WO2006066565A1

WO2006066565A1 - Verfahren zur bestimmung der viskosität und viskosimeter hierfür

Info

Publication number: WO2006066565A1
Application number: PCT/DE2005/002318
Authority: WO
Inventors: Klaus Becker
Original assignee: Georg-August-Universität Göttingen
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2006-06-29
Also published as: DE102004063358A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Viskosität und ein Viskosimeter zur Durchführung dieses Verfahrens. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, bei dem mit Hilfe der Bestimmung der Änderung des Drucks über die Zeit in einer Messkammer, in der das Fluid, dessen Viskosität bestimmt werden soll, ein- oder ausströmt, die kinematische Viskosität bestimmt wird.

Description

Verfahren zur Bestimmung der Viskosität und Viskosimeter hierfür

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Viskosität und ein Viskosimeter zur Durchführung dieses Verfahrens. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, bei dem mit Hilfe der Bestimmung der Änderung des Druck über die Zeit in einer Messkammer, in der das Fluid, dessen Viskosität bestimmt werden soll, ein- oder ausströmt, die kinematische Viskosität bestimmt wird.

Stand der Technik

In vielen Prozessen und unter verschiedensten Aspekten ist die Bestimmung der Viskosität von fluiden Stoffen, insbesondere von Flüssigkeiten relevant. Es sind verschiedene Methoden zur Messung der Viskosität eines Fluids bekannt.

Die Couette-Methode beruht allgemein darauf, die mechanische Widerstandskraft bei der Relativbewegung zweier Platten zueinander unter der Wirkung der Bewegung einer zwischen den beiden Platten enthaltenen dünnen Fluidschicht zu messen. Die dynamische Viskosität des Fluids ist direkt proportional zu der gemessenen Widerstandskraft. Üblicherweise erfolgt dabei die Messung der Viskosität durch die Messung des Drehmoments mit Hilfe zweier Zylinder. Dieses Verfahren erlaubt auch eine kontinuierliche Messung.

Andere Methoden beruhen auf dem Hagen-Poiseuilleschen Gesetz, das angibt, dass in einem Kapillarrohr im Laminarströmungsbetrieb der Druckverlust innerhalb des Kapillarrohres und das durchfließende Volumen eines Fluids proportional sind, wobei der Proportionalitätskoeffizient von der Viskosität des Fluids abhängt. Es gibt zahlreiche Vorrichtungen, die nach diesem Prinzip arbeiten. Die einfachste unter ihnen besteht aus einem vertikalen Kapillarrohr, das eine zentrale Ausbauchung aufweist. Die Viskosität des Fluids wird über die Zeit gemessen, die das Fluid benötigt, um unter der Wirkung seines Eigengewichts zwischen zwei auf beiden Seiten der genannten Ausbauchung angebrachten Markierungen zu fließen. Beispiele für Viskosimeter, die auf das Hagen-Poiseuillesche Gesetz beruhen sind die häufig benutzten Kapillarviskosimeter, wie das Ubbelohde-Viskosimeter, das Freifluss-Viskosimeter, das Ossag-Viskosimeter oder das Cannon-Fenske- Viskosimeter.

Andere Viskosimeter, wie das Fallkörper-Viskosimeter, eignen sich lediglich zur Bestimmung der Viskosität von newtonschen Flüssigkeiten. Bei dieser Art von Viskosimeter wird ein Fallkörper durch die zu messende Flüssigkeit bewegt. Die Bestimmung der Viskosität mit Hilfe dieser Viskosimeter beruht dabei auf der Anwendung des Stokeschen Gesetzes. Beispiele hierfür sind das Kugelfall- Viskosimeter, das Cochius-Viskosimeter usw.

Schließlich werden zurzeit Rotationsviskosimeter eingesetzt, insbesondere zur Ermittlung der Viskosität von hochviskosen Flüssigkeiten. Diese Viskosimeter beruhen auf die oben genannte Couette-Methode oder die Couette-Strömung. Dabei wir der laminare Scherstrom zwischen einem rotierenden und einem koaxial feststehenden Zylinder gemessen. Es gibt auch so genannte Platten-Kegel- Viskosimeter, die auf dem gleichen Prinzip beruhen.

Die bekannten Verfahren beruhen also bis auf einige Ausnahmen darauf, dass die Auslaufzeit, die Fallzeit oder das Drehmoment gemessen wird.

Alle oben genannten Verfahren und alle bekannten Viskosimeter weisen aber auch Probleme auf. So ist häufig die Messung der Viskosität mit einer Verunreinigung des Messgeräts durch die zu messende Probe und dem Verlust der Probe verbunden. Ein weiterer Nachteil vieler Geräte ist es, dass sie nicht in der Lage sind kleinste Probenmengen zu messen. Übliche Viskosimeter erfordern ein Probenvolumen von mindestens 1ml oder mehr.

Die DE 197 35 931 beschreibt die Verwendung einer Kolbenhubpipette zur Volumendosierung und zur Viskositätsmessung von kleinen Probenmengen. Aber auch das hier beschriebene Verfahren beruht auf der Messung der Zeit, in der ein definiertes Flüssigkeitsvolumen in die Pipette einströmt. Diese Zeitspanne wird dann zur Berechnung der Viskosität dieser Flüssigkeit benutzt. Dabei sind Beginn und Ende der Zeitmessung durch Bestimmung des Start- und Endpunktes als bestimmte Füllstände der Pipette bestimmt. Je viskoser eine Flüssigkeit ist, umso länger kann dabei die Messung dauern. Daher ist dieses Verfahren insbesondere für hoch viskose Verbindungen nicht geeignet.

In der EP 608 425 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Viskosität beschrieben. Dabei wird bei einem vorbestimmten Ausgangs- und einem vorbestimmten Endpunkt, die einer vorbestimmten Druckdifferenz entsprechen, die benötigte Zeit für den Ausgleich dieser Druckdifferenz gemessen, um aus dieser Zeitdifferenz bei vorgegebener Druckdifferenz die Viskosität zu bestimmen. Es handelt sich hierbei also um ein 2 Punkt-Messverfahren, das mit großen Nachteilen behaftet ist. Ein solches Verfahren ist nur in einem sehr begrenzten Viskositätsbereich einsetzbar, z.B. reichen die in der EP 608 425 beschriebenen Anwendungen (Blutplasmen) gemachten Annäherungen möglicherweise aus, da hier nur pathologische Viskositäten auftreten, die sich ca. um den Faktor 2 von der normalen Plasmaviskosität unterscheiden. Bei Flüssigkeiten höherer Viskosität dauert die Messung allerdings zu lange. Weiterhin berücksichtigt dieses 2-Punkt Verfahren nicht die Möglichkeit einer Falschmessung der Viskosität bei inhomogenen Mischungen oder bei z.B. Ausflockungen in der Probe.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein einfaches Verfahren bereitzustellen, dass es erlaubt kleinste Flüssigkeitsmengen in μl Bereich zur Bestimmung der Viskosität zu nutzen. Dieses Verfahren soll zudem eine schnelle und einfache Bestimmung der Viskosität in einem breiten Viskositätsbereich erlauben.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Viskosimeters mit Rechnereinheit zur Bestimmung der Viskosität mit der erfindungsgemäßen Verfahren, das auf einfache Weise die Bestimmung der Viskosität insbesondere von kleinen Probenmengen erlaubt. Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Viskosität von Fluids, insbesondere von Flüssigkeiten. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das zu messende Fluid mit Hilfe von Unter- oder Überdruck durch eine Öffnung mit definierter Querschnittsfläche in und/oder aus einer Messkammer strömt und in der druckbeaufschiagten Messkammer die Änderung des Drucks durch Ein- oder Ausströmen des zu messenden Fluids über die Zeit bestimmt wird wobei die Steigung der Funktion der Druckdifferenz über die Zeit durch Bestimmung von mindestens zwei Druckdifferenzen zu einem Bezugsdruck zu verschiedenen Zeitpunkten ermittelt wird.

Das heißt, die Viskosität des zu messenden Fluids wird mit Hilfe der Steigung der Exponentialfunktion der Druckdifferenz/Zeit Kurve bestimmt. Dabei kann mit Hilfe einer Eichkurve eine Kalibrierung des Geräts erfolgen, diese Kalibrierung kann periodisch wiederholt werden. Die Kalibrierung kann dabei die Erstellung von Eichkurven bei unterschiedlichen Temperaturen beinhalten. Eine Kalibrierung erfolgt mit Fluids, insbesondere mit Flüssigkeiten, bekannter Viskosität. Mit Hilfe dieser bestimmten Werte wird dann eine Kalibrierkurve erstellt.

Es wurde durch den Erfinder festgestellt, dass durch kontinuierliche Druckmessung während des Ein- oder des Ausströmens des Fluids und der Ermittlung der Exponentialfunktion des Drucks über die Zeit einfach die Viskosität von Fluids bestimmt werden kann. D.h. bei der Darstellung der Zeit/Druck-Kurve ist deren Steigung geeignet, die Viskosität der untersuchten Probe zu bestimmen. Diese erhaltene relative Viskosität kann dann durch Kalibrierung des Systems in die kinematische Viskosität der Probe umgewandelt werden.

Die Erfinder haben gefunden, dass die Abnahme des Drucks zwischen der Druckbeaufschlagung und dem aktuell gemessenen Druck einer Exponentialfunktion über die Zeit entspricht. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird also keine Zeitmessung durchgeführt bis eine vorbestimmte Druckdifferenz ausgeglichen wurde, sondern es erfolgt eine Messung des aktuellen Drucks in der Messkammer. Die Druckdifferenz wird mehrfach, z.B. in konstanten Zeitabständen wie in wenigen ms, bestimmt. Aus den gemessenen Druckdifferenzen wird der Bereich bestimmt, in dem die erhaltenen Daten mit einer idealen Exponentialfunktion korrelieren. Die erhaltene Steigung dieser Exponentialfunktion ist dann ein Maß. für die Viskosität der untersuchten Probe.

Durch Bestimmung der Druckdifferenz werden zeitaufwendige Messungen, die gerade bei hochviskosen Flüssigkeiten vorkommen, vermieden. Weiterhin erlaubt die Messung einer Vielzahl von Druckdifferenzen innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums eine sehr genaue Bestimmung der Viskosität, wie es im nachfolgenden Beispiel näher erläutert wird.

Überraschend wurde also gefunden, dass ein Bestimmen der Änderung des Drucks über die Zeit bei einem Ein- oder Ausströmen eines zu messenden Fluids in eine Messkammer nach Druckbeaufschlagung der Messkammer es erlaubt, die Viskosität einer Probe einfach und schnell zu bestimmen. Dieses ist insbesondere auch für kleinvolumige Proben, die nur wenige μl umfassen sind, möglich.

Dabei können die Druckbeaufschlagung der Messkammer sowohl ein Unter- als auch ein Überdruck sein. Wichtig ist, das eine Druckdifferenz zwischen der Messkammer und dem Umgebungsdruck der zu messenden Probe geschaffen wird, so dass die Probe entweder weiter in die Messkammer einströmt (bei Unterdruck in der Messkammer) oder bereits eine (teilweise) in der Messkammer vorhandene Probe nach außen strömt (Überdruck in der Messkammer).

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Vielzahl von Messwerten, wie mindestens zwei, wie mindestens drei oder mehr Messwerte für die Viskosität bestimmt, aus denen dann der Mittelwert gebildet wird. D.h., bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren mit der zu messenden Proben mindestens einmal, zweimal oder mehrmals wiederholt und aus diesen Werten wird der Mittelwert gebildet, der dann zur Bestimmung der Viskosität herangezogen wird. Bei der Mehrfachbestimmung der Viskosität kann eine wiederholte Druckbeaufschlagung durch alternierendes Anlegen von Über- und Unterdrück durchgeführt werden. Es zeigte sich nämlich, das die Druckdifferenz in Abhängigkeit von der Zeit in der Messkammer bei Unter- und bei Überdruck identisch sind (siehe Abbildung 1).

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht nur um newtonsche Flüssigkeiten zu messen sondern auch nicht-newtonsche Flüssigkeiten können gemessen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Messung der

Viskosität von Proteinlösungen oder anderen komplexen Fluids, wie Flüssigkeiten menschlichen oder tierischen Ursprungs, z.B. Vollblut, Blutplasma, Serum,

Synov/alflüssigkeit, Drüsensekret, wie Speichel, Tränenflüssigkeit, Magensaft, Milch oder Spermaflüssigkeit, Lymphe oder Liquor, Zuckerlösungen, Proteinlösungen, sowie Produkte oder Extrakte pflanzlichen oder tierischen Ursprungs.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Möglichkeit, über einen weiten Bereich durch viele Messungen die Homogenität der Viskosität zu überwachen. Die z.B. in der EP 608 425 beschriebene 2-Punkt Messung kann nicht feststellen, wenn z.B. durch Ausflockungen in einer Plasmaprobe der Flüssigkeitsstrom teilweise gehemmt wird, welches zu einer falsch erhöhten Viskosität führt. Die erfm^' άungsgemäfle Messmethode zeigt solche Störungen ausgedrückt als Verschlechterung des Korrelationskoeffizienten an (dargestellt in Fig. 10).

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können in einer weiteren Ausführungsform aber auch Öle und andere hochviskose Flüssigkeiten gemessen werden.

Allerdings muss bei der Bestimmung von leicht flüchtigen Verbindungen darauf geachtet werden, dass zum Beispiel durch Anlegen eines Unterdrucks keine Verflüchtigung der Probe eintritt, da dieses auch auf den Druck in der Messkammer Einflυss hat. Bei flüchtigen Verbindungen sollte daher für eine entsprechende Kühlung unter dem Siedepunkt gesorgt werden, da jegliche Verdampfung den Druck und somit die Druckmessung beeinflusst.

Im Folgenden wird eine theoretische Beschreibung der Vorgänge im erfindungsgemäßen Viskosimeter bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben, siehe Abbildung 2, dabei wird bei der Druckbeaufschlagung ein Unterdruck an die Messkammer angelegt.

Der initial erzeugte Unterdruck wird durch die einströmende Flüssigkeit abgebaut. Zur Auswertung werden die Zeit und die Druckdifferenz benutzt. Die Zeit/Druck Abhängigkeit ist im mittleren Bereich eine Exponentialfunktion.

Im Anfangsbereich der Kurve strömt bereits Flüssigkeit ein, währende der Unterdruck noch nicht vollständig aufgebaut ist. Der Wert des größten Unterdrucks wird als Minimum bestimmt. Wenn nur noch Flüssigkeit einströmt, nimmt der Unterdruck im exponentiellen Maß ab bis der Druckausgleich erreicht ist. Dabei erhält man einen exponentiellen Bereich, der zur Auswertung geeignet ist. Im letzen Teil flacht die Kurve ab, d.h., die Druckdifferenzen sind zu gering für eine Auswertung. Zur Auswertung wird der Druck der am Ende der Messung gemessen wird, wie der Druckausgleich bei dem sich keine Änderung des Drucks über den festgelegten zeitlichen Abstand der Messpunkte ergibt, als Maximalwert bestimmt. Theoretisch stellt die Druckdifferenz zwischen dem Maximum und dem Minimum den Messbereich dar, allerdings eignen sich aus oben genannten Gründen der Anfangsund der Endbereich der Messung zur Bestimmung der Viskosität nicht. Vorteilhafterweise wird daher die untere Grenze für die Messung der Druckdifferenz bei 10% der Druckdifferenz über dem Minimumwert gesetzt, natürlich kann auch eine andere Grenze gewählt werden, solange die Kurve exponential verläuft. Die obere Grenze sollte bevorzugt bei 30% Druckdifferenz liegen, da danach die Kurve zu flach verläuft. D. h. die Bestimmung der Viskosität sollte in einem mittleren Bereich erfolgen, dessen Verlauf von der Viskosität der strömenden Flüssigkeit abhängt und eine Vielzahl von Messungen erfasst. Bei dem Verfahren wird dabei für jeden Messpunkt die Druckdifferenz zum Maximum berechnet. Weiterhin wird für jeden Messpunkt die Zeitdifferenz zum Minimum berechnet. Die Druckdifferenzen werden dann logarithmiert. Der natürliche Logarithmus der Druckdifferenz ergibt eine lineare Transformation. Die Steigung der transformierten Kurve, d.h. die Regressionsgerade, ist ein Maß für die relative Viskosität, siehe hierzu auch die Abbildungen 6 bis 8. Zur Optimierung des Verfahrens wird die Messung mehrfach wiederholt und der Mittelwert aus den erhaltenen Messwerten gebildet. Mit Hilfe einer Kalibrierungskurve kann dann die kinematische Viskosität der zu messenden Probe bestimmt werden.

Bevorzugt wird vor der Durchführung der Messung der Bereich, der bei der Messung mit dem Fluid in Berührung kommt, vorab mit dem Fluid benetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in verschiedensten Bereichen eingesetzt werden. So kann die periodische Messung der Viskosität von Öl, z.B. von Motoröl in

KFZ dazu genutzt werden, um zu bestimmen, wann ein vorher definierter

Toleranzbereich über- oder unterschritten wird. Wenn dieser Toleranzbereich der

Viskosität dieses Motoröls unter- oder überschritten wird, wird ein nötiger Wechsel oder eine notwendige Modifikation des Öls zum Beispiel mit Hilfe entsprechender Anzeigmittel angezeigt. Alternativ kann die Bestimmung der Viskosität des Öls eines

Geräts die Steuerung des Geräts bewirken. Diese Geräte können dabei Pumpen,

Motoren, Getriebe, Lager, Bremsvorrichtungen, Kraft- oder

Energieübertragungsvorrichtungen, Kühlungen, Heizungen, Brenner, Kompressoren oder Teile davon sein.

Eine Modifikation kann dabei der Zusatz von bekannten Additiven sein, die die Viskosität der Flüssigkeit beeinflussen können. Andererseits ist es aber auch denkbar, dass aufgrund der Viskositätsmessung der Gerätebetrieb gesteuert wird.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Viskosimeter und das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden, um die Viskosität eines Fluids, wie einer Flüssigkeit einzustellen. Dies kann insbesondere bei der Produktion des Fluids vorteilhaft sein. So ist bei Lacken, Farben, Klebstoffen und anderen flüssigen Produkten eine bestimmte Viskosität gewünscht. Zur Einstellung der Viskosität kann das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Viskosimeter verwendet werden, die eine einfache und schnelle Messung der Viskosität erlauben. Die vorliegende Erfindung richtet sich weiterhin auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Viskosität gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, d.h. auf ein gattungsgemäßes Viskosimeter, dass die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch löst, dass mit Hilfe einer Druckmesseinrichtung die Änderung der Druckdifferenz über die Zeit in einer mit Druck beaufschlagten Messkammer, in die das zu messende Fluid durch eine Öffnung mit definierter Querschnittsfläche ein- oder ausströmt, gemessen wird und diese Messwerte in der Rechnereinheit mit Hilfe von Rechen-Modulen, wie Modulen zur Durchführung einer linearen Regression, bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Bestimmung der Viskosität des Fluids erlaubt.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit weiterhin Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das heißt, das Viskosimeter zur Bestimmung der Viskosität von Fluids, insbesondere von Flüssigkeiten, umfasst eine Messkammer, die mindestens zwei Öffnungen aufweist, wobei eine der Öffnungen an ihrer engsten Stelle eine definierte

Querschnittsfläche besitzt. Weiterhin umfasst das Viskosimeter eine Vorrichtung zur

Druckbeaufschlagung, die über die zweite Öffnung mit der Messkammer verbunden ist. Ebenfalls mit der Messkammer ist schließlich eine Druckmesseinrichtung verbunden, die so angeordnet ist, dass sie zeitlich aufgelöst Druckänderungen in der

Messkammer bestimmen kann.

Die Änderung des Drucks in der Messkammer wird dabei mit einer Druckmessvorrichtung gemessen. In einer Ausführungsform ist die Druckmessvorrichtung in die Messkammer integriert. D.h. die Druckmessvorrichtung ist z.B. direkt in die Umhüllung, die die Messkammer ausbildet, integriert. In einer anderen Ausführungsform ist die Druckmesseinrichtung lösbar über eine dritte Öffnung mit der Messkammer verbunden. Dadurch können zum Beispiel verschieden empfindliche Druckmesseinrichtungen verwendet werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Proben mit stark unterschiedlichen Flüssigkeiten gemessen werden sollen. Die Druckmesseinrichtung, z.B. ein Druckmesssensor, ist weiterhin mit einen Signalwandler und einer sich anschließenden Recheneinheit verbunden. Diese Recheneinheit mit seinen Rechen-Modulen berechnet die Exponentialfunktion und ^•gibt die berechnete Steigung und die berechnete Viskosität über ein Anzeigemodul aus. Der Signaiwandler und die Recheneinheit können extern sein, können aber auch integraler Bestandteil des Viskosimeters sein. In einer Ausführungsform sind dabei der Signalwandler und die Recheneinheit so an die Messkammer angeordnet, dass sie eine Einheit ausbilden. Das Rechen-Modul kann auch als Auswerteeinheit mit Mitteln zur Bestimmung der Steigung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren angesehen werden.

Das erfindungsgemäße Viskosimeter kann weiterhin eine weitere Druckmesseinrichtung außerhalb der Messkammer aufweisen. Diese Druckmesseinrichtung misst den Druck, der außerhalb der Messkammer auf die zu messende Probe wirkt. Die Druckmesseinrichtung kann eine übliche Druckmesseinrichtung, wie ein Drucksensor sein. Bevorzugt hat der Drucksensor einen Messbereich von wenigen mbar, die Empfindlichkeit kann in Abhängigkeit der Viskosität und des beaufschlagten Drucks abhängen.

Die Temperatur der Probe bei der Messung der Viskosität hat einen Einfluss auf die Bestimmung der Viskosität. Üblicherweise nimmt die Viskosität eines Fluids mit Zunahme der Temperatur ab. Daher weist in einer Ausführungsform der Erfindung das Viskosimeter weiterhin eine Temperiereinheit auf, die die Probe und/oder die Messkammer auf eine konstante Temperatur hält, wobei die Temperiereinheit mit der Recheneinheit verbunden sein kann.

Alternativ oder zusätzlich kann das erfindungsgemäße Viskosimeter mit einer Temperaturmesseinrichtung ausgestattet sein, die die Temperatur der Probe und/oder der Messkammer registriert, diese Temperaturmesseinrichtung kann mit der Recheneinheit verbunden sein. Dadurch kann eine entsprechend vorher durchgeführte Kalibrierung der Vorrichtung genutzt werden, um die erhaltene relative Viskosität des Fluids in die kinematische Viskosität umzurechnen. Informationen über die Temperatur der Probe und/oder der Messkammer können aber auch über externe Temperaturmesseinrichtungen an die Recheneinheit geliefert werden, wo dann diese Informationen zusammen mit den Messwerten der Druckdifferenz verarbeitet werden, um die kinematische Viskosität des Fluids zu erhalten. Bei einigen Anwendungsbereichen des erfindungsgemäßen Viskosimeters, z.B. bei der Überwachung der Viskosität von Ölen im laufendem Betrieb, um zu bestimmen, wann ein Austausch oder eine Modifikation des Öls aufgrund einer nicht mehr tolerierbaren Änderung der Viskosität notwendig ist. So kann das Viskosimeter in den Motor integriert sein oder es kann eine externe Überprüfung der Viskosität des Öls z.B. in Werkstätten durchgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Viskosimeter weist in einer anderen Ausführungsform weiterhin eine Vorrichtung, die eine Druckbeaufschlagung, wie einen Über- und/oder Unterdruck, in der Messkammer erzeugen kann, auf. Die Vorrichtung kann verschiedenartigster Ausbildung sein. So kann die Druckbeaufschlagung pneumatisch, hydraulisch oder mechanisch erfolgen. Vorstellbar sind dabei einfache Kolbenausführungen, wie auch elektrische oder elektromagnetisch gesteuerte Vorrichtungen, wie Membranpumpen, Vakuumpumpen usw. Die Druckbeaufschlagung kann dabei manuell oder automatisch erfolgen. Bei der automatischen Druckbeaufschlagung kann diese durch eine Recheneinheit geregelte Steuereinheit erfolgen.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Viskosimeter eine Messkammer auf, die aus zwei Bereichen besteht, wobei ein Bereich, der die Öffnung mit definierter Querschnittsfläche umfasst, lösbar mit dem zweiten Bereich, der die zweite Öffnung, verbunden mit der Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung, und die Druckmesseinrichtung aufweist, verbunden ist. Diese Ausführungsform ist insbesondere bei der Messung von Viskositäten bevorzugt, bei der keine anschließende Reinigung der gesamten Messkammer gewünscht ist. In einer besonders bevorzugten Form ist dabei der lösbare Bereich der Messkammer ein Einmalartikel, z.B. ein Einmalartikel aus Plastik, wie eine Pipettenspitze. Wichtig ist dabei, dass die Öffnung eine definierte Querschnittsfläche aufweist, da dies eine einfache Bestimmung der Viskosität mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt. Da die Querschnittsfläche der Ein- oder Ausströmfläche für die Berechnung der Viskosität mit Hilfe der Druckdifferenz wichtig ist, weisen in einer bevorzugten Ausführungsform die lösbaren Bereiche der Messkammer eine Vorrichtung zur Erkennung der definierten Querschnittsfläche, wie eine Codierung, auf, mit deren Hilfe der die Querschnittsfläche des lösbaren Bereichs erkannt wird.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, dass die Öffnung mit definierter Querschnittsfläche durch einen verstellbaren Konus ausgebildet wird. Dieser verstellbare Konus erlaubt es die Querschnittsfläche mit einer definierten Größe in eine andere Querschnittsfläche mit definierter Größe während der Messreihe zu ändern, um so auf unterschiedliche Viskositäten der zu messenden Proben zu reagieren. D.h. es können auch Proben in einer Messreihe gemessen werden, die sehr unterschiedliche Viskositäten aufzeigen. Dabei ist es dann z.B. nicht erforderlich den lösbaren Bereich der Messkammer auszutauschen. Diese Ausführungsform ist daher insbesondere bei fest eingebauten Systemen vorteilhaft.

Die Messkammer kann weiterhin eine zusätzliche Öffnung aufweisen, aus der die eingeströmte zu messende Probe wieder ausströmen kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn sterile Proben vermessen werden sollen. Hierbei darf die in die Messkammer gelangte Menge der Probe nicht wieder zurück in die Probe verbracht werden. Vielmehr wird diese Probenmenge durch eine weitere Öffnung aus der Messkammer entfernt. Die Steuerung hierfür kann z.B. mit Hilfe einer Recheneinheit erfolgen.

Schließlich ist es insbesondere bei fest installierten oder eingebauten Viskosimetern vorteilhaft, dass Mittel zur Reinigung der Messkammer bereitgestellt werden. Diese Reinigung kann z.B. mit Druckluft oder mit einer Flüssigkeit erfolgen, die durch eine der vorhandenen Öffnungen oder durch eine weitere Öffnung in die Messkammer eingebracht wird. Das Auslassen oder Ausblasen der Flüssigkeit kann durch eine vorhandene oder durch eine weitere Öffnung der Messkammer erfolgen.

Eine einfache Ausführungsform des erfindungsgemäßen Viskosimeters wird unten in den Beispielen anhand einer Kolbenhubpipette näher erläutert. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen Darstellung, Abbildung 3, beispielhaft näher erläutert.

Das erfindungsgemäße Viskosimeter zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine Messkammer (1) mit mindestens 2 Öffnungen (2 und 3) auf. Eine der Öffnungen (2) hat an ihrer engsten Stelle (4) eine definierte Querschnittsfläche. Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung (5) über eine der Öffnungen (3) mit der Messkammer verbunden. Schließlich weist das erfindungsgemäße Viskosimeter eine Druckmesseinrichtung (6) auf, mit der Druckänderungen in der Messkammer (1 ) gemessen werden können. Die Druckkammer kann in bevorzugten Ausführungsformen aus zwei oder mehr Bereichen bestehen (1a, 1b). Ein Bereich (1b) ist dabei lösbar mit dem zweiten Bereich verbunden (1a). Der lösbare Bereich hat dabei an seiner engsten Stelle eine definierte Querschnittsfläche (4) durch die die zu messende Flüssigkeit ein- oder ausströmen kann. Der durch die Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung (5) erzeugte Druck in der Messkammer (1) kann ein Über- oder Unterdruck sein. Mit Hilfe der Druckmesseinrichtung (6) kann dann über einen A/D-Wandler (7) und eine Recheneinheit (8) die Viskosität der Probe durch das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt werden. Die Steuerung der Druckbeaufschlagung (5) und einer optionalen Temperiereinheit (10) kann ebenfalls über die Recheneinheit (8) erfolgen. In der dargestellten Ausführungsform hat der lösbare Bereich (1 b) der Messkammer (1) die Form einer Pipettenspitze. Eine weitere Ausführungsform des lösbaren Bereichs (1b) ist in Form einer Kapillare (9) dargestellt. In der Darstellung wird weiterhin eine Vorrichtung zur Temperierung (10) dargestellt, die in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist.

Kurze Beschreibung der Abbildungen:

Abbildung 1 : Abbildung 1 zeigt die Druckdifferenz in der Messkammer in Abhängigkeit von der Zeit. Es wird dabei einmal die Druckdifferenz bei

Anlegen eines Überdrucks und einmal bei Anlegen eines Unterdrucks dargestellt. Wie man erkennen kann, sind die Kurven sehr ähnlich. Abbildung 2: Abbildung 2 stellt die an der Druckmessvorrichtung über die Zeit gemessenen Spannungen dar. Dabei werden die Änderung des absoluten Drucks, sowie die Druckdifferenz zum Druckausgleich dargestellt. Damit ist die Druckdifferenz zwischen den zum Zeitpunkt x gemessenen Druck und dem Druck vor Druckbeaufschlagung gemeint.

Weiterhin ist der relevante Bereich dargestellt. Dieser kennzeichnet den Bereich, in dem die Exponentialfunktion so ideal ist, dass sie für die Bestimmung der Steigung als Maß der Viskosität geeignet ist.

Abbildung 3: Abbildung 3 ist eine schematische Zeichnung eines erfindungsgemäßen Viskosimeters.

Abbildung 4: Abbildung 4 zeigt eine Eichkurve, erstellt mit Hilfe einer

Verdünnungsreihe einer Mucinlösung. Weiterhin wird dargestellt, wie unter Verwendung der Eichkurve der Mucingehalt in einer unbekannten

Lösung mit Hilfe der Bestimmung der relativen Viskosität erhalten werden kann.

Abbildung 5: Abbildung 5 stellt eine mit Flüssigkeiten bekannter Viskosität erhaltene Kalibrierkurve dar. Mit Hilfe dieser Kalibrierkurve kann dann die kinematische Viskosität (X-Achse) einer unbekannten Probe bestimmt werden. Die Y-Achse gibt die Steigung der Exponentialfunktion an.

Abbildung 6: Abbildung 6 stellt den Druck/Zeit Verlauf von Messungen von Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskositäten dar. In der Abbildung sind das Minimum, das Maximum und die maximale Druckdifferenz für die beiden Messungen dargestellt.

Abbildung 7: Die Abbildung 7 zeigt die optimalen Messbereiche für die in Abbildung 5 dargestellten Druck/Zeit-Verläufe. Abbildung 8: Abbildung 8 ist eine grafische Darstellung der logarithmierten Druckdifferenzen über die Zeit und die durch die Messpunkte gelegte Regressionsgerade.

Abbildung 9: Abbildung 9 zeigt ein Beispiel für eine inhomogene Probe, hier eine Speichelprobe. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Viskosität von inhomogen Proben bestimmt werden.

Anwendungsbeispiele:

Erstellung einer Kalibrierungskurve

Eine Kalibrierungskurve des Viskosimeters wurde mit Hilfe bekannter Verdünnungen einer Mucinlösung durchgeführt. Mit Hilfe dieser Kalibrierungskurve kann dann die Konzentration einer unbekannten Lösung bestimmt werden, siehe Abbildung 4.

Das gleiche Verfahren wurde zur Bestimmung der Konzentration einer unbekannten Zuckerlösung durchgeführt. Dabei wird mit Hilfe bekannter Verdünnungen eine Kalibrierungskurve erstellt, mit deren Hilfe dann die Zuckerkonzentration in der unbekannten Lösung bestimmt werden kann.

Erstellung einer Kalibrierungskurve mit Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskositäten

Verschiedene Flüssigkeiten mit bekannten Viskositäten wurden von der Physikalisch Technischen Bundesanstalt Braunschweig erhalten. Diese Proben wurden mit dem erfindungsgemäßen Viskosimeter gemessen und eine Kalibrierungskurve wurde erstellt (Abbildung 5). Wie aus der Abbildung deutlich zu erkennen ist liegen die einzelnen Messwerte fast alle auf der Regressionsgeraden. Dies verdeutlicht, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Viskosimeters einfach und genau die Viskosität von Fluids durch Messung der Änderung des Drucks in einer mit Druck beaufschlagten Messkammer bei Ein- oder Ausströmen der zu messenden Flüssigkeit bestimmt werden kann. Mit Hilfe dieser Kalibrierungskurve wurde eine Flüssigkeit mit vorbekannter Viskosität mit dem erfindungsgemäßen Viskosimeter gemessen und die kinematische Viskosität bestimmt. Es zeigte sich, dass sich mit Hilfe der Kalibrierungskurve die Viskosität dieser Probe einfach und sehr genau bestimmen lässt.

Im Folgenden werden die einzelnen Schritte einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, die zum Beispiel mit Hilfe von Rechen-Modulen, wie Unterprogrammen, auf einer Recheneinheit durchgeführt werden können: Dabei werden die Daten des Sensors z.B. alle 2 ms registriert und in der Recheneinheit gespeichert. Die Zeit wird in z.B. s ausgegeben, der Messwert z.B. in V.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Triggern der Datenaufnahme, nämlich:

- nach Unterschreiten der Grenze (z.B. 1V) Beginn der Datenaufzeichnung;

- nach Erreichen des Maximums (z.B. <50mV Änderung in 500 ms) oder Ende der Vorgabezeit Ende der Aufzeichnung;

Die Messdaten werden wie folgt verwertet:

Da in der ersten Phase der Druck beaufschlagt wird, z.B. wird das Vakuum erzeugt, ist dieser Bereich nicht verwertbar. Zu diesem Zeitpunkt strömt bereits Flüssigkeit ein. Solange der Vakuumaufbau überwiegt, fallen die Werte ab, sobald die

Einströmung überwiegt, steigen die Werte an. Der Wert der größten Druckdifferenz hängt von der Viskosität der Flüssigkeit ab (siehe Fig. 6).

Der Wert des Minimums (z.B. >=0V) wird ermittelt. Der Unterdruck nimmt ausgehend vom Minimum im exponentiellen Maß ab bis der

Druckausgleich oder der Endpunkt der Messung erreicht ist.

- Der Wert des Maximums (z.B. <=2,25V) wird ermittelt.

- Die Druckdifferenz zwischen Maximum und Minimum ist der Messbereich.

- Die untere Grenze für die Wertepaare liegt z.B. bei 10 % der Druckdifferenz über dem Minimum.

- Die obere Grenze für die Wertepaare liegt z.B. bei 30 % der Druckdifferenz unter dem Maximum. Diese Grenzwerte werden bestimmt.

- Für jeden Messpunkt wird die Druckdifferenz zum Maximum berechnet. - Für jeden Messpunkt wird die Zeitdifferenz zum Minimum berechnet.

- Die Druckdifferenzen werden logarithmiert.

- Die lineare Regression zwischen den Zeitdifferenzen und dem natürlichen Logarithmus der Druckdifferenzen wird berechnet. - Die Steigung ist das Maß für die Viskosität, die über die gespeicherte Kalibrierungskurve berechnet wird.

- Der Korrelationskoeffizient, die Anzahl der Messpunkte, der Messbereich und die Viskosität werden als Parameter ausgegeben.

- Wiederholungen der Messung und Ermittlung des Mittelwertes und VK %. - Die transformierten Daten werden gegebenenfalls über eine Ausgabeeinheit zur Kontrolle grafisch dargestellt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Viskosität von Fluids, insbesondere von Flüssigkeiten, wobei das zu messende Fluid mit Hilfe von Unter- oder Überdruck durch eine Öffnung mit definierter Querschnittsfläche (4) in und/oder aus einer Messkammer (1) strömt und in der druckbeaufschlagten Messkammer (1) die Änderung des Drucks durch Ein- oder Ausströmen des zu messenden Fluids über die Zeit bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Funktion der Druckdifferenz über die Zeit durch Bestimmung von mindestens zwei Druckdifferenzen des Drucks zum

Zeitpunkt der Messung zu einem Bezugsdruck zu verschiedenen Zeitpunkten ermittelt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend den Schritt des Bestimmens der kinematischen Viskosität aus der Druckdifferenz über die

Zeit.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Vielzahl von Messpunkten die Druckdifferenz zu einem Bezugsdruck und die Zeitdifferenz zwischen dem Messpunkt und einem Startpunkt bestimmt wird.

4. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der größten Differenz zum Ausgangsdruck als Minimum bestimmt wird und der erreichte Druckausgleich am Ende der Messung als Maximum bestimmt wird und die Differenz zwischen dem Minimum und dem

Maximum die maximale Druckdifferenz darstellt und der Bezugsdruck das Maximum oder das Minimum ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Druckdifferenz bei 10 % der Druckdifferenz über dem Minimum beginnt und

30 % unter der maximalen Druckdifferenz endet.

6. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Messpunkt die Zeitdifferenz zum Zeitpunkt des Minimums bestimmt wird.

7. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der ermittelten Druckdifferenz logarithmiert wird und eine Regressionsgerade zwischen den Messpunkten gelegt wird, wobei die Steigung der Regressionsgerade ein Maß für die Viskosität ist.

8. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibrierung mit Fluids, insbesondere mit Flüssigkeiten, mit bekannten Viskositäten vor Bestimmung der Viskosität einer zu messenden Flüssigkeit erfolgt.

9. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität in multiplen Messungen bestimmt wird und daraus der Mittelwert gebildet wird.

10. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine wiederholte Druckbeaufschlagung durch alternierendes Anlegen von Über- und Unterdruck durchgeführt wird.

11. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bestimmenden Flüssigkeiten ausgewählt sind aus der Gruppe der Körperflüssigkeiten, Öle, anorganischen und organischen Flüssigkeiten und

Lösungen, sowie der synthetischen Fluids.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit menschlichen, tierischen oder mineralischen Ursprungs Vollblut, Blutplasma, Serum, Synovialflüssigkeit, Drüsensekret, insbesondere Speichel,

Tränenflüssigkeit, Magensaft, Milch oder Spermaflüssigkeit, Lymphe, Liquor, Zuckerlösungen, Proteinlösungen, Produkte und Extrakte tierischen oder pflanzlichen Ursprungs ist.

13. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Bestimmung der Messpunkte der mit der zu messenden Flüssigkeit in Kontakt kommende Bereich mit der Flüssigkeit benetzt wird.

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14. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität von Öl periodisch bestimmt wird und bei Über- oder Unterschreiten eines Toleranzbereichs der Viskosität des Öls die Notwendigkeit des Austauschs oder der Modifikation des Öls angezeigt oder

0 der Austausch oder die Modifikation des Öls gesteuert wird.

15. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität des Öls periodisch bestimmt wird und mit Hilfe einer Steuerung die Viskosität durch Modifikation entsprechend der bestimmten

5 Viskosität verändert wird.

16. Viskosimeter zur Bestimmung der Viskosität von Fluids, insbesondere von Flüssigkeiten, umfassend eine Messkammer (1 ), die mindestens zwei Öffnungen (2,3) aufweist, wobei eine der Öffnungen an ihrer engsten Stelle

:0 eine definierte Querschnittsfläche besitzt (4), es eine Vorrichtung zur

Druckbeaufschlagung (5), die über die zweite Öffnung (3) mit der Messkammer (1 ) verbunden ist und eine Druckmesseinrichtung (6), die so angeordnet ist, dass sie zeitlich aufgelöst Druckänderungen in der Messkammer (1) bestimmen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die

:5 Druckmesseinrichtung (6) und/oder die Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung

(5) weiterhin mit einen Signalwandler (7) und eine sich anschließende Recheneinheit (8) zur Erfassung der zeitabhängigen Druckänderung verbunden ist wobei mit Hilfe der Recheneinheit (8) und darin enthaltenden Rechen-Modulen die Viskosität gemäß einem der Verfahren der Ansprüche 1

IO bis 15 bestimmt wird.

17. Viskosimeter gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesseinrichtung (6) in die Messkammer (1) integriert ist.

18. Viskosirneter gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesseinrichtung (6) lösbar über eine dritte Öffnung mit der Messkammer (1) verbunden ist.

19. Viskosimeter gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich außerhalb der Messkammer eine weitere Druckmesseinrichtung befindet, die den Druck misst, der außerhalb der Messkammer (1) auf das Fluid wirkt und diese mit der Recheneinheit verbunden ist.

20. Viskosimeter gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin eine Temperaturmesseinrichtung aufweist, die die Temperatur der Probe und/oder der Messkammer registriert, wobei die Temperaturmesseinrichtung mit der Recheneinheit verbunden ist.

21. Viskosimeter gemäß einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, das es weiterhin eine Temperiereinheit (10) aufweist, die die Probe und/oder die Messkammer (1) auf eine konstante Temperatur hält, wobei die Temperiereinheit (10) mit der Recheneinheit verbunden sein.

22. Viskosimeter gemäß einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung (5) einen Über- und/oder Unterdruck in der Messkammer (1) erzeugen kann.

23. Viskosimeter gemäß einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbeaufschlagung pneumatisch, hydraulisch oder mechanisch erfolgt, die Druckbeaufschlagung kann dabei manuell oder über eine Steuereinrichtung erfolgen.

24. Viskosimeter gemäß einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (1) aus zwei Bereichen (1a, 1b) besteht, wobei ein Bereich (1b), der die Öffnung mit definierter Querschnittsfläche umfasst, lösbar mit dem zweiten Bereich (1a), der die zweite Öffnung, verbunden mit der Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung (5), und die Druckmesseinrichtung (6) aufweist, verbunden ist.

25. Viskosimeter gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der lösbare Bereich (1b) eine Vorrichtung zur Erkennung der definierten Querschnittsfläche der Öffnung aufweist.

26. Viskosimeter gemäß einem der Ansprüche 16 bis 25, wobei die definierte Querschnittsfläche durch einen einstellbaren Konus gebildet wird.