Viskosimeter

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Kapillarviskosimeter nach Engler

Ein Viskosimeter ist ein Messgerät zur Bestimmung der Viskosität („Zähigkeit”) einer Flüssigkeit. Es gibt unterschiedliche Arten von Viskosimetern, die sich in erster Linie darin unterscheiden, für welche Viskositätsbereiche sie sich eignen. Im Gegensatz zu den Rheometern können Viskosimeter nur Newtonsche Flüssigkeiten korrekt messen.

Kapillarviskosimeter[Bearbeiten]

Das zugrundeliegende Messprinzip ist hier der Fluss der zu messenden Flüssigkeit durch ein dünnes Rohr. Ein festgelegtes Flüssigkeitsvolumen V läuft bei gleich bleibendem Druck p durch eine Kapillare der Länge l und des Radius r und die dazu benötigte Zeit t wird gemessen. Die kinematische Viskosität kann dann ermittelt werden, indem man die Zeit in Sekunden mit der Konstante der Kapillare multipliziert. Kapillarviskosimeter sind z. B. Ubbelohde- oder Cannon-Fenske-Kapillaren. Die (dynamische) Viskosität ergibt sich dann aus dem Gesetz von Hagen-Poiseuille. Der Kapillarviskosimeter ist nicht mit dem Hochdruckkapillarrheometer zu verwechseln, der zur rheometrischen Charakterisierung hochviskoser, nichtnewtonscher Substanzen verwendet wird.

Rotationsviskosimeter[Bearbeiten]

Rotationsviskosimeter

Beim Rotationsviskosimeter wird durch einen Motor ein Körper in einer Flüssigkeit gedreht. Während des Drehens wird das benötigte Drehmoment gemessen. Daraus, sowie aus der exakten Geometrie des verwendeten Drehkörpers und des Außengefäßes, sowie der Drehgeschwindigkeit kann die dynamische Viskosität der Flüssigkeit bestimmt werden. Die üblichen Anordnungen für solche Geräte sind: Platte gegen Platte (es handelt sich um zwei Scheiben), Kegel gegen Platte, und Zylinder in Rohr. Wenn sich der Zylinder im stehenden Rohr dreht (wie bei den meisten Rotationsviskosimetern), spricht man vom Searle-Typ, bei stehendem Zylinder und rotierendem Rohr vom Couette-Hatschek-Typ.

Viskositäts-Messbecher (Ford-Becher, Auslaufbecher)[Bearbeiten]

Bei diesem Verfahren wird die Flüssigkeit in einen Becher gefüllt, der unten konisch in ein Loch (Düse) mit genau bekanntem Durchmesser ausläuft. Aufgrund des Bechervolumens, des Düsendurchmessers und der gemessenen Dauer zum Abfließen der Flüssigkeit kann deren Viskosität ermittelt werden. Diese Art der Viskositätsmessung ist etwa beschrieben in den Normen ASTM D 1200:1994 und DIN EN ISO 2431:2011 (zurückgezogene Normen: DIN 53211, DIN EN 535 - Oktober 1996). Sie ist insbesondere bei der Prüfung von Lacken, Farben, Harzen und Flüssigkeiten mit ähnlicher Viskosität gebräuchlich, vor allem im angelsächsischen Raum. Meist wird hier als Maß für die Viskosität einfach die Abflussdauer (mit Hinweis auf die Norm und Düsengröße) angegeben. Es gibt auch Tauch-Auslaufbecher, bei denen die Flüssigkeit durch Eintauchen des Messbechers entnommen wird, so dass ein Einfüllen entfällt. Für die Viskositätsmessung mit dem Auslaufbecher spricht die schnelle und einfache Handhabung, der günstige Aufbau des Messinstruments (ein Becher) und die Möglichkeit, In-process-Messungen durchzuführen. Für hochgenaue Viskositätsbestimmungen ist die Methode jedoch weniger geeignet. Ferner ist sie nur für einen relativ eingeschränkten Viskositätsbereich praktikabel.

Mooney-Viskosität[Bearbeiten]

Mooney-Gerät nach vollzogener Messung: Im Bild die geöffnete Probenkammer, unten der von der Probe umschlossene Rotor
Moonye-Kurve (Butyl), Messung ML 1+4 +1 Relaxation nach Rotorstop /100 °C, oben die Temperaturen der Messerkammmerhälften

Dieses Verfahren wird sehr häufig zur Messung der Viskosität von Kautschuk und -mischungen angewendet. Ein standardisiertes Verfahren zur Bestimmung der Mooney-Viskosität misst dabei das Drehmoment der Mischung bei Erhöhung der Temperatur (äußere Temperatur meistens 100 °C). Nach der entsprechenden Vorwärmzeit dreht der Rotor mit konstant 2/min. Das dabei gemessene Drehmoment wird in MU umgerechnet (8,3 Nm = 100 MU).[1] Die verwendeten Rotoren sind in zwei Größen (L für groß \varnothing38,1 mm (1,5 Zoll), S für klein \varnothing30,5 mm (1,2 Zoll)) ebenfalls normiert. Die Messzelle hat einen Durchmesser von \varnothing50,9 mm (2 Zoll). Als Ergebnis der Messung wird die Mooney-Viskosität folgendermaßen angegeben:

Mooney Viskosität (M)

8,3 Nm = 100 MU

verwendeter Rotor Vorheizintervall in min. Messintervall in min. Außentemperatur Viskosität in Mooney-Einheiten
ML(1+4/100 °C)= 76 MU L = groß 1 min. 4 min. 100 °C 76
ML(5+4/121 °C)= 68 MU L = groß 5 min. 4 min. 121 °C 68
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Fallkörperviskosimeter[Bearbeiten]

Diesem Messverfahren liegt das Gesetz von Stokes zugrunde. Die zu messende Flüssigkeit befindet sich in einem Messzylinder mit Radius R. Bei einem Kugelfallviskosimeter fällt eine Kugel mit Radius r < R durch die Flüssigkeit. Da sich bei einer von der Viskosität abhängigen Geschwindigkeit v der Kugel ein Gleichgewicht zwischen der auf die Kugel wirkenden Gravitationskraft, dem statischen Auftrieb und der Reibungskraft einstellt, sinkt die Kugel mit konstanter Geschwindigkeit zu Boden. Mit dem Gesetz von Stokes folgt dann für die Viskosität \eta der Flüssigkeit:

\eta=\frac{2 \,  g \, r^2}{9 \, v} \left(\rho_\mathrm{K} - \rho_\mathrm{F} \right)
\rho_K: Dichte der Kugel
\rho_F: Dichte der Flüssigkeit
g: Schwerebeschleunigung (g = 9,81 m/s² an der Erdoberfläche)
v: Fallgeschwindigkeit

Prozessviskosimeter[Bearbeiten]

Das Prozessviskosimeter dient zur „in situ“-Messung der Viskosität in einer verfahrenstechnischen Anlage, z. B. in einem Reaktor oder in einer Rohrleitung. Der Vorteil dabei ist, dass keine Proben gezogen werden müssen. Da nicht bei einer definierten Temperatur gemessen werden kann, muss der Messwert auf die Standardtemperatur (i. A. 25 °C) umgerechnet werden, was aber für moderne Automatisierungssysteme kein Problem darstellt. Falls möglich, wird die Viskosität aus dem Drehmoment und der Drehzahl des Rührantriebes eines Reaktors ermittelt. Geeignete Rührantriebe (Messrührer) stellen diese Messwerte über eine Schnittstelle zur Verfügung.

Quarzviskosimeter[Bearbeiten]

Bei Quarzviskosimetern erfolgt die Bestimmung der Viskosität durch einen schwingenden Quarzsensor, idealerweise als SiO2-Einkristall, der in die Messflüssigkeit eintaucht.[2] Dieser zeichnet sich durch seine Einsatzmöglichkeiten im Bereich der Viskositätsmessung bei hohen Drücken (bis 10 kbar) und hohen Temperaturen (bis über 250 °C) sowie durch seine weitgehende chemische Resistenz aus.[3] Die Schwingung des Quarzes wird durch Anlegen eines hochfrequenten, elektrischen Feldes erzeugt und aus der spezifischen Beeinflussung des Schwingungsverhaltens durch die umgebene Messflüssigkeit wird die Viskosität bestimmt.[4] Die auf hohen Scherraten beruhende Messung erfolgt unabhängig von der Strömungsform und das Quarzviskosimeter kann daher in beliebig durchströmten Rohrleitungen eingebaut werden. Unerwünschte Temperaturerhöhungen oder eine molekulare Zerstörung des Messmediums werden bei diesem Messverfahren vermieden.[5]

siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Viskosimeter – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  Fritz Röthemeyer,Franz Sommer: Kautschuk Technologie: Werkstoffe, Verarbeitung, Produkte. Hanser, München 2006, S. 476 ISBN=3446404805.
  2. Dr.-Ing. Berthold Bode: Das Quarzviskosimeter System QVis. Abgerufen am 14. April 2014.
  3. W. P. Mason, M. Hill: Measurement of the viscosity and shear elasticity of liquids by means of a torsionally vibrating crystal; Transactions of the ASME. In: Journal of Lubricating Technology. Band 69, 1947, S. 359–370.
  4. Dr.-Ing. Berthold Bode: Grundlagen der Quarzviskosimetrie. Abgerufen am 14. April 2014.
  5. Berthold Bode: Entwicklung eines Quarzviskosimeters für Messungen bei hohen Drücken. Dissertation der TU Clausthal, 1984.