DE19963686C2

DE19963686C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Viskosität, Oberflächenspannung und Dichte

Info

Publication number: DE19963686C2
Application number: DE1999163686
Authority: DE
Inventors: Michael Breitwieser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-12-29
Filing date: 1999-12-29
Publication date: 2003-09-25
Anticipated expiration: 2019-12-30
Also published as: DE19963686A1

Description

Technisches Gebiet

Nahezu in allen Bereichen der Industrie, die sich mit der Herstellung oder Verarbeitung von flüssigen Produkten be fassen - von Ameisensäure bis Zahnpaste - werden besonders im Rahmen der Qualitätssicherung und Anwendungstech nik verschiedene Kennzahlen von Flüssigkeiten ermittelt um z. B. die Produktkonstanz oder Eignung sicherzustellen. So betreffen Produktspezifikationen, die Qualitätssicherungen zu prüfen und zu gewährleisten haben, oft mehrere Größen, deren Prüfung einen beträchtlichen Kostenfaktor darstellt. Die wichtigsten mechanischen Größen sind hier Dichte und Viskosität. Bei spezielleren Produkten, wie Reinigungs-, Pflege- und Anstrichstoffen oder Hilfsstoffe der Rohstoffge winnung und Oberflächenbehandlung, ist zusätzlich die Oberflächenspannung ein wichtiger Parameter. In vielen Fällen wäre es wünschenswert, diese und ggf. weitere, auch anwendungstechnische Größen, auf einmal erfassen zu können.

Während bisher Kennzahlen auf verschiedenen Messgeräten unter hohem Zeit- und Materialaufwand geprüft werden, ist es die Aufgabe der Erfindung, Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, die die Ermittlung verschiede ner Kennzahlen mit einem Messkörper, auf einem Gerät und in einem Arbeitsgang ermöglichen.

Stand der Technik

Die Bestimmung von Viskosität, Dichte und Oberflächenspannung erfolgt bisher, zumeist getrennt, auf vollkommen verschiedenen Geräten. Die heute üblichen Verfahren seien im folgenden kurz genannt: Die Dichte wird mittels Pykno meter (DIN 51757, Verfahren C), Schwingermethode, Auftriebsverfahren (DIN 51757, Verfahren B) oder Aräometern (DIN 51757, Verfahren A) gemessen. Die Zähigkeit von Flüssigkeiten wird mit Viskosimetern unterschiedlicher Funk tionsweise quantifiziert. Je nach Anforderung kommen z. B. Rotationsviskosimeter (DIN 53019), Kegel-Plattenviskosi meter/Rheometer, Kugelfall-, Ubbelohde-Viskosimeter oder Auslaufbecher (DIN 53211) zum Einsatz. Zur Messung der Oberflächenspannung wird im wesentlichen die Ring-, Bügel- oder Plattenmethode eingesetzt (DIN 53914, DIN 53993). Bei kommerziell verfügbaren Tensiometern ist teilweise auch der Einsatz als "Densimeter" (Dichtemessgerät) vorgese hen. Doch werden dabei Dichte und Oberflächenspannung nicht in einem Arbeitsgang gemessen.

Zur Prüfung mehrerer Größen flüssiger Produkte sind somit auch mehrere Geräte und/oder Arbeitsgänge notwendig. Dabei ist neben den Investitionen für einen Messgerätepark mitbedingt, dass jedes Gerät oder jede Einzelfunktion auch einen gewissen Wartungsaufwand verursacht. Das Verbringen der Prüfsubstanz zur Messung, sowie die Justierung bzw. Kalibrierung und Temperierung sind weitere Schritte, die zeitraubend sind. Darüber hinaus können sich Fehler einschlei chen, die dadurch bedingt sind, dass das Produkt sich zwischen den Prüfungen verändert, zufällig unterschiedliche Pro ben verwendet werden, oder einfach, durch unterschiedliche Temperierung oder verbundene Hystereseerscheinungen, Proben nicht im gleichen Zustand gemessen werden.

In neuerer Zeit sind nun auch Verfahren bekannt geworden, die es ebenfalls erlauben sollen, mehrere Messgrößen zu gleich zu bestimmen. In DE 197 37 924 A1 wird eine Messanordnung vorgestellt, die zugleich die Oberflächenspannung und Viskosität einer Flüssigkeit zu erfassen erlauben soll. Dabei wird ein hängender Tropfen der Prüfsubstanz mecha nisch zu Schwingungen angeregt. Vermutlich soll dabei die Oberflächenspannung aus der Tropfengeometrie ermittelt werden und die Viskosität aus der Energieaufnahme bzw. Dissipation bei der erzwungenen Schwingung. Vielverspre chend ist die in DE 198 04 326 vorgestellte Anordnung. Hier wird eine in eine Flüssigkeit ragende "Biegezunge" durch einen Piezoschwinger angeregt. Dabei hänge die Schwingfrequenz und die Dämpfung von der "Dichte bzw. der Visko sität" des Messmediums ab. Leider wird auch hier die konkrete physikalische Beziehung zur Messgröße nicht dargestellt. Daraus ist ggf. zu schließen, dass eine Praxisrelevanz im Sinne der Kennzahlenprüfung (noch) nicht gegeben ist.

Insofern heutige Messgeräte überhaupt über integrierte Datenspeicher für Ergebnisse verfügen, sind Rückgriffe auf frühere Messdaten, wenn überhaupt möglich, so doch schwieriger. Weil diese Problematik durch unabhängige Speicherverfahren von Resultaten in Auswerteeinheiten, üblicherweise in einzelnen Dateien, bedingt ist.

In der Literatur sind weitere, mehr oder weniger genaue, technisch aufwendige Lösungsansätze für die Bestimmung von Viskosität, Dichte und Oberflächenspannung zu finden: Die Offenlegungsschrift DE 27 09 698 A1 zeigt eine interessante, wenn auch komplizierte Möglichkeit auf, wobei ein Flüssigkeitstropfen durch amplitudenmodulierte Ultraschallwellen in der Schwebe gehalten wird und durch Amplitudenmodulation niederfrequent angeregte Eigenschwingungen gemessen werden. Viskosität, Dichte und Oberflächenspannung ergeben sich aus dem Vergleich mit den Frequenzverhalten einer Normierungsflüssigkeit. - Es mag ein Grundproblem der Präzision darin bestehen, dass etwa konstante Tropfenvolumina von Probe und Normierungsflüssigkeit praktisch kaum applizierbar sind. So hängt die mit einer "Holnadel" praktisch erzeugbare Tropfengröße bereits von der Oberflächenspannung ab. Die einzelnen zur Messung durchzuführenden Schritte, zeigen noch, dass die Bestimmung wohl mit einer Apparatur, jedoch nicht in einem Messablauf erfolgt. Doch besonders problematisch für die exakte Bestimmung ist die Temperaturfrage: Besonders Dichte und Viskosität sind äußerst temperaturabhängig; die eingetragene Energie wird stets zu einer mehr oder weniger höheren Temperatur am Bestimmungsort führen, die dort jedoch nicht genau gemessen werden kann und ggf. sogar inhomogen sein mag.

In JP 62036537 A wird eine Anordnung zur Bestimmung besagter Eigenschaften beschrieben, wobei ein Flüssigkeitsbehälter auf einer Waage steht und sich darüber eine hydraulisch betriebene und vertikal positionierbare Spritze befindet, die noch zwei Füllstandsensoren enthält. Die Viskosität wird bestimmt, indem die Spritze in den Behälter eintaucht und die Flüssigkeit hochgesogen wird. Die Dauer die das Hochsaugen zwischen den Füllsandsensoren benötigt, entspreche der Viskosität. Die Dichte soll sich an diesem Punkt aus der Gewichtsabnahme durch das abgesaugte Volumen im Flüssigkeitsbehälter ergeben. Die Oberflächenspannung soll aus der Tropfenmasse bestimmt werden, wobei aus der Spritze herabfallende Tropfen als Gewichtszunahmen im Flüssigkeitsbehälter detektiert werden. Dazu sei ein konstanter Überdruck in der Spritze durch ein Regelventil einzustellen. - Dieses Verfahren klingt recht plausibel und der technische Aufwand für diese Anlage ist zweifellos immens. Die Druckregelung der Spritze muss variabel und hochpräzise sein. Die Füllsandsensoren für Viskositäts- und Dichtebestimmung müssten extrem konstant anzeigen, auch bei unterschiedlichen Flüssigkeitsmeniski an der Zylinderwand der Spritze, da sich sonst mit der Güte der Wandungsbenetzung variierende Volumina ergäben. Bei der Dichtebestimmung durch Wägung des abgesogenen Volumens ißt eine Schwierigkeit - sofern die Spritze noch Kontakt mit der Flüssigkeit hat - deren Auftriebskorrektur und Benetzungskraft der Spritzenspitze zu berücksichtigen, bzw. - sofern die Spritze mit dem Erreichen des Füllstandes hochgezogen wird - wieviel Flüssigkeitsmenge außen an der Spritze anhaftet (die Dichte würde zu groß gemessen). Die Unwägbarkeiten durch viele technischer Komponenten, die selbst präzise und reproduzierbar funktionieren müssen, und dass das Messverfahren prinzipiell zuerst wohl noch auf die Flüssigkeitseigenschaften eingestellt werden muss (z. B. Druckregelung für Oberflächenspannungsmessung), die gemessen werden sollen und dann noch die zu bestimmenden Eigenschaften (praktisch) gar nicht genau bestimmt werden können, lassen dieser Möglichkeit kaum Aussicht auf Anwendbarkeit.

Das Patent US 4 674 322 stellt ein Verfahren und Vorrichtung zum besagten Zweck vor, wobei ein Körper, der an einer Spiralfeder befestigt ist, in der zu prüfenden Flüssigkeit untergetaucht wird, dann darin in vertikale Schwingung versetzt wird und schließlich soweit aus der Flüssigkeit herausgehoben wird, dass die Flüssigkeit teilweise abläuft. Über die relative Auslenkung der Feder, soll durch den Vergleich mit den Auslenkungen bei Standardflüssigkeiten und bei den entsprechenden Operationen, die jeweilige Eigenschaft bestimmt werden. Bei vollständig getauchtem Körper entspreche die Auslenkung der Dichte (Je geringer die Auslenkung - im Vergleich zur Standardflüssigkeit -, desto größer ist die Dichte v. v.). Über die Beobachtung der Dämpfung der Schwingung, in die der Körper zuvor versetzt wird, soll die Viskosität per Vergleich der Dämpfungskonstanten mit Standardflüssigkeiten erhalten werden. Die Endauslenkung der Feder, nachdem der Körper ein Stück weit aus der Flüssigkeit herausgezogen wurde, und die Flüssigkeit bis auf die bleibende Kontaktbenetzung abgelaufen ist, diene, wiederum im Vergleich mit Standardflüssigkeiten, der Messung der Oberflächenspannung. - Um zur Diskussion beispielhaft nur ein Detail herauszugreifen, die Oberflächenspannung - und gesetzt, es gäbe solche Federn konstanter Federhärte und entsprechend weitem linear-dynamischen Bereich und es gäbe entsprechende Methoden über die Zeit und Temperaturänderung reproduzierende Auslenkungen genau genug abzulesen, dann bleibt die Frage, wie sichergestellt werden soll, dass im Behälter ein jeweils absolut gleiches Flüssigkeitsniveau erreicht werden soll. Denn, ist das Niveau nur um Bruchteile von Millimetern verschieden, werden Meniskuskräfte durch die des Auftriebs überlagert, wodurch die Elongation sowohl durch die Dichte als auch die Oberflächenspannung bewirkt wird. Unklar bleibt, wie sichergestellt werden kann, dass die Prüfflüssigkeit den Körper oberhalb quasi trocken zurücklassen soll und dass die Benetzung der Flüssigkeit, zur Ausnutzung des Wilhelmy-Prinzips, in jedem Fall total ist. Die auseinandergesetzten technischen Lösungen, die in der Literatur gefunden werden konnten, sind für präzise Messungen der Flüssigkeitseigenschaften ungeeignet. Ihr Einsatz als Testungsgerät - sofern der beträchtliche Aufwand zu rechtfertigen ist - mag möglich sein, dürfte jedoch, wie anhand der Mängel gezeigt, für ernstzunehmende Messgeräte kaum in Frage kommen.

Es ist zu konstatieren, dass erhebliche Anstrengungen, unternommen wurden Viskosität, Dichte und Oberflächenspannung simultan zu messen. Und weil dies bisher offenbar nicht wirklich tauglich gelang, wird so nachdrücklich der hohen Wert der im Folgenden beschriebenen Erfindung unterstrichen. Worin eine lückenlos präzise Messtechnik beschrieben wird, die die technischen und theoretischen Probleme bei den bisherigen Versuchen löst. Die Erfindung ist sogar in mehrerlei Hinsicht üblichen Messgeräten für die Einzeldisziplinen (Viskosimeter, Tensiometer, Densimeter) technisch überlegen.

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäße Vorrichtungen und Verfahren erlauben die Bestimmung mehrerer physikalischer oder empirischer Größen in einem Arbeitsgang. Die quasi gleichzeitige Messung von Dichte, Viskosität, und Oberflächenspannung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Verfahren gewährleistet weitgehend einen kohärenten Zustand der Prüfsub stanz, besonders hinsichtlich Temperatur und Probenidentität. Nicht nur, dass das zeitraubende "Handling" der Prüfsub stanz reduziert wird, auch die, für die Bestimmungsmethode selbst notwendigen Parametereingaben zur Auswertung ent fallen: So ist für die Ermittlung der dynamischen Viskosität die Angabe der Dichte und ggf. der Oberflächenspannung in eine Auswerteeinheit nicht mehr notwendig. Es kann sogar auf eine Messung der Temperatur unter Umständen verzichtet werden, da diese sich aus anderen Messwerten ergeben kann. Fernerhin erlaubt die Ermittlung von Eigenschaftsprofilen der Prüfsubstanzen weitergehende Analysen in der Auswerteeinheit, die bis zu dezidierten Aussagen, beispielsweise über die Probenreinheit, führen. Genauso definieren n Kennzahlen einen n-dimensionalen Raum, in welchem ein Produkt sehr anschaulich beschrieben werden kann (2~n Spezifikationsgrenzen bei Qualitätssicherungssystemen). Datenbank techniken zur Speicherung verschiedenster Parameter der Messabläufe und Messkörper erlauben den flexiblen Einsatz verschiedener Messkörper und auf diese abgestimmte Messabläufe. Eine kompakte Archivierung und weitreichende Er gebnissicherheiten - besonders durch automatisierbare Vergleiche mit früheren Ergebnissen und Referenzdaten - wird durch die Speicherung der Versuchsdaten und Messwerte in einer Datenbank möglich.

Hinweis/Zeichnungen

"OViD-Messkörper" steht im nachfolgenden Text für einen erfindungsgemäßen Messkörper gemäß den kennzeichnenden Ansprüchen der Erfindung, zur Bestimmung von Oberflächenspannung, Viskosität, und Dichte sowie ggf. weite rer substratspezifischer und anwendungstechnischer Eigenschaften oder nur eines Teils dieser Werte oder einer anderen Kombination von Kenngrößen. "OViD-System" sei verstanden als die Geräte- und Methodengesamtheit der erfindungs gemäßen Vorrichtungen und Verfahren.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen OViD-Messkörpers. Die Einrichtung zur Messung der Viskosität besteht hier aus einer Röhre 4 mit angeschlossener Kammer 3 für die ein- oder ausströmende Flüssigkeit. Zur Messung der Dichte dient hier der gesamte Messkörper 1 bis 5. Und für die Oberflächenspannung eine zweiteilig zu sammengesetzte "Wilhelmy-Platte" 5. Als Bezugszeichen in Fig. 1 und Fig. 2 werden die Buchstaben A bis E zur Kenn zeichnung der Phasengrenzen, d. h. normalerweise zur Kennzeichnung der Flüssigkeitsoberfläche, benützt.

Ziffern als Bezugszeichen für körperhafte Teile sind in Fig. 1 und Fig. 2 identisch. In Fig. 2 sind die beispielhaften chronologischen Stadien des Verfahrens mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt: Hier wird die Grenzflächen spannung mit dem Berühren der Oberfläche (Phasengrenze) im Niveau B, die Viskosität beim Einlaufen in Niveaulage D, die Dichte mit dem Niveau E und die anwendungstechnische Größe "Auslaufzeit" bei Position A bestimmt. Mit Fig. 2 sind unter den, die Vorgänge versinnbildlichenden Abbildungen, die mit denselben Vorgängen verbundenen Krafteffekte dargestellt, wie diese besonders über die Aufhängung 1 gemessen werden können. Fig. 3 zeigt den Ablauf verknüpft mit einem datentechnischen Schema zur Funktionsweise des OViD-Systems. Die gegenseitigen Rückbezüglichkeiten von partikulärem OviD-Messkörper und einem Messprogramm, in der Bildmitte dargestellt, deuten die Notwendigkeit ausgefeilter Datentechnik, als Voraussetzung für das OViD-System an. Eingezeichnete Pfeile geben die Wirkbeziehun gen der Bestandteile an. Fig. 4 stellt die Beziehungen zwischen den Tabellen einer Datenbank für ein erstes Ausfüh rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messwertespeicherung dar. Darauf wird gegen Ende des Beschrei bungsteils eingegangen. Fig. 5 gehört zu dem Abschnitt "Beispiele", sie bildet den Zusammenhang von Messergebnissen und Tabellenwerten zur Viskosität als Diagramm ab.

Beschreibung

Der OViD-Messkörper besteht beispielsweise, wie in Fig. 1 dargestellt, aus einem dickwandigen Hohlzylinder 2, der nach unten hin kegelförmig ausgeführt ist und eine Röhre bzw. Düse 4 in der Kegelspitze enthält. Darunter ist eine, in diesem Fall, zweiteilige Wilhelmy-Platte 5 angebracht. Der Körper ist im Schwerpunkt befestigt. Ein Ausgleichsge wicht stellt ggf. die exakt horizontale Ausrichtung der Anordnung sicher.

Im Nachstehenden werden die Verfahren und grundsätzlichen Auswertemethoden für die Messung einer Prüfflüssig keit gegenüber der Luft mit dem OViD-System beschrieben.

Es wird die Oberfläche der Prüfflüssigkeit 7 im Behälter 6 soweit an den Messkörper angenähert, dass die Platte 5 gerade die Ober fläche berührt B. Die Flüssigkeit springt an die Platte 5, welche gemäß DIN 53914 die Funktion einer Wilhelmy-Platte übernimmt (Platin-Iridiumblech). Es tritt dabei die Kraft F_W auf, die über den Messkörper gemessen wird und der Ober flächenspannung, gemäß der Gleichung 1, entspricht:

γ: Oberflächen- ggf. Grenzflächenspannung der Prüfflüssigkeit (bzw. die Grenzflächenspannung zur mit dem Dampf der Flüssigkeit im Gleichgewicht stehenden Gasphase oder mit einer zweiten, leichteren, darüberliegenden flüssigen Phase im Lösungsgleichgewicht)
F_W: Kraft durch die Benetzung der Platte
I, b: Länge und Breite der Platte

Nach dem Erreichen der statischen Endkraft wird der, die Prüfflüssigkeit enthaltende Behälter 6 so weit gegen den OViD-Messkörper angehoben, dass das Flüssigkeitsniveau fast an den oberen Rand des Hohlzylinders 1 heranreicht C. Durch den hydrostatischen Druck wird die Prüfflüssigkeit durch die Düse 4 in den Hohlkörper 3 gepresst. Mit dem Ein fließen der Flüssigkeit und der dabei auftretenden Niveauveränderung ändert sich die Kraft, die über den OViD-Mess körper an 1 messbar ist. Die Kraft nimmt zum einen durch das Einströmen der Prüfflüssigkeit zu und zum anderen sinkt dadurch das Niveau in 6, womit das eintauchende Volumen geringer wird und folglich die Auftriebskraft abnimmt und das Gewicht zu. Eine Kraftänderung erfolgt solange auf, bis das Niveau im Hohlkörper 3 mit dem Flüssigkeitsniveau im Behälter um den OViD-Messkörper gleich ist - sofern die Fliesseigenschaften der Prüfflüssigkeit dies erlauben. Die An fangs- und Endmesswerte sind jedoch nicht ohne weiteres zur Berechnung verwendbar, da insbesondere die Randwinkel der Prüfflüssigkeit auf den Oberflächen von 2 und 6 stören. Im stabilen, quasistationären Zustand des Einfließens gilt für die messbare Kraftänderung bei zylindrischen OViD-Messkörpern und Behältern die Gleichung 2:

ΔF_η: gemessene Kraftänderung im stabilen Zustand über ein Zeitinkrement
ΔV: In den OViD-Messkörper bei ΔF einströmendes Volumen
Δρ: Dichtedifferenz der Phasen. Bei Messung an der Luft, die Dichtedifferenz zwischen der Prüfflüssigkeit und der Luft
g: lokale Fallbeschleunigung
r_a: Außenradius des OViD- Messkörpers, falls dieser einen kreisrunden Querschnitt hat
R: Innenradius des zylindrischen Gefäßes

Nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille ist die Viskosität, neben den Konstanten, die sich auf die Durchflusskapillare (entspricht der Düse 4) beziehen, dem darüber wirkendem Druck direkt und dem durchfließendem Volumen indirekt pro portional. Während das Volumen nach Gleichung 2 bestimmbar ist, ist der jeweils herrschende Druck vor der Nivellie rung der Niveaudifferenz mit Gleichung 3 definiert. Falls nicht zylindrische Körper (OViD-Messkörper/Behältern) in diesem Schritt wirken, muss ein anderer Ausdruck der Oberflächenverhältnisse eingesetzt werden - sonst gilt für den Ni veauunterschied Gleichung 4.

p_(t) Druck über der Düse zur Zeit t
H_(t) Niveauunterschied zur Zeit t
V_ges: Insgesamt, bis zur Niveaugleichheit ab dem Start der Messdatenaufnahme, eingeflossenes Volumen der Prüfflüssig keit.
V_(t): Eingeflossenes Volumen zur Zeit t
r_i Innenradius des OViD-Messkörpers
π: Ludolfsche Zahl, n = 3,1415 . . .

Im Prinzip gilt zur Bestimmung der Viskosität newtonscher Flüssigkeiten bei laminaren Strömungsverhältnissen Glei chung 5

η: dynamische Viskosität
C_η: Konstante der Anordnung, die unter anderem die Parameter r_k (Kapillarradius), l_k (Kapillarlänge) nach Hagen-Poi seuille in der Form 1/8.π.r_k ⁴.lk^-1 beinhaltet.

Konstante Faktoren und, die Abweichungen von der Idealgleichung werden in dem Parameter C_η zusammengefasst, der durch eine Kalibrierfunktion über den Mess- und Temperaturbereich definiert wird. Ferner sind die Gleichungen 2 bis 5 ggf. um gesondert zu bestimmende Faktoren zu erweitern, welche den gewöhnlich verschiedenen Vorrück- und Rück zugswinkeln der Prüfflüssigkeit an den Oberflächen von 2 und 6 Rechnung zollen.

Wird dann der OViD-Messkörper danach ganz eingetaucht E, so ergibt sich die Dichte der Flüssigkeit bei der jeweili gen Messtemperatur nach Gleichung 6

F_ρ ₁: Gewichtskraft des OViD-Messkörpers in der leichten Phase (normalerweise Luft)
F_ρ ₂: Gewichtskraft des OViD-Messkörpers untergetaucht in der Prüfflüssigkeit
V_OViD: Volumen des OViD-Messkörpers bei der Temperatur der Kalibrierung
κ: thermischer Raumausdehnungskoeffizient des OViD-Messkörpers
ΔT Temperaturunterschied von Messtemperatur und der Temperatur bei der Kalibrierung des OViD-Messkörpers zur Korrektur des wirklichen Volumens mit K.
C_ρ: Konstante, die das getauchte Volumen der Aufhängung des OViD-Messkörpers sowie die Meniskuskraft an der Pha sengrenze und den Temperaturgang als Volumenkorrektur, evtl. ebenfalls in Form einer Kalibrierfunktion, berücksich tigt.

Mit dem Herausziehen und Positionieren des OViD-Messkörpers A ergibt sich wieder ein Druck auf die Düsenkapil lare, unter welchem die Flüssigkeit ausfließt. Durch bestimmte Positionierverfahren können hier auch sehr geringe Schubspannungen bzw. Schergefälle verwirklicht werden, wodurch nicht-newtonsche Verhaltensweisen realer Flüssig keiten (Thixotropie, Strukturviskosität) beobachtet werden können (Position z. B. zwischen C und D, oder unter Positi onsnachführung auf Düsenhöhe). Darüber hinaus kann die Oberflächenspannung aus dem Tropfengewicht ermittelt wer den, falls die Düsenkapillare entsprechend gewählt wurde, und die Düse 4 genügend hoch über dem Flüssigkeitsniveau im Behälter steht, so dass es zu diskreten und einzeln abfallenden Tropfen kommt, die sich durch Treppen-Stufen im zeit lichen Kraftverlauf äußern. Der Zusammenhang ist mit Gleichung 7 gegeben:

γ = A.F_Tr.g Gleichung 7

A: Apparatekonstante
F_Tr: Gewichtskraft eines Tropfens beim Abreißen

Für eine Berechnung der Viskosität ist bei diesem Fall, der Positionierung, mit einer größeren Druckdifferenz als der hydrostatisch sich ergebenden zu rechnen, da eine Überlagerung mit der Oberflächenspannung auftritt. Dadurch ist auch denkbar, den Kraftverlauf als Überlagerung von Viskosität, Dichte und Oberflächenspannung beim Auslaufen, als Kraft- Zeit-Kennlinie einer bestimmten Flüssigkeit aufzufassen. Die Kraft-Zeit-Kurve kann z. B. als Regressionspolynom ausgegeben und/oder in der Auswerteeinheit gespeichert werden. Weiterhin kann in Analogie zum Verfahren "Auslaufbe cher" DIN 53211 ausgewertet und die Auslaufzeit als zusätzliche Kenngröße ausgegeben werden.

Das Prinzip der Messung oder Teile davon können in einem weiten Rahmen modifiziert und variiert werden. Zur Mes sung der Oberflächenspannung ist es unerheblich ob eine Wilhelmy-Platte, ein DeNouy-Ring oder ein Lenard-Bügel ein gesetzt werden. Die Platte, bzw. das Blech 5, kann durch ein anderes Material ersetzt werden, welches ebenfalls die ge forderte totale Benetzung mit der Prüfflüssigkeit erlaubt. Zu denken ist an andere Metalle und Legierungen, Glas-, Quarz oder Keramikmaterialien, deren Oberflächen ggf. aufgeraut sind. Es ist sogar denkbar hier Gewebematerialien oder Filz- bzw. Fließstoffe wie bei Filtermaterialien einzusetzen. Neben diesen direkten Kraftverfahren zur Messung der Ober- oder Grenzflächenspannung und der erwähnten Tropfenmassenmethode kann noch ein weiteres Prinzip zur Messung die ser Größe eingesetzt werden: Indem das definierte Plattenmaterial (oder auch das des Zylinders 2) ggf. in der Art genü gend hoher horizontaler Bändern ggf. mehrfach geändert wird und es dabei zu unterschiedlichen Kontaktwinkeln kommt, können polare und disperse Anteile der Ober- bzw. Grenzflächenspannung erfasst werden, indem aus dem je weils sich auf der Oberfläche einstellenden Kontaktwinkel rückgerechnet wird. Gleichung 8 definiert den Ansatz des po lar-dispers-Konzeptes:

γ = γ_p + γ_d Gleichung 8

γ_p: polarer Anteil der Grenzflächenspannung
γ_d: disperser Anteil der Grenzflächenspannung

Der Kontaktwinkel ist mit der bekannten Geometrie des OViD-Messkörpers und der genauen Position in der Flüssig keit, relativ zur Oberfläche, durch Berücksichtigung des Auftriebs für jede Höhenschichtlinie berechenbar:

cosΘ: Der Kosinus des Kontakt- oder Randwinkels.
F_Θ: Die Kraft, die durch den Kontaktwinkel hervorgerufen wird
u: Der Umfang des OViD-Messkörpers in der Oberfläche der Prüfflüssigkeit bzw. die Länge der Benetzungslinie
V_p: Das momentan eingetauchte Volumen des OViD-Messkörpers

Die Beziehung zu den differenzierteren Eigenschaften der Prüfflüssigkeit sind unter entsprechender Umkehrung der im Bereich der Grenzflächenphysik bekannten Verfahren und Auswertemethoden von Owens, Wendt, Rabel und Kaelble oder Souheng Wu oder Oss, Good und Chaudhury herstellbar.

Zonen auf dem OViD-Messkörper können auch durch Bestreichen mit Substanzen oder Lackieren oder durch Aufkle ben von Materialbändern erzeugt werden. Diese Variante kann für Hersteller von Anstrichstoffen zur Untersuchung ver schiedener Untergründe besonders interessant sein.

Die Oberflächenspannung kann noch durch ein weiteres Prinzip mit einem OViD-Messkörper ermittelt werden, und zwar durch die Methode der Steighöhe in Kapillaren. Mit dem Kontakt der Düse 4 in der Flüssigkeitsoberfläche, welche in diesem Fall aus einer, mehreren oder gar vielen Kapillaren entsprechender Länge besteht, wird die Flüssigkeit im Be netzungsfall in die Kapillare gezogen. Dabei ergibt die zu messende Endkraft bei bekannten geometrischen Verhältnissen die Oberflächenspannung der Flüssigkeit und die Dynamik, d. h. die Geschwindigkeit, mit der die Flüssigkeit in der Ka pillare steigt, die Viskosität oder eine weitere Beziehung zu derselben. In diesem Fall kann auf den Hohlraum des OViD- Messkörpers und ggf. auf die andere Einrichtung zur Messung der Oberflächenspannung (Platte 5) verzichtet werden. Auch mehrere einzelne oder Kombinationen der Elemente für die Einrichtung zur Messung der Grenzflächenspannung können eingesetzt werden. Wird zur Messung der Viskosität eines der üblichen Prinzipien mit rotierender Messspindel in einem Messbecher eingesetzt, wobei das Drehmoment und ggf. zusätzlich die Normalspannung zur Viskositätsberech nung verwendet werden, dann ist der Einsatz eines DeNouy-Rings oder eines Rohrstückes in Funktion der Wilhelmy- Platte, oder anderer, die Rotationskraft nicht irritierender Methoden, angezeigt.

Es kann dem unteren Düsen- bzw. Kapillareingang (zu 4) auch ein Volumenelement vorangestellt sein, um so die Dichte zu bestimmen ohne den ganzen OViD-Messkörper eintauchen zu müssen. Bei der Messung von Flüssigkeiten, die beispielsweise hinsichtlich einer der Messgrößen einen bekannten Temperaturgang haben, kann auf eine gesonderte Temperaturmessung verzichtet werden, d. h. die Temperaturbestimmung kann anhand des Messergebnisses erfolgen.

Auch ein beliebiger, aus einem oder mehreren bestimmten Materialien gefertigter Körper, z. B. eine einfache Platte, kann als OViD-Messkörper verwendet werden. Dabei wird die Oberflächenspannung oder der Kontaktwinkel und die Dichte wie beschrieben gemessen; die Viskosität ist dann, nach Positionsänderungen, z. B. aus der Geschwindigkeit der Kraftänderung durch das Abfließen von der Oberfläche zu ermitteln. Zusätzliche empirische Stoffkennzahlen können so ermittelt werden, dass ein flaches oder linsenförmiges Verdrängerelement im OViD-Messkörper eingesetzt wird, wo durch beim sukzessivem Tauchen in der Flüssigkeit, durch Auftriebsänderungen Dichtegradienten gemessen werden könnten; interessant für Optimierungsaufgaben an Formulierungen, die zur Separation neigen. Aus der Flüssigkeit gezo gene Oberflächen, können Flüssigkeit abdampfen oder aus dem umgebenden Medium Stoffe aufnehmen - beide Vor gänge sind ja mit einer zeitlichen Gewichtsänderung verbunden - und dienen damit zusätzlich zu einer weiteren Quali fizierung der Prüfflüssigkeit. Weiterhin kann die Aufhängung 1 z. B. quasi als Koben einer gasdichten Spritze ausführt sein, die den Zylinder dicht abschließt. Mit oder ohne Gaspolster zwischen Kolben und Flüssigkeit bzw. dem Boden des Zylinders 3 oder über der Behälteroberfläche, die durch eine Dichtung oder den OViD-Messkörper selbst abgeschlossen ist, können so Über- oder Unterdrücke aufgegeben werden und ebenfalls die Kraftänderungen über die Zeit verfolgt wer den.

Eine Möglichkeit das Volumenelement 2 des OViD-Messkörpers zu nutzen, besteht in der Möglichkeit, darin eine Temperaturregelung unterzubringen, die durch Batteriespeisung oder einer Strahlungsversorgung betrieben, zur Temperierung oder einfach zur Vermeidung von Temperaturgradienten beiträgt. Es kann günstig sein, den OViD-Messkörper mit mehren Röhren/Düsen 4 und ggf. entsprechend vielen einzelnen Einfließkammern einzusetzen. Solche Kammern können mit den Röhren aus einem Stück bestehen und mit dem Körper 2 verbindbar sein. Dienlich kann weiterhin sein, die Röhre, evtl. nach einem engen Teil, als Saugrohr, wie bei Hebern auszuführen (180° gebogenes Rohr).

Praktisch sind bauartbezogene Parameter des OViD-Messkörpers zum einen an die Fragestellung anzupassen, und zum anderen an die Möglichkeiten der übrigen Systemkomponenten. So wird bei einem empfindlichen Kraftaufnehmer der gesamte OViD-Messkörper entsprechend verkleinert ausfallen. Bei weniger empfindlichen Kraftaufnehmern ist es zur Steigerung der Empfindlichkeit sinnvoll, beispielsweise bei Verwendung einer Wilhelmy-Platte, diese entsprechend dimensioniert, d. h. lang, zu wählen (vgl. I, b in Gleichung 1). Vom Kraftmesser ist zu fordern, dass dieser einen mög lichst großen dynamischen Messbereich und besonders kurze Ansprechzeiten hat. Die Verwendung beispielsweise einer elektronischen Analysenwaage zur Kraftmessung ist denkbar, jedoch ist die zweckbedingt nicht optimierte Ansprechzeit bzw. "Einschwingzeit" ungünstig. Die praktische Verwendbarkeit des OViD-Messkörpers wird dadurch gesteigert, dass die Röhre 4 ein auswechselbares Teil im Körper 2 darstellt. Damit kann für verschiedene Viskositätsbereiche eine ent sprechende, auch kalibrierte, Röhre verwendet werden. Sinnvoll ist die Kombination von 4 und 5 in einem mechanisch fix oder auflösbar verbundenem Teil, um diese sensiblen Einrichtungen von 2 separat, insbesondere durch Ausglühen, reinigen bzw. konditionieren zu können. Für die Funktion von 4 und 5 wird Benetzung durch die Prüfflüssigkeit gefor dert, deshalb eignen sich hier auch besonders Materialien hochschmelzender Edelmetalle wie Platin, Iridium, Rhenium etc. und Legierungen, deren, der Prüfflüssigkeit zugewandte Oberflächen ggf. aufgerauht sein können. Die Elemente 4 und 5 von 2 getrennt, aber leicht verbindbar zu gestalten, ist umso mehr zu fordern, da der Körper 2 z. B. sehr vorteilhaft aus Fluorkunststoff, wie PTFE, angefertigt werden kann. Nun sollte die Oberfläche des (möglichst temperierbaren) Ge fäßes 6 im Idealfall aus dem gleichen Material gefertigt sein - bzw. die gleichen grenzflächenenergetischen Eigenschaften aufweisen - um mit der Prüfflüssigkeit berechenbare Kontaktwinkel in und um die Positionen D und C auszubilden, weil unterschiedliche Benetzungen mit daraus folgenden Druck- und Volumenauswirkungen die Berechnung, z. B. nach den Gleichungen 2, 3 und 4, erschweren würden. Ein Idealfall wäre gewissermaßen damit gegeben, dass die Oberflächen wirklich hochenergetisch sind und die Prüfflüssigkeiten niederviskos. Sowie (aus Symmetriegründen/Berechnungsme thoden) der Gesamtumfang von 6 und, in diesem Fall mehrerer Elemente entsprechend 3, gleich ist. Realiter sollten die Dimensionen des Gefäßes so sein, dass der OViD-Messkörper oberhalb der Oberfläche aber innerhalb des Gefäßes tem periert bzw. konditioniert werden kann. Eine entsprechende Abdeckung des Gefäßes sollte auch vorgesehen werden, um Einflüsse der Umgebung durch Gas- und Wärmeaustausch und Konvektionsströme zu mindern. Z. B. an ein Loch in solch einer Abdeckung zur Verbindung von 1 mit der Kraftmesseinrichtung ist zu denken. Die Verbindung mit der Kraft messeinrichtung gelingt im einfachen Fall über die Aufhängung 1, die Kräfte könnten auch über den Behälter 6 oder in einzelnen Verfahrensschritten, z. B. bei der Viskositätsbestimmung, aus exakten Niveaubestimmungen der Prüfflüssig keit in 3 und 6 gemessen werden. Nach Kräften in Position E, zur Messung der Dichte, wird mit Gleichung 6 ein C_ρ ein gesetzt, worin neben dem Anteil der getauchten Aufhängung auch eine Meniskuskraft berücksichtigt wird. Um die Me niskuskraft berechenbar zu halten, sollte bei Ausführungen der Aufhängung in diesem Teil, der die Oberfläche der Prüf flüssigkeit durchsticht, ebenfalls ein Draht oder Faden aus besonders hochschmelzenden Edelmetallen wie Platin, Iri dium, Rhenium etc. und Legierungen verwendet werden, damit dieser vor Messungen ausgeglüht werden kann. Bei ge ringeren Anforderungen an die Genauigkeit oder genügend hoher Empfindlichkeit durch ein entsprechend großes Volu men, kann auch ein anderes Material verwendet werden. Zur Messung Nicht-Newtonscher Ausprägungen der Viskosität, wie Thixotropie, Rheopexie, Strukturviskosität oder dadurch mitbedingter anwendungsstechnischer Eigenschaften, kann durch entsprechend rasche Positionierung, beispielsweise von E aus tiefer in das Medium, erreicht werden, dass die im zeitlichen Verlauf mit der Kraft gemessene Abnahme der Spannung durch das Einsinken des OViD-Messkörpers diese Eigenschaft erfasst wird.

Im Rahmen der Erfindung kann ein OViD-Messkörper "elektrisch gehoben" werden, wobei Kraftänderungen auch hierdurch verfolgbar sind, ohne dass eine mechanische Verbindung zu einer anderen Kraftmesseinrichtung bestehen müsste. Im Handbuch der Experimentalphysik Ed. W Wien, P Harms, Kapillarität und Oberflächenspannung, G. Bak ker, Akademische Verlagsgesellschaft m. b. h. Leipzig (1928) S. 148 ff. wird eine entsprechende Apparatur beschrieben (ibid. Fig. 65), wo der dort beschriebene Platinstreifen durchaus durch einen OViD-Messkörper ersetzt werden kann. Da es für das OViD-System gleichgültig ist, wie die Niveaupositionen A bis E erreicht werden, kann auch die Prüfflüssigkeit selbst durch entsprechende Maßnahmen, wie z. B. ein und auspumpen, entsprechend reguliert werden, um mit den ein zelnen Einrichtungen des OViD-Messkörpers entsprechend zu interagieren. Weil der technische Aufwand in jedem Fall relativ gewichtig ist, sollten folgende Aspekte, die den Aufwand nur noch unwesentlich vergrößern, nicht unerwähnt bleiben, zumal besonders auf atmosphärische und thermische Bedingungen bei physikalischen Messungen geachtet wer den muss:
Es bietet sich die Integration weiterer AD/DA-Schnittstellen (elektronische Analog-Digital und Digital-Analog- Wandler) im OViD-System an: zum Einen, zur Erfassung weiterer Meßgrößen, die die physikalische Integrität der Daten verbessern oder spezifische Einstellungen zulassen: mehrere Temperatursensoren (in und um das Medium), Luftdruck- und Feuchtesensoren und zum Anderen, Stellglieder, die diese Größen einzustellen erlauben. Vergleichsweise einfach und technisch üblich ist die Temperierung des Probenbehälters 6 bzw. einer Vorrichtung zur Aufnahme des Mediums, mittels eines von Heiz- Oder Kühlflüssigkeit durchströmten Mantels zu bewerkstelligen. Atmosphärische Bedingungen, wie bestimmte Luftfeuchten oder besondere Gasatmosphären oder Drücke können durch Einbringung der apparativen Messvorrichtung in sog. Gloveboxen oder Unter- oder Überdruckkammern erreicht werden. Dabei kann beispielsweise eine Analysenwaage zur Kraftmessung, die mit der Positioniereinheit kombiniert wird, mit entsprechender Verkabelung nach außen zur Steuer- und Auswerteeinheit, eingesetzt werden. Bei technischen Erweiterungen des OViD-Systems ist das, die Messung im ausgeführten Beispiel beeinträchtigende, mögliche Auftreten von Gasblasen, die am Messkörper haften und evtl. während eines Messvorgangs sich ablösen, ggf. zu optimieren. Um dieses Problem zu unterdrücken ist die OViD-Messkörperunterseite, wie in Fig. 1, kegelförmig oder gewölbt auszuführen und es könnte (ggf. zusätzlich) ein gut benetzbares Material verwendet werden. Unterstützend, als technische Maßnahme, kann der Probenbehälter 6 z. B. entsprechend einem Ultraschallbad ausgerüstet sein oder mit einem mechanischen Rüttler erweitert werden, wodurch Gasblasen abgetrieben werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt eine leistungsfähige Steuerungs- und Auswerteeinheit. Eine solche Anord nung wird heutzutage vor allem durch Software und PC (Rechner) in Verbindung mit entsprechend präzisen steuerbaren Positioniereinheiten und Kraftmesseinrichtungen realisiert. Eine Vorrichtung, die den steuerungstechnischen Rahmen für Messungen mit dem OViD-Messkörper zur Verfügung stellt, ist in DE 44 12 405 C2 beschrieben. Just bei der Pro grammierung von Messabläufen mit dieser Vorrichtung zur Ermittlung der Viskosität, tauchte der überraschende Ge danke auf, verschiedene Prinzipien der Bestimmung physikalischer Größen, die auf Kraft-Zeit-Messverfahren zurückge führt werden, in einem Messkörper zu vereinigen: dem OViD-Messkörper.

Die Komplexität der Steuer- und Auswerteaufgaben für das OViD-System überragen den heutigen Stand der Mess technik und Datenverarbeitung für Kennzahlen. Nicht zuletzt auch deshalb, da solche Vorrichtungen und Verfahren von durchschnittlich ausgebildeten Menschen bedient werden sollen, um einen praktischen Einsatz in den Labors zu ermög lichen. Ohnehin drängt sich dem technisch interessierten Menschen manchmal die Frage auf, weshalb es wohl anschei nend leichter ist einen Videorecorder zu bauen, als ihn zu programmieren? Dies als pars pro toto für einen Zusammen hang, der verallgemeinert so lautet: es kann wesentlich mehr technisch Sinnvolles hergestellt werden, als durch Men schen bedienbar ist. Daher erstreckt sich das Interesse des Schutzbegehrens auch auf die notwendigen Verfahren, die den zweckdienlichen Einsatz erst ermöglichen. Schlüsseltechnologie ist daher die Datenverarbeitung, also Software.

Die stets zu fordernde einfache Bedienbarkeit, ist ein frommer Wunsch, wenn nicht angezeigt wird, wie dies grund sätzlich zu bewerkstelligen ist. In Fig. 3 ist beispielhaft das Zusammenwirken des OViD-Systems in der Ablauf- und Da tenschicht dargestellt:
Zu Fig. 3: An einem gegebenem Medium, der Prüfflüssigkeit, sollen Stoffkennzahlen ermittelt werden, woraus sich die Aufgabenstellung für den Experimentator = Benutzer ableitet. Ein entsprechender OViD-Messkörper und ein passen des Messprogramm wird an der Steuereinheit (Benutzeroberfläche des PC) ausgewählt - am substanziellen Gerät wird entsprechend verfahren. Dabei ist es für die Steuerungsaufgabe, die im Messprogramm definiert ist, essentiell, welche Dimensionen der OViD-Messkörper (und der Behälter) hat, damit die Positionierung im Messablauf entsprechend erfol gen kann. Ebenso bedarf eine automatisierte Auswertung auch des Zugriffs auf die Parameter und Kalibrierdaten des OViD-Messkörpers. Messdaten selbst, wie Aufzeichnungen in Laborjournalen, werden bisweilen zur Klärung in Patent streitigkeiten verwendet. Ein modernes Messsystem sollte für damit gewonnene Daten in diesem Sinne Archivierungs mittel sein. Insbesondere da ein PC, oder eine Einrichtung in diesem Sinne, ohnehin beteiligt ist. Darum ist Rückverfolg barkeit, Schutz vor Manipulation und Sicherheit i. a. ein Ziel.

Eigentlich waren Rückbezüglichkeiten von Messkörpern und Messprogrammen der Ausgangspunkt der Idee hierfür Datenbanken zu verwenden. Überraschend war daraufhin die Erkenntnis, das bislang durch Unzahlen einzelner Ver suchsdatendateien verursachte Chaos auf dem Datenträger (Speichermedium, z. B. Festplatte) ebenfalls durch das glei che Mittel zu ordnen. So kam es zu einem neuen Konzept: Datenbanksysteme als integraler Bestandteil von Messverfah ren also Messgeräten!

Fig. 4 stellt in Form der Darstellung der Beziehungen zwischen den Tabellen einer Datenbank ein erstes Ausführungs beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messwertespeicherung dar. Die Stammdaten eines Versuchs sind in den Feldern der Tabelle "TStammDaten" abgebildet. Jeder einzelne Datensatz (Zeile der Tabelle) entspricht einer Messung. Der Index "ID" ist mit entsprechenden Detailtabellen "TProtokolle" und "TNiveau" verknüpft. Bei jeder Positionierung kann ein Datensatz in "TNiveau" angelegt werden, wobei neben der Position auch der Zeitpunkt des Erreichens dersel ben gespeichert wird. Dort gesammelte Messwerte (i. B. Kraft & Zeitpunkt) werden über den Index in "TNiveau" mit der Stammtabelle verbunden. Zudem Werden Steuerabläufe und Eingriffe des Benutzers in den Tabellen "TProtokolle" und "TMessprogramm" dokumentiert. Mit dieser Struktur werden alle Abläufe detailliert beschreibbar. Auf die übrigen Zu sammenhänge soll hier nicht weiter eingegangen werden, zumal die Pfeile in verständlicher Form die Art der Relationen angeben und die Tabellennamen und die Feldnamen in den Tabellen weitgehend (Datenbank-untypisch) selbsterklärend sind. Ebenso ergeben sich die notwendigen Datentypen der einzelnen Felder dem Fachmann aus der Struktur.

Für erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtungen kann beispielsweise ein System eingesetzt werden, welches aus PC, Steuerungs- und Positioniereinheit und elektronischer Analysenwaage besteht. Zusätzlich sind Einrichtungen zur Thermostatisierung der Prüf- und Messobjekte sinnvoll, um, neben einer thermisch stabilen Messumgebung, auch Mes sungen bei Temperaturen zu gestatten, die sich weit von der Raumtemperatur unterscheiden. Zur Bestimmung der Rela tivpositionen kann aus den bekannten Werten für die vertikale Position der Positioniereinheit (Hebetisch), Art des Flüs sigkeitsbehälters, Füllmenge, Messkörper und Länge der Aufhängung die Position der Flüssigkeitsoberfläche zum Mess körper berechnet werden. Einfacher ist jedoch die Ermittlung der Relativpositionen durch Lichtschranken oder Ab standssensoren oder, wie im Beispiel, indem der Messkörper in die Nähe der Flüssigkeitsoberfläche bewegt wird und die letzte Strecke durch Antasten über inkrementelle kleine Strecken erfolgt: Sobald der Messkörper die Oberfläche berührt ist ja eine Kraftänderung detektierbar.

Die Steuerung für den Messablauf ist softwaretechnisch in einen ausführenden und einen interpretierenden Teil ge trennt. Der interpretierende Teil übersetzt Anweisungsabfolgen, sog. Makros, in Steuerungsaufgaben, die der ausfüh rende Teil umsetzt. Damit sind Messprogramme möglich, die sich dynamisch auf spezifische Eigenschaften des Mess verfahrens bzw. Messobjektes einstellen. Wird beispielsweise anstatt der Wilhelmy-Platte ein Messring nach DeNouy eingesetzt, dann wird ja nicht im Berührpunkt der Oberfläche angehalten und die Kraft verfolgt, sondern es muss das Substanzspezifische Kraftmaximum mit dem Herausziehen des Rings gefunden werden können.

Dieser Ort der Maximalkraft ist evtl. mehrfach anzusteuern. Oder die Auswertung erfolgt auf Basis einer Sprungant wort des Messsystems. Die Software stellt daher modulare Funktionen dem Operator bereit, die in einem Makro verwen det werden können und beispielsweise bedeuten können: "Bewege den Hebetisch auf/abwärts mit der Geschwindigkeit x in Schrittweiten von y bis die Kraft kleiner wird"; "Suche die Position mit der Geschwindigkeit z auf, an welcher die kleinste Kraft gemessen wurde; "Messe die Kraft, bis innerhalb von x sec keine Änderung verzeichnet wird"; "Positio niere (die Messkörperunterkannte) y mm unter der Oberfläche und schalte währenddessen Kanal n (z. B. den Rührer) ein, gib ein akustisches Signal sobald die Position erreicht ist und schalte Kanal n aus; "Bewege automatisch (gemäß der er fahrenen Kraft/Weg-Kennlinie) so, dass die Kraft gleich bleibt, bis Bedingung A erfüllt ist" etc.

Zwar analysiert die Software zur spezifischen Auswertung die aufgezeichneten Daten und ermittelt probate Messwerte oder deren Verläufe - diese müssen jedoch nur in einem gewissen Umfang den Erwartungen der Auswerteroutine ent sprechen. Zusammen mit einer weiteren Softwarekomponente, die datenbankbasiert unter anderem auch verschiedene Messkörperdaten speichert, so dass deren Spezifika nicht mehr eigens angegeben werden müssen - es wird nur der Mess körper ausgewählt - ist der Weg eines Benutzers vom Messproblem zum Ergebnis ein einfacher und kurzer. Es wird dar auf geachtet, dass Programmteile entsprechend voneinander abgesetzt sind und endlich die Erstellung von Makros, die Auswertung und die Bedienung der Apparatur für Nicht-Programmierer ausgelegt ist. Alle Positions-, Kraft- und Zeit messwerte und u. a. ggf. auch die Positionier- und Steueranweisungen der die Software steuernden Makro-Befehle, so wie spezielle und allgemeine Angaben des Operators zum Gegenstand und Experiment, werden mit Vorteil in einer Da tenbank gespeichert. Dabei erzeugt ein Experiment einen Datensatz in der Stammtabelle. In der Stammtabelle sind dabei die Daten gespeichert, die je Experiment nur einmal auftreten, wie z. B. Versuchstitel, Datum, Prüftemperatur etc.; ver knüpfte Tabellen führen die Messwerte (Position, Zeit, Kraft u. a.), deren Anzahl nicht festgelegt ist. Datenbanktechni ken auch auf diesen Bereich der Datenverarbeitung auszuweiten, hat eine Reihe von beträchtlichen Vorteilen: Es sind versuchsübergreifende Auswertungen möglich, Übersichten und Vergleiche einfach zu erreichen, sowie statistische Un tersuchungen bis hin zu Methoden, die unter den Abkürzungen SPC- (Statistic Process Control) und LIMS- (Labor In formations- und Management System) bekannt sind, sehr leicht zu integrieren.

Für die Sicherstellung der Datenintegrität und zum Schutz vor Manipulationen werden alle nachträglichen Änderun gen an den Stammdaten datenbankgerecht aufgezeichnet, Änderungen der Messwerte (Detaildaten) selbst sind ausge schlossen. Versuchsergebnisse werden zusätzlich in pro Kennzahl separaten Datenbank(tabell)en gespeichert, die auch noch Referenzdaten aus verlässlichen Tabellenwerken enthalten. Damit können zur Auswertung Vergleichsdaten ausge geben werden, die zur Sicherheit und Einschätzung eines partiellen Ergebnisses beitragen.

Eine Versuchsauswertung zur Gewinnung der Größen Viskosität, Oberflächenspannung und Dichte erfolgt nicht not wendigerweise in der chronologischen Ordnung der Messdaten. Aber die aus Messwertebereichen gewonnenen Daten dienen zur Berechnung, Korrektur und Ergänzung der Übrigen. Im oben beschriebenen Vorgehen werden zuerst die Messdaten zu Dichte und Oberflächenspannung ausgewertet und dann, mit den hierbei erhaltenen Ergebnissen, die Vis kosität errechnet. Für die Kalkulation der dynamischen Viskosität ist ja die Dichte der Flüssigkeit ein notwendiger Wert.

Das nachfolgende Beispiel illustriert den Einsatz des OViD-Systems anhand einer Messreihe.

Beispiele

In einer elektronischen Analysenwaage mit Windschutz wurde im Wägeraum eine Positioniervorrichtung installiert. Eine Thermostatisierung des Probengefäßes, welches durch die Positioniervorrichtung bewegt wird, wurde, obwohl sehr wünschenswert, nicht verwendet. Der OViD-Messkörper war über die Aufhängung 1 mit einem Nylonfaden an einem Gerüst, mit der Waagschale mechanisch verbunden. Der verwendete OViD-Messkörper glich dem in Fig. 1 dargestellten weitgehend. Im Einzelnen bestand 3 aus Teflon (Höhe 33 mm, Außenradius r_a = 17,5 mm, Innenradius r_i = 11 mm, In nenhöhe 19 mm), 4 aus einem in 3 geschraubten Messingteil (Länge von 4, l_k ca. 10 mm, Radius von 4, r_k ca. 0.4 mm), 1 aus einem Querträger mit einem mittig angebundenem Nylonfaden. Anders als in Fig. 1 wurde für 5 eine einteilige, han delsübliche Wilhelmy-Platte ("Standardplatte" der Fa. Krüss GmbH, Länge, I = 19,9 mm, Breite, b = 0.2 mm, Höhe 10 mm, Platte und Befestigung aus Platin-Iridium) verwendet. Die Platte ist in deren Mitte durch einen Draht als Befe stigung gehalten (Lieferzustand). Dieser Draht wurde in eine genau passende Bohrung in 3 durch Hineinstecken befe stigt. Das Volumen des gesamten OViD-Messkörpers bis zur Eintauchtiefe E betrug 21,17 mL bei ca. 21°C. Als Gefäße 6 dienten zylindrische 100 mL Bechergläser (Innenradius R = 23,5 mm), die jeweils stets mit etwa 70 mL der Testflüssig keiten befüllt waren. Die verwendete Analysenwaage (Hersteller, Typ: Sartorius, BP 221 S) hatte einen Messbereich bis 220 g bei einer Auflösung von 0,1 mg. Die Fallbeschleunigung wurde mit 9,81 m/sec² im Programm angegeben und so in Berechnungen der Software eingesetzt.

Mit dieser Anordnung wurden fünf reine Flüssigkeiten niederer Viskosität untersucht: Hexan (Hersteller, Qualität: Sigma-Aldrich, Hexan 99+%), Toluol (Sigma-Aldrich, Toluol 99,8%), Isopropanol (Sigma-Aldrich, 2-Propanol 99.5+%), Formamid (Sigma-Aldrich, Formamid 99.5+%) und Wasser (Sigma-Aldrich, Wasser für die HPLC). Die Tem peratur wurde jeweils vorher der Messung mit einem elektronischen Einstichthermometer der Marke TempTec gemes sen. Versuche wurden in normaler, allerdings zigarettenrauchhaltiger, Zimmerluft durchgeführt.

Das Messprogramm ist in der pseudosprachlichen Weise, wie es mit der Software erstellt wurde, unterhalb abgedruckt und im Anschluss erläutert:

1. GANGKONTROLLE: Korrigieren
2. EINGABE an beiden. '<Messkörper vorbereiten und positionieren!!!<' Signal = Nein
3. NULLNIVEAU: 0,031 [mm] Zyklus, dF/dt = 0,/mN/sec] interaktiv.
4. MELDUNG: Jetzt Oberflächenspannung (Wilhelmy) . . ., Signal = Nein
5. KRAFT, DYNAMISCH: 0,0005 mN Kraftänderung in 1 sec mit 3 Wiederholungsmessungen
6. SONDERFUNKTION: Einsprungstelle bei Programmwiederholung
7. POSITION: NullNiveau mit 2,47 mm/sec
8. BEWEGUNG: 28 mm Aufwärts mit 1,47 mm/sec
9. MELDUNG: Jetzt Viskosität . . ., Signal = Nein
10. PAUSE: 001,0 [sec]
11. KRAFT, STATISCH: 1 Werte im Abstand 0,5 s aufzeichnen
12. PAUSE: 001,0 [sec]
13. SCHLEIFE: 2 Zeilen zurück, 150-mal, oder Krit.: /dF/ < 0.01 mN
14. BEWEGUNG: 8 mm Aufwärts mit 1,47 mm/sec
15. MELDUNG: Jetzt Dichte . . ., Signal = Nein
16. KRAFT, DYNAMISCH: 0,0005 mN Kraftänderung in 0,5 sec mit 1 Wiederholungsmessungen
17. POSITION: NullNiveau mit 2,47 mm/sec
18. BEWEGUNG: 14 mm Aufwärts mit 2,47 mm/sec
19. KRAFT, STATISCH: 1 Werte im Abstand 0,5 s aufzeichnen
20. PAUSE: 001,0 [sec]
21. SCHLEIFE: 2 Zeilen zurück, 150-mal, oder Krit.: /dF/ < 0.01 mN
22. POSITION: StartPosition mit 2,47 mm/sec

Dieses gespeicherte Messprogramm steuerte den Ablauf und die Akquisition der Daten. Die Bedeutung der Anwei sungen ist an sich selbstredend, soll aber dennoch in der Reihe des Erscheinens kurz erläutert werden.

1. GANGKONTROLLE: Korrigieren
Die korrekte Justierung der Positioniereinheit wird geprüft. Im Falle eines Fehlers wird dieser korrigiert (die Alternative wäre der Messprogrammabbruch)
2. EINGABE: an beiden. '<Messkörper vorbereiten und positionieren<' Signal = Nein
Aufforderung den OViD-Messkörper vorzubereiten (ausglühen der Wilhelmy-Platte) und in die Nähe der Flüssigkeits oberfläche mittels Steuerungstasten zu bewegen. Durch entsprechende Tasten am PC oder am Steuergerät (an beiden) übernimmt das Programm wieder die Steuerung.
3. NULLNIVEAU: 0,031 [mm] Zyklus, dF/dt = 0,01 [mN/sec] interaktiv
Der Berührpunkt der Platte in der Oberfläche wird durch Antasten mit Schrittweiten 0,031 mm ausgeführt. Die Oberflä che gilt als berührt, wenn eine Kraftänderung von mindestens 0,01 mN pro Sekunde registriert wird. Dieser Position ent spricht das Niveau B.
4. MELDUNG: Jetzt Oberflächenspannung (Wilhelmy) . . ., Signal = Nein
Ausgabe einer beliebigen Meldung, ohne akustisches Signal.
5. KRAFT, DYNAMISCH: 0,0005 mN Kraftänderung in 1 sec mit 3 Wiederholungsmessungen
Anweisung, solange Kraftmesswerte im Abstand einer Sekunde zu sammeln, bis die Kraftänderung drei mal hinterein ander unter 0,005 mN bleibt.
6. SONDERFUNKTION: Einsprungstelle bei Programmwiederholung
Für wiederholte Messungen der Dichte und Viskosität . . . Im Beispiel nicht relevant.
7. POSITION: NullNiveau mit 2,47 mm/sec
Positionierung in Niveau B - nur nach Wiederholung . . . Im Beispiel nicht relevant.
8. BEWEGUNG: 28 mm Aufwärts mit 1,47 mm/sec
Aufwärtsbewegung des Gefäßes, also der Flüssigkeitsoberfläche gegen den Messkörper um 28 mm mit der Geschwin digkeit von 2,47 mm pro Sekunde. Dieser Position entspricht das Niveau D.
9. MELDUNG: Jetzt Viskosität . . ., Signal = Nein
Ausgabe einer Meldung, ohne akustisches Signal.
10. PAUSE 001,0 [sec]
Wartezeit, wegen der Einschwingzeit der Kraftmessung durch die Waage
11. KRAFT, STATISCH: 1 Werte im Abstand 0,5 s aufzeichnen
Anweisung einen Messwert aufzuzeichnen.
12. PAUSE 001,0 [sec]
Wartezeit, weil nicht so viele Messwerte gebraucht werden.
13. SCHLEIFE 2 Zeilen zurück, 150-mal, oder Krit.: /dF/ < 0.01 mN
Zurück zum Befehl 11 und zwar sooft, bis der Unterschied zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messwerten kleiner als 0.01 mN ist oder 150 mal ein Messwert aufgezeichnet wurde.
14. BEWEGUNG: 8 mm Aufwärts mit 2,47 mm/sec
Aufwärtsbewegung des Gefäßes, also der Flüssigkeitsoberfläche gegen den Messkörper um 8 mm mit der Geschwindig keit von 2,47 mm pro Sekunde. Dieser Position entspricht das Niveau E.
15. MELDUNG: Jetzt Dichte . . ., Signal = Nein
Ausgabe einer Meldung, ohne akustisches Signal.
16. KRAFT, DYNAMISCH: 0,0005 mN Kraftänderung in 0,5 sec mit 1 Wiederholungsmessungen
Anweisung, solange Kraftmesswerte im Abstand einer halben Sekunde zu sammeln, bis die Kraftänderung einmal unter 0,0005 mN bleibt.
17. POSITION: NullNiveau mit 2,47 mm/sec
18. BEWEGUNG: 14 mm Aufwärts mit 2,47 mm/sec
Anweisung, wie gehabt mit Positionierung etwa im Niveau A. Das Programm fasst die Strecken der Befehle 17. zum Be rührpunkt und 18. darüber hinaus automatisch in einer Bewegung zusammen, wenn gleiche Geschwindigkeiten vorge schrieben sind.
19. KRAFT, STATISCH: 1 Werte im Abstand 0,5 s aufzeichnen
20. PAUSE: 001,0 [sec]
21. SCHLEIFE: 2 Zeilen zurück, 150-mal, oder Krit.: /dF/ < 0.01 mN
22. POSITION: StartPosition mit 2,47 mm/sec

Mit den Befehlen 19. bis 21. werden die Daten für die Auslaufzeit gemessen. Befehl 22 führt zur Positionierung des OViD-Messkörpers in der Niveaulage des Beginns. Die Fig. 2 stellt übrigens den Messverlauf hinsichtlich von Kraft und Zeit für die Messung von Formamid dar. Die fetten Punkte repräsentieren darin einzelne Messwerte, die Verbindungsli nien zwischen den Blöcken zeigt indirekt die Zeit der Positionierbewegungen an.

Ergänzend ist noch hinzuzufügen, dass jeder Kraftmesswert eindeutig mit einem Zeitmesswert und zugeordneter Po sitionsangabe datenbankgerecht gespeichert wurde. Auch jede Position, gleichgültig, ob bei dieser Kraftmesswerte ge wonnen wurden, wurde zusammen mit dem Zeitpunkt des Erreichens derselben abgespeichert. In Fig. 4 ist die hierbei konkret verwendete Datenbank anhand der Tabellen und Relationen dargestellt. Ein Abdruck aller Rohmesswerte er scheint nicht weiter zweckdienlich. Nachfolgende Tabelle gibt die für die Bestimmung der Grenzflächenspannung und Dichte verwendeten Messwerte an. In beiden Fällen sind dies die in der Position zuletzt gemessenen Werfe. Nach Glei chung 1 wurde daraus die Grenzflächenspannung und nach Gleichung 6 die Dichte berechnet. In Gleichung 6 wurde von der Software dabei, wegen nicht bestimmtem K der Term "κ.ΔT", übergangen; Das Korrekturvolumen C_ρ wurde in der Software jeweils aus der Korrekturangabe "1 mg" errechnet. Die Tabelle 1 gibt weiterhin die gemessene Temperatur bei Versuchsbeginn an sowie die Identifikationsnummer des Versuchs in der Datenbank.

Tabelle 1

Die Flüssigkeiten standen vor den Versuchen bereits einige Zeit an der Luft und wurden zuvor bereits verwendet und evtl. verunreinigt, woraus die beträchtliche Abweichung bei der Oberflächenspannung von Wasser zum Literaturwert (72 mN/m) ggf. erklärbar ist.

Die Berechnung zur Viskosität wurde behelfsweise mit einem Tabellekalkulationsprogramm, in welches die Messda ten importiert wurden, durchgeführt.

Gemäß den Gleichungen 2 bis 4 wurden die Messwerte umgerechnet. In gleichen Druckbereichen der Einzelflüssig keiten (10 bis 5 [Einheit: 100 gcm^-1sec^-2]) wurden die Steigungen für den Ausdruck P.t/dV (zur Ermittlung von C_η in Gleichung 5) bestimmt. Tabelle 2 zeigt die dafür erhaltenen Zahlenwerte und die mit der linearen Approximation für C_η ermittelten Viskositäten. Als "anwendungstechnische Kennzahlen" sind in Tabelle 2 noch die Auslaufzeiten (recht par allel zu Viskositätswerten), nach den oben besprochenen Programmkriterien, sowie die Restmengen verbleibender Flüs sigkeit am OViD-Messkörper angegeben.

Tabelle 2

Fig. 5 zeigt in einem XY-Diagramm die Darstellung der erhaltenen Werte gegen Tabellenwerte der Viskosität bei 25°C.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung von Viskosität, Ober- bzw. Grenzflächenspannung und Dichte eines flüssigen Mediums in einem Arbeitsgang umfassend einen Messkörper und eine Vorrichtung zur Bestimmung der auf diesen Messkörper beim Eintauchen, Halten oder Herausziehen in das, in dem oder aus dem zu untersuchende(n) Medium wirkenden Kräfte, wobei der Messkörper einen Hohlraum (3) und eine Öffnung (4) enthält, durch die das zu untersuchende flüssige Medium strömen kann, oder der Messkörper ohne entsprechenden Hohlraum (3) aufgebaut ist, wobei das zu untersuchende flüssige Medium über die Oberfläche des Körpers fließen kann und wobei zur Messung der Ober- bzw. Grenzflächenspannung die Oberfläche einen Ring, oder ein Platte (5), oder Bügel, oder eine oder mehrere Kapillaren enthält, in die die zu untersuchende Flüssigkeit gesogen werden kann oder aus der bzw. aus denen sie austropfen kann.

2. Verfahren zur Bestimmung von Viskosität, Grenzflächenspannung und Dichte eines flüssigen Mediums in einem Arbeitsgang unter Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Eintauchen/Einsinken des Messkörpers in das zu untersuchende flüssige Medium auf diesen Messkörper wirkende Kräfte erfasst werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Herausziehen des Messkörpers aus dem zu untersuchenden flüssigen Medium auf diesen Messkörper wirkende Kräfte erfasst werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bei und nach dem Positionieren des Messkörpers unter, in und über der Oberfläche (7) des zu untersuchenden flüssigen Mediums auf diesen Messkörper wirkende Kräfte erfasst werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das zu untersuchende Medium eine Flüssigkeit, eine Schmelze, eine echte oder kolloidale Lösung, eine Paste, eine Suspension, eine Emulsion oder ein Schaum ist.