DE3802405A1 - Oszillierendes searle-prozessviskosimeter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein oszillierendes Searle-Prozeßviskosimeter mit einem von einem Motor zu erzwungenen Schwingungen angetriebenen Innenzylinder, der an einer zur Halterung und zum Messen des Drehmomentes dienenden und in den Meßraum ragenden Rohrwelle mit einem Innengestänge befestigt ist, und mit einer von dem Innengestänge betätigten Winkelmeßanordnung. Oszillierende Viskosimeter gestatten, neben den viskosen auch die elastischen Eigenschaften von Flüssigkeiten und plastischen Stoffen zu bestimmen. Bestimmungsgrößen sind dann die Viskosität und der elastische Speichermodul. Diese Größen werden bei einem Prozeßviskosimeter während des Produktionsprozesses, zum Beispiel in einer Rohrleitung, kontinuierlich gemessen.

Es sind oszillierende Prozeßviskosimeter nach dem Couette- Prinzip (DE-OS 33 24 842) bekannt, bei denen dem Außenzylinder durch einen Motor Drehschwingungen aufgezwungen werden. Die Messung des durch die Stoffeigenschaften bestimmten Drehmomentes erfolgt am Innenzylinder. Dieser ist entweder an einer Rohrwelle befestigt oder selbst als Rohrwelle ausgebildet. Die durch das Drehmoment bewirkte geringfügige Verdrillung der Rohrwelle wird über ein im Inneren der Rohrwelle angeordnetes Gestänge erfaßt und dient als Maß für das Drehmoment. Bei Couette-Viskosimetern sind zwei bewegte Zylinder vorhanden. Mit ihren Halterungen ragen sie in die Substanz und bilden entsprechend zahlreiche Ecken, Winkel und Toträume. Dieses Meßsystem ist daher für fortlaufende Messungen an aushärtenden Substanzen, zum Beispiel Kunststoffschmelzen, weniger geeignet.

Bei Searle-Viskosimetern dreht sich nur der Innenzylinder. Auch das Drehmoment wird an diesem gemessen. Ein Searle-Prozeßviskosimeter für oszillierende Messungen ist bekannt (US-PS 46 43 020), bei dem die Halterung des Innenzylinders durch einen Metallbalg abgedichtet wird. Metallbälge sind jedoch, vor allem nach längerer Betriebszeit, bruchgefährdet. Auch bei diesem Viskosimeter wird das Drehmoment über die Verdrillung einer Rohrwelle gemessen.

Um bei Verwendung einer Rohrwelle als Element zur Drehmomentmessung ein hinreichend großes Meßsignal, also eine genügend große Verdrillung, zu erhalten, muß die Rohrwelle dünnwandig ausgeführt sein. Das bedingt aber eine geringe Seitensteifigkeit der Anordnung. Bei seitlich auf den Innenzylinder gerichteten Strömungskräften bleibt daher die Geometrie des substanzgefüllten Ringspaltes zwischen Außen- und Innenzylinder häufig nicht erhalten. Dies führt zu Meßfehlern.

Zum Erhöhen der Seitensteifigkeit sind daher bei einem anderen bekannten Viskosimeter (US-PS 41 75 425) Bleche von außen stumpf auf die Rohrwelle aufgeschweißt. Damit wird sie gegenüber Seitenkräften versteift. Ihre Verdrehbarkeit wird nicht beeinträchtigt. Die aufgeschweißten Bleche ragen jedoch in den Meßraum. Dadurch entstehen wieder Ecken, Winkel und Toträume, in denen sich Substanz festsetzen kann.

Die Rohrwelle erfährt durch das Meßdrehmoment eine nur kleine Verdrillung unter 1°. Diese Verdrillung wird bei den bekannten Ausführungen durch ein Gestänge auf eine Winkel- oder Verformungsmeßanordnung im Gerät übertragen. Das Gestänge ist an dem am weitesten in den Meßraum ragenden Ende der Rohrwelle befestigt. Die Rohrwelle erfährt aber auch durch andere Einflüsse Veränderungen ihrer Geometrie. Sie verkürzt sich nämlich durch Stauchung bei erhöhtem Druck im Meßraum, und sie wird bei erhöhten Temperaturen durch Wärmedehnung länger. Diese Verformungen, deren Ausmaß in der Größenordnung der Verdrillung durch das Meßdrehmoment liegt, werden durch das Gestänge ebenfalls auf die Meßanordnung übertragen. Sie bewirken dort Effekte, die als Meßfehler in Erscheinung treten. Mehr oder weniger treten diese Meßfehler bei sämtlichen bekannten Viskosimetern auf.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein oszillierendes Searle-Prozeßviskosimeter so auszubilden, daß die Rohrwelle zum Vermeiden der genannten Meßfehler eine hohe Seitensteifigkeit erhält, ohne daß die hierzu getroffenen Maßnahmen neue Meßfehler erzeugen. Zum Lösen dieser Aufgabe wird das Innengestänge bei einem Prozeßviskosimeter der eingangs genannten Gattung als eine zur Versteifung dienende Welle mit einem Durchmesser von nahezu dem der Rohrwelle ausgebildet und in einem vom Meßraum abgewandten Teil der Rohrwelle gelagert. Die erfindungsgemäß mit nahezu deren Durchmesser durch die Rohrwelle durchtretende und das Innengestänge bildende Welle versteift die Rohrwelle wesentlich gegenüber Seitenkräften. Ihr Durchmesser liegt nur wenig unter dem der Rohrwelle. Zwischen Rohrwelle und Welle bleibt daher nur ein kleiner Ringspalt offen. Die das Innengestänge bildende Welle wird in der Rohrwelle in deren vom Meßraum abgewandten Bereich gelagert. In diesem Bereich hat der Konstrukteur genügend Möglichkeiten, Lager für das Innengestänge ausreichend groß und damit stark auszubilden.

Wie ausgeführt, verändert die Rohrwelle infolge Druck- und Temperaturänderungen ihre Form und ihre Abmessungen. Damit entstehen zusätzlich zu den erwünschten Drehschwingungen auch axiale und seitliche Auslenkungen. Diese würden bei einer Übertragung zur Winkelmeßanordnung Meßfehler verursachen. Zum Vermeiden dieser Fehler ist in einer zweckmäßigen Ausgestaltung vorgesehen, daß ein Metallbalg als Übertragungselement zwischen dem vom Meßraum abgewandten Ende der Welle und der Winkelmeßanordnung angeordnet ist. Dieser Metallbalg ist gegenüber Drehbewegungen sehr steif. Gegenüber axialen und seitlichen Bewegungen ist er jedoch sehr flexibel. Damit werden diese Auslenkungen nicht übertragen, und Meßfehler werden vermieden. Die Parameter Druck und Temperatur gehen damit nicht in die Messung ein. Die Auslenkungen der Rohrwelle sind sehr gering. Deshalb wird auch der Metallbalg nur wenig verformt. Im Unterschied zu seinen Anwendungen beim Stand der Technik unterliegt er daher keiner Bruchgefahr.

Wie ausgeführt, wird die Rohrwelle durch die erfindungsgemäß in ihrem Inneren verlaufende Welle gegenüber Seitenkräften versteift. Ihre Verdrehbarkeit leidet jedoch nicht. Bei einer Verdrehung der Rohrwelle führen die erfindungsgemäß vorgesehene Welle und ihre Lager im oberen Teil der Rohrwelle eine kleine Drehbewegung gegenüber dieser aus. Auf die Messung des Drehmomentes hat dies praktisch keinen Einfluß.

Die beiden vorstehend genannten Merkmale wirken auch sich ergänzend zusammen. Die gemäß dem ersten Merkmal vorgesehene Welle versteift die Rohrwelle gegenüber Seitenkräften. Infolge der Steifigkeit der Welle besonders starke axiale und seitliche Auslenkungen werden aber durch den Metallbalg von der Winkelmeßanordnung abgehalten und können damit zusätzliche Fehler nicht bedingen.

Die Rohrwelle durchläuft das Gehäuse auf einer größeren Strecke in einem vom Meßraum abgewandten und über diesem liegenden Bereich. In diesem hat der Konstrukteur vielfache Möglichkeiten zu ihrer Verstärkung und Versteifung. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist daher vorgesehen, daß der vom Meßraum abgewandte Teil der Rohrwelle verstärkt ist. Hierzu kann dieser eine größere Wandstärke aufweisen. Eine weitere Möglichkeit liegt darin, daß die Rohrwelle in zwei konzentrisch mit Abstand umeinander liegende Abschnitte aufgeteilt ist.

Für die Winkelmeßanordnung wird in einer zweckmäßigen Ausgestaltung vorgeschlagen, daß er durch mit Dehnungsmeßstreifen belegte Metallamellen gebildet ist und diese durch die Verdrehung der Rohrwelle auf Biegung beansprucht sind. Die Lamellen haben vorzugsweise die Form länglicher Platten und bestehen vorzugsweise aus Stahl. Die Dehnungsmeßstreifen werden zweckmäßig zu einer Wheatstone'schen Vollbrücke zusammengeschaltet, wodurch Temperatureinflüsse auf den Brückenabgleich unterdrückt werden können. Vorzugsweise werden vier Stahllamellen, auf einem Kreisumfang gleichmäßig verteilt, vorgesehen. Sie bilden einen Meßkäfig.

Zum Abführen der elektrischen Signale sind flexible elektrische Leitungen an die Dehnungsmeßstreifen angeschlossen. Solche zum Beispiel fest angelöteten Leitungen weisen nicht die Störanfälligkeit von Schleifringen auf. Solche flexiblen Leitungen arbeiten einwandfrei bei Drehbewegungen bis zu ±30°.

In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Gleitringdichtung vorgesehen, die die Rohrwelle gegen den Innenraum abdichtet. In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist noch vorgesehen, daß die Welle durch Kreuzfedergelenke in der Rohrwelle gelagert ist. Schließlich ist noch vorgesehen, daß die Welle im Bereich zwischen ihren Lagern einen größeren Durchmesser von nahezu dem Innendurchmesser der Rohrwelle in diesem Bereich aufweist.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen wird das erfindungsgemäße Prozeßviskosimeter weiter beschrieben. In der Zeichnung ist:

Fig. 1 ein Längsschnitt durch eine Ausführungsform,

Fig. 2 ein Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform.

Das Viskosimeter weist einen Außenzylinder 1 und einen Innenzylinder 2 auf. Sie sind im substanzerfüllten Meßraum angeordnet und werden von der Meßsubstanz umspült. Das Viskosimeter wird mittels des Flansches 9 auf den Meßraum aufgesetzt. Beide Zylinder 1 und 2 sind mit Längsschlitzen versehen, um den Substanzaustausch in den ringförmigen Meßspalt 3 zu fördern. Anstelle des Außenzylinders 1 kann auch unmittelbar eine Rohrleitung treten, wenn die Substanzgeschwindigkeit nicht zu groß ist. Der Innenzylinder 2 ist an einer Rohrwelle 4 befestigt. Deren unteres Ende 5 ist durch Schweißung verschlossen. An diesem unteren Ende 5 ist eine Welle 6 angeschweißt, die bis in den oberen Teil des Gerätes verläuft. Der Durchmesser der Welle 6 ist nur wenig kleiner als der Innendurchmesser der Rohrwelle 4. Die Welle 6 wird durch die beiden Kugellager 7 a und 7 b abgestützt, die in dem oberen Bereich der Rohrwelle 4 gehalten werden. Statt der gezeigten Kugellager können auch Gleitlager oder Kreuzfedergelenke verwendet werden. Der obere Bereich der Rohrwelle 4 besteht aus den Abschnitten 8 a, 8 b und 8 c. Der Abschnitt 8 a ist starkwandig und daher sehr verformungssteif. Die Rohrwelle 4 ist im oberen Bereich in die konzentrischen Abschnitte 8 b und 8 c aufgeteilt. Damit kann das vom elektromotorischen Schwingantrieb 10 herrührende Antriebsdrehmoment, das wegen der Dichtung 11 größer als das Meßdrehmoment und schwankend ist, keinen fehlerhaften Beitrag zur Verdrillungsmessung der Rohrwelle 4 leisten. Das Antriebsdrehmoment wird nämlich über den Abschnitt 8 b zur Rohrwelle 4 und zum Innenzylinder 2 geleitet. Die resultierende Verdrillung des Abschnittes 8 b beeinflußt die Messung nicht, denn die Winkelmeßanordnung 12 mißt nur die Winkelverschiebung zwischen der Welle 6 und dem Abschnitt 8 c. Wegen der Befestigung der Welle 6 am Ende 5 der Rohrwelle 4 entspricht die Winkelverschiebung zwischen ihr und dem Abschnitt 8 c der Verdrillung der Rohrwelle 4 und damit dem Drehmoment am Innenzylinder 2.

Bei Strömungsseitenkräften auf den Innenzylinder 2, die bei laufenden Messungen im Materialstrom immer auftreten, nimmt die Welle 6 einen Großteil dieser Kräfte auf. Dazu ist bedeutsam, daß der Rohrabschnitt 8 c, der die Lager 7 a und 7 b trägt, durch seinen Durchmesser und seine Wandstärke sehr biegesteif ist.

Die Rohrwelle 4 hat bei einer Geräteausführung einen Außendurchmesser von 12 mm. Die Wandstärke ist 0,5 mm und die Länge 160 mm. Durch ein Drehmoment von 1 N · m (= 10 000 cmp) erfährt die Rohrwelle 4 eine Verdrillung von zirka 0,1°. Die Welle 6 hat 10 mm Durchmesser. Durch eine Seitenkraft von 10 N (= 1 kp) auf den Innenzylinder 2 ist die seitliche Auslenkung zirka 0,05 mm.

Der Rohrwellenabschnitt 8 a wird durch die Gleitringdichtung 11 gegen das Viskosimetergehäuse 19 abgedichtet. Ein Metallbalg 20 besorgt die elastische Anpressung des Gleitringes an den Gegenring. Zugleich schließt er den Innenraum des Viskosimeters gegen den Meßraum ab. Die Rohrwelle 4 ist im Bereich ihrer oberen Abschnitte 8 b und 8 c mit Kugellagern 22 a und 22 b im Gehäuse gelagert.

Die Winkelmeßanordnung 12 besteht aus vier gleichmäßig auf einen Kreisumfang verteilten Stahllamellen 13. Sie sind beidseitig mit Dehnungsmeßstreifen 21 beklebt. Jede Lamelle 13 trägt vier Dehnungsmeßstreifen 21. Die Lamellen 13 sind in im wesentlichen ringförmigen Anschlußstücken 14 a und 14 b eingeklemmt. Lamellen 13 und Anschlußstücke 14 a, 14 b bilden einen Meßkäfig. Die Lamellen sind bei 7 mm Breite und 35 mm Länge zum Beispiel 0,6 mm stark.

Der Abschnitt 14 b ist mit der Welle 6 über den Metallbalg 15 verbunden. Der Metallbalg 15 überträgt praktisch nur Drehbewegungen, jedoch keine axialen oder lateralen Bewegungen auf den Meßkäfig. Durch die Winkelverschiebung zwischen der Welle 6 und dem Bereich 8 c werden die Lamellen 13 auf Biegung beansprucht. Sie verformen sich durch die starre Einspannung ihrer Enden S-förmig. Dazu ist ein Drehmoment erforderlich, das klein gegenüber dem Meßdrehmoment ist und in festen Verhältnis dazu steht. Es entsteht dadurch also kein Meßfehler.

Die Dehnungsmeßstreifen 21 sind untereinander zu einer Wheatstone'schen Brücke verschaltet. Die Zuführung des Stromes und Abnahme der Brückendiagonalspannung erfolgt durch vier flexible elektrische Leitungen 16. Die flexiblen Leitungen 16 folgen der Schwingbewegung des Meßkäfigs von zum Beispiel ±5°. Ihre Rückwirkung auf das Drehmoment ist praktisch Null.

Der Schwingantrieb 10 ist zum Beispiel ein Synchronmotor, der über eine Kurbel in den Längsschlitz eines Hebels 17 eingreift und dadurch die sinusförmige Drehschwingung von zum Beispiel 2 Hz erzeugt. Vorgesehen ist ein induktiver Weggeber 18, mit dem die Winkellage der Drehschwingung in jedem Zeitmoment bestimmt wird. Insbesondere wird damit die Phasenverschiebung c zwischen Schwingung und Drehmoment elektrisch ermittelt.

Die Viskosität η′ und der Speichermodul G′ ergeben sich anhand folgender Beziehungen:

wobei gilt:

M₀= maximales Drehmoment R₀= Schwingungsamplitude S= Geometrischer Widerstandsfaktor, durch Eichung ermittelt I= Trägheitsmoment des Innenzylinders ω= Kreisfrequenz

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen sind bis auf eine Abwandlung der Welle 6 gleich. Die vorstehende Beschreibung gilt daher für beide Ausführungsformen. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform weist die Welle 6 im Bereich zwischen den beiden sie abstützenden Kugellagern 7 a und 7 b einen Abschnitt 6 a größeren Durchmessers auf. Der Durchmesser dieses Abschnittes 6 a ist nahezu gleich dem Innendurchmesser des Abschnittes 8 c der Rohrwelle 4. Durch den Abschnitt 6 a größeren Durchmessers werden die Drehsteifigkeit und die Festigkeit der Welle 6 überhaupt wesentlich erhöht.

Claims (10)

1. Oszillierendes Searle-Prozeßviskosimeter mit einem von einem Motor zu erzwungenen Schwingungen angetriebenen Innenzylinder, der an einer zur Halterung und zum Messen des Drehmomentes dienenden und in den Meßraum ragenden Rohrwelle mit einem Innengestänge befestigt ist, und mit einer von dem Innengestänge betätigten Winkelmeßanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengestänge als eine zur Versteifung dienende Welle (6) mit einem Durchmesser von nahezu dem der Rohrwelle (4) ausgebildet und in einem vom Meßraum abgewandten Teil (Positionen 8 a-8 c) der Rohrwelle (4) gelagert ist.

2. Prozeßviskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallbalg (15) zwischen dem vom Meßraum abgewandten Ende der Welle (6) und der Winkelmeßanordnung (12) als Übertragungselement angeordnet ist.

3. Prozeßviskosimeter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Meßraum abgewandte Teil (8 a, 8 b, 8 c) der Rohrwelle (4) verstärkt ist.

4. Prozeßviskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Meßraum abgewandte Teil (8 a) der Rohrwelle (4) eine größere Wandstärke aufweist.

5. Prozeßviskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Meßraum abgewandte Teil der Rohrwelle (4) in zwei konzentrisch mit Abstand umeinander liegende Abschnitte (8 b, 8 c) aufgeteilt ist.

6. Prozeßviskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelmeßanordnung (12) durch mit Dehnungsmeßstreifen (21) belegte Metallamellen (13) gebildet ist und diese durch die Verdrehung der Rohrwelle (4) auf Biegung beansprucht sind.

7. Prozeßviskosimeter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß flexible elektrische Leitungen (16) an die Dehnungsmeßstreifen (21) angeschlossen sind.

8. Prozeßviskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleitringdichtung (11) die Rohrwelle oberhalb des Meßraumes umschließt.

9. Prozeßviskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (6) durch Kreuzfedergelenke im Abschnitt (8 c) der Rohrwelle (4) gelagert ist.

10. Prozeßviskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (6) innerhalb des Abschnittes (8 c) der Rohrwelle (4) zwischen ihren Lagern (7 a, 7 b) einen Abschnitt (6 a) mit größerem Durchmesser aufweist.