Viskosität im Schnellverfahren bestimmen

13.01.2020

Zarter Schmelz fest im Griff Von zartcremig über lockerfluffig bis zähklebrig – bei Lebensmitteln gibt unser Mundgefühl zuverlässig Aufschluss über deren Konsistenz. Ausspucken oder runterschlucken?

Zarter Schmelz fest im Griff

Von zartcremig über lockerfluffig bis zähklebrig – bei Lebensmitteln gibt unser Mundgefühl zuverlässig Aufschluss über deren Konsistenz. Ausspucken oder runterschlucken? Diese Entscheidung treffen wir in Sekundenbruchteilen. Ähnlich schnelle unkomplizierte Entscheidungen wünscht man sich auch in der Industrie. In vielen Branchen sind Viskositätsprüfungen in der Produktion notwendig, um optimale Prozessparameter zu definieren und einzuhalten. Genau das leistet das neue Rotationsviskosimeter, das Brabender mit Hilfe eines bürstenlosen DC-Servomotors von FAULHABER realisiert hat.

Bei vielen Produkten ist die Viskosität ein wichtiges Qualitätsmerkmal oder ausschlaggebend für ihre Verarbeitbarkeit im Produktionsprozess. Viskositätsmessungen sind deshalb in vielen Bereichen sinnvoll, beim Wareneingang ebenso wie bei der Qualitätskontrolle, bei der Optimierung von Rezepturen oder auch zwischen einzelnen Produktionsschritten. Damit diese Analysen möglichst wenig Zeit in Anspruch nehmen und mit kleinen Probenmengen auskommen, hat Brabender mit dem ViscoQuick ein neues Rotationsviskosimeter entwickelt, mit dem eine Messung – abhängig vom Probenmaterial – nur etwa 10 Minuten dauert. Dabei genügen schon 5 bis 15 Gramm Probenmaterial (plus circa 100 bis 110 g Lösungsmittel). 

Gemessen wird das Viskositätsverhalten von unterschiedlichsten Materialien in Abhängigkeit von der Temperatur sowie Verkleisterungseigenschaften – wie zum Beispiel von Stärke. Die integrierte Heiz-/Kühlfunktion regelt die Temperaturen für unterschiedlichste Anwendungen. Der wiederverwendbare Messtopf aus Edelstahl ist auch für Säuren und Laugen geeignet. Das Messsystem wird über die MetaBridge Software gesteuert, die Messwerte können direkt ausgewertet und grafisch dargestellt werden. Die Software ist webbasiert und vernetzt nicht nur die Brabender-Geräte und ihre Messergebnisse, sondern auch ihre Benutzer. Mehrere Anwender können sich gleichzeitig einloggen und bequem ihre Daten austauschen – auf PC/Mac, Tablet oder Smartphone.

Unter dem Messtopf mit der Probe sitzt ein Motor, der das Paddel antreibt“, beschreibt Oleg Krawez, Systemarchitekt bei Brabender, die prinzipielle Funktionsweise des neuen Rotationsviskosimeters. „Verändert sich die Viskosität der Probe, verändert sich bei gleichbleibender Geschwindigkeit auch das Drehmoment des Antriebs. Wenn beispielsweise Stärke verkleistert und dem Paddel mehr Widerstand entgegensetzt, steigt also das Drehmoment.“

Lineares Drehzahl-/Drehmomentverhältnis

Um die Veränderungen zu bestimmen, wird am zweiten Wellenende des Motors das Drehmoment gemessen. Damit wird der Motor quasi zum Sensor, denn das Drehmoment erlaubt den Rückschluss auf die Viskosität. Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Motors muss deshalb für den Einsatz im ViscoQuick möglichst linear sein, vor allem im niedrigen Drehzahlbereich. Je nach Analyseaufgabe liegen die Drehzahlen zwischen 0 und 500 Umdrehungen pro Minute. Dafür galt es, den passenden Antrieb zu finden.

Nach ausführlichen Tests entschieden wir uns für einen bürstenlosen DC-Servomotor aus dem FAULHABER-Programm“, fährt Krawez fort. „Der Motor der Baureihe 4490 … BS erfüllt unsere Anforderungen in jeder Hinsicht; außerdem hatten wir bereits früher gute Erfahrungen mit den Antriebsspezialisten aus Schönaich gemacht.“ 

Motor

Der 2-polige Servomotor ist ein dreiphasiger Außenläufermotor mit breitem Drehzahl- und Drehmomentbereich. Die integrierten linearen Hallsensoren ermöglichen die geforderten niedrigen Drehzahlen. Der Motor arbeitet durch sein eisenloses Design rastmomentfrei, mit einem absolut linearen Verhältnis von Last zu Drehzahl, Strom zu Drehmoment sowie Spannung zu Drehzahl und bietet ein hochempfindliches Strom-/Drehmomentverhalten.  Diese Motoreigenschaften spiegeln sich in den Messergebnissen wider. Viskositäten lassen sich mit einer Genauigkeit von bis zu 0,5 cmg bei einem Messbereich von 0 bis 2.500 cmg bestimmen. 

 

Langlebig und kompakt

Weitere wichtige Forderungen an den Antrieb waren Langlebigkeit und kompakte Abmessungen. Der Motor soll schließlich über das gesamte Geräteleben zuverlässig funktionieren und sich zudem gut integrieren lassen. In beiderlei Hinsicht konnte der bürstenlose Servomotor überzeugen. Durch die elektronische Kommutierung hängt seine Lebensdauer hauptsächlich von der des Motorlagers ab und hier sind hochpräzise vorgespannte Kugellager eingesetzt, die ihre Zuverlässigkeit in den unterschiedlichen Anwendungsbereichen bewiesen haben. Gleichzeitig kamen die mit 44 mm Durchmesser und 90 mm Länge sehr kompakten Abmessungen des 282-Watt-Motors dem knappen Bauraum im ViscoQuick sehr entgegen, denn das Messgerät ist selbst sehr platzsparend konzipiert. „Wir waren deshalb froh, dass FAULHABER mit dem MCBL 3006 auch einen passenden, platzsparenden Controller im Programm hat“, freut sich Krawez. Mit seinen Abmessungen von 58 mm auf 65 mm entspricht die Grundfläche des perfekt auf den Motor abgestimmten Controllers etwa der Größe einer Scheckkarte; die Höhe beträgt lediglich 27 mm. Er kommuniziert mit der übergeordneten Steuerung des Viskosimeters über eine RS232-Schnittstelle; eine Ansteuerung über CANopen ist ebenfalls möglich. Die Kombination aus bürstenlosem DC-Servomotor und darauf abgestimmtem Controller hat sich im ViscoQuick bewährt und Brabender setzt die gleiche Lösung auch in weiteren Messgeräten ein, zum Beispiel im Amylograph-E, der ein zuverlässiges und reproduzierbares Bild der Enzymaktivität (Alpha-Amylase) in Mehlen und Schroten liefert. Auch hier werden Veränderungen des Drehmoments gemessen und automatisch in einem Amylogramm aufgezeichnet.