-
Rotationsviskosimeter
Es sind Rotationsviskosimeter bekannt, bei denen
ein Drehkörper, beispielsweise ein Zylinder oder ein Rührflügel, in der Meßsubstanz,
deren Viskosität bestimmt werden soll, mit konstanter. Drehzahl rotiert und das
Drehmoment, welches dabei auf den Drehkörper wirkt, gemessen wird, um daraus auf
die Viskosität zu schließen. Diese Viskosimeter bestehen also aus einer Anordnung
zur Erzeugung einer oder mehrerer bekannter, konstanter Drehzahlen und einer Anordnung
zur Messung des Drehmomentes.
-
Die konstanten Drehzahlen werden zumeist von einem Synchronmotor
erzeugt, der durch ein Stufengetriebe untersetzt sein kann.
-
Die Anordnung zur Drehmomentmessung kann beispielsweise aus einer
durch eine Torsionsfeder zweigeteilten Welle bestehen, deren einer Teil mit dem
Drehzahlerzeuger mechanisch verbunden ist, während an dem anderen Teil der Drehkörper
befestigt ist. Die Winkelverdrehung zwischen beiden Wellenteilen, die mechanisch,
elektrisch oder optisch gemessen wird, ist dann ein Maß für das übertragene Drehmoment
und mithin auch der Viskosität der Meßsubstanz.
-
Die mechanische Verbindung zwischen dem Drehzahlerzeuger und der
Anordnung zur Drehmomentmessung erfolgte bisher in der Weise, daß beide Aggregate
durch eine starre Welle miteinander verbunden waren. Es wurde also der Drehzahlerzeuger
über oder neben dem Drehmomentmesser in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Diese
Art der Anordnung bedingte ein relativ hohes Gewicht und große Abmessungen des Rotationsviskosimeters.
-
Diese Geräte waren also unhandlich.
-
Bei anderen Rotationsviskosimetern erfolgte bisher die mechanische
Verbindung zwischen Drehzahlerzeuger und Drehmomentmesser durch Riementrieb. Bei
einem Riementrieb kann jedoch Schlupf auftreten, so daß die Drehzahl des Drehkörpers
Veränderungen unterliegen konnte.
-
Weiterhin wurden Rotationsviskosimeter vorgeschlagen, bei denen der
Drehkörper über eine biegsame Welle oder eine Gelenkwelle mit dem Drehzahlerzeuger
verbunden war, der seinerseits mit einer Einrichtung zur Drehmomentmessung versehen
war.
-
Es war hier jedoch nicht möglich, die biegsame Welle mit einem Führungsschlauch
zu umgeben, da das durch die Reibung der Welle am Schlauch entstehende zusätzliche
Drehmoment ebenfalls mitangezeigt worden wäre. Somit durfte wegen der notwendigen
Führungslosigkeit die biegsame Welle nur eine geringe Länge haben und nur schwach
gekrümmt sein, so daß es nicht möglich war, den relativ großen Drehzahlerzeuger
von den kleineren Meßelementen, also vornehmlich dem Drehkörper, räumlich vollständig
zu trennen.
-
Demgegenüber schlägt die vorliegende Neuerung vor, bei einem Rotationsviskosimeter
den Drehzahlerzeuger mit dem Drehmomentmesser zwecks Unterbringung in getrennten
Gehäusen durch eine biegsame Welle mechanisch zu verbinden. Die biegsame Welle kann
dabei aus Stahldraht gewickelt sein. Es ist jedoch auch möglich, die biegsame Welle
aus Kautschuk oder einem anderen elastischen Material zu fertigen. Es kann auch
an die Stelle der biegsamen Welle eine Gelenkwelle, die aus mehreren Gliedern besteht,
treten. Die folgenden Ausführungen sollen auch für eine solche Gelenkwelle gelten.
Die biegsame Welle ist in bekannter Weise von einem flexiblen Schlauch umgeben,
der zur Führung und zum Schutz dient. Da die Drehmomentmessung erst hinter der biegsamen
Welle erfolgt, hat die Reibung der Welle am Schlauch keinen Einfluß auf die gemessenen
Werte.
-
Durch die biegsame Welle ist eine vollständige räumliche Trerinung
von Drehzahlerzeuger und Drehmomentmesser möglich. Beide Aggregate können sich in
getrennten Gehäusen befinden. Da es möglich ist, den Drehmomentmesser relativ klein
zu gestalten, kann man ein Rotationsviskosimeter gemäß der Neuerung nach dem Fühlerprinzip
bauen, indem der Drehmomentmesser in einem Meßkopf angeordnet ist, aus dem unten
der Drehkörper herausragt, der in die Meßsubstanz getaucht wird. Der Meßkopf ist
durch die biegsame Welle mit einem größeren Gehäuse verbunden, in dem sich der Drehzahlerzeuger
und eventuell Anzeigeelemente befinden. Der Meßkopf kann nun wie ein Meßwertfühler
angewendet und in Gefäße getaucht werden, die mit der zu messenden Substanz gefüllt
sind. Die Handhabung ist also bei einem Rotationsviskosimeter gemäß der Neuerung
sehr erleichtert.
-
Die Abb. I zeigt ein Prinzipschema eines Ausführungsbeispiels eines
Rotationsviskosimeters gemäß der Neuerung.
-
I stellt den Meßkopf dar, in dem sich der Drehmomentmesser befindet.
An dem Meßkopf ist auf einer Welle ein Zylinder 2 als Drehkörper befestigt.
-
Die in einem Schutzschlauch 3 befindliche biegsame Welle 4 stellt
die mechanische Verbindung zu dem Gehäuse 5 her, in dem sich der Drehzahlerzeuger
sowie Anzeigeelemente für das Drehmoment befinden.
-
Es zeigt sich, daß sich der allgemeinen Drehbewegung des Drehkörpers
Drehschwingungen überlagern, die von dem Drehzahlerzeuger und insbesondere von der
biegsamen Welle herrühren. Diese Schwingungen bewirken ein ständiges Schwanken des
Drehmomentes und damit des Meßwertes um einen Mittelwert Die Ursache der Torsionsschwingungen
ist in der Bewegungsart der biegsamen. WeIle zu suchen. Die biegsame Welle gleitet
nämlich ständig über die Innenwand des Schutzschlauches. Der Reibungswiderstand
dieser Bewegung ändert sich nun fortlaufend, so daß die biegsame Welle, die ja ein
Federelement darstellt, eine wechselnde Torsion bekommt. Die wechselnden Torsionen
äußern sich als Drehschwingungen.
-
Diese Drehschwingungen sind, solange sie ein gewisses Maß nicht überschreiten,
durchaus erwünscht.
-
Sie haben nämlich zur Folge, daß an allen wesentlichen Stellen des
Drehmomentmessers Gleitreibung herrscht, so daß durch Reibung bedingte mechanische
Fehlerquellen weitgehend beseitigt werden und mithin die Meßgenauigkeit steigt.
Es ist möglich, diese Drehschwingungen neuerungsmäßig noch durch geeignete Mittel
zu vergrößern. Beispielsweise kann ein Ratterwiderstand vorgesehen werden, etwa
ein Zahnrad, auf dem eine Feder gleitet; oder es kann dem ganzen System durch an
sich bekannte elektromagnetische Mittel die Netzfrequenz als Drehschwingung aufgedrückt
werden.
-
Im allgemeinen sind jedoch die von der biegsamen Welle herrührenden
Drehschwingungen so groß, daß sie das wünschenswerte Maß übersteigen, indem nämlich
der Meßwert störend großen Schwankungen unterliegt.
-
Um nun diesen Drehschwingungen ein erträgliches und wünschenswertes
Maß zu geben, schlägt die Neuerung vor, sie durch geeignete Mittel zu dämpfen.
-
Das kann beispielsweise dadurch geschehen, daß der Raum zwischen biegsamer
Welle und Schutzschlauch mit einem Schmierfett gefüllt wird. Das Fett als viskoses
Medium sucht jede Bewegung zu hemmen.
-
Die Hemmung der allgemeinen Drehbewegung wird von dem Drehzahlerzeuger
überwunden; da die Drehmomentmessung erst hinter der biegsamen Welle erfolgt, wird
der Meßwert dadurch nicht beeinflußt.
-
Es werden jedoch Drehschwingungen der biegsamen Welle durch die Fettschicht
stark gedämpft, so daß sie sich in dieser Hinsicht nahezu wie eine starre Welle
verhält.
-
Die Fettschicht kann auch andere Wellenteile auf dem Wege vom Drehzahlerzeuger
zum Drehmomentmesser umhüllen zum Zwecke der Dämpfung.
-
Es ist auch möglich, die Drehschwingungen beispielsweise durch eine
magnetische oder mechanische Bremse zu dämpfen.
-
Weiterhin schlägt die Neuerung vor, das viskositätsabhängige Drehmoment,
welches auf den Drehkörper übertragen wird, in an sich bekannter Weise zu messen
durch
Bestimmung der Winkelverdrehung, die zwei durch eine Torsionsfeder verbundene Wellen
gegeneinander erfahren. Die Messung der Winkelverdrehung soll ebenfalls in an sich
bekannter Weise elektrisch, und zwar durch Abgreifen einer elektrischen Widerstandswicklung
oder -schicht, eines sogenannten Ab greifwiderstan des, erfolgen. Der Abgreifwiderstand
ist dabei auf einen isolierenden Ring aufgebracht, der an einer der beiden Wellen
zentrisch befestigt ist.
-
Der Abgreifkontakt ist an der anderen Welle befestigt.
-
Nach der Neuerung ist nun der Abgreifkontakt unmittelbar mit der
Metallmasse der Gesamtanordnung verbunden. Er braucht also nicht auf irgendeinem
Isolierträger befestigt zu sein. Weiterhin ist nach der Neuerung ein Ende des Abgreifwiderstandes
mit einem Kontaktschleifring verbunden, auf dem ein Kontaktschleifer gleitet. Durch
diesen Schleifkontakt wird nun dem Abgreifwiderstand Strom zugeführt. Der Strom
durchfließt den Abgreifwiderstand bis zum Abgreifkontakt und wird dort der Metallmasse
zugeleitet. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß nur eine elektrische Leitung zum
Drehmomentmesser führt und nur ein Schleifkontakt erforderlich ist. Weiterhin liegt
bei einer elektrischen Unterbrechung zwischen Abgreifwiderstand und Abgreifkontakt
durch Oxyd- oder Schmutzschichten die volle Spannung der Stromquelle an diesen Trennschichten,
so daß sie schneller zerstört werden.
-
Die Abb. II zeigt im Schnitt ein Ausführungsbeispiel eines Drehmomentmessers
für Rotationsviskosimeter gemäß der Neuerung.
-
II und I2 sind die beiden Wellen; I3 stellt die Torsionsfeder dar,
die an den Trägern 14 und 15 befestigt ist. Auf dem Isolierring 6, der an 12 befestigt
ist, befindet sich der Abgreifwiderstand 7, der mit dem Schleifring 8 verbunden
ist. Der Schleifkontakt 9 führt den Strom zu. Der Abgreifkontakt 10, eine Feder,
ist mit II metallisch fest verbunden, er gleitet auf der Widerstandswicklung oder
-schicht. Seine Stellung dort ist abhängig von der Winkelverdrehung zwischen II
und 12 und damit vom übertragenen Drehmoment.
-
Um diese drehmomentabhängige Stellung führt der Abgreifkontakt kleine
Schwingungen aus infolge der oben behandelten Drehschwingungen. Dadurch ist der
Reibungswiderstand zwischen Abgreifwiderstand und Abgreifkontakt klein und mithin
die Meßgenauigkeit gesteigert.
-
Weiterhin erfolgt dadurch eine ständige Sie'ist reinigung der elektrischen
Kontaktstellen von Oxyd-und Schmutzschichten.
-
Das Potential V des Abgreifwiderstand-Einganges gegenüber der Metallmasse
ist. gegeben durch den abgegriffenen Widerstand R und den Strom J, und es gilt:
V=R J.
-
Dieses Potential V ist also ein Maß für den abgegriffenen Widerstand
und mithin für das viskositätsabhängige Drehmoment.
-
Es ist auch umgekehrt möglich, den Abgreifkontakt auf einem Isolierträger
zu befestigen und über einen Schleifring mit einem Schleifkontakt elektrisch zu
verbinden und weiterhin ein Ende des Abgreifwiderstandes an Masse zu legen. Es ist
auch in diesem Fall das Potential V des Abgreifkontaktes gegenüber der Metallmasse
gegeben durch: V=R.f.
-
Damit jedoch die Funktion V = f (R) linear ist und mithin die Abhängigkeit
V = f (Drehmoment) linearen Verlauf hat, muß der Strom J konstant sein und mithin
unabhängig von R. Dies erfolgt gemäß der Neuerung in der Weise, daß geeignete Mittel,
z. B.
-
Eisenwasserstoffwiderstände oder gegengekoppelte Verstärkerröhren,
vorgesehen sind, um den Strom J konstant zu halten.
-
Die Abb. III zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung gemäß
der Neuerung.
-
I6 stellt eine Stromquelle dar, deren einer Pol an der geerdeten
Metallmasse liegt. I7 ist ein Eisenwasserstoffwiderstand. Ven I7 führt eine Zuleitung
18 zum Drehmomentmesser und dort zum Schleifkontakt 9.
-
7 stellt den Abgreifwiderstand dar und IO den Abgreifkontakt. 19 ist
ein Siebglied zur Dämpfung des Spannungsmessers 20. Der Spannungsmesser zeigt das
Potential V und damit das wirksame, viskositätsabhängige Drehmoment an. Durch die
Stromquelle 21 wird eine regelbare Gegenspannung in den Stromkreis des Spannungsmessers
eingeführt, um diesen auf o einjustieren zu können für verschwindendes Drehmoment.
-
7 7 und IO können auch in einer Weise geschaltet sein, wie es die
Abb. IIIa zeigt.
-
Bei der praktischen Ausführung eines Rotationsviskosimeters gemäß
der Neuerung befinden sich die elektrischen Elemente I6, I7, I9, 20 und 2I zweckmäßigerweise
in dem Gehäuse für den Drehzahlerzeuger. Von dort führt dann die Leitung 18 zum
Meßkopf, in dem sich die Elemente 9, 7 und IO befinden.
-
Bei einem Rotationsviskosimeter gemäß der Neuerung ist also die angezeigte
Spannung V eine lineare Funktion des Drehmomentes und damit der Viskosität 7y der
Meßsubstanz.
-
Es gilt für die Viskosität X folgende Beziehung: ?i --K V Dabei ist
K eine Apparatekonstante, die von der Form des Drehkörpers abhängig ist und durch
Eichung bestimmt wird. U ist die Drehzahl pro Minute des Drehkörpers.