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DC-Servomotor Mit bürstenlos rotierendem Sensor Viskosität schnell messen

| Autor/ Redakteur: Michael Schütte, Ellen-Christine Reiff* / Karin Pfeiffer

Farbe, Klebstoffe, Gele oder Teig? Um im Schnellverfahren die Viskosität in den Prozessen zu messen, hat der Laboranalyse-Spezialist Brabender unter einen Messtopf für die Probe einen bürstenlosen DC-Servomotor von Faulhaber gesetzt.

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Schnelles Universalmessgerät: Der Viscoquick bestimmt die Verkleisterungseigenschaften von Stärke, die Alpha-Amylase-Aktivität in Mehl sowie die absolute Viskosität von newtonschen Flüssigkeiten.
Schnelles Universalmessgerät: Der Viscoquick bestimmt die Verkleisterungseigenschaften von Stärke, die Alpha-Amylase-Aktivität in Mehl sowie die absolute Viskosität von newtonschen Flüssigkeiten.
(Bild: Brabender)

Viskositätsmessungen sind in vielen Branchen notwendig, zum Beispiel um die Konsistenz pastöser Stoffe zu optimieren oder so einzustellen, dass sich der Produktionsprozess verbessert. Typische Beispiele finden sich in der Nahrungsmittelindustrie bei Teigen, Saucen oder Milchprodukten. Medizinische Gele, Farben, Klebstoffe, Cremes und Öle sind weitere Anwendungen aus anderen Branchen. Mit einem neuen Rotationsviskosimeter von Brabender lassen sich die entsprechenden Messungen jetzt besonders schnell und einfach realisieren. Ein bürstenloser DC-Servomotor mit rastmomentfreiem Lauf und linearer Drehzahl-/Drehmomentkennlinie ist das Herz des Messgeräts.

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Bei vielen Produkten ist die ­Viskosität ein wichtiges Qualitätsmerkmal oder zumindest ausschlaggebend dafür, wie sie sich verarbeiten lassen, also entscheidend für den Prozessablauf. Viskositätsmessungen sind deshalb in vielen Bereichen sinnvoll, beim Wareneingang etwa, in der Qualitätskontrolle, bei der Optimierung von Rezepturen oder auch zwischen einzelnen Produktionsschritten. Damit diese Analysen möglichst wenig Zeit in Anspruch nehmen und mit kleinen Probenmengen auskommen, hat Brabender mit dem Viscoquick ein neues Rota­tionsviskosimeter entwickelt, mit dem eine Messung – abhängig vom Probenmaterial – nur etwa 10 min dauert. Dabei genügen 5 bis 15 g Probenmaterial, dazu noch ca. 100 bis 110 g Lösungsmittel.

Messen lässt sich das Viskositätsverhalten von ganz unterschiedlichen pastösen und viskosen Materialien in Abhängigkeit von der Temperatur sowie die Eigenschaften in puncto Verkleisterung von Stärke und anderen Materialien. Eine leistungsfähige Heiz-/Kühlfunktion ist integriert, die schnelle Heiz- und Kühlraten für unterschiedlichste Anwendungen ermöglicht. Zudem eignet sich der wiederverwendbare Messtopf aus Edelstahl auch für Säuren und Laugen. Das Messsystem wird über die Metabridge Software gesteuert, die Messwerte können direkt ausgewertet und grafisch dargestellt werden.

Bei zähem Kleister steigt das Drehmoment

„Unter dem Messtopf mit der Probe sitzt ein Motor, der das Paddel antreibt“, beschreibt Oleg Krawez, Systemarchitekt bei Brabender, die prinzipielle Funktionsweise des neuen Rotationsviskosimeters. „Verändert sich die Viskosität der Probe, verändert sich bei gleichbleibender Geschwindigkeit auch das Drehmoment des Antriebs. Wenn beispielsweise Stärke verkleistert und dem Paddel mehr Widerstand entgegensetzt, steigt also das Drehmoment.“

Um die Veränderungen zu bestimmen, wird am zweiten Wellenende des Motors das Drehmoment gemessen. Damit wird der Motor quasi zum Sensor, denn das Drehmoment erlaubt den Rückschluss auf die Viskosität. Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Motors muss deshalb für den Einsatz im Viscoquick möglichst linear sein, vor allem im niedrigen Drehzahlbereich. Je nach Analyseaufgabe liegen die Drehzahlen zwischen 0 und 500 Umdrehungen pro Minute.

Drehzahl und Drehmoment verhalten sich linear

Dafür galt es, den passenden Antrieb zu finden. „Nach ausführlichen Tests entschieden wir uns für einen bürstenlosen DC-Servomotor aus dem Faulhaber-Programm“, erklärt Krawez. „Der Motor der Baureihe 4490 BS erfüllt unsere Anforderungen in jeder Hinsicht.“ Außerdem hätten sie bereits früher gute Erfahrungen mit den Antriebsspezialisten aus Schönaich gemacht.

Der 2-polige Servomotor ist ein dreiphasiger Außenläufermotor mit einem breiten Drehzahl- und Drehmomentbereich. Die integrierten linearen Hallsensoren ermöglichen die geforderten niedrigen Drehzahlen. Der Motor arbeitet durch sein eisenloses Design rastmomentfrei, mit einem absolut linearen Verhältnis von Last zu Drehzahl, Strom zu Drehmoment sowie Spannung zu Drehzahl. Er bietet ein hochempfindliches Strom-/Drehmomentverhalten. Diese Motoreigenschaften spiegeln sich in den Messergebnissen wider. Viskositäten lassen sich mit einer Genauigkeit von bis zu 0,5 cmg bei einem Messbereich von 0 bis 2.500 cmg bestimmen.

Viskositäten lassen sich mit Genauigkeit von bis zu 0,5 cmg messen

Weitere wichtige Forderungen an den Antrieb waren Langlebigkeit und kompakte Abmessungen. Der Motor soll schließlich über das gesamte Geräteleben zuverlässig funktionieren und sich zudem gut integrieren lassen. In beiderlei Hinsicht konnte der bürstenlose Servomotor überzeugen. Durch die elektronische Kommutierung hängt seine Lebensdauer hauptsächlich von der des Motorlagers ab. Hier sind hochpräzise vorgespannte Kugellager eingesetzt, die ihre Zuverlässigkeit in unterschiedlichen Anwendungsfeldern gezeigt haben.

Gleichzeitig kamen die mit 44 mm Durchmesser und 90 mm Länge sehr kompakten Abmessungen des 282-W-Motors den räumlichen Gegebenheiten im Viscoquick entgegen, denn das Messgerät selbst misst nur 640 x 430 x 350 mm.

DC-Servomotor kommuniziert mit Steuerung des Viskosimeters

In seinem Inneren geht es jedoch eher eng zu, für die notwendigen Komponenten steht folglich wenig Einbauplatz zur Verfügung. „Wir waren deshalb froh, dass Faulhaber mit dem MCBL 3006 auch einen passenden, platzsparenden Con­troller im Programm hat“, so Krawez. Mit den Abmessungen von 58 x 65 mm entspricht die Grundfläche des auf den Motor abgestimmten Controllers etwa der Größe einer Scheckkarte, die Höhe beträgt 27 mm. Er kommuniziert mit der übergeordneten Steuerung des Viskosimeters über eine RS232-Schnittstelle; eine Ansteuerung über CANopen ist ebenfalls möglich.

Die Kombination aus bürstenlosem DC-Servomotor und darauf abgestimmtem Controller hat sich im Viscoquick bewährt und Brabender setzt die gleiche Lösung auch in weiteren Messgeräten ein, zum Beispiel im Amylograph-E, der ein reproduzierbares Bild der Enzymaktivität (Alpha-Amylase) in Mehlen und Schroten liefert. Auch hier werden Veränderungen des Drehmoments gemessen und dann automatisch in einem Amylogramm aufgezeichnet.

* Michael Schütte, Faulhaber Vertriebsingenieur; Ellen-Christine Reiff, RB Stutensee

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