DE1648961A1

DE1648961A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Abmessungen von in einer Fluessigkeit suspendierten Teilchen

Info

Publication number: DE1648961A1
Application number: DE19671648961
Authority: DE
Inventors: Jacobs Gerardus Henricus Maria
Original assignee: Koninklijke Nederlandsche Papierfabriek NV
Current assignee: Koninklijke Nederlandsche Papierfabriek NV
Priority date: 1967-07-31
Filing date: 1967-10-27
Publication date: 1971-06-03
Also published as: NL129608C; NL6710569A; DE1648961B2; GB1164719A

Description

Koninklijke Federlandsehe Papierfabriek BvV., Biesenweg 1,

Maastricht, Fiederlande

"Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Abmessungen von einer Flüssigkeit suspendierten Teilchen"

äJ4ni¥i

^©!!©SIM^i^Änmihg bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Bestimmen der Abmessungen von in einer Flüssigkeit in niederer Konzentration suspendierten Teilchen, wobei die Suspension durch einen im Verhältnis zu den Teilchen engen Strömungskanal hindurchgeführt wird, durch den gleichzeitig ein physikalischer Flux hindurchgeführt wird, dem gegenüber die Flüssigkeit eine andere Durchlässigkeit als die Substanz der Teilchen aufweist, so daß die durch die Bahn des physikalischen Fluxes nacheinander passierenden Teilchen diesen Flux modifizieren, und wobei die Dauer der Fluxmodifizierungen zum Bestimmen der genannten Teilchenabmessungen detektiert wird.

In der niederländischen Patentschrift 94· 112 wird dieses Verfahren beschrieben, das dazu bestimmt ist, die Teilchen zu zählen, wobei diese Zählung dadurch erfolgt,

109823/1437

daß die Schwankungen eines elektrischen Stromes, der durch den engen Strömungskanal hindurch geleitet wird, gezählt werden, welche Schwankungen dadurch entstehen, daß die Teilchen einen anderen elektrischen Widerstand haben als die Flüssigkeit, in der sie suspendiert sind, was zu einem gegenüber dem elektrischen !Flüssigkeitswiderstand anderen Wert des Substitutionswiderstandes in der elektrischen Strömungs- Ψ strecke führt, wenn ein !Eeilchen sich durch diese Strecke hindurchbewegt. .

In der niederländischen Patentschrift 94 112 wird bemerkt, daß die Größenabwandlungen der Teilchen die Dauer und die Form der Abwandlungen in der Kennlinie des elektrischen Stromes beeinflussen, so daß umgekehrt aus diesen Meßergebnissen die Größe der Teilchen durch Yergleichung mit entsprechenden Teilchen bekannter Abmessungen bestimmt werden kann.

" In der schweizerischen Patentschrift 259 952 wird

zu einem ähnlichen Zweck die Anwendung eines Lichtstrahles als physikalischer I¹IuA vorgesehlagen, welcher Lichtstrahl eine Photozelle, trifft. Auch in den britischen Patentschriften 679 711, 679 740 und 679 774 wird eine derartige photoelektrische Methode beschrieben.

Obwohl die genannten Meßtechniken offenbar längst bekannt sind, wurden diese nicht zum Messen sehr länglicher Teilchen, wie Fasern angewendet, und zwar wegen des Problems,

109823/1437 ·

'ÖA0 ORIGINAL

wie diese länglichen Teilchen ohne daß sie miteinander Flocicen bilden und zusammengefaltet werden durch einen engen Strömungskanal geführt werden können.

Die Länge der Fasern aus einem Papierroiistoff spielt, was die Eigenschaften des aus diesen Fasern herzustellenden Papiers betrifft, eine wesentliche Rolle. Trotzdem spielt diese Faserlänge Jceine besondere Rolle als Kennzahl bei der Beherrschung der Fabrikation des Papierrohstoffes, welche Lücke inder Prozeßbeherrschungstechnik offenbar dadurch verursacht wird, daß keine rationelle und schnell anwendbare sowie ausreichend genaue Information-erteilende Methode und Apparatur zur Bestimmung der Faserlänge zur Verfügung stehen. Zweck der Erfindung ist, für diese Faserlängenbestimmung unter Anwendung des eingangs umschriebenen Prinzips ein geeignetes Verfahren und eine Apparatur zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, in einer verhältnismäßig kurzen Zeit eine Anzahl zu einer statistischen Faserlängenverteilung benötigte Fasern, ungefähr 2000 auf Länge zu messen, wobei diese Fasern mechanischen Wechselwirkungen, die Flockenbildung und Verstopfung der Meßöffnung verursachen könnten nicht unterworfen werden. Eine besondere dabei zu beseitigende Schwierigkeit ist, daß man das Zusammenfalten der Fasern vermeiden soll. Dieses Zusammenfalten kann in einem engen Strömungskanal wegen der Geschwindigkeitsverteilung in der strömenden Flüssigkeit leicht a.uftreten.

109823/ 1437

Eine mathematische Analyse der Erscheinungen in dieser Strömung führt zu der Schlußfolgerung, daß diese Erscheinungen ein sehr komplexes Ganzes bilden. Es wird daher nur eine einfache phänomenologische Annäherung eines Faserverhaltens gegeben, um die Labilität dieses Verhaltens bei nicht richtig gewählten .Bedingungen zu erläutern. Die Strömungsgeschwindigkeit in einer engen Röhre ist an den Rohrwänden null und in der Mitte maximal. Wenn eine in dieser Mitte mitgerissene gestreckte Faser sich mit ihrem Vorder-, ende einigermaßen außerhalb des Zentrums der Strömungsbahn befindet, was bei den praktisch nie geraden Fasern leicht der Fall ist, wird dieses Vorderende gegenüber dem Fasermittelteil durch die langsamer strömende Flüssigkeit gehemmt, wodurch sofortige Drehung der Faser um eine Querachse eingeleitet wird, welche Drehung die Bahnabweichung des Vorderendes verstärkt, so daß der Mittelteil einer grö- f ßeren Mitreißkraft in der Flüssigkeit unterworfen wird als 'die Faserenden. In einer engen Röhre führt das zu unmittel- _. barem Zusammenfalten der Faser.

Diese Schwierigkeit macht sich in größerem Maße bei einem hohen Mahlgrad des Papierfaserstoffes bemerkbar, durch den die Fasern weicher und fibrillierter sind«

Die Erfindung hat nunmehr dazu geführt, daß eine Fasersuspension mit großer Geschwindigkeit durch einen sich zu seinem Ausgang hin allmählich verjüngenden Kanal hindurch«

^^: 109823/U37

1.84 8 9

geführt wird, und zwar derart, daß darin die !Fasern der Suspension in Längsrichtung in Durchströmungsrichtung gerichtet oder gerichtet gehalten werden und sodann .durch die Bahn des durch die Meßöffnung hindurchgehenden.physikalischen Fluxes hindurchgeführt werden.

Es konnte die überraschende Tatsache festgestellt werden, daß die Fasern tatsächlich in der genannten Weise in ihrer Längsrichtung gestreckt in Strömungsrichtung durch die Meßöffnung passieren. Bs wird geraeint, daß der stabilisiereride Einfluß der in' dem sich verjüngenden Kanal auftretenden Konvergenz der Strömungslinien günstig ist, und daß die, im Zusammenhang, mit der Notwendigkeit, für die Flüssigkeitsströmung der Kontinuitätsgleichung zu entsprechen, auftretende starke Strömungsbeschleunigung zu dem Scheitel des konischen Kanals hin eine Streckung der Fasern in die Strömungsrichtung zur Folge hat.

^ die Gefahr, daß die Meßöffnung verstopft, gering genug zu halten, erwies es sich als erwünscht, die Geschwindigkeit in der Meßöffnung wenigstens 5 m/sec. und den Durchmesser der Meßöffnung wenigstens zweimal so groß als die Dicke der Fasern zu machen.

Der prozentuelle Einfluß der Faser in der Meßöffnung auf ilen elektrischen Widerstand darin ist größer je nachdem die Faser einen. Teil des Volumens in der Meßöffnung

109823/1437

164Ö9S1.

einnimmt. Es zeigte sich jedoch, daß "bei obigen Werten die elektrische Messung mit einem genügend niedrigen Rauschniveau möglich ist. ..« .

Damit die Strömungsgeschwindigkeit in der Meßöffnung, die selbstverständlich die Basis für die Längenbestimmung ist, nahezu konstant gehalten wird, kann z.B. die Zuströmung aus einem Pufferbehälter solcher Breite erfolgen, daß das Niveau sich während der Messung nicht viel ändert. Auch kann Gasdruck über diesem Niveau angewendet werden.

Pur die Längenmessung ist es .erwünscht, die Strecke innerhalb der Meßöffnung sehr kurz zu halten. Gute Resultate werden erhalten mit einer axialen Länge der Meßöffnung von 0,2 mm. Der Scheitelwinkel der konischen Meßröhre betrug dabei ungefähr 8 , die Länge der Röhre 150 mm.

In der Zeichnung ist beispielsweise der Mittel— teil einer solchen Meßröhre wiedergegeben. Es zeigen

Fi 1 einen Längsschnitt,

ffig«. 2 einen Schnitt über die engsten Stellen der Meßröhre

und .

I¹Jgο 3 ein elektrisches Schema.

Die Elektroden 1 und 2 sind in einem Kunststoffkonus 3 eingeschmolzen oder eingekittet, und zwar einander gegenüber beidseitig des Strömungsdurchgangs, an" dessen engster Stelle» Die Meßöffnung ist dabei nicht mehr rund, son-'

109823/1437

* " BAD ORIGINAL

1 b 4 H 9 61

dern einigermaßen abgeflächt, um die Uniformität des elektrischen Feldes zu verbessern. Der Durchmesser des runden Teiles der Meßöffnung beträgt 0,5 mm, die Breite der Elektroden 0,3 mm und ihre Dicke in Axialrichtung 0,2 mm_o Die Elektroden können aus Silber oder versilbertem Kupfer bestehen, in einem Gleichstromkreis werden Platinelektroden bevorzugt. Die Innenwände des Konus und des Meßdurchganges sind so glatt wie möglich ausgearbeitet.

Sobald die Fasern, die Meßöffnung passieren, werden sie wegen ihrer Leitfähigkeit, die stark von der der Flüssigkeit, eines Elektrolyten mit günstig gewählter Konzentration, abweicht, eine Änderung in dem Widerstand der Flüssigkeitssäule zwischen den Elektroden bewirken. Die konstant bleibende Strömung erteilt dadurch den Elektroden einen Spannungsimpuls, der auf einem Oszilloskopschirm sichtbar gemacht werden kann. Die Impulse können erwünschtenfalls mit den bekannten Mitteln auf einem Film u.dgl. festgelegt werden»

Bei einer konstanten Durchströmungsgeschwindigkeit ist die Länge der im Prinzip rechteckigen Impulskurve ein Maß für die Faserlänge, die Höhe für die Faserdicke. Gegebenenfalls noch zusammengefalten passierende Fasern werden durch e.ine größere Höhe der Kurve signalisiert, auch einander überlappende Fasern werden hierdurch signalisiert«

Eichen der Vorrichtung mit Hilfe von Fasern bekannter Abmessungen ist erwünscht, und das zwar im Zusammenhang

1 0 9 8 2 3 / U 3 7

*■■".. 1b* 4 H 9ST.

mit den geringen Abmessungen, durch welche der Einfluß kleiner Dimensionsunterschiede relativ groß ist. Auch sind Maßnahmen zu treffen, die Temperatur konstant zu halten, oder die elektrische Temperaturkompensation im Zusammenhang mit der !leitfähigkeit des Elektrolyten zu bewirken.

Eine Methode zu messen besteht darin, daß nachdem die Spannungsimpulse, die durch das Passieren der Fasern W durch die Meßöffnung entstehen, verstärkt sind, diese durch einen Schwellenkreis geführt werden, welcher Kreis einen einstellbaren Silbspannungspegel besitzt, wodurch nur der Impuls gezählt wird, der diesen eingestellten Pegel erreicht oder überschreitet. In dieser Weise vertritt jede Zählung .der Impulse die Zahl der Teilchen mit einem Durchmesser, der größer ist als der gewählte Schwellenwert in einem gegebenen Suspensionsvolumen.

Um die Längenverteilungskurve festzustellen, kann das Signal nach dem Verstärker durch einen Kreis mit Amplitudenbegrenzer hindurcheeführt werden, um die Impulse in eine Serie rechteckiger Signale bestimmter Höhe umzusetzen. Diese Signale werden darauf integriert, wobei die endgültige Höhe ein Maß für die Länge des ursprünglich rechteckigen Signals ist. Diese Signale werden in derselben Weise wie oben beuchrieben durch einen Schwellenkreis geführt und auf einem Oszilloskopschirm sichtbar gemacht und gegebenenfalls registriert.

1098 23/1Λ37

BAD ORIGINAL

16AH961

Durch Eichen, können, der eingestellte Sehwellenwert und der Fas erdurchmesser, bzw. die Faserlänge miteinander in Zusammenhang gebracht werden.

In dem Blockschema nach PIg₀ 3 ist alles das festgelegt worden. Darin ist 4 eine Spannungsquelle, 5 ein. Verstärker, 6 ein ÄmplitudenbegrerLZungsverstärker, 7 ein Integrator, 8 ein Schwellenkreis, 9 ein ·' Läng en." -Zähl er, TO ein Schwellenkreis, 11 ein Impulsverstärker, 12 ein "Durchmessei*¹-Zähler und 13 ein Oszilloskop.

Bei Anwendung eines G-leichs tromkreises werden, genauere Meßresultate erhalten, wodurch gleichfalls die mit der Anwendung von. Wechselstrom verbundene Schwierigkeit vermieden wird, die durch die hohe Frequenz entsteht, die erforderlich ist, wenn man die Anzahl Impulse als Maß für' die Länge verwenden will bei der erforderlichen Durchströmungsgeschwindigkeit. Die Elektroden müssen in dem Gleichstromkreis aus Platin bestehen, damit Elektrolyse des Elektrolyten vermieden, wird. Bei Anwendung von Gleichstrom kann, auch die Formgebung der Elektroden einfacher: sein.

Günstige Resultate wurden auf dem Versuchswege erhalten mit zwei Platinsoheiben als Elektroden, getrennt durch 0,2 mm dicke Isolation, wobei das Ganze mit einer 0,3 mm-Öffnung durchbohrt ist. _;.

Als Elektrolyt wurde eine physiologische Salzlösung angewendet. ■■■■■■-"■

109823/1437

Ib 4:8 9-61

Es zeigte sich, daß als maximale Stromstärke ein Wert von 60 {/ A aufrechterhalten werden konnte, wodurch der Fehler zugunsten einer eventuellen Gasentwicklung ₌vernachläßigt werden konnte».Die angelegte Gleichspannung war dabei 1,8 V-.

Der Anpassungswiderstand des "Verstärkers war 30 k Ohm, während die Gleichspannung durch einen Kondensator blockiert wurde.

Die Ansprechempfindlichkeit des Verstärkers war 2,8 mV, was /bedeutete, daß der Ladungsimpuls des Kondensators dieser Größenordnung sein sollte, um den Verstärker in genügendem Maße steuern zu können. Diese Eingangsspannung wurde ungefähr 500 χ verstärkt und über einen Schmitt-Trigger zu einer Blockform umtransformiert um einen Dekadenzähler ansprechen zu lassen.

Eine Konzentration der Suspension von ca.0,0002^c/, übereinstimmend mit ca. 15 - 250 Fasern pro ml, abhängig von der Länge der Fasern, erwies sich als niedrig genug, um Viechseiwirkung zwischen den Easern und damit Flockenbildung zu vermeiden.

Es ist im Prinzip selbstverständlich auch möglich, die Längenmessung mit einem Lichtstrahl in dem durch die Meßöffnung gehenden physikalischen Flux auszuführen. Die Lichtdurchläsüigkeit von Fasern kann durch diesbezügliche Färbung verringert werden» Das Prinzip der konischen Meßröhre nach der Erfindung wird bei dieser Methode aufrechterhalten» 109823/1-437

BAD

Claims

M- 1S48961

Koninklijke üTederlancLsche Papierfabriek ET.V., Biesenweg 1,

Maastricht, Niederlande

Patentansprüche s

1p Verfahren zum Bestimmen von Abmessungen von in einer Flüssigkeit in niedriger Konzentration suspendierten Teilchen, wobei die Suspension durch einen im Verhältnis zu den Teilchen engen Strömungskanal hindurchgeführt wird, durch den gleichzeitig ein physikalischer Flux hindurchgeführt wird, in Bezug auf den die Flüssigkeit eine andere Durchlässigkeit als die Substanz der Teilchen aufweist, so daß die durch die Bahn des physikalischen Fluxes nacheinander passierenden Teilchen diesen Flux modifizieren, und wobei die Dauer der Fluxmodifikationen zum Bestimmen der genannten Teilchenabmessungen detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fasersuspension mit großer Geschwindigkeit durch einen sich zu seinem Ausgang hin allmählich verjüngenden Kanal hindurchgeführt wird, und zwar derart, daß darin die Fasern der Suspension in Längsrichtung in Durchströmungsriehtung gerichtet oder gerichtet gehalten werden und sodann durch die Bahn des durch die Meßöffnung hindurchgehenden physikalischen Fluxes hindurchgeführt werden«.

1 0 9823/1 A3 7 _ßA0

2c Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messung mit elektrischen Mitteln ausgeführt wird, dadurch g e — kennzei chnet , daß die Meßsignale durch einen Schwellenkreis hindurchgeführt werden, um Faserdurchmesser und/oder Faserlangen größer als eine gegebene Abmessung zu "bestimmen. . '

ο Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch oder 2, dadurch gekenn ζ e i c^ h net, daß die Strömungsröhre konisch verläuft und die Meßöffnung an den engsten Stellen angeordnet ist und in Axialrichtung geringste Länge aufweist.

OADORJGiNAi.

1098 23/ 14 3 7