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Viskosität messen, steuern und regeln

 

Interessant ist die Bestimmung des Fließverhaltens von Flüssigkeiten bei der Verarbeitung von Farben und Lacken, Schmelzen, Suspensionen, Emulsionen und Pasten. Die Kontrolle der Verarbeitbarkeit von Farben oder Beschichtungsmaterialien wird bisher meist nur bei der Wareneingangskontrolle oder durch regelmäßige Probenentnahme und Messung der Viskosität im Labor durchgeführt. Hilfreich, zeit- und Kosten sparend, produkt- und prozessnäher ist jedoch die Bestimmung der Viskosität direkt im Fertigungsprozess. Diese Online- Messungen ermöglichen eine automatische Regelung des Prozesses und entlasten somit das Personal. Im Folgenden wird ein Überblick über die verschiedenen Online- Meßverfahren gegeben und die Auswertung eines der Viskosität analogen Signals zur Regelung eines Produktionsprozesses dargestellt.

 

Allgemeines
Bedingt durch höhere Anforderungen an eine gleich bleibende Produktqualität bei gleichzeitiger Minimierung des Ausschusses wird die kontinuierliche, Produktion begleitende Viskositätsmessung immer wichtiger. Auch im Hinblick auf die Zertifizierung nach DIN ISO 9000ff kann eine solche Viskositätskontrolle interessant sein. Der Rückschluss von Messergebnissen aus Labormessungen auf die Verarbeitbarkeit des Produkts während der Produktion ist schwierig, da die Viskosität eines Stoffes von verschiedenen Randbedingungen (Druck, Temperatur, Volumenstrom, Zeit usw.) abhängig ist. Meist ist es im Labor nicht möglich auch nur annähernd vergleichbare Bedingungen zu simulieren. Im Labor gemessene Viskositätswerte müssen demzufolge immer „hochgerechnet“ werden, was zu Fehlern führen kann. Die
Vergleichbarkeit von Viskositätsmessungen im Labor und Prozess ist außerdem dadurch erschwert, dass die dynamischen Bedingungen (z. B. die Scherbelastung oder allgemeiner die auf die Probe wirkenden Kräfte) in einem Kessel ganz andere sind als in einem Labor- Meßsystem.

 

Einbauort des Rheometers
Man unterscheidet Tauch-, Inline- und Onlinesysteme je nach der Art des Einbaus:
¾ Tauchsystem: Das Meßsystem wird in einen Behälter eingebaut.
¾ Inlinesystem: Das Messgerät befindet sich direkt in der Rohrleitung.
¾ Onlinesystem: Das Messgerät wird in einen Bypass eingebaut.
Bei der Auswahl einer dieser Varianten müssen folgende Vor- bzw. Nachteile abgewägt werden:

• Tauchsystem
Das Tauchsystem wird einen offenen, drucklosen Behälter eingebaut. Im Behälter
sollte das Produkt bewegt werden, um zu garantieren, dass das Messsystem
durchströmt wird.

• Inlinesystem
Der Einbau des Rheometers in den normalen Produktstrom ist immer wünschenswert, da damit eine kontinuierliche Messung der gesamten Substanz
durchgeführt wird. Das Rheometer wirkt allerdings leicht als Drossel.

• Onlinesystem
Der Einbau der Rheometers erfolgt in einem Bypass. Somit ist es möglich, den
Volumenstrom zu regulieren oder den Bypass z. B. für Wartungs- und Kalibrierarbeiten ganz still zu legen. Es wird im Bypass jedoch nur ein Teil des gesamten Produktstroms vermessen.

 

Messverfahren
Abgesehen von der Einbauposition des Rheometers ist im Besonderen das eigentliche Messprinzip von Interesse:

• schwingende Kugel, Zunge oder Stab
Ein Element (Kugel, Zunge, Stab), das sich in der Substanz befindet, wird zu einer Schwingung mit hoher Frequenz und geringer Amplitude angeregt. Je hochviskoser die Substanz ist, desto stärker ist die Dämpfung der Schwingung. Aus der Amplitudenänderung lassen sich Rückschlüsse auf die Viskosität des Stoffes ziehen.
Hierbei beeinflussen sowohl die Dichte des Stoffs wie auch lokale Dichteschwankungen das Messergebnis. Da Dichteschwankung durch Pumpenhübe hervorgerufen werden können, sollte besonders auf die Auswahl der Pumpe geachtet werden. Außerdem kann das Messergebnis beeinflusst sein durch:
− die Änderung des Verhältnisses von Flüssigkeits- und Feststoffanteil,
− Luftblasen,
− das zeitlich veränderliche Verhalten der Oberflächenbenetzung oder
− chemisch- physikalische Oberflächenveränderungen durch Anlagerung von
Partikeln am schwingenden Element.

Bei Mehrphasensystemen kann der Einfluss der einzelnen Phasenanteile nicht
exakt bestimmt werden. Insgesamt muss eine Interpretation der Messergebnisse mit großer Sorgfalt vorgenommen werden.

• Rotationsrheometer
Zur Messung der Viskosität lässt man einen Messkörper in der Substanz rotieren. Die Kraft, die benötigt wird, um eine bestimmte Drehzahl zu halten, oder aber umgekehrt, die Drehzahl, die mit einem bestimmten Kraftaufwand erreicht wird, ist ein direktes Maß für die Viskosität des Produkts. Die Laminarität der Strömung am Meßsystem sollte gewährleistet sein, d. h. das Gerät sollte nicht direkt hinter einer Biegung der Rohrleitung eingebaut sein.
Diese Messmethode hat den großen Vorteil, dass die Vergleichbarkeit mit Labormessungen, aufgrund der gleichen Messmethode gegeben ist. Bei diesem Vergleich müssen natürlich Einflüsse wie Temperatur, Volumenstrom usw. berücksichtigt werden. Sogar das Arbeiten bei einer definierten Schergeschwindigkeit oder die Aufnahme einer Fließkurve ist möglich.

• Taumelkörper
Dies ist im Prinzip ein Rotationsrheometer, wobei der Messkörper relativ zur Messbecherwand schräg montiert ist, wodurch er eine Taumelbewegung ausführt. Die Bewegung des Messkörpers erzeugt eine Pumpwirkung im Messspalt, wodurch es zu einem schnellen Substanzaustausch kommen soll.
Werden in diesem System nicht Newtonsche Substanzen vermessen, sollte man bei der Auswertung des Messsignals berücksichtigen, dass durch die sich verändernde Breite des Messspalts ein Messsignal aufgenommen wird, das durch die elastischen Stoffeigenschaften beeinträchtigt sein kann.

• Kapillare
Teilweise werden zur Viskositätsbestimmung in Rohrleitungen auch Kapillaren verwendet. Hierzu bringt man diese als zusätzlichen „Auslass“ am Leitungssystem an.
Dem messbaren Druckabfall innerhalb der Kapillare kann ein Viskositätswert zuordnet werden. Diese Meßmethode ist immer mit Produktverlust verbunden.

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