DE3611867A1 - Geraet zur bestimmung der fliesseigenschaften von fliessfaehigen stoffen (suspensionen und fluide) - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Bestimmung der Fließeigenschaften fließfähiger Stoffe, insbesondere von Suspensionen wie sie im Bergbau (Kohle/Wasser und Kohle/Öl Suspensionen), in der keramischen Industrie (keramische Massen), in der Kunststoffindustrie (gefüllte Kunststoffe und Farbsuspensionen), sowie in der Lebensmittelindustrie (Schokoladenmassen, Saucen, Teige . . .) verarbeitet werden.

Es ist allgemein bekannt, daß die Fließeigenschaften fließfähiger Systeme eine wichtige Kenngröße zur Berechnung und Auslegung von Pumpen, Rohrleitungen und Verarbeitungsmaschinen darstellen. Ferner kann nur in Kenntnis der Fließeigenschaften bestimmter Massen (z. B. Schokoladen, Creme- und Teigmassen) ein Produkt entsprechender Güte hergestellt werden. In vielen Fällen wäre es von erheblichem Vorteil, exakte Fließeigenschaften direkt in einem Behältnis (z. B. Tank) messen zu können, ohne Proben für die rheologische Messung im Labor entnehmen zu müssen. Unter den Fließeigenschaften wird sowohl das reine "Fließen" (=Scherfließen) nebst dem Auftreten einer "Fließgrenze" (=Mindestschubspannung zum Fließen), sowie auch das "Gleitfließen" (Abgleiten an der Wand) verstanden.

Herkömmlich erfolgt die Messung der Fließeigenschaften in Viskosimetern unterschiedlicher Bauart. Rotationsviskosimeter, bei welchen das zu untersuchende Fluid im Spalt zwischen zwei konzentrischen Zylindern oder zwischen Kegel und Platte beansprucht wird (Fa. Haake, Berlin; Fa. Coutraves, Zürich; Fa. Brabender, Duisburg; Fa. Rheometrics, Frankfurt), sowie Kapillarrheometer (Fa. Göttfert, Buchen; Fa. Schott, Hofheim; Fa. Contravers, Stuttgart; Fa. Schwing, Neunkirchen-Vluyn) sind die gebräuchlichsten Viskosimetertypen. Mit allen diesen kommerziellen Viskosimetern ist es möglich, Fließkurven zu bestimmen, welche das "Scherfließen" eines Fluids beschreiben. Bereits bei der Messung einer Fließgrenze sind die meisten Geräte überfordert.

Alleine Viskosimeter mit kraftgesteuerter Versuchsführung sind hierzu in der Lage (Fa. Rheometrics, Frankfurt). Die Kraftsteuerung eines Viskosimeters erfordert eine sehr aufwendige und teure Meßtechnik. Die Kraft bzw. das Drehmoment ist dabei Regelgröße, die Deformation des Materials wird gemessen. Die Messung einer Fließgrenze ist durch die Empfindlichkeit der Kraftaufnehmer nach unten begrenzt. Die mit den meisten Geräten ermittelbaren Fließgrenzen sind lediglich aus der Fließkurve extrapolierte Werte. Derartige Extrapolationsmethoden, wie sie z. T. Standard sind (N. Casson, Rheology of Disperse Systems, Pergamon Press. 1959; S. 84), sind nicht in der Lage Fließgrenzen genau zu beschreiben. (W. Heimann, A. Finke "Messung der Fließgrenze und ihre Berechnung aus der Casson Gleichung", Zeitschrift für Lebensmitteluntersuchung und Forschung 117 Band III (1962) S. 225-230). Die direkte Messung von Gleitvorgängen ist in keinem kommerziellen Viskosimeter möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst einfaches und kostengünstiges Meßgerät zu schaffen, in welchem das Scherfließen (Schubspannung als Funktion der Schergeschwindigkeit), ebenso wie eine Fließgrenze mit hoher Genauigkeit, gemessen werden kann. Darüber hinaus soll diese erfindungsgemäße Vorrichtung die direkte Messung von Wandgleiten, sowie die Quantifizierung des Wandrauhigkeitseinflusses auf diese Effekte, ermöglichen. Das erfindungsgemäße Gerät soll bei der Herstellung und Verarbeitung fließfähiger Massen einsetzbar sein. Derartige Messungen sollen auch direkt in Behältnissen erfindungsgemäß möglich gemacht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit Hilfe des hydrostatischen Druckes der fließfähigen Masse oder mittels Fremddruck die Masse in eine Kapillare gedrückt wird. Bei Vorhandensein einer Fließgrenze fließt die Masse soweit in die Kapillare bis der Reibungsdruckverlust mit dem treibenden Druckgefälle im Gleichgewicht steht. Die Meßkapillaren sind für sehr dünnflüssige Massen vertikal angeordnet. Erfindungsgemäß resultiert aus dieser Anordnung eine hohe Meßempfindlichkeit für die Ermittlung einer Fließgrenze. Diese kann minimal ca. 0,01 Pa betragen.

Herkömmliche Meßgeräte sind wesentlich unempfindlicher. Bei dem erfindungsgemäßen Gerät werden transparente Kapillaren (Glas, Plexiglas) verwendet. Nur die transparente Kapillare ermöglicht die Beobachtung der Flüssigkeitsfront. Mit Hilfe der ermittelbaren Meßdaten, Geschwindigkeit der Flüssigkeitsfront als Funktion der Zeit bzw. der Einlauflänge, sind die Stoffeigenschaften Viskosität, Fließgrenze und Gleitverhalten in der nachfolgend beschriebenen Weise quantifizierbar.

Die Messung des Scherfließens, d. h., die Ermittlung einer Fließfunktion (Schubspannung als Funktion der Schergeschwindigkeit), resultiert erfindungsgemäß aus einer Messung der Geschwindigkeit der Flüssigkeitsfront in der Messkapillaren. Aus der momentanen Geschwindigkeit der Flüssigkeitsfront errechnet sich mit Hilfe der Kapillarengeometrie ein momentaner Volumenstrom. Die scheinbare momentane Schergeschwindigkeit (=scheinbares Schergefälle) errechnet sich gemäß Gleichung (1)

( _s =scheinbare momentane Schergeschwindigkeit; =momentaner Volumenstrom; R =Kapillarradius)

Aus der scheinbaren momentanen Schergeschwindigkeit errechnet sich für Massen, welche kein newtonisches Fließverhalten zeigen, die wahre momentane Schergeschwindigkeit nach der Gleichung (2). (Rabinowitsch B. (1929), Z. Phys. Chem. 145A,1)

(τ =momentane Wandschubspannung in der Messkapillare; _w = wahre momentane Schergeschwindigkeit)
_s und _w sind Schergeschwindigkeiten (=Schergefälle an der Kapillarwand. Für newtonisches Fließverhalten gilt _w

Die momentane Wandschubspannung berechnet sich nach Gleichung (3).

(Δ P* = momentanes Druckgefälle; L* = zum Zeitpunkt der momentanen Messung von der fließfähigen Masse bereits durchflossene Kapillarlänge)

Das momentane Druckgefälle Δ P* ist bei horizontal angeordneter Kapillare konstant. Bei vertikaler Kapillare ist Δ P*eine Funktion des hydrostatischen Drucks gemäß Gleichung (4)

Δ P* = P ₁ - ρ g · L* (4)

(P ₁ = Druck am Kapillareintritt = hydrostatischer Druck der im Vorratsgefäß eingefüllten Masse + einem evtl. angelegten Fremddruck P _f ; p = Dichte der fließfähigen Masse; g = Erdbeschleunigung)

Sofern die zu untersuchende fließfähige Masse eine Fließgrenze besitzt, stoppt der Fließvorgang dieser Masse in der Meßkapillare an der Stelle L, an welcher die Wandschubspannung nach Gleichung (3) der Fließgrenze (= kritische Wandschubspannung für den Beginn des Scherfließens) entspricht. Bei dem erfindungsgemäßen Gerät ist durch die Verwendung transparenter Meßkapillaren, die Halteposition L der Flüssigkeitsfront genau ermittelbar. Bei Flüssigkeiten mit hoher Oberflächenspannung muß der kapillare Unterdruck berücksichtigt werden. Die treibende Druckdifferenz in der Meßkapillare Δ P setzt sich damit additiv aus dem hydrostatischen Druck im Vorratsgefäß, einem eventuell angelegten Fremddruck und dem kapillaren Unterdruck zusammen. (siehe Gleichung (5)).

Δ P* = P _f + ρ g · (H-L*) + P _k (5)

(P _f = angelegter Fremddruck; H = Füllhöhe des Vorratsgefäßes; P _k = kapillarer Unterdruck in der Meßkapillare)

Bei Vorhandensein einer Fließgrenze wird der kapillare Unterdruck die Fließstrecke L in der Meßkapillare um die Strecke l _k verlängeren. Dabei ist l _k gleichbedeutend mit der kapillaren Steighöhe. Diese wird erfindungsgemäß mittels einer Referenzkapillare im Vorratsgefäß ermittelt. Die Fließgrenze berechnet sich in diesem Fall nach Gleichung (6).

(τ ₀ = Fließgrenze)

Das Auftreten von Wandgleiteffekten ist aufgrund der erfindungsgemäß verwendeten transparenten Meßkapillaren direkt beobachtbar. Bei wandgleitenden Massen, in welchen keine sichtbaren Einzelpartikeln vorhanden sind, kann mit Hilfe von Farbmarkierungen, welche erfindungsgemäß am Kapillareintritt injiziert werden können, das Abgleiten an der Kapillarwand sichtbar gemacht werden. Die Geschwindigkeitsmessung der Farbmarkierungen liefert die Wandgleitgeschwindigkeit.

Die Messung mit zwei Kapillaren unterschiedlichen Durchmessers erlaubt auch eine rechnerische Bestimmung der Gleitgeschwindigkeit nach einem Berechnungsverfahren von Mooney (Mooney M. (1931): "Explicit formulas for ship and fluidity; J. Rheology 2, 210-222).

Das erfindungsgemäße Gerät macht die Messung mit mindestens 4 Kapillaren in einem Meßgang möglich.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 schematischer Längsschnitt des erfindungsgemäßen Gerätes für die Labormessung

Fig. 2 Draufsicht des in Fig. 1 dargestellten Gerätes

Fig. 3 spezielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes als Sonde zur Messung direkt in Behältnissen

In Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Gerät in der Ausführung für Messungen im Labor in seinem Längsschnitt dargestellt. Der Vorratsbehälter (1) ist aus mehreren Teilen zusammengesetzt (1 a-1 d), um eine einfache Zerlegung und Reinigung des Gerätes zu gewährleisten. Der Mittelteil des Vorratsgefäßes 1 b besitzt eine nach oben konisch zulaufende Innenwand zur besseren Abführung von aufsteigenden Lufteinschlüssen, welche beim Eingießen der zu untersuchenden fließfähigen Masse im Fuß des Vorratsgefäßes gebildet werden können. Die in eine Halterung (9) eingeklebten Meßkapillaren werden in den Mittelteil des Vorratsgefäßes eingeschraubt. Die Enden der Kapillaren tauchen dabei in die zu untersuchende fließfähige Masse ein. Die Anzahl der auf dem Umfang verteilten Meßkapillaren ist grundsätzlich beliebig. Um eine gute Handhabung zu gewährleisten, werden jedoch 2-6 Kapillaren verwendet. (Fig. 2 zeigt ein Beispiel mit 4 Kapillaren in 90° Anordnung über dem Umfang verteilt). Die Anzahl, der mit einer Gerätefüllung durchführbaren Versuche, ist durch die Anzahl der Kapillaren vorgegeben (Reproduzierbarkeit). Das Einbringen von Farbmarkierungen zur Messung des Gleitverhaltens erfolgt über eine Injektionsstelle (6) in der Kapillarhalterung (9). Ein am oberen Kapillarende angekuppeltes Ventil (8) ermöglicht die Belüftung (Öffnung) der Kapillare bei Beginn der Messung. Zur Stabilisierung der Meßkapillaren ist am oberen Teil des Vorratsgefäßes (1 a) eine Halterung für die Meßkapillaren (7) angebracht.

Eine Referenzkapillare (4) zur Messung der kapillaren Steighöhe der zu untersuchenden fließfähigen Masse ist im Deckel des Vorratsgefäßes (3) höhenverstellbar eingebaut. Eine weitere Bohrung (5) im Deckel des Vorratsgefäßes dient zur Belüftung, um bei der Messung einen Unterdruck im Vorratsgefäß zu vermeiden. Durch eine dritte im Deckel (3) befindliche Bohrung (10) wird ein Thermometer in die zu untersuchende fließfähige Masse eingeführt.

Das erfindungsgemäße Gerät in Fig. 1 und Fig. 2 arbeitet in der Weise, daß nach dem Einfüllen der Untersuchungsmasse der Vorratsgefäßdeckel (3) geschlossen wird. Die Referenzkapillare ist so eingestellt, daß sie leicht (ca. 1-2 mm) in die Untersuchungsmasse eintaucht. Die Messung wird durch Öffnen des Ventils (8) gestartet. Die Geschwindigkeit der in der Kapillare aufsteigenden Untersuchungsmasse kann mit Hilfe einer auf den Meßkapillaren aufgebrachten mm-Skala und einer entsprechenden Zeitmessung ermittelt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes wird die Fließgeschwindigkeit mittels einer optischen Meßeinrichtung vorgenommen, sodaß die Längenskala auf den Meßkapillaren entfällt. Die optische Fließgeschwindigkeitsmessung erlaubt prozessorgesteuert auch die Messung sehr dünnflüssiger und damit in der Meßkapillare sehr schnell fließender Massen. Entsprechend einer besonderen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, wird dieser als Meßsonde ausgebildet. Diese Ausführung ist in Fig. 3 dargestellt.

Dem Vorratsbehälter für das zu untersuchende Fluid entspricht in dieser erfindungsgemäßen besonderen Ausführung des Erfindungsgegenstandes der Fluidbehälter (z. B. Tank), in dem das zu messende Fluid sich befindet (A). Die Eintauchtiefe des als Sonde ausgebildeten Erfindungsgegenstandes bestimmt den hydrostatischen Druck, der als treibendes Druckgefälle wirkt.

Die Meßkapillare (B) ist in dieser Ausführung in das Sondengehäuse (C) dichtend eingebaut. Der Innenraum der Sonde (F) ist damit gegenüber dem Untersuchungsfluid ebenfalls abgedichtet. An die Meßkapillare ist ein flexibler Pneumatikschlauch (D) angeschlossen. Dieser wird durch den hohlen Führungsstab (H) nach außen geführt. Am Schlauchende sitzt ein elektromagnetisch gesteuertes 2/2 Wegeventil (K). Durch das Öffnen dieses Ventils wird der Versuch gestartet. Das zu untersuchende Fluid steigt in der Meßkapillare nach oben.

Dabei wird die Geschwindigkeit der aufsteigenden Fluidfront entsprechend der speziellen Ausstattung der Laborausführung des Erfindungsgegenstandes (Fig. 1 u. 2) mit Hilfe eines optischen Meßaufnehmers (E) gemessen. Dieser Aufnehmer besteht erfindungsgemäß aus einem Feld lichtempfindlicher Sensoren. Die elektrischen Zu- und Ableitungen für den optischen Meßaufnehmer, werden durch den Führungsstab einer externen Meßelektronik zugeführt. Die Meßmöglichkeiten bezüglich der rheologischen Kenngrößen: Fließverhalten, Fließgrenze und Gleitverhalten entsprechen bis auf die Möglichkeit des Einbringens von Farbmarkierungen in die Kapillarströmungen dem erfindungsgemäßen Gerät für den Laborbetrieb (Abb. 1 u. 2). Der optische Meßaufnehmer (E) ist in den abgedichteten Sondeninnenraum (F) fest eingebaut. Die Meßkapillare ist erfindungsgemäß mit Hilfe einer Schnellkupplung (G) an den Pneumatikschlauch angeschlossen und damit leicht auswechselbar.

Die Laboranordnung des Erfindungsgegenstandes kann in einer weiteren abgewandelten Ausführungsform auch so getroffen sein, daß die Meßkapillaren (2) horizontal in das Mittelteil des Vorratsgefäßes (1 b) eingeschraubt sind. Da diese Ausführung für schwer fließfähige Massen verwendet wird, ist der Deckel des Vorratsgefäßes dann fest mit dem Vorratsgefäß verschraubt und besitzt anstelle einer Belüftungsbohrung einen Druckluftanschluß zum Aufbringen eines Fremddruckes. In dieser Ausführung des Erfindungsgegenstandes bleibt das Kapillarende offen (kein Ventil (8)) und der Versuch wird mit Anlegen des Fremddruckes gestartet.

Die bevorzugten Geräteabmessungen liegen für die Laborausführung bei einem Füllvolumen von 0,5-5 l, einer Gerätehöhe von 250-400 mm, sowie Kapillarlängen von 150-350 mm (vertikale Kapillaranordnung) bzw. 150-1500 mm (horizontale Kapillaranordnung). Die Kapillarinnendurchmesser betragen 1-6 mm, bei der horizontalen Anordnung bis 20 mm. Die Ausführung des Erfindungsgegenstandes als Sonde hat als bevorzugte Abmessungen für den Sondenkörper einen Außendurchmesser von 30-50 mm und eine Länge von 200-300 mm. Die für die Sondenausführung verwendeten Kapillaren besitzen bevorzugte Innendurchmesser von 2-5 mm bei einer Länge von 200- 300 mm.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, daß bei bestimmten Untersuchungsmassen die Meßkapillaren als Einmalkapillaren verwendet werden.

Zur Untersuchung fließfähiger Massen, die temperiert werden müssen wird das Laborgerät in eine Temperierkammer eingebracht, deren Front in Glas ausgeführt ist, um die Messungen bei geschlossener Temperierkammer vornehmen zu können. Anstelle einer speziellen Temperierkammer kann auch ein kommerzieller Heizschrank mit Sichtfenster verwendet werden. Die Ausführungsform als Meßsonde wird von der umgebenden Flüssigkeit thermostatiert. Gegebenenfalls kann ein Vorwärmen erfolgen.

Für nicht aggressive Substanzen wird das erfindungsgemäße Gerät in verschiedenen Ausführungsformen bezüglich des verwendeten Materials gebaut: Plexiglas, Aluminium, Messing oder Stahl (St. 37). Für aggressive Massen wird V2A Stahl oder Glas verwendet.

Grundsätzlich werden der Rahmen der Erfindung und der wesentliche Grundgedanke der Erfindung nicht verlassen, wenn das erfindungsgemäße Gerät in der Weise abgewandelt wird, das noch gewährleistet bleibt, das die Untersuchungssubstanz durch transparente Kapillaren oder Rohre, unter Messung der Geschwindigkeit von Farbmarkierungen bzw. der Flüssigkeitsfront, sowie deren maximaler Einströmlänge bei Stillstand der Massenfront, bewegt wird.

Claims (21)

1.) Gerät zur Messung des Fließverhaltens und des Gleitverhaltens, sowie der Fließgrenze fließfähiger Massen aus dem Bereich der Lebensmittelindustrie, Farbindustrie, Pharmaindustrie, Kosmetikindustrie, Keramikindustrie und des Bergbaus, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchungsmasse mittels hydrostatischem- oder Fremddruck in transparente Kapillaren gedrückt wird, daß die Geschwindigkeit der Massenfront oder injizierter Farbmarkierungen, sowie die maximale Einströmlänge bei Stillstand der Massenfront gemessen wird.

2.) Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkapillaren vertikal angeordnet sind.

3.) Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkapillaren horizontal angeordnet sind.

4.) Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Meßkapillaren mittels Ventilen bei Versuchsbeginn geöffnet werden.

5.) Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorratsgefäß im Mittelteil (1 b) konisch verlaufende Innenwandung besitzt. (Besseres Entweichen von evtl. eingeschlossenen Luftblasen).

6.) Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei bis sechs Meßkapillaren über den Umfang verteilt angebracht sind.

7.) Gerät nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Referenzkapillaren die kapillare Steighöhe gemessen wird.

8.) Gerät nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkapillaren (bzw. Meßrohre) transparent sind.

9.) Gerät nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß glatte Kapillaren verwendet werden.

10.) Gerät nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß rauhe Kapillaren zur Messung von Rauhigkeitseinflüssen verwendet werden.

11.) Gerät nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß Längenskalen (mm) auf oder neben den Kapillaren angebracht sind.

12.) Gerät nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsgefäßdeckel eine Belüftungsbohrung und eine Bohrung zum Einführen eines Thermometers besitzt.

13.) Gerät nach Anspruch 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsgefäßdeckel einen Druckluftanschluß besitzt.

14.) Gerät nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Thermostatierung in eine Thermostatierkammer mit quadratischer Grundfläche und einer Frontwand aus Glas, eingebaut wird.

15.) Gerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaren als Einmalkapillaren verwendet werden.

16.) Gerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Eintritt der Meßkapillaren eine Bohrung zum Injizieren von Farbmarkierungen mittels einer Injektionskanüle vorgesehen ist.

17.) Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es in seiner Bauform als Meßsonde eingesetzt werden kann, wobei ein Eintauchen des erfindungsgemäßen Gerätes in die zu untersuchende Flüssikkeit erfolgt.

18.) Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß Meßkapillare und optischer Meßaufnehmer dichtend in das Sondengehäuse eingebaut sind.

19.) Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch einen hohlen Führungsstab geführter Pneumatikschlauch die Meßkapillare mit der Umgebung verbindet.

20.) Gerät nach Anspruch 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkapillare mittels einer Schnellkupplung mit dem Pneumatikschlauch verbunden ist.

21.) Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Meßaufnehmer durch eine transparente Zwischenwand von der Meßkapillare dichtend getrennt eingebaut ist.