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Verfahren und Einrichtung zur Zähigkeitsmessung Zusatz zum Patent
702 089 Das Hauptpatent bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Zähigkeitsmessung unter Verwendung eines umlaufenden Antriebsrotationskörpers, der
über die auf ihre Zähigkeit zu prüfende Flüssigkeit einen zlveiten, einer Bremskraft
ausgesetzten Körper mitnimmt. Die Erfindung des Hauptpatents besteht darin, daß
im stationären Gleichgewicht gemessen wird, das sich einstellt, wenn der Folgekörper
durch eine von seiner Drehzahl abhängige Bremskraft sich auf eine stationäre Drehzahl
eingestellt hat.
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Es wird hier also durch den Antri,ebsrotationskörper dern zweiten,
konzentrisch angeordneten Rotationsfolgekörper abhängig von der Zähigkeit ein Drehmoment
erteilt, während der Folgekörper zähigkeitsunabhängig mit einem Bremsmoment abgebremst
wird, das von der Drehzahl des Folgekörpers abhängig, vorzugsweise ihr proportional
ist.
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Die im stationären Zustand sich einstellende Drehzahl n des Folgekörpers
wird in an sich bekannter Weise durch eine- Tourendynamo gemessen.
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Die Beziehung zwischen Zähigkeit # und Drehzahl n des Folgekörpers
ist, wie im Hauptpatent schon dargelegt, E n t1= K N-n wobei K eine geometrische
Konstante für das Antriebsmoment, E eine zähigleeitsunabhängige Konstante für das
Bremsmoment und N die Antriebsdrehzahl ist.
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Die Erfindung stellt nun eine Weiterbildung des Verfahrens nach dem
Hauptpatent insofern dar, als das Maß für die Zähigkeit nicht die Geschwindigkeit
des Folgekörpers, sondern das auf ihn wirkende Dreh- oder Bremsmoment venvendet
wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß der zur Betätigung einer Wirbelstrombremse
benutzte
Magnet mit dem Rotationskörper starr verbunden wird, im
Grenzfall diesen Rotationskörper selbst darstellt, und seine Rückwirkung auf die
Bremsscheibe oder -trommel eines Tachometers als Bremsmoment gemessen wird. Die
Rüclnvirkung auf eine Bremstrommel ist dadurch leicht mechanisch meßbar, daß diese
drehbar gelagert und infolge ihrer Bremswirkung abgelenkt wird.
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Ihr Bremsmoment wird durch die Verdrehung aus der Ruhelage entgegen
einer die Verdrehung hindernden Feder als Drehwinkel gemessen.
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Zur druckfesten Übertragung der Meßwerte aus einem druckfesten, die
rotierenden Körper enthaltenden Meßraum wird man zweckmäßigerweise den Bremsmagneten
von dem das aufzuwendende Bremsmoment messenden Gerät durch eine druckdichte Wand
völlig abschließen. Erfindungsgemäß wird auch in diesem Fall das Bremsmoment, wenigstens
zum Teil, durch die Tachometertrommel erzeugt und als Winkelverdrehung der drehbar
gelagerten Bremstrommel entgegen einer Federkraft gemessen.
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Es ist auch möglich, außer dem zaht gkeitsunabhängigen Bremsmoment
noch weitere zähigkeitsabhängige Bremsmomente anzuwenden, die z. B. durch einen
engen Spalt z vischen dem Folgerotationskörper und einer feststehenden konzentrischen
Wand entstehen, wenn die zu prüfende Flüssigkeit diesen Spalt ausfüllt. Dieses Teilbremsmoment
ist dann B = C# n, wobei C eine durch die Abmessungen des Gerätes gegebene Konstante
ist. Der Zusammenhang zwischen derZähigkeit # und der Folgedrehzahl n ist dann n
E # = (N-n)#K-n#C.
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Es ergibt sich eine ähnlich verlaufende Abhängigkeit zwischen # und
n wie in der erstgenannten Gleichung, nur ist für unendliche Zähigkeit die maximal
errcichban Drehzahl K.N K + C.
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Man erreicht damit, wenn das Bremsmoment des XVirbelstrombremsmagneten
für bestimmte Drehzahlen aus konstruktiven Gründen gegeben ist, bei der Wahl eines
genügend großen mechanischen Bremsmomentes C # # # n neben einer günstigen Kurvencharakteristik
fiir die Beziehung zwischen Zähigkeit und Folgedrelizahl noch eine unter Umständen
erhebliche Vergrößerung des Einstelirnomentes des rotierenden Folgekörpers.
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Fig. 1 zeigt ein grundsätzliches Ausfühdargestellten Ausführung.
Dabei sind die in ihrer Wirkungsweise gleichen Teile mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In Fig.r trcibt der Antriebsmotor 1 mit konstanter ' Drehzahl einen
zylindrische Becher 2 an, in dem sich ein zylindrischer, drehbar angeordneter Magnet
3 und die zu prüfende Flüssigkeit 4 befinden. Der zylindrische Antriebsmotor 2 wird
von einer Tachometertrommel 10 umschlossen, welche innerhalb eines Magnetfeldes
gelagert ist, das sich zwischen dem Magneten 3 und einem feststehenden, geblätterten
Weicheisenring 5 ausbildet. Die verschiedenen Rotationskörper sind auf.beiden Seiten
in entsprechender, in der Figur nicht besonders dargestellter Weise gelagert. Die
Feder 6 hält die Tachometertrommel IO in ihrer Nullage. Bei Antrieb des Motors I
wird über die Prüfilüssigkeit der Folgekörper 3 mitgenommen und dadurch ein Drehmoment
auf die Tachometertrommel 10 ausgeübt, welches diese entgegen der Federkraft6 aus
der Nullage um einen entsprechenden Winkel aus ihrer Ruhelage ablenkt. Die Stellung
des mit der Achse der -Tachometertrommel 10 fest verbundenen Zeigers 7 über der
Skala 3 ist ein Maß fiir die Zähigkeit der Flüssigkeit 4.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 treibt der Antriebsmotor
1 den zylindrischen Rotationskörper 2 an, während der Folgekörper 3 durch einen
zylindrischen Becher gebildet wird, der durch die Flüssigkeitsreibung der Prüfflüssigkeit
mitgenommen wird.
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Dadurch, daß sich Antriebskörper 2 und Folgekörper 3 in einem Becher
mit der feststehenden Wand 9 befinden, wird durch die Reibung der Flüssigkeit 4
zwischen dem Folgekörper 3 und der Wand 9 die Drehzahl des Folgekörpers 3 gegenüber
der nach Fig. 1 auftretenden masimalen Drehzahl des Folgekörpers herabgesetzt. Der
Magnet 3', welcher über die Tachometertrommel 10 der Wirbelstrombremse das Bremsmoment
erzeugt, ist in diesem Fall außerhalb der zu messenden Flüssigkeit angeordnet. Bei
dieser Anordnung wird das Einstellmoment des Folgekörpers 3 vergrößert und gegenüber
der Anordnung nach Fig. r die Beziehung zwischen der Zähigkeit und der Folgedrehzahl
noch stärker von der linearen entfernt.
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Im Falle einer nicht konstanten Antriebsdrehzahl des Motors 1 wird
zweckmäßig das Verhältnis der Verdrehung der Tachometertrommel 10 gegen eine Wirbelstromtachometertrominel
gemessen, die von einem auf der Achse des Motors befindlichcn zweiten Magneten abgelenkt
wird. Dieses Verhältnis wird wie die Fig. 3 zeigt, zweckmäßig mit
art
gemessen, daß beide Tachometer bei spielsweise elektrische Fernsenderwiderstände
nach Maßgabe ihrer Verdrehung verstellen.
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Die Anordnung der beiden Tachometertrommeln ist in der Figur nicht
mehr besonders gezeigt. Der Fernsenderwiderstand 11 wird von der von dem Folgekörper
beeinflußten Tachometertrommei verstellt, der die ablenkende Spule 12 eines Kreuzspulinstrumentes
nach Maßgabe der Stellung seines bejeglichen Kontaktes beeinflußt. Der Fernsenderwiderstand
I3, der von der Tachometertrommel des Antriebsmotors beeinflußt wird, speist die
Richtspule 14 des Kreuzspulinstrumentes nach Maßgabe der Drehzahl des Antriebsmotors
bzw. der von dieser Drehzahl abhängigen Verdrehung der Tachometertrommel. Der Ausschlag
des Quotientenmeßgerätes ist dann, unabhangig. von der Betriebsspannung des Motors
und unabhängig von; der zweckmäßig identischen Spannung der Hilfsstromquelle für
das Meßgerät, ein Maß für das Verhältnis n : N und damit ein Maß für die Zähigkeit.
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Fig. 4 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar, bei der der
Antriebsrotationskörper 2 den aus einem zylindrischen Magneten bestehenden Rotationsfolgekörper
3 im Gegensatz zu Fig. I und 2 völlig umschließt.
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Diese Teile werden ihrerseits wiederum völlig von einem zylindrischen
Behälter mit der druckdichten Wand 9 umgeben, weiche in -diesem Fall kein Bremsmoment
auf den Folgekörper ausüben kann. Der Antriebskörper kann auch selbst die druckdiclite
Wand bilden, wobei dann eine besondere druckdichte Wand wegfallen kann. Bei der
Anordnung des Magneten 3 innerhalb des Antriebskörpers 2 hat sich gezeigt, daß ein
günstiges Drehzahlverhältnis n : N nur dann zu erreichen ist, wenn die Polabstände,
d. h. in diesem Fall der Durchmesser des zylindrischen Bremsmagneten unter 15 mm
betragen. Dies ergibt sich daraus, daß einerseits das Antriebsmoment eines Rotationskörpers
auf einen zweiten konzentrischen Rotationskörper proportional mit der dritten Potenz
des Radius anwächst, wenn die Zähigkeit und der Spalt zwischen den beiden konzentrischen
Rotationskörpern gegeben ist, daß aber die Feldstärken der Magnete nur etwas proportional
mit der Länge, d. h. dem Polabstand anwachsen. Se!bst bei der Verwendung neuzeitlicher
Magnetmaterialien erreicht man daher nur dann eine genügend starke Abbremsung des
Folgekörpers 3 durch die Wirbelstrombremse, wenn der zylindrische Folgkörper, d.
h. der Magnet einen Durchmesser unter 15 mm besitzt. Die zur Erzielung eines genügend
großen Brems- und Drehmomentes notwendige Höhe des Magneten ist dann zweckmäßig
mindestens dreimal so groß wie der Zylinderdurchmesser bzw. Polabstand zu machen.
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Dic Anordnung nach Fig. 4 hat sich inso-(ern als vorteilhafter herausgestellt,
als die Anordnung nach Fig. 2, weil bei nicht vollkommen homogenen zu prüfenden
Flüssigkeiten, z. B. bei Luftgehalt der Flüssigkeit, die Drehzahl des Folgekörpers
nach Anordnung Fig. 4 eindeutig durch die Zähigkeit gegeben ist, während nach der
Anordnung Fig. 2 durch die Abbremsung des Folgekörpers durch die feste Wand des
Gehäuses 9 Schwankungen der Drehzahl des Folgekörpers auftreten, wenn die Zähigkeit
des zu prüfenden Stoffes in dem inneren und dem äußeren Spalt nicht vollkommen gleich
ist.
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Eine weitere von den Fig. I bis 4 etwas abweichende Ausführungsform
der Erfindung * zeigen die Fig. 5 und 6, wobei jedoch natürlich wiederum das Dreh-
oder Bremsmoment ein Maß für die Zähigkeit ist. Es kann nämlich von Vorteil sein,
das Drehmoment auf den Folgekörper zu kompensieren, und zwar dadurch, daß ein zlveiter
Antriebsl;örper vorgesehen ist, der einen zum ersten Antriebskörper entgegengesetzten
Drehsinn erhält. Im Falle der Kompensation der beiden entgegengesetzt wirkenden
Drehmomente auf den Folgekörper kommt dieser nach einer gewissen Zeit, in der er
zunächst je nach dem überwiegenden Drehmoment des einen oder anderen Antriebskörpers
mitgenommen wird, zur Ruhe, unabhängig von der Antriebsgeschwindigkeit der beiden
Antriebskörper. Man ist daher nicht auf die Benutzung von Motoren mit konstanter
Drehzahl, z. B. Synchronmotoren, angewiesen, bzw. es kann in diesem, Fall bei einer
von der Höhe der Betriebsspannung und dem anzuwenden den.
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Drehmoment abhängigen Drehzahl der beiden Antriebskörper die Messung
des Verhältnisses zweier Geschwindigkeiten vermieden werden. Es sind zwei verschiedene
Fälle denkbr. Im- ersten Fall werden die beiden Antriebsgeschwindigkeiten der entgegengesetzt
rotierenden Antriebskörper stets gleich sein. In diesem Fall werden die beiden Antriebskörper
starr gekuppelt, derart, daß ilu Drehsinn entgegengesetzt verläuft. Es ist dies
allerdings nur ein Spezialfall des allgemeineren, na,ch dem die beiden Antriebskörper
mit verschiedenem Drehsinn und konstantem Geschwindigkeitsverhältnis rotieren.
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Das konstante Geschwindigkeitsverhältnis läßt sich durch eine starre
Übersetzung erreichen.
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Die Unabhängigkeit des Meßergebnisses von der Drehzahl der Antriebskörper
wird dadurch erreicht. daß durch Änderung der Kopplung zwischen den Antriebskörpern
und dem Folgekörper ein Zustand geschaffen
wird, bei dem der Folgekörper
in Rube kommt, bei dem demnach die beiden entgegengesetzten Drehmomente sich gegenseitig
kompensieren.
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Fig. 5 zeigt in schematischer Form ein grundsätzliches Ausführungsbeispiel
der vorstehend gekennzeichneten Anordnung.. Als Rota,tionskörper wählt man zmei
Kegel 15 und I6. Der eine von ihnen trägt einen Magneten 17. Die achsengleich angeordneten
Kegel sind durch ein Getriebe 18 derart miteinander verbunden, daß die Drehrichtung
des Körpers 16 entgegengesetzt der des Körpers 15 ist. Der Folgekörper 19 ist auf
der den Rotationskörpern gemeinsamen Achse 20 verschiebbar angeordnet, so daß die
yon den beiden Antriebskörpern 15 und I6 auf ihn wirkenden Drehmomente von den jeweiligen
Abstand von Antriebs- und Folgekörper abhängig sind. Die Ruhelage des Folgekörpersg
wird dadurch zweckmäßig von der Zähigkeit der Prüfflüssigkeit 4 abhängig gema,cht,
daß eine Wirbeistrombremse 21 vorgesehen wird, die ein zusätzliches, von der Zähigkeit
der Prüfflüssigkeit abhängiges Drehmoment im Drehsinn des Antriebskörpers 15 bzw.
des Magneten 17 erzeugt. Am Gehäuse 25, welches den Folgekörper 19 umschließt, ist
gegenüber dem Magneten I7 und der Bremstrommel 21 ein geblätterter Weich eisenring
22 angebracht. Dadurch wird der Folgekörper 19 je nach der Zähigkeit verschieden
große Verschiebungen in der Längsrichtung der Achse 20 erfahren. Die Zähigkeit wird
angezeigt durch die entsprechende Stellung des Folgekörpers 19 in der Ruhelage.
Sie kann aus dem mit Prüfflüssigkeit gefüllten Raum in an sich bekannter Weise durch
Betätigung eines elektrischen Fernsendewiderstandes nach außen ferngemeldet werden.
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Um die axiale Verschiebung des Rotationsfolgekörpers 19 beim Ausgleich
der beiden entgegengesetzt wirkenden Drehmomente selbsttätig einzuleiten, ist ein
Getriebe vorgesehen, welches zur Vergrößerung des Einstellmomentes stark untersetzt
auf die axiale Verschiebung wirkt. Ein derartiges Getriebe läßt sich reibungsfrei
dadurch erzielen, daß auf dem Folgekörper 19 eine Schnecke 23 angeordnet wird, die
in Verbindung mit der Gehäusewand 24 je nach dem Drehsinn des Rota,tionskörpers
die axialc Verschiebung so zange bewirkt, bis die auf den Folgekörper ausgeübten
Drehmomente sich kompensieren und der daher zur Ruhe kommt.
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Einc weitere Möglichkeit, mit Kompensation. zweier entgegengesetzt
gerichteter Drehmomente zu arbeiten, zeigt in schematischer Form Fig. 6. In diesem
Fall ist die Bedingung eines konstanten Drehzahlverll;iltnisses der beiden Antriebskörper
15 und 16 nicht mehr gefordert. Vielmehr ist die Bedingung für die richtige Anzeige
der Zähigkeit nur die Gleichheit der auf den Folgekörper 19 ausgeübten entgegengesetzten
Drehmomente. Solange kein Gleichgewicht besteht, wird der Folgekörper Ig, je nach
dem welches Drehmoment der beiden Antriebskörper 15 oder I6 übenviegt, in einer
bestimmten Drehrichtung mitgenommen. Der äußere Rotationskörper 15 sucht den Folgekörper
19 in der einen, der innere Rotationskörper über den Magneten I7 in der anderen
Drehrichtung mitzunehmen. Solange das Gleichgewicht nicht vorhanden ist, verstellt
der Folgekörper 19 über den Arm 28 einen elektnschen Widerstand 25, über den ein
Bremsmagnet 26 auf den Antriebskörper I5, je nach dem ursprünglichen Drehsinn mit
zu- oder abnehmendem Bremsmoment, so lange einwirkt, bis der Folgekörper 19 zur
Ruhe gekommen ist. Dies ist dann der Fall, wenn das Drehmoment des Rotationskörpers
15 dem Drehmoment des Rotationskörpers 16 gerade das Gleichgewicht hält. Dieser
Stellung entspricht eine bestimmte Stellung des Widerstandes 25, welche ein. Maß
für die Zähigkeit des die Antriebsmomente übertragenden Prüfstoffes ist, der sich
innerhalb der Spalte zwischen den Antriebskörpern und dem Folgekörper befindet.
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In dieser Form ist die Anzeige allerdings abhängig von der Höhe der
Spannungsquelle, mit der der Elektromagnet 26 betrieben wird.
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Man kann eine Unabhängigkeit von dieser Größe dadurch erreichen, daß
in an sich \bekannter Weise das Verhältnis der beiden Drehzahlen der Antriebskörper
1 5 und z6 gemessen wird. Wichtig ist bei dieser - Anordnung, daß Gleichheit der
Drehmomente der beiden Antriebskörper herrscht. Diese kann dadurch erreicht werden,
daß die beiden Antriebskörper über ein Differentialgetriebe 27 von dem gleichen
Motor 1 angetrieben Werden. Dann wird das Verhältnis ihrer Geschwindigkeiten ein
Maß für die Zähigkeit des Stoffes.