DD150941A1 - Vorrichtung zur vibrorheometrischen bestimmung rheologischer kennwerte - Google Patents

Abstract

Ziel der Aufgabe ist die Schaffung einer Vorrichtung, die durch spezielle technische Parameter die Leistungsfaehigkeit und Genauigkeit der Bestimmung rheologischer Kennwerte verbessert und sogenannte Endeffekte ausschaltet. Dies wird dadurch geloest, dasz in einem engen, sich in der Meszkammer befindenden Spalt mit einem Verhaeltnis der Laenge zur Weite von mindestens 50 ein in senkrechter Richtung beweglich angeordneter, an einem Weg-Kraft-Meszsystem, bestehend aus einer auswechselbaren Feder und vorzugsweise einem induktiven Wegaufnehmer, angebrachtem, ein Verhaeltnis der Querschnittsflaeche zum Umfang maximal den Wert 1 aufweisender Meszkoerper angeordnet ist und dasz an dem Vibrator die Meszkammer derart angebracht ist, dasz die Relativbewegung zwischen Meszkoerper und Meszkammer in senkrechter Richtung verlaeuft. Die Erfindung kann zur Ermittlung von Stoffdaten in der stoffwandelnden Industrie angewendet werden.

Description

Vorrichtung zur vibrorheometrischen Bestimmung rheоlogischer Kennwerte

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Vorrichtung bezieht sich auf die vibrorheometrische Bestimmung rheologischer Kennwerte fließfähiger und fester Stoffe. Diese werden zur Dimensionierung, Projektierung, Prozeßkontrolle und Steuerung Verfahrens- und verarbeitungstechnischer Prozesse der stoffwandelnden Industrie verwendet.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Das Bestimmen rheologischer Kennwerte fließfähiger und fester Stoffe mittels Vibrorheometrie basiert darauf, daß der zu untersuchende Stoff einer oszillierenden Viskosimeterströmung ausgesetzt wird. Es sind zahlreiche Vibrorheoiiieter bekannt, mit denen eine Probe des zu untersuchenden Stoffes gemessen werden kann.

Ein häufig angewendetes Vibrorheometer ist das Y.'eißenbergrheogoniometer. Bei diesem Gerät befindet sich der Stoff zwischen einem Kegel und einer Platte und wird einer Tor-Bionsoszillation ausgesetzt. Die dabei entstehende relativ große Oberfläche des zu untersuchenden Stoffes bewirkt durch die Oberflächenspannung erhebliche Meßfehler.

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Ein weiterer entscheidender Nachteil des Weißenbergrheogoniometers besteht in der ungünstigen Teinperierbarkeit der Meßorgane. Es ist z.B. nicht möglich, die Temperatur der Keßorgane in einer bestimmten Zeit definiert zu verändern. Außerdem bestehen Beschränkungen des Meßbereiches hinsichtlich hoher Frequenzen und großer Amplituden durch die Träghe it de r Me ß org ane .

Ein weiteres Vibrorheometer ist aus der US-PS 3474663 bekannt. Diese Vorrichtung besteht aus einem in dem zu untersuchenden Stoff hängendem Meßkörper und einem Elektromagnet, der den Meßkörper in Schwingungen versetzt. Der zu untersuchende Stoff befindet sich in einem Probegefäß. Die Geschwindigkeit des Meßkörpers beim Schwingen stellt ein Maß für die Viskosität des Stoffes dar. Auf Grund des großen Strömungswiderstandes des Meßkörpers kann sich keine Viskosimeterströmung ausbilden. Somit können rheologische Kennwerte nicht exakt bestimmt werden. Durch die Anordnung des Keßkörpers und dessen Schwingungen in Form von Pendelbewegungen wird ein relativ große Platzbedarf benötigt. Daraus ergeben sich die Nachteile einer großen Probenmenge des zu untersuchenden Stoffes und eines schlechten Wärmeüberganges bei Temperaturänderungen. Durch den ungünstigen Wärmeübergang bei auftretenden Temperaturanderungen lassen sich rheologische Kennwerte bei veränderlichen Temperaturen und insbesondere im Erstarrungsbereich nur mit hohem Aufwand bestimmen. In der DE-OS 2227 943 wird eine Vorrichtung zum Messen des Gerinnungszeitpunktes von insbesondere menschlichen Plasmas, bei dem ein in ein Probegefäß eintauchender Hilfskörper vorgesehen ist, vorgeschlagen. Außerdem ist eine, daß Probegefäß in Bewegung versetzende Antriebseinrichtung angebracht. Auch mit dieser Vorrichtung können keine rheometrischsn Kennwerte erhalten werden. Gleiche Nachteile v/eist die DE-OS 1623054 auf. Ziel dieser Verfahren ist lediglich die Ermittlung einer charakteristischen Temperatur durch die Messung integraler Fließeigenschaften.

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Ziel der Erfindung

Pas Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit der Bestimmung rheologischer Kennwerte verbessert wird.

Darlegung des Lesens der Erfindung

Die Dimensionierung, Projektierung, Prozeßkontrolle und Steuerung von insbesondere Strömungs- und Erstarrungsprozessen geschieht auf der Basis rheologischer Kennwerte, die aus Yiskosimeterströmungen gewonnen werden. Diese Ermittlung rheologischer Kennwerte für dynamische Prozesse erfordert u.a. den Einsatz von Vibrorheometern. Die bekannten Vibrorheometer simulieren auf Grund der Anordnung der Meßorgane sowie deren Geometrie nur ungenügend eine Viskosiiueterströmung. Es können keine rheolo.gischen Kennwerte, sondern nur integrale Meßwerte bestimmt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die durch spezielle technische Parameter die Strömungswiderstände, sogenannte Endeffekte, ausschaltet und die freie Oberfläche der Meßflüssigkeit minimiert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem engen, sich in der Keßkammer befindendem Spalt mit einem Verhältnis der Länge zur '.Veite von mindestens 50 ein in senkrechter Richtung beweglich angeordneter, an einem V/eg-Kraft-Keßsy stern, bestehend aus einer auswechselbaren Feder und vorzugsweise einem induktiven Wegaufnehmer, angebrachten, ein Verhältnis der Querschnittsfläche zum

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Umfang maximal den Wert 1 aufweisender Meßkörper angeordnet ist und daß an dem Vibrator die Meßkammer derart angebracht ist, daß die Relativbewegung zwischen Meßkörper und Meßkammer in senkrechter Richtung verläuft·

Um die Meßkammer des Probegefäßes ist eine Temperierkammer für sprungfb'rmig vorzunehmende Temperaturänderungen angeordne t·

Der Vibrator setzt das Probegefäß in Schwingungen, die vorzugsweise in einem Frequenzbereich unterhalb 100 Hz und einem Amplitudenbereich unterhalb 3 mm liegen· Die sich einstellenden periodischen Bewegungen des Meßkörpers und des Probegefäßes werden auf der Basis bekannter rheоlogischer Modelle als Signale in der Signalverarbeitungseinheit zu rheologischen Kenngrößen verarbeitet und in einer Registriereinheit aufgezeichnet. Die Signalverarbeitung erfolgt insbesondere in Form rheologischer Kenngrößen wie dynamische Viskosität und Schermadul als Punktion der Frequenz und/oder der Amplitude.

Durch die o.g. Ausführung des Spaltes sind die Bedingungen der Strömung des Stoffes im Spalt zwischen Probegefäß und Keßkörper so gestaltet, daß die Anforderungen an eine Viskosimeter strömung erfüllt sind. Die schlanke Form des in dem zu untersuchenden Stoff eintauchenden Meßkörpers ermöglicht einen geringen Strömungswiderstand bei der Bewegung· Durch die Anwendung enger Spalte zwischen Probegefäß und bleßkörper wird eine minimale freie Oberfläche der Meßflüssigkeit erreicht und es bildet sich zwischen Probegefäß und Meßkörper ein dünner Film des zu untersuchenden Stoffes aus, der über die großen Flächen des Probegefäßes in kurzer Zeit in seiner Temperatur verändert werden kann. Damit besteht die Möglichkeit, durch die o.g. Temperierkammer die Erstarrungskinetik bei unterschiedlichen Temperatur-Zeit-Verlaufen, insbesondere bei kurszeitigen Temperaturänderungen, su simulieren und das Erst arrungEverhalteη von Ließflüssigkeiten rheologisch su charakterisieren.

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Ausführung: sbe i spie 1

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung.

Der Vibrator 1 erzeugt über einen nicht dargestellten Motor und einen ebenfalls nicht dargestellten Exzenter mechanische Schwingungen, die direkt auf das Probegefäß 2 übertragen werden. Frequenz und Amplitude sind variabel einstellbar. Der Frequenzbereich liegt zwischen 0,001 und 50 Hz, der Amplitudenbereich zwischen 0,01 und 3 mm. Als Vibrator 1 können mechanische, elektrische, elektromechanische, elektromagnetische und andere Schwinger Verwendung finden.

Das Probegefäß 2 bildet die Keßkammer 4 und ist von der Temperierkammer 3 umgeben. In der Meßkammer 4 befindet sich der zu untersuchende Stoff 13, in die der Meßkörper 14 eintaucht. Der in Figur 1 dargestellte Meßkörper 14 ist eine Platte. Zur Zentrierung und reibungsfreien Lagerung des Meßkörpers 14 ist ein Luftlager 5 am oberen Teil des HeQ-körpers 14 angeordnet. Der ileßkörper 14 ist am Meßkopf 7 am Weg-Kraft-LIeßsystem gehaltert. Das Y/eg-Kraft-Keßsystem besteht aus einer ausv/echseibaren Blattfeder 6 und einem Induktiven Weg aufnehmer 8. ^e r induktive V/egauf nehmer 8 des bleßkopfes 7 und der nichtdargestellte Wegaufnehmer am Vibrator 1 sind durch Leitungen mit der Signalverarbeitungseinheit 9 verbunden. Diese ist mit der Registriereinheit verbunden. In der Signalverarbeitungseinheit 9 können vorzugsweise !.Mikroprozessoren eingesetzt werden. Der Meßkopf ist mit einer Halterung 11 fest verbunden. Probegefäß sowie Meßkopf 7 sind in Halterungen befestigt und können in diesen in ihrer Lage zueinander verschoben werden. Zur Messung der Temperaturen der lueß kammerwand 15 und in der Temperierkammer 3 sind die Thermoelemente 12 angeordnet.

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Ein nicht dargestelltes Temperiersystem ist mit der Temperierkammer 3 verbunden.

Figur 2 und 3 zeigen vorzugsweise verwendbare Querschnitte von Meßkörpern 14 und Meßkammern 4· In Figur 2 ist ein plattförmiger lueßkörper 14 in einer schlitzförmigen Keßkammer 4 dargestellt.

Pigur 3 zeigt eine Hohlzylindergeometrie eines Meßkörpers in einer zylindrischen Meßkammer 4.

Claims (1)

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   Erfindungsanspruch

   Vorrichtung zur vibrorheometriseheη Bestimmung rheologischer Kennwerte fließfähiger und fester Stoffe, bestehend aus Meßkammer, Meßkörper und Vibrator, gekennzeichnet dadurch, daß in einem engen, sich in der Heßkammer befindenden Spalt mit einem Verhältnis der Länge zur Weite von mindestens 50 ein in senkrechter Richtung beweglich angeordneter, an einem ',Yeg-Kraft-Meßsystem, bestehend aus einer auswechselbaren Feder und vorzugsweise einem induktiven Wegaufnehmer, angebrachtem, ein Verhältnis der Querschnittsfläche zum Umfang maximal den Wert 1 aufweisender Ließkörper angeordnet ist und daß an dem Vibrator die Meßkammer derart angebracht ist, daß die Relativbewegung zwischen Ließkörper und Meßkammer in senkrechter Richtung verläuft.

   Hierzu. ^.Selten Zeichnungen