DE10148039A1 - Verfahren zur Messung der Viskosität einer Flüssigkeit und zum Einstellen des Sollwertes der Viskosität - Google Patents

Abstract

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Messung der Viskosität einer Flüssigkeit mittels eines Prozeßviskosimeters mit einem piezoelektrischen Kristall als Sensor (Sonde), wobei an den Kristall ein hochfrequentes elektrisches Feld angelegt wird und die Viskosität der Flüssigkeit aus der durch die externe Kraftwirkung (Schubspannung) behinderten Bewegung des Kristalls bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit zumindest teilweise Druckfarbe verwendet wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist außerdem ein Verfahren zum Einstellen des Soll-Werts der Viskosität eines Druckfarbengemischs, bei dem zunächst ein Verfahren nach Anspruch 5 durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der auf diese Weise gemessene Ist-Wert der Viskosität mit dem Soll-Wert verglichen wird und aus diesem Differenzwert die Menge des erforderlichen Verschnitts und/oder Lösemittels und/oder Wassers berechnet und zugegeben wird. DOLLAR A Und erfindungsgemäß ist schließlich ein Verfahren zum Erreichen des Soll-Werts des Deckungsgrades eines Druckprodukts, bei dem die tatsächliche Druckdichte durch eine Messung an dem fertigen Druckprodukt festgestellt und mit dem Soll-Wert des Deckungsgrades verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem erhaltenen Differenzwert eine Viskositätsänderung für das verwendete Druckfarbengemisch errechnet wird und diese Viskositätsänderung für nachfolgende Druckprodukte in einem Verfahren nach Anspruch 6 eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Viskosität einer Flüssigkeit mittels eines Prozeßviskosimeters mit einem piezoelektrischen Kristall als Sensor (Sonde). Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird an den Kristall ein hochfrequentes elektrisches Feld angelegt und die Viskosität der Flüssigkeit aus der durch die externe Kraftwirkung (Schubspannung) behinderten Bewegung des Kristalls bestimmt. Die Erfindung betrifft auch ein darauf aufbauendes Verfahren zum Einstellen des Sollwertes der Viskosität.

Zur Messung der Viskosität von Flüssigkeit werden häufig Rotationsviskosimeter eingesetzt. Bei diesen rotiert ein rotationssymetrischer Körper mit einem konstanten Moment in der Flüssigkeit. Die Stärke der Dämpfung der Drehbewegung kann dann als Maß für die Viskosität der umgebenden Flüssigkeit benutzt werden. Allerdings ist diese Dämpfung nicht nur von der Viskosität, sondern auch von verschiedenen Störgrößen und anderen Einflüssen abhängig. Entscheidend ist insbesondere der mechanische Aufbau der Sonde selbst, aber auch die Lagerung der Achse des Rotationskörpers und der Zustand der Rotationsachse. Die Existenz dieser Störgrößen entstellt das Meßergebnis je nach Zustand der genannten Teile erheblich, wobei der Meßkörper (Körperform und Material) entscheidenden Einfluß auf das Meßergebnis hat. Zudem ist eine Messung nur in beruhigten oder stehenden Flüssigkeiten möglich, da Strömungen und Turbulenzen Störgrößen sind, die brauchbare Meßergebnisse für viele Anwendungen verhindern. Das Meßverfahren ist zudem nicht temperaturkompensiert und die Einbaulage muß vertikal sein, um negative Einflüsse der Gravitation auf das mechanische System gering zu halten. In der praktischen Anwendung ergibt sich ein weiteres Problem daraus, daß keine mathematisch aufgelöste Funktion existiert, mit der die Viskosität der einzelnen Rotationsmeßkörper in Abhängigkeit von der gemessenen Dämpfung dargestellt werden könnte. Auch aus diesem Grund ist eine manuelle Eichung und Kalibrierung des Systems in kurzen definierten Zeitabständen notwendig.

Zur Messung der Viskosität von Druckfarben wird die Rotationsmeßsonde daher nach einem bereits bekannten Verfahren in einem speziellen Behälter (Bypassbehälter) neben dem Farbvorratsbehälter eingebaut. Die Zulaufmenge dieses Bypassbehälters ist so bemessen, daß Strömungen und Turbulenzen minimiert sind.

Ungenauigkeiten bei der Viskositätsmessung von Flüssigkeiten nach diesem bekannten Verfahren sind durch eine Vielzahl von Umständen bedingt. Erstens verfälscht eine Veränderung der Flüssigkeitsmenge, die sich in dem Bypassbehälter befindet, das Meßergebnis, da eine konstante Eintauchtiefe der Meßsonde erforderlich ist. Eine Veränderung des Flüssigkeitsniveaus im Behälter kann sich aber sehr leicht insbesondere durch die Ablagerung von Farbresten und Verunreinigungen ergeben, die trotz einer üblichen Überlaufvorrichtung nicht zur Gänze zu verhindern sind. Zweitens können sich Ablagerungen auf der Rotationsachse und an dem Rotationskörper selbst bilden, was jeweils zu empfindlichen Störungen der Messung führt. In diesem Zusammenhang ist besonders problematisch, daß sich die Ablagerungen im Normalfall zu unterschiedlichen Zeitpunkten bilden. Ablagerungen auf der Achse entstehen meist während des Druckprozesses und sind daher als Störgröße nur durch eine Reinigung mit notwendigem Stillstand der Maschine zu beseitigen. Während eines solchen Stillstandes bilden sich aber typischerweise Farbablagerungen auf dem Rotationskörper, da dabei zwangsläufig auch die Farbzufuhr in den Bypassbehälter unterbrochen werden muß. Diesen vielfältigen Quellen für Ungenauigkeiten kann nur dadurch Rechnung getragen werden, daß in regelmäßigen Abständen die Sonden kalibriert und geeicht werden.

Insgesamt kann festgestellt werden, daß die Genauigkeit, die mit dem bekannten Verfahren zur Messung der Viskosität von Druckfarben erzielt werden kann, in hohem Maße von der mechanischen Beschaffenheit der Systemkomponenten abhängt. Es ist insbesondere dieser Umstand, der den hohen Wartungsaufwand der bekannten Systeme bedingt.

Für Flüssigkeiten, die keine Druckfarbe enthalten, ist mit dem Prozeßviskosimeter QVis 01/o der flucon fluid control GmbH ein Verfahren bekannt, bei dem ein piezoelektrischer Kristall in der Form eines Torsionsschwingers als Sensor zur Anwendung gelangt. Bei diesem bekannten Verfahren wird an dem Schwinger ein hochfrequentes elektrisches Feld angelegt und dadurch eine Bewegung des Sensors bewirkt. Die dadurch verursachte Scherung des umgebenden Mediums behindert durch die hieraus resultierende Schubspannung die Bewegung des Sensors und beeinflußt somit auch seine elektrische Antwort. Nach einer im Stand der Technik bekannten Kalibrierung dieses Meßsystems (Bode, B., Entwicklung eines Quarzvikosimeters für Messungen bei hohen Drücken, Dissertation TU Clausthal, 1984 und Tribologie und Schmierungstechnik, 5/1988) können mit diesem Verfahren Viskosimeterdaten erreicht werden, die im wesentlichen unabhängig von mechanischen Komponenten des Systems sind. Der Grundgedanke dieses bekannten Systems beruht darauf, daß der Einfluß der externen viskosen Dämpfung auf das mechanische Übertragungsverhalten des Quarzes durch die mechanische Impedanz, d. h. durch den Quotienten von Kraft und Schwinggeschwindigkeit, bestimmt wird. Aus der Resonanzbedingung der überlagerten Impedanzen des extern ungedämpften Schwingers und des dämpfenden Fluids leitet sich die Kalibrierfunktion ab.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, für Flüssigkeiten, die teilweise Druckfarbe enthalten, ein Verfahren zur Messung der Viskosität zu schaffen, das eine sehr hohe und sehr zuverlässige, d. h. über lange Zeit hinweg konstante, Genauigkeit erreicht. Das Verfahren mit diesen Eigenschaften läßt sich insbesondere zum präzisen und zuverlässigen Einstellen des Sollwerts der Viskosität eines Gemischs von Druckfarben und Lösemittel und/oder Verschnitt zu nutzen. Zudem kann damit für Druckprodukte ein Verfahren zum Erreichen des Sollwerts des Deckungsgrades vorgeschlagen werden, das eine hohe und zeitlich gleichbleibende Genauigkeit aufweist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren, das die dem Prozeßviskosimeter Qvis 01/0 zugrundeliegenden Grundgedanken aufnimmt, ist auch für Flüssigkeiten, die zumindest teilweise Druckfarbe enthalten, ein komfortables Viskositätsmeßverfahren mit einer hohen und zeitlich konstanten Genauigkeit geschaffen. Dies äußert sich im wesentlichen in den folgenden Punkten.

Die Stärke der Strömung sowie die Strömungsform (laminar/turbulent) haben keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Insgesamt wird eine weitgehende Unabhängigkeit von unkontrollierbaren (insbesondere mechanischen) Störfaktoren erreicht.

Durch die minimalen geometrischen Abmessungen der Meßsonde ist es zudem möglich, den Einbau nicht nur wie im Stand der Technik bereits bekannt in den Farbkasten einzubauen, es ist vielmehr in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung möglich, daß die Sonde in der Zuleitung des Druckwerkes, in der Farbwanne oder an einer anderen Position des Farbversorgungssystems einer Druckmaschine eingebaut ist. Damit ist eine erhebliche Flexibilität im konstruktiven Aufbau des benötigten System möglich.

Durch die Unabhängigkeit des Verfahrens von Ablagerungen und Farbresten auf der Rotationsachse und an dem Rotationskörper ist es in einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens möglich, daß die Sonde vorteilhaft nur einmal kalibriert wird. Dies ist möglich, da die Parameter der Sonde sich über deren Lebenszeit nicht ändern. Somit ist kein hoher Wartungs- und Instandhaltungsaufwand nötig.

Vorteilhaft kann als Flüssigkeit entweder reine Druckfarbe oder das für den Druck benötigte Druckfarbengemisch verwendet werden. Bei einem solchen wird die eigentliche Druckfarbe mit Verschnitt, Lösemittel und/oder Wasser versetzt.

In dem letztgenannten Fall kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Viskositätsmessung der gemessene Istwert der Viskosität bei Druckmaschinen vorteilhaft dazu verwendet werden, den Sollwert der Viskosität eines Druckfarbengemischs einzustellen. Dazu ist der gemessene Istwert mit dem Sollwert zu vergleichen und aus diesem Differenzwert die Menge des erforderlichen Lösungsmittels zu berechnen und zuzugeben. Die Vorteile der Erfindung (hohe zeitliche Stabilität des Meßergebnisses der Viskosität, hohe Genauigkeit durch weitgehende Unabhängigkeit von Störfaktoren) setzen sich hierbei direkt fort in das Verfahren zur Einstellung einer bestimmten Viskosität.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren zur Einstellung des Viskositätswertes kann in einer vorteilhaften Durchführung bereits vor Beginn des eigentlichen Druckvorgangs durchgeführt werden und ist somit für die sogenannte Prozeßvoreinstellung geeignet. Dies beruht im wesentlichen darauf, daß die Funktion der Viskosität bei dem hier vorgeschlagenen Meßverfahren mathematisch aufgelöst und zeitlich invariant ist. Durch Berechnung aus Druckformdaten und mathematisch aufgelöster Funktion kann die gewünschte Viskosität daher bereits vor Druckbeginn festgelegt werden. Auch die angestrebten Farbintensitäten können somit bereits vor Anlaufen des Druckprozesses eingestellt werden.

In einer anderen vorteilhaften Durchführung kann das Verfahren zur Temperaturkompensation genutzt werden, indem während des Druckvorgangs die Temperatur des Druckfarbengemischs gemessen wird und bei Temperaturänderung der Sollwert der Viskosität gemäß den rheologischen Eigenschaften des zum Drucken verwendeten Druckfarbengemischs geändert wird.

Der Sollwert der Viskosität kann dabei jeweils vorteilhaft in Abhängigkeit von der beabsichtigten Druckdichte oder anderen für den Druckvorgang entscheidenden Parametern bestimmt werden.

Das Verfahren kann zudem dazu genutzt werden, den Deckungsgrad eines Druckprodukts einzustellen. Dazu kann zunächst die tatsächliche Druckdichte durch eine Messung an dem fertigen Druckprodukt festgestellt und mit dem Sollwert des Deckungsgrades verglichen werden. Vorteilhaft kann sodann aus dem erhaltenen Differenzwert eine Viskositätsänderung für das Druckfarbengemisch errechnet werden und diese Viskositätsänderung kann sodann für nachfolgende Druckprodukte nach einem der soeben beschriebenen Verfahren eingestellt werden.

Eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung wird im folgenden anhand der Abbildung beispielhaft näher beschrieben.

Die Abbildung Fig. 1 zeigt schematisch eine Druckmaschine mit dem Druckwerk 1 und der Farbwanne 2. Unterhalb der Farbwanne befindet sich der Farbkasten 3, der der Speicherung des gewünschten Druckmediums dient. Als Druckmedium wird beispielsweise ein Gemisch von Druckfarben und Lösemittel verwendet. Die Zuführung dieser Druckflüssigkeit in die Farbwanne geschieht über die Pumpe 4, die den gleichmäßigen Zulauf der Druckflüssigkeit in die Farbwanne 2 gewährleistet. Die Meßsonde des Prozeßviskosimeters kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren grundsätzlich an jeder Stelle des Systems positioniert werden, an der eine volle Umspülung mit der Druckflüssigkeit gewährleistet ist. Dabei kommt insbesondere in Betracht, die Meßsonde 6 unmittelbar im Farbkasten 3 unterzubringen. Bei besonderen konstruktiven Gegebenheiten der Druckmaschine kann es jedoch auch wünschenswert sein, die Meßsonde 7 direkt in einem Rohr oder Schlauch des Zuführsystems, beispielsweise hinter der Pumpe, vorzusehen. Aber auch die Farbwanne 2 kann die Meßsonde 8 tragen, wodurch eine besonders direkte Messung der Viskosität im Zeitpunkt der Auftragung gewährleistet ist. Durch die Vielzahl dieser Möglichkeiten kann die benötigte Druckmaschine konstruktiv sehr flexibel gestaltet werden, insbesondere ist nicht erforderlich, einen gesonderten Behälter zur Viskositätsmessung vorzusehen. Die Durchführung des Verfahrens auf einer solchen dargestellten Druckmaschine ermöglicht ein komfortables Viskositätsmeßverfahren mit einer hohen und zeitlich konstanten Genauigkeit, das unabhängig ist von der Stärke der Strömung sowie von der Strömungsform.

Claims (10)

1. Verfahren zur Messung der Viskosität einer Flüssigkeit mittels eines Prozeßviskosimeters mit einem piezoelektrischen Kristall als Sensor (Sonde), wobei an den Kristall ein hochfrequentes elektrisches Feld angelegt wird und die Viskosität der Flüssigkeit aus der durch die externe Kraftwirkung (Schubspannung) behinderten Bewegung des Kristalls bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit zumindest teilweise Druckfarbe verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde in dem Farbkasten (3, 6), in der Zuleitung des Druckwerkes (7) in der Farbwanne (2, 8) oder an einer anderen Position des Farbversorgungssystems einer Druckmaschine eingebaut ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde nur einmal kalibriert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit reine Druckfarbe verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit ein Gemisch von Druckfarben und Verschnitt und/oder Lösemittel und/oder Wasser (Druckfarbengemisch) verwendet wird.

6. Verfahren zum Einstellen des Soll-Werts der Viskosität eines Druckfarbengemischs, bei dem zunächst ein Verfahren nach Anspruch 5 durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der auf diese Weise gemessene Ist-Wert der Viskosität mit dem Soll-Wert verglichen wird und aus diesem Differenzwert die Menge des erforderlichen Verschnitts und/oder Lösemittels und/oder Wassers berechnet und zugegeben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren vor Beginn des Druckvorgangs durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß während des Druckvorgangs die Temperatur des Druckfarbengemischs gemessen wird und bei Temperaturänderung der Soll-Wert der Viskosität gemäß den rheologischen Eigenschaften des Druckfarbengemischs geändert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Wert der Viskosität in Abhängigkeit von der beabsichtigten Druckdichte oder anderen für den Druckvorgang entscheidenden Parametern bestimmt wird.

10. Verfahren zum Erreichen des Soll-Werts des Deckungsgrades eines Druckprodukts, bei dem die tatsächliche Druckdichte durch eine Messung an dem fertigen Druckprodukt festgestellt und mit dem Soll-Wert des Deckungsgrades verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem erhaltenen Differenzwert eine Viskositätsänderung für das verwendete Druckfarbengemisch errechnet wird und diese Viskositätsänderung für nachfolgende Druckprodukte in einem Verfahren nach Anspruch 6 eingestellt wird.