Direkte Ermittlung des Geschwindigkeitsgradienten mit dem Ultraschall-Puls-Doppler-Verfahren zur Ermittlung der Fließfunktion von newtonschen und nicht-newtonschen Flüssigkeiten

Diplomarbeit von Thomas Wunderlich

Zusammenfassung:

Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden newtonsche und nicht-newtonsche Fluide mit einer akustischen Methode untersucht und ihre Fließkurven dargestellt. Durch das akustische Verfahren ist es möglich, die Meßdaten berührungslos und "On-Line" zu erfassen.

Für die Messungen wurde ein Gerät verwendet, das mit Ultraschall auf Basis des Doppler-Effekts Geschwindigkeiten mißt. Wird zusätzlich noch die Information Laufzeitlänge des Ultraschallpulses ausgewertet, so ist es möglich, eine Ortspositionierung der Geschwindigkeitsdaten vorzunehmen. Der Ultraschallsensor des Ultraschallmeßgerätes wurde unter einem Winkel beweglich an einem Kunstofirohr befestigt, und somit ein Ultraschallrheometer realisiert, das es erlaubt, bei Kenntnis des Druckabfalls in der Rohrmeßstrecke und gleichzeitiger Aufnahme eines Geschwindigkeitsprofils, Fließkurven zu ermitteln.

Zur Bestimmung der Fließkurven müssen die lokalen Scherraten bekannt sein. Um diese zu ermitteln wurde bisher die Steigung des Geschwindigkeitsprofils (= Scherrate) über die Steigung zwischen zwei Geschwindigkeitsmeßpunkten berechnet, die einen differentiell kleinen Abstand voneinander aufweisen. Der differentiell kleine Abstand wurde mit einer mechanischen Verschiebung des Sensors in radialer Richtung realisiert, um so die zusätzlichen Meßpunkte - zwischen den vorhandenen Meßpunkten - zu gewinnen. Diese Methode ist einerseits durch die mechanische Verschiebevorrichtung, die eine sehr präzise Fertigung im Mikrometerbereich verlangt, technisch sehr aufwendig und teuer; auf der anderen Seite ist dieses Verfahren stark fehlerbehaftet, denn die Meßpunkte der hintereinander aufgenommenen und um einen differentiell kleinen Abstand verschobenen Geschwindigkeitsprofile sind nicht miteinander korreliert - werden aber trotzdem zur Gradientenbildung herangezogen. Im Gegensatz dazu wird bei der neuen Vorgehensweise, die dieser Arbeit zu Grunde liegt, der differentiell kleine, radiale Abstand durch eine elektronische Verschiebung der Kanäle des Ultraschallmeßgerätes erreicht. Zusätzlich werden immer hintereinander zwei miteinander korrelierte, aber verschobene Einzelprofile aufge-nommen. Die Mittelung der Daten erfolgt erst nach der Differenzenbildung aus korrelierten Geschwindigkeitsmessungen.

Gang der Untersuchung:

Zu Beginn der vorliegenden Arbeit werden die Grundlagen des Meßverfahrens, wie der Ultraschall an sich, die laminare Rohrströmung und das Ultraschall-Puls-Doppler-Verfahren, vorgestellt. Danach wird näher auf den Versuchsaufbau und die Versuchsdurchführung eingegangen. Den größten Teil der Arbeit nimmt die Beschreibung der verschiedenen Methoden zur Viskositätsbestimmung und deren Beurteilung ein. Zum Schluß werden die für verschiedene newtonsche und nicht-newtonsche Fluide ermittelten Fließkurven dargestellt und diskutiert. Eine Gesamtbewertung der Ergebnisse und ein Ausblick auf mögliche weitere Entwicklungsschritte schließt die vorliegende Arbeit ab.

Inhaltsverzeichnis: