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Labor-Viskosimeter und Prozess-Viskosimeter

Messung der Viskosität mit Labor-Viskosimetern:

Im Labor gibt es eine Reihe von Messgeräten, von einfachen bis hin zu hoch entwickelten, mit denen die dynamische oder kinematische Viskosität oder sogar das rheologische Verhalten von Flüssigkeiten gemessen werden kann. Dennoch sind Labormessungen aufgrund der Probenentnahme, des Transports zum Labor und der eigentlichen Messzeit nicht geeignet, um einen industriellen Prozess optimal zu steuern.

Messung der Viskosität in Prozessviskosimetern:

Sogenannte Prozessviskosimeter sind Messgeräte, die direkt in industriellen Prozessen installiert werden. Sie werden in der technischen Literatur als Inline-Viskosimeter, “Inline-Viskosimeter” oder “in-line” bezeichnet, wenn sie direkt in die Hauptleitung eingebaut werden; und als “Online-Viskosimeter” oder “on-line”, wenn sie in einen Bypass oder eine Umleitung eingebaut werden.

Prozessviskosimeter müssen ganz bestimmte Anforderungen erfüllen:

• Sie müssen direkt an Rohrleitungen, Behältern, Tanks oder Reaktoren installiert werden können.
• Sie müssen den Prozessbedingungen und der industriellen Umgebung (Temperatur, Druck, Korrosion, Verschmutzung, Regen, Feuchtigkeit, Salzgehalt, …) standhalten.
• den geltenden Vorschriften entsprechen (Geräte, die in explosionsgefährdeten Bereichen arbeiten, Geräte, die unter Druck arbeiten, …).
• automatisch funktionieren
• sofort und kontinuierlich einen Messwert liefern
• ein Minimum an Wartung erfordern
• wiederholbar sein

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Für die Berechnung der Viskosität bei Referenztemperatur

Ausgefeilte Viskositätsprozessoren ermöglichen die Berechnung der Viskosität bei der Referenztemperatur durch gleichzeitige Messung von Viskosität und Temperatur im Prozess:

ηReferenztemperatur = f(ηProzesstemperatur, ΤProzess ).

Diese Berechnung, die als Temperaturkompensation bezeichnet wird, ist möglich, wenn Daten über den Einfluss der Temperatur auf ein Referenzprodukt; das sich ähnlich wie das gemessene Produkt verhält, verfügbar sind. Diese Daten können entweder in Form einer Tabelle, einer Kurve oder einer Gleichung vorliegen.

Die Genauigkeit der Extrapolation der temperaturkompensierten hängt natürlich von der Genauigkeit der Daten; der Abweichung des Verhaltens zwischen dem Referenzprodukt und dem tatsächlichen Produkt sowie der Differenz zwischen Prozess- und Referenztemperatur ab. Bei Erdölprodukten, deren Verhalten mithilfe der mathematischen Beziehungen in ASTM D 341-93 beschrieben werden kann, führt die Temperaturkompensation zu sehr guten Ergebnissen.

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Messung der Viskosität der Kinematik von Flüssigkeiten

Wenn newtonsche Flüssigkeiten mit Kapillarviskosimetern getestet werden, wird die Viskosität in Einheiten der kinematik Viskosität angegeben. Die Schwerkraft wird als Kraft verwendet, die die Flüssigkeit durch die Kapillare treibt. Dichte der Probe ist ein zusätzlicher Parameter.

Die kinematik Viskosität und die dynamische Viskosität sind durch die folgende Formel miteinander verbunden:

ν=η/ρ (m²/s) mit   

ν = kinematische Viskosität in m²/s,   

η = dynamische Viskosität in Pa.s 

und 

ρ = Dichte in kg/m3.

Die kinematische Viskosität wurde früher in “Stokes” [St] oder “Centistokes” [cSt] angegeben.

1 cSt = 1 mm²/s = 10-6 m²/s, wobei zu beachten ist, dass 1St = 100 cSt.

Für eine Flüssigkeit mit einer Dichte von annähernd 1000 kg/m3 (Dichte = 1) kann man folgende Annäherung vornehmen: 1cSt = 1cP (siehe dynamische Viskosität).

Zu beachten: Die Werte “Sekunden Ford Coupe”, “Grad Engler”, “Sekunden Saybolt oder Redwood” sind nur relative Viskositätswerte, die bei nicht-newtonschen Flüssigkeiten nicht in absolute Viskositätswerte η oder ν umgerechnet werden können.

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Die kontinuierliche Kontrolle der dynamischen Viskosität als Faktor für eine optimale Qualität des Endprodukts.

Viskosität (von lateinisch viscum) n. f.: Zustand von etwas, das zähflüssig ist. PHYS Eigenschaft einer Flüssigkeit, den Kräften, die die Teilchen, aus denen sie besteht, gegeneinander verschieben, einen Widerstand entgegenzusetzen.  Quelle: © Hachette Livre, 1997

Isaac Newton war der erste, der das Grundgesetz der Viskosimetrie aufstellte, das das Fließverhalten einer idealen Flüssigkeit beschreibt.

τ = η.D wobei τ = Tangentialspannung (N/m²) und D oder g = Geschwindigkeitsgradient (n-1).

Die Lösung dieser Gleichung für die dynamische Viskosität ergibt: η = τ/D in Pa.s.

Zu beachten: Im SI-System ist die Einheit Pascal.Sekunde (Pa.s) oder auch MilliPascal.Sekunde (mPa.s). In der Industrie finden wir andere Einheiten, von denen die am häufigsten verwendeten die Centipoise (cP) und die Poise (P) sind:

Kurve der Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur.

• 1 Pa.s = 1.000 mPa.s
• 1 mPa.s = 1 cP
• 1 P = 100 cP

Typische Werte für die Viskosität bei 20 °C (mPa.s) :

• Aceton: 0,32
• Wasser: 1
• Quecksilber: 1,5
• Grapefruitsaft: 2~5
• Blut (bei 37 °C): 4~15
• Kaffee mit Sahne: 10
• Olivenöl: 10²
• Honig: 10⁴
• Teer: 10⁶
• Bitumen: 10⁸

Die Viskosität von Flüssigkeiten nimmt mit steigender Temperatur ab.

In der Industrie hat die Viskosität eine sehr große praktische Bedeutung, da sie das Fließverhalten von Flüssigkeiten in Rohrleitungen und entlang von Wänden bestimmt. Sie ermöglicht die direkte oder indirekte Messung bestimmter Produkteigenschaften (Textur, Polymergröße …). Sie ist Voraussetzung für das reibungslose Funktionieren von Prozessen (Verbrennung, Drucken, Beschichten…).

Bei industriellen Herstellungsprozessen bieten die Vibrationsviskosimeter mit Explosionsschutz- (ATEX) und/oder 3A-Sanitär-Zertifizierung alle Garantien für eine ausgezeichnete, kontinuierliche Kontrolle der dynamischen Viskosität, die ein Faktor für eine optimale Qualität des Endprodukts ist.

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