DE4220157B4

DE4220157B4 - Vorrichtung zur Viskositätsmessung

Info

Publication number: DE4220157B4
Application number: DE19924220157
Authority: DE
Inventors: Christian Millauer; René Zimmermann; Friedrich Prof. Dr. Meuser
Original assignee: Buehler AG
Current assignee: Buehler AG
Priority date: 1991-07-11
Filing date: 1992-06-19
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2012-06-20
Also published as: CH682348A5; DE4220157A1

Abstract

Vorrichtung zur Viskositätsmessung mit einer Kapillare (11 bzw. 12 bzw. 17-19) und mindestens zwei Druck-Messstellen (13-16) und mindestens einer zweiten Kapillare (12 bzw. 11) mit einer im Vergleich zur ersten Kapillare (11. bzw. 12) unterschiedlichen Querschnittfläche, wobei jede Kapillare (11, 12; 17-19) an mindestens zwei in ihrer Längsrichtung voneinander beabstandeten Stellen Anschlüsse und Vorrichtungen (13-16) zur Druckmessung und/oder zur Messung der Druckdifferenz aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die schlitzförmigen Kapillaren (11, 12; 17-19) zwischen zwei Platten (4,5) mittels Abstandhaltern (6.1-6.3), welche die Platten (4,5) im gewünschten Abstand halten und den Schlitz seitlich beranden, gebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Viskositätsmessung gemäss dem Anspruch 1.
Zur Kontrolle der Konsistenz von plastischem Material, pastösen Massen, Emulsionen und Flüssigkeiten wird die Viskosität in Abhängigkeit vom Schergefälle bestimmt. Die Viskosität beschreibt dynamische Scherspannungen aufgrund der inneren Reibung in beweg ten Flüssigkeiten oder in pastösen Massen. Die Definition der Viskosität geht auf den Ansatz von Newton zurück, welcher besagt, dass die Schubspannung proportional zum Schergefälle ist. Der Proportionalitätsfaktor wird dabei als Viskosität (Scherviskosität) bezeichnet. Die beiden Begriffe Schubspannung und Schergefälle lassen sich am Beispiel eines Flüssigkeitsfilms der Dicke d, der an der einen Grenzfläche ruht und an der anderen mit einer Geschwindigkeit v aufgrund der darauf wirkenden Schubkraft bewegt wird, erklären. Die Schubspannung entspricht der Schubkraft pro Flächeneinheit und das Schergefälle entspricht dem Quotienten v/d und somit der Änderung der Verschiebungsgeschwindigkeit von der einen zur anderen Grenzfläche dividiert durch den Abstand zwischen den beiden Grenzflächen.
Bei den meisten Flüssigkeiten und pastösen Massen trifft der Newtonsche Ansatz nicht zu, da sich die Viskosität mit dem Schergefälle ändert. Um eine Beziehung zwischen dem Schergefälle und der Schubspannung respektive der Viskosität zu bestimmen, müssen für verschiedene Schergefälle Viskositätsmessungen durchgeführt werden. Die Viskosität kann nach dem Verfahren von Hagen-Poiseuille mittels einer Kapillare, die von der zu untersuchenden Flüssigkeit oder Masse aufgrund eines Beschickungsdruckes durchströmt wird, bestimmt werden. Aus der Durchflussmenge, dem Beschickungsdruck, der Druckänderung entlang der Kapillare und dem Querschnitt der Kapillare kann die Schubspannung und das Schergefälle und somit die Viskosität bestimmt werden. Weil das Schergefälle sowohl vom Beschickungsdruck wie auch vom Querschnitt der Kapillare abhängt, können durch das Ändern dieser Grössen Messungen bei verschiedenen Schergefällen durchgeführt werden.

Der Artikel "Determination of the Viscosity of Starch during its Extrusion Cooking with a Co-rotating Twinscrew Extruder" von B. van Lengerich and F. Meuser (Singapore Institute of Food Science and Technology, 1989, ISBN 981-00-1653-0) beschreibt Viskositätsmessungen mit einer einzigen schlitzförmigen Kapillare. Unterschiedliche Schergefälle werden durch unterschiedliche Schneckendrehzahlen bzw. Durchsätze erzeugt. Bei den so veränderten Materialdurchsätzen ändern sich aufgrund von entsprechenden Druckänderungen auch Materialeigenschaften wie etwa die Temperatur, so dass die verschiedenen Viskositätsmessungen nicht zu einer Kurve gehören, bei der lediglich ein Parameter, nämlich das Schergefälle verändert wird. Da in der gleichen Arbeit gezeigt wird, dass Materialparameter, wie Temperatur und Feuchtigkeit des Materials sowie Füllgrad der Extruderschnecke einen grossen Einfluss auf die Viskosität haben, wird deutlich, dass mit dem Verändern des Durchsatzes die gewünschten Charakteristiken nur sehr ungenau gemessen werden können.

Zur Produktionsüberwachung gebräuchliche Viskositäts-Messverfahren (wie beispielsweise beschrieben in "Neues Konzept zur On-line Rheometrie in Echtzeit", A, Göttfert, Buchen; Kunststoffe 81 (1991) 1, Seite 44; Carl Hanser Verlag, München 1991) weisen ebenfalls nur eine Kapillare auf. Unter konstanten Produktionsbedingungen kann somit nur bei einer Scherrate die Viskosität bestimmt werden. Zur reinen Produktionskontrolle genügt dies auch. Um Charakteristiken zu bestimmen, müsste wie oben bereits als ungenügend beschrieben, der Durchsatz variiert werden.

Aus der US-PS-3438158 ist es bekannt, die Fliessspannung und die Viskosität eines nicht-Newtonschen Fluids zu bestimmen. Hierbei wird das Fluid durch ein Rohr bekannten Durchmessers mit bekannter Strömungsgeschwindigkeit hindurchgepumpt. Durch wiederholtes Messen der Druckdifferenz bzw. des Druckabfalls entlang einer gegebe nen Rohrlänge unter jeweils verschiedenen Bedingungen können dann die oben genannten rheologischen Parameter bestimmt werden.

Die US-PS-4425790 verwendet ein ähnliches Mess- und Berechnungsprinzip wie die US-PS des vorhergehenden Absatzes und legt diese Ergebnisse der Vorhersage des Extrusionsverhaltens von Polymeren zugrunde.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Schubspannung für verschiedene Scherraten in einer Weise zu bestimmen, die alle anderen Materialparameter unverändert lässt. Kennt man die Schubspannungen für mindestens zwei Scherraten, so kann im Bereich dieser Scherraten die Steigung der Kurve, welche die Abhängigkeit der Schubspannung von der Scherrate darstellt, abschätzen. Diese Steigung wird beispielsweise zur Berechnung der Dimensionierung von Extruderbauteilen und zur Modellierung von Extrudern benötigt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Viskositätsmessung mit einer Kapillare und mindestens zwei Druck-Messstellen vorgeschlagen und mindestens einer zweiten Kapillare mit einer im Vergleich zur ersten Kapillare unterschiedlichen Querschnittfläche, wobei jede Kapillare an mindestens zwei in ihrer Längsrichtung voneinander beabstandeten Stellen Anschlüsse und Vorrichtungen zur Druckmessung und/oder zur Messung der Druckdifferenz aufweist. Erfindungsgemäss sind die schlitzförmigen Kapillaren zwischen zwei Platten mittels Abstandhaltern gebildet, welche die Platten im gewünschten Abstand halten und den Schlitz seitlich beranden.

Vorzugsweise ist einer Druckerzeugungsvorrichtung im Anschlussbereich der Kapillare ein Anschluss und eine Vorrichtung zur Druckmessung des Gesamtdruckes zugeordnet.

Die Querschnittflächen der Kapillaren können rechteckig sein, wobei vorzugsweise wenigstens bei einem Teil der Kapillaren die Länge (L) der Rechtecke gleich und lediglich die Breite (B) unterschiedlich gross ist.

Die Masse gleichzeitig durch mindestens zwei Kapillaren unterschiedlicher Querschnittsfläche gepresst. Unterschiedliche Querschnittsflächen unterscheiden sich entweder im Flächenmass, oder sie haben gleich grosse Flächen, unterscheiden sich aber in der Formgebung. Um bei gleichem Durchsatz und verschiedenen Querschnittsflächen die gleiche mittlere Massengeschwindigkeit, aber unterschiedliche Scherraten, zu haben, wird also zweckmässig die Form und nicht das Flächenmass der Querschnittsfläche verändert. Bei kleinen Änderungen des Flächenmasses und somit der mittleren Massengeschwindigkeit ist der daraus resultierende Fehler sehr klein, so dass die er findungsgemässen Ausführungsformen auch Kapillaren mit unterschiedlichem Flächenmass vorsehen.

Zur Bestimmung der Viskosität wird der Druck respektive die Druckdifferenz an zwei in Längsrichtung voneinander beabstandeten Stellen jeder Kapillare bestimmt. Aufgrund der verschiedenen Querschnittsflächen entsprechen die Viskositätsmessungen an verschiedenen Kapillaren Messungen mit verschiedenen Scherraten. Aus den Differenzen der Schubspannungen und den Differenzen der Scherraten kann die Steigung der Charakteristik bestimmt werden. Da die Druckmessung an allen Kapillaren im wesentlichen gleichzeitig erfolgt, kann auch die Steigung ohne Verzögerung bestimmt werden.

Es ist auch möglich, dass mindestens zwei Kapillaren entweder in Parallel- oder in Serie-Schaltweise an eine Druckerzeugungsvorrichtung, mit einer Vorrichtung zum Messen des erzeugten Druckes, angeschlossen sind. Bei der Parallel-Schaltweise ist vorzugsweise vorgesehen, dass Kapillare mit kleinerer Querschnittsfläche kürzer sind als solche mit grösserer Querschnittsfläche. Bei der Serie-Schaltung nimmt die Querschnittsfläche vorzugsweise in Durchflussrichtung von Kapillare zu Kapillare ab. Die Querschnitte haben gegebenenfalls eine Rechteckform und die verschiedenen Querschnittsflächen ergeben sich bei gleichbleibender Länge durch verschiedene Breiten.

Jede Kapillare weist an mindestens zwei in ihrer Längsrichtung voneinander beabstandeten Stellen Anschlüsse und Vorrichtungen zur Druckmessung und/oder zur Messung der Druckdifferenz auf.

Als Druckerzeugungsvorrichtung kann beispielsweise ein Extruder dienen, es könnte aber auch ein Druckkolben sein. Abhängig von den Systemparametern, wie z.B. der Schneckendrehzahl, bildet sich ein Beschickungsdruck und ein Material-Durchsatz aus, der ebenfalls von den Fliesseigenschaften des untersuchten Materials und von den angeschlossenen Kapillaren sowie der ggf. zusätzlich vorhandenen Extrusionsdüsen abhängt. Eine erfindungsgemässe Vorrichtung kann sowohl zum Bestimmen von Viskositätskurven in Abhängigkeit des Schergefälles sowie zur Kontrolle der Materialkonsistenz während der Produktion dienen. Weil immer nebst der Schubspannung respektive der Viskosität auch die Änderung der entsprechenden Grösse abhängig von der Änderung des Schergefälles und somit des Durchsatzes bekannt ist, kann eine zum Erreichen der gewünschten Viskosität nötige Änderung der Schneckendrehzahl abgeschätzt werden. Würde gemäss den bekannten Verfahren lediglich die Viskosität bestimmt, so könnte ein Vergleich dieses Ist-Wertes mit einem Sollwert nur angeben, in welche Richtung die Drehzahl geändert werden müsste und das Problem des Übersteuerns respektive des Schwankens um den gewünschten Wert wäre viel grösser.

Im Falle einer Serienschaltung wäre zwar die Aufeinanderfolge einer kleineren und dann einer grösseren Kapillare möglich, doch ist Anordnung vorteilhafter, bei der die Querschnittsflächen der Kapillaren in Durchflussrichtung kleiner werden.

Die Zeichnungen erläutern die Erfindung anhand einer schematisch dargestellten Ausführungsform.
1: Zwei schlitzförmige Kapillare in Serien-Schaltung
2: Schematische Darstellung eines Extruders mit zwei in Serie daran anschliessenden Kapillaren.
3: Schematische Darstellung eines Extruders mit drei parallel daran anschliessenden Kapillaren.
Ein erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel gemäss 1 besteht aus einem Anschlussteil 1 an eine Druckerzeugungsvorrichtung und aus einem Teil 3 mit den Kapillaren. An einer Druck-Messstelle 2 im Anschlussteil 1 wird der Gesamtdruck bestimmt. Zwischen zwei Platten 4 und 5 des Teils 3 führt ein Schlitz vom Anschlussteil durch den Teil 3. Die Breite des Schlitzes ist zweckmässig konstant, kann aber auch zur Erzielung eines konstanten Flächenmasses der Querschnittsfläche verändert werden. Die Dicke des Schlitzes wechselt von einer grösseren Dicke im an den Anschlussteil angrenzenden Abschnitt, zu einer kleineren Dicke im zweiten Abschnitt des Teils 3. Der Schlitz wird seitlich von Abstandshaltern 6.1, 6.2, 6.3 berandet, so dass die Schlitzdicke durch Auswechseln dieser Abstandhalter 61 bis 6.3 leicht möglich ist, falls dies gewünscht wird. Durch die Platte 5 führen die Anschlüsse 7 für die Druckmessung an verschiedenen Stellen der Kapillaren. Am Ende der Kapillaren tritt das untersuchte Material 8 aus einer Schlitzdüse einer Rechtecklänge L und einer Rechteckbreite B aus.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäss 2 zeigt eine Extruderschnecke 9 und ein Drucksensor 10 zur Messung des Gesamtdrucks im Anschlussgebiet der Kapillaren. Die Kapillaren 11 und 12 sind in Serie hintereinander geschaltet. In den beiden Endbereichen der Kapillaren 11 respektive 12 befinden sich die Drucksensoren 13, 14 respektive 15, 16.
Die 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit drei Kapillaren 17, 18 und 19 in Parallel-Schaltweise. Je kürzer die Kapillare ist, umso kleiner ist vorzugsweise ihre Dicke. An jeder Kapillare sind zwei Anschlüsse mit Sensoren 113, 114 bzw. 213, 214 und 313, 314 zur Druckmessung vorgesehen.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Varianten möglich; beispielsweise kann eine Parallel- und eine Serienschaltung von Kapillaren entsprechend einer Kombination der 2 und 3 vorgesehen sein. Ferner müssen die Kapillaren nach 3 nicht unbedingt parallel zueinander verlaufen, sondern können miteinander auch einen Winkel einschliessen. Ebenso können die Messvorrichtungen auf die verschiedenste Weise ausgebildet sein, um entweder den absoluten Druck und/oder unmittelbar die Druckdifferenz an zwei voneinander beabstandeten Stellen zu bestimmen. An Stelle der Extruderschnecke 9, die bevorzugt verwendet wird, könnte auch jede andere Druckerzeugungsvorrichtung, wie etwa ein Druckkolben, vorgesehen sein.

Claims

Vorrichtung zur Viskositätsmessung mit einer Kapillare (11 bzw. 12 bzw. 17-19) und mindestens zwei Druck-Messstellen (13-16) und mindestens einer zweiten Kapillare (12 bzw. 11) mit einer im Vergleich zur ersten Kapillare (11. bzw. 12) unterschiedlichen Querschnittfläche, wobei jede Kapillare (11, 12; 17-19) an mindestens zwei in ihrer Längsrichtung voneinander beabstandeten Stellen Anschlüsse und Vorrichtungen (13-16) zur Druckmessung und/oder zur Messung der Druckdifferenz aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die schlitzförmigen Kapillaren (11, 12; 17-19) zwischen zwei Platten (4,5) mittels Abstandhaltern (6.1-6.3), welche die Platten (4,5) im gewünschten Abstand halten und den Schlitz seitlich beranden, gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer Druckerzeugungsvorrichtung (9) im Anschlussbereich der Kapillare (11) ein Anschluss und eine Vorrichtung (2; 10) zur Druckmessung des Gesamtdruckes zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittflächen der Kapillaren rechteckig sind, und dass vorzugsweise wenigstens bei einem Teil der Kapillaren (11,12; 17-19) die Länge (L) der Rechtecke gleich und lediglich die Breite (B) unterschiedlich gross ist.