DE8704599U1

DE8704599U1 - Oszillierendes Searle-Prozeßviskosimeter

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Publication number: DE8704599U1
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Priority date: 1987-03-27
Filing date: 1987-03-27
Publication date: 1987-06-04

Description

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Koiri, den 20* Mariz 1987 vA.

Anmelderi

Werner Heinz

Mein Zeichens B 1/209

Oszillierendes Searle^Prozeßviskosimeter

Die vorliegende Erfindung betrifft ein oszillierendes Searle-Prozeßviskosimeter mit einem von einem Motor zu erzwungenen Schwingungen angetriebenen InnenzyÜnder, der an einer zur Halterung und zum Messen des Drehmomentes dienenden und in den Meßraum ragenden Rohrwelle mit einem innengestänge befestigt ist, und mit einer von dem Innengestänge betätigten Winkelmeßanordnung. Oszillierende Viskosimeter gestatten, neben den viskosen auch die elastischen Eigenschaften von Flüssigkeiten und plastischen Stoffen zu bestimmen. Bestimmungsgrößen sind dann die Viskosität und der elastische Speichermodul. Diese Größen werden bei einem Prozeßviskosimeter während des Produktionsprozesses, zum Beispiel in einer Rohrleitung, kontinuierlich gemessen.

Es sind oszillierende Prozeßviskosimeter nach dem Couette-Prinzip {DE-OS 3 324 842) bekannt, bei denen dem Außenzylinder durch einen Motor Drehschwingungen aufgezwungen werden. Die Messung des durch die Stoffeigenschaften bestimmten Drehmomentes erfolgt am Innenzylinder. Dieser ist entweder an einer Rohrwelle befestigt oder selbst als Rohrwelle ausgebildet. Die durch das Drehmoment bewirkte geringfügige Verdrillung der Rohrwelle wird über ein im Inneren der Rohrwelle angeordnetes Gestänge erfaßt und dient als Maß für das Drehmoment. Bei Couette-Viskosimetern sind zwei bewegte Zylinder vorhanden. Mit ihren Halterungen ragen sie in die Substanz und bilden entspre-

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chend zahlreiche Ecken, Winkel Und Toträüme. Dieses Meßsystem ist daher für fortlaufende Messungen an aushärtenden Substanzen, zum Beispiel Kunststoffschmelzen, weniger geeignet.

Bei Searle-Viskösimetern dreht sich nur der Innenzylinder. Auch das Drehmoment wird an diesem gemessen. Ein Searle-Prozeßviskosimeter für oszillierende Messungen ist bekannt (US-PS 4 643 020) , bei Gern die Halterung des Innenzylinders durch einen Metallbalg abgedichtet wird. Metallbälge sind jedoch, vor allem nach längerer Betriebszeit, bruchgefährdet. Auch bei diesem Viskosimeter wird das Drehmoment über die Verdrillung einer Rohrwelle gemessen.

Um bei Verwendung einer Rohrwelle als Element zur Drehmomentmessung ein hinreichend großes Meßsignal, also eine genügend große Verdrillung, zu erhalten, muß die Rohrwe1-Ie dünnwandig ausgeführt sein. Das bedingt aber eine geringe Seitensteifigkeit der Anordnung. Bei seitlich auf den Innenzylinder gerichteten Strömungskräften bleibt daher die Geometrie des substanzgefüllten Ringspaltes zwischen Außen- und Innenzylinder häufig nicht erhalten.

Dies führt zu Meßfehlern.

Zum Erhöhen der Seitensteifigkeit sind daher bei einem anderen bekannten Viskosimeter (US-PS 4 175 425) Bleche von außen stumpf auf die Rohrwelle aufgeschweißt. Damit wird sie gegenüber Seitenkräften ,versteift. Ihre Verdrehbarkeit wird nicht beeinträchtigt. Die aufgeschweißten Bleche ragen jedoch in den Meßraum. Dadurch entstehen wieder Ecken, Winkel und Toträume, in denen sich Substanz festsetzen kann.

Die Rohrwelle erfährt durch das Meßdrehmoment eine nur kleine Verdrillung unter 1°. Diese Verdrillung wird bei den bekannten Ausführungen durch ein Gestänge auf eine

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Wirikei- öder Verformungsmeßanördnung im Gerät übertragen * Das Gestänge ist an dem am weitesten in den Meßraüm ragenden Ende der Rohrweite befestigt* Die Rohrwelle erfährt aber auch durch andere Einflüsse Veränderungen ihrer Geometrie. Sie verkürzt sich nämlich durch Stauchung bei erhöhtem Druck im Meßraum, und sie wird bei erhöhten Temperaturen durch Wärmedehnung länger. Diese Verformungen, deren Ausmaß in der Größenordnung der Verdrillung durch das Meßdrehmoment liegt, werden durch das Gestänge ebenfalls auf die Meßanordnung übertragen. Sie bewirken dort Effekte, die als Meßfehler in Erscheinung treten. Mehr oder weniger treten diese Meßfehler bei sämtlichen bekannten Viskosimetern auf.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein oszillierendes Searle-Prozeßviskosimeter so auszubilden, daß die Rohrwelle zum Vermeiden der genannten Meßfehler eine hohe Seitensteifigkeit erhält, ohne daß die hierzu getroffenen Maßnahmen neue Meßfehler erzeugen. Zum Lösen dieser Aufgabe wird ein Prozeß viskosimeter der eingangs genannten Gattung gemäß der Erfindung lSit folgenden Merkmalen ausgestattet:

a) Das Innengestänge ist als eine zur Versteifung dienende Welle mit einem Durchmesser von nahezu dem der Rohr welle ausgebildet und in einem vom Meßraum abgewandten Teil der Rohrwelle gelagert.

b) Ein Metallbalg als Übertragungselement ist zwischen dem vom Meßraum abgewandten Ende der Welle und der Winkelmeßanordnung angeordnet.

Die erfindungsgemäß mit nahezu deren Durchmesser durch die Rohrwelle durchtretende und das Innengestänge bildende Welle versteift die Rohrwelle wesentlich gegenüber Seitenkräften. Ihr Durchmesser liegt nur wenig unter dem der Rohrwelle. Zwischen Rohrwelle und Welle bleibt daher

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hur ein kleiner Ringspait offen. Die das Inrtengestänge bildende Welle wird in der Röhrwelle in deren vom Meßraüm abgewandten Bereich gelagert* In diesem Bereich hat der Konstrukteur genügend Möglichkeiten, Läger für das Inhengestänge ausreichend groß und damit stark auszubilden.

Wie ausgeführt, verändert die Rohrwelle infolge Druck- und Temperaturänderungen ihre Form und ihre Abmessungen* Damit entstehen zusätzlich zu den erwünschten Drehschwingungen auch axiale und seitliche Auslenkungen. Diese würden bei einer übertragung zur Winkelmeßanordnung Meßfeh

ler verursachen. Der erfindungsgemäß vorgesehene Metallbalg ist gegenüber Drehbewegungen sehr steif. Gegenüber axialen und seitlichen Bewegungen ist er jedoch sehr flexibel. Damit werden diese Auslenkungen nicht übertragen, und Meßfehler werden vermieden. Die Parameter Druck und Temperatur gehen damit nicht in die Messung ein. Die Auslenkungen der Rohrwelle sind sehr gering. Deshalb wird auch der Metallbalg nur wenig verformt. Im Unterschied zu seinen Anwendungen beim Stand der Technik unterliegt er daher keiner Bruchgefahr.

&iacgr; Wie ausgeführt, wird die Rohrwelle durch die erfindungs-

! gemäß in ihrem Inneren verlaufende Welle gegenüber SeiLen-

; 25 kräften versteift. Ihre Verdrehbarkeit leidet jedoch nicht. ■ Bei einer Verdrehung der Rohrwelle führen die erfindungsgemäß vorgesehene Welle und ihre Lager im oberen Teil der Rohrwelle eine kleine Drehbewegung gegenüber dieser aus. Auf die Messung des Drehmomentes hat dies praktisch keinen Einfluß.

Die beiden erfindungsgemäßen Merkmale a) und b) wirken sich ergänzend zusammen. Die gemäß Merkmal a) vorgesehene Welle versteift die Rohrwelle gegenüber Seitenkräften. Infolge der Steifigkeit der Welle besonders starke axiale

und seitliche Auslenkungen werden durch den Metallbalg von der Winkelmeßanordnung abgehalten und können damit zusätzliche Fehler nicht bedingen.

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Die Rohrwelle durchläuft das Gehäuse auf einer größeren Strecke in einem vom Meßraum abgewandten und über diesem liegenden Bereich. In diesem hat der Konstrukteur vielfache Möglichkeiten zu ihrer Verstärkung und Versteifung. ;_; In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist daher vorgesehen, '■ daß der vom Meßraum abgewandte Teil der Rohrwelle verstärkt ist. Hierzu kann dieser eine größere Wandstärke aufweisen. TJine weitere Möglichkeit liegt darin, daß die Rohrwelle in zwei konzentrisch mit Abstand umeinander liegende Abschnit- _r te aufgeteilt ist.

Für die Winkelmeßanordnung wird in einer zweckmäßigen Ausgestaltung vorgeschlagen, daß er durch mit Dehnungsmeßstreifen belegte Metallamellen gebildet ist und diese durch die Verdrehung der Rohrwelle auf Biegung beansprucht sind. · Die Lamellen haben vorzugsweise die Form länglicher Plat- \ ten und bestehen vorzugsweise aus Stahl. Die Dehnungsmeßstreifen werden zweckmäßig zu einer Wheatstone¹sehen Vollbrücke zusammengeschaltet, wodurch Temperatureinflüsse auf \ den Brückenabgleich unterdrückt werden können. Vorzugswei- ■ se werden vier Stahllame 1len, auf einem Kreisumfang gleichmäßig verteilt, vorgesehen. Sie bilden einen Meßkäfig.

Zum Abführen der elektrischen Signale sind flexible elektrische Leitungen an die Dehnungsmeßstreifen angeschlossen. Solche zum Beispiel fest angelöteten Leitungen weisen nicht die Störanfälligkeit von Schleifringen auf. Solche flexiblen Leitungen arbeiten einwandfrei bei Drehbewegungen bis zu - 30°.

In einer weiteren Ausgestaltung ist eine· Gleitringdichtung vorgesehen, die dip Rohrwelle gegen den Innenraum abdichtet. In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist noch Vorgesehen, daß die Welle durch Kreuzfedergelenke in |

der Röhrweiie gelagert iöt. Schließlich ist noöh vöfgese- | hen, daß die Welle int Bereich zwischen Uhren Lagern einen grQßefen Durchmesser von nahezu dem innendurchmesser der Rohrweite ifl dieöefn Beröieh aufweist*

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen wird das erfindungsgemäße Prozeßviskosimeter weiter beschrieben. In der Zeichnung ist: Fig. 1 ein Längsschnitt durch eine Ausführungsform, Fig. 2 ein Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform. Das Viskosimeter weist einen Außenzylinder 1 und einen Innenzylinder 2 auf. Sie sind im substanzerfüllten Meßraum angeordnet und werden von der Meßsubstanz umspült. Das Viskosimeter wird mittels des Flansches 9 auf den Meßraum aufgesetzt. Beide Zylinder 1 und 2 sind mit Längsschlitzen versehen, um den Substanzaustausch in den ringförmigen Meßspalt 3 zu fördern. Anstelle des Außerzylinders 1 kann auch unmittelbar eine Rohrleitung treten, wenn die Substanzgeschwindigkeit nicht zu groß ist. Der Innenzylinder 2 ist an einer Rohrwelle 4 befestigt. Deren unteres Ende 5 ist durch Schweißung verschlossen. An diesem unteren Ende 5 ist eine Welle 6 angeschweißt, die bis in den oberen Teil des Gerätes verläuft. Der Durchmesser der Welle 6 ist nur wenig kleiner als der Innendurchmesser der Rohrwelle 4. Die Welle 6 wird durch die beiden Kugellager 7a und 7b abgestützt, die in dem oberen Bereich der Rohrwelle 4 gehalten werden. Statt der gezeigten Kugellager können auch Gleitlager oder Kreuzfedergelenke verwendet werden. Der obere Bereich der Rohrwelle besteht aus den Abschnitten 8a, 8b und 8c. Der Abschnitt 8a ist starkwandig und daher sehr verformungssteif. Die Rohrwelle 4 ist im oberen Bereich in die konzentrischen Abschnitte 8b und 8c aufgeteilt. Damit kann das vom elektromotorischen Schwingantrieb 10 herrührende Antriebsdrehmoment, das wegen der Dichtung 11 größer als das Meßdrehmoment und schwankend ist, keinen fehlerhaften Beitrag zur Verdri1lungsmessung der Rohrwelle 4 leisten. Das Antriebsdrehmoment wird nämlich über de*.i Abschnitt 8b zur Röhrwelle 4 und sum Innenzylinder 2 geleitet. Die ifesul-'35 tiefende Vefdtfillung des Abschnittes 8b beeinflußt die Messürig nicht, denn die WinkeImeßanordnung 12 mißt nur die WinkelvefSchiebung zwischen der Welle 6 Und dem Abschnitt Be· Wegen de* Befestigung de£ Welle 6 am Ende 5

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der Rohrwelle 4 entspricht die Winkelverschiebung zwischen ihr und dem Abschnitt 8c der Verdrillung der Rohrwelle 4 und damit dem Drehmoment am Innenzylinder 2. 5

Bei Strömungsseitenkräften auf den Innenzylinder 2, die bei laufenden Messungen im Kateriaistrom immer auftreten, nimmt die Welle 6 einen Großteil dieser Kräfte auf. Dazu ist bedeutsam, daß der Rohrabschnitt 8c, der die Lager 7a und 7b trägt, durch seinen Durchmesser und seine Wandstärke sehr biegesteif ist.

Die Rohrwelle 4 hat bei einer Geräteausführung einen Außendurchmesser von 12 mm. Die Wandstärke ist 0,5 mm und die Länge 160 mm. Durch ein Drehmoment von 1 N · m ( = 10000 cmp) erfährt die Rohrwelle 4 eine Verdrillung von zirka 0,1°. Die Welle 6 hat 10 mm Durchmesser. Durch eine Seiten!.raft von 10 N (= 1 kp) auf den Innenzylinder 2 ist die seitliche Auslenkung zirka 0,05 mm.

Der Rohrwellenabschnitt 8a wird durch die Gleitringdichtung 11 gegen das Viskosimetergehäuse 19 abgedichtet. Ein Metallbalg 20 besorgt die elastische Anpressung des Gleitringes an den Gegenring. Zugleich schließt er den Innenraum des Viskosimeters gegen den Meßraum ab. Die Rohrwelle 4 ist im Bereich ihrer oberen Abschnitte 8b und 8c mit Kugellagern 22a und 22b im Gehäuse gelagert.

Die Winkelmeßanordnung 12 besteht aus vier gleichmäßig auf einen Kreisumfang verteilten Stahl lamellen 13. Sie sind beidseitig mit Dehnungsmeßstreifen 21 beklebt. Jede Lamelle 13 trägt vier Dehnungsmeßstreifen 21. Die Lamellen 13 sind in im wesentlichen ringförmigen Anschlußstükken 14a und 14b eingeklemmt. Lamellen 13 und Anschlußstükke 14a, 14b bilden einen Meßkafig. Die Lamellen sind bei 7 mm Breite und 35 mm Länge zum Beispiel 0,6 mm stark*

Der Abschnitt 14b ist mit der Welle 6 über den Metallbalg

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15 verbunden. Der Metallbalg 15 überträgt praktisch nur Drehbewegungen, jedoch keine axialen oder lateralen Bewegungen auf den Meßkäfig. Durch die Winke!verschiebung zwischen der Welle 6 und dem Bereich 8c werden die Lamellen 13 auf Biegung beansprucht. Sie verformen sich durch die starre Einspannung ihrer Enden S-förmig. Dazu ist ein Drehmoment erforderlich, das klein gegenüber dem Meßdrehmoment ist und in festem Verhältnis darzu steht. Es entsteht dadurch also kein Meßfehler.

Die Dehnungsmeßstreifen 21 sind untereinander zu einer Wheatstone'sehen Brücke verscheltet. Die Zuführung des Stromes und Abnahme der Brückendiagonalspannung erfolgt durch vier flexible elektrische Leitungen 16. Die flexiblen Leitungen 16 folgen der Schwingbewegung des Meßkäfigs von zum Beispiel ± 5°. Ihre Rückwirkung auf das Drehmoment ist praktisch Null.

^Der Schwingantrieb 10 ist zum Beispiel ein Synchronmotor, der über eine Kurbel in den Längsschlitz eines Hebels 17 eingreift und dadurch die sinusförmige Drehschwingung von zum Beispiel 2 Hz erzeugt. Vorgesehen ist ein induktiver Weggeber 18, mit dem die Winkellage der Drehschwi.ngung in jedem Zeitmorcsnt bestimmt wird. Insbesondere wird damit die Phasenverschiebung c zwischen Schwingung und Drehmoment elektrisch ermittelt.

Die Viskosität 4£* und der Speichermodul G' ergeben sich anhand folgender Beziehungen?

M- sin c

M_n cos &sgr; + &idiagr;&ohgr;² &thgr;
&bgr;' * s^

Wobei gilt&iacgr;

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&Mgr;_ = maximales Drehmoment

0Q = Schwingüngsamplitude

S = Geometrischer Widerstandsfaktör, durch

Eichung ermittelt

I = '.Trägheitsmoment des Innenzylinders

OJ = Kreisfrequenz

Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen iÖ sind bis auf eine Abwandlung der Welle 6 gleich. Die vorstehende Beschreibung gilt daher für beide Ausführungsformen. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform weist die Welle 6 im Bereich zwischen den beiden sie abstützenden Kugellagern 7a Und 7b einen Abschnitt 6ä größeren Durchmessers auf. Der Durchmesser dieses Abschnittes 6a

ist nahezu gleich dem Innendurchmesser des Abschnittes 8c der Röhrwelle 4. Durch den Abschnitt 6a größeren Durch·"· messers werden die Drehstelfigkeit und die Festigkeit der Welle 6 überhaupt wesentlich erhöht. 20

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Köln, den 20. März 1987 vA. Anmelder: Werner Heinz Mein Zeichen: B 1/209 Scliutzansprüche

1. Oszillierendes Searle-Prozeßviskosimeter mit einem von einem Motor zu erzwungenen Schwingungen angetriebenen Innenzylinder, der an einer zur Halterung und zum Messen des Drehmomentes dienenden und in den Meßraum ragenden Rohrwelle mit einem Innengestänge befestigt ist, und mit einer von dein Innengestänge betätigten Winkelneßanordnung, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmaie:

a) das Innengestänge ist als eine zur Versteifung dienende Welle (6) mit einem Durchmesser von nahezu dem der Rohrwelle (4) ausgebildet und in einem vom Meßraum abgewandten Teil (Positionen 8a - 8c) der Rohrwelle (4) gelagert,
b) ein Metallbalg (15) ist zwischen dem vom Meßraum

abgewandten Ende der Welle (6) und der Winkelmeßanordnung (12) als übertragungselement angeordnet.

2. Prozeßviskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Meßraum abgewandte Teil (8a, 8b, 8c) der Rohrwelle (4) verstärkt ist.

3. Prozeßviskosimeter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Meßraum abgewandte Teil (8a)

Ö6 der Rohrwelle (4) eine größere Wandstärke aufweist.

4. Prozeßviskosimeter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet/ daß der vom MeßraUm abgewandte Teil der

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Rohrwelle (4) in zwei konzentrisch mit Abstand umeinander liegende Abschnitte (8b₇ 8c) aufgeteilt ist.

5. Prozeßviskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelmeßanordnung (12) durch mit Dehnungsmeßstreifen (21) belegte Metallamellen (13) gebildet ist und diese durch die Verdrehung der Rohrwelle (4) auf Biegung beansprucht sind. 10

6. Prozeßviskosimcäter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß flexible elektrische Leitungen (16) an ; die Dehnungsmeßstreifen (21; angeschlossen sind.

7. Prozeßviskosimeter nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleitringdichtung (11) die Rohrwelle oberhalb des Meßraumes umschließt.

8. Prozeßviskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (6) durch Kreuzfedergelenke im Abschnitt (8c) der Rohrwelle (4) gelagert ist.

9. Prozeßviskosimeter nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (6) innerhalb des Abschnittes (8c) 3er Rohrwelle (4) zwischen ihren Lagern (7a* 7b) einen Abschnitt (6a) mit größerem Durchmesser aufweist .

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