Viskositätssensoren

Department für Integrierte Sensorsysteme

Viskositätssensoren

Viskosität ist ein sehr allgemeiner Begriff mit verschiedensten Bedeutungen. Einerseits bezieht er sich auf das zähe Materialverhalten von Fluiden. Andererseits bezeichnet man damit auch eine Fülle von Materialparametern zur Charakterisierung des dissipativen Energieverlustes bei der Wellenausbreitung in viskosen oder viskoelastischen Fluiden. Die Viskosität eines Fluids und ihre Abhängigkeit von der Temperatur sowie der mechanischen Beanspruchung des Fluids ist ein Schlüsselparameter in unterschiedlichsten Bereichen wie Medizin (z.B. hämatokritische Analyse von Blut, Charakterisierung von Synovial Fluid im Zusammenhang mit Arthrose- und Rheumadiagnosen), der Lebenstechnologie (z.B. Prozessüberwachung zur optimalen Karamellisierung) und Kosmetiktechnologie (z.B. Qualitätskontrolle der Konsistenz und Stabilität von Pflegecremen), oder auch der Online-Zustandsüberwachung von Schmiermitteln (z.B. Ölalterung).

 

Im Bereich miniaturisierter Viskositätssensoren und Rheometer betreibt das DISS seit vielen Jahren eine intensive Kooperation mit dem Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik (IME) der Johannes Kepler Universität Linz. Gemeinsam wurde eine Vielzahl von unterschiedlichsten Sensoren designt, modelliert, gefertigt und evaluiert. Besonderes Augenmerk wird häufig auf kostengünstige, wegwerfbare Bauelemente gelegt, die optimal für den Einsatz in medizinischen Messstationen sowie im bio- und lebensmitteltechnologischen Bereich sind.

 

Scherviskometer und -rheometer

Hierbei handelt es sich um Bauelemente zur Charakterisierung der viskosen (und viskoelastischen) Eigenschaften von Fluiden gegenüber Scherbeanspruchung und ihrer Abhängig vom intrinsischen mechanischen Stress innerhalb des Fluids. Die am DISS und IME entwickelten Scherviskometer und –rheometer beruhen meist auf einem resonanten Funktionsprinzip, bei der Flüssigkeitsbelag an der Sensoroberfläche zu einer Änderung des elektromechanischen Resonanzverhaltens (z.B. Resonanzverschiebung, Amplitudendämpfung und Phasenverschiebung) des Sensors führt, welches Rückschluss auf die viskosen Scherverluste im Fluid erlauben. Dieser Typ von Bauelementen besitzt oftmals den Nachteil, dass sie im Mittel- oder Hochfrequenzbereich operieren und dadurch stark fehleranfällig gegenüber Verschmutzung der Sensoroberfläche sind.

 

Longitudinalviskometer und -rheometer

Diese Bauelemente charakterisieren die viskosen (und viskoelastischen) Eigenschaften von Fluiden gegenüber Druckbeanspruchung. Die kontinuierliche Vermessung der viskositätsbedingten Dämpfung von Druckwellen ist ein neuartiges und vielversprechendes Prinzip für zukünftige Systeme zur Fluidzustandsüberwachung (z.B. Schmierölqualität oder Emulsionszustand). Der bestimmende Parameter in diesem Zusammenhang ist die Longitudinalviskosität. Diese ist eine Überlagerung von Scher- und Dilatationsviskosität. Ein großer Vorteil dieses Sensorprinzips (im Vergleich zu resonanten Scherviskositätssensoren) ist, dass die zu vermessende Druckwelle sehr weit in das Messfluid eindringt und dort wechselwirkt, wodurch der Zustand im inneren der Flüssigkeit erfasst wird und nicht nur ein kleiner Randbereich nahe der Sensoroberfläche.

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