Wissens-Zwinker: Viskositätsmessung über Differenzdruck und Durchfluss
Dieser Wissenszwinker behandelt die Viskositätsbestimmung von Medien oberhalb des Messbereichs des dedizierten Viskositätssensors VLO-M2. Verschiedene Medien wurden in einem breiten Temperaturbereich vermessen, wobei Viskositäten > 400 mPa∙s erreicht wurden. Für die Durchflussmessung wurde ein FLT-M1_i1 Coriolis-Sensor verwendet. Das Coriolis-Messprinzip eignet sich hervorragend für diese Methode dank des präzise geformten Messrohrs, über welchem der Druckabfall gemessen wird.
Warum dieser Test?
Die Viskosität von Medien ist für Schmiermittel seit langem eine wichtige Messgröße. Inzwischen sind weitere direkte Anwendungen der Viskosität in Bereichen wie Lacke/Farben oder bei Pflegeprodukten dazugekommen. Aber auch indirekte Anwendungen wie z.B. die Qualitätsmessung von Ölen gewinnen an Bedeutung. Wir präsentieren hier eine Viskositätsmessung auf Basis des «alten» Prinzips des Differenzdrucks, aber mittels präziser Coriolis-Messtechnik neu gedacht.
Was ist ein Wissens-Zwinker?
Kennen Sie das Bedürfnis manchmal schnell etwas zu messen, zu zeichnen oder zu basteln? Dabei zählt die Geschwindigkeit bis zum Resultat mehr als die perfekte (wissenschaftliche) Herangehensweise. Aus diesem Grund haben wir bei uns einen Wissens-Zwinker eingeführt. Sozusagen Wissenschaft mit einem Augenzwinkern. Dabei wollen wir nicht wissenschaftlich etwas beweisen, sondern schnell etwas pragmatisch aufzeigen. Bei Interesse vertiefen wir diese Ergebnisse gerne mit Ihnen und Ihrem Projekt.
Ergebnisse
Ein FLT-M1_i1 wurde mit einem Drucksensor am Eingang und einem Drucksensor am Ausgang des Geräts ausgerüstet (siehe Abbildung 1). Die Messgrössen Durchfluss, Eingangsdruck, Ausgangsdruck und Temperatur wurden bei verschiedenen Medien sowie Temperaturen aufgezeichnet.
Abbildung 1: Testsetup bestehend aus zwei Drucksensoren, dem FLT-M1_i1 Coriolis Massefluss-Sensor und einem temperierbaren Kreislaufsystem.
Aus den Messgrössen Durchfluss Q, Druckdifferenz Δp und den geometrischen Grössen des Coriolis-Messrohrs, Länge L und Radius R, kann mittels des Gesetzes von Hagen-Poiseuille die dynamische Viskosität 𝜂 des Mediums errechnet werden:
Ein zusätzlicher Korrekturfaktor musste noch benutzt werden, um Effekte von Fluidblock und Krümmungen des Rohrs zu korrigieren. Die mit dieser einfachen Formel berechnete Viskosität wurde dann gegen die Referenzwerte aufgetragen:
Abbildung 3: Viskosität gemäss Messungen gegenüber den Referenzwerten
Die Messungen passen über einen weiten Bereich sehr gut zum idealen Gesetz von Hagen-Poiseuille. Abweichungen treten vor allem bei sehr hohen oder sehr niedrigen Mediumstemperaturen auf. Diese dürften auf einen Temperaturgradienten entlang des Rohres sowie einen Temperaturunterschied zwischen Medium und Umgebung zurückzuführen sein, was die Bestimmung einer «tatsächlichen» Temperatur verunmöglicht. Dadurch entsteht auch eine Unsicherheit bei der Referenztemperatur und damit der Referenzviskosität. Diese Fehler liegen in diesem einfachen Versuch bei ±10%. Durch eine Kalibration und/oder Einschränkung des Temperaturbereichs lässt sich dies aber stark verbessern. Eine erfolgreiche und stark weiterentwickelte Umsetzung des Messprinzips zur Qualitätsmessung von Rohöl fand bereits bei einem Partner der TrueDyne Sensors AG statt.:
Als wertvolle, zusätzliche Messgrössen sind Durchfluss sowie Dichte gleich «gratis» mit dabei.
Fazit
Welche Sensoren wurden verwendet?
Viskositätssensor VLO-M2
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Durchflusssensor FLT-M1
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