DE19510351C1 - Meßanordnung zur Bestimmung der Fließgrenze einer Substanz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Bestimmung der Fließgrenze einer Substanz gemäß Anspruch 1.

Zur Bestimmung der Fließkurve einer Substanz, beispielsweise von einem Fett oder einer verdickten Flüssigkeit, werden Viskosimeter verwendet, die automatisch und kontinuierlich Fließkurven aufzeichnen, um das Schergefälle zu erfassen. Das Viskosimeter kann eine kegeltellerförmige Scheibe aufweisen, die auf einer Substanz mit vorgegebenem Abstand auf liegt. Zur Bestimmung der Fließgrenze der Substanz läßt man an der Scheibe eine Kraft angreifen, mit der die Scheibe in Drehung versetzt werden soll. Diese Kraft wird so lange erhöht, bis sich die Scheibe aus der Ruheposition in Drehung versetzt. Die beim Übergang vom Ruhezustand in den Bewegungszustand wirksame Kraft dient zur Bestimmung der Schubspannung an der Fließgrenze, wobei die Schubspannung definiert ist als τ = Kraft/Fläche. Aus der Fließkurve, die die Schubspannung in Abhängigkeit von dem Schergefälle darstellt, liegt die Fließgrenze dort, wo die Schubspannung gerade so groß ist, daß sich ein mit der Substanz in Berührung befindlicher Körper in Bewegung setzt.

Mit den bekannten Viskosimetern läßt sich die Fließgrenze nicht sehr genau feststellen, da die Kräfte im Bereich der Fließgrenze sehr klein sein können, und das Fließen über die Detektion einer relativen Bewegung oder Geschwindig­ keit, die sehr klein sein kann, erfaßt wird. Die Genauig­ keit der bisherigen Systeme ist weiterhin stark von der Geometrie der Platten, der Abstände und der Eigenreibung der Systeme abhängig, weshalb der Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, ein Verfahren zur Bestimmung der Fließgrenze anzugeben, bei dem die Fließgrenze einfach und mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.

Die AT-PS 16 33 74 offenbart ein Viskosimeter für zähe Massen, bei dem ein oder zwei pendelartig aufgehängte Körper durch eine äußere, einstellbare Kraft gleichmäßig durch die Masse hindurchbewegt werden und die Bewegung des oder der Körper auf eine Meßeinrichtung abgelesen wird.

Aus Industrial Laboratory, Vol. 33, Nr. 8, 1967, S. 1213-1215 ist ein Pendelviskosimeter bekannt, das an einem Stab zwei Gewichte, ein stationäres Gewicht und ein bewegtes Gewicht, aufweist. Außerdem ist eine dünne Platte, die durch einen Stift an der Stange befestigt ist, vorgesehen, die in die zu testende Flüssigkeit abgesenkt werden kann. Zusätzlich sind noch entsprechende Federn sowie elektromagnetische Sensoren vorgesehen, so daß aus dem Maß der Auslenkung ein Signal ermittelt werden kann, das Rückschlüsse auf die Viskosität erlaubt.

Aus der US-PS 2 747 399 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen des statischen Schmelzpunktes bekannt. Dazu wird am einen Ende eine Wiegevorrichtung eine Stahlplatte in die zu untersuchende Unterflüssigkeit getaucht, wobei das Gefäß in dem sich die zu untersuchende Flüssigkeit befindet, erwärmt werden kann. Die Wiegevorrichtung wird mittels einer Gewichtspfanne, die am anderen Ende der Wiegevorrichtung angeordnet ist, ausbalanciert und die Bewegung der Stahlplatte in der Probe wird durch elektrische Steuereinrichtungen, die auch eine Zeitschaltuhr umfassen, erfaßt, wobei die Zeitschaltuhr angehalten wird, nachdem der Stahlplatte in der Probe erlaubt wurde, sich eine vorbestimmte Distanz zu bewegen.

In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen P 43 42 179 wird ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bestimmung der Fließgrenze einer Substanz vorgeschlagen, wobei ein Meßkörper schwenkbar in einer Substanz steht. Der Meßkörper wird zur Bestimmung der Fließgrenze aus seiner Ruhelage ausgelenkt, bis er bei Erreichen einer Grenzposition aufgrund seines Eigengewichts sich selbsttätig weiter in der Substanz neigt. Der zur Grenzposition zugehörige Schwenkwinkel gibt dabei in Verbindung mit weiteren Meßparametern ein Maß für die Fließgrenze der Substanz an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfache Meßanordnung zur Bestimmung der Fließgrenze einer Substanz anzugeben, die auch zur Bestimmung sehr niedriger Fließgrenzen geeignet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erhält man durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Zur Bestimmung der Fließgrenze wird ein in die Substanz tauchendes Meßelement verwendet, das sich mit stetig abnehmendem Drehmoment um eine Schwenkachse dreht, bis das Drehmoment so klein ist, daß sich das Meßelement nicht mehr weiterdreht. Das Meßelement dreht sich dabei immer langsamer in Richtung der Grenzposition, wo sich das Kräftegleichgewicht zwischen Drehmoment und der von der Substanz auf das Meßelement ausgeübten Gegenkraft einstellt. Die Grenzposition wird somit in der Endphase langsam und dadurch auch sehr exakt erreicht.

Einen besonders einfachen Aufbau für die Meßanordnung erhält man dadurch, daß das Meßelement als Stab mit einem in die Substanz eintauchenden Meßkörper ausgebildet ist, wobei der Stab um eine horizontale Schwenkachse gelagert wird. Befindet sich der Schwerpunkt des Meßelements unterhalb der Schwenkachse, so erzeugt die Schwerkraft ein auf das Meßelement wirkendes Drehmoment, welches von der Winkelposition und vom Abstand des Schwerpunktes von der Schwenkachse abhängig ist. Durch ein verstellbares Gewicht oder durch andere Justiereinrichtungen kann der Abstand des Schwerpunktes von der Schwenkachse verändert werden, um unterschiedliche Empfindlichkeiten für die Meßanordnung zu erhalten.

Das Meßelement besteht vorzugsweise aus einem Stab mit einem an seinem unteren Ende angebrachten Meßkörper. Als Meßkörper kann eine Kugel, ein Doppelkegel oder beispielsweise eine Meßplatte Verwendung finden. Die Form und Größe des Meßkörpers kann dabei an die Beschaffenheit der jeweiligen Substanz angepaßt sein.

Ist der Meßkörper als Meßplatte ausgebildet, so ist diese vorzugsweise dünnwandig und kann eine Fläche von einigen Quadratzentimetern haben. Die Meßplatte kann aus einem leichten Material, beispielsweise aus Aluminium, bestehen. Am oberen Ende des Meßkörpers kann ein Zeiger abstehen, der in Verbindung mit einer Meßskala den Schwenkwinkel bei Erreichen der Grenzposition anzeigt.

Besonders vorteilhaft ist es, die Meßanordnung mit einer optoelektronischen Meßeinrichtung auszustatten. Eine motorgetriebene Schwenkeinrichtung kann dabei das Meßelement mit dem Meßkörper in eine Ausgangsposition verschwenken und langsam in Richtung Grenzposition zurückschwenken. Bei oder vor Erreichen der Grenzposition löst sich die Schwenkeinrichtung von dem Meßelement, so daß sich dieses gegebenenfalls noch selbsttätig in die endgültige Grenzposition verschwenken kann. Nach einer gewissen Zeit kann dann mittels der optoelektronischen Meßeinrichtung der Schwenkwinkel in der Grenzposition bestimmt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht der Meßanordnung und

Fig. 2 eine um 90° gedrehte Ansicht des Meßkörpers von

Fig. 1 mit horizontaler Schwenkachse und

Fig. 3 eine Meßanordnung mit einer motorgetriebenen Schwenkeinrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Meßanordnung zur Bestimmung der Fließgrenze einer in einem Gefäß 1 befindlichen Substanz 2. Am Rand 3 des Gefäßes 1 liegt ein Lagerelement 4 auf, welches nach oben spitz zuläuft. Das Lagerelement 4 bildet eine Spitzenlagerung für ein um die Schwenkachse 5 (Fig. 2) schwenkbar gelagertes Meßelement 6. Die Spitzenlagerung 7 bildet dabei ein nahezu reibungsloses Schwenklager.

Das Meßelement 6 besteht im wesentlichen aus einem Stab 8 und einem an seinem unteren Ende angeordneten Meßkörper 9, der hier als Meßplatte ausgebildet ist. Der Stab 8 ist im Bereich der Spitzenlagerung eingekerbt. An seinem nach oben abstehenden Ende besitzt er ein Außengewinde 10, auf das ein Gewicht 11 zur Schwerpunktverstellung aufgeschraubt ist. Das Außengewinde 10 und das Gewicht 11 bilden somit eine Justiereinrichtung für die Schwerpunktposition.

Am oberen freien Ende des Stabes 8 ragt ein Zeiger 12 ab, der in Verbindung mit einer Meßskala 13 den jeweiligen Schwenkwinkel und insbesondere den Schwenkwinkel angibt, den das Meßelement 6 bei Erreichen der Grenzposition einnimmt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Schwenkwinkel α annähernd 40° gegenüber der Vertikalen. Befindet sich die Grenzposition beispielsweise bei 30°, so würde sich der Meßkörper aufgrund seines Eigengewichts in Richtung Grenzposition um die Schwenkachse 5 verschwenken, da der Schwerpunkt S des Meßelements unterhalb der Schwenkachse 5 liegt.

In Fig. 2 ist insbesondere ersichtlich, daß der als Meßplatte ausgebildete Meßkörper 9 verhältnismäßig großflächig ist, jedoch kann dessen Fläche 14 auch entsprechend kleiner oder größer gewählt werden, je nachdem wie die Substanz beschaffen ist, deren Fließgrenze bestimmt werden soll.

In Fig. 3 ist eine Meßanordnung vereinfacht dargestellt, die eine motorgetriebene Schwenkeinrichtung 15, bestehend aus einem Schrittmotor 16 und einem Schwenkarm 17, besitzt. Am oberen Ende des Schwenkarmes 17 ist ein elektrischer Sensor 18 angeordnet, der bei Anliegen an dem Stab 8 ein Signal an eine Ansteuer- und Meßeinrichtung AME abgibt.

Die Ansteuer- und Meßeinrichtung AME steuert einerseits den Schrittmotor 16 und mißt dabei in ans ich bekannter Weise den Schwenkwinkel des Schwenkarmes 17, bezogen auf die Schwenkachse 5. Berührt der Stab 8 den Sensor 18 so kann die Ansteuer- und Meßeinrichtung den zugehörigen Schwenkwinkel messen und gegebenenfalls zur Anzeige bringen.

Die Messung der Fließgrenze erfolgt bei der Anordnung gemäß Fig. 3 in der Weise, daß zunächst mittels der motorgetriebenen Schwenkeinrichtung 15 das Meßelement 6 mit dem als Kugel ausgebildeten Meßkörper 9 in eine Ausgangsposition verschwenkt wird. Die Ausgangsposition wird dabei so gewählt, daß sich das Meßelement 6 mit dem Meßkörper 9 selbsttätig um die Schwenkachse 5 in Richtung Grenzposition verschwenken kann. Damit dieser Schwenkvorgang in Richtung Grenzposition stattfinden kann, wird der Schwenkarm 17 langsam in Richtung Grenzposition und darüber hinaus verschwenkt. Der Stab 8 löst sich dabei in dem Moment von dem Sensor 18, wo die Schwenkgeschwindigkeit des Sensors 18 größer ist als die des Stabes 8. Nach einer gewissen Zeitspanne erreicht dann das Meßelement 6 die Grenzposition, so daß der Schwenkarm 17 mit dem Sensor 18 zur Anlage am Stab 8 verschwenkt werden kann, um den Schwenkwinkel α in der Grenzposition zu messen.

Auf eine detailliertere Darstellung der Ansteuer- und Meßelektronik wurde hier verzichtet, weil es an sich bekannt ist, mittels Schrittmotoren definierte Dreh- oder Schwenkwinkel zu realisieren.

Claims (9)

1. Meßanordnung zur Bestimmung der Fließgrenze einer Substanz, bei der ein in die Substanz eintauchendes, um eine Schwenkachse (5) verschwenkbares Meßelement (6) in einer Grenzposition, wo das auf das Meßelement (6) wirkende Drehmoment im Kräftegleichgewicht ist mit der von der Substanz (2) auf das Meßelement (6) wirkenden Gegenkraft, einen Schwenkwinkel (α) einnimmt, der ein Maß für die Fließgrenze angibt, wobei das Meßelement (6) mit einem Schwenkwinkel (α), der größer ist als der Schwenkwinkel (α) bei der Grenzposition, in die Substanz (2) taucht und daß das Meßelement (6) sich mit stetig abnehmendem Drehmoment um die Schwenkachse (5) dreht, bis es die Grenzposition erreicht hat.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (6) ein Stab (8) mit an seinem unteren Ende befindlichem Meßkörper (9) ist und daß der Stab (8) oberhalb seines Schwerpunktes (S) um eine horizontale Schwenkachse (5) gelagert ist.

3. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachse (5) oberhalb der Substanz (2) verläuft.

4. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Meßelement (6) eine Justiereinrichtung zum Verstellen seiner Schwerpunktposition angeordnet ist.

5. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Ende des Meßelements (6), welches über die Schwenkachse (5) hinausragt, ein auf ein Außengewinde (10) aufgeschraubtes, verstellbares Gewicht (11) als Justiereinrichtung angebracht ist.

6. Meßanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Gewicht (11) und Schwenkachse (5) einstellbar ist.

7. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper eine dünnwandige Meßplatte ist und eine Fläche (14) hat, die parallel zur Schwenkachse (5) ausgerichtet ist und von dieser radial absteht.

8. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Meßelement ein Zeiger (12) absteht, der in Verbindung mit einer Meßskala (13) den Neigungswinkel der Grenzposition anzeigt.

9. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine motorgetriebene Schwenkeinrichtung zur Auslenkung des Meßelements (6) in eine Ausgangsposition vorgesehen ist, daß die Schwenkeinrichtung aus der Ausgangsposition langsam in Richtung Grenzposition und darüber hinaus verschwenkbar ist und daß die Schwenkeinrichtung mit einer optoelektronischen Meßeinrichtung ausgestattet ist, die den Schwenkwinkel (α) des Meßelements (6) in der Grenzposition mißt.