DE3426139C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Betriebs-Schwingungviskosime­ ter mit einem auf einen Meßraum aufsetzbaren, mit einer Flüssigkeit gefüllten Gehäuse und mit einem in diesem ge­ lagerten, durch einen Antrieb zu Drehbewegungen angetrie­ benen und an eine Drehmomentmeßeinrichtung angeschlossenen Gestänge, dessen eines Ende in einen in den Meßraum hin­ einragenden und einen rotationssymmetrischen Meßkörper hal­ tenden Träger übergeht, wobei

• a) das Gestänge durch mindestens eine dem Antrieb zugewandte Öffnung im Gehäuse in dieses eintritt und durch min­ destens eine weitere, dem Meßraum zugewandte Öffnung aus diesem austritt und
• b) ein Metallbalg vorgesehen ist, der den Träger umschließt und dessen eines Ende an der dem Meßraum zugewandten Öffnung des Gehäuses und dessen anderes Ende am freien Ende des Trägers flüssigkeitsdicht an diesem anliegt.

Ein Betriebsviskosimeter der eingangs genannten Gattung, dessen Meßkörper nicht schwingt, sondern sich kontinuier­ lich dreht, ist bekannt (DE-PS 26 32 076). Mit diesem Vis­ kosimeter werden ausschließlich die viskosen Eigenschaften des Meßgutes ermittelt. Die Drehbewegung des Meßkörpers wird über eine Magnetkupplung reibungsfrei in den Meßraum übertragen. Abhängig vom Drehmoment tritt jedoch eine Win­ kelverschiebung zwischen den beiden Hälften der Magnetkupp­ lung auf. Diese Winkelverschiebung läßt sich nur schwierig überblicken. Bei einem Viskosimeter mit kontinuierlicher Drehung stört eine solche Winkelverschiebung nicht. Sie würde jedoch bei einem Schwingungsviskosimeter der ein­ gangs genannten Gattung stören. Bei einem Schwingungsvis­ kosimeter der eingangs genannten Gattung muß sich die Win­ kel-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 23 30 964), bei dem sich der Meßkörper ebenfalls konti­ nuierlich dreht, wird dieser durch eine sich bis in den Meßraum erstreckende Hohlwelle angetrieben. Deren Verdril­ lung 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 Meß­ raum muß mit einer Stopfbuchse oder dergleichen abgedich­ tet sein. Angesichts der genannten Eigenschaften des Meß­ gutes ist dies problematisch.

Weiter sind noch Schwingungsviskosimeter mit kontinuierli­ cher Rotation bekannt (DE-PS 20 06 119 und US-PS 26 83 984), 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 Scherbe­ dingungen liegen nicht vor. Bei der Taumelbewegung ent­ steht nämlich nicht eine schlichte berechenbare Schichten­ strömung, sondern eine Verdrängungsströmung. Diese ent­ zieht sich seiner exakten Berechnung.

Schließlich ist noch ein Betriebs-Schwingungsviskosimeter (DE-OS 33 24 842) bekannt, bei dem ein äußerer Zylinder erzwungene Drehschwingungen ausführt und ein zu diesem ko­ axialer innerer Zylinder an einer Hohlwelle bzw. einem Torsionsrohr befestigt 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 befindli­ chen Ringspalt. Dieses bekannte Betriebs-Schwingungsvisko­ simeter weist den Nachteil auf, daß entweder der äußere Zylinder ein dem Meßgut ausgesetztes Dichtelement aufwei­ sen muß oder daß bei Verzicht auf eine Dichtung Meßgut verloren geht. Schließlich ist das die Drehmomentmeßvor­ richtung bildende Torsionsrohr der Einwirkung des Meßgutes ausgesetzt. Es kommt hinzu, daß sich dieses bekannte Be­ triebs-Schwingungsviskosimeter nur in einem Nebenstrom oder Bypass zum eigentlichen Prozeßstrom einsetzen läßt.

Bekannt ist weiter ein Labor-Viskosimeter (DE-AS 12 56 922), bei dem zwei parallel zueinander verlaufende Wellen in den Meßraum eintauchen. Die eine Welle wird motorisch ange­ trieben. Die andere Welle wirkt auf eine Drehmoment-Meß­ einrichtung. An den freien Enden der Wellen sind Träger befestigt, auf deren freien Enden sich gegenüberliegend Sonden angeordnet sind. Zwischen diesen bildet sich ein Meßspalt. Bei einer Dreh- oder Schwingbewegung der einen Sonde wird die andere Sonde mitgenommen. Die Amplitude der Bewegungen dieser mitgenommenen Sonde ist eine Funk­ tion der Viskosität des im Meßspalt befindlichen Meßgutes. Die Sonden sind jedoch so groß, daß sie wie Verdrängungs­ körper wirken. Deshalb kann sich im Meßspalt eine defi­ nierte Strömung nicht aufbauen. Dies beeinträchtigt die Meßgenauigkeit.

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

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Betriebs-Schwingungsviskosimeter so auszubilden, daß zusätzlich zu der Viskosität auch die Elastizität des Meßgutes gemessen werden kann. Vorausset­ zung für eine hohe Meßgenauigkeit ist dabei, daß trotz ein­ wandfreier Abdichtung des Meßraumes gegenüber dem Antrieb und der Drehmomentmeßeinrichtung im Meßspalt eine definier­ te stetige Scherströmung entsteht. Die Lösung für diese Aufgabe ergibt sich bei einem Viskosimeter der eingangs genannten Gattung nach der Erfindung dadurch, daß ein von der Flüssigkeit im Gehäuse beaufschlagter Dichtring an der dem Antrieb zugewandten Öffnung angeordnet ist, der Träger senkrecht zur Drehachse des Gestänges verläuft, der Meßkör­ per so mit dem freien Ende des Trägers verbunden ist, daß seine Symmetrieachse fluchtend in der Drehachse des Gestän­ ges liegt, und der Meßkörper Drehschwingungen um seine Sym­ metrieachse ausführt.

Der mit der Flüssigkeit im Gehäuse beaufschlagte Dichtring dichtet dieses gegenüber dem Antrieb ab. Bei dieser Flüs­ sigkeit handelt es sich um eine inerte und von Verunreini­ gungen freie Flüssigkeit. Damit ist die Abdichtung an die­ ser Stelle problemlos. Das Torsionsrohr, das noch erläutert wird, liegt zwischen diesem Dichtring und dem Träger. Da­ her beeinflußt die durch den Dichtring verursachte Reibung die Messung nicht. Durch den Verlauf des Trägers senkrecht zur Drehachse des Gestänges wird erreicht, daß der Meßkör­ per Dreh- bzw. Schwingbewegungen um seine eigene geometri­ sche Achse ausführt, während der die Abdichtung besorgende Metallbalg nur Winkelbewegungen unterliegt. Bei Dreh- oder Schwingbewegungen des geeignet geformten Meßkörpers um seine eigene geometrische Längsachse ergibt sich eine gewünschte definierte stetige Scherströmung. Damit läßt sich die Viskosität des Meßgutes in absoluten Zahlen mes­ sen. Der abdichtende Metallbalg führt nur reine Winkel- und Axialbewegungen aus, für die er eine hohe Dauerstand­ festigkeit aufweist. Torsionsbewegungen, die zu seinem ra­ schen 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 Me­ tallbalg und Träger im allgemeinen nicht. Zu erwähnen ist weiter, daß das Gestänge in der Drehachse des Viskosime­ ters verläuft, in dessen Innenraum angeordnet ist und die Schwenkbewegungen um seine eigene geometrische Achse aus­ führt. 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. Wie ausge­ führt, liegt die Symmetrieachse des Meßkörpers fluchtend in der Drehachse des Gestänges. Dies sichert das Erreichen der gewünschten definierten stetigen Scherströmung. Infolge der gewählten Konstruktion führt der Meßkörper Dreh­ schwingungen um seine Symmetrieachse aus.

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 mathema­ tisch erfassen. Damit erfolgen die Messungen unter defi­ nierten Scherbedingungen. Die Meßergebnisse werden im ab­ soluten Meßsystem erhalten. Das Meßergebnis ist die kom­ plexe dynamische Viskosität η*. Diese wird wie folgt de­ finiert:

η* = η′ - i σ′/ω

Dabei ist η′ die gemessene dynamische Viskosität, σ′ der Speicher-Elastizitätsmodul und ω die Kreisfrequenz 2 π f der Meßschwingung mit der Frequenz f. Die Messungen erfol­ gen mittels erzwungener Drehschwingungen wenigstens eines Meßkörpers. Die an diesem auftretenden Kräfte bzw. Drehmo­ mente, die von den Eigenschaften der viskoelastischen Sub­ stanz abhängen, werden mit einer Drehmomentmeßvorrichtung in Form eines Torsionsrohres gemessen. Der Meßkörper ist Teil eines im wesentlichnen rotationssymmetrischen Meßsy­ stems. Koaxiale Zylindersysteme oder Platte-Kegel-Systeme werden wegen der bei ihnen herrschenden definierten Scher­ verhältnisse bevorzugt.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgese­ hen, daß der Träger bis zum Außenumfang des Meßkörpers verläuft. Der Meßkörper weist dabei keine weiteren Lager­ stellen im Meßgut auf.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgese­ hen, daß der Träger über ein Winkelstück, welches einen Teil des Gestänges bildet, mit diesem verbunden ist und das Winkelstück einen parallel und exzentrisch zur Dreh­ achse 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. So­ mit führt dieser nur eine einfache Winkelbewegung aus. Mit dieser Ausbildung des Trägers kann die Länge des Metall­ balges auch optimal groß gestaltet werden. Diese Maßnahmen führen zu einer langen Standzeit des Metallbalges. Zu er­ wähnen ist weiter, daß der Metallbalg den Träger reibungs­ frei gegenüber dem Meßraum abdichtet.

Zum Ausschalten von möglichen Meßfehlern ist in einer wei­ teren Ausgestaltung vorgesehen, daß das Gestänge so tor­ sionssteif ausgeführt ist, daß seine Verdrillung maximal 0,1° beträgt.

Zum Messen des Drehmomentes ist in einer weiteren zweckmä­ ßigen Ausgestaltung vorgesehen, daß ein im Innenraum des Gehäuses liegender, als Torsionsrohr ausgebildeter Ab­ schnitt des Gestänges ein elastisches Meßglied der Drehmo­ mentmeßeinrichtung bildet. Die Verdrillung dieses Tor­ sionsrohres ist damit ein Maß für das übertragene Drehmo­ ment. Das Torsionsrohr befindet sich in dem mit der iner­ ten Flüssigkeit gefüllten Innenraum. Diese Flüssigkeit ist frei von Verunreinigungen und nur mäßig warm. Der das Tor­ sionsrohr aufnehmende Teil des Viskosimeters befindet sich nämlich in der freien Atmosphäre. Möglicherweise hohe Tem­ peraturen des Meßgutes wirken sich dort nur wenig aus. Das Torsionsrohr ist sehr verdrehungssteif. Deshalb ergeben sich keine oder nur sehr geringe Winkelverschiebungen zwi­ schen dem Antrieb und dem Meßkörper.

Der Meßkörper ist ein Teil eines Meßsystems aus drei mit Abstand konzentrisch umeinanderliegenden Zylindern, von denen der innere den Meßkörper bildet und am Träger befe­ stigt ist und die beiden äußeren mit dem Gehäuse verbunden sind. Zum Verbessern des Gutaustausches weisen die Zylin­ der Ausnehmungen auf.

Durch die Schwenkbewegungen des Trägers wird der Metall­ balg abwechselnd gekrümmt. Durch den im Meßraum herrschen­ den Druck könnten nun auf den gekrümmten Metallbalg Kräfte ausgeübt werden, die das Meßdrehmoment beeinflussen und damit zu Meßfehlern führen könnten. Zum Vermeiden solcher Meßfehler wird der Druck im Innern des Metallbalges auf den Druck auf dessen Außenseite angehoben. Hierzu ist ein zylinderförmiges Gehäuse mit einem in diesem verschiebbar geführten Kolben vorgesehen. Der auf der einen Seite des Kolbens liegende Abschnitt des Gehäuses ist dem Meßraum und der auf der anderen Seite des Kolbens liegende Ab­ schnitt des Gehäuses ist dem Innenraum zugekehrt. Der In­ nenraum ist mit der genannten niedrig viskosen inerten Flüssigkeit gefüllt. Dabei kann es sich um ein Silikonöl handeln. Bei dieser Ausgestaltung ragt der Kolben in den Innenraum und vermag durch seine Axialbewegungen das Volu­ men dieses mit Flüssigkeit gefüllten Innenraumes in erheb­ lichem Maß zu verändern. Der im Meßraum herrrschende Druck wird damit über den Kolben auf den mit Flüssigkeit gefüll­ ten Innenraum und damit auf das Innere des Metallbalges übertragen. Damit herrschen auf der Innen- und Außen­ seite des Metallbalges gleiche Drücke. Infolge seiner Axial­ bewegungen kann der Kolben das Volumen des mit der Flüs­ sigkeit gefüllten Innenraumes in erheblichem Maß verän­ dern. Damit wird auch großen Änderungen des Volumens der Flüssigkeit, zum Beispiel infolge Erwärmung, Rechnung ge­ tragen. Die Axialbewegungen des Kolbens erfolgen damit im­ mer so, daß zwischen Meß- und Innenraum Druckgleichheit herrscht. Auf seiner Innenseite steht der Metallbalg mit dem Innenraum in Verbindung. Deshalb wirken auf ihn kei­ nerlei Drücke ein.

Falls an der Stelle, an der gemessen und damit das Visko­ simeter angeordnet werden soll, nur eine geringe Bauhöhe zur Verfügung steht, sieht die Erfindung eine Ausführungs­ form vor, bei der an einer vom Gehäuse des Viskosimeters abgelegenen Stelle am Meßraum ein weiteres Gehäuse ange­ ordnet ist mit einem in diesem Gehäuse geführten Kolben, bei der weiter der dem Meßraum zugekehrte und in diesen hineinragende Abschnitt des Kolbens durch eine flexible Membrane flüssigkeitsdicht verschlossen ist und der dem Gehäuseinneren zugekehrte Abschnitt des Kolbens einen In­ nenraum des weiteren Gehäuses begrenzt, der über eine Lei­ tung mit dem Innenraum des vorstehend zuerst genannten Ge­ häuses flüssigkeitsleitend verbunden ist.

Als Meßsystem können ein System aus zueinander koaxialen Zylindern, wie auch ein Platte-Kegel-System verwendet wer­ den. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Meßsystem aus drei mit Abstand konzentrisch umein­ anderliegenden Zylindern besteht, von denen der innere den Meßkörper bildet und am Träger befestigt ist und die bei­ den äußeren mit dem Gehäuse verbunden sind. Hierdurch er­ gibt sich ein Doppelspaltsystem. Wichtig ist, daß jedes an der Messung beteiligte Volumenelement des Meßgutes im Dop­ pelspalt der gleichen Scherbeanspruchung unterliegt. Hier­ zu müssen die Spalte genügend eng sein. Es empfiehlt sich eine Größenordnung von 1 bis 2 mm.

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 erfin­ dungsgemäßen Betriebs-Schwingungsviskosimeters und

Fig. 2 ein Längsschnitt durch diejenige Ausführungsform, bei der das den Kolben aufnehmende 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 ge­ füllt. Die Antriebskräfte zum Hin- und Herbewegen des Meßkör­ pers 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 wie­ der 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 Ge­ stänge 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 umschlos­ sen. 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 44 sind miteinander verbunden und am Gehäuse 12 befestigt. Der Meßkörper 42 ist dagegen mit dem Träger 32 verbunden. Wichtig ist, daß der Träger 32 nur mit seinem einen Ende mit dem Meß­ körper 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 An­ trieb des Viskosimeters. Der Hebel 52 greift am oberen Wellen­ abschnitt 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 56. Er bildet die Drehmomentmeßvorrichtung. Ein Dichtring 60 dich­ tet 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 Unter­ seite des Flansches 14 ist der Balg 64 befestigt. Dessen ande­ res Ende ist mit dem Kolben 66 verbunden. Dieser wird im Ge­ häuse 12 geführt.

Im Betrieb erteilt der Gleichstrommotor 48 dem oberen Wellenab­ schnitt 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 Meßsy­ stems 38. Bei diesen oszillierenden Schwenkbewegungen des Trä­ gers 32 und des diesen umschließenden Metallbalges 36 wird die­ ser durch das Meßgut in seinen Bewegungen abgebremst. Zu beach­ ten ist hier, daß das in Fig. 1 rechts liegende Ende des Metall­ balges 36 drehfest ist. Dieses Ende des Metallbalges 36 ist an einen rohrförmigen Stutzen angeschweißt. Dieser ist mit dem spä­ ter noch zu beschreibenden Kolben verbunden bzw. einstückig aus­ gebildet. Außerdem fällt dieser Stutzen praktisch mit dem er­ sten 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 Stördrehmo­ mente entstehen. Im Vergleich zum eigentlichen Meß-Drehmoment, das im Meßsystem 38 durch die Viskosität des Meßgutes hervorge­ rufen wird, liegt der resultierende Meßfehler unter 2%. Der Träger 32 und der ihn umschließende Metallbalg 36 verlaufen un­ ter 90° zur Drehachse 34. Träger 32 und Metallbalg 36 führen Schwenkbewegungen von etwa ±5° um diese Drehachse 34 aus. Der Metallbalg 36 folgt dieser Bewegung und krümmt sich wechselsei­ tig, 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. Da­ mit beschreibt das bewegte, in Fig. 1 links liegende Ende des Metallbalges 36 eine Kreisbahn, wobei die Drehachse 34 den Mit­ telpunkt bildet. Damit erfährt der Metallbalg 36 nur reine Win­ kelverformungen 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 so­ mit 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 ver­ nachlässigt 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 Un­ terseite des Kolbens 66 eine Kraft ein. Der Kolben 66 bewegt sich nach oben und trachtet danach, die im Innenraum 18 befind­ liche 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 Me­ tallbalges 36 gleiche Drücke ein.

Bei einem Anstieg der Temperatur im Meßraum 16 steigt auch die Temperatur der im Innnenraum 18 befindlichen Flüssigkeit. Ihrer Ausdehnung folgt eine Abwärtsbewegung des Kolbens 66. Die da­ durch bedingten Axialbewegungen des Kolbens liegen in der Grö­ ßenordnung von mehreren Millimetern bis etwa 1 cm. Die gesam­ te Meßanordnung folgt diesen axialen Bewegungen, ohne daß sich ihre Geometrie dabei grundsätzlich ändert. Die zweiteilige Te­ leskopkupplung 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 Radialkugella­ ger 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 Meß­ drehmoment. Die Verdrillung beträgt maximal etwa 0,1°. Die Ver­ drillung wird über den Schaft 54 auf den Wegmesser 56 übertra­ gen. Vorzugsweise weist dieser Dehnungsmeßstreifen auf. Der Winkelausschlag der Drehschwingung wird mit dem induktiven Weg­ geber 58 erfaßt. Da das Gestänge aus dem oberen Wellenabschnitt 20, dem Torsionsrohr 22, der Teleskopkupplung 24 und dem Träger 32 sehr drehsteif ist, stimmen der von dem Weggeber 58 gemesse­ ne und der von dem Meßkörper 42 ausgeführte Weg in Amplitude und Phase miteinander überein. Die Eigenfrequenz dieser Anord­ nung liegt bei etwa 100 Hz.

Das vom Wegmesser 56 gemessene periodische und harmonische Drehmoment M und der vom Weggeber 58 gemessene Winkel R wer­ den einer Auswerteelektronik zugeleitet. Diese bestimmt aus M und R die Phasenverschiebung c zwischen beiden Größen. Daraus lassen sich die viskoelastischen Stoffgrößen η′ und σ′ wie folgt errechnen:

η′ = M₀ sin c / R₀S ω; σ′ = (M₀ cos c + J ω²R₀) / R₀S

Dabei ist:

M₀= periodisches Maximaldrehmoment, R₀= periodischer maximaler Winkelausschlag, I= Trägheitsmoment aller bewegten Teile unterhalb des Torsionsrohres, S= geometrischer Widerstandsfaktor des Meßsystems, ω= 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 auf­ gesetzt werden. Das Gehäuse 12 des eigentlichen Viskosimeters weist eine Bohrung 68 auf. Über eine Leitung 70 ist der Innen­ raum 18 des zusätzlichen Gehäuses 12 mit dem eigentlichen Ge­ häuse 12 verbunden. Das nach unten aus diesem Gehäuse heraus­ stehende Ende des Kolbens 66 wird durch eine Membrane 72 und eine Platte 74 gehalten und gegenüber der Gutströmung abge­ dichtet. Die Arbeitsweise ist die gleiche wie bei der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 1.

Claims (8)

1. Betriebs-Schwingungsviskosimeter mit einem auf einen Meßraum aufsetzbaren, mit einer Flüssigkeit gefüllten Gehäuse und mit einem in diesem gelagerten, durch einen Antrieb zu Drehbewegungen angetriebenen und an eine Drehmomentmeßeinrichtung angeschlossenen Gestänge, des­ sen eines Ende in einen in den Meßraum hineinragenden und einen rotationssymmetrischen Meßkörper haltenden Träger übergeht, wobei

• a) das Gestänge (20-30) durch mindestens eine dem An­ trieb zugewandte Öffnung im Gehäuse (12) in dieses eintritt und durch mindestens eine weitere, dem Meß­ raum zugewandte Öffnung aus diesem austritt und
• b) ein Metallbalg (36) vorgesehen ist, der den Träger (32) umschließt und dessen eines Ende an der dem Meßraum (16) zugewandten Öffnung des Gehäuses (12) und dessen anderes Ende am freien Ende des Trägers (32) flüssigkeitsdicht an diesem anliegt,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• c) ein von der Flüssigkeit im Gehäuse (12) beaufschlag­ ter Dichtring (60) an der dem Antrieb zugewandten Öffnung angeordnet ist,
• d) der Träger (32) senkrecht zur Drehachse des Gestän­ ges (20-30) verläuft,
• e) der Meßkörper (38) so mit dem freien Ende des Trä­ gers (36) verbunden ist, daß seine Symmetrieachse fluchtend in der Drehachse (34) des Gestänges (20-30) liegt, und
• f) der Meßkörper (38) Drehschwingungen um seine Symme­ trieachse ausführt.

2. Betriebs-Schwingungsviskosimeter nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Träger (32) bis zum Außen­ umfang des Meßkörpers (42) verläuft.

3. Betriebs-Schwingungsviskosimeter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (32) über ein Winkelstück, welches einen Teil des Gestänges (20-30) bildet, mit diesem verbunden ist und das Win­ kelstück (30) einen parallel und exzentrisch zur Dreh­ achse (34) verlaufenden ersten Abschnitt (26) und einen diesen mit dem übrigen Teil des Gestänges (20-30) verbindenden, senkrecht zur Drehachse (34) verlaufen­ den zweiten Abschnitt (28) aufweist.

4. Betriebs-Schwingungsviskosimeter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestänge (20-30) so torsionssteif ausgeführt ist, daß seine Ver­ drillung maximal 0,1° beträgt.

5. Betriebs-Schwingungsviskosimeter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Innenraum (18) des Gehäuses (12) liegender, als Torsionsrohr (22) ausgebildeter Abschnitt des Gestänges (20-30) ein elastisches Meßglied der Drehmomentmeßeinrichtung bildet.

6. Betriebs-Schwingungsviskosimeter nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Meßsystem (38) aus drei mit Abstand konzentrisch umeinanderliegenden Zy­ lindern (40, 42, 44), von denen der innere den Meßkör­ per (42) bildet und am Träger (32) befestigt ist und die beiden äußeren (40, 44) mit dem Gehäuse (12) ver­ bunden sind.

7. Betriebs-Schwingungsviskosimeter nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zylinder (40, 42, 44) zum Verbessern des Gutaustausches Ausnehmungen (46) aufweisen.

8. Betriebs-Schwingungsviskosimeter nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an einer vom Ge­ häuse (12) des Viskosimeters abgelegenen Stelle am Meßraum (16) ein weiteres Gehäuse angeordnet ist mit einem in diesem Gehäuse geführten Kolben, daß der dem Meßraum (16) zugekehrte und in diesen hineinragende Abschnitt des Kolbens durch eine flexible Membrane (72) flüssigkeitsdicht verschlossen ist, daß der dem Gehäuse­ inneren zugekehrte Abschnitt des Kolbens einen Innen­ raum des weiteren Gehäuses begrenzt, der über eine Leitung (70) mit dem Innenraum des Gehäuses (12) flüs­ sigkeitsleitend verbunden ist.