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Viskosimeter Eine bekannte Methode zur Messung der Viskosität von
Flüssigkeiten bedient sich eines angetriebenen, in die Flüssigkeit tauchenden Körpers,
der über die Meßflüssigkeit auf einen zweiten Körper (Folgekörper) ein Drehmoment
ausübt, dessen Größe von der Viskosität abhängt und somit als Maß für diese dienen
kann. Soll in dieser Weise die Viskosität fortlaufend, z. B. bei der Herstellung
oder Überwachung eines Produktes, bestimmt werden, so sind die Körper bekanntlich
derart auszubilden, daß durch die Rotation eine zwischen ihnen verlaufende Flüssigkeitsströmung
entsteht, oder aber es ist ihnen eine Pumpe zuzuordnen, die eine dauernde Zufuhr
von neuer Flüssigkeit übernimmt.
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Die bekannten Einrichtungen dieser Art haben nun den Nachteil, daß
die Richtung der durch die Formgebung der Körper bzw. durch die Pumpe ausgelösten
zusätzlichen Bewegung der Flüssigkeit nicht senkrecht zu der Richtung der das Moment
bewirkenden Bewegung steht. Es hat sich gezeigt, daß eine derartige zusätzliche
Bewegung des zu messenden Stoffes unübersichtliche Verhältnisse schafft und daher
der Anlaß zu Fehlmessungen sein kann, da ja diejenige Komponente der zusätzlichen
Bewegung, die in Richtung der das Moment bewirkenden Bewegung fällt, mit in die
Messung eingeht.
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Durch die Erfindung, die sich auf Viskosimeter der bekannten Art bezieht,
bei denen ein angetriebener Rotationskörper auf einen koaxialen Rotationskörper
(Folgekörper) ein Drehmoment ausübt und bei denen die Meßflüssigkeit mittels einer
Pumpe dauernd durch den von den Rotationskörpern gebildeten Meßspalt hindurchgetrieben
wird, ist nun dieser Mißstand behoben, und zwar dadurch, daß erfindungsgemäß ein
Führungsspalt vorgesehen
ist, durch welchen die Flüssigkeit vor
ihrem Eintritt in den eigentlichen Meßspalt strömt, derart, daß die von der Pumpe
herrührende Bewegungskomponete der Meßflüssigkeit senkrecht zu der das Drehmoment
bewirkenden Bewegung gerichtet ist. Das Gerät nach der Erfindung kann mit besonderem
Vorteil zur Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der Zähigkeit dienen. Um dabei
innerhalb kleiner Räume einen ausgezeichneten Temperaturausgleich herbeizuführen
zwischen der Stelle der Flüssigkeit, an der die Schubspannung gemessen wird, und
den Stellen, an denen das Temperaturmeß- oder Regelgerät und die Heiz- oder Kühleinrichtungen
sich befinden, legt man zweckmäßig diese beiden ersten Meßwerksteile örtlich so
nahe wie möglich zusammen und schützt die im Umlauf befindliche Flüssigkeit gegen
Wärmeverluste soweit wie möglich, während die Stelle der Energiezufuhr möglichst
getrennt angeordnet wird.
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Zweckmäßig wird die für die Erzeugung des Drehmoments notwendige Drehbewegung
des nach der Methode der rotierenden Zylinder arbeitenden Zähigkeitsmessers auch
zur Erzeugung der Bewegung der zu messenden Flüssigkeit senkrecht zu der für die
Zähigkeitsmessung benutzten Bewegung verwendet. Es geschieht dies durch Anordnung
einer Pumpenschnecke, die von dem angetriebenen Zylinder bewegt wird und sich beispielsweise
direkt auf der Innenfläche dieses Zylinders befinden kann. Es kann jedoch auch zweckmäßig
sein, die Schnecke, welche die Pumpenbewegung ermöglicht, an einem ruhenden Hohlzylinder
anzuordnen, der, abgesehen von der Aufgabe, den Pumpenraum einseitig zu begrenzen,
auch noch als Träger für den einen Schutzring des Zähigkeitsmessers dienen kann.
Gibt man dem Meßsystem, welches aus angetriebenem Zylinder, Folgezylinder und feststehendem
Teil zusammengesetzt ist, die Gestalt eines Ringes, so ergibt sich die Möglichkeit
eines unbegrenzt großen Ausschlagwinkels für den abgelenkten Zylinder, obgleich
man an dem Träger für die Pumpenschnecke auch den für genaue Messungen notwendigen
Schutzring anbringen kann, der es ermöglicht, Störungen, die bei der endlichen Begrenzung
des abgelenkten Zylinders sonst unvermeidlich wären, völlig auszuschließen. Damit
erreicht man die Anwendbarkeit der Theorie, die unendlich lange Zylinder voraussetzt,
auf endliche Systeme. Der Vorteil der Einrichtung ist, daß das Gerät absolut eichbar
wird, einfach auf Grund der Abmessungen.
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Man kann 'auf diese Weise die Geschwindigkeit der Untersuchung eines
Stoffes bei verschiedenen Temperaturen wesentlich steigern, ohne Gefahr zu laufen,
daß eine Abweichung zwischen der Temperatur an den Stellen der Drehmomentsmessung
und der Temperaturmessung vorkommen kann. Wie
Untersuchungen ergaben, läßt
sich die Messung des Temperaturganges der Zähigkeit eines Stoffes über aoo° C innerhalb
von i Stunde durchführen, wobei im Gegensatz zu bekannten Anordnungen während der
Einschaltung und nach Abschaltung der Heizleistung sich völlig gleiche Werte für
die Zähigkeit ergeben. Dies erklärt sich daraus, daß ein Temperaturgradient zwischen
den Meßstellen für das auftretende Drehmoment und für die Temperatur infolge der
Ausbildung einer verhältnismäßig sehr großen Umlaufgeschwindigkeit durch die Pumpenschnecke
nicht auftreten kann, während beim Fehlen dieser Einrichtung gewöhlich infolge einseitigen
Wärmeflusses die beiden die Flüssigkeitsschicht begrenzenden Zylinderflächen verschiedene
Temperaturen haben. Selbst wenn man eine der beiden Flächen zum Ort der Temperaturmessung
macht, erhält man Werte für die Zähigkeit, die der bei der Zähigkeitsmessung im
Mittel wirkenden Temperatur nicht entsprechen. Man müßte vielmehr die Temperatur
in der Mitte des Zylinderringes messen, der von der zu untersuchenden Flüssigkeit
ausgefüllt ist und von den konzentrischen Zylinderflächen umgrenzt wird. Dies ist
jedoch mit Rücksicht auf die notwendige Störungsfreiheit nicht zulässig.
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Die bei der Untersuchung von Flüssigkeiten sich bemerkbar machende
Abhängigkeit der Zähigkeit von der Temperatur macht es notwendig, einem Zähigkeitsmesser
einen sehr großen Meßbereich zu gehen. Gewöhnlich ist mit dem Umschalten eines Teilmeßbereiches
auf den anderen eine gewisse Störung des Betriebes verbunden, die sich im Falle
der hohen Heizleistung, wie sie bei dein Gegenstand der Erfindung angewendet werden
darf, sehr störend bemerkbar machen würde. Es bestand daher die Aufgabe, eine Umschaltung
der verschiedenen Meßbereiche, beispielsweise i : vo : ioo : iooo, dadurch zu erreichen,
daß man im Augenblick beispielsweise die Geschwindigkeit des Antriebes in dem genannten
Verhältnis ändern kann. Erfindungsgemäß wurde dieses Ziel erreicht durch Benutzung
eines Schaltgetriebes, welches das kurzzeitige Außerbetriebsetzen des Gerätes bei
Änderung des -.i%leßbereiches völlig vermeidet.
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In der Fig. i ist ein Beispiel für die Anwendung der Erfindung dargestellt.
i ist eine ringförmige Rinne, die, in Kugellagern z gelagert, durch einen Antrieb
3 mit der Zahnradübersetzung d. um die Achse 5 läuft. Zum Zweck der genannten Pumpenbewegung
ist
auf der innen gelagerten Wand des Ringraumes eine Pumpenschnecke
6 angebracht, die von einer feststehenden Zylinderwand 7 begrenzt wird. Dieser Hohlzylinder
7 wird mittels der mit ihm fest verbundenen Hohlachse 8 in die feststehende Hohlachse
5 senkrecht hineingesteckt. Die Hohlachse 8 bildet das Lager 9 für den Teil, der
nach dem bekannten Prinzip der rotierenden konzentrischen Zylinder durch die Bewegung
des angetriebenen Zylinders i abgelenkt wird. Dieser Teil io hat die Gestalt eines
Ringes und ist hohl, um sein Gewicht in, der Flüssigkeit möglichst gering zu halten.
Er ist in dem Lager i i geführt und überträgt sein Drehmoment auf eine Feder 12.
Je nach der Zähigkeit der zu irressenden Flüssigkeit wird der mitgenommene Zylinder
verschieden weit abgelenkt und damit die Feder verschieden stark gespannt. Die Ablenkung
der Feder wird durch den Zeiger 13 ablesbar: Der abgelenkte Zylinder wird oben und
unten durch Führungskörper 14 begrenzt, die feststehend angeordnet sind. Die Pumpenschnecke
bewirkt nun einen Umlauf der Flüssigkeit, wobei innerhalb des feststehenden Einsatzes
die Flüssigkeit nach oben gefördert wird, an der Oberfläche durch Löcher der Zylindermäntel
radial nach außen tritt und in dem Führungsspalt iq' und sodann in dem Spalt zwischen
dem abgelenkten, io, und dem angegetriebenen Zylinder i wieder nach unten fließt.
An der unteren Bewegungsfläche des Gefäßes fließt der zu prüfende Stoff dann wiederum
in radialer Richtung nach innen, entsprechend den eingezeichneten -Pfeilen der Abb.
i. Während die Meßkräfte nur in tangentialer Richtung wirken, wirkt der Pumpenumlauf
nur in Richtungen, die senkrecht zu,der tangentialen Bewegung stehen, und ist daher
ohne Einfluß auf die Größe des zur Messung übertragenen Momentes.
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Zur Ermöglichung eines sehr großen Meßbereiches erfolgt ,der Antrieb
des Viskosimeters über ein Getriebe, welches in der Abb. 2 dargestellt ist. Durch
eine einfache, kurzzeitige Schaltbewegung eines Kupplungsteiles 18 ist es möglich,
die Achse 3 mit der Antriebsachse 15 über verschiedene Getrieberäder 2i, 22, 23
oder 24 derart zu koppeln, daß eine Untersetzung im Verhältnis i : ioo, eine' Untersetzung
im Verhältnis i : io, eine Übertragung der Drehbewegung ohne Änderung der Drehzahl
oder endlich eine Übersetzung der Drehzahl der Achse 3 im Verhältnis i : io entsteht.
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Die Umwälzung, die durch die Schnecke 6 herbeigeführt wird, wird daher
beim Umschalten von einem Meßbereich auf den anderen nicht außer Tätigkeit gesetzt,
und es wird daher durch die Heizung 16 keine übermäßige und unausgeglichene Erwärmung
des in dem Meßgerät zirkulierenden Stoffes herbeigeführt.
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Ein Thermometer 17, welches im Hohlraum des einen Führungskörpers
angeordnet ist, gestattet die Ablesung der Temperatur. An seiner Stelle kann auch
ein Widerstandsthermometer innerhalb des Führungskörpers angeordnet werden. Auch
können Einrichtungen zur Regelung der Temperatur an dieser Stelle angebracht werden,
z. B. kann der Hohlraum des Führungskörpers mit einer Flüssigkeit von hohem Dampfdruck
gefüllt werden, welche an einem Menbranmanometer bei Überschreitung einer bestimmten
Temperatur in an sich bekannter Weise den Strom für die elektrische Heizung 16 unterbricht.
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An Stelle der elektrischen Heizung oder neben dieser kann auch in
dem feststehenden Zylinderring ein Hohlraum 8 untergebracht werden, der zur Aufnahme
von Kühlsole bestimmt ist, die durch ein Rohrsystem an eine Kältemaschine angeschlossen
werden kann.
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Es kann auch zweckmäßig sein, die Methode der konzentrischen Zylinder
in der Weise abzuändern, daß an Stelle der Zylinder beispielsweise Kegel angewendet
werden. Derartige nichtzylindrische Körper haben den Vorzug, daß man durch Veränderung
der Höhenlage einer der beiden aufeinanderwirkenden Rotationsteile den Meßbereich
des Gerätes ändern kann. Im Falle der Anwendung von Kegeln wird nämlich beim Heben
des Innenkegels der Abstand der sich beeinflussenden Flächen verändert. Man kann
durch weiteres stufenweises Heben auch ein teilweises Austauchen des Innenkegels
aus der zu messenden Flüssigkeit erreichen. Dadurch ist es ebenfalls möglich, ohne
Unterbrechung der Pumpbewegung eine Veränderung des Meßbereiches für das Gerät durchzuführen,
wobei eine Störung des Temperaturgleichgewichtes vermieden wird.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 3 ist 25 der innen angeordnete
Kegel, der infolge der Zähigkeit der zu messenden Flüssigkeit durch die Rotation
des Gefäßes 26 aus der Ruhelage abgelenkt wird. Das Gefäß 26 besteht aus einem zylindrischen
Teil mit Boden, welcher einen Einsatz enthält, der innen eine Kegelmantelfläche
27 aufweist. Der Spalt 1q.' zwischen der äußeren Bodenfläche des Einsatzes 26' und
der inneren Bodenfläche des zylindrischen Teiles des Gefäßes 26 dient hier als Führungsspalt
nach der Erfindung. Die Höhe des Teiles 25 und damit sein Abstand von -der Kegelmantelfläche
27 ist durch die Rastenkupplung 28 einstellbar. In den zylindrischen Hohlraum 29
ragt ein Zylinderring 30, welcher die Pumpenschnecke 3 i trägt. Außerdem
enthält er eine
elektrische Heizwicklung und ein elektrisches Widerstandsthermometer.
Die Pumpenschnecke 31 kann als Hohlkörper ausgebildet sein zwecks Durchleitung von
Kühlsole.
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Auch die für die Anzeige des Drehmomentes verwendete Federwaage, die
mit dem angetriebenen Teil mechanisch gekuppelt werden muß, kann eine augenblicklich
wirkende Verstelleinrichtung für den Meßbereich erhalten. die die Umschaltung auf
verschiedene Meßbereiche vorzunehmen gestattet, ohne daß die Heizung und der Pumpenantrieb
für den Umlauf der Flüssigkeit außer Betrieb genommen werden muß. Man erreicht dies
dadurch, daß man den Nullpunkt der in Abb. i dargestellten Drehmomentwaage durch
das Zahnradgetriebe 34 mittels des Drehknopfes 35 einstellbar unterdrückt. Zur Festlegung
eines bestimmten Drehwinkels dieser Einrichtung dient die Raste 36. Die vorgenommene
Einstellung des Meßbereichsanfangs ist auf der Zahnradscheibe 37 durch das Fenster
38 ablesbar.