Temperaturkompensierte Viskosität und Korrelation: der Schlüssel zur Prozesssteuerung
Herausforderungen hinsichtlich der Viskosität bei der Prozessüberwachung
Die Viskosität online ist ein entscheidender Faktor für eine präzise Prozessüberwachung. In vielen Prozessen und Branchen sind Laborvisositätsmessungen gängige Praxis. Dabei wird eine Probe aus dem Prozess entnommen und die Viskosität () im Labor unter streng kontrollierten und festgelegten Temperatur- (Referenztemperatur:
) und Schergeschwindigkeitsbedingungen (
— in der Regel niedrige Schergeschwindigkeit) gemessen. Die Viskosität online ermöglicht eine bessere Kontrolle unter realen Prozessbedingungen.
Bei der Messung der Prozessviskosität () schwankt die Prozesstemperatur (
) und ist im Allgemeinen deutlich höher als . Zudem ist die Schergeschwindigkeit in der Regel höher, was auf die durch das Messprinzip und die Prozessbedingungen hervorgerufene Schergeschwindigkeit zurückzuführen ist.
Daher ist es entscheidend, diese beiden Parameter zu berücksichtigen. Es ist bekannt, dass die Temperatur einen direkten Einfluss auf die Viskosität hat. Zudem weisen Produkte mit nicht-newtonschem Verhalten eine scherkraftabhängige Viskosität auf. Mit anderen Worten: Bei nicht-newtonschen Flüssigkeiten verändern die Anlage, die Strömungsgeschwindigkeit und die Durchmischung die strukturellen Eigenschaften der Flüssigkeit, was sich wiederum auf deren Viskosität auswirkt.
Die Viskositätsmessung eines Produkts im Produktionsprozess weicht aufgrund der Messbedingungen häufig von der Viskositätsmessung einer Probe im Labor ab.
Sofraser hat eine innovative Lösung entwickelt, die zwei bewährte Methoden kombiniert: die temperaturkompensierte Viskosität (VTK oder TCV auf Englisch) bei Referenztemperatur und die Korrelationsmethode.
Beide Methoden berücksichtigen die Unterschiede in den Messbedingungen und gleichen diese aus, um einen Viskositätswert während des Produktionsprozesses zu liefern, der mit der Labormessung vergleichbar ist.
Lösung – Sofraser-Viskositätsmessgeräte
1. Prozessviskosimeter – Installation
Sofraser MIVI-Viskosimeter sind vielseitig einsetzbar und können in einer Vielzahl von Prozessen installiert werden, von Chargen- bis hin zu kontinuierlichen Verfahren, sei es als Inline-, Online- oder Reaktor-Einbau. Die folgende Zeichnung zeigt typische Einbauorte; weitere Möglichkeiten sind gegeben.
Die beschriebene Methodik erfordert Prozessmessungen von Temperatur und Viskosität, und der MIVI-Sensor kann beide Werte gleichzeitig liefern.
2. Der 9710-Prozessor
Die VTK- und Korrelationsparameter werden direkt über die Benutzeroberfläche des Sofraser-Viskosimeters eingestellt: 9710-Prozessor
Die Messwerte für Viskosität (Viscosity), Temperatur (Temperature), VTK (TCV) und Dichte (Density) können über eine RS485-Schnittstelle oder als 4/20-mA-Ausgangssignale abgerufen werden.
Von nun an werden die TCV- und Korrelationsschritte direkt auf die unter Prozessbedingungen gemessene Viskosität angewendet, und das Ergebnis ist direkt mit der vom Laborviskosimeter gemessenen Viskosität vergleichbar.
Schritt 1: Temperaturkompensierte Viskosität (VTK)
Zu Beginn der Methode wird der Einfluss der Temperatur auf die Viskosität kompensiert, indem die temperaturkompensierte Viskosität (VTK) bei berechnet wird. In den meisten Fällen ist
die Temperatur, bei der das Laborviskosimeter betrieben wird.
Das Modell 9710 verwendet die in der Norm ASTM D341 beschriebene vereinfachte Gleichung. Um die Parameter des Modells zu bestimmen, muss das temperaturabhängige Verhalten des Referenzprodukts bekannt sein. Darüber hinaus benötigt das Modell Temperatur- und Viskositätsmessungen während des Prozesses sowie eine feste Referenztemperatur. Nachstehend ist die Kurve der Viskosität als Funktion der Temperatur für eine Probe des Cannon-Viskositätsstandards dargestellt. Es kann als Referenzflüssigkeit betrachtet werden, und die Daten dienen zur Bestimmung der Parameter des mathematischen Modells des VTK, die im 9710-Prozessor eingestellt werden.
Insgesamt liefert die TCV-Berechnung dem Betreiber oder Anwender einen Viskositätswert, der nicht von Schwankungen der Prozesstemperatur beeinflusst wird.
Schritt 2: Korrelation
Der VTK liefert die Viskosität bei einer festen Temperatur (). Nun kann mit dem zweiten Schritt der Methodik begonnen werden, nämlich der Erstellung einer Korrelation.
Das Ziel einer Korrelation besteht darin, einen Zusammenhang zwischen Variablen oder zwei Datensätzen zu ermitteln. In unserem Fall geht es darum, einen Zusammenhang bzw. ein Modell zwischen der Labormessung () und der temperaturkompensierten Viskosität zu ermitteln.
Eine Anwendungsmöglichkeit der Korrelation besteht darin, die Differenz der Schergeschwindigkeit zu berücksichtigen und die Labormessung mit der Inline-Messung anhand eines Viskositätswerts zu korrelieren, der bei derselben Temperatur )) ermittelt wurde.
Bei newtonschen Flüssigkeiten ist eine Korrelation nicht erforderlich. Die Schergeschwindigkeit hat keinen Einfluss auf die Viskositätsmessung, und die Berechnung eines TCV liefert einen Messwert, der direkt mit dem Laborergebnis verglichen werden kann.
Fazit
Die Viskosität online wird damit zu einem wichtigen Instrument für die Prozesskontrolle. Die in diesem Artikel beschriebene Lösung wurde von vielen Anwendern von Sofraser-Viskosimetern in verschiedenen Branchen umgesetzt. Sie stellt eine gute Alternative zum Einsatz von Viskositätsanalysatoren bei Referenztemperatur dar, die komplex sind und eine höhere Investition erfordern. Die ideale Lösung ermöglicht es dem Inline-Prozessviskosimeter, Informationen zu liefern, die direkt mit den Referenzwerten vergleichbar sind. Neben der Berücksichtigung des Temperatureinflusses berücksichtigt die Methodik auch die unterschiedlichen Schergeschwindigkeitsbedingungen. Diese Lösung lässt sich auch auf andere physikalische Größen übertragen, die mit der Viskosität korrelieren, wodurch sich ihr Anwendungsbereich erweitert.
Die in diesem Artikel erläuterte Methodik war Gegenstand eines Vortrags von Herrn Stephane Millet auf der ATC – Analyzer Technical Conference in Galveston (TX, USA) im Jahr 2025.
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