Viskosimeter

Kapillarviskosimeter nach Engler

Ein Viskosimeter ist ein Messgerät zur Bestimmung der Zähigkeit (Viskosität) einer Flüssigkeit. Es gibt unterschiedliche Arten von Viskosimetern:

Kapillarviskosimeter

Das zugrundeliegende Messprinzip ist hier der Fluss der zu messenden Flüssigkeit durch ein dünnes Rohr. Ein festgelegtes Flüssigkeitsvolumen V läuft bei gleich bleibendem Druck p durch eine Kapillare der Länge l und des Radius r und die dazu benötigte Zeit t wird gemessen. Die kinematische Viskosität kann dann ermittelt werden, indem man die Zeit in Sekunden mit der Konstante der Kapillare multipliziert. Kapillarviskosimeter sind z. B. Ubbelohde- oder Canon-Fenske-Kapillaren. Die (dynamische) Viskosität ergibt sich dann aus dem Gesetz von Hagen-Poiseuille.

Rotationsviskosimeter

Beim Rotationsviskosimeter wird durch einen Motor ein Körper in einer Flüssigkeit gedreht. Während des Drehens wird das benötigte Drehmoment gemessen. Daraus, sowie aus der exakten Geometrie des verwendeten Drehkörpers und des Außengefäßes, sowie der Drehgeschwindigkeit kann die dynamische Viskosität der Flüssigkeit bestimmt werden. Die üblichen Anordnungen für solche Geräte sind: Platte gegen Platte (es handelt sich um zwei Scheiben), Kegel gegen Platte, und Zylinder in Rohr. Wenn sich der Zylinder im stehenden Rohr dreht (wie bei den meisten Rotationsviskosimetern), spricht man vom Searle-Typ, bei stehendem Zylinder und rotierendem Rohr vom Couette-Hatschek-Typ.

Stabinger-Viskosimeter

Durch eine Abwandlung des klassischen Couette-Rotationsviskosimeters wird eine vergleichbare Genauigkeit wie bei der kinematischen Viskositätsbestimmung ermöglicht. Der innere Zylinder ist hohl und spezifisch leichter als die Probe und schwimmt daher beim Stabinger Viskometer durch die Fliehkräfte zentriert frei in der Probe. Dadurch entfällt die sonst unvermeidliche Lagerreibung. Die Drehmoment- und Drehzahlmessung erfolgt berührungslos über ein rotierendes Magnetfeld und eine Wirbelstrombremse. Das ermöglicht eine bislang unerreichte Drehmomentauflösung von 50 pNm und einen sehr weiten Messbereich von 0,2 bis 20000 mPa.s mit einem einzigen Messsystem. Eine eingebaute Dichtemessung nach dem Biegeschwingerprinzip ermöglicht die Berechnung der kinematischen Viskosität aus der gemessenen dynamischen Viskosität nach dem Zusammenhang

$ \nu ={\frac {\eta }{\rho }} $

Das Stabinger Viskosimeter wurde von der Firma Anton Paar GmbH im Jahr 2000 erstmals auf der Achema präsentiert. Das Messprinzip wurde nach seinem Erfinder Dr. Hans Stabinger benannt.

Viskositäts-Messbecher (Ford-Becher, Auslaufbecher)

Bei diesem Verfahren wird die Flüssigkeit in einen Becher gefüllt, der unten konisch in ein Loch (Düse) mit genau bekanntem Durchmesser ausläuft. Aufgrund des Bechervolumens, des Düsendurchmessers und der gemessenen Dauer zum Abfließen der Flüssigkeit kann deren Viskosität ermittelt werden. Diese Art der Viskositätsmessung ist etwa beschrieben in den Normen ASTM D 1200:1994 und DIN EN ISO 2431:2011 (zurückgezogene Normen: DIN 53211, DIN EN 535 - Oktober 1996). Sie ist insbesondere bei der Prüfung von Lacken, Farben, Harzen und Flüssigkeiten mit ähnlicher Viskosität gebräuchlich, vor allem im angelsächsischen Raum. Meist wird hier als Maß für die Viskosität einfach die Abflussdauer (mit Hinweis auf die Norm und Düsengröße) angegeben. Es gibt auch Tauch-Auslaufbecher, bei denen die Flüssigkeit durch Eintauchen des Messbechers entnommen wird, so dass ein Einfüllen entfällt. Für die Viskositätsmessung mit dem Auslaufbecher spricht die schnelle und einfache Handhabung, der günstige Aufbau des Messinstruments (ein Becher) und die Möglichkeit, In-process-Messungen durchzuführen. Für hochgenaue Viskositätsbestimmungen ist die Methode jedoch weniger geeignet. Ferner ist sie nur für einen relativ eingeschränkten Viskositätsbereich praktikabel.

Mooney-Viskosität

Mooney-Gerät nach vollzogener Messung: Im Bild die geöffnete Probenkammer, unten der von der Probe umschlossene Rotor

Dieses Verfahren wird sehr häufig zur Messung der Viskosität von Kautschuk und -mischungen angewendet. Ein standardisiertes Verfahren zur Bestimmung der Mooney-Viskosität misst dabei das Drehmoment der Mischung bei Erhöhung der Temperatur (äußere Temperatur meistens 100 °C). Nach der entsprechenden Vorwärmzeit dreht der Rotor mit konstant 2/min. Das dabei gemessene Drehmoment wird in MU umgerechnet (8,3 Nm = 100 MU)^[1]. Die verwendeten Rotoren sind in zwei Größen (L für groß $ \varnothing $38,1 mm (1,5 Zoll), S für klein $ \varnothing $30,5 mm (1,2 Zoll)) ebenfalls normiert. Die Messzelle hat einen Durchmesser von $ \varnothing $50,9 mm (2 Zoll). Als Ergebnis der Messung wird die Mooney-Viskosität folgendermaßen angegeben:

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Fallkörperviskosimeter

Diesem Messverfahren liegt das Gesetz von Stokes zugrunde. Die zu messende Flüssigkeit befindet sich in einem Messzylinder mit Radius R. Bei einem Kugelfallviskosimeter fällt eine Kugel mit Radius r < R durch die Flüssigkeit. Da sich bei einer von der Viskosität abhängigen Geschwindigkeit v der Kugel ein Gleichgewicht zwischen der auf die Kugel wirkenden Gravitationskraft, der Auftriebskraft und der Reibungskraft einstellt, sinkt die Kugel mit konstanter Geschwindigkeit zu Boden. Mit dem Stokesschen Reibungsgesetz folgt dann für die (dynamische) Viskosität der Flüssigkeit η:

$ \eta ={\frac {2\cdot g\cdot r^{2}}{9\cdot v}}\cdot \left(\rho _{\mathrm {K} }-\rho _{\mathrm {F} }\right) $

ρ_K Dichte der Kugel

ρ_F Dichte der Flüssigkeit

g Schwerebeschleunigung (g ≈ 9,81 m/s² an der Erdoberfläche)

v Fallgeschwindigkeit

Prozessviskosimeter

Das Prozessviskosimeter dient zur „in situ“-Messung der Viskosität in einer verfahrenstechnischen Anlage, z. B. in einem Reaktor oder in einer Rohrleitung. Der Vorteil dabei ist, dass keine Proben gezogen werden müssen. Da nicht bei einer definierten Temperatur gemessen werden kann, muss der Messwert auf die Standardtemperatur (i. A. 25 °C) umgerechnet werden, was aber für moderne Automatisierungssysteme kein Problem darstellt. Falls möglich, wird die Viskosität aus dem Drehmoment und der Drehzahl des Rührantriebes eines Reaktors ermittelt. Geeignete Rührantriebe (Messrührer) stellen diese Messwerte über eine Schnittstelle zur Verfügung.

siehe auch

• Rheologie
• Ostwald-Viskosimeter

Literatur

• ASTM International (ASTM D7042)

Weblinks

Commons: Viskosimeter – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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Einzelnachweise