DE102020003482A1

DE102020003482A1 - Capillary viscometer

Info

Publication number: DE102020003482A1
Application number: DE102020003482.9A
Authority: DE
Inventors: Carlo Dessy
Original assignee: Testa Analytical Solutions E K; Testa Analytical Solutions EK
Current assignee: Testa Analytical Solutions E K; Testa Analytical Solutions EK
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2021-12-16
Anticipated expiration: 2040-06-11
Also published as: DE102020003482B4

Abstract

Kapillarviskosimeter verwenden optische Verfahren oder Druckmessungen zur Bestimmung der Viskosität einer Probe. Beide Verfahren haben erhebliche Nachteile; Im Falle der optischen Messung muss das Kapillar transparent sein, also meist aus Glas, was zu einer fragilen Konstruktion führt. Die Druckmessung, die meist in differential Kapillarviskosimeter Anwendung findet, bedingt einen größeren Apparativen Aufwand denn das System vollständig frei von Lufteinschlüsse sein muss. Das neue Kapillarviskosimeter erlaubt die Verwendung von Kapillare aus beliebigen Materialien und ist unempfindlich gegenüber mögliche Lufteinschlüsse im System. Zudem erlaubt es eine wesentliche einfachere und kompaktere Ausführung.Ein Fluss-Sensor, bestehend aus einer Kapillare und dort angebrachten Heizelement und Temperatursensoren, erlaubt die direkte Messung der Fliessgeschwindigkeit der Flüssigkeit in einer angeschlossene Messkapillare und ermöglicht somit die Bestimmung In-Situ der Viskosität.Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten sowie von gelösten Proben.Capillary viscometers use optical methods or pressure measurements to determine the viscosity of a sample. Both methods have significant disadvantages; In the case of optical measurement, the capillary must be transparent, i.e. usually made of glass, which leads to a fragile construction. The pressure measurement, which is mostly used in differential capillary viscometers, requires more equipment because the system has to be completely free of air inclusions. The new capillary viscometer allows the use of capillaries made of any material and is insensitive to possible air inclusions in the system. In addition, it allows a much simpler and more compact design. A flow sensor, consisting of a capillary and a heating element and temperature sensors attached there, allows the direct measurement of the flow rate of the liquid in a connected measuring capillary and thus enables the in-situ determination of the viscosity the viscosity of liquids as well as of dissolved samples.

Description

Ein Kapillarviskosimeter ist ein Messgerät zur Erfassung der Viskosität einer verdünnten Probe. In seiner einfachsten Form besteht es aus einer Glaskapillare mit zwei Markierungen. Die zu untersuchende Probe wird mittels Gravitation dazu gebracht durch das Kapillar zu fließen. Die Bestimmung der Viskosität erfolgt durch Messung der Laufzeit des Meniskus von einer Markierung zur nächsten. Die Messung wird einmal mit reinem Lösungsmittel durchgeführt, dann mit der Probe. Das Verhältnis der Laufzeiten entspricht dann der relativen Viskosität. Die Zeitmessung erfolgt manuell mithilfe einer Stoppuhr oder aber elektronisch mit dafür geeigneten lichtempfindlichen Sensoren. Die optische Messung der Fliessgeschwindigkeit ist bei nicht lichtdurchlässigen Medien schwierig, wenn nicht unmöglich. Auch ist die Genauigkeit der Messung von Oberflächeneffekten an der Kapillarwand abhängig. Das Messverfahren bedingt zudem die Verwendung von Glaskapillaren, die mechanisch wenig beanspruchbar sind.A capillary viscometer is a measuring device for measuring the viscosity of a diluted sample. In its simplest form, it consists of a glass capillary with two markings. The sample to be examined is caused to flow through the capillary by means of gravity. The viscosity is determined by measuring the running time of the meniscus from one mark to the next. The measurement is carried out once with pure solvent, then with the sample. The ratio of the running times then corresponds to the relative viscosity. The time is measured manually with the help of a stop watch or electronically with suitable light-sensitive sensors. Optical measurement of the flow rate is difficult, if not impossible, with non-translucent media. The accuracy of the measurement is also dependent on surface effects on the capillary wall. The measuring method also requires the use of glass capillaries, which are not mechanically stressable.

Ein differential Kapillarviskosimeter ist eine besondere Form des Kapillarviskosimeters und geeignet zur kontinuierlichen Messung der Viskosität. Diese Art Viskosimeter wurden in der Vergangenheit mehrfach vorgeschlagen (z.B. Haney, Yau). Alle haben gemeinsam, dass die Messung von ein oder mehreren Drücken im System dazu verwendet wird, die Viskosität der Probe zu bestimmen. Dieses Verfahren hat erhebliche Nachteile; zum einen müssen die verwendeten Druckaufnehmer extrem empfindlich sein, was zu einer gewissen Fragilität führt, zum anderen muss das System immer vollständig frei von Luftblasen sein, um zuverlässige Resultate zu liefern. Auch ist die gesamte Leistungsfähigkeit eines solchen Geräts stark von der Leistung der angeschlossenen Pumpe, die das Lösungsmittel und Probensegment durch das System fördert, abhängig. Ein weiterer Nachteil der bisherigen Vorschläge, die auf einer Wheatstone'schen Brücke basieren ist, dass die Brücke selbst, wenn sie allein durch reines Lösungsmittel durchströmt wird, in möglichst perfektem Gleichgewicht sein muss, was durch eine aufwendige Fertigung erreicht werden muss. Bedingt durch die hohe Empfindlichkeit der verwendeten Drucksensoren und des damit verbundenen sehr begrenzten dynamischen Bereichs, ist die Einsatzbreite eines solchen Geräts relativ eingeschränkt in Bezug auf die möglichen Flussraten.A differential capillary viscometer is a special type of capillary viscometer and is suitable for continuous measurement of viscosity. This type of viscometer has been proposed several times in the past (e.g. Haney, Yau). What they all have in common is that the measurement of one or more pressures in the system is used to determine the viscosity of the sample. This method has significant disadvantages; On the one hand, the pressure transducers used must be extremely sensitive, which leads to a certain degree of fragility; on the other hand, the system must always be completely free of air bubbles in order to deliver reliable results. The overall performance of such a device is also heavily dependent on the performance of the connected pump that conveys the solvent and sample segment through the system. Another disadvantage of the previous proposals, which are based on a Wheatstone bridge, is that the bridge itself, if pure solvent flows through it, must be in as perfect a balance as possible, which must be achieved by a complex manufacture. Due to the high sensitivity of the pressure sensors used and the associated very limited dynamic range, the range of application of such a device is relatively limited with regard to the possible flow rates.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf Volumen oder Druckmessung durch eine direkte, in-Situ Flussmessung durch thermische Fluss-Sensoren zu ersetzen. Diese Lösung bietet vielerlei Vorteile gegenüber vorhandenen Lösungen.The present invention aims to replace volume or pressure measurement with a direct, in-situ flow measurement using thermal flow sensors. This solution offers many advantages over existing solutions.

Bei einem Fluss-Sensor der auf einem thermischen Verfahren basiert, wird die Flüssigkeit durch ein Kapillarrohr geleitet und dort mit ein Heizelement erwärmt. Die Temperatur der Flüssigkeit in der Kapillare vor und nach dem Heizelement wird gemessen, die Temperaturdifferenz ist Funktion der Fliessgeschwindigkeit der Flüssigkeit.With a flow sensor based on a thermal process, the liquid is passed through a capillary tube and heated there with a heating element. The temperature of the liquid in the capillary before and after the heating element is measured; the temperature difference is a function of the flow rate of the liquid.

In der einfachsten Variante besteht das Kapillarviskosimeter entsprechend der vorliegenden Erfindung, wie aus Bild 1 ersichtlich, lediglich aus 2 Komponenten:

1) Messkapillar
2) Fluss-Sensor

In the simplest variant, the capillary viscometer according to the present invention, as shown in Figure 1, consists of only 2 components:

1) measuring capillary
2) flow sensor

Die Messung erfolgt dadurch, dass zuerst die mittlere Fliessgeschwindigkeit eines bestimmten Volumens reines Lösungsmittel gemessen wird. Diese Prozedur wird mit der zu untersuchenden Probe wiederholt, unter Verwendung von exakt identischen Volumen, wie bei der vorherigen Messung. Auch hier wird die mittlere Fliessgeschwindigkeit ermittelt. Aus dem Verhältnis der zwei Messwerte wird die relative Viskosität dann ermittelt. Die Erfindung stellt eine wesentliche Verbesserung dar, ermöglicht den Einsatz von Kapillaren jeder Art und Material und bietet durch die direkte Flussmessung erhebliche Genauigkeitsverbesserung.The measurement is carried out by first measuring the mean flow rate of a certain volume of pure solvent. This procedure is repeated with the sample to be examined, using exactly the same volume as in the previous measurement. The mean flow velocity is also determined here. The relative viscosity is then determined from the ratio of the two measured values. The invention represents a significant improvement, enables the use of capillaries of any type and material and, thanks to the direct flow measurement, offers a considerable improvement in accuracy.

Im Fall eines Differential Viskosimeters, bietet die in-Situ Messung mittels thermischer Fluss-Sensoren ebenfalls erhebliche Vorteile gegenüber den bisherigen Lösungen; die Flussänderung innerhalb des Systems ist die primäre Information, die sich ergibt, wenn ein Probensegment im System eingeführt wird. Die unmittelbare Messung der Flussänderung ist also direkt mit der Änderung der Viskosität im System verbunden und stellt somit eine unverfälschte Methode dar. Des Weiteren ist die Messung des Flusses ungleich einfacher als die indirekte Bestimmung durch den Systemdruck und bedarf weder eines in sich abgeglichenen Systems, noch ist sie empfindlich gegenüber Störungen, wie z.B. es Luftblasen darstellen könnten.In the case of a differential viscometer, the in-situ measurement by means of thermal flow sensors also offers considerable advantages over previous solutions; the change in flow within the system is the primary information that results when a sample segment is introduced into the system. The direct measurement of the change in flow is therefore directly linked to the change in the viscosity in the system and thus represents an unadulterated method. Furthermore, the measurement of the flow is much easier than the indirect determination by means of the system pressure and neither requires a balanced system it is sensitive to disturbances such as air bubbles could represent.

Ein weiterer bedeutender Vorteil ist, dass ein Differential Viskosimeter dieser Bauart leicht mit weiteren Geräten kombiniert werden kann, zum Beispiel Vorrichtungen zur Bestimmung der Probenkonzentration oder der Lichtstreuung der Probe. Das Ziel dabei kann die Bestimmung der Intrinsischen Viskosität sein, oder der absolute Molmasse. Die Kombination kann sowohl in der Form eines separaten Moduls sein oder aber als Bestandsteil des Viskosimeters sein.Another significant advantage is that a differential viscometer of this type can easily be combined with other devices, for example devices for determining the sample concentration or the light scattering of the sample. The aim can be to determine the intrinsic viscosity or the absolute molar mass. The combination can be in the form of a separate module or it can be part of the viscometer.

Das differential Viskosimeters gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, in seiner einfachsten Form, folgende Komponenten, wie im Bild 2 dargestellt:

1) Eine Einlasskapillare
2) Ein T-Stück das den Fluss in zwei Richtungen teilt
3) Ein druckstabiles Gefäß mit einem Volumen welches erheblich grösser ist als das Volumen der nachfolgenden Kapillare
4) Eine Messkapillare
5) Ein Fluss-Sensor
6) Eine Auslasskapillare
7) Ein zweites Messkapillar, identisch mit der in Punkt 4
8) Ein zweiter Fluss-Sensor
9) Ein zweites Auslasskapillar

The differential viscometer according to the present invention comprises, in its simplest form, the following components, as in the picture 2 shown:

1) An inlet capillary
2) A tee that divides the river in two directions
3) A pressure-stable vessel with a volume which is considerably larger than the volume of the subsequent capillary
4) A measuring capillary
5) A flow sensor
6) An outlet capillary
7) A second measuring capillary, identical to the one in point 4
8) A second flow sensor
9) A second outlet capillary

Die Funktion des Differential Viskosimeters nach Bild 2 ist wie folgt: Das System wird zunächst mit reinem Lösungsmittel befüllt und kontinuierlich mit einer konstanten Flussrate durchströmt. Der Fluss F am T-Stück 2 wird gemäß des Hagen-Poiseuille'schen Gesetz in die zwei Teilströme F1 und F2 geteilt. Mittels geeigneter Maßnahmen wird dann die zu untersuchende Probe im Lösungsmittelstrom eingebracht und somit zum System transportiert. Das Probensegment wird ebenfalls am T-Stück 2 geteilt. Wenn das Probensegment das Gefäß 3 erreicht, wird hier sehr stark verdünnt, so dass am Ausgang des Gefäßes 3 weiterhin beinah reines Lösungsmittel austritt. Im anderen Zweig dagegen durchströmt das Probensegment ungestört das Messkapillar 2. Damit wird der apparente Widerstand der zwei Zweige verändert, denn im ersten Zweig wird die Messkapillare 1 nach wie vor von reinem Lösungsmittel durchströmt, während die Messkapillare 2 von der Probe durchströmt werden. Gemäß des Hagen-Poiseuille'schen Gesetz werden sich also die Teilflüsse F1 und F2 invers zur Viskositätsänderung im Messkapillar 2 verhalten und entsprechend ändern. Daraus ergibt sich, dass das Verhältnis F2 / F1 die relative Viskosität der Probe ergibt.The function of the differential viscometer according to Fig 2 is as follows: The system is first filled with pure solvent and flowed through continuously at a constant flow rate. The river F at the tee 2 is divided into two substreams according to Hagen-Poiseuille's law F1 and F2 divided. By means of suitable measures, the sample to be examined is then introduced into the solvent flow and thus transported to the system. The sample segment is also attached to the T-piece 2 divided. When the sample segment hits the vessel 3 reached, is very much diluted here, so that at the outlet of the vessel 3 almost pure solvent continues to escape. In the other branch, however, the sample segment flows through the measuring capillary undisturbed 2 . This changes the apparent resistance of the two branches, because the measuring capillary is in the first branch 1 pure solvent still flows through it while the measuring capillary 2 be flowed through by the sample. According to the Hagen-Poiseuille law, the partial flows will be F1 and F2 inversely to the change in viscosity in the measuring capillary 2 behave and change accordingly. It follows that the relationship F2 / F1 gives the relative viscosity of the sample.

Das System, wie oben beschrieben, kann auf verschiedene Weisen weiter modifiziert werden. So können die zwei separaten Auslasskapillare mittels einem zweiten T-Stück zusammengeführt werden, um dann ein gemeinsames Auslasskapillar zu nutzen. Auch kann die Position der Fluss-Sensoren 5 und 8 verändert werden, unter Beachtung, dass Sensor 5 immer nach dem Gefäß 3 positioniert wird. Ebenfalls möglich ist die Messung des Gesamtflusses am Einlass oder am gemeinsamen Auslass und lediglich eins der zwei Teilflüsse zu realisieren. Alle diese Varianten führen zum gleichen Ergebnis.The system, as described above, can be further modified in various ways. The two separate outlet capillaries can be brought together by means of a second T-piece in order to then use a common outlet capillary. Also can change the position of the flow sensors 5 and 8th be changed, taking into account that sensor 5 always after the vessel 3 is positioned. It is also possible to measure the total flow at the inlet or at the common outlet and only implement one of the two partial flows. All of these variants lead to the same result.

Ein besonderer Fall stellt die Realisierung in der Form einer Wheatstone'sche Brücke dar wie im Bild 3 dargestellt. Die Basis der Brücke stellen vier identische Messkapillare dar, aufgebaut analog einer Wheatstone Brücke, bekannt aus der Elektronik. Zwei Gefäße, platziert jeweils vor einer der 4 Kapillare, haben die Funktion das Probensegment dort so stark zu verdünnen, dass die nachfolgenden Kapillare lediglich von beinah reinem Lösungsmittel durchströmt werden.A special case is the implementation in the form of a Wheatstone bridge as shown in the picture 3 shown. The bridge is based on four identical measuring capillaries, constructed in the same way as a Wheatstone bridge, known from electronics. Two vessels, each placed in front of one of the 4 capillaries, have the function of diluting the sample segment there so much that the following capillaries are only flowed through by almost pure solvent.

Die Funktion des Viskosimeters nach Bild 3 ist wie folgt: Das System wird zunächst mit reinem Lösungsmittel vollständig befüllt und kontinuierlich mit einer konstanten Flussrate durchströmt. Der Fluss-Sensor 2 misst dabei kontinuierlich die Gesamtflussrate. Der Fluss F am T-Stück 3 wird gemäß des Hagen-Poiseuille'schen Gesetz in die zwei Teilströme F1 und F2 geteilt. Da alle vier Kapillare identisch sind, sind diese zwei Teilflüsse ebenfalls identisch. Das führt dann dazu, dass an den T-Stücken 6 und 10 sich der identische Druck einstellt, was wiederum zu keinem Fluss F3 am Fluss-Sensor 13 führt. Mittels geeigneter Maßnahmen wird dann die zu untersuchende Probe im Lösungsmittelstrom eingebracht und somit zum System transportiert. Das Probensegment wird ebenfalls am T-Stück 2 geteilt. Wenn das Probensegment das Gefäß 4 erreicht, wird hier sehr stark verdünnt, so dass am Ausgang des Gefäßes 3 weiterhin beinah reines Lösungsmittel austritt. Im anderen Zweig dagegen, durchströmt das Probensegment ungestört das Messkapillar 9. Damit wird der apparente Widerstand der zwei Zweige verändert, denn im ersten Zweig wird die Messkapillare 5 (und 7) nach wie vor von reinem Lösungsmittel durchströmt, während die Messkapillare 9 von der Probe durchströmt wird. Gemäß des Hagen-Poiseuille'schen Gesetz werden sich also die Teilflüsse F1 und F2 invers zur Viskositätsänderung im Messkapillar 2 verhalten und entsprechend ändern. Diese Tatsache führt dazu, dass der Druck an den T-Stücke 6 und 10 nicht mehr identisch sein wird und somit sich ein Querfluss F3 einstellen wird, was durch den Fluss-Sensor F13 detektiert wird. Erreicht das Probensegment dann das Gefäß 11, so wird er hier ebenfalls stark verdünnt, das Messkapillar 12 dann von beinah reinem Lösungsmittel durchströmt und somit stellt sich das Gleichgewicht im System wieder ein, der Fluss F3 wird wieder Null. So wird aus den zwei Flusssignalen von Fluss-Sensor 2 und Fluss-Sensor 13, die spezifische Viskosität der Probe ermittelt.The function of the viscometer according to picture 3 is as follows: The system is first completely filled with pure solvent and flowed through continuously at a constant flow rate. The flow sensor 2 continuously measures the total flow rate. The river F at the tee 3 is divided into two substreams according to Hagen-Poiseuille's law F1 and F2 divided. Since all four capillaries are identical, these two partial flows are also identical. That then leads to that on the tees 6th and 10 the identical pressure is established, which in turn leads to no flow F3 on the flow sensor 13th leads. By means of suitable measures, the sample to be examined is then introduced into the solvent flow and thus transported to the system. The sample segment is also attached to the T-piece 2 divided. When the sample segment hits the vessel 4th reached, is very much diluted here, so that at the outlet of the vessel 3 almost pure solvent continues to escape. In the other branch, on the other hand, the sample segment flows through the measuring capillary undisturbed 9 . This changes the apparent resistance of the two branches, because the measuring capillary is in the first branch 5 (and 7) still flows through pure solvent while the measuring capillary 9 is flowed through by the sample. According to the Hagen-Poiseuille law, the partial flows will be F1 and F2 inversely to the change in viscosity in the measuring capillary 2 behave and change accordingly. This fact causes the pressure on the tees 6th and 10 will no longer be identical and thus become a cross flow F3 will adjust what is going through the flow sensor F13 is detected. If the sample segment then reaches the vessel 11th , so it is also strongly diluted here, the measuring capillary 12th then almost pure solvent flows through it and thus the equilibrium in the system is restored, the flow F3 becomes zero again. This is how the two flow signals from the flow sensor become 2 and flow sensor 13th , the specific viscosity of the sample is determined.

Auch im Fall des Viskosimeters wie im Bild 3 sind Variationen möglich. So kann auf das Gefäß 4 vollständig verzichtet werden, ohne dass die primäre Funktion beeinträchtigt wird.Also in the case of the viscometer as in the picture 3 variations are possible. So can on the vessel 4th can be completely dispensed with without affecting the primary function.

Claims

Capillary viscometer comprising: - At least one flow sensor based on a thermal method. - At least one capillary tube made of any material.

Capillary viscometer Claim 1 characterized in that the capillary is partially or completely immersed in a liquid and is kept at a constant temperature.

Differential capillary viscometer comprising: - At least one flow sensor based on a thermal process. - At least two capillary tubes made of any material - At least a tee - At least one pressure-stable vessel, the volume of which is considerably larger than the volume of one of the capillaries used

Differential capillary viscometer according to Claim 3 characterized in that the vessel used is a mechanical mixing device.

Differential capillary viscometer according to Claim 3 and 4th characterized in that one or more pressure measurements are also carried out in addition to the flow measurement.

Differential capillary viscometer according to Claim 3 until 5 characterized in that it is operated at a constant temperature.

Differential capillary viscometer according to Claim 3 until 6th characterized in that it is equipped with a further device which is suitable for determining the sample concentration.

Differential capillary viscometer according to Claim 3 until 7th characterized in that it is equipped with a further device which is suitable for determining the light scattering of the sample.