DE593024C - Verfahren und Vorrichtung zur fortlaufenden Anzeige der Viskositaet von Fluessigkeiten, z. B. von Schmieroelen - Google Patents

Description

im.

18 ME?., 1934

AUSGEGEBEN AM 23. FEBRUAR 1934

Die Erfindung sucht die Aufgabe zu lösen, die Schmierfähigkeit von Ölen und anderen Flüssigkeiten während des Betriebes dauernd zu überwachen und zu messen. Namentlich bei Kraftfahrzeugen, aber außerdem allgemein bei Kraft- und Arbeitsmaschinen aller Art, ist es von großer Bedeutung, jederzeit an einem Meßinstrument den Grad der Viskosität ablesen und hiernach beurteilen zu können, ob ίο die im Betriebe befindliche Schmierflüssigkeit den Anforderungen der Maschine noch genügt oder ob die Flüssigkeit durch Nachfüllen verbessert oder durch neue Flüssigkeit ersetzt werden muß. Die Wirtschaftlichkeit des Betriebes wird dadurch wesentlich erhöht und unnützer Materialverbrauch, Materialabnutzung oder gar Materialzerstörung vermieden.

Es ist bekannt, daß man die Viskosität einer Flüssigkeit dadurch messen kann, daß man sie mit gleichbleibender Geschwindigkeit durch eine enge Düse oder Kapillarröhre hindurchdrückt und den Druck vor der Kapillare mißt, der direkt proportional der Viskosität ist. Es wurde schon vorgeschlagen, die Viskosität einer Flüssigkeit nach diesem Verfahren dadurch zu messen, daß man die Flüssigkeit in einen Behälter einfüllt und dann durch einen Kolben 0. dgl. mit gleichbleibender Geschwindigkeit durch die Ausflußdüse hindurchdrückt. Ein kontinuierliches Messen der Viskosität ist mit dieser Einrichtung nicht möglich.

Durch die vorliegende Erfindung wird nun eine kontinuierliche Anzeige, die an sich bei der Viskositätsbestimmung nicht neu ist, auch für die oben beschriebene Methode der Viskositätsbestimmung in sehr einfacher Weise ermöglicht und der Einfluß des spezifischen Gewichts der untersuchten Flüssigkeit auf die Genauigkeit der Messung weitgehend ausgeschaltet. Nach der Erfindung wird zur Gleicherhaltung der Strömungsgeschwindigkeit die Druckdifferenz

zwischen — des Druckes in der Leitung vor der

Verengung und dem ganzen Druck in der Verengung gemessen bzw. gleich erhalten, wenn »:i das Verhältnis der Gesamtreibung in der Verengung zur Teilreibung bis zur Meßstelle in der Verengung ist.

Es ist an sich bekannt, die Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten oder Gasen durch Gleicherhaltung der Differenz der Drucke vor und in einer Verengung der Leitung zu regeln, indem man den Druck an der einen Meßstelle auf die Oberseite und den Druck an der anderen Meßstelle auf die Unterseite eines Kolbens wirken läßt, der je nach der Größe der Druckdifferenz ein Ventil zur Gleicherhaltung der Druckströmungsmenge mehr oder weniger schließt. Die betreffenden bekannten Vorrichtungen sind jedoch für zähe Flüssigkeiten nicht verwendbar, weil bei zähen Flüssigkeiten infolge der durch die Viskosität entstehenden Reibungsdrücke wesentliche Fehlerquellen auftreten.

Wie nachstehend gezeigt wird, sind solche Fehlerquellen nach der vorliegenden Erfindung vermieden und die Strömungsgeschwindig-

keit unabhängig von der Zähigkeit gleichbleibend.

Es sei nun an Hand der Abb. ι der Zeichnung die Gleichung abgeleitet, aus der es sich ergibt, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit der Druckdifferenz zwischen einem Bruchteil des Druckes in der Leitung a vor der Verengung b und dem ganzen Druck in der Verengung b direkt proportional ist. Zur ίο Vereinfachung sei dabei vorerst angenommen,

■daß der bestimmte Teil — des Druckes P gerade

den Wert — besitze. Gemäß Abb. ι ströme nun

eine Flüssigkeit durch eine Leitung wechselnden Querschnitts. Die Leitung besitze dieMeßstelleni, 2 und 3. Die Querschnitte an den Meßstellen 1 und 3 seien einander gleich, also F₁ = F₃. Dann sind auch die Strömungsgeschwindigkeiten an den Meßstellen 1 und 3 einander gleich, also D₁ = V₃. Die Meßstelle 2 ist an dem verengten Leitungsteil & angeordnet. Nach der sogenannten Kontinuitätsgleichung beträgt die Geschwindigkeit an der Meßstelle 2

ν., — ν-.

F₁ F., *

(i)

Ist die Flüssigkeit reibungslos, so gilt hinsichtlich der Drucke

P₃ = P₁ bzw. P₁ — P₁ = ο . (2) Nach Toricelli wird die Druckdifferenz

^Pi —^P* = ^Z-S- (ν-ϊ—wf) = 2 ·£--——²-· v\ . (3)

In dieser Formel bedeutet g das spezifische Gewicht der Flüssigkeit.

Wenn die Flüssigkeit zäh ist, so ändern sich durch den infolge der Reibung entstehenden Druckabfall die Gleichungen (2) und (3). Es wird dann

und

P₁-P., =

-Z-V-C₁,., (4)

-O₁ ⁸) +XT-W₁-C_1-2. (5)

In diesen Formeln bedeutet ζ die absolute Viskosität der Flüssigkeit, C₁₁₂ bzw. C₁₃ Konstanten für die Leitungsstücke ι bis 2 bzw. ι bis 3 (bei wirbelfreier Strömung), welche von der Gestalt der betreffenden Leitungsstücke abhängig sind.

Wenn für gleiche Reibung in den Leitungsstücken ι bis 2 bzw. 2 bis 3 gesorgt wird, so kann man setzen ί

Berücksichtigt man diese Gleichung (6) in den Gleichungen (4) und (5) und setzt man dann die Gleichung (4) in die Gleichung (5) ein, so ergibt sich

Da sich der Leitungsteil c, der die Meßstelle. 3 enthält, am Leitungsende befindet, so ist

■ P₁ = O. (8)

Dieser Wert, in Gleichung (4) eingesetzt, ergibt

F₁ —2-W₁-Oj,.,. (9J

Ferner ergibt sich unter Einsetzung der Gleichung (8) in die Gleichung (7):

η — O \ — X I O 77— " * * '

Aus dieser Gleichung (10) ergibt sich deutlich, daß die Druckdifferenz —~ P₂ nicht mehr

von der Viskosität, sondern nur noch von der Strömungsgeschwindigkeit abhängig ist. Es ergibt sich daher ohne weiteres, daß die Strömungsgeschwindigkeit gleich erhalten bleibt,

wenn die Druckdifferenz — P., gleichen Wert

behält.

Es muß also, wie im folgenden beschrieben wird, zur Konstanthaltung der Strömungsgeschwindigkeit die Druckdifferenz -~ ■—■ P₂ konstant gehalten werden.

Die Messung der Druckdifferenz —_-·- P₂

wird durch zwei an den Meßstellen 1 und 2 angeschlossene Kolben oder Membranen d und e erreicht, die einen Flächeninhalt f_t bzw. /"«. besitzen und auf einen um den Drehpunkt g schwenkbaren doppelarmigen Hebel Ii in einem bestimmten, sogleich zu erläuternden Hebelverhältnis I₁ : I₂ einwirken. Wenn man nämlich die. Größe der Membranquerschnitte f_x und f₂ sowie die wirksamen Hebelarme I₁ und I₂ in einem solchen Verhältnis zueinander wählt, daß

fi'h=--f*'h («)

wird, so ist das im Sinne des Pfeiles i auf den Hebel h ausgeübte Drehmoment proportional der Druckdifferenz --— —- P₂, wie sich

ohne weiteres ergibt, wenn man in das Drehmoment

die Gleichung (11) einsetzt. Es ist also Ί· fi-h — P»'/2·h proport. -¹ — P₂. (13)

Aus der Gleichung (13) ergibt sich, daß das

auf den Hebel h ausgeübte Drehmoment im Sinne des Pfeiles i um so größer wird, je größer

die Druckdifferenz —± P₂ wird, und um-

gekehrt. Der Ausschlag am Ende des Hebels h ist also immer der Zu- und Abnahme dieser Druckdifferenz unmittelbar proportional.

Diese Abhängigkeit des Ausschlages am Ende des Hebels h von der genannten Druckdifferenz

ίο wird gemäß der Erfindung zur Gleicherhaltung der Strömungsgeschwindigkeit- benutzt. Zu diesem Zwecke ist nach Abb. 2 ein in dem Leitungsteil α liegendes Abschlußorgan k durch Lenker in o. dgl. mit dem Hebel h derart verbunden, daß das Abschlußorgan den Durchflußquerschnitt bei steigender Druckdifferenz ρ

-^- — P₂ verkleinert und bei fallender Druckdifferenz vergrößert. Das Abschlußorgan k wird derart gebaut, daß es überkompensiert; d. h. die Änderungen des Durchflußquerschnittes nach oben oder unten sind so groß, daß die Druckdifferenz stets auf einem Mittelwert konstant gehalten wird. Nach Gleichung (10) bedeutet aber diese Gleicherhaltung der Druckdifferenz auch die Gleicherhaltung der Strömungsgeschwindigkeit in dem Leitungsteil a. Die Viskosität wird bei der beschriebenen Einrichtung in einfacher Weise durch ein nach Viskositätseinheiten geeichtes, kurz vor der Verengung b im Leitungsteil α angeschlossenes Manometer η gemessen. Da nämlich nach Gleichung (9) P₁ = ζ -V₁- C_L3, so ist bei der oben beschriebenen Gleicherhaltung der Strömungsgeschwindigkeit V₁

P₁ = proport. ζ.

(14)

Man hat also mit der Messung des Druckes P₁ durch das Manometer η an der Meßstelle i im Leitungsteil α ein unmittelbares Maß für die Viskosität.

Eine am Hebel h angeordnete Feder 0 dient als Ventilfeder zur Dämpfung der auftretenden Schwingungen.

Während in Abb. 2 die Kolben oder Membranen d und e nebeneinander auf der unteren Seite der Leitung angeordnet sind, kann die eine dieser Meßstellen auch, wie es aus Abb. 3 ersichtlich ist, oben und die andere unten angeordnet werden. In Abb. 3 ist die Membrane ^ oben unmittelbar neben der Anschlußstelle des Manometers η angebracht, während sich die Membrane e unten befindet und mit der Verengung b verbunden ist. Bei einer derartigen Anordnung stören sich die beiden Membranen ä und e in ihrer Lage nicht, man kann sie beliebig groß machen, wie es gerade die Gleichung (11) erfordert. Der Drehpunktg desHebelsÄ liegt in diesem Falle auf der rechten Seite der ganzen

Einrichtung, und die Drücke —_-'-■ und P₂ wirken nach entgegengesetzten Richtungen. Auf diese Weise ergibt sich ein gleiches Drehmoment wie in Abb. 2.

Die vorstehenden Formeln waren unter der Voraussetzung abgeleitet, daß in den Leitungsstücken ι bis 2 bzw. 2 bis 3 gleiche Reibung vorhanden ist. Wenn man jedoch allgemein

die Reibung im Leitungsstück 1 bis 2 — der

Gesamtreibung in dem Leitungsstück 1 bis 3 betragen läßt, so lautet Gleichung (6) allgemein

C₁₃ = Ii-C₁... (6a)

Unter Berücksichtigung dieser allgemeinen Gleichung (6a) ergibt sich dann auf Grund von Rechnungen, die vollkommen den oben angegebenen Rechnungen entsprechen, daß —- ■ P,

von der Viskosität unabhängig und eine reine Geschwindigkeitsfunktion ist. Man kann also die Gleicherhaltung der Strömungsgeschwindigkeit durch Gleicherhaltung der Druckdifferenz

P 0-

zwischen einem bestimmten Teil —— des Druk-

kes P₁ in der Leitung vor der Verengung b und dem ganzen Druck P₂ in der Verengung δ erzielen. Hierbei bedeutet η das Verhältnis der Gesamtreibung im Leitungsstück 1 bis 3 zur Teilreibung in dem Leitungsstück 1 bis 2.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur fortlaufenden Anzeige der Viskosität von Flüssigkeiten, z. B. von Schmierölen, durch Messung des Druckes vor einem Leitungsstück, insbesondere einer Kapillare, durch welches der Flüssigkeitsstrom mit gleichbleibender Geschwindigkeit hindurchgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Gleicherhaltung der Strömungsgeschwindigkeit die Druckdifferenz!— P₂) zwischen— des Druk-

\ η ²J η

kes (P₁) in der Leitung vor der Verengung (δ) und dem ganzen Druck (P₂) in der Verengung gemessen bzw. gleich erhalten wird, wenn 11:1 das Verhältnis der Gesamtreibung in der Verengung (in dem Leitungsteil 1 bis 3) zur Teilreibung bis zur Meßstelle in der Verengung (in dem Leitungsteil 1 bis 2) ist.

2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Druckdifferenz

(— P₂) durch zwei an den betreffenden Leitungsstellen (a, b) angeschlossene Kolben oder Membranen (d, e) erreicht wird, die auf einen doppelarmigen Hebel (Ji) in einem solchen Hebelverhältnis (I₁ : L) einwirken,

daß das auf den Hebel ausgeübte Drehmoment proportional der genannten Druckdifferenz wird.

3, Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein von dem doppelarmigenHebel (A) bewegtes Abschlußorgan(k) bei steigender Druckdifferenz die Durchflußöffnung verkleinert, und umgekehrt, PJ π η

und dadurch die Strömungsgeschwindigkeit gleich erhalten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen