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Hintergrund
der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Messen der Viskosität
einer Flüssigkeit,
bei dem ein Dreh-Messkopf in die Flüssigkeit eingeführt wird
und das auf dem Messkopf ausgeübte
Drehmoment erfasst wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Viskosimeter
zur Implementierung dieses Verfahrens, wobei das Instrument einen
Antriebsmotor umfasst, welcher mit einem Drehmomentsensor versehen
ist, und dafür
angepasst ist, einen Messkopf zu drehen, der in eine Flüssigkeit
eingetaucht werden kann.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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In vielen industriellen Prozessen
ist die Viskosität
der beteiligten Flüssigkeiten
von entscheidender Wichtigkeit für
die Ausführbarkeit.
Ein typischer Fall ist die Erzeugung von Glasbehältern, in welchen eine Flüssigkeit
(hier natürlich
geschmolzenes Glas) in sorgfältig
eingestellten Chargen aus einem Ofen über so genannte Speisekanäle in eine
Maschine für das
Blasen von Glasflaschen eingespeist wird. Trotz der Tatsache, dass
die Viskosität
des geschmolzenen Glases für
die Größe und Form
der Chargen, sowie für
die Formbarkeit des geschmolzenen Glases in dem Glasblasvorgang
von großer
Wichtigkeit ist, wird derzeit keine tatsächliche Messung der Viskosität des geschmolzenen
Glases durchgeführt.
Statt dessen beschränkt
man sich darauf, die Viskosität
indirekt durch Erfassen der Temperatur des geschmolzenen Glases,
optional in Kombination mit der Überwachung
der Form der Charge des abgestochenen geschmolzenen Glases zu bestimmen.
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In einem fortlaufenden Prozess liefert
eine derartige Lösung
meistens ausreichende Ergebnisse, jedoch kann insbesondere bei einem
Startvorgang nach einer Unterbrechung oder nach einer Veränderung
beispielsweise der Glassorte (d.h. der Farbe oder Qualität) ein Anfangsverlust
von ziemlicher Größe kaum
vermieden werden.
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Ein Grund für das Fehlen einer Viskositätsmessung
in der derzeitigen Produktion von Glasbehältern ist beispielsweise trotz
der offensichtlichen Vorteile, die durch eine derartige Messung
geboten werden, dass die herkömmlichen
Messverfahren und Viskosimeter für
diesen Zweck nicht geeignet sind.
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Von den herkömmlichen Viskosimetern sind insbesondere
Dreh- bzw. Rotationsviskosimeter zu erwähnen. Die Rotationsviskosimeter
umfassen einen Motor, welcher einen Messkopf dreht, welcher in einer
vorgegebenen Weise in die Flüssigkeit
einzutauchen ist, deren Viskosität
zu bestimmen ist. Die Viskosität
wird dann tatsächlich
aus der Erfassung des Drehmomentes ermittelt, welchem der Messkopf ausgesetzt
ist, wenn er in der Flüssigkeit
gedreht wird. Ein derartiges Viskosimeter ist beispielsweise aus
US 3 115 769 bekannt.
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Wenn zuverlässige Ergebnisse erzielt werden
sollen, müssen
die Rotationsgeschwindigkeit und die Eintauchtiefe des Messkopfes
in die Flüssigkeit
bekannt sein, da diese Parameter natürlich das Drehmoment und somit
die Messergebnisse beeinflussen. Außerdem muss die Position des
Messkopfes, wenn er in die Flüssigkeit
eingeführt
wird, gut definiert sein, da beispielsweise die Seitenwände des die
Flüssigkeit
enthaltenden Behälters
ebenfalls das Drehmoment beeinflussen. Nachstehend wird dieser Effekt
als ein Randeffekt bezeichnet.
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In einem Speisekanal des in der Einführung erwähnten Typs
ist es jedoch nicht möglich,
zuverlässig
weder die Einführtiefe
des Messkopfes noch seine Position zu messen, teilweise deshalb,
weil sich das analysierte geschmolzene Glas in einer kontinuierlichen
Bewegung befindet, teilweise, weil das geschmolzene Glas teilweise
die Wände
des Speisekanals so verschleißt,
dass die Strömungsbedingungen in
dem Speisekanal einer kontinuierlichen Veränderung unterliegen.
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Abgesehen von ihrer eingeschränkten Praxistauglichkeit
unterscheiden sich die herkömmlichen Rotationsviskosimeter
durch den Umstand, dass viel Aufmerksamkeit der Qualität und der
Kalibrierung des Drehmomentinstrumentes (der Offsetwert des Drehmomentinstrumentes
muss bekannt sein) zu widmen ist, da nur ein einziger Wert des Drehmomentes
pro Messstelle für
die Ermittlung der Viskosität
erhalten wird.
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Aufgabe der
Erfindung
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Angesichts der Mängel des Stands der Technik
besteht die Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung eines
Viskositäts-Messverfahrens,
welches sowohl die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet als
auch in einem einfachen Viskosimeter, das für die Implementation dieses
Verfahrens gedacht ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der Erfindung wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren gelöst,
welches von dem in der Einführung
beschriebenen Typ ist, und welches dadurch gekennzeichnet ist, dass
der Messkopf mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit
gedreht wird, dass das Drehmoment bei zwei Einführtiefen des Messkopfs in die
Flüssigkeit
erfasst wird und dass die Viskosität der Flüssigkeit auf der Basis der Veränderung
im Drehmoment zwischen den zwei Einführtiefen und dem Abstand dazwischen
berechnet wird. In günstiger
Weise ist das für
die Implementierung dieses Verfahrens verwendete Viskosimeter dadurch
gekennzeichnet, dass der Messkopf kreiszylindrisch ist und zur Rotation
um seine Zylinderachse herum und zum Eintauchen in die Flüssigkeit
entlang dieser Achse und bis zu einer optionalen Tiefe angepasst
ist.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung, welches somit
nicht einen gemessenen Wert einer gegebenen Einführtiefe verwendet, sondern
welches eine Differenz zwischen zwei Messwerten an unterschiedlichen
und unkritischen Einführtiefen
verwendet, stellt somit in einer überraschend einfachen Weise
eine hoch zuverlässige
Messung der Viskosität
der analysierten Flüssigkeit
bereit. Da es zusätzlich
nur die Differenz zwischen den zwei gemessenen Werten ist, die hier
von Interesse ist, kann das in der Messung verwendete Viskosimeter
von extrem einfacher Konstruktion sein, und das Drehmoment kann
beispielsweise mit Hilfe eines einfachen Winkelmessgebers erfasst
werden.
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In einer bevorzugten Implementationsart
des Verfahrens gemäß der Erfindung
wird der Messkopf in die Flüssigkeit
mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit eingeführt, um
somit die Definition des Abstandes zu erleichtern, welcher zwischen den
zwei Einführtiefen
liegt.
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Schließlich ist eine bevorzugte Ausführungsform
des Viskosimeters gemäß der Efindung
dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende des Messkopfes abgerundet
oder konisch ist, da dieses sowohl die Muldenbildung, die beim anfänglichen
Einführen
des Messkopfes in die Flüssigkeit
entsteht, als auch den Beitrag durch das Ende des Messkopfes auf
das Drehmoment während
der Drehmomentmessung verringert.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nun detaillierter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in welchen:
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1 einen
Querschnitt eines Speisekanals für
geschmolzenes Glas darstellt und in einem Teilquerschnitt ein erfindungsgemäßes Viskosimeter, das über dem
Speisekanal angeordnet ist;
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2 das
Viskosimeter in 1 in
einem größeren Maßstab darstellt;
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3 das
Viskosimeter von der Seite und teilweise im Schnitt dar stellt;
und
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4 schematisch
das freie Ende eines Messkopfes gemäß der Erfindung dar stellt
und ferner einige Parameter veranschaulicht, welche in den Viskositätsberechnungen
in Verbindung mit dem Verfahren gemäß der Erfindung verwendet werden.
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Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
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Eine Formel zur Berechnung der Viskosität einer
Flüssigkeit
in einer per se bekannten Art auf der Basis der Drehmomentwerte
eines Rotationsviskosimeters berücksichtigt
die von der Flüssigkeit
an den Messkopf von den Seiten und der Unterseite (Ende) aus übertragenen
Teildrehmomente. Insbesondere berücksichtigt man die Endeffekte,
welche an dem Ende des Messkopfes auftreten. Eine Formel zur Berechnung
einer Freifeldmessung unter Verwendung eines glatten Rotationskörpers mit
konstantem Durchmesser in einer newtonschen Flüssigkeit kann wie folgt lauten.
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M = π·a4·n·Ω·(1 + [1] (1·4·h)/(a4·(1/a2)·(1/b2)) + [2] 4·1/a·Σ(An·I2·n·a/I) + [3] 8·1/(π·a2)·Σ(Bn·(sinh(Kn·h)/Kn))) [4]
wobei
M
das durch die Flüssigkeit
auf den Messkopf ausgeübte
Drehmoment ist,
Ω die
Rotationsgeschwindigkeit des Messkopfes ist,
a der Radius des
Messkopfes, und
h die Höhe
des Messkopfes ist.
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Die Ausdrücke [3] und [4] veranschaulichen das
zusätzliche
Drehmoment aufgrund der Randeffekte.
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Die Viskosität n wird aus der Gleichung
erhalten.
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Indem man gemäß der Erfindung die Differenz
zwischen zwei Drehmomentwerten die an unterschiedlichen Positionen
in der Flüssigkeit
gemessen werden, verwendet und dann die Viskosität berechnet, erhält man:
- a) dass die gemessene Differenz im Drehmoment der
Veränderung
im Drehmoment entspricht, die durch eine vorbestimmte Veränderung
der Tiefe der Einführung
in die Flüssigkeit
erhalten wird. Kurz gesagt, die anderen Parameter wie z.B. die Rotationsgeschwindigkeit
und der Querschnitt der Flüssigkeit
werden konstant gehalten. Auf diese Weise wird die Differenz im
Drehmoment ein Maß der
Viskosität
in der Schicht der Flüssigkeit,
welche zwischen den zwei Positionen liegt;
- b), dass das durch die Randeffekte bewirkte zusätzliche
Drehmoment in der Berechnung der Viskosität subtrahiert werden kann.
Die Randeffekte, d.h., die Veränderung
im Drehmoment, welche beispielsweise durch die Seitenwände eines
Speisekanals bewirkt werden, können
während
der Positionierung des Messkopfes als konstant angenommen werden.
Solange die Einführtiefe
des Messkopfes verändert
wird, allerdings in einem kleinen Schritt in Bezug auf den Abstand
der Spitze des Messkopfes zu der nächst gelegenen Wand, ist der
Fehler vernachlässigbar;
und
- c), dass die Offset-Fehler des Drehmomentsensors, d.h., die
Abweichungen von dem tatsächlich gemessenen
Drehmoment in der unter Punkt b) dargestellten Weise kompensiert
werden.
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Indem gemäß der Erfindung eine kontinuierliche
Positionierung (Einführung)
des Messkopfes angewendet wird, wird es möglich,
- d)
die Viskosität
mit Hilfe des Differentials des Drehmomentwertes zu berechnen;
- e) in der unter Punkt b) vorstehend dargestellten Weise die
Muldenbildung zu eliminieren, die entsteht, wenn der Messkopf die
Oberfläche
der Flüssigkeit
als eine Folge von durch den Messkopf während seiner Positionierung
mitgenommenen Materials bricht, welche das aus dem Messkopf erhaltene
Drehmoment beeinflusst; und
- f) mit Hilfe des zweiten Differentials einen numerischen Wert
der relativen Größe der Veränderung in
der Viskosität,
falls überhaupt
vorhanden, über den
Querschnitt zu erhalten, über
welchen der Messkopf bewegt wird.
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Mit Hilfe einer einen Messkopf, welcher
in Bezug auf die Flüssigkeit
während
der Messung bewegt wird, umfassenden Vorrichtung ist es möglich,
- g) die Viskosität der Flüssigkeit an mehreren unterschiedlichen
Punkten zu bestimmen.
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Das vorstehende Verfahren, in welchem
die Veränderung
im Drehmoment während
der Repositionierung des Messkopfes zur Berechnung der Viskosität verwendet
wird, macht von der nachstehenden Formel für einen kreisförmigen Messkopf
Gebrauch, welcher in der Flüssigkeit
zur Rotation gebracht wird:
wobei
M das Drehmoment
ist, das auf den Messkopf ausgeübt
wird,
δh
die Veränderung
der Einführtiefe
ist.
h die aktuelle Einführtiefe
ist, und
C eine Konstante ist, die die Anzahl von Umdrehungen
des Messkopfes sowie den Durchmesser desselben enthält,
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Die Viskosität n wird für die Teilintervalle dh gemessen
und kann für
unterschiedliche Einführtiefen
sowie für
unterschiedliche Zeitpunkte angezeigt werden, wenn die Messungen
ausgeführt
werden, um eine vorbei fließende
Flüssigkeit
zu überwachen.
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In einer Anwendung, in welcher die
Viskosität
innerhalb eines Intervalls zwischen zwei Einführtiefen h1 und
h2 durch Messen der Zunahme im Drehmoment
an der oberen und unteren Grenze des Intervalls gemessen wird, kann
die Viskosität
aus der vorstehenden Formel erhalten werden als:n(h2)
= M3 – M1/C·(h3 – h1)
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Dieses Beispiel beruht auf einer
Anwendung, in welcher der Messkopf kontinuierlich in der Flüssigkeit
positioniert (eingeführt)
wird, und der Index 3 gibt den Startwert für die Berechnungen des anschließenden Teilintervalls
an.
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Es folgt nun eine kurze Beschreibung
einer typischen Vorrichtung zur Implementierung des vorstehenden
Messverfahrens in einem Prozess, in welchem eine Flüssigkeit
an der Vorrichtung in einem im wesentlichen kontinuierlichen Fluss
vorbeiströmt.
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Eine Flüssigkeit 1 (hier geschmolzenes Glas)
strömt
mit einer ziemlich konstanten Geschwindigkeit durch einen Speisekanal 2 welcher
in der Zeichnung in einem Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung
der Flüssigkeit 1 dargestellt
ist.
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Zur Drehung um seine Zylinderachse
ist ein kreiszylindrischer Messkopf 3 über eine Welle mit einem Antriebsmotor 7 verbunden,
welcher wiederum mit einem Gehäuse 14 verbunden
ist. Der Antriebsmotor 7 ist mit dem Gehäuse 14 über eine
Drehmomenterfassungseinheit verbunden, welche aus einer Schraubenfeder 8 und
einem Winkelmessgeber 9 in der Form eines Rotationsgeschwindigkeits-Induktivmessgebers
(RVIT – rotational
velocity inductive transducer)) verbunden ist. Das Gehäuse 14 ist
mit einem Rahmen 4 über
eine Steuereinheit verbunden, welche eine lineare Verschiebung des
Gehäuses 14 und
somit des Messkopfes ermöglicht,
und eine Kugelgewindespindel 5 umfasst, welche mittels
eines Schrittmotors 6 gedreht werden kann. Eine Steuereinheit 10 steuert
den Schrittmotor 6 und den Antriebsmotor 7 und
erfasst die gemessenen Werte aus dem Winkelmessgeber 9.
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Die Steuereinheit 10 ist
mit einem (nicht dargestellten) Computer verbunden, welcher die
Programme für
die Steuerung der Steuereinheit 10, den Empfang der gemessenen
Werte und der Berechnung der Viskositätswerte enthält und eine
Schnittstelle in Bezug auf einen Benutzer oder ein anderes Gerät bildet.
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Vorteilhaft ist die Messvorrichtung
von einer externen Abdeckung eingeschlossen, welche einen Einlass
besitzt, durch welchen Luft zur Kühlung der Vorrichtung eingeführt werden
kann. Die Vorrichtung ist thermisch von dem Speisekanal 2 mittels
einer Isolation 13 isoliert.
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Bei der Messung und Berechnung der
Viskosität
der Flüssigkeit
arbeitet die Messvorrichtung wie folgt.
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Der Messkopf 3 wird mit
konstanter Geschwindigkeit axial nach unten in die Flüssigkeit 1 eingeführt. An
einem optionalen Punkt h1 für das Ende
des Messkopfes wird ein erstes Drehmoment M1 gemessen.
Dann wird der Messkopf 3 kontinuierlich axial in der h-Richtung abgesenkt,
bis er die Einführtiefe
h1 + dh erreicht, wo ein zweites Drehmoment M1 gemessen wird. Die sich ergebende Veränderung im
Drehmoment, welche als M2-M1 berechnet
wird, wird durch die Veränderung δh in der
Einführtiefe
dividiert. Der Quotient wird mit einer Konstante multipliziert,
die den Durchmesser und die Rotationsgeschwindigkeit des Messkopfes 3 in
Hinblick auf die Ermittlung eines berechneten Viskositätswertes
in dem Teilintervall δh
enthält.
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Man wird erkennen, dass der Messkopf 3 bevorzugt
so angeordnet ist, dass die Flüssigkeit
vollständig
oder teilweise durchdrungen wird, wobei Viskositätswerte für unterschiedliche Teilintervalle
berechnet werden. Zusätzlich
dürfte
es sich verstehen, dass der Messkopf 3, falls die Temperatur
bei den unterschiedlichen Einführtiefen
in die Flüssigkeit
gemessen werden soll, vorteilhaft mit einem (nicht dargestellten)
Temperatursensor kombiniert werden kann, welcher an dem freien Ende
des Messkopfes 3 eingebaut ist.