DE19802141C1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung eines Partikelgemisches - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung und zur Charakterisierung der Partikelformen eines Partikelgemisches durch elektrooptische Abtastung mit einer Zuteileinrichtung zur Vereinzelung des Partikelgemisches in dem abzutastenden Partikelstrom und mit einer durch eine Lichtquelle und eine Bilderfassungseinrichtung gebildeten optoelektronischen Meßstrecke, längs welcher eine durch Schwerkraft oder zusätzliche Kräfte hervorgerufene Bewegung des Partikelstroms zwischen der Lichtquelle und der Bilderfassungseinrichtung und eine digitale Aufnahme der Projektionsflächen in Form von durch die Projektionsflächen der Partikel in der Bilderfassungseinrichtung abgedeckten Bildpunkten erfolgt, und mit einer Recheneinheit zur Umsetzung der digitalen Informationen in eine Größenbestimmung der aufgenommenen Partikel.

Eine Vorrichtung der vorgenannten Art ist in dem Firmenprospekt "Partikelform und Größenanalyse für Labor & Produktion" der Firma Meßtechnik Schwarz GmbH, Düsseldorf, beschrieben. Im Rahmen dieser Vorrichtung nimmt eine digitale Matrixkamera die sich durch deren Bilderfassungsfläche bewegenden Partikel vor dem Hintergrund der Lichtquelle als zweidimensionale Projektionsflächen auf, wobei die Genauigkeit dieser Aufnahme von der Belichtungszeit und der Tiefenschärfe des verwendeten elektrooptischen Bildaufzeichnungsgeräts abhängig ist.

Als Maßstab für den Meßbereich einer derartigen Matrixkamera dient der sogenannte Dynamikfaktor B als Quotient von oberer und unterer Meßgrenze. Je größer beispielsweise die zu vermessenden Partikel in der zu untersuchenden Kornverteilung in dem Partikelstrom sind, desto mehr Bildpunkte werden von ihnen beim Durchgang durch die Bilderfassungsfläche der Matrixkamera abgedeckt. Da im Rahmen der rechnergestützten Auswertung alle diejenigen Partikel unberücksichtigt bleiben, welche die Bilderfassungsfläche auch nur teilweise überschreiten, nimmt bei der Untersuchung entsprechender Kornverteilungen die Wahrscheinlichkeit zu, daß größere Partikel signifikant unterrepräsentativ erfaßt werden. Hinzu kommt, daß größere und schwerere Partikel eine höhere Fallgeschwindigkeit annehmen, so daß je nach Belichtungszeit die Gefahr eines Verschmierens der aufgenommenen Projektionsfläche besteht. Aus den vorgenannten Gründen ist bei verbreitet zur Anwendung kommenden CCD-Matrixkameras der Dynamikfaktor auf B = 35 bis 40 begrenzt, so daß in der Praxis mit einem Objektiv nur solche Kornverteilungen mit der erforderlichen Aussagegenauigkeit untersucht werden können, bei denen der größte Partikel maximal 35-40 mal so groß ist wie der kleinste Partikel. Sollten Kornverteilungen mit einer davon abweichenden Breite bzw. mit einem anderen Größenbereich untersucht werden, so muß der Abbildungsmaßstab der Matrixkamera an die zu untersuchende Kornverteilung angepaßt werden, was mit zeitraubenden und aufwendigen manuellen Tätigkeiten wie Objektivwechsel, Regulierung der Tiefenschärfe, Änderung der Kameraposition sowie einer Justierung der Vorrichtung verbunden ist.

Eine Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art mit einer Flächenkamera ist weiterhin aus der WO 97/14950 A1 bekannt.

Bei einer aus der DE 41 19 240 C2 bekannten Vorrichtung besteht die Bilderfassungseinrichtung aus einer CCD-Zei­ lenkamera; da eine Zeilenkamera jeweils nur die Abbildung einer Sehnenlänge des erfaßten Partikels aufnimmt, müssen zum Erhalt von verwertbaren Partikelinformationen die Zeilen in rascher Folge ausgelesen werden, wobei aus den einzelnen eindimensionalen Bildsequenzen jeweils zweidimensionale Projektionsflächen der zu untersuchenden Partikel konstruiert werden. Der Dynamikfaktor B kann bei derartigen Zeilenkameras mit B = 100 angesetzt werden, so daß eine deutlich breitere Kornverteilung untersucht werden kann als mit einer CCD-Ma­ trixkamera. Mit dem Einsatz einer Zeilenkamera ist allerdings der Nachteil verbunden, daß die Konstruktion der Projektionsflächen der vermessenen Partikel aus den Zeileninformationen unter der Annahme eine konstanten Fallgeschwindigkeit der jeweiligen Partikel erfolgt. Dies ist jedoch nicht der Fall, denn während des Passierens der Zeilenkamera befinden sich die Partikel in einer beschleunigten Bewegung, und darüber hinaus sind unterschiedlich große Partikel aufgrund der Luftreibung am Ort ihrer Vermessung nicht gleich schnell, sondern weisen eine Geschwindigkeitsverteilung auf. Aufgrund dieser - nicht vernachlässigbaren - Einflußgrößen arbeitet eine derartige Vorrichtung nicht ausreichend genau.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art im Hinblick auf eine Vergrößerung des Dynamikfaktors und die Genauigkeit der Korngrößenbestimmung zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung sieht in ihrem Grundgedanken vor, daß die Bilderfassungseinrichtung aus einer Mehrzahl von auf den Partikelstrom ausgerichteten und unterschiedliche, zur Abdeckung des gesamten Meßbereichs der Vorrichtung aufeinander abgestimmte Abbildungsmaßstäbe aufweisenden elektrooptischen Bildaufzeichnungsgeräten besteht.

Mit der Erfindung ist der Vorteil verbunden, daß das den größeren Abbildungsmaßstab mit einer entsprechend eingestellten Tiefenschärfe aufweisende elektrooptische Bildaufzeichnungsgerät die größeren Partikeln erfaßt, während die Erfassung der kleineren Partikel des Partikelstroms durch das elektrooptische Bildzeichnungsgerät mit dem kleineren Abbildungsmaßstab und die diesem Gerät zugeordnete Tiefenschärfe geschieht; die insoweit eingerichtete Arbeitsteilung bezüglich der Abbildung der Projektionsflächen aller in dem Partikelstrom zu vermessenenden Partikel wird in der Recheneinheit entsprechend berücksichtigt und umgesetzt, so daß sich ein einheitliches Ergebnis der Kornverteilung ergibt. Insgesamt ergibt sich aufgrund des erweiterten Meßbereichs der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein wesentlich höherer Dynamikfaktor B.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, daß das elektrooptische Bildaufzeichnungsgerät mit dem kleineren Abbildungsmaßstab mit einem kleineren Abstand zum Ende der Zuteileinrichtung als das elektrooptische Bildaufzeichnungsgerät mit dem größeren Abbildungsmaßstab angeordnet ist. Hiermit ist der Vorteil verbunden, daß insbesondere die kleineren Partikel schon frühzeitig nach Verlassen der Zuteileinrichtung erfaßt werden können, bevor die Partikel im Hinblick auf die nur kurzen Belichtungszeiten ihre Endfallgeschwindigkeit erreicht haben. Dabei kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn sich die Bilderfassungsflächen der elektrooptischen Bildaufzeichnungsgeräte überschneiden.

Nach Ausführungsbeispielen der Erfindung können zwei oder auch drei elektrooptische Bildaufzeichnungsgeräte mit jeweils unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben auf den Partikelstrom ausgerichtet sein, so daß insgesamt der Dynamikfaktor B in Abhängigkeit von der zu erwartenden Partikelverteilung in den Partikelstrom bestmöglich eingestellt werden kann.

Hinsichtlich der Ausbildung der elektrooptischen Bildaufzeichnungsgeräte kann nach einem Ausführungsbeispiel auch eine Mehrzahl von eindimensionalen Bildaufzeichnungsgeräten, beispielsweise in Form der schon erwähnten CCD-Zeilenkameras, eingesetzt werden, da auch den Zeilenkameras unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe zugewiesen und damit eine Arbeitsteilung im Hinblick auf die Erfassung der unterschiedlich großen Partikel vorgenommen werden kann.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das elektrooptische Bildaufzeichnungsgerät als zweidimensionales Bildaufzeichnungsgerät ausgebildet, wobei insbesondere eine CCD-Matrixkamera jeweils zum Einsatz kommen kann. Hiermit ist der Vorteil verbunden, daß unter Beibehaltung der mit dem Einsatz von Matrixkameras insbesondere hinsichtlich deren Meßgenauigkeit verbundenen Vorteile für diese Gerätekategorie in deutlich höherer Dynamikfaktor B einstellbar ist.

Hierzu kann nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen sein, daß bei jeder der Matrixkameras als untere Abbildungsgrenze eine Projektionsfläche von 3 × 3 Bildpunkten vorgegeben ist, wobei beispielsweise die Matrixkamera mit dem kleineren Abbildungsmaßstab eine Bildpunktgröße von 0,015 mm und die Matrixkamera mit dem größeren Abbildungsmaßstab eine Bildpunktgröße von 0,125 mm aufweisen.

Soweit die Zuteileinrichtung mit einer Justiereinrichtung zur Ausrichtung in der Horizontalen quer zum Partikelstrom versehen ist, soll eine Entmischung des Partikelstroms über die Breite der Zuteileinrichtung damit verhindert werden, so daß über den gesamten Querschnitt des von der Zuteileinrichtung fallenden Partikelstroms eine gleichmäßige Kornverteilung gewährleistet ist. Hierbei ist es nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, daß die Breite der Zuteileinrichtung der Breite der Bilderfassungsfläche der den größeren Abbildungsmaßstab aufweisenden Matrixkamera entspricht. Aufgrund einer derartigen Abstimmung wird eine bestmögliche Erfassung aller Einzelpartikel sichergestellt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben, welches nachstehend beschrieben ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine Meßvorrichtung in einer Seitenansicht,

Fig. 2 die Kameraanordnung gemäß Fig. 1 mit Zuordnung der Bilderfassungsflächen in einer Einzeldarstellung.

Die Vorrichtung weist zunächst eine Zuteileinrichtung 10 mit einem Trichter 11 auf, an den eine Zuteilrinne 12 anschließt. Die Zuteileinrichtung ruht auf einem Unterbau 13, der eine Justiereinrichtung 14 aufweist, mit welchem insbesondere die Zuteilrinne 12 in der Horizontalen, und zwar quer zu dem von der Zuteilrinne 12 fallenden Partikelstrom 15 ausgerichtet werden kann. Unterhalb des Unterbaus 13 ist ein Auffangbehälter 16 zum Auffangen des Partikelstroms 15 angeordnet.

Der von der Zuteilrinne 12 fallende Partikelstrom 15 bewegt sich aufgrund der Schwerkraft der Partikel zwischen einer Lichtquelle 17 und einer Bilderfassungseinrichtung, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei CCD-Ma­ trixkameras 18, 19 besteht. Dabei weist die obere, den kleineren Abstand zum Ende der Zuteilrinne 12 aufweisende Matrixkamera 18 einen kleineren Abbildungsmaßstab auf, während die untere Matrixkamera 19 für einen größeren Abbildungsmaßstab eingerichtet ist. Wie sich aus Fig. 2 näher entnehmen läßt, überschneiden sich die Bilderfassungsfläche 21 der den größeren Abbildungsmaßstab aufweisenden Matrixkamera 19 und die Bilderfassungsfläche 20 der den kleineren Abbildungsmaßstab aufweisenden Matrixkamera 18.

Im Rahmen eines Ausführungsbeispiels können den Matrixkameras 18 bzw. 19 beispielsweise folgende Abbildungsmaßstäbe zugewiesen sein: bei der den kleineren Abbildungsmaßstab 18 aufweisenden Matrixkamera 18 ist beispielsweise die Größe eines Bildpunktes (Pixel) auf 0,015 mm bestimmt, wobei die untere Meßgrenze dadurch definiert ist, daß ein Partikel in seiner Projektionsfläche mindestens eine Fläche von 3 × 3 Bildpunkten abdecken muß, um erfaßt zu werden; hieraus ergibt sich eine untere Meßgrenze von 0,045 mm; entsprechend ist die obere Meßgrenze auf eine Abdeckung von 100 x 100 Pixel festgelegt, so daß sich eine obere Meßgrenze von 1,5 mm ergibt. Setzt man eine handelsübliche CCD-Matrixkamera mit einer Bilderfassungsfläche von 580 × 760 Pixeln ein, so ergibt sich für die Matrixkamera 18 eine Bilderfassungsfläche von 8,7 mm × 11,4 mm.

Entsprechend ist der Matrixkamera 19 eine Bildpunktgröße von 0,125 mm zugewiesen, woraus sich eine untere Meßgrenze von 0,375 mm und eine obere Meßgrenze von 12,5 mm ergibt. Hieraus ergibt sich eine Bilderfassungsfläche in der Partikelebene von 72,5 × 95 mm. Hierbei ist es vorgesehen, bei einem entsprechenden Einbau der Zuteilrinne 12 eine Breite von 75 mm zu geben, so daß insoweit die Breite der Bilderfassungsfläche 21 auf die Breite der Zuteilrinne 12 abgestimmt ist.

Aus den sich aus dem vorgenannten Ausführungsbeispiel ergebenden Daten folgt ein Dynamikfaktor B = 278, worin sich der deutlich verbesserte Einsatzbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt. Durch Variation der Größe der Bildpunkte für die Erfassung der Projektionsflächen der Einzelpartikel lassen sich bei anderen Abbildungsmaßstäben noch deutlich höhere Dynamikfaktoren erzielen.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung und zur Charakterisierung der Partikelformen eines Partikelgemisches durch elektrooptische Abtastung mit einer Zuteileinrichtung zur Vereinzelung des Partikelgemisches in dem abzutastenden Partikelstrom und mit einer durch eine Lichtquelle und eine Bilderfassungseinrichtung gebildeten optoelektronischen Meßstrecke, längs welcher eine durch Schwerkraft oder zusätzliche Kräfte hervorgerufene Bewegung des Partikelstroms zwischen der Lichtquelle und der Bilderfassungseinrichtung und eine digitale Aufnahme der Projektionsflächen in Form von durch die Projektionsflächen der Partikel in der Bilderfassungseinrichtung abgedeckten Bildpunkten erfolgt, und mit einer Recheneinheit zur Umsetzung der digitalen Informationen in eine Größenbestimmung der aufgenommenen Partikel, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilderfassungseinrichtung aus einer Mehrzahl von auf den Partikelstrom (15) ausgerichteten und unterschiedliche, zur Abdeckung des gesamten Meßbereichs der Vorrichtung aufeinander abgestimmte Abbildungsmaßstäbe aufweisenden elektrooptischen Bildaufzeichnungsgeräten (18, 19) besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrooptische Bildaufzeichnungsgerät (18) mit dem kleineren Abbildungsmaßstab mit einem kleineren Abstand zum Ende der Zuteileinrichtung (12) als das elektrooptische Bildaufzeichnungsgerät (19) mit dem größeren Abbildungsmaßstab angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Bilderfassungsflächen (20, 21) der elektrooptischen Bildaufzeichnungsgeräte (18, 19) überschneiden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei elektrooptische Bildaufzeichnungsgeräte (18, 19) auf den Partikelstrom (15) ausgerichtet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß drei elektrooptische Bildaufzeichnungsgeräte auf dem Partikelstrom (15) ausgerichtet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrooptische Bildaufzeichnungsgerät als eindimensionales Bildaufzeichnungsgerät ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrooptische Bildaufzeichnungsgerät als zweidimensionales Bildaufzeichnungsgerät ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweidimensionale Bildaufzeichnungsgerät aus einer CCD-Matrixkamera (18, 19) besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder der Matrixkameras (18, 19) als untere Abbildungsgrenze eine Projektionsfläche von 3 × 3 Bildpunkten vorgegeben ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Matrixkamera (18) mit dem kleineren Abbildungsmaßstab eine Bildpunktgröße von 0,015 mm
und die Matrixkamera (19) mit dem größeren Abbildungsmaßstab eine Bildpunktgröße von 0,125 mm aufweisen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuteilvorrichtung (12) mit einer Justiereinrichtung (14) zur Ausrichtung in der Horizontalen quer zum Partikelstrom (15) versehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11 und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Zuteileinrichtung (12) der Breite der Bilderfassungsfläche (21) der den größeren Abbildungsmaßstab aufweisenden Matrixkamera (19) entspricht.