KR20120092136A - 입자 크기 결정 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 입자 크기 분포의 측정 방법으로서, 특히 자릿수가 변하는 입자 크기 분포의 측정을 가능하게 하는, 벌크 재료, 예컨대 곡물, 곡물 가루 제품, 곡물 제품 등의 넓은 입자 크기 분포의 광학 측정 방법에 관한 것이다. 상기 과제를 달성하기 위해, 개별화된 입자의 샘플이 장치 내에서 적어도 2개의 측정 방법에 의해 광학적으로 검출되며, 바람직하게는 동시에 입자의 윤곽이 검출되고 레이저 회절이 이루어진다.
Description
본 발명은 입자의 크기 분포를 측정하기 위한, 특히 넓은 입자 크기 분포를 가진 벌크 재료의 개별화된 입자를 광학적으로 온라인 측정하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 입자 크기 분포를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.
특정한 측정 원리에 의한 입자 크기 및 그 분포의 검출 및 구성 요소의 검출은 공지되어 있다. 예컨대 DE-C-19802141에는 광 전자 측정 섹션을 이용한 제품 흐름의 전기 광학적 샘플링에 의해 입자 크기 분포를 결정하는 장치가 개시된다. 거기에 설명된 이미지 검출 장치는 다수의 전기 광학적 이미지 기록 장치를 포함한다. 이러한 장치는 100 μm보다 큰 입자 크기를 가진 입자를 측정하기에 적합하다. 이러한 장치 및 측정 방법의 단점은 특히 100 μm 미만의 입자 크기를 가진 더 작은 입자에 대해 측정 비용 및/또는 측정 에러가 입자 크기의 감소에 따라 현저히 증가한다는 것이다. 그 이유는 예컨대 모자라는 광학 분해능, 광학적으로 왜곡된 입자 윤곽, 모자라는 심도, 광 회절 효과 또는 광 산란 효과로 인한 장애 및/또는 이동 불선명도 때문일 수 있다.
또한, 레이저 회절 또는 레이저 산란에 의한 입자 검출 장치가 공지되어 있다. 이것에 의해 약 1 μm 내지 약 100 μm 범위의 입자 크기를 가진 작은 입자들이 양호하게 검출될 수 있다. 이에 반해 단점은 특히 1 mm 보다 큰 입자 크기를 가진 더 큰 입자의 동시 검출을 위한 큰 비용, 특히 구형과는 많이 다른 입자에 있어서 상기 범위에서 더 낮은 측정 정확도, 및 측정 방법의 적은 정보량에 있다. 특히, 투영 면적 관련 입자 크기 분포 및 부분적으로 입자 농도만이 측정될 수 있다. 이미지 처리시 검출되는 입자의 상세한 윤곽에 대한 정보는 없다. 색, 속도 또는 다른 입자 특성도 레이저 회절에 의해 검출될 수 없다.
선행 기술에 따라, 단일 측정 원리에 의해 측정 값들의 검출이 이루어지고, 이는 적용 분야를 제한하고 및/또는 높은 비용을 필요로 한다.
본 발명의 과제는 선행 기술의 단점을 갖지 않으며, 특히 다수의 자릿수에 걸친 입자 크기 분포의, 벌크 재료 처리에 통합된 온라인 측정을 가능하게 하는 입자 크기 분포 결정 방법, 특히 입자 크기 분포의 광학 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 적어도
a) 제조 방법에 의해 입자를 포함하는 제품 흐름을 제조하는 단계 또는 제조 방법에 의해 제조된 입자를 포함하는 제품 흐름을 제공하는 단계,
b) 입자의 적어도 일부분의 검출에 의해 측정 데이터를 발생시키는 단계로서, 적어도 2개의 상이한 광학 측정 방법에 의해 적어도 입자의 부분을 광학 검출함으로써 측정 데이터를 발생시키는 단계,
c) 단계 b)에서 광학적으로 검출된 측정 데이터를 기초로 입자의 부분의 적어도 하나의 특성을 결정하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 특성은 입자의 부분의 크기 분포인 단계
를 포함하는 입자 크기 분포 결정 방법에 의해 달성된다.
제조 방법은 분쇄, 정화, 분리, 혼합 및 응집 방법 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로 선택된다. 분쇄 방법은 예컨대 제분 방법일 수 있다.
본 발명에 따라 적어도 하나의 광학 측정 방법은 입자의 부분의 회절 패턴 검출을 포함한다.
적어도 2개의 상이한 광학 측정 방법에 의한 동시 검출은 단일 광학 측정 방법에 의해서만 가능한 것보다 더 큰 범위의 입자 크기의 측정을 가능하게 한다. 본 발명에 따른 방법에 의해, 4개의 자릿수까지의 범위에 걸친 입자 크기 분포가 검출될 수 있다. 예컨대, 2 μm 내지 20 mm 범위의, 바람직하게는 5 μm 내지 5 mm 범위의 입자 크기가 검출될 수 있다. 특히, 회절 패턴의 본 발명에 따른 검출은 특히 작은 입자 크기의 측정을 가능하게 한다. 이로 인해, 제품 흐름 내의 입자 크기 및 그 분포에 대한 더 양호한 정보 가치가 얻어진다. 이는 또한 입자를 포함하는 벌크 재료, 특히 곡물 가루 제품의 제조 및 처리 파라미터의 의도된 조정을 가능하게 한다.
측정은 바람직하게 온라인으로 이루어진다. 이는 여기 및 하기에서 측정이 하나의 프로세스에 통합되는 것을 의미한다. 특히, 측정은 프로세스의 공간적으로 바로 근처에서 이루어진다.
방법은 예컨대 하기 분야에 사용될 수 있다:
- 제분업 (특히, 연질 소맥, 듀럼 밀, 호밀, 옥수수 및/또는 보리의 제분) 또는 특수 제분업 (특히, 콩, 메밀, 보리, 밀, 기장/수수, 아곡류 및/또는 깍지가 있는 열매의 도정 및/또는 제분)의 곡물, 곡물 가루 제품 및 곡물 최종 제품의 처리;
- 유용한 동물 및 가축, 어류 및 갑각류의 먹이 제조;
- 오일 시드의 처리;
- 바이오 매스의 처리 및 에너지 펠릿의 제조;
- 산업적 맥아 제조 설비;
- 카카오 콩, 견과류 및 커피 콩의 처리;
- 건축 재료의 제조;
- 비료의 제조;
- 제약업;
- 고체 화학.
바람직하게는 단계 a)에서 제조된 또는 제공된 제품 흐름으로부터 입자들을 포함하는 샘플이 인출되고, 단계 b)에서 상기 샘플 내의 입자들이 광학적으로 검출된다. 즉, 이 실시예에서는 제품 흐름 내의 입자들이 측정될 필요가 없다. 그 대신, 단계 b)에서 실제 측정은 인출된 샘플에서 이루어질 수 있으며, 이는 측정 방법을 실시하는 측정 장치들의 공간적 배치를 극도로 단순화할 수 있다.
가능한 실시예에서, 샘플의 인출은 수직 파이프에서, 예컨대 웜 프레임에 의해 이루어질 수 있다. 인출은 시간적으로 펄스화될 수 있다. 전체 제품 흐름과 관련해서 샘플의 양은 0.01 % 내지 10% 일 수 있다. 이로 인해, 대표적인 부분 흐름은 다른 중간 저장소 없이 측정에 거의 연속적으로 공급될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 샘플이 도우징(dosing)되고, 개별화되며 및/또는 분산된 후에, 단계 b)에서 실제 측정이 이루어진다. 도우징은 정확한 제품 양이 가급적 맥동 없이 측정 장치에 공급되는 것을 보장한다. 이에 반해, 예컨대 벤추리 원리에 따른 개별화 및 분산 시에, 제품 흐름은 몇몇 경우에 더 이상 조절될 수 없다. 여기서, 제품은 압축 공기 및 주변으로부터 흡입된 추가 공기에 의해 희석될 수 있어서, 모든 입자들이 개별적으로 주어지고, 따라서 개별적으로 검출될 수 있다. 이 제 2 단계는 도우징과 별도로 최적화됨으로써, 제품이 조건 (예컨대, 입자간 접착력의 세기)에 따라 상이한 세기로 개별화될 수 있다. 개별화와 분쇄 간의 전이는 유동적으로 이루어진다. 개별화와 분산은 몇몇 경우 분리될 수 없는 단계로 간주될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 측정 방법들 중 적어도 하나의 측정 방법은 단계 b)에서 입자의 부분의 투영 면적의 검출을 포함한다. 상기 투영 면적의 입자 윤곽은 입자 윤곽 처리에 의해 처리될 수 있다.
바람직하게 입자의 부분의 적어도 하나의 거친 분획의 크기 분포 결정은 입자 윤곽 처리에 의해, 특히 10 μm 내지 30000 μm, 바람직하게는 50 μm 내지 20000 μm, 특히 바람직하게는 90 μm 내지 10000 μm 의 크기 범위에서 실시된다.
또한, 입자의 부분의 적어도 하나의 미세 분획의 크기 분포 결정은 레이저 회절에 의해, 특히 0.1 μm 내지 300 μm, 바람직하게는 1 μm 내지 300 μm, 특히 바람직하게는 5 μm 내지 200 μm의 크기 범위에서 실시된다.
몇몇 실시예에서, 광학적으로 검출된 측정 데이터를 기초로, 입자의 부분의 크기 분포 외에 입자의 부분의 형태, 형태 팩터, 색, 색 점유율 및/또는 속도가 결정될 수 있다. 형태 팩터는 입자의 임의로 복잡한 윤곽을 하나의 값으로 감소시킨다. 형태 팩터는 예컨대 입자의 "진원도"에 대한 척도일 수 있고, 동일한 면적의 그리고 동일한 원주의 원의 직경의 몫으로 정의될 수 있다. 전형적인 형태 팩터들은 예컨대 "가늘고 긴 형상", "땅딸막함", "구형성", "볼록성" 및 "진원도"이다. 플록과 전분 입자의 형태 팩터는 상이할 수 있으며, 플록의 진원도는 구의 값과 큰 편차를 갖는다.
색 및/또는 색 점유율은 예컨대 컬러 센서, 특히 컬러 이미지 센서에 의해 결정될 수 있다. 컬러 이미지 센서에 의한 분말 특성화 시스템 및 방법은 예컨대 국제 특허 출원 PCT/EP2009/055877에 개시되어 있다. 입자들이 그들로부터 방출된 전자기 방사선에 의해 컬러 이미지 센서에 이미지화되고 상기 센서가 전자기 방사선을 그 센서 이미지 소자에서 스펙트럼 선택적으로 검출하는 방식으로, 상기 컬러 이미지 센서는 분말 흐름의 입자를 특성화하기 위해 색 정보의 사용을 가능하게 할 수 있다. 컬러 이미지 센서는 바람직하게 입자의 속도 측정을 위한 후술한 방법을 실시할 수 있는 CCD-센서이다.
특히 탑 라이트(top light) 조명 및 투과광 조명의 조합이 사용될 수 있다. 이는 탑 라이트 조명에 의해 색 정보가 그리고 투과광에 의해 순수한 탑 라이트 조명보다 더 높은 윤곽 선예도가 특히 신속한 입자(예컨대, 약 200 μm의 직경 및 약 20 m/s의 속도를 가진)에 대해서도 얻어질 수 있게 한다. 탑 라이트 조명과 투과광 조명의 이러한 조합은 PCT/EP2009/055877에 개시되어 있다.
특히, 이러한 특성들(형태, 형태 팩터, 색, 색 점유율 및/또는 속도) 중 하나 또는 다수가 실시간 평가에 의해 결정될 수 있다.
선택적으로, 단계 c) 이후에, 단계 c)에서 얻어진 입자의 부분의 특성들의 교정이 이루어질 수 있고, 즉 데이터 처리 및 각각의 프로세스-노우 하우와 특성의 비교가 이루어질 수 있다. 이러한 교정시, 레이저 회절 및 윤곽 처리로부터 먼저 분리되어 검출된 입자 크기 분포가 통합되어 전체 측정 영역에 걸친 공통 분포를 형성한다. 제 1 방법에 따라, 2개의 측정 방법에 의해 발생된 측정 데이터의 중첩 영역이 2개의 입자 크기 분포를 정규화 및 통합하기 위해 사용된다. 제 2 방법에 따라 전체 면에 2가지 측정 방법에 의해 발생된 측정 데이터의 할당이 측정되고, 각각의 측정 체적과 함께 분포의 정규화를 위해 사용될 수 있다.
2가지 방법의 결과는 기술적으로 더 중요한 질량 분포와는 편차를 갖는 투영 면적 관련 분포이다. "프로세스-노우 하우"는 적합한 환산을 정의하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 껍질 부분은 디스크형이고 분말 입자는 구형이다. 면적 분포를 질량 분포로 환산할 때, 예컨대 색 또는 형태 팩터를 기초로 분말 및 껍질 부분이 구분되어 달리 웨이팅되는 방식으로 이것이 고려될 수 있다.
또한, 껍질 부분의 형태에 대한 제분기의 영향이 고려될 수 있다. 제분기의 파상 요철, 특히 제분 갭은 예컨대 디스크형 껍질 부분의 평균 높이를 결정한다.
본 방법은 기계, 기계 결합, 프로세스 및/또는 시스템의 최적화, 조절, 특히 온라인 조절, 모델링, 시뮬레이션, 모니터링, 특히 온라인 모니터링, 에러 검출, 에러 진단, 품질 제어 및/또는 추적 가능성을 위해 사용될 수 있다. 이러한 방법들은 예컨대 국제 특허 출원 PCT/EP2009/058351에 개시되어 있다.
또한, 선택적으로 특히 적어도 하나의 측정 장치에 의해 검출된 측정 데이터, 특히 적어도 하나의 광학 측정 장치에 의해 검출된 특정 데이터가 아카이브될 수 있다. 아카이브된 측정 데이터로부터 개별 또는 다수의 기계 및/또는 시스템 및/또는 프로세스의 작동 및/또는 구성 배치를 위한 특성, 조절 및 결론이 유도될 수 있다. 예컨대, 전체 제분기의 특성이 개별 기계의 많고 복잡한 상호 작용에 의해 완전히 설명될 수 없다. 전체 시스템의 조절을 위해, 자체 학습 조절 및/또는 경험에 기초한 조절이 사용될 수 있다. 이를 위해, 센서의 측정 신호들이 전체 제분기의 바람직한 또는 바람직하지 않은 상태와 관련되고, 데이터 뱅크에 아카이브된다. 조절 알고리즘은 이러한 데이터 뱅크에 기초할 수 있고, 상기 조절 알고리즘은 의도적으로 바람직하지 않은 제분기 상태를 피한다. 국부적인 및/또는 전반적인 조절 시스템을 구비한 이러한 시스템들은 예컨대 국제 출원 PCT/EP2009/058351에 개시된다.
또한, 선택적으로 측정 장치의 원시 측정 데이터 및/또는 상기 원시 측정 데이터로부터 처리된 데이터는 적응성 시스템, 예컨대 신경 회로망 내에서 경험치로서 사용되며, 특히 기계 및/또는 시스템 및/또는 프로세스의 제어 및/또는 조절을 위해 사용된다. 예컨대, 신경 회로망은 전술한 아카이브된 측정 데이터를 이용할 수 있다. 소위 "퍼지 컨트롤"을 이용해서 상기 측정 데이터가 사용될 수 있다. 측정 데이터들은 처리된 데이터로서 (예컨대, 2가지 측정 방법으로부터 유도된 입자 질량 분포) 또는 덜 처리된 상태로 (예컨대, 2개의 별도 면적 분포) 아카이브될 수 있다.
또한, 선택적으로 측정 장치의 원시 측정 데이터 또는 입자 크기 분포로 완전히 처리되지 않은 측정 장치의 측정 데이터, 특히 다수의 개별 측정들을 통해 평균화된 레이저 회절 스펙트럼이 조절을 위해 직접 사용될 수 있다.
방법에 의해 기록된 회절 상으로부터 이미지 중심 둘레로 원형 적분에 의해 레이저 회절 스펙트럼이 계산될 수 있다. 이는 얼마나 많은 광량이 얼만큼 회절되었는지를 지시한다. 일정한 입자 크기 분포에 대해, 상기 회절 스펙트럼 또는 충분한 양의 개별 측정들을 통해 평균화된 그 평균값은 일정하다. 너무 강한 제분은 더 미세한 입자, 따라서 더 강한 레이저 회절, 즉 더 큰 반경에서 더 많은 광 에너지를 일으킨다. 이에 반해, 너무 적은 제분은 더 작은 레이저 회절을 야기한다. 레이저 회절 스펙트럼은 실제 입자 크기 분포의 재구성 없이 조절을 위해 (예컨대 2개의 롤러들 사이의 제분 갭의 폭) 직접 사용될 수 있다. 후자의 단계는 많은 계산 시간을 필요로 하고, 조절에 부정적 영향을 주는 수학적 에러 또는 부정확성을 야기할 수 있다. 레이저 회절 스펙트럼에 기초한 조절은 상기 문제를 방지할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제조 방법의 적어도 하나의 프로세스 파라미터가 단계 c)에서 결정된 특성을 기초로, 특히 입자의 부분의 크기 분포를 기초로 제어 및/또는 조절된다. 특히, 적어도 하나의 프로세스 파라미터는 이것에 의해 입자 크기 분포가 변화되도록 제어 및/또는 조절될 수 있다. 따라서, 실제 크기 분포가 미리 정해진 설정 크기 분포로 조절될 수 있다.
특히, 분쇄 방법의 경우, 예컨대 제분 방법의 경우, 적어도 하나의 프로세스 파라미터는 적어도 하나의 제분 갭의 폭, 적어도 하나의 제분 바디의 회전수, 2개의 제분 바디의 회전수 비율, 제분 바디의 구조 및/또는 제분 롤러의 구조 및/또는 제분될 제품의 유동량일 수 있다. 제분 롤러의 구조는 예컨대 파상 요철을 포함할 수 있다.
방법의 개선예에서, 개별 입자의 속도 측정 또는 측정 영역의 전체 영역 또는 부분 영역에 걸쳐 국부적으로 평균화된, 입자 크기 부류에 대한 속도 측정이 측정 장치의 측정 영역에서 입자 또는 입자 크기 부류의 상이한 체류 확률을 기초로 입자 크기 분포를 정정하기 위해 사용될 수 있다. 이로 인해, 측정 정확도 및 신뢰성이 공지된 방법에 비해 상승될 수 있다.
넓은 입자 크기 분포를 가진 2상(two phase) 유동에서, 입자 속도는 일반적으로 입자 크기, 입자 형태 및 비중과 상관된다. 유동의 가속 동안 예컨대 더 큰 입자가 대개 그것의 더 큰 질량으로 인해 더 작은 입자보다 더 낮은 속도를 갖는다. 입자 속도는 측정 영역에서 입자의 체류 시간 및 그에 따라 직접 입자의 검출 확률을 결정한다. 이를 고려하기 위해, 광학적으로 결정된 입자 크기 분포가 이와 관련해서 정정될 수 있다. 상대 또는 절대 속도들은 개별 입자에 대해 또는 각각의 관련 입자 크기 부류에 대해 적어도 평균화되어 결정될 수 있다. 각각의 입자 크기 부류의 중량은 입자 속도와 입자 크기(예컨대, 투영 면적, 직경 또는 추정 체적)의 함수로서 주어진다. 입자 윤곽 검출과 조합한 대상물 속도의 결정은 선행 기술이다. 이로 인해, 더 큰 입자의 속도 분포가 직접 측정될 수 있다. 회절, 특히 레이저 회절에 의해 측정된 크기 분포의 미세 성분은 더 작은 입자 크기 및 질량으로 인해 거의 일정한 속도를 갖는다. 후자는 입자 윤곽 처리를 포함하는 속도 측정으로부터의 외삽에 의해 결정될 수 있다.
제로 속도로 광학적으로 검출된 대상물은 예컨대 검사 창의 광학적 에러 또는 스크레치 또는 고정된 또는 서서히 움직이는 오염 (1 m/s 보다 훨씬 더 낮은 속도로), 예컨대 달라붙은 입자 또는 입자 내용물, 예컨대 곡물의 경우 단백질 또는 지방이다. 이는 입자 크기 분포의 부분이 아니다. 전술한 속도 정정에 의해, 이것이 자동으로 0으로 웨이팅됨으로써 입자 크기 분포의 결과를 왜곡하지 않을 수 있다.
대안으로서, 입자 윤곽 처리시 고정된 또는 움직이는 대상물은 별도의 알고리즘으로 측정 데이터로부터 필터링될 수 있다. 이를 위해, 하나의 단순한 이미지 대신, 예컨대 센서에 의해 검출된 이미지들, 바람직하게는 2개의 직접 연속하는 이미지들의 값 차이가 평가될 수 있다. 이로 인해, 고정된 결함 또는 거의 고정된 오염이 자동으로 단축되고 차이 이미지에 더 이상 가시되지 않을 수 있다. 대안으로서, 거의 일정한 크기 및 위치로 쌓이는 입자는 에러로서 검출되어 버려질 수 있다. 이를 위해, 바람직하게는 관련 픽셀 및 대상물을 가진 다이내믹 리스트가 측정 결과들의 필터링을 위해 작성될 수 있다.
대안으로서 그리고 레이저 회절을 위해서도, 제품 흐름의 단시간 정지에 의해 (예컨대 인출 웜의 정지에 의해) 백그라운드가 제품 흐름 없이 규칙적인 시간 간격으로 새로 학습되고 원시 데이터의 계속적으로 조정되는 정정을 위해 사용될 수 있다.
선택적으로, 레이저 회절 스펙트럼의 정정을 위한 실제 백그라운드를 학습하기 위해 제품 흐름이 주기적으로 스위치 오프될 수 있다.
본 발명은 또한 입자 크기 분포를 결정하기 위한, 특히 전술한 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 장치에 관한 것이다.
장치는
- 제조 방법에 의해 입자를 포함하는 제품 흐름을 제조하기 위한 제조 장치 및/또는 제조 방법에 의해 제조된, 입자를 포함하는 제품 흐름을 제공하기 위한 제공 장치,
- 입자의 적어도 일부를 검출하기 위한 적어도 2개의 측정 장치,
- 광학 측정 장치에 의해 검출된 측정 데이터를 기초로 입자의 부분의 적어도 하나의 특성을 결정하기 위한 계산 유닛
을 포함한다.
제조 방법은 분쇄, 정화, 분리, 혼합 및 응집 방법으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 측정 장치들 중 적어도 2개의 측정 장치는 입자의 부분의 광학 검출을 위한 2개의 상이한 광학 측정 장치로서 형성된다. 입자의 부분의, 계산에 의해 결정된 적어도 하나의 특성은 입자의 부분의 크기 분포이다.
본 발명에 따라 적어도 하나의 광학 측정 장치는 입자의 회절 패턴을 검출하도록 형성된다. 이러한 형성을 기초로, 상기 장치에 의해 본 발명에 따른 방법과 관련해서 전술한 장점들이 얻어질 수 있다.
장치는 제품 흐름으로부터 샘플을 인출하기 위한 인출 수단을 포함할 수 있다. 대안으로서 또는 추가로 장치는 샘플을 측정 영역으로 이송하기 위한 이송 수단을 포함할 수 있다. 측정 장치들은 샘플이 측정 영역에서 측정 장치에 의해 광학적으로 검출될 수 있도록 형성되고 배치된다.
인출 수단들은 인출 웜으로서 형성될 수 있다. 이러한 인출 웜에 의해, 샘플이 제품 흐름, 예컨대 벌크 재료 흐름으로부터 인출될 수 있다. 샘플 인출은 국부적으로 그리고 바람직하게는 조합된 형태로 국부적으로 그리고 시간에 따라 이루어질 수 있다. 국부적 샘플링시, 제품 흐름의 일부에서만 제품이 인출된다. 이는 파이프 내로 삽입된 인출 웜에 의해 실시될 수 있으며, 인출 웜으로 떨어지는 제품만이 인출된다. 인출 웜은 이 경우 고정적으로 또는 바람직하게는 선회 가능하게 구현될 수 있다.
시간에 따른 샘플링은 전체 제품이 연속적으로가 아니라 단시간 동안만 인출되는 것을 의미한다. 이 과정은 반복된다. 프로세스가 연속적이고 충분히 안정적으로 진행되면, 인출된 패턴은 샘플링 전후의 시점에 대해서도 충분히 대표성을 갖는다.
본 발명의 범주에서 바람직한, 제품 흐름으로부터 샘플을 인출하기 위한 샘플러는 웜 케이싱을 포함한다. 웜 케이싱은 적어도 부분적으로 제품 흐름이 흐르는 흐름 라인 내에 배치되거나 배치될 수 있다. 흐름 라인은 예컨대 수직 라인일 수 있다. 또한, 샘플러는 인출 웜을 포함하고, 인출 웜은 적어도 부분적으로 웜 케이싱 내에 수용된다. 인출 웜은 샘플을 인출하기 위해 사용된다.
웜 케이싱 및/또는 인출 웜은 선택적으로 수용 위치 또는 준비 위치로 이동될 수 있다. 수용 위치에서 제품 흐름 내에 포함된 입자들은 웜 케이싱 내에 수용될 수 있고 인출 웜에 의해 제품 흐름으로부터 인출될 수 있다. 이에 반해, 준비 위치에서는 제품 흐름 내에 포함된 입자들이 웜 케이싱 내에 수용될 수 없다. 수용 위치 또는 준비 위치의 선택에 의해 입자가 인출 웜에 의해 인출될 수 있는지 또는 없는지의 여부가 정해질 수 있다. 특히, 인출 웜은 준비 위치에서 회전할 수 있지만, 다른 입자가 웜 케이싱 내로 도달할 수 없다. 인출 웜은 연속하는 샘플 인출들 사이에 정지될 필요가 없다.
몇몇 실시예에서, 인출 웜 및 웜 케이싱은 이동 가능하게, 특히 선회 가능하게 지지될 수 있고, 준비 위치에서 제품 흐름 외부에 배치될 수 있다. 이 준비 위치에서, 인출 웜은 이미 존재하는 제품을 이송할 수 있지만, 새로운 제품을 수용하지 않는다. 샘플링을 위해, 인출 웜 및 웜 케이싱은 웜이 채워질 때까지 제품 흐름 내로 선회될 수 있다. 폐쇄 슬리브는 이 실시예에서 필요 없다.
샘플러는 바람직하게 폐쇄 수단을 포함하고, 상기 폐쇄 수단에 의해 웜 케이싱 및/또는 인출 웜이 선택적으로 수용 위치 또는 준비 위치로 이동될 수 있다. 수용 위치에서, 폐쇄 수단은 웜 케이싱을 개방함으로써, 수용 위치가 생길 수 있다. 준비 위치에서, 폐쇄 수단은 웜 케이싱을 폐쇄함으로서, 준비 위치가 생길 수 있다.
바람직하게 웜 케이싱은 실질적으로 홈 형태로 형성되고, 폐쇄 수단들은 바람직하게 폐쇄 슬리브로서 형성된다. 또한, 바람직하게 폐쇄 슬리브는 인출 웜의 회전 축에 대해 평행하게 연장하거나 또는 이것과 일치하는 축을 중심으로 웜 케이싱에 대해 상대 회전할 수 있다. 폐쇄 슬리브와 웜 케이싱 사이의 상대 각의 조절에 의해, 선택적으로 수용 위치 또는 준비 위치가 조절될 수 있다. 이러한 디자인은 매우 간단하다.
대안으로서, 수용 위치와 준비 위치의 선택적 조절을 위해 가동 안내판, 파이프 게이트 등이 사용될 수 있다.
장치는 또한 샘플의 개별화 및/또는 분산을 수단을 포함할 수 있다. 이로 인해, 더 큰 샘플 분할시에도 대표적인 샘플링 및 제품의 지속적인 강제 이송이 보장된다. 이는 측정 장치들 중 하나가 전체 제품 흐름의 일부(예컨대 1/10 내지 1/10000)만을 분석할 수 있는 경우에 바람직할 수 있다. 샘플 분할에 의해, 제품 양이 상응하게 줄어들 수 있다.
또한, 다수의 제품 인출 지점이 가능하며, 상기 지점에서 샘플이 인출될 수 있다. 장치의 사용은 예컨대, 롤러 제분기에서 롤러 평행성을 조절하기 위해, 상이한 제품 인출 지점들 사이의 전환을 가능하게 할 수 있다.
적어도 하나의 광학 측정 장치가 입자의 투영 면적을 검출하도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 측정 장치들 중 적어도 2개의 측정 장치, 특히 입자의 회절 패턴을 검출하기 위한 하나의 광학 측정 장치 및 다른 하나의 광학 측정 장치가 공간적으로 서로 가까이 배치되는 것이 바람직하다. 이는 한편으로는 공간적으로 서로 가까이 놓인 2개의 측정 영역 또는 동일한 광학 측정 영역에서 측정을 실시하는 것을 가능하게 한다. 다른 한편으로는 이로 인해 컴팩트한 구성이 얻어질 수 있다. 바람직하게는 적어도 2개의 측정 장치들이 공통의 하우징 내에 수용될 수 있다.
몇몇 개선예에서, 장치는 적어도 하나의 제어 회로 및/또는 조절 회로를 포함하고, 상기 회로에 의해 제조 장치의 적어도 하나의 프로세스 파라미터가 계산 유닛에 의해 결정된 특성을 기초로, 특히 입자의 부분의 크기 분포를 기초로 제어 또는 조절 가능하다.
측정 결과에 대한 가능한 영향을 방지하기 위해, 바람직하게는 측정 영역에서 입자 면적 할당이 (즉, 측정 영역에서 입자 면적 대 측정 면적의 평균 비율) 실질적으로 일정하게 유지된다. 이는 예컨대 하기와 같이 달성될 수 있다: 모든 입자의 투영 면적들(즉, 입자 면적들)이 각각의 이미지에서 측정되기 때문에 공지되어 있다. 이들은 다수의 이미지들을 통해 평균화된다. 측정 면적(즉, 이미지 크기)은 고정되고 공지되어 있다. 장치는 그로부터 각각의 입자 면적 할당을 계산하고 이를 실제값으로서(예컨대, 아날로그 값으로서) 조절에 제공할 수 있다. 도우징 유닛(예컨대, 웜)은 실제값과의 편차에 따라 송출량을 높이거나 낮출 수 있다. 이는 웜 회전수의 조정에 의해 또는 그것의 충전 팩터의 변화에 의해 해결될 수 있다. 충전 팩터는 시간에 따른 샘플 분할의 사이클에 걸쳐 직접 제어 및/또는 조절될 수 있다.
바람직하게는 0.2% 내지 5% 범위의 비율이 일정하게 유지된다. 이를 위해, 입자 면적 할당의 실제값 및 설정값이 시간에 따른 샘플 분할을 조절하기 위한 입력값으로서 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 장치가 입자의 적어도 일 부분을 검출하기 위한 다른 측정 장치들을 포함하는 것이 가능하다. 상기 다른 측정 장치들이 반드시 광학 센서들일 필요는 없다; 그 대신 장치는 적어도 하나의 유도성, 용량성, 초음파, 근적외선 및/또는 컬러 센서들을 포함할 수 있다. 이로써, 예컨대 입자의 부분의 형태, 형태 팩터, 색, 색 점유율 및/또는 속도가 결정될 수 있다.
컬러 센서는 컬러 이미지 센서로서 형성될 수 있다. 컬러 이미지 센서를 구비한 분말 특성화 시스템 및 방법은 예컨대 국제 특허 출원 PCT/EP2009/055877에 개시되어 있다. 입자가 그것에 의해 방출되는 전자기 방사선에 의해 컬러 이미지 센서에 이미지화되고 상기 컬러 이미지 센서가 상기 전자기 방사선을 그 센서 이미지 소자에서 스펙트럼 선택적으로 검출함으로써, 상기 컬러 이미지 센서는 분말 흐름의 입자의 특성화를 위해 색 정보를 사용할 수 있다.
광학 측정 장치들 중 적어도 하나의 측정 장치는 검사 창을 포함할 수 있고, 상기 검사 창을 통해 측정 영역 내의 입자가 검출될 수 있다.
검사 창의 개끗함은 측정의 품질에 결정적이다. 검사 창에 입자 접착을 최소화하기 위해, 유리 재료 및/또는 유리 표면 구조는 물리적 및/또는 화학적 접착력, 예컨대 반데르발스 힘, 수소 결합, 쌍극자 힘 및/또는 액체 브릿지가 가능한 적도록 선택되는 것이 바람직하다.
바람직하게 검사 창은 전기 전도성 유리 또는 투명한 플라스틱을 포함하거나 또는 그것으로 이루어질 수 있다. 이로 인해, 정전 입자 접착이 강력히 감소되거나 또는 완전히 방지될 수 있다. 이를 위해, 바람직하게는 전기 전도성으로 코팅된 검사 창이 사용될 수 있다. 유리 또는 플라스틱이 채널의 내부면에 코팅될 수 있고, 상기 채널 내에 입자의 부분이 안내된다. 코팅은 예컨대 인듐 주석 산화물, 실리콘 산화물 베이스 재료 또는 TiO2(바람직하게는 산소 결핍 상태의)로 이루어진 필름을 포함하거나 또는 이 필름으로 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한 적어도 부분적으로 전기 전도성의, 특히 전기 전도성 코팅을 포함하는, 투명한 재료를 검사 창에 정전 입자 접착을 감소시키기 위해 검사 창으로서 사용하는 것에 관한 것이다. 특히, 광학 측정장치 내의 검사 창으로서의 사용에 관한 것이다. 투명한 재료는 유리 또는 투명한 플라스틱을 포함할 수 있거나 또는 그것으로 이루어진다.
추가로 가열, 냉각 또는 교번하는 가열 및 냉각에 의해 접착의 재료 특성이 변화될 수 있어서 오염이 최소화될 수 있다. 예컨대 압전 소자에 의한 검사 창(들)의 진동에 의해, 추가로 또는 대안으로 입자 접착력이 극복될 수 있고, 따라서 검사 창의 더 큰 깨끗함이 얻어질 수 있다.
대안으로서 또는 추가로, 본 발명에 따른 방법에서 상이한 제품의 입자 속도는 검사 창의 오염이 가능한 적게 조절될 수 있다. 더 높은 속도는 검사 창의 채널 내부면에서 유체 역학적 경계층 두께를 줄이기 때문에, 더 큰 전단력 및 이동되는 입자와 접착된 입자 사이의 에너지가 풍부한 충돌을 야기한다. 이로부터, 흐름 속도의 증가에 따라 자체 정화 효과가 커진다. 전기 전도성으로 코팅된 검사 창과 조합해서, 예컨대 분말과 같은 더 미세한 제품 및 10 m/s 보다 큰 평균 흐름 속도의 경우 자체 정화 효과가 나타나고 충분히 깨끗한 검사 창을 야기한다.
이에 반해 예컨대 통곡과 같은 더 거친 입자의 경우, 높은 입자 속도는 단점이 될 수 있는데, 그 이유는 검사 창에 입자의 충돌시 더 높은 중력에 의해 더 미세한 입자에 비해 검사 창에 대한 더 강한 재료 침착을 야기할 수 있기 때문이다. 이러한 효과는 곡물 제품에서 특히, 지방 및/또는 단백질이 풍부한 입자 표면에서 나타나고, 검사 창의 광학적 특성을 저하시킨다. 추가로, 더 높은 중력은 부품 및 검사 창의 마모를 촉진시킨다. 이러한 부정적 영향은 더 높은 속도에서 바람직한 자체 정화 효과보다 더 우세하기 때문에, 방법의 몇몇 실시예에서 더 낮은 속도, 특히 20 m/s 보다 낮은 속도, 바람직하게는 15 m/s 보다 낮은 속도, 특히 바람직하게는 10 m/s 보다 낮은 속도가 바람직하다.
대안으로서 또는 추가로, 입자의 부분이 안내되는 채널의 구조적 조건에 의해서도 입자가 검사 창에 접촉하지 않거나 또는 드물게만 접촉함으로써, 입자 접착이 방지되도록 입자 안내가 이루어질 수 있다. 이를 위해, 예컨대 입자 없는 경계층 및 채널의 급확대에 의한 경계층에서 플러싱 에어 난류의 최소화가 형성될 수 있다. 이 경우, 검사 창을 더 깨끗한 (즉, 입자 없는) 플러싱 에어로 차폐하고 재순환을 방지하기 위해 플러싱 에어가 스텝의 상부 및/또는 하부에서 블로잉될 수 있다.
대안으로서 또는 추가로 입자 없는 경계층은 다공성 측벽을 가진 연속적인 채널 확대 및 다공성 벽을 통한 균일한 공기 공급에 의해 형성될 수 있다.
대안으로서 또는 추가로, 회절 패턴을 검출하기 위한 광학 측정 장치에 홀이 배치될 수 있고, 상기 홀은 특히 레이저 빔의 직경에 상응할 수 있다. 이 경우, 검사 창은 리셋될 수 있다. 특히 링형 플러싱 에어 갭은 검사 창에 입자의 접착을 방지하기 위해 검사 창의 영역에 배치될 수 있다.
측정 장치의 신호는 제품 품질을 최적화하기 위해 및/또는 일정하게 유지하기 위해 사용될 수 있다. 이를 위해, 측정 장치는 제분기, 예컨대 롤러 제분기, 핀 제분기, 충격 제분기 또는 해머 제분기와 같은 하나 또는 다수의 분쇄 유닛과 조합해서 사용될 수 있다. 제분기의 제분 효과는 작동 중의 예컨대 롤러 쌍들 사이의 갭의 크기 및 평행성, 롤러 회전수 또는 롤러 회전수 비율에 의해, 입자 크기 분포 및/또는 다른 입자 특성이 미리 규정된 설정값에 상응하도록 조정될 수 있다. 롤러 평행성을 체크하기 위해, 하나의 가동 인출 지점 또는 적어도 2개의 고정 인출 지점에 의해 상이한 롤러 위치에서 하나 또는 다수의 부분 흐름이 분기되고 이들이 다수의 측정 시스템에 의해 동시에 또는 바람직하게는 하나의 측정 시스템에 의해 순차적으로 평가될 수 있다.
측정 장치에 의해 광학의, 기계적인 및/또는 공기 역학적 정화 또는 분리 프로세스, 예컨대 분류, 모니터링, 제어 및/또는 조절될 수 있다. 소정 입자 크기 분포는 이 경우 기계 파라미터, 예컨대 속도, 회전 수, 압력, 체적 흐름, 기계 구조 및 분리 장치의 구조의 조절에 의해 달성될 수 있다.
대안으로서 또는 추가로, 원 제품 및/또는 최종 제품의 특성을 혼합 과정에서 측정하기 위해 또는 혼합 과정을 적합하게 제어 및/또는 조절하기 위해 장치 또는 방법이 사용될 수 있다. 곡물 제분기에서, 분말, 거칠게 간 곡물, 특히 거칠게 간 듀럼 또는 옥수수, 또는 겨의 상기 방식으로 특수화된 최종 제품 품질이 더 정확히 얻어질 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 방법 및/또는 본 발명에 따른 장치에 의해, 혼합 공정 중에 혼합 비율 및/또는 기계 파라미터가 모니터링, 제어 및/또는 조절될 수 있다.
응집 프로세스에서, 예컨대 펠릿화 및/또는 프레스 응집시, 유동 층 내에서 및/또는 응고에 의한 응집시, 본 발명에 따른 장치 또는 본 발명에 따른 방법은 소정의 평균 응집 크기 또는 응집 크기 분포 및/또는 다른 응집 특성을 얻기 위해 사용될 수 있다. 이를 위해, 작동 중에 특히 제품 체류 시간, 프로세스 조건, 예컨대 온도, 습도, 흐름 속도 및/또는 다른 기계 또는 프로세스 파라미터가 제어, 조절 및/또는 최적화될 수 있다.
윤곽 검출시 컬러 센서의 사용에 의해, 입자 크기에 추가해서 입자의 부분 영역의 평균 색 또는 색 점유율이 검출될 수 있다. 바람직하게는 색에 추가해서 입자 형태 및/또는 형태 팩터가 결정된다. 색 정보는 입자의 재료 조성에 대한 정보를 만들기 위해 사용될 수 있다. 이로 인해, 곡물 입자의 경우 낯선 입자, 깨진 입자, 불순물, 예컨대 모래 및 돌 또는 해충 또는 병원체에 걸린 입자가 식별될 수 있다. 곡물 중간 제품 및 곡물 최종 제품에서 입자의 상이한 구성이 서로 구별될 수 있다. 밀의 경우 색 정보에 의해 하얀 밀가루, 갈색 껍질 부분 및 노란 배아가 서로 구별될 수 있다. 또한, 입자가 혼합 부분으로서 식별될 수 있고, 방법에 의해 입자의 개별 부분 영역이 양에 따라 검출되고 나타내질 수 있다. 이러한 조치는 특히 내용물와 관련해서 선택적인 제분 및 후속하는 내용물 분리가 필요한 프로세스에 사용될 수 있다. 컬러 이미지 센서의 사용에 의해 얻어지는 다른 장점들은 국제 특허 출원 PCT/EP2009/055877 에 개시된다.
적어도 2개의 조절 크기를 가진 시스템 또는 프로세스에서, 하나 또는 다수의 측정 장치가 데이터 메모리와 함께, 시스템 또는 프로세스의 작동 상태를 적어도 부분적으로 나타내고 이 상태를 예컨대 양호한 것으로 또는 좋지 않은 것으로 규정하기 위해 사용될 수 있다. 이로 인해, 시스템 또는 프로세스의 모니터링, 제어 또는 조절을 위한 적응성 시스템을 가능하게 하는 경험치가 생긴다. 바람직하게는 측정값을 기초로 시스템 또는 프로세스의 상태 범위가 수학적으로 나타내지고 보간되며 조절 및/또는 최적화된다.
조절 시스템에 의한 프로세스의 최적화를 위해, 입자 특성 및/또는 기계 상태 및/또는 시스템 상태의 포괄적인 검출이 다른 측정 장치와 측정 시스템의 조합에 의해, 예컨대 유도성, 용량성, 초음파, 근적외선 또는 컬러 센서의 보완에 의해 얻어질 수 있다.
장치는 조절의 실제값 및 설정값이 레이저 회절의 원시 데이터로서 또는 레이저 회절 스펙트럼으로서 주어짐으로써, 반드시 레이저 회절의 원시 데이터로부터 입자 크기 분포가 재구성될 필요가 없는 프로세스의 조절을 위해 사용될 수 있다. 방법은 계산 비용을 감소시키며 측정 시스템의 신호 대 잡음 비를 최적화한다.
입자 질량 또는 투영 면적과 관련한 조절 대신에 회절 스펙트럼에 직접 제공되는, 미세한 제품, 예컨대 미세한 입자를 가진 분말의 조절이 가능하다. 상기 방법은 적어도 입자의 크기 부분이 레이저 회절의 측정 범위 내에 있는 경우에 바람직하게 사용된다. 이는 미세한 제품(예컨대, 300 μm의 최대 크기를 가진)의 경우이다. 분말(전형적으로 150 μm 보다 작은 크기를 가진)에 이 방법이 적용될 수 있다.
본 발명에 의해, 선행 기술의 단점을 갖지 않으며, 특히 다수의 자릿수에 걸친 입자 크기 분포의, 벌크 재료 처리에 통합된 온라인 측정을 가능하게 하는 입자 크기 분포 결정 방법, 특히 입자 크기 분포의 광학 측정 방법이 제공된다.
본 발명은 하기에서 도면을 참고로 실시예로 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 사시도.
도 2는 도 1에 따른 장치의, 2개의 광학 센서를 포함하는 측정 장치의 측단면도.
도 3은 도 1 및 도 2에 따른 장치의 샘플러.
도 4a 및 도 4b는 수용 위치(a) 및 준비 위치(b)에서 샘플러 및 폐쇄 슬리브를 구비한 도 1에 따른 장치의 샘플러.
도 5는 입자의 체류 확률을 나타낸 도면.
도 6은 속도 효과의 정정을 설명하기 위한 개략도.
도 7a 및 도 7b는 검사 창을 구비한 제품 접촉 방지 수단의 개략도.
도 8a 및 도 8b는 검사 창을 구비한 다른 제품 접촉 방지 수단.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 사시도.
도 2는 도 1에 따른 장치의, 2개의 광학 센서를 포함하는 측정 장치의 측단면도.
도 3은 도 1 및 도 2에 따른 장치의 샘플러.
도 4a 및 도 4b는 수용 위치(a) 및 준비 위치(b)에서 샘플러 및 폐쇄 슬리브를 구비한 도 1에 따른 장치의 샘플러.
도 5는 입자의 체류 확률을 나타낸 도면.
도 6은 속도 효과의 정정을 설명하기 위한 개략도.
도 7a 및 도 7b는 검사 창을 구비한 제품 접촉 방지 수단의 개략도.
도 8a 및 도 8b는 검사 창을 구비한 다른 제품 접촉 방지 수단.
도 1에 따라 입자 흐름은 수직 라인(22) 내에서 수직으로 하부로 안내된다. 입자 흐름은 분쇄 프로세스에서 발생될 수 있는, 예컨대 제분기에서 분쇄, 정화 또는 분리 공정 후의 입자를 포함한다. 샘플러(1)로서 형성된 인출 수단에 의해, 측정점에서 입자의 부분 흐름이 인출되어 수평으로 개별화기 및 분산기(8)에 공급된다. 샘플 인출은 이하에서 도 2와 관련해서 더 정확히 설명된다. 개별화기 및 분산기(8)는 공지되어 있다. 분산기는 예컨대 평행 판(예컨대 WO 2006/000112에 설명된 바와 같은), 팬 또는 진동기로서 형성될 수 있거나 블레이드를 포함할 수 있다.
도 2에 따라, 입자를 포함하는 공기 흐름(10)은 채널(9) 내에서 고요하고 광학 측정 장치(4)의 2개의 광학 센서들(6, 7)에 공급되며, 상기 센서들은 하우징(61) 내부에 배치된다. 센서들(6, 7)은 2개의 다른 광학 측정 장치를 형성한다. 광학 센서(6)는 입자의 회절 패턴을 검출하기 위해 형성되는 반면, 광학 센서(7)는 입자의 투영 면적을 검출하기 위해 형성된다. 도시된 실시예에서, 광학 센서(7)는 광학 센서(6) 하류에 배치된다; 그러나 상기 순서는 본 발명에서 중요하지 않다. 채널(9)의 2개의 검사 창들(11, 11')은 공기 흐름(10) 내의 입자의 측정을 가능하게 한다. 센서들의 광축들은 흐름 방향에 대해 수직으로 배치될 수 있다. 또한, 반사를 피하기 위해, 하나의 센서 또는 2개의 센서의 광학적 수직 배치로부터 15°까지의 편차도 가능하다. 이 실시예에서 사용될 수 있는, 하우징 내에 수용된 2개의 센서들의 구체적인 조합은 예컨대 독일 특허 출원 DE 102009014080 에 개시되어 있다.
센서들(6, 7)을 통과한 입자들은 선택적 제품 피드백 라인에 의해 메인 흐름 내로 피드백될 수 있다.
2개의 광학 센서들(6, 7)의 측정 데이터를 통합함으로써, 4 자릿수까지의 대역 폭을 가진 입자 크기 분포가 검출될 수 있다. 따라서, 하나의 하우징 내에서 작은 입자에 대한 레이저 회절의 장점 및 큰 입자에 대한 입자 윤곽 검출의 장점이 통합된다.
측정 결과에 대한 가능한 영향을 피하기 위해, 측정 영역에서 입자 면적 할당(즉, 측정 영역에서 입자 면적 대 측정 면적의 평균 비율)이 일정하게 유지되는 것이 바람직하다. 바람직하게는 상기 비율이 0.2% 내지 5% 의 범위로 일정하게 유지된다. 이를 위해, 입자 면적 할당의 실제값 및 설정값이 시간에 따른 샘플 분할을 조절하기 위한 입력값으로서 사용될 수 있다.
도 3은 수직 라인(22)을 통해 흐르는, 메인 흐름으로부터 부분 흐름을 인출하기 위한 샘플러(1)를 상세히 도시한다. 샘플러(1)는 수평으로 배치된 인출 웜(5)을 포함한다. 인출 웜(5)의 하부면은 홈형 웜 케이싱(12) 내에 수용된다(참고 도 4a 및 도 4b 하부). 인출 웜(5)에 의한 인출은 인출된 샘플의 대표성을 보장한다.
웜 케이싱(12)으로부터 제품의 흘러나감, 그에 따라 작은 웜 배출시에도 제품의 분리를 방지하기 위해, 도 4a 및 도 4b에 따라 웜 케이싱(12)의 개구가 예컨대 회전 가능한 폐쇄 슬리브(3)에 의해 제어 또는 조절을 이용해서 단시간 동안만 개방될 수 있으므로(도 4a), 수용 위치(A)가 달성되고, 다시 폐쇄된다(도 4b). 폐쇄 슬리브는 인출 웜(5)의 회전 축에 대해 평행하게 연장하는 축을 중심으로 회전 가능하다. 도 4b에 따른 준비 위치(B)에서 입자(2)는 웜 케이싱(12)과 폐쇄 슬리브(3) 사이의 영역 내로 유입되지 않는다. 폐쇄 슬리브(3)는 여기에 도시되지 않은 구동 장치(31)에 의해 구동될 수 있다. 대안으로서, 웜 케이싱(12)의 개구를 개폐하기 위해 가동 안내판, 파이프 게이트 등이 사용될 수 있다.
이러한 장치들에 의해, 플렉시블한 시간 간격으로 국부적으로 충분히 대표적인 부분 흐름이 웜 케이싱(12) 내에서 인출될 수 있고, 메인 흐름에 비해 작은 일정한 송출 레이트로 광학 센서들(6, 7)을 가진 측정 장치(4)에 공급될 수 있다. 인출 웜(5)은 국부적 샘플 분할을 가능하게 하고, 인출 웜(5)의 폐쇄 슬리브(3)의 폐쇄는 시간 분할을 가능하게 한다. 시간적 샘플 분할의 간격에 의해 추가로 샘플링의 분할 비율이 프로세스 조건에 플렉시블하게 맞춰질 수 있다. 샘플 분할 방법의 조합에 의해, 1:10000까지의 큰 샘플 분할 비율이 가능해질 수 있다. 이는 순수하게 국부적인 샘플 분할에 있어 불가능한데, 그 이유는 이 경우 분리가 샘플의 대표성을 없애기 때문이다. 동시에, 인출된 제품 양이 순수하게 시간적인 샘플 분할에서보다 작고 추가로 연속적으로 배출된다. 웜의 폐쇄에 대한 대안으로서, 웜이 제품 흐름 밖으로 선회될 수 있다. 이를 위해, 인출 웜 및 웜 케이싱이 이동 가능하게, 특히 선회 가능하게 지지될 수 있고 준비 위치에서 제품 흐름 외부에 배치될 수 있다. 이 준비 위치에서, 인출 웜은 이미 존재하는 제품을 송출할 수 있지만, 새로운 제품을 수용할 수 없다. 샘플링을 위해, 웜이 채워질 때까지 인출 웜 및 웜 케이싱이 제품 흐름 내로 선회될 수 있다. 이 실시예에서는 폐쇄 슬리브가 필요없다. 프로세스 질량 흐름의 변동은 예컨대 제어 또는 조절에 의해 보상될 수 있다.
도 5에 따라, 가속된 흐름 내에서 예컨대 더 큰 입자(41)가 그것의 더 큰 질량으로 인해 더 작은 입자(42)보다 낮은 속도를 갖는다. 입자 속도가 검사 창(11)을 통해 검출 가능한 측정 영역 내의 입자(41, 42, 43)의 체류 시간, 그에 따라 직접 입자의 검출 확률을 결정하기 때문에, 광학적으로 검출된 입자 크기 분포가 이와 관련해서 정정되어야 한다. 상대 또는 절대 속도가 개별 입자에 대해 또는 각각의 관련 입자 크기 부류에 대해 적어도 평균화되어 공지되어야 한다. 각각의 입자 크기 부류의 웨이팅은 입자 속도 및 입자 크기 (예컨대 투영 면적, 직경 또는 평가된 체적)의 함수로서 주어진다. 이로 인해, 더 큰 입자의 속도 분포가 직접 측정될 수 있다. 레이저 회절에 의해 측정된 분포의 미세 부분은 더 작은 입자 치수 및 질량으로 인해 거의 일정한 속도를 갖는다. 후자는 입자 윤곽 처리에 의한 속도 측정으로부터 외삽에 의해 결정될 수 있다.
도 6은 카메라 시스템에 의해 부분적으로 또는 완전히 검출되는 제품 채널을 개략적으로 도시한다. 입자(n)의 검출 확률은 이 경우 여기에 도시되지 않은 광학 센서의 이미지 높이(H), 이미지 길이(B) 및 이미지 레이트(f) 그리고 입자 속도에 의존한다.
이미지 속도(vB)는 메인 흐름 방향으로 검출 체적을 가로지르는 각각의 입자가 하나의 측정 시리즈의 하나의 이미지에서 정확히 검출되는 속도로 정의된다:
vB = f*L (1)
예컨대, L = 15 mm 이고 f = 50 Hz 일 때, 값 VB = 0.75 m/s 이다. 신속한 입자(vi ,n > vB)는 시간적 샘플 분할에 상응하는 검출 확률 Pm < 100%로 측정된다:
Pm = vB/vi ,n (2)
인덱스(i)는 이 경우 입자(n)의 입자 크기 부류를 나타낸다. 느린 입자(vi ,n < vB)는 1/Pm > 1 이미지들에서 통계학적 평균으로 검출된다. 각각 제 1 측정만이 입자 크기 통계를 개선하기 때문에, 입자 속도가 적어도 이미지 속도와 동일한 크기로 선택되어야 한다.
등식(2)은 Pm 이 입자(n)의 개별적인 속도에 의존한다는 것을 나타낸다. 이는 입자 질량 분포 또는 면적 분포의 결정시 고려되어야 한다. 1차적으로 이미지 당 입자 크기 분포는 중요하지 않고, 개별 입자 크기 부류의 질량 흐름 양이 중요하다. 따라서, 입자 투영 면적 또는 입자 질량과 속도의 곱이 입자 크기 특성에 대한 기초이다. 움직이지 않는 입자들이 예컨대 각각의 이미지에서 검출되지만, 질량 흐름에 기여하지 않기 때문에, 속도 제로로 웨이팅되고 고려되지 않는다.
전체적으로 하나의 입자 크기 부류의 이미지들(i ntot ,i), 투영 면적의 입자들(ai ,n) 및 속도들(vi ,n)이 임의의 수로 검출되면, 입자 부류(i)의 속도 정정된 전체 투영 면적이 주어진다:
입자 크기 부류(i)의 정정된 투영 면적 양(αi)가 주어진다:
흐름 방향에 대해 횡으로 흐름 프로파일이 고려되어 정정하기에 적합하도록, 등식 (3) 및 (4)은 바람직하게 전체 채널 폭에 관련되지 않고, 폭 섹션(k)(도 6, 메인 흐름 방향에 대해 횡으로 이산화)에 관련될 수 있다. 여기서, 지금까지의 고려와 유사하게 적용된다:
검사 창(11)의 깨끗함이 측정의 품질에 결정적이다. 검사 창(11)에 대한 입자 접착을 최소화하기 위해, 물리적 및/또는 화학적 접착력, 예컨대 반데르발스 힘, 수소 결합, 쌍극자 힘 및/또는 액체 브릿지가 최소이도록 유리 재료 및/또는 유리 표면 구조가 선택된다. 벽 접촉하는 이동 벌크 재료에서 종종 발생하는 정전하에 의해 증대되는 정전력을 얻는 것이 특히 중요하다. 정전 입자 접착은 전기 전도성 유리 또는 투명한 플라스틱으로 이루어진 검사 창에 의해 현저히 감소되거나 또는 완전히 방지될 수 있다. 이를 위해, 바람직하게는 전기 전도성 코팅된 검사 창이 사용되고, 상기 창에서 채널 내부면 상의 유리 또는 플라스틱에 예컨대 인듐주석 산화물로 이루어진 필름이 코팅된다. 대안적 코팅은 특히 실리콘 산화물 베이스의 재료 또는 TiO2(바람직하게는 산소 결핍 상태의) 일 수 있다. 추가로, 가열, 냉각, 또는 교번하는 가열 및 냉각에 의해 접착의 재료 특성이 변화되어 오염이 최소화될 수 있다. 예컨대 압전 소자에 의한 검사 창의 진동에 의해, 추가로 또는 대안으로 입자 접착력이 극복될 수 있고, 따라서 검사 창의 더 큰 깨끗함이 얻어질 수 있다.
추가로, 입자 속도는 상이한 제품들에 대해, 검사 창 오염이 가능한 적도록, 최적화된다. 더 높은 속도는 검사 창의 채널 내부면에서 유체 역학적 경계층 두께를 줄이기 때문에, 더 큰 전단력 및 이동되는 입자와 접착된 입자 사이의 에너지가 풍부한 충돌을 야기한다. 이로부터, 흐름 속도가 커짐에 따라 자체 정화 효과가 커진다. 전기 전도성 코팅된 검사 창과 결합해서 더 미세한 제품, 예컨대 분말 및 10 m/s 보다 큰 평균 흐름 속도에 대해 자체 정화 효과가 나타나고 충분히 깨끗한 검사 창을 야기한다.
이에 반해, 예컨대 통곡과 같은 거친 입자에서는 큰 입자 속도가 불리할 수있는데, 그 이유는 더 큰 중력에 의해 입자가 검사 창에 부딪힐 때 더 미세한 제품에 비해 검사 창에 대한 더 강한 재료 침착이 나타날 수 있기 때문이다. 이러한 효과는 곡물 제품에서, 특히 지방 및/또는 단백질이 풍부한 입자 표면에서 나타나며, 검사 창의 광학적 특성을 떨어뜨린다. 추가로, 더 큰 중력은 부품 및 검사 창의 마모를 촉진시킨다. 상기 부정적 영향은 더 높은 속도에서 바람직한 자체 정화 효과에 비해 우세할 수 있기 때문에, 더 낮은 속도(< 15 m/s)가 바람직하다. 흐름 채널의 구조적인 조건에 의해서도 제품 안내는, 입자가 검사 창과 접촉하지 않거나 또는 드물게만 접촉함으로써, 입자 접착이 방지되도록, 최적화될 수 있다.
이를 위해, 예컨대 도 7a에 따라 입자 없는 경계층 및 채널의 급확대에 의한 경계층에서의 플러싱 에어 난류의 최소화가 형성된다. 이러한 목적을 위해, 제품 흐름(2)이 내부 채널(52)을 통해 안내되고, 상기 내부 채널은 더 큰 채널 높이를 가지고 외부에 배치된 외부 채널(53)의 내부 공간에서 끝난다. 제품 흐름(2)은 상기 단부(55)에서 내부 채널(52)로부터 배출될 수 있다. 외부 채널(53)의 벽은 2개의 검사 창들(11)을 포함하고, 상기 검사 창들은 내부 채널(52)의 단부(55)의 영역 내에 배치된다. 내부 채널(52)과 외부 채널(53) 사이에 플러싱 에어(10)가 흐르고, 상기 플러싱 에어는 제품 흐름(2)을 검사 창(11)으로부터 멀리있게 함으로써, 그 오염을 방지한다.
대안으로서, 도 7b에 따라 입자 없는 경계층은 다공성 측벽(51)을 가진 채널의 연속하는 확대에 의해 형성되고, 균일한 공기 공급은 다공성 측벽(51)에 의해 형성된다. 채널은 도시된 실시예에서 18°의 각(α)으로 확대된다. 그러나, 다른 각, 바람직하게는 6°내지 30°도 가능하다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 다른 변형예에서는 뒤로 물러난 검사 창(11) 및 검사 창(11)의 영역에 있는 링형 플러싱 에어 갭(85)을 가지고 레이저 빔의 직경에 따라 홀이 배치될 수 있다. 도 8a의 분해 사시도에 따라 플러싱 에어가 공기 유입부(81)를 통해 공기 채널(86) 내로 유입되고 공기 배출부(82)에서 링형 플러싱 에어 갭(85) 내로 배출된다. 거기서부터, 플러싱 에어는 홀(84)을 통해 방사방향으로 채널(9) 내로 흐른다(도 8b 참고). 채널(9)의 2개의 마주 놓인 측면에는 각각 하나의 검사 창(11)이 배치된다. 검사 창들 중 하나만이 도 8a에 도시된다. 상기 검사 창(11)은 커버(83)에 의해 고정된다.
도 8b의 측단면도에 따라 레이저 빔(L)이 2개의 마주 놓인 검사 창들(11), 홀들(84) 및 채널들(9) 그리고 그 안에 안내되는 제품 흐름을 통해 안내된다. 공기 배출부(82) 및 홀들(84)을 통해 채널(9)의 방향으로 흐르는 플러싱 에어로 인해, 제품 흐름 내에 포함된 입자가 검사 창(11)으로 도달할 수 없고, 이는 그 오염을 방지한다.
1 샘플러
3 폐쇄 슬리브
5 인출 웜
6, 7 측정 장치
11 검사 창
12 웜 케이싱
3 폐쇄 슬리브
5 인출 웜
6, 7 측정 장치
11 검사 창
12 웜 케이싱
Claims (15)
- 입자 크기 분포 결정 방법에 있어서,
a) 제조 방법에 의해 입자를 포함하는 제품 흐름을 제조하는 또는 제조 방법에 의해 제조된 입자를 포함하는 제품 흐름의 제공하는 단계로서, 상기 제조 방법은 분쇄, 정화, 분리, 혼합 및 응집 방법 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 단계,
b) 입자의 적어도 일부의 검출에 의해 측정 데이터를 발생시키는 단계로서, 적어도 2개의 상이한 광학 측정 방법에 의해 적어도 입자의 부분을 광학 검출함으로써 측정 데이터를 발생시키는 단계,
c) 단계 b)에서 광학적으로 검출된 측정 데이터를 기초로 입자의 부분의 적어도 하나의 특성을 결정하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 특성은 입자의 부분의 크기 분포인 단계
를 포함하고, 적어도 하나의 광학 측정 방법은 입자의 부분의 회절 패턴 검출을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 분포 결정 방법. - 제 1항에 있어서, 단계 a)에서 제조된 또는 제공된 제품 흐름으로부터 입자를 포함하는 샘플이 인출되고, 단계 b)에서 상기 샘플 내의 입자들이 광학적으로 검출되는 것을 특징으로 하는 입자 크기 분포 결정 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 측정 방법 중 적어도 하나의 방법은 단계 b)에서 입자의 투영 면적 검출을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 분포 결정 방법.
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 c)에서 결정된 특성은 입자의 부분의 형태, 형태 팩터, 색, 색 점유율 및/또는 속도를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 분포 결정 방법.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제조 방법은 분쇄 방법, 특히 제분 방법인 것을 특징으로 하는 입자 크기 분포 결정 방법.
- 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제조 방법의 적어도 하나의 프로세스 파라미터가 단계 c)에서 결정된 특성을 기초로, 특히 입자의 부분의 크기 분포를 기초로 제어 및/또는 조절되는 것을 특징으로 하는 입자 크기 분포 결정 방법.
- 특히 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하기 위한, 입자 크기 분포 결정 장치에 있어서,
- 분쇄, 정화, 분리, 혼합 및 응집 방법으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 제조 방법에 의해 입자를 포함하는 제품 흐름을 제조하는 제조 장치 및/또는 상기 제조 방법에 의해 제조된 입자를 포함하는 제품 흐름을 제공하는 제공 장치,
- 입자의 적어도 일부의 검출을 위한 적어도 2개의 측정 장치로서, 상기 측정 장치들 중 적어도 2개의 측정 장치는 입자의 부분을 광학 검출하기 위한 2개의 상이한 광학 측정 장치(6, 7)로 형성되는 측정 장치,
- 광학 측정 장치에 의해 결정된 측정 데이터를 기초로 입자의 부분의 적어도 하나의 특성을 결정하기 위한 계산 유닛으로서, 상기 적어도 하나의 특성은 입자의 부분의 크기 분포인 계산 유닛
을 포함하고, 적어도 하나의 광학 측정 장치(6)는 입자의 회절 패턴을 검출하기 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 입자 크기 분포 결정 장치. - 제 7항에 있어서, 상기 장치는 상기 제품 흐름으로부터 샘플을 인출하기 위한 인출 수단 및 측정 영역으로 상기 샘플을 이송하기 위한 이송 수단을 포함하고, 상기 측정 장치는 샘플이 상기 측정 영역에서 상기 측정 장치에 의해 광학적으로 검출될 수 있도록 형성되고 배치되는 것을 특징으로 하는 입자 크기 분포 결정 장치.
- 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 적어도 하나의 광학 측정 장치(7)는 입자의 투영 면적을 검출하기 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 입자 크기 분포 결정 장치.
- 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정 장치들 중 적어도 하나의 측정 장치는 유도성, 용량성, 초음파, 근적외선 및/또는 컬러 센서로서 형성되는 것을 특징으로 하는 입자 크기 분포 결정 장치.
- 제 7항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 제어 회로 및/또는 조절 회로가 제공되고, 상기 회로에 의해 상기 제조 장치의 적어도 하나의 프로세스 파라미터가 상기 계산 유닛에 의해 결정된 특성을 기초로, 특히 입자의 부분의 크기 분포를 기초로 제어 또는 조절되는 것을 특징으로 하는 입자 크기 분포 결정 장치.
- 특히 제 2항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 방법에서 및/또는 제 7항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 장치에서, 흐름 라인 내에 안내되는 제품 흐름으로부터 샘플을 인출하기 위한 샘플러(1)로서,
- 상기 흐름 라인 내에 적어도 부분적으로 배치되거나 배치될 수 있는 웜 케이싱(12),
- 적어도 부분적으로 상기 웜 케이싱(12) 내에 수용된, 샘플 인출을 위한 인출 웜(5)을 포함하는 샘플러에 있어서,
상기 웜 케이싱(12) 및/또는 상기 인출 웜(5)은 선택적으로 수용 위치(A) 또는 준비 위치(B)로 이동될 수 있고,
- 상기 수용 위치(A)에서 제품 흐름 내에 포함된 입자(2)들이 상기 웜 케이싱(12) 내에 수용될 수 있고,
- 상기 준비 위치(B)에서 제품 흐름 내에 포함된 입자(2)들이 상기 웜 케이싱(12) 내에 수용될 수 없는 것을 특징으로 하는 샘플러. - 제 12항에 있어서, 상기 샘플러(1)는 폐쇄 수단을 포함하고, 상기 폐쇄 수단에 의해 상기 웜 케이싱(12) 및/또는 상기 인출 웜(12)이 선택적으로 상기 수용 위치(A) 또는 상기 준비 위치(B)로 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 샘플러.
- 제 13항에 있어서,
- 상기 웜 케이싱(12)이 실질적으로 홈형으로 형성되고,
- 상기 폐쇄 수단이 폐쇄 슬리브(3)로서 형성되고, 상기 폐쇄 슬리브는 상기 웜 케이싱(12)에 대해 상대적으로, 상기 인출 웜(5)의 회전 축에 대해 평행하거나 또는 상기 회전 축과 일치하는 축을 중심으로 회전 가능한 것을 특징으로 하는 샘플러. - 적어도 부분적으로 전기 전도성의, 특히 전기 전도성 코팅을 포함하는 투명한 재료의, 특히 광학 측정 장치(6, 7) 내의 검사 창(11)에 정전 입자 접착을 감소시키기 위해 검사 창(11)으로서의 용도.
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