DE10006632A1

DE10006632A1 - Verfahren zur Messung von Viskosität und Viskositätsmeßvorrichtung sowie Schubspannung

Info

Publication number: DE10006632A1
Application number: DE2000106632
Authority: DE
Inventors: Slawomir Suchy
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-11-26
Filing date: 2000-02-14
Publication date: 2001-09-27

Abstract

Nach dem Stand der Technik zur Viskositätsmessung und Schubspannungsmessung gibt es: DOLLAR A Schwingungsviskosimeter, Kugelviskosimter oder Rotationsviskosimeter und Rotationsrheometer, deren Verläßlichkeit und Genauigkeit begrenzt sind. DOLLAR A Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine gesetzmäßige Vorrichtung und ein Verfahren zur reproduzierbaren und genauen Viskositätsmessung und Schubspannungsmessung mittels eines Thermosensorrohres darzustellen. DOLLAR A Diese Aufgabe wird in der Vorrichtung und dem Verfahren der gesetzmäßigen Art durch die kennzeichnenden Merkmale der Anprüche 1 und 20 gelöst. DOLLAR A Die Vorteile der Weiterbildungen werden in den entsprechenden Unteransprüchen behandelt. Die Lösung des Problems ermöglicht verfahrensmäßige Viskositätsmessung und Schubspannungsmessung mittels eines Thermosensorrohres für Newtonsche und Nicht-Newtonsche Fließverhalten mit einer größeren Genauigkeit und verbesserten Zuverlässigkeit zu erschaffen, unter der Verwendung einer Rohrvorrichtung mit zwei Thermofühlern zur Aufnahme einer über die Temperaturdifferenz ermittelter verlorenen Wärmemenge, der sogenannten Leistungsdisipationsdichte, wobei die Geschwindigkeit des Schergefälles mittels eines z. B. Strömungsmessers und die Temperaturdifferenz mittels z. B. der Thermoelemente ermittelt wird. für die Leistungsaufnahme wird wenigstens eine Strömungsgeschwindigkeit für die Newtonsche oder eine Reihe von Strömungsgeschwindigkeitswerten für die Nicht-Newtonsche Fluids, dessen Viskosität ...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrichtung und ein Verfahren zur Viskositätsmessung und eine Schubspannungsmessung, und dies sowohl für die Newtonschen-, als auch der Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten. Nach dem Stand der Technik werden für die Messung der Viskosität der Newtonschen Medien solche Geräte verwendet wie z. B.: Ein Kugelviskosimeter oder ein Rotationsviskosimeter, die nach dem Prinzip der Scherspalte funktionieren. Für die Newtonschen Flüssigkeiten sind sowohl die dynamische Viskosität bzw. Zähigkeit des Mediums, als auch der Geschwindigkeitsgradient zu anliegenden Schichten und auch die Fläche der Schicht charakteristisch. Im Gegensatz dazu sind die Nicht Newtonsche Medien, wobei ihre Verformung nicht plastisch ist, ohne die Gültigkeit des Newtonschen Spannungsgesetzes. Insofern ergibt sich eine eingeschränkte Einsetzbarkeit dieser Viskosimeter zur dynamischen Viskositätsbestimmung. Im Bezug auf die Nicht-Newtonschen Substanzen ist der Einsatz dieser Viskosimeter nur unter der Voraussetzung, daß sie als Reinstoffe vorliegen oder mit der Einschränkung, kleine Partikeldurchmesser und kleine Feststoffbeladungen aufzuweisen. Im Falle des Anstiegs der Partikelgröße und oder der Feststoffbeladung, ergibt sich keine Möglichkeit einer genauen Messung, da hierbei überwiegender Einfluß der Partikelwechselwirkung und Verstopfungen stört.

Weiterhin nach dem Stand der Technik zur Viskositätsmessung gibt es das Schwingungsviskosimeter, wobei das Gerät keine Verläßlichkeit der Messung gewährleistet und häufig nur ausschließlich die Viskosität der Trägerflüssigkeit messtechnisch erfaßt. Die sich daraus ergebende Meßfehler hängen unter anderem mit dem Durchmesser der Feststofteilchen in der Suspension und ihrer Feststoffbeladung sowie den Eigenschaften der Suspension selbst zusammen. die Rheologie-Geräte wie Rotationsrheometer für die Ermittlung der Schubspannung, die nach einem ähnlichen Prinzip funktionieren und meistens bewegliche Teile besitzen, was sich daraus für die Messungen eine eingeschränkte Genauigkeit ergibt, läßt sich Ähnliches an Unzulänglichkeiten äußern.

Daher ist es aus dem Stand der Technik nicht möglich eine verläßliche und exakte, sowie reproduzierbare Messung der dynamischen Viskosität und der Schubspannung zu erzielen. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine gesetzmäßige Vorrichtung und ein Verfahren zur einer reproduzierbaren und genauen Viskositätsmessung und Schubspannungsmessung mittels eines Thermosensorrohres darzustellen.

Diese Aufgabe wird in der Vorrichtung und dem Verfahren der gesetzmäßigen Art durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 20 gelöst.

Die Vorteile der Weiterbildungen werden in den entsprechenden Unteransprüchen behandelt. Die Lösung des Problems ermöglicht verfahrensmäßige Viskositätsmessung mittels eines Thremosensorrohres für Newtonsche und Nicht-Newtonsche Fließverhalten mit einer größeren Genauigkeit und verbesserten Zuverlässigkeit zu erschaffen, unter der Verwendung einer Rohrvorrichtung mit zwei Thermofühlern zur Aufnahme einer über die Temperaturdifferenz ermittelter verlorenen Wärmemenge, der sogenannten Leistungsdissipationsdichte, wobei die Geschwindigkeit des Schergefälles mittels eines z. B. Strömungsmessers und die Temperaturdifferenz mittels z. B. der Thermoelemente ermittelt wird. Für die Leistungsaufnahme wird wenigstens eine Strömungsgeschwindigkeit für die Newtonsche oder eine Reihe von Strömungsgeschwindigkeitswerten für die Nicht-Newtonsche Fluids, dessen Viskosität und Schubspannung meßtechnisch erfaßt werden soll, und der entsprechenden Wärmeverluste gemessen und aus den Leistungskennlinien der gemessenen Leistungsaufnahme der für die Leistungsmessaufnahme angewendete Strömungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsgeschwindigkeiten errechnen. Die Leistungsmessreihe eines bekannten Fluids wird durch die Durchströmgeschwindigkeit und oder die Absinkgeschwindigkeit und die Leistungsdissipationsdichte ermittelt, so daß sich das Thermosensorrohr waagerecht und auch senkrecht befinden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf einen Vergleich der Leistungsaufnahme einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Strömung relativ zu seinem Messorgan im Zusammenhang mit der Durchströmungsgeschwindigkeit für ein zu messendes Fluid und ein bekanntes Fluid mit bekannter Viskosität und oder bekannter Schubspannung. Es handelt es sich um ein Prinzip, das darauf beruht, daß die Leistungskennlinien einer beliebigen Durchströmvorrichtung, die dem Leistungsdissipationdichte-Wert in Abhängigkeit von der Reynoldszahl, und unabhängig von der Schubspannung und oder der Viskosität des Fluids ist, zugrunde liegt. Somit, wenn eine einmalige Aufnahme der Leistungskennlinien einer Durchströmvorrichtung mit Thermosensoren unter Verwendung eines bekannten Newtonschen Fluids mit bekannter Viskosität und oder bekannter Schubspannung erfolgte, kann die Ermittlung der dynamischen Viskosität und der Schubspannung unter der Verwendung dieser Viskositätsunabhängigkeit und Schubspannungsunabgängigkeit die Leistungskennlinie mittels der Messung der Leistungsaufnahme bei einer Reihe verschiedener Strömungsgeschwindigkeiten durchgeführt werden, wobei das gleiche für die Ermittlung der Schubspannung mittels der Aufnahme der Leistungskennlinien einer Durchströmvorrichtung mit Thermosensoren gilt.

Für eine Reynoldszahl Re, die kleiner ist, als die kritische Re kann die Leistungsaufnahme wegen verbesserter Meßgenauigkeit im Bezug auf die starke Abhängigkeit der Reynoldszahl von der Leistungsaufnahme bevorzugt erfaßt werden, wobei die Leistungskennlinie bei dem turbulenten Bereich stark von der Genauigkeit der Thermosensoren abhängt.

Für ein striktes Nicht-Newtonsches Fluid ist die Leistungsmessung der turbulenten Strömung möglich, weil hier die dynamische Viskosität von der Geschwindigkeit des Schergefälles zu ihrem Quadrat der Leistungsdissipationsdichte proportional und die Schubspannung der Proportionalitätsfaktor zwischen der Leistungsdissipationsdichte und dem Schergefälle ist. Im Bezug auf die Leistungsmessung der Nicht-Newtonschen Fluids sind mindestens drei Leistungsmessungen bei der unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten notwendig. Es ist auch eine kombinierte Schubspannung-Viskositätsmessung für die Erfassung der viskoplastischer Stoffe, der so genannter Binghamischer Körper möglich, wobei wenn eine Fließspannung erreicht wird, die Schubspannung linear mit dem Schergefälle ansteigt, da in doppelt-logarithmischer Darstellung die Werte für die Schubspannung aufgenommen werden können. Die Schubspannung-Viskositätsmessung ermöglicht auch die Erfassung des Grenzwertes der effektiven Viskosität, die man als plastische Viskosität bezeichnet, das die Bingham-Körper charakterisiert. Weitgehend kann die Schubspannungsmessung in der zeitlichen Abhängigkeit auch zur Messung des rheopexen und thixotropen Verhaltens mittels der Hysterese- Kurvenaufnahme verwendet werden. Ferner, es bietet sich für eine optimale Leistungsmessung ein höher viskoses Medium für die Vergleichsmessung zu wählen, aufgrund der höheren Meßgenauigkeit der Leistungsaufnahme bei relativ niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten, für diesen Zweck gibt es eine Vielzahl geeigneter Hexosen, wie z. B. Glucose oder Fructose. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit der Beseitigung der Fehler bei der Ermittlung der Leistungskennlinien für die niedrigen Reynoldszahlen. Die Empfindlichkeit der Thermodensoren (z. B. mittels der Wheatstonebrücke) ist für die Genauigkeit der Aufnahme der Kennlinien für die Bestimmung der Viskosität und der Schubspannung von großer Bedeutung. Ferner wäre auch möglichst ein hohes Schergefälle für die Messung vom Vorteil. Die unter den adiabatischen Bedingungen kalorimetrische Durchführung der Messung ist eine Vorraussetzung für eine reproduzierbare und eine genaue Messung. Eine großtechnische Nutzung der Durchströmvorrichtung mit den Thermosensoren ist möglich und steht zur Verfügung, in dem eine beliebige Durchströmvorrichtung mit den Thermosensoren nach einer einmaligen Eichung die Leistungskennlinienaufnahme unbekannter Newtonscher oder Nicht-Newtonscher Medien durchgeführt wurde.

Claims

1. Verfahren zur Messung von Viskositäten und von Schubspannung von Fluiden mit Newtonschen und Nicht-Newtonschen Fließverhalten unter Verwendung einer Durchströmvorrichtung mit Thermosensoren mit einer Reihe von Leistungsaufnahmen mittels der ermittelbaren Themperaturdifferenzen zur Erfassung der Leistungsdissipartionsdichte und oder der Schubspannung und der Ermittlung der Geschwindigkeit des Schergefälles anhand der Strömungsgeschwindigkeit und der optimalen Durchströmvorrichtungabmessungen, Messen der Leistungsaufnahme mit mindestens zwei Thermosensoren für die Ermittlung der Viskosität des zu untersuchenden Fluids sowie die der Schubspannung und der Kombination der Viskosität und Schubspannung und oder ihrer zeitlichen Abhängigkeit zur Ermittlung weiterer Fließverhalten.
Berechnen der gesuchten Viskosität und der Schubspannung des zu messenden Mediums aus der Leistungskennlinie, der gemessenen Leistungsaufnahme und der für die Leistungsaufnahmemessungen angewendete Temperaturmessung bzw. eines Wärmemengenverlustes oder Leistungsdissipationsdichtemessung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mit Thermosenoren strömspezifische Leistungskennlinie durch den Leistungsbeiwert (Ne) über der Reynoldszahl (Re) bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, wobei die wenigstens eine Leitungsaufnahmemessung für das zu messende Fluid im nichtturbulenten Bereich (Re < Re_turbulenz) durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, wobei wenigstens drei Leistungsaufnahmemessungen für das zu untersuchende Fluid bei verschiedenen Durchströmungen durchgeführt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, wobei zur Bestimmung der Leistungskennlinie ein Newtonsches Fluid mit hoher Viskosität benutzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das hochviskose Newtonsche Fluid eine Hexose-Lösung ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Leistungsmessung eine Leistungsdissipationsdichte und eine Messung mittels der Thermosensoren umfaßt

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Leistungsmessung eine Erfassung der Temperaturdifferenz und der Erfassung der Geschwindigkeit des Schergefälles

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Leistungsmessung eine Messung einer von der Vorrichtung zur Erzeugung der Temperatudifferenz und der Erzeugung der Geschwindigkeit des Schergefälles aufgenommene elektrischer Leistung umfaßt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei Strömtemperaturen und Störgeschwindigkeiten des Schergefälles resultieren aus der Abdichtung, elektrischen Störungen in einer Vergleichmessung mit einer leeren Vorrichtung kalibliert werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Strömungsvorrichtung mit den fixierten oder drehbaren Thermosensoren ausgestattet ist.

12. Verfahren nach der Ansprüche 11, wobei die Meßorgane bzw. Meßsensoren mit Anbauteilen funktionsfähig ist.

13. Viskositätmeßvorrichtung zur Viskositätsmessung und oder zur Schubspannungsmessung von Suspensionen mit hohen Feststoffbeladungen bzw. großen Partikeldurchmessern mit Newtonschen und Nicht-Newtonschen Fließverhalten, mit einer Durchströmvorrichtung (7), die mindestens zwei Thermosensoren (8) und mindestens einer Vorrichtung zu Ermittlung der Strömgeschwindigkeit (9) umfaßt, einer Vorrichtung (10) zur Leistungsaufnahme zur Erzeugung der Temperaturdifferenz und der Erzeugung der Geschwindigkeit des Schergefälles und der Einengungsvorrichtung (11).

14. Viskositätmeßvorrichtung und oder Schubmeßvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Vorrichtung zur Thermosensormessung und Strömgeschwindigkeitmessung mittels einer Substanz. umfaßt.

15. Viskositätmeßvorrichtung und oder Schubmeßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14, wobei die Leistungsaufnahmemeßvorrichtung einen Phasenumrichter oder Gleichrichter zur Ermittlung der aufgenommenen elektrischen Wirkleistung aufweist.

16. Viskositätmeßvorrichtung und oder Schubmeßvorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 15, wobei das Durchströmungsvorrichtung beheizbar, adiabatisch und kalorimetrisch ist,

17. Verfahren zur Bestimmung des Reaktionsfortschritts eines reaktionsfähigen Fluids, wobei der Reaktionsfortschritt mit einer Messung der Viskosität und oder der Schubspannung eines Fluids nach einem in den Ansprüchen 1 bis 16. bezeichneten Verfahren.

18. Ansprüche nach 1 bis 17 für die Ermittlung des plastischen Viskosität und des Verhaltens von Bingham-Körper mittels der Erfassung der Schubspannung und Änderung des Schergefälles

19. Verfahren mit den Ansprüchen von 1 bis 17, wobei die Hysteresekurve zur Ermittlung der Thixotropie und Rheopexie und der effektiven Viskosität ermittelt wird.

20. Verfahren nach den Ansprüchen von 1 bis 17, wobei viskoelastisches und elastoviskoses Verhalten und Spannungsrelaxation und -Zeit mit Hilfe der Schubspannungsmessung und der Zeiterfassung meßbar ist.