DE20023750U1

DE20023750U1 - 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: DE20023750U1
Application number: DE20023750U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-02-14
Filing date: 2000-02-14
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2010-02-15

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 zur Viskositätsmessung und dies sowohl für die Newtonsche als auch der Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten. Nach dem Stand der Technik werden für die Messung der Viskosität der Newtonschen Medien solche Geräte verwendet wie zum Beispiel 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 möglich, dass sie als Reinstoffe vorliegen oder mit der Einschränkung, kleine Parti keldurchmesser 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 The present invention relates to a measuring device and for viscosity measurement and this for both Newtonian as well as non-Newtonian fluids. According to the state of Technology will be for the measurement of the viscosity of Newtonian media such devices used such as a ball viscometer or a rotational viscometer, which work on the principle of the shear column. For the Newtonian liquids are both the dynamic viscosity and toughness of the medium, as well the velocity gradient to adjacent layers and also the area of the Layer characteristic. In contrast, the non-Newtonian Media, where their deformation is not plastic, without validity of Newton's law of tension. In this respect, there is a limited applicability this viscometer for dynamic viscosity determination. Relating to the non-Newtonian Substances is the use of this viscometer only under the condition possible, that they are present as pure substances or with the limitation, small Particle diameter and have small solids loadings. In the case of increase in particle size and or solids loading there is no possibility a precise measurement, since in this case predominant influence of the particle interaction and constipation bothers.

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 Feststoffteilchen in der Suspension und ihrer Feststoffbeladung sowie den Eigenschaften der Suspension selbst zusammen. Nach dem Stand der Technik zur Viskositätsmessung gibt es: Schwingungsviskosimeter, Kugelviskosimeter oder Rotationsviskosimeter deren Verlässlichkeit und Genauigkeit begrenzt sind.Farther according to the state of the art for viscosity measurement, there is the vibration viscometer, the device no reliability ensured the measurement and often only the viscosity the carrier liquid metrologically recorded. The resulting measurement errors are lost with the diameter of the solid particles in the suspension and their solids loading and the properties of the suspension itself together. According to the prior art for viscosity measurement there are: vibration viscometers, spherical viscometers or rotational viscometers whose reliability and accuracy are limited.

Daher ist es aus dem Stand der Technik nicht möglich eine verlässliche, exakte sowie reproduzierbare Messung der dynamischen Viskosität zu erzielen.Therefore it is not possible from the state of the art a reliable, accurate and reproducible measurement of dynamic viscosity.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung. eine gesetzmäßige Vorrichtung zu einer reproduzierbaren und genauen Viskositätsmessung mittels eines Thermosensorrohres darzustellen.It is therefore the object of the invention. a legitimate device to a reproducible and accurate viscosity measurement by means of a thermosensor tube display.

Diese Aufgabe wird in der Vorrichtung der gesetzmäßigen Art durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 gelöst.These Task is in the device of the legal kind by the characterizing features the claims 1 solved.

Die Vorteile der Weiterbildungen werden in den entsprechenden Unteransprüchen behandelt.The Advantages of the developments are dealt with in the corresponding subclaims.

Die Lösung des Problems ermöglicht vorrichtungsmäßige Viskositätsmessung 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 so genannten 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 Newtonschen oder eine Reihe von Strömungsgeschwindigkeitswerten für die Nicht-Newtonschen Fluids, dessen Viskosität 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 Absinkgeschwindigkeit und die Leistungsdissipationsdichte ermittelt, so dass sich das Thermosensorrohr senkrecht befindet.The solution of the problem device-type viscosity measurement by means of a thermosensor tube for Newtonian and non-Newtonian flow behavior with greater accuracy and improved reliability to create using a tube device with two thermocouples for Recording one over the temperature difference determined lost amount of heat, the so-called Power dissipation density, wherein the speed of the shear rate means of e.g. flow meter and the temperature difference by means of e.g. the thermocouples determined becomes. For the Power consumption will be at least a flow velocity for the Newtonian or a series of non-Newtonian flow velocity values Fluids, whose viscosity metrologically should be recorded and the corresponding heat losses measured and off the power characteristics of the measured power consumption of the power measurement recording applied flow rate or flow rates calculate. The power measurement series of a known fluid is through determines the sinking rate and the power dissipation density, so that the thermosensor tube is vertical.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 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. Es handelt es sich um ein Prinzip, das darauf beruht, dass die Leistungskennlinien einer beliebigen Druchströmvorrichtung, die dem Leistungsdissipationdichtewert in Abhängigkeit von der Reynoldszahl, und unabhängig von 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 erfolgte, kann die Ermittlung der dynamischen Viskosität unter der Verwendung dieser Viskositätsunabhängigkeit die Leistungskennlinie mittels der Messung der Leistungsaufnahme bei einer Reihe verschiedener Strömungsgeschwindigkeiten durchgeführt werden.The inventive device refers 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 of known viscosity. It deals it is a principle based on the performance characteristics any Druchströmvorrichtung, the power dissipation density value as a function of the Reynolds number, and independently from the viscosity the fluid is underlying. Thus, if a single admission of the Performance characteristics of a flow-through device with thermal sensors using a known Newtonian fluid with known viscosity can be done, the determination of the dynamic viscosity below the use of this viscosity independence the power curve by measuring the power consumption be carried out at a number of different flow rates.

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, which is smaller than the critical re can the power consumption because of improved accuracy in relation to the strong dependency the Reynolds number is preferably captured by the power consumption, wherein the performance curve in the turbulent region of the strong Accuracy of the thermal sensors depends.

Für eine 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 ist. Im Bezug auf die Leistungsmessung des Nicht-Newtonschen Fluids sind mindestens drei Leistungsmessungen bei der unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten notwendig. 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 ist für die Genauigkeit der Aufnahme der Kennlinien für die Bestimmung der Viskosität von großer Bedeutung.For a non-Newtonian fluid, turbulence flow measurement is possible because the dynamic viscosity of the turbulent flow is high Speed of the shear rate is proportional to its square of power dissipation density. With regard to the performance measurement of non-Newtonian fluid, at least three performance measurements at the different flow rates are necessary. It is advisable to choose a more viscous medium for the comparison measurement for optimum performance measurement, due to the higher measurement accuracy of the power consumption at relatively low flow velocities. For this purpose, there are a variety of suitable hexoses, such as glucose or fructose. This results in the possibility of eliminating the errors in the determination of the performance curves for the low Reynolds numbers. The sensitivity of the thermal sensors is of great importance for the accuracy of the recording of the characteristics for the determination of the viscosity.

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.A large-scale Use of the flow device with the thermosensors is possible and is available in which any flow device with the thermal sensors after a single calibration the power curve recording unknown Newtonian or non-Newtonian media was performed.

Die Lösung des Problems ermöglicht vorrichtungsmäßige Viskositätsmessung mittels eines Thermosensorrohres für Newtonsche und Nicht-Newtonsche Fließverhalten mit einer größeren Genauigkeit und verbesserten Zuverlässigkeit zu erschaffen, unter der Verwendung einer Rohrvorrichtung (1) mit zwei Thermofühlern zur Aufnahme einer über die Temperaturdifferenz ermittelter verlorenen Wärmemenge, der so genannten Leistungsdissipationsdichte, wobei die Geschwindigkeit des Schergefälles mittels eines z.B. Strömungsmessers und die Temperaturdifferenz mittels z.B. der Thermoelemente (2) ermittelt wird. Für die Leistungsaufnahme wird wenigstens eine Strömungsgeschwindigkeit für die Newtonsche oder eine Reihe von Strömungsgeschwindigkeitswerten für die Nicht-Newtonsche Fluids, dessen Viskosität 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 Absinkgeschwindigkeit oder erzeugte Durchströmgeschwindigkeit und die Leistungsdissipationsdichte ermittelt, so dass sich das Thermosensorrohr auch senkrecht befinden kann.The solution to the problem is to provide device viscosity measurement by means of a Newtonian and Non-Newtonian thermal sensor tube with greater accuracy and improved reliability, using a tube device (FIG. 1 ) with two thermocouples for receiving a determined via the temperature difference lost heat amount, the so-called power dissipation density, the speed of the shear rate by means of eg flow meter and the temperature difference by means of eg the thermocouples ( 2 ) is determined. For power consumption, at least one Newtonian flow velocity or a series of non-Newtonian fluid flow velocity values whose viscosity is to be measured and the corresponding heat losses are measured and from the measured power consumption performance curves of the flow velocity used for the power measurement calculate. The power measurement series of a known fluid is determined by the sinking speed or generated flow velocity and the power dissipation density, so that the thermosensor tube can also be vertical.

Claims

Device for measuring viscosities of fluids using Newtonian and non-Newtonian flow behavior using a flow device with thermal sensors with a series of power inputs by means of the determinable temperature differences for detecting the Leistungsdissipartionsdichte and determining the speed of the shear rate based the flow velocity and optimal flow meter dimensions, Measuring the power consumption with at least two thermosensors for the Determination of viscosity of the fluid to be examined, calculating the sought viscosity of the measuring medium from the power curve, the measured power consumption and the for the power consumption measurements applied temperature measurement or a loss of heat or Leistungsdissipationsdichtemessung.

Apparatus according to claim 1, wherein the thermosensors strömspezifische Power characteristic by the power coefficient (Ne) over the Reynolds number (Re) is determined.

Apparatus according to claim 1 or 2, wherein at least a line absorption measurement for the fluid to be measured is carried out in the non-turbulent region (Re <R-enz).

Device according to one of claims 1 to 3, wherein at least three power consumption measurements for the fluid to be examined at different flows carried out become.

Device according to one of claims 1 to 4, wherein for the determination the performance curve uses a Newtonian high viscosity fluid becomes.

Apparatus according to claim 5, wherein the highly viscous Newtonian fluid a hexose solution is.

Device according to one of claims 1 to 6, wherein the power measurement a power dissipation density and a measurement by the thermal sensors includes.

Device according to one of claims 1 to 6, wherein the power measurement a detection of the temperature difference and the detection of the speed of the shear rate is.

Device according to one of claims 1 to 6, wherein the power measurement a measurement of one of the device for generating the temperature difference and the generation of the speed of the shear rate recorded includes electrical power.

Device according to one of claims 7 to 9, wherein flow temperatures and disturbing speeds of the shear rate result from the sealing, electrical interference in a comparative measurement be calibrated with an empty device.

Device according to one of claims 1 to 10, wherein a flow device with the fixed or rotatable thermosensors.

Device according to claims 11, wherein the measuring organs or measuring sensors with attachments is functional.

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

Viscosity measuring device according to claim 13, wherein the device for thermal sensor measurement and flow velocity measurement by means of a substance.

Viscosity measuring device according to one of claims 1 to 14, wherein the power consumption measuring device is a phase converter or rectifier for determining the recorded electrical Has active power.

Viscosity measuring device according to one of the claims 1 to 15, wherein the flow device is heated.

Device for determining the progress of the reaction a reactive fluid, wherein the reaction progress with a measurement of the viscosity of a Fluids according to one of the claims 1 to 13 designated device.