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Viskosimeter, insbesondere Plastometer
Die Erfindung betrifft ein Viskosimeter
bzw. Plastometer für hochviskose bzw. plastische Meßstoffe.
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Plastometer dienen zur Beobachtung und Messung des Fließverhaltens
solcher formbeständiger Stoffe, die bereits durch relativ geringe Schub- bzw. Scherkräfte
ihre Form verändern (Fette, Wachse, Glaserkitt, Kunststoffe, Modellierton usw.).
Bekannte Plastometer arbeiten in der Weise, daß der zu messende Stoff sich zwischen
zwei Flächen befindet, von denen die eine in Ruhe, die andere parallel zu ihr beweglich
ist. Die Kraft, die aufgewendet werden muß, um die bewegliche Fläche mit einer bestimmten
Geschwindigkeit in Bewegung zu halten, ist das Maß für die Viskosität bzw. Plastizität
des zu messenden Stoffes. Man hat die Meßflächen verschiedenartig ausgebildet: planparallel,
zylindrisch, kugelförmig. In allen diesen Fällen war der Abstand der beiden Meßflächen
im gesamten Meßraum gleich groß. Dies hätte auch bei Verwendung kegelförmiger paralleler
Arbeitsflächen den Nachteil, daß im Meßraum nicht an allen Punkten die gleiche Schubspannung
herrscht. Diese verändert sich vielmehr kontinuierlich mit dem Querschnitt des inneren
Kegels, wodurch bei dem Newtonschen Gesetz nicht gehorchenden Meßstoffen falsche
Meßergebnisse entstehen.
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Die Erfindung vermeidet diesen Übelstand dadurch, daß die beiden
Kegelflächen, also die des Hohlkegels und des Kegels, zwischen denen der Versuchsstoff
sich befindet, nicht den gleichen Spitzenwinkel, sondern voneinander verschiedene
Winkel aufweisen. Als zweckmäßig erweist sich für den Innenkegel ein Winkel von
etwa 60" und für den Hohlkegel ein Winkel von etwa 80". Auf diese Weise wird die
innere Spitze des Hohlkegels zugleich der Rotationspunkt für die Spitze des Innenkegels.
Dann verläuft der Querschnitt des Meßraumes keilförmig von Null bis (R»R),
wobei
R2 = Radius der Basisfläche des Hohlkegels undRi=Radius der Basisfläche des Innenkegels
bedeuten.
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Es besteht also im gesamten Meßraum an jeder Stelle die gleiche Schub-
bzw. Scherspannung. Ein weiterer Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, daß der
sich drehende Innenkegel zugleich eine zwangsläufige und einwandfreie konzentrische
Führung erhält, eine bequeme und sichere Handhabung gewährleistet ist sowie für
eine Messung bereits eine Versuchsstoffmenge von 1 g ausreicht.
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Der Drehkörper wird zweckmäßig am Ende einer vertikal gelagerten
Welle auswechselbar befestigt und durch einen Kegeltrieb od. dgl. mit einem Waagebalken
gekuppelt, der durch ein veränderliches Gewicht den Drehkörper gegenüber dem zu
messenden Stoff zu verdrehen erlaubt. Um dieWinkelgeschwindigkeit der Welle unmittelbar
feststellen zu können, trägt diese eine in Winkelgrade unterteilte Skalentrommel,
die jeweils zu einem Teil unter einer Meßmarke eines Beobachtungsfensters sichtbar
wird, so daß sie mit einer Stoppuhr gemessen werden kann. Zwischen Kegeltrieb und
Waagebalken wird ein Freilaufgesperre vorgesehen und der Waagebalken durch ein Hubmittel,
z. B. einen Hebel, jeweils schnell wieder in die Ausgangslag&'zurückgeführt.
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Wenn man z. B. Kunstharz auf sein Verhalten, etwa zur Ermittlung
der erforderlichen Härtezeit, in solcher Weise prüfen will, hat sich gezeigt, daß
nach Erhärten des Meßstoffes dieser sowohl an der Wandung des Außenbehälters wie
an der des Innenkegels festbackt, so daß er nur mit schwierigster mechanischer Reinigung
entfernt werden kann. Dabei bleiben aber Beschädigungen der Flächen zurück, und
infolgedessen würde eine spätere Messung mit denselben Kegelflächen Meßgenauigkeitsfehler
zur Folge haben. Es ist daher vorteilhaft, die beiden Drehkörper, also Hohlkegel
und Innenkegel, aus Kunstharzpreßmasse od. dgl. herzustellen und diese Teile so
als auswechselbare Bestandteile auszubilden, daß sie jeweils nach dem Versuch als
verlorene Teile unbedenklich weggeworfen werden können, da sie sich weit billiger
herstellen lassen, als die Kosten der Reinigung betragen.
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Namentlich wenn man Fließpunktversuche durchführen will, bei denen
also die Verdrehung des Innenkegels gerade einsetzt, empfiehlt sich ein sanftes
Auflegen der Feingewichte. Zu diesem Zweck wird eine besondere Anordnung getroffen;
die normalen Gewichte werden ebenso wie die Waagschale in der Mitte durchlocht,
so daß ein Schacht entsteht. Im Bereich der Gewichtsschale wird ein Steg vorgesehen,
der mittels einer steilgängigen Spindel auf und ab verstellbar ist. An ihm wird
über der Schachtmitte ein konischer Stab aufgehängt, auf dem in gewissen Abständen
eine Reihe von Feingewichten als Gewichtsstapelsatz so angeordnet ist, daß sich
beim Senken dieses Stapelsatzes die einzelnen losen Feingewichte nacheinander auf
den Gewichtssatz der Gewichtsschale auflegen. Selbst wenn unvorsichtigerweise einmal
ein Gewicht zuviel' aufgesetzt wird, bewegt sich die Waagschale nur um den Abstand
zweier Feingewichte. Der Innenkegel also macht nur eine ganz geringeBewegung gegenüber
der zu untersuchenden Masse.
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Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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Fig. I zeigt eine Seitenansicht teilweise geschnitten, Fig. 2 in
vergrößertem Maße die Meßstelle im Schnitt.
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Der zu untersuchende hochviskose Stoff I befindet sich in dem Raum
zwischen der Innenwandung des Hohlkegels 2 von etwa 82" Öffnungswinkel und der Außenwandung
eines Kegels 3 von etwa 60° Öffnungswinkel und 17,9 mm Seitenlänge. Der Hohlkegelkörper
2 wird als auswechselbarer Körper in den undrehbaren Einsatzkörper 5 eingeschraubt,
der von einem Temperierbad 7, dessen Temperatur an einem Thermometer 6 abgelesen
werden kann, umgeben ist.
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Dieses Aggregat I bis 7 ist auswechselbar und zentrierbar mittels
Zapfen und Mutter g auf einem Tisch 8 befestigt. Der Innenkegel 3 wird von einer
Welle 4 getragen, die mittels einer Kupplung 10 mit der vertikalen Antriebswelle
II verbunden ist. Sie trägt an ihrem oberen Ende einen Kegellrieb I2, I3. Den Antrieb
des Kegelrades I3 bewirkt ein Waagebalken I6, an dessen freiem Ende an einem flexiblen
Band eine Waagschale I7 mit Gewichten I8 angebracht ist und der mit dem Kegelrad
I3 durch ein Freilaufgesperre, Sperrad 14 mit Sperrklinke I5 gekuppelt ist. Durch
einen Hebel 19 kann der Waagebalken I6 jeweils schnell wieder in seine Anfangslage
zurückgebracht werden.
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Die Welle II trägt außerdem eine in Winkelgrade eingeteilte Skalentrommel
20, die sich hinter einem mit Meßmarke versehenen Fenster vorbeidreht und mit deren
Hilfe die Winkelgeschwindigkeit gemessen werden kann. Mittels Stellschraube 21 und
Dosenlibelle 22 kann das Instrument justiert werden. Die Gewichte r8 sind in der
Mitte durchbrochen, ebenso die Waagschale. Sie werden zunächst nach Schätzung aufgelegt.
Im Bereich der Waagschale I7 ist ferner eine steilgängige Spindel 24 vorgesehen,
an deren vorspringendem Steg 25 der nach unten konisch sich verstärkende Träger
26 einer Reihe von fein abgestuften, lose nach oben verschiebbaren Gewichten 23
aufgehängt werden kann.
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Die Messung geht in folgender Weise vor sich: Nachdem der zu untersuchende
Stoff I in den Hohlkegel 2 eingebracht und der Innenkegel3, 4 in die Kupplung 10
der Welle II eingesetzt ist, wird der Hebel 19 ausgerückt, so daß der Waagebalken
r6 frei wird.
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Durch die Gewichte I8 wird auf den Innenkegel 3 ein meßbares Drehmoment
ausgeübt. Die Bezifferung der Gewichte erfolgt zweckmäßig in Drehmomenteinheiten
g cm. Mit einer Stoppuhr wird nun die Winkelgeschwindigkeit des Innenkegels in "/sec
bestimmt. Beide Meßwerte ergeben zusammen mit den geometrischen Abmessungen von
Innenkegel 3 und Hohlkegel 2 nach der Formel
die Viskosität bzw. Plastizität des untersuchten Stoffes.
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Für Fließpunktbestimmungen dient der Schaltgewichtssatz 23, nachdem
er am senkbaren Haltesteg 25 aufgehängt ist. Bei seiner Abwärtsbewegung legen sich
nacheinander die einzelnen Gewichte 23 auf die durchbrochenen Gewichte I8 der Waagschale
I7, wobei der Träger 26 der Gewichte 23 im mittleren Hohlraum freien Raum vorfindet.
Auf diese Weise kann durch Verstellung der Spindel 24 ganz genau der Zeitpunkt des
Fließens bestimmt werden. Selbst wenn einmal ein Gewicht 23 zuviel zum Aufsetzen
gebracht wurde, wird dieses sofort wieder durch Abwärtsgang der Waagschale I7 vom
Gewichtsträger 26 aufgenommen. Eine sonst möglich gewesene Überlastung hätte die
ganze Fließpunktbestimmung unbrauchbar gemacht. An Stelle dieses Schaltgewichtssatzes
23 kann auch ein kontinuierlich sich einstellendes Federdynamometer vorgesehen werden.
Da der Innenkegel3 eine Mantelfläche von genau 5 cm2 besitzt und das auf diese wirkende
Drehmoment durch unmittelbare Ablesung der Gewichte bekannt ist, läßt sich mit dieser
Vorrichtung der rheologische Fließpunkt eines Stoffes, z. B. Fett, sehr schnell
und exakt bestimmen.