DE2021973A1 - In gefaehrlicher Umgebung arbeitendes abgedichtetes Viskosimeter - Google Patents

Description

In gefährlicher Umgebung arbeitendes abgedichtetes

Viskosimeter

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Messen der Viskosität von Fluiden oder Suspensionen, die gefährlich sein ■■-können, und zwar in einer Umgebung, die selbst gefährlich sein kann»

Das auf der zweiten Konferenz; über Plutonium vorgestellte Viskosimeter von LoJ» WITTENBERG, L»V» JOFES und Do 0I¹TE (Grenoble, 19»-20_β April 196 0, Bericht mit dem Titel "Properties of plutonium-based fuels") ist dasj enige ₉ welches den Bedingungen am nächsten kommt, die erforderlich sind, um den mit den vorstehend definierten Messbedingungen verbundenen Anforderungen gerecht zu werdeno Es ist ein Viskosimeter mit drehschwingendem Behälter, bei welchem der die Flüssigkeit, deren Viskosität gemessen werden soll, enthaltende zylindrische Behälter an einem Torsionsdraht aufgehängt ist* Die Dämpfung der normalen Schwingungen des so hergestellten Torsionspendels infolge der Bremsung durch die enthaltene Flüssigkeit ist eine Funktion der Viskosität dieser Flüssigkeit» FoIglioh liefert diese Dämpfung ein Mass

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der Viskosität« Der Behälter kann in einen Ofen eingebracht werden in. der Weise, dass das Messen der Viskosität von Flüssigkeiten bei hohen Temperaturen möglich ist©

Das vorerwähnte Viskosimeter ermöglicht effektiv das Messen der Viskosität von Flüssigkeiten, die gefährlich sein können, wie beispielsweise die eutektische Plutonium-Bisen-Legierung, jedoch hat es zahlreiche Mangel und Nachteile» Von diesen Mangeln ist hervorzuheben, dass das Schwingungssystem, vorzugsweise im Vakuum und auf jeden Fall in einem die Schwingbewegungen des Behälters nicht störenden Aussenmilieu arbeiten muss» Ausserdem ist es zur Verwendung in gefährlichen oder besonderen Umgebungen,, wie beispielsweise im Kern eines Kernreaktors oder in. Kammern, deren Inneres sehr rauhen physikalischen und/oder chemischen Bedingungen ausgesetzt ist, nicht geeignet«

Auf Grund der Unmöglichkeit,· in ihm eine in dem Behälter eingeschlossene und ihn völlig ausfüllende Rührvorrichtung für das Fluid anzubringen, ist es zum Messen der Viskosität von Suspensionen ebenfalls nicht geeignet·

Die Ausnutzung der Veränderung der Dämpfung der Schwingungen als Funktion der Viskosität des enthaltenen Fluids lässt sioh nicht mit allen verlangten Empfindlichkeitsgarantieix durchführen, da die diese Veränderung ausdrückende Kurve selbst im ihrem steilsten Abschnitt gegenüber den Auswirkungen der Dämpfung nicht sehr empfindlich ist» Darüber hinaus lässt sioh die Grosse des Bereiches der verhältnismässig genauen Messungen schwierig bestimmen»

Ausserdem macht das eigentliche Prinzip dieses Viskosimeters es auf Grund der Tatsache, dass das Trägheitsmoment des Fluids von der Frequenz des Behälters und von der Viskosität des

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Fluids selbst abhängig iat, wenig praktisch» !Folglich ist es notwendig.» sowohl die !Dämpfung als auch die Frequenz zu messen, was die Gefahr des Einschleichens zusätzlicher Fehler in sich birgt*

Darüber hinaus erklären die Autoren selbst (so Seite 679 englisch-sprachigen Berichtes der bereits erwähnten Konferenz von Grenoble), dass es unmöglich ist, in der Hähe des die Dämpfung J der Schwingungen des Behälters als Funktion von ' .,, darstellenden Maximums der Kurve zufriedenstellende Werte der Viskosität zu erhalten*

Sohliesslich muss dieses Gerät zwingend in genau senkrechter lage und im Schütze der Erschütterungen angebracht werden, um Uta« zu vermeiden* dass die Kapsel die Wände des Ofens berührt»

Die vorerwähnten Mangel und Nachteile lassen sich mit dem Viskosimeter nach der Erfindung beheben«» Es ist gekennzeiohnet durch eine unbewegliches abgedichtete zylindrische Hülle ' mit im wesentlichen senkrechter Achse, an der in ihrem Inneren zu ihr koaxial eine abgedichtete zylindrische Kaps el so aufgehängt ist, dass sie in axialer Richtung Schwingungen unterworfen werden kann, wobei die Kapsel mit dem Fluid gefüllt ist 9 des sen Viskosität gemessen werden soll und in dem wiederum ein zur Kapsel koaxialer zylindrischer Schwimmer angeordnet ist, der an ihr elastisch so aufgehängt ist, dass er in ihr in axialer Richtung zu ihr schwingen kann, durch Mittel» die das Erregen der senkrechten Schwingungen der Kapsel ermöglichen, und durch Mittel» die das Messen der Dämpfung der Schwingungen aus s er halb d"er Erregungsphasen ermöglichen, während der zwischen der Hülle und der Kapsel enthaltene Raum evakuiert oder mit einem Fluid gefüllt ist, dessen Reibung

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geringer ist als die dea fluids, dessen Viskosität gemessen werden soll»

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben,» Es zeigen:

Figo 1 einen axialen Längsschnitt durch ein Viskosimeter nach der Erfindung,

Figo 2 ein Beispiel einer Eichkurve des Viskosimeters nach der Erfindung in doppeltlogarithmischem Massstabeo

Figo 1 zeigt eine zylindrische abgedichtete Aussenhülle 1, die an einem nicht dargestellten beliebigen Halter so befestigt ist, dass ihre Achse senkrecht verläuft« Im Inneren der Hülle 1 befindet sich eine zu ihr koaxiale, elastisch aufgehängte, abgedichtete zylindrische Kapsel 2« Die Aufhängung kann in Jeder beliebigen Weise erfolgen, die ein senkrechtes torsionsfreies Schwingen der Kapsel im Inneren der Hülle 1 unter Einwirkung einea beliebigen Antriebssystems ermöglichtο Eine mögliche Ausführung dieser Aufhängung ist in Fig« 1 dargestellt· Dabei ist die Kapsel an beiderseits von ihr angeordneten, nach innen ragenden Randleisten 3 und 4 der Hülle 1 mit Hilfe von Schraubenfedern 5 angebracht ₉ die an den Stirnflächen der Kapsel befestigt und um ihren. Umfang herum gleichmässig verteilt sind« Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Kapsel ausserdem durch einen sie völlig durchragenden axialen Stab 6 verlängert· Dieser Stab ist ausserdem jeweils in der Mitte von Flachfedern 7 befestigt, deren Aussenumfang an den Randleisten 3 bzw» 4 angebracht ist» Diese Flachfedern dienen neben ihrer Aufgabe einer elastischen Aufhängung der Kapsel noch zur Beibehal~ tung einer einwandfreien Zentrierung der Kapsel in der Hülle

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und zum Verhindern einer drehbewegung der Kapsel«»

Eines der Enden des axialen Stabes, in Figo 1 das obere Ende, i'st aus magnetisierbarem Material gefertigt und dringt· in eine Spule 8 zum Erregen der senkrechten Schwingungen der Kapsel ein» Diese Schwingungen und ihre Dämpfung werden beispielsweise mit Hilfe einer kapazitiven Vorrichtung gemessen, von der ein Belag 9 an einer der Randleisten 3 und der andere Belag 10 parallel zum Belag 9 an dem axialen Stab 6 befestigt ist©

Im Inneren der Kapsel befindet sich ein Hohlraum 11, der mit dem fluid, dessen Viskosität gemessen werden soll, gefüllt zu werden bestimmt ist ο In diesem Fluid befindet sich ein zur Kapsel und zur Hülle koaxialer zylindrischer Schwimmer 12© Bei der in Fig» 1 dargestellten Vorrichtung ist der den Schwimmer bildende Zylinder hohl und umgibt den axialen Stab 6o Der Schwimmer 12 ist an der Kapsel 2 elastisch so aufgehängt, dass er in ihrem Inneren axial schwingen kann« Ein Beispiel einer solchen Aufhängung ist in Fig» 1 veransohau-V licht, wo sie mit Hilfe von jeweils an den Enden des Schwimmers angeordneten Flachfedern 13 ausgeführt 1st» lter Schwimmer ist so bemessen, dass seine Seitenwand der Wand der Kapsel ausreichend nahe ist, um unter Einwirkung der Reibungskräfte infolge des Fluids, dessen Viskosität gemessen werden soll, im Inneren' der Kapsel eine gute Bremsung seiner Schwingungen 2u bewirken»

In der Kapsel kann noch ein über einen engen Durchlass 16 mit dem Hohlraum 11 der Kapsel in Verbindung stehender Dehnungshohlraum 15 vorgesehenwerden, der nützlieh sein kann, wenn das den Hohlraum 11 ausfüllende Fluid Dehnungen oder Zersetzungen durch Strahleneinwirkung (Radiolyse**) ausgesetzt

isto Bs kann noch eine zusätzliche Sicherheit hinzugefügt werden, und zwar eine nicht dargestellte, in dem Stab 6 bis zu seinem nicht in die Erregerspule 8 eintauchenden Ende axial ausgehöhlte und mit dem Hohlraum 15 in Verbindung stehende Leitung» im Ende des Stabes 6 lässt sich ein nicht dargesteller Behälter befestigen, der über die vorerwähnte Leitung an den Hohlraum 15 angeschlossen und durch eine Sicherheitsmembran verschlossen ist, die nachgeben soll, wenn der Druck zu stark wird»

™ Zu erwähnen ist noch, dass der Raum zwischen der Hülle 1 und der Kapsel 2 entweder evakuiert oder mit- einem Fluid gefüllt wirdj dessen Reibung geringer ist als die des Fluids, dessen Viskosität gemessen werden sollo

Bei dem vorstehend beschriebenen Viskosimeter erfährt der eigentliche Schwimmer im Inneren der Kapsel, wenn die Erregerspule 8 der Kapsel 2 nach'oben und unten gerichtete Wechselbewegungen vermittelt, ebenfalls solche Bewegungen· Die Bewegungen der Kapsel und des Schwimmers sind offenbar nicht voneinander unabhängig, sondern durch die elastischen Kräfte der Federn 13 und die Reibungskräfte infolge der Viskosität f des in der Kapsel enthaltenen Fluids miteinander gekoppelt»

Für bestimmte, leicht zu ermittelnde und als Resonanzfrequenzen bezeichnete Sohwingungsfrequenzen werden die Schwingungen der Kapsel erheblich (im der GrrösBenordnung von 1 mm), und es

ist dann leicht, sie mit Hilfe der kapazitiven Vorrichtung 9-10 zu messen» Diese Schwingungen klingen ausserhalb der Zeitspannen oder Perioden, in welchen eine Erregung besteht» ab, el»hi. sie werden durch die Viskosität des Fluids gedämpft» Ihre ^Dämpfung / liefert ein Maas der Viskosität des Fluid» nach der· Formell

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— 7 M ' ■ ■

(A') (K·^¹^+ K^C₁ +ft/3) (K
K^K'gC-4- 2a^)²* worin:

2a₁ -

1 + ^2 SL. « J of

V ¹T ; ⁿ

C V^s1 fl 3E

f = Resonanzfrequenz, bei der die Messung erfolgt,

A »vom Abstand zwi sehen den Seitenwänden der Kapsel und des Schwimmers und von der Höhe sowie dem Durohmesser des Schwimmers abhängige Konstante»

-j » die Dämpfung der schwingungen, m Konstante der Aufhängung der Kapsel in IJyn/cm, * Konstante der Aufhängung des Schwimmers in

Reibungskraft infolge des die Kapsel umgebenden Iluids (g/aec)»

Reibungskraft infolge des Fluids* dessen Viskosität gemessen werden soll,

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m... m Masse der Kapsel vermehrt um die Masse des Fluids ₉ dessen Viskosität gemessen werden soll,

nip * Masse des Schwimmers multipliziert mit einem Berichtigungsfaktor auf Grund der Beschleunigung der Flüssigkeitο

Die Anwendung der vorerwähnten Formel (a) macht keine besonderen Schwierigkeiten_o Jedoch ist die Benutzung einer Eichkurve für die Vorrichtung nach der Erfindung viel bequemer und schnellere Eine solche Eichkurve hat immer die in Fig* 2 dargestellte Form, bei welcher der logarithmus der Viskosität *, an den Abszissen und der Logarithmus der Dämpfung .1 an den Ordinaten aufgetragen ist*

Falls das Fluid, dessen Viskosität gemessen werden soll, gemischt werden muss (beispielsweise, wenn es sich um eine Suspension von Festteilchen in einer Flüssigkeit handelt),, ist das vorstehend beschriebene Viskosimeter ebenfalls einwandfrei geeignet· Es ist nämlich möglich, die Spule 8 mit einer anderen Resonanzfrequenz zu erregen, bei welcher nicht mehr die Amplitude der Schwingungen der Kapsel, sondern die Amplitude der Schwingungen des Schwimmers im Inneren der Kapsel maximal ist» Falls das in der Kapsel enthaltene Fluid gemischt werden muss, ist es zweckmässig, dass der zwischen den Enden des Schwimmers und der oberen und unteren Bodenwand enthaltene Raum nicht zu gross ist-, so dass der Schwimmer gegen sie in Anschlag kommt und auf diese Weise verhindert wird, dass die Federn 13 zu starke Verformungen erfahren, die ihren Bruch herbeiführen. konnten_o

Eine zum Messen der Viskosität von Fluiden, die gemischt werden müssen, zu benutzende Folge besteht also, ausj

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1o dem Erregen der Spule mit der Resonanzfrequenz, bei welcher die Amplitude der Schwingungen des Schwimmers im Inneren des Hohlraumes 11 maximal istj

2» dem Erregen der Spule mit der Resonanzfrequenz, bei wel-.eher die Schwingungen der Kapsel 2 im Inneren der Hülle 1 erheblich sind;

3» beim Fehlen jeglicher Erregung dem Messen der Dämpfung ο _t aus der sich die Viskosität mit Hilfe einer der beiden vorstehend erläuterten Methoden leicht ableiten lässto

Das vorstehend beschriebene Gerät weist eine Anzahl von Vorteilen auf· So muss es beispielsweise nicht unbedingt mit seiner Achse senkrecht angeordnet werden» Einige Grad Abweichung ergeben für das· Resultat der Messung nur einen Fehler von einigen^: Prozent»

Weiter ist das Fliessprofil der Flüssigkeit bei unterschiedlichen Viskositäten stets das gleiche, so dass es zum Erreoh- nen der geradlinigen Abschnitte der Kurve nach Figo 2 keine Schwierigkeiten gibt».

Wie" bereits· erwähnt,- lässt sioJl· die Flüssigkeit vor den Messtrngen ohne* zusätzliche Bearbeitungen¹ oder Einrichtungen mi sch en *

2ü la'emierken ist" noch,, das<s d^;e:r natürliche¹ Logarithmus; der Amplitude' währendi der Messung als^: Funktion der' Zeit aufgezeichnet w-irds©· Falls! iaai Ilu±d>- dessen· Viskosität, gemessen we-rden· a^sall_r eins ΙβΝΦο·η:8·οΒι#θ> Flifcid; is<t.,_; hat- diese Aufzeichnuinga'kurve die FoTm einer ßeraden* Jede Abvieiohung; liefert also⁴- ib-eireitQ. oh'ite· zusätzlitfheio; Aufwand die Information,, cfaefB-

ORIGINAL INSPECTED

das Fluid kein Newtonsches Fluid ist»

Das Viskosimeter nach der Erfindung kanu unter sehr schwierigen Versuchstedingungen, beispielsweise in einem Kernreaktorkanal oder in einer beliebigen aggressiven oder für den Bedienenden unzugänglichen Umgebung verwendet werden· Ausserdem ist es gegenüber Störschwingungen verhältnismässig unempfindlich» Das Fluid, dessen Viskosität gemessen werden soll* kann ein gefährliches Fluid sein und innerhalb eines grossen Temperaturbereiches .vorkommen»

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt₉ sondern umfasst seine sämtlichen Varianten» So können die Aufhängungsart der Kapsel und des Schwimmers, sofern es möglich ist_y ihre Längsschwingungen zu erregen und sofern sie zueinander in gleicher Weise zentriert bleiben und Torsionsschwingungen vermieden werden, die verschiedenartigsten Formen: haben» So kann die Erregungsart der Schwingungen sowie ihre Messung in anderer als der als nichtbeschränkendes Beispiel beschriebenen Weise dur ohg e führt wer den »

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Claims (2)

1. ' P at e η ta η a ρ r ü o he ;

   Γ1 ο Viskosimeter, gekermzeiohnet durch eine unbewegliche, abgedichtete zylindrische Hülle (1) mit im wesentlichen senkrechter Achse, an der in ihrem Inneren zu ihr koaxial eine abgedichtete zylindrische Kapsel (2) so aufgehängt ist, dass sie in axialer Richtung Schwingungen unterworfen werden kann, wobei die Kapsel mit dem Fluid gefüllt ist, dessen Viskosität gemessen werden soll, in dem wiederum ein zur Kapsel koaxialer zylindrischer Schwimmer (12) angeordnet ist, der an ihr elastisch so aufgehängt ist, dass er in ihr in axialer Richtung zu ihr schwingen kann, durch Mittel^ die das Erregen der senkrechten Schwingungen der Kapsel (2) ermöglichen, und durch Mittel, die das Messen der Dämpfung der Schwingungen ausserhalb der Erregungsphasen ermöglichen, während der zwischen der Hülle (1) und der Kapsel (2) enthaltene Raum evakuiert oder mit einem Fluid gefüllt ist, dessen Reibung geringer ist als die des Fluids, dessen Viskosität gemessen werden soll· ·
2. 2. Viskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände des Schwimmers (12) gegenüber den Innenwänden der Kapsel (2) in einem ausreichend geringen Abstand angeordnet sind, damit die Reibungskräfte infolge des Fluids, dessen Viskosität gemessen werden soll, eine merkliche Dämpfung der Sohwingungen ermöglich en₀

   3* Viskosimeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapsel (2) im Inneren der Hülle (T) mit Hilfe von gleichmässig verteilten und auf der einen Seite an den horizontalen Stirnflächen der Kapsel und auf der _ ·anderen Seite an nach innen ragenden Randleisten (3, 4) ■

   ■ :^{: :} : Λ ^{: : :} ■■■■.:; -12-

   der Hülle befestigten Schraubenfedern (5) bei senkrechter Achse aufgehängt und in ihrer richtigen lage gehalten ist, während eine Vorrichtung zum Beibehalten der Zentrierung der Kapsel (2) im Inneren der Hülle (1) vorgesehen ist©

   Viskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Kapsel (2) auf beiden Seiten ihrer Stirnflächen durch einen sie völlig durohragenden axialen Stab (6) verlängert ist und dass der Schwimmer (12) die Form einer den axialen Stab umgebenden zylindrischen Hülse hat»

   5« Viskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,' dass die Kapsel (2) den Schwimmer (12) in einem ausreichend geringen Abstand umgibt, damit die Reibungskräfte infolge des Fluids, dessen Viskosität gemessen werden soll, eine merkliche Dämpfung der Schwingungen ermöglichen©

   6» Viskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachfedern (7) mit ihrem Aussenumfang an den nach innen ragenden Randleisten (3, 4) der Hülle (1) und mit ihrer Mitte an dem axialen Stab (6) befestigt sind»

   7ο Viskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmer (12) an dem axialen Stab (6) mit Hilfe von zwei Flachfedern (13) aufgehängt ist* deren Aussenumfang an dem Schwimmer (12) und deren Mitte an dem Stab (6) befestigt isto

   8, Viskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch

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   gekennzeichnet, dass im Inneren der Hülle. (1) eine Spule (8) zum Erregen der Schwingungen vorgesehen ist, wobei ein aus magnetisiert) ar em Material gefertigtes Ende des axialen Stabes (6) in die Mitte dieser Spule eindringt»

   9o. Viskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an einer der nach innen ragenden Randleisten: (3) der Hülle (1) lotrecht zu dem axialen Stab(6) ein Kondensatorenbelag (9) befestigt ist, während der andere (10) an dem axialen Stab befestigt ist«

   I0o Viskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, dass in der Kapsel (2) oberhalb des durch das fluid, dessen Viskosität gemessen werden soll-j eingenommenen Raumes eine Dehnungskammer (15) vorgesehen

   1.1 · Viskosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis TO, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungskamtner (15) über eine in dem zentralen Stab (6) bis zu einem seiner Enden ausgebildete Öffnung mit einer an diesem Ende des Stabes in dem zwischen der Kapsel (2) und der Hülle (1) enthaltenen Raum angeordneten und durch eine Sioherheitsmembran verschlossenen Kammer in Verbindung steht»

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