DE69006410T2

DE69006410T2 - Mikrowellenvorrichtung zum kontinuierlichen Messen der Viskosität eines viskosen Mediums.

Info

Publication number: DE69006410T2
Application number: DE69006410T
Authority: DE
Inventors: Jean-Francis Lacombe; Jean-Louis Miane
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1989-07-11
Filing date: 1990-07-09
Publication date: 1994-08-25
Anticipated expiration: 2010-07-10
Also published as: DE69006410D1; FR2649793B1; US5059914A; EP0408438A1; EP0408438B1; FR2649793A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine gewerbliche Mikrowellenvorrichtung für die kontinuierliche Messung der Viskosität eines viskosen Mediums in Echtzeit.
Die Erfindung kann zur Messung der Viskosität aller flüssigen polaren Medien und insbesondere aller Polymere mit dipolaren Elementen verwendet werden. Insbesondere ermöglicht es die Erfindung, die Viskositätsentwicklung von Harzen, die für die Herstellung von hochleistungsfähigen Verbundmaterialen verwendet werden, während ihrer Polymerisation und/oder Vernetzung kontinuierlich zu überwachen. Diese Verbundmaterialien werden für die Herstellung von Teilen auf den Gebieten der Fahrzeug-, Luftfahrt- und Raumfahrttechnik verwendet.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Phenol-, Polyurethan, Polyester- und Epoxyharze und auf Polymere, die dipolare Elemente, beispielsweise die Gruppen C=O, -C-OH und -C-NH- enthalten.
Auf dem Gebiet der Verbundmaterialen werden sehr häufig Substrate (bestehend aus Kohlenstoff-, Aramid-, Glas- oder Kevlar-Fasern) verwendet, die mit einem Harz auf einer Imprägnierungsstraße getränkt werden, wobei der Prozentgehalt des Harzes eingestellt wird. Zur Steuerung der Produktqualität wird die Imprägnierung des Substrates mit einem Harz mit konstanter Viskosität durchgeführt. Da die Viskosität des Harzes mit der Temperatur in Beziehung steht, ist es wünschenswert, die Temperatur des Harzes während dieses Imprägnierungsschrittes in Abhängigkeit der Viskosität zu steuern.
Es ist daher das Ziel der Erfindung, eine Mikrowellenvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine Meßzelle besitzt, die in das zu messende Viskosemedium eingetaucht werden kann und mit einer elektronischeen Einrichtung zur Bearbeitung des von der Meßzelle gelieferten Signals verbunden ist, um die Viskositätsentwicklung des Harzes in Echtzeit zu verfolgen. Ein derartiges System kann leicht in eine Anlage eingebaut werden und ermöglicht die Automatisierung des Herstellungsverfahrens von Verbundmaterialen mit Hilfe einer Temperatursteuerung in Abhängigkeit der Viskosität des Harzes. Durch die Einbringung der Meßzelle in das zu überwachende viskose Medium wird die Überwachung der Viskosität in Echtzeit und in situ sichergestellt.
Obwohl die Meßvorrichtung für die Überwachung der Viskosität eines zur Herstellung von Verbundmaterialen verwendeten Harzes augesprochen gut geeignet ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auf allen Gebieten verwendet werden, auf denen die kontinuierliche Überwachung eines viskosen, polaren Mediums notwendig ist.
Herkömmlicherweise wird die Viskosität von Ölen oder jeder anderen viskosen Flüssigkeit mit Hilfe von Glaskapillarenröhrchen oder etwa mit Hilfe einer Reihe von Trichtern mit einer bestimmten Konstanten oder einem bestimmten Koeffizienten entsprechend ihrer Kalibrierung gemessen. Das Prinzip beruht auf dem Zeitraum, den eine bestimmte Flüssigkeitsmenge für den freien Fluß zwischen zwei Markierungen benötigt. Dieses Verfahren wird insbesondere in der Druckschrift FR-A-2 604 271 offenbart.
Die Viskosität einer viskosen Flüssigkeit kann auch mit Hilfe eines Rotationsviskosimeters gemessen werden, wie es etwa in der Druckschrift FR-A-2 587 115 offenbart wird, wobei man die zu untersuchende Flüssigkeit in einem geeigneten Aufnahmegefäß, in dem sich eine Palette oder ein Zylinder dreht, aufnehmen muß. Das Prinzip der Messung beruht auf der Bestimmung des Scherkraftmoments des viskosen Produktes zwischen der drehenden Palette oder dem Zylinder und der Wand des Aufnahmegefäßes.
Diese Vorrichtungen ermöglichen keinesfalls die kontinuierliche Überwachung eines viskosen Produktes in Echtzeit unter der Voraussetzung, daß die Viskositätsmessung durch Probenentnahme durchgeführt wird. Bei der Herstellung von Verbundmaterialen bringt diese Probenentnahme notwendigerweise den Produktionsstop und den Eingriff eines Arbeiters mit sich.
Es ist aus der Druckschrift "IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement IM-34 (1985)", September Nr. 3 von M. Martinelli et al., S. 417-421, eine Mikrowellenvorrichtung zur Überprüfung des Polymerisationszustandes eines Harzes bekannt, wobei ebenfalls eine Probenentnahme notwendig ist und daher die kontinuierliche Untersuchung in situ nicht möglich ist. Diese Vorrichtung enthält einen Resonator, in dem die Probe aufgenommen wird und eine Mikrowellenquelle, die mit der Resonanzfrequenz des Resonators betrieben wird.
Es ist ferner aus der Druckschrift DD-A-219870 ein System zur kontinuierlichen Bestimmung des Umsatzes von Phenol-Formaldehydpolymeren durch Messung der Dämpfung und/oder der Reflexion von Mikrowellen durch die Polymere bekannt, wobei eine Sende- und Empfangsantenne, die sich auf beiden Seiten des Polymerisations-Reaktors befindet, verwendet wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine gewerbliche Mikrowellenvorrichtung für die kontinuierliche Messung der Viskosität eines viskosen Mediums in Echtzeit zur Verfügung zu stellen, die es insbesondere ermöglicht, die vorstehenden Nachteile zu beheben. Insbesondere enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Meßzelle, die in das viskose Medium, in dem die Viskosität gemessen werden soll, eingetaucht werden kann, wobei eine Messung in Echtzeit ohne Probenentnahme durchgeführt wird, wodurch die Vorrichtung für industrielle Anwendungen gut geeignet ist und gleichzeitig genaue und reproduzierbare Ergebnisse wie mit Viskosimetern nach dem Stand der Technik erreicht werden.
Ferner ist die erfindungsgemäße Vorrichtung leicht herzustellen und ihre Nutzung oder Verwendung wird erleichtert. Schließlich ist die Meßzelle, aus der diese besteht, raumsparend.
Genauer ist Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Viskosität eines polaren viskosen Mediums umfassend eine Mikrowellenquelle, eine Meßzelle, die im wesentlichen mindestens ein halbstarres Mikrowellen- Koaxialkabel, das dazu bestimmt ist, in das Medium eingetaucht zu werden und Verbindungsvorrichtungen enthält, wobei das Kabel aus einem äußeren Mantel und einem elektrische leitfähigen Kern in koaxialer Anordnung besteht, und der zwischen dem Mantel und dem Kern befindliche Raum mit einem Dielektrikum gefüllt ist, wobei der Kern ein abisoliertes Ende beinhaltet, das dazu bestimmt ist, in Kontakt mit dem viskosen Medium gebracht zu werden und eine mit dem äußeren Mantel kurzgeschlossene, magnetische Schleife zu bilden, wobei die Meßzelle dazu bestimmt ist, in dieses Medium einfallende Mikrowellen mit gegebener Energie zu erzeugen und die Energie der vom Medium reflektierten Mikrowellen zu ermitteln, einen Detektor zur Umwandlung der Energie der reflektierten Mikrowellen in ein elektrisches Signal, das eine steigende Funktion der Viskosität ist, einen ersten Mikrowellenleiter zur Kopplung der Mikrowellenquelle mit der Meßzelle und einen zweiten Mikrowellenleiter zur Kopplung des Detektors mit der Meßzelle.
Der Vorteil einer dielektrischen Messung ist es, eine einfache, nicht bewegliche Meßzelle mit einfacher Wartung zu haben, die insbesondere die gesamte Polymerisation einschließlich des Vernetzungsschrittes zur Härtung des Harzes verfolgen kann.
Unter abisoliertem Ende soll ein vom Dielektrikum und äußeren Leiter befreites Ende verstanden werden.
Die erfindungsgemäße Meßzelle besitzt eine verringerte Größe und insbesondere einen äußeren Durchmesser von weniger als 5 mm, der in einem großen Frequenzbereich, beispielsweise von 2 - 18 GHz arbeitet.
Die verwendete Frequenz ist vom zu untersuchenden viskosen Medium und insbesondere von seiner Dielektrizitätskonstante abhängig.
Die Abisolierung des Kernendes, das in Kontakt mit dem zu überwachenden viskosen Medium angeordnet werden soll, stellt eine gute ultrahochfrequente Kopplung zwischen der Meßzelle und dem Medium sicher.
Aus der Druckschrift "Physics in Medicine and Biology", Band 31, Nr. 9, September 1986, S. 1031-1040 von S. Ray und J. Behari ist eine koaxiale geradlinige Meßzelle zur Messung der Dielektrizitätskonstante von ionischen Lösungen in der Biologie bekannt. Das verwendete Verfahren ist ein nicht auf gewerbliches Gebiet übertragbares Laborverfahren. Es verwendet komplexe Impedanzmessungen, aus denen man die komplexe Dielektrizitätskonstante mit einem Netzanalysator berechnet, wobei die Lösung der Gleichungen durch einen Kleinrechner sichergestellt wird.
Die Verwendung der Magnetschleife bietet eine Anzahl von Vorteilen. Tatsächlich ermöglicht die Größe der Magnetschleife eine bessere Anpassung an eine gegebene Frequenz (wie etwa maximale Empfindlichkeit für diese Arbeitsfrequenz).
Darüberhinaus kann durch die bessere Wechselwirkung zwischen Meßzelle und Medium aufgrund der Schleife ein stabileres Ansprechverhalten (reflektierte Energie in Abhängigkeit der Mikrowellenfrequenz) gewonnen werden. Schließlich ist das mechanische Verhalten der Meßzelle mit einer Magnetschleife aufgrund seiner höheren Steifigkeit weniger bruchanfällig.
Die Länge des abisolierten Endes ist vom zu untersuchenden viskosen Medium und insbesondere von seiner Dielektrizitätskonstante abhängig. Beispielsweise kann die Länge des abisolierten Endes bei einer verwendeten Frequenz von 2 - 4 GHz zwischen 2 und 2,5 cm betragen und wird für Materialien mit kleiner Dielektrizitätskonstante (z.B. etwa der von Luft) verwendet. Für höhere Dielektrizitätskonstanten insbesondere von für die Herstellung von Verbundmaterialien im allgemeinen verwendeten Epoxyharzen, wird eher eine Frequenz von 9 - 10 GHz verwendet. In diesem Falle beträgt die optimale Länge des abisolierten Endes des Koaxialkabelkerns 10 mm ± 2 mm.
Die Meßzelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zwei koaxiale, miteinander verbundene Kabel enthalten, wobei das eine zur Leitung der einfallenden Mikrowellen und das andere zur Leitung der Mikrowellen dient, die vom Medium, dessen Viskosität gemessen werden soll, übertragen wurden. In jedem Fall ist die Verwendung eines einzigen koaxialen Kabels zu bevorzugen, um die Mikrowellenkopplung zwischen der Meßzelle und dem Medium, dessen Viskosität gemessen wird, zu verbessern.
Die Materialien, aus denen die erfindungsgemäße Meßzelle besteht, müssen chemisch mit dem zu untersuchenden Medium kompatibel und insbesondere gegenüber dem Medium chemisch widerstandsfähig sein.
Im Falle eines Epoxyharzes oder von Glyzerin verwendet man vorteilhafterweise eine Meßzelle, die einen Kern und einen äußeren Mantel aus Kupfer enthält, die gegebenenfalls durch eine Silber- oder Chromschicht geschützt werden.
Das Material, aus dem das Dielektrikum besteht, kann ein beliebiges bei Ultrahochfrequenz herkömmlicherweise verwendetes Dielektrikum sein. In jedem Fall verwendet man Polytetrafluorethylen, das im allgemeinen unter der Bezeichnung "Teflon" bekannt ist, um eine Impedanz von 50 Ohm zu erhalten, die für die meisten Meßvorrichtungen mit Verwendung von Mikrowellen verwendet werden kann.
Das Prinzip der Viskositätsmessung beruht auf der Energie der von dem viskosen Medium reflektierten Mikrowellen, wobei diese Mikrowellenreflexion auf der plötzlichen Änderung der Impedanz beruht, die durch die Diskontinuität zwischen dem koaxialen Aufbau der Meßzelle und dem zu überwachenden Medium verursacht wird. Ferner ist die Energie der vom viskosen Medium reflektierten Mikrowellen von der Elektrizitätskonstante des Mediums abhängig, wobei die Dielektrizitätskonstante von der Temperatur des Mediums abhängt. Darüberhinaus hängt die Dielektrizitätskonstante eines Harzes von dessen Polymerisationszustand ab. Bei gegebener Temperatur nimmt die Dielektrizitätskonstante des Harzes in dem Maße ab, in dem das Harz polymerisiert.
Bei gegebener Temperatur kann man daher aufgrund des Verlaufs des Signals der reflektierten Mikrowellen den Viskositätszustand des Harzes während seiner Polymerisation verfolgen.
Die Meßzelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung besitzt im Zustand, in dem sie in das Medium, dessen Viskosität gemessen werden soll, eingetaucht ist, ein Wechselwirkungsvolumen, das durch die Form des Meßzellenendes vollständig definiert und daher immer das gleiche ist.
Die Meßzelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung gibt immer das gleiche Signal ab, wenn sie abmontiert und wieder anmontiert wird. Außerdem geben auch zwei Meßzellen, die am gleichen Modell angebracht sind, das gleiche Signal ab. Das bedeutet, daß die erfindungsgemäße Meßzelle langfristig zuverlässig ist.
Die Besonderheit der Erfindung liegt in der Messung der Energie der reflektierten Mikrowellen, die mit einer einfachen und billigen Meßvorrichtung durchgeführt wird. Für eine Phasenmessung würden beispielsweise Netzanalysatoren und teure Laborgeräte benötigt.
Außerdem bezieht sich die Erfindung auf viskose Medien, die mehr oder weniger flüssig sind (Zustand der Prägelierung vor der Polymerisation). Die Art der Vernetzung (radikalisch oder ionisch) geht nicht in die Messung ein. Weiterhin geht die Art der Verknüpfung der Moleküle und der polaren Elemente nicht in die Messung der Polymerisation ein.
Vorteilerhafterweise umf aßt die Meßvorrichtung ferner einen Isolator und ein Dämpfungsglied der Mikrowellenleistung, die zwischen der Mikrowellenquelle und dem Richtkoppler angeschlossen sind. Dies ermöglicht eine Normierung der Betriebsbedingungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen, die für eine industrielle Verwendung unabdingbar ist.
Ferner enthält die Meßvorrichtung einen Filter, um das vom Detektor gelieferte elektrische Signal zu filtrieren.
Andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende erläuternde und nicht einschränkende Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen deutlicher, in denen:
die Figuren 1 und 2 Meßzellen zeigen, deren abisoliertes Ende geradlinig ist,
die Figuren 3 und 4 verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen koaxialen Meßzelle zeigen,
die Figur 5 auf schematische Weise eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Viskosität eines polaren Mediums zeigt,
die Figur 6 Unterschiede der Viskosität als Funktion der von dem Detektionsaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelieferten Spannung für Glyzerin zeigt, und
die Figuren 7 und 8 Kurven zeigen, die die Empfindlichkeit der Meßzelle als Funktion der Mikrowellenfrequenz bei Viskositätsmessung eines Epoxyharzes zeigen.
Vor der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Meßzelle wird das physikalische Prinzip, auf der die Erfindung beruht, beschrieben.
Die dielektrischen Eigenschaften flüssiger Medien sind von der Struktur der Moleküle, aus denen sie bestehen, abhängig: nichtpolare Flüssigkeiten wie Benzol besitzen eine reale und von der Meßfrequenz unabhängige Dielektrizitätskonstante; das Medium absorbiert die Mikrowellen nicht und die Dielektrizitätskonstante ist nur von der Temperatur oder dem Druck durch die Ausdehnung des Mediums abhängig.
Wenn Moleküle ein permanentes Dipol-Moment besitzen, ist die Dielektrizitätskonstante des Mediums dagegen eine Funktion der Meßfrequenz aufgrund von Relaxationsphänomenen: die Bewegung der molekularen Dipole wird durch die Wechselwirkung zwischen den Molekülen gehindert.
Wasser ist ein Beispiel eines derartigen Mediums: bei tiefen Frequenzen besitzt es eine erhöhte Dielektrizitätskonstante (gleich 81) und die Dipol-Relaxation tritt in der Größenordnung von GHz mit einem Maximum der Absorption bei etwa 20 GHz bei Umgebungstemperatur auf. Dieses Phänomen ist gekennzeichnet durch eine Relaxationszeit t, und ein einfaches Modell (DEBYE-Modell) ermöglicht es, die Dielektrizitätskonstante des Mediums in Abhängigkeit der Relaxationszeit mit t = K auszudrücken, wobei K eine für das Medium charakteristische Konstante ist.
Die Mobilität der Dipole hängt von ihrer Umgebung ab und jede Änderung drückt sich in Änderungen der Relaxationszeit und der Dielektrizitätskonstante aus. Daher hängt die Dielektrizitätskonstante einer polaren Flüssigkeit von deren Viskosität ab. Folglich läßt sich eine Viskositätsmessung durch eine Dielektrizitätsmessung bei einer Frequenz im Bereich der Relaxation der Flüssigkeit ersetzen.
Wärmehärtbare Harze sind komplexere Medien, da die verwendeten Ansätze im allgemeinen verschiedene Arten von Molekülen enthalten: Oligomere mit verschiedenen Massen, Härter, Hilfsmittel. Dennoch enthalten die Moleküle, aus denen die Mischung besteht, dipolare Bereiche mit anfänglicher hochfrequenter und ultrahochfrequenter Relaxation.
Der makroskopische Zustand eines Harzes läßt sich durch seine Viskosität kennzeichnen, die eine Funktion der Temperatur und der mittleren Masse der Moleküle ist. Die Viskosität ist eine Folge der molekularen Wechselwirkungen und eine Viskositätsänderung stellt daher eine Änderung der möglichen Dipolbewegungen und folglich der Relaxationszeiten dar.
Diese verschiedenen Abhängigkeiten drücken sich in einem Zusammenwirken von Beziehungen zwischen Viskosität, Temperatur, mittlerer Masse, Relaxationszeit und der Dielektrizitätskonstante aus.
Ausgehend von diesen Beziehungen ist es möglich, die Dielektrizitätskonstante eines Harzes als Funktion seiner Viskosität auszudrücken; jedoch ist diese Beziehung sehr komplex und die intermediären Terme wie mittlere Masse oder Relaxationszeit sind schlecht definiert und schwierig zu messen. Man kann daher die Beziehung zwischen Dielektrizitätskonstante und Viskosität schneller experimentell bestimmen.
Diese Bestimmung muß für jedes Harz oder jeden Ansatz erneut durchgeführt werden.
Die Messung der Dielektrizitätskonstante eines viskosen Mediums wird im Labor mit Verfahren an Proben in einem Leiter oder in einem Hohlraum durchgeführt. Aber diese Verfahren eignen sich schlecht für eine industrielle Verwendung. Daher wurden erfindungsgemäß Meßzellen und Vorrichtungen mit einfachem Aufbau entwickelt, mit denen die Dielektrizitätskonstante nicht gemessen werden kann, aber mit denen sich eine Information (Reflexions- oder Transmissionskoeffizient) ergibt, die direkt mit der Dielektrizitätskonstante des Mediums und seiner Viskosität verknüpft ist.
Verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Meßzelle werden in den Figuren 3 und 4 dargestellt.
Die in Fig. 1 dargestellte Meßzelle besteht aus einem halbstarren Mikrowellenkoaxialkabel 2, das aus einem äußeren elektrisch leitfähigen Mantel 4 und einem ebenso elektrisch leitfähigen Kern 6 mit zylindrischer Form und koaxialer Anordnung gebildet wird. Der Raum, der den äußere Mantel 4 und den Kern 6 trennt, ist mit einem Dielektrikum 8 gefüllt.
Zur Viskositätsmessung eines Epoxyharzes oder von Glyzerin sind der äußere Mantel 4 und der Kern 6 insbesondere aus Kupfer oder mit Kupfer verkleidetem Stahl ausgebildet und das Dielektrikum 8 ist aus Teflon.
Das Kabel 2 besitzt einen kleinen Durchmesser, um in das zu überwachende Medium eingetaucht zu werden. Es besitzt einen Durchmesser von ≤ 5 mm und insbesondere gleich 3,5 mm. Dieses koaxiale Kabel ist ein Standardkabel, das für Ultrahochfrequenz verwendet wird, und eines seiner Enden ist mit einem Verbindungsstück 10 eines bekannten Typs ausgestattet, mit dem dessen Anbringung in einer Ultrahochfrequenz- Meßvorrichtung, wie etwa in Fig. 8 dargestellt, sichergestellt wird.
Erfindungsgemäß wird der Kern 6 des Endes 12 des Kabels 2 auf der gegenüberliegenden Seite des Verbindungsstückes 10 auf einer Länge L, die im Bereich von 5 - 10 mm entsprechend des zu überwachenden Mediums liegt, abisoliert. Mit anderen Worten besitzt das Ende 12 des Kabels 2 weder ein Dielektrikum noch einen äußeren Mantel.
In der Ausführungsform der Fig. 1 ist das abisolierte Ende 12 der Meßzelle geradlinig.
Diese mit einem einzigen koaxialen Kabel 2 ausgestattete Meßzelle arbeitet mit Reflexion: es wird die Energie der reflektierten Mikrowellen oder die Reflexionskraft gemessen.
R =Reflexionsenergie/einfallende Energie
Mit einem abisolierten Ende mit 7 mm Länge und einer Mikrowellenfrequenz von 4 GHz, erhält man Pr = 0,15 ² Po bei Glyzerin mit Pr = Energie der reflektierten Mikrowellen und Po = Energie der einfallenden Mikrowellen.
Mit Hilfe eines Richtkopplers 20 (Fig. 5) wird ein Teil der Energie der von dem Medium 22 reflektierten Mikrowellen auf eine Mikrowellen-Detektorvorrichtung 24 abgeleitet, die eine Spannung proportional zur Energie der reflektierten Mikrowelle liefert.
Der Aufbau der Fig. 1 wird durch folgende Schwierigkeit beeinträchtigt: bei Verwendung einer ultrahochfrequenten Quelle 26 (Fig. 5), die mit einer festen Frequenz Fo - beispielsweise ein dielektrischer Resonanzoszillator - betrieben wird, überträgt sich jede Frequenzschwankung durch eine Schwankung der gemessenen Energie aufgrund von störenden Interferenzen und Reflexionen auf den Aufbau.
Um diese Schwierigkeit zu beheben, genügt es, eine frequenzmodulierbare Quelle zu verwenden und einen Mittelwert der ermittelten Energie aus der Differenz des Frequenzhubs mit Hilfe eines Filters 28 vom RC-Typ (Fig. 5) zu erzeugen. Die Wirkungsweise der Quelle 26 kann durch Anordnen eines Kurzschlusses an der Stelle der Meßzelle 2 und durch Steuerung des Niveaus des ermittelten Signals auf einen Bezugswert mit Hilfe eines steuerbaren Dämpfungsgliedes 30 (Fig. 5) normiert werden.
Es ist ein Vorteil des Aufbaus von Fig. 1, daß dieser für den Fall verwendet werden kann, in dem die Polymerisation des Harzes sich bis zur Härtung fortsetzt; die Meßzelle bleibt wiederverwendbar. Für den Fall, daß 4as Kupfer mit dem Stoff, in den es plaziert wird, wechselwirken könnte, ist es möglich, das koaxiale Kabel 2 zum Schutz des Kupfers zu verchromen oder versilbern.
Die Meßzelle kann, wie in Fig. 2 dargestellt, aus zwei koaxialen Mikrowellenkabeln 2a und 2b bestehen, die mit dem Koaxialkabel 2 aus Fig. 1 vollkommen identisch und jeweils mit einem Verbindungsstück 10a und 10b ausgestattet sind. Diese Kabel sind Seite an Seite angeordnet und mit Schweißnähten 14 auf ganzer Länge verschweißt, so daß ein einstückiger Aufbau gebildet wird.
Die Meßzelle wird mit Transmission betrieben, d. h., daß das Signal der einfallenden Mikrowellen durch eines der beiden Kabel 2a oder 2b weitergeleitet wird und daß das Signal der vom viskosen Medium reflektierten Mikrowellen vom anderen Kabel 2b oder 2a aufgenommen wird.
Diese Transmissionsbetriebsart ermöglicht es, monochromatische Mikrowellenquellen 26 (Fig. 5) zu verwenden, ohne daß bei Reflexion an den verschiedenen Mikrowellenanschlüssen der Vorrichtung zur Viskositätsmessung auftretende Interferenzen stören. Im Gegensatz dazu besitzt die Meßzelle der Fig. 2 ein größeres Volumen als die der Figur 1 und kann nicht bei sehr viskosen Flüssigkeiten verwendet werden, da diese Flüssigkeiten im Raum 15, der die beiden empfindlichen Enden 12a und 12b trennt, nicht zirkulieren können.
Die erfindungsgemäße Meßzelle kann, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, ausgebildet sein. Diese Ausführungsformen werden erhalten, indem man das abisolierte und empfindliche Ende 12c (Fig. 3) oder 12d (Fig. 4) eines koaxialen Mikrowellenkabels 2c oder 2d, das mit dem der Fig. 1 vollkommen identisch ist, krümmt, wodurch eine magnetische Schleife gebildet wird; diese magnetische Schleife ist geschlossen und kann quadratisch (Fig. 3) oder kreisförmig (Fig. 4) sein. Dazu ist jeweils das Endstück des Kerns 6c oder 6d der Meßzelle 2c und 2d mit dem leitenden Mantel 4c oder 4d jeweils durch eine Lötnaht 16c und 16d verschweißt.
Die Fläche der Schleife wird in gleicher Weise wie die Länge L der abisolierten Enden 12 der vorstehenden Ausführungsformen an die Meßzelle angepaßt. Insbesondere besitzt die quadratische magnetische Schleife (Fig. 3) eine Kantenlänge von 2 bis 5 mm.
Wie die Ausführungsform der Fig. 1 arbeiten die Ausführungsformen der Fig. 3 und 4 mit Reflexion bei den gleichen Bedingungen wie die der Fig. 1, d. h., daß man sie mit einer frequenzmodulierbaren Quelle verbinden und das ermittelte Signal filtrieren muß, um die mittlere reflektierte Energie aus dieser Differenz des Frequenzhubs zu erhalten. Diese Ausführungsformen besitzen den Vorteil, daß sie eine höhere Empfindlichkeit als die der Fig. 1 aufgrund einer besseren ultrahochfrequenten Kopplung zwischen der Meßzelle und dem viskosen Medium aufweisen.
Mit einer magnetischen Schleife von 28 mm² Fläche und einer Mikrowellenfrequenz von 4 GHz erhält man mit Glyzerin
Pr = 0,28 ² Po,
wobei Pr und Po jeweils die reflektierte und einfallende Mikrowellenenergie darstellen.
Die vorstehend beschriebene Meßzelle ist, wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, ein Teil einer Meßvorrichtung , die in Fig. 5 schematisch dargestellt wird und im wesentlichen eine Ultrahochfrequenzquelle (oder Mikrowellenquelle) 26, Überwachungselemente wie einen Isolator 32 und ein Dämpfungsglied 30, einen Richtkoppler oder einen Zirkulator 20 für den Fall von Reflexionsmessung und einen Detektionsaufbau 24 enthält.
Mikrowellenleiter 34, 36, 38 und 40 stellen die jeweilige Mikrowellenkopplung zwischen der Quelle und dem Dämpfungsglied; zwischen dem Dämpfungsglied und dem Richtkoppler; zwischen dem Richtkoppler und dem Verbindungsstück 10 der Meßzelle und zwischen dem Koppler und dem Detektionsaufbau sicher.
Nachstehend werden die besonderen Ausführungsmerkmale jedes Teils beschrieben.
1) - Die Ultrahochfrequenzquelle 26:
Feste Quellen, Gunn-Dioden oder Transistor-Oszillatoren sind für diese Art von Messung hervorragend geeignet. Sie besitzen folgende Vorteile: eine Vereinfachung der Stromversorgung (10 oder 15 Volt Gleichstrom), gute Stabilität (die gelieferte Energie weicht bei normalen Verwendungsbedingungen weniger als 1 % ab) und lange Haltbarkeit.
Diese Quellen existieren in zwei Formen:
- dielektrische Resonanzoszillatoren, die Energien von einigen zehn mW mit fester Frequenz und ausgewählter Steuerung liefern,
- mit YIG (ultrahochfrequente Diode aus Yttrium- und Eisengranat, die dem Fachmann gut bekannt ist) gesteuerte Oszillatoren oder Reaktanz-Dioden, die in mehr oder weniger breiten Frequenzbändern betrieben werden können (einige hundert MHz für die Steuerung mit Reaktanz-Dioden, mehrere GHz für die Steuerung mit YIG). Die Steuerung dieser Quellen wird bei einer Spannung von 0-10 Volt mit Hilfe eines BF-Generators mit Funktion 50 durchgeführt.
Erfindungsgemäß verwendet man vorzugsweise einen mit YIG gesteuerten Oszillator. Dies erlaubt die Wahl einer mittleren Betriebsfrequenz in einem ausreichend breiten Band, beispielsweise 2-8 GHz, 8-12 GHz oder 12-18 GHz und die Frequenzmodulation in einem Band von 1 GHz zur Gewinnung eines mittleren Signals bei der Detektion, das durch die Störreflexionen nicht beeinflußt wird. Diese Modulation wird durch einen Spannungsanstieg einer zweckmäßigen Amplitude und einer Frequenz, die zwischen 10 Hz und 1 KHz liegen kann, erzeugt. Darüberhinaus macht dieser Betriebstyp das Meßsignal gegen Schwankungen der Quelle (Schwankungen der Versorgungsspannung oder von Modulationsbedingungen) weniger empfindlich.
2) Der Isolator 32 ist ein unverzichtbares Teil, das in das durch die gestrichelte Linie 33 symbolisierte Gehäuse der Quelle eingebaut wird. Es ist seine Aufgabe, die Quelle vor im gesamten ultrahochfrequenten Kreis erzeugten Reflexionen zu schützen, wenn man beispielsweise die Meßzelle entfernt. Er ermöglicht einen Betrieb der Quelle unabhängig davon, was sich im Rest des Kreises zuträgt, insbesondere hinsichtlich des Reflexionsniveaus am Ende des Kreises. (Der Reflexionskoeffizient wird gleich 1, wenn man die Meßzelle entfernt).
3) Das Dämpfungsglied 30 hat die Aufgabe, die Energie der einfallenden Mikrowellen zu modifizieren und folglich die Energie den festgelegten Bezugsbedingungen ein für allemal anzupassen. Es ermöglicht eine Normierung der Betriebsbedingungen des unverzichtbaren Kreises bei industrieller Verwendung. Die Steuerung des Bezugsniveaus wird mit einem stromstabilisierten Netzgerät 41 bei Betrieb zwischen 0 und 10 V durchgeführt.
4) Der Richtkoppler 20 trennt die reflektierte Welle von der einfallenden Welle und ermöglicht eine Messung der reflektierten Energie. Er kann durch einen Zirkulator ersetzt werden, wenn die reflektierte Energie schwach ist. In jedem Fall ist es besser, die beiden Wellen mit einem Richtkoppler als mit einem Zirkulator zu trennen, aber ersterer erfaßt nur 10 % der ref lektierten Energie (Koppler mit 10 dB), während der Zirkulator die gesamte Energie zum Detektor 42 überträgt.
5) Der Detektor 42 des Kontaktdiodentyps oder des Schottky-Diodentyps ist auf bekannte Art in eine geeignete Vorrichtung einzubauen und vor elektromagnetischen Störungen zu schützen. Das vom Detektor 42 gelieferte elektrische Signal wird einem elektronischen Kreis zugeführt, der aus einem Verstärker 44 mit einer Verrstärkung in der Größenordnung von 100 und einem "Tiefpaß"-Filter 28 vom RC-Typ mit einer Zeitkonstante in der Größenordnung einer Sekunde (groß vor der Modulationsfrequenz der Quelle) besteht.
Am Ausgang dieses Filters erhält man ein kontinuierliches Signal, das zwischen 0 und 15 Volt schwankt und proportional zur mittleren Reflektionsenergie im verwendeten Frequenzband ist. Dieses kontinuierliche Signal kann so wie es ist verwendet werden und direkt in einen Speicher eingegeben werden oder ebenso in ein digitales Signal mit Hilfe eines Analog/Digital-Wandlers 46 vor Eingabe in einen Mikro-Computer 48 zur Berechnung der Viskosität des viskosen Mediums umgewandelt werden.
Wie bereits gesagt, müssen die Meßvorrichtung und also auch die Meßzelle in Abhängigkeit des zu überwachenden viskosen Mediums und der gewählten Ausführungsform der Meßzelle (Fig. 1 - 4) geeicht werden.
Als Untersuchungsmedium wurde Glyzerin verwendet, da dieses eine ausreichend hohe Viskosität bei Umgebungstemperatur (etwa 0,1 Pa.s, d.h. 1000 cps) besitzt und diese Viskosität stark von der Temperatur abhängt. Andere Versuche wurden mit Epoxyharzen durchgeführt.
Die Betriebsbedingungen der Meßvorrichtungen wurden wie folgt festgelegt
Die mittlere Betriebsfrequenz der Ultrahochfrequenz-Vorrichtung wurde nach einer vorausgehenden Untersuchung gewählt, die die Festsetzung einer optimalen Frequenz zwischen 2 und 18 GHz ermöglicht. Für Glyzerin liegt diese Frequenz zwischen 2 und 4 GHz, wogegen diese Frequenz für die Epoxyharze um 9,5 GHz liegt.
So wählt man für Glyzerin eine mittlere Frequenz von 3,5 GHz. Die verwendete Mikrowellenquelle 26 ist ein durch YIG gesteuerter Oszillator in einem Band von 2-8 GHz. Die Steuerspannung wird durch den Betriebsgenerator 50 geliefert; dies ist eine symmetrische Sägezahnspannung zwischen 1,2 und 3,7 Volt. Die Frequenz dieser Modulation liegt zwischen 20 und 100 Hz; die Viskositätsmesssung ändert sich bei veränderter Modulationsfrequenz nicht. In den nachstehend dargestellten Kurven wurden Modulationsfrequenzen von 20 und 50 Hz verwendet.
Der Bezugswert der Messung wird beispielsweise durch das Signal definiert, das erhalten wird, wenn die Meßzelle sich an Ort und Stelle, aber in der Luft befindet. Dieser Signalwert wird durch das in dem Stromkreis befindliche variable Dämpfungsglied 30 im Mittel auf 10 Volt eingestellt. (Es ist festzustellen, daß man für den Bezugswert einen Kurzschluß kreis anstelle der Meßzelle verwenden kann, so daß man den Bezugswert während der Messung überwachen kann, ohne die Meßzelle säubern zu müssen).
Fig. 6 zeigt die Schwankungen der Viskosität von Glyzerin in Pa.s in Abhängigkeit der Spannung U (in Volt), die am Ausgang der Detektionsanordnung 24 geliefert wird und die für die Energie der vom Medium reflektierten Mikrowellen repräsentativ ist.
Diese gleiche Kurve wurde in mehreren Versuchen erhalten, wobei man das Glyzerin erhitzte, um seine Viskosität zu verändern. Die Reproduzierbarkeit der Messung ist gut: alle Fehlerquellen zusammengenommen (Reinigung und erneute Plazierung der Meßzelle, Schwankungen der Quelle, etc.). Die Schwankung bei einer Messung bleibt kleiner als 20 mV für ein Signal von 1,80 mV. Die Genauigkeit einer Viskositätsmessung ist also 25 10&supmin;&sup4; Pa.s (25 cps) zwischen 500 und 1000 10&supmin;&sup4; Pa.s (zwischen 500 und 1000 cps).
Für den Fall der Epoxyharze ist die Meßfrequenz 9,5 GHz; die Signalschwankung ist kleiner als im Fall von Glyzerin (300 mV bei einer Schwankung von 1000 cps), die Genauigkeit ist folglich ein wenig schlechter, in der Größenordnung von 50 10&supmin;&sup4; Pa.s (50 cps) für eine Viskosität im Bereich von 500 bis 1500.10&supmin;&sup4; Pa.s (500 bis 1500 cps).
In Fig. 7 sind die Schwankungen der Viskosität (in Pa.s) eines polymersisierbaren Epoxyharzes in Abhängigkeit der Spannung U (in Volt) angegeben, die am Ausgang der Detektionsanordnung 24 anliegt. Die Skala der Ordinate beträgt 20 mV/cm, aber der Nullpunkt wurde unterdrückt, so daß alle Meßpunkte auf der gleichen Kurve liegen.
Diese Kurve wurde entsprechend der verwendeten Meßfrequenz gewonnen; das beweist, daß die Beziehung zwischen einer Signalschwankung der vom viskosen Medium reflektierten Mikrowelle und der Schwankung der Viskosität in diesem Medium unabhängig von der Frequenz ist. Diese Beziehung stellt die Empfindlichkeit der Messung dar.
Diese Empfindlichkeit ist hier 6,8 mV/10&supmin;¹ Pa.s, wie sich klar aus Fig. 8 ergibt, die die Schwankungen der Spannung U (in Volt) angibt, die von der Detektionsanordnung 24 in Abhängigkeit der Frequenz F (in GHz) der verwendeten Mikrowelle für ein Epoxyharz mit einer Viskosität von 0,1 Pa.s (3000 cps) geliefert wird. Bei Schwankungen einer Mikrowellenmessung in der Größenordnung von 10 mV, kann man eine Viskosität von etwa 13x10&supmin;³ Pa.s (130 cps) messen. Diese Genauigkeit ist von der gleichen Größenordnung wie diejenige, die mit herkömmlichen Rotationsviskosiinetern erhalten wird.
Wie vorstehend gesagt, wird die Beziehung, die die Energie Pr der vom viskosen Medium zur Meßzelle reflektierten Mikrowellen mit den dielektrischen Eigenschaften des Mediums verknüpft, durch Eichung festgelegt. Im Falle eines Epoxyharzes ist die Energie Pr mit der Viskosität durch eine Formel des Typs:
Pr = k log + C,
verknüpft, in der C eine mit dem viskosen Medium verbundene Konstante und k eine mit der Meßzelle verbundene Konstante ist.
Die erfindungsgemäße Meßzelle kann in einem Viskositätsbereich von 10&supmin;² Pa.s (100 cps) bis 10 Pa.s (10&sup5; cps) betrieben werden.
Der Verwendungsbereich der erfindungsgemäßen Meßzelle deckt die gesamte Spanne von polaren flüssigen Medien und insbesondere von polaren Polymeren ab.
Insbesondere kann die Vorrichtung der Erfindung für die Überwachung der Alterung von Harzen in Imprägnierungsbehältern, der Überwachung der Polymerisation in Wärmeschränken, der Überwachung der Viskosität von Klebern, Anstrichstoffen auf Grundlage von Polymeren etc. verwendet werden.

Claims

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Viskosität eines polaren viskosen Mediums (22) umfassend eine Mikrowellenquelle (26), eine Meßzelle, die im wesentlichen inindestens ein halbstarres Mikrowellen-Koaxialkabel (2,2a,2b,2c,2d), das dazu bestimmt ist, in das Medium eingetaucht zu werden und Verbindungsvorrichtungen (10,10a,10b) enthält, wobei das Kabel aus einem äußeren Mantel (4,4c,4d) und einem elektrische leitfähigen Kern (6,6c,6d) in koaxialer Anordnung besteht, und der zwischen dem Mantel und dem Kern befindliche Raum mit einem Dielektrikum (8) gefüllt ist, wobei der Kern ein abisoliertes Ende (12,12a, 12b, 12c, 12d) beinhaltet, das dazu bestimmt ist, in Kontakt mit dem viskosen Medium gebracht zu werden und eine mit dem äußeren Mantel (4c,4d) kurzgeschlossene, magnetische Schleife zu bilden, wobei die Meßzelle dazu bestimmt ist, in dieses Medium einfallende Mikrowellen mit gegebener Energie zu erzeugen und die Energie der vom Medium reflektierten Mikrowellen zu ermitteln, einen Detektor (42) zur Umwandlung der Energie der reflektierten Mikrowellen in ein elektrisches Signal, das eine steigende Funktion der Viskosität ist, einen ersten Mikrowellenleiter (34,36,38) zur Kopplung der Mikrowellenquelle mit der Meßzelle und einen zweiten Mikrowellenleiter (40) zur Kopplung des Detektors mit der Meßzelle.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle ein einziges Koaxialkabel (2,2c,2d) umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern und der äußere Mantel der Meßzelle aus Kupfer bestehen, das gegebenenfalls versilbert oder verchromt ist, und daß das Dielektrikum der Meßzelle aus Polytetrafluorethylen besteht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Koaxialkabel einen äußeren Durchmesser von weniger als 5 mm besitzt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenquelle (26) ein durch YIG frequenzgesteuerter Oszillator ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner einen zwischen der Mikrowelle (26) und der Meßzelle angeschlossenen Mikrowellenisolator (32) umfaßt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner ein zwischen der Mikrowellenquelle und der Meßzelle angeschlossenes Dämpfungsglied (30) der Mikrowellenenergie umfaßt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner ein Filter (28) zum Filtern des vom Detektor (42) gelieferten elektrischen Signals umfaßt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Richtkoppler (20) einerseits zwischen der Mikrowellenquelle (26) und der Meßzelle und andererseits zwischen dem Detektor (42) und der Meßzelle umfaßt, wenn die Meßzelle ein einziges Koaxialkabel (2, 2c, 2d) umfaßt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenquelle in einem Frequenzband von 1 GHz um die Betriebsfrequenz herum frequenzmoduliert ist.