DE3630565A1 - Viskositaetsmessgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Viskositätsmeßgerät zum Messen der Viskosität eines flüssigen und gasförmigen Mediums, mit in das Medium eintauchbaren, auf der gleichen Achse gelagerten ersten und zweiten Rotationskörpern, die so gestaltet, dimensioniert und angeordnet sind, daß sie sich gegenüberliegende Flächen haben, die durch eine dünne Schicht des Mediums voneinander getrennt werden, wobei der erste Rotationskörper um die Achse frei drehbar ist, während der zweite Rotationskörper ebenfalls um die Achse drehbar und von einem Motor antreibbar ist.

Ein derartiges Viskositätsmeßgerät dient insbesondere zur Meßung der Viskosität von Öl, welches als Schmiermittel bei einer Wärmekraftmaschine, beispielsweise eines Kraftfahrzeuges, verwendet wird.

Eine Einrichtung dieser Art ist in der US-PS 40 92 842 beschrieben. Um mit diesen bekannten Gerät eine Messung durchzuführen, wird der erste Rotationskörper angehalten bzw. zum Stillstand gebracht, während der zweite Rotationskörper zu einer Drehbewegung angetrieben wird, um sich um einen relativ kleinen Winkel zu verdrehen, um in dem Medium eine Scherkraft bzw. ein Abscheren des Mediums zu bewirken. Sobald die Bewegung des zweiten Rotationskörpers aufhört, wird der erste Rotationskörper freigegeben, so daß er sich unter dem Einfluß der Spannung, die gerade vorher auf das Medium ausgeübt worden ist, geringfügig verdreht. Es sind Einrichtungen vorgesehen, um die aufeinanderfolgenden Winkelpositionen des ersten Rotationskörpers zu messen, wobei diese Winkelpositionen abhängig sind von den elastischen Eigenschaften des Mediums. Ein derartiges Gerät ist begrenzt auf die Untersuchung sehr viskoser Medien, wobei eine aufwendige und komplexe Meßeinrichtung erforderlich ist und auch die Bedienungsperson außerordentlich geschult sein muß, um die Meßergebnisse auszuwerten.

Es ist weiterhin ein anderes sehr ähnliches Gerät bekannt, bei dem der erste Rotationskörper feststehend ist, während der zweiter Rotationskörper mittels eines Gegengewichtssystems angetrieben wird, das an einem Kabel befestigt ist, das auf eine an diesem Rotationskörper vorgesehene Achse aufgewickelt ist. Man übt demzufolge ein konstantes Moment auf den ersten Drehkörper, der eine Rotationsgeschwindigkeit erhält, die proportional zur Viskosität der Flüssigkeit des Mediums ist, das sich zwischen entsprechenden Flächenabschnitten der beiden Rotationskörper befindet. Die Dauer der Zeit, die das Gegengewicht benötigt, um eine bestimmte Strecke zu durchlaufen, ist proportional zur Viskosität und liefert demzufolge nach Multiplikation mit einem geeigneten Proportionalitätsfaktor ein Maß für diese Viskosität. Bei diesem Gerät wird die Meßung von Hand durchgeführt und dauert eine gewisse Zeit, die um so länger wird, je höher die Viskosität ist. Im übrigen ist zu berücksichtigen, daß die Viskosität eines Mediums, insbesondere eines Öles, stark temperaturabhängig ist, ebenso wie seine Dichte, und daß diese letzte Größe einen Einfluß auf den Proportionalitätskoeffizienten hat. Es ist daher erforderlich, daß die Temperatur des Mediums während der Meßdauer konstant bleibt, damit die Messung ausreichend repräsentativ für das Verhalten des Mediums bei dieser Temperatur ist. Dazu ist es erforderlich das Meßgerät in einen thermostatisch geregelten Behälter zu bringen. Bei der Benutzung eines Gegengewichtssystems ist es weiterhin erforderlich, daß die Messung in einer nicht vibrierenden oder nicht schwingenden Umgebung durchgeführt wird.

In der europäischen Patentveröffentlichung 00 07 427 ist ein weiteres sehr ähnliches Meßgerät beschrieben. Bei diesem Gerät ist der erste Rotationskörper nicht frei drehbar gelagert sondern an einen elastischen Torsionsmechanismus angeschlossen, so daß der erste Rotationskörper sich nur um einen sehr geringen Drehwinkel drehen kann. Wenn der zweite Rotationskörper von dem Motor angetrieben wird, ist der Winkel, um den sich der erste Drehkörper dreht, repräsentativ für die Viskosität des Mediums. Um daraus ein für diese Viskosität repräsentatives elektrisches Signal zu erhalten, verwendet man einen auf die Winkelposition ansprechenden Meßwertgeber. Ein solcher Meßwertgeber ist von seinem Konzept her relativ komplex und damit nur in geringem Umfang an sich ändernde Umstände anpassbar und außerdem mechanisch sehr zerbrechlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in der Konstruktion, Funktion und Handhabung einfaches Viskositätsmeßgerät zu schaffen, welches nicht mit den oben geschilderten Nachteilen der bekannten Geräte behaftet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Viskositätsmeßgerät dadurch gekennzeichnet, daß der Motor den zweiten Rotationskörper mit einer vorgebenen Drehgeschwindigkeit antreibt, und daß eine Einrichtung zum Messen der Drehgeschwindigkeit des ersten Rotationskörpers vorgesehen ist, um ein für die Viskosität des zu untersuchenden Mediums repräsentatives Signal zu liefern.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßgerät liefert die Messung der Drehgeschwindigkeit des frei drehbar gelagerten Rotationskörper nach entsprechender Meßwertaufbereitung einen Wert für die Viskosität, und zwar ausgehend davon, daß die relative Drehgeschwindigkeit der beiden Rotationskörper von der Viskosität des Mediums abhängig ist, wobei die Drehgeschwindigkeit des von dem Motor angetriebenen Rotationskörper bekannt ist. Diese Messung wird automatisch und sehr schnell durchgeführt, so daß man aufgrund der thermischen Trägheit des Mediums davon ausgehen kann, daß die Temperatur während der Meßdauer konstant ist. Die Messung ist daher repräsentativ für die Viskosität des Mediums bei dieser Temperatur, ohne daß man eine thermostatisch geregelte Umgebung benötigt.

Die relative Bedeutung von Schwingungen bzw. Vibrationen ist außerdem herabgesetzt, da man die Rotationsgeschwindigkeit des Motors zu hoch ansetzen kann, wie es erforderlich ist.

Die Einrichtung bzw. Schaltung zur Messung der Drehgeschwindigkeit des ersten Rotationskörpers, der vorzugsweise die Form eines Zylinders hat, ist einfach zu gestalten und leicht anpassbar an sich wechselnde Gegebenheiten.

Es besteht damit die Möglichkeit, ein derartiges Viskositätsmeßgerät beispielsweise an Bord eines Kraftfahrzeuges zu installieren.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßgerätes sind vorzugsweise auch ein in das zu untersuchende Medium eintauchender Temperaturgeber und eine an diesen Temperaturgeber angeschlossene Stellung zur Steuerung des Motors vorgesehen, die so gestaltet sein kann, daß sie den Motor in Betrieb setzt, wenn die Temperatur einen bestimmten Wert erreicht.

Die Viskositätsmessung erfolgt damit automatisch jedesmal dann, wenn das Kraftfahrzeug, das mit dem erfindungsgemäßen Gerät ausgestattet ist, in Gang gesetzt wird, und zwar dann, wenn die Temperatur des Motoröls den vorgebenen Wert, beispielsweise 100°C, erreicht bzw. durchläuft, um damit in Übereinstimmung mit den klassischen Normen der Viskositätsmeßung zu bleiben.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild der an das Meßgerät gemäß Fig. 1 angeschlossen elektrischen Schaltung.

In Fig. 1 ist ein Viskositätsmeßgerät 1 dargestellt, daß einen Meßwertgeber umfaßt, dessen Gehäuse 2 in eine Öffnung 3 eines Ölkastens 4 einer Wärmekraftmaschine eines Automobils einsetzbar ist, derart, daß der untere Teil des Gehäuses 2 in das Motoröl 5 eintaucht, das sich in dem Ölkasten 4 befindet.

Das Gehäuse 2 ist mit Öffnungen 21, 22 versehen, die das Öl 5 in das Innere des unteren Gehäuseteils eintreten lassen.

Im Inneren des Oberteils des Gehäuses 2 ist ein Elektromotor 6 untergebracht. Er ist mit einer Abtriebswelle 61 versehen, die fest mit einem ersten kranz- oder kronenförmigen Rotationskörper oder Hohlzylinder 7 mit der Achse 70 verbunden ist, dessen Hohlraum im wesentlichen die Form eines Ringspaltes hat.

Ein zweiter Rotationskörper oder Zylinder 8 mit der gleichen Achse 70 ist so geformt, daß er in den ringförmigen Hohlraum des ersten Hohlzylinders eintaucht, ohne ihn zu berühren, derart, daß sich zwischen den sich gegenüberliegenden Flächen der ersten und zweiten Zylinder eine dünne Ölschicht 9 aufbauen kann; der zweite Zylinder ist um die Achse 70 frei drehbar mittels eines Wälzlagers 10 gelagert, das an einer Mittelwand des Gehäuses 2 fest angebracht ist.

Die Ölschicht soll in klassischer Weise im wesentlichen eine Dicke von etwa 1 mm haben, damit die Geschwindigkeitsverteilung laminar ist.

Mit dem zweiten Zylinder 8 ist ein Zahnrad 11 aus Metall fest verbunden. Ein induktiver Meßwertgeber 12 ist den Zähnen des Zahnrades 11 unmittelbar gegenüberliegend angeordnet.

Ein Temperaturgeber 13 ist fest an dem Gehäuse 2 angebracht, derart, daß er in das Öl eintaucht.

Der insbesondere den Elektromotor aufnehmende obere Teil des Gehäuses 2 ist gegenüber dem unteren, in das Öl 5 eintauchenden Teil des Gehäuses in üblicher Weise abgedichtet.

Der obere Gehäuseteil ist mittels eines Deckels 16 verschlossen, der mit einem elektrischen Anschluß 17 versehen ist, der über Leitungen 101, 102 und 103 an den induktiven Meßwertgeber 12, an den Motor 6 bzw. den Temperaturgeber 13 angeschlossen ist.

Fig. 2 zeigt eine elektrische Schaltung 15, die in einem nicht dargestellten Kasten an einer Stelle untergebracht ist, an der die Temperatur unter 85°C bleibt. Die Schaltung umfaßt einen Anschluß 17′, der über ein Kabel 115 an den Anschluß 17 des Meßgerätes angeschlossen ist.

Die elektrische Schaltung 15 umfaßt ein Verarbeitungselement 30, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, eine Schaltung 121 zum Informbringen eines Signals, einen Analog-Digital-Wandler 131 und einen Verstärker 161.

Die Schaltung 121 zum Informbringen ist im vorliegenden Fall ein Vergleicher. Der Eingang der Schaltung 121 ist an den Anschluß 101 angeschlossen, während der Ausgang der Schaltung 121 an den Mikroprozessor 30 angeschlossen ist.

Der Analogeingang des Analog-Digital-Wandlers 131 ist an den Anschluß 103 angeschlossen, während der Digitalausgang an den Mikroprozessor 30 angeschlossen ist.

Der Eingang des Verstärkers 61 ist an einen Ausgang des Mikroprozessors 30 und der Verstärkerausgang ist an den Anschluß 102 angeschlossen.

Der Mikroprozessor 30 ist mit einem Binärausgang 41 und mit einem Digitalausgang 42 versehen.

Die Schaltung 15 ist außerdem mit einem elektrischen Versorgungseingang 43 versehen, der in üblicher und daher nicht dargestellter Weise an die einzelnen Bausteine der Schaltung 15 angeschlossen ist.

Das erfindungsgemäße Viskositätsmeßgerät arbeitet in der folgenden Weise:

Der Binärausgang 41 ist an eine Alarmeinrichtung angeschlossen, beispielsweise an eine Lichtanzeige am Amaturenbrett des Fahrzeuges, und der Digitalausgang bzw. numerischer Ausgang 42 ist an eine alphanumerische Ausgabeeinrichtung angeschlossen, die ebenfalls einen Teil des Amaturenbrettes bildet. Der Eingang 43 ist über einen von dem Zündschlüssel betätigbaren Kommutator an die Batterie des Kraftfahrzeuges angeschlossen.

Der Mikroprozessor 30 ist so eingerichtet, daß er eine allgemeine Rückstellung auf Null bewirkt, nachdem er nach dem Anlassen des Fahrzeuges unter Spannung gesetzt worden ist.

Der Mikroprozessor 30 ist so eingerichtet, daß er ständig an den Ausgang 42 den numerischen Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 131 überträgt, der für den Analogausgang des Temperaturgebers 12 und damit die Öltemperatur repräsentativ ist, die damit ständig zu Kontrollzwecken an dem Amaturenbrett ablesbar ist.

Der Mikroprozessor 30 ist weiterhin so eingerichtet, daß er eine Steuerspannung an den Eingang des Verstärkers 161 liefert und damit den Motor 6 in Gang setzt, wenn der numerische Ausgang des Analog-Digital- Wandlers 131 eine vorgegebene Größe erreicht, die beispielsweise einer Temperatur von 100°C entspicht.

In dem vorliegenden Fall rotiert der Zylinder 7 mit einer konstanten Geschwindigkeit, beispielsweise mit 10 000 U/min. Der Zylinder 8 wird dadurch mit einer Drehzahl angetrieben, die von der Viskosität des Motoröls abhängig ist. Die Frequenz des periodischen Signales, das von dem induktiven Geber 12 abgegeben wird, vor dem die Zähne des mit dem Zylinder 8 fest verbundenen Zahnrades 11 vorbeibewegt werden, ist damit repräsentativ für diese Geschwindigkeit. Das periodische Signal, das von der Schaltung 121 in Form gebracht bzw. aufgearbeitet wird, wird zu einer Impulsfolge transformiert, deren Wiederholung- bzw. Taktfrequenz an die Rotationsgeschwindigkeit des Zylinders 8 gebunden ist.

Der Mikroprozessor 30 ist so gestaltet, daß er an den Ausgang 41 ein Signal abgibt, wenn diese Wiederholungs- bzw. Taktfrequenz über einen bestimmten einer bestimmten Viskosität entsprechenden Wert entspricht, der einen Abnutzung bzw. Degradation des Öles anzeigt. Der Fahrzeugführer wird damit durch ein Alarmzeichen darauf aufmerksam gemacht, daß das verbrauchte bzw. abgenutze Öl erneuert werden muß.

Der Mikroprozessor 30 ist so gestaltet, daß er den Motor 6 nach einer bestimmten Zeit abschaltet, im vorliegenden Fall nach 50 Sekunden.

Die Viskosität des Motoröls wird damit automatisch zu dem Zeitpunkt gemessen, bei dem die Öltemperatur 100°C beträgt, und zwar in Übereinstimmung mit den üblichen Normen der Viskositätsmessung. Der Fahrzeugführer wird somit darauf aufmerksam gemacht, wenn es notwendig ist, das Motoröl zu ersetzen bzw. zu erneuern.

Ein derartiger Prozeß läuft automatisch jedesmal dann ab, wenn die Öltemperatur 100°C übersteigt, d. h. mindestens jedesmal dann, wenn der Kraftfahrzeugmotor gestartet worden ist.

Die Meßvorrichtung ist weiterhin so gestaltet, daß sie permanent die Öltemperatur mißt, so daß es überflüssig ist, einen entsprechenden Meßwertgeber vorzusehen, der diese Funktion erfüllt.

Die beschriebene Vorrichtung enthält einen Mikroprozessor 30, der ausschließlich zur Steuerung dieser Vorrichtung dient. Wenn das Fahrzeug bereits aus anderen Gründen mit einem Mikroprozessor ausgerüstet ist, kann ein zusätzlicher Mikroprozessor, beispielsweise der Mikroprozessor 30, entfallen, so daß die Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dann über den externen Mikroprozessor erfolgt.

Die Benutzung eines relativ zur Schaltung 15 internen oder externen Mikroprozessors ist im übrigen nicht obligatorisch, und es besteht die Möglichkeit, einen Elektronikkreis vom Typ einer "kablierten Logik" zu verwenden, die einfach von einem Fachmann so ausgestaltet werden kann, daß sie die Funktion der elektronischen Schaltung 15 übernimmt.

Der Analog-Digital-Wandler mit einem einzigen Eingang, der an den Temperaturgeber angeschlossen ist, kann durch eine Schaltung mit zwei Eingängen ersetzt werden, von denen der zweite Eingang an einen Ölstandsmesser angeschlossen ist. Das Ausgangssignal dieses zweiten Einganges kann eine kodierte numerische Folge sein, so wie sie beschrieben ist, oder ein periodisches Signal mit zwei Niveaus, dessen zyklische Information beispielsweise dem gemessenen Wert proportional ist. Es ist außerdem möglich, dann, wenn man nicht beabsichtigt, die Temperatur des Motoröls anzuzeigen, den Analog-Digital- Wandler durch einen einfachen Analogvergleicher zu ersetzen, der denn Durchgang durch den Temperaturwert 100°C anzeigt.

Die Drehzahlmessung des frei rotierenden Zylinders, die im vorliegenden Fall über ein Metallzahnrad und einen induktiven Geber erfolgt, kann auch mittels eines optischen Systems erfolgen, oder mit jedem anderen System zur Drehzahlmessung eines rotierenden Teiles.

Die Viskositäts-Meßtemperatur von 100°C, die im vorliegenden Fall entsprechend den klassischen Normen ausgewählt ist, kann ebenfalls anders ausgewählt werden. Die beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird an Bord eines Kraftfahrzeuges benutzt. Es ist jedoch klar, daß sie auch zu Laborzwecken benutzt werden kann, da sie verglichen mit anderen bekannten Vorrichtungen dieser Art den doppelten Vorteil hat, daß sie schnell anspricht und ohne einen thermostatisch geregelten Behälter auskommt.

Claims (7)

1. Viskositätsmeßgerät zum Messen der Viskosität eines flüssigen oder gasförmigen Mediums (5), mit in das Medium eintauchbaren, auf der gleichen Achse (70) gelagerten ersten (8) und zweiten (7) Rotationskörpern, die so gestaltet, dimensioniert und angeordnet sind, daß sie sich gegenüberliegende Flächen haben, die durch eine dünne Schicht (9) des Mediums (5) voneinander getrennt werden, wobei der erste Rotationskörper (8) um die Achse (70) frei drehbar ist, während der zweite Rotationskörper (7) ebenfalls um die Achse (70) drehbar und von einem Motor (6) antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (6) den zweiten Rotationskörper (7) mit einer vorgegebenen Drehgeschwindigkeit antreibt, und daß einer Einrichtung (11, 12) zum Messen der Drehgeschwindigkeit ist, um ein für die Viskosität des Mediums (5) repräsentatives Signal zu liefern.

2. Viskositätsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rotationskörper ineinander gesteckte Zylinder (7, 8) sind.

3. Viskositätsmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Zylinder (7) zwei koaxiale Zylinderflächen aufweist, die einen den anderen Zylinder (8) aufnehmenden Ringspalt begrenzen.

4. Viskositätsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein in das Medium (5) eintauchender Temperaturgeber (13) und eine an diesen Temperaturgeber (13) angeschlossene Schaltung (15) zur Steuerung des Motors (6) vorgesehen sind, derart, daß der Motor (6) in Gang gesetzt wird, wenn die Temperatur einen vorgeben Wert erreicht.

5. Viskositätsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Alarmeinrichtung vorgesehen ist, und daß an die Drehgeschwindigkeitsmeßeinrichtung (11, 12) angeschlossene Schaltung (15) zum Auslösen des Alarms angeschlossen ist, wenn die Drehgeschwindigkeit des ersten Rotationskörpers (8) einen bestimmten Wert erreicht.

6. Viskositätsmeßgerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (15) zur Steuerung des Motors (16) dazu geeignet ist, den Motor nach einer bestimmten Laufzeit anzuhalten.

7. Viskositätsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeitsmeßeinrichtung ein Metallzahnrad (11) und einen induktiven Meßwertgeber (12) umfaßt.