DE4004699A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der groessenverteilung von feststoffpartikeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Größenverteilung von Feststoffpartikeln, wie gemahlenen Kaffeekörnern, insbesondere zur Einstellung eines Mahlgra­ des sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung der Größenver­ teilung von Feststoffpartikeln, wie gemahlenen Kaffeekörnern, insbesondere zur Einstellung des Mahlgrades.

Geröstete Kaffeekörner werden in Walzenmühlen gemahlen, die bis zu vier Tonnen Kaffe pro Stunde verarbeiten. Es sind durch die Veränderung des Abstandes der Walzen verschiedene Mahlgrade je nach Verwendungszweck des Kaffees möglich. So werden türkisch-feine, Espresso-, filterfeine und Kok-Mahlung usw. unterschieden. Die mit dem Wasser aus einem Kaffeekorn herauslösbare Menge an Geschmacksstoffen sowie deren relati­ ver Anteil ist von der benetzten Oberfläche des Korns ab­ hängig. Da mit kleiner werdendem Durchmesser der Körner das Verhältnis der Oberfläche zum Volumen zunimmt, tragen die kleinsten Körner den größten Anteil am Geschmack bei. Die größeren Körner lockern dagegen das Kaffeepulver und machen es für Wasser mehr oder minder durchlässig, so daß das Wasser zu den kleineren Kaffeekörnern geleitet wird. Für die ver­ schiedenen Kaffeesorten wurde eine optimale Korngröße und deren Verteilung empirisch ermittelt. Sie gilt als Maß für die Qualität der Kaffeemahlung und wird während des Mahlvor­ gangs in regelmäßigen Abständen überprüft, um gegebenenfalls das Mahlwerk anzupassen. Dies geschieht bisher in Form einer Laboranalyse. Hierbei werden beispielsweise die Kaffeeteil­ chen in Größenfraktionen mit Siebgeräten und Sieben unter­ schiedlicher Maschenweiten, beispielsweise im Bereich von 0,04 bis zu 1 mm separiert und der Gewichtsanteil der einzel­ nen Fraktionen bestimmt. Eine solche Untersuchung kann bis zu zwei Stunden Zeit in Anspruch nehmen.

Es ist weiterhin bekannt, Partikelgrößen mittels eines Laser­ beugungsspektrometers zu bestimmen, dieses arbeitet aber nur in einem Bereich bis ca. 600 µm und kann daher keine Aussage über Partikel mit Verteilung bis zu größeren Werten machen. Schließlich ist noch die Sedimentation von Partikeln in Flüssig­ keit zur Bestimmung der Verteilung bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das in einfacher Weise eine Größenverteilungsbe­ stimmung über einen großen Meßbereich, insbesondere bis zu Partikelgrößen über 1 mm hin erlaubt.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art dadurch gelöst, daß die Feststoffpar­ tikel in einem Luftstrom dispergiert werden, daß die Partikel­ strömung mittels einer Kamera betrachtet wird, daß die Größe des einzelnen Partikels durch die von ihm überdeckte Pixel­ zahl der Kamera bestimmt und die einzelnen gewonnenen Parti­ kelgrößen statistisch ausgewertet werden. Eine erfindungsge­ mäße Vorrichtung zur Lösung der Aufgabe zeichnet sich aus durch eine Dosier- und eine Dispergiereinrichtung, durch eine Detektionsanordnung mit einer Beleuchtungseinrichtung und einer Kamera, sowie durch eine der Kamera nachgeordneten Aus­ werteanordnung.

Die Messung kann grundsätzlich in Echt-Zeit durchgeführt werden. Da eine Nachführung, beispielsweise der Mahlwalzen des Mahlwerks aufgrund der Meßergebnisse gewünscht wird, dennoch eine instan­ tane Regelung erforderlich ist, sieht die Erfindung in bevor­ zugter Ausgestaltung vor, daß die Feststoffpartikel als reprä­ sentative Teilmengen der Gesamtmenge in den Luftstrom zur Dis­ persion eingegeben werden. Hierdurch kann der apparative Aufwand wesentlich eingeschränkt werden; insbesondere können Speicher begrenzter Kapazität und damit preiswerte Speicher benutzt werden. Die statistische Auswertung könnte grundsätzlich derart vorgenommen werden, daß die einzelnen Meßdaten, sobald sie eingehen, berechnet werden; in äußerst bevorzugter Ausgestaltung ist aber vorgesehen, daß die gewonnenen Partikelgrößen zwischen­ gespeichert werden.

Weiterbildungen sehen vor, daß während der durch ein Teilchen bedingten, von der Kamera aufgenommenen Helligkeitsveränderung und der Zeit, während die Kamera aktiv ist, ein Taktsignal gezählt wird und daß bei der das Ende eines Teilchens anzei­ genden Helligkeitsveränderung der Zählvorgang abgebrochen, der erreichte Zählwert zwischengespeichert und der Speicher­ platz für den nächsten Zählwert angesprochen wird, wobei ins­ besondere vorgesehen ist, daß die zwischengespeicherten Teil­ chengrößenwerte nach einer vorgegebenen Größe, wie Zeit oder gezählte Teilchenzahlung, aus dem Speicher ausgelesen und weiterverarbeitet werden.

Die Auswertung der gemessenen und gespeicherten Zwischendaten erfolgt in bevorzugter Ausbildung derart, daß die gemessenen Teilchengrößen in für Größenbereiche repräsentative Klassen unterteilt werden und daß Anzahl- und Gewichtsprozente der Teilchen bestimmt werden.

Um eine chargenweise Messung zu ermöglichen sieht die vorrich­ tungsmäßige Ausgestaltung der Erfindung insbesondere vor, daß die Dosiereinrichtung einen Kanal aufweist, der von einer Do­ sierkammereinrichtung durchkreuzt ist, deren Dosierkammer in einer ersten Stellung mit dem Kanal fluchtet und in einer zweiten Stellung gegenüber diesem abgesperrt, aber zu einer Einfüllöffnung hin geöffnet ist. Da es wünschenswert ist, daß die Teilchen, deren Größenverteilung zu untersuchen ist, mög­ lichst gut dispergiert sind, ist in bevorzugter Ausgestaltung weiterhin vorgesehen, daß die Dispergiereinrichtung ein Zu­ führrohr für die Feststoffpartikel aufweist, welches an sei­ ner Austrittsöffnung von einem Ringkanal umgeben ist, durch den Dispergierluft zuführbar ist. Die Dispersion kann wei­ terhin dadurch unterstützt werden, daß im Strömungsweg der Feststoffpartikel Schikanen angeordnet sind, wobei insbeson­ dere die Schikanen zur Strömungsachse der Feststoffpartikel einen Winkel von etwa 40° einschließen.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß vor der Meßeinrichtung ein Fallschacht angeordnet ist, in den die Feststoffpartikel frei fallen und daß die lichte Weite des Fallschachts in Betrach­ tungsrichtung der Kamera einem vorbestimmten tiefen Bereich der Beobachtungsanordnung entspricht, wobei das Fallrohr ins­ besondere zum die Teilchen in dieses einblasenden Einblasrohr ebenfalls unter einem Winkel von etwa 40° angeordnet ist.

Die Beobachtungseinrichtung ist bei den Teilchen derart aus­ gebildet, daß die Beleuchtungsanordnung neben einer herkömm­ lichen Lichtquelle eine im Abstand ihres Brennpunktes zur Lichtquelle angeordnete Linsenanordnung aufweist, wobei wei­ terhin vor der Meßzone eine sich quer zur Fallrichtung er­ streckende Schlitzblende angeordnet ist. Durch die Spalt­ blende werden "vagabundierende" Lichtstrahlen abgefangen, die im Randbereich der Linse entstehen und zum Überstrahlen der Vorrichtung bei vorgegebener Kameraauflösung zu vergrößern, weist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung eine Vergrößerungs­ linse auf, die in entsprechendem, sich aus den Abbildungsge­ setzen ergebendem Abstand zwischen Meßbereich und Kamera angeord­ net ist.

Die Kamera ist vorzugsweise eine CCD-Kamera, wobei in äußerst bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen ist, daß die Kamera eine Zeilenkamera ist.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen sehen vor, daß eine kapa­ zitiv gekoppelte Transistorverstärkerschaltung vorgesehen ist und daß ein Komparator mit einer einstellbaren Schwellspannung zur Detektion von Teilchen vorgesehen ist.

Insgesamt wird durch die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen, die eine Bestimmung einer Partikel­ größenverteilung in einem sehr großen Bereich und insbesondere im Bereich von 40 µm bis zu mehreren Millimetern erlaubt. Durch die optische Erfassung mit der bevorzugt vorgesehenen Elektronik soll eine schnelle kontaktlose Erfassung durchgeführt werden. Durch die Abbildung werden die Teilchen nach ihrer geometri­ schen Ausdehnung erfaßt, wobei nur die Messung sogenannter statistischer Durchmesser vorgenommen werden kann, aber die Abweichung als Formfaktor durch Vergleich mit einer herkömm­ lichen Meßmethode erfaßt werden und bei der Größenbestimmung berücksichtigt werden kann. Insbesondere sichert die Erfin­ dung, daß alle Partikel einzeln vorliegen, um Fehlmessungen durch Agglomerate zu vermeiden, indem eine zuverlässige Dis­ pergierung erzielt wird. Dies gilt insbesondere auch für ge­ mahlenen Röstkaffee, die zu mehr oder minder großen Agglome­ rate zusammenbacken. Diese Agglomerate können durch die er­ findungsgemäße Dispergierung aufgelöst werden, bevor das Mahlgut dem Beobachtungsbereich zugeführt wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Aufnahme dispergierter Partikel ge­ mahlenen Kaffees;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der gesam­ ten erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3 eine Darstellung der Dosiereinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 4 eine Darstellung der Dispergiereinrichtung mit anschließendem Fallschacht entsprechend dem Pfeil IV der Fig. 2;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Elektro­ nik der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 6 ein Prinzipschaltbild der Auswerteelektro­ nik der Elektronik der Fig. 5.

In der Fig. 1 ist eine Aufnahme von dispergierten Kaffeeteil­ chen in einer Luftströmung bei einer Aufnahmezeit von einer Mikrosekunde dargestellt, bei der auch die kleinsten Teilchen "eingefroren" sind, also Leuchtspuren durch ihre Bewegung vermieden sind. Aufgabe der Erfindung ist es, die Größenver­ teilung dieser Feststoffpartikel (wie gemahlener Kaffeeteil­ chen) festzustellen, um gegebenenfalls den Mahlgrad eines Kaffees zu dem zu untersuchenden Teilchen mahlenden Mahlwerk zu korrigieren.

Hierzu sieht die Erfindung die Vorrichtung der Fig. 2 vor. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Größen­ verteilung von Feststoffpartikeln weist eine Dosiereinheit 1, eine Dispergier- oder Düseneinheit 2 und einen sich an diese anschließenden Fallschacht, vorzugsweise einen rechteckigen Fallschacht, auf, dessen Querschnittsabmessung parallel zur Strahlrichtung des die Feststoffpartikel beleuchtenden Lichts (hierzu weiter unten) durch die Tiefenschärfe der Abbildungs­ optik bestimmt wird.

Unterhalb des Fallschachtes befindet sich eine Beobachtungs­ anordnung 4, die eine Beleuchtungseinheit 6, einen Meßbereich 7, eine Abbildungsoptik 8, eine Kamera 9, eine Auswerteelektro­ nik 11 sowie gegebenenfalls einen Rechner 12 mit einer Anzeige 13, wie einem Bildschirm, aufweist. Weiterhin können weitere Peripherie-Einheiten vorgesehen sein, wie beispielsweise ein Drucker, um die Ergebnisse der Messung auf Papier festhalten zu können.

Die Dosiereinheit 1 weist einen Förderkanal 21 in Form eines Rohres auf, welches im Preßsitz in einem Montageklotz 22 einsitzt, vorzugsweise unter einem Winkel von 45°. Durch den Zuführkanal 21 erstreckt sich unter einem Relativwinkel von 45° eine Dosierwelle 23, die axial fest, aber drehbar im Dosierklotz 22 gehalten ist, beispielsweise an einem Ende über einem erweiterten Kopf 24 mittels dessen Schultern 26, während die Dosierwelle am gegenüberliegenden Bereich durch eine Unterlegscheibe 27 und einer auf dieser aufsitzenden Sicherungsscheibe 28, beispielsweise in Form eines Ringes gehalten ist, der in einer Umfangsnut 29 der Dosier­ welle 23 eingreift. Die Dosierwelle 23 weist einen größeren Durchmesser als der Kanal 21 auf und ist mit einer sich zu ihrer Achse ebenfalls unter 45° erstreckenden Dosierkammer 31 versehen, die in einer Stellung der Dosierwelle 23 mit einem gestellt). Wird die Dosierwelle 23 aus der Einfüllstellung der Fig. 3 über 180° um ihre Längsachse A in die durch ge­ strichelte Linien 33 angedeutete Stellung verdreht, so fluchtet der Durchbruch 31 mit dem Kanal 21. Das in der Dosier­ kammer 21 befindliche Material kann dann über den Kanal 21 abgesaugt werden, gegebenenfalls unterstützt durch am anderen Ende eingeblasene Druckluft oder Druckgas.

Hierdurch können genaue Mengen der zu untersuchenden Fest­ stoffpartikel entsprechend dem Volumen der Dosierkammer 31 eindosiert werden.

Der Kanal 21 steht, entweder direkt - linear - oder über ein Rohr mit einem Düsenrohr 41 der Dosiereinheit 3 in Verbindung. Das Düsenrohr 41 ragt durch einen Montageblock 42 der Dosierein­ heit 3 in ein Förderrohr 43 mit größerem Durchmesser und ist in seinem Endbereich (bei 44) durch einen Ringkanal 46 umge­ ben, der mit einem Druckgaseinlaß 47 in Verbindung steht, der unter einem endlichen Winkel zum Düsenrohr 41 angeordnet ist. Hinter dem Austrittsende 48 des Düsenrohrs 41 sind Schikanen 49 in dem Förderrohr 43 angeordnet. Die Schikanen 49 sind keilförmig ausgebildet und weisen eine dem Austrittsende 48 des Düsenrohrs 41 zugewandte Schrägfläche 51 auf, die unter einem Winkel von etwa 40° zur Achse von Düsenrohr 41 und Förderrohr 43 verläuft. Es hat sich herausgestellt, daß derartige Schikanen 49 mit dem entsprechenden Flächenwinkel eine optimale Dispersion der Feststoffpartikel im zugeführ­ ten Druckgas, insbesondere Druckluft, gewährleisten.

Der Druckgaseinlaß 47 steht über ein Ventil 52 mit einer Druckgaswelle 53 in Verbindung.

An das freie Ende des Förderrohrs 43 schließt sich der schon erwähnte Fallschacht an. Vorzugsweise wird der Auslaß des Förderrohrs 43 ebenfalls unter einem Winkel von 40° zum Fall­ schacht 3 und damit zur Vertikalen angeordnet, so daß auch beim Übergang der Feststoffpartikel vom Förderkanal 43 zum Fallschacht 3 weiter dispergiert werden. Das Förderrohr 43 mündet in dem Fallschacht 3 mit Abstand zu dessen oberen Stirnseite 3a durch die Wandung des Schachts 3. Die obere Stirnseite 3a des Fallschachts 3 ist offen; hierdurch wird ein Druckabbau in ihm ermöglicht; weiterhin erfolgt eine wei­ tere "Sichtung" oder Vereinzelung der Partikel in Form eines seitlichen Auseinanderziehens des in der Dosiereinheit ein­ dosierten Partikelpakets, wodurch die Untersuchung weiter verbessert wird.

Unterhalb des Fallschachtes ist die Betrachtungsanordnung 4 vorgesehen. Diese weist eine Beleuchtungseinheit 6 mit einer Lichtquelle 61 auf. Die Lichtquelle 61 kann eine Glühlampe sein. Die Lichtquelle 61 ist vorzugsweise im Brennpunkt einer relativ großen Linse 62 angeordnet, die das von der Lichtquelle 61 ausgehende Licht parallelisiert, so daß der Meßbereich 7 durch einen Parallelstrahl 63 des Lichts be­ leuchtet wird.

In den Parallelstrahl 63 ist vor dem Meßbereich 7 eine Schlitzblende angeordnet, deren Schlitz sich senkrecht zur Fallrichtung der Partikel durch das Fallrohr 3 und den Meß­ bereich 7 erstreckt. Auf der der Beleuchtungsanordnung 6 gegenüberliegenden Seite des Meßbereichs 7 ist ebenfalls auf der optischen Achse 65 eine Sammellinse 66 angeordnet, die den Meßbereich vergrößert auf die Zeilenkamera 9 abbildet. Wenn das Vergrößerungsverhältnis, wie vorzugsweise vorgesehen, zwei sein soll, so beträgt das Verhältnis des Abstandes zwi­ schen Meßbereich 7 und Linse 66 zu dem Abstand von Linse 66 zur Kamera 9 1 : 2, wobei aufgrund der Abbildungsgleichung der Abstand zwischen der Linse 64 und dem Meßbereich 7 das 1,5­ fache der Brennweite der Linse 64 beträgt.

Die Kamera 9 ist vorzugsweise eine Zeilenkamera, insbesondere eine CCD-Zeilenkamera. Derartige Kameras werden mit einer Fotozeile von 2.048 Elementen à 13 µm Kantenlänge, also einer Gesamtlänge von etwa 26 mm angeboten. Bei den vorstehend er­ örterten Abbildungsverhältnissen beträgt die von der Zeile empfangene Meßbreite des Meßbereichs 13 mm und die Abbildung bedingt eine Nachweisgrenze von 6,5 µm. Läßt man eine Unschärfe des Bildes von 5 % zu, so ergibt sich bei einer Brennweite von 80 mm eine Unschärfe von ±6 mm zur Scharfebene, also ein gesamter Tiefenschärfenbereich von 12 mm, dem die Breite des Fallrohres in Richtung der optischen Achse entsprechen sollte.

Die Kamera kann grundsätzlich eine Hochgeschwindigkeits(CCD-) kamera sein, bei der aber auch das Bildauswertungssystem eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit haben muß und daher teuer ist. Eine preiswertere Lösung beinhaltet die Verwendung einer Zeilenkamera, wie einer CCD-Zeilenkamera. Hierdurch steht zwar als Größeninformation nur ein Teilchendurchmesser (als Ab­ stand in horizontaler Richtung der Begrenzung der Projektion eines Teilchens auf die Zeilenkamera) zur Verfügung, im Gegen­ satz zu zwei oder mehr Teilchendurchmesser bei einer Flächen­ kamera. Dieser theoretische Informationsverlust hat aber letztendlich aufgrund der statistischen zufälligen räumlichen Orientierung der Teilchen keine praktische Bedeutung.

Eine derartige Zeilenkamera kann mit einer Frequenz von 20 MHz abgetastet werden. Unter Berücksichtigung der Not­ wendigkeit von Taktimpulsen zur Austaktung der gesamten Videoinformation und kamerainternen Weiterverarbeitung er­ gibt sich bei einer Zeile mit 2.048 Pixeln eine minimale Gesamttastdauer der Zeile von 104 Mikrosekunden. Hiermit läßt sich ein weiter Teilchengrößenbereich erfassen, insbe­ sondere ein vorzugsweise gewünschter von 40 µm bis 4000 µm für gemahlene Kaffeeteilchen. Die Partikel können auch während einer schnellen Bewegung sicher erkannt und gemes­ sen werden.

Je nach Einsatzbereichen kann die maximale Taktfrequenz von 20 MHz auch geringer bis beispielsweise 20 kHz heruntergewählt werden. Die Abtastzeit für die gesamte Zeile, die im wesent­ lichen derzeit zwischen zwei Line-Transfer-Impulsen, also den Impulsen, die nach dem Abtasten wieder den Tastbeginn von vorne bedingen, entspricht, bestimmt die Belichtungskamera derzeit. Ist diese groß, so folgt eine hohe Empfindlichkeit, wird sie reduziert, so erhält man ein scharfes Bild einer Bewegung. In diesen Grenzen kann je nach Einsatz ohne weiteres eine Opti­ mierung vorgenommen werden.

Die Zeilenkamera 9 wird von einer Spannungsversorung 71 (Fig. 5) gespeist. Weiterhin ist ihr eine Steuerelektronik 72 mit einem Frequenzgenerator zugeordnet, der einen Master- Clock-Takt (MCLK) von bis zu 20 MHz erzeugt. Das von der Zei­ lenkamera abgegebene Videosignal wird in einer Vorverarbei­ tungseinheit 73 vorverarbeitet und erzeut ein Komparator- Signal, das als Gate-Signal bezeichnet werden kann, welches einer Meßelektronik 74 zugeführt wird, deren Aufbau im ein­ zelnen in der Fig. 6 dargestellt ist. Der Meßelektronik 74 ist ein Mikrorechner nachgeordnet, der die Auswertung der ge­ wonnenen Meßdaten vornimmt und diese zur weiteren Verarbei­ tung, Anzeige, Ausgabe und Endspeicherung über eine seriel­ le Schnittstelle ausgeben kann, beispielsweise an eine An­ zeigeeinheit.

Vom MCLK-Takt kann über herkömmliche Frequenzteiler das Line­ transfersignal (LT) abgeleitet werden kann, beispielsweise mittels zweier hintereinander geschalteter Teiler mit Teiler­ verhältnissen von 1 : 17 und 1 : 128.

Da eine derartige Kamera die Videosignale der geraden und der ungeradzahligen Pixel separat ausgibt, werden diese zunächst über Widerstände, von denen einer vorzugsweise als Potentio­ meter ausgebildet ist, um eventuelle Gleichspannungsanteile auszugleichen und Differenzen der Widerstandswerte zu elimi­ nieren, in der Vorverarbeitungseinheit 73 (Fig. 5) zu­ sammengeführt. Das überlagerte Signal wird kapazitiv in eine Transistorverstärkerschaltung eingekoppelt, die vorzugsweise auf einen Verstärkungsfaktor von 10 : 1 ausgelegt ist und einen Potentiometer als Widerstand aufweist, um das Ausgangssignal an die Weiterverarbeitung anzupassen. Das Signal wird über einen weiteren Kondensator ausgekoppelt und steht dann zur Auswertung zur Verfügung.

Das so verarbeitete Videosignal wird weiterhin einem Kompa­ rator, wie einem Schmitt-Trigger-Komparator der Vorverarbei­ tungseinheit zugeleitet, der aus dem analogen Signal über eine einstellbare Schwellspannung ein digitales Signal erzeugt. Bei der Betrachtung der Teilchen im Gegenlicht zeigt das Ausgangs­ signal, wenn kein Teilchen vorliegt, einen Hoch-Pegel oberhalb der einzustellenden Schwellspannung. Ein ein Teilchen anzeigen­ der Einbruch im Signalverlauf der Kamera unterhalb der Schwell­ spannung wird in einen Low-Pegel des digitalen Ausgangssignals umgewandelt, dessen Dauer von der Breite des detektierten Teil­ chens (über ein oder mehrere Meßzellen der Zeilenkamera) abhängig ist. Durch die einstellbare Schwellspannung der Ka­ mera am Eingang des Komparators kann die Nachweisgrenze für einen Einbruch in den im optimalen Fall linearen Helligkeits­ verlauf des Kamerasignals justiert werden.

Die Dauer des Low-Pegels des Ausgangssignals des Komparators, das als Gate-Signal bezeichnet werden kann, wird mit einem Binärzähler entsprechend der Anzahl der MCLK-Takte bestimmt.

Die Meßelektronik 67 (Fig. 6) weist ein Antivalenz-Glied 81 (Und-Glied mit hier 3-Eingängen) auf, dem das MCLK-Signal, ein über die Abtastzeit der Zeile von der Kamera ausgegebe­ nes LEN-Signal sowie ein das Vorhandensein eines Teilchens anzeigendes Gate-Signal anliegen und dessen Ausgang einem Taktzähler 82 zugeführt wird.

Weiterhin sind zwei in Reihe geschaltete Pulsgeneratoren 73, 74 vorgesehen sowie ein Speicher 76 in Form eines RAM mit beispielsweise 8 × 8 k sowie ein Adreßzähler 87 vorhanden.

Eine Zeilenkamera gibt neben den erläuterten Signalen über die Dauer der Abtastung einer Zeile hin, also zwischen Beginn und Ende des Videosignals, ein sogenanntes Line-Enable-Ausgangs­ signal (LEN) ab, das mit der ansteigenden Flanke der Videoinfor­ mation des ersten Pixels auf Hoch und mit der fallenden Flanke des letzten Pixels auf Tief zurückgeht. Das LEN-Signal wird mit dem vorstehend erläuterten Gate-Signal über das Antivalenz- Glied 81 verknüpft, um zu verhindern, daß die Totzeit der Kamera als Teilchen detektiert wird.

Die Aufflanke des Gate-Signals erzeugt weiterhin in dem Monoflop 83 einen SCHREIB-Impuls, durch den der bis dahin erreichte Zählerstand des Taktzählers für die Teilchenbreite in den Speicher 86 geschrieben wird.

Das Ende des SCHREIB-Impulses erzeugt durch den weiteren Mono­ flop 84 einen neuen Impuls, mit dem der Adreßzähler 87 des Speichers 86 um eine Adresse hochgesetzt wird und der Takt­ zähler 82 für eine weitere Messung vorbereitet, also durch ein "RESET"-Signal auf seinen Ausgangswert zurückgesetzt wird.

Der Taktzähler 82 zählt also die Dauer des Gate-Signals, die die in Richtung der Zeile gegebene Breite (der Projektion) des Teilchens (auf die Zeile) angibt, während der SCHREIB- Impuls mit dem Ende des Gate-Signals den erreichten Zähler­ stand in den Speicher 86 schreibt und der Zählimpuls den Zählerstand des Adreß-Zählers 87 erhöht sowie den Taktzähler 82 zurücksetzt.

In dieser Weise kann mit hoher Geschwindigkeit die Breite einer Vielzahl von Teilchen festgehalten werden.

Die vorstehende Elektronik arbeitet also derart, daß ein Teil­ chen erkannt wird, die Teilchenbreite bestimmt wird, der Wert in Speicherbausteinen abgespeichert, der nächste Speicher­ platz ausgewählt und der Vorgang dann bis zum Ablauf des ge­ samten Meßvorgangs wiederholt wird.

Nach Ablauf eines Meßvorgangs, dessen Dauer vom Benutzer be­ stimmt werden kann und dessen Maximallänge durch vollständige Füllung des Speichers 86 bestimmt ist, der gegebenenfalls auch größer als der in der Abbildung dargestellte sein kann, wird der Inhalt des Speichers 76 dem Mikrorechner 75 zur Auswertung zugeführt.

Die Weiterverarbeitung der von der Meßelektronik 74 gewonnenen Daten erfolgt vorzugsweise mittels eines Mikroprozessors 75, der die Daten aus dem RAM ausliest, sie in eine vorgegebene Anzahl von Klassen, beispielsweise zehn Klassen, einklassifi­ ziert und das Endergebnis, zur Anzeige, zur Weiterverarbeitung, wie zur Steuerung eines Mahlwerks etc. ausgibt. Anschließend setzt der Mikroprozessor 75 die Digitalelektronik der Meß­ platine 74 in ihren Ausgangszustand zurück, so daß das ge­ samte System für einen neuen Meßvorgang bereit ist.

Der Mikrorechner 75 überwacht eine Ausgabeleitung der Elektronik 74 mittels einer Warteschleife, solange die Elektronik dort ein BUSY-Signal abgibt, das anzeigt, daß die Elektronik mit dem Meßvorgang beschäftigt ist. Geht das BUSY- Signal in den Tief-Zustand, dann beginnt folgender Ablauf:

Ein Output-Enable-Signal an einer weiteren Steuerleitung wird auf Tief gesetzt, hierdurch wird auf der Meßplatine 74 die Zählrichtung des Adreß-Zählers 87 umgedreht und damit der Speicher 86 zum Auslesen vorbereitet.

Die an den Datenleitungen des Speichers 86 anliegenden Da­ tenbyte werden in den Prozessor 75 eingelesen, mit fest vor­ gegebenen Grenzen für die vorgegebene Anzahl von Größen­ klassen verglichen und eine entsprechende Zählvariable für die zugehörige Größenklasse erhöht.

Anschließend gibt der Prozessor 75 einen Adreß-Down-Takt über eine Steuerleitung an die Elektronik 74 ab. Hierdurch wird die Speicheradresse des Speichers 86 um eins erniedrigt und das nächste Datenbyte liegt demgemäß an den Datenleitungen des Speichers 86 bereit. Es wird nun untersucht, ob bereits alle Daten ausgelesen sind, also ein an einer weiteren Steuerleitung anliegendes Null-Adreß-Signal im Hoch-Zustand ist. Wenn ja, wird das Auslesen abgebrochen und das Output-Enable-Signal auf Hoch gesetzt. Die klassifizierten Daten können über den Ausgang des Prozessors 75, wie eine herkömmliche serielle Schnittstelle ausgegeben werden. Ist die Adresse Null des Speichers 86 noch nicht erreicht, sind also noch nicht alle Daten eingelesen, werden die vorgenannten Schritte wiederholt. Es kann eine Wei­ terverarbeitung hinsichtlich Mittelwerten, Anzahlprozenten, Gewichtsprozenten und zur Berücksichtigung von Korrekturfaktoren, wie eines Formfaktors zum Vergleich der erfindungsgemäß opto­ elektronisch gewonnenen Meßergebnissen mit herkömmlichen Sie­ bungsergebnissen vorgenommen werden.

Claims (27)

1. Verfahren zur Bestimmung der Größenverteilung von Feststoffpartikeln, wie gemahlenen Kaffeekörnern, ins­ besondere zur Einstellung eines Mahlgrades, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffpartikel in einem Luftstrom dispergiert werden, daß die Partikelströ­ mung mittels einer Kamera betrachtet wird, daß die Größe des einzelnen Partikels durch die von ihm über­ deckte Pixelzahl der Kamera bestimmt und die einzel­ nen gewonnenen Partikelgrößen statistisch ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffpartikel in vorgegebenen Chargen in den Luftstrom zur Dispersion eingegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Partikelströmung momentan auf einer Fläche parallel zur Strömungsachse betrachtet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Partikelströmung in einer Zeile senkrecht zur Strömungsachse betrachtet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die gewonnenen Partikel­ größen zwischengespeichert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß während der durch ein Teilchen bedingten, von der Kamera aufgenommenen Helligkeitsveränderung und der Zeit, während die Kamera aktiv ist, ein Taktsignal gezählt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der das Ende eines Teilchens anzeigenden Hellig­ keitsveränderung der Zählvorgang abgebrochen, der er­ reichte Zählwert zwischengespeichert und der Speicher­ platz für den nächsten Zählwert angesprochen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischengespeicherten Teil­ chengrößenwerte nach einer vorgegebenen Größe, wie Zeit oder gezählte Teilchenzahl aus dem Speicher aus­ gelesen und weiterverarbeitet werden.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die gemessenen Teilchen­ größen in für Größenbereiche repräsentative Klassen unterteilt werden.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß Anzahl- und Gewichtsprozente der Teilchen bestimmt werden.

11. Vorrichtung zur Bestimmung der Größenverteilung von Feststoffpartikeln, wie gemahlenen Kaffeekörnern, ins­ besondere zur Einstellung des Mahlgrades, gekennzeich­ net durch eine Dosier- und eine Dispergiereinrichtung (1, 2), durch eine Detektionsanordnung (4) mit einer Beleuchtungseinrichtung (6) und einer Kamera (9), sowie durch eine der Kamera (9) nachgeordneten Auswerteanord­ nung (11, 12, 13) .

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiereinrichtung (1) einen Kanal (21) aufweist, der von einer Dosierkammereinrichtung (23) durchkreuzt ist, deren Dosierkammer (31) in einer ersten Stellung mit dem Kanal (21) fluchtet und in einer zweiten Stellung gegenüber diesem abgesperrt, aber zu einer Einfüllöffnung (32) hin geöffnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dispergiereinrichtung (2) ein Zu­ führrohr (41) für die Feststoffpartikel aufweist, wel­ ches an seiner Austrittsöffnung (48) von einem Ring­ kanal (46) umgeben ist, durch den Dispergierluft zu­ führbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß im Strömungsweg der Fest­ stoffpartikel Schikanen (49, 51) angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schikanen zur Strömungsachse (B) der Feststoff­ partikel einen Winkel von etwa 40° einschließen.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß vor der Meßeinrichtung (4) ein Fallschacht (3) angeordnet ist, in den die Fest­ stoffpartikel frei fallen und daß die lichte Weite des Fallschachts (31) in Betrachtungsrichtung der Kamera (9) einem vorbestimmten Tiefenbereich der Beobachtungsanordnung (8) entspricht.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß der Fallschacht (3) auch an seiner oberen Stirnseite (bei 3a) offen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsanordnung (6) neben einer herkömmlichen Lichtquelle eine im Abstand ihres Brennpunktes zur Lichtquelle angeord­ nete Linsenanordnung (62) aufweist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß vor der Meßzone (7) eine sich quer zur Fallrichtung erstreckende Schlitz­ blende (64) angeordnet ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, daß die Betrachtungsanordnung (8) eine Vergrößerungsoptik (64) aufweist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera eine CCD-Kamera ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera eine Zeilenkamera ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine kapazitiv gekoppelte Transi­ storverstärkerschaltung vorgesehen ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Komparator mit einer einstellbaren Schwellspannung zur Detektion von Teil­ chen vorgesehen ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 24, ge­ kennzeichnet durch ein Antivalenzglied (71) zur Ver­ knüpfung eines Taktsignals, eines den Aktivzustand der Kamera anzeigenden Signals sowie eines das Vor­ handensein eines Teilchens anzeigenden Signals.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 25, ge­ kennzeichnet durch einen Taktzähler, einem mit die­ sem verbundenen Speicher sowie Einrichtungen zum Zurücksetzen des Taktzählers, zum Übertragen des Zählwerts in den Speicher und zum Verändern der an­ zusprechenden Speicheradresse.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, ge­ kennzeichnet durch einen Mikrorechner zur Auswertung der gemessenen Teilchengrößen.