DE4218190C2 - Vorrichtung zur einfachen Bestimmung des Fließverhaltens fließfähiger Substanzen, insbesondere nichtnewtonscher Flüssigkeiten - Google Patents
Vorrichtung zur einfachen Bestimmung des Fließverhaltens fließfähiger Substanzen, insbesondere nichtnewtonscher FlüssigkeitenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Fließeigenschaften fließfähiger
Substanzen, insbesondere nichtnewtonscher Flüssigkeiten, welche es gestattet, mehrere
Schergeschwindigkeiten gleichzeitig zu erzeugen, um somit mehrere Meßwerte
zur Darstellung eines Teils der Fließkurve des zu untersuchenden Mediums zu
bestimmen.
Bekannte Meßvorrichtungen zur Bestimmung der Fließeigenschaften,
insbesondere nichtnewtonscher Flüssigkeiten, geben eine definierte Belastung des
Prüfmediums vor und messen die entsprechende Reaktion. Nach Änderung der
Belastung wird die auftretende Reaktion dann zur Erstellung der Fließkurve des
Mediums erneut gemessen. Dabei ist es unerheblich, ob die Schergeschwindigkeit
oder die Schubspannung vorgegeben wird.
Als Meßvorrichtung, die nach diesem Prinzip arbeiten, sind z. B.
Kugelfallviskosimeter, Rotationsviskosimeter, Schwingungsviskosimeter und
Kapillarviskosimeter bekannt.
Kugelfallviskosimeter liefern nur für newtonsche Flüssigkeiten exakte
Viskositätswerte; sie messen zudem nur diskontinuierlich. Es wird eine definierte
Belastung durch eine Kugel vorgegeben und als Reaktion wird die Fallzeit der
Kugel gemessen.
Kugelfallviskosimeter sind bei hohen Temperaturen und/oder Drücken und im
Produktionsprozeß nicht einsetzbar.
Mit Rotationsviskosimetern können auch nichtnewtonsche Fluide charakterisiert
werden, indem Schergeschwindigkeit oder Schubspannung zeitlich nacheinander
variiert werden. Sie versagen jedoch, wenn die Prüfsubstanz zum Sedimentieren
oder Verkrusten neigt oder wenn grobe Feststoffteile enthalten sind.
Weiterhin wirkt sich die freie Oberfläche bei leicht flüchtigen Substanzen negativ
auf das Meßergebnis aus. Unter Prozeßbedingungen sind die Meßergebnisse von
den Strömungsbedingungen abhängig; ein Meßgutaustausch ist nur begrenzt und
unter Verletzung der Viskosimeterströmung möglich. Besondere Schwierigkeiten
treten bei hohen Drücken auf.
Bei Schwingungsviskosimetern liegt keine Viskosimeterströmung vor,
Trägheitskräfte und Randerscheinungen machen exakte Viskositätsmessungen
unmöglich. Es werden nur relative Werte bestimmt.
Bei Flüssigkeiten, die Rückstände bilden oder Feststoffanteile enthalten, ist das
Schwingungsviskosimeter nicht geeignet.
Die bekannten Kapillarviskosimeter messen nur diskontinuierlich (Beginn der
Messung nach Säubern, Füllen und Temperieren des Vorratsbehälters) oder
kontinuierlich im Bypass, wobei ein definierter Volumenstrom mit Hilfe einer
Zahnradpumpe durch die Meßstrecke gefördert wird. Nachteil dieses Verfahrens
sind große Ansprechzeiten und Versagen der Zahnradpumpe bei feststoffhaltigen
und zum Kleben neigenden Substanzen.
Ein weiteres Verfahren zur Messung der Viskosität wird in der DE-OS 33 31 659
beschrieben. Diese Lösung hat folgende Nachteile:
Der Meßwert ist abhängig vom Umgebungsdruck und es sind somit Einrichtungen zur Erzeugung von Über- und Unterdruck notwendig. Das Meßverfahren ist auf Anwendungen in drucklosen Behältern beschränkt und nicht einsetzbar bei hohen Temperaturen oder mechanischen Belastungen.
Der Meßwert ist abhängig vom Umgebungsdruck und es sind somit Einrichtungen zur Erzeugung von Über- und Unterdruck notwendig. Das Meßverfahren ist auf Anwendungen in drucklosen Behältern beschränkt und nicht einsetzbar bei hohen Temperaturen oder mechanischen Belastungen.
Die Strömung der Kapillare ist vom Füllstand der Flüssigkeit im Meßgefäß
abhängig und der Meßbereich durch den maximal erzielbaren Unterdruck
begrenzt.
Ein anderes Wirkprinzip wird in der DE-OS 32 37 130 vorgestellt:
Der Einsatz des Federbalg-Kapillarviskosimeters ist insbesondere bei Flüssigkeiten mit ferritischen Anteilen wegen des verwendeten Elektro-Hubmagneten sehr problematisch. Zum anderen ist ein Meßgutaustausch nicht gewährleistet und die Strömungsbedingungen in der Kapillare sind wegen des exponentiellen zeitlichen Verlaufes der Balgdehnung nicht stationär.
Der Einsatz des Federbalg-Kapillarviskosimeters ist insbesondere bei Flüssigkeiten mit ferritischen Anteilen wegen des verwendeten Elektro-Hubmagneten sehr problematisch. Zum anderen ist ein Meßgutaustausch nicht gewährleistet und die Strömungsbedingungen in der Kapillare sind wegen des exponentiellen zeitlichen Verlaufes der Balgdehnung nicht stationär.
Weitere Verfahrensprinzipien zur Bestimmung der Fließeigenschaften fließfähiger
Substanzen beruhen u. a. auf der Erzeugung von Schallwellen im Prüfmedium
mittels Ultraschall und der nachfolgenden Ermittlung der
Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen.
Bekannt sind auch Verfahren zur Erzeugung elektrischer oder magnetischer Felder
im Prüfmedium und der Messung der Viskosität als Funktion der Feldstärke oder
ihrer Änderung.
Alle bekannten Vorrichtungen zur Bestimmung der Viskosität von fließfähigen
Substanzen versagen jedoch, wenn unterschiedliche Schergeschwindigkeiten
gleichzeitig gemessen werden sollen, um die Fließkurve des zu untersuchenden
Mediums zu bestimmen und gleichzeitig dessen Viskositätsänderung mit der Zeit
dargestellt werden soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine exakte Messung der
Fließeigenschaften fließfähiger Medien in Rohrleitungen, Behältern und Gefäßen
in einem weiten Schergeschwindigkeitsbereich und unabhängig von Druck- und
Strömungsverhältnissen zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe
durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Diese erfindungsgemäße Lösung weist mehrere Vorteile auf:
- 1. Die alternierende Kolbenbewegung ist in einfachster Weise durch einen Elektromotor (Rechts-Links-Läufer) mit Gewindespindel oder Zahnantrieb, Linearmotor oder Elektromotor mit Pleuel oder Kurvenscheibe zu realisieren.
- 2. Der Volumenstrom, der durch die Kapillaren oder Kapillarenbündel während des Meßvorganges gedrückt oder gesaugt wird, ist nur von der Geschwindigkeit der Viskosimeterkolben und den geometrischen Abmessungen von Viskosimeterkolben und Meßzylinder abhängig.
- 3. Es gibt im gesamten Meßsystem keine freien Oberflächen und damit keine Probleme bei leicht flüchtigen oder hautbildenden Flüssigkeiten.
- 4. Die durch die konstruktive Gestaltung des Meßsystems erzwungene Strömung bewirkt einen kontinuierlichen Meßgutaustausch und eine Selbstreinigung.
- 5. Es gibt keine Beeinflussung des Meßergebnisses durch suspendierte Teilchen.
- 6. Das Meßergebnis ist unabhängig von der Einbaulage.
Ein weiteres charakteristisches Merkmal der Erfindung ist die Messung der
Druckdifferenzen zwischen den Meßräumen und der Umgebung durch an sich
bekannte Druckaufnehmer bzw. Drucksensoren.
Daraus ergeben sich folgende Vorteile:
- 1. Die gemessene Druckdifferenz entspricht in jedem Fall dem zum Fließen notwendigen Druckverlust in den Kapillaren bzw. Kapillarenbündeln und ist unabhängig von Druckschwankungen oder Strömungsbedingungen in der Umgebung.
- 2. Der Meßvorgang ist nicht, wie bei den bekannten Kapillarviskosimetern, auf saugen oder drücken beschränkt. Es können vielmehr in beiden Richtungen, also auch in allen Meßräumen gleichzeitig, Meßwerte aufgenommen werden.
- 3. Mit Hilfe der Differenzdruckmesser können auftretende Überlastungen signalisiert werden.
Ein drittes charakteristisches Merkmal ist, daß alle mit dem Meßgut in Berührung
kommenden Teile sich im Meßgut befinden. Dadurch ist eine Temperierung des
Viskosimeters nicht nötig.
Ein viertes charakteristisches Merkmal ist, daß mehrere
Viskosimeterkolben/Meßzylinder parallel oder seriell (in Reihe) benutzt werden
können. Dadurch kann bei Verwendung unterschiedlicher Kapillaren in einem
Meßvorgang ein großer Teil einer Fließkurve gemessen werden, nämlich zwei
Meßpunkte pro Viskosimeterkolben/Meßzylinder. Die Erfindung wird nachfolgend
durch Ausführungsbeispiele erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Die Vorrichtungen sind in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt.
Bild 1 zeigt das Schema des kontinuierlichen Kapillarviskosimeters.
Bild 2 zeigt den Einsatz des kontinuierlichen Kapillarviskosimeters mit paralleler
Anordnung der Meßzylinder zur Prozeßüberwachung und -Steuerung in
Rohrleitungen, Behältern und Gefäßen.
Bild 3 zeigt den Einsatz des kontinuierlichen Kapillarviskosimeters mit seriell
angeordneten Meßzylindern.
Im Bild 1 ist das Kapillarviskosimeter zur Bestimmung des Fließverhaltens von
fließfähigen Substanzen (kontinuierliches Kapillarviskosimeter) schematisch
dargestellt.
Der Antrieb 1 bewegt den Viskosimeterkolben 2 über die Kolbenstange, innerhalb
einer definierten Meßstrecke im Meßzylinder 3, mit einer konstanten
Geschwindigkeit in hin- und hergehender Richtung. Die gleichförmige Bewegung
des Viskosimeterkolbens 2 im Meßzylinder 3 bewirkt einen konstanten
Förderstrom und somit eine konstante Schergeschwindigkeit in den Kapillaren 6
oder Kapillarenbündeln. Je nach Bewegungsrichtung des Viskosimeterkolbens 2
wird ein Meßraum 4 bzw. 5 mit Prüfmedium 12 gefüllt und aus dem anderen
Meßraum 5 bzw. 4 bereits angesaugte Flüssigkeit ausgestoßen.
Mit Differenzdruckmessern 7 wird die Druckdifferenz vom Meßraum 4 und 5 zur
Umgebung des Meßraumes gemessen. Aus der gemessenen Druckdifferenz, die
genau dem Druckverlust in den Kapillaren bzw. Kapillarenbündeln 6 entspricht
und dem definiert eingestellten Volumenstrom kann die Viskosität nach bekannten
Berechnungsgleichungen exakt ermittelt werden.
Der Weg-, Zeit- oder Geschwindigkeitsmesser 8 dient zur Kontrolle der
Kolbengeschwindigkeit. Außerdem wird dadurch der Anfangs- und Endpunkt der
Meßstrecke im Meßzylinder 3 genau fixiert. Über eine Signalverarbeitung 9 wird
die Viskosität angezeigt, registriert oder zur Prozeßsteuerung weitergegeben.
Zusätzlich kann das Viskosimeter mit einem Temperaturmeßfühler und einer
Einrichtung zur Temperaturkompensation ausgestattet werden.
Da der gesamte Meßraum in das Prüfmedium eintaucht und innerhalb kürzester
Zeit dessen Temperatur annimmt, ist eine Temperierung des Meßraumes nicht
erforderlich. Als Antriebe sind vorzugsweise verwendbar:
- a) E-Motor (Rechts-Linksläufer) mit Gewindespindel oder Zahnantrieb,
- b) Linearmotor,
- c) E-Motor mit Pleuel oder Kurvenscheibe.
Das beschriebene Viskosimeter ist aufgrund seines einfachen Aufbaus und der
geringen Zahl von Bauelementen verschleißarm, störunanfällig, servicefreundlich
und im Betrieb selbstreinigend.
Die Bilder 2 und 3 zeigen das kontinuierliche Kapillarviskosimeter eingesetzt in
geschlossenen, mit Druck bzw. Unterdruck beaufschlagten Rohrleitungen,
Behältern oder Gefäßen.
Das Kapillarviskosimeter wird mit den Meßzylindern 3 in eine vorbereitete
Öffnung einer Rohrleitung, Behälter oder Gefäß eingeführt und mittels Dichtung
und Viskosimeterflansch 10 druckdicht verbunden.
Die Arbeitsweise des Viskosimeters ist wie im Bild 1 beschrieben.
Die in den Bildern 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele sind besonders
geeignet zur Viskositätsregelung und -Messung nichtnewtonscher Flüssigkeiten,
zur Steuerung von Flüssigkeitsmischanlagen und zur Viskositätsüberwachung bei
physikalischen und chemischen Prozessen in der Industrie.
Das beschriebene Viskosimeter ist für hohe Drücke und hohe Temperaturen sowie
bei dementsprechendem Antrieb auch in explosionsgefährdeten Anlagen
einsetzbar, außerdem ist es robust und störungsunempfindlich. Es kann in jeder
beliebigen Einbaulage eingesetzt werden.
Daneben kann das kontinuierliche Kapillarviskosimeter auch im Labor- oder
Werkstatteinsatz (mit Stativ) und als Handviskosimeter (mit Haltegriff) verwendet
werden. Die Arbeitsweise des Viskosimeters ist wie im Bild 1 beschrieben.
Das Kapillarviskosimeter wird in diesen Fällen mit dem Meßzylinder 3 in das
Prüfmedium, welches sich in einem oben offenen Behälter befindet, ausreichend
tief eingetaucht, so daß beim Betreiben des Viskosimeters keine Luft angesaugt
wird.
Es kann sowohl mit Kapillaren 6 oder Kapillarenbündeln ausgestattet sein.
Bei der Messung ist es ratsam, mit dem Viskosimeter solange im Prüfmedium zu
verharren, bis der Meßzylinder 3 die Temperatur des Prüfmediums angenommen
hat, damit fehlerfreie Messungen erzielt werden. Eine Entleerung der Meßräume 4,
5 erfolgt, indem man bei arbeitendem Viskosimeter die Kapillaren 6 über der
Oberfläche des Prüfmediums positioniert. Zum Reinigen werden die Meßräume
des arbeitenden Viskosimeters in ein Spülmittel getaucht und anschließend
entleert.
Bei Labor- oder Werkstatteinsatz ist es weiterhin vorteilhaft, das Viskosimeter mit
einem Stativ zu positionieren. Dabei wird der Meßzylinder 3 in den Behälter mit
dem Prüfmedium ausreichend tief eingetaucht.
Das Kapillarviskosimeter als Handviskosimeter bzw. im Labor- und
Werkstatteinsatz ist einfach im Aufbau und unkompliziert in der Handhabung. Es
bringt schnelle und sichere Ergebnisse. Mit dem Handviskosimeter kann direkt im
Reaktorbehälter gemessen werden, so daß eine separate Probenentnahme und
deren Transport zum Viskosimeter entfallen. Dadurch werden
Temperatureinflüsse, die daß Meßergebnis verfälschen, eliminiert.
Bezugszeichenliste
1 Antrieb
2 Viskosimeterkolben
3 Meßzylinder
4 Meßraum 1
5 Meßraum 2
6 Kapillaren oder Kapillarenbündel
7 Differenzdruckmesser
8 Weg-Zeit- Meßeinrichtung oder Geschwindigkeitsmesser
9 Signalverarbeitung mit Auswertung, Viskositätsanzeige und Anschluß zur Prozeßsteuerung
10 Viskosimeterflansch
12 Prüfmedium
13 Trennwand
14 Behälter.
2 Viskosimeterkolben
3 Meßzylinder
4 Meßraum 1
5 Meßraum 2
6 Kapillaren oder Kapillarenbündel
7 Differenzdruckmesser
8 Weg-Zeit- Meßeinrichtung oder Geschwindigkeitsmesser
9 Signalverarbeitung mit Auswertung, Viskositätsanzeige und Anschluß zur Prozeßsteuerung
10 Viskosimeterflansch
12 Prüfmedium
13 Trennwand
14 Behälter.
Claims (11)
1. Vorrichtung zur einfachen Bestimmung des Fließverhaltens fließfähiger
Substanzen, insbesondere nichtnewtonscher Flüssigkeiten, die aus einem
oder mehreren Meßzylindern (3) mit jeweils einem, darin axial beweglichen
Kolben (2), der gegenüber der Zylinderinnenwandung gasdicht abgedichtet
ist und der den jeweiligen Zylinder (3) in einen ersten (4) und einen zweiten
(5) Meßraum trennt, einem an sich bekannten Antrieb (1), der direkt oder
indirekt auf den Kolben (2) wirkt, einer bekannten Weg-Zeit-
Meßeinrichtung oder Geschwindigkeitsmeßeinrichtung (8) zur Bestimmung
der Kolbengeschwindigkeit und einer Signalverarbeitungseinheit zur
Ermittlung der Viskosität (9) besteht, wobei die zwei Meßräume (4), (5)
jeweils eine Kapillare oder ein Kapillarenbündel (6) und einen
Differenzdruckmesser (7) aufweisen, die vorzugsweise oberhalb bzw.
unterhalb des oberen bzw. unteren Kolbentotpunktes in der
Zylinderwandung oder dem Zylinderboden angeordnet sind und die
Verbindung des ersten (4) und des zweiten (5) Meßraums jeweils zum
umgebenden Prüfmedium (12) herstellen und wobei die Druckdifferenz
zwischen dem ersten Meßraum (4) und dem umgebenden Prüfmedium (12)
und gleichzeitig die Druckdifferenz zwischen dem zweiten Meßraum (5)
und dem umgebenden Prüfmedium (12) ermittelt und über die an sich
bekannte Signalverarbeitungseinheit (9) erfaßt und verarbeitet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur synchronen
Ermittlung von drei oder mehr Meßwerten zur Bestimmung der Viskosität
mindestens zwei Zylinder (3) mit Kolben (2), Kapillaren (6),
Differenzdruckmesser (7) und jeweils zugeordneter Weg-Zeit-
Meßeinrichtung (8) parallel angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur synchronen
Ermittlung von drei oder mehr Meßwerten zur Bestimmung der Viskosität
mindestens zwei Zylinder (3) axial in Reihe hintereinander angeordnet sind,
wobei zwischen benachbarten, hintereinander liegenden Kolben (2) eine
gasdichte Trennwand (13) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß als Antrieb (1) ein Linearmotor oder ein Elektromotor
mit Polumschaltung (Rechts-Links-Läufer) verwendet wird und die
Kraftübertragung auf den Kolben (2) direkt oder über Gewindespindel mit
Mutter, über Zahnradgetriebe oder einen Pleueltrieb erfolgt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß alle Kolben (2) durch einen gemeinsamen Antrieb (1) bewegt werden.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzeugung unterschiedlicher Schergeschwindigkeiten die
Kolbengeschwindigkeit des oder der Viskosimeterkolben(s) (2) stufenlos
veränderbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Ermittlung großer Schergeschwindigkeitsbereiche in jeweils einem
oder beiden Meßräume (4), (5) jeweils Kapillaren mit entsprechend
unterschiedlichen Querschnitten verwendet werden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung
von Schergeschwindigkeiten von Δγ zwischen 1 : 8 und 1 : 1000 in jeweils
einem oder beiden Meßräumen (4), (5) jeweils Kapillaren mit unter
schiedlichen Querschnitten im Querschnittsverhältnis zwischen 4 : 1 und
100 : 1 verwendet werden.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kapillaren oder Kapillarenbündel (6) lösbar mit der Zylinderwandung
oder dem Zylinderboden verbunden sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bestimmung des Kristallisationspunktes von Medien, die zur
Kristallisation neigen, Kapillarenbündel verwendet werden, wobei der
Querschnitt der Kapillaren innerhalb des Kapillarenbündels (6) gleich oder
unterschiedlich, insbesondere gestuft ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Fehlerkompensation bei der Ermittlung der Viskosität mindestens
zwei Meßräume (4), (5) mit jeweils gleichen Kapillaren (6) und
Differenzdruckmesser (7) versehen sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924218190 DE4218190C2 (de) | 1992-06-03 | 1992-06-03 | Vorrichtung zur einfachen Bestimmung des Fließverhaltens fließfähiger Substanzen, insbesondere nichtnewtonscher Flüssigkeiten |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924218190 DE4218190C2 (de) | 1992-06-03 | 1992-06-03 | Vorrichtung zur einfachen Bestimmung des Fließverhaltens fließfähiger Substanzen, insbesondere nichtnewtonscher Flüssigkeiten |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4218190A1 DE4218190A1 (de) | 1993-12-09 |
DE4218190C2 true DE4218190C2 (de) | 1995-05-24 |
Family
ID=6460236
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19924218190 Expired - Fee Related DE4218190C2 (de) | 1992-06-03 | 1992-06-03 | Vorrichtung zur einfachen Bestimmung des Fließverhaltens fließfähiger Substanzen, insbesondere nichtnewtonscher Flüssigkeiten |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4218190C2 (de) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
ES2752083A1 (es) * | 2018-10-02 | 2020-04-02 | Univ Huelva | Equipo para la medicion de las propiedades reologicas en fluidos |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2317321B1 (de) * | 1973-04-06 | 1974-07-11 | Horst Dr.-Ing. 5100 Aachen Chmiel | Vorrichtung zur Messung rheologischer Größen fließfähiger Substanzen mit zwei verschiedenen Meßrohren |
US4750351A (en) * | 1987-08-07 | 1988-06-14 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | In-line viscometer |
-
1992
- 1992-06-03 DE DE19924218190 patent/DE4218190C2/de not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
---|---|
DE4218190A1 (de) | 1993-12-09 |
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