Viskosimeter

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

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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 der Flüssigkeit gedreht. Während des Drehens wird das benötigte Drehmoment gemessen. Daraus, sowie aus der exakten Geometrie des verwendeten Drehkörpers und der Drehgeschwindigkeit kann dann 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-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

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.

Mooney-Viskosität

Dieses Verfahren wird sehr häufig zur Messung der Viskosität von Kautschukmischungen angewendet. Ein standardisiertes Verfahren zur Bestimmung der Mooney-Viskosität misst dabei das Drehmoment der Mischung bei Erhöhung der Temperatur (äußere Temperatur meistens 100 °C). Die verwendeten Rotoren sind in zwei Größen (L für groß, S für klein) ebenfalls normiert. Als Ergebnis der Messung wird die Mooney-Viskosität folgendermaßen angegeben:

Fallkörperviskosimeter

Diesem Messverfahren liegt das Gesetz von Stokes zugrunde. Die zu messende Flüssigkeit befindet sich in einem Messzylinder mit Radius R. Zur Messung 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:

ρ_K Dichte der Kugel in [kg/m³]

ρ_F Dichte der Flüssigkeit in [kg/m³]

g Erdbeschleunigung, g ~ 9,81 m/s²

v Fallgeschwindigkeit in [m/s]

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)