28-37 Online-Qualit−tskontrolle - Bauverlag

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chen bezüglich Dicke und Festigkeit qualitativ beurteilt. 4 Messprinzip und Aufbau des Online- Viskosimeters [8] Das Online-Viskosimeter der DMT, Essen, dient insbesondere zur Ermittlung der Fließeigenschaften von Stoffen, die ein ausgeprägtes nicht Newton’sches Verhalten aufweisen. Es besteht u. a. aus den Komponenten: ■ Förderpumpe mit diversen Rohrleitungen ■ Massenstrommessgerät ■ Druckverlustmessstrecke mit einem Differenzdruckaufnehmer ■ Elektronische Auswerteeinheit PC (nicht in Bild 5) Diese Komponenten können bedarfsabhängig unterschiedlich aufgebaut werden. Bild 5 zeigt eine Laborversion des Online-Viskosimeters. Für die Technikumsversuche wurde der Zyklonüberlauf direkt an die Schneckenpumpe angeschlossen. Zur Messung wird die Suspension bei laminarer Strömung durch die Druckverlustmessstrecke(Rohrleitung oder Schlauch) gefördert. Dabei werden die ParameterStrömungsgeschwindigkeit, Differenzdruck und Dichte kontinuierlich erfasst und regelmäßig abgespeichert. Um die nicht Newton’schen Fließeigenschaften zu ermitteln, wird diese Messung nacheinander bei verschiedenenStrömungsgeschwindigkeiten wiederholt. Die einzelnen Strömungsgeschwindigkeiten und Messzeiten sind dabei frei parametrierbar. Bild 6 zeigt die Bedienungsoberfläche des Online- Viskosimeters. Im linken Fenster ist der berechnete Druckverlust in der Förder- leitung (bar/100 m), im rechten Fenster sind mehrere Schaltfunktionen zur Bedienung des Online-Viskosimeters installiert. Im oberen Fenster (Bildmitte) befindet sich eine Auswahl (Schaltzeichen) mehrerer Fenster zur Darstellung der Messdaten und der Ergebnisse, die im mittleren Fenster eingeblendet werden. Als Beispiel dazu zeigt Bild 6 ein Fenster mit aktuellen Messwerten einschließlich der Prinzipskizze Qualitätskontrolle Quality Control 6 Bedienungsoberfläche mit aktuellen Messwerten 6 Operating panel with updated measurement values periods can be freely parameterized. Fig. 6 shows the operating panel of the Online Viscometer. The calculated pressure loss in the delivery line (bar/100 m) can be seen in the left window, the right one contains a number of switching functions for operating the Online Viscometer. In the upper panel (centre of picture) there is a selection (switch diagrams) of several windows for presenting the measure- 7 Bedienungsoberfläche mit zeitlichem Verlauf von Geschwindigkeit und Differenzdruck 7 Operating panel with time history of speed and differential pressure ment data and the results, which are displayed in the middle window. As an example Fig. 6 shows a window with the latest measurement values including the drawing showing the principle of the mechanical set-up of the Online Viscometer. Fig. 7 displays the result of such a measurement. In the middle window, one can identify parallel values rising in the form of a stepped curve for the flow speed (red) and the resultant differential pressure (green) during a time interval of approx. 50 to 250 s. From the stepped curve presented in Fig. 7 with the help of a special computing programme a random non-Newtonian flow law is obtained through pressure loss integrals and the parameters of the flow law approximately worked out with the aid of numerical error square sum minimisations. The outcome of this approximate calculation for instance, provides presentations of the flow curve (shear stress � as function of the shear rate �, the viscosity curve (apparent viscosity �s as function of the shear rate) and the flow law parameters (here the Herschel-Bulkley flow law with the parameters flow limit �0, consistency/dynamic viscosity k or �B and the structure exponent n) in Fig. 8. The defining measurement BM in this case quantifies the approximation quality and thus the suitability of the flow law in order to describe the investigated material behaviour. 5 Description of Test All measurements for the Online Viscometer test were carried out at the technical school test stand at the Chair for Environmental Process Engineering & Recycling [9]. A Tunnel 5/2003 33
des mechanischen Aufbaus des Online-Viskosimeters. Das Ergebnis einer solchen Messung zeigt Bild 7. Im mittleren Fenster erkennt man parallele, in Form einer Treppenkurve ansteigende Messwerte für die Strömungsgeschwindigkeit (rot) und den dabei gemessenen Differenzdruck (grün) in einem Zeitintervall von ca. 50 s bis 250 s. Aus der in Bild 7 dargestellten Treppenkurve werden dann mithilfe eines speziellen Rechenprogramms durch Druckverlustintegrale eines beliebigen nicht Newton’schen Fließgesetzes und mithilfe numerischer Fehlerquadratsummenminimierungen die Parameter des Fließgesetzes approximativ berechnet. Das Ergebnis dieser Approximationsrechnung sind u. a. die Darstellungen der Fließkurve (Schubspannung � als Funktion des Schergefälles �), die Viskositätskurve (scheinbare Viskosität �s als Funktion des Schergefälles) und die Fließgesetzparameter (hier Herschel-Bulkley-Fließgesetz mit den Parametern Fließgrenze �0, Konsistenz/dynamische Viskosität k oder �B und der Strukturexponent n) in Bild 8. Das Bestimmtheitsmaß BM quantifiziert dabei die Approximationsqualität und somit die Brauchbarkeit des Fließgesetzes, um das untersuchte Materialverhalten zu beschreiben. 5 Versuchsbeschreibung Alle Messungen zum Online-Viskosimetertestwurden am Technikums-Versuchsstand des Lehrstuhls für Umweltverfahrenstechnik & Recycling durchgeführt [9]. Als Aufgabematerial diente eine Bentonitsuspension (5 %), die zusätzlich 34 Tunnel 5/2003 Forschung + Praxis Research + Practice mit Kaolin (0–5 %) und Sand (0–5 %) angereichert wurde, um die Viskosität der Bohrspülung auf verschiedene Arten zu erhöhen. Aufgenommen wurden einerseits die Primärdaten spezifischer Druckverlust ∆p ∆l und Volumenstrom v˙ in der Messleitung und andererseits die von der Auswertesoftware ausgegebene dynamische Viskosität � und Fließgrenze �0. Es musste ein eigenes grafisches Auswerteverfahren entwickelt werden, um die DMT-Ausgabewerte zu überprüfen. Dieses Verfahren wird im Folgenden kurz vorgestellt: Buckingham [10] berechnete aus dem Kräftegleichgewicht an einem Fluidelement in einer Rohrleitung die resultierende Differenzialgleichung für Bingham’sche Fluide. Die Lösung dieser Differenzialgleichung ist die bekannte Buckingham- Gleichung (Gl. 1): [ ( ) ] �R4 ∆p 4 �0 1 �0 4 v˙ = 1– + 8� ∆l 3�w3�w Die Buckingham-Gleichung enthält sowohl die Primärmessdaten spezifischer Druckverlust ∆p ∆lund Volumenstrom v˙, als auch die Ausgabewerte Fließgrenze �0, Wandschubspannung �w und Viskosität �. Problematisch ist, dass die Messdaten zur Ermittlung der Viskosität und Fließgrenze �w nicht grafisch aufgetragen werden können, da diese Größen unbekannt sind. Eine grafische Auswertung von Gleichung (2) wird durch Umformung von Gleichung (1) und unter Beachtung spezieller Randbedingungen [9] möglich. Wird Gleichung (1) durch den spezifischen Druckverlust dividiert, so erhält man Gl. 2: 8 Bedienungsoberfläche mit Fließkurve, Viskositätskurve und Fließgesetzparametern 8 Operating panel with flow curve, viscosity curve and flow law parameters bentonite suspension (5 %), which was additionally enriched with kaolin (0–5 %) and sand (0–5 %) in order to increase the viscosity of the slurry in various ways, served as the feed material. Recorded on the one hand were primary data such as specific pressure loss ∆p ∆l and volumetric flow v˙ in the measurement line and on the other the dynamic viscosity � and flow limit �0 obtained from the evaluating software. A special evaluation method had to be developed to check the DMT output values. This method is briefly described in the following: Buckingham [10] worked out the resultant differential equation for Bingham fluids from the force equilibrium for a fluid element in a pipeline. The solution of this equation is the known Buckingham equation (Equ. 1). [ ( ) ] �R4 ∆p 4 �0 1 �0 4 v˙ = 1– + 8� ∆l 3�w3�w The Buckingham equation contains both the primary measurement data – specific pressure loss ∆p ∆l and volumetric flow v˙ as well as the output values – flow limit �0, wall shear stress �w and viscosity �. It is problematic that the measurement data for determining the viscosity and the flow limit �w cannot be displayed graphically as these parameters are unknown. A graphic evaluation of Equation (2) becomes possible through transforming Equation (1) and taking special marginal conditions into account [9]. If Equation (1) is divided by the specific pressure loss, one obtains Equ. 2: u R 2 4 �0 1 �0 4 = 1– + ∆p 8� 3 �w 3 �w ∆l is valid for ∆p � ∞ (Equ. 3) ∆l is valid for �w � ∞ (Equ. 4) This signifies that u R 2 � ∆p 8� ∆l [ ( ) ] (Equ. 5) is �0 = �w, so that the term within the square brackets vanishes, i.e. at the point, where the function intersects the abscise, �0 = �w.
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