DD267796A1 - Verfahren und vorrichtung zum untersuchen und analysieren von suspensionen mit ferromagnetischen teilchen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Untersuchen und Analysieren von Suspensionen aus nicht ferromagnetischen Fluessigkeiten mit ferromagnetischen Teilchen. Aufgabe der Erfindung ist es, Konzentration und Groessenverteilung der ferromagnetischen Teilchen und eine Qualitaetskenngroesse der Fluessigkeit zu bestimmen. Geloest wird die Aufgabe u. a durch die Messung der magnetischen Suszeptibilitaet waehrend der Sedimentation der Suspension in einer Kuevette. Die Beschleunigung der Sedimentation zur Verkuerzung der Messzeit erfolgt durch ein inhomogenes Magnetfeld und/oder durch Messung in unterschiedlichen Hoehen der Kuevette. Fig. 2

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration und Größe ferromagnetischer Teilchen in Suspensionen und der Qualität der flüssigen Phase.

Anwendungsgebiet der Erfindung sind Suspensionen aus nichtferromagnetischer flüssiger Phase mit ferromagnetischen Teilchen mit Teilchengrößen >0,1 pm.

Charakteristik de? bekannten Standes der Technik

Bekannte Verfahren der Untersuchung und Analyse von Suspensionen mit ferromagnotischen Teilchen, die die magnetischen Eigenschaften der Teilchen nutzen, beruhen auf verschiedenen Grundverfahren.

In der Patentschrift US 4651092 wird eine Lösung offenbart, bei der die magnetische Suszeptibilität aus der Induktionsspannung einer Sondenspule bei verschiedenen Frequenzen eines Anregungsmagnetfeldes bestimmt wird. Mit Hilfe von Standardsuspensionen lassen sich damit Teilchendichte, Grad der Dispersion und Viskosität empirisch bestimmen. Das Verfahren ist vorzugsweise für Beschichtungsmittel von Informationsträgern mit hoher Konzentration ferromagnetischer Teilchen ausgelegt. Die Anordnung und der vorgegebene Frequenzbereich von 1 bis 100 Hz erlauben keine Untersuchung von Suspensionen mit geringen ferromagnetischen Teilchenkonzentrationen.

Die DE-PS 3116696 beschreibt eine Wechselstrombrückenschaltung mit zwei parallelgeschalteten Resonanzschwingki eisen als Indikator für das Vorhandensein ferromagnetischer Bestandteile in Flüssigkeiten. Quantitative Aussagen erlaubt diese Anordnung nicht. Andere Verfahren beruhen darauf, daß die ferromagnetlschen Teilchen durch ein dauerhaftes oder kurzzeitig angelegtes Magnetfeld In den sensiblen Boreich eines Meßfühlers konzentriert werden. Bei der DE-PS 2931412 wird der Meßfühler durch einen Foldplatten-Differentialfühler realisiert. Der elektrische Widerstand der Feldplatten Ist der anhaftenden Menge ferromagnetischer Teilchen proportional. Aussagen über Größenvorteilungen können

nicht gemacht werden.

Die DE-PS 2933822 beschreibt einen Meßfühlur mit Induktionsspule. Die Bewegung eines ferromagnetischen Teilchen im Magnetfeld induziert In der Indukt'onsepule einen Spannungsimpuls der u.a. von der Masse des ferromagnetischen Teilchens

abhängig ist. Die nachgeschaltete Elektronik erlaubt Gesamtmasse und Größenverteilung der eingefallenenferromagnetischen Teilchen anzuzeigen.

Diese Anordnung orfordert einen sehr großen elektronischen Aufwand. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die absolute Konzentration der ferromagnetischen Teilchen nicht bestimmbar ist. Bei der DD-PS 217894 überbrücken die eingefangenen ferromagnetischen Teilchen einen Meßspalt. Aus do ι Durchflußmenge

und der Zeitdauer bis zum Überbrücken des Meßspaltes wird auf den Grad dos Anteils ferromagnetischer Teilchen geschlossen.

Angaben über Größenverteilung der ferromagnetischen Teilchen sind damit nicht möglich. Alle genannten Verfahren haben zusätzlich als Nachteile, daß eine absolute Bestimmung von Konzentration und Größenverteilung der ferromagnetischen Teilchen und die Bestimmung eines Qualitätskennwertes der flüssigen Phase mit

einem Verfahren nicht möglich sind.

Suszeptibilitätsmessungen bei verschiedenen Magnetflußdichten oberhalb der Sättigungsflußdicnte der ferromagnetischen Teilchen erlauben die Konzentration der ferromagnetischen Teilchen und einen Maturialkonnwert der flüssigen Phase zu

bestimmen (Weins, A.: „Magnetochemie", Verlag Chemie Weinheim (1973)).

Aussagon über die Größenverteilung der Teilchen sind jedoch allein aus SuBzeptibilitätsmessungen nicht möglich. Bekannte Verfahren der Analyse von Größenverteilung und Konzentration von in Flüssigkeiten dispergieren Teilchen nach dem Sedimentationsprinzip beruhen darauf, daß die einzelnen Teilchen nach einer kurzen Beschleunigungsstrecke mit einer

konstanten Geschwindigkeit absinken, wenn auf die Suspension die Schwerkraft oder ein anderes Kraftfeld einwirkt. Die sicheinstellende konstante Geschwindigkeit ist dabei abhängig von der Teilchengröße und der Teilchenform, von der Viskosität derflüssigen Phase, von der Dichtedifferenz iwischen der flüssigen und der festen Phase und von der Größe des Kraftfeldes. Durchdie zeltliche Verfolgung des Sedimentationsvorganges der in eine senkrecht angeordnete Küvette eingebrachten Suspensionwird die Teilchengrößenverteilung diesor Suspension analysiert. Eine bekannte Vorrichtung zur Messung der

Sedimentationskurve stellt die Sedimentationswaage dar. Dabei werden die am unteren' Ende der Küvette abgesunkenen Teilchen auf einer Waagschale aufgefangen und gewogen. Bine weitere Variante der Teilchenanalyse nach dem Sedimentationsprinzip stellt das Photosedimentometer dar, mit dem die

zeitliche Änderung der Trübung der Suspension gemessen wird (Sonntag, H.: .Lehrbuch der Kolloidwissenschaft", VEH

Deutscher Verlag der Wissenschaften Berlin 1977). Zur Verkürzung der sehr langen Meßdauer bei der Toilchenanalvße mittels Photosedimentometers wurde vorgeschlagen:

— bei feststehender Küvette das optische System mechanisch höhenverstellbar zu gestalten (Staub 23 (1963] Nr. 5, S. 269-278);

— das optische System feststehend anzuordnen und die Küvette mechanisch oder hydraulisch höhenverstellbar anzuordnen (DD-PS 147415);

— bei feststehender Küvette und feststehendem optischen System die Ermittlung der Abschwächung der horizontalen Lichtstrahlen vorzugsweise gleichzeitig in verschiedenen Höhen der Suspension zu messen (DD-PS 245957).

Die bisher bekannten Verfahren und die zu ihrer Realisierung dargelegten Vorrichtungen nach dem Sedimertationsprinzip

weisen entscheidende Mängel auf.

Der wesentliche Nachteil der Anwendung der Sedimentationswaage ist in der langen Meßdauer zu sehen. Lie jen Suspensionen

mit einer großen Variationsbreite der Teilchengröße vor, so rruß die Küvette sehr hoch sein. Es ist zu fordern, daß die großen

Teilchen erst in 5 bis 10 Sokunden sedimentiert sind. Eine Küvette dieser Höhe hat jedoch zur Folge, daß die kloinen Teilchen eine

sehr lange Absetzzeit haben. Die Meßcnit beträgt dann 10 und mehr Stunden. Darüber hinaus ist eine komplizierte Vorrichtungerforderlich.

Die Messung mit Photosedimentometern ist auf relativ transparente Flüssigkeiten beschränkt. Insbesondere, wenn Teilchen in

kollodialen Lösungen nachgewiesen werden sollen, führt die Lichtstreuung (Tyndall-Effekt) zu starken Meßwortverfälschungen.

Außerdem muß der Zusammenhang zwischen Extinktionskoeffizient und Teilchengröße mit der Teilchenkonzentration bekannt

sein. Der Photosedimentometrie ist nur bei sehr kleinen Teilchenkonzentrationen anwendbar.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, wodurch die Analyse von Suspensionen insbesondere auch bei trüben Flüssigkeiten durchgeführt werden können, wobei die Teilchenkonzentrqtion, die Teilchengrößenverteilung und eine Qualitätskenngröße der flüssigen Phase vorzugsweise gleichzeitig rei einein Meßzyklus ermittelt werden und die lange Meßdauer und die Ungenauigkeit bekannter Verfahren vermieden werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die die Nachteile der bekannten technischen Lösungen nicht aufweisen, mit welchem bei kurzer Moßdauer genaue reproduzierbare insbesondere auch bei trüben Flüssigkeiten und bei relativ hohen Teilchenkonzentrationen erzielt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelösf, daß die Konzentrationsänderung der forromagnetischen Teilchen während

des Sedimentationsvorganges durch die Ermittlung der magnetischen Suszeptibilität der Suspension und vorzugsweise inverschiedenen Höhen der Suspension gleichzeitig oder zu verschiedenen Zeiten gemessen wird und/oder durch geeignete

Anordnung von Magnetfeldern der Sedimentationsvorgang beschleunigt wird. Die Suspension wird in eine zylindrische Küvette gegeben und gut durchmischt. Die Suszeptibilitätsmessung erfolgt nm unteren Teil der Küvette entweder mit einer Magnetwaage oder nach dem Induktionoverfahren mit einem Spulensystem aus mindestens

einer Induktionsspule und gegebenenfalls einer Spule zur Erzeugung eines Gleichmagnetfeldes.

Bei Anwendung des Induktionsverfahrens können bei Verwendung mehrerer Induktionsspulen mehrere Meßzonen ausgebildet

werden.

In Folge der unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeit der einzelnen Teilchonfraktion durchlaufen zuerst die großen Teilchen die Meßzone bzw. die Meßzonen und dann die kleineren bzw. es erhöht sich zuerst die Konzentration der größoren Teilchenfraktion im unteren Küvettenbereich und dann die der kleineren. Die Veränderung der Teilchenkonzentration in der Meßzone bzw. in den Meßzonen bewirkt eine Veränderung der magnetischen Suszeptibilität der Suspension. Aus der zeitlichen Meßsignaländerung werden in bekannter Weise die in der Suspension vorliegenden Teilchenfraktionen

errechnet.

Zu Meßbeginn wird die Suszeptibilität der Suspension bei mindestens 2 verschiedenen Magnetflußdichten (Gleichfeld) oberhalb

der Sättigungsflußdichte der ferromagnetischen Teilchon bestimmt und daraus die Konzentration der ferromagnetischen

Teilchen und die Suszeptibilität der flüssigen Phase, die als eine Qualitätskenngröße verwendet wird, in bekannter Weise

errechnet.

Beim Induktionsverfahren ohne Verwondung eines Gleichfeldes wird durch Messung der Suszeptibilität zu Meßbeginn und bei Sedimentationsende die Konzentration der ferromagnetischen Teilchen und die Suszeptibilität der flüssigen Phase bestimmt

und bei Anordnung mehrerer Meßzonen kann zu Meßboginn die Homogenität der Suspension geprüft werden.

Bei der e/findungsgem äßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist an einer Küvette mindestens eine Induktionsspule

so angeordnet, daß bei n Anlegen einer elektrischen Spannung an die Induktionsspule innerhalb eines Teilbereiches der Küvettedie Meßzone geschaffe η wird.

Gegebenenfalls wird eine zweite Spule zur Erzeugung eines homogenen Gleichmagnetfeldes in der Meßzone angeordnet. BuI einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Magnetsystem so angeordnet, daß sich innerhalb der Küvette ein inhomogenes Magnetfeld ausbildet und dieses Feld eine Beschleunigung der Teilchen in Richtung des Schwerefeldes bewirkt Dadurch wird die Meßzeit reduziert. Eine weitere Möglichk« it besteht darin, die Induktionsspule oder die Küvette beweglich anzuordnen oder mehrere Induktionsspulen so anzuordnen, daß sich senkrecht zur Bewegungsrichtung der Teilchen mehrere Meßzonen ausbilden. Dadurch wird die Meßieit stark reduziert und durch Mehrfachmessung die Meßgenauigkeit erhöht. Ausführungsbeispiele Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeisplelon näher erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1: Schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 2: eine der Fig. 1 analoge Darstellung, jedoch mit geänderter Anordnung der Meßzonen. Mit 1 wird eine vorzugsweise zylindrische Küvette bezeichnet, in der sich die zu analysierende Suspension befindet. Mit 2 sind Magnetsysteme zur Erzeugung von inhomogenen Magnetfeldern dargestellt. Mit 2.1,...,2.N sind Induktionsspulen bezeichnet. Mit 3 ist eine geeignete Spannungsquelle, mit 4 eine Signalverarbeitungseinrichtung und mit 5 ein gegebenenfalls zur Weiterverarbeitung bestimmtes Ausgangssignal dargestellt. Mit β ist ein Meßstellenumschalter bezeichnet, der in geeigneter Weise die Induktionsspulen 2.1,...,2.N zuschaltet. Mit 7 wird eine Kompensationswaage und mit 8 eine Spule zur Erzeugung

eines homogenen Gleichmagnetfeldes bezeichnet.

Zur Durchführung des orfindungsgemäßen Verfahrens wird die Suspension in die Küvette 1 gegeben und gut durchgemischt. In Fig. 1 ist eine Vorrichtung dargestellt mit einem Magnetsystem 2. Das Magnetsystem ist so angeordnet, daß sich in der Küvette 1 ein inhomogenes Magnetfeld 2 ausbildet. Die Teilchenwanderung in Richtung des Magnetsystems 2 wird dadurch

beschleunigt. Die großen Teilchen haben eine höhere Wanderungsgeschwindigkeit als die kleineren, so daß sich ihre

Konzentration im unteren Küvettenbereich erhöht. Im weiteren werden nacheinander die Teilchenfraktionen mit kleineren Teilchen im unteren Küvettenbereich konzentriert. Die magnetische Suszeptibilität dor Suspension im Bereich der Polschuhe des Magnetsystems 2 vergrößert sich mit zunehmender Konzentration an ferromagnetischen Teilchen. Damit erhöht sich auch die Kraft auf die Kompensationswaage 7. Aus der Messung der magnetischen Suszeptibilität in Abhängigkeit von der Sedimentationszeit läßt sich über die bekannte* ι

physikalischen Gesetze zur Teilchenbewegung in Suspensionen die Teilcherigrößenenalyse durchführen. Die Meßsignale ium

Sedimentationsbeginn bei mindestens zwei unterschiedlichen Gleichfeldstärken ergeben die Teilchenkonzentration ι inii oie

magnetische Suszeptibilität der flüssigen Phase.

In der Fig. 2 ist eine andere erfindungsgemäße Vorrichtung mit mindestens einer Induktionsspule 2.1 oder mehioren Induktionsspulen 2.1,...,2.N dargestellt. Bei Anordnung einer Spule zur Erzeugung eines homogenen Gleichmagnetfeldes werden die Konzentration und die

magnetische Suszeptibilität der flüssigen Phase zu Beginn des Sedimentationsvorganges durch Messung der magnetischen

Suszeptibilität bei mindestens zwei unterschiedlichen Gleichfeldstärken in bekannter Weise bestimmt. Bei geringeren Genauigkeitsanforderungen kann auf die Spule zur Erzeugung eines homogenen Gleichmagnetfeldes 8

verzichtet werden. Dann werden die Konzentration der Teilchen aus der Differenz der magnetischen Suszeptibilität zu

Sedimentationsbeginn und Sedimentat.'onsende ermittelt und die magnetische Suszeptibilität im oberen Küvettenbereich

entspricht bei Sedimentationsende der magnetischen Suszeptibilität der flüssigen Phase.

-4- 267 798

Zur Beschleunigung der Sedimentation kann im unteren Teil der Küvette 1 ein Magnetsystem 2 angeordnet werden. Bei Verwendung von mehreren Induktionsspulen 2.1,...,2.N wird bei Sodimentationsbeglnn die Homogenität der Suspension

überprüft.

Infolge der untschiodlichen Wanderungsgeschwindigkeit der Teilchenfraktionen durchlaufen die großen Teilchen die durch die Induktionsspulen 2.1,...,2.N gebildeten Meßzonen zuerst. Die Sedimentationsgeschwindigkeit ist ein Maß für die jeweilige Teilchengröße. Die Berechnung der Teilchenkonzentration dor verschiedenen Teilchenfraktionen erfolgt auf der Basis der Suszeptibilitätsanderung in den Meßzonen. Ist mehr als eine Induktionsspule 2.1,...,2.N an der Küvette 1 angeordnet, wird die Meßgenauigkeit ei höht und die Meßzeit durch

die Ermittlung der Sedimentationszeit der kleineren Teilchen mit der obersten Induktionsspule 2.1 reduziert.

Claims (11)

1. Verfahren zum Untersuchen und Analysieren von Suspensionen mit ferromagnetischen Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationsänderung der Teilchen während der Sedimentation durch die Ermittlung der Beeinflussung der magnetischen Suszeptibilität der Suspension im unteren Teilbereich der Küvette (1) und/odor in verschiedenen Höhen der Küvette (1) gleichzeitig oder zu verschiedenen Zeiten gemessen wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Messung der magnetischen Suszeptibilität im unteren Teilbereich der Küvette (1) dui ~h die Kraftwirkung auf eine Kompensationswaage (7) ermittelt wird,

3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zu Sedimentationsbeginn bei mindestens zwei unterschiedlichen magnetischen Gleichfeldstärken die Gesamtteilchenkonzentration und die Suszeptibilität der flüssigen Phase ermittelt werden.

4. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei Messung der magnetischen Suszeptibilität in einer definierten bzw. in verschiedenen Höhen dor Küvette (1) aus der Differenz der magnetischen Suszeptibilität zu Sedimentationsbeginn und zum Sedimentationsende die Gesamtkonzentration der Teilchen errechnet wird.

5. Verfahren nach Pun. 11, gekennzeichnet dadurch, daß bei Messung der magnetischen Suszeptibilität in eine: definierten bzw. in verschiedenen Höhen der Küvette (1) aus der magnetischen Suszeptibilität der Suspension im oberen Küvettenbereich bei Sedimentationsende die magnetische Suszeptibilität der flüssigen Phase abgeleitet wird.

6. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei Messung der magnetischen Suszeptibilität in verschiedenen Höhen der Küvette (1) bei Sedimentationsbeginn die Homogenität der Suspension geprüft wird.

7. Vorrichtung zum Untersuchen und Analysieren von Suspensionen mit ferromagnetischen Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Küvette (1) ein Magnetsystem (2) so angeordnet ist, daß sich in der Küvette (1) ein inhomogenes Magnetfeld ausbildet.

8. Vorrichtung nach Punkt 7, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Küvette (1) mindestens eine Induktionsspule (2.1) oder mehrere Induktionsspulen (2.1,...,2.N) so angeordnet sind, daß sich innerhalb der Küvette (1) eine bzw. mehrere Meßzonen ausbilden.

9. Vorrichtung nach Punkt 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Küvette (1) eine Spule (8) zur Erzeugung eines magnetischen Gleichfeldes angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Punkt 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung von einer Induktionsspule (2.1) an einer Küvette (1) diese Induktionsspule (2.1) entlang der Küvette beweglich angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Punkt 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung von einer Induktionsspule (2.1) an einer Küvette (1) die Küvette (1) entlang der Induktionsspule (2.Ί) beweglich ist.