DE1923663A1

DE1923663A1 - Procedure for measuring the viscosity of liquids

Info

Publication number: DE1923663A1
Application number: DE19691923663
Authority: DE
Inventors: Richter Dipl-Phys Dr Joachim
Original assignee: RICHTER DIPL PHYS DR JOACHIM
Current assignee: RICHTER DIPL PHYS DR JOACHIM
Priority date: 1969-05-09
Filing date: 1969-05-09
Publication date: 1970-11-19

Description

Verfahren zur Messung der Viskosität von Flüssigkeiten Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Viskosität von Newtonschen Flüssigkeiten sowie der komplexen dynamischen Viskosität von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten. Method of measuring the viscosity of liquids The invention relates to a method for measuring the viscosity of Newtonian liquids as well as the complex dynamic viscosity of non-Newtonian fluids.

Es ist bekannt, daß man die genannten Größen durch die Anregung einer radialen Plattenwechselströmung der zu untersuchenden Flüssigkeit ermitteln kann. Die bisher bekannten Verfahren, die diese Strömungsform benutzen, beruhen im wesentlichen darauf, daß eine im Verhältnis zu den Längsabmessungen dünne, seitlich schallweich berandete Flüssigkeitsschicht durch einen mechanischen Resonator periodisch komprimiert wird und dadurch eine überwiegend radiale Plattenwechselströmung der Flüssigkeit normal zu der Anregungsrichtung erzwungen wird. Aus der Dämpfung und Verstimmung des Resonators durch &ie mechanische Impedanz der Flüssigkeftsschicht kann man die Viskosität der Flüssigkeit ermitteln1.It is known that one of the sizes mentioned by the excitation of a can determine radial alternating plate flow of the liquid to be examined. The previously known methods which use this form of flow are essentially based ensure that a thin in relation to the longitudinal dimensions, laterally sound soft edged liquid layer periodically compressed by a mechanical resonator becomes and thereby a predominantly radial alternating plate flow of the liquid normal to the direction of excitation. From the attenuation and detuning of the resonator through the mechanical impedance of the liquid layer Determine the viscosity of the liquid 1.

Dieses Verfahren hat folgende Nachteile: Durch die Verwendung eines Resonators zur Anregung der Strömung kann die Messung nur bei wenigen diskreten Frequenzen durchgeführt werden. Eine Apparatur nach diesem Verfahren ist mechanisch aufwendig, schwer justierbar und nimmt bei Messungen mit sehr tiefen Frequenzen erhebliche Ausmaße an.This method has the following disadvantages: By using a Resonators for stimulating the flow can only measure a few discrete Frequencies are carried out. Apparatus according to this method is mechanical elaborate, difficult to adjust and takes measurements with very low frequencies considerable proportions.

1 Vgl. z.B.: G. Ammon, "Zum viskoelastischen Verhalten von Polyesterharzen", Diss. TH Stuttgart 1964, S. 12 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe der radialen Plattenwechselströmung in einfacher Weise die statische Viskosität Newtonscher Flüssigkeiten sowie in einem kontinuierlich durchstimmbaren Frequenzbereich die komplexe dynamische Viskosität von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten zu messen, insbesondere für sehr geringe Flüssigkeitsmengen. 1 Cf. e.g .: G. Ammon, "On the viscoelastic behavior of polyester resins", Diss. TH Stuttgart 1964, p. 12 The invention is based on the object the static viscosity in a simple manner with the aid of the radial alternating plate flow Newtonian fluids as well as in a continuously tunable frequency range measure the complex dynamic viscosity of non-Newtonian fluids, especially for very small amounts of liquid.

Bei dem neuen Verfahren wird die Flüssigkeit zwischen zwei elektromechanische Wandler gebracht, die sich in geringem Abstand gegenüberstehen. Abb. 1 zeigt das Prinzip der Anordnung: die am Umfang schallweich berandete, kreisförmige Flüssigkeitsschicht F mit der Schichtdicke h befindet sich zwischen den beiden elektromechanischen Wandlern A und B. Durch das Anlegen einer echselspannung UE an den Wandler führt dieser eine Kolbenschwingung in Richtung s aus und zwingt dadurch die Flüssigkeit F zu einer radialen Plattenwechselströmung in Richtung r, sofern der zweite Wandler B eine hinreichend hohe mechanische Eingangsimpedanz aufweist. Der wandler B dient zur Messung des mittleren Drucks der Flüssigkei-t auf den wandler B. Seine Aus gangsspannung UA ist ein Maß für diesen mittleren Druck.In the new process, the liquid is electromechanical between two Brought transducers that face each other at a small distance. Fig. 1 shows this The principle of the arrangement: the circular liquid layer with a soft sound edging on the circumference F with the layer thickness h is located between the two electromechanical transducers A and B. By applying an alternating voltage UE to the converter, the converter carries out a Piston oscillation in direction s and thereby forces the liquid F to a radial plate alternating flow in direction r, provided that the second converter B is a has sufficiently high mechanical input impedance. The converter B is used for Measurement of the mean pressure of the liquid on transducer B. Its output voltage UA is a measure of this mean pressure.

Aus dem komplexen Verhältnis der Spannungen UE und UA läßt sich in einfacher gleise die Viskosität der Flüssigkeit ermitteln2.The complex relationship between the voltages UE and UA can be used in easy track to determine the viscosity of the liquid 2.

Dieses Verfahren hat folgende Vorteile: Da die elektromechanischen Wandler nicht in Resonanz arbeiten, ist eine kontinuierliche Veränderung der Meßfrequenz möglich. Durch die Verwendung von zwei Bleizirkontitanatscheiben als Wandler ist ein sehr einfacher aufbau einer +vppara-tur nach diesem Verfahren möglich, wobei Messungen bis zu einigen hundert Grad Celsius durchgeführt werden können. ßs können Wandler mit derart kleinen Abmessungen benutzt-werdens daß Messungen der Viskosität Von Flüssigkeiten möglich sind, die nur in Mengen von einigen Eutikmillimetern zur Verfügung stehen. This method has the following advantages: As the electromechanical Converters do not work in resonance, there is a continuous change in the measuring frequency possible. By using two lead zirconate titanate disks as transducers a very simple construction of a + vppara-tur according to this method is possible, whereby Measurements up to a few hundred degrees Celsius can be carried out. ßs can Converters with such small dimensions are used that measurements of viscosity Liquids that are only possible in quantities of a few eutic millimeters To be available.

2 J. Richter, "Mechanische Impedanzen dünner Flüssigkeitsschichten", Diss. Univ. Göttingen 1968 Querschnitte durch ein Ausführungsbeispiel zeigt die Abb. 2.2 J. Richter, "Mechanical Impedances of Thin Liquid Layers", Diss. Univ. Goettingen 1968 Cross-sections through an embodiment Fig. 2 shows.

Zwei zylindrische, als Dickenschwinger polarisierte Bleizirkontitanatscheiben Z mit einem Radius von 3 mm und einer Dicke von 1,5 mm sind als elektromechanische Wandler wie aus der Zeichnung ersichtlich in einem Metallrahmen M angebracht. Der Abstand der andler kann mit der Mikrometerschraube N variiert werden. Der liletallrahmen und die Befestigung der Wandler sind so ausgeführt, daß diese auf der Seite der Befestigung mit einer mechanischen Impedanz abgeschlossen sind, die groß gegen die mechanische Impedanz der Flüssigkeitsschicht ist. Die Flüssigkeit wird durch die Oberflächenspannung zwischen den Wandlern gehalten. Zur Vermeidun von elektrischem Übersprechen zwischen den Wandlern liegen beide tlasseelektroden der wandler der Flüssigkeit zugewandt und umgeben auch den Umfang der Wandler.Two cylindrical lead zirconate disks polarized as thickness oscillators Z with a radius of 3mm and a thickness of 1.5mm are considered electromechanical Converter mounted in a metal frame M as shown in the drawing. Of the The distance between the other can be varied with the micrometer screw N. The purple metal frame and the mounting of the transducers are designed so that they are on the side of the Fixing completed with a mechanical impedance that is great against that mechanical impedance of the liquid layer. The liquid is through the Surface tension held between the transducers. To avoid electrical Crosstalk between the transducers are both cup electrodes of the transducers Facing liquid and also surround the perimeter of the transducer.

Ein @echselspannungsgenerator liefert die Eingangsspannung UE von etwa 200 V in dem zu messenden Frequenzbereich, hier einige Hz bis 10 kt{z, der nach oben im wesentlichen dadurch begrenzt ist, daß die Apparatur keine mechanischen Resonanzen in diesem Bereich zeigen soll. Die i;essung der Ausgangsspannung UA nach Betrag und 1hase erfolgt in einer Brückenschaltung durch die Nompensation der über einen Impedanzwandler (100 MOhm auf 50 Ohm) lauf enden @usgangsspannung UA durch die über ein variables Dämpfungsglied und einen @hasenschieber laufende Bezugsspannung UE des Wechselspannungsgenerators an einem Addierglied. Die Anzeige der @ummenspannung an dem Addierglied erfolgt durch einen Resonallzverstärker mit einer Eingangsempfindlichkeit von 100 mikroV. Aus der Stellung des Dämpfungsgliedes und des Phasenschiebers läßt sich nach erfolgter Kompensation das komplexe Spannungsverhältnis UE/UA und daraus nach einer Eichung mit einer Newtonschen Flüssigkeit bekannter Viskosität die komplexe dynamische Viskosität der zu untersuchenden Flüssigkeit ermitteln.An AC voltage generator supplies the input voltage UE from about 200 V in the frequency range to be measured, here a few Hz to 10 kt {z, the is limited upwards essentially by the fact that the apparatus is not mechanical Should show resonances in this area. The measurement of the output voltage UA Amount and 1hase takes place in a bridge circuit by compensating the over an impedance converter (100 MOhm to 50 Ohm) ends @ output voltage UA through the reference voltage running over a variable attenuator and a @hasenschieber UE of the alternating voltage generator on an adder. The display of the total voltage at the adder is effected by a resonance amplifier with an input sensitivity of 100 microV. From the position of the attenuator and the phase shifter can After the compensation has taken place, the complex voltage ratio UE / UA and from it after calibration with a Newtonian fluid of known viscosity, the complex Determine the dynamic viscosity of the liquid to be examined.

Der sbstand-der Wandler sollte bei diesem .iusführungsbeispiel etwa 0,1 mm betragen.The self-standing converter should be about 0.1 mm.

Zur @esaung der Viskosität Newtonscher Flüssigkeiten ist kein Biächenabgleich erforderlich. In diesem Fall wird zur Messung die @enichtdi@@ der Flüssicheit sowie die Frequenz des die Str@@un anre@end@@ @andlers so @eri@@ gewählt, daß der Imagin@rteil per mechanischen Impedanz@@er Flüssigkeitsschicht verm@@hl@s@i@bs@ gegen den Realteil ist. Das Verhältnis UE/U@ ist @@ @@ell, sodaß @er Betrag der @usgangsspannung UA ein Maß für die Viskosität der Flüssigkeit ist.There is no area comparison for measuring the viscosity of Newtonian liquids necessary. In this case, the @ enichtdi @@ of the liquid as well as the frequency of the str @@ un anre @ end @@ @andlers so @ eri @@ chosen that the imagin @ r part by mechanical impedance @@ he liquid layer verm @@ hl @ s @ i @ bs @ against the real part is. The ratio UE / U @ is @@ @@ ell, so that @ the amount of the @output voltage UA is a measure of the viscosity of the liquid.

gu einem @eiteren @usführungsbeispiel vgl. J. Richter, "@echanische Impeianzen dünner Flüssigkeitsschichten", Diss. Univ.For an @eiteren @ execution example see J. Richter, "@echanische Impaction of thin liquid layers ", Diss. Univ.

Göttingen 1968.Goettingen 1968.

Claims

Patent claims:

1) Method of measuring the viscosity of liquids1 thereby gekennzeiclinet that the liquid to be examined between two opposing electromechanical transducer is brought, one of which by applying an alternating voltage given frequency stimulates the liquid to a radial alternating plate flow (Fig.1), while the second transducer for measuring the mean pressure of the liquid layer serves on the same. Its output voltage is a measure of this pressure. From the complex ratio of this output voltage to the voltage that stimulates the flow the complex dynamic viscosity of non-Newtonian fluids results at the given frequency.

the frequency and the layer thickness is chosen so small that the The ratio of the two voltages is real, so is the magnitude of the output voltage of the transducer measuring the pressure is a measure of the viscosity of Newtonian liquids.

2) Device for measuring viscosity naoh claim 1, characterized characterized in that the liquid to be examined is between two circular, as thickness oscillators polarized lead zirconium titanate disks as electromechanical ones Wandering is held by the surface tension. being the Wardler in one Frame are fixed in such a way (Fig.2) that they are in one with a microscope screw The distance between the two and the side facing away from the liquid It is terminated with a mechanical impedance that is greater than the impedance the liquid layer is.

L e r s e i t e