DE102006001180B4

DE102006001180B4 - Rheometer und Auswerteverfahren zur Bestimmung von Fließkurve und Viskositätsfunktion von optisch transparenten Newtonschen und Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102006001180B4
Application number: DE200610001180
Authority: DE
Inventors: Dieter Prof. Dr.rer nat. Dr.-Ing. habil. Petrak
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Cis Forschungsinstitut fur Mikrosensorik und De; PETRAK, DIETER, DR.-ING. HABIL., DE
Priority date: 2006-01-06
Filing date: 2006-01-06
Publication date: 2010-12-23
Anticipated expiration: 2026-01-07
Also published as: DE102006001180A1

Abstract

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, wobei der Strömungskanal (1) ein Mikrokanal mit einem rechteckförmigen Strömungsquerschnitt ist und mit einem Messvorgang zwei Messgrößen in Form eines Drucksprungs (Δp) zwischen Eingang (1.1) und Ausgang (1.2) und in Form von Strömungsgeschwindigkeiten (u) erfassbar und die Strömungsgeschwindigkeiten (u) mit Hilfe von in der Flüssigkeit befindlichen Teilchen bestimmbar sind, wobei eine Einrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit (u) und eine Druckmesseinrichtung (4) zur Messung des Drucksprungs (Δp) vorgesehen sind.

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.
DE 36 11 867 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Fließ- und des Gleitverhaltens speziell für Lösungen aus dem Bereich der Lebensmittelindustrie. Mittels Farbmarkierungen an der Kapillare wird das Wandgleiten über eine Geschwindigkeitsmessung ermittelt. Zur Fließgeschwindigkeitsmessung wird ein optischer Messwertaufnehmer verwendet.
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 rheologischen 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.
JP 02 297 040 betrifft ein Kapillarrheometer zur Messung der Viskosität, bei dem an mehreren Messstellen gleichzeitig mit Hilfe von optischen Mitteln gemessen wird. Die Vorrichtung besitzt optische Lichtschranken, die durch einzelne Lichtleitfasern gebildet werden.
JP 05 034 256 beschreibt eine Lösung zur Messung der Viskosität von Schmiermitteln. Hierbei wird eine transparente Kapillare verwendet. Die optische Messung der Durchflusszeit wird an zwei Messpositionen ermittelt.
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.
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 10. 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 der Strömungskanal ein Mikrokanal mit einem rechteckförmigen Querschnitt ist und mit einem Messvorgang zwei Messgrößen in Form eines Drucksprungs zwischen Eingang und Ausgang und in Form von Strömungsgeschwindigkeiten erfassbar und die Strömungsgeschwindigkeiten mit Hilfe von in der Flüssigkeit befindlichen Teilchen bestimmbar sind, wobei eine Einrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit und eine Druckmesseinrichtung zur Messung des Drucksprungs vorgesehen 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.
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 Strömungskanals 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 hindurchströmende 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.
Bei einem Strömungskanal mit einer Länge L, einer Breite 2B und einer Höhe 2H und einem Drucksprung Δp wird die Wandschubspannung τ_w nach der Formel
berechnet.
Aufgrund der linearen Abhängigkeit der Schubspannung, die an der Kanalwand ihr Maximum τ_w aufweist und in der Kanalachse gleich 0 ist, gilt:
sowie der allgemeine Ansatzτ(y) = –ηdudy ,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:
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 Strömungskanal 1 weist einen rechteckigen Strömungsquerschnitt auf und besitzt einen Eingang 1.1 und einen Ausgang 1.2 für die durchzuleitende Flüssigkeit. An den breiteren Seiten des Strömungskanals 1, die hier nicht näher bezeichnet sind, befindet sich ein optischer Ortsfiltersensor 3. Dabei ist auf einer ersten breiten Seite des Strömungskanals 1 eine Lichtquelle 3.1 in Form einer LED angeordnet. Auf der gegenüberliegenden zweiten breiten Seite des Strömungskanals 1 sind ein faseroptisches Ortsfilter 3.2 und ein Lichtempfänger 3.3 in Form eines Photoempfängers angeordnet. Weiterhin ist das Koordinatensystem eingezeichnet. An den Strömungskanal 1 sind eine nicht dargestellte Flüssigkeitszuleitung und eine Flüssigkeitsableitung angebunden. Zwischen dem Eingang 1.1 und dem Ausgang 1.2 wird der in Form eines Drucksprungs Δp auftretende Differenzdruck mittels einer Druckmesseinrichtung 4 gemessen. Die Druckmesseinrichtung 4 ist dabei eingangsseitig an einer Position P (vom Eingang 1.1 in Richtung zum Ausgang 1.2 etwas beabstandet) angebunden, an welchem sichergestellt ist, dass sich die Strömung voll ausgebildet hat.
Die Einzelheit Z gem. 1 wird in 2 gezeigt. Das faseroptische Ortsfilter 3.2 ist in Längsrichtung des Strömungskanals 1 ausgerichtet und in der Mitte der hier oben liegenden breiten Fläche des Strömungskanals 1 angeordnet. Die gestrichelte Fläche F bezeichnet die Lichtaustrittsfläche. Die Pfeile kennzeichnen die Strömungsrichtung.
Der Strömungskanal 1 des Mikrokanalrheometers ist nach der Darstellung in 3 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 Strömungskanals 1 (Mikrokanal) lediglich 0.2 mm.
Besitzt der Mikrokanal eine Länge L und ist die Differenz der statischen Drücke zwischen Ein- und Austrittsquerschnitt Δp, so berechnet sich die Wandschubspannung τ_w zu:
wobei B die halbe Kanalbreite und H die halbe Kanalhöhe sind.
Die Schubspannung besitzt an der Kanalwand ihr Maximum τ_w und ist in der Kanalachse gleich 0. Aufgrund der linearen Abhängigkeit gilt:
Andererseits gilt der allgemeine Ansatz τ(y) = –ηdudy . (3)
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).
Für die Summenhäufigkeit F(u₁) des Geschwindigkeitswertes u₁ kann folgendes Flächenverhältnis angesetzt werden:
Für jede Position y gilt dann: F(u) = 1 – yH (5) y = H – H·F(u) (6)
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 Δu_i mit einem Faktor 1/u_i 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 Δu_i und Berechnung der Häufigkeitsdichteverteilung f(u)_mess,
c) Korrektur von f(u)_mess zu f(u),
d) Berechnung von F(u),
e) Vorgabe eines u_i,
f) Bestimmung des zugehörigen y_i 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 u_i 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

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, wobei der Strömungskanal (1) ein Mikrokanal mit einem rechteckförmigen Strömungsquerschnitt ist und mit einem Messvorgang zwei Messgrößen in Form eines Drucksprungs (Δp) zwischen Eingang (1.1) und Ausgang (1.2) und in Form von Strömungsgeschwindigkeiten (u) erfassbar und die Strömungsgeschwindigkeiten (u) mit Hilfe von in der Flüssigkeit befindlichen Teilchen bestimmbar sind, wobei eine Einrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit (u) und eine Druckmesseinrichtung (4) zur Messung des Drucksprungs (Δp) vorgesehen sind.
Rheometer nach Anspruch 1, 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 Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (1) eine Länge (2L), eine Höhe (2H) und eine Gesamtbreite (2B) aufweist und dass die Gesamthöhe (2H) des Strömungskanals (1) bedeutend kleiner als dessen Gesamtbreite (2B) ist.
Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Höhe (2H):Breite (2B) 1:5 bis 1:20 beträgt.
Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand des Strömungskanals (1) eine geringe Rauigkeit aufweist.
Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen Tracerpartikel sind.
Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen nahezu schlupflos der Flüssigkeit folgen.
Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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), wobei der Strömungskanal (1) ein Mikrokanal mit einem rechteckförmigen Strömungsquerschnitt ist, der einen Eingang (1.1) und einen Ausgang (1.2) für die hindurchströmende Flüssigkeit aufweist, wobei mit einem Messvorgang zwei Messgrößen in Form eines Drucksprungs (Δp) zwischen Eingangsquerschnitt (1.1) und Ausgangsquerschnitt (1.2) und in Form von Strömungsgeschwindigkeiten (u) in dem rechteckigen Querschnitt des Mikrokanals 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 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Strömungskanal (1) mit einer Länge (2L), einer Breite (2B) und einer Höhe (2H) und einem Drucksprung (Δp) die Wandschubspannung (τ_w) nach der Formel
berechnet wird.
Auswerteverfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der linearen Abhängigkeit der Schubspannung, die an der Kanalwand ihr Maximum τ_w aufweist und in der Kanalachse gleich 0 ist, gilt
sowie der allgemeine Ansatz τ(y) = –ηdudy .wobei (η) die Scherviskosität ist, die für Nicht-Newtonsche 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 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Position y gilt: F(u) = 1 – yH y = H – H·F(u)
Auswerteverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schergeschwindigkeit (du/dy) aus der Geschwindigkeitshäufigkeitsverteilung f(u) und/oder der Häufigkeitssummenverteilung F(u) ermittelt wird.
Auswerteverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubspannung τ(y) aus der Druckmessung von (Δp) erfolgt.
Auswerteverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, 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.