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GERAT ZUR MESSUNG DER DISPERSEN ZUSAMMENSETZUNG VON PULVERN
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Die Erfindung bezieht sich auf Mittel zur Analyse pulverförmiger Stoffe
und betrifft insbesondere Meßgeräte für eine disperse Zusammensetzung von Pulvern.
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Die Erfindung kann zur Analyse einer dispersen Zusammensetzung von
Mikropulvern in einer Größenordnung von 63 bis 0,5 hirn, beispielsweise in der medizinischen
und chemischen Industrie, bei der Parfümerieerzeugung sowie bei Produktion und Verbrauch
von Stoffen wie Talk, Kaolin, Kreide, Quarz, Glimmer, Porzellan, Zement, Schleifstoffen,
verwendet werden.
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Es sind Einrichtungen zur Untersuchung von physikalischen Eigenschaften
industrieller Aerosole und pulverförmiger Stoffe bekannt, deren Wirkungsweise auf
einer vorherigen Elektrisierung von Teilchen mit anschließender Verarbeitung von
bei der Messung der Teilchenladungen erhaltenen elektrischen Signalen (siehe z.B.
den SU-Urheberschein 372483, Klasse G 01N15/02, 1973; die US-Patentschrift 3718029,
Klasse 73/28, 1973) beruht.
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Die Einrichtung enthält eine zur Erzeugung eines Stroms suspendierter
Teilchen vorgesehene Gasleitung, eine Ladeeinrichtung in Form einer Elektrode, die
eine Koronaentladung bildet, bei der die Teilchen eine zu deren Flächeninhalt proportionale
Ladung erhalten, und eine Einrichtung zur Messung der Gesamtladung der Teilchen.
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Von Nachteil ist bei der genannten Einrichtung die Tatsache, daß sie
im wesentlichen zur Messung lediglich der Konzentration von in einer Volumeneinheit
enthaltenen industriellen
Aerosolen und pulverförmigen Stoffen bestimmt
ist. Der Einsatz der gegebenen Einrichtung zur Analyse einer dispersen Zusammensetzung
ist äußerst schwierig.
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Außerdem wird die Analyse der dispersen Zusammensetzung des Pulvers
in den bekannten Einrichtungen im Laufe von einigen Stunden bis zu einigen Tagen
durchgeführt, was den technologischen Prozeß wesentlich erschwert, für dessen Ablauf
die gegebene Analyse durchgeführt wird.
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Es ist eine Einrichtung zur Messung der Fraktionszusammensetzung von
Pulvern bekannt, die eine Vorrichtung zur Umwandlung von Pulver in einen gasförmigen
Strom einzelner Teilchen (Zerstäuber einer Pulverprobe), einen an diese angeschlossenen
Eintrittsstutzen mit einem Feinrohr zur Ausbildung eines Aerosolstrahls und ein
Filter zur Gasreinigung und zur Laminarhaltung des Stroms enthält.
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Die Einrichtung enthält auch eine mit dem Eintrittsstutzen kommunizierende
Ladekammer, einen in Form eines Rohres mit U-förmigem Querschnitt ausgeführten Verflüssiger
und eine Einrichtung zur Messung der Gesamtladung einzelner Fraktionen. Diese Einrichtung
weist ihrerseits Induktionsgeber geladener Teilchen nach der Anzahl der Fraktionen,
die je in einer Abscheiderplatte des Verflüssigers angeordnet sind, und einen elektrometrischen
Verstärker auf, an dessen Eingang d e genannten Induktionsgeber angeschlossen sind.
Am Ausgang des Verstärkers tritt eine Impulsfolge auf, die eine disperse Zusammensetzung
des zu untersuchenden Pulvers (siehe z.B. den SU-Urheberschein 530229, Klasse G01N15/00,1977)
charakterisiert. Die bekannte Einrichtung verfügt auch über ein Luftgebläse, eine
Baugruppe zur Neutralisation statischer Ladungen und über Hochvolt-Speisequellen
der Ladekammer und des Verflüssigers.
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Die entnommene Probe des zu untersuchenden Pulvers wird in einen gasförmigen
Strom einzelner Teilchen verwandelt und durch das Feinrohr des Eintrittsstutzens
in Form eines Aerosolstrahls in die Ladekammer geleitet. In der Ladekammer mit einer
unipolaren Raumladung werden die Teilchen aufgeladen, wobei die gleich großen Teilchen
gleiche Ladungen bekommen. Im weiteren kommt der Strom der geladenen Teilchen in
den Verflüssiger, in dem unter der Rraftwirkung des elektrostatischen Feldes die
disperse Phase des Aerosols räumlich in Fraktionen geteilt wird, die sich in verschiedenen
Abständen von der Eintrittsstelle des Stroms im Verflüssiger absetzen. Durch die
Geber werden Signale bestimmt, die jeweils der die Teilchengröße charakterisierenden
Ladungsgröße der Teilchen der gegebenen Fraktion entsprechen. Diese Signale gelangen
in den elektrometrischen Verstärker, an dessen Ausgang eine Impulsreihe registriert
wird, die eine disperse Zusammensetzung des zu untersuchenden Pulvers charakterisiert.
Nach der Signalaufzeichnung erfolgen eine Entstaubung und eine Neutralisation statischer
Ladungen.
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Ein Nachteil der betreffenden Einrichtung liegt darin, daß ein unmittelbarer
Anschluß der Induktionsgeber an den elektrometrischen Verstärker einen beträchtlichen
Verlust der eine Information über die gegebene Fraktion enthaltenden Ladung durch
den Induktionsgeber. bewirkt.
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Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Grundbedingung nicht eingehalten
wird, nach der die Meßzeit t für die disperse Zusammensetzung weit unterhalb der
Zeitkonstante X des Induktionsgebers liegen soll, während der Wert der Gesamtladung
der Teilchen ohne Anderung bleibt, also t << « T ist. Da die Zeitkonstante
des Induktionsgebers durch die Beziehung T = RC definiert ist, wobei R einen Eingangswiderstand
des Verstärkers, C eine Kapazität des Gebers bedeutet,
ist es offensichtlich,
daß der erforderliche Wert der Zeitkonstante X des Induktionsgebers nur durch Kombination
der zwei Parameter R und C erhalten werden kann.
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In der Regel beträgt die Meßzeit t für die disperse Zusammensetzung
bei den meisten Einrichtungen dieser Art mehr als 100 s. Der Kapazitätswert des
Gebers wird aus der Be-Q ziehung U = Q errechnet, worin Q die Gesamtladung der Teilc
chen einer Fraktion ist. Zur Erzielung des erforderlichen Pegels der dem Geber entnommenen
Spannung U darf dessen Kapazitätswert C 100 pG nicht überschreiten.
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Zur Einhaltung der Bedingung t <c « Tist es nötig, daß der 13 Eingangswiderstand
R des Verstärkers oberhalb von 10 Ohm liegt. Ein derartiger Eingangswiderstand R
ist bei unmittelbarer Kopplung des Induktionsgebers an den elektrometrischen Verstärker
unmöglich zu erzielen, da die verfügbaren Verstärker einen Eingangswiderstand von
nicht über 109 Ohm besitzen, so daß die Bedingung t << « Tnicht eingehalten
werden kann. Im Endergebnis tritt ein erheblicher Fehler im Meßvorgang für die disperse
Zusammensetzung auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Messung der
dispersen Zusammensetzung von Pulvern zu schaffen, das es gestattet, die Genauigkeit
der Durchführung der Analyse der dispersen Zusammensetzung der Pulver unter gleichzeitiger
erheblicher Verkürzung der Zeit für deren Durchführung zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in dem Gerät zur Messung der
dispersen Zusammensetzung von Pulvern, das eine Einrichtung zur Umwandlung von Pulper
in einen gasförmigen Strom einzelner Teilchen, eine mit dieser kommunizierende Ladekammer,
in der jedes Teilchen eine dessen Flächeninhalt proportionale Ladung erhält, einen
Verflüssiger, in den ein Strom geladener Teilchen gelangt, der in diesem in verschie-
dene
Fraktionen nach der Teilchengröße getrennt wird, eine Einrichtung zur Messung der
Gesamtladung einzelner Fraktionen, die über Geber geladener Teilchen nach der Anzahl
der Fraktionen verfügt,. die in der Abscheiderplatte des Verflüssigers angeordnet
und an einen elektrometrischen Verstärker angeschlossen sind, an dessen Ausgang
eine Impulsfolge auftritt, die eine disperse Zusammensetzung des zu untersuchenden
Pulvers charakterisiert, enthält, gemäß der Erfindung die Einrichtung zur Messung
der Gesamtladung einzelner Fraktionen Umschaltvorrichtungen aufweist, die je ein
Herkonrelais enthalten, deren Eingänge an die Ausgänge der jeweiligen Geber geladener
Teilchen angeschlossen sind und über diese Geber an den Eingang des elektrometrischen
Verstärkers gekoppelt sind.
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Es ist zweckmäßig, daß jedes Herkonrelais gegen äußere Einflüsse isoliert
ist, weshalb es innerhalb einer Metallhülse koaxial angeordnet ist, an der eine
Steuerwicklung für das Herkonrelais angeordnet ist, und dessen Anschlüsse in zwei
Isolationsscheiben koaxial befestigt sind, die je an einer Stirnfläche der Metallhülse
angeordnet sind.
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Die Isolationsscheiben können in den Aus bohrungen von an der Metallhülse
ausgeführten Flanschen angeordnet werden, während eine luftdichte Verbindung der
Isolationsscheiben durch in den Ausbohrungen der Flansche ausgeführte Ansätze zustande
kommt, an die die Isolationsscheiben mit Hilfe von Muttern dicht angedrückt sind.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein Strukturbild eines erfindungsgemäßen
Meßgeräts für eine disperse Zusammensetzung, Fig. 2 die eine der erfindungsgemäßen
Umschaltvorrichtungen.
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Das Gerät zur Messung der dispersen Zusammensetzung von Pulvern enthält
eine Einrichtung 1 (Fig. 1) zur Umwandlung von Pulver in einen gasförmigen Strom
einzelner Teilchen, uril eine mit diesem kommunizierende Ladekammer 2, in der jedes
Pulverteilchen eine dessen Flächeninhalt proportionale Ladung erhält. Die Ladekammer
2 ist in bekannter Weise ausgeführt und enthält z.B. zwei Gruppen zur Koronaentladung
und eine Ladegruppe. An der Ladekammer 2 liegt ein elektrostatisches Filter 3 zur
Luftreinigung und zur Laminarhaltung des Luftstroms an, mit dem ein Verflüssiger
4 kommuniziert, in den der Strom geladener Teilchen gelangt.
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Das Gerät weist auch eine Einrichtung 5 zur Messung der Gesamtladung
einzelner Fraktionen auf, die ihrerseits Geber 6 (Fig. 2) geladener Teilchen, Umschaltvorrichtungen
7 (Fig. 1) und einen elektrometrischen Verstärker 8 enthält. Die Anzahl der Geber
6 (Fig. 2) ist gleich der Anzahl der Fraktionen, in die der Strom geladener Teilchen
getrennt wird, und jeder Geber 6 liegt in einer Abscheiderplatte 9 (Fig. 2) des
Verflüssigers 4 (Fig. 1). Der Ausgang.jedes Gebers 6 ist an einen Anschluß der ihm
zugeordneten Umschaltvorrichtung 7 gelegt, deren anderer Anschluß am Eingang des
elektrometrischen Verstärkers 8 anliegt. Jeder Geber 6 geladener Teilchen ist also
an den Eingang des elektrometrischen Verstärkers 8 über die jeweilige Umschaltvorrichtung
7 angeschlossen.
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Das Gerät beinhaltet außerdem ein Luftgebläse 10, das für einen Durchfluß
des Stroms der einzelnen Pulverteilchen durch die Ladekammer 2, den Filter 3 und
den Verflüssiger 4, eine Einrichtung zur Neutralisation statischer Ladungen im Verflüssiger
4 und Hochvolt-Speisequellen 12, 13 der Ladekammer 2 bzw. des Verflüssigers 4 sorgt.
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Die Einrichtung 1 zur Umwandlung von Pulver in einen gasförmigen
Strom
einzelner Teilchen enthält einen Pulverzerstäuber 14 und ein Mittel 15 für die Luftzufuhr,
das gleichzeitig die Luft in eine Einrichtung 11 zur Neutralisation statischer Ladungen
einpreßt.
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In Fig. 1 ist auch eine Speisequelle 16 der Einrichtung 11 dargestellt.
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Fig. 2 zeigt eine Umschaltvorrichtung, die ein Herkonrelais 17 aufweist,
das zur Elimination der äußeren Einflüsse innerhalb einer Metallhülse 18 koaxial
angeordnet ist. An der Hülse 18 ist eine Steuerwicklung 19 für das Herkonrelais
17 angeordnet, dessen Anschlüsse 20 mit Hilfe von Buchsen 21 in Isolationsscheiben
22 koaxial angeordnet sind.
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Die Scheiben 22 liegen an den Stirnflächen der Metallhülse 18. Eine
luftdichte Verbindung der Isolationsscheiben 22 mit der Metallhülse 18 kommt mit
Hilfe von Ansätzen 23 zustande, die in den Ausbohrungen von Flanschen 24 der Metallhülse
18 ausgeführt sind, an die die Isolationsscheiben 22 mit Hilfe von Muttern 25 dicht
angedrückt sind. Die Umschalteinrichtung 7 und die Induktionsgeber 6 sind in einem
Becher 26 koaxial angeordnet, während der elektrische Kontakt zwischen ihnen mit
Hilfe eines Metallbolzens 27 und einer elektrisch leitenden Verbindung 28 realisiert
wird. Der Bolzen 27- und die Verbindung 28 sind in der Mitte einer Isolationsscheibe
29 befestigt, die im Becher 26 zwischen der Umschalteinrichtung 7 und dem Induktionsgeber
6 koaxial angeordnet ist.
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Der Grund des Bechers 26 ist in Form eines Deckels 30 mit einem Gewinde
ausgeführt, der es gestattet, den Wert einer zwischen der Ebene des Gebers 6 und
dem Grund des Bechers erzeugten Kapazität zu wählen. Der Becher 26 ist an der Abscheiderplatte
9 des Verflüssigers 4 mit Hilfe eines Hohlzylinders 31 befestigt.
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Der Verflüssiger 4 weist außer der Abscheiderplatte 9 eine Hochspannungselektrode
32 auf, die an einer Isolationsplatte 33 mittels einer Schraube 34 und einer Mutter
35 starr befestigt ist. Die Abscheiderplatte 9 liegt in einiger Entfernung von der
Hochspannungselektrode 32 zur Schaffung eines Weges für den Durchgang eines Stroms
von geladenen Teilchen.
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Auf der Platte 9 scheiden sich die geladenen Teilchen des zu untersuchenden
Pulvers ab, und sie ist von der Hochspannungselektrode 32 durch Isolationsplatten
36 abgetrennt.
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Die Einrichtung wirkt wie folgt: Eine Probe des zu analysierenden
Pulvers wird in den Zerstäuber 14 geschüttet, das durch das Luftgebläse 15 in einen
in die Ladekammer 2 geleiteten gasförmigen Strom der Teilchen verwandelt wird.
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In der Ladekammer 2 erfolgt eine Koronaentladung, die durch die Quelle
13 ausgelöst wird, weshalb die Teilchen hohe unipolare Ladungen gewinnen, die zum
Flächeninhalt der Teilchen (genaugenommen zu deren Durchmesser quadratisch) proportional
sind. Zugleich wird der Strahl des Stroms erweitert. Von der : Ladekammer 2 wi.rd
der Strom der geladenen Teilchen durch das Luftgebläse 10 in den Verflüssiger 4
geleitet, an dessen Eintritt ein elektrostatisches Filter 3 liegt, das die Eingangskoordinate
der geladenen Teilchen im Verflüssiger 4 festhält.
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Im Verflüssiger 4 werden die Teilchen unter der Kraftwirkung des elektrostatischen
Feldes, hervorgerufen durch die Quelle 12, nach Fraktionen räumlich getrennt und
auf verschiedenen Abschnitten der Abscheiderplatte 9 abgesetzt, in deren Mitte die
Induktionsgeber 6 zur Erfassung der Induktion jeder Fraktion angeordnet sind.
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Solange die Ladungen auf den Induktionsgebern 6 abgeschieden
und
gespeichert werden, sind sie vom elektrometrischen Verstärker 8 abgeschaltet. Die
gespeicherte Gesamtladung Q enthält eine Information über die Menge der Teilchen
der betreffenden Fraktion, denn Q = nq, wobei n eine Anzahl der Teilchen der Fraktion,
q die Ladung eines Teilchens bezeichnet.
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Hierbei bleibt die Größe der gespeicherten Ladung nach der Abscheidung
der betreffenden Fraktion.im Laufe des gesamten Meßvorgangs unverändert. Nach Beendigung
der Einteilung des Stroms in Fraktionen werden die Induktionsgeber 6 durch die Umschaltvorrichtung
7 an den Eingang des elektrometrischen Verstärkers 8 abwechselnd angeschaltet, wobei
die gespeicherte Ladung vom Induktionsgeber 6 abfließt, was am Ausgang des Verstärkers
8 einen Spannungsimpuls erscheinen läßt, dessen Amplitude mit der Anzahl der in
der gegebenen Fraktion enthaltenen Teilchen genau übereinstimmt.
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Die Ableitung der Ladungen von den Gebern 6 wird verhindert, indem
die Isolationsscheiben 22.durch Lötung 25 an die Flansche 24 der Metallhülse 18
mit Hilfe eines an der Berührungsstelle der Scheibe 22 mit dem Flansch der Hülse
18 liegenden kegelförmigen Ansatzes 23 luftdicht angedrückt werden.
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Nach der Messung weiden die statischen Ladungen durch die Einrichtung
11 neutralisiert, die vom Luftgebläse 15 und der Quelle 16 gespeist wird.
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Die Anwendung der gegen die äußeren Einflüsse isolierten Umschaltvorrichtung
gestattet es, die Meßgenauigkeit und -die Zuverlässigkeit des Geräts erheblich zu
erhöhen, den Bereich der zu messenden Ladungen zu vergrößern, die Zeit zur Analyse
der dispersen Zusammensetzung der Pulver zu reduzieren sowie Geräte zur Analyse
der dispersen Zusammensetzung
der PuLver zu schaffen, die nicht
nur im Labor, sondern auch im Produktionsmaßstab arbeiten.