Mechanische Verfahren

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1 Fachhochschule Trier, Fachbereich BLV Studiengang Lebensmitteltechnik Mechanische Verfahren - Laborübung - 5. Semester Name: Datum:... Versuch: Rheologie ν Einsatz des Ubbelohde-Kapillarviskosimeters Prof. Dr.-Ing. Günther Lübbe Ass. Dipl. Ing. Pia Heser 08/2007

2 Problemstellung Unter Einsatz des Ubbelohde-Kapillarviskosimeters werden flüssige Lebensmittel auf ihre kinematische Viskosität ν hin untersucht. 2. Prinzip Eine der genauesten Methoden zur Bestimmung der kinematischen Viskosität ν von Newton-Flüssigkeiten ist deren Messung in Kapillarviskosimetern. Es wird die Zeit gemessen, die eine definierte Flüssigkeitsmasse benötigt, eine Kapillare mit definierter Weite und Länge zu durchfließen. SI-Einheit: m²/s ; mm²/ s nicht mehr gesetzliche Einheit: St (Stokes), 1 mm²/s = 1 cst (Zentistokes) 3. Geräte und Einrichtungen Der Versuchsstand ermöglicht eine automatische Messung der kinematischen Viskosität bzw. der Zeit t einer in der Kapillare absinkenden Flüssigkeitsmasse zwischen zwei Messmarken. Hierzu sind folgende Einrichtungen erforderlich: a) Viskositätsmesssystem PVS ½ Zentrale Steuereinheit, die von einem PC (386/486- oder Pentium-Prozessor) über eine serielle Schnittstelle RS 232 kontrolliert wird. Die Einheit besitzt zwei Messeinschübe. Sie kann damit zwei Messstative S4 und einen automatischen Reinigungsmodul VRM 2 betreiben. b) Messstativ S4 Im vorliegenden Versuchsaufbau wird nur ein Messstativ betrieben ohne automatische Reinigung (Ausbauzustand SS 1996). Das Messstativ stellt das eigentliche Detektionssystem dar. Es bestimmt mit Hilfe von Infrarot-Lichtschranken die Auslaufzeit der Flüssigkeit aus dem in das Stativ eingesetzten Viskosimeter. Eine ebenfalls integrierte Mikrodruckpumpe sorgt für das Ansteigen des Flüssigkeitsspiegels im Kapillarviskosimeter. c) Ubbelohde-Kapillarviskosimeter (Ubbelohde-Gestell) (s. nächste Seite)

3 - 3 - Bild 1 Wie das Bild 1 zeigt, besteht das hier verwendete Ubbelohde- Viskosimeter im wesentlichen aus dem Belüftungsrohr (1), dem Kapillarrohr (2) und dem Befüllrohr (3), der Kapillare (7) mit dem Messgefäß (8), der Vorlaufkugel (9) (bei Ubbelohde- Viskosimeter) und dem Niveaugefäß (5). Über und unter dem Messgefäß (8) sind auf dem Belüftungsrohr (1) die Ringmessmarken M 1 und M 2 angebracht; durch diese Messmarken ist sowohl das Durchflussvolumen der Probe abgegrenzt als auch die mittlere Druckhöhe h festgelegt. Die Kapillare (7) endet im als Kugelkalotte ausgebildeten oberen Teil (6) des Niveaugefäßes (5). Über diese Kugelkalotte (6) läuft die Probe aus der Kapillare (7) in Form eines dünnen Films ab (hängendes Kugelniveau). Bei einer Erhöhung des Luftdrucks im Rohrteil (3) muß sich der Flüssigkeitsspiegel senken. Die Flüssigkeit steigt als Folge aus dem Niveaugefäß (5) in die Rohre (1) und (2). Da das Rohr (1) bei der späteren Messung zur Belüftung dient, wird es automatisch verschlossen. Die Flüssigkeit bewegt sich nur im Rohrteil (2) nach oben. Das Viskosimeter ist so zu füllen, dass sich die zu messende Flüssigkeit mit ihrer Oberfläche zwischen den beiden Marken des Vorratsgefäßes 4 befindet. d) Temperierung Die Kapillarviskosimeter werden in einem Durchsichtthermostaten Lauda DL 20 KP mit maximal 4 Messplätzen temperiert. Die Einrichtung ist mit einem zusätzlichen Durchlaufkühler Lauda DLK 20 ausgestattet. Der Arbeitstemperaturbereich beträgt somit -30 C bis 100 C.

4 Versuchsdurchführung Bei den folgenden Untersuchungen wird ein bereits vorbereiteter Messplatz verwendet. Die Ermittlung der Viskositätswerte erfolgt mit Hilfe eines von der Herstellerfirma erarbeiteten Software-Programms. Demonstration erfolgt vor Ort. Vorbereitung der Ubbelohde- Kapillarviskosimeter Die Kapillarviskosimeter sind empfindliche und leicht zerbrechliche Glasgeräte. Sie sind daher mit äußerster Vorsicht zu behandeln! Das Viskosimeter wird in das zugehörige Ubbelohde- Gestell eingehängt, wobei das Kapillarrohr (2) in die vorbereitete Bohrung gesteckt wird. Das Viskosimeter ist mit einer Spiralfeder zu fixieren, um ein Herausfallen zu verhindern. Das Kapillarviskosimeter ist nun über das Rohr (3) bis zur Marke des Vorratsgefäßes zu befüllen (ca. 15 ml). Hierzu wird zweckmäßig eine Pipette benutzt (wenn es sich um dünnflüssige Lebensmittel handelt). Es ist unbedingt zu beachten, dass die Flüssigkeit blasenfrei eingebracht wird. Luftblasen verfälschen die Messergebnisse. Es lässt sich jedoch manchmal nicht vermeiden, dass sich sehr kleine Luftblasen bilden. Sehr kleine Blasen stellen insofern keine Gefahr dar, als sie meist beim Hochpumpen in der Vorlaufkugel (9) von allein verschwinden. Kapillarviskosimeter incl. Gestell werden nun vorsichtig in das Messstativ S4, das sich bereits im Durchsichtthermostaten befindet, eingesetzt. Das Kapillarrohr (2) wird durch Anheben einer federnden Halterung, die eine zugehörige Bohrung enthält, fest mit dem Messstativ verbunden. Das Belüftungsrohr (1) und das Befüllrohr (3) werden jeweils mit einem Schlauch mit jeweils zugehörigem Verschlussdurchmesser angeschlossen. Das Ubbelohde- Kapillarviskosimeter ist nun für die Messung vorbereitet. Die Messung kann nach einer Wartezeit von ca. 10 Minuten beginnen. Diese muss wegen des Angleichens der Probe an die Badtemperatur eingehalten werden! 5. Berechnung der kinematischen Viskosität und Messprotokoll Das Messprinzip des Kapillarviskosimeters beruht auf dem Hagen-Poiseuille-Gesetz. Dieses lautet, nach der dynamischen Viskosität η aufgelöst: η = π * d 4 * Δp * t 128 * V l Fl * Es bedeuten d [m] Kapillare Durchmesser Δp [N/m²] od. bar Druckdifferenz t [s] Zeit l [m] Länge der Kapillare V fl [m³] Volumen der Flüssigkeit

5 Wirkt nur der Atmosphärendruck, bewegt sich die Messflüssigkeit allein durch die Schwerkraft. Damit wird die treibende Druckdifferenz zu: wobei Δp = ρ Fl * g * h ρ Fl [kg/m³] Dichte der Flüssigkeit g [m/s] Erdbeschleunigung h [m] mittlere geometrische Druckhöhe des Kapillarviskosimeters Damit wird η = π * d 4 * g * h 128* V l Fl * * ρ Fl * t bzw. mit der Apparatekonstanten K u [m²/s²] η = K u * ρ Fl * t und mit der bekannten Beziehung ν = η / ρ Fl folgt ν = K u * t Die Viskositätsbestimmung wird damit zu einer Zeitmessung. Der Ausdruck K u wird vom Hersteller durch Vergleich mit einer Flüssigkeit bekannter Viskosität ermittelt. Soll die dynamische Viskosität ermittelt werden, muss die Dichte der Versuchsflüssigkeit bekannt sein. Hagenbach-Korrektur Die oben angegebene Formel gilt korrekt nur für eine unendlich lange Kapillare. Obwohl die Kapillare des Viskosimeters am Ausgang mit einer Kugelkalotte ausgestattet ist, über die die Flüssigkeit in Form eines dünnen Films (hängendes Kugelniveau) möglichst störungsfrei ausströmt, ist trotzdem wegen der Abweichung vom idealen Zustand eine Zeitkorrektur einzubringen. Diese wird für jeden Gerätetyp ermittelt und vom Gerätehersteller geliefert. Sie heißt Hagenbach-Korrektur. Die Zeitkorrekturwerte sind in der Tabelle 1 wiedergegeben. Die kinematische Viskosität errechnet sich zu ν = K u * (t - t H ) [mm²/s]

6 - 6 - Tabelle 1: Die Hagenbach-Korrektion Ubbelohde-Viskosimeter ISO 3150/ DIN , Teil 1 / BS 188 / NFT Typ- Nr , 530.., Korrektionssekunden 1) : Durchflußzeit Kapillare- Nr. 0 0c 0a I Ic Ia II 40-2) - 2) - 2) (1,03) 2) 0,45 0, ) - 2) - 2) (3,96) 2) 0,66 0,29 0,1 60-2) - 2) - 2) (2,75) 2) 0,46 0, ) - 2) - 2) (2,02) 2) 0,34 0,15 0, ) - 2) (7,07) 2) (1,55) 2) 0,26 0,11 0, ) - 2) (3,78) 2) 1,22 0,20 0,09 0, ) (7,07) 2) (3,06) 2) 0,99 0,17 0,07 0, ) (5,84) 2) (2,53) 2) 0,82 0,14 0,06 0, ) (4,91) 2) 2,13 0,69 0,12 0,05 0, ) (4,18) 2) 1,81 0,59 0,10 0,04 0, ) (3,61) 2) 1,56 0,51 0,08 0,04 0, ) (3,14) 2) 1,36 0,44 0,07 0,03 0, ) 2,76 1,20 0,39 0,06 0,03 0, ) 2,45 1,06 0,34 0,06 0,02 0, ) 2,18 0,94 0,30 0,05 0,02 0, ) 1,96 0,85 0,28 0,05 0,02 0, (10,33) 2) 1,77 0,77 0,25 0,04 0,02 0, (8,20) 2) 1,40 0,6 0,20 0,03 0,01 0, (6,64) 2) 1,13 0,49 0,16 0,03 0,01 <0, (5,47) 2) 0,93 0,40 0,13 0,02 0,01 <0, ,61 0,79 0,34 0,11 0,02 0,01 <0, ,90 0,66 0,29 0,09 0,02 0,01 3,39 0,58 0,25 0,08 0,01 0,01 2,95 0,50 0,22 0,07 0,01 0,01 2,59 0,44 0,19 0,06 0,01 <0,01 2,30 0,39 0,17 0,05 0,01 <0,01 2,05 0,35 0,15 0,05 0,01 <0,01 1,84 0,31 0,13 0,04 0,01 1,66 0,28 0,12 0,04 0,01 1,37 0,23 0,10 0,03 0,01 1,15 0,20 0,09 0,03 0,01 0,98 0,17 0,07 0,03 <0,01 0,85 0,14 0,06 0,02 <0, ,74 0,13 0,05 0,02 <0, ,65 0,11 0,05 0, ,57 0,10 0,04 0, ,51 0,09 0,04 0, ,46 0,08 0,03 0, ,42 0,07 0,03 0,01 Die angegebenen Korrektionssekunden beziehen sich auf die jeweilige Soll- Konstante 1) Für Präzisionsmessungen sollten diese Durchflusszeiten nicht zur Anwendung kommen. Gegebenenfalls ist ein Viskosimeter mit einer engeren Kapillare zu verwenden. 2) Tabelle 2 : Maße und Gerätekonstanten Ubbelohde- Viskosimeter ISO 3105 / DIN , Teil 1 / BS 188 / NFT Typ- Nr , 530.., Typ- Nr. Kapillare Nr. Kapillare Konstante K Messbereich [mm²/s] Ф i [± 0,01 mm] (Richtwert) (Richtwert) ,36 0,001 0,2 bis 1, c 0,47 0,003 0,5 bis a 0,53 0,005 0,8 bis I 0,63 0,01 1,2 bis Ic 0,84 0,03 3 bis Ia 0,95 0,05 5 bis II 1,13 0,1 10 bis IIc 1,50 0,3 30 bis IIa 1,69 0,5 50 bis III 2, bis IIIc 2, bis IIIa 3, bis IV 3, bis IVc 4, bis IVa 5, bis V 6, Über 10000

7 - 7 - Auswertebeispiel: Ubbelohde- Viskosimeter, Kapillare I Konstante (Richtwert, später genauen Wert verwenden) 0,01000 Durchflußzeit gemittelt (z.b. aus 5 Messungen) 180,0 s Hagenbach-Korrektur für 180,00 s 0,3 s (Werte zwischen z. B. 180 s und 190 s können interpoliert werden) ν = K u * (t - t H ) ν = 0,01 * (180,00-0,30) = 1,7970 mm²/s (alte Einheit: ν = 1,7970 cst) Das vorhandene Viskositätsmesssystem baut sich aus eigenständigen, intelligenten Funktionsgruppen auf, die über eine zentrale Steuereinheit von einem PC kontrolliert werden. Das PC-Software-Programm läuft unter Windows. Das Messprotokoll wird ausgedruckt und ist dem Protokoll beizuheften. Für das Viskositätsmesssystem kommen zum Einsatz KPG Ubbelohde - Viskosimeter (DIN ) ohne automatische. Reinigung Füllmenge : ml Gesamtlänge : ca. 290 mm Messgenauigkeit : +/- 0,1 % kalibriert, für Absolutmessungen (Newton-Flüssigkeiten) ohne Ringmarke nur für automatische Messungen Eine erste Hilfe, bei der Auswahl der geeigneten Kapillare ist die Tabelle 2. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass bei Temperaturänderung, z. B. von 20 auf 50 C, mit großer Wahrscheinlichkeit die Kapillare zu wechseln ist. Das Ziel muss sein, die Hagenbach-Korrektur möglichst klein zu halten. Allerdings setzen immer größer werdende Durchflusszeiten ebenfalls Grenzen. Tragen Sie in die folgende Tabelle 3 das Ergebnis Ihrer Überlegungen ein.

8 Tabelle 3: Im Versuch verwendete Ubbelohde-Kapillarviskosimeter Kapillare Nr. Konstante K u Konstante K u gewählte Kapillare 0 0,001 0 c 0,003 0 a 0,005 I 0,01 I c 0,03 I a 0,05 II 0,1 II c 0,3 II a 0,5 III 1 III c 3 III a 5 IV 10 IV c 30 IV a 50 V 100 Richtwert in mm²/s Firmeneichung in mm²/s ankreuzen Das Messprotokoll ist dem Protokoll als Tabelle 4 beizufügen (PC-Ausdruck) Die Tabelle 5 gibt zusammenfassend die Mittelwerte der kinematischen Viskosität der Prüfflüssigkeiten wieder. (4 Stellen hinter dem Komma gerundet.) Tabelle 5: Ergebnisprotokoll der gemittelten Werte der kinematischen Viskosität Probe Nr. Kapillare Nr. Durchflußzei t Hagenbach- Korrektur in s Temperatur in C kin. Viskosität ν in mm²/s Beispiel 1 0 a 260 0, , Nähere Bezeichnungen der Prüfflüssigkeiten: Probe 1... Beispiel: Limonade, Fanta, Coca Cola Probe 1... Probe 2... Probe 3... Probe 4...

9 6. Reinigung und Abbau des Messplatzes Das Ubbelohde- Kapillarviskosimeter ist vorsichtig in umgekehrter Reihenfolge zusammen mit dem Gestell zunächst aus dem Messstativ und dann aus dem Durchsichtthermostaten herauszuheben. Die Prüfflüssigkeit wird ausgegossen und das Viskosimeter im ersten Schritt mit destilliertem Wasser, im zweiten Schritt mit einem geeigneten Lösemittel gespült. Die Geräte sind anschließend zu trocknen und staubfrei zu verpacken. Der Messplatz ist sauber zu verlassen!!! 7. Literatur - 1- DIN 1342: Viskosität Teil 1: Rheologische Begriffe, 1983 Teil 2: Newton-Flüssigkeiten, DIN : Messung der kinematischen Viskosität mit dem Ubbelohde-Viskosimeter Teil 1: Normal-Ausführung, 1983 Teil 3: relative Viskositätsänderung bei hohen Durchflusszeiten, DIN : Kapillar- Viskosimetrie von Newton-Flüssigkeiten, Fehlerquellen und Korrekturen, 1978 Quellen 1-3 erschienen in Berlin: Beuth- Verlag Mezger, Thomas: Das Rheologie Handbuch, für Anwender von Rotations- und Oszillationsrheometern. Hannover: Vincentz, 2000.