DE102004053447A1

DE102004053447A1 - Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften von Fluiden

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Publication number: DE102004053447A1
Application number: DE200410053447
Authority: DE
Inventors: Karl Ulrich Kramm
Original assignee: Individual
Current assignee: Alter Kerstin Christina De; Kramm Bjoern Eric De; Kramm Dirk Christian De; Kramm Kai Ulrich De; Kramm Karen Angela De; Kramm Sven De
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2004-11-05
Publication date: 2006-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der kinematischen Viskosität nu, der Dichte rho und der Kopressibilität kappa bzw. deren Kehrwert, dem Kompressionsmodul K, eines Fluids mithilfe eines longitudinal schwingenden Stabes. In Bild 8 ist das Messgerät als Prinzip-Darstellung abgebildet. Dieser Stab wird durch einen piezoelektrischen Schwinger zu longitudinalen Schwingungen so angeregt, dass das Amplitudenmaximum an der messempfindlichen Klinge vorliegt, während der übrige verdickte Anteil weitgehend unempfindlich gegenüber Dichte- und Viskositätsänderungen bzw. Änderungen der Kompressibilität des umgebenden Fluids ist. DOLLAR A Das Messgerät kann nachträglich in bestehende Rohrleitungen, Behälter, Maschinen, Getriebe eingebaut werden, ohne dass es wesentlicher Änderungen der Anlage bedarf, in der diese Einrichtung eingesetzt wird. Das Messgerät kann sowohl als Betriebsmessgerät (mit und ohne Bus-System und als selbstüberwachendes Messsystem), aber auch als Handmessgerät eingesetzt werden. Gegenüber anderen Ultraschall- und Oberflächenwellen-Sensoren weist das Messverfahren den Vorzug auf, dass mit verhältnismäßig niedrigen Frequenzen gearbeitet wird, so dass auch organische Verbindungen nicht beschädigt werden. Bei Messungen mit Ultraschall wurden Zerstörungen an den Molekülen beobachtet. Von besonderem Vorteil bei diesem Messverfahren ist, dass es bei sehr hohen Drücken und Temperaturen (bis zur Curie-Temperatur - bei Kühlung der piezoelektrischen Wandler noch höher ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der kinematischen Viskosität ν, der Dichte ρ und der Kopressibilität κ bzw. deren Kehrwert, dem Kompressionsmodul K, eines Fluides mit Hilfe eines longitudinal schwingenden Stabes. In Bild 8 ist das Messgerät als Prinzip-Darstellung abgebildet. Dieser Stab wird durch einen piezoelektrischen Schwinger zu longitudinalen Schwingungen so angeregt, dass das Amplitudenmaximum an der messempfindlichen Klinge vorliegt, während der übrige verdickte Anteil weit gehend unempfindlich gegenüber Dichte- und Viskositätsänderungen bzw. Änderungen der Kompressibilität des umgebenden Fluids ist.
Das Messgerät kann nachträglich in bestehende Rohrleitungen, Behälter, Maschinen, Getriebe eingebaut werden, ohne dass es wesentlicher Änderungen der Anlage bedarf, in der diese Einrichtung eingesetzt wird. Das Messgerät kann sowohl als Betriebsmessgerät (mit und ohne Bus-System und als selbstüberwachendes Messsystem), aber auch als Handmessgerät eingesetzt werden. Gegenüber anderen Ultraschall- und Oberflächenwellen-Sensoren weist das Messverfahren den Vorzug auf, dass mit verhältnismäßig niedrigen Frequenzen gearbeitet wird, so dass auch organische Verbindungen nicht beschädigt werden. Bei Messungen mit Ultraschall wurden Zerstörungen an den Molekülen beobachtet. Von besonderem Vorteil bei diesem Messverfahren ist, dass es bei sehr hohen Drücken und Temperaturen (bis zur Curie-Temperatur- bei Kühlung der piezoelektrischen Wandler noch höher-) eingesetzt werden kann.
Das beschriebene Stabviskosimeter kann neben der Anwendung als Handmessgerät z.B. zur Eingangskontrolle und Qualitätsüberwachung in Industrie- und Handwerksbetrieben, auch zur Messung der Viskosität des Getriebeöls z.B. in Getrieben und Motoren von Kraftfahrzeugen und Turbinen von Luftfahrzeugen und Kraftwerken in Reaktoren eingesetzt werden.
Bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung schwingt die Klinge des Stabes in Richtung der Stabachse. Die Stablänge beträgt gerade λ/4 (ein Viertel der Wellenlänge λ) oder ein ungeradzahliges Vielfaches davon, so dass die schmale Klinge mit verstärkter Weg-Amplitude schwingt. Der Durchmesser des Stabviskosimeters verjüngt sich zum freien Ende. Dadurch erreicht man ebenfalls eine Verstärkung der Schwingungsamplitude der Klinge, dem empfindlichen Teil des Messwertaufnehmers. Die schmale Klinge des Stabviskosimeters bewegt sich relativ zum Stabende (mit den piezoelektrischen Dickenschwingern) in Richtung der Stabachse. Diese Schwingbewegung erzeugt an der Klinge im umgebenden Fluid ein Schergefälle dv/dδ, das zur Messung der Viskosität genutzt wird. Dabei ist v die Schergeschwindigkeit, die zur Verschiebung der Klinge proportional ist und δ die Eindringtiefe der Schwingung in das umgebende Fluid, die von der Kreisfrequenz ω der Schwingung und der kinematischen Zähigkeit ν abhängig ist. Durch Änderung der Anregungsspannung am Sender kann das Schergefälle variiert werden. Aus dem Verlauf des Empfängersignals erkennt man dann, ob es sich um Newtonsche- oder eine nichtnewtonsche Flüssigkeiten handelt. An der Stirnfläche der Klinge wird die Schallwelle reflektiert und anschließend mit einem der piezoelektrischen Dickenschwingern detektiert.
Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften von Fluiden
Die Erfindung betrifft ein Stabviskosimeter zu Messung der rheologischen Eigenschaften in Rohrleitungen, Behältern, Reaktoren und in Getrieben. Dabei wird die Schwingung mit einem piezoelektrischen Schwinger in den Stab eingeleitet und erzeugt dabei in der messempfindlichen Klinge eine Scherschwingung. Die Dämpfung dieser Schwingung wird wiederum piezoelektrisch gemessen.
Im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurde untersucht, inwieweit ein longitudinal schwingender Stab in einem Fluid gedämpft wird und welche Schwingungsparameter als Messgrößen für die viskose Dämpfung in Frage kommen. Dabei wurden die ersten Versuche an einer Anordnung vorgenommen, bei der sich die piezoelektrische Sender- und Empfängeranordnung gemäß Bild 3 gegenüberstanden und durch ein longitudinal schwingendes Band verbunden war. An diesem Band wurde die longitudinale Schwingungsform prinzipiell untersucht. In der angegebenen Literatur wurden die Ergebnisse zusammengestellt. Es zeigte sich, dass in der Mitte zwischen der Sender- und Empfängeranordnung die maximale Amplitude vorliegt, wenn im Band eine stehende Welle mit λ/2 angeregt wird. Dieser Bandabschnitt führt in einem Fluid eine Scherung aus. Es entsteht ein Schergefälle dv/dδ, (Bild 2) das zur Messung der Viskosität genutzt werden kann.
In Bild 4 ist eine Anordnung dargestellt, bei der die Schwingung einseitig eingeprägt und detektiert wurde. Dieser Schritt war notwendig, um die elektronische Regelung an einer einseitigen Anordnung zu testen. Erst dann konnte der Übergang vom longitudinal schwingenden Band zum Stabviskosimeter erfolgen.
Das hier beschriebene und zu patentierende Stabviskosimeter (Prinzipdarstellung in Bild 8) kann zur einfachen Messung der kinematischen Zähigkeit als Handmessgerät und/oder als Prozessmessgerät eingesetzt werden. Dabei wird eine longitudinale Schwingung in einen Stab piezoelektrisch oder magnetostriktiv eingeleitet und detektiert. Neben der Anwendung als Handmessgerät z.B. zur Eingangskontrolle und Qualitätsüberwachung, kann das Messprinzip auch zur Messung der Viskosität des Getriebeöls z.B. in Getrieben und Motoren von Kraftfahrzeugen und Turbinen von Luftfahrzeugen und Kraftwerken eingesetzt werden.
Physikalische Grundlagen
Als Messwertaufnehmer diente zunächst ein dünnes Band aus Metall, das piezoelektrisch zu longitudinalen Schwingungen angeregt wird. Die Längsschwingung des Bandes, deren maximale Amplitude nur Bruchteile eines μm beträgt, verursacht Scherschwingungen, die in das umgebende Fluid eindringen. Dabei wird die Schwingungsamplitude des Bandes gedämpft. Messsignal ist die Amplitude des in seiner ersten Eigenfrequenz schwingenden Bandes oder Stabes und die frequenzanaloge Information Halbwertsbreite Δf der Resonanzüberhöhung. Je dünner das Sensorband bzw. der Stab ist, um so größer wird die Empfindlichkeit des Messwertaufnehmers. Bei der Beschreibung des gesetzmäßigen Zusammenhanges zwischen der Frequenz- und der Amplitudenänderung durch die äußere Dämpfung einerseits und der Berechnung der Amplitudenfunktion andererseits werden die folgenden Annahmen gemacht:

– Es gilt das Hookesche Gesetz
– An den Enden ist das Band in Ruhe, während die Bandmitte Scherschwingungen im umgebenden Fluid ausführt.
– Die Bandabmessungen und die Stoffeigenschaften sind längs des Bandes konstant.
– Die Eigenschaften des Fluides sind längs des Bandes konstant.
– Temperaturerhöhungen auf Grund der Scherschwingung in Bandnähe wurden nicht beobachtet,
– die rheologischen Eigenschaften des Fluides blieben unverändert. (Diese Annahme stützt sich auf umfangreiche Untersuchungen, bei denen der gemessene Wert über lange Zeit konstant blieb).
– Temperaturerhöhungen auf Grund des Messvorganges wurden nicht festgestellt, weil die Amplituden und die damit verwendete Energie sehr gering sind.

Die Kräfte, die an einem Bandelement angreifen, sind in Bild 1 gezeichnet. Das Bandelement dx wird in Längsrichtung um den Betrag u verschoben und zusätzlich um du gedehnt. Die Normalkraft R, die am Bandelement angreift, ist der Trägheitskraft R_T dem Betrag nach gleich, aber entgegengerichtet. Dies ergibt sich, abgesehen von der Dämpfungskraft F_D, aus der Beschleunigung der einzelnen Bandelemente. Sie ist gleich der Differenz der elastisch erzeugten Normalkräfte R an der Stelle x des Bandes. Zum Zeitpunkt t gilt: RT = R(x + dx, t) – R(x, t) (1)
Mit dem konstanten Elastizitätsmodul E und dem konstanten, gleich bleibenden Bandquerschnitt q ergibt sich durch Reihenentwicklung nach Taylor: R(x + dx, t) – R(x, t) = Eq(∂2u/∂x2)dx (2)hierbei ist x die Längenkoordinate, l die Bandlänge und t die Zeit. Von besonderem Interesse ist die Dämpfungskraft F_D, die sich aus der inneren und der äußeren Dämpfung ergibt. Betrachten wir zunächst die äußere Dämpfung, die durch die Bewegung des Bandes im Fluid hervorgerufen wird. Das Bandelement oszilliert um seine statische Ruhelage. Die Geschwindigkeitsverteilung in Bandnähe v = ∂u/∂t = v(y, t) ergibt sich als Lösung der Navier-Stokesschen Gleichung: ∂u/∂t = ∂2u/∂y2 (3)
Die Lösung dieser parziellen Differenzialgleichung ist aus der Theorie der Wärmeausbreitung bekannt. Ein Fluid-Volumenelement in Bandnähe wird verformt. Die Amplitude der Längsverschiebung ist an den Einspannstellen Null und in der Bandmitte maximal. Die Strömung in der Nähe einer oszillierenden ebenen Platte wird durch das zweites Stokesches Problem beschrieben. Die Lösung der parziellen Differenzialgleichung wird als eine in die Flüssigkeit eindringende Scherschwingung interpretiert. Die Phasenverschiebung der Scherschwingung in Abhängigkeit vom Abstand y bleibt bei der Betrachtung der Kräfte ohne Belang, es wird ein exponenzielles Abklingen der Amplitude angenommen.(Bild 2).
Die Längenänderung ∂U des Bandelementes dx führt zu einer Volumendilation, die durch den Keil mit ∂U als Basis und der Eindringtiefe δ als projizierte Höhe in der Berechnung mit berücksichtigt wurde. Gleichzeitig ergibt sich eine Volumenänderung des Fluidelementes auf Grund der Querkontraktion μ des Bandes mit der Breite b. Wegen den relativ hohen Frequenzen, mit denen die Bandelemente gedehnt und gestaucht wird (Körperschall mit 3 bis 13 kHz), kann das Fluid nicht nachströmen, das Volumenelement wird daher um ∂u komprimiert bzw. expandiert. Eine Temperaturerhöhung in Bandnähe konnte nicht beobachtet werden. Die mitschwingende Schicht hat die Größenordnung von δ = √ν/ω, wobei ν die kinematische Viskosität und ω die Kreisfrequenz der Schwingung bezeichnet. Die Bewegungsgleichung des Bandes ist in Gleichung (4) wiedergegeben:
Diese Gleichung 4 ist in expliziter Form nicht lösbar. Der Term vor der Beschleunigung, also der zweiten Ableitung des Verschiebeweges u nach der Zeit, berücksichtigt die mitschwingende Masse. Diese ergibt sich aus der Summe der Band- und Flüssigkeitsmasse, dem Produkt aus der Bandlänge l und der Dichte des Bandes ρ_B und seinem Querschnitt q_B sowie der Eindringtiefe δ, multipliziert mit der Dichte des Fluides ρ_F und der Bandbreite b. Der Ausdruck vor der zweiten Ableitung der Verschiebung u nach dem Ort x bestimmt mit dem Term vor der Verschiebung u die Eigenfrequenz des Bandes. Frequenz bestimmend sind der E-Modul des Bandes E, der Bandquerschnitt q_B, die Bandlänge l, die Eindringtiefe δ der Schwingung, sowie die Stoffkonstanten: Kompressibilität χ und die kinematische Viskosität ν sowie die elastischen Eigenschaften des Fluides, die noch näher untersucht werden müssen Die innere Banddämpfung wird durch den geschwindigkeitsproportionalen Term r berücksichtigt. Dies kann mit guter Näherung für Metallbänder angenommen werden.
Das Messgerät.
Erste Entwicklungsschritte zur Messgeräteentwicklung
Die grundsätzlichen Untersuchungen zur Messung der Viskosität wurden an einem Versuchsaufbau gemäß Bild 3 durchgeführt.
Sender und Empfänger stehen sich in einem Abstand von 120 mm gegenüber und sind gleichartig aufgebaut. In der Viertel-Schnittdarstellung in der rechten Bildhälfte erkennt man den prinzipiellen Aufbau der Sender- und Empfängereinheit. Die scheibenförmige Verdickung der Sender- oder Empfänger-Einheit (Stößel) ist zwischen zwei piezoelektrischen Dickenschwinger (schraffiert gezeichnet) eingespannt. Durch entsprechende elektrische Polung der piezoelektrischen Dickenschwinger wird die angelegte elektrische Spannung in eine Hubbewegung gewandelt und auf die Stößel übertragen Der Stößel überträgt die Longitudinalschwingung auf das Sensor-Band, das in das Fluid eintaucht. Diese Band wird in seiner ersten Eigenfrequenz angeregt, so dass sich zwischen der Sender und Empfängereinheit eine longitudinale Schwingung im Band ausbildet. Dabei ist die Schwingungsamplitude an den Einspannstellen minimal, während sich auf halbem Weg zwischen den Einspannstellen eine maximale Amplitude in Bandrichtung (also longitudinal) ausbildet. Diese Schwingung wird durch das Fluid gedämpft. Mit einer Mikrometerschraube konnte der Abstand – und damit das Schergefällefeinfühlig verstellt werden. Die Eindringtiefe δ der Schwingung beträgt nur einige zehntel Millimeter.
Weiterer Schritt zur Entwicklung eines Messgerätes: Einseitige Schwingungsanregung und -detektion.
Der Versuchsaufbau gemäß Bild 3 lässt sich nicht unmittelbar auf ein Messgerät übertragen. Zur Messung in einem technischen Prozess ist es notwendig, dass die Schwingungsanregung und -detektion einseitig erfolgt. Die ist nur möglich, wenn an einem Ende das akustische Signal reflektiert wird. Die Überlagerung mit der gesendeten Verschiebung (Interferenz) führt wiederum zu einer stehenden Welle mit einem Amplitudenmaximum auf halben Weg zwischen dem Sender und dem Reflektor. Die maximale Empfindlichkeit der Anordnung liegt ebenfalls an dieser Stelle, wo die Schergeschwindigkeit und damit das Schergefälle maximal ist. Das Sensorband aus hochlegiertem Stahl (Bild 4) ist zwischen dem Reflektor und der piezoelektisch angeregten Sender- und Empfängereinheit eingespannt. Die Bandabmessungen betragen: Bandlänge: l = 216 mm, Bandbreite: b = 12 mm, Banddicke: d = 0,5 mm. Die Sender-Empfängereinheit ist zwischen zwei piezoelektrischen Dickenschwingern eingespannt. Ein Dickenschwinger dient als Sender, der andere als Empfänger. Über dünne Stege ist die Einheit mit dem äußeren Gehäuse verbunden.
Schwingungsübertragungen und damit verbundene Messsignaländerungen werden so wirkungsvoll unterdrückt. Das äußere Gehäuse ist gegenüber dem schwingenden Teil mit O-Ringen abgedichtet. Die Abdichtung erfolgt nahe am Schwingungsknoten. Der Querschnitt der Sender-Empfängereinheit an dieser Stelle ist wesentlich größer als der des Sensorbandes, so dass die Empfindlichkeit an der Abdichtstelle praktisch zu Null wird. Das Gehäuse wird mit Schrauben oder einem Gewinde an die Rohrleitung oder dem Behälter geschraubt.
Weiterer Schritt zur Entwicklung eines Messgerätes: Stabviskosimeter
Mit der neukonstruierten Messeinrichtung in Bild 4 konnte der Nachweis erbracht werden, dass eine einseitige Schwingungsanregung und -detektion für In-Prozessmessungen eingesetzt werden kann. Anforderungen wie einfach sterilisierbar und desinfizierbar (wichtig bei biotechnischen-, verfahrenstechnischen-, lebensmittel-technischen – und chemischen Prozessen) sowie der verhältnismäßig komplexe mechanischer Aufbau der Messeinrichtung führten zu einer Weiterentwicklung des Messprinzipes als Stabviskosimeter.
Prinzip der elektronischen Regelung für die Eigenfequenz des Bandes.
Eine stehende Welle mit den Schwingungsknoten an den Einspannstellen und maximaler Amplitude in der Bandmitte erhält man, wenn das Band in seiner ersten Eigenfrequenz angeregt wird. Die erste Eigenfrequenz ist durch den Phasenwinkel von φ = 90° definiert, der zwischen dem Sender- und Empfängersignal an den piezoelektrischen Dickenschwingern gemessen wird. Die piezoelektrischen Aktuatoren der Sendereinheit wandeln die elektrische Spannung in eine sehr kleine Verschiebung, die das Band bzw. den Stab zu Longitudinalschwingungen anregt. An der gegenüberliegenden Einspannstelle wird der Impuls reflektiert und gelangt über das Band wieder zum Empfänger, der den mechanischen Impuls in ein elektrisches Signal umwandelt. Bei der in Bild 4 gezeigten Messanordnung muss das Übersprechsignal zwischen Sender und Empfänger mit berücksichtigt werden, das prallel zum Nutzsignal im Band, durch die Verdickung der Sender-, Empfängeranordnung läuft und zum Messsignal, der Spannungsamplitude am Empfänger und dem gemessenen Phasenwinkel, mit beiträgt. Dieses Übersprechsignal wird durch eine elektronische Differenzbildung unterdrückt. Die grundlegenden Versuche wurden mit einem Versuchsaufbau durchgeführt, bei denen die Sendereinheit der Empfängereinheit im Abstand von etwa 12 cm gegenüberstand, Sender und Empfänger also räumlich von einander getrennt aufgebaut waren. Bei dieser Anordnung konnte auf eine zusätzliche Differenzbildung von Sender und Empfängersignal verzichtet werden. Diese ursprünglich gewählte
Messanordnung ist wegen der ungünstigeren geometrischen Anordnung. weniger gut für Messungen im Prozess geeignet, so dass die hier beschriebene Ausführung mit einseitiger Sender,- und Empfängereinheit entwickelt wurde. Das Prinzip der elektronischen Regelung für die Bandeigenfrequenz ist in Bild 5 dargestellt.
Das Sensorband „4" ist als Schwingungssystem, symbolisiert durch seine Elastizität und die Bandmasse, dargestellt. Je ein piezoelektrischer Wandler ist als Sender „3" und als Empfänger „5" geschaltet. Mit dem Phasendetektor „7", einem analogen Multiplizierer mit nachgeschaltetem Oberwellenfilter wird der VCO „8" (Volt controlled oscillator) ange-steuert, der ein sinusförmiges Ausgangssignal erzeugt. Die gefilterte Ausgangsspannung des Phasendetektors beträgt gerade Null Volt, wenn der gemessene Phasenwinkel φ = 90° beträgt. Das Ausgangssignal wird mit einem Bandpass „9" gefiltert, galvanisch getrennt „1" und verstärkt „2". Der gezeigte Phasenregelkreis (PLL, Phase-locked-Loop) für die Eigenfrequenz des longitudinal schwingenden Bandes hat sich bei den unterschiedlichsten Anwendungen bewährt. Nachdem die erste Eigenfrequenz eingeregelt wurde, kann die Frequenz durch Verstellen der Führungsgröße (Spannung am VCO) rechnergesteuert solange verändert werden, bis z.B. die gemessenen Effektivwerte der Amplituden der Resonanzüberhöhung auf den halben Wert des maximalen Effektivwertes bei Resonanzfrequenz abgefallen sind. Die so gemessenen Frequenzen f ober – f unter) = Δf ergeben die Halbwertsbreite Δf der Resonanzüberhöhung (Dispersion). Die Halbwertsbreite ist ein frequenzanaloges Maß für die äußere Dämpfung. Mit dieser Maßnahme in Verbindung mit einer Amplituden-Konstantregelung werden Depolarisationen der Piezodickenschwinger (maximal 2%/Jahr), die sich als Langzeitdriften bemerkbar machen würden, unterdrückt. In Bild 5 wird das Prinzip des Phasenregelkreises wiedergegeben. Für das zu entwickelnde Gerät werden die Messwerte zunächst mit einem computerunterstützten Messwerterfassungsprogramm dokumentiert.
Messergebnisse.
Zur Messung der Viskosität muss das Sensorband vollständig in das Fluid eintauchen. Die Messwerte sind sehr gut reproduzierbar und stabil. Die Eigenfrequenz dieser Messeinrichtung ist größer als 15 kHz; die Frequenz, bei der gemessen wird, beträgt etwa 12,3 kHz, so dass ein ausreichend großer Frequenzabstand für eine von Störgrößen und Einflussgrößen freie Messung vorliegt. Die Messungen wurden mit unterschiedlichen Sensorbändern (Banddicke und Materialien) und mit Eichflüssigkeiten durchgeführt. Die Messergebnisse für das 0,5 mm starke Sensorband sind in Tabellenform dargestellt.
mit den Abkürzungen: fo = für die Eigenfrequenz des Bandes, Ao = maximale Amplitude der Schwingung bei Eigenfrequenz, Ao/√2 = Amplitudenminderung, bei der die Dämpfung des Bande gemessen wird, f₁ = obere Frequenz, gemessen bei der berechneten Amplitudenminderung, f₂ = untere Frequenz, gemessen bei der berechneten Amplitudenmindernung, Δf = Differenz der Frequenzen f₁ ~ f₂ und Δf/f = relative Dämpfung der Schwingungsamplitude. Die Messergebnisse für die Eigenfrequenz f_O des Bandes sind weder mit der Dichte ρ oder der Viskosität ν oder η korreliert, sie werden durch die elastischen Eigenschaften des Fluides bestimmt. Die Dämpfung des Bandes ist von der kinematischen Viskosität ν des Fluides abhängig. Die Messergebnisse stimmen sehr gut mit Messungen überein, die mit den Messanordnungen mit räumlich getrennter Sender- und Empfängeranordnung gewonnen wurden. Das Messgerät wurde für Messungen im Prozess eingesetzt und getestet. Es zeigte sich, dass die Reinigung des Sensorbandes sehr aufwändig ist, insbesondere dann, wenn es in der Lebensmitteltechnik, der Verfahrenstechnik und der Umwelttechnik eingesetzt werden soll. Wünschenswert wäre ein Sensor mit kleinerer, örtlich begrenzter messempfindlichen Fläche.
In Bild 6 sind die in der Tabelle 1 dargestellten Messwerte für das Dämpfungsmaß Δf/f in Abhängigkeit von η für ein 0,5 mm dickes Band eingetragen. Gleichzeitig ist die Kalibrierkurve für ein 0,2 mm dickes Band aus dem selben Werkstoff eingezeichnet.
Erwartungsgemäß weist das dünnere Band eine größere Empfindlichkeit auf. Die gewünschte Empfindlichkeit des Messwertaufnehmers kann durch Auswahl der Banddicke erfolgen.
Dämpfung. In Bild 7 ist der Amplituden- und Phasenverlauf bei viskoser Dämpfung dargestellt. Diese Messergebnisse wurden mit einer Messeinrichtung mit beidseitiger Sender- und Empfängeranordnung gewonnen. Bei hochviskosen Fluiden ergibt sich eine wesentlich größere Eindringtiefe δ der Schwingung in das Fluid. Die Amplitu de bei konstanter Anregungsspannung sowie die Halbwertsbreite der Resonanzüberhöhung sind beide abhängig von der Dämpfung der Schwingung. Die Breite der Resonanzkurve hängt von der inneren und äußeren Dämpfung des Bandes ab. Trägt man sie in Abhängigkeit von der dynamischen Zähigkeit η auf, dann ergibt sich der in Bild 7 gezeigte Verlauf.
Die an dem Versuchsaufbau (Bild 3) gewonnenen Erfahrungen wurden bei der neu zu konstruierenden Einrichtung mit berücksichtigt. Vorteilhaft bei dieser Anordnung ist, dass lediglich das dünne Stabende des im Bild 8 gezeigten Stabviskosimeters im Fluid die Scherschwingungen ausführt. Die Longitudinalschwingung weist am freien Stabende maximale Amplitude und demzufolge eine maximale Empfindlichkeit bzw. Schergefälle auf, während der runde Teil des Stabes die Schwingung als Köperschall weiterleitet. Dieser Anteil des Stabes ist nahezu unempfindlich gegenüber dem viskosen Fluid. Der Stab kann an diesen Stellen ohne Beeiflussung des Messwertes gegenüber dem Gehäuse abgedichtet werden. Das Stabviskosimeter muss lediglich mit dem verjüngten Teil in das Fluid eintauchen. Die gesamte Messeinrichtung ist gut zugänglich und sterilisierbar, so dass sich eine solches Messgerät auch als Sensor in der Lebensmitteltechnik einsetzen lässt.
Für die Schwingungsanregung und -detektion wurde eine weitere Anordnung getestet, bei der die ringförmige Verdickung entfällt. Die Lagerung des Sensors mit der piezoelektrischen Sender und Empfänger Anordnung erfolgt über dünne Blattfedern, die sich auf dem äußeren Gehäuse abstützen. Eine Übertragung des Körperschalls wird so wirksam unterbunden. Das äußere Gehäuse wird gegebenenfalls an die Rohrleitung oder dem Reaktor angeflascht.
Die zu patentierende Anordnung, bei der die direkte Schallübertragung im Stößel weitgehend unterdrückt wird, zeigt Bild 8. Bei dieser Anordnung kann die Differenzbildung wegen der direkten Schallübertragung im Stößel (Bild 4) entfallen. Die gezeigt Ausführung ist für das Handmessgerät vorgesehen. Bei einem Prozessmessgerät muss das Stabviskosimeter schwingungsisoliert an die Rohrleitung oder einem Behälter angeflanscht oder angeschraubt werden.
An der Spitze des Sensors wird die akustische Welle reflektiert, so dass hier die maximale Amplitude vorliegt. Die Scherung im Fluid dämpft viskositätsabhängig die Amplitude. Eine Markierung auf dem konisch verlaufenden Schallleiter gibt die notwendige Eintauchtiefe des Sensors an. Im Stab oder außerhalb in einem dünnen Rohr geführt, befindet sich ein Temperaturaufnehmer. Die gleichzeitige Temperaturmessung ist notwendig, weil die Viskosität sehr stark von der Temperatur abhängig ist. Schraffiert sind der Sender-Piezodickenschwinger (mit großem Durchmesser) und der Empfängerdickenchwinger (mit kleinerem Durchmesser) eingezeichnet. Dabei können die Aufgaben von Sender und Empfänger auch vertauscht werden, so dass der große Piezoring als Empfänger oder Sender geschaltete werden kann.
Bei der Anordnung als Handmessgerät können die aufwändigen Maßnahmen zur Schwingungsisolation unterbleiben, die bei einem Prozessmessgerät notwendig werden.
Literatur

Kramm, K. U.: Bestimmung von Massen, Viscositäten und E-Moduln mit dem longitudinal schwingenden Band. Dissertation T. U. Berlin, Dezember 1985
Gast, Th.; Kramm, K. U.: Viskositätsmessung mit dem longitudinal schwingenden Band Rheologica Acta 21, S. 494–498 Progress and Trends in Rheology Steinkopff Verlag Darmstadt 1982
Gast, Th.; Kramm, K. U.: Messung der Viskosität und des komplexen E-Moduls mit dem longitudinal schwingenden Band. Rheologica Acta 25, S. 588–595
Kramm, K.U:. Messung der Viskosität mit Longitudinalschwingungen. tm-Technisches Messen 65 (1998), S. 303 bis 307 R. Oldenbourg Verlag

Claims

Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften eines Fluides, dadurch gekennzeichnet, dass im Stab eine stehende Welle erzeugt wird, deren Kontenpunkt-Ebene mit der Sender (Schwingungsgeber) zusammenfällt und deren Amplitudenmaximum an der flachen Sensorklinge vorliegt. Dadurch führt die Sensorklinge longitudinale Schwingungen aus. Um dies zu gewährleisten, muss die Stablänge ein m-faches (m ungerade Zahl) von λ/4 betragen. λ ist dabei die Wellenlänge der Longitudinalschwingung im Stab. (Bild 8)
Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften eines Fluides, dadurch gekennzeichnet dass die Schwingung piezoelektrisch gemäß Bild 8 eingeleitet wird. Dabei werden z.B. die piezoelektrische Dickenschwinger mit Schrauben oder Überwurfmuttern auf den Stab gedrückt oder geklebt. Zur Erzeugung einer möglichst großen Schwingungsamplitude können auch mehrere piezoelektrische Dickenschwinger hintereinander geschaltet werden.
Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften eines Fluides, dadurch gekennzeichnet dass die Schwingung magnetostriktiv angeregt oder detektiert wird.
Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften eines Fluides, dadurch gekennzeichnet dass der Stab sich (z.B. entsprechend einer e-Funktion) zu einer flachen Klinge verjüngt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass sich die Klinge mit maximaler Amplitude longitudinal verschiebt. Diese longitudinale Verschiebung erzeugt im umgebenden Fluid ein definiertes Schergefälle das zur Messung genutzt wird.
Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften eines Fluides, dadurch gekennzeichnet dass das Schergefälle dv/dδ (v = Schergeschwindigkeit, δ = Eindringtiefe der Schwingung in das Fluid) durch Variation der Anregungsamplitude verändert werden kann. Damit ist es möglich, zwischen Newtonschen und Nichtnewtonschen Fluiden bzw. die Fluide zu unterscheiden und zu charakterisieren.
Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften eines Fluides, dadurch gekennzeichnet dass als Messgröße die viskose Dämpfung durch das Schergefälle an der Klinge im umgebende Fluid gemessen wird. Als Messgröße für die Dämpfung können sowohl die Amplitudenminderung des empfangenen Signals bei Resonanz- oder Eigenfrequenz, die Halbwertsbreite Δf der Resonanzüberhöhung im Amplitudengang sowie der Phasenwinkel φ zwischen dem anregenden und dem am Empfänger gemessenen Signal genommen werden. Bei einem Phasenwinkel von n·(π2) für n = ungerade Zahl (90°, 270°, ...) stellt sich eine stehende Welle im Stabes ein. Die Steigung des Phasenverlaufes bei diesen ausgezeichneten Winkeln kann ebenfalls als Maß für die viskose Dämpfung herangezogen werden.
Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften eines Fluides, dadurch gekennzeichnet dass die Eigenfrequenz f₀ des Stabes mit Hilfe eines elektronischen PLL (Phasenregelkreis) eingeregelt wird (Bild 5). In diesem Fall kann die Steuerspannung des VCO (Volt controlled oscillator) nach dem Einregelvorgang bei φ = n·90 ° solange verändert werden, bis die Ausgangsamplitude einen chrakteristischen Wert (z.B. eine Amplitudenminderung um den Faktor √2) annimmt. Diese Frequenzänderung kann sowohl in Richtung höherer Frequenzen f₀ + f als auch in Richtung niederer Frequenzen f₀ – f erfolgen. Dabei ergibt sich z.B. die Halbwertsbreite Δf = f₀ ± f als Maß für die viskose Dämpfung. Die Steuerung der Spannung am VCO kann dabei durch einen Mikroprozessor erfolgen.
Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften eines Fluides, dadurch gekennzeichnet dass die Eigenfrequenz f₀ des Stabes mit Hilfe eines elektronischen PLL (Phasenregelkreis) zur Messung der Kompressiblität verwendet wird. Diese Eigenfrequenz des Stabes verändert sich um so deutlicher, je dicker die Klinge (großflächiger, senkrecht zur Richtung der akustischen Achse) des Viskosimeters ist. Damit kann z.B. der Vernetzungsgrad eines Polymeres bestimmt werden.
Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften eines Fluides, dadurch gekennzeichnet dass die Amplitude der Eingangsspannung stets so nachgeführt (geregelt) wird, dass die Ausgangsamplitude einen konstanten Wert annimmt. Die zugeführte elektrische Leistung ist dann ein Maß für die viskose Dämpfung. Mit dieser Maßnahme wird der Tatsache der zeitabhängigen Depolarisation der piezoelektrischen Bauelemente Rechnung getragen.
Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften eines Fluides, dadurch gekennzeichnet dass aus der Eigenfrequenz f₀ des Stabes mit der bekannten Beziehung für die Schallgeschwindigkeit c = √1/κ·ρ und c = λ·f₀ die Dichte ρ des Fluides bzw. die Schallgeschwindigkeit c berechnet wird.
Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften eines Fluides, dadurch gekennzeichnet dass die Resonanzfrequenz des Stabviskosimeters durch einen Regelkreis eingeregelt wird und dann die Amplitude bei Resonanzfrequenz als Maß für die viskose Dämpfung gemessen wird.
Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften eines Fluides, dadurch gekennzeichnet dass die Resonanzfrequenz dadurch ermittelt wird, dass die Anregungsfrequenz in einem weiten Bereich verändert wird. Aus den gemessenen und gespeicherten Amplitudenwerten wird die Amplitude bei Resonanzfrequenz oder bei der Eigenfrequenz f₀ und die Halbwertsbreite Δf bestimmt.
Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften eines Fluides, dadurch gekennzeichnet dass zur Schwingungsanregung und Schwingungsmessung ein und der selbe piezoelektrische Schwingungsaufnehmer verwendet wird. Bei einer solchen Anordnung sendet z.B. der piezoelektrische Schwinger zunächst einen Impuls (gleichgültig welcher Form) in Richtung messempfindlicher Klinge aus. Diese Druckwelle wird an der Klingenspitze reflektiert und gelangt wieder zum piezoelektrischen Schwinger, an dem der gemessene Druck in ein elektrisches Signal gewandelt wird. Dieses löst nun seinerseits einen weiteren elektrischen Impuls aus, so dass der Piezo eine weitere Verdichtungswelle aussendet. Bei diesem, aus der Ultraschall-Durchflussmesstechnik bekannten Verfahren, wird entweder der Kehrwert der Impulslaufzeit (1/T = f₀), die Impulslaufzeit T selbst, die Impulsfrequenz vom Sender/Empfänger oder die Phasenverschiebung zwischen den Impulsfolgen als Maß für die Eigenfrequenz und damit als Regelgröße verwendet. Messgröße ist z.B. die gedämpfte Amplitude.
Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften eines Fluides, dadurch gekennzeichnet dass gleichzeitig mit der Viskosität die Temperatur des Fluides gemessen wird. Diese Messung kann z.B. mit einem temperaturempfindlichen Widerstand (z.B. mit einem Pt 1000-, Pt 500-, Pt 100-, NTC- oder PTC-Widerstand) erfolgen, der in einer speziell dafür eingebrachten Bohrung im Stabviskosimeter oder einem zusätzlich angebrachten dünnen Röhrchen untergebracht ist. Der Temperaturaufnehmer taucht dabei gleichzeitig mit dem messempfindlichen Teil des Viskosimeters in das Fluid ein.
Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften eines Fluides, dadurch gekennzeichnet dass der Stab des Viskosimeters gegenüber dem Gehäuse durch geeignete Maßnahmen schwingungsisoliert ist. Dies gilt sowohl für die Übertragung von störenden Schwingungen von außen (z.B. von einer Anlage) als auch für das Übersprechen des Sendersignales. Diese Maßnahmen sind im Einzelnen: – elektronische Subtraktion oder Subtraktion mit Software des Sender-Übersprech-Signals, – elektronische Subtraktion (oder Subtraktion mit Software) der Störsignale z.B. durch Störgrößenaufschaltung, – mechanische Schwingungsisolation durch dünne Stege und abrupte – Querschnittsübergänge z.B durch dünne Federbleche und Membranen, – Schwingungsdämpfung durch winklige dünne Stege z.B. dünne Winkel, die die Ausbreitungsrichtung des Schalls umlenken, – Schwingungsdämpfung durch schwingungsdämpfende Materialien wie z.B. geschäumten Metalle oder O-Ringen aus Elastomeren, – Schwingungsdämpfung durch abrupte Änderung des Schallübergangswiderstandes z.B. durch unterschiedliche Materialien, – aktive Schwingungsdämpfung durch Anwendung des Gegenschlagprinzips, wie es z.B. beim Boxermotor angewandt wird und bei dem die Massenkräfte erster Ordnung ausgeglichen werden, – Schwingungsdämpfung durch ein tief abgestimmtes, oberhalb seiner Eigenfrequenz betriebenes Feder-Masse-System, das den höherfrequenten Schwingungen des Stabes nicht folgen kann. (Prinzip der aktiven Schwingungsmessung).
Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften eines Fluides, dadurch gekennzeichnet dass der Klingenquerschnitt die Empfindlichkeit des Messwertaufnehmers bestimmt. Je dünner diese Klinge ist, umso größer wird die Empfindlichkeit.
Stabviskosimeter zur Messung der rheologischen Eigenschaften eines Fluides, dadurch gekennzeichnet dass die direkte Schwingungsübertragung zwischen dem Sender und dem Empfänger (entsprechend Bild 8) dadurch behindert wird, dass der Körperschall nur in Richtung Klinge ausgesendet bzw. aus Richtung der Klinge empfangen werden kann. Dies kann noch dadurch unterstützt werden, dass in der ringförmigen Verdickung ein Einstich in Richtung Stabachse eingebracht wird, der die Schallleitung in die jeweilige Richtung noch unterstützt bzw. die direkte Schallübertragung zwischen Sender und Empfänger verhindert.
Anwendung der Ansprüche 1 bis 17 als Hand- und Prozess-Messgerät mit der Maßgabe, dass der Messwertaufnehmer mit einem oder mehreren Kabeln mit einem Auswertegerät verbunden ist, in dem sich die zugehörigen elektronischen Schaltungen befinden.
Anwendung der Ansprüche 1 bis 17 als Hand- und Prozess-Messgerät mit der Maßgabe, dass die elektronischen Schaltungen mit dem Stabviskosimeter in einem Gehäuse ganz oder teilweise untergebracht werden.
Anwendung der Ansprüche 1 bis 17 als Handmess- und Prozessmessgerät mit Maßgabe, dass die gemessenen Werte mit einer analogen Schnittstelle (z.B. Eingeprägter Strom 4–20 mA oder 2 bis 20mA, 0 bis 10 V oder ähnlich) zur Signalübertragung ausgestattet sind.
Anwendung der Ansprüche 1 bis 17 als Handmess- und Prozessmessgerät mit Maßgabe, dass die Geräte mit einer digitalen Schnittstelle (parallele oder serielle Schnittstelle, z.B. der RS 232, RS 485, dem IEC-Bus oder dem Profibus) ausgestattet sind.
Anwendung der Ansprüche 1 bis 17 als Handmess- und Prozessmessgerät mit Maßgabe, dass das Gerät sowohl als netzgespeiste als auch als batteriegespeiste Ausführung ausgeführt ist.
Anwendung der Ansprüche 1 bis 17 zur Messung der rheologischen Eigenschaften eines Fluides bei sehr hohen Drücken und Temperaturen. Grenzen für den Einsatz bei hohen Drücken sind nicht bekannt. Der Einsatz bei hohen Temperaturen wird durch die Curie-Temperatur (> 200°C und mehr) begrenzt. Durch gezielte Kühlung und konstruktive Gestaltung des Stabviskosimeters kann die Temperatur an der Sensorklinge noch bei deutlich höheren Temperaturen eingesetzt werden.
Anwendung der Ansprüche 1 bis 17 als Grenzwert- oder Füllstandsgeber von fluiden-, pastösen- sowie von körnigen oder staubförmigen Füllgütern zur Dfüllstandsmessung in Behältern, Gefäßen, Reaktoren und Rohrleitungen.