Druckwellen-Sensor misst Viskosität 19.03.2014, 15:24 Uhr

Mit Schall die Zähigkeit von Flüssigkeiten prüfen

Eine neue Messmethode für das Fließverhalten von Flüssigkeiten haben Forscher aus Österreich jetzt vorgestellt. Sie nutzen Schallwellen, um die Viskosität, das ist die Zähigkeit einer Flüssigkeit, zu bestimmen. Das Verfahren hat großes Potential zum Beispiel für die Lebensmittelindustrie, aber auch für die Humanmedizin.

Viskose und weniger viskose Flüssigkeiten:Honig und Wasser

Viskose und weniger viskose Flüssigkeiten:Honig und Wasser

Foto: TU Wien

Die Viskosität ist ein Maß für die Zähigkeit einer Flüssigkeit, je größer die Viskosität, desto dickflüssiger ist sie. Honig, Öl und Sahne haben eine größere Viskosität als Wasser. Es ist für viele industrielle Prozesse daher von enormer Bedeutung, genaue Informationen über dieses Fließverhalten von Flüssigkeiten zu erhalten. So lässt sich anhand der Viskosität eines Schmiermittels in einer Maschine eine Aussage darüber treffen, ob es noch seine Funktion erfüllt, oder ob es gewechselt werden muss. Das ist wichtig für die industrielle Qualitätskontrolle.

Druckwellen-Sensor als Prototyp vorgestellt

In einem Gemeinschaftsprojekt zwischen dem Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der Technischen Universität (TU) Wien, der Johannes Kepler Universität (JKU) in Linz und der Donau Universität Krems haben Wissenschaftler um Professor Franz Keplinger von der TU Wien jetzt den Prototyp eines Sensors vorgestellt, der diese Viskosität auf eine völlig neue Art bestimmen kann: mit Druckwellen.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
infraSignal GmbH-Firmenlogo
Projektleiter Steuerkabel (m/w/d) infraSignal GmbH
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Projektingenieur im Brückenbau für Neubau-, Ausbau- und Erhaltungsmaßnahmen (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Regensburg Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur (w/m/d) für die Projektleitung von Brücken und Ingenieurbauwerke Die Autobahn GmbH des Bundes
Nürnberg Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Abteilungsleiter (w/m/d) Konstruktiver Ingenieurbau, Lärmschutzbauwerke Die Autobahn GmbH des Bundes
Nürnberg Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur als Projektleiter (w/m/d) Planung Die Autobahn GmbH des Bundes
PFINDER KG-Firmenlogo
Produktentwickler (m/w/d) Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung PFINDER KG
Böblingen Zum Job 
Hitzler Ingenieur e.K.-Firmenlogo
Projektleiter im Bau-Projektmanagement (m/w/d) Hitzler Ingenieur e.K.
Düsseldorf Zum Job 
WTM ENGINEERS GMBH-Firmenlogo
BIM-Modeler (m/w/d) für den Bereich Ingenieurwasserbau WTM ENGINEERS GMBH
Hamburg, Kiel, Rostock Zum Job 
Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH-Firmenlogo
Master / Diplom in Physik oder Elektrotechnik als Vertriebsingenieur/in für Bereich Analytical (m/w/d) Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH
Herrsching am Ammersee Zum Job 
Ministerium für Wirtschaft, Verkehr, Arbeit, Technologie und Tourismus-Firmenlogo
Referentin/Referent (m/w/d) im Referat "Straßenbau" Ministerium für Wirtschaft, Verkehr, Arbeit, Technologie und Tourismus
Mercer Stendal GmbH-Firmenlogo
Betriebsingenieur Mechanik (m/w/d) Mercer Stendal GmbH
Arneburg Zum Job 
Hamburger Hochbahn AG-Firmenlogo
Techniker / Ingenieur Elektrotechnik Wartung / Instandhaltung (w/m/d) Hamburger Hochbahn AG
Hamburg Zum Job 
Städtisches Klinikum Dresden-Firmenlogo
Ingenieur (m/w/d) Technische Gebäudeausrüstung (TGA) Städtisches Klinikum Dresden
Dresden Zum Job 
Rohde & Schwarz Österreich GesmbH-Firmenlogo
Softwareentwickler (m/w/d) Embedded Systems Rohde & Schwarz Österreich GesmbH
Singapur, Stuttgart, Berlin, München Zum Job 
Carl Zeiss Meditec AG-Firmenlogo
Applikationsingenieur (m/w/x) Carl Zeiss Meditec AG
Carl Zeiss Meditec AG-Firmenlogo
Process Engineer (m/w/x) Carl Zeiss Meditec AG
Carl ZEISS MultiSEM-Firmenlogo
Entwicklungsingenieur Elektronik (m/w/x) Carl ZEISS MultiSEM
Oberkochen Zum Job 
Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR)-Firmenlogo
Ingenieurinnen und Ingenieure (w/m/d) in den Fachrichtungen Versorgungstechnik und Gebäudeautomation Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR)
Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR)-Firmenlogo
Ingenieurinnen und Ingenieure (w/m/d) in den Fachrichtungen Elektro- bzw. Nachrichtentechnik Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR)
GEBHARDT Fördertechnik GmbH-Firmenlogo
Entwicklungsprojektleitung Robotik & Lagerfahrzeuge (m/w/d) GEBHARDT Fördertechnik GmbH
Sinsheim Zum Job 

Der normale Weg der Viskositätsmessung ist die Bestimmung der Scherviskosität der Flüssigkeit. Dazu bewegt man eine dünne Platte durch die zu untersuchende Flüssigkeit, ganz so, als würde man mit der flachen Hand entlang einer Wasseroberfläche streichen. Dabei bewegen sich unterschiedlich weit von der Platte entfernte Flüssigkeitsschichten in Abhängigkeit der Viskosität der Flüssigkeit unterschiedlich schnell mit der Platte mit. Diese verschieden schnellen Bewegungen der Flüssigkeitsschichten bilden in der Summe dann den Viskositätskoeffizient der Scherviskosität.

Viskosität dämpft die Ausbreitung der akustischen Wellen

Alle Flüssigkeiten bringen aber noch einen zweiten Viskositätskoeffizienten mit – die sogenannte Druckviskosität. Diese Druckviskosität kann man messen, in dem man eine Platte in der Flüssigkeit vor und zurückbewegt. So werden akustische Wellen erzeugt, die sich in der Flüssigkeit ausbreiten. Die Viskosität der Flüssigkeit dämpft diese Ausbreitung. Je höher die Viskosität, desto stärker werden diese akustischen Wellen abgedämpft.

„Bisher hat man Viskosität meist mit großen, klobigen Instrumenten gemessen, die kompliziert zu bedienen und außerdem auch recht teuer sind“, sagt Franz Keplinger. Es gibt laut Keplinger zwar auch miniaturisierte Verfahren, die aber ganz entscheidende Nachteile mit sich bringen. „Man kann mikroakustische Strukturen in einer Flüssigkeit schwingen lassen – doch dabei regt man bloß Scherwellen an, die oft nur wenige hundert Nanometer tief in die Flüssigkeit eindringen“, erklärt Keplinger. Solche Messungen mit mikroakustischen Strukturen in der zu untersuchenden Flüssigkeit reagieren zudem äußerst empfindlich auf Verschmutzungen am Sensor. Die Wellen dringen möglicherweise erst gar nicht in die zu analysierende Flüssigkeit ein sondern messen bloß die Schmutzablagerung.

Ein Transmitter (Mitte) und zwei Receiver (oben und unten) messen die Druckwellenausbreitung in einer Flüssigkeitskammer und bestimmen so die Viskosität der Flüssigkeit.

Ein Transmitter (Mitte) und zwei Receiver (oben und unten) messen die Druckwellenausbreitung in einer Flüssigkeitskammer und bestimmen so die Viskosität der Flüssigkeit.

Quelle: TU Wien

Dazu gesellt sich noch ein ganz anderes, ein physikalisches Problem. Solche mikroakustischen Sensoren werden bei sehr hohen Frequenzen im Megahertzbereich betrieben. Und in diesem Frequenzband kann sich die Viskosität ganz anders verhalten als im Niederfrequenzbereich, an dem die Wissenschaftler eigentlich interessiert sind für die Bestimmung der Druckviskosität.

Druckwellen dringen tief in die Flüssigkeit ein

Die typische Eindringtiefe von Druckwellen in Flüssigkeiten beträgt hingegen mehrere Meter. Somit kann ein Druckwellensensor die Flüssigkeitseigenschaften über eine sehr viel längere Strecke hinweg untersuchen. Die Wissenschaftler um Keplinger begeben sich mit ihrem Druckwellensensor zur Messung der Druckviskosität auf absolutes Neuland, deren Messung „bisher noch nicht zur Anwendung gekommen ist“, wie Franz Keplinger weiß. Zum Einsatz kommen dabei Schallwellen, die sehr tief in die zu untersuchende Flüssigkeit eindringen. Und die Abschwächung, also die Dämpfung der Schallwellen, auf ihrem Weg durch das Fluid kann dann sehr genau gemessen werden, zum Beispiel indem man in einem Fluidresonator stehende Wellen untersucht.

Interessant zum Beispiel für die milchverarbeitende Industrie

Laut Keplinger hat ein auf das Prinzip der Dämpfung von Schallwellen im Fluid beruhender Sensor gleich mehrere Vorteile. „Das Prinzip ist sehr robust, lässt sich gut verkleinern und verspricht auch eine kostengünstige Herstellung.“ Es gibt eine ganze Menge von Anwendungsideen für Druckwellensensoren zur Viskositätsbestimmung von Flüssigkeiten. So könnte man sie direkt in Maschinen einbauen, um Flüssigkeitseigenschaften in Echtzeit zu messen.

Viele Bereiche der Nahrungsmittelindustrie sind äußerst interessiert an solchen direkten Methoden zur Viskositätsmessung. Eine sehr interessante Idee ist der Druckwellensensor etwa für die milchverarbeitende Industrie. Denn in dieser können typische Produkteigenschaften zum Beispiel von Sahne, Puddings oder auch Desserts glatt zerstört werden, wenn man ihr Fließverhalten nicht kennt.

Gelenkflüssigkeiten mit Druckwellensensor untersuchen

Auch für die Medizintechnik ist die Druckwellen-Viskositätsmessung von großem Interesse: Das interdisziplinäre Team um Franz Keplinger forscht bereits an der Frage, wie man mit miniaturisierten Druckwellen-Messgeräten winzigste Mengen von Gelenkflüssigkeit untersuchen kann. Noch ist das Zukunftsmusik.

Aber es gibt in der Humanmedizin noch eine ganz andere, eine viel wichtigere Flüssigkeit, bei der die genaue Kenntnis der Fließeigenschaften sogar überlebenswichtig ist: das menschliche Blut. Mit einem Tropfen Blut wird heute schon recht simpel der Insulingehalt bestimmt. Kennt man auch die Viskosität des roten Saftes, lassen sich Herzinfarkte sehr viel besser verhindern. Der Druckwellen-Sensor aus Österreich macht Mut.

 

Ein Beitrag von:

  • Detlef Stoller

    Detlef Stoller ist Diplom-Photoingenieur. Er ist Fachjournalist für Umweltfragen und schreibt für verschiedene Printmagazine, Online-Medien und TV-Formate.

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.