M5 DiVA: Die Viskositätsmessung++

Das Wesentliche von Flüssigkeiten

Die IMETER Methode N°5 liefert elementare Informationen über den flüssigen Zustand. Die Methode arbeitet mit den physikalischen Basisgrößen und erzielt höchste Genauigkeit bei minimalem Ressourcenaufwand. Die bei der Methode M5 angewendete physikalische Theorien sind klassisch, konsistent, geschlossen und rückführbar. Die Messung bietet Kohärenz verschiedener genau gemessener Stoffdaten und eine hohe Ergebnissicherheit.

Die IMETER Methode N°5 "DiVA" ist eine intelligente Methode zur Viskositätsbestimmung, zur Messung rheologischer Eigenschaften nebst der Dichte. Die DiVA-Methode ist eine metrologische Absolutmethode zur Viskositäts- und Dichtemessung. Sie zeichnet sich durch außerordentliche Einfachheit in Aufbau, Handhabung und Wartung aus. Die Viskositätsmessung ist sekundenschnell und ermöglicht sogar präzise Momentaufnahmen. Durch automatische Mittelwertsmessungen erreichen Viskositäts- und Dichtemessungen außerordentlich hohe Qualitäten.

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    ♦ Anwendungsbeipiele
    ♦ Spezifikation
    ♦ Dienstleistungsangebot

DiVA liefert die Viskosität unmittelbar als physikalische Größe - so, wie diese für Simulationsrechnungen und universelle Vergleiche benötigt wird. Es stehen scherraten- und schubspannungsgesteuerte Verfahren zur Verfügung, die maximale Messdauer ist praktisch unbegrenzt. Damit kann DiVA auch für kontinuierliche Messungen eingesetzt werden. Wahlweise werden Zeit-, Hysterese- und Scherrateneffekte mit einer neuartigen Zufallssteuerung objektiviert. Mit DiVA Typ A sind präzise Prozessmessungen ohne Nullpunktsdrift über viele Tage hinweg möglich. DiVA erreicht Messunsicherheiten von 0.5% und Standardabweichungen von 0.03% in der Wiederholung.

Im Gegensatz zu anderen Geräten ist bei Messungen nach DiVA kein Vorwissen über die Probe wie etwa Dichte, Oberflächenspannung oder Viskositätsbereich erforderlich. Die Methode stellt keine Anforderungen, wie Durchsichtigkeit oder Homogenität der Probe. Das System DiVA ist nahezu wartungsfrei und verursacht keine laufenden Kosten. Es hat keine Luft- oder Kugellager, keine schwer zu reinigende Kapillare, kein Linearitätsproblem bei Drehmomenten. Demgegenüber hat DiVA ein robustes, metrologisch eindeutiges und einfaches Prinzip. Mit nur einem Messkörper kann ein Viskositätsbereich zwischen 0.01 bis über 10000 mPa·s - also von sehr dünn bis ziemlich zähflüssig - gemessen werden. Dieser Messbereich kann sogar in einem einzigen Messablauf eingschlossen sein.

DiVA Viskositätsmessung. Messkörper (Zylinder) in temperierter Glasröhre. Am Boden der Röhre Zutrittsöffnung für Probewechsel und Temperaturmessung im Medium.

Prinzip: Die DiVA-Methode beruht auf der axialen Relativbewegung eines zylindrischen Messkörpers, der sich konzentrisch in einem zylindrischen Probengefäß befindet. Dabei ist der Messkörper mit einer Wägezelle verbunden. Das Probengefäß ist auf einem in axialer Richtung beweglichen Paralleltisch fixiert (siehe Abbildungen rechts). Wird der Paralleltisch mit einer definierten Geschwindigkeit bewegt, so fließt die Probe durch den ringförmigen Spalt zwischen Messkörper und Röhre. Dadurch wird auf den Messkörper eine Kraft ausgeübt, die von der Viskosität der Probe herrührt. Über die Beweggeschwindigkeit ergibt sich aus der Geometrie der Körper eine entsprechende Zwangsströmung durch den Ringspalt. Kraft, Geschwindigkeit und geometrische Verhältnisse entsprechen dem Hagen-Poiseuille'schen Gesetz für Ringspalte und erlauben die exakte Berechnung der Viskosität für newtonsche Fluide. Durch Variation der Beweggeschwindigkeit werden die rheologischen Eigenschaften des Fluids erfahren, die sich durch die Art der Abhängigkeit von Viskosität und Schergeschwindigkeit ausdrücken. Neben der Scherung kann auch die Schubspannung für Messungen vorgegeben werden. Es wird die Deformationsgeschwindigkeit dann so geregelt, dass dabei eine konstante Schubspannung anliegt. Bei Stillstand der Plattform wirkt auf den Messkörper die hydrostatische Auftriebskraft, aus deren Wägung sich die Dichte der Probe ergibt. Durch Veränderung der relativen Positionierhöhe des Messkörpers im Gefäß kann auf eine vertikale Dichteänderung bzw. einen Dichtegradienten geschlossen werden. Für scherempfindliche Stoffe, wie z.B. Dispersionen und Emulsionen, kann das Auftreten von Dichtegradienten eine mögliche Veränderung der Probe anzeigen.

Viskositätsmessung - Translationsviskosimeter - Das Prinzip von IMETER - DiVA (M5)

Unterschiede und Ähnlichkeiten zu klassischen Methoden

Im Vergleich zu analog funktionierenden Rotations-Viskosimetern ist bei DiVA die minimal messbare Schubspannung sehr klein (bis 0.0001 Pa im Standard-System), womit sich der sinnvolle Messbereich um Größenordnungen erweitert. Das bei einer Messung transportierte Volumen der Probe ist bei DiVA genau definiert. Hingegen ist es bei Rotationsviskosimetern ungewiss, ob der Stofftransport bei einer Messung unzweifelhaft so wie bei der Kalibrierung stattfindet. Hiermit wird durch Wandgleiteffekte und axiale Strömungen das im Messspalt gescherte Volumen unsicher. Es ist dabei nicht erkennbar, welches Volumen axial den Spalt passiert oder die Umlaufbahn ändert (Kegel-Platte-Anordnung). Die unbekannte Verweilzeit im Spalt konditioniert die Probensubstanz entsprechend uneinheitlich. DiVA zeichnet sich dadurch aus, dass bei der Bestimmung von scherzeitabhängigen Stoffkennzahlen (Rheopexie/Thixotropie) die Verhältnisse des Schereinflusses eindeutig definiert sind. Die bei DiVA weitgehende Eliminierung dieser Nebeneffekte ermöglicht eine sinnvolle Festlegung von Konventionen über Konditionierung und Messablauf. Daher ist DiVA die vorteilhafte Methode der Wahl in metrologischer, technischer und praktischer Hinsicht.

Ein weiterer Vorteil der DiVA-Methode besteht in dem sehr kurzen Zeitintervall einer Einzelmessung, welches Momentaufnahmen ermöglicht. Die Scherrate liegt exakt und fast sofort an. Das Fluid wird aus unbewegtem Ausgangszustand nur über eine kurze Transportzeit im Bereich des Ringspalts geschert. Im Vergleich zum klassischen (Glas-) Kapillarviskosimeter treten Effekte durch Oberflächenneubildung, hängende Niveaus, Nachlaufprobleme oder Unsicherheiten der Detektion nicht auf. Der Messbereich ist erheblich erweitert, die Messdauer kürzer und die Reinigung unproblematisch. Korrekturglieder aufgrund des Auftriebs, der Meniskuskraft und der Reibung bedingt durch die Aufhängung des Messkörpers werden automatisch bei der Dichtebestimmung ermittelt und entsprechend bei der Viskositätsmessung berücksichtigt. Beim Versuchsaufbau von DiVA muss der Messkörper im Probengefäß genau zentriert werden, was mit einfachen Mitteln geprüft und sichergestellt wird.

Proportionalität von Viskosität und Kraft
nach der IMETER Ringspaltgleichung

Stadien der Messung - Messen ist ein Prozess

Als Alleinstellungsmerkmal ist DiVA ein autonomes Absolut-Viskosimeter, welches die Viskosität aus den geometrischen Gegebenheiten, der Kraft und der beigemessenen Dichte bestimmt. Es gibt keine Gerätekonstanten oder andere ungeklärte Korrekturen. Die Handhabung ist vergleichsweise einfach, sicher und liefert wenig Fehlerquellen durch die Anwendung eines Minimums von Verfahrensschritten sowie Zubehör. DiVA ist im IMETER-Framework veranschaulicht und detailliert überprüfbar.

Viskosimeter: IMETER M5 DiVA mit verspiegelter Temperiermeßzelle
Aufbau von DiVA mit verspielgelter Messzelle
(Doppelwand-Temperiermesszelle mit Temperaturmessung in der Probe)

Praktische Besonderheiten

In der Praxis kommt es zuweilen vor, dass Proben verwechselt und Werte jenseits des Erwartungswertes gemessen werden. Indem bei DiVA die Dichte mitgemessen wird, erhält man in diesem Fall einen wichtigen Hinweis zur Identität einer Probe und somit auch zur Erklärung einer Abweichung. Hilfreich ist hierfür die Verwendung von temperaturabhängigen Referenzdaten bzw. Sollwerten für Viskosität und Dichte, die problemlos für beliebige Fluide in einer integrierten Datenbank abgelegt werden. Das erlaubt eine schnelle Überprüfung auf Plausibilität, da keine bestimmte Temperatur einzuregeln ist. Das spart Energie und Zeit. DiVA verwendet für Messungen eine einzelne Wägezelle und einen Temperaturfühler, womit der Wartungsaufwand sowie die Fehleranfälligkeit reduziert wird. Die Verifikation von Messergebnissen beschränkt sich somit auf diese wenigen Komponenten. Das IMETER Konzept erlaubt es dem Anwender, neue Verfahren und Ausrüstungen nach eigenen Bedürfnissen einzuführen. Gerne beraten wir Sie oder erstellen Ihnen bei Bedarf maßgeschneiderte Lösungen für Ihre spezifischen Aufgabenstellungen.

Anwendungsbeispiele

Einfache und komlexere Anwendungsmöglichkeiten sind in der folgenden Zusammenstellung aufgeführt. Die Links führen zu automatisch erzeugten Reports im PDF-Format. Anwendungsbreite und zugleich Spezifität der Einsatzmöglichkeiten sind kein Widerspruch. Einfach, automatisch und/oder produktiv messen und/oder schwierige Fragen an die Materie automatisiert beantworten lassen - DiVA bietet mit Leichtigkeit, was mit anderen Mitteln - wenn überhaupt - kaum hervorgebracht werden kann. DiVA bietet nicht nur durch die Methode ziemlich exklusive Fähigkeiten, sondern auch durch das Framework, in welchem sie abläuft. Aber, sehen Sie selbst!

1. ►Wasser (einfache Messung) - Messung von Viskosität und Dichte bei 75°C, 12-Fach wiederholt; im Diagramm, rechts, wird die zeitliche Projektion der Viskositätsmesswerte angezeigt. Die Abweichung zum Verlauf der Sollwerte (grün gestrichelte Linie) ist gering.Unten: Residuen vereinfachen die Beurteilung.

Zeitstabile und genaue Viskositätswerte

2. ►Temperaturabhängigkeit von Viskosität und Dichte Im Diagramm sind die Messwerte gegen die Temperatur angetragen; Messwerte und mithin der Graph der Regressionsfunktion zeigen zum Verlauf der Referenz (Grün) keinen ersichtlichen Unterschied. Unten: vollständige Auswertungen - z.B. mit Temperatur-Viskositäts-koeffizieneten:

Änderung der Viskosität mit der Temperatur

3. ►Wasser, Constant Stress (ΔT 25-35°C):
Ein ziemlich rascher Temperaturwechsel wird in der Viskosität nahezu unverzögert angezeigt. So muss auf mäßige Temperaturänderungen keine Rücksicht genommen werden. (→kinetische Messungen, Prozessmonitoring).Das Diagramm rechts gibt die Zeitprojektion der Viskositätsmesswerte wieder (Dreiecke), die dem Verlauf der Sollwerte von Wasser folgen. - Unten ist der Temperaturverlauf in der Messung abgebildet:

Schnelle Änderung der Viskosität mit der Temperatur

4. ►Wasser, rheologisch
Rechts, die Fließkurve von Wasser bei 25°C zwischen 1-1000 /s. Der Scan der Schergeschwindigkeiten wurde in der Messung 3x durchlaufen.
Unten, Fließkurven mit feinem, nur 5 s^-1 breiten Bereich der Schergeschwindigkeit:

So können auch charakteristische Bereiche identifiziert werden:

Verhältnis von Schubkraft und Schergeschwindigkeit

Water viscosity - rheological (1 to 800 /s)

5. ►Gelatine - beim Gelieren:
Zeiteffekte - Die Verfestigung der Gelatinelösung kann mit DiVA ohne merkliche Störung des Geliervorgangs beobachtet werden. Rechts der Verlauf der Viskositätswerte bei 25°. Unten, Diagramm wie die Eindickung über die folgenden 3 h fortschreitet.

Viskositätsänderung - Einsteifung durch Strukturbildung

6. Wasser + NaCl:
Die Auswirkung von Konzentrationsänderungen auf Viskosität und Dichte ist hier am Beispiel von Kochsalz (NaCl) gezeigt. Im Residuenplot wird die absolute Änderung von Viskosität/Dichte ausgegeben.

Viskosität und Mischungsverhältnisse

7. ►Motoröl, Temperaturabhängigkeit zwischen 40 und 100°C:
Ein DiVA - Messkörper kann mitunter über sehr breite Messbereiche eingesetzt werden: Mit dem gleichen Zylindermesskörper, mit dem die Viskosität von Luft messbar ist, kann auch die von Motorenöl gemessen werden.

(→ Die kinematische Viskosität bei 40 und 100°C liefert die Daten zur Berechnung des Viskositätsindex)

Die Viskosität von Motoröl soll weniger temperaturabhängig sein

8. ►Hefe Gärung: (Das Diagramm zeigt die zeitliche Abnahme der Dichte einer gärenden Zuckerlösung (auch die Viskosität nimmt ab, obwohl die Hefe sich vermehrt). Für kinetische Messungen, Stoffumsatz, Prozessmonitoring ...

Biochemische Reaktion - Stoffumsatzgeschwindigkeit

9. ►Tensidformulierung, Spülmittel:
Das Diagramm zeigt die Viskositätskurve eines unverdünnten Haushaltsspülmittels. - Bei relativ geringer Scherung fällt die Viskosität bereits stark ab.

Schneller rühren ist hier einfacher

10. ►Tensid-Wasser-Mischung (4x CMC)
Eine 1%ige Natriumlaurylsulfat Lösung - entspricht der vierfachen CMC.
Hysterese-Erscheinungen bei rheologischen Messungen? Spielt es eine Rolle, ob zuvor vielleicht eine hohe Scherbelastung anlag? Das Beispiel präsentiert die Aufbereitung dieser Vorgabe und auch eine Besprechung der Fließgrenze.

Unbewegtes Seifenwasser erscheint steifer

11. ►Buttermilch: rheologische Messung (mit Fließgrenze und Dichtegradient). Die Butterflocken führen zu einer Unstetigkeit (und einem Noise-Maximum) bei 2.5 1/s.

Buttermilch - begünstigtes Schlucken und Milchflocken

Messgrößen/Eigenschaften, die in den Reports fallweise ausgewertet werden (Symbole mit Tipptexten):
♦ η±s | ρ±s | ν, η(Δt) | η(ΔT) | ν(ΔT) | η(Δγ^·) | η(ΔC) | ρ(Δt) | ρ(ΔT) | κ(ΔT) | ρ(ΔH) | γ^·, τ, v_max., Re, E_A , ...

M5 DiVA bietet für die Viskositäts- und Dichtemessungen sehr weitgehende Gestaltungs- und Dimensionierungsfreiheiten. Wie alle IMETER-Methodenmodule ist DiVA ein Betriebsystem. Die Messprogrammsteuerung erlaubt grundsätzlich jeden denkbaren Ablauf, um Zweck, Bedienbarkeit und Sensor/Aktor-Eigeschaften in aufgabengerechten Zusammenhang zu bringen und dies auch auf den Anwender abzustimmen; egal wie komplex ein Programm ist, die Auswertung bereitet das Geschehen und die Zusammenhänge nach Datenlage auf. Diese manigfach fallsensitive Auswertung untersucht beispielsweise, ob statische Kraftmesswerte vorhanden sind (Auftriebskraft-Messwerte), ob diese in verschiedenen Niveauhöhen vorliegen, zu welcher Zeit, bei welcher Temperatur, ob die Menskuseliminierung angewendet ist (...) und liefert daraus Dichte und ggf. Dichtegradienten. Deshalb können Verfahren frei modelliert und Messungen simpel und schnell sein, oder derart komplex, dass Fragestellungen durch einen einzigen entsprechenden Ablauf beantwortet werden können. DiVA ist mit der fehlerfreien Dichtemesstechnik kombinierbar (DiVA-A); eine Beimessung der Oberflächenspannung ist per „AdHoc-Inline-Technik“ ebenfalls möglich. Auch wird die Integration weiterer Sensoren und Aktoren vom Framework unterstützt.

Die IMETER Methode Nr. 5 "DiVA" und Spezifikationen

Simultane Bestimmungen von Viskosität und Dichte / Rheometrie

Messprinzip: kombinierte dynamische und statische Kraftmessungen - Viskosität als Zwangsströmung durch einen Ringspalt, Dichte durch hydrostatische Wägungen .

Absolutmethode: Streng genommen - Die Messung der Dichte entspricht einer Absolutmethode in dem Fall, dass der Auftriebskörper hinsichtlich Volumen (p, T) und Masse durch Vergleich mit primären Normalen für Länge/Volumen und Masse bestimmt ist. Gleiches gilt für die Dimensionen des Messkörpers und der Röhre im Hinblick auf die Viskositätsbestimmung und der Faktor 'Zeta' (vgl. Herleitung) enthält empirische Anteile .

Validität: Fundamentalgesetze; objektive Übereinstimmung - praktischer Nachweis.

Validierbarkeit, Rückführbarkeit: Die Messmethode mit Ergebnisindikation kann durch Standardsubstanzen (Newtonische Normalproben der Viskosität, Wasser, Luft) uneingeschränkt überprüft werden. Die detaillierte Rückführbarkeit ist über die Vorhaltung von selbst rückführbaren Sensordaten und über Eingangs-, Berechnungs- und Ausgangsgrößen für jede Messung dargestellt.

IMETER Erfindungen: simultane Messungen (Patent DE 199 63 686), Dichtemessung ohne systematische Fehler (Patent DE 103 40 555), Ringspaltkapillardüsen (DE 103 57 088), Langzeitmessungen (DE 103 26 469).

Temperatur- / Zeitabhängigkeit von Viskosität und Dichte:

Automatische Ermittlung der Temperaturkoeffizienten für Dichte (=Ausdehnungskoeffizient) und Viskosität; darüberhinaus auch die automatische Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der thermischen Koeffizienten selbst - Aufbereitung in Diagrammen, Gleichungen und Beschreibung. Analog, wenn die Temperatur konstant gehalten wird, werden automatisch die entsprechenden kinetischen Größen berechnet.

Rheologische Eigenschaften:

Ermittlung der Fließkurve über breite und auch sehr eng definierte Bereiche, Best-Fit-Funktionen für lineare, polynomische, exponentielle-, logarithmische und potenzfunktionelle Zusammenhänge sowie Bestimmung von Konsistenz und Fließindex ac. Ostwald - de Waele; Berechnung von Fließgrenzen.

Scherraten und Schubspannungsvorgaben:

Viskositätsmessungen bei konstanter Schubspannung (z.B. bei Viskositätsänderung durch Reaktion, Temperatur, Zusammensetzung); bei konstanter Scherrate erlauben die Eigenschaften Ihrer Proben in Anwendungssituationen zu bestimmen.

Automatischer Probenwechsel:

Untersuchungsreihen können sehr effektiv mit einem Probenwechsel bewältigt werden. Der Austausch des Probenfluids kann sowohl manuell als auch halb- und vollautomatisiert ausgestattet werden.

Driftfreie Langzeitmessungen, Kontinuierliche Analyse, Monitoring:

Mechanismen der Mechanik (Lastentkopplung von der Wägezelle) und der Software (Automatische Neuanlage, Speicherung ... der Dokumente) ermöglichen korrekte Messungen ohne Zeitgrenze.

Die DiVA-Methode ist ein exklusiv von IMETER entwickeltes, multifunktionales Verfahren, das hinsichtlich der Gestaltung von Messabläufen sehr viele Freiheitsgrade eröffnet und sich zugleich durch eine sehr einfache Bedienung auszeichnet.

Für DiVA wurden selbstlernende Messprogramme (IMPRos oder Apps) entwickelt, die unter anderem auch den Messbereich anhand der Probe selbst 'erfahren'. Der Anwender kann beispielsweise zur Viskositätsmessung wählen, ob eine 'komplette' Fließkurve bestimmt werden soll, ein Teilbereich davon oder, ob in Wiederholungen ein Viskositätswert bei nur einer Scherrate zu bestimmen ist. Durch die Möglichkeit Dichtegradientenmessungen bei Bedarf einzusetzen, kann in Verbindung mit der Viskositätsmessung besonders bei hohen Scherraten oder durch Temperaturwechsel oder über die Zeit (...) ermittelt werden, ob die Probe (dadurch) eine Schädigung erfährt. - Chemische / physikalische Veränderungen der Probe gehen in der Regel mit einer Dichteänderung einher oder führen zu Dichtegradienten. Ferner zum Thema "zufällige Scherraten und Pausenzeiten": Diese Funktionen bieten ein willkürbefreites Untersuchungsmittel für Hysterese und Vorgeschichteeffekte z.B. zu thixotropen und rheopexen Fluideigenschaften. Anwendungen der Viskosimetrie (Molmassenbestimmung mit polymeren Lösungen, Konzentrationsabhängigkeiten) stehen für den Anwender durch die tabellarische Aufarbeitung der Ergebnisse geordnet zu freier Verfügung. Dabei ist als eingebautes Funktionselement die fehlerfreie Dichtemessung einsetzbar, welche eine sehr genaue Rückkopplung zur Konzentration ermöglicht.

Spezifikationen für M5 DiVA

Das Methodenmodul M5 erlaubt Dimensions- und Relationsfreiheiten der Messkörper, Hardware und Steuerung in jeder Richtungen. Nachfolgend ist eine lieferbare Beispielkonfiguration für einen einzelnen Zylindermesskörper beispielhaft konkretisiert.

Technische Spezifikationen für M5 DiVA Typ A, Serie 3, für IMETER V.6

Viskosität: Messauflösung 0.1%, Messunsicherheit ±0.5% bis 1% v.M, Messbereich 0,01 bis ca. 120 mPa·s. Schubspannungsbereich beginnend bei 0.00015 Pa, Scherraten von 0.03 bis 850 /s. Scherratenvorgabe: Abtastung - Tastabstand bis 0.05 /s. Dynamischer Bereich zur Anpassung der Schubspannung in rund 25000 Geschwindigkeitsstufen teilbar.
Dichte: Messauflösung 1·10^-5 g/cm³, Messunsicherheit* ±1·10^-4 g/cm³ .

Messdauer: praktisch unbegrenzt - driftfrei. Geeignet für Monitoringaufgaben und als Online- und Inline- Messgerät.

Aufbau, Messkörper, Zubehör: KPG-Präzisionsrohr in Doppelkammerglasgefäß, Innendurchmesser 16mm, mit Zuführung für Temperaturfühler und Schläuche für Probenwechsel, Glaspodest, Messkörper Edelstahl (D=14.3mm, H=43mm, Typ A) Mitnehmer - Innenbohrung. Messkörperpräzisionsadapter zu Wägezelle. Gefäßaufnahme für Plattform, Entnahmehaken, Schlauchmaterial.

Probenvolumen: 8-12 mL (für Gefäße mit Temperaturmessung in der Probe - sonst genügen 2 mL Probe )

Temperaturbereich: -20 bis +120°C.

DiVA-Automat-Milchmessung