DE10006632A1

DE10006632A1 - Measurement method for viscosity and shear stress of fluid, involves calculating viscosity and shear stress of fluid from performance curve and power consumption of flow through device

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

The measurement method involves calculating the viscosity and shear stress of a fluid from the performance curve, power consumption, heat loss quantity, or measurement power dissipation density of a flow through device with thermal sensors. The device generates a flow relative to its measurement organ in context with the passing speed of a fluid and a fluid with identified viscosity and shear stress. The viscosity and shear stress of the fluid is calculated based on the performance curve of the device when the measured fluid is passing through, and the performance curve of the device when a predetermined fluid with identified viscosity and shear stress is passing through.An INDEPENDENT CLAIM is also included for a viscosity and a thrust measurement device.

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.The present invention relates to a measuring device and a method for Viscosity measurement and a shear stress measurement, both for Newtonian, as well as non-Newtonian fluids. According to the state of the art Measuring the viscosity of Newtonian media such devices used such. B: A Spherical viscometer or a rotational viscometer, which works on the principle of the shear gap function. For Newtonian liquids, both the dynamic viscosity and Toughness of the medium, as well as the speed gradient to adjacent layers and the surface of the layer is also characteristic. In contrast, the non-Newtonians Media, where their deformation is not plastic, without the validity of Newtonian Voltage law. This results in a limited use of these viscometers for dynamic viscosity determination. In terms of non-Newtonian substances the use of these viscometers only on condition that they are present as pure substances or with the restriction, small particle diameters and small solids loads to show. In the event of an increase in the particle size and or the solids loading, the result is no possibility of an exact measurement, since the predominant influence of the Interaction between particles and constipation disturbs.

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.This continues to exist according to the prior art for viscosity measurement Vibration viscometer, the device is not reliable measurement ensures and often only the viscosity of the carrier liquid is measured detected. The resulting measurement errors depend, among other things, on the diameter of the solid particles in the suspension and their solids loading as well as the properties of the Suspension yourself together. the rheology devices such as rotational rheometers for the determination the shear stress, which work on a similar principle and mostly movable Have parts, which results in limited accuracy for the measurements to express the same about deficiencies.

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.Therefore, it is not possible from the prior art to have a reliable and exact, as well to achieve reproducible measurement of dynamic viscosity and shear stress. It is therefore the object of the invention, a legal device and a method for a reproducible and precise viscosity measurement and shear stress measurement using a thermosensor tube.

Diese Aufgabe wird in der Vorrichtung und dem Verfahren der gesetzmäßigen Art durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 20 gelöst.This task is carried out in the device and the procedure of the legal kind by the characteristic features of claims 1 and 20 solved.

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.The advantages of the further training are dealt with in the corresponding subclaims. The solution to the problem enables procedural viscosity measurement using a Thremosensor tube for Newtonian and non-Newtonian flow behavior with a larger one To create accuracy and improved reliability using a Pipe device with two thermal sensors to record a temperature difference determined amount of heat lost, the so-called power dissipation density, the Speed of the shear gradient using a z. B. flow meter and the Temperature difference using z. B. the thermocouples is determined. For the Power consumption is at least a flow rate for Newtonian or a series of flow velocity values for the non-Newtonian fluids, the Viscosity and shear stress is to be measured and the corresponding Heat losses measured and from the performance characteristics of the measured power consumption the flow velocity used for the power measurement or Calculate flow velocities. The performance measurement series of a known fluid will through the flow rate and or the rate of descent and the Power dissipation density determined so that the thermosensor tube is horizontal and also can be vertical.

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.The method according to the invention relates to a comparison of the power consumption of a Device for generating a flow relative to its measuring element in connection with the flow rate for a fluid to be measured and a known fluid known viscosity and or known shear stress. It is a principle that is based on the fact that the performance characteristics of any flow device that the Power dissipation density value depending on the Reynolds number, and independent of the Shear stress and or the viscosity of the fluid is based. So if one One-time recording of the performance characteristics of a flow device with thermal sensors using a known Newtonian fluid with known viscosity and or Known shear stress, the determination of the dynamic viscosity and Shear stress using this viscosity independence and Shear stress independence the performance curve by measuring the Power consumption performed at a number of different flow rates be the same for the determination of the shear stress by taking the Performance characteristics of a flow-through device with thermal sensors apply.

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.For a Reynolds number Re that is less than the critical Re, the power consumption may be due to improved measuring accuracy in relation to the strong dependence of the Reynolds number on the Power consumption are preferably recorded, the power characteristic in the turbulent Range strongly depends on the accuracy of the thermal sensors.

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.For a strict non-Newtonian fluid, the power measurement is the turbulent flow possible because here the dynamic viscosity increases from the speed of the shear gradient its square proportional to the power dissipation density and the shear stress of the Proportionality factor between the power dissipation density and the shear rate. in the At least three are related to the performance measurement of non-Newtonian fluids Performance measurements at different flow velocities necessary. It is also a combined shear stress-viscosity measurement for the detection of the viscoplastic substances, the so-called Bingham body possible, if one Yield stress is reached, the shear stress increases linearly with the shear rate, since in double logarithmic representation the values for the shear stress are recorded can. The shear stress viscosity measurement also enables the limit value to be recorded the effective viscosity, called plastic viscosity, that the Bingham body characterized. The shear stress measurement can largely depend on the time also for measuring rheopexic and thixotropic behavior using the hysteresis Curve recording can be used. Furthermore, it is ideal for optimal performance measurement choose a more viscous medium for the comparison measurement, due to the higher Accuracy of measurement of power consumption at relatively low flow velocities, for there are a variety of suitable hexoses for this purpose, e.g. B. glucose or fructose. Out of this there is the possibility of eliminating the errors in the determination of the performance characteristics for the low Reynolds numbers. The sensitivity of the thermal sensors (e.g. using the Wheatstone Bridge) is for the accuracy of the recording of the characteristic curves for the determination viscosity and shear stress are of great importance. Furthermore, one would also be possible high shear rate is an advantage for the measurement. The one under the adiabatic conditions Calorimetric measurement is a prerequisite for reproducible and an accurate measurement. An industrial use of the flow device with the Thermal sensors is possible and is available in which any Flow device with the thermal sensors after a single calibration Performance curve recording of unknown Newtonian or non-Newtonian media was carried out.

Claims

1.Procedure for measuring viscosities and shear stresses of fluids with Newtonian and non-Newtonian flow behavior using a flow device with thermal sensors with a range of power consumption using the ascertainable temperature differences to determine the power dissipation density and or the shear stress and the determination of the speed of the shear rate the flow velocity and the optimal flow device dimensions, measurement of the power consumption with at least two thermal sensors for determining the viscosity of the fluid to be examined as well as that of the shear stress and the combination of the viscosity and shear stress and or their temporal dependence to determine further flow behavior.
Calculate the required viscosity and the shear stress of the medium to be measured from the performance curve, the measured power consumption and the temperature measurement used for the power consumption measurements or a heat loss or power dissipation density measurement.

2. The method according to claim 1, wherein the flow-specific with thermosenors Performance characteristic determined by the performance coefficient (Ne) over the Reynolds number (Re) becomes.

3. The method according to claim 1 and 2, wherein the at least one line intake measurement for the fluid to be measured is carried out in the non-turbulent region (Re <Re _turbulence ).

4. The method of claim 1 to 3, wherein at least three power consumption measurements for the fluid to be examined can be carried out at different flow rates.

5. The method according to claim 1 to 4, wherein to determine the performance curve Newtonian fluid with high viscosity is used.

6. The method of claim 5, wherein the highly viscous Newtonian fluid is a hexose solution is.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the power measurement Power dissipation density and a measurement using the thermal sensors includes

8. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the power measurement is a detection of Temperature difference and recording the speed of the shear gradient

9. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the power measurement is a measurement one of the device for generating the temperature difference and generating the Speed of shear rate includes electrical power consumed.

10. The method according to any one of claims 7 to 9, wherein flow temperatures and Interference speeds of the shear gradient result from the sealing, electrical Interferences in a comparison measurement can be calibrated with an empty device.

11. The method according to any one of claims 1 to 10, wherein a flow device with the fixed or rotatable thermal sensors.

12. The method according to claim 11, wherein the measuring elements or measuring sensors with attachments is functional.

13.Viscosity measuring device for viscosity measurement and or for shear stress measurement of suspensions with high solids loads or large particle diameters with Newtonian and non-Newtonian flow behavior, with a flow device ( 7 ), the at least two thermosensors ( 8 ) and at least one device for determining the flow velocity ( 9 ) comprises a device ( 10 ) for power consumption for generating the temperature difference and the generation of the speed of the shear gradient and the narrowing device ( 11 ).

14. Viscosity measuring device and or shear measuring device according to claim 13, wherein the Device for thermosensor measurement and flow velocity measurement by means of a Substance. includes.

15. viscosity measuring device and or shear measuring device according to one of claims 14, wherein the power consumption measuring device for a phase converter or rectifier Determination of the electrical active power consumed.

16. Viscosity measuring device and or thrust measuring device according to claims 1 to 15, wherein the flow device is heatable, adiabatic and calorimetric,

17. A method for determining the progress of a reactive fluid, wherein the Progress of the reaction with a measurement of the viscosity and or the shear stress of a Fluids according to a method described in claims 1 to 16.

18. Claims according to 1 to 17 for the determination of the plastic viscosity and behavior von Bingham body by detecting the shear stress and changing the Shear rate

19. The method with claims from 1 to 17, wherein the hysteresis curve for determining the Thixotropy and rheopexy and the effective viscosity is determined.

20. The method according to claims 1 to 17, wherein viscoelastic and elastoviscose behavior and stress relaxation and time with the help of Shear stress measurement and time recording is measurable.