DE4324323C1

DE4324323C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Füllfähigkeits- und/oder Elastizitätsbestimmung von zerkleinertem, faserigem Tabakmaterial

Info

Publication number: DE4324323C1
Application number: DE19934324323
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dr Weinhold
Original assignee: BAT Cigarettenfabriken GmbH
Current assignee: British American Tobacco Germany GmbH
Priority date: 1993-07-20
Filing date: 1993-07-20
Publication date: 1994-11-03
Anticipated expiration: 2013-07-21

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Füllfähigkeits- und/oder Elastizitätsbestimmung von zerklei nertem, faserigem Tabakmaterial der im Oberbegriff des Paten tanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Die "Füllfähigkeit", d. h. das spezifische Volumen einer Schüttung von zerkleinertem, faserigem Tabakmaterial wird dem Stand der Technik nach, wie er z. B. in der DE 39 29 155 C2 beschrieben wird, dadurch bestimmt, daß eine abgewogene Menge des Tabakmaterials in einen Zylinder, vornehmlich aus Stahl, lose eingefüllt und durch einen einfahrenden Stempel unter definierter Last komprimiert wird. Nach einer definier ten Zeit wird die Belastung ausgesetzt und die zu diesem Zeitpunkt erreichte Höhe der Stempelunterseite über dem Zy linderboden gemessen. Aus dem Quotienten des berechenbaren Volumens des so komprimierten Tabakmaterials und seinem vor her bestimmten Gewicht wird das spezifische Volumen gebildet und als Kennwert "Füllfähigkeit" für das Tabakmaterial ver wendet.

Für Schnittabak branchentypische Daten sind hierfür:
Probengewicht: 0,1 bis 0,12 N
Zylinderdurchmesser: 60 mm
Last: 20 N
Belastungszeit: 30 sec
spezifische Volumina: 400-500 cm³/N

Bei dieser Art der Kompression richtet sich die nach Ablauf der Meßzeit erreichte Stempelhöhe nach dem momentanen Kräfte gleichgewicht zwischen

- Kräften in der Faserschüttung, die gegen das Kom primieren gerichtet sind,
- Wandreibungskräften und
- der Belastungsgewichtskraft des Stempels.

Die Wandreibungskräfte wirken ebenfalls gegen das Komprimie ren und können in Zylindern mit sehr kleinem Durchmesser so groß werden, daß sie das Komprimieren blockieren. Die senk recht auf die Zylinderinnenwand wirkenden Kräfte können auf grund einer Kniehebelwirkung einzelner Fasern und ihrer Lage im Faserverband größer als die sie erzeugende Stempelkraft werden, so daß auch bei kleinen Reibungskoeffizienten große Wandreibungseffekte entstehen können.

Durch Versuche konnte abgeschätzt werden, daß die Wandrei bungskraft bei gebräuchlichen Geräten, z. B. Borgwaldt-Den simeter, ca. 20-30% der Stempelkraft beträgt. Durch die Verwendung einer Kraftmeßeinrichtung im Zylinderboden und durch Differenzbildung wurde versucht, die Größe der Wandrei bung zu bestimmen. Die Differenz zwischen Stempelkraft und Bodenkraft ist aber in jedem Fall eine Summe aus Kräften, die die Fasern komprimieren und verformen, plus Wandreibungskräf ten. Mithin stellt ein auf diese Weise gewonnener Wert des spezifischen Volumens, respektive der Füllfähigkeit stets das Ergebnis unter definierter Last plus unbekannter Wandreibung dar. Die das Komprimieren behindernde Wandreibung täuscht bei dieser Art von Messung in jedem Fall ein zu großes spezifis ches Volumen, d. h. eine zu große Füllfähigkeit vor.

Werden faserige Tabakmaterialien zum Füllen von nachgiebigen Umhüllungen verwendet, wird vom Füllmaterial verlangt, daß es die Umhüllung mit einer ausreichend großen "Spannkraft" aus füllt. Es dürfen erstens keine bzw. nicht unzulässig viele Einzelfasern aus dem Faserverband und damit aus der Umhüllung herausfallen, zweitens soll nach einer unbeabsichtigten oder gebrauchsbedingten Deformation der Umhüllung die ur sprüngliche Form des unbelasteten Zustandes zumindest mög lichst weitgehend wieder eingenommen werden, und drittens soll beim gebrauchsbedingtem Deformieren eine gewünschte federnde Gegenkraft spürbar sein, die als angenehm, komforta bel, akzeptabel und ähnliches empfunden wird. Die Fähigkeit zur Entwicklung dieser Gegenkraft ist ein Qualitätsmerkmal, das üblicherweise eher qualitativ als quantitativ behandelt wird.

Auch heute noch wird in rein handwerklich geprägten Betrieben die Elastizität eines faserigen Tabakmaterials dadurch begut achtet, daß durch das Zusammenpressen einer Handvoll Material in der Faust die spürbare Gegenkraft bewertet und beim an schließenden Öffnen der Faust beobachtet wird, wie schnell und wie weit das faserige Tabakmaterial sich rückausdehnt.

Die oben beschriebene herkömmliche Art der Bestimmung der Füllfähigkeit eines Tabakmaterials im Zylinder kann defini tionsgemäß keine quantitative Aussage über die Elastizität, d. h. die Rückausdehnungsfähigkeit eines Fasermaterials, ge ben.

Das Pressen des Tabakmaterials in der Hand gibt natürlich nachteiligerweise ebenfalls keine quantitative Aussage über den Elastizitätsgrad der beobachteten Probe.

Die Erfindung geht von einem Stand der Technik aus, wie er in einem Artikel von Dr. Max Samfield im Tabakjournal Interna tional 2/80 mit dem Titel "Prediction of the Filling Power of Cut Tobacco from Chemical Analysis of the Leaf: Part 1" vor gestellt wird. Auf Seite 128 wird in diesem Artikel in der dritten Spalte unter Punkt 2 eine Zentrifugen-Methode zur Bestimmung der Füllfähigkeit von geschnittenem Tabakmaterial offenbart.

Bei diesem Verfahren werden Röhrchen mit einer abgewogenen Menge Tabakmaterial in den Kopf einer Zentrifuge eingesetzt. Zur Einebnung der oberen Oberfläche des Tabaks in den Röhr chen werden Plastikscheiben auf den Tabak gelegt. Durch Ein schalten der Zentrifuge und Beschleunigung auf 1050 Umdrehun gen pro Minute in 30 Sekunden, einer Beibehaltung dieser Geschwindigkeit für 10 Minuten und einer 30 Sekunden dauern den Bremsung werden die Tabakproben komprimiert, danach ent fernt und die Volumina abgelesen.

Auch bei diesem Verfahren treten die oben beschriebenen Nach teile bezüglich der Wandreibung wie beim herkömmlichen Zylin der-Verfahren zur Bestimmung der Füllfähigkeit auf. Die Wan dreibung kann nicht dadurch außer Wirkung gesetzt werden, daß anstelle der Kraft, die beim herkömmlichen Verfahren durch den einfahrenden Stempel ausgeübt wird, nun eine Zentrifugal kraft auf die auf den Tabakproben liegenden Plastikscheiben wirkt. Somit wird auch dieses Verfahren eine zu große Füll fähigkeit vortäuschen.

Die Elastizität des Tabakmaterials wird auch bei diesem Ver fahren weder in der Messung berücksichtigt noch quantitativ festgehalten.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 92 02 262.6 U1 ist ein Dichtemeßgerät zur Messung der Dichte von Flüssigkeiten bekannt, dessen Funktionsweise auf dem Fliehkraftgesetz be ruht.

Aus dem US-Patent Nr. 3 955 406 ist eine Vorrichtung zum zerstörungsfreien Testen der Härte einer Zigarette bekannt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrich tung und ein Verfahren zur Füllfähigkeit- bzw. Elastizitäts bestimmung von zerkleinertem, faserigem Tabakmaterial vor zustellen, welche die oben bezeichneten Nachteile, insbeson dere bezüglich der Wandreibung, nicht mehr aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschriebenen Merkmale bezüglich der Vor richtung zur Füllfähigkeit- und/oder Elastizitätsbestimmung von zerkleinertem, faserigem Tabakmaterial und durch die Merkmale des Patentanspruchs 9 bezüglich des Verfahrens zur Füllfähigkeitsbestimmung einer Schüttung von zerkleinertem, faserigem Tabakmaterial gelöst.

Bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine um eine vertikale Achse drehbar gelagerte Zentrifuge einen Raum zur Aufnahme einer Schüttung des Tabakmaterials und eine Meßvorrichtung zur Bestimmung des Volumens des kom primierten Tabakmaterials aus dessen sich unter Einwirkung der Zentrifugalkraft einstellender Kontur auf.

Der Vorteil der oben beschriebenen Vorrichtung besteht ins besondere darin, daß bei der Komprimierung einer Schüttung des Tabakmaterials Wandreibung nur als Bodenreibung des Ta bakmaterials im Raum zur Aufnahme der Schüttung auftritt. Diese wird nur durch Gewicht und Reibungskoeffizient des eingeführten Materials bestimmt und ist um zwei bis drei Größenordnungen kleiner als die herrschende Fliehkraft. Diese Bodenreibung kann deshalb bei der Bestimmung der Füllfähig keit im Gegensatz zur Wandreibung bei der Zylindermethode vernachlässigt werden. Da die Meßvorrichtung zur Bestimmung des Volumens des komprimierten Tabakmaterials dieses Volumen aus der sich unter Einwirkung der Zentrifugalkraft einstel lenden Kontur bestimmt, spielt die Bodenreibungskraft prak tisch keine Rolle mehr; es handelt sich um das tatsächliche Volumen.

Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß nach der Füllfähigkeitsbestimmung bei hohen Drehzahlen durch die Meßvorrichtung die Kontur und daraus das Volumen des Tabakmaterials bei stillstehender oder sich sehr langsam drehender Zentrifuge wiederum durch diesselbe Meßvor richtung festgestellt werden kann und somit erstmals eine quantitative Analyse des Rückausdehnungs- bzw. Elastizität seffekts möglich wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist der Raum zur Aufnahme der Schüt tung des Tabakmaterials ringförmig ausgebildet. Hierdurch wird bei der Komprimierung des Tabakmaterials eine im wesent lichen homogone Oberflächenstruktur entstehen, wobei eine einfache Bestimmung des Volumens der komprimierten Schüttung aus deren Kontur möglich wird.

Von besonderem Vorteil ist es, die Ausbildung der Zentrifuge so zu gestalten, daß sie einen die Innenseite des Ringraums begrenzenden Innenkern aufweist, dessen Durchmesser nicht kleiner ist als die Hälfte des Zentrifugeninnendurchmessers. Da sich beim Zentrifugieren die innenliegenden Fasern zu nächst auf einem kleinem Umfang befinden, aber unter Flieh kraft auf einen größeren Umfang verschoben werden, bedeutet dies ein Auseinanderziehen der Fasern in Umfangsrichtung. Dieser Effekt kann durch die oben beschriebene Dimensionie rung des Innenkerns im wesentlichen gering gehalten werden.

Im oben beschriebenen Zusammenhang kann die Zentrifuge einen Innendurchmesser von 180 bis 220 mm, einen Innenkerndurch messer von 90 bis 110 mm und eine Wandhöhe von 50 bis 80 mm aufweisen.

Die Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung weist bei einer Ausführungsform eine getriggerte stroboskopische Beleuchtung und an den Innenwänden der Zentrifuge angebrachte Skalen zur optisch visuellen Erfassung der Kontur des Fasermaterials auf. Diese kostengünstige Version der Meßvorrichtung eignet sich gut für Vorversuche zur Festlegung der günstigsten Zen trifugenabmessung und Drehzahlen. Ebenso erlaubt diese Meß vorrichtung eine Vorabschätzung des spezifischen Volumens der Tabakmaterial-Schüttung im komprimierten Zustand.

Eine besonders exakte Ausführungsform der Meßvorrichtung der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch ge kennzeichnet, daß sie einen Laserscanner in Verbindung mit einer Auswerteeinheit aufweist, und daß der Laserscanner so angeordnet ist, daß er die Kontur des Tabakmaterials abtasten und in ein entsprechendes Meßsignal umwandeln kann. Durch eine solche Meßvorrichtung kann die Kontur des komprimierten Tabakmaterials, aber auch die Kontur des unkomprimierten Ta bakmaterials sehr genau festgestellt werden, wodurch eine gute quantitative Aussage über die Füllfähigkeit des Tabakma terials möglich wird.

Vorteilhafterweise kann die mit dem Laserscanner verbundene Auswerteeinheit zur Beeinflussung der Maximaldrehzahl der Zentrifuge aufgrund bestimmter Betriebsbedingungen und einzu stellender Flächenpressungswerte mit dem Antrieb der Zentri fuge zu deren Steuerung verbunden werden. Hierbei können bestimmte erforderliche Materialkennwerte der Tabakmaterial schüttung sehr gut eingehalten werden.

Die für diese Vorrichtung verwendete Zentrifuge hat vorteil hafterweise einen Drehzahlbereich von 0 bis 3000 U/min, wodurch die Einstellung aller gewünschten Betriebszustände möglich ist. Selbstverständlich sollten diese Parameter nor miert werden, um reproduzierbare und vergleichbare Ergebnisse zu erhalten.

Das Verfahren zur Füllfähigkeitsbestimmung einer Schüttung von zerkleinertem, faserigem Tabakmaterial kann insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung, wie sie oben beschrieben ist, durchgeführt werden. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

a) Messen des Gewichts sowie des Volumens des unkom primierten Tabakmaterials,
b) Einfüllen des Tabakmaterials in die Zentrifuge,
c) Hochfahren der Zentrifuge auf Meßdrehzahl,
d) Bestimmung des Volumens des komprimierten Tabakma terials aus dessen Kontur und
e) Berechnung der Füllfähigkeit aus dem Gewicht und dem Volumen des komprimierten Tabakmaterials.

Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die sehr schlecht zu bestimmenden Wandreibungskräfte, wie sie bei der herkömmlichen Zylinder/Stempel-Methode auftreten, hier wegen ihrer um zwei bis drei Größenordnungen niedrigeren Dimensionen vernachlässigt werden können und die Messung nicht mehr beeinflussen.

Der zweite große Vorteil des oben beschriebenen Verfahrens liegt darin, daß die Kontur des Tabakmaterials wirklich im komprimierten Zustand unter Last vermessen und somit das komprimierte Volumen genau und unter der Wirkung nur einer einzigen Kraft, der Fliehkraft, bestimmt werden kann.

Insbesondere bei Schnittabak wird bei einer Kompression unter Fliehkraft das Verfahren nachgeahmt, unter dem Schnittabak in den Zigaretten-Herstellungsmaschinen zum Strang geformt wird. Hierbei kann die Geschwindigkeit des Komprimierens und die Fliehkraft durch die Wahl des Hochlaufverhaltens der Zentri fuge so gewählt werden, daß sie der Geschwindigkeit des Auf schauerns in der Zigaretten-Herstellungsmaschine genau ent spricht. Bei modernen Hochleistungs-Herstellungsmaschinen handelt es sich dabei um Bruchteile von Sekunden; das Kom primieren mit der herkömmlichen Zylindermethode erstreckt sich aber über 30 sec, wodurch keine mechanische Ähnlichkeit der beiden Vorgänge mehr festzustellen ist. Der Zusammenhang eines durch Zentrifugieren gewonnenen Füllfähigkeitswertes mit den physikalischen Daten der späteren Zigarette, insbe sondere mit der Füllfähigkeit des in der Zigarette befindli chen Tabaks, ist deshalb bei dem Verfahren nach der vorlie genden Erfindung besser als der Zusammenhang mit einem durch die herkömmliche Methode gewonnenen Wert. Ebenso ist festzu stellen, daß die Füllfähigkeitswerte, die mittels des Ver fahrens der vorliegenden Erfindung erhalten werden, nicht mehr wie die Füllfähigkeitswerte nach der herkömmlichen Me thode eine zu große Füllfähigkeit des Tabakmaterials vortäu schen.

Das Gewicht sowie das Volumen des unkomprimierten Tabakmate rials können vorteilhafterweise über die Meßvorrichtung und eine unter der Vorrichtung angeordnete Waage in der Zentrifu ge nach dem Einfüllen bestimmt werden. So können Unstimmig keiten, die durch unterschiedliche Meßgenauigkeiten z. B. verschiedener Volumenmeßvorrichtungen entstehen, vermieden werden.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann insbeson dere durch Verwendung der beschriebenen Vorrichtung erstmals dazu verwendet werden, eine quantitativ genaue Analyse der Elastizität einer Schüttung von zerkleinertem, faserigem Tabakmaterial vorzunehmen. Hierbei werden im Anschluß an die schon beschriebenen Verfahrensschritte zusätzlich folgende Schritte ausgeführt:

- Abschalten der Zentrifuge und Abwarten, bis die Rückausdehnung des Fasermaterials abgeschlossen ist,
- Bestimmung des Volumens des rückausgedehnten Faser materials mit Hilfe der Meßvorrichtung und
- Berechnung der Elastizität des Fasermaterials aus den Volumina des komprimierten sowie des rückausge dehnten Tabakmaterials, indem der Betrag, um den sich das Volumen rückausgedehnt hat, in einem Kennwert verarbeitet wird, der z. B. auf das Kom pressionsvolumen bezogen wird.

Im Gegensatz zur üblichen qualitativen Bestimmung der Elasti zität kann durch dieses Verfahren eine quantitativ genaue Aussage über diese Materialeigenschaft getroffen werden. Von besonderem Vorteil ist hierbei, daß die schon zur Füllfähig keitsbestimmung verwendete Meßvorrichtung ohne weiteren Auf wand auch zur Bestimmung der Elastizität des Tabakmaterials verwendet werden kann. Günstigerweise tritt auch hier nur ein vernachlässigbarer Reibungseffekt in Gestalt einer Boden reibung auf.

Bei einer Version des Verfahrens zur Füllfähigkeitsbestimmung und/oder zur Elastizitätsbestimmung der Tabakmaterialschüt tung wird die Kontur des Tabakmaterials durch Augenschein mit Hilfe von getriggerter stroboskopischer Beleuchtung anhand von an den Innenwänden der Zentrifuge angebrachten Skalen vermessen und das Volumen der Schüttung durch Multiplikation der so erhaltenen Querschnittsfläche mit dem so erhaltenen Schwerpunktsumfang bestimmt. Dieses einfache optisch visuelle Verfahren ermöglicht eine gute Vorabschätzung der Füllfähig keit bzw. der Elastizität des Tabakmaterials sowie eine Fest legung der günstigsten Zentrifugenabmessungen und Drehzahlen aufgrund der erhaltenen Werte.

Eine bevorzugte Verfahrensart zur Bestimmung der Füllfähig keit und/oder der Elastizität ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur des Fasermaterials von einem Laserscanner abgeta stet wird, und daß die Volumina des unkomprimierten, des kom primierten und gegebenenfalls des rückausgedehnten Fasermate rials von einer mit dem Laserscanner verbundenen Auswerteein heit ermittelt werden. Hierdurch besteht die Möglichkeit, quantitativ sehr genaue Aussagen über die Füllfähigkeit bzw. die Elastizität treffen zu können.

Ein wie oben beschriebenes Verfahren kann dadurch gekenn zeichnet sein, daß die Drehzahl der Zentrifuge bei der Be stimmung des Volumens des unkomprimierten sowie des rückaus gedehnten Tabakmaterials 5 U/min und die Drehzahl bei der Bestimmung des Volumens des komprimierten Tabakmaterials 3000 U/min beträgt. Zur Bestimmung des Volumens des unkom primierten sowie des rückausgedehnten Tabakmaterials ist eine geringe Drehzahl erforderlich, um den gesamten Umfang mindes tens einmal abzutasten.

Bei einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens mittels einer Laserscanner-Meßeinrichtung wird die Meßdrehzahl des Antriebs durch die Auswerteeinheit so eingestellt, daß aus dem laufend bestimmten, spezifischen Gewicht unter Last das für alle Fa serproben vereinbarte spezifische Sollgewicht eingehalten wird. Auf diese Weise können die oben genannten vorbestimmten Belastungswerte für verschiedene Faserproben individuell eingestellt werden.

Vorrichtung und Verfahren der vorliegenden Erfindung werden im weiteren mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Teil-Schnittansicht der Zentrifuge der Vor richtung der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 eine Teil-Schnittansicht der Zentrifuge der vor liegenden Erfindung mit eingezeichneter komprimier ter sowie rückausgedehnter Kontur,

Fig. 4 ein das spezifische Volumen bei der Zylinder- und der Zentrifugen-Meßmethode über der Flächenpressung veranschaulichendes Diagramm und

Fig. 5 ein die Differenz der spezifischen Gewichte unter Last und nach Entlastung über der Flächenpressung darstellendes Diagramm.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Vor richtung zur Füllfähigkeits- und/oder Elastizitätsbestimmung. Eine Zentrifuge 1 ist drehbar um ihre vertikal angeordnete Achse 2 gelagert. Sie wird von einem Antrieb 3 (nicht darge stellt) in Drehung um die Achse 2 versetzt. Zentrisch in der Zentrifuge 1 ist ein zylinderförmiger Innenkern 4 vorgesehen, wodurch zwischen der Außenwand der Zentrifuge 1 und dem In nenkern 4 ein Ringraum 5 ausgebildet wird. In diesen Ringraum 5 wird eine Schüttung des Tabakmaterials eingefüllt, wie schematisch auf der rechten Seite der Fig. 1 (G, V₀) ange deutet. Zu bestimmen sind Gewicht G und Anfangsvolumen V₀. Am Boden des Ringraums 5 und auf der Innenseite der äußeren Wand der Zentrifuge 1 sind Skalen 12 und 17 vorgesehen.

Auf der linken Seite der Fig. 1 ist im Ringraum 5 die Bela stungskontur 8 des Tabakmaterials im komprimierten Zustand angedeutet. Über dem Innenraum der Zentrifuge 1 ist eine stroboskopisch getriggerte Beleuchtung 11 vorgesehen, durch die optisch die Belastungskontur 8 ermittelt und anhand der Skalen 12 und 17 genauer bestimmt werden kann.

Oberhalb des Ringraumes 5 ist als bevorzugte Alternative eine in horizontaler Richtung lauffähige optische Meßvorrichtung 6, vorzugsweise ein Laserscanner, angeordnet. Der Laserscan ner tastet durch einen Meßstrahl 9 die bei Belastung entste hende komprimierte Kontur 8 des Tabakmaterials ab und ist zur Weitergabe eines Meßsignals mit einer Auswerteeinheit 7 ver bunden. Hierbei handelt es sich um ein übliches optisches Verfahren.

Die Auswerteeinheit 7 ist wiederum zur optimalen Steuerung der Antriebsdrehzahl mit dem Antrieb 3 der Zentrifuge 1 ver bunden.

Durch die Meßeinrichtungen 6 und 7 bzw. 11 kann zu jeder Zeit, also auch während des Stillstandes oder nach der Rück ausdehnung des Tabakmaterials, eine Ermittlung der Kontur und mit Hilfe der Skalen 12 und 17 oder der Auswerteeinheit 7 eine Bestimmung des entsprechenden Volumens des Tabakmateri als vorgenommen werden. Das Gewicht des eingefüllten Tabakma terials kann vor oder nach der Befüllung der Zentrifuge 1 festgestellt werden.

Wie in Fig. 2, die einen Ausschnitt der Zentrifuge 1 mit der unter Last komprimierten Schüttung des Tabakmaterials zeigt, dargestellt, wird zur Berechnung der äquivalenten Flächen pressung vorzugsweise diejenige Höhe h_s und derjenige Umfang U_s verwendet, auf denen der Schwerpunkt S des komprimierten Faserringes liegt. Die Lage des Schwerpunkts S wird entweder von der Auswerteeinheit 7 berechnet oder anhand der durch Au genschein festgestellten Kontur bestimmt. Zur Berechnung des Ringvolumens unter der Last V_L (siehe Fig. 1) wird die Quer schnittsfläche A_L (siehe Fig. 1) mit dem Schwerpunktsumfang U_s (= 2·πR_s) multipliziert (Guldin′sche Regel).

Bevorzugt kann die maximale Drehzahl des Antriebs 3 durch die Auswerteeinheit 7 so bestimmt werden, daß aus laufend be stimmter äquivalenter Fläche A_s und laufend bestimmter Flieh kraft mit Hilfe des Schwerpunktradius R_s die Flächenpressung für alle verwendeten Faserproben konstant gehalten wird bzw. für bestimmte Arten von Fasermaterialien die als erforderlich erachteten Flächenpressungen eingehalten werden.

Fig. 3 zeigt die Kontur 13 des Ringes aus Fasermaterial im Ringraum 5 der abschnittsweise geschnitten dargestellten Zentrifuge 1 unter Last, das berechenbare Volumen 14 unter Last, die Kontur 15 des Ringes aus Fasermaterial nach der Entlastung und das durch Rückausdehnung zusätzlich hinzuge kommene Volumen 16. Das Volumen 14 plus dem Volumen 16 bilden zusammen das Volumen, das nach der Rückausdehnung insgesamt vorliegt. Aus der Differenz des Volumens vor und nach der Rückausdehnung (14, 14 + 16) kann die Elastizität der Schüt tung des Tabakmaterials berechnet werden.

In Fig. 4 wird die herkömmliche Zylindermethode der erfin dungsgemäßen Zentrifugenmethode anhand eines Diagramms, wel ches die Beziehung zwischen dem spezifischen Volumen des Tabakmaterials (vertikale Achse) und der Flächenpressung p (horizontale Achse) zeigt, gegenübergestellt. Trägt man in das Diagramm für gleiche Flächenpressungen die Werte der spezifischen Volumina nach beiden Methoden ein, so liegen die unter Fliehkraft gemessenen Werte immer unterhalb derjenigen, die mit der Zylindermethode gemessen wurden. Dies bedeutet, daß für gleiche spezifische Volumina bei der Zylindermethode höhere Flächenpressungen erforderlich sind als bei der Zen trifugenmethode. Diese zusätzliche Flächenpressung resultiert aus dem Umstand, daß ein Teil der Stempellast zur Überwindung der Wandreibung im Zylinder benötigt wird. Je höher die zu grundeliegende Flächenpressung ist, desto größer ist der An teil Δp, der für die Überwindung der Wandreibung erforderlich ist.

Fig. 5 stellt anhand eines Diagramms das spezifische Gewicht (vertikale Achse) unter Last bzw. nach der Entlastung der Flächenpressung (horizontale Achse) gegenüber. Für eine übli che Schnittabaksorte werden hier beispielhaft die mit der Zentrifuge 1 gewonnenen Werte für spezifische Gewichte unter Last (obere Kurve) und nach Entlastung (untere Kurve) für unterschiedliche Flächenpressungen, d. h. Fliehkräfte, d. h. Zentrifugendrehzahlen, gezeigt. Die wirksame Fläche, auf der die Fliehkraft senkrecht steht, wird vorzugsweise aus dem Umfang und der Höhe berechnet, auf denen sich der Schwerpunkt des Ringquerschnitts befindet. Für unterschiedliche Be lastungen ergeben sich unterschiedliche Werte für beide spe zifischen Gewichte.

Aus extrem hohen Kompressionen erfolgen immer kleinere Rück ausdehnungen, da die Elastizität der Schüttung allmählich ab gebaut und wirkungslos wird, so daß der Unterschied zwischen beiden spezifischen Gewichten immer kleiner wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Füllfähigkeits- und/oder Elastizi tätsbestimmung von zerkleinertem, faserigem Tabak material

a) mit einer Zentrifuge (1),
b) einem Antrieb (3) für die Zentrifuge (1),
c) einer Einrichtung zur Ermittlung der Volumendifferenz zwischen dem unter Last komprimierten und dem unbelas teten Tabakmaterial, und
d) einer Einrichtung zum Messen des Gewichtes des Tabakma terials
dadurch gekennzeichnet,
e) daß die um eine vertikale Achse drehbar gelagerte Zen trifuge (1) einen Raum (5) zur Aufnahme einer Schüttung des Tabakmaterials aufweist, und daß
f) eine Meßvorrichtung zur Bestimmung des Volumens des komprimierten Tabakmaterials aus dessen sich unter Ein wirkung der Zentrifugalkraft einstellender Kontur vor gesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (5) zur Aufnahme der Schüttung des Tabak materials ringförmig ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifuge (1) einen die Innenseite des Ringraums (5) begrenzenden Innenkern (4) aufweist, dessen Durch messer nicht kleiner als die Hälfte des Zentrifugen- Innendurchmessers ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifuge (1) einen Innen durchmesser von 180 bis 220 mm, einen Innenkern durchmesser von 90 bis 110 mm und eine Wandhöhe von 50 bis 80 mm aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung eine getriggerte stroboskopische Beleuchtung (11) und an den Innenwänden der Zentrifuge angebrachte Skalen (12, 17) zur optisch visuellen Erfassung der Kontur des Fasermaterials auf weist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung einen Laserscan ner (6) in Verbindung mit einer Auswerte-Einheit (7) aufweist, und daß der Laserscanner (6) so angeordnet ist, daß er die Kontur des Tabakmaterials abtasten und in ein entsprechendes Meßsignal umwandeln kann.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte-Einheit (7) zur Beeinflussung der Maximal drehzahl der Zentrifuge (1) mit deren Antrieb (3) ver bunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifuge einen Drehzahlbereich von 0 bis 3000 U/min aufweist.

9. Verfahren zur Füllfähigkeitsbestimmung einer Schüttung von zerkleinertem, faserigem Tabakmaterial, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit den Schritten:

a) Messen des Gewichts sowie des Volumens des unkomprimier ten Tabakmaterials,
b) Einfüllen des Tabakmaterials in eine Zentrifuge (1),
c) Hochfahren der Zentrifuge (1) auf Meßdrehzahl,
d) Bestimmung des Volumens des komprimierten Tabakmaterials aus dessen sich unter Einwirkung der Zentrifugalkraft einstellenden Kontur und
e) Berechnung der Füllfähigkeit aus dem Gewicht und dem Volumen des komprimierten Tabakmaterials.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht sowie das Volumen des unkomprimierten Tabak materials in der Zentrifuge mittels einer an der Zen trifuge angeordneten Einrichtung zum Messen des Gewich tes und einer Meßvorrichtung zur Bestimmung des Volu mens des Tabakmaterials aus dessen Kontur bestimmt wer den.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich net, daß es zur Bestimmung der Elastizität der Schüttung des Tabakmaterials zusätzlich folgende Schritte auf weist:

- Abschalten der Zentrifuge (1) und Abwarten, bis bei stillstehender Zentrifuge die Rückausdehnung des Fasermaterials abgeschlossen ist,
- Bestimmung des Volumens des rückausgedehnten Faser materials mit Hilfe einer Meßvorrichtung und
- Berechnung der Elastizität des Fasermaterials aus den Volumina des komprimierten sowie des rückaus gedehnten Tabakmaterials.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur durch Augenschein mit Hilfe von getriggerter stroboskopischer Beleuchtung (11) anhand von an den Innenwänden der Zentrifuge angebrach ten Skalen (12, 17) vermessen und das Volumen der Schüt tung durch Multiplikation der so erhaltenen Quer schnittsfläche mit dem so erhaltenen Schwerpunktsumfang bestimmt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur des Fasermaterials von einem Laserscanner (6) abgetastet wird, und daß das Volumen des unkomprimierten, des komprimierten und gege benenfalls des rückausgedehnten Fasermaterials von einer damit verbundenen Auswerte-Einheit (7) errechnet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Zentrifuge (1) zum Abtasten der Kontur des Tabakmaterials bei der Bestim mung des Volumens des unkomprimierten sowie des rückaus gedehnten Tabakmaterials zwischen 2 und 10, insbesondere 5 U/min für mindestens eine Umdrehung und die Drehzahl bei der Bestimmung des Volumens des komprimierten Tabak materials zwischen 1000 und 5000, insbesondere 3000 U/min beträgt.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdrehzahl des Antriebs (3) durch die Auswerte-Ein heit (7) so eingestellt wird, daß aus dem laufend be stimmtem spezifischen Gewicht unter Last das für alle Faserproben vereinbarte spezifische Sollgewicht einge halten wird.