DE1498698C3 - Verfahren und Vorrichtung zur objekti ven und kontinuierlichen Darstellung der Phasenumwandlung flussigfest - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verahren und eine Vorrichtung zur objektiven und kontinuierlichen Darstellung und Messung der Änderung der Viskosität von Flüssigkeiten, die im Rahmen eines Reaktionsablaufes ihre Viskosität ändern, oder von der flüssigen Phase in die halbfeste oder feste Phase übergehen (Polymerisieren, Koagulieren, Gelieren oder Gerinnen). Dabei ändert sich die Viskosität der Flüssigkeit, wobei im Newtonschen Verhaltensbereich Viskositätsänderungen eintreten und im nicht-Newtonschen Verhaltensbereich der Flüssigkeit Viskositätsanomalien (Strukturviskosität) das Verhalten der Flüssigkeit bestimmen.

Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten und der Viskositätsänderung von gerinnbaren Flüssigkeiten sind bekannt. Sie sind Rotationsviskosimeter wechselnder Drehrichtung, die entweder die Couetteschen Zylindersysteme (deutsche Patentschrift 845 720) oder den Helmholtzschen Hohlkörper (Patentschrift 16 315 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen in Ost-Berlin, deutsche Patentschrift 847 076) zur Viskositätsmessung heranziehen. Bei ersteren wird der äußere Zylinder durch einen elektromotorischen Antrieb in wechselnde Drehrichtung versetzt und die Bewegung des inneren Zylinders photograp'hisch registriert. Der Mangel dieses Verfahrens besteht darin, daß eine Viskositätserhöhung wie auch das Auftreten von Strukturen innerhalb der gerinnenden Flüssigkeit sich in einer Vergrößerung der Bewegung ( des inneren Zylinders auswirkt. Die zur Darstellung der Blutgerinnung bekanntgewordene Vorrichtung (Patentschrift 16 315 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen in Ost-Berlin), die die bei der Gerinnung erfolgenden Viskositätsänderungen durch den Helmholtzschen schwingenden Hohlkörper erfassen will, arbeitet auf der Grundlage des Drehspulmagnetsystems, wobei der Spule, die den Hohlkörper in sich trägt, durch ein mechanisches Kontaktwerk periodisch ein Stromimpuls zugeleitet wird.

Bei diesem Prinzip bewirkt eine Viskositätserhöhung eine Amplitudenminderung des schwingenden Hohlkörpers, wobei auch hier die Schwingungsamplitude photographisch registriert wird. Ändert sich die Viskosität im Laufe der Gerinnung, so ändert sich auch die Frequenz des schwingenden Hohlkörpers. Da die Erregerfrequenz bei dieser Vorrichtung nicht nachgeregelt wird, kommt es bei der Gerinnung zu einer Resonanzverstimmung zwischen der Erregerfrequenz und der Eigenfrequenz des mit der Flüssigkeit schwingenden Hohlkörpers, so daß kein eindeu- ^ tiger Zusammenhang zwischen der Schwingungsam-

plitude und der Viskosität mehr besteht.

Bei dem Verfahren und der Vorrichtung nach deutsches Patent 847 076 wird die Bremswirkung festgestellt, die die zu untersuchende Flüssigkeit auf Grund ihres Trägheitsmomentes auf die Rückfederung eines mit der Flüssigkeit gefüllten Versuchsgefäßes ausübt, nach dem dieses durch eine Spannkraft in immer gleichbleibendem Maße verdreht wird. Das Versuchsgefäß ist als kreisförmige Rinne ausgebildet und zwischen Spanndrähten zentrisch befestigt. Zur Meßaussage wird sowohl die Schwingungsamplitude als auch die Schwingungsdauer herangezogen, wobei die Drehschwingung nicht ausklingt, sondern unterbrochen wird. Eine kontinuierliche Aufzeichnung der Viskositätsänderungen sowie die Erfassung kurzzeitig auftretender Änderungen in der Größe der inneren Reibung ist sonach nicht möglich.

Ein. Verfahren, welches die Phasenumwandlung flüssig—fest erfassen und darstellen will, muß in der Lage sein, sowohl das Newtonsche Verhalten wie auch das nicht-Newtonsche Verhalten der die Phase wechselnden Flüssigkeit zu erfassen. Für die Erfassung und objektive Darstellung dieser Umwandlungsvorgänge besteht sowohl in der Chemie der polyme-

ren Verbindungen wie auch in der Medizin (Blutgerinnung) und in der Kolloidchemie und -Physik ein Bedürfnis.

Die Erfindung bezweckt, die Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen zu beseitigen und von den in Betracht kommenden Flüssigkeiten die Phasenwechselvorgänge und deren zeitlichen Verlauf mit größerer Genauigkeit meßbar zu erfassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die die Umwandlung einer polymerisations-, koagulations-, gerinnungs- oder gelierfähigen Flüssigkeit in die feste oder halbfeste Phase kontinuierlich darstellt und registriert.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Messung von Viskositätsänderungen, basierend auf einem zu reinen Drehschwingungen befestigten Hohlkörper, der die zu untersuchende Flüssigkeit enthält und dessen Bewegungen mittels eines Lichtzeigers photographisch registriert werden, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem drehschwingenden System im Schwingungsnullpunkt durch Selbststeuerung ein konstanter und definierter Energiebetrag in Form eines Drehimpulses zugeführt wird, wobei der aufzeichnende Lichtstrahl eine im Schwingungsnullpunkt angeordnete Photozelle (oder Photowiderstand) ausleuchtet, die den Steuerimpuls für die Selbststeuerung liefert.

Der genannte Energiebetrag wird zweckmäßigerweise auf elektronischem oder elektromechanischen! Wege erzeugt und definiert. Mit diesem Energiebetrag führt der entsprechend fixierte Hohlkörper bei konstanten Reibungsverlusten Schwingungen konstanter Amplitude aus, wobei im eingeschwungenen Zustand jede halbe Schwingung eine Messung der in der Flüssigkeit auftretenden Energieverluste bedeutet, wenn der Hohlkörper jeweils im Schwingungsnullpunkt den erwähnten Energiebetrag zugeführt bekommt. Wächst die Viskosität der Meßflüssigkeit, so erhöhen sich die Reibungsverluste, und der Hohlkörper verringert seine Schwingungsamplitude. Verringern sich die Reibungsverluste durch das Auftreten von Viskositätsanomalien (z.B. Auftreten von Strukturviskosität im Gelatinesol vor dem Gelatinierungspunkt), so wächst die Schwingungsamplitude des Hohlkörpers. Da sich bei Viskositätsänderungen neben der Schwingungsamplitude auch die Frequenz ändert, muß der schwingende Hohlkörper selbst den Zeitpunkt festlegen, wann ihm der Energiebetrag zugeführt wird.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist unter Verwendung des Drehspulmagnetsystems erfindungsgemäß so ausgeführt, daß ein Hohlkörper mittels eines Topfhalters und Haltestabes starr an einem Bügel in der Drehachse auf der im Luftspalt des Permanentmagneten befindlichen Spule befestigt ist, an der auf der entgegengesetzten Seite ein Zylinderspiegel angeordnet ist. Dem Zylinderspiegel ist eine Photozelle zugeordnet, die über elektronische Bauelemente und einem Vorwiderstand mit der Spule in Verbindung steht.

Der Hohlkörper ist in einer Thermokammer untergebracht, während das Drehspulmagnetsystem bei Raumtemperatur arbeitet.

Die Photozelle ist vorteilhafterweise über einen Verstärker mit einer Impulsformerstufe und einem bistabilen Multivibrator derart verbunden, daß jeder Schwingungsrichtung des Hohlkörpers an einem bistabilen Multivibrator ein stabiler Zustand zugeordnet ist. Die Definition des genannten Energiebetrages wird durch je eine nachgeschaltete Impulsformerstufe an jeder Anode des bistabilen Multivibrators vorgenommen, die in definierter Weise je ein Röhrensystem (Arbeitsstufe) aussteuern, wobei die Spule des Drehspulmagnetsystems über einen Vorwiderstand zwischen den beiden Arbeitsstufen liegt. Der Spule ist zur kontinuierlichen oder stufenweisen Ein>stellung der Schwingungsamplitude des Hohlkörpers ein variabler Widerstand vorgeschaltet.

Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Prinzipschaltskizze der Vorrichtung,

F i g. 2 das Blockschema der elektronischen Steuerung,

F i g. 3 die charakteristische Kurve des Verfahrens.

Nach F i g. 1 ist der Hohlkörper α durch Verwendung des Drehspulmagnetprinzips befähigt, Drehschwingungen auszuführen und einen genau definierten Energiebetrag aufzunehmen. Der Hohlkörpern ist durch den Topfhalter b über den Topfträger c starr mit der Spule d verbunden und führt reine Drehschwingungen vorteilhafterweise in einer Thermokammer e aus. Das Drehspulmagnetsystem N-S arbeitet bei Raumtemperatur.

Die Bewegungen der Spule d werden über den Zylinderspiegel/ durch einen Lichtzeiger auf Photopapier registriert. Der zum Messen notwendige Energiebetrag ist durch einen nach Richtung, Größe und Dauer definierten konstanten Stromimpuls durch die Spule d und den durch deren Reaktion mit dem permanenten Magneten entstehenden Drehimpuls gegeben.

Gemäß Fig.2 wird die Selbststeuerung dadurch realisiert, daß der die Bewegung der Spule schreibende Lichtzeiger eine dem Zylinderspiegel/ zugeordnete Photozelle 1 (die bis auf einen Spalt abgedeckt ist) ausleuchtet. Der entstehende positive Impuls wird aus dem Zellenkreis ausgekoppelt und bringt über einen Verstärker 2 eine Impulsformerstufe 3 zum Ansprechen. Der so entstandene Rechteckimpuls läßt eine bistabile Multivibratorstufe 4 ihre Stellung wechseln. Der dabei aus einem Anodenkreis ausgekoppelte Impuls wird in einer Impulsformerstufe 5 zu einem Rechteckimpuls umgeformt, der unverzerrt auf das Gitter einer Arbeitsstufe 6 gegeben wird. An dem zweiten Anodenkreis des bistabilen Multivibrators 4 ist ebenfalls eine Impulsformerstufe 7 und daran die Arbeitsstufe 8 angeschlossen. Zwischen den beiden Kathoden der Arbeitsstufen 6 und 8 liegt die Spule d über einem zwischengeschalteten, variablen Vorwiderstand 9, die auf diese Weise den konstanten und definierten Stromimpuls erhält. Dabei löst jeder zweite von der Photozelle 1 kommende Impuls einen Stromfluß durch die Spule d von g nach h aus und jeder erste einen solchen von h nach g.

Die beiden Arbeitsstufen 6 und 8 sind so abgeglichen, daß die Spule i2 ohne Vorhandensein eines Steuerimpulses stromfrei ist. Die Stromstärke im Spulenkreis wird über den variablen Vorwiderstand 9 festgelegt, so daß die Schwingungsamplitude des Hohlkörpers α kontinuierlich oder stufenweise regelbar ist.

Eine elektromechanische Steuerung des Systems

läßt sich in der Form aufbauen, daß der verstärkte Photozellenimpuls einen bistabilen Multivibrator auf Thyratronbasis aussteuert, wobei in den Anodenkreisen je ein vierpoliges Kontaktrelais liegt und der definierte Energiebetrag durch die Entladung eines s Kondensators über die Spule geliefert wird.

F i g. 3 zeigt die sich im Laufe der Phasenumwandlung ergebende charakteristische Kurvenform. Der Kurvenabschnitt 10 stellt die Schwingungsamplitude des leeren Hohlkörpers α und der Kurvenabschnitt 11 die Schwingungsamplitude des mit der Meßflüssigkeit gefüllten Hohlkörpers dar. Die die Phasenumwandlung einleitende Viskositätserhöhung äußert sich bis zum Schwingungsminimum 12 in einer Verringerung der Schwingungsamplitude. Die während der Phasenumwandlung auftretende Viskositätsanomalie läßt die Schwingungsamplitude wieder bis in die Nähe des Amplitudenwertes des leeren Hohlkörpers aufschwingen. In diesem Punkt 13 verhält sich die ehemalige Flüssigkeit gegenüber dem Meßvorgang wie ein halbfester oder fester Körper, so daß von dem zugeführten konstanten Energiebetrag keine Energie mehr in die Meßsubstanz abwandert, die Schwingungsamplitude also so groß ist, wie sie sich für einen festen Körper gleichen Gewichts einstellen würde. Tritt Synärese oder Retraktion auf, so verringert sich die Schwingungsamplitude 14 durch die nun wieder freigesetzte Flüssigkeit. Die zeitliche Dauer der einzelnen Phasen ergibt sich aus der Länge der Kurven in cm und dem bekannten Photopapiervorschub, der in üblicher Weise durch einen Synchronmotor erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur objektiven und kontinuierlichen Darstellung der Phasenumwandlung flüssig— fest, basierend auf einem zu reinen Drehschwingungen befähigten Hohlkörper, der die zu untersuchende Flüssigkeit enthält und dessen Bewegungen mittels eines Lichtzeigers photographisch registriert werden, dadurch gekennzeichnet, daß dem drehschwingenden System im Schwingungsnullpunkt durch Selbststeuerung ein konstanter und definierter Energiebetrag in Form eines Drehimpulses zugeführt wird, wobei der aufzeichnende Lichtstrahl eine im Schwingungsnullpunkt angeordnete Photozelle (oder Photowiderstand) ausleuchtet, die den Steuerimpuls für die Selbststeuerung liefert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Energiebetrag auf elektronischem oder elektromechanischen! Wege erzeugt und definiert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 unter Verwendung des Drehspulmagnetsystems, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hohlkörper (α) mittels eines Topfhalters (b) und Haltestabes (c) starr an einem Bügel in der Drehachse auf der im Luftspalt des Permanentmagneten (N-S) befindlichen Spule (d) befestigt ist, an der auf der entgegengesetzten Seite ein Zylinderspiegel (/) angeordnet ist, dem eine Photozelle zugeordnet ist, die über elektronische Bauelemente (2 bis 8) und einem Vorwiderstand (9) mit der Spule (d) in Verbindung steht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (o) sich in einer Thermokammer (e) befindet, während das Drehspulmagnetsystem (N-S) bei Raumtemperatur arbeitet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Photozelle (1) über einen Verstärker (2) mit einer Impulsformerstufe (3) und einem bistabilen Multivibrator (4) derart verbunden ist, daß jeder Schwingungsrichtung des Hohlkörpers (α) an einem bistabilen Multivibrator (4) ein stabiler Zustand zugeordnet ist und die Definition des genannten Energiebetrages durch je eine nachgeschaltete Impulsformerstufe (5, 7) an jeder Anode des bestabilen Multivibrators (4) vorgenommen wird, die in definierter Weise je ein Röhrensystem (6, 8) (Arbeitsstufe) aussteuern, wobei die Spule (d) des Drehspulmagnetsystems (N-S) über einen Vorwiderstand (9) zwischen den beiden Arbeitsstufen; liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spule (d) ein variabler Widerstand (9) zur kontinuierlichen oder stufenweisen Einstellung der Schwingungsamplitude des Hohlkörpers (a) vorgeschaltet ist.