CH668647A5

CH668647A5 - Rheometer.

Info

Publication number: CH668647A5
Application number: CH2967/84A
Authority: CH
Inventors: Ronald F Garritano
Original assignee: Rheometrics Inc
Priority date: 1983-06-29
Filing date: 1984-06-19
Publication date: 1989-01-13
Also published as: GB2142435B; US4501155A; FR2548369B1; DE3423873A1; DE3423873C2; JPH0146812B2; GB8415065D0; GB2142435A; CA1217952A; JPS6024437A; FR2548369A1

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen Theologischer Kennwerte eines Prüflings durch Analyse von Torsionskräften und Winkelpositionen eines Rotors, der mit dem Prüfling verbunden und in einem Stator durch Haltemittel um eine Längs-Drehachse in einem Bereich von Winkelpositionen sowie in einer vorgegebenen Längsposition auf der Längsachse drehbar gehalten ist, wobei die Vorrichtung eine Kraftanlegeeinrichtung aufweist, um an den Rotor in jeder Winkelposition ein ausgewähltes Drehmoment anzulegen, und wobei die Haltemittel ein reibungsarmes Lager von solcher Art aufweisen, dass es bei wenigsten einigen der Winkelpositionen Lager-Drehmomente auf den Rotor ausübt. Vorrichtungen dieser Art werden von den einschlägigen Fachleuten kurz Rotationsrheometer genannt.

Seit vielen Jahren stehen Rotationsrheometer zur Untersuchung von Theologischen Eigenschaften der verschiedensten Materialien zur Verfügung. Beim Bestimmen dieser Theologischen Eigenschaften ist es wichtig, die Spannungen und Deformationen in den Prüflingen auf verhältnismässig niedrigem Wert zu halten, um für polymere Schmelzen oder poly-mere Lösungen innerhalb des Newtonschen- oder Null-Schergefällebereiches und für strukturierte Materialien, wie kolloidale Suspensionen, im linear-viskoelastischen Gebiet zu bleiben. Derart geringe Spannungen und Deformationen stellen hohe Anforderungen an das Rheometer, um die gewünschte Genauigkeit zu erzielen, da bei diesen niedrigen Werten die Einflüsse der Reibung bei den Haltemitteln für den Rotor des Rheometers höchst beachtlich sind und bedeutende Fehler in die Messungen einschleppen können. Weil mit dem Aufprägen von Spannung auf einen Prüfling gewöhnlich Reibungskräfte verknüpft sind, werden die meisten Rheometer so betrieben, dass am Prüfling eine vorgegebene Deformation oder Deformationsgeschwindigkeit austritt und dann die resultierende Spannung gemessen wird.

I m Hinblick auf eine Verkürzung der zur Ausführung von einzelnen Theologischen Tests erforderlichen Zeit hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, dem Prüfling eine genau bestimmte Spannung aufzuprägen und dann die resultierende Deformation zu messen. Es hat sich gezeigt, dass unter diesen Umständen die verschiedenen Kräfte in dem Prüfling schneller in den Gleichgewichtszustand gelangen und so rascher genaue Testergebnisse erhalten werden. Zudem ist die Messgenauigkeit aufgrund der Tatsache erhöht, dass Deformationen als Funktion der Zeit leichter genau gemessen werden können als Spannungen. Wenn in der Restitutionsbetriebsart gearbeitet wird, d.h. wenn man den Prüfling ohne Spannungsaufprägung in den ursprünglichen Zustand zurückkehren lässt und dabei die Formänderung misst, so ermöglicht das Messen der Formänderung bei fehlender Spannung zudem, die elastische Modulkomponente oder Komplianz des Materials unabhängig von der viskosen Komponente zu bestimmen, da die Restitutionsformänderung lediglich eine Funktion der elastischen Komponente ist. So können gerade jene Materialien, die eine im Vergleich mit der viskosen Komponente sehr niedrige elastische Komponente haben, genau mit einem Rheometer gemessen werden, das eine genaue Überwachung der Formänderung in der Erholungsphase ohne Spannungsaufprägung gestattet.

Es würde daher vorteilhaft sein, ein Rotationsrheometer zur Verfügung zu haben, welches effektiv eine genaue Spannung einem Prüfling aufprägen kann und welches ein genaues Messen der resultierenden Deformation ohne die nachteiligen Einwirkungen von Reibungskräften auf die sich bewegenden Teile der Vorrichtung ermöglicht. Ein diese Fähigkeiten aufweisendes Rotationsrheometer verlangt im wesentlichen reibungsfreie Haltemittel für die Aufhängung und den Antrieb des Rotors im Stator. Ausserdem sollte die Vorrichtung zum Aufprägen einer genauen Spannung und zum genauen Überwachen der Deformation im ganzen Bereich einer vollen Rotorumdrehung um 360° imstande sein, wodurch eine vielseitigere Verwendung zum Prüfen einer grösseren Vielfalt von Materialien ermöglicht wird. Ausserdem würde die Fähigkeit zum genauen Überwachen der Formänderung während der Materialerholung des Prüflings ein wertvoller Gewinn sein.

Im Hinblick auf möglichst reibungsfreie Haltemittel für den Rotor im Stator ist schon vorgeschlagen worden, ein sehr niedrige Reibung aufweisendes Lager, wie ein aerostatisches oder gasgeschmiertes Lager, das gewöhnlich unter der Bezeichnung Luftlager bekannt ist, zu benützen. Die Verwendung eines solchen reibungsarmen Lagers führt jedoch zu unerwünschten Lager-Drehmomenten, die aus den Eigentümlichkeiten der Lagervorrichtung selbst resultieren.

Solche Lager-Drehmomente, obgleich sie nur von geringer Grösse sind, werden nichtsdestoweniger bei den mit dem Rotationsrheometer durchzuführenden Messungen zu einem bedeutsamen Faktor. Beispielsweise wird bei einem Luftlager Luft unter Druck durch einen engen Spalt zwischen einander gegenüberliegenden Lagerflächen geführt. Um die für das rheologische Testen bestimmter Materialien, wie Kunststoffschmelzen, erforderliche hohe Lagersteifigkeit zu erhalten muss der Spalt sehr eng sein. Die Geschwindigkeit der den engen Spalt passierenden Luft ist deshalb sehr gross. Jede Abweichung der Lagerflächen von den idealen Oberflächenkonturen kann Kräfte zur Folge haben, die durch die Wechselwirkungen zwischen dem Hochgeschwindigkeits-Luft-strom und den Oberflächenabweichungen erzeugt werden. Da bei den Lagerflächen die Abweichungen von Faktoren, wie Bearbeitungsgenauigkeit, Oberflächenfinish und Abnutzung abhängen, können diese Abweichungen praktisch nicht vollständig beseitigt und die daraus resultierenden Kräfte nicht total eliminiert werden. Diese Kräfte werden dann ein unerwünschtes Drehmoment erzeugen, das am Rotor angreift, und das Drehmoment wird in seiner Grösse bei den verschiedenen Winkelpositionen des Rotors bezüglich des Stators variieren, wodurch die Genauigkeit des Rheometers beeinträchtigt wird. Bei anderen reibungsarmen Lageranordnungen, wie bei Magnetlagern, kann ein unerwünschtes Lagerdrehmoment durch die bei verschiedenen Ausrichtungen des Rotors relativ zum Stator variierende Reluktanz hervorgerufen werden, was wiederum die Genauigkeit des Rotationsrheometers beeinflusst.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Rotationsrheometer der eingangs genannten Art zu schaffen, das die Vorteile einer Haltevorrichtung mit einem reibungsarmen Lager, wie einer Luftlageranordnung, jedoch nicht deren Nachteile hat, damit das Rheometer benutzt werden kann, um einem Prüfling eine genaue Torsionsspannung aufzuprägen während seine Deformation über einen verhältnismässig grossen Drehbereich, vorzugsweise von 360°, gemessen wird, und um während der Erholung die Formänderung des Prüflings zu überwachen, wenn ihm keine Torsionspannung mehr aufgeprägt wird.

Diese Aufgabe ist durch die Schaffung der in dem unabhängigen Patentanspruch 1, definierten Vorrichtung gelöst. Die Merkmale von zweckmässigen Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Ein besseres Verständnis der Erfindung und der mit ihr erzielten Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibungeines auf der beiliegenden Zeichnung veranschaulichten bevorzugten Ausführungsbeispieles. Auf

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der Zeichnung zeigen :

Fig. 1 in zum Teil schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein das Kompensationssystem der Vorrichtung veranschaulichendes Blockschaltbild,

Fig. 3 die Positionswandler-Anordnung der Vorrichtung in schematischer Darstellung, und

Fig. 4 ein Flussdiagramm, das die Arbeitsweise des Posi-tinswandler enthaltenden Kompensationssystems der Vorrichtung erläutert.

Es wird nun auf die Zeichnung und insbesondere auf Fig. 1 derselben verwiesen, in der eine in Übereinstimmung mit der Erfindung aufgebaute Vorrichtung in der Form eines Rota-tionsrheometers 10 dargestellt und für die Bestimmung von Theologischen Kennwerten eines Prüflings 12 in Verbindung mit dem Prüfling 12 gezeigt ist. Obgleich der Prüfling irgendeine von mehreren verschiedenen Gestalten annehmen kann ist der Prüfling 12 in der Form einer Scheibe aus Kunststoff gezeigt, die an einem feststehenden Tisch 14 befestigt und mit einer Platte 16 des Rheometers 10 verbunden ist. Die Platte 16 ist von einem rohrförmigen Träger 18 getragen, der einen an einem zentralen Rotor 22 des Rheometers 10 befestigten Flansch 20 hat. Wenn der Prüfling von einer anderen Gestalt ist, sind der Tisch 14 und die Platte 16 dieser Form angepasst.

Der Rotor 22 erstreckt sich der Länge nach in vertikaler Richtung längs einer zentralen Längsachse 24 und ist für eine Rotation um die Längsachse 24 in einem Stator 26 mittels eines Lagers sehr geringer Reibung gehalten, welches Lager in diesem Fall ein aerostatisches oder gasgeschrniertes Lager und in der Form eines Längsluftlagers 30 gezeigt ist. Das Luftlager 30 weist eine Hülse 32 mit einer zentral angeordneten Ringnut 34 auf, die über einen Zuführungskanal 38 mit einem Lufteinlassstutzen 36 verbunden ist. Luft unter einem Druck von typisch ca. 55 N/cm2 wird am Einlassstutzen 36 zugeführt und strömt durch den Zuführungskanal 38 und die Ringnut 34 in einen engen, sich in axialer Richtung erstreckenden ringförmigen Spielraum 40 zwischen dem Rotor 22 und der Hülse 32 und in diesem von jeder Seite der Ringnut 34 zu einer oberen bzw. zu einer dieser gegenüberliegenden unteren Druckplatte 42 bzw. 44, wo die Luft durch einen entsprechenden oberen bzw. unteren radialen Spielraum 46 bzw. 48 radial nach aussen in die Umgebungsatmosphäre abfliesst. Die Druckplatten 42 und 44 sind in den Rotor 22 integriert und bilden radiale Lagerflächen 49 an den einander gegenüberliegenden Enden einer sich längs des Rotors 22 erstreckenden axialen Lagerfläche 50, so dass die die Spielräume 40,46 und 48 durchströmende Luft einen dünnen Film bildet, der den Rotor 22 in im wesentlichen reibungsloser Aufhängung im Stator 26 trägt.

Zum Rotor 22 gehört eine Zentralwelle 52, die sich in ihrer Länge längs der Achse 24 aufwärts erstreckt und zum Drehen des Rotors 22 im Stator 26 dient. Ein Motor 54 wird von einer Regeleinrichtung 56 geregelt, um an die Welle 52 und über diese an den Rotor 22 ein Drehmoment anzulegen. Der Motor 54 ist vom Wirbelstrom-Typ (drag cup type), der einen becherförmigen Rotor 60 hat, welcher an der Welle 52 befestigt ist und sich in axialer Richtung in einen den Becherrotor aufnehmenden Stator 62 hinein erstreckt, der am stationären Gehäuse 64 fest angeordnet ist. Die Zentralwelle 52 erstreckt sich über den Wirbelstrom-Motor 54 hinaus nach oben in einen Wandlerabschnitt 66, in welchem sich Wellenposi-tions-Wandler 70,72 und 74 zur Lieferung von die Winkelpositionen der Welle 52 um die Achse 24 und der Längsposition der Welle 52 auf der Achse 24 betreffenden Informationen befinden, wie es ausführlicher weiter unten beschrieben wird.

Bei der Anwendung des Rheometers 10 wird das an den Rotor 22 durch den Wirbelstrom-Motor 54 bei bestimmten Winkelpositionen des Rotors 22 inbezug auf den Stator 26 angelegte Drehmoment die eigentliche Basis, auf welcher die Analyse von Theologischen Kennwerten des Prüflings 12 beruht. So kann ein vom Motor 54 an die Welle 52 angelegtes genaues Drehmoment verwendet werden, um dem Prüfling 12 eine vorgegebene Spannung aufzuprägen, und die Drehverstellung der Welle 52 wird gemessen, um die Deformation zu bestimmen. In einer anderen Betriebsart darf sich der Prüfling 122 ohne Spannungsaufprägung erholen oder entspannen und die Formänderung wird überwacht. In beiden Betriebsarten kann eine Drehverstellung des Rotors 22 über einen vollen 360°-Verstellbereich stattfinden. Obgleich durch die Verwendung eines Lagers niedriger Reibung, wie etwa eines Luftlagers 30, die Reibungskräfte reduziert werden, so dass durch das Lager-Drehmoment bedingte Ungenauigkeiten beseitigt werden, sind doch bestimmte Eigenschaften solcher niedrige Reibung aufweisender Lager vorhanden, die, wie oben dargelegt, Fehler einschleppen könnten. Eine Kompensation dieser Fehler wird mit der vorliegenden Vorrichtung erreicht.

Um z.B. bei einem Luftlager 30 die zum Prüfen von Kunst-stoffschmelzen im Rheometer 10 erforderliche hohe Lagersteifheit zu erhalten, müssen die Spielräume 40,46 und 48 so begrenzt sein, dass die Luftfilmdicke bei ca. 8 bis 10 um gehalten wird. Die Folge ist, dass selbst wenn die erforderliche Luftmenge klein (typisch weniger als ca 15 dm3 pro Minute) ist, die Geschwindigkeit der Luft beim Durchmessen der Spielräume sehr gross ist, gewöhnlich grösser als 160 km pro Stunde. Eine so hohe Strömungsgeschwindigkeit erzeugt an den Lagerflächen und insbesondere längs der Lagerflächen 49 und 50 beachtliche Schlepp- oder Reibungskräfte. Das Luftlager 30 ist entworfen und gefertigt mit dem Bestreben, den Luftstrom auf eine axiale Strömung entlang der Fläche 50 und eine radiale Strömung entlang den Flächen 49 zu beschränken, und zwar ohne eine Strömung in Umfangsrichtungen, welche ein unerwünschtes Drehmoment am Rotor 22 und eine dieses begleitende Spannung in dem Prüfling infolge der durch die hohe Luft-Strömungsgeschwindigkeit induzierten Reibungskräfte zur Folge haben würde. Sowohl durch die Realitäten bei der Bearbeitungsgenauigkeit und dem Oberflächenfinish an den relevanten Lagerflächen als auch durch geringfügige Bearbeitungsfehler und Abnutzungsmale jedoch kann und wird auch ein Lager-Drehmoment eingeführt, welches einen beachtlichen Ein-fluss auf die Genauigkeit des Rheometers haben kann. Da der Einfluss dieser verschiedenen Ungenauigkeiten von Position zu Position rund um die volle 360°-Drehung des Rotors relativ zum Stator 26 variieren wird, wird sich auch die Grösse des unerwünschten Lager-Drehmomentes von Position zu Position ändern. Um die Genauigkeit des Rheometers 10 zu optimieren ist deshalb eine Kompensationseinrichtung zum Ausgleichen der oben erwähnten Eigentümlichkeiten des Luftlagers 30 vorgesehen.

Im folgenden wird sowohl auf Fig. 2 als auch auf Fig. 1 Bezug genommen. Die Regeleinrichtung 56 enthält ein bei 80 schematisch gezeigtes Kompensationssystem, das vor jedem an einem Prüfling vorzunehmenden Test in Betrieb genommen wird, um, im wesentlichen, das Luftlager 30 abzugleichen, so dass eine angemessene Kompensation für die Verwendung während einer Messung zur Verfügung sein wird. In der Kompensationseinrichtung 80 ist der Motor 54 in einen Regelkreis geschaltet um den Rotor 22 auf ausgewählte Winkelpositionen zu verstellen. In jeder dieser Positionen stellt die Kompensationseinrichtung sicher, dass das von dem Motor 54 an den Rotor 22 angelegte Drehmoment

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genau entgegengesetzt dem unerwünschten Drehmoment sein wird, das auf den Rotor 22 von den in dem Luftlager 30 in dieser Position erzeugten Kräften ausgeübt wird.

Beim Abgleichen wird von einem Rechner 82 ein programmbedientes Selektorelement 84 verwendet, um ein Befehlssignal zum Drehen des Rotors 22 in eine ausgewählte Winkelposition zu erzeugen. Die Ist-Winkelposition des Rotors, die von den Wellenstellungs-Wandlern 70 und 72 bestimmt wird, wird mit der befohlenen Position in einem programmbedienten Subtrahierelement 86 verglichen und jede durch das Subtrahierelement 86 bestimmte Differenz bewirkt ein Signal bei 88, das benutzt wird, um in dem Motor 54 ein die Differenz auf Null treibendes Drehmoment zu erzeugen. Das Signal bei 88 ist einem Leistungsverstärker 92 zugeführt, welcher den Motor 54 antreibt. Ein Regelkreis 94 enthält ein programmbedientes Phasenschieber-Kompensa-tionselement 100, das zur Stabilisierung des Regelkreises 94 vorgesehen ist. Wenn der Rotor 22 die ausgewählte Sollposition erreicht ist das resultierende Drehmoment am Rotor 22 null und das Abtriebsdrehmoment Tm des Motors ist dem unerwünschten Luftlager-Drehmoment Tab genau entgegengesetzt. Das bei 88 anstehende Signal führt so zu ein an den Rotor 22 angelegtes Drehmoment und für jede ausgewählte Position des Rotors 22 wird das Signal bei 88 ein zum genauen Aufheben des unerwünschten Luftlager-Drehmoments an dieser Stelle erforderliches Drehmoment liefern. Indem durch das Selektorenelement 84 die befohlene Position über die Vielzahl von ausgewählten Positionen schrittweise vorgeschoben wird, werden die entsprechenden Signale 88 in einen Speicher 110 eingespeichert, um einen kompletten Katalog von Kompensations-Drehmomenten zu erhalten, die den durch das Luftlager 30 in den verschiedenen Positionen an den Rotor angelegten unerwünschten Drehmomenten entsprechen. Anschliessend wird der Katalog zum Korrigieren oder Kompensieren der während eines eigentlichen Test vorgenommenen Drehmomentmessungen oder der angelegten Drehmomente benutzt, so dass jeder Fehler, der sonst durch das Luftlager-Drehmoment eingeschleppt werden könnte, eliminiert wird.

Die der Kompensationseinrichtung 80 eignen Vorteile bestehen darin, dass das Rheomter 10 vor jedem Test abgeglichen werden kann, ohne dass hierzu zusätzliche Hardware oder andere Teile und durch diese bedingte Einrichtezeiten erforderlich sind. Ausserdem wird das Lager-Drehmoment mit dem gleichen Geräteteil bestimmt, der auch zur Drehmomenterzeugung am Rotor 22 während der regulären Betriebsart verwendet wird, nämlich mit dem Motor 54. Auf diese Weise werden durch die Einrichtung selbst eingeschleppte Fehler, wie inbezug auf Linearität und absolute Genauigkeit, ausgeschieden. Dass das Rheometer 10 unabhängig von Komponentenfehler betrieben werden kann ist besonders in der Betriebsart vorteilhaft, bei der, wie oben beschrieben, dem Prüfling eine Nullspannung aufzuprägen ist. Die Kompensationseinrichtung 80 kann so zur Kompensation von unerwünschten Lager-Drehmomenten bei im wesentlichen allen Anordnungen mit Lagern niedriger Reibung verwendet werden, bei denen sich das Lage-Drehmo-ment mit den Rotorpositionen ändert.

Die Vielseitigkeit und Genauigkeit des Rheometers 10 sind weitgehend davon abhängig, wie die Ist-Position des Rotors 22 bestimmt wird. Demgemäss werden die Rotorpositions-Wandler 70, 72 und 74 auf der Basis von sowohl Empfindlichkeit, Genauigkeit und Betriebssicherheit als auch Kostenerwägungen ausgewählt. Die Wandler müssen einen hohen Auflösungsgrad haben und dürfen keine beachtliche Trägheit der Anordnung aus Rotor 22 und Welle 52 herbeiführen. Wie oben dargelegt, werden die Wandler 70 und 72 zur Bestimmung der einzelnen Winkelpositionen des Rotors 22

um die Längsachse 24 relativ zum Stator 26 verwendet, während der Wandler 74 zur Bestimmung der Längsposition des Rotors 22 auf der Achse 24 benutzt wird. Betrachtet man zuerst das Problem des Bestimmens der Winkelpositionen s des Rotors 22 so ist zum Messen von fortlaufenden Winkelpositionen rotierender Elemente eine Zeitlang eine ganze Reihe von Resolvern und Synchros im Gebrauch gewesen. Diese Geräte sind im wesentlichen induktive Vorrichtungen mit mehreren Ausgängen für trigonometrische Funktionen io der Winkelpositionen darstellende Signale, die durch Anwendung von Computer-Software für eine Anzeige direkt in Winkeleinheiten umgeformt werden können. In solchen Vorrichtungen sind gewöhnlich Wickelrotoren verwendet, denen eine hohe Trägheit eigen ist und die Schleifringe oder 15 Kommutatoren und andere ähnliche Vorrichtungen führen schon an sich statische Reibung ein und sind in der vorliegenden Einrichtung nicht brauchbar. Es sind bürstenlose Funktionsdrehmelder mit Permanentmagnetrotoren erhältlich, doch bewirken solche Vorrichtungen Reluktanz-20 Drehmomente, die eine bevorzugte Rotororientierung verursachen und die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigen.

Der bevorzugte Wandler zur Verwendung in der vorliegenden Einrichtung ist ein drehverstellbarer Differentialtransformator (RVDT). Ein RVDT ergibt niedrige Kosten, 25 sehr niedrige Trägheit, kontinuierliche Information für unbegrenzte Auflösung und erfordert keinen mechanischelektrischen Kontakt mit dem rotierenden Element der Vorrichtung. Ein RVDT enthält einen kleinen Kern aus ferro-magnetischem Material, der gewöhnlich auf dem Geräteteil 30 befestigt ist, dessen Drehung gemessen werden soll, und einen Wickel-Differentialtransformator, der ortsfest und dem Kern gegenüberliegend angeordnet ist. Ein Bewegen des Kerns im ortsfesten Transformator ändert tatsächlich den Kopplungskoeffizienten zwischen der Primär- und der 35 Sekundärwicklung des Transformators, woraus ein der Verstellung proportionales lineares Ausgangssignal resultiert. Ein lineares Ausgangssignal ist jedoch auf Verstellungen von 120° um die Nullposition und von 120° um die diamentral gegenüberliegende (180°) Position beschränkt. Das Rheo-40 meter 10 enthält deshalb als Wandler 70 und 72 zwei RVDT Vorrichtungen, die mit einem 90°-Winkelabstand voneinander um die Achse 24 herum angeordnet sind, und benutzt Computer-Software, um die Ausgangssignale der beiden Wandler 70 und 72 zu einem die volle 360°-Drehung von 45 Rotor 22 und Welle 52 erfassenden kontinuierlichen Ausgangssignal ohne Stossstellen zu kombinieren. Jeder Wandler 70 und 72 weist einen ortsfesten Transformator 120, der am Gehäuse 64 des Rheometers 10 befestigt ist, und einen bewegbaren Kern 122 auf, der zum Drehen innerhalb des Transforso mators 120 auf der Welle 52 fest angebracht ist.

Wie in Fig. 3 schematisch gezeigt ist, liefert der Wandler 70 ein lineares Ausgangssignal A über Drehbereiche der Welle 52 und des Rotors 22, die auf inbezug auf die 0°- und die 180°-Position der Welle 52 symmetrisch orientierte 120°-Segmente 55 126 begrenzt sind. Ebenso liefert der Wandler 72 ein Ausgangssignal B über Drehbereiche der Welle 52 und des Rotors 22, die auf 120°-Segmente 130 begrenzt sind. Der Wandler 72 ist jedoch gegenüber dem Wandler 70 um einen Winkel von 90° versetzt angeordnet, so dass die Segmente 130 60 symmetrisch zu der 90°- und 270°-Position der Welle 52 orientiert sind. Auf diese Weise überlappen die Ausgangssignale A und B einander, um ein lineares, fehlerfreies Ausgangssignal über eine volle 360°-Drehung der Welle 52 zu ergeben.

65 Ein Problem entsteht jedoch dort, wo ein Wechsel von einem Ausgangssignal A oder B zum anderen stattfindet. Um ein kontinuierliches Ausgangssignal über eine 360°-Drehung von Welle 52 und Rotor 22 zu erhalten wird also das Aus

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gangssignal von einem Ausgangssignal A oder B auf das andere Ausgangssignal innerhalb der Bereiche 132 umgeschaltet, wo sich die Ausgangssignale überlappen. Von den Bereichen 132 sollte jeder innerhalb eines 30°-Segmentes liegen, wo die Segmente 126 und 130 genau aufeinander ausgerichtet sein werden ; eine perfekte Ausrichtung ist jedoch wegen der Fertigungstoleranz nicht immer zu erreichen. An irgendwelchen einzelnen Positionen innerhalb der Bereiche 132 werden die Ausgangssignale A und B deshalb nicht notwendigerweise von gleicher Grösse sein. Wenn von einem Ausgangssignal auf das andere geschaltet wird, kann daher eine unmittelbar wahrnehmbare Differenz in der Grösse des überwachten Ausgangssignals vorhanden sein, was in einer unerwünschten Diskontinuität resultiert. Überdies würden auch dann, wenn eine perfekte Ausrichtung der Segmente 126 und 130 erreicht werden könnte, in den Ausgangssignalen A und B an irgendwelchen Positionen in den Bereichen 132 Differenzen auftreten, die durch thermische Abtrift, Alterung und elektrisches Rauschen oder andere Verzerrungen bedingt sind.

Um das obenerwähnte Problem zu überwinden, werden die Ausgangssignale A und B nach einem Software-Programm geschaltet, das in Fig. 4 veranschaulicht ist. Das Umschalten findet in Winkelpositionen statt, die in Fig. 3 mit Positionen 136 bezeichnet sind. Die Positionen 136 liegen mit je einem Winkelabstand von 45° beiderseits der 0°- und der 180°-Position, so dass die Positionen 136 gut in den Bereich 132 plaziert sind. Wie in Fig. 3 ersichtlich ist, befindet sich somit jeweils eine Position 136 bei 45°, 135°, 225° und 315°. In den Positionen 136 sollte die absolute Grösse der Ausgangssignale A und B gleich sein, doch können sie von entgegengesetzter Polarität sein. Im Diagramm der Fig. 3 ist das Ausgangssignal A bei 45° + V, während das Ausgangssignal B —V ist. Bei 135° sind beide Signale A und B + V. Bei 225° ist das Signal A —V, während das Signal B + V ist. Bei 315° sind beide Ausgangssignale A und B —V. Da aus den obenerwähnten Gründen wahrscheinliche Abweichungen von der idealen Anpassung der Grössen der Ausgangssignale A und B an den Schaltpositionen vorhanden sein werden, dient das in Fig. 4 gezeigte Software-Programm 140 zur Kompensation von solchen Abweichungen.

Zum ständigen Verfolgen der Signale A und B wird demge-mäss ein Rechner benutzt, der nach dem Software-Programm 140 betrieben wird, um in jeder Winkelposition 136 unmittelbar vor dem Umschalten von einem Ausgangssignal A oder B auf das andere die Differenz bei den absoluten Grössen der Ausgangssignale A und B zu bestimmen und um die Differenz unmittelbar nach dem Umschalten dem anderen Ausgangssignal zuzuaddieren, so dass die Kontinuität bei den Übergängen von einem Ausgangssignal zum anderen sichergestellt ist. Die berechnete Differenz bleibt dem anderen Ausgangssignal bis zum nächsten Übergang an der darauffolgenden Position 136 zuaddiert, wo dann eine neue Differenz für die nächste Umschaltung berechnet wird. Es ist festgestellt worden, dass die Einrichtung erfolgreich zum Abgleichen von Fehlern bis zu 3 Grad arbeitet.

Das Software-Programm 140 stellt die obige Kompensationsroutine dar. Das Programm 140 beginnt bei 142. Ein Bedienender leitet die Programmroutine am Start 144 ein. Vor dem Anlaufen der Routine am Start 144 ist das Programm selbsteingestellt, um die von dem Signal A gelieferten Daten auszuwählen und irgendwelche Differenzen zwischen den von den Signalen A und B bereitgestellten Daten auf Null zu bringen, was bei 148 gezeigt ist. Sobald die Routine bei 144 gestartet ist, werden die von beiden Signalen A und B gelieferten Daten bei 150 überwacht. Die bei 152 erfolgte Feststellung, dass die Signal A-Daten ausgewählt sind, lässt das Programm bei 154 die Signal A-Daten überwachen bis entschieden ist, dass eine Schaltposition 136 erreicht ist.

Nach dem Erreichen einer Schaltposition 136, an der die Signale A und B verschiedene Polarität aufweisen, werden vom Signal B bereitgestellte Daten ausgewählt, was bei 156 gezeigt ist, und bei 158 wird dann die an dieser Position 136 vorhandene Differenz zwischen den von den Signalen A und B gelieferten Daten bestimmt, die bei 160 den aus dem Signal B erhaltenen Daten zuaddiert wird. Die Daten, aus denen die Information für die Winkelposition erhalten wird, werden dann bei 162 bereitgestellt. Während die Signal A-Daten innerhalb des Bereiches eines Segments 126 zwischen Schaltpunkten 136 bleiben, wird bei 162 die Winkelpositionsinformation aus den vom Signal A erhaltenen Daten bestimmt. Ebenso werden, wenn bei 152 festgestellt wird, dass die Daten aus dem Signal A nicht ausgewählt sind, die Daten aus dem Signal B bei 174 überwacht bis festgestellt wird, dass eine Schaltposition 136 erreicht ist. Nach dem Erreichen einer Schaltposition 136, an der die Signale A und B gleiche Polarität haben, werden die vom Signal A bereitgestellten Daten ausgewählt, was bei 176 gezeigt ist, und die an dieser Position 136 vorhandene Differenz zwischen den Daten der Signale A und B wird bei 178 bestimmt und bei 180 den Daten des Signals A zuaddiert. Während die Signal B-Daten im Bereich eines Segmentes 130 zwischen Schaltpunkten 136 bleiben wird wiederum die bei 162 zur Verfügung gestellte Information für die Winkelposition aus den Daten des Signals B bestimmt. Durch das Zuaddieren der Differenzen jedesmal wenn ein Umschalten von einem auf das andere der Signale A und B stattfindet wird ein kontinuierlicher, ununterbrochener Übergang gewährleistet. Es ist zu bemerken, dass in der oben beschriebenen Schaltroutine das Umschalten während der Drehung der Welle 52 in der in Fig. 3 gezeigten Richtung stattfindet. Sollen die Signale A und B während einer Drehung in entgegengesetzter Richtung verfolgt werden, so wird ein Umschalten von Signal A auf B stattfinden, wenn die Signale A und B gleiche Polarität haben, während ein Umschalten von Signal B auf Signal A bei verschiedenen Polaritäten erfolgen wird. Die Routine 140 berücksichtigt demnach auch die Drehrichtung der Welle 52.

Eine an das Rheometer 10 gestellte wichtige Anforderung ist auch, dass die Längsposition der Platte 16 inbezug auf den Tisch 14 genau bestimmt wird. Durch Messen dieser Position wird die Geometrie des Prüflings 12 für die Umwandlung der Winkelpositionen von Rotor 22 und Welle 52 und der gemessenen Drehmomente in Spannung und Deformation des Prüflings bestimmt. Durch Längsbewegen der gesamten, das Gehäuse 64, die Welle 52, den Rotor 22 und den Träger 18 umfassenden Anordnungen relativ zum Tisch 14 wird der Spalt 200 zwischen Platte 16 und Tisch 14wahlweise verändert und die Position der Platte 16 inbezug auf den Tisch 14 wird mittels eines (nicht dargestellten) Mikrometers gemessen, das gewöhnlich auf der Anordnung montiert ist. Es ist jedoch erforderlich, dass das Mikrometer auf Null gestellt wird, wenn sich der Tisch 14 und die Platte 16 gerade eben berühren. Die Bestimmung dieses Nullpunktes, d.h. des Punktes, in welchem die Platte 16 und der Tisch 14 einander gerade berühren, muss mit grosser Genauigkeit erfolgen.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, dass ein elektrischer Schaltkreis benutzt werden kann, um die elektrische Kon-taktnahme von Platte und Tisch zu erfassen. Eine solche Einrichtung erfordert elektrische Verbindungen mit der Platte, welche Verbindungen bei der Durchführung von Tests nicht bestehen bleiben dürfen und deshalb vor der Ausführung jedes eigentlichen Tests enfernt werden müssen. Ausserdem zeigt eine solche Kontaktinformation nur an, ob Kontakt oder kein Kontakt vorliegt und würde keine Information

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über die durch eine Kompression des Luftfilmes im Spalt 48 bei sich über den Nullpunkt hinaus nach unten bewegendem Gehäuse 64 gegebene axiale Verstellung der Platte 16 inbezug auf das Gehäuse 64 liefern, so dass der tatsächliche Nullpunkt leicht übergangen wird.

Um eine genaue Bestimmung des Nullpunktes zu erhalten ist im Rheometer 10 ein Längspositionswandler 74 für die Welle 52 vorhanden, der eine Anzeige über die axiale Verstellung der Welle 52 relativ zum Gehäuse 64 liefert, Der Wandler 74 ist vorzugsweise ein linearverstellbarer Differentialtransformator (LVDT) mit einem verhältnismässig leichten Kern 210, der an der Welle 52 befestigt und von dem am Gehäuse 64 ortsfest angeordneten Wickeldifferentialtransformator 212 umgeben ist. Das Ausgangssignal des Wandlers 74 treibt ein Anzeigegerät 214 an, welches auf Null gestellt ist, wenn die Platte 16 nichts berührt und der Rotor 22 vom Luftlager 30 in dem Stator 26 in seiner normalen 5 Längsposition gehalten ist. Wenn dann die Platte 16 in Kontakt mit dem Tisch 14 gebracht wird, können der Rotor 22 und die Welle 52 durch Kompression des Luftfilms im Spalt 48 des Luftlagers 30 axial relativ zum Stator 26 und zum Gehäuse 64 bewegt werden. Eine solche axiale Verstellung io wird von dem Wandler 74 erfasst und auf das Anzeigegerät 214 übertragen. Das Anzeigegerät 214 ist direkt in Distanzabweichungen vom Nullpunkt geeicht und der Nullpunkt wird mit grosser Genauigkeit bestimmt.

3 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Vorrichtung zum Bestimmen rheologischer Kennwerte eines Prüflings durch Analyse von Torsionskräften und Winkelpositionen eines Rotors, der mit dem Prüfling verbunden und in einem Stator durch Haltemittel um eine Längs-Dreh-achse in einem Bereich von Winkelpositionen sowie in einer vorgegebenen Längsposition auf der Längsachse drehbar gehalten ist, wobei die Vorrichtung eine Kraftanlegeeinrichtung aufweist, um an den Rotor in jeder Winkelposition ein ausgewähltes Drehmoment anzulegen, und wobei die Haltemittel ein reibungsarmes Lager von solcher Art aufweisen, dass es bei wenigstens einigen der Winkelpositionen Lager-Drehmomente auf den Rotor ausübt, gekennzeichnet durch eine Befehlseinrichtung zum Bezeichnen von ausgewählten Winkelpositionen des Rotors innerhalb seines Bereiches von Winkelpositionen; eine Positionsbestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Ist-Winkelposition des Rotors in bezug auf den Stator innerhalb des Bereiches von Winkelpositionen; eine Lagerkompensationseinrichtung, die mit der Kraftanlegeeinrichtung, der Befehlseinrichtung und der Positionsbestimmungseinrichtung verbunden ist, um die Kraftanlegeeinrichtung durch Ansprechen auf eine Kompensationsinformation, die aus den Abweichungen irgendeiner ausgewählten Winkelposition des Rotors von der entsprechenden Ist-Winkelposition abgeleitet ist, zum Ausbalancieren des Rotors in der ausgewählten Winkelposition gegen das Lager-Drehmoment bei der ausgewählten Winkelposition zu veranlassen ; und eine Speichereinrichtung zum Speichern mehrerer solcher Kompensationsinformationen, so dass für jede ausgewählte Winkelposition innerhalb des Bereiches von Winkelpositionen die Kompensationsinformation zum Ausbalancieren des Rotors gegen das Lager-Dreh-moment zur Verfügung steht.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerkompensationseinrichtung (80) einen Regelkreis (94) für die Gewinnung der Kompensationsinformation enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bereich von Winkelpositionen des Rotors über einen Drehwinkel von 360° erstreckt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmungseinrichtung wenigstens einen drehverstellbaren Differentialtransformator (70, 72) enthält, der zwischen dem Rotor (22) und dem Stator (26) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmungseinrichtung wenigstens einen auf die relativen Positionen von Rotor (22) und Stator (26) ansprechenden Winkelpositionswandler (70,72) zum Liefern von die Winkelposition des Rotors (22) in bezug auf den Stator (26) betreffenden Positionsdaten aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Winkelpositionswandler (70) Positionsdaten liefert, die die Winkelposition des Rotors (22) relativ zum Stator (26) innerhalb eines ersten Bereiches (126) von Winkelpositionen betreffen, welcher erste Bereich sich über eine weniger als 360° umfassende Drehbewegung des Rotors (22) relativ zum Stator (26) erstreckt, und dass die Positionsbestimmungseinrichtung einen zweiten Winkelpositionswandler (72) zum Liefern von weiteren Positionsdaten enthält, welche die Winkelpositionen des Rotors (22) relativ zum Stator (26) in einem den ersten Bereich ergänzenden zweiten Bereich (130) von Winkelpositionen betreffen, wobei sich der erste und der zweite Bereich zusammen über eine 360°-Winkelbewegung des Rotors (22) relativ zum Stator (26) erstrecken.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch

Informationsmittel zur Gewinnung von die Winkelposition des Rotors (22) betreffenden Informationen auf der Basis der von jedem Winkelpositionswandler (70,72) erhaltenen Positionsdaten;

Überwachungsmittel zur Überwachung der von den Winkelpositionswandlern (70,72) in den beiden Bereichen (126, 130) gelieferte Positionsdaten;

Schaltmittel, die zum Umschalten der von den Informationsmitteln empfangenen Positionsdaten von einem der Winkelpositionswandler (70,72) auf den anderen beim Einstellen des Rotors (22) auf eine vorgegebene Winkelposition (136) ansprechen;

Subtrahiermittel zur Bestimmung einer Differenz zwischen den von den beiden Winkelpositionswandlern (70,72) in der vorgegebenen Wijikelposition (136) gelieferten Positionsdaten; und

Datenkompensationsmittel zum Kombinieren der in der vorgegebenen Winkelposition (136) vorhandenen Positionsdatendifferenz mit den von dem anderen Winkelpositionswandler erhaltenen Positionsdaten, um einen abgeglichenen Übergang bei den von den Informationsmitteln empfangenen Positionsdaten, die von dem einen und dann von dem anderen Winkelpositionswandler über den ersten bzw. zweiten Bereich (126,130) geliefert werden, zu bewirken.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Winkelpositionswandler (70,72) einen drehverstellbaren Differentialtransformator ( 120) aufweist, der zwischen Rotor (22) und Stator (26) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Bereich von Winkelpositionen (126, 130) einander in Überlappungsbereichen (132) überlappen und jede vorgegebene Winkelposition (136) innerhalb eines der Überlappungsbereiche (132) liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Bereich von Winkelpositionen (126, 130) einander diametral gegenüberliegende Segmente umfassen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich jedes der diametral gegenüberliegenden Segmente über 120° erstreckt und die dreh verstellbaren Differentialtransformatoren (120) mit einem 90°-Winkelabstand um die Längsachse (24) angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Längspositionswandler (74), der auf relative Längspositionen von Rotor (22) und Stator (26) zur Lieferung von die Längsposition des Rotors relativ zum Stator betreffenden Positionsdaten anspricht, und durch eine Anzeigeeinrichtung (214), die mit dem Längspositionswandler zum Anzeigen der Rotorstellung in einer vorgegebenen Längsposition verbunden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (30) Querlagerflächen (49) aufweist, um den Rotor (22) in der vorgegebenen Längsposition zu plazieren, und dass die Anzeigeeinrichtung (214) die Längsabweichungen der Rotorposition von der vorgegebenen Längsposition anzeigt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Längspositionswandler (74) einen längsverstellbaren Differentialtransformator (212) enthält, der zwischen Rotor (22) und Stator (26) angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (30) ein Luftlager mit Querlagerflächen ist, um den Rotor (22) mittels eines Luftfilms an den Querlagerflächen (49) in der vorgegebenen Längsposition zu plazieren.

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