Größe und Form parallel bestimmen

Dipl.-Ing. Gert Beckmann, Dipl.-Ing. Johannes Jüngling

Zur Ermittlung der Korngrößenverteilung von Schüttgütern und Granulaten dienen neben der traditionellen Siebanalyse auch verschiedene optische Messverfahren. Viele Materialeigenschaften werden aber nicht nur durch die Größenverteilung, sondern ebenso durch die Kornform bestimmt. Die Qualitätssicherung in Unternehmen der Schüttgutindustrie wünscht sich daher häufig sowohl die schnelle und genaue Bestimmung der Partikelgröße als auch die simultane Analyse der Partikelform. Diese Anforderungen lassen sich mit digitaler Bildverarbeitung via Matrixkameras erfüllen.

Dieses optische Messprinzip nutzt beispielsweise der Camsizer von Retsch Technology (Abb. 1). Sein Korngrößenspektrum für die Partikelanalyse reicht von 30 µm bis 30 mm. Die vielfältigen Analysefähigkeiten des Camsizers bieten außerdem auch die Möglichkeit, Schüttgüter und Granulate hinsichtlich ihrer Form zu bewerten. Die Messung erfolgt berührungslos und ist damit auch für empfindliche Materialien ideal. Bei geeigneter Definition dessen, was die Software als Partikelgröße x zu interpretieren hat, sind die Resultate zudem kompatibel zur derzeit vorherrschenden Siebanalyse.

Der Camsizer nutzt dabei das Prinzip der Schattenprojektion. Die Partikel fallen senkrecht zur optischen Achse zwischen einer Flächenlichtquelle und zwei digitalen CCD-Kameras hindurch und werden von diesen in schneller Folge aufgezeichnet, so dass der gesamte Schüttgutstrom analysiert werden kann. Die sehr kurze Belichtungszeit garantiert dabei die hochgenaue Ermittlung der Projektionsflächen der Partikel in den auszuwertenden Digitalaufnahmen. Das zweidimensionale Partikelbild wird hierbei über verschiedene Richtungen vermessen. Diese detaillierte Bestimmung der Kornform liefert die Grundlage für verschiedene Definitionen der Partikelgröße (z. B. Längen, Sehnen, Flächen), die zur Auswertung herangezogen werden können.

Insbesondere kann die Partikelgröße so definiert werden, dass sie dem bei der Siebanalyse vorgenommenen Vergleich zwischen Partikel und Siebmasche entspricht. Mit dieser Option erhält der Anwender Resultate, die mit der Siebanalyse kompatibel sind. Reiskörner passieren mit ihrer Stirnfläche die Siebmaschen und werden somit in ihrer kleinsten Ausdehnung gemessen. Der Camsizer vermisst die Partikel dagegen in zufälliger Projektion. Wenn daraus beispielsweise der Äquivalentdurchmesser eines flächengleichen Kreises berechnet wird, so sind diese Werte größer als bei der Siebung. Der Anwender musste diese systematische Abweichung zwischen den Partikeldefinitionen bei einem Wechsel zum Camsizer-Messprinzip in der Vergangenheit zunächst einmal akzeptieren oder die Ergebnisse anpassen.

Um diese Abweichung zwischen den Analysenmethoden zu vermeiden, kann nun jedoch der Software eine neue Auswertemöglichkeit der Messwerte vorgegeben werden. Die Bestimmung der Partikeldurchmesser erfolgt dann nicht mehr aus der Projektionsflächenmessung, sondern aus der Ermittlung charakteristischer Abmessungen wie der Breite der detektierten Partikel. Wird die Summenkurve Q3 beispielsweise über die Breiten der Teilchen aufgetragen, kann ein traditionelles Siebergebnis direkt dargestellt werden, weil die Breite rotationselliptischer Körper das Maß darstellt, mit dem die Partikel die Siebmaschen passieren.

Abbildung 2 zeigt die Siebkurve von Rohstoff-Presslingen zur Produktion von Kunststoffen. Die rote Kurve stellt eine Camsizer-Messung dar, bei der die Partikelgröße auf der Basis der Partikelbreite ermittelt wurde. Durch diese Definition des Partikeldurchmessers wird die Siebung nahezu perfekt dargestellt.

Da sich die Größenverteilung des Camsizer-Verfahrens aus bis zu 1000 Stützstellen zusammensetzt, erhält der Anwender zusätzlich Informationen über die Partikelverteilung der Probe zwischen den Stützpunkten der bisherigen Siebresultate, die als Eckpunkte der schwarzen Kurve zu erkennen sind. Zur Verdeutlichung des Kompatibilitätsfortschritts ist auch eine Q3-Kurve (grün) dargestellt, die bei einer Partikeldefinition über den flächengleichen Kreis (Flächenmessung) erhalten wird. Diese Auswertung der mittleren Partikelprojektionen ist erwartungsgemäß ins Grobe verschoben. In diesem Fall ist die Darstellung von Siebungsergebnissen nur über eine materialspezifische Verschiebung der Kurve zu erreichen. Dies ist mit deutlich höherem Aufwand und mehr Fehlerquellen verbunden. Zusammengefasst ergeben sich durch die neue Camsizer-Software Advanced folgende Vorteile für den Anwender:

• Ergebnisse der traditionellen und in vielen Normen verankerten Siebanalyse können nun direkt und nahezu perfekt dargestellt werden.

• Durch die hochaufgelöste Darstellung der Verteilungssumme stehen auch Informationen zwischen den Siebschnitten zur Verfügung.

• Bei Verwendung von Längenmaßen können auch andere etablierte Messtechniken substituiert werden (zum Beispiel die Mikroskopie).

Neben der Bestimmung der Größenverteilung von Schüttgutproben ermittelt der Camsizer gleichzeitig die Kornform des Probengutes exakt und zuverlässig. Die detaillierte Auswertung der Projektionsflächen einzelner Teilchen erlaubt dabei die Angabe spezieller Formcharakteristika wie absolute Länge, Rundheit und Längen-/Breitenverhältnisse. Die Ausgabe dieser Kenngrößen erfolgt größenklassenspezifisch oder als Mittelwert für die Gesamtprobe. Die statistische Absicherung der erhaltenen Werte kann aufgrund der Anzahl erfolgter Partikeldetektionen direkt angegeben werden. Ergebnisse werden sowohl tabellarisch als auch in Grafikform dargestellt. Eine Konvertierung der Daten für die Übernahme in gängige Office-Software ist möglich.

Die besonderen Vorteile zeigen sich beispielhaft bei der Vermessung einer diffizilen Probe extrudierter Stäbchen (Abb. 3). Die Messaufgabe bestand in der Bestimmung folgender charakteristischer Abmessungen: Absolute Länge der Stäbchen XFe max, Partikelbreite Xc min und äußere Breite XFe min. Die Auswertung in Abbildung 4 zeigt, dass die Breite der Stäbchen über die Stäbchenlänge im Bereich von 2 bis 15 mm nur leicht ansteigt. Die zeitliche Veränderung der Kurve für die Partikelbreite kann dann als direktes Maß für den Verschleiß der Extruderprofile gelten. Anfallende Störungen können durch Formanalytik erkannt und Wartungsmaßnahmen mithin frühzeitig eingeleitet werden. Je länger die Stäbchen werden, desto ausgeprägter wird auch ferner der von ihnen beschriebene Bogen. Dies zeigt der Anstieg der äußeren Breite. Daraus sind Rückschlüsse auf das Materialverhalten oder den Extruderprofile wie z. B. Verschmutzungen möglich. Der Nutzen einer Kombination von Korngrößen- und Kornformanalyse zeigt sich an dieser Probe in der Gegenüberstellung von Partikelbreite und Volumenverteilung Q3 als Funktion der Partikellänge. Während aus der Q3-Kurve nicht ersehen werden kann, ob Partikel dem Staubanteil durch Partikelbruch zugeordnet werden können, wird dies durch die Kornformanalyse schnell und eindeutig ersichtlich. Die Darstellung der Kurven zeigt, dass Teilchen mit einer Breite unterhalb 2 mm Bruch oder Staub darstellen (Abb. 5).

Halle 8, Stand 114

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