DE667716C

DE667716C - Viskosimeter

Info

Publication number: DE667716C
Application number: DEA77801D
Authority: DE
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1934-12-01
Filing date: 1935-12-01
Publication date: 1938-11-18
Also published as: US2142854A

Description

; lud. llig¹

20 DEC. 1938

Die Erfindung bezieht sich auf ein Viskosimeter, bei dem eine fortlaufende Ablesung möglich ist. Die hauptsächlich gebräuchlichen Verfahren zur Bestimmung der Zähigkeit er-S möglichen keine fortlaufende Anzeige, da sie auf einer Zeitmessung beruhen. Außerdem ist es bei denselben äußerst schwierig und bisweilen unmöglich, den tatsächlichen Wert der Zähigkeit aus den vorgenommenen Ablesungen und den konstanten Abmessungen des Gerätes zu bestimmen. Derartige Geräte müssen daher in willkürlichen Skalen geeicht werden, die zu anderen physikalischen Größen keinerlei Beziehung haben.

Die Zähigkeit eines Stoffes ist bestimmt als der Quotient aus der Scherkraft pro Flächeneinheit geteilt durch.das Verhältnis von Geschwindigkeitsänderung in bezug auf den Abstand senkrecht zur Ebene, zu der die Scherkraft gemessen wird. In Maßeinheiten ausgedrückt ist die Viskosität Kraft pro Flächeneinheit, pro Geschwindigkeitseinheit,

·· pro Einheit des Abstandes von einer Oberfläche, an der die Zähigkeit Null ist. Die

Meßeinrichtung gemäß der Erfindung ist mit dieser Definition in Einklang gebracht.

Es sind bereits Viskositätsmesser mit einem in der zu prüfenden Flüssigkeit schwingenden festen Reibungskörper bekannt,

bei welchen die Abnahme der Schwingungsweite des Reibungskörpers beobachtet oder der Unterschied des Ausschlages zwischen zwei Pendelausschlägen gemessen wird. Die Messung kann zwar schnell ausgeführt werden, erfordert aber genaue Beobachtung und ist für laufende Messungen nicht geeignet.

Es sind ferner Viskosimeter bekannt, bei denen der Leistungsverbräuch eines Elektromotors gemessen wird, der einen in die zu untersuchende Flüssigkeit eintauchenden KoI-ben in Drehung versetzt. Infolge der umlaufenden Bewegung des Kolbens wird die Flüssigkeit durch ihn mehr und mehr mitgenommen, so daß schließlich nicht mehr der Widerstand, der sich der Drehbewegung entgegensetzt, gemessen wird, sondern lediglich der Widerstand der lamellaren Strömung zwischen den Flüssigkeitsteilchen. Die Messung ist daher teilweise von der Dauer der Untersuchung abhängig. Damit erfüllt die bekannte Einrichtung aber nicht mehr die im vorhergehenden beschriebenen Bedingungen' zur Erzielung einer einwandfreien Messung. Außerdem gehen in die Messung eine Reihe von Fehlern mit ein, dievon den kaum schätzbaren Verlusten durch Lagerreibung und Streuung des Motors abhängen.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Viskosität, die den eingangs erwähnten Bedingungen vollauf Rechnung

trägt. Nach der Erfindung wird der in die Flüssigkeit eintauchende Kolben durch eine im Felde eines Felderzeugers schwingende, mit Wechselstrom gespeiste Antriebsspule .in Richtung seiner Längsachse in hin und her gehende Schwingungen versetzt. Besondere Übertragungsmittel für die Antriebskraft sind dabei nicht erforderlich. Außerdem ist eine den Kolben umgebende Schutzeinrichtung vorgesehen, die eine Übertragung der Bewegung auf einen größeren Teil der Flüssigkeit verhindert, so daß auch in dieser Hinsicht die Messung völlig einwandfrei wird. ■ ■

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt und im folgenden näher beschrieben.

Abb. ι zeigt eine vereinfachte Darstellung des Viskosimeters im Querschnitt;

Abb. 2 ist eine Schaltanordnung für die Meßeinrichtung gemäß Abb. i;

Abb. 3 zeigt eine abgeänderte Schaltanordnung;

Abb. 4, S und 6 zeigen verschiedene andere Ausführungsformen des Tauchkörpers, und

Abb. 7 zeigt eine andere Ausführungsform für die Anzeigevorrichtung.

Das Gerät gemäß Abb. 1 besteht· aus einem feststehenden Teil 11 und einem beweglichen Teil 12. Der feststehende Teil umfaßt einen Felderzeuger 13 und ein Schutzglied 14, das mittels Streben 15 am Felderzeuger 13 befestigt ist.

Der Felderzeuger besitzt einen Mittelkern 16 und einen magnetischen Rückschlußteil 17 in Gestalt eines Hohlzylinders, der an einem Ende bei 18 mit dem Mittelkern 16 verbunden ist, während. er am anderen Ende des Kernes 16 einen ringförmigen Luftspalt 19 frei läßt. Am Luftspalt 19 bildet der Feld¹ erzeuger 13 sich gegenüberstehende Pole, Der Felderzeuger 13 kann als Dauermagnet ausgebildet sein oder durch eine Wicklung 20, <lie um dea Kern. 16 gelegt ist, als Elektromagnet arbeiten. Durch Leitungen 21 ist die Wicklung mit einer Gleichstromquelle ver-, bunden.

Das Kolbenschutzglied 14 besteht aus einem Hohlzylinder 22, der einen Zylinder 23 kon-, zentrisch umgibt. Die Zylinder 22 und 23 sind untereinander durch eine Stütze 24 verbunden. Das Glied 14 wird bei Benutzung des Gerätes in einen mit der zu untersuchenden Flüssigkeit gefüllten Behälter 25 bis unter den Flüssigkeitsspiegel eingetaucht.

Das bewegliche: Glied besteht aus einem

Stab 26, an ,dessen Enden einerseits eine Glocke 27 und andererseits ein Hohlzylinder

;i8 befestigt sjnd.-;Die. Glocke 27 trägt .zwei stromführende'Spulen, und zwar eine Antriebsspule 29 und eine Meßspule 30. Zur axialen Führung des Gliedes 12 ist dieses frei schwebend an. einer Anzahl von. Drähten oder Schnüren 31 und 32, die mit den Streben ι ς verbunden sind, aufgehängt. Die Spulen 29 und 30 können demnach in axialer Richtung im Magnetfeld 19 frei'schwingen, und ebenso schwingt auch der Kolben 28 frei im ringförmigen Zwischenraum zwischen den Zylindern 22 und 23. Das bewegliche Glied 12 ist so leicht wie möglich ausgebildet, wodurch die Empfindlichkeit des Apparates erhöht wird. Die hier für einen einfachen Aufbau im gleichen Luftspalt angeordneten Spulen 29 und 30 können auch von verschiedenen Magnetsystemen beeinflußt werden.

Gemäß Abb. 2 und 3 ist die Antriebsspule 29 mit einer Wechselstromquelle 33 zur Hervorrufung der axialen Schwingungen des Gliedes 12 verbunden, während an die Meßspule 30 ein Meßgerät angeschlossen ist. Obgleich der elektrische Meßstromkreis auf verschiedene Weise ausgebildet sein kann, stellt die Anordnung gemäß Abb. 2 eine besonders einfache Schaltung dar. Bei dieser Anordnung ist mit der Spule 30 ein Spannungsmesser 34 verbunden, ,der die Schwingungsgeschwindigkeit des Kolbens 12 vergleichsweise anzeigt, während ein Strommesser 35 und ein Widerstand 36 in Reihe mit der Wechselstromquelle 33 liegen, um eine gleichmäßige Eingangsspannung zur Antriebsspule 29 zu erhalten. Falls die Spannung der Stromquelle 33 schwankt, kann zur Anzeige ein Verhältnisinstrument 35' verwendet werden,-welches das Verhältnis der Eingangsund Ausgangsspaimung, wie in Abb. 3 dargestellt, zu messen gestattet. Sobald Änderungen in der Zähigkeit der zu untersuchenden Flüssigkeit auftreten und dadurch Änderungen in der Belastung des schwingenden _; Systems hervorrufen, kann die Zähigkeitsanzeige auch durch ein Wattmeter 36' oder einen Leistungsfaktor- oder Phasenmesser 37 erreicht werden, die im Stromkreis der Stromquelle 33 mit der Antriebsspule 29 liegen. In jedem; Falle ist die Verwendung eines Spannungsmessers 38 zur Überwachung der Eingangsspannung erwünscht.

Bei der Zähigkeitsmessung werden der Kolben und das Kolbenschutzglied iri die zu . untersuchende Flüssigkeit eingetaucht .und die Anzeige bei schwingendem Kolben beobachtet. Zweckmäßig soll der Teil 14 mit dem Kolben im wesentlichen gerade unter dem Flüssigkeitsspiegel 39 liegen, -um Änderungen · in der wirksamen Kolbenoberfläche zu vermeiden. Je größer die Zähigkeit der Flüssigkeit ist, um so größer ist der dem Kolben 28 entgegenwirkende Widerstand, -um so geringer ist seine Geschwindigkeit und-um so r

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kleiner die Schwingungsamplitude und dementsprechend die von der Meßspule 30 erzeugte Spannung bei einer gegebenen Eingangsleistung.

Die hervorgerufene Wirkung soll zweckmäßig in Geschwindigkeitswerten der Schwingung des beweglichen Gliedes 12 ausgedrückt werden, da der Widerstand der Flüssigkeit gegen die Bewegung des Kolbens 28 und die in der Meßspule 30 induzierte Spannung von der Kolbengeschwindigkeit bzw. der der Meßspule abhängen. Für jede gegebene Schwingungsfrequenz ist die Schwingungsamplitude natürlich eine Funktion der Schwingungsgeschwindigkeit, so daß also auch die Amplitude zunimmt, sobald die Zähigkeit abnimmt; in einigen Fällen mag daher die unmittelbare Anzeige der Amplitudengröße vorteilhafter als. die der Schwin-

ao gungsgeschwindigkeit sein.

Das Gerät kann durch Versuche mit verschiedenen Flüssigkeiten, deren Zähigkeit bekannt ist, geeicht werden. Die Konstante des Gerätes, also das Verhältnis zwischen absoluter Zähigkeit des untersuchten Stoffes und der abgelesenen Anzeige kann selbstverständlich auch aus den physikalischen Abmessungen des Gerätes berechnet werden. Beispielsweise wird bei einer Anordnung gemäß Abb. 1 und 2 für einen gegebenen Strom in den Spulen 20 und 29 eine sinusförmige Kraft von völlig bestimmtem Werte erzeugt. Die Kolbenoberfläche und die Abstände zwischen den Kolbenflächen und den benachbarten feststehenden Flächen des Gliedes 14 sind gleichfalls meßbar. Es sind außerdem Berichtigungen wegen vorhandener Ungleichmäßigkeiten an den Enden des Kolbens 28 vorzunehmen, ebenso wegen unvermeidlicher Reibung, Beharrungsvermögen des bewegten Teiles der Flüssigkeit und anderer unvermeidlicher äußeren Einflüsse. Diese äußeren Einflüsse sind bei der vorliegenden Ausbildung des Gerätes auf ein Mindestmaß beschränkt.

Das Glied 14 dient nicht nur zum Schütze des Kolbens 28, sondern auch dazu, den der Kraftwirkung ausgesetzten Flüssigkeitsring sehr dünn zu machen. Auf diese Weise werden die durch die Bewegung der Flüssigkeit

hervorgerufenen Fehler auf ein kleinstes Maß herabgesetzt, ebenso wie etwaige Fehler, welche infolge ungleichförmiger Übertragung der Kraft durch die Flüssigkeitsmoleküle hervorgerufen werden könnten; mit anderen Worten werden Wirbelbildungen unterdrückt und theoretisch eine Stromlinienwirkung erreicht. Gleichzeitig verhindert das Schutzglied 14 durch Trennung des bewegten Flüssigkeitsteiles vom Hauptteil der Flüssigkeit

- Energieverluste durch Übertragung von Druckwellen auf den Hauptteil der Flüssigkeit. Nichtsdestoweniger ist der Erfindungsgegenstand ohne diese besondere Ausführung des Kolbens denkbar.

Bei weniger zähen Flüssigkeiten kann z. B. ein einfacher Stab 28, der von einem feststehenden Schutzglied 14 umgeben ist, verwendet werden, wie es Abb. 4 im Querschnitt zeigt. Annähernd richtige Ergebnisse werden, wie festgestellt wurde, auch ohne" das Schutzglied 14 erzielt. Dies beruht auf der Tatsache, daß bei der angewendeten Frequenz die Trägheit der Flüssigkeit groß genug ist, damit sie sich in verhältnismäßig geringem Abstande vom Kolben 28 in Ruhe befindet und so die Wirkung entsteht, als wenn das Schutzglied 14 vorhanden wäre. Andere Ausführungsformen des Kolbens sind im Querschnitt in den Abb. 5 und 6 dargestellt. Die Bestimmung der Zähigkeit durch Beobachtung des Ausschlages am Spannungsmesser 34 bei konstant gehaltener Kraftzuführung unter Anwendung des Amperemeters 35 oder umgekehrt hat den Vorteil, daß die Anzeige in einer leicht feststellbaren Beziehung zu den erwähnten Faktoren über die Definition der Viskosität steht. Es kann jedoch auch die Zähigkeitsänderung zur Messung des Viskosität benutzt werden. Z. B. ergibt sich bei abnehmender Viskosität ein Abnehmen der go Belastung des bewegten Systems, während der Energiezuwachs sich in Reibung zwischen den. inneren Teilchen der Flüssigkeit verzehrt. Die abgenommene Energie muß durch die Wechselstromquelle 33 zugeführt werden und wird durch den Leistungsmesser 36' gemessen. Infolgedessen schwankt die Ablesung am Leistungsmesser 36' mit den Änderungen der Zähigkeit. Viskositätsänderungen, die die geleistete Arbeit verringern, verringern auch den Leistungsfaktor, so daß ein Leistungsfaktormesser 37 im Stromkreis 33 bei entsprechender Eichung ebenfalls die Viskosität mißt.

Die Viskosität kann auch durch Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen der-wechselnden Antriebskraft und der sich ergebenden Kolbenschwingung gemessen werden. Wie im vorhergehenden Absatz ausgeführt, wird eine Anzeige der Phasenverschiebung durch Messung der Phase im Eingangsstromkreis der Antriebsspule 29 erreicht. Eine direkte Messung der Phasenverschiebung zwischen der wechselnden Antriebskraft und der sich ergebenden Schwingung kann ebenfalls benutzt werden. Hierzu kann beispielsweise eine Wechselstrombrücke Verwendung finden, durch die die Phasenverschiebung elektrisch gemessen wird, oder ein Lichtstrahl und eine Anordnung von Spiegeln zur iao optischen Feststellung der Phasenverschiebung.

Eine derartige Anordnung ist in Abb. 7 dargestellt, bei welcher ein Spiegel 40 auf einem Glied 41 angeordnet ist, das sich um einen Zapfen 42 dreht und in eine Nut 43 des Stabes 26 eingreift. Die senkrechte Schwingung des Kolbens 28 wirkt sich dabei in Winkelschwingungen des Spiegels 40 aus. Ein zweiter Spiegel 44 ist an einem Faden 45 eines Vibrationsgalvanometers 46 aufgehängt,

das in Reihe mit der Antriebsspule 29 liegt. Eine Lichtquelle 47 wirft einen Lichtstrahl 48 über die Spiegel 40 und 44 auf einen geeigneten Schirm 49.
Wenn der Spiegel 44 des Vibrationsgalvanometers feststehen würde, während der Kolben 28 schwingt, so würde der Lichtstrahl senkrecht .am Schirm 49 ausgelenkt werden und eine senkrechte Lichtlinie 50 hervorrufen. Andererseits würde, wenn der Spiegel 40 fest-

to stände und der Spiegel 44 entsprechend den Stromwechseln in der Antriebsspule 29 schwingt, eine horizontale Lichtlinie 51 auf dem Schirm 49 hervorgerufen werden. Wenn beide Spiegel 40 und 44 in Tätigkeit sind,

«5 wie es bei der Messung der Fall ist, so wird der Lichtstrahl durch die Schwingungen beider Spiegel beeinflußt und ruft eine Lichtlinie 52 oder eine Kurvenfigur, wie beispielsweise einer Ellipse 53, hervor, die vom Phasenverhältnis abhängt. Die Art der Lichtabbildungen 52 und 53 gibt dann ein Maß für das Phasenverhältnis zwischen dem Strom oder der Antriebskraft der Antriebsspule 29 und der Schwingung des Kolbens 28. Auf .diese Weise wird eine einfache Aufzeichnung der Zähigkeit erreicht.

Abb. 7 zeigt außerdem eine optische Anordnung zur Messung der Schwingungsamplitude des Kolbens 28. Wenn das Galvanometer 46 nicht angeschlossen ist, so bildet der gemäß der senkrechten Linie schwingende Lichtstrahl und die Länge der Linie 50, die punktiert dargestellt ist, ein Maß für die Schwingungsamplitude des Kolbens 28. Für diese Messung ist eine Skala 54 vorgesehen.

Claims

Patentansprüche:
i. Viskosimeter, bei dem der Leistungs- - verbrauch oder eine proportionale Größe eines in die zu untersuchende Flüssigkeit eintauchenden und bewegten Kolbens durch Messung an seiner Antriebsvorrichtung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (28) durch eine im Felde eines Felderzeugers (13) schwingende, mit Wechselstrom gespeiste Antriebsspule(29) in hin und her gehende Schwingungen in Längsrichtung seiner Achse versetzt wird. . 2. Viskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem KoI- ben eine weitere, ebenfalls im Felde des Felderzeugers (13) schwingende Spule (30) verbunden ist, die eine in ihr erzeugte Wechselspannung an einem Spannungsmesser anzeigt, während die der Antriebs,- spule zugeführte Leistung konstant gehalten wird.
3. Viskosimeter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Spulen auf einer Glocke (27) gemeinsam angeordnet sind, die im Ringspalt (19) eines topfförmigen Elektro- oder Dauermagneten (13) mit zentrischem Pol (16) angeordnet ist und durch eine freischwirigend aufgehängte Stange (26) mit dem Kolben verbunden ist.
4. Viskosimeter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben durch eine ihn eng umgebende glatte Wand {22). von der übrigen Flüssigkeit so getrennt ist, daß er sich lediglich in einem Flüssigkeitsfilm bewegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen