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Anordnung zur kontinuierlichen Messung der Konsistenz einer Flüssigkeit
von nicht-Newtonschem Charakter Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur kontinuierlichen
Messung der Konsistenz einer Flüssigkeit von nicht-Newtonschem Charakter.
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Hinsichtlich ihrer Konsistenz und inneren Reibung werden im allgemeinen
zwei Arten von Flüssigkeiten unterschieden, nämlich Flüssigkeiten Newtonschen Charakters
und Flüssigkeiten nicht-Newtonschen Charakters. Eine Flüssigkeit Newtonschen Charakters
wird dahingehend definiert, daß bei ihr, sofern es sich um nicht-turbulente Verhältnisse
handelt, eine Proportionalität zwischen Schubspannung und Geschwindigkeitsgradient
besteht, wobei der hierbei auftretende Proportionalitätsfaktor als Zähigkeitskonstante
(Viskosität) bezeichnet wird. Flüssigkeiten nicht-Newtonschen Charakters sind solche,
bei denen sich, auch bei nicht-turbulenter Strömung, der genannte Proportionalitätsfaktor,
die Zähigkeit, in Abhängigkeit von der Schubspannung ändert.
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Newtonsche Flüssigkeiten sind z. B. Wasser, Benzin, Glyzerin, Mineralöle
u. dgl.; nicht-Newtonsche Flüssigkeiten sind Lebensmittelbreie, Stärkegallerte,
Schmierfette, Druckfarben, Suspensionen u. a. Bei den letztgenannten Flüssigkeiten
ergibt sich, wenn man den Viskositätsfaktor in Abhängigkeit von der angewendeten
Schubspannung aufträgt, eine gekrümmte Kurve.
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Zur Viskositätsmessung von Flüssigkeiten von Newtonschem Charakter
ist es bekannt, in einer die Flüssigkeit enthaltenden Kammer einen konstanten Druck
zu erzeugen und das Druckgefälle zu messen, das sich an einer Austrittsdüse der
Kammer ergibt.
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Besondere Mittel zur Messung des Schubspannungsgradienten in der Flüssigkeit
und der Strömungsgeschwindigkeit sind bei dieser Anordnung nicht vorgesehen, so
daß bei einer solchen Anordnung Viskositätsmessungen an Flüssigkeiten nicht-Newtonschen
Charakters nicht möglich sind.
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Eine weitere bekannte Anordnung zur kontinuierlichen Bestimmung der
Viskosität eines strömenden Mediums, das aus einer Flüssigkeit, einem Gas oder einem
Gemisch mit Feststoffen bestehen kann, sieht eine zweiteilig aufgebaute Meßleitung
vor, bei der die beiden Leitungsteile als Widerstandszweige ausgebildet sind, deren
Widerstandskoeffizient bei zunehmender Viskosität des zu untersuchenden Mediums
sich gegenseitig ändern. So findet bei dieser bekannten Anordnung als erstes Widerstandselement
eine normale Strömungsdüse Anwendung, während als zweites Widerstandselement eine
auf Wirbelbildung beruhende Zyklonanordnung angewendet wird, die die Wirbelbildung
in dem Widerstandsgehäuse in einer solchen Weise ausnutzt, daß der Widerstandskoeffizient
bei zunehmender Viskosität abnimmt. Die Viskositätsmessung bei dieser bekannten
Anordnung erfolgt also nicht unter Ausnutzung der Unterschiede des Geschwindigkeitsgradienten
in einer zur Strömungsrichtung senkrechten Richtung, sondern beruht auf der Anwendung
zweier nach Aufbau und Wirkungsweise voneinander verschiedener Widerstandsstrecken,
wobei die spezielle Bauweise der auf Wirbelbildung beruhenden Widerstandsstrecke
herstellungsmäßig Komplikationen bedingt.
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Die Erfindung bezweckt, eine verhältnismäßig einfache Meßanordnung
zur kontinuierlichen Messung der Konsistenz einer Flüssigkeit von nicht-Newtonschem
Charakter zu schaffen. Erfindungsgemäß kennzeichnet sich eine derartige Anordnung
durch eine mit konstantem Flüssigkeitsdurchsatz durchströmte Zuleitung, an die sich
eine Mehrzahl parallel zueinander oder hintereinander angeordneter turbulenzfrei
durchströmter Leitungsabschnitte anschließt, die so gestaltet sind, daß sich in
ihnen ein von Abschnitt zu Abschnitt unterschiedlicher Verlauf des Strömungsgeschwindigkeitsgradienten
in einer senkrecht zur Strömungsrichtung liegenden Richtung ergibt und ferner durch
eine sich an diese Abschnitte anschließende Flüssigkeitsableitung sowie durch eine
an die Leitungsabschnitte angeschlossene Meßvorrichtung zur Gewinnung von Maßzahlen
für die Unterschiede des Druckes bzw. der Strömungsgeschwindigkeit an bzw. in den
unterschiedlichen Leitungsabschnitten.
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Im allgemeinen arbeiten übliche kontinuierlich messende Viskosimeter
die Viskosität der Flüssigkeit nur bei einem Wert der Schubspannung, obwohl in einer
nicht-Newtonschen Flüssigkeit die Viskosität keine Konstante ist und von der Größe
der Schubspannung abhängig ist.
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Bei der Erfindung gelangen unterschiedlich große Schubspannungen
zur Wirkung, und es wird die Viskosität kontinuierlich bei mindestens zwei verschiedenen
Werten der Schubspannung gemessen. Es ist offensichtlich, daß die Viskositätsmessung
bei einer erfindungsgemäßen Anordnung noch zusätzlich bei weiteren Schubspannungswerten
erfolgen kann, wodurch nur eine geringfügige Abänderung der Anordnung bedingt wäre.
Für die meisten Zwecke indessen reicht eine Messung, die zwei Schubspannungswerte
ausnutzt, aus, und dementsprechend soll die Erfindung im nachstehenden nur im Zusammenhang
mit derartigen einfachen Meßanordnungen beschrieben werden.
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Weitere Vorzüge des Erfindungsgegenstands ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung nebst den Figuren.
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Die F i g. 1 bis 7 zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen
kontinuierlich arbeitender Geräte zur Messung der Konsistenz, wobei die Einzelheiten
nachstehend zur Erörterung gelangen.
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In F i g. 1 sind zwei Kapillaren 11 und 12 von verschiedener Länge
und verschiedenem Durchmesser gezeigt. Das zu untersuchende Medium wird durch das
Rohr 13 zugeführt, verzweigt sich im Punkt 14 und wird durch zwei Pumpen 16 und
17 von konstantem Fördervolumen und gleicher Kapazität durch die beiden verzweigten
Leitungen 18 und 19, in welchen sich die Kapillaren 11 und 12 befinden, gepumpt;
es werden danach die verzweigten Leitungen durch die Leitung 21 zusammengeführt
und durch eine Leitung 22 abgeleitet. Es ist wünschenswert, wenngleich nicht notwendig,
daß die Durchmesser und die Längen der Rohrell und 12 so gewählt sind, daß, wenn
die Flüssigkeit eine Newtonsche Flüssigkeit wäre, der Strömungswiderstand jedes
Rohres identisch wäre. Da der Strömungswiderstand in dem kürzeren Rohr 11 pro Längeneinheit
größer ist als in dem langen Rohr 12, werden demnach die Längen der beiden Rohre
so gewählt, daß die Gesamtwiderstände in den beiden Rohren gleich sind.
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Ein Differenzdruckmesser 23 wird über Leitungen 24 und 25 an die beiden
Eintrittsenden der Rohre 11 und 12 angeschlossen. Wenn die Flüssigkeit eine Newtonsche
Flüssigkeit wäre und wenn die Rohre 11 und 12 auf gleichen Strömungswiderstand abgestimmt
wären, würde das Druckmeßinstrument 23 gleichen Druck in den Rohren anzeigen. Bei
einer nicht-Newtonschen Flüssigkeit wird sich indessen ein Druckunterschied ergeben,
weil die Viskosität sich nicht direkt proportional dem Maß der Schubspannung ändert.
Indem man das Meßgerät 23 eicht, kann die Konsistenz der Flüssigkeit, welche das
Rohr 13 durchströmt, bestimmt werden. Änderungen in dem Meßwert des Instrumentes
23 zeigen der Person, welche das Gerät überwacht, an, daß sich eine Änderung in
der Konsistenz des Produktes ergeben hat und daß eine Änderung in den Herstellbedingungen
vorzunehmen ist.
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In F i g. 2 ist eine Abwandlung der Anordnung der Kapillaren gezeigt,
wobei das Gesamtergebnis im wesentlichen das gleiche ist. Auf der einen Seite der
Anordnung sind zwei Rohre 26 und 27 mit ihren Enden miteinander verbunden, wobei
das Rohr 26 geringeren Durchmesser als das Rohr 27 besitzt. Die entsprechenden Rohre
28 und 29 auf der gegenüberliegenden Seite sind, in Strömungsrichtung gesehen umgekehrt
angeordnet. Die Durchmesser und die
Längen der Rohre sind so gewählt, daß der Strömungswiderstand
für eine Newtonsche Flüssigkeit in dem kleinen Rohr 26 oder 28 gleich ist dem Widerstand
im großen Rohr 27 oder 29. Eine einzige Pumpe 31 von konstantem Fördervolumen wird
verwendet, und es wird die Flüssigkeit, die durch das Rohr 32 zugeführt wird, durch
die Pumpe 31 weitergepumpt; die Flüssigkeitsströmung teilt sich im Punkt 33 und
durchströmt in gleicher Weise die beiden Verzweigungsleitungen 34 und 35, die gleichen
Strömungswiderstand bieten, und im Punkt 36 zur Ableitung 37 wieder zusammengeführt
sind. Ein Differenzdruckmesser 38 mißt den Druckunterschied zwischen den Punkten,
an denen die Rohre 26 und 27 bzw. 28 und 29 zusammentreffen. Für Newtonsche Flüssigkeiten
würde wiederum der Druckunterschied Null sein, nicht-Newtonsche Flüssigkeiten ergeben
indessen einen Druckunterschied, der in dem Druck meßgerät angezeigt wird.
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In Fig.3 sind zwei in gleicher Weise sich verjüngende Kapillaren
41 und 42 vorgesehen, wobei der Verjüngung der beiden Kapillaren relativ zur Strömungsrichtung
in einander entgegengesetztem Sinne erfolgt. Eine einzige Pumpe 43 von konstantem
Fördervolumen wird verwendet, und die Ausgangsleitung der Pumpe teilt sich im Punkt
44 in zwei Zweige 46 und 47, wobei die Austrittsenden der konischen Rohre 41 und
42 miteinander verbunden und an eine gemeinsame Leitung 48 angeschlossen sind.
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Ein Differenzdruckmesser 49 mißt den Unterschied der Drucke in den
Punkten 51 und 52, welche den Mittelwert des Strömungswiderstandes der beiden Rohre
für Newtonsche Flüssigkeiten darstellen. Wenn nicht-Newtonsche Flüssigkeiten verwendet
werden, äußert sich die Tatsache, daß die Viskosität keine direkte Funktion der
Schubspannung ist, in einem größeren oder kleineren Strömungswiderstand des Punktes
51 in bezug auf den Punkt 52, und dies wiederum äußert sich in einem von Null verschiedenen
Meßwert an dem Differentialmeßgerät 49.
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Nach Fig. 1 bis 3 wurde eine Stromverzweigung benutzt, wobei das
Strömungsvolumen durch jeden Zweig gleich ist. Nach F i g. 4 wird nur eine einzige
Leitung verwendet. Die Flüssigkeit tritt durch das Rohr 56 in die Pumpe 57 ein und
wird zunächst durch die enge Kapillare 58 und dann durch die weitere Kapillare 59
gepumpt; außerdem ist das Ausströmende 66 des Rohres 59 über einen Differenz druckmesser
62 sowohl mit dem Einströmende 63 des Rohres 58 wie mit dem Verbindungspunkt64 der
Rohre 58, 59 zurückverbunden; die Flüssigkeit wird durch das Rohr 61 abgeführt.
Der Differenzdruckmesser 62 mißt die Differenz der Druckunterschiede, die zwischen
den Punkten 63 und 64 einerseits und zwischen den Punkten 64 und 66 andererseits
auftreten. Der Durchmesser und die Längen der Kapillaren 58 und 59 sind so gewählt,
daß für Newtonsche Flüssigkeiten der Strömungswiderstand in beiden Rohren gleich
ist, eine Maßnahme, die jedoch nicht unbedingt erforderlich ist.
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In F i g. 5 wird nur ein Strömungsweg ausgenützt, aber eine sich
verjüngende Kapillare71 verwendet.
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Die Flüssigkeit wird mittels einer Pumpe 73 von einer Zuleitung 72
durch die Kapillare 71 und von da zur Ableitung 74 gepumpt. Ein Gerät 76 zur Messung
des Druckunterschiedes ist an die nachfolgenden drei Punkte angeschlossen: den Punkt
77 am unteren Ende des Rohres, den Punkt 78 am oberen Ende des
Rohres
und den Punkt 79, in welchem für eine Newtonsche Flüssigkeit der mittlere Strömungswiderstand
herrscht. Gemessen wird die Differenz zwischen den Druckunterschieden an den Stellen
77/79 und 78/79. Wenn eine nicht-Newtonsche Flüssigkeit verwendet wird, ergibt sich
ein von Null verschiedener Meßwert am Meßgerät 76.
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In den Ausführungsformen gemäß F i g. 1 bis 5 wird die Konsistenz
im Wege einer Messung des Druckunterschiedes gemessen. In F i g. 6 wird ein Gerät
81 zur Messung des Unterschiedes des Flüssigkeitsdurchsatzes benutzt. Es werden
Kapillaren 82 und 83 verwendet, deren Durchmesser und deren Längen vorzugsweise
so gewählt werden, daß für eine Newtonsche Flüssigkeit sich gleicher Strömungswiderstand
ergibt; eine Pumpe 84 von konstantem Fördervolumen pumpt aus der Leitung 86 Flüssigkeit,
und die Strömung wird im Punkt 87 auf zwei Zweige 88 und 89 verteilt, wobei sich
eines der beiden Rohre 82 und 83 in jeweils einem Zweig befindet. Das Austrittsende
der Rohre durchsetzt ein Flüssigkeitsdurchsatzmeßgerät81, welches an eine Abfuhrleitung
91 angeschlossen ist. Für eine Newtonsche Flüssigkeit ist der Strömungswiderstand
der beiden Kapillaren 82 und 83 gleich, und es ist dann die Strömung durch jeden
Zweig 88 und 89 gleich. Für eine nicht-Newtonsche Flüssigkeit ist der Strömungswiderstand
nicht proportional der Größe der Schubspannung, und es ergibt sich ein Unterschied
der Strömung durch die beiden Rohre. Der Unterschied der Strömungsmengen wird durch
das Differential-Flüssigkeitsdurchs atzmeßgerät 81 angezeigt.
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Die in F i g. 7 dargestellte Anordnung unterscheidet sich von den
zuvor erörterten. Es wird ein sich erweiterndes Rohr 96 benutzt, und in demselben
befinden sich zwei Schwimmkörper 97 und 98, die verschiedenes Gewicht haben. Das
durch das Rohr 99 zugeführte Material wird durch eine Pumpe 101 von konstantem Fördervolumen
in dem Rohr 96 nach oben gepumpt, von dessen Ausgang es durch das Rohr 102 abgeleitet
wird. Im Bereich des Schwimmkörpers 97 herrscht eine andere Schubspannung als im
Bereich des Schwimmkörpers 98, und wenn die Konsistenz des Produktes sich ändert,
ändert sich der Abstand der Schwimmkörper 97 und 98. Die Höhe der Schwimmkörper
kann an einem Höhenmeßgerät 103 abgelesen werden, oder der Abstand der beiden Schwimmkörper
voneinander kann elektrisch in an sich bekannter Weise mittels eines elektrischen
Abstandmeßgerätes 104 gemessen werden. Die Schwimmkörper sind von ähnlicher Form,
und zwar von einer Form, daß sie auf Unterschiede in der Viskosität ansprechen,
aber nicht besonders empfindlich gegenüber Unterschieden in der Strömung sind.
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Es ist offensichtlich, daß an Stelle eines Rohres 96 zwei Rohre ähnlich
wie in F i g. 3 verwendet werden können mit je einem Schwimmkörper in jedem Rohr.