des Meßgutes ist dies problematisch.

Weiter sind noch Schwingungsviskosimeter mit kontinuierlrher Rotation bekannt (DE-PS 2006 119 und US-PS 2 683 984 Boyle et al), bei denen die Meßwelle von einem Metallbalg umschlossen und auf diese Weise reibungsfrei abgedichtet ist. Die Längsachse des Metallbalges verläuft annähernd parallel zur Drehachse. Diese Drehachse fällt jedoch nicht mit der geometrischen Achse des Meßkörpers zusammen. Damit ist die Drehachse eine körperfremde Achse und der Meßkörper führt eine Taumelbewegung durch. Die dabei erzeugte Meßströmung läßt sich mathematisch nicht erfassen. Definierte Scherbedingungen liegen nicht vor. Bei der Taumelbewegung entsteht nämlich nicht eine schlichte berechenbare Schichtenströmung, sondern eine Verdrängungsströmung. Diese entzieht sich einer exakten Berechnung.

Schließlich ist noch ein Betriebs-Schwingungsviskosimeter (DE-OS 3 324 842) bekannt, bei dem ein äußerer Zylinder erzwungene Drehschwingungen ausführt und ein zu diesem koaxialer innerer Zylinder an einer Hohlwelle bzw. einem Torsionsrohr befestigt; 1/202

ist. Die Verdrillung des in das Meßgut eintauchenden Torsionsrohres, die ihrerseits vom Drehmoment abhängt, wird gemessen. Eine Pumpe drückt das Meßgut durch den zwischen den beiden Zylindern befindlichen Ringspalt. Dieses bekannte Betriebs-Schwingungsviskosimeter weist den Nachteil auf, daß entweder der äußere Zylinder ein dem Meßgut ausgesetztes Dichtelement aufweisen muß oder daß bei Verzicht auf eine Dichtung Meßgut verloren geht. Schließlich ist das die Drehmomentmeßvorrichtung bildenden Torsionsrohr der Einwirkung des Meßgutes ausgesetzt. Es kommt hinzu, daß sich dieses bekannte Betriebs-Schwingungsviskosimeter nur in einem Nebenstrom oder Bypass zum eigentlichen Prozeßstrom einsetzen läßt.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schwingungs-Betriebsviskosimeter der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß trotz einwandfreier Abdichtung des Meßraumes gegenüber dem Antrieb und der Drehmomentmeßvorrichtung eine definierte stetige Scherströmung entsteht. Die Lösung für diese Aufgabe ergibt sich bei einem Betriebs-Schwingungsviskosimeter der eingangs genannten Gattung nach der Erfindung dadurch, daß das den Meßkörper tragende und von dem Metallbalg umschlossene Ende des Gestänges als senkrecht zur Drehachse verlaufender Träger ausgebildet ist. Damit wird erreicht, daß der Meßkörper Drehbzw. Schwingbewegungen um seine eigene geometrische Achse ausführt, während der die Abdichtung besorgende Metallbalg nur Winkelbewegungen unterliegt. Bei Dreh- oder Schwingbe_wegungen des geeignet geformten Meßkörpers um seine eigene geometrische Längsachse ergibt sich die gewünschte definierte stetige Scherströmung. Damit läßt sich die Viskosität des Meßgutes in absoluten Zahlen messen. Der abdichtende Metallbalg führt nur reine Winkel- und Axialbewegungen aus, für die er eine hohe Daue'r^ Standsfestigkeit aufweist. Torsionsbewegungen, die zu seinem raschen Verschleiß führen, ist er nicht ausgesetzt. Der einen Teil oder das Ende des Gestänges bildende Träger führt zusammen mit dem ihn umschließenden Metallbalg hin- und hergehende Schwenkbewegungen aus. Dabei berühren sich Metallbalg und Träger im allgemeinen nicht. Zu erwähnen ist weiter, daß das Ge-1/202

stange in der Drehachse des Viskosimeters verläuft, in dessen Innenraum angeordnet ist und die Schwenkbewegungen um seine eigene geometrische Achse ausführt. Aus Gründen der Einfachheit wird in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Betriebs-Schwingungsviskosimeter nur von einem Metallbalg gesprochen. Statt eines Balges aus Metall kann jedoch auch jeder andere flexible Hohlzylinder für die Zwecke der Erfindung verwendet werden. So sind zum Beispiel aus Kunststoff bestehende Faltenbälge bekannt, die für die Erfindung eingesetzt werden können .

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Meßkörper derart mit dem Ende des Trägers verbunden ist, daß seine geometrische Achse mit der Drehachse zusammenfällt. Diese Ausführung sichert das Erreichen der gewünschten definierten stetigen Scherströmung.

Mit einem solchen Viskosimeter lassen sich die viskosen und elastischen Eigenschaften viskoelastischer Substanzen kontinuierlich in oder an einem Prozeßstrom messen. Die dabei im Meßraum erzeugte Meßströmung läßt sich mathematisch erfassen. Damit erfolgen die Messungen unter definierten Scherbedingungen. Die Meßergebnisse werden im absoluten Meßsystem erhalten. Das" Meßergebnis ist die komplexe dynamische Viskosität Ί0 *· Diese wird wie folgt definiert:

Dabei ist <fl ' die gemessene dynamische Viskosität, G¹ der Speicher-Elastizitätsmodul und <A> die Kreisfrequenz 2TTf der Meßschwingung mit der Frequenz f. Die Messungen erfolgen mittels erzwungener Drehschwingungen wenigstens eines Meßkörpers. Die an diesem auftretenden Kräfte bzw. Drehmomente, die von den Eigenschaften der viskoelastischen Substanz abhängen, werden mit einer Drehmomentmeßvorrichtung in Form eines Torsionsrohres gemessen. Der Meßkörper ist Teil eines im wesentlichen rotationssymmetrischen Meßsystems. Koaxiale Zylindersysterne oder 1/202

Platte-Kegel-Systeme werden wegen der bei ihnen herrschenden definierten Scherverhältnisse bevorzugt.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Träger über ein Winkelstück mit dem übrigen Teil des Gestänges verbunden ist und das Winkelstück einen parallel und exzentrisch zur Drehachse verlaufenden ersten Abschnitt und einen diesen mit dem übrigen Teil des Gestänges verbindenden, senkrecht zur Drehachse verlaufenden zweiten Abschnitt aufweist. Dies führt dazu, daß der von dem Metallbalg umschlossene Träger eine Länge von annähernd dem Durchmesser des Viskosimeters aufweist. Dadurch wird erreicht, daß sich der Drehpunkt etwa in der Mitte der Länge des Metallbalges befindet. Somit führt dieser nur eine einfache Winkelbewegung aus. Mit dieser Ausbildung des Trägers kann die Länge des Metallbalges auch optimal groß gestaltet werden. Diese Maßnahmen führen zu einer langen Standzeit des Metallbalges. Zu erwähnen ist weiter, daß der Metallbalg den Träger reibungsfrei gegenüber dem Meßraum abdichtet.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Träger am Rand des Meßkörpers befestigt ist. Dabei weist der Meßkörper keine weiteren Lagerstellen im Meßgut auf.

Durch die Schwenkbewegungen des Trägers wird der Metallbalg abwechselnd gekrümmt. Durch den im Meßraum herrschenden Druck könnten nun auf den gekrümmten Metallbalg Kräfte ausgeübt werden, die das Meßdrehmoment beeinflussen und damit zu Meßfehlern führen könnten. Zum Vermeiden solcher Meßfehler werden daher Einrichtungen vorgesehen, die den Druck im Inneren des Metallbalges auf den Druck auf dessen Außenseite anheben. Hierzu wird im einzelnen vorgeschlagen, daß ein zylinderförmiges Ge-* häuse mit einem in diesem verschiebbar geführten Kolben vorgesehen ist, der auf der einen Seite des Kolbens liegende Abschnitt des Gehäuses dem Meßraum und der auf der anderen Seite des Kolbens liegende Abschnitt des Gehäuses dem Innenraum zugekehrt und der Innenraum mit einer niedrig viskosen inerten Flüssigkeit gefüllt ist. Dabei kann es sich um ein Silikonöl 1/202

handeln. Bei dieser Ausgestaltung ragt der Kolben in den Innenraum und vermag durch seine Axialbewegungen das Volumen dieses mit Flüssigkeit gefüllten Innenraumes in erheblichem Maße zu verändern. Der im Meßraum herrschende Druck wird damit über den Kolben auf den mit Flüssigkeit gefüllten Innenraum und damit auf das Innere des Metallbalges übertragen. Damit herrschen auf der Innen- und der Außenseite des Metallbalges gleiche Drücke. Infolge seiner Axialbewegungen kann der Kolben das Volumen des mit der Flüssigkeit gefüllten Innenraumes in erheblichem Maß verändern. Damit wird auch großen Änderungen des Volumens der Flüssigkeit, zum Beispiel infolge Erwärmung, Rechnung getragen. Die Axialbewegungen des Kolbens erfolgen damit immer so, daß zwischen Meß- und Innenraum Druckgleichheit herrscht. Auf seiner Innenseite steht der Metallbalg mit dem Innenraum in Verbindung. Deshalb wirken auf ihn keinerlei Drücke ein.

Falls an der Stelle, an der gemessen und damit'das'Viskosimeter angenordnet werden soll, nur eine geringe Bauhöhe zur Verfügung steht, sieht die Erfindung eine Ausführungsform vor, bei der das den Kolben aufnehmende Gehäuse getrennt von dem eigentlichen Viskosimetergehäuse angeordnet werden kann. Hierzu ist in einer zweckmäßigen Ausgestaltung vorgesehen, daß das den Kolben führende Gehäuse an einer vom Innenraum abgelegenen Stelle angeordnet und sein einer Abschnitt mit dem Innenraum über eine Leitung verbunden ist, während sein dem Meßraum zugekehrter Abschnitt durch eine flexible Membrane verschlossen ist. Bei ausreichender Bauhöhe am Einsatzort des Viskosimeters ist dagegen eine Ausführungsform vorgesehen, bei der die Wand des Innenraumes das Gehäuse bildet, der Kolben in diesem geführt ist und mit seinem einen Ende in den Meßraum hineinragt und ein axial beweglicher Metallbalg zwischen der Wand des Innenraumes und dem in den Meßraum hineinragenden Ende des Kolbens verläuft und damit Innen- und Meßraum gegeneinander abdichtet.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist bei beiden Ausführungsformen vorgesehen, daß in dem im Innenraum liegenden Abschnitt des Gestänges eine teleskopartige Kupplung vor-1/202

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gesehen ist. Hierdurch werden Längenänderungen ausgeglichen.

Zum Messen des Drehmomentes ist in einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung vorgesehen, daß die Drehmomentmeßeinrichtung durch einen im Innenraum liegenden und als Torsionsrohr ausgebildeten Abschnitt des Gestänges gebildet wird. Die Verdrillung dieses Torsionsrohres ist damit ein Maß für das übertragene Drehmoment. Das Torsionsrohr befindet sich in dem mit der inerten Flüssigkeit gefüllten Innenraum. Diese Flüssigkeit ist frei von Verunreinigungen und nur mäßig warm. Der das Torsionsrohr aufnehmende Teil des Viskosimeters befindet sich nämlich in der freien Atmosphäre. Möglicherweise hohe Temperaturen des Meßgutes wirken sich dort nur wenig aus. Das Torsionsrohr ist sehr verdrehungssteif. Deshalb ergeben sich keine oder nur sehr geringe Winkelverschiebungen zwischen dem Antrieb und dem Meßkörper.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß in einer öffnung im Gehäuse, durch die das Gestänge nach außen durchgeführt ist, ein auf seiner Innenseite von der Flüssigkeit beaufschlagter Dichtring angeordnet ist. Bei dieser Flüssigkeit handelt es sich um die bereits beschriebene inerte und von Verunreinigungen freie Flüssigkeit. Damit ist die Abdichtung an dieser Stelle problemlos. Da das Torsionsrohr zwischen diesem Dichtring und dem Träger angeordnet ist, beeinflußt die durch den Dichtring verursachte Reibung die Messung nicht.

Als Meßsystem können ein System aus zueinander koaxialen Zylindern, wie auch ein Platte-Kegel-System verwendet werden. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Meßsy-» stern aus drei mit Abstand konzentrisch umeinanderliegenden Zylindern besteht, von denen der innere den Meßkörper bildet und am Träger befestigt ist und die beiden äußeren mit dem Gehäuse verbunden sind. Hierdurch ergibt sich ein Doppelspaltsystem. Wichtig ist, daß jedes an der Messung beteiligte Volumenelement des Meßgutes im Doppelspalt der gleichen Scherbeanspruchung unterliegt. Hierzu müssen die Spalte genügend eng sein. /202

Es empfiehlt sich eine Größenordnung von 1 bis 2 mm. Zum Verbessern des Gutaustausches können die Zylinder in einer zweckmäßigen Ausgestaltung Ausnehmungen aufweisen.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist:

Fig. 1 ein Längsschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebs-Schwingungsviskosimeters und

Fig. 2 ein Längsschnitt durch diejenige Ausführungsform, bei der das den KolbenAufnehmende Gehäuse getrennt vom eigentlichen Viskosimeter angeordnet ist.

Fig. 1 zeigt dieses eigentliche Viskosimeter mit einem Gehäuse 12 und einem Flansch 14. In der Praxis wird das Viskosimeter durch eine öffnung in zum Beispiel einer Leitung durchgeführt und in den Meßraum 16 eingeschoben. Das Gehäuse 12 umschließt den Innenraum 18. Dieser ist mit der inerten Flüssigkeit gefüllt. Die Antriebskräfte zum Hin- und Herbewegen des Meßkörpers werden über einen oberen Wellenabschnitt 20 eingeleitet. Er verläuft in Längsrichtung des Gehäuses 12. Unterhalb des Wellenabschnittes 20 und mit diesem verbunden befindet sich das Torsionsrohr 22. Unterhalb des Torsionsrohres 22 und wieder mit diesem verbunden ist eine zweiteilige Teleskopkupplung 24 angeordnet. An diese schließen sich ein erster vertikaler Abschnitt 26 und ein zweiter horizontaler Abschnitt 28, die beide das Winkelstück 30 bilden, an. An diesem ist der Träger 32 befestigt. Die Teile 20 bis 32 können gemeinsam als ein Gestänge zum Antrieb des Meßkörpers angesehen werden. Der Träger 32 verläuft unter 90° zu der Längsachse des Viskosimeters bzw. der Drehachse 34 des Gestänges und ist auf deren beiden Seiten gleich lang. Der Träger 32 wird von dem Metallbalg 36 umschlossen. Unterhalb des Trägers 32 liegt das Meßsystem 38. Es be- . steht aus dem äußeren Zylinder 40, einem inneren Zylinder, der den Meßkörper 42 bildet, und einem weiteren äußeren bzw. radial ganz innen liegenden Zylinder 44. Die beiden Zylinder 40 und 1/202

sind miteinander verbunden und am Gehäuse 12 befestigt. Der Meßkörper 42 is't dagegen mit dem Träger 32 verbunden. Wichtig ist, daß der Träger 32 nur mit seinem einen Ende mit dem Meßkörper 42, und zwar mit dessen Seite verbunden ist. Sämtliche Zylinder weisen Ausnehmungen 46 auf. Ein Gleichstrommotor 48 mit einem Kurbelzapfen 50 und einem Hebel 52 bilden den Antrieb des Viskosimeters. Der Hebel 52 greift am oberen Wellenabschnitt 20 an. Mit dem Torsionsrohr 22 ist noch ein Schaft 54 verbunden. Diese Verbindung erfolgt über den oberen Teil der Teleskopkupplung 24. Der Schaft 54 führt zu einem Wegmesser Er bildet die Drehmomentmeßvorrichtung. Ein Dichtring 60 dichtet die Durchführung des oberen Wellenabschnittes 20 durch das Gehäuse 12 ab. Fig. 1 zeigt weiter noch ein Radialkugellager 62 zur Lagerung des oberen Wellenabschnittes 20. An der Unterseite des Flansches 14 ist der Balg 64 befestigt. Dessen anderes Ende ist mit dem Kolben 66 verbunden. Dieser wird im Gehäuse 12 geführt.

Im Betrieb erteilt der Gleichstrommotor 48 dem oberen Wellenabschnitt 20 und damit dem Gestänge und damit dem Träger 32 kleine hin- und hergehende Schwenkbewegungen. Diese übertragen sich auf den inneren Zylinder, das heißt den Meßkörper 42 des Meßsystems 38. Bei diesen oszillierenden Schwenkbewegungen des Trägers 32 und des diesen umschließenden Metallbalges 36 wird dieser durch das Meßgut in seinen Bewegungen abgebremst. Zu beachten ist hier, daß das in Fig. 1 rechts liegende Ende des Metallbalges 36 drehfest ist. Dieses Ende des Metallbalges 36 ist an einen rohrförmigen Stutzen angeschweißt. Dieser ist mit dem später noch zu beschreibenden Kolben verbunden bzw. einstückig ausgebildet. Außerdem fällt dieser Stutzen praktisch mit dem ersten vertikalen Abschnitt 26 des Winkelstückes 30, durch das die Schwingbewegungen in das Meßsystem 38 eingeleitet werden, zusammen. Es hat sich gezeigt, daß nur sehr kleine Stördrehmomente entstehen. Im Vergleich zum eigentlichen Meß-Drehmoment, das im Meßsystem 38 durch die Viskosität des Meßgutes hervorgerufen wird, liegt der resultierende Meßfehler unter 2 %. Der Träger 32 und der ihn umschließende Metallbalg 36 verlaufen unter 90° zur Drehachse 34. Träger 32 und Metallbalg 36 führen /202

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Schwenkbewegungen von etwa - 5° um diese Drehachse 34 aus. Der Metallbalg 36 folgt dieser Bewegung und krümmt sich wechselseitig, ohne dabei den Träger 32 zu berühren. Der mit der Drehachse 34 zusammenfallende Drehpunkt der Krümmungsbewegungen des Metallbalges 36 befindet sich auf etwa dessen halber Länge. Damit beschreibt das bewegte, in Fig. 1 links liegende Ende des Metallbalges 36 eine Kreisbahn, wobei die Drehachse 34 den Mittelpunkt bildet. Damit erfährt der Metallbalg 36 nur reine Winkelverformungen in jeweils nur einer Richtung. Hierdurch wird er nur wenig belastet und erhält damit eine große Lebensdauer.

Infolge der zweiteiligen Teleskopkupplung 24 ist der Träger 32 nicht unmittelbar mit dem oberen Teil des Gestänges, das heißt dem oberen Wellenabschnitt 20 verbunden. Das Meßsystem 38, der Träger 32, der Metallbalg 36 und das Winkelstück 30 werden somit von dem Kolben 66 getragen. Dieser ist über den Balg 64 mit dem Gehäuse 12 verbunden. Dessen Innenraum 18 ist mit der niedrig viskosen Flüssigkeit gefüllt. Infolge der geringen Viskosität dieser Flüssigkeit sind Stördrehmomente, die durch, die oszillierende Bewegung der im Innenraum 18 befindlichen Teile entstehen, nur sehr klein und können im allgemeinen vernachlässigt werden. Die im Innenraum befindliche Flüssigkeit füllt auch den Metallbalg 36 und den Balg 64.

Bei einem Anstieg des Druckes im Meßraum 16 wirkt auf die Unterseite des Kolbens 66 eine Kraft ein. Der Kolben 66 bewegt sich nach oben und trachtet danach, die im Innenraum 18 befindliche Flüssigkeit zusammenzudrücken. Wegen deren sehr geringer Kompressibilität legt der Kolben 66 bis zum Erreichen eines Druckausgleichs jedoch nur eine sehr geringe Wegstrecke zurück. Im Ergebnis wirken dann auf die Innen- und Außenseite des Metallbalges 36 gleiche Drücke ein.

Bei einem Anstieg der Temperatur im Meßraum 16 steigt auch die Temperatur der im Innenraum 18 befindlichen Flüssigkeit. Ihrer Ausdehnung folgt eine Abwärtsbewegung des Kolbens 66. Die dadurch bedingten Axialbewegungendes Kolbens liegen in der Größenordnung von mehreren Millimetern bis etwa 1 cm. Die gesam-1/202

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te Meßanordnung folgt diesen axialen Bewegungen, ohne daß sich ihre Geometrie dabei grundsätzlich ändert. Die zweiteilige Teleskopkupplung 24 läßt solche axialen Bewegungen zu.

Der in seiner Drehzahl geregelte Gleichstrommotor 48 erzeugt über den Kurbelzapfen 50 die oszillierende Schwingbewegung. Deren Frequenz liegt im Bereich von etwa 0,01 bis 10 Hz. Der den Eingang des Gestänges bildende obere Wellenabschnitt 20 leitet diese oszillierenden Schwingungen in das Gehäuse 12 ein. Dabei können die durch den Dichtring 60 und das Radialkugellager 62 verursachten Reibungsverluste vernachlässigt werden, da das zur Messung dienende Torsionsrohr 22 hinter ihnen liegt. Die Verdrillung des Torsionsrohres 22 ist ein Maß für das Meßdrehmoment. Die Verdrillung beträgt maximal etwa 0,1°. Die Verdrillung wird über den Schaft 54 auf den Wegmesser 56 übertragen. Vorzugsweise weist dieser Dehnungsmeßstreifen auf. Der Winkelausschlag der Drehschwingung wird mit dem induktiven Weggeber 58 erfaßt. Da das Gestänge aus dem oberen Weilenabschnitt 20, dem Torsionsrohr 22, der Teleskopkupplung 24 und dem Träger 32 sehr drehsteif ist, stimmen der von dem Weggeber 58 gemessene und der von dem Meßkörper 42 ausgeführte Weg in Amplitude und Phase miteinander überein. Die Eigenfrequenz dieser Anordnung liegt bei etwa 100 Hz.

Das vom Wegmesser 56 gemessene periodische und harmonische Drehmoment M und der vom Weggeber 58 gemessene Winkel <£? werden einer Auswerteelektronik zugeleitet. Diese bestimmt aus M und o> die Phasenverschiebung c zwischen beiden Größen. Daraus lassen sich die viskoelastischen Stoffgrößen /f\ ' und (? ' wie folgt errechnen:

= Mo A^c (θ_ο£νο .

Dabei ist:

⁼ periodisches Maximaldrehmoment, /202 ©o ⁼ P^eri°discher maximaler Winkelausschlag,

= Trägheitsmoment aller bewegten Teile unterhalb des Torsionsrohres,

= geometrischer Widerstandsfaktor des Meßsystems, = Kreisfrequenz der Schwingung.

Wie ausgeführt, wird die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform an Stellen mit nur niedriger verfügbarer Bauhöhe verwendet. Der Kolben 66 ist aus dem eigentlichen Gehäuse 12 herausgenommen und in einem besonderen Gehäuse angeordnet. Auch dieses weist einen Flansch 14 auf und kann damit an einer anderen Stelle auf eine Öffnung in einer Leitung mit einer Gutströmung aufgesetzt werden. Das Gehäuse 12 des eigentlichen Viskosimeters weist eine Bohrung 68 auf. Über eine Leitung 70 ist der Innenraum 18 des zusätzlichen Gehäuses 12 mit dem eigentlichen Gehäuse 12 verbunden. Das nach unten aus diesem Gehäuse herausstehende Ende des Kolbens 66 wird durch eine Membrane 72 und eine Platte 74 gehalten und gegenüber der Gutströmung abgedichtet. Die Arbeitsweise ist die gleiche wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1.

Claims (1)

11. Juli 1984 vA. Anmelder: Herr Diplom-Physiker

Werner Heinz , Dabringhauser Straße 72, 5000 Köln-Dellbrück

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Patentansprüche

h ./Betriebs-Schwingungsviskosimeter mit einem auf einen Meßraum aufsetzbaren und mit diesem verbindbaren Gehäuse mit einem Innenraum, mit einem im Gehäuse gelagerten und in den Meßraum hineinreichenden Gestänge, mit einem das Gestänge im Meßraum umschließenden und mit seinem einen Ende an der Gehäusewandaußenseite befestigten Metallbalg, mit einem Meßsystem mit einem rotationssymmetrischen Meßkörper an dem in den Meßraum hineinragenden Ende des Gestänges und mit einem Antrieb mit einer Drehmomentmeßvorrichtung am Gestänge zum Erzeugen einer Meßströmung zwischen dem Meßkörper und dem Meßgut im Meßraum, dadurch gekennzeichnet, daß das den Meßkörper (42) tragende und von dem Metallbalg (36) umschlossene Ende des Gestänges (20 - 32) als senkrecht zur Drehachse (34) verlaufender Träger (32) ausgebildet ist.

2. Betriebs-Schwingungsviskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (42) derart mit dem Ende des Trägers (32) verbunden ist, daß seine geometrische Achse mit der Drehachse (34) zusammenfällt.

3. Betriebs-Schwingungsviskosimeter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (32) über ein Winkelstück (30) mit dem übrigen Teil des Gestänges (20 - 30) verbunden ist und dieser einen parallel und exzentrisch zur Drehachse (34) verlaufenden ersten Abschnitt (26) und einen diesen mit dem übrigen Teil des Gestänges (20 - 30) verbindenden senkrecht zur Drehachse (34) verlaufenden zweiten

Abschnitt (28) aufweist.

4. Betriebs-Schwingungsviskosimeter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (32) am Rand des Meßkörpers (42) befestigt ist.

5. Betriebs-Schwingungsviskosimeter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylinderförmiges Gehäuse (12) mit einem in diesem verschiebbar geführten Kolben (66) vorgesehen ist, der auf der einen Seite des Kolbens (66) liegende Abschnitt des Gehäuses (12) dem Meßraum (16) und der

auf der anderen Seite des Kolbens (66) liegende Abschnitt des Gehäuses (12) dem Innenraum (18) zugekehrt und der Innenraum (18) mit einer niedrigviskosen inerten Flüssigkeit gefüllt ist.

6. Betriebs-Schwingungsviskosimeter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das den Kolben (66) führende Gehäuse (12) an einer vom Innenraum (18) abgelegenen Stelle angeordnet und sein einer Abschnitt mit diesem über eine Leitung (70) verbunden ist, während sein dem Meßraum (16) zugekehrter Abschnitt durch eine flexible Membrane (72) verschlossen ist.

7. Betriebs-Schwingungsviskosimeter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Innenraumes (18) das Gehäuse (12) bildet, der Kolben (66) in diesem geführt ist und mit einem Ende in den Meßraum (16) hineinragt und ein axialbeweglicher Metallbalg (64) zwischen der Wand des Innenraumes (18) und dem in den Meßraum (16) hineinragenden Ende des Kolbens (66) verläuft und damit Innen- und Meßraum (18, 16) gegeneinander abdichtet.

8. Betriebs-Schwingungsviskosimeter nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem im Innenraum (18) liegenden Abschnitt des Gestänges (20 - 30) eine Teleskopkupplung (24) vorgesehen ist.

9. Betriebs-Schwingungsviskosimeter nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomentmeßeinrichtung ein im Innenraum (18) liegender, als Torsionsrohr (22) ausgebildeter Abschnitt des Gestänges (20 - 30) ist.

10. Betriebs-Schwingungsviskosimeter nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einer öffnung im Gehäuse (12), durch die das Gestänge (20 - 32) nach außen durchgeführt ist, ein auf seiner Innenseite von der Flüssigkeit beaufschlagter Dichtring (60) angeordnet ist.

11. Betriebs-Schwingungsviskosimeter nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem (38) aus drei mit Abstand konzentrisch umeinanderliegenden Zylindern (40, 42, 44) besteht, von denen der innere den Meßkörper (42) bildet und am Träger (32) befestigt ist und die beiden äußeren (40, 44) mit dem Gehäuse (12) verbunden sind.

12. Betriebs-Schwingungsviskosimeter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (40, 42, 44) zum Verbessern des Gutaustausches Ausnehmungen (46) aufweisen.