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Einrichtung zur Messung der Viskosität von Flüssigkeiten durch Bestimmung
des Druckunterschiedes an den Enden einer von der Flüssigkeit durchströmten Kapillare
Nach dem exakten Verfahren von P o i s -s e u i 11 e wird die Viskosität von Flüssigkeiten
dadurch bestimmt, daß man durch ein kleines konstantes Gefälle einen konstanten
Druck )o erzeugt, die Flüssigkeit mit diesem Druck )o durch eine Meßkapillare laufen
läßt und das ausfließende Flüssigkeitsquantum Q (ccm/sek) beobachtet. Die gesuchte
Viskosität -n ist dann
worin C eine Apparatenkonstante ist.
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Die Durchführung dieses Meßverfahrens ist aber für die Praxis zu umständlich,
und eine Vereinfachung der Apparatur wurde nach verschiedenen Richtungen versucht.
Am aussichtsreichsten erschien es von vornherein, das Durchfluß.quantum Q durch
die Meßkapillare konstant zu halten, damit das umständliche Zeitmessen fortfällt
und man aus dem nun veränderlichen Druck P den Zähigkeitsgrad-4 bestimmen kann.
Man erhält auf diese Weise Skalenviskosimeter, bei denen der jeweilige Druck P und
damit die jeweilige Viskosität der Flüssigkeiten sofort an einer Skala abgelesen
werden kann. Verschieden waren die Wege, auf denen man ein konstantes Durchflußquantum
Q zu erreichen suchte. Bei dem Viskosimeter D a 11 w i t z -D u f f i n g (Patent
318398) läßt man die Flüssigkeit fontänenartig aus der Meßkapillare heraussprudeln;
gleiche Springhöhen, die sich leicht kontrollieren lassen, bedeuten gleiches Q,
und i) ergibt sich aus dem Meßdruck P. Bei dem Viskosimeter nach D a 11-Witz (Patent
405090) wird der Meßkapillare zwangsläufig durch einen gleichmäßig bewegten Kolben
oder Verdränger ein gleichbleibendes Flüssigkeitsquantum Q zugeführt; der Meßdruck
P wird hierbei so klein gehalten, als die Gültigkeit der Poissauilleschen Gleichung
voraussetzt; der Druck P wird vor der Meßkapillare an einem senkrechten offenen
Rohr (Manometerrohr) von .einem Meßdruck P = o an einwandfrei gemessen. Der zwangsläufig
gleichmäßig bewegte Förderkolben oder Verdränger bedingt aber eine Verteuerung bei
diesen bekannten Apparaten, auch braucht man bei denselben relativ große Flüssigkeitsmengen
zur Messung, die nicht immer zur Verfügung stehen.
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Man kann aber die Flüssigkeiten auch auf andere Weise gegen einen
Meßdruck fördern, wie schon N o e g g e r a t h bei seinen ;Meßapparaten, die u.
a. auch als Viskosimeter Verwendung finden sollen (britische Patentschrift 16
5 ¢ r o), angegeben hat, nämlich durch kleine Pumpen, die unmittelbar in das untere
Verbindungsrohr eines U-Rohrs oder kommunizierenden Rohrpaares eingebaut sind. Bei
den Einrichtungen von N o e g -g e r a t h fehlte es nur an den notwendigen Rücksichten
auf die Eigenarten der Viskositätsmessung, die lamellare Strömung in den Meßteilen
und die Möglichkeit scharfer Nullpunktkontrolle voraussetzt.
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Die vorliegende Einrichtung zur Messung
der Viskosität
von Flüssigkeiten benutzt ebenfalls ein kommunizierendes Rohrpaar mit eingebauter
Förderpumpe, die die Flüssigkeit gleichmäßig vom einen Schenkel in den andern treibt;
sie unterscheidet sich von dem Bekannten jedoch darin, daß die kommunizierenden
Rohre andererseits durch eine Meßkapillare miteinander verbunden sind, durch die
die Flüssigkeit gegen die Förderrichtung der Pumpe zurückströmt, sobald der Flüssigkeitsdruck
im einen Schenkel höher wird als im andern. Der Flüssigkeitsstand in den Schenkeln
ändert sich so lange, bis die Förderpumpe ebensoviel Flüssigkeit vom einen Schenkel
in den andern fördert; als durch die Meßkapillare zurückfließt; aus dem Flüssigkeitsstand
in den Schenkeln kann man dann auf "die Viskosität der Flüssigkeit schließen.
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In den Abbildungen sind A und M die beiden Manometerrohre,
I( die Meßkapillare, P die Förderpumpe: Aus A fördert die Pumpe P
gleichmäßig die Flüssigkeit nach M, wodurch die Flüssigkeit in M einen .höheren
Stand erlangt. Deshalb fließt aus M die Flüssigkeit nach A durch die Meßkapillare
I( zurück. Bei einem gewissen Standunterschiedlt cm in A und M fließt
von M nach A ebensoviel Flüssigkeit zurück, als von A nach M durch die Pumpe
P gefördert wird. W ist ein Wärmebad, durch das die Flüssigkeit in I( und P und
unten in A und M auf eher gleichmäßigen Temperatur gehalten wird. Ist R cm der Radius
der Kapillare K, L cm die Länge der Kapillare, Q cm-/sek die von P geförderte
Flüssigkeitsmenge, Y die Dichte der Flüssigkeit, so ist die absolute Viskosität
der Flüssigkeit
absolute Einheiten. Man kann es so einrichten, daß- die Viskosimeterkonstante C
eine runde Zahl ist, z. B. C= o,i. Dann würde das Viskosimeter bei h = o, i cm die
absolute Viskosität o,oi oder den Englergrad i anzeigen. (für die Dichte i), und
alle andern Viskositäten können als Vielfaches der Viskosität o;o i am Viskosimeter
ohne weiteres in mm abgelesen werden, wobei nur die Dichte y zu berücksichtigen
ist. Das Viskosimeter ist also ein Skaleninstrument für direkte Ablesung. Es hat
aber vor anderen bekannten Skaleninstrumenten den Vorzug; daß dasselbe Flüssigkeitsquantum
Q cm3/sek, das die PumpeP fördert, auch durch die Kapillare I( fließt. Da bei P
und I( die gleiche Temperatur herrscht, zeigt das Viskosimeter stets die Viskosität
bei der jeweiligen Temperatur an, auch dann, wenn die Temperatur der Flüssigkeit
langsam steigt oder sinkt, während bei anderen ' ähnlichen Skaleninstrumenten die
die Kapillare I( durchströmende Flüssigkeitsmenge unkontrollierbar vermehrt oder
vermindert wird, wenn die Temperatur steigt oder sinkt; weil dann die Flüssigkeit
vor der Kapillaren sich entsprechend dehnt oder zusammenzieht. Bei dem vorliegenden
Viskosimeter befindet sich vor und hinter der Kapillare I( stets annähernd dieselbe
Flüssigkeitsmenge innerhalb des Bereiches des Warmbades W, und alle störenden Temperatureinflüsse
werden dadurch kompensiert. Das Instrument ist demnach ein kompensiertes Skälenviskosimeter.
Für das Viskosimeter ist ferner nur sehr wenig Flüssigkeit erforderlich.
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Abb.2 zeigt beispielsweise den Aufbau eines solchen Instruments. P
ist eine kleine Kolbenpumpe, die von der Kurbel B gleichmäßig bewegt wird. B wird
durch ein Uhrwerk angetrieben. Durch die Einrichtung S kann der Hub der Pumpe geändert
werden. Man ist dadurch in der Lage, der Konstante C einen bestimmen Wert zu geben,
ohne an der Kapillare I( etwas ändern zu müssen. An Stelle der Kolbenpumpe kann
man auch eine Membranpumpe oder eine ähnliche Pumpe verwenden. Die Abschlußorgane
der PumpeP werden zweckmäßig gesteuert, z. B. durch Schieber. An Stelle nur einer
Kappillare kann man auch ein Kapillarenbündel verwenden, denn die Kapillaren sollen
zweckmäßig recht läng sein, damit sie für einen weiten Meßbereich genau sind. An
den Rohren M und A wird der Flüssigkeitsstand und damit die Viskosität mittels der
Lupen L abgelesen.
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Bei der Ausführungsform nach Abb.2 muß man den Flüssigkeitsstand an
zwei Rohren, an M und A, ablesen. Abb.3 voranschaulicht dagegen eine Einrichtung,
mit der man den Flüssigkeitsstand in dem. einen Rohr A auf einem Nullstand halten
kann, so daß man nur an einem Rohr M abzulesen braucht. A' ist das Ende des
Rohres A, das in einen kleinen Trog T hineinragt; in welchem es durch die
Einrichtung E etwas nach oben oder unten verschraubt werden kann, bis sein oberes
Ende gerade mit dem Nullpunkt der Skala auf dem Rohr M abschließt. Das Rohr M und
das Rohrende A' haben gleichen Durchmesser, so daß die Oberfiächenspannung der Flüssigkeit
in beiden Röhren gleichmäßig wirksam ist und der Nullpunkt konstant bleibt. In T
befindet sich Flüssigkeit genau bis zur Höhe von A', was man sehr gut kontrollieren
kann. Ist in T mehr oder weniger Flüssigkeit, so hebt oder senkt man den Verdränger
V so lange, bis der Flüssigkeitsspiegel O in T mit dem Ende von A' abschließt. Mit
dieser Einrichtung kann also erstens das Rohr A bis A' stets gefüllt
gehalten
werden, und zwar durch Herunterschrauben des Verdrängers V, und zweitens durch Heraufschrauben
des Verdrängers V der Flüssigkeitsspiegel in T stets auf den Nullpunkt von M reduziert
werden.
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Die abgelesenen Standhöhen in M oder die Differenzen der Standhöhen
in A und M hat man noch mit der Dichte der Flüssigkeit zu multiplizieren, wenn man
die absolute Viskosität der Flüssigkeit erhalten will. Die Dichte ändert sich aber
mit der Temperatur, und die Temperatur am oberen Ende von M oder A ist ohne besondere
Vorrichtungen nicht bekannt. Für genaue Feststellungen der Viskosität kann man aber
den Wert der Dichte aus der Messung eliminieren. Dazu können beispielsweise die
in Abb. 4. dargestellten Einrichtungen dienen. Nach Abb. qa endet das Rohr M in
einen kleinen Behälter M'; der durch den Schlauch D mit U-Rohr U verbunden ist.
Durch den Hahnes können beide Schenkel des U-Rohrs miteinander verbunden oder voneinander
getrennt werden. In U befindet sich eine Flüssigkeit von bekannter Dichte, z. B.
Petroleum, Xylol usw. Beide Schenkel des U-Rohrs sind mit einer Skala versehen,
die unter Berücksichtigung der eventuellen Schrägstellung des U-Rohrs und der Dichte
der betreffenden Flüssigkeit direkt in absolutes Viskositätsmaß geteilt sein kann.
Soll nun bei einer gewissen Temperatur die Viskosität der Flüssigkeit im Viskosimeter
bestimmt werden, so setzt man durch entsprechende Stellung des Hahns H beide Schenkel
des U-Rohrs miteinander in Verbindung. Damit sich dann die Flüssigkeit in beiden
Schenkeln des U-Rohrs gleich hoch einstellen kann, entlüftet man noch den einen
mit D verbundenen Schenkel des U-Rohrs mittels des Ventils F. Dann preßt man mit
dem Gummiball G Luft in D@, bis die zu messende Flüssigkeit in M auf der Nullmarke
unter der Lupe L steht, schließt dann den Hahn H des U-Rohrs und kann dann den Stand
der U-Rohrfüllung in beiden Schenkeln des U-Rohrs ablesen, da sich dieser Stand
nun nicht mehr ändern kann; auf diese Weise erhält man die gesuchte Viskosität.
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Die Ausführungsform Abb. qb eignet sich zum direkten und indirekten
Ablesen der Viskosität. Durch die Luftpressung in D wird der Flüssigkeitsstand in
M so weit heruntergesetzt, bis in A und M die Flüssigkeit gleich hoch
steht, was man durch eine Lupe L mit Querlinie feststellt. Die indirekte Ablesung
erfolgt am U-Rohr wie eben beschrieben.