DE1673024A1 - Einrichtung zur Analysierung und Produktionssteuerung eines teilchenfoermigen Stoffes - Google Patents

Description

Rank Xerox Limited
Rank Xerox House
558, Euston Road
London, N.W. 1
England

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

Einrichtung zur Analysierung und Produktionssteuerung eines teilchenförmigen Stoffes

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Steuerung der Größe und Verteilung eines teilchenförmigen Stoffes sowie insbesondere auf eine Einrichtung zur Prüfung, Analysierung und Regulierung der Teilchengröße während der Verarbeitung des Stoffes.

Wird ein Pulver oder ein teilchenförmiger Stoff in einer Strömungsmühle o.a. hergestellt, so wird er im allgemeinen in Einzelmengen gesammelt und gelagert, die bis zum Zeitpunkt ihrer Jeweiligen Prüfung unverändert bleiben. Die Aufbewahrung des Produktes während dieses Testzeitraumes erhöht die Kosten der Verarbeitung und Lagerung und verhindert die Anwendung eines

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kontinuierlichen Verfahrens. Es wurden bereits sorgfältig ausgearbeitete Prüfverfahren für Teilmengen vorgeschlagen, bei denen zur Bildung einer repräsentativen oder echten Probe Teile verschiedener Anteile einer Teilmenge gemischt werden müssen. Unabhängig von dem gewählten Mischverfahren kann die erhaltene Probe nur die tatsächliche Größe und Verteilung des teilchenförmigen Stoffes einer Teilmenge angeben, üex· Bereich der Größen und die Verteilung der Teilchen einer Jeden Teilmenge ist niemals echt zu bestimmen, da sich die Prüfung auf einen sehr kleinen, willkürlich.ausgewählten Teil der Gesamtmenge bezieht.

Ferner tritt zwischen der Herstellung und der Entdeckung fehlerhafter Stoffe bei der Teilmengenprüfung eine starke Zeitverzögerung auf. Während dieser Zeit können große Mengen fehlerhaften Stoffes erzeugt werden, die kommerziell nicht au nutzen si .^. Das Fehlen jeglicher Korrekturinformation innerhalb eines angemessenen Zeitraumes resultiert in einer unnötigen Verteuerung der Herstellungskosten infolge Ausschuß und nochmaliger Verarbeitung des Materials.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine verbesser te Einrichtung zur Regulierung der Größenverteilung eines teilchenförmigen Stoffes zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch, eine Einrichtung zur kontinuierlichen Ableitung einer repräsentativen Probe eines teilchenförmigen Stoffes mit vorgegebener Strömungsgeschwindigkeit aus einer

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Vorratsinenge dieses Stoffes. Diese Einrichtung zeichnet sich gemäß der Erfindung aus durch eine Millkammer mit zwei nebeneinander angeordneten Eintrittsöffnungen, in die eine über eine !!entnahmeeinrichtung der Vorratsmenge entnommene Probe bzw. ein kontinuierlich in,römendes Medium geleitet wird, das den teilchenförmigen Stoff der Probe mitreißt, durch ein mit der Füllkammer in Verbindung stehendes Austrittsrohr, durch eine mit der Füllkammer verbundene Drucksteuerungseinrichtung zur Regulierung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in der l'üllkammer, und durch eine von der Di'ucksteuerungseinrichtung beeinflußbare Ven :il vorrichtung in der Zuführungsleitung für das Medium, die die Beibehaltung einer kontinuierlichen Strömung des I-iediiune mit aet -ii; gerissenen Teilchen mit vorgegebener Geschwindigkeit χι ins AuGcdttsrohr hinein gevmhrleistet.

Im folgender. v:.i. -^: ein Anoführun^beispiel dex' Erfinduni; an Hand der Figur beschrieben.

ji'ig.'i r.eigi; den üchnitt einer ^eniäß der Erfindung ausgebildeten Einrichtung nur Teilchenanalysierung.

Bei jeder praktisch laminaren Strömung ändert sich die Kinematik oder die Bewegung;:geometrie nicht mit der Zeit. Dies bedeutet, daß die Geschwindigkeit, der Druck, die Dichte sowie andere dynamische Eigenschaften der Strömung an jedem vorgegebenen Punkt sich über der Zeil- nicht ändern. Dies trifft für Strömungen zu, die durch Schwerkraft oder durch mit einer Pumpe o.a. mechanisch erzeugte Saugwiri; mg hervorgerufen v^7-len. Es sei jedoch bemerkt,

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daß die Kinematik einer stetigen Strömung sich durch die auf die Strömung einwirkenden Kräfte über der Länge ändert. Beispielsweise verliert eine durch ein Rohr gepumpte Flüssigkeit einen Teil ihrer Energie, da während der Bewegung längs des Rohres eine Arbeit geleistet wird« Man kann daher in Strömungsrichtung mit einem Energieverlust rechnen, der sich in einer Verringerung einer oder mehrerer dynamischer Eigenschaften der Anordnung äußert.

w· Eine laminare Strömung wird am besten dargestellt durch eine in ruhiger Luft aufsteigende gerade und stabile Säule von Zigarettenrauch. In ähnlicher Weise bewegt sich ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Feststoff bei laminaren Strömungsbedingungen längs geraden und stabilen "Strömungslinien¹¹. Würde beispielsweise der durch ein kleines oder winziges, durch ruhige Luft fallendes Teilchen beschriebene Weg verfolgt, so würde man feststellen, daß dieser Fällweg innerhalb eines Zeitraumes gleichfalls sehr gerade und stabil verlaufen würde. Wird jedoch irgend

ät^ eine äußere Kraft auf ein laminares Strömungssystem geleitet, so ändert sich die Kinematik oder Stromüngsgeometrie wegen der Störung der Strömungslinien*

Es ist zu erkennen, daß die Einfügung einer Prüfeinrichtung in eine laminare Strömung eine Umlenkung des Gases und/oder der Flüssigkeiten bzw. Feststoffe bewirkt, so daß diese durch die Einrichtung geleitet und damit die geraden und stabilen Strö-

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mungslinien gestört werden. Können jedoch die isokinetischen Bedingungen längs einer relativ geraden Strömungslinie, die durch eine Eintrittsöffnung der Prüfeinrichtung verläuft, aufrecht erhalten werden, so wird ein längs dieser Linie sich bewegendes Teilchen keine störenden Änderungen der Strömung feststellen und deshalb frei in die Öffnung hineinfallen. Die Samslung einer Anzahl dieser längs einer solchen Strömungslinie sich bewegenden Teilchen ermöglicht die Bildung einer echten Probe des durch die Einrichtung hindurchgeführten Stoffes.

In der Figur ist eine Prüfeinrichtung dargestellt, mit der man eine echte Probe eines frei fallenden, fein verteilten Teilchenstoffes erhält, der die Austritt so ff nung einer Strömungsmühle o.a. verläßt. Das Gehäuse 10 ist in eine gerade, runde Leitung 11 eingesetzt, durch die fein verteilte Teilchen in laminarer Strömung hindurchgeführt werden. Das Gehäuse befindet sich in einem Abstand von der Austrittsöffnung der (nicht dargestellten) Erzeugungseinrichtung an einer Stelle, an der relativ stabile Stfömungsbedingungen vorliegen. Das Gehäuse ist auf einem mit ^ Gewinde versehenen Gegenstück 26 befestigt, das auf einem an der Leitung 11 montierten Block 25 sitzt. Es sei bemerkt, daß das Gehäuse 10 als unabhängige Einheit von der Leitung entfernt werden kann.

Die zu prüfenden Teilchen werden durch die Öffnung 15 der Eintrittsröhre 16 in das Gehäuse eingeführt. Die Eintrittsröhre ragt so weit in die Strömung hinein, daß sie durch Störungen,

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die durch das Gehäuse 10 erzeugt werden, nicht "beeinflußt wird. Die Eihtrittsöffnung 15 ist derart angeordnet, daß ihre Querschnitt sflache senkrecht zu den geraden Strömungslinien verläuft, wodurch die Teilchen längs diesen Linien in die Eintrittsröhre hineingeführt werden. Die Eintrittsröhre 16 ist mit der Austrittsröhre 12 derart verbunden, daß die Eintrittsöffnung 15 direkt in die Austrittsröhre einmündet.

Innerhalb der Austrittsröhre 12 wird dauernd eine künstliche Atmosphäre trockenen Stickstoffgases aufrecht erhalten, die zur Regulierung des Druckes innerhalb der Röhre sowie zum Transport von Teilchemengen aus dem Gehäuse heraus dient. Trockener Stickstoff wird deshalb verwendet, v/eil er ein wirjdtschaftliches, leicht erhältliches, relativ neutrales Gas ist, das mit den nei— sten bekannten Stoffen chemisch nicht reagiert. Es kann jed ch auch jedes chemisch neubrale Gas zur Erzeugung einer künstlichen Atmosphäre verwendet werden. Der trockene Stickstoff wird aus einem (nicht dargestellten) Behälter über die Leitung 19 der Einrichtung zugeführt. Da das Gas unter Druck durch eine relativ dünne Leitung läuft, kann an der Eintrittsstelle in die Prüfeinrichtung eine Störung der Strömung auftreten. Die Leitung mündet daher zuerst in die Klllkammer 20, in der stabile Strömungsverhältnisse geschaffen werden, bevor die Mischung dutch die Öffnung 13 in die Austrittsröhre 12 gelangt.

Treten keine Änderungen des kinematischen Zustandes einer geraden und stabilen durch die Eintrittsöffnung 15 verlaufenden Strömungs-

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linie auf, so fällt ein längs dieser Linie sich bewegendes Teilchen, wie bereits beschrieben, frei in die Öffnung hinein* In einer aus frei fallenden Teilchen gebildeten Strömung ist deren Kinematik durch die Höhe der frei fallenden Teilchen über einem vorgegebenen Kiveau bestimmt, wobei kein mechanisch erzeugter Druck oder Staudruck auf die Strömung einwirkt und Energie überträgt. Y/ird der Druck an der Eintrittsöffnung der Austritt srohre 12 gleich dem Druck in der Leitung 11 gehalten, so erfährt ein längs einer Strömungslinie durch die Eintrittsöff- _Ä nung 15 fallendes Teilchen keine kinematische Änderung und strömt daher in die Austrittsröhre 12.

Unmittelbar nahe der Eintrittsröhre ist eine Abzweigung 17 vorgesehen, die über die Leitung 23 mit der einen Seite einer Drueksteuerungseinrichtning 22 verbunden ist. !Ferner ist im Gehäuse 10 direkt unterhalb der Eintrittsöffnung ein zweites Druckrohr 18 vorgesehen, das über die Leitung 24 mit der anderen Seite der automatischen Drucksteuerungseinrichtung 22 verbunden ist. Die auf diese Einrichtung gelangende Information besteht aus dem W Druck der Strömung im Gehäuse und dem Druck der in der Austrittsröhre aufrecht erhaltenen künstlichen Atmosphäre. Wird ein Druckunterschied festgestellt, so erzeugt'die Drucksteuerungseinrichtung ein Signal für das automatische Ventil 27, das in der Stickstoff-Zuführungsleitung 19 vorgesehen ist und die Gaszuführung derart steuert, daß sich an beiden Heßstellen wieder derselbe _t Druck ergibt.

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Die Austrittsröhre 12 enthält eine echte Probe fein verteilter Teilchen, die außerhalb des Gehäuses 10 aufgefangen und in einer Strömung trockenen Stickstoffgases mitgerissen werden. Normalerweise wird mehr Stoff aus der Hauptströmung in der Leitung 11 abgezweigt als kontinuierlich durch die Analysierungseinrichtung getestet werden kann. Dies bedeutet, daß die durch die Austrittsröhre pro Zeiteinheit strömende Stoffmenge allgemein größer ist als die durch die Analysierungseinrichtung geführte» Um die Anzahl Teilchen pro Volumeneinheit sowie die Strömungsgeschwindigkeit des Gases zu verringern, mündet die Austrittröhre 12 in eine zylindrische Expansionskammer 55» deren Querschnittsfläche festliegt und wesentlich größer als diejenige der Austrit1a?öhre ist.

Eine die Expanaonskaminer 35 durchlaufende Stoffprobe gelangt durch die Öffnung 4-1 in eine zweite Röhre 4-2 und durch diese auf die Analysierungseinrichtung 4-5. Auch hier muß eine echte und genaue Probe vorliegen, jedoch muß diese mit einer derartigen Strömungsgeschwindigkeit auf die Analysierungseinrichtung gelangen, daß eine laufende Prüfung möglich ist.

Wie aus der Figur hervorgeht, mündet die Austrittsröhre 12 in eine Itillkammer 30, deren Innendurchmesser bekanfc ist und etwas großer ist als derjenige der Austrittsröhre 12. In diese Kammer mündet ferner nahe dem Eintrittspunkt der Austrittsröhre 12 eine zweite Zuführungsleitung 40 für trockenes Stickstoffgas. Experi-

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mentell wurde gefunden, daß die Strömungsgeschwindigkeit der laminaren Strömung durch Messung des Druckunterschiedes über einer bestimmten Länge in einer Röhre bekannten Durchmessers bestimmt werden kann. Dieses Prinzip wird bei der vorliegenden Erfindung zur Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Röhre 30 verwendet, indem die Zuführung trockenen Stickstoffgases in diese Röhre gesteuert wird. Es wird ein Druckunterschied zwischen den Meßpunkten 36 und 37 (bestimmter Abstand) in der Kammer 30 (bestimmter Innendurchmesser) durch Steuerung des zugeführten trockenen Stickstoffgases erzeugt, der eine gewünschte Strömungsgeschwindigkeit verursacht.

Die Druckabzweigungen 36 und 37 sind mit einer Drucksteuerungseinrichtung 48 über Leitungen 38 und 39 verbunden. Es sei bemerkt, daß sich die Abzweigung 36 in einem genügenden Abstand von den Eintrittspunkten der Leitungen 12 und 40 befindet, daß laminare Strömungseigenschaften an der mit ihr gebildeten Meßstelle vorliegen. Die Drucksteuerungseinrichtung 48 ist derart voreingestellt, daß jede Änderung des gewünschten Druckunterschiedes die Erzeugung eines Signals zur_w Öffnung oder Schliessung des automatischen Ventils 49 bewirkt. Dadurch wird die Zuführung trockenen Stickstoffgases in die Füllkammer 30 derart gesteuert, daß der gewünschte Druckunterschied wieder hergestellt wird und eine gewünschte Strömungsgeschwindigkeit durch diese Kammer aufrechterhalten bleibt. Diese Strömung mündet dann in die Expansionskammer 35, deren Innendurchmesser gleichfalls bekannt ist, wodurch die vom Gas mitgenommenen Teilchen über eine

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größere Querschnittsfläche verteilt werden. Wie zu erkennen ist, kann Jede gewünschte Strömungsgeschwindigkeit durch die Kammer 35 eingestellt werden, indem die durch die Millkaramer laufende Strömung gesteuert wird.

Am Boden der Expansionskammer 35 ist eine zweite Austrittsröhre 42 vorgesehen, deren Eintrittsöffnung einen bekannten Durchmesser hat und der laminaren Strömung direkt entgegengesetzt gerichtet ist. Diese Röhre ist mit der Analysierungseinrichtung 45 = verbunden, die eine laufende Überprüfung einer stetigen Strömung in einem Gas fein verteilter Teilchen vornimmt, die aus der Expansionskammer abgezweigt werden. Derartige Analysierungseinrichtungen werden durch die Royco Instrument Company of Menlo Park, California, hergestellt.

Die dünnwandige Austrittsröhre 42 ist innerhalb der laminaren Strömung vertikal angeordnet, wodurch sich eine minimale Störung der Geradlinigkeit und Stabilität der Strömungslinien ergibt. Eine echte Probe wird aus- der Strömung in der Expansionskammer 35 abgezweigt, indem die Strömungsgeschwindigkeit praktisch dar Geschwindigkeit in der Austrittsröhre 42 gleich gehalten wird. Ist die Arbeitsgeschwindigcext der Analysierungseinrichtung, also die Strömungsgeschwindigkeit der laufenden Teilchenprüfung, bekannt, und ist ferner die Größe der öffnung 41 der Austrittsröhre bekannt, so kann die Geschwindigkeit in der Austrittsröhre bestimmt werden. Durch Regulierung des Druckunterschiedes in der Füllkammer

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30 kann die Geschwindigkeit praktisch derjenigen der Analysierungseinrichtung angepaßt werden. Ein Teilchen, das längs einer Strömungslinie der Expansionskammer bewegt wird und in die Eintritt soff nung der Austrittsröhre 42 gelangt, erfährt deshalb keine Störung oder Änderung der stabilen StrÖmungszustände und fällt frei in die Austrittsröhre hinein. Die Teilchen gelangen dann mit einer der Arbeitsgeschwindigkeit der Analysierungseinrichtung für die Prüfung entsprechenden Geschwindigkeit auf die Analysi erungseinrichtung.

Das durch die Expansionskammer 35 strömende dispergierte Material, das nicht in die Austrittsröhre 42 gelangt, wird an eine (nicht dargestellte) Sammelstelle geleitet, wo es in lilterbeuteln o.a.· gesammelt und in regelmäßigen Zeitabständen entnommen wird.

Die mit der Analysierungseinrichtung 45 laufend- erzeugten Daten hinsichtlich der Teilchengröße und deren Verteilung werden einem Computer 50 sugeiiihrtj wo sie mit ge speicherten vorgegebenen Werten verglichen werden. Der Computer erzeugt Informationen für die Produktionssteuereinrichtung 51* die erforderlichenfalls die Produkt ions steuerung derart beeinflußt, daß der teilchenförmige Stoff die gewünschte Große und Verteilung erhält. Da derartige Einrichtungen zur Analysierung und zum Datenvergleich bekannt sind, werden ihre !funktionen nicht im einzelnen besehrieben. Sie sind in der Figur .schematisch dargestellt»

Die Erfindung wurde an Hand eines Ausführungsbeispieles beschrieben, ist Jedoch auf dieses nicht beschränkt. Alle im Rahmen der folgenden Ansprüche möglichen Änderungen oder Weiterbildungen werden durch den Grundgedanken der Erfindung umfaßt.

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Claims (7)

1. Einrichtung zur kontinuierlichen Ableitung einer repräsentativen Probe eines teilchenförmigen Stoffes mit vorgegebener Strömungsgeschwindigkeit aus einer Vorratsmenge dieses Stoffes, gekennzeichnet durch eine Füllkammer (30) mit zwei nebeneinander angeordneten Eintrittsöffnungen, in die eine über eine Entnahmeeinrichtung (10) der Vorratsmenge (in 11) entnommene Probe bzw. ein kontinuierlich strömendes Medium geleitet wird, das den teilchenförmigen Stoff der Probe mitreißt, durch ein mit der Füllkammer (30) in Verbindung stehendes Austrittsrohr (42), durch eine mit der Füllkammer (30) verbundene Drucksteuerungseinrichtung (48) zur Regulierung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in der Füllkammer (30), und durch eine von der Drucksteuerungseinrichtung (48) beeinflußbare Ventilvorrichtung (49) in der Zuführungsleitung (40) für das Medium, die die Beibehaltung einer kontinuierlichen Strömung des Mediums mit den mitgerissenen Teilchen mit vorgegebener Geschwindigkeit in das Austrittsrohr (42) hinein gexrährleistet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet," daß das Austritt srohr (42) einen konstanten Innendurchmesser hat, wodurch sich eine bekannte Strömungsmenge pro Zeiteinheit des aus der Füllkammer (30) in das Austrittsrohr (42) eintretenden teilchenförmigen Stoffes ergibt*

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3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine mit dem Austrittsrohr (42) verbundene Analysierungseinrichtung (45) vorgesehen ist, die laufend entsprechend der Größe und der Verteilung des teilchenförmigen Stoffes der Probe Daten erzeugt, deren Geschwindigkeit derjenigen des durch das Austrittsrohr (42) zugeführten Stoffes gleich ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Austrittsrohres (42) derart bemessen ist, daß die Ström ungsgeschwindigkeit des Mediums mit den mitgerissenen !Teilchen in Richtung auf die Analysierüngseinrichtung (45) der Arbeitsgeschwindigkeit der Analysierüngseinrichtung (45) gleich ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das an der zweiten Eintrittsöffnung der Füllkammer (30) zugeführte Medium ein chemisch ral#ativ neutrales Gas ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas trockenes Stickstoffgas ist.

7. Einrichtung nach einem de/vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit dem Austrittsrohr (42) verbundene Analysierüngseinrichtung (45) zur Erzeugung analytischer Daten entsprechend der Größe und der Verteilung der abgeleiteten Proben des teilejieaförmigen Stoffes und durch eine Auswerteeinrichtung (50) zur Auswertung der Daten und zur Erzeugung von Signalen zur Steuerung der Herstellung des teilchenförmigen Stoffes abhängig von dieser Auswertung.

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8· Einrichtung zur kontinuierlichen Steuerung der Herstellung eines teilchenförmigen Stoffes abhängig von die Teilchengröße und deren Verteilung betreffenden analytischen Daten dieses Stoffes, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (30) zum Mitreißen des teilchenförmigen Stoffes in einem unter stabilen Bedingungen kontinuierlich strömenden Medium, durch ein Austrittsrohr (42) zur Ableitung einer Probe des mit dem Medium mitgeführten teilchenförmigen Stoffes5 das in der Strömung angeoradnet ist, durch eine mit dem Austrittsrohr (42) verbundene Analysierungseinrichtung (45) zur Erzeugung analytischer Daten der Größe und Verteilung des teilchenförmigen Stoffes, und durch eine Einrichtung zur Auswertung dieser Daten sowie zur Erzeugung von die Herstellung des teilchenförmigen Stoffes abhängig von der Auswertung steuernden Signalen»

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