Engler-Grad
Nicht-SI-Einheit der konventionellen Viskosität · Größe: der Fließwiderstand einer Flüssigkeit
Das Typenschild einer alten Zahnradpumpe verlangt nicht selten Öl «nicht zäher als 8 °E bei 50 °C», und wer an Centistokes gewöhnt ist, liest diese Zeile mit Befremden, denn hinter der Zahl steht kein physikalischer Sinn. Der Engler-Grad ist ein Verhältnis zweier Zeiten: wie viele Sekunden zweihundert Milliliter Flüssigkeit aus einem Messingbehälter durch eine geeichte Düse auslaufen und wie viele Sekunden dieselbe Füllung Wasser aus demselben Behälter braucht. Wasser ist deshalb per Definition gleich eins, und ein Öl, das achtmal langsamer fließt, erhält acht Grad.
Die Einheit ist so gebaut, dass das Gerät sich selbst als Normal dient, und das erklärt mit einem Schlag ihre Bequemlichkeit wie ihr Unglück: den Trichter konnte jedes Werkslabor herstellen, doch in Deutschland baute man ihn nach Engler, in Großbritannien nach Redwood, in Amerika nach Saybolt, und ein und dasselbe Erdöl erhielt drei unvergleichbare Zahlen. Zu den Centistokes gingen alle drei erst in der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts über, während die Schilder an Pumpen, Getrieben und Schwerölanlagen in der alten Weise beschriftet blieben, und man muss sie bis heute umrechnen.
01 · Definition
Der Engler-Grad ist das Verhältnis der Auslaufzeit von zweihundert Millilitern der zu prüfenden Flüssigkeit zur Auslaufzeit derselben Füllung destillierten Wassers bei zwanzig Grad Celsius, wobei beide Messungen an ein und demselben Gerät erfolgen. Die Zeit des Wassers nennt man Wasserwert; bei einem tauglichen Viskosimeter liegt er bei einundfünfzig Sekunden mit einer Toleranz von einer Sekunde.
Eine Beziehung zur kinematischen Viskosität besteht, doch sie ist nicht linear, und der Grund dafür ist durchaus physikalisch: die Flüssigkeit verlässt die Düse nicht allein durch zähe Reibung, sondern auch durch Trägheit, sodass ein Teil des Drucks in die kinetische Energie des Strahls geht. Solange die Flüssigkeit zäh ist, darf man die Trägheitskorrektur vernachlässigen, und der Grad rechnet sich fast proportional in Centistokes um; bei dünnflüssigen Medien dagegen wird die Korrektur der Messung selbst vergleichbar. Aus diesem Grund wendet man die Ubbelohde-Formel unter 1,35 °E nicht an, und den Engler-Trichter nimmt man für Flüssigkeiten dünner als fünf Quadratmillimeter je Sekunde überhaupt nicht.
Die Messtemperatur wird stets angegeben und geht gleichrangig mit der Zahl in die Aufzeichnung ein, denn die Viskosität eines Öls halbiert sich je zwanzig Grad Erwärmung. Die deutsche Praxis prüfte bei zwanzig, fünfzig und hundert Grad; die sowjetische, die dasselbe Gerät unter dem Namen konventionelle Viskosität übernahm, hielt sich häufiger an fünfzig und achtzig — und diese letzte Temperatur ging sogar in die Schwerölsorten ein, wo die Zahl in M-40 oder M-100 von der Viskosität bei achtzig Grad stammt.
Eine über ihr eigenes Gerät festgelegte Größe hat kein Normal im gewöhnlichen Wortsinn: reproduzierbar ist nicht die Viskosität, sondern das Paar «Behälter plus Düse», mit Wasser kalibriert. Daher sowohl die Forderung, den Wasserwert vor jeder Serie zu prüfen, als auch das Verbot, fremde Grade umzurechnen, wenn unbekannt ist, auf welchem Gerät und bei welcher Temperatur sie gewonnen wurden.
Erwärmen Sie die Probe mit dem Regler, und der Strahl aus der Düse läuft schneller: die Stoppuhr, und mit ihr der Engler-Grad, reagiert auf die Temperatur weit schärfer, als man erwarten würde. Die Säule links zeigt, wie lange zweihundert Milliliter brauchen, und die Zeilen rechts, wie ein und derselbe Zustand von vier verschiedenen Skalen gelesen wird.
Die durchgezogene Linie ist die wahre Abhängigkeit der Centistokes von den Graden, die gestrichelte die schlichte Proportion mit dem Faktor 7,31. Bei zähen Ölen, rechts der Senkrechten, fallen beide Linien fast zusammen; links, wo die Flüssigkeit leicht fließt, überschätzt die Proportion die Viskosität, weil der Strahl die Düse durch Trägheit verlässt. Die rote Marke bezeichnet jenen Bereich unter 1,35 °E, in dem die Messung schlicht nicht als zuverlässig gilt.
02 · Umrechnung
Geben Sie ein, was auf dem Typenschild steht
Alle konventionellen Skalen werden auf eine einzige kinematische Viskosität zurückgeführt, sodass die Umrechnung zwischen ihnen mechanisch ist; ihre Genauigkeit ist jedoch nicht absolut: Saybolt- und Redwood-Sekunden sind mit Centistokes durch ebenso genäherte Formeln verbunden, wie Ubbelohde sie für sein eigenes Gerät hergeleitet hat.
Der Wasserwert des Geräts steht in den Feineinstellungen des Blattes, denn von ihm hängt die Auslaufzeit unmittelbar ab: eine Sekunde Unterschied in der Kalibrierung ergibt etwa zwei Prozent im Ergebnis.
Eine Zahl ohne Temperatur lässt sich nicht umrechnen, und das ist keine Spitzfindigkeit: ein und dasselbe Öl ergibt etwa zwölf Grad bei fünfzig Grad Celsius und weniger als drei bei hundert. Steht auf dem Typenschild der Pumpe keine Temperatur, liest man voreingestellt fünfzig Grad für Industrieöle und achtzig für Schweröl — besser aber ist es, die Ausgabe der Norm zu finden, nach der das Schild erstellt wurde.
| Wert | Anmerkung | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Größenordnungen
logarithmische Skala: von Wasser bis Bitumen04 · Messgeräte
Womit Viskosität gemessen wird
Ein Messingbehälter im Wasser- oder Ölbad, unten eine kegelige Düse und ein Holzstopfen, den man gleichzeitig mit dem Start der Stoppuhr zieht. Zweihundert Milliliter werden in einem Messkolben aufgefangen, und das Gerät selbst wird vor jeder Serie mit Wasser kalibriert, da Düse wie Volumen mit der Zeit von den Sollwerten abweichen.
Der amerikanische Verwandte desselben Trichters: eine Düse anderen Kalibers, eine Füllung von sechzig Millilitern, und das Ergebnis nennt man schlicht Sekunden. Die Zahl fällt etwa dreißigmal größer aus als die Englersche, und in englischsprachigen Ölberichten begegnet sie bis heute, obwohl ASTM längst den Centistokes den Vorrang gegeben hat.
Ein Glasrohr mit zwei Marken, zwischen denen der Meniskus hindurchläuft: die Fallzeit wird mit der Kapillarkonstante multipliziert und ergibt unmittelbar Centistokes, ohne jede konventionelle Skala. Das Verfahren ist in ISO 3104 und ASTM D445 beschrieben, und es hat die Trichter verdrängt, da es einen Fingerhut Probe braucht und nicht davon abhängt, wessen Hand die Stoppuhr hält.
Eine Spindel wird in der Probe gedreht und das Moment an der Welle gemessen, sodass die Versuchsdauer nicht von der Zähigkeit abhängt und für Öl wie für Bitumen gleich ist. Der Rotor kann, was der Trichter nicht kann: er gibt die Schergeschwindigkeit vor, und nur an ihm zeigt sich, dass ein Schmierstoff mit Additiven bei schneller Scherung dünner wird.
05 · Schreibregeln
Ein Grad ohne Temperatur bedeutet nichts
Das Gradzeichen steht unmittelbar vor dem großen lateinischen Buchstaben, der Wert wird durch ein Leerzeichen abgetrennt, und die Messtemperatur wird stets angegeben, denn ohne sie lässt sich die Zahl weder prüfen noch umrechnen. Das sowjetische Zeichen der konventionellen Viskosität schreibt man kyrillisch und ebenfalls mit Temperatur; Grade jedoch mit einem Gleichheitszeichen den Centistokes gleichzusetzen, ist selbst im Entwurf unzulässig: die Beziehung ist genähert und einseitig.
Die zweite Schreibweise verwechselt die Größe mit dem Gerät, denn Viskositätsgrade gibt es nicht — es gibt ein Verhältnis von Zeiten, an einem bestimmten Trichter gewonnen. Die dritte setzt ein Gleichheitszeichen dorthin, wo eine Näherung hingehört, und liefert im Bericht daher falsche Genauigkeit. Die vierte ist schlicht unmöglich: unter 1,35 °E arbeitet das Verfahren nicht, und eine für eine so dünnflüssige Flüssigkeit gewonnene Zahl gibt nicht die Viskosität wieder, sondern die Trägheit des Strahls.
06 · Benachbarte Einheiten
Die nächsten Verwandten sind die übrigen konventionellen Skalen, genau gleich gebaut: die Auslaufzeit einer Füllung durch eine geeichte Düse, nur ist die Düse in jedem Land eine eigene. Sie alle laufen auf die kinematische Viskosität zu, und diese ist über die Dichte mit der dynamischen verbunden — und erst dieses Paar hat eine wirkliche Dimension und ein wirkliches Normal.
Wasser ist gleich eins
das Ergebnis unmittelbar in Sekunden
Redwood-No.-1-Sekunde
Von den Datenblättern von Simetrium stehen daneben Ölviskositätsklassen ISO VG und SAE, zu denen dieses Blatt das Gegenstück bildet, Poise und Stokes aus dem CGS-System, sowie Dichte in kg/m³, ohne die man von der kinematischen nicht zur dynamischen Viskosität gelangt.
07 · Historischer Teil
Drei Trichter dreier Länder
Carl Engler befasste sich mit der Erdölverarbeitung und brauchte eine Zahl, mit der sich die aus Baku und Pennsylvania eintreffenden Partien vergleichen ließen. Das Gerät baute er aus dem, was im Labor stand, und als Maß nahm er Wasser, denn es war jedem Kollegen zur Hand und verlangte keinerlei Tabellen.
Der britische Sachverständige Boverton Redwood und der amerikanische Ingenieur George Saybolt bauten jeder seinen eigenen Trichter, und keiner teilte die Zeit durch Wasser: sie nannten das Ergebnis unmittelbar in Sekunden. Der Gedanke hinter den drei Geräten war derselbe, die Düsenkaliber verschieden, und im Streit zwischen Lieferant und Käufer wurden daraus drei verschiedene Zahlen für einen Kesselwagen.
Als der Handel international wurde, kam die Unvergleichbarkeit der Skalen teurer zu stehen als ihre Bequemlichkeit, und die Normen gingen zur kinematischen Viskosität über, mit der Kapillare gemessen. Die deutsche DIN 51560 wurde zurückgezogen, ASTM behielt die Saybolt-Sekunden nur als Hilfsumrechnung, und die konventionelle Viskosität nach GOST 6258 hielt sich in der heimischen Praxis noch Jahrzehnte.
Viskosität wird heute mit Kapillare oder Rotor gemessen, aber Pumpen, Getriebe und Schwerölanlagen, die vor dem Übergang aufgestellt wurden, arbeiten weiter nach ihren eigenen Schildern. Ein Monteur, der «nicht zäher als 8 °E bei 50 °C» liest, rechnet das in sechzig Quadratmillimeter je Sekunde um und wählt das Öl dann nach der ISO-VG-Klasse — die Einheit lebt also nicht im Labor, sondern in den Papieren.
Ein Gerät, das sich selbst als Normal dient
Der Engler-Grad hat kein Normal im gewöhnlichen Sinne und kann keines haben, da die Definition nicht auf eine Naturkonstante verweist, sondern auf eine Bauart: ein Behälter dieses Volumens, eine Düse dieses Kalibers, eine Füllung von zweihundert Millilitern. Kalibriert wird daher nicht die Einheit, sondern das Gerät, und zwar mit Wasser — der einzigen Flüssigkeit, deren Auslaufzeit als bekannt gilt. Daraus folgt die ganze rituelle Seite der Messung: ein frischer Wasserwert vor der Serie, drei übereinstimmende Messungen, die notierte Badtemperatur.
Die Schwäche dieser Konstruktion zeigte sich genau dort, wo ihre Bequemlichkeit am größten war. Solange ein Werk seine eigenen Partien an seinem eigenen Trichter verglich, stimmten die Zahlen vorzüglich; sobald aber Partien zweier Länder verglichen werden mussten, stellte sich heraus, dass sie keine gemeinsame Größe hatten — nur drei Protokolle, zwischen denen nichts Besseres als eine genäherte Umrechnung möglich ist. Das Kapillarviskosimeter löste die Aufgabe, indem es der Messung ihre Dimension zurückgab: es liefert Quadratmillimeter je Sekunde, und die Kapillarkonstante wird an Referenzflüssigkeiten geprüft, nicht an der eigenen Vergangenheit.
Katalog · Maßeinheiten
Ein Datenblatt für jede Größe
Sieben SI-Basiseinheiten, zweiundzwanzig abgeleitete mit eigenem Namen und Größen außerhalb des Systems, ohne die weder Technik noch Kalender auskommen.