Laborpraktikum Prozeßmeßtechnik. Versuch Viskositätsmessung PM 2

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Gottlob Baumann
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1 Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Mikro- und Sensorsysteme (IMOS) Laborpraktikum Prozeßmeßtechnik Versuch Viskositätsmessung PM 2 Institut für Mikro- und Sensorsysteme Lehrstuhl Meßtechnik/Sensorik Prof. Dr. rer. nat. habil. P. Hauptmann Postfach Magdeburg Tel.: (0391)

2 Inhaltsverzeichnis 1. Versuchsziel 3 2. Grundlagen 3 3. Meßverfahren 4 4. Versuchsaufbau 6 5. Versuchsdurchführung 6 6. Aufgabenstellung 6 7. Vorbereitung 7 8. Literatur 7 Betreuer: Dipl.-Ing. Stefan Adler Stand vom 17. April 2002 Laborpraktikum Prozeßmeßtechnik 2

3 1. Versuchsziel Der Versuch dient zum Kennenlernen der rheologischen Eigenschaften von verschiedenen Flüssigkeiten und der Arbeitweise von Rotationsviskosimetern (Rheometer) als Beispiel für die Viskositätsmessung. 2. Grundlagen Die Viskosität ist die Eigenschaft eines flüssigen oder gasförmigen Stoffes der gegenseitigen Verschiebung benachbarter Schichten einen Widerstand entgegenzusetzen. Nach Newton ist die physikalische Definition der Viskosität = η dv dy. Schubspannung in N/m² dv/dy Geschwindigkeitsgradient oder Schergefälle in s -1 Die Viskosität ist demnach ein Proportionalitätsfaktor zwischen Schubspannung und Schergefälle senkrecht zu einer laminaren Strömung. Die Viskosität eines Stoffes ist vom Druck, der Temperatur und oft auch vom Schergefälle stark abhängig. Bei Gasen ist die Viskosität in einem Druckbereich von 30 mbar bis zu einigen bar vom Druck unabhängig. Anders bei Flüssigkeiten. Bei ihnen nimmt die Viskosität mit steigendem Druck zu. Von der Temperatur ist die Viskosität sowohl von Flüssigkeiten als auch von Gasen sehr stark abhängig. Die Ursache dafür liegt in einer Abnahme der Anziehungskräfte zwischen den Molekülen, infolge einer verstärkten Wärmebewegung. Bei Messungen muß die Temperatur deshalb präzise bestimmt und konstant gehalten werden. Flüssigkeiten bei denen die Viskosität unabhängig vom Schergefälle ist, nennt man Newton sche Flüssigkeiten (Wasser, Glycerin usw). Ist die Viskosität vom Schergefälle und/oder von der Dauer der Scherbeanspruchung abhängig, so spricht man von Nicht-Newton schen Fließverhalten (Pasten, Schlämme, Leime usw.). Die Bilder 1a-d zeigen einige Arten von Fließverhalten (Rheogramme). η= α= / α Laborpraktikum Prozeßmeßtechnik 3

4 η= / η= / a) Newton sches Fließverhalten b) pseudoplastisches Verhalten c) plastisches Verhalten d) dilatantes Verhalten Bild 1: Möglichkeiten von rheologischen Verhalten 3. Meßverfahren 3.1. Kapillarviskosimeter Das Prinzip der Kapillarviskosimetrie basiert auf dem Hagen-Poiseuille sche-gesetz. Bei laminarer Rohrströmung gilt η = π 4 R ( p 1 p2) 8 V&. L Dabei ist: R der Kapillarenradius, &V der Volumendurchfluß, p 1 der Druck am Einlauf der Kapillare, p 2 der Druck an deren Auslauf und L die Länge der Kapillare, der den Abstand der beiden Druckentnahmestellen beschreibt. Die Viskosität ist demnach der Druckdifferenz über der Kapillare direkt proportional (Bild 2). Bei Betriebsgeräten wird in der Regel mit Hilfe einer Dosierpumpe ein konstanter Durchfluß erzeugt und die entstehende Druckdifferenz zur Auswertung gebracht. Kapillarviskosimeter eignen sich zur eindeutigen rheologischen Beschreibung lediglich für Newton sche Flüssigkeiten. Laborpraktikum Prozeßmeßtechnik 4

5 Bild 2: Prinzip eines Prozeßkapillarviskosimeters 3.2 Rotationsviskosimeter Grundlage dieser Viskosimeter ist eine Spaltströmung zwischen zwei koaxialen, sich gegeneinander gleichförmig drehenden Zylindern. Ist der Zylinderradius groß gegenüber der Spaltbreite, so ist das Geschwindigkeitsgefälle in der Probe praktisch konstant, und man kann deshalb in einer derartigen Anordnung auch Nicht-Newton sche Flüssigkeiten untersuchen. Es gilt die Beziehung 2 2 M ( Ra Ri ) η = π L ω R R. 0 i a Dabei ist: M das Drehmoment, ω 0 die Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Zylinders, L die Zylinderlänge und R a u. R i der außen und innen Radius der Zylinder. Laborpraktikum Prozeßmeßtechnik 5

6 4. Versuchsaufbau Die Meßanordnung besteht im wesentlichen aus drei Teilen, dem Rotationsviskosimeter 1), einem Laborthermostaten 2) und zur Meßwerterfassung und Auswertung einen PC 3) (Bild 3). Bild 3: Meßanordnung mit Rotationsviskosimeter 5. Versuchsdurchführung Schalten Sie zuerst den Rechner ein und starten die Meßsoftware, dazu ist die Datei rs100.exe, welche sich im Verzeichnis Physica befindet, zu starten. Erst danach darf das Viskosimeter eingeschaltet werden (bei Nichtbeachtung entsteht Fehlermeldung). Über die Folientastatur wird das Viskosimeter auf Remote gestellt. Die weitere Bedienung des Viskosimeters erfolgt über den PC. Zur Thermostatisierung des Meßbechers wird der Thermostat auf eine Temperatur von 20 C eingestellt. Befüllen Sie den Meßbecher bis zur Markierung mit der zu untersuchenden Substanz und befestigen ihn am Viskosimeter. Im Softwaremenu Parameter sind unter Meßart: Fließ- und Viskositätskurve und Meßsystem: Z2DIN einzustellen. Unter Menu Profil kann das Schergefälle vorgegeben werden. Mit der Taste F10 wird die Messung gestartet. Nach jeder Messung ist der Meßbecher gründlich zu reinigen und auszutrocknen. Dabei sind die Teile unbedingt sorgfältig zu behandeln, so das keine Kratzer auf den Oberflächen entstehen. 6. Aufgabenstellung 6.1 Anfertigung der zu untersuchenden Stoffe: Stellen Sie sich zwei Zweistoffgemische her: -eine Kaolin-Wasser-Suspension mit einem 45%igen Kaolinanteil und -ein Stärke-Wasser-Gemisch mit einem 47%igen Stärkeanteil. Laborpraktikum Prozeßmeßtechnik 6

7 6.2 Untersuchen Sie die selber angefertigten Stoffgemische und zusätzlich reines Glyzerin nach ihrem rheologischen Verhalten. Stellen Sie die jeweiligen Rheogramme dar und klassifizieren Sie die Stoffe nach ihrem rheologischen Verhalten. Stellen Sie im Menü Profil (F4) die Meßzeit von 100s und ein linear ansteigendes Geschwindigkeitsgefälle von 0-100s -1 ein. 6.3 Untersuchen Sie die Temperaturabhängigkeit der Viskosität von Glyzerin im Temperaturintervall von 10 C bis 40 C. Stellen Sie die Ergebnisse graphisch dar. 7. Vorbereitung - Welcher funktionale Zusammenhang besteht zwischen der Viskosität und der Temperatur bei Flüssigkeiten? - Was folgern Sie daraus? - Warum lassen sich Nicht-Newton sche Flüssigkeiten mit Kapillarviskosimetern nicht untersuchen? - Was ist thixotropes Verhalten? - Was ist rheopexes Verhalten? 8. Literatur [1] Profos/Pfeifer: Handbuch der indusriellen Meßtechnik. - R. Oldenbourg Verlag GmbH, München 1992 Laborpraktikum Prozeßmeßtechnik 7

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