DE102006001180A1 - Rheometer und Auswerteverfahren zur Bestimmung von Fließkurve und Viskositätsfunktion von optisch transparenten Newtonschen und Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Rheometer und Auswerteverfahren zur Bestimmung von Fließkurve und Viskosiskositätsfunktion von optisch transparenten Newtonschen und Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des 1. und 14. Patentanspruchs.
- Zur Charakterisierung des Fließverhaltens von fließfähigen Stoffen, wie sie im Bergbau, in der keramischen Industrie, in der Kunststoffindustrie sowie in der Lebensmittelindustrie Verwendung finden, werden Rheometer eingesetzt. Das Fließverhalten der Flüssigkeiten ist dabei durch die Fließkurve oder Schubspannungsfunktion bei stationärer Scherung charakterisierbar, woraus man die Viskositätsfunktion ableiten kann, die ein wichtiges Kriterium für den Anwender ist. Dazu wird in einem Strömungskanal oder -kapillare die Flüssigkeit hindurchgeleitet und zwischen einer Eintritts- und einer Austrittsöffnung für die Flüssigkeit die Druckdifferenz erfasst.
- Für Newtonsche Flüssigkeiten ist die Viskosität eine Konstante und damit unabhängig von der Scherrate, so dass die Druckdifferenz direkt proportional zur Viskosität ist. Für Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten, wie beispielsweise Polymerschmelzen, müssen für die exakte Berechnung der Viskosität aus dem Volumenstrom und der Druckdifferenz des Messvolumenstroms zuvor aufwendige Kalibriermessungen realisiert werden. Bei diesen ist die Viskosität selbst eine Funktion der Schergeschwindigkeit bzw. bei Anwendung der Kapillarrheometrie eine Funktion des Volumenstromes durch die Messkapillare.
- Für derartige Messungen von niedrigviskosen Flüssigkeiten und mäßigen Scherraten werden z.B. Rotationsrheometer eingesetzt, die jedoch ohne exakte Kalibrierung bei komplexen Strömungsformen keine Rückschlüsse auf rheologische Stoffgrößen zulassen. Weiterhin ist eine Messspaltsteuerung erforderlich. Für Flüssigkeiten mit höheren Scherraten werden Hochdruck-Kapillarrheometer verwendet, bei welchen die Messflüssigkeit aus einem Reservoir durch eine enge Kapillare gedrückt wird. Dabei bildet sich ein über dem Querschnitt inhomogenes Scherfeld aus. Der entstehende Druckverlust ermöglicht in Verbindung mit dem Volumenstrom die Ableitung rheologischer Parameter. Nachteilig sind die erforderlichen aufwendigen Korrekturverfahren der Messwerte bei Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten sowie erforderliche Korrekturen hinsichtlich der Ein- und Auslaufdruckverluste.
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DS 36 11 867 - DE-PS 41 28 695 betrifft eine Vorrichtung für die Untersuchung von Fließgrenzen, wobei eine transparente Kapillare verwendet wird. Unterhalb und oberhalb der Glaskapillare sind Fotodioden angeordnet, die die Strömungsverhältnisse in der Kapillare ermitteln.
- DE-PS 101 40 711 beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung der rheologischen Eigenschaften, die aus zwei gegenüberliegenden und relativ zueinander beweglichen Platten besteht, zwischen denen sich das zu untersuchende Medium befindet. Die Messung der Theologischen Eigenschaften erfolgt mittels eines optischen Spektroskopie-Messverfahrens. DE-OS 102 36 122 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Viskosität, wobei die Registrierung von Geschwindigkeit und Weg in einer elektrischen Auswerteeinheit erfolgt. Eine andere Möglichkeit der Registrierung besteht in der Durchstrahlung der Kapillare mit Licht und Registrierung des Schattens mit einer linearen Photodetektoranordnung.
- DE-OS 195 38 521 beschreibt ein Kapillarviskosimeter, das aus mehreren gleichartigen Kapillaren besteht. Die Kapillarwandungen sind transparent, um mittels optischer oder elektrischer Signalgeber den Durchlauf des Meniskus zu ermitteln.
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JP 02 297 040 -
JP 05 034 256 - DE-OS 26 36 060 betrifft ein Kapillarrheometer, das einen Ringspalt aufweist, durch den der Prüfstoff gepresst wird. Die Bewertung der Viskosität erfolgt mittels mehrerer Druckmesssonden.
- DE-PS 42 20 157 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung der Viskosität, die schlitzförmige Kapillaren verwendet, welche zwischen zwei Platten mittels Abstandshalter gebildet werden. DE-OS 198 48 687 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur simultanen Ermittlung der Scher- und Dehnviskosität von Newtonschen und Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten. Dabei werden zwei in Serie geschaltete Vollkreis- oder Schlitzkapillaren verwendet, wobei der Durchmesser der ersten Kapillare konstant und der Durchmesser der zweiten Kapillare konisch oder keilspaltförmig ist.
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US 5,327,777 beschreibt ein biorheologisches Messsystem zur Messung von Teilchen in einer Flüssigkeit. Die Teilchen werden durch eine oder mehrere Kapillaren (Mikrotunnel) ge presst und der Druck an den jeweiligen Tunnelenden gemessen. Die Tunnelwände sind teilweise transparent und können somit zur Übermittlung von optischen Informationen genutzt werden. -
US 6,711,941 betrifft ein Verfahren zur Bewertung von Newtonschen und Nicht-Newtonschen Fluiden. In diesem Verfahren wird eine Probe zwischen zwei Platten gebracht. Anschließend werden die Platten schnell auseinander gezogen. Die Formänderung der Flüssigkeit wird mit optischen Mitteln aufgezeichnet. - Diese Messsysteme weisen die vorgenannt aufgeführten Nachteile auf. Weiterhin ist es erforderlich, eine Vielzahl von Messvorgängen durchzuführen um die Fließkurve und die Viskositätsfunktion zu ermitteln.
- Es ist weiterhin die Durchflussmessung mittels Ortsfiltertechnik bekannt. Dabei wird gem.
DE 199 11 654 C2 ein faseroptischer Ortsfiltersensor zur Bestimmung der Geschwindigkeit von in Flüssigkeiten enthaltenen Sedimentpartikeln verwendet. - Aufgabe der Erfindung ist es, ein Rheometer und Auswerteverfahren zur Bestimmung von Fließkurve und Viskosiskositätsfunktion von optisch transparenten Newtonschen und Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten zu entwickeln, welches einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweist und es gestattet, Fließkuve und Viskosiskositätsfunktion mit einem einzigen Messvorgang ohne aufwendige Korrekturen zu bestimmen und.
- Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des 1. und 14. Patentanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Das Rheometer zur Bestimmung von Fließkurve und Viskositätsfunktion von optisch transparenten Newtonschen und Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten unter Verwendung eines transparenten Strömungskanals weist einen Eingang und einen Ausgang für die hindurchströmende Flüssigkeit auf, wobei erfindungsgemäß zwei Messgrößen in Form eines Drucksprungs zwischen Eingang und Ausgang und in Form von Strömungsgeschwindigkeiten erfassbar sind, wobei die Strömungsgeschwindigkeiten mit Hilfe von in der Flüssigkeit befindlichen Teilchen bestimmbar sind. Dazu ist dem Strömungskanal eine Einrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit zugeordnet, die z.B. ein optischer Ortsfiltersensor, ein Laser-Doppler-Velozimeter oder ein Ultraschall-Doppler-Velozimeter sein kann. Vorzugsweise ist der Strömungskanal als ein Mikrokanal ausgebildet, der insbesondere einen rechteckförmigen Strömungsquerschnitt aufweist.
- Der Strömungskanal weist eine Länge, eine Höhe und eine Breite auf, wobei die Höhe des Strömungskanals bedeutend kleiner als dessen Breite ist.
- Bevorzugt beträgt das Verhältnis von Höhe: Breite 1:5 bis 1:20, dabei ist das Ergebnis bei einem Verhältnis von 1:5 weniger genau als bei einem Verhältnis von 1:20.
- Weiterhin wirkt es sich auf das Messergebnis positiv aus, wenn die die Innenwand des Strömungskanals eine geringe Rauigkeit aufweist.
- Ist die Einrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit als optischer Ortsfiltersensor ausgebildet, befinden sich auf einer ersten Seite mit der Breite des Strömungskanals eine Lichtquelle und an der gegenüberliegenden zweiten breiten Seite des Strömungskanals ein faseroptisches Ortsfilter und ein Lichtempfänger.
- Zur Messung des Drucksprungs ist zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Strö mungskanals eine Druckmesseinrichtung angeordnet.
- Die Teilchen sind vorzugsweise Tracerpartikel, die nahezu schlupflos der Flüssigkeit folgen. Sind in der Flüssigkeit keine oder zu wenig Teichen enthalten, können diese selbstverständlich auch der Flüssigkeit zugesetzt werden.
- Das Auswerteverfahren zur Bestimmung von Fließkurve und Viskositätsfunktion von optisch transparenten Newtonschen und Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten erfolgt unter Verwendung eines transparenten Strömungskanals mit einem Eingang und einem Ausgang für die hin durchströmende Flüssigkeit. Erfindungsgemäß werden zwei Messgrößen in Form eines Drucksprungs zwischen Eingangsquerschnitt und Ausgangsquerschnitt und in Form der Strömungsgeschwindigkeit in einem Querschnitt in Längsrichtung des Strömungskanals erfasst, wobei die Strömungsgeschwindigkeit mit Hilfe von in der Flüssigkeit befindlichen Teilchen gemessen wird und Fließkurve und Viskositätsfunktion mit nur einem Messvorgang aus einer Geschwindigkeitshäufigkeitsverteilung bestimmt werden.
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- Aufgrund der linearen Abhängigkeit der Schubspannung, die an der Kanalwand ihr Maximum τw aufweist und in der Kanalachse gleich 0 ist, gilt: sowie der allgemeine Ansatz wobei η die Scherviskosität ist, die für Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten von der Schergeschwindigkeit du/dy abhängt und du/dy und (τy)mit einer einzigen Messung für jede Position y im Kanalquerschnitt ermittelt werden.
- Die Schergeschwindigkeit du/dy wird dabei aus der Geschwindigkeitshäufigkeitsverteilung f(u) ermittelt.
- Die Bestimmung der Schubspannung τ(y) erfolgt aus der Druckmessung von Δp.
- Mündet der Ausgang des Strömungskanals in die freie Atmosphäre kann die Messung des Drucks in der Ebene des Eingangsquerschnitts mit einem Differenzdruckmesser gegen Atmosphärendruck erfolgen.
- Die Erfindung ermöglicht erstmalig die Bestimmung von Fließkurve und Viskositätsfunktion mit nur einem einzigen Messvorgang in Abhängigkeit von der Scherrate unter Zuhilfenahme der Geschwindigkeitshäufigkeitsverteilung f(u) unter Annahme einer ebenen Kanalströmung. Dabei wird zur Ermittlung von Fließkurve und Viskositätsfunktion erfindungsgemäß die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit erstmalig mit Hilfe von sehr kleinen Partikeln (Tracerpartikeln) bestimmt, die bereits in der Flüssigkeit vorhanden sind bzw. zugesetzt wurden.
- Damit wird eine neue Generation von Rheometern geschaffen, die bei geringen Investitions- und Betriebskosten in kürzester Zeit und ohne hohen Aufwand Ergebnisse bereitstellt. Mit dem erfindungsgemäßen Rheometer sind hohe Geschwindigkeiten und damit hohe Scherraten messbar, wobei die Geschwindigkeitsauflösung bei ca. 1 mm/s liegt.
- Durch die Verwendung von Ortsfiltersensoren, Laser-Doppler-Velozimeter oder Ultraschall-Doppler-Velozimeter für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit ist es möglich, das System in der Inline- und Online-Messtechnik zu verwenden.
- Das neuartige Rheometer zeichnet sich weiterhin durch eine kleine Baugröße aus und kann bei einem großen Temperatur- und Druckbereich eingesetzt werden.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
- Es zeigen:
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1 : Prinzipdarstellung des Rheometers, -
2 : Einzelheit Z gem.1 , -
3 : Kanalgeometrie, Koordinatensystem und Strömungsgeschwindigkeit, -
4 : Häufigkeitsdichteverteilung, -
5 : Häufigkeitssummenverteilung, -
6 : Fliessfunktion, -
7 : Viskositätsfunktion. - Gemäß
1 ist das Rheometer als Mikrokanalrheometer ausgebildet. Der transparente Strömungskanal1 weist einen rechteckigen Strömungsquerschnitt auf und besitzt einen Eingang1.1 und einen Ausgang1.2 für die durchzuleitende Flüssigkeit. An den breiteren Seiten des Strömungskanals1 , die hier nicht näher bezeichnet sind, befindet sich ein optischer Ortsfiltersensor3 . Dabei ist auf einer ersten breiten Seite des Strömungskanals1 eine Lichtquelle3.1 in Form einer LED angeordnet. Auf der gegenüberliegenden zweiten breiten Seite des Strömungskanals1 sind ein faseroptisches Ortsfilter3.2 und ein Lichtempfänger3.3 in Form eines Photoempfängers angeordnet. Weiterhin ist das Koordinatensystem eingezeichnet. An den Strömungskanal1 sind eine nicht dargestellte Flüssigkeitszuleitung und eine Flüssigkeitsableitung angebunden. Zwischen dem Eingang1.1 und dem Ausgang1.2 wird der in Form eines Drucksprungs Δp auftretende Differenzdruck mittels einer Druckmesseinrichtung4 gemessen. Die Druckmesseinrichtung4 ist dabei eingangsseitig an einer Position P (vom Eingang1.1 in Richtung zum Ausgang1.2 etwas beabstandet) angebunden, an welchem sichergestellt ist, dass sich die Strömung voll ausgebildet hat. - Die Einzelheit Z gem.
1 wird in2 gezeigt. Das faseroptische Ortsfilter3.2 ist in Längsrichtung des Strömungskanals1 ausgerichtet und in der Mitte der hier oben liegenden breiten Fläche des Strömungskanals1 angeordnet. Die gestrichelte Fläche F bezeichnet die Lichtaustrittsfläche. Die Pfeile kennzeichnen die Strömungsrichtung. - Der Strömungskanal
1 des Mikrokanalrheometers ist nach der Darstellung in3 ein Mikrokanal mit einem rechteckförmigen Strömungsquerschnitt, dessen Höhe Gesamthöhe 2H bedeutend kleiner als seine Gesamtbreite 2B ist. Die sich einstellende laminare Kanalströmung ist aufgrund der Beziehung 2H << 2B eine ebene Kanalströmung, bei der das Profil der Strömungsgeschwindigkeit nur von der Koordinate y abhängt: u = u(y). Abweichungen beschränken sich auf den Wandbereich der Seitenwände für z = ±B und können vernach lässigt werden. Mikrokanal bedeutet hier eine Breite 2B von beispielsweise 2 mm. Bei einem Verhältnis 2H:2B von z.B. 1:10 beträgt dann die Höhe 2H des Strömungskanals1 (Mikrokanal) lediglich 0.2mm. -
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- Andererseits gilt der allgemeine Ansatz
- Hier bedeutet η die Scherviskosität, die im allgemeinen Fall von der Schergeschwindigkeit du/dy abhängt. Nur für die Klasse der Newtonschen Flüssigkeiten ist die Scherviskosität von der Schergeschwindigkeit unabhängig und damit konstant.
- Nach der Erfindung wird die Scherviskosität nach Gleichung (3) dadurch bestimmt, dass die entsprechenden Größen du/dy und τ(y) ermittelt werden. Die Ermittlung erfolgt mit einer einzigen Messung für jede Position y im Kanalquerschnitt, wo jeweils unterschiedliche Werte für du/dy und τ(y) vorliegen. Damit erhält man mit einer einzigen Messung die Scherviskosität η als Funktion der Schergeschwindigkeit du/dy. Die Schergeschwindigkeit du/dy wird aus der Geschwindigkeitshäufigkeitsverteilung f(u) ermittelt, während die Schubspannung τ(y) aus der Druckmessung von Δp folgt. Wenn der Mikrokanalausgang in die freie Atmosphäre mündet, ist die Messung des Drucks in der Eintrittsebene mit einem Differenzdruckmesser gegen Atmosphärendruck ausreichend. Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit wird beispielhaft ein optischer Ortsfiltersensor eingesetzt.
- Die Schergeschwindigkeit du/dy wird aus der Häufigkeitsdichteverteilung f(u) der gemessenen Geschwindigkeiten abgeleitet. Ausgangspunkt ist zunächst die Häufigkeitssummenverteilung F(u).
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- Mit dem Geschwindigkeitsmessverfahren auf Basis eines optischen Ortsfiltersensors wird nicht der gesamte Kanalquerschnitt erfasst, sondern nur ein streifenförmiger Ausschnitt der Breite ΔB. Die Häufigkeitsdichteverteilung f(u)ΔB dieses Streifenquerschnitts ist jedoch mit der Häufigkeitsdichteverteilung f(u) des gesamten Kanalquerschnitts in Übereinstimmung. Um aus der gemessenen Häufigkeitsdichteverteilung f(u)mess die gesuchte Häufigkeitsdichteverteilung f(u) zu erhalten, sind die Häufigkeiten der einzelnen Geschwindigkeitsklassen Δui mit einem Faktor 1/ui zu korrigieren.
- Das Schema der Ermittlung ist folgendes:
- a) Messung des Drucks Δp und eines Ensembles von z.B. 1000 Geschwindigkeitswerten,
- b) Festlegung der Geschwindigkeitsklassen Δui und Berechnung der Häufigkeitsdichteverteilung f(u)mess,
- c) Korrektur von f(u)mess zu f(u),
- d) Berechnung von F(u),
- e) Vorgabe eines ui,
- f) Bestimmung des zugehörigen yi aus Gleichung (6),
- g) Bestimmung der zugehörigen Schubspannung nach Gleichung (2),
- h) Bestimmung der zugehörigen Schergeschwindigkeit nach Gleichung (7),
- i) Bestimmung der Scherviskosität nach Gleichung (3).
- Diese Prozedur ist für die verschiedenen ui zu wiederholen, um die gesamte Viskositätsfunktion η(du/dy) zu erhalten.
- Ein erstes Beispiel stellt die Messung an Wasser in einem Mikrokanal vom Querschnitt 0,1 mm × 1 mm dar. Die
4 –7 zeigen nacheinander die Häufigkeitsdichteverteilung f(u), die Häufigkeitssummenverteilung F(u), die Fließfunktion τ(du/dy) und die Viskositätsfunktion η(dy/dy). - Der angelegte Drucksprung Δp betrug Δp = 1900 Pa. Es wurden mit nur einem Messvorgang 200 Geschwindigkeitswerte gemessen, die in 10 Geschwindigkeitsklassen einsortiert wurden.
- Das Beispiel zeigt die erwarteten Zusammenhänge für das Beispiel Wasser als Newtonsche Flüssigkeit (lineare Fliessfunktion und konstante Viskosität). Auch der numerische Wert für die Viskosität von Wasser ergibt sich in guter Übereinstimmung mit dem Tabellenwert. Aufgrund der mangelnden optischen Qualität des aus Polymerfolie gefertigten Mikrokanals waren bei den durchgeführten Untersuchungen Geschwindigkeitsmessungen in Wandnähe nicht möglich. Dieser Nachteil kann durch den Einsatz eines aus Glas gefertigten Mikrokanals vermieden werden.
- Weiterhin ist es möglich, anstelle des in den Ausführungsbeispielen verwendeten optischen Ortsfiltersensors die Strömungsgeschwindigkeit der Teilchen mit einem Laser-Doppler-Velozimeter oder einem Ultraschall-Doppler-Velozimeter zu messen.
Claims (19)
- Rheometer zur Bestimmung von Fließkurve und Viskositätsfunktion von optisch transparenten Newtonschen und Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten unter Verwendung eines transparenten Strömungskanals (
1 ) mit einem Eingang (1.1 ) und einem Ausgang (1.2 ) für die hindurchströmende Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messgrößen in Form eines Drucksprungs (Δp) zwischen Eingang (1.1 ) und Ausgang (1.2 ) und in Form von Strömungsgeschwindigkeiten (u) erfassbar sind, wobei die Strömungsgeschwindigkeiten (u) mit Hilfe von in der Flüssigkeit befindlichen Teilchen bestimmbar sind. - Rheometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Strömungskanal (
1 ) eine Einrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit (u) zugeordnet ist. - Rheometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit (u) ein optischer Ortsfiltersensor (
3 ) oder ein Laser-Doppler-Velozimeter oder ein Ultraschall-Doppler-Velozimeter ist. - Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (
1 ) ein Mikrokanal ist. - Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (
1 ) einen rechteckförmigen Strömungsquerschnitt aufweist. - Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (
1 ) eine Länge (2L), eine Höhe (2H) und eine Gesamtreite (2B) aufweist und dass die Gesamthöhe (2H) des Strömungskanals (1 ) bedeutend kleiner als dessen Gesamtbreite (2B) ist. - Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Höhe (2H): Breite (2B) 1:5 bis 1:20 beträgt.
- Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand des Strömungskanals (
1 ) eine geringe Rauigkeit aufweist. - Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf einer ersten Seite mit der Gesamtbreite (2B) des Strömungskanals (
1 ) eine Lichtquelle (3.1 ) befindet und an einer gegenüberliegenden zweiten Seite mit der Gesamtbreite (2B) des Strömungskanals (1 ) ein faseroptisches Ortsfilter (3.2 ) und ein Lichtempfänger (3.3 ) angeordnet sind. - Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Eingang (
1.1 ) und dem Ausgang (1.2 ) des Strömungskanals (1 ) eine Druckmesseinrichtung (4 ) zur Messung des Drucksprungs (Δp) angeordnet ist. - Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen Tracerpartikel sind.
- Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen nahezu schlupflos der Flüssigkeit folgen.
- Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen der Flüssigkeit zugesetzt werden.
- Auswerteverfahren zur Bestimmung von Fließkurve und Viskositätsfunktion von optisch transparenten Newtonschen und Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten unter Verwendung eines transparenten Strömungskanals (
1 ) mit einem Eingangs (1.1 ) und einem Ausgang (1.2 ) für die hindurchströmende Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messgrößen in Form eines Drucksprungs (Δp) zwischen Eingangsquerschnitt (1.1 ) und Ausgangsquerschnitt (1.2 ) und in Form von Strömungsgeschwindigkeiten (u) in einem Querschnitt in Längsrichtung des Strömungskanals (1 ) erfasst werden, wobei die Strömungsgeschwindigkeiten (u) mit Hilfe von in der Flüssigkeit befindlichen Teilchen gemessen werden und Fließkurve und Viskositätsfunktion mit nur einem Messvorgang aus einer Geschwindigkeitshäufigkeitsverteilung bestimmt werden. - Auswerteverfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der linearen Abhängigkeit der Schubspannung, die an der Kanalwand ihr Maximum τw aufweist und in der Kanalachse gleich 0 ist, gilt sowie der allgemeine Ansatz wobei (n) die Scherviskosität ist, die für Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten von der Schergeschwindigkeit (du/dy) abhängt und (du/dy) und τ(y) mit einer einzigen Messung für jede Position (y) im Kanalquerschnitt ermittelt werden.
- Auswerteverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schergeschwindigkeit (du/dy) aus der Geschwindigkeitshäufigkeitsverteilung f(u) ermittelt wird.
- Auswerteverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubspannung τ(y) aus der Druckmessung von (Δp) erfolgt.
- Auswerteverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Mündung des Kanalausgangs in die freie Atmosphäre die Messung des Drucks in der Ebene des Eingangsquerschnitts (
1.1 ) mit einem Differenzdruckmesser gegen Atmosphärendruck erfolgt.
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102010039031A1 (de) * | 2010-08-06 | 2012-02-09 | Krones Aktiengesellschaft | Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Viskosität |
CN101556233B (zh) * | 2009-01-16 | 2013-01-23 | 北京化工大学 | 测量广义牛顿流体唯一真实黏度的装置和方法 |
EP3093647A1 (de) | 2015-05-14 | 2016-11-16 | Consorci Centre de Recerca Matematica | Verfahren, vorrichtung und mikrorheometer zur messung rheologischer eigenschaften newtonscher und nicht-newtonscher flüssigkeiten |
CN106383070A (zh) * | 2016-08-23 | 2017-02-08 | 天津大学 | 超声波振动作用下聚合物流变性能的测试装置及方法 |
WO2019234169A1 (de) * | 2018-06-06 | 2019-12-12 | Kardion Gmbh | Analysevorrichtung und verfahren zum analysieren einer viskosität eines fluids |
CN115792273A (zh) * | 2022-11-02 | 2023-03-14 | 清华大学 | 用于测量流体流速的方法、测流设备和计算机存储介质 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0094576A1 (de) * | 1982-05-13 | 1983-11-23 | Holger Dr. Kiesewetter | Vorrichtung zur Bestimmung der Fliessschubspannung von Suspensionen, insbesondere Blut |
WO2001069231A1 (en) * | 2000-03-14 | 2001-09-20 | Halliburton Energy Services, Inc. | Method of fluid rheology characterization and apparatus therefor |
US20050126268A1 (en) * | 2002-06-21 | 2005-06-16 | Boris Ouriev | Method for determining rheological parameters of a fluid |
US20050283323A1 (en) * | 2004-06-22 | 2005-12-22 | Anderson Erik J | Method and system for shear flow profiling |
Family Cites Families (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2636060A1 (de) * | 1976-08-11 | 1978-02-23 | Winter Horst Henning | Kapillar-rheometer |
DE3611867A1 (de) * | 1986-04-09 | 1987-10-15 | Ltg Ges Fuer Mess Und Verfahre | Geraet zur bestimmung der fliesseigenschaften von fliessfaehigen stoffen (suspensionen und fluide) |
JPH02297040A (ja) * | 1989-05-12 | 1990-12-07 | Toru Akaha | 毛細管粘度計 |
WO1991013338A2 (en) * | 1990-02-24 | 1991-09-05 | Hatfield Polytechnic Higher Education Corporation | Biorheological measurement |
CH682348A5 (de) * | 1991-07-11 | 1993-08-31 | Buehler Ag | |
JPH0534256A (ja) * | 1991-07-29 | 1993-02-09 | Nippondenso Co Ltd | 冷凍サイクル中の潤滑油溶解粘度測定方法及びその装置 |
DE4128695C1 (en) * | 1991-08-29 | 1993-02-25 | Holger Prof. Dr.Med. 5102 Wuerselen De Schmid-Schoenbein | Flow process investigating appts. for transparent capillary - changes internal vol. by subjecting deformable device to defined elastic bending moment |
DE19538521A1 (de) * | 1995-10-06 | 1997-04-10 | Ralph Dipl Biol Ballerstaedt | Kapillarviskosimeter |
DE19848687B4 (de) * | 1998-10-22 | 2007-10-18 | Thermo Electron (Karlsruhe) Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur simultanen Ermittlung von Scher- und Dehnviskosität |
DE19911654C1 (de) * | 1999-03-16 | 2000-12-07 | Parsum Ges Fuer Partikel Stroe | Einrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der Größe von Partikeln |
US6711941B2 (en) * | 2000-08-14 | 2004-03-30 | Cambridge Polymer Group, Inc. | Apparatus and methods for measuring extensional rheological properties of a material |
DE10140711B4 (de) * | 2001-08-24 | 2005-06-02 | Feustel, Manfred, Dr. | Vorrichtung zur Bestimmung rheologischer Eigenschaften |
DE10236122A1 (de) * | 2002-08-07 | 2004-02-19 | Bayer Ag | Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Viskositäten und Flüssigkeiten mittels der Kapillarkraft |
-
2006
- 2006-01-06 DE DE200610001180 patent/DE102006001180B4/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0094576A1 (de) * | 1982-05-13 | 1983-11-23 | Holger Dr. Kiesewetter | Vorrichtung zur Bestimmung der Fliessschubspannung von Suspensionen, insbesondere Blut |
WO2001069231A1 (en) * | 2000-03-14 | 2001-09-20 | Halliburton Energy Services, Inc. | Method of fluid rheology characterization and apparatus therefor |
US20050126268A1 (en) * | 2002-06-21 | 2005-06-16 | Boris Ouriev | Method for determining rheological parameters of a fluid |
US20050283323A1 (en) * | 2004-06-22 | 2005-12-22 | Anderson Erik J | Method and system for shear flow profiling |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
S. Devasenathipathy u.a.: "Particle imaging techniques for microfabricated fluidic systems", Experiments in Fluids 34 (2003), S. 504-514 * |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101556233B (zh) * | 2009-01-16 | 2013-01-23 | 北京化工大学 | 测量广义牛顿流体唯一真实黏度的装置和方法 |
DE102010039031A1 (de) * | 2010-08-06 | 2012-02-09 | Krones Aktiengesellschaft | Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Viskosität |
US8881579B2 (en) | 2010-08-06 | 2014-11-11 | Krones Ag | Method and device for determining viscosity utilizing gravity feed |
EP3093647A1 (de) | 2015-05-14 | 2016-11-16 | Consorci Centre de Recerca Matematica | Verfahren, vorrichtung und mikrorheometer zur messung rheologischer eigenschaften newtonscher und nicht-newtonscher flüssigkeiten |
WO2016180964A1 (en) | 2015-05-14 | 2016-11-17 | Consorci Centre De Recerca Matemàtica | Method, apparatus and micro-rheometer for measuring rheological properties of newtonian and non-newtonian fluids |
US10386282B2 (en) | 2015-05-14 | 2019-08-20 | Consorci Centre De Recerca Matematica | Method, apparatus and micro-rheometer for measuring rheological properties of newtonian and non-newtonian fluids |
CN106383070A (zh) * | 2016-08-23 | 2017-02-08 | 天津大学 | 超声波振动作用下聚合物流变性能的测试装置及方法 |
CN106383070B (zh) * | 2016-08-23 | 2018-10-16 | 天津大学 | 超声波振动作用下聚合物流变性能的测试装置及方法 |
WO2019234169A1 (de) * | 2018-06-06 | 2019-12-12 | Kardion Gmbh | Analysevorrichtung und verfahren zum analysieren einer viskosität eines fluids |
CN112567226A (zh) * | 2018-06-06 | 2021-03-26 | 开迪恩有限公司 | 分析设备和用于分析流体的粘度的方法 |
CN115792273A (zh) * | 2022-11-02 | 2023-03-14 | 清华大学 | 用于测量流体流速的方法、测流设备和计算机存储介质 |
CN115792273B (zh) * | 2022-11-02 | 2024-02-23 | 清华大学 | 用于测量流体流速的方法、测流设备和计算机存储介质 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102006001180B4 (de) | 2010-12-23 |
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