Größe und Form in Echtzeit

Die Qualität von Reis hängt in hohem Maß vom Bruchgehalt der Körner ab. Bei der maschinellen Bearbeitung der verschiedenen Sorten in der industriellen Produktion brechen einzelne Reiskörner. Die Bestimmung des Bruchgehaltes wird bis zum heutigen Zeitpunkt manuell durchgeführt. Die aufwendige Methode erlaubt nur die Messung kleiner Reismengen. In der Regel wird sie stündlich durchgeführt. Dabei wird der Reisbruch durch Handauslese separiert und zurückgewogen und der Bruchgehalt in Gewichts-% dargestellt. Grenzwertige Reiskörner müssen von Hand nachgemessen werden, um so die tatsächliche Länge und die Zuordnung zum Bruch oder Ganzkorn zu bestimmen. Vorher muss zu jeder einzelnen Charge die durchschnittliche Kornlänge und das sogenannte ¾-Korn bestimmt werden. Hierzu werden gemäß Reisrichtlinie 50 ganze ungebrochene Körner, die wahllos aus einer Probe der Charge von Hand aussortiert werden, von Hand gemessen. Der Zeitaufwand hierzu beträgt ca. 20 Minuten.

Das Messprinzip des PartAn 3001 L (Bild 1) ermöglicht eine schnelle reproduzierbare Messung mit absoluten Werten und einen hohen Probendurchsatz. So können anstatt 100 Reiskörner von Hand Tausende in kürzester Zeit (30 Reiskörner je Sekunde) gemessen werden. Alle Daten zu Reiskornlänge, ¾-Korn und Bruchanteilen stehen dem Anwender sofort zur Verfügung.

Alle Daten können automatisch in eine externe Datenbank (LIMS) und/oder an ein Prozessleitsystem übertragen werden. Zur Prozesssteuerung wird der PartAn auch im Online-Betrieb eingesetzt (Bild 2). Der Messgerätehersteller AnaTec bietet dem Anwender eine Komplettlösung inklusive Probenehmer und Probenvorbereitungssysteme – die von der PartAn-Software kontrolliert und gesteuert werden.

Über einen Trichter gelangt die zu analysierende Probe in die Dosiereinrichtung. Das rechnergesteuerte Messsystem sorgt für einen kontinuierlichen, konzentrationsgeregelten Partikelstrom. Die Partikel fallen vereinzelt durch den Messschacht und erzeugen kontrastreiche Schattenbilder zwischen Lichtquelle und hochauflösender Kamera. Die Lichtquelle wird von der Kamera angesteuert und erzeugt aufgrund sehr kurzer Belichtungszeiten fehlerfreie Bildinformationen für die Mehrfachauswertung jedes einzelnen Partikels in Echtzeit. Die hohen Anforderungen an die Ergebnisgenauigkeit erfordern die Aufnahme und Auswertung mehrerer Hundert Bilder pro Sekunde. Die Messergebnisentwicklung und aktuelle Produktbilder können während der Messung am Bildschirm beobachtet, die Rohdaten vom Anwender nach unterschiedlichsten Gesichtspunkten ausgewertet und als Endergebnisse gespeichert werden. Während der Messung können auch Bilder oder Bildserien gespeichert und quasi als Rückstellproben zur Dokumentation oder auch für spätere Auswertungen verwendet werden. Schließlich wird die gesamte Probe in der Probenbox gesammelt.

Aufgrund der Bewegungsmitnahme aus dem Dosiersystem und der turbulenten Umströmung rotieren die Partikel im freien Fall. Die Hochgeschwindigkeitskamera erfasst jedes einzelne Partikel auf seinem Weg durch die Bildebene mehrfach und in verschiedenen Lagen. Die Software des Multi-Image-Modus nutzt diese Mehrfachinformation pro Partikel für die präzise Berechnung von Partikelabmessungen, Partikelvolumen und Partikelform in Echtzeit.

Der aktuelle technische Stand marktüblicher fotooptischer Systeme erfasst Partikel üblicherweise nur einmal in statistisch beliebiger Lage und kann nur diese Informationen für weitere Berechnungen und Auswertungen verwenden. Die mit dieser reduzierten Information erzeugten Ergebnisse sind fehlerbehaftet. Bruchanteile werden häufig systembedingt falsch wiedergegeben.

Messungen im Multi-Imaging-Modus werden mit mehreren Hundert Bildern je Sekunde durchgeführt. Jedes Reiskorn wird mehrmals erfasst und ausgewertet. Für die Auswertung und Zuordnung zur Partikelgröße wählte man die jeweils längste Ausdehnung. Wie unterschiedlich ein Korn aufgrund der falschen (statistischen) Lage bewertet wird, zeigen die Einzelaufnahmen. Die Länge des Reiskorns in Bild 3, das sich im freien Fall befand, wurde sieben Mal hintereinander bestimmt. Die Messergebnisse variierten zwischen 3,39 (links) und 6,8 mm (Position 4 in Bild 3). Die vergleichende Messung und Auswertung zwischen dem 3-D-Verfahren des PartAn 3001 und den manuellen Messungen zeigen eine gute Übereinstimmung für den prozentualen Bruchanteil. Die mittlere Kornlänge wird vom PartAn mit hoher statistischer Sicherheit zu höheren Werten verschoben. Für die 100 g-Proben betrug die Messdauer ca. 3,5 Minuten, die manuelle Messung an 20 g-Proben dauert ca. 20 Minuten.

Bei der manuellen Routinemessung werden ca. 20 g Reis innerhalb von 20 Minuten untersucht. Das Ergebnis dieser 20 g-Proben wird mit fünf multipliziert, um eine theoretische Menge von 100 g zu simulieren. Diese Vorgehensweise birgt jedoch das Risiko einer hohen statistischen Unsicherheit. In der Tabelle sind einige Ergebnisse von Vergleichsmessungen an verschiedenen Reisproben mit herkömmlicher Handmessung und mit dem PartAn-Partikelmesssystem aufgelistet. Die PartAn-3-D-Ergebnisse weisen eine sehr gute Übereinstimmung mit der herkömmlichen manuellen Messung auf.

Ein zusätzlicher Vorteil der Messung mit PartAn-Systemen besonders bei Online-Einsätzen ist, dass der Anwender den Reis schon während der laufenden Messung sieht. Rote Markierungen zeigen ihm dabei die Länge und Breite der Reiskörner an (Bild 4). Der Anwender bekommt somit schon während der laufenden Messung einen optischen Eindruck vom Probengut.

Neben der immer gleichen, vom Anwender unabhängigen Probenahme kann der Prozess auch optisch überwacht werden. Alle Messwerte werden nach Abschluss der Messung an das Prozessleitsystem übergeben und stehen somit sofort zur Prozesssteuerung zur Verfügung. Jedes erfasste Partikel wird von der PartAn-Software in einem speziellen Format gespeichert. Diese Bilddaten können nach erfolgter Messung begutachtet, verglichen, gespeichert, gedruckt und weitergeleitet werden.

Mit den Online-Konzepten der Firma AnaTec können mehrere Produktströme mit einem Messsystem beprobt und überwacht werden. Neben den Informationen über Partikelgröße, -form und -struktur bietet das Multi-Image-Verfahren eine Filter-, Sortier- und Klassierfunktion für Partikel unterschiedlicher Form, eine Filter- und Sortierfunktion nach Länge bzw. Breite und die Möglichkeit zum Vergleich physikalisch sinnvoller Ergebnisse beispielsweise mit Siebergebnissen ohne Anpassungsfunktionen. Der Einsatzbereich umfasst alle rieselfähigen Materialien mit Korngrößen von 20 µm bis 30 bzw. 120 mm.

Online-Info www.dei.de/1009445