DD301492A7 - Verfahren und vorrichtung zur rotationsviskosimetrischen messung im bereich kleiner schubspannungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rotationsviskosimetrischen Messung im Bereich kleiner Schubspannungen, vorzugsweise zur Messung der Viskosität von Glas, bei Verwendung eines Rotationsviskosimeters mit großem Scherspalt. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur rotationsviskosimetrischen Messung zu entwickeln, das durch Regelung bestimmter Meßgrößen und Beseitigung interner Reibungsmomente bestimmter Geräteteile eine hohe Meßempfindlichkeit gewährleistet. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß durch Vorgabe eines optimalen Verdrehwinkels des elastischen Elements zwischen Antriebsorgan und Rotationskörper über die Schrittfolgefrequenz des Antriebsorgans durch Regelung ein Arbeitspunkt im empfindlichsten Bereich des Drehmomentensensors eingehalten wird, wobei als Meßsignal die Phasenverschiebung zwischen zugeordneten Impulsen des Antriebsorgans und eines Drehmomentensensors dient und zur Gewinnung der Regelgröße über eine oder mehrere volle Umdrehungen integriert wird. Figur 1 zeigt die Schnittdarstellung eines Viskosimeters zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.{Viskosität; Rotationsviskosimeter; Verfahren; Kompensation; Empfindlichkeit}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein rotationsviskosimetrisches Verfahren zur Messung im Bereich kleiner Schubspannungen für Anwendungsfälle, bei denen die Matarialspezifik bzw. die Meßbedingungen einen großen Scherspalt erfordern, vorzugsweise für Glas.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bisher bekannte rotationsviskosimetrische Meßverfahren beruhen meist darauf, daß der entsprechende Rotationskörper mit konstanter Drehzahl in der Meßsubstanz bewegt und das resultierende Bremsmoment bestimmt wird. Die Anpassung der Drehzahl an verschiedene Meßbereiche kann dabei in mehreren Stufen erfolgen Bekannte Beispiele für diese Gruppe von Viskosimetern sind:

- Viskosimeter der „Rheotesf'-Baureihe entsprechend Prospektmaterial

- Rotationsviskosimeter nach der DD-PS 216103

- Rotationsviskosimeter nach der US-PS 4484468.

Bei den in diesen und anderen Anordnungen verwirklichten Verfahren ist von Nachteil, daß eine unmittelbare Anpassung (Rbgelung) der Betriebsbedingungen an die Meßerfordernisse nicht möglich ist oder nicht gemacht wird.

Darüber hinaus sind Verfahren bekannt, bei denen mit Hilfe verschiedenartiger Anordnungen eine solche Regelung der Betriebsparameter erfolgt.

So wird im Patent EP 0225966 ein Verfahren beschrieben, bei dem mit Hilfe eines zweiten Antriebes ein Kompensationsmoment erzeugt wird, welches in seiner Größe dem Bremsmoment entspricht. Die Regelung des Meßablaufes erfolgt über die Drehzahl des ersten Antriebs.

Nachteilig im hierbei vorgestellten Aufbau ist die Notwendigkeit eines zweiten Antriebss. Störungen des Bremsmomentes beim Rügelprozeß durch ein reibungsbehaftetes Radiallager werden in Kauf genommen. In einer anderen Betriebsart entfällt dieses Radiallager. Damit ist jedoch die Gefahr eines unrunden Laufs des Rotationskörpers verbunden, was ebenfalls Bremsmomentstorun-jen verursachen kann.

Im Patent DE 3423873 werdon Störungen durch die Radiallagerung des Rotationskörpers vor der eigentlichen Messung separat bestimmt und dann bei der Messung berücksichtigt. Unsicherheiten boi der Bestimmung der Reibung bzw. Schwankungen der Reibung selbst wirken fehlervergrößernd auf das Meßergebnis. Magnetlager werden in diesem Zusammenhang zwar genannt, aber dor Vorteil, daß das Integral des Störmomentos über eine Umdrehung verschwindet, bei der Auswertung nicht genutzt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden an dio verwendete Vorrichtung bestimmte Forderungen gestellt, denen dr<· '"isher bekannten technischen Lösungen nicht genügend gerecht werden.

Bekannte technische Lösungen für Rotationsviskosimeter lassen sich entsprechend ihrer Empfindlichkeit in zwei Gruppen einordnen:

- Viskosimeter, bei denen das zu messende Moment viel größer als intern auftretende Reibmomente ist,

- Viskosimeter, bei denen aufgrund besonderer Maßnahmen interne Reibmomente weitgehend vermieden werden.

Die erste Gruppe, die durch eine Vielzahl kommerziell angebotener Gerätetypen vertreten wird, finest bei solchen Meßaufgaben Anwendung, bei denen entweder das zu untersuchende Medium eine hohe Viskosität besitzt oder durch einen engen Scherspalt bzw. eine hohe Schergeschwindigkeit auch für niedrigviskose Medien genügend hohe Momente am Rotationskörper erzeugt werden können. Dadurch ist man in der Lage, intern auftretende Reibmomente (Lagerreibung) vernachlässigbar klein zu halten. Die Art der Lagerung (z. B. Wälzlager) garantiert andererseits die exakte geometrische Zuordnung der am Schervorgang beteiligten Gerätekomponenten (Becher, Rührer bzw. Kegel, Platte). Als bekannte Ausführungen sind die Viskosimeter der „Rheotest"-Reihe zu nennen.

Für spezielle Anwendungsfälle sind die Geräte der zweiten Gruppe bestimmt. Kann aus bestimmten Gründen nur mit geringer Drehzahl oder mit größerem Scherspalt an niedrigviskosen Medien gemessen werden, so muß die Empfindlichkeit der Momentenmessung gsteigert werden. Dies schließt die Anwendung reibungsbehafteter Übertragungselemente aus. In der DD-PS 221 276 wird beispielsweise eine auf der Nutzung magnetischer Kraft beruhende reibungsfreie Lagerung beschrieben, die insbesondere für die Anwendung in Rotationsviskosimetern entwickelt wurde.

Das Patent DD 216103 beschreibt ein Rotationsviskosimeter zur Messung im Bereich kleiner Schubspannungen, das gleichfalls einen Torsionsdraht zur reibungsfreien Lagerung des Rotationskörpers und zur Erzeugung des Rückstellmomentes benutzt. Allerdings ist die Anordnung nicht für die Viskositätsmessung an Glas entwickelt worden, so daß sie für diesen Anwendungsfall entscheidende Nachteile besitzt: Das Meiigut kommt in unmittelbaren Kontakt mit thermisch nicht hoch belastbaren Teilen der Meßeinrichtung. Es läßt sich aus dem Meßraum nicht auf einfache Weise wieder entfernen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur rotationsviskosimetrischen Messung im Bereich kleiner Schubspannungen zu schaffen, das die Mangel der bisher bekannten Meßverfahren und Rotationsviskosimeter mit großem Scherspalt vermeidet und einen störungsfreien, automatisierten Meßablauf sowie eine hohe Sicherheit der Meßergebnisse zur Überwachung technologischer Prozesse gewährleistet.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur rotationsviskosimetrischen Messung im Bereich kleiner Schubspannungen, vorzugsweise zur Messung der Viskosität von Glas, zu entwickeln, bei dem durch definierte Regelung bestimmter Para neter bei niedriger Drehzahl eine hohe Meßempfindlichkeit und Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse erreicht werden soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabt dadurch gelöst, daß ein bestimmter Verdrehwinkul des elastischen Elementes zwischen Antriebsorgan und Rotationskörper vorgegeben wird, Impulse des Antr'ebsorgans Impulsen eines Drehmomentensensors zugeordnet werden, aus der zeitlichen Abfolge dieser Impulse der aktuolle Verdrehwinkel des elastischen Elementes bes Jrnmt wirr!, aus dessen Differenz zum vorgegebenen Verdrehwinkel eine Regelgröße abgeleitet wird, welche die Regelung der Schrittfolgefrequenz so gestattet, daß ein Arbeitspunkt im empfindlichsten Bereich des Drehmomentensensors eingehalten und die Differenz zwischen vorgegebenem und aktuellem Verdrehwinkel minimiert wird. Aus der dann erreichten Schrittfolgefrequenz, dem aktuellen Verdrehwinkel und geometrischen Kenngrößen der Anordnung wird die Viskosität bestimmt. Erfindungsgemäß liegt der vorgegebene Verdrehwinkel des elastischen Elementes im Bereich zwischen maximaler Verdrehung des elastischen Elementes zur Erzielung einer hohen Winkelauflösung und hysteresefreier Rückstellung. Erfindungsgemäß werden darüber hinaus die bei der Bestimmung des aktuellen Verdrehwinkels auftretenden Ungleichmäßigkeiten in der Bewegung des Rotationskörpers durch Integration über volle Umdrehungen eliminiert. Der Vorteil des Verfahrens besteht in der Möglichkeit, die Empfindlichkeit der Viskositätsmessung durch Optimierung der Betriebsparameter zu erhöhen, wenn die Meßbedingungen einen großen Scherspalt erfordern und damit die auswertbaren Momente sehr klein werden, wie dies z. B. bei der Untersuchung von Glas der Fall ist. Dies ermöglicht eine gezieltere Rückwirkung auf die zu überwachenden Prozesse.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gestattet, trotz eines vereinfachton Aufbaus der Meßeinrichtung, die Meßempfindlichkeit und die Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse zu erhöhen.

Ausführungsbeispiel

Die Anwendung des Verfahrens soll anhand eines Beispiels eines Viskosimeter in folgender Ausführungsform erläutert werden

Fig. 1: zeigt einen Längsschnitt des Viskosimeters.

Zentrales Funktionselement ist ein Torsionsdraht 1, der an seinem oberen Ende durch ein Wälzlager 2 axial und radial gehaltert und gleichzeitig mit dem Antriebsorgan, vorzugsweise einem Schrittmotor 3, starr gekoppelt ist. Das Wälzlager 2 kann mit der Lagerung des Motors 3 identisch sein. Lager 2 und Motor 3 sind mit dem Gestell 4 des Viskosimeters verbunden. Am unteren Ende des für die Messung wirksamen Teils des Torsionsdrahtes 1 sind angeordnet:

- eine Scheibe 5, die für die berührungslose Abtastung der Rotationsbewegung geeignete Markierungen trägt,

- ein zylindrischer Permanentmagnet 6, der in Verbindung mit dem entgegengesetzt gepolten, konzentrisch angeordneten, gestellfesten, ringförmigen Permanentmagneten 7 die reibungsfreie radiale Stabilisierung des unteren Endes des Torsionsdrahtes 1 realisiert,

- der Rotationskörper 8.

Am Gestell 4 ist ein fotoelektrischer Sensor 9 so montiert, daß mit seiner Hilfe aus der Schrittfolgefrequenz des Motors 3 und der Impulsfolge, erzeugt durch die Teile 5 und 9, die erforderlichen elektrischen Signale zur Messung und Regelung abgeleitet werden.

Erläuterung des Verfahrens am Ausführungsbeispiel:

Das Antriebsorgan 3 (Schrittmotor) vordreht das obere Ende des Torsionsdrahtes 1. Wegen der Hemmung des Rotationskörpers 8 durch die auszumessende Flüssigkeit bleibt der Rotationskörper 8 in seiner Verdrehung gegenüber dem Antrieb 3 zurück und verdrillt den Torsionsdraht 1. Die Verdrehungsdifferenz dieser beiden genannten Verdrehungen wird als aktuelle Relatiwerdrehung bezeichnet. Für die Differenzbildung ist die Kenntnis der Verdrehungen des Schrittmotors 3 und des Rotationskörpers 8 erforderlich. Die Verdrehung des Schrittmotors 3 wird über Impulszählungen der Motorschrittimpulse und die Verdrehung des Rotationskörpers 8 über Sensorimpulszählungen bestimmt.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein relativer Verdrehwinkel vorgegeben und die Differenz dieses Winkels zur gemessenen aktuellen Relativverdrehung minimiert (Kompensation). Die Minimierung wird je nach Vorzeichen der Differenz durch Veränderung der Motorschrittfolgefrequenz erreich':. Bei Erreichen der Minimierung löst jeder neue Sensorimpuls einen Motorschritt aus, wodurch sich jegliche aufwendige Regelung erübrigt.

Bei Anwendung des Verfahrens ist der Torsionsdraht wehestmöglich zu verdrillen. Hierbei tritt der größtmögliche aktuelle Verdrehwinkel auf. Die Auswirkungen von Winkelfehlern 'verursacht durch die endliche Winkelauflösung des Sensors sowie die Unsicherheit des aktuellen Verdrehwinkels wegen des unstetigen Antriebs bei stetiger Folge des Rotationskörpers) werden bei großen aktuellen Verdrehwinkeln minimiert. Damit werden die Messungen des Bremsmomentes und damit der Viskosität immer im Bereich maximaler Meßgenauigkeit durchgeführt. Gemessen werden die Zeiten für eine volle Umdrehung des Rotationskörpers. Ungleichmäßigkeiten, verursacht durch Potentialkräfte, haben dann beim Vorliegen Newtonscher Flüssigkeiten keinen Einfluß auf das Integral des Bremsmomentes über eine Umdrehung.

Claims (3)

1. Verfahren zur rotationsviskosimetrischen Messung im Bereich kleiner Schubspannungen, vorzugsweise zur Messung der Viskosität von Glas, bei dem ein Rotationskörper durch ein Antriebsorgan über ein elastisches Element in einer Meßsubstanz bewegt und seine Relativverdrehung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein bestimmter Verdrehwinkel des elastischen Elementes zwischen Antriebsorgan und Rotationskörper vorgegeben wird, Impulse des Antriebsorgans Impulsen eines Drehmomentensensors zugeordnet werden, aus der zeitlichen Abfolge dieser Impulse der aktuelle Verdrehwinkel des elastischen Elementes bestimmt wird, aus dessen Differenz zum vorgegebenen Verdrehwinkel eine Regelgröße für die Regelung der Schrittfolgefrequenz des Antriebsorgans so abgeleitet wird, daß ein Arbeitspunkt im empfindlichsten Bereich des Drehmomentensensors eingehalten und die Differenz zwischen vorgegebenem und aktuellem Verdrehwinkel minimiert wird und daß aus der erreichten Schrittfolgefrequenz des Antriebsorgans, dem aktuellen Verdrehwinkel und den geometrischen Kenngrößen dar Anordnung die Viskosität der Meßsubstanz bestimmt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des vorgegebenen Verdrehwinkels des elastischen Elementes bei dessen maximaler Verdrehung im Bereich einer hohen Winkelauflösung des Drehmomentensensors und einer hysteresefreien Rückstellung des elastischen Elementes vorgegeben wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestimmung des aktuellen Verdrehwinkels auftretende Ungleichmäßigkeiten in der Bewegung des Rotationskörpers durch Integration übervolle Umdrehungen eliminiert werden.