DD267795A1 - Rotationsviskosimeter fuer die messung der dynamischen viskositaet von fluiden systemen, insbesondere in produktionsprozessen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotationsviskosimeter fuer die Messung der dynamischen Viskositaet von fluiden Systemen, insbesondere in Prozessen, mit einem kontinuierlich vom Fluid durchstroemten koaxialen Zylindermesssystem, bestehend aus ortsfestem Innen- und Aussenzylinder sowie dazwischen angeordnetem, ueber eine Dauermagnetkopplung beruehrungslos rotatorisch angetriebenen Hohlzylinder. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar fuer die kontinuierliche Viskositaetskontrolle und -regelung waehrend laufender Prozesse zwecks Erzeugung, Foerderung oder beim Verbrauch von fluiden Produkten mit hoher und gleichbleibender Qualitaet. Gemaess der Erfindung ist das koaxiale Zylindermesssystem infolge einer zwischen Ein- und Ausstroembereich anliegenden Druckdifferenz axial durchstroemt, wobei die Zylindermantelflaeche des Aussenzylinders im Einstroemungsbereich geschlossen und dessen der Einstroemseite zugewandte Stirnflaeche bodenlos ausgefuehrt ist, waehrend die Zylindermantelflaeche im Ausstroembereich radial wirksame Austrittsoeffnungen aufweist.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Rotationsviskosimeter für die Messung der dynamischen Viskosität von fluiden Systemen, insbesondere in Prozessen, mit einem koaxialen Zylindermeßsystem, bestehend aus ortsfestem Innenzylinder, über eine Dauermagnetkupplung berührungslos rotatorisch angetriebene Hohlzylinder und ortsfestem Außenzylinder, welches kontinuierlich vom Fluid durchströmt wird, wobei Außenzylinder und Hohlzylinder axial wirksame Einströmöffnungen aufweisen.

Die Erfindung ist als Prozeßviskosimeter insbesondere anwendbar für kontinuierliche Viskositätsmessungen und entsprechende Regelungen während laufender Prozesse zwecks Erzeugung von fluiden Produkten mit guter und gleichbleibender Qualität (Polymere, Fluide, Farben, Leime, Ölprodukte u. ä.) bzw. zwecks Einstellung bestimmter technologisch geforderter Fluideigenschaften (z. B. bei der Verarbeitung, Förderung oder beim Verbrauch solcher Produkte), aber auch als Laborviskosimeter anwendbar, wenn das Viskosimeter aus anderen Gründen, z. B. bei Viskositätsmessungen an zur Entmischung neigenden dispersen Systemen (Suspensionen, Emulsionen), kontinuierlich durchströmt werden muß.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Im Rahmender Automatisierung von Prozessen, bei denen Fluide erzeugt, gefördert, verarbeitet oder verbraucht werden, und im Zusammenhang mit bestimmten Forderungen, die an Fluidviskosität im Prozeß oder an die Qualität der erzeugten Produkte gerichtet werden, gewinnt die Prozeßviskosimetrie weiter an Bedeutung. Notwendigerweise müssen die Prozeßviskosimeter den ständig wachsenden Ansprüchen angepaßt sein. Es werden deutlich höhere Anforderungen an die Meßgenauigkeit der Geräte und die.Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse gestellt. Bei vielen Prozessen kommt es auf geringe Zeitkonstanten der Meß- und Regeleinrichtungen an. Die Vielfalt der Einsatzbedingungen für die Prozeßviskosimeter (unterschiedliche Fluidklassen, unterschiedliche Schergeschwindigkeits-,Temperatur- und Druckbereiche, verschiedene Einbaubedingungen u.a.) vergrößert sich.

Bei Fließvorgängen, bei denen die Größe der Abweichung des pseudoplastischen oder dilatanten Verhaltens der realen Fluide vom Newtonschen Fließverhalten prozeßbestimmend ist, genügen Einpunktmessungen der Viskosität nicht fnehr, um den Stoff zu charakterisieren und den Prozeß zu regeln. Es müssen mehrere Punkte der Viskositätskurve vermessen werden. Natürlich müssen die Meßsysteme auch unter diesen anspruchsvolleren Bedingungen zuverlässig und störungsfrei arbeiten, sie sollen robust und wartungsarm sein.

Für Prozeßviskosimeter werden häufig klassische Viskositätsmeßprinzipien, wie beispielsweise das Kapillarprinzip oder das Rotationsprinzip, genutzt. In jedem Falle ist es notwendig, den aktuellen Fluidzustand zu bestimmen. Das heißt, die Fluidprobe

im Meßsystem muß aktuell ausgetauscht werden, daß Meßsystem muß auch bei Nutzung des Rotationsprinzips kontinuierlich oder in kurzen Zeitabständen diskontinuierlich durchströmt werden.

Gemäß DD-PS 241 646 ist ein Verfahren zur Theologischen Prozeßkontrolle mit einem Durchflußrotationsviskosimeter für die Lebensmittel- und chemische Industrie bekannt. Dabei wird das Fluid in den Ringspalt des Viskosimeters geleitet, bis ein bestimmter Füllstand erreicht ist, sodann der Zulauf unterbrochen, das Fluid temperiert, mehrere Meßvorgänge ausgeführt und anschließend das Fluid aus dem Ringspalt abgeleitet. Bei dem Viskosimeter handelt es sich um ein solches mit Zylindermeßsystem, welches über einen Bypaß und einen Dreiweghahn dem Hauptkanal zum Transport des bearbeiteten Fluids parallel geschaltet ist. Damit wird das Viskosimeter nicht vom zu messenden Fluid durchströmt, sondern es wird in bestimmten, durch die Dauer des Füll-, Temperier-, Meß- und Entleervorgangs festgelegten Zeitabständen (punktweise) ein Meßwert genommen und damit mit relativ großer Zeitverzögerung und ungenau der Prozeß beeinflußt.

Aus DE-AS 2601487 ist ein Viskosimeter mit einem Zylindermeßsystem bekannt, bei dem der Innenzylinder mit einembestimmten Profil versehen ist, so daß bei dessen Drehbewegung eine axiale Förderung der im Ringspalt befindlichen Meßsubstanz bewirkt wird. Das Profil besteht aus Nuten, z. B. einer schneckenförmigen Nut auf der Mantelfläche des Innenzylinders.

Bei Anwendung dieses bekannten Viskosimeters wirkt das — profilierte — Zylindermeßsystem als axial fördernde Pumpe; d.h., bei der Drehmomentmessung wird das Pumpenmoment mit erfaßt, was zu einer Verfälschung der Meßwerte führt. Weiterhin verursacht die Profilierung des Innen- (oder auch des Außen-)zylinders einer Störung der Couette-Strömung im Ringspalt mit einer weiteren Meßwertverfälschung.

Die angestrebte geringe axiale Strömungsgeschwindigkeit bedingt einen sehr langsamen Fluidaustausch des Meßsystems und damit eine relativ große Zeitkonstante des Systems. Außerdem ist demgemäß das Viskosimeter nur für die Messung höherviskoser Fluide einsetzbar.

Es ist weiterhin ein Prozeßviskosimeter bekannt (Firmendruckschrift „Gerätesystem Prozeßviskosimeter", VEB MLW Prüfgerätewerk Medingen, DDR, Druckzeichen: 111-25-16 460673 2 Ag 40-47-I-8I2), welches der kontinuierlichen Viskositätsmessung und -regelung in Produktionsprozessen dient.

Das Gerät enthält ein koaxiales Zylindermeßsystem, welches aus einem ortsfesten Innenzylinder, einem über eine Dauermagnetkupplung berührungslos rotatorisch angetriebenen Hohlzylinder und einem ortsfesten Außenzylinder besteht.

Dieses Zylindermeßsystem wird von dem zu messenden Fluid quer durchströmt, wobei der Austauschmassenstrom entsprechend den Einbauverhältnissen durch im Außenzylinder angeordnete Schlitze bei Rotation des Hohlzylinders bewirkt wird.

Ein analog aufgebautes Prozeßviskosimeter ist in der Firmendruckschrift „Haake Thermostate — Das Programm 83/84", Abschnitt „Prozeßviskosimeter VC 4", beschrieben, wobei das Zylindermeßsystem zusätzlich im Außenzylinder und im Hohlzylinderrotor axial wirksame Einströmöffnungen aufweist.

Diese bekannten Prozeßviskosimeter können in Behälter, Rohrleitungen oder Bypässe ohne wesentliche Beeinflussung des Produktionsprozesses eingebaut werden, wodurch bei geringster zeitlicher Verzögerung aktuelle Meßwerte erhältlich sind.

Jedoch sind die spezielle Konstruktion und dadurch bedingte Strömungsverhältnisse bei querer Durchströmung ursächlich für eine Reihe von Fehlern, welche das Meßergebnis negativ beeinflussen.

Zylindermeßsysteme mit geschlitztem Außenzylinder realisieren ein weder homogenes noch in Umfangsrichtung gleichbleibende Scherfeld. Sie werden aufgrund einer zwischen beiden radial gegenüberliegenden Schlitzen anliegenden Druckdifferenz und aufgrund der Wirkung des Meßsystems als Pumpe durchströmt, wobei die Größe dieses Austauschmässenstroms unbekannt ist. Sie ist abhängig von den Einbau-und Betriebsbedingungen, d.h. u.a. von der Rotorwinkelgeschwindigkeit, der Viskosität und der Temperatur des Fluids. Die Größe des Austauschmassenstroms wiederum geht in die Größe weiterer Fehler ein, so daß deren Größe zwecks Korrektur kaum ermittelbar ist !Thermische Fehler, verursacht durch dissipative Wärmeproduktion infolge Eintrags mechanischer Arbeit bei höheren Antriebsleistungen, bedingen eine zeitliche Änderung der Temperatur im Scherspalt, mit entsprechender Beeinflussung der Viskosität. Auch das Pumpenmoment ist vom Austauschmassenstrom abhängig und verfälscht die Meßergebnisse. Hinzu kommt bei nicht linearviskosen Fluiden ein Fehler infolge einer unsymmetrischen Druck-Schlepp-Strömung im Meßspalt, wenn an beiden gegenüberliegenden Schlitzen des Außenzylinders eine austauschwirksame Druckdifferenz anliegt.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, ein durchströmtes Rotationsviskosimeter anzugeben, welches bei äußerst geringer Zeitkonstante weitgehend fehlerfreie Meßergebnisse liefert bzw. wobei ein verbleibender Fehleranteil exakt bestimmbar ist, so daß das Meßergebnis korrigierbar ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rotationsviskosimeter für die Messung der dynamischen Viskosität von fluiden Systemen, insbesondere in Prozessen, mit einem koaxialen Zylindermeßsystem, bestehend aus ortsfestem Innenzylinder, über eine Dauermagnetkupplung berührungslos rotatorisch angetriebenem Hohlzylinder und ortsfestem Außenzylinder, welches kontinuierlich vom Fluid durchströmt wird, wobei Außenzylinder und Hohlzylinder axial wirksame Einströmungsöffnungen aufweisen, zu schaffen, wobei eine axiale Durchströmung bei Vermeidung einer Pumpenwirkung durch die Elemente des koaxialen Zylindermeßsystems erreichbar ist.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß das koaxiale Zylindermeßsystem durch Nutzung einer zwischen einem Einström- und einem Ausströmbereich anliegenden Druckdifferenz axial durchströmt ist, wobei die Zylindermantelfläche des ortsfesten Außenzylinders im Einströmbereich geschlossen und dessen der Einströmseite zugewandte Stirnseite bodenlos ausgeführt ist, wobei die Zylindermantelfläche im Ausströmbereich radial wirksame Austrittsöffnungen aufweist.

Dabei ist es zweckmäßig, daß in der—an sich bodenlosen — Stirnseite des ortsfesten Außenzylinders ein Lagerschild für die Lagerung des Hohlzylinders angeordnet ist.

Vorteilhaft ist der Hohlzylinder als zum Ausströmbereich einseitig offener Doppelhohlzylinder ausgeführt, in dessen Doppelzylinderwand Kupplungsmagnete angeordnet sind, und dessen dem Einströmungsbereich zugewandte Stirnfläche sowohl in dem Innenzylinder als auch in der Doppelzylinderwand zugewandten Bereich axial wirksame Einströmungsöffnungen aufweist.

In einer anderen Variante weist der Hohlzylinder einen allseitig geschlossenen ringförmigen Hohlraum für die Aufnahme der Kupplungsmagnete auf, der ggf. mit einem wärmedämmenden Material ausgefüllt ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind im Einström- und/oder im Ausströmungsbereich einstellbare Drosselvorrichtungen vorgesehen, wodurch der Massenstrom durch das Zylindermeßsystem so einstellbar ist, daß er für die jeweilige Meßaufgabe zu optimalen Einsatzbedingungen führt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der zugehörigen Zeichung zeigen

Fig. 1: einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Rotationsviskosimeter und Fig. 2: den Querschnitt längs der Linie H-Il in Fig. 1.

Das Rotationsviskosimeter enthält ein koaxiales Zylindermeßsystem 1, welches aus einem ortsfesten Außenzylinder 2, einem drehbaren Hohlzylinder 3 und einem ortsfesten Innenzylinder 4 besteht. Zwischen den glatten Zylindermantelflächen des koaxialen Zylindermeßsystems 1 bildet sich somit ein innerer Meßspalt 5 und ein äußerer Meßspalt 6 aus.

Der ortsfeste Außenzylinder 2 ist Teil eines Flansches 2.1, der befestigt ist in einem Winkelstück 7 eines Rohres, durch welches das Fluid strömt, dessen Viskosität kontinuierlich gemessen werden soll. In das Winkelstück 7 strömtdas Fluid in Richtung des Pfeiles 8 ein und in Richtung des Pfeiles 9 aus, wobei eine Druckdifferenz für diese Strömung ursächlich ist.

Durch die Richtung der Strömung sei ein Einströmbereich 10 und ein Ausströmbereich 11 des Zylindermeßsystems 1 definiert.

Im Einströmbereich 10 ist der Außenzylinder 2 offen, d. h. ohne Boden ausgeführt. Außerdem ist seine Zylindermantelfläche dort geschlossen. Dagegen weist die Zylindermantelfläche des Außenzylinders 2 im Ausströmbereich 11 radial wirksame Austrittsöffnungen 12 auf.

In der— an sich bodenlosen — Stirnseite des Außenzylinders 2 ist über nicht gezeichnete, die Strömung kaum beeinflussende Speichen ein Lagerschild 13 für die Lagerung des Hohlzylinders 3 mittels eines ersten Achsschenkels 16 befestigt. Dieser Hohlzylinder 3 ist als Doppelhohlzylinder ausgeführt, d.h. er enthält eine Doppelzylinderwand 3.1, die in Richtung des Ausströmbereiches 11 offen ist. In dem dadurch gebildeten Hohlraum sind zylinderförmige Kupplungsmagnete 14 angeordnet.

Die dem Einströmbereich 10 zugewandte Stirnfläche des Hohlzylinders 3 weist axial wirksame Einströmöffnungen 15 auf, welches sowohl in den Hohlraum der Doppelzylinderwand 3.1 als auch im Bereich des Innenzylinders 4 münden.

Über einem zweiten Achsschenkel 17 ist der Hohlzylinder 3 am Innenzylinder 4 gelagert. Dieser ist ortsfest befestigt und hohl ausgeführt. Er nimmt eine Antriebswelle 18 auf, die an ihrem vorderen Ende (in gleicher radialer Ebene wie die Kupplungsmagnete 14) eine Dauermagnetkupplung 19trägt. Die Antriebswelle 18 ist mit einem elektrischen Antriebsmotor (nicht gezeichnet), der eine Antriebsdrehbewegung mit hoher Drehzahlkonstanz liefert, sowie mit einer nicht gezeichneten Drehmomentmeßeinrichtung verbunden.

Die Wirkungsweise ist wie folgt:

Das in Richtung des Pfeiles 8 unter Wirkung einer Druckdifferenz einzuströmende Fluid durchströmt das koaxiale Zylindermeßsystem 1 in axialer Richtung. Dabei gelangt das Fluid sowohl zum äußeren Meßspalt 6 als auch, infolge Wirkung der Einströmöffnungen 15, zum inneren Meßspalt 5, wobei die Durchströmung des Hohlraumes 3 in Verbindung mit den dünnen, auch von außen umströmten Wänden des Außenzylinders 2 bei Temperaturänderungen zu einer Minimierung thermischer Beeinflussungen und damit auch zu kleinen Zeitkonstanten führt.

Infolge der Drehbewegung des Hohlzylinders 3, der berührungslos von der Antriebswelle 18 über die Dauermagnetkupplung 19 und die Kupplungsmagnete 14 angetrieben wird, wird das Fluid im inneren Meßspalt 5 und im äußeren Meßspalt 6 geschert, wobei das gemessene Drehmoment ein Maß für die Scherspannung und damit für die Viskosität darstellt.

Durch diese erfindungsgemäße Gestaltung des Rotationsviskosimeters ist bei einer äußerst geringen thermischen Trägheit die Beeinflussung des Meßergebnisses durch Störungen der Couette-Strömung, durch ein zusätzliches Pumpenmoment, bzw. durch eine unsymmetrische Druck-Schlepp-Strömung vermieden. Ein wegen der Gültigkeit des Satzes von der Drehimpulserhaltung auftretendes mechanisches Zusatzmoment, welches von der konkreten Geometrie des Zylindermeßsystems 1, von der Antriebsdrehzahl, der Größe des das Zylindermeßsystem 1 durchströmenden Austauschmassestroms und der Dichte des Fluids abhängig ist und das gemessene Drehmoment in jedem Fall vergrößert, läßt sich exakt berechnen und als Korrekturgröße verwenden. Das gleiche gilt auch für die thermische Beeinflussung durch Dissipation oder durch Thermostatisierungsfehler.

In einer Variante zum vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel (nicht gezeichnet) weist der Hohlzylinder 3 einen allseitig geschlossenen Hohlraum auf. In diesem sind die Kupplungsmagnete 14 angeordnet. Außerdem ist der Hohlraum mit einem wärmedämmenden Material ausgeschäumt, um eine geringe thermische Trägheit zu erreichen.

Weiterhin können im Einströmbereich 10 und/oder im Ausström bereich 11 nicht dargestellte Drosselvorrichtungen vorgesehen sein, wodurch der Austauschmassenstrom durch das koaxiale Zylindermeßsystem so einstellbar ist, daß er für die jeweilige Meßaufgabe zu optimalen Einsatzbedingungen führt.

Claims (5)

1. Rotationsviskosimeter für die Messung der dynamischen Viskosität von fluiden Systemen, insbesondere in Prozessen, mit einem koaxialen Zylindermeßsystem, bestehend aus ortsfestem Innenzylinder, über eine Dauermagnetkupplung berührungslos rotatorisch angetriebenem Hohlzylinder und ortsfestem Außenzylinder, wobei Außenzylinder und Hohlzylinder axial wirksame Einströmöffnungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das koaxiale Zylindermeßsystem (1) durch Nutzung einer zwischen einem Einströmbereich (10) und einem Ausströmbereich (11) anliegenden Druckdifferenz axial durchströmt ist, wobei die Zylindermantelfläche des ortsfesten Außenzylinders (2) im Einströmbereich (10) geschlossen und dessen der Einströmseitezugewandte Stirnseite bodenlos ausgeführt ist, während die Zylinderfläche im Ausströmbereich (11) radial wirksame Austrittsöffnungen (12) aufweist.

2. Rotationsviskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der—an sich bodenlosen — Stirnseite des ortsfesten Außenzylinders (2) ein Lagerschild (13) für die Lagerung des Hohlzylinders (3) angeordnet ist.

3. Rotationsviskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (3) als zum Ausströmbereich (11) einseitig offener Doppelhohlzylinder ausgeführt ist, in dessen Doppelzylinderwand (3.1) Kupplungsmagnete (14) angeordnet sind, und dessen dem Einströmungsbereich (10) zugewandte Stirnfläche sowohl im dem Innenzylinder (4) als auch im der Doppelzylinderwand (3.1) zugewandten Bereich axial wirksame Einströmöffnungen aufweist.

4. Rotationsviskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (3) einen allseitig geschlossenen ringförmigen Hohlraum für die Aufnahme der Kupplungsmagnete (14) aufweist, der ggf. mit einem wärmedämmenden Material ausgefüllt ist.

5. Rotationsviskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Einströmbereich (10) und/oder im Ausströmbereich (11) einstellbare Drosselvorrichtungen vorgesehen sind, wodurch der Massenstrom durch das Zylindermeßsystem (1) so einstellbar ist, daß er für die jeweilige Meßaufgabe zu optimalen Einsatzbedingungen führt.