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Viskosimeter mit Förderschnecke Es ist bekannt, daß eine Flüssigkeit,
die zwischen eine Förderschnecke und ein diese umschließendes zylindrisches Rohr
gebracht wird, bei Drehung der Schnecke in strömende Bewegung versetzt wird. Die
dabei entstehenden Viskositätsüberdrücke sind der Schneckendrehzahl und der absoluten
Viskosität der Flüssigkeit einfach proportional. Ihre Messung erfolgte bisher durch
Standrohrmanometer, was u. a. wegen der Kapillarwirkung des Standrohres umständliche
Nullpunktskorrekturen erfordert und Reihenversuche (z. B. zwecks Ermittlung von
Temperaturkurven) von nicht durchscheinenden Proben (z. B. deckenden Farben) unmöglich
macht.
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Demgegenüber ist das Wesen der vorliegenden Erfindung darin zu erblicken,
daß die Schnecke und der umgebende Zylinder, welcher unten dicht abgeschlossen ist,
gegeneinander auch axial beweglich sind und die Messung des Viskositätsdruckes durch
Wägung erfolgt. Der sich als Bodendruck auf denZylinder auswirkende Viskositätsdruck
xlird also auf die genaueste und einfachste Weise, nãmlich durch direkte Wägung,
gemessen.
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Die schematische Zeichnung zeigt leine beispielsweise Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Viskositätswaage im Längsschnitt.
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Die Probeflüssigkeit 3 erfüllt den Raum zwischen Schnecke 1 und Zylinder
2, der unten durch den Schraubdeckel 9 dicht abgeschlossen ist. Wird die (rechtsgängig
angenommene) Schnecke I im Sinne des Pfeiles gedreht, so wird zufolge der bekannten
Förderwirkung der Schnecke die Probeflüssigkeit 3 abwärts strömen und den Zylinder
2 in dieser Richtung zu verschieben suchen. Wird dieser B.ewegung ein äußerer Widerstand
entgegengesetzt, so erfolgt sie nur so lange, bis Gleichgewicht eingetreten ist
zwischen dem Viskositätsdruck und der äußeren Gegenkraft, die demnach ein genaues
Maß für die Viskosität der Probeflüssigkeit abgibt.
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Die Messung (Wägungj dieser äußeren Gegenkraft kann grundsätzlich
durch jede beliebige Wägeeinrichtung erfolgen; nur Federwaagen (auch solche mit
Lamellenfedern) sind nicht zu empfehlen, weil ihre Angaben durch Temperatureinflüsse
und zeitbedingte elastische Nachwirkungen (Ermüdungserscheinungen) verfälscht werden.
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In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel eine Neigungspendelwaage
dargestellt.
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Mit dem Zylinder 2 ist ein Stützarm 10 verbunden,
der
unter Vermittlung einer Gelenkstange auf die Pendelwaage wirkt. In der Nullage des
Zeigers 12 (Höchststellung des Zylinders 2) ist bei ruhender Schnecke 1 Gleichgewicht
vorhanden. Wird die Schnecke in Drehung versetzt. so wirkt der Viskositätsdruck
auf den Bodeng des Zylinders 2 und mit dem Stützarm 10 auf die Waage. Das Pendelgewicht
11 wird so weit angehoben bis wieder Gleichgewicht eintritt. Zur additiven Vergrößerung
des Meßbereiches ist noch ein verstellbares Laufgewicht 14 vorgesehen.
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Um die Anzahl der wirksamen Schneckenwindungen für alle Lagen des
Zylinders 2 unverändert zu erhalten, ist die Schnecke 1 axial entsprechend kürzer
ausgeführt als der Zylinder 2.
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Damit bei umlaufender Schnecke I der Zylinder 2 nicht mitgenommen
wird, stützt sich der Arm 10 seitlich an die Führungsstange 15 ab, der man zweckmäßig
eine Drehbewegung gibt (z. B. Zahnräder 16 und I 7 ) . Dadurch wird während der
Messung eine axiale Reibung der Führung um so wirkungsvoller beseitigt, je kleiner
die axiale Einstellgeschwindigkeit des Zylinders 2 mit Arm Io gegenüber der Umfangsgeschwindigkeit
der Schnecke 1 und des Bolzens 15 ist. Beim Einspielen der Waage iaxiale Zylindergeschwindigkeit
gleich Null) ist die axiale Reibung vollkommen beseitigt, die Einstell.ung also
genauer als mit der besten Rollenfiihrung o. dgl. möglich wäre.
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Um die Probe unabhängig von der Raumtemperatur und Reibungswärme
auf gleichmäßiger Temperatur zu halten, wrd der Zylinder 2 in ein Wasser- oder Ölbad
i8 mit Thermometer 19 getaucht. Der dabei auf den Zylinder ausgeübte Auftrieb ist
als Korrektur zur Waagenangabe hinzuzufügen oder durch ein kleines Zusatzgewicht
am Zylinder zu kompensieren.
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Wird nach Füllung des Zylinders mit der Probeflüssigkeit die Schnecke
1 in gleichmäßige Drehung versetzt und der Zylinder 2 axial festgehalten (z. B.
in Zeigerstellung Null), so tritt innerhalb weniger Sekunden eine stationäre Kreis
strömung in der Schraubenkapillare ein, d.h. der Bodendruck im Zylinder erreicht
sehr rasch das der Schnekkendrehzahl und der Viskosität entsprechende Maß. Wird
nun der Zylinder 2 axial freigegeben und ist der auf der Waage eingestellte Gegendruck
kleiner als der Viskositätsdruck auf den Zylinderboden, so bewegt sich der Zylinder
abwärts, während der Waagenzeiger 12 steigt. Diese Bewegung ist anfangs, solange
der Druckunterschied groß ist, ziemlich rasch. verlangsamt sich aber mit zunehmender
Gegenwirkung der Waage. Halten sich Waagendruck und Viskositätsdruck nahezu das
Gleichgewicht, so wird die Bewegung des Zeigers sehr langsam die Eillstellzeit daher
(insbesondere bei langsamer Schneckendrehung) verhältnismäßig groß.
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Dies ist besonders dann von Nachteil, wenn sich die Viskosität der
Probe durch den in der Kapillare erfolgenden Rührvorgang ändert z. B. bei thixotropen
Proben).
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Nun haben aber praktische Versuche gezeigt, daß die Sinkgeschwindigkeit
des Zylinders (bzw. Steiggeschwindigkeit des Zeigers 12) bei gleichbleibender Schneckendrehzahl
in einer sehr einfachen Beziehung steht zur Differenz zwischen dem Viskositätsdruck
und dem Waagengegendruck.
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Bezeichnet P, den (asymptotisch. also streng genommen erst nach unendlich
langer Zeit erreichten) Viskositätsenddruck für eine bestimmte Schneckendrehzahl,
G den Gegendruck der Waage auf den Zylinder, T die Steigzeit des Zeigers 12 für
einen bestimmten Skalenabschnitt, T0 die Zeit für das Durchlaufen desselben Skalenabschnittes
bei G = Null, so ist T Pe = G # .
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T - T0 Da erfahrungsgemäß mit Hilfe dieser Gleichung bei G = 50 bis
100% von P@ der Viskositätsenddruck P@ bis auf Bruchteile von Prozent genau bestimmt
werden kann, lassen sich Viskositätsprohen innerhalb weniger Sekunden vornehmen.
so daß auch vollständige Temperaturkurven (Abhängigkeit der Viskosität von der Temperaturj
in kurzer Zeit ermittelt werden können. Desgleichen kann nach diesem Verfahren die
Abhängigkeit der Viskosität von der Strömungsgeschwindigkeit rasch bestimmt werden.
Man braucht bei Veränderung der Schneckendrehzahl nicht auf die langsame Endeinstellung
zu warten, sondern bestimmt den Enddruck aus a und der Steiggeschwindigkeit des
Zeigers.
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Bei reinen Flüssigkeiten bleibt das Verhältnis Pe : n für alle Schneckendrehzahlen
n konstant; enthält die Probe außer reiner Flüssigkeit noch ungelöste, fein verteilte
Nebenbestandteile, so steigt dieses Verhältnis mit abnehmender Schneckendrehzahl
n um so rascher an, je mehr solcher Nebenbestandteile in der Probe enthalten sind.
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Die beim Schneckenviskosimeter auftretenden Viskositätsdrücke sind
derart hoch. daß für ihre Messung durchaus keine Waagenmecha.nik besonderer Präzision
erforderlich ist. So z. B. ergibt eine Schnecke von 10 mm 7', @ 48 mm Länge und
I mm Ganghöhe bei einer Drehzahl von 160 Umdr. Min. Viskositätsdrücke von etwa 0,05
Atm. bei Wasser von 205 C, 2 bis 5 Atm. und mehr bei dickflüssigen Ölen. Dabei genügt
eine Flüssig keitsmenge von brutto l bis 2 cm: (gegenüber
200 cm3
netto beim Englerapparat). die äußerst rasch auf jede gewünschte Temperatur gebracht
werden kann. Temperaturunterschiede innerhalb der Probe, die bei anderen Viskosimetern
leicht vorkommen und das Meßergebnis stark verfälschen, sind hier ganz vermieden.
Auch der Übergang von einer Probe zu einer anderen bzw. eine Reinigung ist sehr
einfach: Es genügt zumeist, nach Entfernung des Wasserbades 18 den Schraubdeckel
9 des Zylinders 2 wegzunehmen und bei umlaufender Schnecke 1 in. den Vorratsraum
5 ein dünnflüssiges Lösungsmittel nachzufüllen, um in wenigen Minuten Schnecke und
Zylinder von den schmierigsten Proben rein zu bekommen.
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Besondere Vorteile der Wägung des Viskositätsdruckes sind: Weit größerer
Meßbereich als bei Standrohrmessung.
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2. Reihenproben können auch mit undurchwichtigen Flüssigkeiten leicht
ausgeführt werden 3. Das Meßergebnis ist vom sp.ezifischen Gewicht der Probe unabhängig.
so daß diesbezügliche Ergänzungsmessungen und Korrekturen entfallen.
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4. Keinerlei Nullpunktskorrekturen, da kein Standrohr mit veränderlicher
Kapillarwirkung.
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Der Vellständigkeit halber sei noch lerwähnt, daß es für die Wirkungsweise
der Viskosimeterwaage gleichgültig ist; ob das Schneckengewinde im Bolzen 1 oder
im Zyliner 2 liegt und welcher der beiden Teile die Drehbewegung ausführt. Es kann
also auch der Zylinder@2 die Drehbewegung bekommen und die Schnecke 1 an der Drehung
verlilndert werden, jedoch mit der Möglichkeit axialer Verschiebungen für Wägezwecke.