DE3326691A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen viskositaetsmessung nicht-newtonscher medien - Google Patents

Description

• Titel der Erfindung
• Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Viskositätsmessung Nicht-Newtonscher Medien Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung dient dem kontinuierlichen Messen der rheologischen Eigenschaften flüssiger und zäher Nicht-Newtonsoher Medien, insbesondere heller und dunkler sowie temperierter und untemperierter Schokoladenmasse. Das erfindungsgemäße Verfahren und die realisierende Vorrichtung ist einsetzbar insbesondere fUr die Prozeßmessung u. a.
• in den Betrieben der Flussiggummiverarbeitung, der Lack-und Farbenherstellung und der Sußwarenindustrie.
• Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Es ist bekannt, die rheologischen Größen Viskosität und Fließgrenze von Nioht-Newtonschen Medien durch eine zeitgleich ablaufende Zweipunktmessung mittels zwei Rotationsviskosimetern vom DurchflußtZp kontinuierlich zu bestimmen.
• Die hierzu bekannte Vorrichtung (DD-PS 121387) entnimmt durch eine Zahnradpumpe aus der Bearbeitungsmaschine Sohokoladenmasse, die durch Gabelung der Rohrleitung den Rotationsviskosimetern zugeführt wird. Beide Rotationssiskosimeter arbeiten mit unterschiedlichen Umdrehungszahlen bzw.
• Schergefällen. Sie erzeugen dementspreohend unterschiedliche Sohubspannungen, die als Spannungssignal durch Schreiber registriert werden. Die Spannungssignale sind in Sohubspannungen umzurechnen und diese sowie die vorgegebenen Sohergefälle in die Bereohaungsformeln fUr die Viskosität bzw. Fließgrenze einzusetzen.
• Die obengenannte Vorrichtung ist von wesentlichen Nachteilen gekennzeichnet. Auf Grund der getrennten Aufseichnung der Einzelsignale des zeitaufwandigen Auswerteformalismus, ist diese Vorrichtung nicht zur Prozeßsteuerung oder -regelung geeignet. Vieiterhin werden Rotationsviskosimeter vom Durohflußtyp verwendet, deren Mangel in einer starken Bbhängigkeit der Schubspannung von der Durchflußmenge besteht. Sie sind ungeeignet zur Bestimmung der rheologischen Größen von temperierter Schokoladenmasse.
• Es erfolgt eine Zweipunktmessung an zwei verschiedenen räumlich voneinander getrennten Punkten, was infolge einer nichtexakten Aufteilung in zwei Masseströmen zu Meßfehlern führt. Durch die Einbindung der Viskosimeter in die Rohrleitung kommt es durch ungleichmäßige Förderströme zu Massepegelsohwankungen am Rotationskörper, die große Meߣehler nach sich ziehen. Ebenso fehlt eine Vorrichtung zur Viskositätskorrektur bei iYIeguttemperaturschwankungen, denn die herkömmlichen elektronischen Auswerteeinheiten der Rotationsviskosimeter vom Durchfluß- und Tauohtyp können nicht zwischen dem Einfluß der Temperatur und dem der Stoffbestandteile auf das Meßgerät unterscheiden, was die Verwendung u. a. zur Rezepturoptimierung unmöglich macht. Bei groben Medien und in kritischen Temperaturbereicht bildet sich beim Rotationsviskosimeter vom Tauchtyp infolge verstopfter Abflußschlitze des Außenzylinders über und um dem Rotationskörper ein statisches Masse soll ster aus. Dieses verursacht einen Schweredruck auf den Rotationskörper, der zur Reibung an der Metall/Meßmedium-Grenzfläche führt. Weiterhin besteht die Gefahr des Eindringens des Meßmediums in die Lager des Rotationsviskosimeters. Beide Erscheinungen gestatten keine exakte Viskositätsmessung bzw. fuhren zum Ausfall des Viskosimeters.
• Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine realisierende Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung der rheologischen Größen Viskosität und Fließgrenze anzugeben, die bedeutend genauer und zuverlässiger als die bekannt gewordenen Lösungen arbeiten und sich insbesondere zum kontinuierlichen Messen der Viskosität von untemperierter und temperierter Sohokoladenmasse eignen.
• Darlegung des Wesens der Erfindung Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine realisierende Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen der Viskosität und/oder Fließgrenze anzugeben, die wesentlich genauer arbeiten, die verfahrens- und gerätetechnische Mängel bekannter Lösungen beseitigen und zur Prozeßsteuerung und -regelung geeignet sind.
• Keine der bekannten Lösungen sieht eine mathematische Verknüpfung der beiden Einzelsignale vor, in deren Ergebnis erst eine Prozeßsteuerung oder -regelung möglich wird.
• Ebenfalls ist in keinen der bekannten Lösungen eine Vorriohtung erwähnt, die das Messen an untemperierten und temperierten Schokoladenmassen gestattet, hZassepegelschwankungen, Massertickstau und ungleichmäßige Masseaufteilung verhindert, wodurch große Meßfehler vermieden werden können. Weiterhin fehlt in den bekannten Lösungen eine elektronische Baugruppe zur Kompensation der durch Me13guttemperaturschwankungen hervorgerufenen Viskositätsänderungen.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Meßgut mit Hilfe der Pumpe aus der Rohrleitung oder dem Behälter abzuziehen und in eine Zweikammer-Meßzelle mit freiem Auslauf zu pumpen ist. Auf der Zweikammer-Meßzelle befinden sich zwei modifizierte Rotationsviskosimeter vom Tauchtyp aber ohne Außenzylinder, die mit unterschiedlicher Umdrehungszahl bzw. Schergefälle arbeiten. Jedes modifizierte Rotationsviskosimeter erzeugt eine Schubspannung, die in Form eines Spannungs- oder Stromsignals dargestellt wird. Liegt ein Stromsignal vor, so ist dies in ein Spannungssignal umzuwandeln. Danach ist eine Temperaturkompensation der zwei Spannungs signale durchzuführen.
• Anschließend ist die Differenz zwischen beiden Einzelsignalen zu bilden. Das Differenzsignal ist einer in Pa.s gegen ein Laborviskosimeter geeiohten Analoganzeige oder einem 9/D-Wandler zur Umsetzung in ein Digitalsignal zuzuführen. Die aus der Meßzelle auslaufende Masse ist in einem Zwischenbehälter aufzunehmen. Eine nachgeordnete Pumpe übernimmt die Leerung des Zwischenbehälters.
• Eine Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens weist eine spezielle Meßzelle auf. Sie besteht aus zwei Kammern und ist mit einem gemeinsamen freien Auslauf versehen. Der Meßzelle vorgeordnet ist eine Pumpe zum }1\assetransport. Auf der Meßzelle sind die beiden modifizierten Rotationsviskosimeter vom Tauchtyp befestigt. Die modifizierten Rotationsviskosimeter besitzen gegenüber den bekannten Rotationsviskosimetern vom Tauohtyp eine Feder, deren Federkonstante Frei- bis fünfmal größer ist und verfügen über keinen axialen Außenzylinder. Der Meßzelle nachgeschaltet ist ein Masseauffangbohälter. Eine zweite Pumpe schließt sich an. Für die verfahrensgemäße Signalauswertung sind u. a. zwei an die modifizierten Ro tationsvisko sime te r gekoppelten elektronischen Auswerteeinheiten, zwei Temperaturkompensationen, zwei Strom-/Spannungswandler, ein Differenzverstärker und ein A/D-Wandler erforderlich.
• Duroh die beheizte Pumpe wird aus der beheizten Rohrleitung oder dem geheizten Behälter Masse abgezogen und von unten in eine temperierte Meßzelle gepumpt. Diese besitzt einen Anschlußstutzen, der sich innerhalb der Zmeikammer-Meßzelle gabelt und die Verbindung zu zwei parallel zueinander angeordneten Zylindern herstellt, deren Innenradius maximal doppelt so groß sein darf wie der Radius der Rotationskörper. An dem Anschlußstutzen ist ein Temperaturfühler zur Bestimmung der Meßtemperatur angebracht. Die Geometrie der Zweikammer-Meßzelle garantiert eine Aufteilung in zwei gleiche Masseströme. Die modifizierten Rotationsviskosimeter sind so auf der IVIeßzelle angebracht, daß ihre Rotationskörper unterhalb und im konstanten Abstand zu den zwei überlauföffnungen der Meßzelle angeordnet sind, d. h., die Rotationskörper sind mit einer konstanten Schichtdicke von dem zu messenden Medien bedeckt. Beide modifizierten Rotationsviskosimeter arbeiten mit unterschiedlicher Umdrehungszahl, deren Wahl vom Nedium abhängig ist. Zu garangieren ist ein Schergefälle von D 5 s 5. Nur oberhalb dieses Grenzwertes liefert die Viskositätsbestimmung von Nicht-Newtonschen Medien exakte Ergebnisse. Bei der Messung von untemperierten und temperierten Schokoladenmassen sind die Umdrehungszahlen im Bereich von 10 bis 250 min 1 zu wählen. Die Differenz zwischen beiden Umdrehungszahlen soll nicht größer als 50 minze betragen. Jedes modifizierte Rotationsviskosimeter liefert in Verbindung mit seiner elektronischen Auswerteeinheit ein Spannungs-oder Stromausgangssignal. Liegt ein Stromsignal vor, so wird dies durch einen nachgeschalteten Strom-/Spannungswandler in ein Spannungssignal umgesetzt und anschließend der Temperaturkompension aufgeschalten. Die so gebildeten zwei Einzelsignale liegen an Se einem Eingang des Differenzverstärkers. Dessen positives Ausgangssignal kann nun von einem Schreiber, dessen Skala mit Hilfe eines Laborviskosimeters in Pa.s geeicht ist, angezeigt und/oder von einem A/D-Wandler in ein digitales Signal als Voraussetsung fur eine digitale Anzeige umgesetzt werden. In beiden Fällen liegt ein Ausgangssignal vor, das die Prozeßsteuerung oder -regelung ermöglicht. Ein temperierter Zwischenbehälter übernimmt die an der Zweikammer-Meßzelle ablaufende Masse, wobei jeder Einzelzylinder über einen Überlauf verfügt, die zu einem Bblaufblech zusammengeführt sind. Binde zweite beheizte Pumpe sorgt für die RückfUhrung des Meßmedium! in die Rohrleitung.
• Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt Figur 1 den Prinzipaufbau der MeBvorrichtung Figur 2 das Blookschaltbild der elektronischen Signalverarbeitung nach dem Differenzprinzip Figur 3 das Blooksohaltbild der elektronischen Signalverarbeitung mit NTlkrocomputersystem Figur 4 die Zweikammer-Meßzelle Beispiel 1 Gemäß Figur 1 ist die Pumpe 1 der Zweikammer-Meßzelle 2 auf der die zwei modifizierten Rotationsviskosimeter 3 und 4 angeordnet sind, vorgelagert. Der Zwischenbehälter 5 schließt sich der Zweikammer-Meßzelle 2 an. Ihm folgt die Pumpe 6. Der Eingang bzw. Ausgang der Pumpe 1 bzw. 6 ist mit der Rohrleitung oder dem Behälter 9 verbunden. Dem modifizierten Rotationsviskosimeter 3 ist die Auswerteeinheit 7 und dem modifizierten Rotationsviskosimeter 4 ist die Auswerteeinheit 8 zugeordnet. Die Stromsignale a und b sind der elektronischen Signalverarbeitung zuzuführen. Sie besteht entsprechend Figur 2 aus den Strom-/Spannungswandlern 10 und 11 den Temperaturkompensationen 31 und 32, dem Differenzverstärker 12, dem Analogsohreiber 12, dem A/D-Wandler 14 und der Digitalanzeige 15.
• Das von der Pumpe 1 aus der Rohrleitung oder dem Behälter 9 abgezogene Meßmedium wird gemäß Figur 4 über den Ansohlußstutzen 28 in die Zweikammer-MeBæelle 2 gepumpt. Der Anschluß 28 gabelt sich und stellt die Verbindung zu den zwei Zylindern 23 und 24 her. So wird das Meßmedium in gleiche Ssseteile aufgetrennt. Das Meßmedium strömt näherungsweist laminar durch die Zylinder 23, 24, schließt die Rotationskörper 29, 30 ein und tritt durch die Uberlauföffnungen 25, 26, die zu dem Ablaufblech 27 zusammengeführt sind, aus der Zweikammer-Meßzelle aus und fließt in den ZwischenbehClter 5. Die Pumpe 6 führt das MEßmedium in die Rohrleitung oder den Behälter 9 zurück. Das Meßsystem ist dann einsatzfähig. Die modifizierten Rotationsviskosime ter 3 und 4 liefern infolge unterschiedlicher vorgegebener Sohergefälle in Verbindung mit ihren Auswerteeinheiten die den Sohubspannungen entspreohenden Spannungs- oder Stromsignale a und b. Nach deren Umwandlung in die Spannungssignale at und b' mit Hilfe der Strom-/Spannungswandler 10 und 11 werden diese den Temperaturkompensationen 31 und 32 aufgeschaltet und deren Ausgangssignal a" und b" so auf einen Eingang des Differenzverstärkers 12 gelegt, daß sioh ein positives Ausgangssignal ergibt, das von den in Viskositätseinheiten geeichten Analogschreiber 13 kontinuierlioh angezeigt wird. Außerdem ist die digitale Darstellung des Ausgangssignales c mit Hilfe des A/D-Wandlers 14 und der digitalen Anzeige 15 möglich. Das Eichen der Anzeige 15 erfolgt mit Hilfe eines laborviskosimeters.
• Beispiel 2 Bei einer anderen Ausführungsform des obengenannten Verfahrens findet dieselbe Meßvorrichtung wie in Figur 1 und dieselbe Zweikammer-Meßzelle wie in Figur 4 dargestellt Verwendung. Die abgewandelte erfindungsgemäße Verfahrensvariante entsprechend Figur 3 unterscheidet sich in der Signalverarbeitung zu Beispiel 1. Anstatt der Differenzbildung zweier Analogsignale erfolgt Jetzt die Eingabe zweier A/D-gewandelter Signale in ein Mikrocomputersystem und die Darstellung der Meßergebnisse über periphere Registriereinrichtungen. Wie im Beispiel 1 sind die Spannungs-oder Stromsignale a und b bereitzustellen und der elektronischen Signalverarbeitung gemäß Figur 2 zuzuführen. Diese besteht aus den Strom-/Spannungswandlern 10 und 11 den A/D-Wandlern 16 und 17, den Temperaturkompensationen 33 und 34, dem Mikroprozessorsystem 18, dem A/D-Wandler 19, dem Analogschreiber 20, der Digitalanzeige 21 fur die Fließgrenze und der Digitalanzeige 22 für die Viskosität.
• Analog der Figur 1 und Figur 2 werden an den Ausgängen der S trom-/SpannungsvJandler 10 und 11, sofern diese erforderlich sind, die Spannungssignale a' und b' bereitgestellt und von den Temperaturkompensationen 33 und 34- in die temperaturunabhängigen Viskositätssignale a" und b " umgewandelt. Die A/D-Wandler 16 und 17 setzen die analogen Eingangssignale atl und b" in die digitalen Signale d bzw. e um, die das Mikroprozessorsystem 18 entsprechend dem vorgegebenen Programm zu den digitalen Signalen f und g verarbeitet. Das Signal f entspricht dem errechneten Wert für die Fließgrenze. Dessen Darstellung erfolgt mittels der Digitalanzeige 21. Das Signal g ist identisch mit dem reohnerisch ermittelten Wert für die Viskosität. Dieses wird außer durch die Digitalanzeige 22 auch von einer Analoganzeige nach vorheriger Umsetzung des Signals durch den D/A-Wandler 19 mittels des Schreibers 20 dargestellt. Das Eichen der Anzeige 20 erfolgt ebenfalls mit Hilfe eines Laborviskosime tors.
• Mit dem angegebenen Meßverfahren und den realisierenden Vorriohtungen ist es möglich, die rheologischen Größen der Nicht-Newtonschen Medien, insbesondere die Viskosität mit hoher Genauigkeit und unabhängig von der Temperatur zu bestimmen. Durch die Parallelschaltung von zwei modifizierten Rotationsviskoslmetewn wird eine echte kontinuierliche und von der Zusammensetzung des Meßgutes abhängige Messung der rheologisohen Größen gewährleistet. Die Bereitstellung eines analogen und digitalen Ausgangssignales gestattet es, das Meßverfahren zur Prozeßsteuerung und -regelung sowie zur Rezepturoptimierung einzusetzen. Hierbei ergibt sich die Binsparung hochwertiger Importrohstoffe (z. B. in der Süßwarenindustrie - Kakaobohnen, Kakaobutter u. a.), Verschleißminderung an den Verarbeitungsmaschinen, Energieeinsparung, Arbeitszeiteinsparung und Produktionssteigerung. Dn Kenntnis der Fließparameter garantiert gleichbleibende Eigenschaften der Schokoladenmasse und somit eine konstante Produktqualität.
• Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Pumpe 2 Zweikammer-ltSßzelle 3 Ro ta tion svisko sime te r 4 Rotationsviskosime tor 5 Zwischenbehälter 6 Pumpe 7 elektronische Auswerteeinheit von Rotationsviskosimeter 3 8 elektronische Auswerteeinheit von Rotationsviskosimeter 4 9 Rohrleltung/Behälter 10 Strom-/Spannungs-Wandler 11 Strom-/Spannungs-Vandler 12 Differenzverstärker 13 Analogschreiber für Viskosität 14 A/D-Wandle r (Analog-Digfltal-"Wandler) 15 Digitalanzeige 16 A/D-Wandler (Analog-Digital-Wandler) 17 A/D-Wandler (Analog-Digital-Wandler) 18 Mikrocomputersystem 19 D/A-Wandler (Digital-Analog-Wandler) 20 Analogsohreiber für Viskosität 21 Digitalanzeige für Fließgrenze 22 Digitalanzeige für Viskosität 23 Zylinder 24 Zylinder 25 Austrittsöffnung des Zylinders 23 26 Austrittsöffnung des Zylinders 24 27 Ablaufblech 28 Anschlußstutzen 29 Rotationskörper von Rotationsviskosimeter 3 30 Rotationskörper von Rotationsviskosimeter 4 31 Temperaturkompensation 32 Temperaturkompensation 33 Temperaturkompensation 34 Temperaturkompensation a Ausgangssignal der elektronischen Auswerteeinheit von Rotationsviskosimeter 3 b Ausgangssignal der elektronischen Auswerteeinheit von Rotationsviskosimeter 4 Spannungssignal a' temperaturkompensiertes Spannungssignal Spannungssignal b'' temperaturkompensiertes Spannungssignal c Ausgangssignal des Differenzverstärkers d digitalisiertes Signal von Rotationsviskosirneter 3 e digitalisiertes Signal von Rotationsviskosimeter 4 f Digitalsignal für Fließgrenze g Digitalsignal für Viskosität

Claims (12)

SrSindun6sansprUche

1. Verfahren zum kontinuierlichen Messen der rheologischen Größen fltlssiger zäher, Nicht-Newtonscher Medien, insbesondere Schokoladenmassen unter Verwendung von zwei Rotationsviskosimetern vom Tauchtyp und deren elektronische Auserteeinheiten, gekennzeichnet dadurch, daß das Melägut mit Hilfe der Pumpe aus der Rohrleitung oder dem Behälter abzuziehen, in eine Meßzelle zu pumpen, die zwei modifizierten Rotationsviskosimeter vom Tauchtyp mit unterschiedlioher Umdrehungszahl arbeiten, die zwischen 10 und 250 min 1 und deren Drehzahldifferenz nicht größer als als 50 min -1 durch die zwei modifizierten Rotationsviskosimeter in Verbindung mit ihren elektronischen Auswerteeinheiten und Temperaturkompensationen jeweils ein drehzahlbezogenes temperaturabhängiges Meßsignal erzeugen, Jedes Meßsignal, wenn Stromsignale vorliegen, in Spannung umzuwan#eln, die Differenz zwischen beiden Spannungssignalen zu wilden oder nach der A/D-Wandlung der Spannungssignale die Berechnung der rheologischen Größen ViskositCt und Fließgrenze mittels Mikrocomputersystem durchzuführen, das aus einer Meßzelle ausströmende Meßgut durch den Zwischenbehälter aufzufangen, der Zwischenbehälter mit der Pumpe zu leeren, das Meßgut in die Rohrleitung zurllck zu pumpen ist.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß sie aus zwei Pumpen (19 6), einer meßzelle (2), zwei modifizierten Rotationsviskosimetern vom Tauchtyp (3, 4), ihren zugehörigen eleirtronischen Auswerteeinheiten (7, 8), den Zwischenbehälter (5) einer elektronischen Signalverarbeitung (10, 11, 12, 13, 14, 15, 31, 32) oder einer elektronischen Signalverarbeitung (10, 11, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 31, 34) besteht und Uber zwei Anschlußstellen-Verbindung zur Rohrleitung oder zum Behälter (9) besitzt.

3. Vorrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Rotationsviskosime ter modifizierte Ro tationsviskosimeter vom Tauchtyp sind, die über keinen Außenzylinder verfügen und deren Federn eine Federkonstante von 49,033 mN.m bis 122,58 mN.m besitzen.

4. Vorrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß alle Verbindungsleitungen, die Rohrleitung oder Behälter (9) Pumpen (12 6), die Meßzelle (2) und der Zwischenbehälter (5) beheizbar sind.

5. Vorrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßzelle (2) eine Zweikammer-Meßzelle ist und aus zwei separaten Zylindern (23, 24) besteht, die in einem gemeinsamen beheizten Gehäuse eine konstruktive Einheit bilden.

6. Vorrichtung nach Punkt 5, gekennzeichnet dadurch, daß eine Zweikammer-Meßzelle (2) ueber den Anschlußstutzen (28) verfUgt, der sich symmetrisch aufteilt und die Verbindung zu den Zylindern (23, 24) herstellt.

7. Vorrichtung nach Punkt 5 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Ansohlußstutzen (28) am unteren Teil der Zweikammer-Meßzelle (2) angebracht ist und dieser über einen Fühler zur Temperaturmessung des Meßgutes verfügt.

8. Vorrichtung nach Punkt 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Zylinder (23, 24) getrennte Überläufe (25, 26) besitzen, die zu dem Ablaufblech (27) zusammengefuhrt werden.

9. Vorrichtung nach Punkt 2, 5 und 8, gekennzeichnet dadurch, daß sich die Uberläufe (25, 26) oberhalb der Rotationskörper (29, 30), der modifizierten Rotationskörper (3, 4) befinden.

10. Vorrichtung nach Punkt 2 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß jedes Rotationsviskosimeter (3, 4) axialsymmetrisch zu den zugehörigen Zylindern (23, 24) angeordnet und auf einer Zweikammer-ßzelle (2) befestigt ist.

11. Vorrichtung naoh Punkt 2, 5 und 10, gekennzeichnet dadurch, daß das Verhältnis Radius der Rotationskörper (29, 30) der Rotationsviskosimeter (3, 4) zu Hadius der Zylinder (23, 24) größer als 0,5 beträgt.

12. Verfahren und Vorrichtung nach Punkt 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, daß die Vorrichtung durch Vergleich mit einem Laborviskosimeter geeicht wird.