Viskosimeter
Die Erfindung bezieht sich auf Viskosimeter, beruhend auf dem Vergleich der Viskositäten einer Probeflüssigkeit und einer Vergleichs- (Standard)-Flüssigkeit mittels zweier gleicher Senkkolben in die Flüssigkeit aufnehmenden Kammern und einer Einrichtung für die Anzeige der relativen Lage der Senkkolben zueinander während der Messung.
Wenngleich auch für andere Zwecke verwendbar, soll das erfindungsgemässe Gerät vor allem zur Bestimmung der Viskosität von Schmieröl einer in Betrieb befindlichen Verbrennungskraftmaschine dienen. Verdünnung des Schmieröls durch Brennstoff kann seine Wirksamkeit verändern, und wenn die Verdünnung zu gross wird, kann die Maschine erhebliche Schäden und sogar völlige Zerstörung erleiden. Verdünnung des Schmieröles durch Brennstoff ist vor allem an der Verminderung seiner Viskosität zu erkennen.
Auch der Übertritt von Kühlwasser zum Schmieröl ändert seine Wirksamkeit und macht es verwendungsuntauglich, so dass ebenfalls Schäden an der Maschine entstehen können. In das Schmieröl eindringendes Wasser bildet eine Emulsion, und macht sich durch Erhöhung der Viskosität bemerkbar.
Die Erfindung betrifft ein Gerät, das mit Druckflüssigkeit betrieben wird und das durch den Durchlauf der zu prüfenden Flüssigkeit stets wieder in die Ausgangslage für die Messung gebracht wird. Ein Gerät dieser Art ist besonders für Kraftmaschinen geeignet und erlaubt in kürzeren Zeitabständen einen Vergleich der Viskosität von zwei Flüssigkeiten, von denen eine die Vergleichsflüssigkeit ist. Es kann demnach zur ständigen iSberwa- chung der Verwendbarkeit von Flüssigkeiten, insbesondere Schmierflüssigkeiten, verwendet werden.
Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Gerätes der angegebenen Art, welches eine dauernde Überwachung der Viskosität des Schmieröles von Verbrennungskraftmaschinen ermöglicht. Das Gerät kann so ausgebildet sein, dass es bei Stillstand der Maschine automatisch eine Messung des Schmiermittels ausführt, und das Messergebnis so lange festhält, als die Maschine in Ruhe ist. Die Güte des Öles kann also überwacht werden, ohne dass ein Anlaufen oder Anwärmen der lvlascnme notwendig ware. in semer oevorzugren tius- führungsform unterdrückt das Gerät automatisch die Anzeige von nur durch Temperaturänderung bewirkten Viskositätsschwankungen.
Um dies herbeizuführen, wird die Messung bei gleicher Temperatur beider Flüssigkeiten vorgenommen, und zwar bei der normalen Betriebstemperatur des öles.
Dies ist besonders deshalb von Vorteil, weil sich grosse Unterschiede ergeben, wenn die Messungen nur bei Umgebungstemperaturen vorgenommen werden, so dass dann nicht die Verhältnisse erkannt werden, die beim Betriebe einer Maschine vorliegen.
Gemäss der Erfindung ist ein Viskosimeter der eingangs bezeichneten Art dadurch gekennzeichnet, dass das von der Probeflüssigkeit durchströmte Viskosimetergehäuse aus einem Gehäuseoberteil und einem Gehäuseunterteil, deren Innenräume durch Flüssigkeitsleitungen mit Ventilen verbunden sind, besteht, der Gehäuseoberteil je einen Vorratsbehälter für die Vergleichsflüssigkeit und für die Probeflüssigkeit enthält, die jeder mit je einer im Gehäuseunterteil befindlichen, im wesentlichen lotrecht angeordneten, geschlossenen, die Kolben aufnehmenden Kammer durch genau bemessene Flüssigkeitsleitungen verbunden ist, und jeder Kolben beim Messvorgang durch sein Gewicht, in Abhängigkeit von der aus dem entsprechenden Vorratsbehälter in die zugehörige Kammer fliessenden Flüssigkeit nach unten getrieben wird,
ausserhalb eines Messvorganges jedoch die Kolben mittels einer durch ein Ventil gesteuerten Leitungsverbindung zwischen der Einlassöffnung für die Probeflüssigkeit und dem Inneren des Gehäuseunterteiles durch den Überdruck der Probeflüssigkeit auf die Kolbenunterteile in ihrer oberen Ausgangslage gehalten werden.
Zum Verständnis der Eigenart und Verwendungsweise wird nun an Hand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein perspektivisches Bild eines erfindungsgemässen Gerätes zur Viskositätsbestimmung,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Gerätes nach Fig. 1 nach Entfernung des Gehäuses,
Fig. 3 einen Teilschnitt nach der Linie III-III der Fig. 1,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht, welche die Konstruktion des Kolbenventiles für die Druckregelung erkenntlich macht, die
Fig. 5, 6 und 7 zeigen Schnitte entsprechend den Schnittebenen durch die Linien V-V, VI-VI und VII-VII der Fig. 2, und
Fig. 8 zeigt einen Schnitt ähnlich Fig. 7 durch den Mess- und Prüfbehälter einer weiteren Ausführungsform.
Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Gerät, allgemein mit 2 bezeichnet, besteht aus einem äusseren Gehäuse 4 aus korrosionsfestem Material, z.B. Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, welches an einer Verbrennungskraftmaschine befestigt ist und das durch eine ölpumpe mit dem Ölsumpf des Schmiersystems der Maschine verbunden ist. Das Gerät misst und zeigt die prozentuellen Viskositätsverhältnisse des im ölsumpf befindlichen Öles gegenüber einem Vergleichsöl an. Die relative Viskosität wird von einem Zeiger 6 an einer Skala 8 angezeigt, welche ein Teil des Gehäuses 4 ist. Das Vergleichsöl kann z.B. das Frischöl sein, das für den Betrieb der Maschine bereitgehalten wird.
Das Gehäuse 4 ist mit zweckmässig schraubbaren öl Zu und Ableitungsstutzen 10 und 12 versehen, über die die Verbindungen zur Ölpumpe und zurück zum ölsumpf hergestellt sind. Mit dem Gehäuse 4 ist unter Zwischenlage einer Dichtung 16 ein Boden 14 verbunden. Die äusseren Gehäuseteile sind, wie erwähnt, aus einem nichtmagnetischen Material, wie z.B. Alluminium, hergestellt. Der Zuleitungsstutzen 10 befindet sich in einem nach unten vorspringenden Teil 18 des Bodens 14 und ist mit einem Rückschlagventil 20 versehen. Ausserdem ist der Stutzen 10 mit einem nicht gezeichneten Absperrventil versehen, das eine Betätigungswelle 22 besitzt, die seitlich aus dem Teil 18 vorsteht. Die ganze Anordnung ist durch vier Ösen 24 mit der Kraftmaschine mittels Bolzen verbunden. Die Zuleitung 10 führt in das Innere des Gehäuses 4.
Die Inneneinrichtung des Gerätes wird vom Gehäuseboden 14 getragen. Sie ist als Ganzes mitsamt dem Boden abnehmbar, nachdem man z.B. nicht gezeichnete Schrauben zwischen dem Boden und dem übrigen Gehäusekasten löst. Der untere Abschnitt des Gehäuses 4 besitzt grössere Weite als sein oberer, und zwischen beiden befindet sich eine Schulter 26, gegen die sich vermittels nicht gezeichneter Dichtungselemente eine Trennwand 28 anlegt, die das Gehäuse in zwei Kammern 30 (die obere) und 32 (die untere) teilt. Die Trennwand wird von vier Eckstiften 34 getragen.
An der Unterseite der Trennwand 28 sind zwei zylindrische Kammern 36 und 38 angesetzt, von denen die eine, 36, die Prüfkammer, die andere 38 die Vergleichskammer darstellt. Beide Kammern sind mit zentralen Führungsstangen 40 und 42 versehen. Gewichtsbelastete Kolben 44, 46 können sich entlang der Führungsstangen 40, 42 bewegen.
Ein Flüssigkeitsaustritt aus den Kammern 36, 38 in die Kammer 32 ist durch flexible Rollmembranen 48, 50 verhindert, die aus Gummi oder Kunststoff bestehen und die mit der Trennwand und mit den Kolben verbunden sind. Zur Befestigung der Membranen an den Kolben dienen schalenförmige Teile 52, 54, die über zylindrische Fortsätze 56, 58 der Kolben 44, 46 gesteckt sind, und die auch mit der Anzeigeeinrichtung zusammenwirken, wie später noch erläutert wird.
Der Ableitungsstutzen 12 des Gerätes erstreckt sich etwa 25 mm in das Gehäuse hinein (siehe auch Fig. 2).
Die im Gerät befindliche Luft wird bei der ersten Füllung des Gehäuses mit Öl im obersten Teil des Gehäuses eine Tasche bilden. Durch Zusammendrücken dieser Lufttasche kann das Öl bis über die Auslassöffnung des Ableitungsstutzens ansteigen, jedoch wird der Druck in der oberen Kammer nicht so gross, dass ein freier öleintritt beim Betrieb des Gerätes behindert werden kann.
In der oberen Gehäusekammer 30 ist ein Behälter 60 für die zu prüfende und ein Behälter 62 für die Vergleichsflüssigkeit untergebracht. Diese Behälter sind in ihrem oberen Teil aufgeweitet, wodurch verschiedene Füllmengen nicht allzu grosse Unterschiede in den Pegelständen nach sich ziehen. Die unteren Bereiche der beiden Behälter 60 und 62 sind enger ausgeführt, um dem darin befindlichen ölvolumen eine grössere Oberfläche für die Wärmeabgabe zu geben. Die Behälter 60 und 62 weisen Austrittsöffnungen 64, 66 auf, durch die das Öl in die Kammern 36, 38 geleitet wird. Die Leitung 66 dient auch als Einfüllöffnung für die Vergleichsflüssigkeit, wie später noch erläutert wird.
Die Führungsstangen 40, 42 erstrecken sich durch die Trennwand 28; sie sind hohl und mit Schlitzen 70 versehen, die einen Flüssigkeitslauf zwischen den Kammern 36 und 60 über die Leitung 64, bzw. zwischen den Kammern 38 und 62 über die Leitung 66 ermöglichen.
Die Schlitze 70 werden durch die sich hinunter bewegenden Kolben 44 46 freigegeben und zwar um so mehr, je weiter diese sich senken, so dass der Flüssigkeitsstrom zu den Kammern 36, 38 mehr oder weniger stark werden kann.
Die durch die Zuleitung 10 eintretende, zu prüfende Flüssigkeit fliesst in einem stetigen Strom durch eine enge Öffnung 72 in die untere Kammer 32 (Fig. 3); dadurch werden Ablagerungen im Bereiche zwischen den Kolben und der Kammer 32 vermieden. Ein weiterer Teil der Flüssigkeit wird durch ein enges Rohr 74 (Fig. 2 und 6) einem vertikal stehenden Rohr 76 zugeführt, das mit seinem unteren Ende auf einem konisch zugespitzten Bolzen 78 der Bodenplatte 14 steckt, der bis in die Höhe der Leitung 74 emporragt. Das obere Ende des Rohres 76 ist durch eine schräg verlaufende Bohrung 80 in der Trennwand 28 mit der oberen Gehäusekammer 30 verbunden. Der Querschnitt des Rohres 76 verengt sich gegen sein oberes Ende hin und bildet eine innere Schulter 82.
Weiters mündet in das Rohr 76 ein Rohr 84, das Flüssigkeit unter den Kolben 44 lenkt, um diesen Bereich von Verunreinigungen freizuhalten.
Das Rohr 76 umschliesst weiters ein Kugelventil 86, das einen grossen Flüssigkeitsstrom zwischen den Gehäusekammern 30, 32 und damit einen Druckausgleich zwischen diesen ermöglicht, der bei bestimmten Bewegungen der Kolben 44, 46 notwendig ist. Bei anderen Bewegungen soll aber ein Druckunterschied zwischen beiden Kammern bestehen, der dann ebenfalls durch dieses Kugelventil herbeigeführt wird.
Das Ventil 86 besitzt einen kugeligen Teil 86a um einen Stössel 86b von geringerem Durchmesser und einen unteren Flansch 86c von gleichem Durchmesser wie die Kugel 86a. Normal ruht das Ventil 86 auf dem Bolzen 78 auf, so dass ein Flüssigkeitsstrom nur über die Leitung 72 in die Kammer 32 und von dort über die Öffnung 88 der Leitung 76 in die Kammer 30 möglich ist. l Da a diese Leitung 72 sehr enge ist, fällt der öldruck im Einlass 10 nur wenig ab und es herrscht auch in der Leitung 74 ein gleich grosser öldruck.
Eine weitere Ölzufuhr durch die Zuleitung 10 hebt das Ventil 86 vom Bolzen 78 ab. Das Ventil steigt hoch, bis sein Flansch 86c die öffnung 84 freigibt und die Kugel 86a an der Schulter 82 anliegt. Die Flüssigkeit fliesst nun auch von der Leitung 74 durch das Rohr 84 in die Kammer 32 und durch den in dieser Kammer herrschenden Öldruck werden die Kolben 44, 46 weiter in ihrer oberen Stellung gehalten.
Die Trennwand 28 ist weiters von einem oben und unten offenen Rohr 90 durchsetzt (Fig. 2, 7 und 8), in dem ein Kolbenventilkörper 96 gleitbar eingesetzt ist.
Oberhalb der Trennwand 28 geht von dem Rohr 90 seitlich eine Leitung 100 ab, die über einen Krümmer 102 durch die die Vergleichsflüssigkeit enthaltende Kammer 62 hindurchgeführt ist und in die die zu messende Flüssigkeit aufnehmende Kammer 60 mündet (Fig.7).
Der Kolbenventilkörper besteht gemäss Fig. 4 aus einem Kopf 96 und einem im Durchmesser verringerten rohrförmigen Ansatz 94, der ausserdem geschlitzt ist. Den Sitz dieses Kopfes 96 bildet eine ringförmige Schulter 92 in der Höhe der Zwischenwand 28 (Fig. 4). Ebenfalls nahe der Trennwand 28 besitzt das Rohr 90 eine Öffnung 98, die in die Kammer 30 ausmündet.
Sobald bei fortgesetzter Ölzufuhr der Druck in der Kammer 32 jenen in der Kammer 30 soweit übersteigt, dass er den Kolben 96 des Ventiles 90 anzuheben vermag, öffnet dieses, um den Druckunterschied auszugleichen. Der Kolben 96 hebt sich, wenn der Druck in der Kammer 32 etwa um 0,35 kg/cm grösser ist als der Druck in der Kammer 30. Der Kolben 96 öffnet die Öffnung 98 und erlaubt somit eine Strömung von der Kammer 32 zur Kammer 30. Weiters öffnet der Kolben 96 die Einlassöffnung der Leitung 100, die bei 102 durch den Behälter 62 hindurchtritt und in den Behälter 60 einmündet. Dieser Behälter wird nun laufend mit dem zu messenden Ö1 gefüllt, wobei der Überschuss durch eines von zwei Überlaufrohren 104, 106, die sich im oberen Bereich des Behälters befinden, ausfliessen kann.
Der Behälter 62 ist ebenfalls mit sich von ihm nach oben erstreckenden Überlaufröhrchen 108, 110 versehen.
Diese Röhrchen 104, 106, 108 und 110 erstrecken sich in die Lufttasche des Gehäuses 4. Der Behälter 60 entlässt die Flüssigkeit nach aussen über die Röhrchen 104, 106 und vereint sie mit dem das Gerät verlassenden Flüssigkeitsrest, wobei die Strömung über den Behälterscheitel geführt ist, um Lufteintritte zu verhindern. Die Luft im Gehäuseoberteil hält das Öl von den Behälterauslässen ab, und verhindert eine Verunreinigung der zu entnehmenden Probe.
Im Behälter 62 befindet sich also nun die Vergleichsflüssigkeit, beispielsweise Frischöl (die Einbringung dieses Öles in den Behälter 62 wird noch beschrieben), und solange keine Messung stattfindet, strömt die gegebenenfalls zu messende Flüssigkeit, also das in der Maschine arbeitende Öl, dauernd zwischen Einlass 10 und Auslass 12 durch den Apparat hindurch, und dieses Öl erfüllt ausser den Behälter 60 auch die Kammern 30 und 32 mit im wesentlichen gleichen Druck.
Soll ein Prüfzyklus eingeleitet werden, wird mit der Welle 22 die Flüssigkeitszufuhr abgeriegelt. Nach einer kurzen Anlaufzeit bewegen sich nun die Kolben 44, 46 unter dem Einfluss ihres Gewichtes nach unten, und zwar entsprechend der Viskosität des über ihnen in den Kammern 60, 36 bzw. 62, 38 befindlichen Öles. Die Gesamtbelastung der Kolben wird dabei von der Summe der Drücke über und unter den Kolben bestimmt.
Bereits beim Schliessen des Einlasses 10 können nun die Ventile 86 und 96 zufolge ihres Eigengewichtes ihre untere Endlage einnehmen. Hiedurch ist also das Ventil 96 geschlossen, während die Leitung 76 und das Ventil 86 eine weite Verbindung zwischen den Kammern 30 und 32 bilden, sobald sich die Kolben 44, 46 im Prüfzyklus abwärts bewegen. Es ist daher kaum ein Gegendruck auf die Kolben vorhanden, welcher die Messung beeinträchtigen könnte. Während des Abstieges der Kolben fliesst das von ihnen verdrängte Öl, ohne einen wesentlichen Widerstand zu finden, in die obere Kammer.
Der Messzyklus vollzieht sich also bei von der Förderpumpe abgetrenntem Gerät. Die Messkolben sinken entsprechend der Viskosität der über ihnen lastenden Mess- bzw. Vergleichsflüssigkeit mit entsprechenden, aber im wesentlichen konstanten Geschwindigkeiten abwärts, während die von ihnen aus der Kammer 32 verdrängte Flüssigkeit ohne wesentlichen Widerstand zu finden, durch die Verbindung 88-80 des Ventils 86 in die Kammer 30 überführt wird, wobei sich deren Pegelstand ein wenig ändert.
Die Relativbewegung beider Kolben wird, wie später anhand der Fig. 1 bis 3 noch beschrieben wird, zur Anzeige der relativen Viskosität zwischen Mess- und Vergleichsflüssigkeit verwendet.
Um immer die gleiche Messgenauigkeit zu erlangen, muss die Temperatur des Öles berücksichtigt werden, denn kälteres ist weniger viskos als wärmeres. Das Gerät berücksichtigt diesen Umstand von selbst, denn kälteres, weniger viskoses Öl benötigt längere Zeit, um den Zwischenraum zwischen Ventil 86 und Rohr 76 zu durchströmen und es wird daher die Prüfzeit länger. Der Zeitunterschied kann zwischen 30 und 120 sec für heisses bzw. kaltes Öl betragen.
Ein Teil von dem Öl jedes Behälters wird bei jedem Arbeitszyklus in die Kammern 36, 38 geleitet und Luft tritt durch die Röhrchen 104, 106, 108 und 110 ein.
Sobald die Kolben nach Beendigung der Messung und Wiederöffnen der Zuleitung 10 neuerlich anheben, kehrt das Öl in die Behälter 60, 62 zurück und ein bestimmter, der Luftmenge entsprechender Ölanteil geht als Verlust ab. Das zu messende Öl wird von der Maschine während ihres Betriebes über die Leitung 100 dauernd ersetzt. Die Röhrchen 104 usw. sind lang genug bemessen, dass ein Flüssigkeitsaustritt auch dann verhindert ist, wenn das Gerät bis zu 300 gegenüber der Vertikalen geneigt wird.
Fig. 5 zeigt, wie die Vergleichsflüssigkeit aus dem Behälter 62 über den Einlass 115 in die Kammer 38 abgelassen werden kann, der von einem mit einer Stange 118 verbundenen Ventil 116 freigegeben wird. Die Stange steht in Verbindung mit einem Hebel 122 und einer Feder 120 und kann sich gegen deren Spannung bewegen.
Der Einlass 115 steht mit der Kammer 38 in Verbindung und führt ihr die ablaufende Vergleichsflüssigkeit zu, die dann zur Messung verfügbar ist. Das Auffüllen des Behälters 62 mit Vergleichsflüssigkeit kann auf beliebige Weise erfolgen.
In Fig. 8 ist eine andere bevorzugte Behälterkonstruktion gezeigt. Sie ist ähnlich jener nach den Fig. 2 und 7, mit der Ausnahme, dass ein Messflüssigkeitsbehälter 160 und ein Vergleichsflüssigkeitsbehälter 162 vorgesehen sind. Der Behälter 160 ist mit einer Öffnung 164 entlang einer Oberkante versehen, die einen stetigen ölfluss über den Behälter 162 hinweg herbeiführt, um beide Öle auf der gleichen Temperatur zu halten. In diesem Falle sind die Röhrchen 104 und 106 entbehrlich.
Es ist verständlich, dass die Vorratsbehälter (60, 62) durch Kammern aus flexiblem Material ersetzt werden können. Diese können von Hand aus zusammengedrückt werden, um die an der Messung beteiligten Flüssigkeiten in das Gerät einzuführen. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines zusammenstauchbaren Sackes, der durch ein Hebelsystem betätigt wird und die Flüssigkeiten abgibt.
Nun wird der Anzeigemechanismus des Gerätes an Hand der Fig. 1 bis 3 beschrieben. Die Kanten der Teile 52 und 54 berühren bei ihrem Abstieg ein Schwingsystem 124, das aus einer Feder besteht, die in ihrer Mitte an einer Welle 126 befestigt ist, die ihrerseits drehbar in einer Halterung 114 gelagert ist, die auch als Endanschlag für eine mit dem Kolben 96 verbundene Stange 112 dient. Das Ende dieser Welle ist mit einem Magneten versehen (nicht dargestellt), der sich in einem Gehäuse 128 drehen kann. Dieser Magnet steht in der Nähe eines weiteren Magneten, der hinter dem Schauglas 130 des Gehäuses angeordnet ist, und mit einem beweglichen Zeiger 6 verbunden ist. Die Bewegung des ersten Magneten wird also auf den zweiten übertragen, und dieser bewegt wieder den Zeiger.
Der Zeiger 6 zeigt dann an der Skala 8 die relative Viskosität an. Die Anzeige erfolgt, wenn einer der Kolben das Glied 124 berührt und etwas dreht, während der andere Kolben es in die der relativen Viskosität entsprechenden Lage bringt. Die Kanten der Teile 52, 54 stehen dabei immer in Berührung mit der Feder 124.
Die Feder 124 kann auch durch einen gleicharmigen Hebel gebildet sein, der an seiner Oberkante Einschnitte trägt. Über diesen Einschnitten ist dann eine leichte Drahtfeder angeordnet. Der Hebel kann auch unter der Feder eine Nut aufweisen. Der Hebel kann auch aus einer vorgespannten, in Gummi oder dergleichen eingebetteten elastischen Stange bestehen. Wenn einmal eine Anzeige eingestellt ist, wird sie durch äussere Einflüsse, etwa Vibrationen usw. nicht mehr verändert.
Es ist weiters denkbar, die Kolben durch andere Kräfte als die Schwerkraft zu bewegen. Es soll also die beschriebene Anordnung mit gleichen gewichtsbelasteten Kolben und gleich grossen Öffnungen nicht als Beschränkung aufgefasst werden. Die gleichen Messungen lassen sich auch veranstalten, wenn die Abmessungen der Kolben verschieden sind.