Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Flüssigkeiten untersuchen mit Druckwellen

17.03.2014

Von der Gelenksflüssigkeit im Knie bis zum Schmiermittel im Motor: Mit einem neuartigen Sensor, der in einem Gemeinschaftsprojekt zwischen der TU Wien, der JKU Linz und der Donau Universität Krems entwickelt wurde, kann man Flüssigkeiten mit akustischen Wellen untersuchen.

Honig fließt anders als Wasser. Die entscheidende Größe, die man benötigt, um das Fließverhalten von Flüssigkeiten anzugeben, ist die Viskosität – ein Maß für ihre Zähigkeit.


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

Nun wurde eine ganz neue Art von Sensoren entwickelt, die mit Hilfe von Schallwellen die Viskosität von Flüssigkeiten messen. So lassen sich wichtige Aussagen über die Flüssigkeit ableiten, zum Beispiel ob ein Schmiermittel in einer Maschine noch funktioniert oder schon gewechselt werden muss. Wichtig ist das für die Qualitätskontrolle in der Industrie, aber auch für medizinische Untersuchungen.

Scherwellen und Druckwellen

Normalerweise misst man Viskosität, indem man eine dünne Platte durch eine Flüssigkeit bewegt – und zwar entlang der Plattenebene, so als würde man mit der flachen Hand eine Wasseroberfläche entlangstreichen. Je nach Viskosität bewegen sich unterschiedlich weit von der Platte entfernte Flüssigkeitsschichten unterschiedlich schnell mit der Platte mit.

Diesen Viskositätskoeffizienten bezeichnet man als Scherviskosität. Allerdings haben Flüssigkeiten auch noch einen zweiten Viskositätskoeffizienten, der in Sensoranwendungen bisher seltsamerweise kaum Beachtung fand: Die Druckviskosität.

Die Druckviskosität misst man, indem man eine Platte vor und zurück bewegt – als würde man mit der flachen Hand auf die Wasseroberfläche schlagen. Dabei entstehen akustische Wellen, die sich in der Flüssigkeit ausbreiten. Je höher die Viskosität, umso stärker werden die akustischen Wellen abgedämpft.

Im Zuge des Forschungsprojekts, das vom FWF unterstützt wurde, untersuchte man zunächst das Konzept der Druckwellen-Viskositätsmessung mit Hilfe von Rechenmodellen und Computersimulationen, dann wurden daraus verschiedene Sensorkonzepte und optimale Rechenalgorithmen zur Messdatenauswertung entwickelt.

Neue Methode mit großen Vorteilen

„Bisher hat man Viskosität meist mit großen, klobigen Instrumenten gemessen, die kompliziert zu bedienen und außerdem auch recht teuer sind“, sagt Franz Keplinger. Zwar gibt es mittlerweile auch miniaturisierte Varianten, doch auch sie haben entscheidende Nachteile.
„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 Franz Keplinger.

Solche Messungen sind daher extrem empfindlich auf Verschmutzungen am Sensor – die Wellen dringen möglicherweise gar nicht in die zu analysierende Flüssigkeit ein sondern messen bloß die Schmutzablagerung. Außerdem werden solche Sensoren bei sehr hohen Frequenzen im Megahertzbereich betrieben, bei denen sich die Viskosität ganz anders verhalten kann als im Niederfrequenzbereich, an dem man eigentlich interessiert ist.

Die typische Eindringtiefe von Druckwellen hingegen beträgt mehrere Meter. Ein Druckwellen-Sensor kann also die Flüssigkeitseigenschaften über eine längere Strecke hinweg untersuchen. Die Abschwächung der Welle auf ihrem Weg durch das Fluid kann sehr genau gemessen werden, zum Beispiel indem man in einem Fluidresonator stehende Wellen untersucht.

Anwendungsideen für die Druckwellensensoren gibt es viele: Man könnte sie direkt in Maschinen einbauen, um Flüssigkeitseigenschaften in Echtzeit zu messen – etwa in der Nahrungsmittelindustrie. Aber auch für die Medizin ist die Druckwellen-Viskositätsmessung äußerst interessant: Das Team forscht nun an der Frage, wie man mit miniaturisierten Messgeräten winzigste Mengen von Gelenksflüssigkeit untersuchen kann.

Rückfragehinweis:
Prof. Franz Keplinger
Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme
Technische Universität Wien
Gusshausstraße 25-29, 1040 Wien
T: +43 (1) 58801 - 366 40
franz.keplinger@tuwien.ac.at

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.tuwien.ac.at

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Forscher entwickeln effizientere Systeme für Brennstoffzellen und Kraft-Wärme-Kopplung
19.04.2017 | EWE-Forschungszentrum für Energietechnologie e. V.

nachricht Forscher entwickeln Elektrolyte für Redox-Flow-Batterien aus Lignin aus der Zellstoffherstellung
18.04.2017 | Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie