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Verfahren und Einrichtung zum Bestimmen der Verteilung der Teilchengröße
einer Dispersion fein verteilten Materials Die vorliegende Erfindung bezieht sich
auf ein verbessertes Verfahren zum automatischen Messen der Verteilung der Teilchengröße
einer Dispersion fein verteilten Materials und auf eine verbesserte Einrichtung
zum Bestimmen der Teilchengröße.
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Derzeit bildet die Technik der Sedimentationsgeschwindigkeit die Grundlage
der meisten praktischen Verfahren zum Messen der Teilchengröße. Diese Technik hängt
von der Tatsache ab, daß die Fallgeschwindigkeit eines Teilchens durch ein viskoses
Medium zu der Größe der Teilchen in Beziehung steht. Die Prinzipien der Hydrodynamik
gestatten es, die exakten Gleichungen aufzustellen, die die Bewegung eines Körpers,
wie z.B. einer Kugel, in einer viskosen Flüssigkeit beschreiben, aber auch dn den
einfachsten Fällen bietet eine exakte Lösung dieser Gleichungen unüberwindliche
Schwierigkeiten und es sind bisher nur Näherungslösungen bekannt geworden. Die wichtigsten
Näherungen sind im letzten Jahrhundert durch den englischen Physiker G.G.
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Stokes angegeben worden. Die Näherung nach dem Stokestschen Gesetz
für kugelförmige Teilchen ist gegeben durch D = Kv 1/2 (1) wobei D der Durchmesser
einer fallenden Kugel und v ihre Gleichgewichtsfallgeschwindigkeit ist. K ist eine
Konstante, die von der Dichte g (rho) der Kugel und der Dichte (oho ) und der Viskosität
X (eta) des viskosen Mediums abhängt. K if3t gegeben durch
wobei g die Schwerkraftbeschleunigung ist.
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Die obigen Gleichungen sind für die meisten praktischen Zwecke bei
der Bestimmung der Teilchengröße durch Sedimentationstechnik ausreichend. Es ist
bekannt, daß für große Teilchen an den obigen Gleichungen Korrekturen vorgenommen
werden müssen. Solche Korrekturen finden sich in Standardwerken über Fluidmechanik.
Wie durch die Erfinder bei der vorliegenden Anmeldung verwendet, ist beabsichtigt,
den Begriff Stokes'sches Gesetz auf die Gleichungen (1) und (2) oder Abwandlungen
davon zu beziehen, wie in Standardwerken, z.B. R.D. Cadle "Particle Size" (Reinhold
Publishing Corp. 1965), p. 83 angegeben.
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In der Praxis sind genau genommen kugelförmige Teilchen ungewöhnlich,
und es ist bekannt, daß das Stokes'sche Gesetz für irgendeine andere Form nicht
genau.gilt. Die Abweichungen sind jedoch in den meisten Fällen gering. Weil irreguläre
Formen nicht it jedem Fall durch eine einzige lineare Abmessung beschrieben werden
können, ist es eine übliche Praxis, die Größe irregulärer oder nicht kugelförmiger
Teilchen in Form eines Durchmessers einer Kugel aus dem gleichen Material anzugeben,
die die gleiche Sedimentationsgeschwindigkeit haben würde.
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Diese Durchmesser wird üblicherweise als "StokesXscher Durchmesser"
oder "quivalenter Kugeldurchmesser" bezeichnet.
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Im allgemeinen wird in der Sedimentationsanalyse eine Verdünnung (weniger
als 10 % Festsubstanz) dispergierter Flüssigkeitssuspension eines Materials feiner
Teilchen umgerührt, um sie homogen zu machen. Sie wird dann ruhig stehen gelassen,
während die Sedimentation vor sich geht. Die Zeit vom Beginn der Sedimentationsdauer
wird gemessen. Nach dem Stokestschen Gesetz setzt sich ein Teilchen mit dem Durchmesser
D in der Zeit t um eine Strecke h gemäß der Gleichung
wobei K wie oben in Gleichung (2) ist. Demzufolge werden nach einer
gegebenen Zeit ti alle Teilchen, die größer sind als der entsprechende Wert Di,
unter eine Strecke h von der Oberfläche der Suspension aus gefallen sein. Wenn die
Anfangskonzentration der Teilchen COg/ml und die Konzentration nach der Zeit ti
im Abstand hi gleich Cig/ml ist, dann ist der auf das Gewicht der Probe bezogene
Prozentsatz an Teilchen Pi, die feiner sind als Di> gleich c Po = 100 - (4) G
CO In der Einrichtung zum Bestimmen der Teilchengröße kann eine Analogsteuerung
dazu verwendet werden, sowohl die Probenzelle als auch die Achse eines Aufzeichnungsgerätes
einzustellen.
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Die Einstellung der Probenzelle legt die Sedimentationsstrecke fest.
Die Einstellung der Achse des Aufzeichnungsgerätes steuert die Schreibstiftstellung,
die die Teilchengröße alsWFunktion der Zeit angibt.
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Es wurde gefunden, daß wenn eine Analogsteuerung verwendet wird, die
Einrichtung zum Bestimmen der Teilchengröße von Natur aus in Bezug auf den Grad
der erzielbaren Genauigkeit beschränkt ist. Es wurde ferner gefunden, daß die Ungenauigkeit
der Einstellung der Probenzelle und der einen Achse des Registriergerätestreifens
(senkrecht zur X-Achse) mit einer Analogsteuerung unbestimmbar und nicht unbedingt
reproduzierbar ist. Es traten z.B. Schwierigkeiten auf beim Zeichnen der Kurven
(denen die Photozellen einer Analogsteuerung folgen müssen) mit einem Grad an Genauigkeit,
der für einige Anwendungen erwünscht ist. Schwierigkeiten sind außerdem aufgetreten
beim Bewirken, daß die Photozellen einer Analogsteuerung den erwähnten Kurven mit
dem Grad an Genauigkeit folgen, der für einige Anwendungen erwünscht ist.
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Es wurde gefunden, daß die oben erwähnten Nachteile durch die Verwendung
einer Digitalsteuerung in einer Einrichtung zum Bestimmen der Teilchengröße beseitigt
werden können.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen zum
automatischen und schnellen Bestimmen der Verteilung der Teilchengröße fein verteilter
Teilchen, die in einem flüssigen Medium suspendiert sind, basierend auf der Anwendung
des Stokies'schein Gesetzes der Sedimentation beruht, bei dem die fortlaufende Bestimmung
der Teilohenkonzentration durch fortlaufendes Messen der Durchlässigkeit von Röntgenstrahlen
durch die Suspension und durch fortlaufendes Umwandeln dieser Messung der Durchlässigkeit
in eine Größe erfolgt, die der Konzentration des suspendierten Materials in dem
Röntgenstrahl in einem bestimmten Augenblick proportional ist, und das gekennzeichnet
ist durch das fortlaufende Aufzeichnen der Konzentration aus der einen Koordinate
eines Diagramms, während mit Hilfe einer programmierten Digitalsteuerung die Sedimentationsstreckte
fortlaufend verringert wird und die andere Koordinate fortlaufend so eingestellt
wird, daß sie in jedem Augenblick automatisch die Teilchengröße angibt.
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Somit wird bei der vorliegenden Einrichtung zum Bestimmen der Teilchengröße
und dem vorliegenden Verfahren ein Röntgenstrahl dazu verwendet, die Teilchenkonzentration
in Form der Durchlässigkeit des Strahles durch eine Suspension relativ zu der Grundrlüssigkeit,
z.B. Wasser, zu messen. Während der Durchgang sichtbaren Lichtes durch eine dünne
Suspension eine komplexe Funktion der Konzerltration, der Farbe, der Teilchengrösse,
der Form und des Brechungsindex ist, ist der Durchgang der Röntgenstrahlwellenlängerl
lediglich eine Fulllttion der gewichtsmäßigen Konzentration der suspendierten Festsubstanz.
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Die vertikale Höhe des Röntgenstrahls kann extrem gering gemacht werden,
was eine genaue Messung der Sedimentationsstrecke
gestattet. Er
stört außerdem nicht die Suspension, wie es die Hydrometermethoden zum Messen der
Konzentration tun.
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Die Beziehung zwischen dem Anteil an durchgelassenen Röntgenstrahlen
und der Konzentration ist gegeben durch
wobei In T der natürliche Logarithmus der Durchlässigkeit relativ zu Wasser, # #
(mü) die Differenz in den Röntgenstrahl-Massenabsorbtionskoeffizienten von Festsubstanz
und Wasser, L die Dicke der Probenzelle und C die Teilchenkonzentration in der Suspension
ist. Der Prozentsatz derjenigen Teilchen, die kleiner als D. sind, ist gegeben durch
in T.
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Pi = in T (6) 0 wobei Ti die Durchlässigkeit nach einer gegebenen
Zeit ti in einem Abstand hi und To die Durchlässigkeit zur Startzeit to ist.
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Wenn man eine digitale Steuerung verwendet, ist man inder Lage, sowohl
die Probenzelle einzustellen, um die Sedimentationsstrecke festzulegen, als auch
die Achse des Aufzeichnungsgerätes, normalerweise die X-Achse einzustellen, um die
Teilchengröße als Funktion der Zeit aufzutragen. Dies ist mit jedem gewünschten
Grad an Genauigkeit und mit exakter Reproduzierbarkeit ausgeführt worden.
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Die vorliegende Erfindung wird nunmehr mehr ins Einzelne gehend unter
Bezugnahme aur die zugehörigen Zelchnungen beschrieben, in denen FLgur 1 eine schematische
Ansicht der verbesserten Einrichtung zum Ermitteln der Teilchengröße ist;
Figur
2 eine schematische Ansicht des digitalen Programmsteuersystems der verbesserten
Einrichtung zum Ermitteln der Teilchengröße ist; Figur 3 eine perspektivische Ansicht
der Einrichtung zum Ermitteln der Teilchengröße mit einer Analogsteuerung ist; und
Figur 4 eine schematische Ansicht der Einrichtung zum Ermitteln der Teilchengröße
unter Verwendung einer Doppelstrahl-Röntgeneinrichtung ist.
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In Fig. 1 hat eine Röntgenstrahlröhre l' eine Hochspannungsquelle
2'. Horizontale Blenden befinden sichter 3' und 4'.
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Eine Probenzelle mit für Röntgenstrahlen durchlässigen WEnden, z.B.
Plexiglaswänden, befindet sich bei 5' und ein Röntgenstrahldetektor bei 6'. Es ist
erwünscht, daß für die Zellenwände ein optisch durchsichtiges Material wie Plexiglas
verwendet wird, um eine visuelle Kontrolle auf Lufteinschluß zu ermöglichen. Es
ist jedoch nicht wesentlich, daß optisch durchsichtiges Material verwendet wird.
Es können auch undurchsichtige Materialien, wie z.B. Berlyium verwendet werden.
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Die Probenzelle 5' hat normalerweise horizontale Abmessungen von etwa
1/2" x 1/8" und ist etwa 2" hoch, obwohl ihre Abmessungen nicht kritisch sind. Der
Röntgenstrahldetektor 6' kann ein Szintilationszähler, ein Proportionalzähler oder
ein Geigerzähler sein, der mit einer konventionellen elektronischen Schaltung verbunden
ist.
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Ein Signalumsetzer 7t, z.B. ein konventioneller logarithmi scher Transkonduktor,
wie er durch Philbrlck Researches Inc.
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hergestellt wird, empfängt das Signal von dem Röntgenstrahldetektor.
Die Detektorstromquelle und die Signalumsetzerstromw quelle befindet sich bei 8'.
Digitalwert-Lage-Un)setzer befinden sich bei 9t und 12' und eine digitale Progra'nmsteuerung
bei 10'. Ein Abzissen- und ein Ordinaten-Aufzeichnungsmechanismus,
z.B.
ein "X-Y"-Servorecorder, wie er z.B. von Leeds und Northrup hergestellt wird, befindet
sich bei 11X. Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, irgend eine andere
Art von Aufzeichnungsmechanismus zu verwenden, die in der Lage ist, Daten wiederzugeben,
die zwei Variable darstellen, wie z.B. ein Datendrucker.
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Es wird nunmehr auf das aL Beispiel angegebene digitale Programmsteuersystem
von Fig. 2 Bezug genommen, bei dem eine Magnetbandwiedergabeeinheit 13' mit einem
mit Programm versehenen Magnetband geladen ist, auf welchem eine Reihe von Impulsen
in jeder von zwei Spuren aufgezeichnet ist. Elektrische Leitungen 149 und 15' leiten
die Impulse von der Magnetbandeinheit 13' zu den Digitalwert-Lage-Umsetzern 9' bzw.
12'. Beispiele für solche.Umsetzer sind Schrittmotoren. Die Anordnungen 16' und
17' sind mechanische Einrichtungen, die die Drehung der Schrittmotoren in Stellungen
der Probenzelle 5' bzw. der einen Achse eines X-Y-Aufzeichnungsgerätes 111 (normalerweise
der X-Achse) umwandeln. Das Bedienungspult 18' besitzt einen Ein-Aus-Schalter, um
den Strom zum Betrieb der Einrichtung zum Ermitteln der Teilchengröße einzuschalten
und enthält wahlweise ein Instrument zurn Anzeigen der Intensität der ausgesandten
Röntgenstrahlen. Ein Kabel 19' leitet elektrische Energie zu der Bandeinheit 13'
ebenso wie Impulse zum Starten, Stoppen und Rückwickeln der Bandeinheit. Ein Kabel
20' führt elektrische Energie zu den Schrittmotoren, sowie Impulse, die veranlassen,
daß sie sich entweder in der "Arbeits"- oder in der "Rückstell"-Riehtung drehen.
Ein Kabel 21t führt elektrische Information von der Umwandlungseinrichtung 7t zu
dem Bedienungspult. Ein Kabel 22' überträgt Energie, um die Probenpumpe 23 zu betätigen.
Ein Kabel 24 überträgt Energie zu der Röntgenstrahlquelle 2' und der Detektor- bzw.
Umsetzerstromquelle 8'. Ein wahlweiser Stellungsanzeiger 25 liefert eine visuelle
Anzeige der Sedimentationsstrecke.
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Im Betrieb wird die Hauptstromquelle an dem Bedienungspult eingeschaltet,
um die elektronischen Schaltungen wirksam zu machen. Die Strahlung von der Röntgenstrahlröhre
1' mit ihrer zugehörigen Stromversorgung 2' wird durch horizontale Blenden 3' auf
einen Strahl von ungefähr 0,001" Höhe und etwa 3/8" Breite ausgeblendet; dieser
Strahl läuft durch eine Probenzelle 5t, die etwa 1/2" Breite und etwa 1/8 innere
Dicke besitzt und eine dünne flüssige Suspension des zu untersuchenden Materials
enthält. Bei der vorliegenden Erfindung kann an sich eine Zelle von beliebiger innerer
Dicke verwendet werden. Es wurde jedoch als vorteilhaft gefunden, wegen der Therrnokonvektionsströmungen
und der Wandeffekte eine Zelle mit einer inneren Dicke im Bereich l/32 Inch bis
zu 1/2 Inch zu verwenden.
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Es ist außerdem erwünscht, aber nicht notwendig, die Zellenhalterung
derart auszubilden, daß die Zelle zum Reinigen leicht entfernt ud daim wieder genau
in ihre ursprüngliche Stellung gebracht werden kann. Zum Beispiel können Führungsbolzen
und zugehörige Hülsen in üblicher Weise verwendet werden.
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Der Röntgenstrahldetektor 6' mißt die hindurchgelassene Strahlung,
nachdem der Strahl die Blenden 4' durchlaufen hat. Dann wird nach einem darauf folgenden
geeigneten logarithmischen Umwandlung durch derl Umsetzer 7' ein Signal auf einer
der Achsen des x-y-Aurzeicllnungsgerätes 11' als relative Konzentration (reines
Wasser - 0 %, anfängliche Suspension = 100 %) aufgetragen. Bei der vorliegenden
Erfindung kann ein weiter Bereich an hiiidurciigesandter Strahlung ausgenutzt werden.
Im allgemeinen ist, wegen des statistischen Fehlers in der Zählung der Röntgenstrahlimpulse
und der Verfügbarkeit von Detektoren, als vorteilhaft gefunden worden, mit einer
hindurchgesanften Intensität zwischen etwa 500 bis 50000 Zählimpulsen pro Sekunde
zu arbeiten.
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Die Probenzelle 5' wird in vertikaler Richtung durch den Digitalwert-Lage-Umsetzer
9' relativ zu dem Röntgenstrahl angetrieben, um h zu verringern. Diese Bewegung
wird als Funktion der Zeit vom Beginn des Versuchs an durch die digitale Programmsteuerung
101 gesteuert, die gleichzeitig die andere Achse des Aufzeichnungsgerätes 11' durch
die Wirkung des Digitalwert-Lage-Umsetzers 121 einstellt, um direkt die Teilchengrösse,
Di, anzuzeigen, die infolge des Stokes'schen Gesetzes den Momentanwerten von hi
und ti entspricht.
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Der Digitalwert-Lage-Umsetzer 9' ist ein Schrittmotor, der mit Hilfe
einer mechanischen Einrichtung 16t mit der Probenzelle 5t gekoppelt ist. Die Konstruktion
der Einrichtung 16', die eine Schraubenspindel sein kann, die an einem Ende an der
Motorwelle und am anderen Ende an einer innen mit Gewinde versehenen Führung in
Führungsschienen (nicht dargestellt) befestigt ist, an der die Probenzelle 5' festgemacht
ist, ist derart, daß jeder Schritt des Schrittmötors die Probenzelle 5' um eine
bestimmte, genaue, kleine und reproduzierbare Entfernung bewegt. Wenn z.B. die Schraubenspindel
eine Steigung von 0,05 Inch (20 Umdrehungen pro Inch) und der Schrittmotor ein Modell
mit 200 Schritten pro Umdrehung ist (eine übliche Konstruktion), dann verursacht
ein Impuls einen Schritt, der die Probenzelle 0,0025 Inch bewegt. Der Digitalwert-Lage-Umsetzer
12' ist ein Schrittmotor ähnlich dem von 9', der zusammen mit einer nlechani schen
Verbindung 17t die eine Achse des x-y-Aufzeichnungsgerätes 11' (normalerweise die
X-Achse) eine bestimmte, genaue, kleine und reproduzierbare ;;trecke bewegt.
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Die Kombination von dlgitalen Impulsen und Schrittmotoren schafft
ein Plittel zum Einstellen der Proberizelle und der Achse des x-y-Aufzeichnungsgerätes
mit im wesentlichen jedem gewünschten Grad an Genauigkelt. Die Verwendung einer
Schraubenspindel mit 40 Umdrehungen pro Inch an dem Probenzellenmechanismus würde
z.B. die doppelte Genaulgkeit des oben angegebenen Beispiels ergeben Außerdem ist
die Einstellung der erwähnten Teile genau reproduzierbar.
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Die Bandwiedergabeeinheit 13' ist ein Magnetbandgerät, das Impulse
erzeugt, die vorher auf ein Zweispurmagnetband aufgezeichnet wurden. In jeder dieser
Spuren ist die Lage der Impulse längs des Bandes (und damit ihr Auftreten im Hinblick
auf die Zeit, wenn sich das Band mit einer konstanten Geschwindigkeit über die Wiedergabeköpfe
bewegt) so festgelegt, daß mit Hilfe der Schrittmotoren und der mechanischen Einrichtungen,
wie oben beschrieben, die Stellung der X-Achse des Aufzeichnungsgerätes 11' zu jeder
Zeit genau die Teilchengrösse angibt, entsprechendder Sedimentationsstrecke inner
Probenzelle in Ubereinstimmung mit dem Stokes'schen Gesetz. Die Bandeinheit 13'
besitzt elektrische Relais, um das Band zu starten, zu stoppen und zurückzuwickeln,
so daß die Operationen von dem Bedienungspult 18' aus elektrisch gesteuert werden
können.
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Das Bedienungspult 18' besitzt einen Schalter, um für alle Teile der
Apparatur den Strom einzuschalten. Es besitzt außerdem einen Schalters um die Probenpumpe
auf EIN, AUS oder AUTO (Automatik) zu schalten. Die Stellung EIN wird dazu benutzt,
um die Zelle mit Wasser zu spülen und die (nicht dargestellte) Konzentrationseinstellvorrichtung
auf Null % einzustellen und später, um die Probensuspension einzulassen und mit
Hilfe des Empfindlichkeitsreglers (nicht dargestellt) die 100 -Konzentrationsstellung
der anderen Achse (normalerweise fier Y-Achse) des x-y-Aufzeichnungsgeräts 11' einzustellen.
Diese Bedienungen erfolgen vor Beginn Jeder automatischen Bestimmung der Teilchengröße.
Wenn sie durchgeführt worden sind, wird der Pumpenschalter auf AUTO gestellt. DaJ
Bedienungspult hat eine Kontrollampe "READY", die anzeigt, daß die Apparatur richtig
zurückgestellt ist. Es hat außerdem eine Lampe "ENO", die einschaltet, um anzuzeigen,
daß eine vollständige Bestimmung abgeschlossen ist Es hat außerdem eine STOP-Taste,
die gedrückt werden kann, um einen Versuch zu jeder gewünchteti Zeit zu beenden,
und eine RESET-Taste, die gedrückt wird, um durch Zurückstellen
sowohl
der Probenzelle als auch der einen Achse des x-y-Aufzeichnungsgerätes (normalerweise
der X-Achse) und Rückwickeln des Programmbandes die Apparatur zurückzustellen und
für den Beginn der nächsten Bestimmung der Teilchengröße fertig zu machen.
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Der Zweck der verschiedenen nummerierten Kabel ist oben erläutert
worden. Eine Stellungsanzeigevorrichtung 25t ist mechanisch an der Einrichtung 16'
befestigt und liefert eine visuelle Anzeige der Sedimentationsstrecke. Obgleich
sie nicht wesentlich ist, ist diese Anzeigevorrichtung nützlich bei der Bestimmung
der Sedimentationsstrecke in Bezug auf die Zeit als eine Prüfung des Betriebs der
Apparatur. Der auf dem Bedienungspuit gezeigte Lrnpulsrrequenzmesser ist eine andere
brauchbare, obgleich nicht wesentliche Vorrichtung. Aufgrund von Versuchen weiß
der Bedienende der Apparatur, daß reines Wasser (Der Punkt für Null % Konzentration)
eine Röntgenstrahlintensität von z.B. 25000 Impulsen pro Sekunde ergibt.
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Wenn die Anzeige davon stark verschieden ist, kann der Bedienende
vermuterl, daß eine Korrektur erforderlich ist, d.h. daß die Zellenwände gereinigt
werden müssen oder daß die Röntgenstrahlgeneratorregelschaltung ausgefallen ist
oder daß eine Luftblase in der Zelle vorhanden ist. Wenn die Probensuspension durch
die Zelle gepumpt ist (zu welchem Zeitpunkt der 100 %-KonzentratiollspunkS an der
einen Achse, normalerweise der Y-Achse des x-y-Aufzeichnungsgerätes eingestellt
wird) dann sinkt der ImpulsSrequenzrllesser z.B. auf einen Zählerstand von 15000
Impulsen pro Sekunde ab. Aus Versuchen weiß der Bedienende, daß dies in dem gewünschten
Bereich für genaue Messungen liegt. Wenn andererseits der Impulsfrequenzmesser nur
auf einen Zählerstand von z.B. 20000 (von 25000 mit reinem Wasser) absinkt, dann
wird der Bedienende daraus schließen, daß eine konzentriertere Suspension von Teilchen
verwendet werden sollte, um die gewünschte Meßgenauigkeit zu erreichen.
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Schließlich ist aus Gleichung (1) ersichtlich, daß das digitale Programm
(Impulse in jeder Spur, die bewirken, daß die Probenzelle und eine Achse des Aufzeichnungsgerätes
gemäß dem Stokestschen Gesetz in Abhängigkeit von der Zeit richtig eingestellt werden)
übereinstimmen muß mit dem Faktor K in dem Stokestschen Gesetz. Gleichung (2) zeigt,
daß K eine Funktion der Viskosität und der Dichte der suspendierenden Flüssigkeit
und der Dichte der der Messung unterworfenen Teilchen ist. In einem gegebenen System
kann der Faktor K leicht durch Gleichung (2) berechnet und das Ergebnis in die Grundfrequenz
des digitalen Programms übersetzt werden. In diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung kann dies durch Verwendung eines Motors mit einstellbarer Geschwindigkeit
in dem Bandgerät vorgenommen werden, wobei diese Geschwindigkeit vor Beginn der
Bestimmung der Teilchengröße eingestellt wird, um den gewünschten Faktor K herbeizuführen.
Dadurch können Proben unterschiedlicher Dichte- und Viskositätsparameter analysiert
werden um Daten über die Verteilung der Teilchengröße direkt entsprechend dem Stokes'schen
Gesetz zu erzeugen.
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Genauer beschrieben ist die Wirkungsweise dieses Ausführungsbei spiels
folgendermaßen: Das Hauptnetz kann an einem Bedienungspult 18t eingeschaltet werden,
um die elektronischen Schaltungen wirksam zu machen und es wird mit Hilfe einer
kleinen Pumpe 23' veranlaßt, daß reines Wasser durch die Probenzelle 5' fließt.
Frisches Registrierpapier wird in das Aufzeichnungsgerät 11' eingelegt und der Zeichenstift
mit Hilfe der Aufzeichnungsnullregelung auf die Null-ffi-linie gebracht.
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Während des Pumpvorgangs ist es wichtig, daß verhindert wird, daß
Luft in die Versuchszelle 5' eintritt. Dies ist durch Einschränken des Iinlaßrohres
zu der Pumpe auf einen kleinen Durchmesser (weniger als 1/16") erreicht worden.
Eine Pumpe kann außerdem dazu verwendet werden, vor Beginn einer tatsächlichen Bestimmung
die Homogenität herzustellen. Eine dispergierte Flüssigl(eitssuspension der zu analysierenden
Probe,
etwa 5 % Festsubstanz, wird dann zu der Zelle St gepumpt
und der Zeichenstift mit der Aufzeichnungsempfindlichkeitsregelung auf die 100 %-Linie
gebracht. Der Zeichenstift wird außerdem so eingestellt, daß er mit der vorprogrammierten
anfänglichen maximalen zu messenden Teilchengröße (gewöhnlich 50 Mikron) auf dem
Registrierpapier zusammenfällt. Um die Bestimmung zu beginnen, wird die mit "START"
gekennzeichnete Taste an dem Bedienungspult 18' niedergedrückt. Dies erregt ein
Magnetventil (nicht dargestellt\ das den Probenzufluß zu der Zelle 5t unterbricht.
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Nach einer bestimmten Zeitverzögerung, die derjenigen Zeit entspricht,
die erforderlich ist, daß 50-Mikron-Teilchen eine Anfangshöhe in der Probenzelle
fallen, startet die mit den Digitalwert-Lage-Umsetzern 9' und 12' verbundene digitale
Programmsteuerung 10'> um die Sedimentationstiefe zu verringern und gleichzeitig
die Registrierstreifengrößenanzeige so zu verschieben, daß sie in jedem Augenblick
dem Stokes'schen Gesetz genügt. Wenn die "STOP"-Taste nicht früher gedrückt wird,
läuft die Apparatur für 100 Minuten weiter, zu welcher Zeit dann das Aufzeichnungsgerät
11' einen Prozentsatz von Teilchen feiner als 0,2 Mikron registriert. Zu diesem
Zeitpunkt stoppt die Analysiereinrichtung und eine mit "END" bezeichnete Lampe an
dem Bedienungspult schaltet ein. Um die Analysiereinrichtung für eine andere Bestimmung
fertigzumacherl, wird die Taste "RESET" an dem Bedienungspult gedrückt, die die
Zelle und die Aufzeichnungseinrichtung wieder in ihre Anfangsstellung bringt und
die vorhergehende Probe aus der Meßzelle 5' spült. Wenn das Zurücks'ellen beendet
lot, leuchtet eine Lampe "READY" an dem Bedienungspuit auf. Die sich ergebende AurzeiChnurlg
auf dem Registrierpapler stellt die Vertellung der Teilchengröße des in derr Suspension
befindllchen Materials dar.
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Das Verfahren und die Einrichtung der vorllegenden Erfindung sind
auf alle fein verteilten Materlalien anwendbar, die in
einem dispergierten
Zustand in flüssige Suspension gebracht werden können und die dann entsprechend
den Gravitationskräften der Sedimentation entsprechend dem Stokes'schen Gesetz ausgesetzt
sind. Es ist nicht Gegenstand der Erfindung, daß das vorliegende Verfahren und die
vorliegende Einrichtung auf das Stokes'sche Gesetz beschränkt ist, wie es genau
durch die Gleichungen (1) und (2) deriniert ist. Das vorliegende Verrahren und die
Einrichtung sind vielmehr, wie schon oben in der Beschreibung angedeutet, auf beliebige
Modifikationen des Stokes'schen Gesetzes anwendbar, wie sie in den Standardwerken
aufgezeigt sind. Außerdem dürfte klar sein, daß die in irgendwelchen Gleichungen
verwendeten Maßeinheiten rein willkürlich sind, und daß andere Größenmerkmale als
der Durchmesser, wie z.B. das Teilchenvolumen, das Gewicht, die Masse oder die Sedimentationsgeschwindigkeit
selbst verwendet werden können.
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Materialien von industriellem und technischem Interesse, für welche
die Verteilung der Teilchengröße ein wichtiger Verarbeitungsparameter ist und für
die die vorliegende Analysiereinrichtung besonders brauchbar ist, umfaßt Metalloxyde,
wie Eisenoxyd, Uranoxyd, Magnesiumoxyd; Metallpulverg wie sie in metallurgischen
Anwendungsfällen verwendet werden, wie pulverisiertes Eisen, Nickel, Kupfer, Mangan
usw.; Pigmente wie Ton, Kalziumkarbonat, Talkum, Aluminiumoxyd, Titandioxyd, Zinkchromat
usw.; Materialien die als Schleifmittel verwendet werden, wie Siliziumkarbid, körniger
Korund usw.; feste Schmiermittel wie Graphit, Molybdendisufid, Borstickstoff usw.
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Außerdem findet die vorliegende verbesserte Apparatur die leicht an
automatisierte Vorgänge anpaßbar ist, oIcht Anwendung als Prozeßsteuereinrichtung
in Industrien, die Materialien der oben erwähnten Art herstellen. Z.B. kann die
Apparatur in einem Verfahrensschritt der Größenklassifikation, z.B.
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einer Zentrifuge, so automatisiert werden, daß von dem Ausgang der
Zentrifuge eine Probe genommen und auf Änderungen in der Teilchengröße durch Veränderung
des Betriebs der Zentrifuge so
reagiert wird, daß eine konstante
Qualität des Produkts aufrecht erhalten wird.
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Das mit der vorliegenden Apparatur zu analysierende fein verteilte
Material muß nicht eine feste Substanz sein, sondern kann auch eine Emulsion sein.
Das Verfahren und die Einrichtung der vorliegenden Erfindung erfordern lediglich
1.) daß die dispergierte Phase der Sedimentation unterliegt (entweder aufsteigend
oder fallend) und 2.) daß die Röntgenstrahldurchlässigkeit der anfänglichen dünnen
Suspension sich für die verwendete Röntgenstrahlwellenlänge merklich (zumindest
etwa + 5 ) von der reinen Suspensionsflüssigkeit unterscheidet.
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Der Kürze wegen sind verschiedene Merkmale in Verbindung mit einer
begrenzten Anzahl von erläuternden Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben
worden. Das bedeutet, daß diese Merkmale auch in Verbindung mit Merkmalen verwendet
werden können, die in anderen Ausführungsbeispielen dargestellt sind, ohne das das
Wesen der Erfindung verlassen wird. Obwohl z.B.
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das spezielle Ausführungsbeispiel mit einer digitalen Programmsteuerung
dargestellt ist, die auf der Verwendung eines auf einem Magnetband enthaltenen Programms
beruht, dürfte es selbstverständlich sein, daß andere digitale Programmsteuerungen,
die z.B. auf einem perforierten Papierband basieren oder auf einem computergesteuerten
Impulsgenerator, verwendet werden können. Außerdem liegt es im Rahmen der vorliegenden
Er-Erfindung, eine Doppelstrahl-Röntgenapparatur statt der Einstrahl-Apparatur zu
verwenden.
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Die Begriffe und Ausdrücke, die in der Beschreibung verwendet worden
sind, wurden als beschreibende und nicht als eingeschränkte Begriffe verwendet,
und es nicht beabsichtigt, durch den Gebrauch derartiger Begriffe und Ausdrücke
irgendwelche Xquivalente der dargestellten und beschriebenen Merkmale oder Teile
derselben auszuschließen, da es bekannt ist, daß verschiedene
Abwandlungen
möglich sind, ohne den Rahmen der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
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In einem an sich weniger bevorzugten Ausführungsbeispiel kann, wie
in Figur 4 gezeigt ist, ein Doppelstrahlapparat anstelle eines Einstrahlapparates
verwendet werden, wie er in der shhematischen Darstellung von Figur 1 gezeigt ist.
In Verbindung mit dem Doppelstrahlapparat kann jede Art von Steuerung für die Programmsteuerung
10 in Figur 4 verwendet werden. So kann z.B., wie in Figur 3 gezeigt ist, eine Analogsteuerung
verwendet werden.
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In der als Beispiel dienenden Programmsteuerung in Figur 3 ist in
einem Halterahmen 12 eine drehbare Trommelwelle 13 und eine obere Trommelplatte
14 angeordnet. Eine nichtdrehbare Haltewelle befindet sich bei 15, während sich
bei 16 ei drehbares Lager befindet. An der Haltewelle 15 ist eine Leuchtstofflampenfassung
17 befestigt. Bei 18 befindet sich eine Leuchtstofflampe. Ein Endschalter befindet
sich bei 19 und eine Schraubenspindelmutter bei 20. Im Betrieb kann der Schalter
19 die Aufwärtsbewegung der Mutter 20 während des Rückstellvorgangs stoppen (ein
weiterer Endschalter befindet sich auf der anderen Seite). Die Schraubenspindelmuttern
20 und 20" tragen in einander entsprechender Weise Photozellen 21 und 21". Diese
Zellen folgen Kurven 23 und 25" auf einem transparenten Streifen 24. Schraubenspindeln
beden sich bei 22 und 22" (die linke Schraubenspindel steuert die Registrierstreifenstellung
in Abhängigkeit von der Zei t, während die rechte Schraubenspindel die Probenzellenstellung
in Abhängigkeit von der Zeit steuert). Die Steuerkurven 23 und 23" bewirken den
Zusammenhang zwischen Stelung und Zeit für den Registrierstreiferl in dem Aufzeichnungsgerät
11 und für die Probenzelle 5. Die St;ellerkurven 23 und ,+" sind auf einem transparenten
Streifen 24 aufgetragen, und der Streifen 24 mit den Kurven ist um eine transparente
Plastiktrommel 25 herumgewickelt und daran befestigt.
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Im Betrieb und in Verbindung mit der Analogsteuerung von Figur 3 wird
die Strahlung von der Röntgenstrahlröhre 1 mit ihrer zugeordneten Stromquelle 2
durch horizontale Blenden 3 auf einen Strahl von etwa 0,001" Höhe und etwa 3/8 Breite
begrenzt; dieser Strahl durchläuft eine Probenzelle 5 mit einer Breite von etwa
1/2" und einer inneren Dicke von etwa 1/8", die eine dünne wässrige Lösung des zu
untersuchenden Materials enthält. Die Intensität eines Teiles des Röntgenstrahles,
der nicht durch die Probenzelle läuft, läuft durch eine Referenzzelle 26 und wird
durch einen zweiten Röntgenstrahldetektor 27 fortlaufend gemessen und dann in eine
Größe umgesetzt, die dem Logarithmus der Intensität proportional ist. Die Differenz
zwischen diesem Referenzsignal und jenem, das von dem durch die Probenzelle laufenden
Röntgenstrahl anfällt, ist stets proportional der Konzentration der Teilchen im
Probenzellenstrahl, auch wenn sich die abgegebene Leistung der Röntgenstrahlquelle
ändern sollte. Dies hält die Konstanz der auf die Probenzelle 5 fallenden Röntgenstrahlintensität
aufrecht und beseitigt die Notwendigkeit für eine genaue Regelung.
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Der Röntgenstrahldetektor 6 mißt dann die durchgelassene Strahlung,
nachdem der Strahl durch die Blenden 4 gelaufen ist. Nach einer geeigneten logarithmischen
Umsetzung mit Hilfe eines Umsetzers 7 wird dann ein Signal auf der einen Achse eines
x-y-Registriergerätes 11 als relative Konzentration (reines Wasser = 0 %> Anfangssuspension
= 100 ) aufgezeichnet.
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Die Probenzelle 5 wird über einen Antriebsmechanismus 9 relativ zu
dem Röntgenstrahl nach unten verschoben und verringert womit h. Diese Bewegung wird
vom Beginn des Versuchs an als elne Funktion der Zelt durch die Programmsteuerung
10 gesteuert, die gleichzeitig die Achse des Aufzeichnungsgerätes 11, normalerweise
die X-Achse, steuert, um direkt die Teilcherli:rciDe, Di, anzugeberl, die infolge
des Stokestschen Gesetzes
den Momentanwerten von hi und ti entspricht.
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Die Detektorstromquelle und die Analogumsetzerstromquelle befinden
sich bei 8.
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Die Trommel 25, die die Steuerkurven 23 und 23" trägt, wird von ihrer
Anfangsstellung aus durch einen (nicht dargestellten) Motor mit einer konstanten
Geschwindigkeit entgegen dem Uhrzeigersinn in Drehung versetzt. Dies bewegt die
undurchsichtigen Steuerkurven 23 und 23", die auf den transparenten Streifen 24
aufgetragen sind, aus der Lage unter den Photozellen 21 und 21" weg und bewirkt,
daß diese von der Leuchtstofflampe 18 Llcht empfangen. Immer wenn eine Photozelle
beleuchtet wird, betätigt sie einen (nicht dargestellten) Motor, der mit der Photozellenschraubenspindel
gekoppelt ist, und dies wiederum senkt die Photozelle mit Hilfe der Schraubenspindelmutter
ab, bis die Zelle wieder durch die undurchsichtige Steuerkurve abgedunkelt ist,
was den Motor ausschaltet. Auf diese Weise bewegen sich die Photozellen in kleinen
Schritten derart, daß sie immer den oberen Rand der undurchsichtigen Kurven kreuzen.
Die Photozellen 21 und 21" steuern auf diese Weise unabhängig voneinander die Drehung
der Schraubenspindeln 22 und 22, von denen die eine mit dem Stift des x-y-Aufzeichnungsgerätes
11 gekoppelt ist, um ihn entsprechend einzustellen, und die andere mechanisch mit
einem Mechanismus zum Einstellen der Zellenhöhe gekoppelt ist. Die Steuerkurven
23 und 23" sind mathematisch berechnet, um in jedem Augenblick eine genaue Lösung
des Stokestschen Gesetzes als Funktion der verstrichenen Zeit und der Stellung der
Zelle zu schaffen.