OViD

Prinzip der OViD-Viskositätsmessung

Abb.5: Prinzip der OViD-Viskositätsmessung

Ringspaltkapillare für niedrige und extrem niedrige Viskositäten - hochvolumiger, laminarer Fluss.
... und sehr einfach zu reinigen

Abb.6: Ringspaltkapillare für niedrige und extrem niedrige Viskositäten - hochvolumiger, laminarer Fluss.
... und sehr einfach zu reinigen

Abb.8: Je drei Kapillareinsätze vom Typ Kreisloch und Ringspalt vor dem Korpus eines OViD-Messkörpers.

Abb.9: Teile eines OViD-Messkörpers mit Aufhängung

Abb.10: OViD-Messung in einer einfachen Messzelle.

Die Skizze Abb.5. zeigt das Prinzip der OViD-Viskositätsmessung. Der Messkörper ist ein voluminöser Becher mit einer Öffnung im Boden, über die das Fluid in den Messkörper eindringt oder aus ihm ausfließt, wodurch dieser - teilweise eingetaucht - leichter oder schwerer wird.
Die Messung der Viskosität erfolgt zwischen Gleichgewichtszuständen: Der Messkörper wird im Messablauf so positioniert, dass der Pegel des Fluids im Messkörper ein Stück weit über dem inneren Boden des Messkörperholraums zum Stehen kommt (linkes Teilbild). Der entsprechend nivellierte Zustand ist durch eine gleich bleibende Kraft bestimmt.
Daraufhin wird die Messzelle um eine definierte Strecke tiefer gesenkt und, während der Nivellierung, wird die zeitlich sich ändernde Kraft aufgezeichnet. Sobald ein vordefinierter Endzustand erreicht ist (definiert über das Unterschreiten einer Laständerung), wird dann durch Anheben um exakt dieselbe Strecke, der umgekehrte Vorgang mit den gleichen Kriterien zeitlich vermessen.
Die Vorgänge sind symmetrisch - es wird keine neue Oberfläche gebildet und es treten mit dem Ein- und Ausströmen nur Kontaktwinkel auf die sich mit der Zusammenfassung beider Fließvorgange eliminieren.

Die IMETER-Software bietet im Framework die Möglichkeit die Rohmessdaten zu überprüfen und Rechnungen nachzuvollziehen. Innerhalb des Methoden- und Berichtsmoduls stehen jedoch auch noch sehr einfach verwendbare Möglichkeiten zur Untersuchung einer Messung zur Verfügung:

Abb.7: Rohdaten der Viskositätsmessung - Ein- und Auslaufen aus dem Messkörper.

Das Diagramm Abb.7 zeigt die verwendeten Rohdaten der Messung an, deren Ausrechnung die Daten im Diagramm Abb.1. ergibt.

Beispiel und Berechung

Wie bekommt man aus solchen Kurven die Viskosität?

Die Grundlage bildet das Gesetz von Hagen-Poiseuille (für Kreisloch-kapillaren) bzw. für die Ringspaltkapillaren die IMETER-Ringspaltgleichung.

(Hagen Poiseuille)

Die dynamische Viskosität (η) kann bei einer gegebenen Röhre der Länge (l_Kap.) und des Radius' (R_Kap.) über die Messung des Druckabfalles (Dp) und des in der Zeit (t) die Röhre durchströmenden Volumens (V) erfolgen.

Die Konstanten werden für eine Kapillare zusammengefasst zu C_η :

Wie werden aus den Messdaten Druck (∆p) und Volumenstrom (V^•) erhalten?

Für die Angabe des Volumenstroms pro Zeit, hier als ∆V angegeben, lässt sich aus geometrischen und hydrostatischen Gegebenheiten die folgende Beziehung herleiten:

(Volumen)

Dabei ist ∆F_h die gemessene Kraftänderung zwischen zwei Messwerten, ∆V das dabei in den OViD-Messkörper einströmende Volumen. ρ ist die Dichte des Fluids (bzw. mit ∆ρ als Dichtedifferenz der Phasen), g ist die lokale Fallbeschleunigung. Vom Zubehör werden die Variablen r_a, der Außenradius des zylindrischen Teils des OViD-Messkörpers und R, der Innenradius der zylindrischen Messzelle eingesetzt.

Der hydrostatische Druck ist von der Höhe des Niveauunterschieds, H_(t), abhängig. Er beträgt jeweils:

p_(t)= H_(t)· ∆ρ·g bzw. ∆P_(t)= H_(t)· ρ·g

Mit Einbeziehung der geometrischen Gegebenheiten (Zylinderstücke) nach:

ergibt sich der jeweilige Druck also nach:

(Druck)

∆P_(t) : Druck über der Düse zur Zeit t
(mit t = 0 zum Zeitpunkt der Positionierung).

V_ges : Insgesamt, bis zur Niveaugleichheit eingeflossenes Volumen
(In Bertacht stehendes Volumen - es ergibt sich aus ∆F bzw. -∆V zwischen nivelliertem Kraft-Endwert und erstem gültigen Kraftmesswert F).

V_(t) : Eingeflossenes Volumen zur Zeit t.

r_i : Innenradius des OViD- Messkörpers.

Abb.11: Druckverläufe ∆P_(t) zur Viskositätsberechnen - die Rohdaten dazu wurden in Abb.7 gezeigt.

OViD-Messkörper bei der Messung der Viskosität
OViD-Messkörper von oben.

temperierbare Messzelle mit halbaufgesetztem Deckel

Aufhängung am Lastträger; die Verbindung zur Wägezelle

"Stand" am Boden der Messzelle - zum Aushängen des Messkörpers - für die fehlerfreie Dichtemessung

Oberflächenspannung - (der Ring wird bei neueren Messkörpern leichter handhabbar befestigt...)

"Oberflächenspannung"
Denoüy-Ring in der Probe.

"OViD-Messkörper" aus Glas
Glas-Messkörper. Messkörper können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden; Standard ist ein hochwertiger, spühlmaschinenfester CrNiMoTi-Edelstahl (Werkstoff 1.4571).

"Justiergewicht" der OIML-Klasse E2 (100.0000g +/- 0.00015g)
Das "Normal" ist eingebaut - keine Drift (zumindest nach menschlichen Maßstäben) - ein überaus haltbarer Bezug der IMETER-Messtechnik.

Indem bis zu sechs Eigenschaften per OViD einfach bestimmbar sind - wir wollen hier gar nicht weiter ausführen, dass ja auch noch einfach weitere Sensoren und Geräte angeschlossen werden können - sind also rein physikalisch, automatisch und energieeffizient Mehrkomponentenmischungen entschlüsselbar - so wie mit der Dichte, Wasser und Alkohol- oder Zucker- Konzentrationen bestimmt werden, können durch zusätzliche Maßzahlen Mengenkomponenten in Formulierungen herausgerechnet werden - Oft geht ja nicht alles über eine GC/HPLC-Säule.

Die OViD-Methode (IMETER-Methode Nr.6) beinhaltet in der Software ein Multivarianten-Modul, das auch bezüglich der Messkörper verschiedene Ausführungen erlaubt. Da die Oberflächenspannung nicht immer benötigte wird, sei darauf hingewiesen, dass OViD-Messkörper auch ohne Messvorrichtung für die Oberflächenspannung (De Noüy -Ring oder Wilhelmy-Platte) angewendet werden können.

·           Oberflächenspannung: Messauflösung 0.01 mN/m,
           typische Unsicherheit ±0.15mN/m, Messbereich^*) 15-100 mN/m.
Viskosität: Messauflösung 0.1%, typische Unsicherheit ±1.0% mPa·s,
           Messbereich 0.2 bis 1000 mPa·s.
Dichte: Messauflösung 10^-6 g/cm³, typische Unsicherheit ±0.01‰,
             der Messbereich umfasst alle Flüssigkeiten.

Die Spezifikationsangaben beziehen sich auf Standardmesskörper mit rd. 25mL-Volumen und Messungen an temperierten organischen Flüssigkeiten. -- Das OViD-Verfahren ist patentiert [DE 199 63 686], auf Ringspaltkapillaren, die zudem leicht zu reinigen sind, wurde ein Patent angemeldet [DE 103 57 088], thermodynamisch korrekte Verfahren können angewendet werden [DE 44 12 405] und die Methode zur Dichtemessung ohne systematischen Fehler [DE 103 40 555] wird ebenfalls angewendet.

^*) Grundsätzliche Unsicherheit der Ringmethode; Bereichseinschränkung durch Gültigkeit der Korrektur (Harkins und Jordan, Fox und Chrisman); Größere/Kleinere Werte werden gleichwohl ausgegeben. Falls hilfreich kann OViD auch mit einer Wilhelmy-Platte ausgestattet werden.

1. Vollautomatische, simultane Bestimmung von Oberflächenspannung, Viskosität und Dichte in einem Messlauf:

Mit dem gleichen Arbeitszeitaufwand, den alleine eine Messung der Oberflächenspannung normalerweise erfordert, können mit der OViD-Methode alle wichtigen Charakteristika einer Flüssigkeit auf einmal bestimmt werden.

2. Kombinierbarkeit der Einzelbestimmungen: Oberflächenspannung, Viskosität und Dichte oder Oberflächenspannung und Dichte oder Viskosität und Dichte in einem Messlauf; zusätzlich kann jeweils die Auslaufzeit bestimmt werden:

Die einzelnen Messgrößen können – immer zusammen mit mindestens einer Dichtemessung – frei kombiniert werden. Bisweilen sind nur einzelne Kennzahlen neben der Dichte gefragt - und da die zyklische Messung aller Größen eine längere Messdauer bedeutet, können Messprogramme effektiv auf die in Frage stehenden Kennzahlenermittlungen eingestellt sein und z.B. bei Verzicht auf die Messung der Oberflächenspannung (Messring) eine robustere Handhabung des Messkörpers erlauben.

3. Detaillierte Verlaufsinformationen über zeitliche Veränderungen:

Daten über Stabilität oder Konzentrationsabhängigkeit können durch Zeitkoeffizienten (lineare / quadratische Gleichungen) erhalten werden. Durch die selbständige Justierung [DE 103 26 469] können ununterbrochen, bis über 25 Tage hinweg, korrekte Resultate durch die Kompensation von Drift und Temperaturgang der Wägezelle gewährleistet werden. Die einzigartige Korrektheit über kurze und lange Zeitspannen eröffnet zusätzliche, neue Aspekte.

4. Für Prozessmessungen und für Regelungen anwendbar:

Steuerungen auch (Dosier-)Regelungen, Zielwertregelung, Alarmmeldung / Maschinenstopp-Signal, Vorhersagefunktionen (z.B. "wie lange muss der Kessel noch gerührt werden...") sind möglich; Freie Anzahl an Messzyklen, auch mit unsymmetrische Sequenzen, und automatische / dauernde Selbstwiederholung des Ablaufs für Monitoringaufgaben.

5. Temperaturabhängigkeit von Oberflächenspannung, Viskosität und Dichte:

Selbständige Ermittlung der Temperaturkoeffizienten (Ausdehnungskoeffizient, Viskositäts-Temperaturverhalten, Temperaturkoeffizient der Oberflächenspannung), Ausgabe auch anschaulich in prozentualer Änderung pro Grad. Beste Formulierung des linearen, quadratischen oder exponentiellen Zusammenhangs mit Gleichungen unter Angabe von Varianzen und Korrelationskoeffizienten. (Erst durch die Ermittlung der Temperaturabhängigkeiten der Produktkennzahlen wird der Referenzvergleich bei einfacher und schneller Messung ohne Temperieraufwand, bei einer vorliegenden Temperatur, ermöglicht. D.h. ein einmalig größerer Zeitaufwand erlaubt dann andauernd sehr viel kürzere Messzeiten)

6. -- Sinngemäß sind die zur Messung der Oberflächenspannung gegebenen Merkmalen zu den Punkten 2., 3., 4., 7., 8., 9., 10., (11.) und 14. auch für die OViD-Methode gültig:

Die simultane Messung bringt selbst jedoch noch zusätzliche Vorteile mit sich. Denn durch die Mit-Messung der Dichte, deren Wert für die Berechnung der Oberflächenspannung und der Viskosität benötigt wird und also nicht noch extra bestimmt oder angegeben werden muss, ergeben sich jenseits der Vereinfachungswirkung auch besondere messtechnische Vorzüge, wie z.B. die Kohärenz der Probeneigenschaften bzw. Daten (die Probe ist für alle Kennzahlen im gleichen Zustand und wird auf einer einheitlichen Sensorbasis abgebildet …)

7. Viskositätskalibrierung per innerem Standard:

Aus der Dichte von Mischungen aus Glycerin und Wasser ergibt sich eine eindeutige Zusammensetzung, der eine definierte Viskosität zugeordnet ist. – Kalibrierungen im Bereich 1 bis 1500mPa·s sind sehr kostengünstig, variabel und einfach darzustellen. (Die Kalibrierung durch die üblichen „Newtonischen Normalproben der Viskosität“ ist natürlich auch problemlos möglich [kalibriert wird direkt durch Messung und ein paar Mausklicks; und die Kalibrierung erzeugt einen druckfertigen Report zur Dokumentation]).

8. Viskosität und rheometrische Charakteristik:

Da die Viskositätsmessung auf der Bestimmung abklingender Flussraten beruht, also ein Druck- bzw. Scherraten-Gradient auftritt, leitet sich aus dem Definitionsgesetz der Viskosität – der Proportionalität von Druck und Flussmenge (analog Scherrate [Schergeschwindigkeit, Geschwindigkeitsgefälle] und Schubspannung) – die Handhabung her, dieses Verhalten über den Verlauf zu bestimmen. Es wird somit angezeigt, in welchem Ausmaß eine Abweichung von Newtonischem Verhalten auftritt. Das Messverfahren ist in sich geschlossen, die Probe wird nicht „gequält“, denn die geringe Scherung erzeugt keine nennenswerte Erwärmung, so dass OViD auch für viskosimetrische Molmassenbestimmungen geeignet ist; Zumal noch vereinfacht, da die Polymerkonzentration der Probenlösung durch die Dichtemessung bestimmt ist.

9. Dichtemessung ohne systematische Fehler:

Die Bedeutung der sehr hohen erreichbaren Genauigkeit besteht insbesondere in der Eignung, Identität, Verunreinigungen oder Schwankungen in einer (Formulierungs-)Zusammensetzung sehr empfindlich anzeigen zu können. Die hier integrierte Dichtemessung ist - abgesehen vielleicht von der Magnetschwebetechnik - die überhaupt genaueste und korrekteste Technik zur Bestimmung der Dichte [DE 103 40 555] .

10. Ausgabedaten im Prüfbericht:

Prüfberichte passen sich selbst an den jeweils vorliegenden Datenumfang an; unter Anderem: Referenzvergleich (Zielwert, relative und absolute Abweichung, Unterschied relativ zur Messunsicherheit), über bis zu sechs Dimensionen, zur schnellen Orientierung über die Resultate. Ergebnisangaben zur jeweiligen Messgröße mit Unsicherheit, relative und absolute Standardabweichung, Mittelwerte oder Zeit- oder Temperaturgleichung mir Korrelationskoeffizient und Varianz, Temperaturkoeffizient, Vergleich mit „normalen“ Werten, prozentuale Gradientenangaben.
Bei mehrfachen Messungen werden Tabellen erzeugt zu Oberflächenspannung, Dichte, Viskosität und Auslaufzeit mit Spalten zum relativer Zeitpunkt, Temperatur und Kennzahlenwert. Ferner wird bei der Oberflächenspannung zusätzlich die Lamellenhöhe und das Lamellenalter angegeben, bei der Dichte, die Dichteänderung und Dauer bei der Akquisition eines Messwertes; Zur Viskosität wird die Messdauer, das Zeitkriterium und die Abweichung zum Newtonischen Verhalten mitgeteilt und bei der Auslaufzeit der mittlere Volumenstrom und die am Messkörper nach Entleerung zurückbleibende Probenmenge.

Werden Viskositäten gemessen, die in den Angabebereich der "Auslaufbecher" (Ford-Becher) fallen, wird neben der kinematischen Viskosität die Umrechnung in Engler- (°E) Seybold- und Redwood-Sekunden optional ausgegeben.

11. Für Prüfberichte aktivierbare Diagramme:

Zu Oberflächenspannung, Dichte und Viskosität werden Temperatur- und Zeitverläufe (ggf. und wenn aktiviert) mit Einbeziehung von Referenzverläufen und/oder den besten Hits aus der Referenzdatenbank in jeweils einzelnen Diagrammen ausgegeben. Zur Viskosität können unter anderem die original Messdaten und die (Nicht-)Newtonischen Verläufe dargestellt werden. Die Auslaufzeit wird in Volumenmesswerten und in Temperaturabhängigkeit zur Darstellung angeboten.

12. Zusammenfassung:

Das OViD-Messverfahren ist konsistent und geschlossen. Es ist rückführbar und arbeitet definitionsgemäß zu den Grundgrößen Dichte, Viskosität und Oberflächenspannung. Durch systeminterne Nutzung der Daten erreicht es höchstmögliche Genauigkeit, es bietet Kohärenz der Proben und Daten und ein Maximum an Korrektheit. Die Messung läuft automatisiert; sie ist einfach und komfortabel anwendbar und liefert für die QS, genauso wie für die Forschung und Anwendungstechnik, die wichtigsten Basisinformationen über den flüssigen Zustand.

intelligenter messen.

Oberflächenspannung, Viskosität, Dichte <=> Viskosimeter, Tensiometer, Densimeter

Simultanmessung (OViD)

Die wesentlichen Größen zur Charakterisierung flüssiger Stoffe

Überblick