Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung des Wassergehaltes von körnigem Material und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung des Wasser- oder Feuchtigkeitsgehaltes von körnigem Material, wie z. B. Sand und ähnlichem körnigen oder pulverförmigen Material, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die sich auch zum Regeln des Wasser- oder Feuchtigkeitsgehaltes eignet, wobei besonders an die Verhältnisse in der Giesserei gedacht ist.
Es sind schon verschiedene Verfahren angewendet worden, um den Wassergehalt von körnigen Materialien, zum Beispiel Sand, zu bestimmen, sowohl solche, die kontinuierlich, wie auch solche, die portionenweise arbeiten. Üblicherweise wird der Wassergehalt einer Probe von körnigem Material in verhältnismässig losem Zustand der Probe gemessen, also zum Beispiel beim Durchlaufen durch einen Förderer oder eine Rutsche, oder wenn es unter dem Einfluss der Schwerkraft in einem Behälter ruht.
Dies führte zu fehlerhaften oder ungleichmässigen Messergebnissen, in erster Linie wegen der Tatsache, dass die meisten Instrumente besonders empfindlich sind für Abweichungen von der Dichte, für die sie geeicht sind. Dies trifft insbesondere für Instrumente zu, die eine elektrische Eigenschaft des feuchten Materials messen. So nimmt zum Beispiel die Dichte eines mit Ton gebundenen Sandes in dem für Gie ssereisande am meisten benützten Bereich mit der Erhöhung des Wassergehaltes ab. Wird zum Beispiel die Kapazität einer Probe zwecks Bestimmen des Wassergehaltes gemessen, so wird eine durch das Wasser bedingte Erhöhung der Kapazität im wesentlichen durch die Abnahme der Probedichte kompensiert.
Es kann gezeigt werden, dass die Kapazität einer Elektrodenanordnung, in welche als Dielektrikum Sand eingebracht ist, sich bei konstanter Dichte proportional zum Feuchtigkeitsgehalt des Sandes ändert.
Wird einem trockenen, mit Ton gebundenen Sand Wasser beigefügt und wird dieser Sand gemahlen oder gemischt und durch Transport auf einem Gurten aufgerührt, so ist seine Dichte beträchtlich kleiner, als wenn ihm kein Wasser zugesetzt worden wäre. Wird z. B. Erith -Kieselerdesand mit 5 % Bentonit -Ton auf ein Förderband geschüttet, so beträgt seine Dichte zirka 1,06 g/cm3.
Enthält der Sand aber 2,5 % Feuchtigkeit, so kann seine Dichte bis auf 0,5 g/cm3 fallen.
Wird auf den trockenen und den feuchten Sand ein Druck ausgeübt, so wird sich die trockene Mischung nur sehr wenig verdichten, aber die Dichte der feuchten Mischung wird sich beträchtlich erhöhen. Es kann jedoch gezeigt werden, dass bei einem Verdichtungsdruck von mehr als etwa 20 kg/cm2 eine weitere Änderung des Verdichtungsdruckes keine wesentliche Dichteänderung mehr bewirkt, und zwar ziemlich unabhängig vom Wassergehalt des mit Ton gebundenen Sandes. Es ist unwahrscheinlich, dass eine solch geringe Dichten änderung des Sandes bei einer änderung der Feuchtigkeit dann die durch eine Erhöhung des Wassergehaltes bewirkte Erhöhung der elektrischen Kapazität wettmacht oder aufhebt.
Es hat sich nun gezeigt, dass die Fehler oder Widersprüche beim Bestimmen des Wassergehaltes von körnigen Materialien, die die obgenannten Phänomene zeigen, für alle praktischen Zwecke erfolgreich neutralisiert oder eliminiert werden können, wenn die Materialprobe zuerst einem vorbestimmten Minimaldruck innerhalb eines gegebenen Volumens unterworfen und die geeignete elektrische Charakte ristik der komprimierten Probe bei der vorbestimmten Dichte gemessen wird.
Natürlich ist es von Vorteil, ein praktisches, industriell anwendbares Verfahren nach der Erfindung bei einem möglichst niedrigen Kompressionswert der Probe auszuüben, der jedoch so hoch sein muss, dass übereinstimmende Ergebnisse erhalten werden. Vorausgesetzt, dass die obengenannte niedrigere Grenze für Materialien, wie z. B. Giessereisand, beachtet wird, kann der in einem Apparat nach der Erfindung auf die Probe ausgeübte Arbeitsdruck mit Vorteil veränderlich sein, um sich normalen Arbeitsbedingungen anzupassen.
Die zum Bestimmen des Wassergehaltes beim Verfahren nach der Erfindung gewählte elektrische Eigenschaft ist vorzugsweise die Leistungsänderung oder der Leistungsverlust in der Probe. Diese Leistungsänderung kann nachgewiesen werden, entweder in einem abgestimmten Stromkreis, in welchem die Probe das Dielektrikum zwischen den Elektroden eines Kondensators bildet, oder als Dämpfung einer die Probe durchsetzenden, ultrahochfrequenten (UHF) Wellenausbreitung.
Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass man periodisch Proben des Materials portionenweise mit einem vorbestimmten Verdichtungsdruck, der ausreicht, um dem Material ein auch bei veränderlichem Wassergehalt annähernd konstantes Raumgewicht zu geben, komprimiert, und dass man dann eine elektrische Eigenschaft des Materials, deren Abhängigkeit vom Wassergehalt der derart verdichteten Materialproben bekannt ist, misst.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine rohrförmige Zelle mit einer Messzone, die dazu ausgebildet ist, Bestandteil eines elektrischen Messkreises zu sein, aufweist sowie einen Messkreis zum kontinuierlichen Messen des Wassergehaltes und Mittel zum automatischen, portionenweisen Zuleiten des zu prüfenden Materials und Mittel zum Zusammenpressen dieser Materialportionen mit einem vorbestimmten Druck sowie Mittel, die zwischen den einzelnen Pressvorgängen komprimiertes Material der Messzone zuschieben und dadurch einen Teil des in der Messzone vorhandenen Materials aus dieser wegschieben.
Messungen können an den Proben in einer röhrenförmigen Messzelle vorgenommen werden, die am einen Ende einen wegnehmbaren Verschluss und am anderen Ende einen Verdichtungsstössel aufweist, wobei vorzugsweise automatische Steuermittel vorgesehen sind zum Regeln der Bewegungen des Verschlusses und des Stössels, um ein richtiges Aufeinanderfolgen der Verdichtung, des Durchgangs durch die Messzone, des Auswurfs einer Probe und der nachfolgenden Wiederbeschickung der Messzelle zu gewährleisten.
Es wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt, um bestimmen zu können, welchen Einfluss die Grösse der verdichteten Probe des mit Ton gebundenen Sandes bei verschiedenem Feuchtigkeitsgehalt auf das Messresultat hat, falls der Kompressionsdruck verhältnismässig hoch über dem Bereich liegt, in welchem die Dichte noch wesentlich vom Feuchtigkeitsgehalt abhängt. Es wurden zwei Sandmischungen hergestellt, nämlich Erith -Kieselerde- sand mit 5 % zu Western Bentonite -Ton einerseits und Bromsgrove Red -Sand anderseits, je mit zwei unterschiedlichen Wassergehalten. Von jeder dieser Mischungen wurden drei Proben mit einem Gewicht von 60 g, 120 g und 180 g in ein Probenrohr oder eine Messzelle von 5,08 cm Durchmesser eingesetzt und dann mit einer Kraft von 450, 900 und 1350 kg komprimiert.
Die Ergebnisse dieser Versuche sind in den Tabellen 1 und 2 angegeben und in den Fig. 1 und 2 der Zeichnung dargestellt.
Tabelle 1 Erith plus 5 % Bentonit Sandgewicht Wassergehalt Dichte in g/cm3 bei einer Kraft von g % 450 kg 900 kg 1350 kg
60 1,7 1,500 1,524 1,540
120 1,7 1,499 1,523 1,552
180 1,7 1,506 1,527 1,538
60 3,2 1,521 1,545 1,559
120 3,2 1,520 1,547 1,569
180 3,2 1,513 1,540 1,560
Tabelle 2 Bromsgrove roter Sand Sandgewicht Wassergehalt Dichte in g/cm3 bei einer Kraft von g % 450 kg 900 kg 1350 kg
60 2,8 1,609 1,643 1,661
120 2,8 1,610 1,637 1,656
180 2,8 1,590 1,635 1,652
60 6,5 1,689 1,720 1,769
120 6,5 1,685 1,729 1,740
180 6,5 1,670 1,722 1,798
Diese Resultate zeigen, dass bei irgendeinem konstanten Verdichtungsdruck oberhalb 23,
2 kg/cm2 eine Änderung im Gewicht oder Wassergehalt des Sandes die Dichte der komprimierten Probe nicht nennenswert beeinflusst und daher auch nicht eine Angabe des Wassergehaltes bei einer Kapazitätsmessung.
Untersuchungen ergaben jedoch, dass bei Kapazitätsmessungen zum Bestimmen des Feuchtigkeitsgehaltes von Sanden mit einem beachtlichen Anteil von Koksstaub, bei dem es sich um einen Rückstand aus dem ursprünglich im Sand enthaltenen Kohlenstaub nach dem Gebrauch des Sandes in der Giesserei handelt, die Leitfähigkeit des Sandes genügend ansteigt, um die Genauigkeit und Empfindlichkeit der Vorrichtung zu stören. Als angenäherter, noch zulässiger Maximalgehalt an Koksstaub für Kapazitätsmessungen kann 2 % angenommen werden. Über diesem Wert üben auch die Verdichtungsstössel der Vorrichtung, die weiter unten unter Bezug auf Fig. 7-9 der Zeichnung beschrieben sind, eine beachtliche Wirkung auf die Messungen aus. Somit wird bei einem Koksstaubgehalt von mehr als 2 SS eine übliche UHF-Absorptionstechnik vorgezogen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt:
Fig. 3-6 Kurven zum Veranschaulichen verschiedener Charakteristika gewisser Giesserei-Formsande,
Fig. 7 einen schematischen Querschnitt durch die Verdichtungs- und Messzelle einer Vorrichtung nach der Erfindung,
Fig. 8 die Anordnung der Verdichtungsstössel und des Steuersystems,
Fig. 9 eine Zusammenstellung der Stössel und der Messzelle,
Fig. 9a ein Detail,
Fig. 10-14 Schaltschemen des Steuersystems,
Fig. 15 ein Blockdiagramm eines UHF-Messinstrumentes,
Fig. 16 einen Schnitt der Zelle in Fig. 15,
Fig. 17 und 18 Ansprechkurven für einen Dämpfer in Fig. 15,
Fig. 19-22 Eichkurven des Instrumentes in Fig. 15 für verschiedene Sandmischungen und
Fig. 23-26 Kurven, die die Einwirkung der Sandtemperatur auf die Eichung des Instrumentes in Fig. 15 darstellen.
Wie am besten aus den Fig. 7-9 ersichtlich ist, wird der zu prüfende Sand aus einem schematisch angegebenen, einen Schieber 11 aufweisenden Silo in ein im wesentlichen vertikales Einlaufrohr 10 abgegeben. Das untere Ende des Rohres 10 mündet in ein geneigtes Messrohr oder Messzelle 12, dessen unteres Ende durch einen zurückziehbaren Stössel 14 verschliessbar ist. Der Stössel 14 wird durch einen Zylinder 15 (Fig. 8 und 9) betätigt, der an ein Druckleitungsnetz angeschlossen ist, an welches auch ein ähnlicher Zylinder 16 (Fig. 8 und 9) am oberen Ende des Instrumentes angeschlossen ist. Der Zylinder 16 betätigt einen oberen Stössel 17, der die Messzelle 12 auf einer Höhe abschliesst, die über ihrem Anschluss an das Einlaufrohr 10 liegt.
Der Stössel 17 ist in der Messzelle 12 abwärts unter die Anschlussstelle des Einlaufrohres 10 verschiebbar, um so eine Sandprobe 18 gegen den Stössel 14 verdichten zu können, wenn sich letzterer in seiner Schliessstellung befindet. Beim Rückzug des Stössels 14 (Fig. 7) kann ein Abschneideschieber 13 mittels eines pneumatischen Zylinders 20 quer über das offene untere Ende der Messzelle 12 verschoben werden.
An der Innenwand der Zelle 12 sind an deren unterem Ende zwei Teile von Zylinder bildenden, einander diametral gegenüberliegenden Kondensatorelektroden 19 eingesetzt, die an ein an sich bekanntes, nicht dargestelltes Kapazitätsmessinstrument angeschlossen sind.
Beim Versuch wird die Vorrichtung unter den Auslauf eines Sandsilos oder neben ein Förderband gestellt, so dass Sand in aufeinanderfolgenden Portionen durch das Rohr 10 in die Zelle 12 abgegeben werden kann. Jede einzelne Portion wird separat in der Zelle 12 unter einem Druck von mehr als 21 kg/cm2 zu einem Zapfen komprimiert, bevor eine weitere Portion durch das Rohr 10 eingebracht wird. Die Probe 18, deren Kapazität gemessen werden soll, besteht also aus einer Anzahl solcher Zapfen. Nach jeder Messung wird ein Teil oder die ganze Probe ausgestossen und eine andere Probe 18 aufgebaut. Wird die Vorrichtung zum Prüfen von heissem Sand gebraucht, so wird es wahrscheinlich nötig sein, das Rohr 10 zu heizen, um das Haften des Sandes an der Rohrwand zu vermindern.
Bevor eine neue Ladung in der Zelle 12 aufgebaut wird, wird der untere Stössel 14 aufwärtsgeschoben, um das untere wellenende abzuschliessen und bei der Kompression jedes einzelnen Zapfens in eine kompakte Masse durch den oberen Stössel 17 unter geregeltem Druck als Widerlager zu dienen.
Nachdem so eine ausreichende Zahl von Zapfen in der Zelle 12 komprimiert worden ist, um das Dielektrikum 18 eines Kondensators zwischen den Platten 19 zu bilden, wird eine Kapazitätsmessung vorgenommen, worauf der untere Stössel 14 zurückgezogen wird, um den Boden der Zelle 12 zu öffnen. Dann wird der obere Stössel 17 bis an die Grenze seines Vorschubweges vorgeschoben, und der vorstehende Sandzapfen wird vom Schieber 13 abgeschnitten und weggeworfen oder in das Silo zurückgebracht. Der obere Stössel 17 wird dann in seine obere Grenzstellung oberhalb der Einmündung des Rohres 10 in die Zelle 12 zurückgezogen, und der untere Stössel 14 wird angehoben, um den Boden der Messzelle 12 wieder abzuschliessen. Das Arbeitsspiel wird dann wiederholt.
Während des Durchgangs der Sandzapfen durch die Zelle 12 wird eine kontinuierliche Messung der Kapazität des Systems vorgenommen, wodurch der Wassergehalt des Sandes bestimmt wird, wenn dieser das Dielektrikum des Kondensators bildet. Zu keiner Zeit ist die Zelle 12 leer, und jede einzelne Sandladung stellt nur einen Teil der gesamten, den Kondensatorelektroden 19 präsentierten Probe dar.
Die Reihenfolge der Bewegungsabläufe der Teile
11, 13, 14, 17 und 19 kann als Programm in einem automatischen Steuermechanismus aufgestellt werden, so dass Messungen ausreichend rasch vorgenommen werden, um so zu gewährleisten, dass die portionenweise Messung des Wassergehaltes einen im wesentlichen kontinuierlichen Abgang von geprüftem Sand ergibt. Falls erwünscht, kann vom Messinstrument ein Steuersignal zur Regelung des Wasserzuflusses an den Hauptvorrat des zu prüfenden Sandes abgenommen werden.
Ein Ausführungsbeispiel eines solchen automatischen Folgesteuermechanismus ist in den Fig. 10-14 gezeigt. Jede dieser Figuren stellt eine andere Stufe des Bewegungsablaufes dar, obschon natürlich in einem kontinuierlich arbeitenden System der Zeitfaktor und die Vektorquantitäten nicht durch statische Illustrationen wiedergegeben werden können.
Die Stufen, die innerhalb der obigen Beschränkungen in den verschiedenen Figuren dargestellt sind, sind folgende:
Fig. 10 - Beschicken der Messzelle 12 mit Sand,
Fig. 11 - Verdichten der Probe,
Fig. 12 - Ausstossen des verdichteten und geprüften Sandes,
Fig. 13 - Abschneiden der ausgestossenen Probe und
Fig. 14 - Wiederverschliessen der Messzelle 12 in Bereitstellung für das nächstfolgende Arbeitsspiel.
Der Steuermechanismus wird hier pneumatisch betätigt und weist eine Reihe von Ventilen V-Vto auf, von welchen die Ventile V3, V5 einfache, mechanisch betätigte Abschlussventile sind, V9 und Vio sind druckbetätigte Abschlussventile, V4 und Vo sind Umschaltventile zum Anschluss einer einzelnen Leitung an die Druckleitung oder an die Aussenluft, und V1, V2, V7 und V8 sind Zylinder-Umkehrschieberventile, V2 und V8 überdies sind federbelastet. Das Ventil V3 ist durch einen Einwegauslöser betätigbar, der eine schwenkbar gelagerte Klinke 22 aufweist, die durch einen Nocken 23 am Verdichtungsstössel 17 gesteuert wird. Dieser Nocken 23 betätigt auch das Ventil V4.
Das Ventil V3 dient nur der Zuleitung von Druckluft an das Schieberventil V2 oder zum Abschliessen derselben, und das Ventil V5 verbindet das Schieber ventil V7 mit der Aussenluft.
Die pneumatische Leitungsanlage enthält ferner zwei Begrenzer R1, R2 und einen Luftspeicher A, wobei letzterer mit dem Begrenzer R1 und dem Schieberventil V1 in Serie geschaltet ist und dazu dient, in die Funktion dieses Ventils eine Verzögerung zu bringen, wie es weiter unten dargelegt ist.
Das System funktioniert wie folgt:
In Fig. 10 nehmen die Teile Stellungen ein, wie sie unmittelbar vor Beginn der Beschickung der Zelle 12 mit einem Sandzapfen anzutreffen sind.
Dabei wird der Verdichtungsstössel 17 zurückgezogen und hat beinahe die Grenze seines Bewegungsweges erreicht, während der Schliessstössel 14 in seine Arbeitsstellung vorgeschoben wird. In dem in Fig. 10 der Zeichnung festgehaltenen Augenblick wird der Sandzulassschieber 11 durch seinen Zylinder 21 in die Arbeitsstellung vorgeschoben.
Nähert sich der Verdichtungsstössel 17 seiner Ausgangsstellung, so stösst der Nocken 23 gegen die Klinke 22, die in dieser Bewegungsrichtung nicht einfach über den Nocken gleiten kann. Die Klinke 22 hebt somit dem Hebel 24 an, der das Ventil V3 öffnet und Druckluft an den Begrenzer R1 und das Schieberventil V2 abgibt. Der Druckabfall an letzterem, hervorgerufen durch die Umleitwirkung des Begrenzers, genügt nicht zum Verhindern der Verschiebung des Schieberventils in die Stellung nach Fig. 10, in welcher Druckluft an das hintere Ende des Zylinders 21 abgegeben und das Vorderende mit der Aussenluft verbunden wird. Der Speiseschieber 11 wird somit in seine Arbeitsstellung vorgeschoben.
Gleichzeitig mit dem Ventil V3 betätigt der Nocken 23 auch das Ventil V4 durch einen Stö sselhebel 25. Das Ventil V4 verbindet den Speicher A mit der Druckluftleitung durch den Begrenzer R2, wodurch im Speicher langsam der Druck ansteigt. Die Grösse dieses Druckluftaufbaus ist so ge wählt, dass der Verdichtungsstössel 17 sich bis an die Grenze seines Bewegungsweges zurückziehen kann, bevor er wieder zum Verdichten der frischen Ladung vorgeschoben wird. Dabei wird auch genügend Zeit eingeräumt für die Abgabe der erforderlichen Sandmenge an die Messzelle 12.
Nachdem der Verdichtungsstössel 17 ganz zurückgezogen worden ist, gibt der Nocken 23 die Klinke 22 frei (Fig. 11), und das Ventil V3 stellt den Zustrom von Druckluft zum Zylinder 21 ab.
Der Druck im Betätigungszylinder des Schieberventils V2 wird jetzt durch den Begrenzer R1 abgelassen, und, wenn der Druck genügend abgefallen ist, um die Feder am Ventil V wieder tätig werden zu lassen, schaltet das Ventil die Anschlüsse des Zylinders 21 um und ermöglicht dem Schieber 11, sich zurückzuziehen. Der Nocken 23 hebt sich jedoch nicht vom Hebel 25 ab, so dass das Ventil V4 dem Leitungsdruck ausgesetzt bleibt und der Druckaufbau im Speicher A sich fortsetzt, bis er den Wert erreicht, bei welchem das Schieberventil Vt die Anschlüsse des Verdichtungszylinders 16 umkehrt. Diese Verzögerungsperiode muss die Verzögerung am Schiebeventil V2 überschreiten, um die Sandzufuhr sicher abzuschneiden, bevor der Stö ssel 17 sich auf seinem Verdichtungshub vorwärtsbewegt.
Beim Umschalten des Ventils V1 wird der Verdichtungsstössel 17 vorgeschoben, und beim trber- holen der Klinke 22 durch den Nocken gleitet die Klinke untätig darüber, ohne das Ventil V3 wieder zu öffnen, um zu gewährleisten, dass der Speiseschieber 11 nicht vorzeitig wieder in seine Zulassstellung gebracht wird.
Während des Verdichtungshubes, der einsetzt, wenn die Teile die Stellungen nach Fig. 11 einnehmen, gibt der Nocken 23 den Hebel 25 frei, wie in Fig. 12 gezeigt ist, und schaltet das Ventil V4 auf Aussenluft um. Der Speicher A entleert sich jetzt langsam durch den Begrenzer R2, und wenn der Druck im Speicher genügend gefallen ist, so bleibt das Schieberventil Vt untätig in seiner Verdichtungshubstellung. Sobald jedoch der Stössel 17 dem Widerstand der Sandprobe in der Zelle 12 begegnet, wird er gebremst, und es beginnt der Druckaufbau im druckbetätigten Ventil Vs. Sobald sich die vorbestimmte Belastung auf die Ladung auswirkt, öffnet sich das Ventil Vs. Dadurch wird das Schieberventil V7, das den Schliess- oder Widerlagerstössel 14 steuert, dem Leitungsdruck ausgesetzt, wodurch es umgeschaltet wird.
Mittlerweile wird die Kapazität respektive die Dielektrizitätskonstante der Probe zwischen den Elektroden 19 fortlaufend gemessen.
Der Widerlagerstössel 14 wird dann zurückgezogen und die Ladung durch den Stössel 17 ausgestossen, der immer noch dem Leitungsdruck ausgesetzt ist. In Fig. 12 ist diese Aktion teilweise beendet.
In Fig. 13 ist der Widerlagerstössel 14 ganz zurückgezogen, und der Verdichtungsstössel 17 hat seinen Ausstosshub beendet und gerade seinen Rücklauf begonnen. Wenn er ganz zurückgezogen ist, so gelangt der Kopf des Stössels 14 an die beiden Ventile VI, VG und betätigt diese. V5 wird mit der Aussenluft verbunden und dadurch der Druck aufgehoben, der das Schieberventil V7 zum Umschalten brachte, nachdem das Verdichten des Sandes beendet war. V6 wird dem Leitungsdruck zugänglich, der jetzt auf das federbelastete Schieberventil V8 einwirkt, so dass dieses umgeschaltet wird und den Leitungsdruck auf den Abschneidezylinder 20 einwirken lässt, wodurch der Abschneideschieber 13 schnell über das offene Ende der Messzelle 12 geschoben wird und den vorstehenden Sandzapfen abtrennt.
Gleichzeitig gelangt der Leitungsdruck auch zur Einwirkung auf das druckbetätigte Ventil V10, das sich öffnet, wenn sich der Druck im Zylinder 20 dem Stand des Leitungsdruckes nähert, und legt letzteren auch an die beiden Schieberventile V1 und V1 zur gleichen Zeit.
V1 ist jetzt frei, die Anschlüsse an den Verdichtungszylinder 16 umzuschalten, sowohl wegen der Verbindung mit der Aussenluft durch das Ventil V4 als auch wegen der Tatsache, dass der Speicher A seinen Druck durch den Begrenzer R2 verloren hat. Der Leitungsdruck wird jetzt vom druckbetätigten Ventil V1 durch das Innenende des Verdichtungszylinders 16 abgenommen, und es hat sich geschlossen. V7 ist daher jetzt frei, seine Vorwärtsverbindungen mit dem Widerlagerzylinder 15 wieder aufzunehmen.
Sobald sich der Widerlagerstössel 14 eine kurze Strecke aus seiner ganz zurückgezogenen Stellung vorwärtsbewegt hat, werden die beiden Ventile V5, VG freigegeben, und das Ventil V5 schliesst wiederum die Verbindung zwischen dem druckbetätigten Ventil V9 und dem Widerlagerschieberventil V7 in Bereitschaft für die nächste Operation desselben, während das Ventil V6 das bis anhin unter Druck stehende Federvorholerventil V1 mit der Aussenluft in Verbindung setzt. Das Ventil V8 schaltet sofort die Verbindung mit dem Absperrzylinder 20 um, und das Ventil Vt0 wird geschlossen.
Der Abschneideschieber 13 wird jetzt rasch aus dem Weg des sich vorwärtsbewegenden Widerlagerstössels 14 zurückgezogen, und die Betätigung des Ventils V8 verbindet die bis anhin unter Druck stehenden Seiten der beiden Schieberventile V1, V7 mit der Aussenluft. Das Arbeitsspiel ist beendet, wenn die Teile wieder in ihre Ausgangsstellungen zurückgekehrt sind.
Fig. 14 zeigt den Abschneideschieber 13 in der zurückgezogenen Stellung, den Widerlagerstössel 14 halbwegs zu seiner Messzellen-Schliessstellung und den Verdichtungsstössel 17 auf dem Punkt der Wiederbetätigung der beiden Ventile V3, V4 durch den Nocken 23 bzw. die Klinke 22 und den Hebel 25.
Der Zustand der Fig. 10 ist dann wieder hergestellt, und das Arbeitsspiel wird automatisch wiederholt.
Falls erwünscht, könnten auch hydraulische oder elektrische Äquivalente des vorstehend beschriebenen pneumatischen Systems verwendet werden.
In der ganzen vorstehenden Beschreibung wurde angenommen, dass die Ventile V3, V4 durch einen gemeinsamen Nocken 23, z. B. in der Form einer Hülse auf der Stösselstange, betätigt werden. Es kann natürlich auch jedes Ventil für sich durch einen Nocken gesteuert werden, und diese beiden getrennten Nocken können unabhängig voneinander auf optimale Werte für Zeitzyklus und Phasenanordnung einstellbar sein. Auch die beiden Begrenzer R1, R2 können verstellbar sein, um so ein gewisses Mass von Steuerung über die Phaseneinteilung der Schieberventile zu erreichen.
Bei Verwendung leines anderen Mittels als einer Schieberklinge 11 zum Sammeln einer Sandladung von einem sich bewegenden Förderer muss vielleicht das zugeordnete Schieberventil V2 durch einen anderen Mechanismus ersetzt werden.
In einem Ausführungsbeispiel der vorstehend beschriebenen Vorrichtung bestand die Zelle 12 aus Glasfaser und Epoxyharz und wies einen Innendurchmesser von 5,08 cm auf, während der Messabschnitt 15,24 cm lang war. Es hat sich als förderlich erwiesen, diesem Abschnitt einen leichten Anzug nach aussen gegen sein unteres Ende hin zu geben, um das Ausstossen der Ladung zu erleichtern. In der Innenwand dieses Rohres waren zwei entsprechend gebogene Kupferplatten von 7,6 X 6,3 cm eingebettet. Die Kapazität dieser Anordnung betrug im leeren Zustand 3,5 pF. Das Material des Rohres zeigte eine sehr niedrige Feuchtigkeitsabsorption und einen hohen Widerstand gegen Abrieb. Auch eine Röhre aus mit einem Gewebe verstärktem Phenolharz wurde mit Erfolg verwendet.
Verschiedene Sande mit unterschiediichem Feuchtigkeitsgehalt wurden wie folgt in der Zelle 12 gemessen:
Zwei aufeinanderfolgende Sandzapfen wurden in der Zelle 12 zwischen den Elektroden 19 unter einer Axialbelastung von 450 kg zwischen den beiden Elektroden 14, 17 verdichtet. Jeder Zapfen bestand aus 160 g Sand und wurde vorgängig der Messung der Totalladung einzeln verdichtet. Die mit zwei speziellen Sanden erhaltenen Resultate sind in den Tabellen 3 und 4 sowie den Fig. 3 und 4 angegeben.
In allen Fällen wurde der Versuch viermal für jeden Wert des Wassergehaltes wiederholt. Alle notierten Messgeräteablesungen sind Vergleichswerte und nicht absolute Kapazitätswerte. Alle Punkte sind auf den Kurven in Fig. 3 und 4 eingetragen, und die die Kurven begleitenden Seitenlinien zeigen die wahrscheinlichen Genauigkeitsgrenzen für die Schätzung des Wassergehaltes jedes Sandes mit dieser Methode.
Tabelle 3 Erith Kieselerdesand + 5 % Bentonit Feuchtigkeit % Messgeräteablesungen
1,25 + -20 -15 + 2
2,76 355 377
359 363
3,44 514 525
510 500
Tabelle 4 Bromsgrove roter Sand Feuchtigkeit % Messgeräteablesungen
2,9 382 383
387 385
4,6 488 492
491 489
6,5 524 527
530 526
7,7 590 579
578 582
Der zu erwartende maximale Fehler bei Verwendung von Erith -Kieselerdesand mit 5 % Bentonit beträgt 0, 1 % und bei Verwendung von Bromsgrove Red -Sand 0, 2 %. Diese Fehlerpegel wären ganz annehmbar in jeder Giesserei.
Um die mögliche Einwirkung einer Änderung im Kohlenstaubgehalt auf die mit dieser Methode erhaltenen Ergebnisse feststellen zu können, wurde eine Reihe von Sandproben zubereitet mit 0 %, 4 %, 6 % und 8 % Kohlenstaub. Die Wirkung dieser variierenden Kohlenstaubgehalte ist in Tabelle 5 und Fig. 5 gezeigt.
Tabelle 5
Feuchtigkeit % Messgeräteablesung % Kohlenstaub
2,5 452 0
2,5 430 4
2,5 464 6
2,5 445 8
Aus Fig. 5 ergäbe sich eine maximale Abweisung von + 0,15 % von der angegebenen Feuchtigkeit, bei einer Änderung von 2 % im Kohlenstaubgehalt.
Es wird angenommen, dies ergäbe keine ernstliche Störung im Betrieb.
Um die Auswirkung des Tongehaltes auf die erhaltenen Ablesungen zu bestimmten, wurden drei Arten von Sand aufbereibet, mit 3 %, 5 % und 7 % Bentonitton-Zusatz zum Erith -Kieselerdesand. Es wurden von jedem Sand drei Proben mit jedem Feuchtigkeitsgehalt untersucht, und die Ergebnisse dieser Versuche sind in Tabelle 6 und Fig. 6 aufgeführt.
Tabelle 6 Feuchtigkeit % Messgeräteablesung Tongehalt
1,36 158 165 3
160
2,34 405 400 3
405
3,44 479 481 3
482
1,44 144
145 136 5
2,52 451 452 5
454
3,42 586 581 5
581
1,66 129 131 7
132
2,30 420 416 7
418
3,40 560 565 7
556
Aus den obigen Resultaten geht hervor, dass Änderungen des Tongehaltes die Ablesung eines auf der Kapazitätsmessung beruhenden Feuchtigkeits Messinstrumentes beeinflussen, aber diese Auswirkungen sind wahrscheinlich nicht so gross, dass sie die Zuverlässigkeit in einer gegebenen Giesserei ernstlich verringern, vorausgesetzt, dass die Sandmischung vom gleichen Grundtyp ist.
Aus allen oben angeführten Ergebnissen geht hervor, dass der Wassergehalt von feuchtem Sand ziemlich genau durch Verdichten einer im wesentlichen regulären Sandprobe unter einer gesteuerten Belastung zwischen den Elektroden eines Messkondensators gemessen werden kann, der mit einer Wechselstromquelle und einem an sich bekannten Indikator, Aufzeichner oder einem Gerät zum Steuern eines Vorganges zusammengeschaltet ist. Die hierzu erforderlichen Bedingungen sind, dass die Verdichtungskraft relativ hoch und konstant ist und dass - wenigstens für Giessereizwecke-der Gehalt an Kohlenstaub bzw. Ton in irgendeiner Messreihe nicht sehr stark variiert.
Obschon absolute Kapazitätsmessungen gut auswertungsfähig sein könnten, ist dies wahrscheinlich nicht notwendig, da es mö lesungen wurden alle zwei Minuten vorgenommen.
Es wurden 16 Portionen des Sandes mit 3,3 % und 15 Portionen des anderen Sandes gemessen, und die Ergebnisse waren folgende: Wassergehalt 3, 3% 5 5% Mittel aller Ablesungen 3,63 5,33 Mittel der Minimalablesungen 3,57 5,27 Mittel der Maximalablesungen 3,68 5,40 Maximalfehler gegenüber dem
Durchschnitt +0,395, -0,318 +0,59, -0,48 Maximalfehler (% Wasser) +0,38, -0,54 +0,56, -0,62
Die obigen Resultate zeigen, dass die Arbeit der Vorrichtung normalerweise gut innerhalb annehm bayer Grenzen der Stabilität und Empfindlichkeit liegt.
Bei einer grossen Zahl von Giessereisanden ist es möglich, bei Verwendung einer konstanten Dichte der Vorverdichtung, den Feuchtigkeitsgehalt mittels eines Kapazitätmessinstrumentes zu messen. Die Gewährleistung zuverlässiger Resultate wird jedoch unmöglich, wenn die Sandprobe aus irgendeinem Grund eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Dies trifft zu für Sand mit einem hohen Anteil von Koksstaub als Rückstand einer ursprünglichen Zugabe von Kohlenstaub oder, wenn der Sand in hohem Grade sauer oder alkalisch wird. Anderseits muss, um das Kapazitätsmessverfahren mittels der vorstehend beschriebenen Verdichtungseinrichtung anzuwenden, ein Isolierrohr 12 benützt werden, in welchem die Kondensatorplatten 19 angeordnet sind.
Die relativ hohe, zwischen dem Sand und irgendeinem bis anhin geprüften Isolierrohr entwickelte Reibung verunmöglicht das Durchstossen eines sehr grossen Sandzapfens durch das Rohr 12 zu irgendeinem Zeitpunkt. Alle Materialien weisen eine dielektrische Konstante auf und ergeben somit einige Kapazitätsänderungen, wenn ihr Inhalt durch die Sandprobe verändert wird.
Die Kapazitätsmethode nimmt daher nicht nur Änderungen im Wassergehalt wahr. Diese Schwierigkeit wird zum grossen Teil vermieden, wenn der Feuchtigkeitsgehalt durch eine UHF-Dämpfungstechnik anstelle der Kapazitätsmethode gemessen wird.
Beim Anwenden der UHF-Methode zur Feuch tigkeitsgehaltsbesttimmung ist es möglich, ein Stahlrohr für den Durchgang der Sandprobe zu verwenden, wie das bei 22 in Fig. 16 gezeigt ist. Auf seiner halben Länge weist dieses Rohr zwei einander diametral gegenüberliegende, rechteckige Öffnungen 23, 24 auf, die sich mit den Öffnungen von Einzollauf-Halbzoll-Standard-Wellenleitern 25, 26 decken.
Diese Öffnungen werden mit Zapfen 27, 28 aus hartem Isoliermaterial verschlossen, um das Eindringen von Sand zu verhindern. Die mit jedem Hub des Kolbens 17 durch dieses Rohr gedrückte Sandmenge ist um vieles grösser als bei Verwendung eines vollständig isolierten Rohres. Die Genauigkeit des so hesümmten Feuchtigkeitsgehaltes wird nicht beeinflusst durch den Gehalt an Kohlenstaub, Ton und praktisch an jedem anderen trockenen Zusatzmaterial, mit Ausnahme von Koks, der einen Einfluss auf die erhaltene Ablesung ausübt. Da der Koksgehalt des Giessereisandes sich von Woche zu Woche nicht nennenswert ändert, kann das Instrument sehr leicht neu eingestellt werden, um irgendwelche auftretenden Änderungen zu berücksichtigen.
Die Vorrichtung zum Anwenden der UHF Schwingungen auf verdichtete Sandproben in der Zelle 22 (Fig. 16) ist in Fig. 15 in Blockdiagrammform gezeigt. Er weist einen Klystronoszillator 23 auf, der etwa 22 mW bei 10 000 MHz liefert. Diese Leistung wird an einen Isolator 24 abgegeben, um eine Beeinträchtigung des Klystrons im Betrieb durch Reflexionen von Mikrowellen zu verhindern. Die Leistung durchsetzt dann einen an sich bekannten Dämpfer 25, bestehend aus einem Streifen von Isoliermaterial, dessen Lage im Leiter die im Dämpfer selbst absorbierte Leistung bestimmt. Dieser Dämpfer wird benützt, um den Pegel der über einen der beiden Wellenleiter 25, 26 abgegebenen Mikrowellenleistung zum voraus einzustellen.
Die Ausgangsleistung aus der Zelle 22 durchsetzt den anderen Wellenleiter und einen servogesteuerten Dämpfer 26 und gelangt dann in einen Detektor 27 und Verstärker 28, der über eine Rückleitschleife 29 mit dem Dämpfer 26 gekoppelt ist.
Die Eingangsleistung wird z. B. auf 3,2 kHz moduliert, so dass der Detektor 27 ein Tonsignal von 3,2 Hz an den Verstärker 28 liefert. 2inderun- gen im Pegel dieses Signals bewirken eine solche Bewegung des servogesteuerten Dämpfers 25, dass das Signal am Detektor 27 auf seinen vorherigen Pegel zurückkehrt.
Der Sand absorbiert Mikrowellenleistung in einem Ausmass, das vom Feuchtigkeitsgehalt der Probe abhängig ist. Mit wenigen Ausnahmen findet keine Absorption statt, wenn trockenes Material in das Rohr 22 eingesetzt wird, und daher ist Wasser das einzige vorhandene Dämpfungsmittel. Die Ausnahme hiervon ist, im Fall von Giessereisanden, die Gegenwart von Koks, da dieser dazu neigt, etwas von der Leistung zu absorbieren.
Die Änderung in der Höhe des Wassergehaltes in der Sandprobe kann nicht bestimmt werden durch Messen des Spannungsausganges am Detektor 27, und die Änderung der Leistung am Detektor hat nur wenig Beziehung mit seinem Spannungsausgang, da letztere sich mit Änderungen im Leistungspegel ändert obschon der Detektor einem approximativen Quadratgesetz folgt. Es hat sich gezeigt, dass, wenn die Anderung in dem die Probe durchsetzenden Leistungspegel in Dezibel gemessen wird, diese direkt proportional zum Wassergehalt der Sandprobe in der Zelle 22 ist. Die Einstellung oder der Frequenzgang der Dämpfer 25, 26 ist fast linear bei einer Dämpfung in Dezibel, so dass die Bewegungen dieser Dämpfer direkt mit dem Wassergehalt des Sandes in Beziehung gesetzt werden können.
Um den Zusatz von Wasser an irgendein System zu regulieren oder den Wassergehalt anzugeben, muss nur die Linearbewegung des servogesteuerten Dämpfers 26 auf irgendeine an sich bekannte Art und Weise wahrgenommen werden.
Es wurden verschiedene Versuche mit der Vorrichtung nach den Fig. 8-14 vorgenommen, unter Benützung einer UHF-Mess- oder Sandzelle 22 (Fig. 16) anstelle des Kondensatorrohres 12 (Fig. 8 und 9) und eines Messkreises nach Fig. 15.
Fig. 17 und 18 zeigen die Kalibrierkurven für zwei Dämpfer, von denen jeder zur Anwendung bei 26 im Schema der Fig. 15 geeignet ist. Die Kurve der Fig. 17 wurde erhalten mit Bromsgrove Red Sand in Zelle 22 und diejenige der Fig. 18 mit Erith -Sand mit 5 % Bentinit. Aus diesen Kurven geht hervor, dass beide Dämpfer im wesentlichen sich gleich verhalten und dass ihre Dämpfungen in bezug auf den Wassergehalt des Sandes linear verlaufen.
Fig. 19 zeigt den Einfluss einer Änderung im Tongehalt, bei konstantem Feuchtigkeitsgehalt, auf die Dämpfung. Die Kurven wurden erhalten mit Erith -Kieselerdesand mit 2-8 % Western -Ben- tonitton. Die Kurve 19a bezieht sich auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 2,5 % und die Kurve 19b auf einen solchen von 4,5 %. Beide sind linear und zeigen einen leichten Abfall in der Dämpfung bei zunehmendem Tongehalt.
Fig. 20 zeigt die Einwirkung eines progressiven Aufbaus von totem Ton in zwei Sand-Ton-Mischungen, wobei die eine, Kurve 20a, einen Wassergehalt von 2,3 % und die andere, die Kurve 20b, einen solchen von 4,3 % aufweist. In beiden Fällen war der Sand Erith mit 5 % Western Bentonite gemischt. Über den grössten Teil des gewählten Bereiches, d. h. zwischen 1 und 8 % Totton, sind beide Kurven im wesentlichen flach, wobei der grösste Dämpfungsabfall bei 8 % Totton im ersten Fall 2,5 dB beträgt, ungefähr gleich 0,5 % Wassergehalt, und im zweiten Fall 3,5 dB gleich 0,75 % Wassergehalt.
In der Praxis übersteigt die Menge an totem Ton in Giessereisanden gewöhnlich 1 %, und die Änderung in der vorhandenen Menge hat nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Genauigkeit der Instrumentenablesung.
Fig. 21 zeigt, dass die Gegenwart von bis zu 8 % Kohlenstaub in Erith -Sand mit 5 % Western Bentonite bei 2,3 % Wasser (Kurve 21a) und 4,7 % Wasser (Kurve 21b) keinen Einfluss auf die Dämpfung ausübt.
Fig. 22 zeigt den Einfluss von Koks in einem Erith -Sand mit 5 % Western Bentinite . Die Kurve 22a bezieht sich auf einen Ton mit 2,3 % Wasser und die Kurve 22b auf einen solchen mit 4,3 %. Beim Vorhandensein von 8 % Koks im ersten Fall beträgt der Dämpfungsfehler 4,5 dB (gleich 1 % Wassergehalt) und im zweiten Fall 7 dB (gleich 1,5 % Wassergehalt). Da der Koksgehalt normalerweise nicht mehr als etwa 3 % betragen sollte, würden sogar diese Fehler normalerweise auf etwa ein Drittel reduziert, d. h. 0, 3 % bzw. 9, 5 % Wasser.
Weiter tritt in der Praxis irgendeine Änderung des Koksgehaltes nur langsam ein, z. B. 0,5 % im Monat.
Der Korrekturfaktor für die Instrumentablesung ist daher sehr klein.
Die Fig. 23-26 zeigen die Einwirkungen von Temperaturänderungen auf verschiedene Sande. Fig.
23 ist die Dämpfung/Temperaturkurve für Erith Kieselerdesand mit Western Bentonite plus Kohlenstaub mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 7 %.
Fig. 24 ist das Äquivalent für Bromsgrove Red Sand. Fig. 25 bezieht sich auf Bromsgrove Red mit 6 % Kohlenstaub, und Fig. 26 auf Erith Kieseierdesand mit 5 % Western Bentonite mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 4,6 %. Das Instrument sollte normalerweise einen wärmeempfindlichen Widerstand enthalten.