DE3490680C2 - Vibrationsrheometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Vibrationsrheometer der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art. Ein solches Rheometer ist aus der US-Z "Industrial Laboratories", Vol. 36; 1970; S. 1950-1954 bekannt.

Derartige Rheometer werden zur Untersuchung viskoser Medien durch Messung der Reaktion des zu untersuchenden Stoffes auf eine vorgegebene mechanische Deformation verwendet, zum Beispiel bei Einwirkung von harmonischen oder nichtharmonischen Schwingungen, einer aufgeprägten kontinuierlichen Drehung und ähnlichem. Die zu messenden Parameter umfassen den dynamischen Elastizitätsmodul, die in dem zu untersuchenden Stoff auftretenden Verluste und andere mit der Viskosität des Mediums verbundene Größen.

Das bekannte Vibrationsrheometer weist dazu eine Meßeinheit mit zwei koaxialen Zylindern auf, zwischen denen sich die zu untersuchende Substanz befindet. Mittels eines Elektromotors und eines Exzentergestänges wird der äußere der beiden Zylinder in periodische Torsionsschwingungen versetzt. Der innere Zylinder kann unabhängig davon durch einen weiteren separaten Antrieb in eine kontinuierliche Drehung versetzt werden. Die zu messenden viskoelastischen Werte werden über Dehnungsmeßeinrichtungen am inneren und äußeren Zylinder aufgenommen und festgestellt.

Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die erhaltenen Meßwerte schwierig zu interpretieren und ungenau sind, da den Relativwerten, aus denen allein die erwünschten viskosimetrischen Daten zu erhalten sind, Störungen durch die Absolutwerte beispielsweise der kontinuierlichen Drehung des inneren Zylinders und durch apparative Fehler wie einer Nichtaxialität der beiden Zylinder überlagert sind. Außerdem kann der Exzenterhub des äußeren Zylinders und die Drehgeschwindigkeit des inneren Zylinders nur stufenweise durch Auswechseln entsprechender Getriebeteile geändert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Rheometer der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß genaue Messungen mit stufenlos veränderbaren Parametern durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst.

Die erfindungsgemäße Kopplung der beiden Antriebe über eine Regelstrecke für den ersten Antrieb, wobei die Achse des ersten Elementes der Meßeinheit fest eingespannt ist und das zweite Element allein aktiv bewegt wird, ermöglicht es, daß sich das Magnetsystem an der vom zweiten Antrieb gedrehten Halterung und der Hall-Sensor an der Welle des ersten Antriebs bei der kontinuierlichen Drehbewegung synchron drehen und daher das Ausgangssignal des Hall-Sensors dabei gleich Null ist. Bei der zusätzlichen Überlagerung einer Drehschwingung am ersten Antrieb führt der Hall-Sensor entsprechende Schwingungen im Magnetfeld des Magnetsystems aus und gibt entsprechende Ausgangssignale ab, die eine sehr genaue Bestimmung der gewünschten Daten ermöglichen. Die Rotations- und Schwingungsfrequenzen lassen sich durch entsprechende Vorgabe elektrischer Signale einfach und stufenlos einstellen. Der erfindungsgemäß vorgesehene Hall- Sensor hat dabei noch den besonderen Vorteil, die Magnetfelder unmittelbar und auch statisch zu erfassen, im Gegensatz etwa zu magnetischen Wandlern vom Induktionstyp.

Ein Ausführungsbeispiel des Vibrationsrheometers wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Meßeinheit und eine Halterung für ein Magnetsystem.

Das Vibrationsrheometer enthält eine Meßeinheit 1 mit zwei Elementen 2 und 3, die koaxial angeordnete Zylinder darstellen und einen Zwischenraum für die Aufnahme des zu untersuchenden Stoffes 4 bilden. Das Element 2 sitzt an einer Achse 5, von der ein Ende in einem Gehäuse befestigt ist (in der Zeichnung ist die Befestigung der Achse 5 schematisch gezeigt), und kann Torsionsschwingungen um diese Achse 5 ausführen, an der sich auch ein erster Wandler 6 zur Feststellung der Winkelverschiebung des Elements 2 befindet, der an ein Registriergerät 7 angeschlossen ist. Die Achse 5 stellt ein geeichtes Torsionselement dar, und das Registriergerät 7 schließt zwei Analog- Digitalwandler, einen Mikrorechner und einen Drucker ein. Das zweite Element 3 ist mit der Welle 8 eines ersten Antriebs 9 fest verbunden, dessen Bestandteile, eine Stelleinrichtung 10 (ein Motor oder ein mittels eines Untersetzungsgetriebes verbundenes System von Motoren), ein Tachogenerator 11 und ein Geber 12 an der Welle 8 angeordnet sind. Der Antrieb 9 wandelt das Signal, das von einer Steuereinheit 13 geliefert wird, in eine Winkelverschiebung des Elements 3 um. Die Steuereinheit 13 enthält eine Reihenschaltung aus einem Generator 14 für Signale vorgegebener Form (sinusförmige, sägezahnförmige, rechteckige, mäanderförmige u. a.), einem ersten Summierer 15, einem zweiten Summierer 16 und einem Leistungsverstärker 17. Dabei ist ein Eingang des ersten Summierers 15 an den Ausgang des Tachogenerators 11 geschaltet, ein Eingang des zweiten Summierers 16 liegt am Ausgang des Gebers 12, und der Ausgang des Leistungsverstärkers 17 ist an den Eingang der Stelleinrichtung 10 des Antriebs 9 angeschlossen. Das Vibrationsrheometer enthält auch einen zweiten Wandler 18 zur Feststellung der Winkelverschiebung des zweiten Elements 3. Zum Wandler 18 gehören ein Magnetsystem 19, ein Hall-Sensor 20, der mit der Welle 8 des Antriebs 9 fest verbunden ist und ein Stromabnehmer 21, der mit dem Registriergerät 7 elektrisch verbunden ist. Der Hall-Sensor 20 ist symmetrisch zu den Polen des Magnetsystems 19 eingebaut, das ein vierpoliges Magnetsystem darstellt, wobei die der Einwirkung von Magnetfeldern entgegengesetzter Polarität ausgesetzten Flächen des Hall-Sensors 20 gleich sind. Das Ausgangssignal am Stromabnehmer 21 ist dabei gleich Null. Das Magnetsystem 19 ist an einer Halterung 22 befestigt, die an der Welle 8 des Antriebs 9 sitzt und sich um diese Welle drehen kann. Das heißt, die Halterung 22 ist auf die Welle 8 mit Hilfe von Lagern 23 aufgesetzt.

Das Vibrationsrheometer enthält weiter einen Drehantrieb 24, der einen Motor 25, einen an seiner Welle 26 sitzenden und mit dem Antrieb 9 elektrisch verbundenen Drehgeschwindigkeitsgeber 27 und einen an den Motor 25 angeschlossenen Einsteller 28 für die Einstellung der Drehgeschwindigkeit der Welle 26 einschließt. Der Drehgeschwindigkeitsgeber 27 ist an den Geber 12 des Antriebs 9 angeschlossen. Die Halterung 22 des Magnetsystems 19 ist mit der Welle 26 des zum Drehantrieb 24 gehörenden Motors 25 über ein Zahnradgetriebe 29 kinematisch verbunden.

Die kinematische Verbindung des Drehantriebs 24 mit dem Wandler 18 und die elektrische Verbindung des Drehgeschwindigkeitsgebers 27 mit dem Geber 12 gewährleisten eine Synchrondrehung des Magnetsystems 19 und des Hall-Sensors 20.

Bei einer Betriebsart mit der kontinuierlichen Schubverformung überlagerten harmonischen (nichtharmonischen) Schwingungen funktioniert das Vibrationsrheometer wie folgt.

Das Ausgangssignal des Drehgeschwindigkeitseinstellers 28 für die Welle 26 gelangt zum Motor 25, wobei sich die Welle 26 mit der eingestellten Geschwindigkeit zu drehen beginnt und die Drehbewegung über das Zahnradgetriebe 29 mit Hilfe des Lagers 23 zur Halterung 22 mit dem daran befestigten Magnetsystem 19 des Wandlers 18 überträgt. Gleichzeitig erzeugt der Drehgeschwindigkeitsgeber 27 der Welle 26 ein Signal, das dem Geber 12 des Antriebs 9 zugeführt wird.

Gleichzeitig gelangt das Ausgangssignal des Generators 14 der Steuereinheit 13 zu einem Eingang des ersten Summierers 15, während dessen andere Eingang ein Dämpfungssignal vom Tachogenerator 11 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des ersten Summierers 15 wird auf einen Eingang des zweiten Summierers 16 gegeben, während auf dessen anderen Eingang das Ausgangssignal des Gebers 12 geführt wird. Das Ausgangssignal des zweiten Summierers 16 wird im Leistungsverstärker 17 verstärkt und von der Stelleinrichtung 10 des Antriebs 9 abgearbeitet. Die Welle 8, der Hall-Sensor 20 und das zweite Element 3 der Meßeinheit 1 vollführen Drehschwingungen, während die Halterung 22 mit dem Magnetsystem 19 nur eine rotierende Bewegung ausführt, wobei der Hall-Sensor 20 ständig in dem von dem Magnetsystem 19 erzeugten Magnetfeld liegt und in diesem Feld mit der Frequenz des Generators 14 schwingt. Das Ausgangssignal am Stromabnehmer 21, das der Deformationsamplitude der periodischen Verformung proportional ist, gelangt zu einem Eingang des Registriergeräts 7.

Die Bewegung des zweiten Elements 3 der Meßeinheit 1 wird über den zu untersuchenden Stoff 4 zum ersten Element 2 übertragen, welches mit der Achse 5 fest verbunden ist, wobei diese Achse 5 um einen bestimmten Winkel gedreht wird und in Bezug auf diese Lage Drehschwingungen mit der vom Generator 14 bestimmten Frequenz ausführt. Der Wandler 6 wandelt diese Bewegung in ein elektrisches Signal um, welches der Größe der im Stoff 4 entstehenden Spannungen proportional ist. Dieses Signal wird dem anderen Eingang des Registriergeräts 7 zugeführt.

Die dem Registriergerät 7 von den Wandlern 18 und 6 zugeführten Signale, welche die für den zu untersuchenden Stoff 4 vorgegebene Deformation und die in ihm entstehenden Spannungen kennzeichnen, werden mit Hilfe von Analog-Digital-Wandlern in einen äquivalenten Binärkode umgewandelt und in einen Mikrorechner eingegeben, der entsprechend dem eingegebenen Programm die Berechnung der rheologischen Parameter in der nachstehenden Folge durchführt.

1. Die Amplitude der periodischen Deformation γ₀:

Hierbei sind:

R - der Radius des Außenzylinders;
r - der Radius des Innenzylinders (d. h. des Elements 2);
A _OR - die Schwingungsamplitude des Außenzylinders;

A _or - die Schwingungsamplitude des Innenzylinders;
ϕ - der Phasenverschiebungswinkel von Schwingungen des inneren und des äußeren Zylinders.

2. Die Spannungsamplitude τ₀:

Hierbei sind:
C - die Steifigkeit des Torsionselements (konstante Größe für das benutzte Torsionselement);
J - Trägheitsmoment, das bei der Verdrehung des Innenzylinders in Bezug auf die Achse 5 entsteht;
ω - die Winkelgeschwindigkeit des Außenzylinders;
h - die Höhe der Schicht des zu untersuchenden Stoffes 4.

3. Der Elastizitätsmodul G′:

4. Der Verlustmodul G″:

5. Der dynamische Komplexmodul | G* |:

| G* | = √ (Pa)

Das Vibrationsrheometer kann auch bei Betriebsarten mit harmonischen (nichtharmonischen) Schwingungen sowie mit kontinuierlicher Schubverformung arbeiten. Im ersten Fall ist das Ausgangssignal des Drehgeschwindigkeitseinstellers 28 für die Welle 26 gleich Null, während im zweiten Fall das Ausgangssignal des Generators 14 gleich Null ist.

Claims (2)

1. Vibrationsrheometer, mit

   • - einer Meßeinheit (1), die zwei koaxiale Elemente (2, 3) enthält, zwischen denen ein Spalt zur Aufnahme eines zu untersuchenden Stoffes (4) vorgesehen ist,
     • - wobei das erste Element (2) an einer Achse (5) befestigt ist und Torsionsschwingungen ausführen kann, die von einem an der Achse (5) befestigten ersten Wandler (6) zur Feststellung der Winkelverschiebung des ersten Elementes (2) aufgenommen werden,
     • - während das zweite Element (3) der Meßeinheit (1) fest mit der Welle (8) eines ersten Antriebes (9) verbunden ist, der ein Signal von einer Steuereinheit (13) in eine Winkelverschiebung des zweiten Elements (3) umformt,
     • - wobei ein zweiter Wandler (18) die Winkelverschiebung des zweiten Elements (3) feststellt, und mit
   • - einem zweiten Antrieb (24), der eine kontinuierliche Drehbewegung ausführt,
2. dadurch gekennzeichnet, daß

   • - der zweite Wandler (18) ein ein symmetrisches Magnetfeld erzeugendes Magnetsystem (19) und einen im Magnetfeld angeordneten Hall-Sensor (20) aufweist,
     • - wobei das Magnetsystem (19) an einer Halterung (22) befestigt ist, die an der Welle (8) des ersten Antriebs (9) angebracht ist, wobei die Halterung (22) mit dem zweiten Antrieb (24) kinematisch verbunden ist und sich um die Welle (8) drehen kann, und daß
   • - der erste Antrieb (9) in Abhängigkeit vom zweiten Antrieb (24) so geregelt ist, daß periodischen Oszillationen der Welle (8) eine mit der Drehung der Halterung (22) synchrone Drehung überlagerbar ist, wodurch eine Synchrondrehung des Magnetsystems (19) und des im Magnetfeld angeordneten Hall-Sensors (20) erfolgt.