DE933172C

DE933172C - Vorrichtung zur Viskositaetsmessung

Info

Publication number: DE933172C
Application number: DEH18654A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl-Phys Heinz
Original assignee: HAAKE GE KG
Current assignee: HAAKE GE KG
Priority date: 1953-12-11
Filing date: 1953-12-11
Publication date: 1955-09-22

Description

Vorrichtung zur Viskositätsmessung Es sind Vorrichtungen bekannt, mit denen die Viskosität mittels der Bewegung eines Körpers in einem mit der Meßsubstanz gefüllten Hohlzylinder gemessen wird. Es werden zu diesem Zweck als Meßkörper Kugeln, Zylinder oder Stäbe vorgeschlagen.
Diese Meßkörper sollen sich entweder durch Eigengewicht, oder vermöge einer äußeren Kraft, die durch Stab oder Faden zu übertragen ist, durch den Hohlzylinder bewegen. Kugeln als Meßkörper haben den Nachteil, daß man bei ihnen das in der Substanz dv auftretende Schergefälle dy und die Schubspannung z nicht kennt. Diese Kenntnis ist jedoch für die Messung strukturviskoser Substanzen sehr bedeutsam, da bei ihnen die Viskosität 27 eine Funktion des Schergefälles und damit der Schubspannung ist. Bei zylinderförmigen Meßkörper kennt man zwar das Schergefälle und die Schubspannung in reinviskosen Substanzen, kann jedoch keine Aussagen über das Schergefälle in strukturviskosen Substanzen machen.
Es sind andere Vorrichtungen bekannt, bei denen die zu messende Substanz durch eine feststehende Kapillare gedrückt wird. Bei der Kapillarströmung kann man in jedem Fall das Schergefälle und die Schubspannung angeben, die in der Substanz auftreten. Solche Messungen mit stationärer Kapillare haben jedoch, vor allem bei hochviskosen Substanzen, den Nachteil, daß die Messungen nicht ohne weiteres zu wiederholen sind. Dadurch ist das Erkennen und Messen von Viskositäts-Zeitfunktionen, wie Thixo- tropie und Rheopexie, unmöglich. Außerdem werden die Meßergebnisse vielfach durch an den Wandungen haftende Substanzreste verfälscht.
Die vorliegende Neuerung schlägt daher eine Vor-.nchtung zur Viskositätsmessung vor, bei der sich in einem mit der Meßsubstanz gefüllten Hohlzylinder ein im wesentlichen zylindrischer Meßkörper kleineren Durchmessers mit Längsbohrung bewegt, und sich die Viskosität aus der Meßkörpergeschwindigkeit, der auf ihn wirkenden Kraft und einer Apparatekonstante ergibt.
Die prinzipielle Form des Meßkörpers zeigt Abb. I: Ein zylindrischer Körper 1 ist mit einer Längsbohrung 2 versehen. Der Außendurchmesser des Körpers ist etwas kleiner gehalten als der Innendurchmesser des Hohlzylinders 3. Der Hohlzylinder ist mit der Meßsubstanz gefüllt. Der Meßkörper teilt den Hohlzylinder in zwei Teile. Bei der Bewegung des Meßkörpers wird Substanz von einem Teil in den anderen durch die Längsbohrung, die praktisch eine Kapillare mit dem Radius Ro darstellt, gepreßt. Die pro Sekunde durchströmende Substanzmenge Q ergibt sich gemäß: Q = z R12 v, wobei R1 der halbe Außendurchmesser und v die Geschwindigkeit des Meßkörpers sind.
Der Widerstand G (dyn), den der Meßkörper bei seiner Bewegung zu überwinden hat, ist gegeben durch: G = p 7r R1, wobei p die Druckdifferenz zwischen den beiden Hohlzylinderteilen ist. Mit diesen Gleichungen können nun die bekannten Formeln für die Kapillarströmung auf das vorliegende Problem angewandt werden und es wird erhalten: wobei 17 die Viskosität der Substanz (Poise) und L die Länge der Kapillare sind.
Ebenso gilt für das Schergefälle 4R1² D = v . R03 R0³ und für die Schubspannungz (dyn. cm 2) an der Kapillarwand: G Ro 2L R12 G ist die Kraft, die auf den Meßkörper wirkt. Diese kann durch das Eigengewicht, vermindert um den Auftrieb, gegeben sein. Der Meßkörper kann aber auch z. B. in bekannter Weise an einem Stab oder Faden befestigt sein, und er kann so von außen vermöge einer definierten Kraft durch den Hohlzylinder gedrückt oder gezogen werden. Die Meßkörpergeschwindigkeit wird gemessen beispielsweise durch Stoppen der Zeit, in der der Meßkörper eine bestimmte Strecke zurücklegt.
Außer der Strömung durch die als Kapillare wirkende Längsbohrung treten noch andere Strömungen um den Meßkörper auf, die berücksichtigt werden müssen. Die Substanz bildet vor dem Eintritt in die Kapillare und nach dem Austritt ein Stromprofil, das einen zusätzlichen Widerstand für den Meßkörper ergibt. Um diesen Einfluß der Rechnung zugänglich zu machen, gibt man den Stirnflächen zweckmäßig die Form einer Stromlinie, also etwa trichterförmig, gemäß Abb. 2. Die Stirntlächen verhalten sich dann in der Strömung wie Kapillaren mit veränderlichem Durchmesser. In dem Zwischenraum zwischen Meßkörper und Hohlzylinder entsteht ebenfalls eine störende Strömung, die möglichst unterdrückt werden soll. Das geschieht nach der Neuerung einmal dadurch, daß der Spalt zwischen Meßkörper und Hohlzylinder in den Stirngebieten klein gehalten wird, nämlich in der Größenordnung von 0,01 com. Weiterhin schlägt die Neuerung vor, im Mittelteil des Meßkörpers gemäß Abb. 3 den Spalt groß werden zu lassen. Dadurch wird erreicht, daß die Oberflächenspannung ein Durchpressen von Substanz verhindert. Der erweiterte Ringspalt bleibt also frei von Meßsubstanz. Es verbleibt so lediglich der Einfluß der reinen Scherung der Substanz im engen Teil des Spaltes, der jedoch der Rechnung zugänglich ist.
Die Meßkörper können sich im Hohlzylinder zentrisch bewegen vermöge irgendeiner Führung; es können die Messungen aber auch durchgeführt werden mit sich exzentrisch bewegenden Meßkörpern.
Die Messungen können durch Hin- und Herbewegen des Meßkörpers beliebig oft wiederholt werden, so daß Viskositäts-Zeitfunktionen erkennbar und meßbar sind. Es sind auch hochviskose Substanzen einwandfrei zu messen. Fließkurven von Substanzen können exakt, d. h. unabhängig von denApparatedimensionen, aufgenommen werden. Zur Überdeckung eines großen Meßbereichs können verschiedene Meßkörper mit unterschiedlichen Durchmessern der Längsbohrung in Anwendung kommen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: I. Vorrichtung zur Messung der Viskosität, dadurch gekennzeichnet, daß sich in einem mit der Meßsubstanz gefüllten Hohlzylinder ein im wesentlichen zylindrischer Meßkörper kleineren Durchmessers mit Längsbohrung bewegt, und sich die Viskosität aus der Meßkörpergeschwindigkeit, der auf ihn wirkenden Kraft und einer Apparatekonstante ergibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen des Meßkörpers die Form der vorhandenen trichterförmigen Stromlinien haben.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen Meßkörper und Hohlzylinder variiert, und zwar durch Einschnürung des Außendurchmessers des Meßkörpers in seinem Mittelteil.
4. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überdeckung eines großen Meßbereichs mehrere Meßkörper, mit voneinander verschiedenen Durchmessern der Längsbohrung, verwendet werden.