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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Materialstrahlformungseinrichtung,
die insbesondere in Verbindung mit einer zugehörigen Vorrichtung
zur Erhöhung der Messgenauigkeit von Partikelgrößen und/oder
Partikelform eines Partikelgemisches, wie sie z. B. bei digitalen
Messeinrichtungen zur Partikelmessung oder bei Feindosierungsvorrichtungen
in Laboren oder verschiedensten Anwendungen in der Kunststoffindustrie,
bei Zementabfüllungen usw. zum Einsatz kommen kann.
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Eine
beispielhafte Vorrichtung zur Bestimmung von Partikelgrößen
und/oder Partikelformen ist sind aus der (zum Anmeldezeitpunkt der
vorliegenden Patentanmeldung noch unveröffentlichten)
europäischen Patentanmeldung
07008663.2 derselben Anmelderin bekannt. Selbst bei Verwendung
telezentrischer Objektive werden kleine Partikel aufgrund ihres
geringen Schärfebereichs unterrepräsentiert gemessen,
volumen- als auch größenbezogen.
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Die
in Verbindung mit den oben genannten älteren unveröffentlichten
Anmeldungen derselben Anmelderin beschriebenen Ausführungsformen
der Zuführeinrichtungen
- a) als Zuführeinrichtung 2 in 1,
die die Schwerkraft ausnützt, um den Partikelstrom in dem
Rohr 6 zu erzeugen, indem die Partikel durch das Rohr 6 fallen,
oder wie
- b) die als Trockendispergiermodul 35 in 2 ausgebildete
Zuführeinrichtung, bei der der Zuführtrichter 3 in
einen Vorratsbehälter 36 mündet, der über
ein Verbindungsstück 37 mit einer Dispergierdüse 38 verbunden
ist, und die Disper gierdüse 38 von oben mit Druckluft
beaufschlagt wird, wie durch den Pfeil 39 angedeutet ist.
Im Betrieb ist das Trockendispergiermodul 35 so angeordnet,
dass die untere Auslassöffnung 40 des Trockendispergiermoduls 35 entweder
in den weiteren Trichter 5 oder gleich direkt in den Partikelstromrohr 6 mündet,
so dass bei den beschriebenen Ausführungsformen das Trockendispergiermodul 35 den
Trichter 3, die Förderrinne 4 und gegebenenfalls
einen weiteren Trichter 5 ersetzt. Mit dem Trockendispergiermodul 35 können
Durchströmgeschwindigkeiten (durch Pfeil 41 in 2 angedeutet)
von bis zu 50 m/s erzeugt werden, so dass sich die Partikel im Partikelstrom
mit dieser Geschwindigkeit durch die Messzone M bewegen.
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Es
hat sich gezeigt, dass es trotz derartiger verbesserter Messverfahren
ab einer bestimmten Korngröße (unter 40 μm)
zum Teil schwierig ist, den Anteil kleiner Partikel exakt zu detektieren.
Negativ wirkt sich aus, dass sich der Dispergierstrahl 41 nach Verlassen
der Dispergierdüse 38 und vor Erreichen der „Messstelle” aufweitet
und somit zu Komplikationen bei der exakten Messung führen
kann.
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Grundsätzlich
kann es auch bei jeglichen bekannten Partikelmessgeräten
infolge von Reagglomeraten zu Verfälschungen der Messwerte
kommen.
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Es
wirkt auch sich negativ aus, dass sich der Dispergierstrahl nach
Verlassen der Düse, also vor Erreichen einer Messstelle
M mit einem geeigneten Objektfeld aufweitet (2). Insbesondere
bei Messungen von bimodalen Proben, Partikelgemische mit Anteilen
von kleinen und größeren Bestandteilen, tritt nach
der Dispergierdüse bzw. der Zuführeinrichtung dieser
negative Effekt spürbar auf.
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Auch
bei der Dosierung von Stoffen, die aus feinsten Partikeln bestehen,
müssen die Verfahrensabläufe wiederholbar mit
engstem Toleranzspektrum sein. Die Einhaltung von präzisen,
gleichbleibenden und wiederholgenauen Dosierungsraten, insbe sondere
bei geringen Mengen, kann deshalb schwierig sein. Dies ist zum Beispiel
bei der Verarbeitung von Additiven, Farben oder Mahlgut in Laboranlagen
oder bei der Kunststoffherstellung, wie im Falle von getönten
PET-Flaschen (Genauigkeiten von 0,05%), oder bei Analysegeräten
erforderlich. Es hat sich jedoch gezeigt, dass in bestimmten Anwendungsfällen
Messtoleranzen auftreten können.
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Ausgehend
hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur
Verbesserung der Bestimmung von Partikelgröße
und/oder Partikelform eines Partikelgemisches und zur genaueren,
wiederholbaren Dosierung von Partikelgemischen gemäß der
eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Messsicherheit,
Messgenauigkeit, Dosiergenauigkeit und insbesondere die Konstanz
der Messungen erhöht wird.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe bei einem Messverfahren bzw. einer Messvorrichtung der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, dass bei einer Messung oder
Dosierung eine Zuführeinrichtung (2) verwendet
wird, bei der das Partikelgemisch als Partikelstrom (Materialstrahl)
in Richtung der optischen Achse (Z-Richtung) in seinem Querschnitt
so weit eingeengt wird, dass eine für die Messung ausreichende
Dichte kleiner Partikel entsteht und dieser Materialstrahl in einer
Messzone (M) in Gestalt eines definierten Messfensters zur Verfügung
gestellt wird, welches weitestgehend der Form des konstant erzeugten
Materialstromes entspricht. In besonderer Weise verbessert die erfindungsgemäße
Materialstrahlformungseinrichtung die Messergebnisse bei Messungen
mittels digitaler Bildverarbeitung bzw. Dosierungen, die durch digitale
Messtechnik überwacht werden.
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Im
Idealfall hat der Materialstrahl nahezu die Form eines Rechteckes.
Durch ein genau definiertes Messfenster lassen sich Messreihen auch
im späteren Nachgang wiederholbar und vergleichbar gestalten.
Die Messpositionen lassen sich genauer fixieren.
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Die
Erfindung beinhaltet insbesondere auch eine Vorrichtung zum Konstanthalten
(71) eines zu messenden Materialstrahles/Partikelstromes,
gemäß eines durch eine Materialstrahlformung (61)
in Z-Richtung eingeengten Materialstrahlquerschnittes. Die Vorrichtung
(71) enthält in eingebauter Funktionsweise von
oben nach unten eine Materialzuführöffnung (72),
ein Messfenster (73), einen fensterlosen Abschnitt (74)
und eine Materialaustrittsöffnung (75)/5.2.
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In
bevorzugter Weise ist das Messfenster glaslos ausgeführt,
um Anhaftungen von Partikeln oder Staub zu vermeiden, die wiederum
zu Fehlmessungen führen können.
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Der
fensterlose untere Abschnitt ist bevorzugt gleich lang in der Durchströmrichtung
wie der optisch durchlässige Teil. Vorteilhaft ist es auch, wenn
der fensterlose untere Abschnitt in einen umgebenden Zylinder eintaucht,
welcher mit Unterdruck beaufschlagt wird (in den Figuren nicht dargestellt, aber
vorzugsweise im Bereich (74) angeordnet. Besonders vorteilhaft
ist es, wenn er in der Hälfte seiner Länge in
einen umgebenden Zylinder eintaucht.
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Die
Materialstrahlformungseinrichtung (61) ist so ausgebildet,
dass sie eine Formung des Partikelstromes in Richtung der optischen
Achse zur Messstelle (M) vornimmt.
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Die
Materialstrahlformungseinrichtung (61) kann unmittelbar
Bestandteil oder auch Zusatzelement der Zuführeinrichtung
(2) sein.
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In
vorteilhafter Weise kann die Materialstrahlformungseinrichtung (61)
einem Trockendispergiermodul 35 gemäß 3 nachgeschaltet
sein.
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Die
Materialstrahlformungseinrichtung (61) ist so aufgebaut,
dass sie den aus einem Trichter oder zweckmäßigerweise
einer Dispergierdüse austretenden kreisrunden Materialstrahl
oder Dispergierstrahl in die Form eines schmaleren, nahezu rechteckigen
oder auch oval geformten, sich verjüngenden Dispergierstrahl
(Materialstrahl) zwingt.
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Die
Umwandlung des Querschnittes von rund in eckig bzw. oval erfolgt
vorzugsweise kontinuierlich. Der Materialstrahl wird dabei in Z-Richtung (Richtung
der optischen Achse) gelenkt. Der rechteckige oder ovale Dispergierstrahl
weist in einem Ausführungsbeispiel eine Tiefe von 3 mm
bis 4 mm in Z-Richtung aus.
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Die
Materialstrahlformungseinrichtung (61) ist in bevorzugter
Ausführung zweigeteilt. Sie lässt sich damit technologisch
günstiger fertigen, reinigen und mit den in ihrem Inneren
erfindungsgemäß angeordneten messerartigen Leisten
bestücken. Die schmalen messerartigen Leisten, beispielsweise
aus Edelstahl, haben in dieser Anwendung eine durchschnittliche
Breite von 0,8 mmm.
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Im
Strahlumwandlungskanal (62) sind erfindungsgemäß messerartige
Leisten, Stäbe oder Klingen (im weiteren Messerleisten
genannt) angeordnet, die so den Kanal durchsetzen, dass Reagglomerate
im Materialstrahl in ihre Einzelteile getrennt werden bzw. deren
Bildung überhaupt verhindert wird. Damit kann die Messgenauigkeit
der sich anschließenden optischen Partikelmessung mit digitaler
Bildverarbeitung verbessert werden.
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Die
Messerleisten sind in paarweise oder auch einzeln in technologisch
geeigneter Weise und Anzahl angeordnet. Es ist hierbei möglich
die Messerleisten gegenüberliegend oder auch versetzt zueinander,
kaskadenartig anzuordnen.
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Die
Messerleisten sind bevorzugt in Klemmstellen bzw. in Nuten oder
Vertiefungen eingebracht. Sie können geklemmt, verschraubt
oder sonstiger geeigneter Weise befestigt sein. In besonders vorteilhafter
Ausführung werden Messerleisten eingesetzt, die entgegen
der Materialstromrichtung angeschliffen sind. Die Messerleisten
können beidseitig ange schliffen sein, um sie bei Abnutzungserscheinungen optimal
durch Drehen weiterbenutzen zu können.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführung (4.3) sind fünf Messerleisten hintereinander
angeordnet, wobei die einströmseitig ersten drei Messerleisten
als Doppelleisten ausgebildet sind und deren Anordnung zueinander
so bemessen ist, dass sich die verbleibende lichte Weite zwischen
den gegenüberliegenden Messerleisten jeweils drittelt.
Die vorletzte Messerleiste ist in dieser Ausführung eine Doppelleiste,
die unmittelbar aneinandergrenzen bzw. nahezu Kontakt besitzen.
Das abschließende Einzelmesser wird so angeordnet, dass
es nur in geringem Abstand (wenige Millimeter) vom Strahlaustritt
entfernt (links oder rechts) angeordnet ist. Die strahlgebende Kontur
der Materialstrahlformungseinrichtung (61) ist idealerweise
aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise gehärtetem
Edelstahl, um einen abrasiven Verschleiss zu minimieren.
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Durch
die Vorrichtung zur Optimierung der Materialstrahlform nach der
Dispergierdüse bzw. dem Trichter, bei gleichzeitiger Verhinderung
von Reagglomerationen bei der Vermessung kleiner Partikel durch
optische Partikelmesstechnik mit digitaler Bildverarbeitung, wird
die Anzahl „kleiner” Partikel pro Volumen so weit
erhöht, dass ihre messtechnische Erfassung und Auswertung
mit einem speziellen Verfahren zur Tiefenschärfenkorrektur,
welche Gegenstand einer bereits oben genannten, unveröffentlichten
Patentanmeldung der Anmelderin ist, verbessert.
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Die
Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die im nachfolgenden
näher beschriebene beispielhafte Vorrichtung zur Konstanthaltung
und das zugehörige Verfahren. Sie umfasst auch alle die
hier nicht genannten Anwendungen bzw. Vorrichtungen, bei denen pulvrige,
rieselfähige und/oder dispergierfähige Materialflüsse
gemessen werden müssen. Hierin sind auch solche Materialflüsse
eingeschlossen, wie sie in Rohrsystemen (Fallrohren oder horizontalen Transporthüllen,
ggf. mit Druckluft belastet), in verschiedensten Befüllungsanlagen
oder Beschickungsanlagen, Dosierungen unterschiedlichster Anwendungen,
wie bei der Kunststoffherstellung, Entstaubungsanlagen, Zemente,
Gipse, Feinsalze, Vorschaltungen bei Filteranlagen usw. zum Einsatz
kommen.
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In
einer beispielhaften Ausführung ist eine Vorrichtung zur
Bestimmung von Partikelgröße und/oder Partikelform
eines Partikelgemisches, mit einer Zuführeinrichtung (2),
mit integierter Materialstrahlformungseinrichtung (61),
die das Partikelgemisch als Partikelstrom zu einer Messzone (M)
führt, einem Beleuchtungsmodul (10), das Beleuchtungsstrahlen
(P1, P2) erzeugt und mit diesen die Messzone (M) beleuchtet, einem
Detektionsmodul (18) mit zwei Kameras (19, 20),
die jeweils einen der entsprechenden Kamera (19, 20)
zugeordneten Bereich (21, 22) der Messzone (M)
aufnehmen, wobei die Kameras (19, 20) die Bereiche
(21, 22) mit unterschiedlichen Vergrößerungen
aufnehmen, und mit einem Auswertemodul (23), das anhand
der Aufnahmen der Kameras (19, 20) die Partikelgröße
und/oder Partikelform bestimmt, ausgestattet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beispielhalber noch näher erläutert, wobei auch
den Zeichnungen erfindungswesentliche Merkmale zu entnehmen sind.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Bestimmung der
Größenverteilung von Partikeln eines Partikelgemisches
mit angezeigter Materialstrahlformungseinrichtung (61)
und Vorrichtung zur Materialkonstanthaltung (71);
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2 eine
schematische Ansicht eines Trockendispergiermoduls mit Darstellung
der Streuung des Materialstromes;
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3 eine
schematische Ansicht eines Trockendispergiermoduls mit Darstellung
einer sich daran anschließenden erfindungsgemäßen
Materialstrahlformungseinrichtung (61) und der Vorrichtung zur
Materialkonstanthaltung mit Messfensteranordnung (71);
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4 die
Darstellung einer Materialstrahlformungseinrichtung (61)
als schematische Darstellung in 4.1,
als Seitendarstellung im Schnitt mit einem Beispiel für
eine Anordnung innenliegender Messerleisten in 4.3,
und in 4.2 und 4.4 als
Einzelteile (links, rechts), Innenansicht;
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5.1 eine beispielhafte Darstellung einer erfindungsgemäßen
Einheit mit Materialstrahlformung (61) und Materialstrahlkonstanthaltung
(71) in Front- und Seitenansicht, wobei die Maßangaben nicht
einschränkend i. S. der Erfindung zu verstehen sind;
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5.2 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Konstanthalten (71) eines zu messenden
Materialstrahles;
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6 die
Darstellung der verfeinerten Messgröße infolge
der baulichen Veränderung der Zuführeinrichtung
(2), mit und ohne Materialstrahlformungseinrichtung/Zuführhilfseinrichtung
(61), inclusive einer jeweils identischen Messerleistenausstattung
am Beispiel von Zement;
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7 die
Darstellung der Auswirkungen der baulichen Veränderungen
der Materialstrahlformungseinrich tung/Zuführhilfseinrichtung
(61) mit und ohne Messer leiste.
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8 die
vergleichende Darstellung der verfeinerten Messgröße
infolge der erfindungsgemäßen baulichen Veränderungen
mit Vorrichtung zur Konstanthaltung (71).
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Die
in 1 gezeigte Ausführungsform umfasst die
Vorrichtung 1 zum Bestimmen der Größenverteilung
von Partikeln eines Partikelgemisches eine Zuführeinrichtung 2,
die das zu untersuchende Partikelgemisch einer Messzone M zuführt
und die einen Zuführtrichter 3, eine Förderrinne 4,
einen weiteren Trichter 5, ein Partikelstromrohr 6,
der Materialstrahlformungseinheit (61) sowie einen Auffangbehälter 7 aufweist.
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Das
Partikelstromrohr 6 mündet direkt in die Materialstrahlformungseinheit
(61) und ist mit dieser über eine geeignete Verschraubung
(64) verbunden. Die Partikelaufnahme aus dem Partikelstromrohr 6 erfolgt
durch die Aufnahmeformung (66) der Materialstrahlformungseinheit
(61). Die Aufnahmeformung (66) ist vorzugsweise
an die Rohrform angepasst. Unmittelbar an die Materialstrahlformungseinheit (61)
schließt sich in den Abschnitten 8, 9 die
Messzone M an.
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Ferner
umfasst die beispielhafte Messvorrichtung 1 ein Beleuchtungsmodul 10 mit
einer ersten und zweiten Strahlungsquelle 11, 12.
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Hier
nicht dargestellt sind die beiden Bereiche der Messzone M. Bei der
hier beschriebenen Ausführungsform sind die Kameras 19 und 20 so
justiert, dass der kleine Bereich in der Mitte des großen Bereiches
liegt. Natürlich kann der kleine Bereich an jeder anderen
Position innerhalb des großen Bereiches oder sogar außerhalb
des großen Bereiches liegen.
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Wesentlich
ist, dass beide Bereiche innerhalb der Messzone M sind. Der Partikelstrom
bewegt sich von oben nach unten durch die beiden Bereiche der Messzone
(X-Richtung), wobei die Kameras 19 und 20 natürlich
auch noch die Partikel erfassen können, die in einem vorbestimmten
Bereich vor oder hinter der Zeichenebene vorbeiströmen.
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Die
Messvorrichtung 1 umfasst ferner ein Steuermodul 28,
das mit der Zuführeinrichtung 2 mit Materialstrahlformungseinheit
(61), dem Beleuchtungsmodul 10 sowie dem Detektionsmodul 18 verbunden
ist, wie durch die gestrichelten Linien in 1 angedeutet
ist. Das Steuermodul 28 dient einerseits zur Steuerung
der Vorrichtung 1. Andererseits wird das Steuermodul 28 auch
noch zur Auswertung der mittels der Kameras 19 und 20 gewonnenen
Aufnahmen eingesetzt, um anhand der Aufnahmen Größenverteilung
der Partikel des Partikelgemisches zu bestimmen. Natürlich
kann die Auswertung auch in einem separaten Auswertemodul (nicht
gezeigt) durchgeführt werden, das nicht durch das Steuermodul
verwirklicht ist.
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Im
Betrieb der Vorrichtung wird das Partikelgemisch über den
Zuführtrichter 3 und die Förderrinne 4,
die beispielsweise als Vibrationsrinne ausgebildet sein kann, zu
dem weiteren Trichter 5 geführt, der die von der
Förderrinne 4 geförderten Partikel dem Partikelstromrohr 6 zuführt,
in dem die Partikel aufgrund der Schwerkraft nach unten fallen und
einen Partikelstrom bilden. Die herabfallenden Partikel und sich
gegebenenfalls gebildete Agglomerate werden in der Materialstrahlformungseinheit
(61) durch die darin zweckmäßig angeordneten
Messerleisten (63) deagglomeriert. Die Messer sind hierbei
vorzugsweise gemäß der 4 angeordnet.
In den Figuren ist wegen der Übersichtlichkeit stellvertretend
für die Messerleisten nur ein Messer mit (63)
bezeichnet. Der Partikelstrom wird erfindungsgemäß komprimiert in
die Form eines rechteckigen bis ovalen Querschnittes gezwungen.
Der Partikelstrom wird zugleich kontinuierlich in Z-Richtung (Richtung
der optischen Achse) vor der Messzone (M) gelenkt.
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In 1 ist
die erfindungsgemäße Teil der Materialstrahlformungseinheit
(61) und der erfindungsgemäße Teil der
Vorrichtung zur Materialkonstanthaltung (71) angezeigt.
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Durch
die verbesserte Zuführhilfseinrichtung (Materialstrahlformung)
(61), konnte, wie in 6 dargestellt,
eine Verbesserung um 65% (vgl. Kurven A und B) gemessen werden.
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Die
Vergleichskurve A zeigt die Ergebnisse der Messungen mit einem herkömmlichen
Dispergieraufsatz.
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Auf
der x-Achse wird die Größe x der Partikel aufgetragen.
Die genauere Bezeichnung Ma_min bezeichnet die Größendefinition,
in diesem Fall den minimalen Martin-Durchmesser. Da es in der Granulometrie
bzw. Korngrößenanalyse verschiedene Größendefinitionen
zu unterscheiden gibt, ist der Index als Unterscheidungsmerkmal
der Größe mit angegeben. Der Martin-Durchmesser
halbiert die Projektionsfläche (Ellipse, Darstellung am
rechten Bildrand von 7).
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Die
Projektionsfläche kann in verschiedenen Richtungen halbiert
werden. xMa_min gibt den minimalen Wert aus allen Richtungen an.
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Auf
der y-Achse (senkrechte Achse, Ordinate) wird Q3 angegeben. Damit
werden die kumulierten Volumen- bzw. Massenanteile bezeichnet. Dementsprechend
wird die Q3-Verteilung auch Summenverteilung genannt. Sie reicht
von 0–1 bzw. von 0–100%. Der Index 3 bezeichnet
dabei die Mengenangabe Volumen/Masse. Die typische Angabe des x50-Wertes
bedeutet im Beispiel x50 = 23 μm:
50% der gesamten untersuchten Probe ist kleiner als 23 μm.
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Der
Größenunterschied ohne Zuführhilfseinrichtung
(61) x50 = 23 μm zum Größenunterschied
mit Zuführhilfseinrichtung (61) x50 =
8 μm beträgt 65%.
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7 zeigt
die zusätzlichen Verbesserungen durch die Ausstattung mit
den messerartigen Leisten (vgl. Kurve C/ohne Messerleiste und Kurve D/mit
Messerleiste). Die Änderung von 42,1 μm auf 38,7 μm
beträgt 8,1%.
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8 zeigt
die Verbesserungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit Vorrichtung am Beispiel der Vermessung von Zementpartikeln.
Die Kurven C (Dispergieraufsatz mit Zuführhilfseinrichtung mit
Messerleisten und Vorrichtung zur Konstanthaltung des Partikelstromes)
zeigen eine deutlich feinere Messgröße gegenüber
den Vergleichskurven A und B an. Der Unterschied beträgt
ca. 16% gegenüber der Kurven B, bei denen ohne Einsatz
der Vorrichtung zur Konstanthaltung (71) gemessen wurde. Noch
deutlicher wird der Vergleich zu den Kurven A, bei denen ein herkömmlicher
Dispergieraufsatz verwendet wurde.
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Legende zu 8
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Zement CEM II – BS 32,5R
- A:
- Herkömmlicher
Dispergieraufsatz (x50 = 42,1 μm)
- B:
- Dispergieraufsatz
mit Zuführhilfseinrichtung incl. Messerleisten (x50 = 38,7 μm)
- C:
- Dispergieraufsatz
mit erfindungsgemäßer Zuführhilfseinrichtung
(61) und Vorrichtung zur Konstanthaltung (71)
(x50 = 35,5 μm)
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Durch
die Kombination von Materialstrahlformung und Konstanthaltung des
Materialstrahles wird die Messgröße feiner. Der
Unterschied beträgt hier ca. 16%.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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