DE3209735A1

DE3209735A1 - Automatische bestimmungseinrichtung fuer die gasstroemungs/druckabfall-charakteristik eines gasdurchlaessigen materials

Info

Publication number: DE3209735A1
Application number: DE19823209735
Authority: DE
Inventors: Arnold William Eastleigh Hampshire Cronshaw
Original assignee: British American Tobacco Co Ltd
Current assignee: British American Tobacco Investments Ltd
Priority date: 1981-03-18
Filing date: 1982-03-17
Publication date: 1982-11-04
Also published as: AU551029B2; CA1173667A; AU8124882A; US4462248A

Description

36 560/1

BRITISH-AMERICAN TOBACCO COMPANY LIMITED London / Großbritannien

Automatische Bestimmungseinrichtung für die Gasströmungs/ Druckabfall-Charakteristik eines gasdurchlässigen Materials 10

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Bestimmung des Druckabfalls in einem Gasstrom an gasdurchlässigen Werkstoffen.

In der GB-PS 2 001 444A ist eine Vorrichtung beschrieben, mit der die Durchlässigkeit für gasdurchlässige Materialien wie Papier bestimmt werden kann. Die Vorrichtung weist einen Klemmkopf auf,"in den eine Papierprobe so eingeklemmt werden kann, daß die Probe sich quer über einen Luftstromkanal von bestimmtem Querschnitt erstreckt. Weiterhin sind Einrichtungen vorhanden, um dem Kanal einen Druckluftstrom zuzuführen, wobei der Luftstrom zum Klemmkopf durch einen von drei Strömungsmessern hindurchströmt. Nahe am Klemmkopf befindet sich ein Druckmesser, der den Differenzdruck an der Papierprobe mißt. Für die Messung wird bei dieser Vorrichtung der Luftstrom so eingestellt, daß sich ein bestimmter Standardwert des Druckabfalls, z. B. 10 cra/WG, ergibt, wobei der Strömungsmesser danach gewählt wird, daß die Strömungsmenge, die diesem Druckabfall entspricht, in dessen Meßbereich fällt.

In der GB-PS 2 018 436 ist eine Vorrichtung zur Porositätsmessung von Blattmaterial wie Papier beschrieben. Diese Vorrichtung weist einen Probenklemmkopf und Einrichtungen, um

einen Gasstrom durch die im Kopf gehaltene Probe hervorzu- }

rufen, auf. Das Gas strömt durch eine Linearströmungs- I

vorrichtung, an die ein Druckwandler angeschlossen ist, zum |

Klemmkopf. Steuereinrichtungen, etwa in Gestalt eines Mikro- ί

Prozessors, steuern die Gasströmungseinrichtung der Vorrich- f

tung so, daß der Druckabfall an der Probe auf eine Anzahl |

von Werte nahe einem Bezugswert eingestellt wird, wobei I

bei jedem dieser Werte die zugehörige Strömungsmenge gemes- |

sen wird, oder es wird die Strömungsmenge auf eine Anzahl (

von Werte nahe einem Strömungsmengenbezugswert eingestellt, f

und bei jedem dieser Strömungsmengenwerte wird der entspre- J

chende Druckabfall an der Papierprobe ermittelt. Der Mikro- |

prozessor verwendet dann die Wertepaare, z. B. drei Paare, |

. von Druck- und Strömungsmenge für die Bestimmung von Werten ί K und N nach der Beziehung F = K(P) . Der Mikroprozessor I setzt dann in vorstehende Gleichung entweder den Bezugs- f druck oder die Bezugsströmungsmenge ein und bestimmt auf

diese Weise die entsprechende Strömungsmenge oder den Druck.

Eine weitere Vorrichtung zur Messung der Porosität von blattförmigem Material wie Zigarettenpapier ist in der GB-PS
2 038 002A beschrieben. Diese Vorrichtung weist einen zu
einem Probenklemmkopf verlaufenden Gasströmungskanal auf,

der mehrere parallel geschaltete Konstantströmungsvorrich- |

tungen aufweist. Eine elektronische Steuer- und Prozeßein- 1

hext der Vorrichtung nimmt Druckabfall anzeigende Signale |

von einem Druckdifferenzwandler auf, dessen Druckabnahme- \

punkt nahe dem Klemmkopf liegt. Die Steuer- und Prozeßein- %

hext öffnet außerdem jede der Konstantströmungseinrichtun- |

gen. Diese Einrichtungen werden nacheinander geöffnet, wo- |

durch die nächst oberhalb und unterhalb eines Referenzdruck- |

wertes liegenden Druckwerte bestimmt werden. Nach der Be- ' |

I Stimmung dieser nächstliegenden Druckwerte teilt die Steuer- f und Prozeßeinheit die Strömungsmenge der beiden nächstlie- | genden Druckwerte durch den jeweiligen Druckwert, wodurch |

die nächstliegenden Werte der Strömungsmenge pro Druckabfalleinheit bestimmt werden. Die Steuer- und Prozeßeinheit mittelt dann diese Werte, multipliziert den Mittelwert mit dem Referenzdruck und teilt das Ergebnis durch die Probenfläche, wodurch ein Porositätswert erhalten wird.

Beim Gebrauch der Vorrichtung nach GB-PS 2 018 4 36A kann der Druckwandler, der wegen der erforderlichen Genauigkeit etwas empfindlich ist, beschädigt werden, wenn die Permeabilität der Probe einen niedrigen Wert hat und sich dadurch im Strömungspfad ein hoher Druck einstellt.

Die Vorrichtung nach GB-PS 2 038 022A kann keine Strömungswerte und zugehörige Druckabfallwerte von Materialien mit besonders niedriger Permeabilität messen, da Konstantstromvorrichtungen bei niedrigen Strömungswerten, die sich bei Proben mit sehr geringer Permeabilität einstellen, nicht genau arbeiten können.

Mit der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bestimmen der Gasströmungs/Druckabfall-Charakteristik eines gasdurchlässigen Materials geschaffen, welche gekennzeichnet ist durch Einspannmittel, die eine Probe des Materials über dem Querschnitt eines Gasströmungskanals halten, Gasströmungsmittel, die einen Gasstrom durch den Kanal und die Materialprobe in der Einspannvorrichtung ziehen, Druckanzeigemittel, die den Gasdruckabfall an der Probe erfassen, und Strömungsmengenanzeigemittel, die die durch die Probe hindurchtretende Strömungmenge erfassen, wobei die Gasströmungsmittel eine Konstantstromeinrichtung und zwischen die Konstantstromeinrichtung und die Einspannvorrichtung eingefügte Ventile aufweisen, die so betätigbar sind, daß der Gasstrom durch die Konstantstromvorrichtungen unterbrochen werden kann, und Bypass-Einrichtungen, durch die der Abschnitt des Gasströmungsweges zwischen den Konstantstromvorrichtungen und den Venti-

len mit dem Abschnitt zwischen den Ventilen und der Einspannvorrichtung verbindbar ist, um die Ventil zu umgehen, wobei die Bypass-Einrichtung eine Zuluftleitung und Ventile zum Verschließen des Bypasses einschließlich der Zuluftleitung aufweist.

Mit Hilfe der Erfindung läßt sich die Gasströmungs/Druckabfall-Charakteristik von gasdurchlässigen Materialien mit geringer Durchlaßfähigkeit genauer bestimmen.

Vorzugsweise sind mehrere Vorrichtungen für einen konstanten Gasstrom von unterschiedlichen Strömungsmengenwerten parallelgeschaltet, so daß dann auch Gasströmungs/Druckabfall-Charakteristiken von gasdurchlässigen Materialien mit höherer Durchlaßfähigkeit bestimmt werden können. Die Bypass-Einrichtung kann entweder nur einer Konstantströmungsvorrichtung oder auch mehreren zugeordnet sein. Im letzteren Fall kann die Bypass-Einrichtung mehrere Bypass-Ventile aufweisen, die parallelgeschaltet sind, wobei jedes einzelne einer der zahlreichen Konstantströmungseinrichtungen zugeordnet ist. und die einzelnen Bypass-Ventile willkürlich und ausgewählt geschlossen werden können. Die Anordnung kann so gestaltet sein, daß die Bypass-Einrichtungen gleichzeitig mit mehreren der Konstantströmungseinrichtungen in Verbindung gebracht werden können.

Es ist von Vorteil, wenn die Abblaseinrichtung sich in einem Abzweigströmungspfad befindet, der von dem Teil des Gasströmungspfades der Bypass-Einrichtung abzweigt, der die Ventilmittel der Gasströmungseinrichtung umgeht. In diesem Fall enthält die Bypass-Einrichtung ein in diesem Abzweigströmungspfad befindliches Ventil, das so betätigt werden kann, ■ daß die Abblasleitung geschlossen wird.

Anhand der Zeichnung, die eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Gasstrom/Druckabfall-Charakteristik von gasdurchlässigem blattförmigem Material wie Zigarettenpapier darstellt, wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert.

Ein Einspannkopf 1 dient zum Halten einer Probe von Zigarettenpapier, die quer über einen Gasströmungskanal von bestimmtem Querschnitt gehalten wird. Ferner ist eine Luftpumpe 2 vorhanden, die Luft durch die im Einspannkopf 1 gehaltene Probe saugt. Die Luft strömt vom Einspannkopf 1 durch eine Leitung 3, dann durch eine oder mehrere aus einer Gruppe von Konstantströmungsvorrichtungen C₁ - C_g, die zueinander paral-. IeI angeordnet sind, und schließlich durch eine Leitung 5 zur Pumpe 2. Unmittelbar stromab vom Einspannkopf 1 ist in die Leitung 3 ein Druckfühler eines Druckwandlers 8 und ein Plattenströmungselement 9, an das ein Druckwandler 10 angeschlossen ist, eingefügt. Das Element 9 und der Druckwandler 10 ermöglichen eine genaue Messung der Luftströmung innerhalb einer Spanne von 1 bis 10 Liter/Minute.

Die Konstantströmungseinrichtungen C₁ - C_ß dienen dazu, den Luftstrom auf Nennströmungswerte von 1, 2, 4, 8, 16 bzw. 32 Liter/Minute zu begrenzen. Jeder Konstantströmungsvorrichtung ist ein Magnetventil V₁ - V, zugeordnet.

Von der Leitung 3 zweigt eine Leitung 4 ab, die zu drei parallel liegenden Ventilen B₁, B₂ und B₃ führt. Die Leitung 4 wirkt bei öffnen des Ventils B₁ als Bypass zum Ventil V.J. Wird das Ventil B₃ geöffnet, so wird über die Leitung 4 das Ventil V_ umgangen, und wenn Ventil B_ geöffnet ist, wird über die Leitung 4 eine Umgehung zum Ventil V^ hergestellt. In die Leitung 4 ist zwischen Leitung 3 und die Ventile B₁ - B^ ein Luftströmungswiderstand 6 von bestimmten) Wert eingesetzt, der zweckmäßigerweise einen Druck-

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abfall von 75 nun Wassersäule bei einem Strömungsdurchsatz von 1 Liter/Minute haben kann. Von der Leitung 4 zweigt an einer Stelle zwischen dem Strömungswiderstand 6 und den Ventilen B₁ - B_ eine Zuluftleitung 11 ab, in der sich ein Strömungswiderstand 12 befindet, dessen Widerstandswert zweckmäßigerweise etwa 25 mm Wassersäule bei 1 Liter/Minute Luftdurchsatz beträgt, wobei in der Zuluftleitung ein Ventil B. vorgesehen ist. Schließlich ist in die Leitung 4 zwischen ihrem Anschluß an die Leitung 3 und dem Strömungswiderstand 6 ein Plattenströmungselement 13 eingefügt, dem ein Druckwandler 14 parallel liegt. Das Element 13 und der Druckwandler 14 ermöglichen eine genaue Messung der Luftströmungswerte innerhalb einer Spanne von 0 bis 2 Liter/Minute.

Zur gesamten Einrichtung gehört eine Steuerung in Gestalt eines Mikroprozessors 15, der mit den Druckwandlern 8, 10 und 14 in Verbindung steht und von diesen Druckanzeigesignale erhält. Die elektrischen Verbindungen sind in der Zeichnung gestrichelt dargestellt. Der Mikroprozessor steht ausserdem in Wirkverbindung mit den Ventilen V> - V_fi und B₁ B₄. Er ist so programmiert, daß in einer Bestimmungsroutine zuerst die Ventile B₁ und B- geöffnet werden, während sämtliche Ventile V₁ - V_ß geschlossen sind. Luft strömt dann über die Konstantströmungseinrichtung C₁, die auf 1 Liter/ Minute bemessen ist, zur Pumpe 2. Ein proportionaler Anteil dieser Luft wird durch die Papierprobe im Einspannkopf 1 und durch die Leitungen 3 und 4 sowie das geöffnete Ventil B₁ gesaugt, während der übrige Teil über die Leitung 11 zuströmt. Die durch das Papier hindurchgezogene Strömungsmenge ist folglich kleiner als 1 Liter/Minute. Strömungsund Druckabfallwerte von den Wandlern 14 und 8 werden vom Mikroprozessor 15 aufgezeichnet, der danach das Ventil B^ schließt und das Ventil B₃ öffnet, so daß die Vorrichtung C„ als Begrenzer für dio Gesamtströmungsmenge von nunmehr 2 Liter/Minute dient, woraufhin ein weiteres Wertepaar von

Strömung und Druckabfall aufgezeichnet wird. Die Konstantströinungsvorrichtung C, wird dann in die Strömungsbahn, die mit dem Einspannkopf 1 in Verbindung steht, anstelle der Vorrichtung C« eingeschaltet, indem das Ventil B~ geschlossen und das Ventil B-. geöffnet werden, so daß ein weiteres Wertepaar aufgenommen wird. Wenngleich die Vorrichtung C, so bemessen ist, daß 4 Liter/Minute durchströmen, kann die durch die Papierprobe gezogene Strömungsmenge weniger als 1 Liter/Minute betragen. Aus diesen drei Wertepaaren von Druck und Strömungsmenge berechnet der Mikroprozessor 15 einen zu erwartenden Druckabfallwert für die Materialprobe für den Nominalströmungswert der Konstantströmungsvorrichtung C₁/ d.h. für die Konstantströmungsvorrichtung mit dem . niedrigsten nominellen Strömungsmengenwert. Dieser geschätzte Druckwert wird dann mit einem vorgewählten oberen Grenzdruckwert verglichen. Wenn der geschätzte Druckwert den Grenzwert übersteigt, ist die Bestimmungsroutine beendet. Wenn jedoch der zu erwartende Wert nicht über den Grenzwert hinausgeht, werden die Ventile B^ und B. geschlossen, so daß nun alle vier Ventile B. - B₄ geschlossen sind, und das Ventil V₁ wird geöffnet, so daß der Einspannkopf 1 über die Konstantströmungsvorrichtung B₁ mit der Luftpumpe 2 verbunden ist. Der Druck- und Strömungsmengenwert werden dann aus den Signalen bestimmt, die der Mikroprozessor 15 von den Druckwandlern 8 und 10 erhält.

Die Programmierung des Mikroprozessors 15 ist derart, daß die Ventile V₁ bis V_ß in wechselnder Folge geöffnet und geschlossen werden, um eine stufenweise Erhöhung der nominellen Strömungsmengenwerte zu bekommen und Paare von Druckabfallwerten und wirklichen Strömungsmengenwerten für jeden nominellen Strömungsmengenwert zu bekommen. Der Mikroprozessor 15 fährt jedoch nicht fort, den nächsthöheren nominellen Strömungsmengenwert in der Folge herbeizuführen, ehe nicht eine Abschätzungsberechnung vorgenommen wor-

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den ist, mit der ein Schätzwert des Druckabfalls gewonnen wird, der der nächsthöheren nominellen Strömungsmenge entspricht und dieser Wert ergibt, daß er nicht über dem Grenzwert liegt. Wenn ein derartig abgeschätzter Druckabfallwert den Grenzwert übersteigt, wird die Bestimmungsroutine abgebrochen. Auf diese Weise sind die Druckwandler 8, 10 und 14 dagegen geschützt, daß sie mit Drücken über dem Grenzwert oder wesentlich darüber beaufschlagt werden.

Die Zahl der Wertepaare von Druckabfall und Strömungsmenge, die für die Abschätzungsberechnung erreichbar sind, steigt an mit Fortschreiten durch die nominellen Strömungsmengenfolgen, und damit werden die Abschätzungen immer genauer.

Der Mikroprozessor 15 kann mit einer (nicht gezeigten) graphischen Anzeigevorrichtung verbunden sein, die eine Darstellung der Luftströmungs/Druckabfall-Kurve der Blattprobe wiedergeben kann.

Claims

36 560/1 BRITISH-AMERICAN TOBACCO COMPANY LIMITED London / Großbritannien 5 Automatische Bestimmungseinrichtung für die Gasströmungs/ Druckabfall-Charakteristik eines gasdurchlässigen Materials 10 Patentansprüche

1.) Einrichtung zum Bestimmen der Gasströmungs/Druckabfall-Charakteristik eines gasdurchlässigen Materials, g-e kennzeichnet durch Einspannmittel (1), die eine Probe des Materials über dem Querschnitt eines Gasströmungskanals halten, Gasströmungsmittel (2), die einen Gasstrom durch den Kanal und die Materialprobe in der Einspannvorrichtung (1) ziehen, Druckanzeigemittel (9), die den Gasdruckabfall an der Probe erfassen, und Strömungsmengenanzeigemittel (19), die die durch die Probe hindurchtretende Strömungsmenge erfassen, wobei die Gasströmungsmittel eine Konstantstromeinrichtung (C. C,) und zwischen die Konstantstromeinrichtung und die Einspannvorrichtung (1) eingefügte Ventile (V- - V,) aufweisen, die so betätigbar sind, daß der Gasstrom durch die Konctantstromvorrichtungen (C₁ - C_r) unterbrochen werden kann, und

I b

Bypass-Einrichtungen, durch die der Abschnitt des Gasströmungsweges zwischen den Konstantstromvorrichtungen (C- - C,) und den Ventilen (V. - v_c) mit dem Abschnitt zwischen den

ι b

Ventilen (V₁ - V_ß) und der Einspannvorrichtung verbindbar ist, um die Ventile (V. - V,-) zu umgehen, wobei die Bypass-Einrichtung eine Zuluftleitung (11) und Ventile (B. - B₄) zum

Verschließen des Bypasses einschließlich der Zuluftleitung
(11) aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Zuluftanschluß (11) sich in einer Abzweigleitung
befindet, die von dem Abschnitt der Strömungsbahn der Bypasseinrichtung abzweigt, der die Ventile (V- - V_ß) der Gas-Strömungsvorrichtungen (C₁ - C,-) umgeht.

3. Einrichtung nach Anspruch 2,
. dadurch gekennzeichnet,
daß im Zuluftabzweig ein Ventil (B^) enthalten ist,

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,

daß mehrere Konstantstromvorrichtungen (C₁ - C_g) mit unterschiedlichen Strömungsmengenwerten zueinander parallel liegen.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, ?.

dadurch gekennzeichnet, |

daß die Bypass-Einrichtung mehreren Konstantstromvorrichtun- f

gen (C₁ - C₃) zugeordnet ist. f

[

6. Einrichtung nach Anspruch 5, |

dadurch gekennzeichnet, ' !

daß die Bypass-Einrichtung gleichzeitig mit mehreren der | Konstantströmungsvorrichtungen (C₁ - C^) verbindbar ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Bypass-Einrichtung mehrere parallel liegende Bypass-Ventile (B₁ - B₃) aufweist, von denen je eines jeweils einer der Konstantströmungsvorrichtungen (C₁ - C^) zugeordnet ist und die wahlweise verschließbar sind=

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

daß in der Bypass-Einrichtung zwischen der Zuluftleitung (11) und der Verbindung zum Hauptströmungspfad ein Strömungswiderstand (12) eingefügt ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

daß ein weiterer Luftströmungswiderstand (6) in der Bypass-Einrichtung zwischen ihrer Verbindung mit den Gasströmungsmitteln zwischen den Ventilen (V₁ - V_fi) und der Einspannvorrichtung (1) und der Verbindung des Abzweigströmungspfades eingefügt ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,

daß ein Plattenströmungselement (13) mit parallel liegendem Druckwandler (14) in die Bypass-Einrichtung zwischen ihrem Anschluß zwischen den Ventilen (V. - V_g) und der Einspann-Vorrichtung (1) und dem weiteren Strömungswiderstand (6) eingefügt ist.

11. Einrichtung nach den Ansprüchen 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,

daß die Luftströmungswiderstände (6, 12) bestimmte feste Werte haben.