Digitale Partikelanalyse

Dr. Jürgen Pankratz

Granulate und Schüttgüter wurden bisher weitgehend mittels der traditionellen Siebanalyse untersucht. Diese ist für eine Kontrolle im Bereich der Qualitätssicherung und Prozeßüberwachung jedoch häufig zu langsam und zu arbeitsintensiv. Überdies kann die Analysensiebung kaum automatisiert werden. Auf der anderen Seite waren moderne optische Verfahren bislang auf die Partikelanalyse im µm-Bereich sowie auf den reinen Laboreinsatz konzentriert und boten von daher keine echte Alternative.

Aufgrund einer rasanten Leistungsentwicklung bei der Computerhardware sowie in der digitalen Bilderfassungstechnik mit CCD-Kameras hat sich in jüngster Zeit jedoch eine neue Meßtechnik herausgebildet: die digitale Bildverarbeitung. Sie ist in der Lage, die vielfältigen Anforderungen der industriellen Meßtechnik über einen weiten Korngrößenbereich zu erfüllen. Korngrößeninformationen stehen schnell und hochauflösend zur Verfügung. Die Kornformanalyse wird ermöglicht. Aufgrund des störungsunempfindlichen Meßverfahrens gilt dies sowohl für das Labor als auch in produktionsnahen Umgebungen und Online-Applikationen, so daß Schüttgutkontrollen und gegebenenfalls Korrekturmaßnahmen nahezu in Echtzeit erfolgen können. Vor dem Hintergrund dieser technischen Möglichkeiten wurde in Kooperation mit der Jenoptik L.O.S. GmbH, Jena, das in Abbildung 1 gezeigte Partikelmeßgerät Camsizer entwickelt.

Die Partikelvermessung mittels digitaler Bildverarbeitung funktioniert nach dem folgenden Prinzip: zwischen einer Lichtquelle und einer CCD-Kamera fällt ein Schüttgutstrom herab, wobei die Partikel, die die Optik im Moment der Bildaufnahme auf die Kamera abbildet, dort digitalisiert erfaßt werden. Der Computer wertet in den aufgenommenen Bildern die Projektionsflächen der Partikel aus und berechnet daraus alle gängigen Partikelgrößenverteilungen (Durchgangs-, Rückstands-, Dichtekurven etc.) sowie gleichzeitig eine Vielzahl von Formparametern (z.B. Rundheit oder längste Sehne). Der Anwender kann die für ihn relevanten Informationen komfortabel auswählen und vorkonfigurieren.

Das patentierte Camsizer-Meßprinzip beruht auf der Verknüpfung zweier Matrixkameras mit aufeinander abgestimmten Abbildungsmaßstäben zu einem intelligenten Meßsystem (Abb. 2). Im Rahmen einer mathematisch formulierten und softwareseitig umgesetzten „Arbeitsteilung“ erfaßt die Kamera Basic (Cam-B) große Partikel, während sich die Kamera Zoom (Cam-Z) auf die kleinen konzentriert.

In Abbildung 2 wurden die Vorteile eines solchen adaptiven Meßaufbaus durch die Darstellung von Momentaufnahmen, die schon während der Messung betrachtet und auf Befehl gespeichert werden können, anhand eines Quarzsandes näher illustriert. In ihrer Kombination stellen die Kameras sicher, daß selbst sehr geringe Fein- und Grobanteile zuverlässig und repräsentativ detektiert werden. Die Momentaufnahmen veranschaulichen auch die sehr direkte und realitätsnahe Partikeldefinition dieses Verfahrens, die es erlaubt, sowohl die Größenverteilungen als auch die Formparameter sehr genau zu ermitteln. Ohne manuelle Justagen oder Meßbereichsumstellungen wird mittels des 2-Kamera-Prinzips schon standardmäßig ein sehr großer Meßbereich von 30 µm bis 30 mm zur Verfügung gestellt. Dank der hohen Bildaufnahmerate ist es dem Camsizer möglich, bereits innerhalb von 0,5 bis 3 min ein aussagekräftiges Analysenergebnis zu erhalten.

Der Camsizer wird in Werkslaboren, an Produktionsstandorten und in Forschungsinstituten verwendet. Durch eine kontinuierliche Luftspülung aller optischen Komponenten und die robuste Konstruktion kann der Camsizer auch in rauhen Industrieumgebungen eingesetzt werden. Im Rahmen seines Meßbereiches ist der Camsizer in der Lage, alle rieselfähigen, nicht agglomerierenden Pulver, Schüttgüter und Granulate hinsichtlich ihrer Korngröße und -form zu untersuchen. In Abbildung 3 sind Messungen eines bimodalen Minerals dargestellt, dessen Kornverteilung vom Hersteller gemäß unterschiedlicher Spezifikationen nach Kundenwunsch konfektioniert werden muß. Dazu wird eine Kombination von industriellem Brechwerk und nachgeschalteten Produktionssieben nach dem Taumelprinzip eingesetzt. Je nach Brechersteuerung und ausgesiebten bzw. auch rückgeleiteten Kornfraktionen läßt sich ein multimodales Endprodukt erzeugen, in dem einzelne Fraktionen betont oder unterdrückt werden können. Der Massendurchsatz der Produktion beträgt einige t/h.

Auf der linken Achse der Grafik ist die Verteilungsdichte q3 sowie auf der rechten Achse die Verteilungssumme Q3 (sog. Durchgangskurve) aufgetragen. Beide wurden unter zwei verschiedenen Produktionsbedingungen gemessen. Während die Verteilungssummen Q3 nur geringe Unterschiede aufweisen, ist die vorhandene Verschiebung zugunsten der gröberen Fraktion, die im Produktionszustand 2 auftritt, in der Verteilungsdichte q3 sehr ausgeprägt erkennbar. Es wird in diesem Zustand ein recht konstanter Verlauf der Dichteverteilung im Bereich von 0,3 bis 0,9 mm erzielt.

Anders als bei den Ergebnissen optischer Partikelmeßsysteme üblich, enthält die Grafik keinerlei Interpolationen oder Glättungen, sondern besteht aus einer Vielzahl von „echten“, sehr dicht beieinander liegenden Meßpunkten. Damit bietet sich der Camsizer aufgrund seiner Meßgüte und seines Auflösungsvermögens zur detaillierten Beurteilung von Partikelgrößenverteilungen sowie zum zeitnahen Monitoring von Produktionstrends an. Es besteht somit die Möglichkeit, die Produktion exakt an den Bedürfnissen der unterschiedlichen Abnehmer auszurichten und die Umstellung zwischen zwei Produktionszuständen schnell und effizient durchzuführen. Dies spart Energiekosten und senkt die Ausschußquote.

Insbesondere da grobdisperse Schüttgüter bislang fast ausschließlich mittels Siebanalyse untersucht werden, stellt dies ein großes Fortschrittspotential dar, um die Korngrößenbestimmung zu optimieren, Kontrollintervalle zu verkürzen sowie auch größere Teilmengen zu vermessen. Schließlich stößt die zeit- und arbeitsintensive Siebanalyse unter diesen Vorzeichen schnell an ihre Grenzen. Zudem läßt sich nunmehr gleichzeitig mit der Korngrößenbestimmung eine Kornformanalyse durchführen. Dies könnte beispielsweise frühzeitig Hinweise auf Verschleißerscheinungen eines Brechers/Mahlwerkes liefern, so daß die Wartung dieser Anlagen im Rahmen von geplanten Produktionsstillständen zielgerichtet vorgenommen werden kann.

Der Camsizer arbeitet im klassischen Bereich der Trockensiebanalyse. Er ist aber im Vergleich zur Siebung leichter zu handhaben, weitaus schneller, bietet viele wertvolle Zusatzinformationen und schaltet zufällige Fehler aus. Der Camsizer ist somit eine zeit- und kostensparende Alternative, wenn eine permanente Prozeßkontrolle, umgehende Ein- und Ausgangskontrollen sowie aussagekräftige und detaillierte Labormessungen benötigt werden. Der in Abbildung 4 durchgeführte Vergleich mit der Siebanalyse untermauert diese Aussagen.

Ferner können die Camsizer-Resultate über einen Anpassungsalgorithmus so dargestellt werden, daß sie den Ergebnissen der weitverbreiteten Siebanalyse entsprechen. Der Anwender wird dadurch in die Lage versetzt, seine bestehenden Referenzen weiterhin nutzen zu können. So kann er ohne unnötige Kompatibilitätsprobleme auf diese Meßtechnik umsteigen und muß dabei auf die Vorteile der Kornformanalyse sowie einer detaillierten Korngrößenbestimmung nicht verzichten.

Weitere Informationen cav-233