DE102007011985B4

DE102007011985B4 - Mörtelmesszelle für Rotationsviskosimeter

Info

Publication number: DE102007011985B4
Application number: DE102007011985.4A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Vogel Ruprecht
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2027-03-10
Also published as: DE102007011985A1

Abstract

Mörtelmesszelle für Rotationsviskosimeter zur rheologischen Untersuchung von Fluiden in Gestalt unterschiedlicher fester und flüssiger Phase, ausgeführt als Doppelspalt Messzelle bestehend aus einem Ringspaltgefäß (2) und einem Messkörper (1), hier Korbsensor genannt, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Messfläche (3) des Korbsensors (1) durch ein Gerüst mit dem darin eingelagerten Material gebildet wird, wobei das Gerüst als Geflecht ausgeführt wird und die Größe der Maschen (4) in geeignetem Verhältnis zur Größe der Körnung der festen Phase des Fluids gewählt wird.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Messzelle zur Ausrüstung von Rotationsviskosimetern für die Ermittlung der Fließeigenschaften von Fluiden, insbesondere von solchen, die aus einer flüssigen und einer festen Phase, wie Körnern, Fasern oder ähnlichen, bestehen.
Stand der Technik
Zur Messung der Fließeigenschaften von Fluiden werden seit Jahrzehnten Rotationsviskosimeter verwendet. Diese sind mitverschiedenen, dem Untersuchungsgegenstand gerechten, Messzellen ausgerüstet. Zum Beispiel Platte/Platte (DIN 53018), Zylindermesssysteme (ISO 3219) oder Doppelspalt Messsysteme (DIN 54453, DE 66716 , DE 844 362 B US 4 214 475 A DE 36 30 565 A Während hiermit die Fließeigenschaften homogener Fluide, wie zum Beispiel Ölen, gut gemessen werden können, sind Fluide, die aus einer flüssigen und einer festen Phase bestehen, wie zum Beispiel Zementsuspensionen, Keramikschlicker, Mörtel oder Frischbeton, mit den bekannten Messzellen nicht zu bewerten, da es an den Grenzflächen zwischen Messzelle und Fluid durch eine Trennung der Phasen unter der Scherbelastung zu Wandgleiteffekten und zum Absetzen oder Sedimentation der dichteren Partikel kommt. In US 50 56 358 A ist eine Doppelspaltmesszelle an der Oberseite für die dichteren Partikel durch ein Sieb durchlässig gestaltet, so dass die Sedimentation nicht behindert wird. Die Messzelle wird dann in einem Bereich des Messgefäßes angeordnet, in dem eine mittlere Partikelkonzentration herrscht. Darüber bildet sich ein Bereich der flüssigen Phase, darunter ein dichter Bereich sedimentierter Partikel. Außerdem muss (Metzger, Thomas: Das Rheologie Handbuch - Hannover: Vincentz, 2000, Seite 211)) der Abstand zwischen den Scherflächen mindestens fünfmal (besser zehn mal) so groß zu sein wie die größte Abmessung der Partikel im Fluid. Dadurch muss eine hohe Scherrate verwendet werden, um sicher zu gehen, dass wirklich der gesamte Messspalt durchschert wird. Die hohe Scherrate fördert durch Zentrifugalkräfte die Trennung von Fest- und Flüssigphase. Will man die Zentrifugalkräfte gezielt ausnutzen, kann man die Mantelfläche der Doppelspaltzelle durch Perforation durchlässig gestalten ( DD 2 52 246 A1 ).
Es wurde auch vorgeschlagen, die Oberflächen der Messzellen zu strukturieren oder aufzurauen ( AT 1 22 893 B ) oder lamellenartig auszubilden ( DD 2 83 058 A7 ) um Wandgleiten zu verhindern. Die technische Praxis zeigt, dass es schwierig ist, eine präzise Scherfläche hierfür zu ermitteln und dass sich während der Messung die vorhandenen Vertiefungen beziehungsweise Hohlräume zusetzen und damit das Messergebnis verfälschen. Eine andere Möglichkeit, die Gleitschichtbildung und Entmischung zu umgehen besteht darin, auf das Scheren des Fluids zwischen definierten Flächen zu verzichten und einen Verdrängungskörper ( DE195 03 028 A1 ) oder Rührer ( US 4 332 158 A WO 93/ 05 382 A1 mit einer geeigneten Vorrichtung durch das Material zu bewegen. Dabei wird ähnlich wie bei einem Rotationsviskosimeter die Kraft, auf den Verdrängungskörper in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit gemessen. Nachteil einer solchen Vorrichtung ist, dass die Größe des gescherten Materialbereichs nicht genau bestimmt werden kann. Da in die physikalische Beschreibung des Materialfließens stets das tatsächlich gescherte Materialvolumen eingeht, kann man bestenfalls von relativen Vergleichsmessungen sprechen. Es ist hier nicht zulässig eine Viskosität oder Fließgrenze anzugeben.
In vielen technischen Bereichen behilft man sich seit mehr als 100 Jahren mit heuristischen Verfahren zur Beurteilung des Fließverhaltens von pastösen Fluiden. Hier werden zum Beispiel Auslaufversuche (EN 12706) für Schlicker, Spachtelmassen, oder selbst verdichtendem Beton ( JP H09- 250 980 A ) verwendet (EN 12706). Für steifere Materialien sind der Ausbreittisch (DIN EN 12350) oder der Schocktisch üblich (DIN EN 1215-3) .
Da diese Verfahren die rheologischen Kenngrößen des Materials, wie Viskosität und Fließgrenze nur bei einem bestimmten, nur in der Gesamtheit und außerdem gerätespezifisch durch eine geometrische Abmessung oder Zeit fixieren, kann man diese nur zur Orientierung nutzen.
Problem
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, bei einer Messzelle für Rotationsviskosimeter mit definierten Flächen, nämlich der Doppelspaltzelle, die Wandgleiteffekte auszuschließen und damit die Fließgrenze und Viskosität von Stoffgemengen, insbesondere Mörteln exakt zu messen.
Lösung
Dieses Problem wird gelöst, indem der Messkörper einer bekannten Doppelspaltmesszelle so ausgeführt wird, dass er vorwiegend durch das zu untersuchende Material gebildet wird. Um dies zu erreichen. besteht der Messkörper nur aus einem geflechtartigen Gerüst beziehungsweise Netz mit vernachlässigbar kleinen Wandflächen, in das sich Fluidteilchen einlagern und damit die Scherfläche bilden.
Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Öffnungen des Geflechts hindurch, zwischen dem Material innerhalb und außerhalb des Messkörpers das Fluid verbunden ist und somit Kohäsionskräfte ein Wandgleiten des Fluids verhindern. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass, je nach Material, die Größe der Geflechtmaschen an das Fluid, vor allem an die maximale Korngröße angepasst wird.
Da bei einer Doppelspalt-Messzelle die innere und äußere Fläche des Messkörpers zum Messsignal (Drehmoment) beitragen, und diese somit sehr empfindlich ist, können auch die Fließgrenzen sehr fließfähiger Suspensionen und Mörtel bestimmt werden.
Dreht man das Ringspaltgefäß oder den Messkörper während des Eintauchvorgangs des Messkörpers, so sorgen schräg angestellte Leitprofile am unteren Ende vorteilhaft dafür dass sich der Körper, auch bei steiferem Material, in das Prüfgut einschrauben kann.
Diese Leitprofile verhindern außerdem während der Messung eine Sedimentation der festen Phase des Fluids.
Nivellierschlitze die am oberen Ende des Messkörpers in das Geflecht eingearbeitet sind sowie eine Überlauftasse in der Mitte des Ringspaltgefäßes stellen vorteilhaft sicher, dass sich von selbst das richtige Niveau des Fluids einstellt. Der Boden des Ringspaltgefäßes kann, ohne das Messergebnis zu beeinflussen, abgerundet ausgestaltet werden, um eine leichte Reinigung des Gefäßes zu ermöglichen.
Das Ringspaltgefäß kann vorteilhaft aus zwei Teilen aufgebaut sein, so dass der innere Zylinder mit der Überlauftasse zur Reinigung herausgenommen werden kann.
Ein wechselbarer Adapter verbindet den Messkörper mit dem Drehmomentsensor des Viskosimeters, so dass die Messzelle einfach an verschiedene Viskosimeter angepasst werden.
Die Messzelle kann ohne prinzipielle Änderung, sowohl mit Viskosimetern mit drehendem Ringspaltgefäß und festem Messkörper (Couette Typ) als auch Viskosimetern mit festem Ringspaltgefäß und drehendem Messkörper, verwendet werden (Searle Typ) .
Darstellung der Erfindung und ihrer möglichen Varianten: Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden als Korbmesszelle beschrieben. Es zeigen 1 die Korbmesszelle im Schnitt, 2 die Korbmesszelle im Schnitt als räumliche Darstellung. Die Korbmesszelle besteht aus dem Messkörper oder Korbsensor (1) und dem Ringspaltgefäß (2). Die wirksame Messfläche (3) ist als Netz oder maschenartiges Geflecht ausgeführt. Wobei die Größe der Maschen (4) in geeignetem Verhältnis zur maximalen Korngröße der zu prüfenden Flüssigkeit gewählt wird. Das Geflecht wird oben mit der Halterung (5) verbunden. Im Zentrum der Rotationsachse befindet sich der Adapter (6) mit der Aufnahme für das Viskosimeter, das hier nicht mit dargestellt ist. Den unteren Rand des Geflechts stabilisiert ein Ring (7), an den leicht angestellte Leitprofile (8) angebracht sind. Diese ermöglichen es, dass sich der Korbsensor beim Einfahren in das Ringspaltgefäß (2) in das zu prüfende Fluid(9) eingraben kann, auch wenn dieses eine steifere Konsistenz besitzt. Hierzu muss sich entweder der Korbsensor (1) oder das Ringspaltgefäß (2)beim Einfahren drehen. Das Material (9), das beim Einfahren vom Korbsensor (1) verdrängt wird, kann durch die Nivellierschlitze (10) im Geflecht vom äußeren in den inneren Bereich des Ringspaltgefäßes (2) fließen. Vom inneren Bereich kann Material in die Überlauftasse (11) gelangen, so dass sich immer ein exaktes Fluidniveau (12) einstellt. Die Überlauftasse (11) schließt den Innenzylinder (13) oben ab. Während der Messung verhindern die Leitprofile (8) eine eventuelle Sedimentation des Prüfgutes (9). Wird das Ringspaltgefäß (2) so ausgeführt, dass man den Innenzylinder (13) entfernen kann, so erleichtert dies die Reinigung des Ringspaltgefäßes (2).
Der Ablauf einer Messung mit der erfindungsgemäßen Korbmesszelle erfolgt auf nachstehende Weise:

Das zu vermessende Fluid (9) wird bis zum Soll-Niveau (12) in das Ringspaltgefäß (2) eingefüllt. Der Korbsensor (1) wird mit dem Adapter (6) am Drehmomentaufnehmer des Viskosimeters befestigt. Das Ringspaltgefäß (2) wird auf die Gefäßaufnahme des Viskosimeters gesetzt. Die Messung wird gestartet und der Korbsensor (1) fährt in das Ringspaltgefäß (2) ein, wobei sich das Ringspaltgefäß (2) oder der Korbsensor (1) bereits langsam drehen. Während der Korbsensor (1) in das Fluid (9) eintaucht, fließt vom Korbsensor (1) und durch die Leitprofile (8) verdrängtes Fluid (9) durch die Nivellierschlitze (10) in die Überlauftasse (11), so dass sich ein festes Niveau (12) einstellt. Während der eigentlichen Messung wird das Drehmoment an Achse des Adapters (6) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Korbsensors (1) oder des Ringspaltgefäßes (2) gemessen. Aus der eingetauchten Fläche des Korbsensors (1), der Spaltweite im Ringspalt sowie dem Durchmesser des Korbsensors (1) können aus dem gemessenen Drehmoment die Scherspannung und aus der Drehgeschwindigkeit das Schergefälle errechnet, und so eine Fließkurve aufgezeichnet werden, die die Fließeigenschaften des Fluids (9) beschreibt.

Nach der Messung fährt der Korbsensor (1) wieder aus dem Ringspaltgefäß (2) heraus. Durch Herausnehmen des Innenzylinders (13) mit Überlauftasse (11) kann das Ringspaltgefäß (2) leicht gereinigt werden.

Claims

Mörtelmesszelle für Rotationsviskosimeter zur rheologischen Untersuchung von Fluiden in Gestalt unterschiedlicher fester und flüssiger Phase, ausgeführt als Doppelspalt Messzelle bestehend aus einem Ringspaltgefäß (2) und einem Messkörper (1), hier Korbsensor genannt, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Messfläche (3) des Korbsensors (1) durch ein Gerüst mit dem darin eingelagerten Material gebildet wird, wobei das Gerüst als Geflecht ausgeführt wird und die Größe der Maschen (4) in geeignetem Verhältnis zur Größe der Körnung der festen Phase des Fluids gewählt wird.