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Elektrisches Viskosimeter
Die Erfindung betrifft elektrische Viskosimeter,
bei denen der Widerstand gegen die Bewegung, gewöhnlich gegen die Drehung eines
Körpers in der Untersuchungsflüssigkeit auf elektrischem Weg gemessen wird. Der
Ausdruck Flüssigkeit bezieht sich nicht nur auf Flüssigkeiten als solche, sondern
auch auf Halbflüssigkeiten und sonstige fließende Stoffe. Bei solchen Viskosimetern,
wie sie bis jetzt vorgeschlagen wurden, ist die angezeigte Viskosität ein Maß der
wirklichen Zähigkeit der Untersuchungsflüssigkeit bei der gerade herrschenden Temperatur.
Diese Umgebungstemperatur kann sich häufig ändern, und die wirkliche Zähigkeit der
Flüssigkeit ändert sich mit der Temperatur.
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Bei der Feststellung der Zähigkeit von Flüssigkeiten in einem Gefäß,
einer Leitung oder einem anderen Behälter ist es gewöhnlich schwierig, die Temperatur
genügend konstant zu halten, um die Viskosität der Flüssigkeit bei einer bestimmten
oder Normaltemperatur zur Anzeige zu bringen.
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Temperaturänderungen von t/o Grad verursachen bereits merkliche Fehler
der Zähigkeitsanzeige.
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Nach der Erfindung wird ein Viskosimeter vorgesehen, bei dem die
Zähigkeit einer zu prüfenden Flüssigkeit durch einen elektrischen Strom gemessen
und diesem Meßstrom ein Kompenstionsstrom zugeführt wird, dessen Stärke von der
Abweichung der durch den Meßstrom gemessenen Zähigkeit von der Zähigkeit der Flüssigkeit
bei Normaltemperatur abhängt und der den Einfluß der Temperaturabweichungen von
der Normaltemperatur auf die Messung kompensiert. Der Kompenslationsstrom kann entweder
zum Meßstrom
hinzugezählt oder von ihm abgezogen werden, je nach
der Temperatur, die die Untersuchungsflüssigkeit gerade hat.
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Das Viskosimeter nach der Erfindung kann in an sich bekannter Weise
einen Meßkörper enthalten, der in der Untersuchungsflüssigkeit mittels eines Elektromotors
gedreht wird, wobei der Meßstrom eine Funktion des elektrischen Stromes oder der
aufgenommenen Leistung des Motors oder, bei 12lehrphasenmotoren. eine Funktion des
Stromes oder der aufgenommenen Leistung in einer oder mehreren Phasen ist. Vorzugsweise
ist der Elektromotor als Zweiphasenmotor ausgebildet, der von einer Einphasenleitung
gespeist wird und in der einen Phase eine Reaktanz aufweist, die so bemessen ist,
daß bei annähernd synchroner Motordrehzahl Resonanz in dieser Phase auftritt, während
die andere Phase den zur Messung verwendeten Strom liefert. Die Schaltung kann eine
Widerstandsbrücke oder ein Thermoelement enthalten, die einen Kompensationsstrom
oder eine Kompensationsspannung liefern.
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Es sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen
näher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt das elektrische Schaltbild eines Viskosimeters, bei
dem die Abgleichspannung durch eine Widerstandsbrücke geliefert wird; Fig. 2 ist
ein elektrisches Schaltbild eines Thermoelementes und einer gegengeschalteten Batterie,
die bei Normaltemperatur abgeglichen sind und die Widerstandsbrückenschaltung zur
Zuführung der Abgleichsspannung ersetzen können; Fig. 3 stellt Kurven dar, die die
Wirkungs'eise des Kreises nach Fig. I veranschaulichen.
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Der das elektrische Viskosimeter antreibende Motor weist einen Rotor
4 auf, der mit einem in die Flüssigkeit eintauchenden Prüfkörper 4a verbunden ist.
Die Statorwicklungen 5 und 6 des Motors liegen in zwei um go0 elektrisch versetzten
Phasen. Die Wicklung 5 ist mit einem Kondew sator 7 in Reihe geschaltet und bildet
die Kondensatorphase, während die Wicl;lung 6 mit der Primärwicklung 8 eines Stromwandlers
g in Reihe geschaltet ist und die direkte Phase bildet. Die beiden Phasen werden
von einer Einphasenleitung 10 über einen Netztransformator II gespeist und sind
an die Sekundärwicklung IIa dieses Transformators angeschlossen.
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Es hat sich herausgestellt, daß bei einem so geschalteten Antriebsmotor
der in der Primänvicklung 8 fließende Wechselstrom im wesentlichen proportional
dem Logarithmus der Zähigkeit der zu untersuchenden Flüssigkeit bei der Untersuchungstemperatur
ist. Der Ausgangsstrom des Stromwandlersg liefert den Meßstrom und wird über einen
Gleichrichter 12 dem Widerstand 13 eines Anzeigekreises zugeführt, dessen Spannung
mit einem Millivoltmeter 14 gemessen wird. Ein temperaturempfindliches Element 15
ist in der Nähe des Meßkörpers 4a in die IJntersuchungsflüssigkeit eingetaucht und
sitzt als Widerstand in einem Zweig einer Gleichstrom-Weatstone-Widerstandsbrücke,
in der I6, I7, I8 und 19 feste Widerstände und 20 ein veränderlicher Widerstand
zur Auswahl der gewünschten Normaltemperatur sind, bezüglich der die Zähigkeit bestimmt
werden soll. Der Widerstand 20 wird so eingestellt, daß die Brücke stromlos ist,
wenn die das Widerstandselement 15 berührende Flüssigkeit die gewünschte Normaltemperatur
hat.
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Die Brücke wird von einer Sekundärwicklung 11b des Netztransformators
II über den Gleichrichter 21 mit Strom versorgt und ist an den Gleichrichter über
einen Potentiometerwiderstand 22 angeschlossen, mit dem die Stromzufuhr zur Brücke
verändert werden kann. Ein Schalter 23 ist in den Zuführungsleitungen der Brücke
vorgesehen.
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Die Brücke ist an einen Widerstand 24 des Anzeigekreises angeschlossen,
der mit dem Widerstand I3 in Reihe liegt. Fließt ein Strom über die Brücke, so wird
er als Kompensationsstrom für die Messung dem Widerstand 24 zugeführt, der eine
zusätzliche Temperaturabgleichspannung auf das Millivoltmeter I4 aufbringt. Je nachdem,
ob die Temperatur der Flüssigkeit über oder unter der Normaltemperatur liegt, wird
diese Abgleichspannung die an dem Widerstand 13 herrschende Spannung erhöhen oder
verringern. Somit ergibt sich eine temperaturabgeglichene Anzeige am Millivoltmeter
I4, das die jeweilige Zähigkeit mit demwenigen Wert anzeigt, der einer vorherbestimmten
oder Normaltemperatur entsprechen würde. Durch Unterbrechung des Brückeneingangskreises
mittels des Schalters 23 kann am Anzeigeinstrument die tatsächlich vorhandene, d.
h. die nicht nach dem Temperaturunterschied kompensierte Zähigkeit der Untersuchunjgsflüssigkeit
angezeigt werden.
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Der Strom in der direkten Phase 6, 8 der in der Zeichnung dargestellten
Motorschaltung wurde als annähernd proportional zum Logarithmu3 der Änderung der
Zähigli,eiit der Untersudungsfiüss-igkeit gefunden. Dariiber hinaus wurde festgestellt,
daß sich dlerWert des Logarithmus der Zähigkeit der Flüssigkeit annähernd proportional
zur Temperaturänderung der Flüssigkeit ändert. Somit muß sich der Strom der direkten
Phase proportional mit der Temperaturänderung ändern.
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-Nun ist aber bei einer Widerstandsbrücke der gezeichneten Art bei
jeder Temperatur die Änderung des über die Brücke fließenden Stromes, die durch
Änderung der Temperatur des Elementes 15 verursacht wird, einer solchen Temperaturänderung
im Arbeitsbereich annähernd proportional, und zwar unabhängig, von welcher Nulleinstellung
die Messung ausgeht. Dabei ändert sich dieser über die Brücke fließende Strom (Kompensationsstrom)
jedoch in umgekehrtem Sinn wie der über die Motorwicklung 6 zugeführte Meßstrom,
so daß er zum Kompensieren dieses Meßstroms bei Temperaturänderungen verwendet werden
kann.
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Der Zähigkeitstemperaturkoefflzient einer Flüssigkeit kann als die
prozentuale Änderung oder als Verhältnis der Änderung der Zähigkeit zur Temperaturänderung
definiert werden. Bei einer Flüssigkeit mit einem niederen oder einem hohen Temperaturkoeffizienten
muß der I(ompensations-
strom herabgesetzt bzw. verstärkt werden,
da der von der Widerstandsbrücke zugeführte Strom nur eine Anderung der Temperatur,
nicht aber des Temperaturkoeffizienten anzeigt. Durch Einstellung des Potentiometers
22 nach einer Skala kann der Eingang zur Brücke in tSbereinstimmung mit dem Temperaturkoeffizienten
der besonderen Untersuchungsflüssigkeit, der im allgemeinen bekannt ist, herabgesetzt
bzw. verstärkt werden.
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Diese Herabsetzung bzw. Verstärkung wirkt sich auf den Brückenstrom
aus.
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Der Temperaturkoeffizient einer Flüssigkeit kann durch Abschalten
des Abgleichkreises des Kompensationsstromes und Feststellung der dann am Meßgerät
14 eintretenden Änderung der angezeigten Zähigkeit bestimmt werden. Kennt man die
Temperaturabweichung von der Normaltemperatur, so erhält man den Temperaturkoeffizienten.
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Soll eine Messung durchgeführt werden, so werden der Meßkörper 4a
und der temperaturempfindliche Widerstand 15 in die Untersuchungsflüssigkeit eingetaucht
und der Antriebsmotor eingeschaltet. Das Potentiometer 22 wird so eingestellt, wie
es dem Temperaturkoeffizienten der Zähigkeit der Untersuchtunt,sflüssrigkeit entspricht.
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Der veränderliche Widerstand 20 wird auf die Stellung gebracht, die
der gewünschten Normaltemperatur entspricht, und der Schalter 23 wird geschlossen.
Dann kann die Zähigkeit der Untersuchungsflüssigkeit bei der eingestellten Normaltemperatur
am Anzeigegerät abgelesen werden.
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Beim Umlaufen eines Körpers in einer Flüssigkeit ist die Zähigkeit
der Flüssigkeit direkt proportional dem Verhältnis der Scherkraft des Körpers zur
Scherzahl. Die Scherkraft multipliziert mit dem Drehmomentarm ist gleich dem eigentlichen
Drehmoment, während die Scherzahl durch die Anzahl der Umdrehungen pro Sekunde ausgedrückt
werden kann, mit der der Meßkörper in der Flüssigkeit umläuft. Nun ist bei jedem
Elektromotor die Stromaufnahme eine Funktion des Verhältnisses des Drehmomentes
zur Umdrehungsgeschwindigkeit, oder dieses Verhältnis ist gleich der Zähigkeit,
multipliziert mit einer Konstanten.
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Daraus ergibt sich, daß die Zähigkeit der Flüssigkeit eine Funktion
der Stromaufnahme ist.
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In der vorliegenden Anordnung wird eine Funktion des Stromes in der
direkten Phase 6, 8 gemessen.
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Die Synchrongeschwindigkeit des Motors ist durch die Netzfrequenz
und die Anzahl der Pole des Motors bestimmt. Kennt man diese, so wird die Kapazität
des Kondensators 7 so ausgewählt, daß der Kreis eine natürliche Periodizität erhält,
die der Synchrongeschwindigkeit entspricht, wodurch Resonanz im Kreis bei oder in
der Nähe der vollen Arbeitsgeschwindigkeit des Motors, d. h bei seiiner SynchronlgeschwindLigkeit
auftritt.
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Trägt man gemäß Fig. 3 die Ströme der beiden Phasen in Abhängigkeit
vom Verhältnis des Drehmomentes zur sekundlichen Drehzahl auf, das ein Maß für die
Zähigkeit darstellt, so ist die dem Strom in der Kondensatorphase entsprechende
Kurve eine gedämpfte Resonanzkurve, wobei der Strom mit steigenden X-Werten abnimmt.
Der in der direkten Phase gemessene Strom ergibt eine Kurve, die im umgekehrten
Sinne im Arbeitsbereich ansteigt und im wesentlichen eine logarithmische Kurve ist,
wobei der Strom mit wachsenden X-Werten wächst. Die Senkrechte 0-Y entspricht der
annähernden Synchrongeschwindigkeit oder maximalen Resonanz bei minimalstem Strom
in der direkten Phase und maximalem Strom in der Kondensatorphase. Die beiden Kurven
sind nicht vollstäadig symmetrisch, und somit ist die resultierende Änderung des
Gesamtstromes aus beiden Phasen zusammen bei Änderungen der Zähigkeit kleiner als
die Stromänderung in der direkten Phase allein. Durch Messung des Stromes in der
direkten Phase allein wird daher eine beträchtliche Verstärkung erreicht.
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Mit der dargestellten Schaltung ist es möglich, in üblicher Weise
Teile des Kreises, beispielsweise den Luftspalt des Motoreisenkrei ses, und den
Widerstand der Rotorstäbe zu verändern, um sicherzustellen, daß der gemessene Strom
im wesentlichen proportional dem Logarithmus der Zähigkeit ist.
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Nach einer bevorzugten Ausführung kann, da die prozentuale Änderung
der Zähigkeit pro Grad Temperaturänderung nicht genau konstant ist, sondern mit
steigender Zähigkeit der Untersuchungsflüssigkeit wächst, die Ableseskala des Viskosimeters
geeicht werden, um diese Anderungen auszugleichen. Die Skala weist dann eine logarithmisch
abnehmende Teilung auf, wobei jede folgende Verminderung des Abstandes zwischen
den Teilstrichen etwas größer als bei einer normalen Log-Log-Skala ist.
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In einer abgeänderten Ausführung können die Gleichrichter 12 und
21 durch thermoelektrische Umwandler ersetzt werden. An Stelle des Millivoltmeters
kann natürlich auch ein Milliamperemeter oder ein anderes geeignetes Anzeigegerät
verwendet werden.
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Die Widerstandsbrücke kann durch ein Thermoelement 25 (Fig. 2) ersetzt
werden, dessen Spannung gegen eine vorher bestimmte, aber einstellbare Normalspannung
abgeglichen wird, die beispielsweise über ein Potentiometer 26 von einer Batterie
27 geliefert wird, wobei diese beiden Spannungen bei Normaltemperatur abgeglichen
sind und ein Schalter 28 zum Abschalten des Kompensationsstromes vorgesehen ist.
Wahlweise kann auch ein Heißleiter Verwendung finden.
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Die Erfindung schafft somit ein Viskosimeter, das stets eine temperaturabgeglichene
Anzeige liefert und mit dem die Zähigkeiten bei einer Normaltemperatur in direkter
Ablesung ermittelt werden können.