Leseprobe
1
Bergische Universität Gesamthochschule Wuppertal
Fachbereich 14 Sicherheitstechnik
Fachgebiet Umweltschutz
Diplomarbeit
Untersuchungen zur Weiterentwicklung von optischen Partikelmessgeräten
Name
: Scholl Christian
Studiengang : HS I
Ausgabe :
02.10.2000
Abgabe :
12.01.2001
2
I Zusammenfassung
Thema dieser Arbeit war die Untersuchung und Weiterentwicklung eines optischen
Partikelmessgerätes, des Camsizer, dessen Messprinzip auf der Technik der digitalen
Bildverarbeitung beruht.
Dabei zeigte sich, dass die digitale Bildverarbeitung zur Partikelcharakterisierung mindestens
ebenso geeignet ist wie die traditionelle Siebanalyse, weil dem Anwender dabei wesentlich
mehr Informationen über die Partikeln zur Verfügung stehen.
Da aber die Siebanalyse in den meisten Fällen immer noch die Basis für die Kommunikation
zwischen Hersteller und Abnehmer darstellt, wurde versucht mit Hilfe digitaler
Bildverarbeitung die gleichen Messergebnisse wie mit Siebanalyse zu erzielen.
Durch Verbesserungen in der Software des Messgerätes ist es nun möglich, die Projektionen
der Partikeln viel exakter auszuwerten und verschiedene direkte Durchmesser schnell zu
ermitteln. Durch Auftragung bestimmter Größen, z.B. der kleinsten maximalen Sehne
min(x
c
), und durch Verbesserungen in der Berechnung (Berücksichtigung der realen
Partikelgestalt durch ein verkleinertes Partikelmodell) wurde eine gute Vergleichbarkeit der
beiden Messverfahren digitale Bildverarbeitung und Siebanalyse erzielt.
Ein weiterer Vorteil der digitalen Bildverarbeitung ist die Möglichkeit der Kornform-
bestimmung, welche optimiert werden konnte.
II Inhaltsverzeichnis
3
II Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
10
2.
Unternehmensportrait
11
3. Grundlagen
disperser
Systeme 12
3.1
Statistische
Längen
und
Partikelgröße 12
3.2
Größenverteilungen von Partikelkollektiven
14
3.2.1 Die Verteilungssumme Q
r
15
3.2.2 Die Verteilungsdichte q
r
16
3.2.3 Die Fraktionen p
r
17
3.2.4 Anzahl-
vs.
Volumenverteilung
18
3.2.5
Spezielle
Verteilungen
19
3.3
Formkenngrößen
20
3.3.1 Sphärizität (SPHT)
20
3.3.2 Prozentualer Anteil nichtsphärischer Partikeln NSP
21
4. Probenahme
und
Probenteilung
22
4.1
Probenahme
22
4.2
Probenteilung
24
5. Partikelcharakterisierung nach dem
Stand
der
Technik
25
5.1
Siebanalyse
25
6. Probleme der Praxis, Wünsche der Hersteller
30
6.1
Die Kornform
30
6.2
Bestimmung
der
Kornform
33
II Inhaltsverzeichnis
4
7. Digitale
Bildverarbeitung
34
7.1
Einführung
34
7.2
Partikelmessgerät
Camsizer
35
7.2.1 Software
38
8. Messreihen
Standard
Camsizer-Software
40
8.1
Reproduzierbarkeit
40
8.2
Vergleich der Camsizer-Messergebnisse
mit
denen
der
Siebanalyse
46
8.3
Überlagerungen
der
Partikelprojektionen
48
8.4
Grafische
Darstellung
der
Messergebnisse
51
9. Messreihen
neue
Camsizer-Software 54
9.1
Möglichkeiten
und
Grenzen
54
9.2
Messungen 56
9.2.1
Breitenmessung
56
9.2.2
Messen
von
Längen 59
9.2.3 Bestimmen der geringsten Partikelausdehnung durch Messen
der
kleinsten
maximalen
Sehne
61
9.2.4
Darstellung
der
Kornform,
Kenngrößen
65
9.2.4.1
Sphärizität 65
9.2.4.2 Verhältnisse von Breiten und Längen
69
9.2.5
Anwendungen
aus
der
Praxis
73
10.
Ergebnisse
der
Versuchsreihen
75
10.1
Standard
Camsizer-Software
75
10.2
Neue
Camsizer-Software 76
II Inhaltsverzeichnis
5
11.
Ausblick
79
Quellenverzeichnis
80
III Abbildungsverzeichnis
6
III Abbildungsverzeichnis
Abb. 3.1.1: Statistische Durchmesser und Äquivalentdurchmesser x
13
Abb. 3.2.1: Verteilungssumme Q
r
(x
i
)
15
Abb. 3.2.2: Verteilungsdichte q
r
(x
i
)
16
Abb. 3.2.3: Fraktionen p
3
und Verteilungssumme Q
3
17
Abb. 3.2.4: Verteilungssummen Q
0
und Q
3
18
Abb. 3.3.1: Darstellung der sphärizitätsabhängigen Q
0
-Verteilungssumme 21
Abb.
4.2.1:
Rotationsprobenteiler
24
Abb.
5.1.1:
Siebmaschine
29
Abb.
6.1.1:
Zur
Definition
der
Kornformen
31
Abb.
6.1.2
:Ovale
Glasperlen
32
Abb. 7.2.1: Realisierung der Bildanalyse
im
Camsizer
36
Abb.
7.2.2:
Produktfoto
Camsizer
37
Abb. 7.2.1.1: Digitale Momentaufnahme
von
Kunststoffkugeln
38
Abb. 8.1.1: Q
3
-Verteilungssumme und p
3
-Fraktionen von Siliciumcarbid 22
40
Abb. 8.1.2: Reproduzierbarkeit der Messungen von Siliciumcarbid 22
41
III Abbildungsverzeichnis
7
Abb. 8.1.3: Reproduzierbarkeit der
Messungen
von
BE
8
42
Abb. 8.1.4: Verteilungsdichte von Material
BE
8
43
Abb. 8.1.5: Digitale Momentaufnahme von Agglomeraten
44
Abb. 8.1.6: Messungen BE 8 im Vergleich zur Siebanalyse
44
Abb. 8.1.7: Ergebnisse der Messung BE 8 im Vergleich zur Siebanalyse,
45
Teilchen < 180 µm abgesiebt
Abb.
8.2.1:
Vorgänge
bei
der
Siebanalyse
46
Abb. 8.2.2: Unterschied zwischen Camsizer-Messung und Siebung von
46
Schleifmittel SWSKL HQ 30
Abb. 8.2.3: Camsizer-Messung und Siebung (Material:
Lot-Kugeln)
47
Abb. 8.3.1: Unterschiede im Messergebnis durch Partikelüberlappungen
48
Abb. 8.3.2: Messungen mit verschiedenen
Förderrinnenbreiten
49
Abb. 8.3.3: ,,Wirkung" einer schmaleren
Förderrinne
50
Abb. 8.4.1: Dialogbox ,,Einstellung des Auswertediagramms"
51
Abb. 8.4.2: Camsizer-Messergebnisse im Vergleich zur Siebung von
52
Siliciumcarbid 24
Abb. 8.4.3: An eine Siebanalyse angepasste Camsizer Messung
53
von Siliciumcarbid 24
III Abbildungsverzeichnis
8
Abb. 9.1.1: Messung von Länge und Durchmesser am Zylinder
54
Abb. 9.1.2: min(x
c
) und x
Femax
von Lotkugeln, aufgetragen über x
55
Abb. 9.2.1.1: Verteilungssumme Q
3
von Stäbchen, aufgetragen über der
57
kleinsten maximalen Sehne min(x
c
)
Abb. 9.2.2.1: Breiten- (min(x
c
)) und Längenverteilung (x
Femax
) von Stäbchen
59
Abb. 9.2.2.2: Längenmessung gerichtet und ungerichtet von
60
Stäbchen
Abb.
9.2.3.1:
Messungen
von
Dünger 62
Abb.
9.2.3.2:
Messergebnisse
eines
Schleifmittels
62
Abb. 9.2.3.3: Messungen von Siliciumcarbid 24
63
Abb.
9.2.3.4:
Messungen
einer
Zeolith-Körnung
64
Abb. 9.2.4.1: Werte der Sphärizität für Düngerkugeln und Stäbchen
65
in Abhängigkeit der Q
3
-Verteilungssumme
Abb. 9.2.4.2: Linearer Verlauf von Q
3
über
SPHT
66
Abb. 9.2.4.3: Volumenverteilungssumme eines Schleifmittels
67
Abb. 9.2.4.4: Sphärizitätsverlauf des behandelten
Schleifmittels
68
Abb. 9.2.4.5: Verteilungssumme Q
3
über
(v) von Kugeln, Stäbchen und
69
Korundkörnern
Abb. 9.2.4.6: Zur Bestimmung von Kenngröße 2
70
Abb.
9.2.4.7:
Zur
Größe
Symmetrie
71
III Abbildungsverzeichnis
9
Abb. 9.2.5.1: Verteilungssummen Q
3
73
Abb.
9.2.5.2:
Formcharakteristiken
74
Abb. 10.2.1: Messergebnisse verschiedener Messmethoden
76
IV Tabellenverzeichnis
10
IV Tabellenverzeichnis
Tab.
3.1.1:
Statistische
Längen
12
Tab.
3.2.1:
Bedeutung
der
Indizes
14
Tab.
8.1.1:
Messwerte
der
Messung
BE
8
43
Tab. 8.2.1: Formeinfluss der Partikeln auf das Messergebnis bei der Camsizer-
47
Messung und der Siebanalyse
Tab. 9.2.1.1: Breite von Stäbchen min(x
c
) und ihr Anteil
am Gesamtkollektiv p
3
[%]
56
Tab.
9.2.1.2:
Messungen
mit
einem
Mess-Schieber
57
Tab.
9.2.4.1:
Kenngrößen
72
Tab. 10.1: Vor- und Nachteile der beiden Messverfahren
77
1. Einleitung
11
1. Einleitung
Zur Charakterisierung, Qualitätsüberprüfung, Produktionssteuerung und Optimierung einer
vielzahl industrieller Güter und Prozesse ist die Kenntnis von Partikelgröße und Partikelform
von entscheidender Bedeutung. Diese Eigenschaften beeinflussen in hohem Maße das
Verhalten eines Feststoffes. Schon beim Gewinnungsprozess muss eine bestimmte
Partikelgröße erreicht werden, um eine reibungslose Weiterverarbeitung und die angestrebten
Qualitätsmerkmale des Endproduktes zu erzielen. Aufgrund wachsender
Qualitätsanforderungen müssen diese Merkmale von Schüttgütern immer häufiger,
reproduzierbarer und quantitativ exakter ermittelt werden. Dabei stößt die traditionelle
Siebanalyse wegen ihres hohen Zeitaufwandes und ihres geringen Auflösungsvermögens
zunehmend an ihre Grenzen. Zudem beinhaltet sie Nachteile, wie z.B. die Ungenauigkeiten
der Siebmaschenweiten, die aufwendige Reinigung und den Ersatz beschädigter Siebe.
Daher werden Siebanalysen immer häufiger durch optische Messverfahren ersetzt. Thema
dieser Arbeit ist die Untersuchung und Weiterentwicklung eines optischen
Partikelmessgerätes, des Camsizer, dessen Messprinzip auf der Technik der digitalen
Bildverarbeitung beruht.
Die Siebanalyse ist traditionell immer noch die häufigste Methode der
Partikelgrößencharakterisierung der Anwender. Um diesen das Umsteigen auf neuere
Verfahren zu erleichtern, wird angestrebt, die Messergebnisse von Siebanalyse und optischen
Verfahren vergleichbar zu gestalten. Deswegen wird das neue optische Verfahren der
Möglichkeit der Partikelcharakterisierung mittels Siebanalyse kritisch gegenübergestellt,
wobei auch die Möglichkeit einer Siebungssimulation mit digitaler Bildverarbeitung erörtert
wird.
Ein weiteres Thema dieser Untersuchung ist das Entwickeln einer neuen Software-Edition,
die die Möglichkeiten der Korngrößen- und Kornformanalyse nach Kundenanforderungen
stark erweitert.
2. Unternehmensportrait
12
2. Unternehmensportrait
Die Firma F. Kurt Retsch GmbH & Co. KG, Haan (im folgenden ,,Retsch" genannt") ist ein
Unternehmen des verarbeitenden Gewerbes, das innerhalb des Maschinen- und Apparatebaus
angesiedelt ist. Das Produktprogramm der Firma Retsch besteht aus Laborgeräten zur
Aufbereitung und Analyse von Feststoffproben, sowie zu deren Größencharakterisierung.
Dieses Produktprogramm lässt sich aufgliedern in die Geschäftsfelder Probenzerkleinerung,
Probenteilung und Partikelmesstechnik. Im Jahr 1996 wurde bei Retsch beschlossen, das
Produktfeld Partikelmesstechnik um ein unternehmensintern neuartiges
Bildverarbeitungsgerät zu ergänzen. Dieser Beschluss führte zur Entwicklung des Camsizer,
einem Partikelmessgerät, dass Partikelgrößen- und Partikelformcharakteristiken mit Hilfe
digitaler Bildverarbeitung ermittelt [1]. Den Vertrieb des Camsizer und des Crystalsizer,
einem Partikelmessgerät, dass Partikelgrößen mit Hilfe der Beugung von weißem Licht
bestimmt, übernimmt seit 1998 die Abteilung Retsch Technology, die seit Juni 2000 ein
eigenständiges Unternehmen darstellt in dessen Hause diese Arbeit entstand.
3. Grundlagen disperser Systeme
13
3. Grundlagen disperser Systeme
3.1
Statistische Längen und Partikelgröße
Zur Kennzeichnung disperser Feststoffsysteme werden die Partikelgröße und deren
Verteilung, sowie die Partikelform als Charakterisierungsmerkmal herangezogen. Oft besteht
ein Zusammenhang zwischen geometrischen Teilchenmerkmalen und
anwendungstechnischen Eigenschaften. So hängen z.B. das Auftragsverhalten und der
optische Eindruck einer Dispersionsfarbe stark von der Form und der Größe der
Pigmentpartikeln ab [2]. Zur Kennzeichnung von Partikelkollektiven eignen sich u.a.
geometrische Größen wie Längen, Projektionsflächen, Oberflächen oder Volumina. Damit
sind an einer Partikel eine Vielzahl von geometrischen Abmessungen bestimmbar. Für
Partikeln, die nicht kugel- oder würfelförmig sind, entwickelte man statistische Längen, die an
einer ebenen Teilchenprojektion abgenommen werden. Einige dieser Längen sind wie folgt
definiert (siehe auch Abb. 3.1.1):
Tab. 3.1.1: Statistische Längen
Feret-Durchmesser x
Fe
Der Feret-Durchmesser ist der Abstand zweier Tangenten,
die senkrecht zur Messrichtung an die Partikel angelegt
wurden
Martin-Durchmesser x
Ma
Der Martin-Durchmesser ist die Flächenhalbierende in
Messrichtung
Längste Sehne x
c
Die längste Sehne gibt die größte Ausdehnung senkrecht zur
Messrichtung wieder
In der Literatur findet man jedoch verschiedene Definitionen, insbesondere was die Lage der
statistischen Länge zur Messrichtung betrifft. Deswegen ist diese immer mit anzugeben.
In der Regel möchte man in der Partikelmesstechnik ein oftmals komplexes Teilchen mit nur
einem Durchmesser, dem sogenannten Äquivalentdurchmesser, beschreiben, um
Informationen eines Partikelkollektivs bündeln zu können.
Äquivalentdurchmesser x
Der Äquivalentdurchmesser x ist der Durchmesser einer Kugel, die die gleiche geometrische
oder physikalische Messeigenschaft wie das betrachtete unregelmäßige Teilchen hat, d.h.
einer "wirkungsgleichen" Kugel mit dem gleichen Messsignal. Im Falle der Abb. 3.1.1 ist x
3. Grundlagen disperser Systeme
14
der Durchmesser einer volumengleichen Kugel, d.h. einer Kugel die das gleiche Volumen wie
die zu vermessene Partikel besitzt.
Abb. 3.1.1: Statistische Durchmesser und Äquivalentdurchmesser x
x
Ma
x
Fe
x
c
V´
Messrichtung
V = V'
x
3. Grundlagen disperser Systeme
15
3.2
Größenverteilungen von Partikelkollektiven
Für eine Charakterisierung eines Partikelkollektivs muss der jeweilige Anteil an Partikeln
einer bestimmten Eigenschaft an der Gesamtmenge des Systems bekannt sein. Dabei lassen
sich die Mengenarten Anzahl, Länge, Fläche und Volumen/Masse verwenden, wobei die
Mengenarten Volumen und Masse bei konstantem spezifischem Gewicht des Stoffes zu
identischen Darstellungen führen. Für die Darstellung verwendet man die Verteilungssumme
Q
r
oder die Rückstandsverteilungssumme 1-Q
r
, die Verteilungsdichte q
r
, sowie die Fraktionen
)
x
(
q
x
)
(x
Q
p
i
r
i
i
r
r
=
=
.
(3.2-1)
Der Index r gibt dabei die Dimension an. Es gelten folgende Zuordnungen:
Tab.3.2.1: Bedeutung der Indizes
Mengenart Index
r
Anzahl 0
Länge 1
Fläche 2
Masse/Volumen 3
3. Grundlagen disperser Systeme
16
3.2.1 Die Verteilungssumme Q
r
Die Verteilungssumme Q
r
(x
i
) gibt die auf die Gesamtmenge bezogene Menge aller Partikeln
an, die ein Partikelmerkmal besitzen, welches kleiner oder gleich x
i
ist.
e
Gesamtmeng
x
mit x
Partikel
aller
Menge
)
(x
Q
i
i
r
=
(3.2.1-1)
Abb. 3.2.1: Verteilungssumme Q
r
(x
i
)
Im Falle einer Volumenverteilung Q
3
gilt: die Hälfte des Gesamtvolumens des
Partikelkollektivs setzt sich aus Partikeln mit x
x
50
zusammen.
x
Q
r
[%]
x
50
x
1
x
2
x
max
x
min
Q
r
(x
2
)
Q
r
(x
1
)
Q
r
(x
1
,x
2
)
0
50
100
3. Grundlagen disperser Systeme
17
3.2.2 Die Verteilungsdichte q
r
Die Verteilungsdichte q
r
(x
i
) gibt an, mit welchem Mengenanteil ein bestimmtes Merkmal an
der Größenverteilung beteiligt ist, d.h. die Verteilungsdichte
)
(x
q
i
r
gibt den Mengenanteil je
Merkmalsintervall
x an.
Ist
x = x
2
- x
1
dann gilt
Q
r
(x
1
,x
2
) = Q
r
(x
2
) - Q
r
(x
1
)
Die Verteilungsdichte ergibt sich dann zu:
x
)
x
,
x
(
Q
=
)
x
,
x
(
q
2
1
r
2
1
r
(3.2.2-1)
Ist Q
r
(x) eine stetig differenzierbare Funktion so gilt für
x 0 :
dx
)
x
(
dQ
)
x
(
q
r
r
=
(3.2.2-2)
Wenn x ein Äquivalentdurchmesser ist, so hat q
r
(x) die Einheit 1/Länge.
x
min
=
i
min
x
x
dx
)
x
(
q
)
x
(
Q
r
i
r
r
r
r
p
x
)
x
,
x
(
q
)
x
,
x
(
Q
2
1
2
1
=
=
x
1
x
2
x
max
Abb. 3.2.2: Verteilungsdichte q
r
(x
i
)
Die Dichteverteilungskurve besitzt oft die dargestellte Glockenform. In diesem Fall spricht
man von einer monomodalen Verteilung. Treten zwei Maxima auf, so spricht man von einer
bimodalen Verteilung. Eine Dichteverteilungskurve mit mehreren Maxima stellt eine
multimodale Verteilung dar. Bei linear geteilter x-Achse, lässt sich aus der
Dichteverteilungskurve der Modalwert, d.h. die häufigste Partikelgröße, als Abszissenwert
des Maximums von q
r
(x) ablesen.
3.2.3 Die Fraktionen p
r
Q
r
(x
i
) ist eine Mengenanteilssumme. Sie ist auf die Gesamtmenge normiert und deshalb gilt:
q
r
x
Ende der Leseprobe aus 82 Seiten
- Arbeit zitieren
- Christian Scholl (Autor:in), 2001, Untersuchungen zur Weiterentwicklung von optischen Partikelmessgeräten, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/185774
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