WO2000020837A2 - Online-partikelgrössenmessgerät - Google Patents

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WO2000020837A2
WO2000020837A2 PCT/DE1999/003187 DE9903187W WO0020837A2 WO 2000020837 A2 WO2000020837 A2 WO 2000020837A2 DE 9903187 W DE9903187 W DE 9903187W WO 0020837 A2 WO0020837 A2 WO 0020837A2
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WO
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particles
deflection unit
particle size
focal plane
measuring
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Peter Kalkert
Winfried Clemens
Jürgen PETRUSCHKE
Andreas Boyer
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Kima Gesellschaft Für Echtzeitsysteme Und Prozessautomation Mbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0007—Investigating dispersion of gas
    • G01N2015/0011—Investigating dispersion of gas in liquids, e.g. bubbles

Definitions

  • the invention relates to a device according to the preamble of claim 1 or 11.
  • IL 90-93634 for example, an arrangement and method for measuring particle size distributions is described, which is known under the name "Time Of Transition”.
  • lens and a precisely adjusted, very small pinhole is converted into a TEM 0 mode.
  • This beam is deflected around its direction of propagation with a rotating glass wedge and strongly focused with a lens (beam diameter in the range of ⁇ m), then again collected with another lens and directed onto a detector, in the focal plane of the first lens the focus describes a circle. Particles that are brought into the focal plane with a slide interrupt the beam when it passes over them. The duration of the interruption is measured by the detector and the particle size is determined from the known speed of the beam.
  • the particles In order to obtain an accurate result, the particles must only move slowly in comparison to the beam. For this reason, they are slowly moved through the measuring zone with a slide. A typical measuring process takes 5 - 10 minutes.
  • HeNe lasers are gas lasers that have to be operated with high voltage and have glass tubes. They are sensitive to vibrations, changes in temperature and any condensation that may occur. The high voltage represents a potential hazard under production conditions.
  • the spatial filter is used to generate a TEM 0 o mode, since only this can be focused on sufficiently small diameters. Such an arrangement alone is very sensitive to vibrations and changes in temperature. However, the laser beam must still be coupled into this arrangement and must not fluctuate with respect to it. 3. Measuring duration and accuracy depend directly on the speed of the rotating beam, since one particle is measured in each case and this may move as slowly as possible or not at all relative to the beam. The required movement of the beam is brought about with a rotating glass wedge. In order to achieve sufficient accuracy for measuring purposes, the wedge must be brought to speed in a high-precision hollow shaft bearing. The speeds that can be reached quickly reach mechanical limits, since strong drives are required for frequencies from 100 to 200 Hz, which in turn cause vibrations in the optical structure.
  • the arrangement with a rotating glass wedge directly specifies the movement figure of the laser focus in the form of a circle. No other shapes are possible.
  • the diameter of the circle is determined by the wedge angle and the focal length of the focusing lens. Any variation in this diameter that may be required by changing the task can only be achieved by exchanging the components.
  • An online measurement especially on dry materials, must be able to measure airborne particles that are continuously branched off from the product stream.
  • the beam has to move 5 - 10 times faster than the particles. Deflection speeds are required for this, which cannot be achieved with the rotating glass wedge.
  • the object of the invention is to provide a device for measuring particle size distributions, which is insensitive to shocks, temperature changes, and weather, and allows free-falling particles to be measured in a continuous product stream.
  • This object is achieved by a device with the features of claim 1.
  • the object is further achieved by a device according to the entirety of the features according to claim 11. Further expedient or advantageous embodiments or variants can be found in the subclaims which refer back to each of these claims.
  • the beam of a diode laser is coupled into a "single-mode fiber" which only transports this TEM 0 -mode without loss. Since the laser is in a fixed housing and the fiber is connected to this housing with a precision connector, there are no adjustment problems.
  • the fiber itself is basically insensitive to vibrations.
  • the output of the fiber also has an optical precision connector and is connected to the next unit for deflecting the beam without further adjustment.
  • electro- or acousto-optic deflectors can be used, which reach deflection frequencies of up to several MHz. Deflection frequencies of a few kHz can be achieved with mechanical, electromagnetic, electrostatic or piezoelectric moving scanners.
  • Electro and acousto-optical deflector units are made of crystals or glass and are not sensitive to shocks or temperature fluctuations. Mechanical scanners are operated in closed control loops, which ensure a high effective "rigidity" and temperature independence of the mechanical components.
  • deflection speeds can easily be achieved, which are a measurement of particles freely falling in air enable.
  • the movement can be controlled with electronic function generators, which makes almost any movement possible. In particular, it is easily possible to adapt the amplitude of the deflection to the respective requirements.
  • the beam also describes a figure in the focal plane behind the converging lens (9) which must lie completely on the detector. This can lead to fluctuations in the signal, since it is known that large-area detector diodes have a spatially varying sensitivity, and an excessively focused beam can also destroy the detector diode.
  • the response speed of the detector is greater, the smaller its area, which is advantageous for the measuring process.
  • the beam behind the converging lens (9) is therefore captured by non-imaging optics, for example an integrating sphere (12), and diffusely reflected on a detector. This allows the use of a small detector with a high response speed, avoids the destruction due to an insufficient focus on the detector surface and avoids the problem of locally varying detector sensitivity.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of the optical structure of a particle measuring device in a side view
  • Fig. 2 an embodiment with a non-imaging optics for collecting the light after the converging lens (9);
  • FIG. 3 Schematic structure of the online particle sensor
  • Fig. 4 Principle of an online Particle Sen invention ⁇ sors
  • Fig. ⁇ fineness control of a grinding plant according to the invention with OPS and fuzzy control engine
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of the optical construction of a particle measuring device in a side view.
  • the beam from a laser diode 1 is coupled into a single-mode optical fiber 2 via an optical connector unit 2a.
  • the beam emerges as TEMoo mode 3 and is converted by the lens 4 into a parallel beam.
  • the deflection unit 5 deflects the beam in one or two dimensions and generates the desired form of movement, which is controlled by the function generator 5a.
  • the focusing lens 6 focuses the beam in its focal plane, where it moves accordingly. Free falling particles 7 that are swept by the beam focus 8 in the focal plane temporarily interrupt the beam. The beam diverging again behind the focal plane is collected by the converging lens 9 and directed onto the detector 10.
  • the signal of the detector is measured and evaluated by electronics 11.
  • the beam behind the converging lens 9 is captured by non-imaging optics, here an integrating sphere 12, and directed diffusely onto the detector 10.
  • lens 4 is omitted and the deflection unit deflects the beam diverging directly from plug 2b.
  • a window can be placed in front of these lenses as between the spatial area of the particles 7 and the lens 6 or 9 adjacent to them. It is advantageous to place the entire arrangement on a common base plate and to avoid adjustments by fixed plug units.
  • the particles to be measured are suspended in a liquid or are transported into the focal plane of the lens 6 on an optically transparent carrier material.
  • the particle size distribution actually achieved is determined in practice by regular sampling and subsequent measurement in the laboratory.
  • the grinding cycle is then corrected - often by manual intervention until the desired distribution has been achieved. Since there is a relatively long period between sampling, measurement and correction, it cannot be ruled out that the grinding system may produce large quantities of products with the wrong particle size distribution.
  • the measuring device allows the particle size distribution to be determined using the online method. Together with a suitable controller that processes several parameters of the grinding process, a control circuit is set up with the aid of this device, which quickly moves a grinding system to "the point" and also stops there.
  • the measuring device according to the invention which is to be used for online analysis of particle sizes in a grinding plant, naturally has to meet completely different criteria than a laboratory device.
  • the most important requirements that such a device has to meet are a simple measuring principle, good resolution and a high measuring speed.
  • the device according to the invention should have the property of being able to calibrate itself.
  • a robust construction and simple maintenance are advantageous in the device for online analysis according to the invention.
  • the device according to the invention works according to the so-called "time of transition principle", in which a laser beam is focused so strongly that the focus diameter is in the range of a few light wavelengths ( ⁇ ⁇ m). At the same time, the beam is quickly deflected transversely to its direction of propagation, with the incoming light intensity being measured behind the focal plane by a fast detector. If you let particles fall through the focus area, they are swept by the fast moving beam and interrupt it. The intensity on the detector drops very quickly to zero and rises again to the old value when the particle is swept over. If the beam deflection speed is known, the diameter of the particle can then be determined immediately from the duration of the dark phase. The particle diameter is calculated
  • FIG. 3 shows the construction diagram of the sensor according to the invention and FIG. 4 shows the associated measuring principle according to the invention.
  • This measuring principle combines several advantages:
  • the measurement is based on a time measurement, which can be carried out easily and with very high accuracy using modern quartz oscillators and eliminates the need for calibration.
  • the measuring zone is only defined via optical parameters.
  • the measuring cell itself is so large that there is no risk of clogging. Particles that fall through the beam outside the measuring zone are not detected and have no disruptive influence on the measuring process.
  • the absolute level is not important when measuring the light intensity. Only a rapid decrease or increase in the
  • Intensity is enough to recognize a particle.
  • the method works safely even with fluctuating intensity.
  • the measuring device To carry out an online measurement in a grinding plant, the measuring device must be able to directly remove the particles from a mass flow of the production process, i.e. H. to be able to measure without further preparation.
  • the measuring method can measure free-falling particles dispersed in air.
  • a small mass flow For the online measurement, a small mass flow must be branched off from the product flow and atomized using a Venturi nozzle. This mass flow is measured directly and permanently without any further measures.
  • the measurement is stable and statistically reliable within a few seconds. The response time to changes is only a few seconds.
  • FIG. 5 shows a cement sample that was measured with the measuring device and an RRSB curve that was adapted to the measured values. The curve shows the course of the measured values well.
  • FIG. 6 shows how such a measuring device with a fuzzy controller can be integrated into a grinding system with little effort.
  • Light can be focused on very small diameters, although there are limits that are determined by the properties of the optics used and, above all, by the light source. It is best to focus coherent laser light. With suitable measures, diameters of 2 to 4 light wavelengths can be achieved.
  • the red light of the frequently used semiconductor laser has a wavelength of 0.635 ⁇ , which means that focus diameters from 1.2 to 2.4 ⁇ m can be achieved.
  • the intensity of a laser beam across the diameter follows a Gaussian distribution:
  • the radius is defined as the point at which the intensity has dropped to 1 / e.
  • the beam In order to bring the beam to such a small diameter, it has to be focused by an optic with a very short focal length. This means that the beam has to run together very quickly, but also have to diverge just as quickly. Shortly before and shortly after the focal point, the beam is again quite thick. Particles that are captured by the beam in front of or behind the focal point cannot cover it completely and only lead to a slight decrease in the intensity, so they are practically not "perceived” and sorted out by the measuring electronics.
  • the measuring method according to the invention offers a unique advantage: the measuring zone is determined exclusively and unambiguously only by optical parameters, which means that neither mechanical nor complex mathematical operations are necessary in order to determine where to measure.
  • the measuring device according to the invention and the device according to the invention also offer comparable advantages.
  • the most general form is a device for on-line measurement of the size distributions of particles using means (1, 2, 2a, 2b, 3, 4, 5, 6) to form a focused one Light beam in a focal plane, means (9, 10, 11, 12) for collecting and determining the intensity of the light beam behind the focal plane, moving particles (7) in the spatial region of the focal plane of this focused beam and means (5, 5a) for sweeping them over movable particles are provided with the focused light beam.
  • the light beam should perform a sufficient, preferably rapid, relative movement to determine the transition time.
  • Particularly suitable particles are particles from at least one of the substances from the group cement, flour, food or pharmaceutical, the size and size distribution (s) of which can be determined using the device according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Online-Messung von Partikelgrößenverteilungen. Das 'time of transition' -Verfahren, das einen extrem fokussierten Laserstrahl sehr schnell über luftdispergierte Partikel ablenkt, verspricht eine schnelle Messung. Das Meßprinzip garantiert ein hohes Maß an Robustheit. Einer gemessenen Partikelgrößenverteilung wird dann einer RRSB-Verteilung angepaßt, mit deren Parametern eine Fuzzy-Regelung für Mahlanlagen angesteuert werden kann.

Description

B e s c h r e i b u n g
Online-Partikelgrößenmeßgerät
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 11.
Für viele Produktionsprozesse, die pulverförmige Medien herstellen, ist es wichtig, die Partikelgroßenverteilung des Produktes bereits während des Produktionsprozesses, also "Online", messen zu können. Beispiele hierfür finden sich in der Zement-, der Le- bensmittel - (z.B. Mehl), der Druck-, der pharmazeutischen- und weiteren Industrien.
Des weiteren kommen hier alle Prozesse in Frage, die kleine Partikel, wie zum Beispiel Zellen oder ähnliches erzeugen.
Es ist gängige Praxis, in größeren zeitlichen Abständen Proben aus den Prozessen zu nehmen und deren Partikelgroßenverteilung im Labor "Offline" zu messen. Diese Vorgehensweise führt zu starken Schwankungen von Produktqualität und -menge, da Abwei- chungen vom Sollwert erst mit großer zeitlicher Verzögerung korrigiert werden und die Korrektur u.U. erst zu einem Zeitpunkt erfolgt wo die aktuelle Korngrößenverteilung bereits wieder von der zuletzt gemessenen abweicht.
In IL 90-93634 wird z.B. eine Anordnung und Methode zur Messung von Partikelgroßenverteilungen beschrieben, die unter der Bezeichnung „Time Of Transition" bekannt ist. Sie setzt einen He- Ne-Laser ein, dessen Strahl mit einem Raumfilter (einer Anord- nung aus Linsen und einer präzise justierten sehr kleinen Lochblende) in einen TEM0o-Mode überfuhrt wird. Dieser Strahl wird mit einem rotierenden Glaskeil um seine Ausbreitungsrichtung abgelenkt und mit einer Linse stark fokussiert (Strahldurchmesser im Bereich von μm) , anschließend mit einer weiteren Linse wieder gesammelt und auf einen Detektor gelenkt, in der Brennebene der ersten Linse beschreibt der Fokus einen Kreis. Partikel, die mit einem Objektträger in die Brennebene gebracht werden, unterbrechen den Strahl, wenn er über sie hinweglauft. Die Dauer der Un- terbrechung wird vom Detektor gemessen und aus der bekannten Geschwindigkeit des Strahls die Partikelgroße ermittelt.
Um ein genaues Ergebnis zu erhalten, dürfen sich die Partikel nur langsam im Vergleich zum Strahl bewegen. Aus diesem Grunde werden sie mit einem Objektträger langsam durch die Meßzone bewegt. Ein typischer Meßvorgang dauert 5 - 10 Minuten.
Eine solche Anordnung eignet sich aus folgenden Gründen nicht zur Online-Messung an Produktionsanlagen, wo mit Erschutterun- gen, Temperaturgangen und weiteren Störungen zu rechnen ist:
1. HeNe-Laser sind Gaslaser, die mit Hochspannung betrieben werden müssen und eine Glasrohre haben. Sie sind empfindlich gegen Erschütterungen, Temperaturwechsel und evtl. auftretendes Tauwasser. Die Hochspannung stellt unter Produktionsbedingun- gen ein Gefahrdungspotential dar.
2. Das Raumfilter dient zur Erzeugung eines TEM0o-Mode, da nur dieser auf genügend kleine Durchmesser fokussiert werden kann. Eine solche Anordnung ist bereits alleine sehr empfindlich für Erschütterungen und Temperaturgange. Der Laserstrahl muß aber noch in diese Anordnung eingekoppelt werden und darf ihr gegenüber nicht schwanken. 3. Meßdauer und -genauigkeit hängen direkt von der Geschwindigkeit des rotierenden Strahls ab, da jeweils ein Partikel gemessen wird und dieses sich relativ zum Strahl möglichst langsam oder gar nicht bewegen darf. Die erforderliche Bewegung des Strahls wird mit einem rotierenden Glaskeil hervorgerufen. Um eine für Meßzwecke ausreichende Genauigkeit zu erreichen, muß der Keil in einem hochpräzisen Hohlwellenlager auf Drehzahl gebracht werden. Die erreichbaren Drehzahlen stoßen schnell an mechanische Grenzen, da für Frequenzen von 100 - 200 Hz bereits starke Antriebe erforderlich sind, die ihrerseits wieder Erschütterungen des optischen Aufbaus hervorrufen.
4. Die Anordnung mit einem rotierenden Glaskeil gibt direkt die Bewegungsfigur des Laserfokus in Form eines Kreises vor. Andere Formen sind nicht möglich. Der Durchmesser des Kreises wird vom Keilwinkel und der Brennweite der fokussierenden Linse vorgegeben. Eine, durch Änderung der Aufgabenstellung evtl. erforderliche, Variation dieses Durchmessers kann nur durch einen Austausch der Komponenten erfolgen.
5. Eine Online-Messung, insbesondere an trockenen Materialien, muß in der Lage sein, in Luft frei fallende Partikel, die kontinuierlich aus dem Produktstrom abgezweigt werden, messen zu können. Der Strahl muß sich dazu 5 - 10 mal schneller bewegen als die Partikel. Hierzu sind Ablenkgeschwindigkeiten erforderlich, die sich mit dem rotierenden Glaskeil nicht erreichen lassen .
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Messung von Partikelgroßenverteilungen zu schaffen, die unempfindlich gegen Erschütterungen, Temperaturgänge, und Witterung ist, und es gestattet, frei fallende Partikel in einem kontinuierlichen Produktstrom zu messen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 11. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausführungsformen oder Varianten finden sich in den auf jeweils einen dieser Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird der Strahl eines Diodenlasers in eine "Sin- gle-Mode-Faser" eingekoppelt, die nur diesen TEM0o-Mode verlustfrei transportiert. Da sich der Laser in einem festen Gehäuse befindet und die Faser mit einem Präzisionsstecker mit diesem Gehäuse verbunden wird, entfallen Justageprobleme . Die Faser selbst ist grundsätzlich unempfindlich gegen Erschütterungen. Der Ausgang der Faser besitzt ebenfalls einen optischen Präzisionsstecker und wird ohne weitere Justage mit der nächsten Einheit zum Ablenken des Strahls verbunden.
Zum schnellen Ablenken des Strahls können beispielsweise elek- tro- oder akustooptische Deflektoren eingesetzt werden, die Ablenkfrequenzen bis zu mehreren MHz erreichen. Ablenkfrequenzen von einigen KHz lassen sich mit elektromagnetisch, elektrostatisch oder piezoelektrisch bewegten, mechanischen Scannern erreichen.
Elektro- und akustooptische Deflektoreinheiten bestehen aus Kristallen oder Glas und sind nicht empfindlich gegen Erschütterungen oder Temperaturschwankungen. Mechanische Scanner werden in geschlossenen Regelkreisen betrieben, die auf elektronischem We- ge für eine hohe effektive "Steifheit' und Temperaturunabhängigkeit der mechanischen Komponenten sorgen.
Mit diesen Ablenkeinheiten sind leicht Ablenkgeschwindigkeiten erreichbar, die eine Messung an in Luft frei fallenden Partikeln ermöglichen. Die Bewegung kann mit elektronischen Funktionsgeneratoren gesteuert werden, wodurch nahezu beliebige Bewegungsformen möglich sind. Insbesondere ist es einfach möglich die Amplitude der Ablenkung den jeweiligen Erfordernissen anzupassen.
Der Strahl beschreibt in der Brennebene hinter der Sammellinse (9) ebenfalls eine Figur, die vollständig auf dem Detektor liegen muß. Dies kann zu Schwankungen im Signal führen, da bekannt ist, daß großflächige Detektordioden eine räumlich variierende Empfindlichkeit haben, außerdem kann ein zu stark fokussierter Strahl die Detektordiode zerstören. Darüber hinaus ist die Ansprechgeschwindigkeit des Detektors umso größer, je kleiner seine Fläche ist, was für den Meßprozeß vorteilhaft ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung wird deshalb der Strahl hinter der Sammellinse (9) von einer nichtabbildenden Optik, beispielsweise einer Ulbrichtkugel (12) , aufgefangen und diffus auf einen Detektor reflektiert. Dies erlaubt den Einsatz eines kleinen Detektors mit hoher Ansprechgeschwindigkeit, vermeidet die Zerstörung durch einen zu kleinen Fokus auf der De- tektorfläche und umgeht das Problem der lokal variierenden Detektorempfindlichkeit .
Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1: eine Prinzipskizze des optischen Aufbaus eines Partikelmeßgerätes in Seitenansicht;
Fig. 2: eine Ausführung mit einer nichtabbildenden Optik zum Auffangen des Lichts nach der Sammellinse (9);
Fig. 3: Schematischer Aufbau des online Particle Sensors; Fig. 4: Meßprinzip eines erfindungsgemäßen online Particle Sen¬ sors;
Fig. 5: Meßergebnis der Partikelgroßenverteilung einer Zement- probe;
Fig. β: Feinheits-Regelung einer erfindungsgemäßen Mahlanlage mit OPS und Fuzzy Control Engine;
Fig. 7: Fokusbereich der Partikelmessung;
Fig. 8: erfindungsgemäße Partikelmessung am „Äquator" und in der Polarregion.
Ausführungsbeispiele
In der Figur 1 ist eine Prinzipskizze des optischen Aufbaus eines Partikelmeßgerätes in Seitenansicht dargestellt. Der Strahl einer Laserdiode 1 wird über eine optische Steckereinheit 2a in eine Single-Mode Lichtleitfaser 2 eingekoppelt. Am Austrittstek- ker der Faser 2b, der mit der mechanischen Halterung der folgenden Einheiten 3, 4, 5 und 6 fest verbunden ist, tritt der Strahl als TEMoo-Mode 3 aus und wird von der Linse 4 in einen parallelen Strahl gewandelt.
Die Ablenkeinheit 5 lenkt den Strahl in einer oder zwei Dimensionen ab und erzeugt die gewünschte Bewegungsform, die vom Funktionsgenerator 5a gesteuert wird. Die Fokussierlinse 6 fo- kussiert den Strahl in ihrer Brennebene, wo er sich entsprechend bewegt. Frei fallende Partikel 7 die vom Strahlfokus 8 in der Brennebene überstrichen werden, unterbrechen den Strahl zeitweilig. Der hinter der Brennebene wieder divergierende Strahl wird von der Sammellinse 9 gesammelt und auf den Detektor 10 gelenkt.
Das Signal des Detektors wird von einer Elektronik 11 gemessen und ausgewertet.
In der in Figur 2 dargestellten Ausführung wird der Strahl hinter der Sammellinse 9 von einer nichtabbildenden Optik, hier eine Ulbrichtkugel 12, aufgefangen und diffus auf den Detektor 10 gelenkt.
In einer nicht dargestellten Ausführung entfällt Linse 4 und die Ablenkeinheit lenkt direkt den aus dem Stecker 2b divergierenden Strahl ab.
Um ein Verschmutzen der Linsen 6 und 9 zu vermeiden, kann man jeweils ein Fenster vor diese Linsen, als zwischen dem Raumbereich der Partikel 7 und der dazu jeweils benachbarten Linse 6 oder 9 setzen. Es ist vorteilhaft, die gesamte Anordnung auf ei- ne gemeinsame Grundplatte zu setzen und durch fixierte Stekkereinheiten Justagen zu vermeiden.
In ebenfalls nicht dargestellten Ausführungen sind die zu messenden Partikel in einer Flüssigkeit suspendiert oder werden auf einem optisch transparenten Trägermaterial in die Brennebene der Linse 6 transportiert.
Im folgenden werden im Rahmen der Erfindung Ausführungen zur Beurteilung der Qualität eines Zements gemacht.
Eine der wichtigsten Größen zur Beurteilung der Qualität eines Zements ist seine Partikelgroßenverteilung. Eine zuverlässige Steuerung des Mahlvorgangs mit dem Ziel, eine bestimmte Partikelgroßenverteilung zu erhalten, würde es nicht nur erlauben, die gewünschte Qualität herzustellen, sondern auch den zum Mahlen erforderlichen Energieverbrauch zu optimieren.
Die tatsächlich erreichte Partikelgroßenverteilung wird in der Praxis durch eine regelmäßige Probenahme und anschließende Messung im Labor ermittelt. Danach wird der Mahlkreislauf - häufig noch durch einen manuellen Eingriff solange korrigiert, bis die gewünschte Verteilung erreicht worden ist. Da zwischen Probenahme, Messung und Korrektur eine verhältnismäßig große Zeitspanne liegt, kann nicht ausgeschlossen werden, daß die Mahlanlage unter Umständen große Produktmengen mit der falschen Partikelgroßenverteilung produziert.
Das erfindungsgemäße Meßgerät erlaubt, die Partikelgrößenvertei- lung im online-Verfahren zu bestimmen. Zusammen mit einem geeigneten Regler, der mehrere Kenngrößen des Mahlprozesses verarbeitet, wird mit Hilfe dieses Gerätes ein Regelkreis aufgebaut, der eine Mahlanlage schnell auf "den Punkt" fährt und dort auch hält.
Das erfindungsgemäße Meßgerät, das zur online-Analyse von Partikelgrößen in einer Mahlanlage eingesetzt werden soll, muß naturgemäß ganz andere Kriterien erfüllen, als ein Laborgerät. Die wesentlichsten Anforderungen, denen ein derartiges Gerät zu ge- nügen hat, sind ein einfaches Meßprinzip, eine gute Auflösung sowie eine hohe Meßgeschwindigkeit. Außerdem soll die erfindungsgemäße Vorrichtung die Eigenschaft haben, sich selbst kalibrieren zu können. Schließlich ist ein robuster Aufbau und eine einfache Wartung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur on- line-Analyse vorteilhaft.
Bei den Geräten zur Bestimmung von Partikelgrößen wurden in der Vergangenheit eine Vielzahl von Verfahren und physikalischen Effekte ausgenutzt. Dabei hat die Beugung von Laserlicht eine be- sonders große Verbreitung gefunden. Bei der Beugung von Laserlicht wird die Wellennatur des Lichts ausgenutzt, die die charakteristischen Beugungsstrukturen hervorruft. Zu ihrer Auswertung müssen nachteilig diese komplizierten Intensitätsverteilun- gen genau gemessen und nach einem aufwendigen mathematischen Verfahren auf die Partikelgröße zurückgerechnet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet nach dem sogenannten "time of transition-Prinzip", bei welchem ein Laserstrahl so stark fokussiert wird, daß der Fokusdurchmesser im Bereich von einigen Lichtwellenlängen (~μm) liegt. Der Strahl wird gleichzeitig quer zu seiner Ausbreitungsrichtung schnell abgelenkt, wobei hinter der Fokusebene die ankommende Lichtintensität von einem schnellen Detektor gemessen wird. Läßt man nun Partikel durch den Fokusbereich fallen, so werden sie durch den schnell bewegten Strahl überstrichen und unterbrechen ihn. Die Intensität auf dem Detektor sinkt dabei sehr schnell auf den Wert Null ab und steigt wieder auf den alten Wert an, wenn das Partikel überstrichen ist. Bei bekannter Ablenkgeschwindigkeit des Strahls kann man dann aus der Dauer der Dunkelphase sofort den Durchmesser des Partikels ermitteln. Der Partikeldurchmesser berechnet sich nach
v Δt
Darin bedeuten:
d Partikeldurchmesser v Ablenkgeschwindigkeit des Strahls Δt Abdunkelungszeit
In der Figur 3 ist das Aufbauschema des erfindungsgemäßen Sensors und in der Figur 4 das dazugehörende erfindungsgemäße Meßprinzip gezeigt. Dieses Meßprinzip vereint in sich mehrere Vorzüge:
- Die Messung ist auf eine Zeitmessung zurückgeführt, die mit modernen Quarzoszillatoren einfach und mit sehr hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann und eine Kalibrierung erübrigt.
- Die Meßzone wird nur über optische Parameter festgelegt. Die Meßzelle selbst ist so groß, daß keine Verstopfungsgefahr be- steht. Partikel, die außerhalb der Meßzone durch den Strahl fallen, werden nicht erfaßt und üben keinen störenden Einfluß auf den Meßprozeß aus.
- Bei der Messung der Lichtintensität ist der absolute Pegel nicht wichtig. Nur ein schnelles Absinken bzw. Ansteigen der
Intensität genügt, um ein Partikel zu erkennen. Das Verfahren arbeitet auch bei schwankender Intensität sicher.
- Aufgrund der einfachen optischen Anordnung und der Unempfind- lichkeit gegen Intensitätsschwankungen besteht eine hohe Resistenz gegenüber äußeren Erschütterungen und Fehljustagen des gesamten Strahlengangs.
- Der Meßvorgang ist sehr schnell und kann mit vergleichsweise einfachen elektronischen Mitteln durchgeführt werden. Setzt man in Gleichung (1) eine Geschwindigkeit von v = 10 m/s ein, so ergibt sich für ein Partikel mit einem Durchmesser von 10 μm eine Abdunkelungszeit von Δt = 1 μs . Selbst wenn man für die weitere Auswertung einen langsamen Prozessor einsetzt, kann man auf diesem Wege einige hundert bis einige tausend Partikel pro Sekunde messen. - Die Auflösung des Meßverfahrens ist hoch; auch dicht nebeneinander liegende Partikelklassen können unterschieden werden.
Für die Durchführung einer online-Messung in einer Mahlanlage muß das Meßgerät in der Lage sein, die Partikel aus einem Massestrom des Produktionsprozesses direkt, d. h. ohne weitere Präparation, messen zu können. Das Meßverfahren kann wie bereits erwähnt in Luft dispergierte, frei fallende Partikel messen. Für die online-Messung muß ein kleiner Massestrom vom Produktstrom abgezweigt und mit Hilfe einer Venturidüse zerstäubt werden. Dieser Massestrom wird ohne weitere Maßnahmen direkt und permanent gemessen. Die Messung ist je nach der Beladung des Luftstroms mit Partikeln innerhalb von wenigen Sekunden stabil und statistisch sicher. Die Reaktionszeit auf Änderungen beträgt nur einige Sekunden.
Um eine Mahlanlage regeln zu können, muß eine Meßgröße zur Verfügung gestellt werden, mit deren Hilfe sich ein Regelkreis an- steuern läßt. Da sich dazu eine Partikelgroßenverteilung nicht eignet, wird an eine gemessene Verteilung jeweils eine RRSB-Verteilung angepaßt und ihre Parameter als Meßgrößen vom Gerät abgegeben. Da die Bewertung der beiden Parameter einer RRSB-Verteilung nicht von einem konventionellen Regelkreis vor- genommen werden kann, wird diese Aufgabe einem Fuzzy-Regler übertragen. In der Figur 5 ist eine Zementprobe gezeigt, die mit dem Meßgerät gemessen wurde sowie eine RRSB-Kurve, die an die Meßwerte angepasst wurde. Die Kurve gibt den Verlauf der Meßwerte gut wieder. In der Figur 6 ist gezeigt, wie ein derartiges Meßgerät mit Fuzzy-Regler ohne großen Aufwand in eine Mahlanlage integriert werden kann.
Im Rahmen der Erfindung wird im folgenden die Partikelmessung mit fokussierten Laserstrahlen näher erläutert. Licht läßt sich auf sehr kleine Durchmesser fokussieren, wobei es auch dabei Grenzen gibt, die von den Eigenschaften der verwendeten Optik und vor allem von der Lichtquelle bestimmt wer- den. Am besten läßt sich kohärentes Laserlicht fokussieren. Mit geeigneten Maßnahmen lassen sich Durchmesser von 2 bis 4 Lichtwellenlängen erreichen. Das rote Licht des häufig benutzten Halbleiterlasers hat eine Wellenlänge von 0,635 μ , d.h. hiermit können Fokusdurchmesser von 1,2 bis 2,4 μm erzielt werden. Die Intensität eines Laserstrahls über den Durchmesser folgt einer Gaußverteilung :
I(r) ~ l(0)*exp(-r (2)
In dieser Gleichung ist der Radius als der Punkt definiert, bei dem die Intensität auf 1/e abgefallen ist. Um den Strahl auf derartig kleine Durchmesser zu bringen, muß er durch eine Optik mit sehr kurzer Brennweite fokussiert werden. Das bedeutet, daß der Strahl sehr schnell zusammen, aber auch genauso schnell wie- der auseinanderlaufen muß. Kurz vor und kurz nach dem Brennpunkt ist der Strahl schon wieder ziemlich dick. Teilchen, die vor oder hinter dem Brennpunkt vom Strahl erfaßt werden, können diesen nicht komplett abdecken und führen nur zu einem leichten Absinken der Intensität, werden also praktisch nicht "wahr- genommen" und von der Meßelektronik aussortiert.
Dabei stellt sich noch die Frage: Wie wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Meßgeräts unterscheiden, ob der Strahl ein Partikel am "Äquator" oder in der Polarregion überstrichen hat? In der Figur 8 ist diese Situation näher verdeutlicht und zeigt zugleich die Lösung auf: Trifft der Strahl am Äquator "senkrecht" auf ein Partikel, so wird er vollständig abgedunkelt, sobald er sich um einen Strahldurchmesser weiterbewegt hat. Das Signal auf dem Detektor sinkt sehr schnell auf Null ab. In der Polarregion muß sich der Strahl dagegen um mehr als eiι*en Strahldurchmesser weiterbewegen, bevor er vollständig abgedunkelt ist, wobei das
Signal langsamer auf Null sinkt. Anhand der Flankensteilheit des
Signals lassen sich diese beiden Situationen leicht voneinander unterscheiden. Es wurde somit erkannt, die Flankensteilheit als
Maß für die Positionsbestimmung, wie der Strahl das Partikel überstreicht, einzusetzen.
Das erfindungsgemäße Meßverfahren bietet einen einzigartigen Vorteil: Die Meßzone wird ausschließlich und eindeutig nur durch optische Parameter bestimmt, was bedeutet, daß weder mechanische, noch aufwendige mathematische Operationen notwendig sind, um festzulegen, wo gemessen wird.
Vergleichbare Vorteile bietet auch das erfindungsgemäße Meßgerät bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung. Dabei handelt es sich im Rahmen der Erfindung in der allgemeinsten Form um eine Vorrichtung zur On-Line-Messung der Größenverteilungen von Partikeln mit Mitteln (1, 2, 2a, 2b, 3, 4, 5, 6) zur Bildung eines fokus- sierten Lichtstrahls in einer Brennebene, Mitteln (9, 10, 11, 12) zum Sammeln und Bestimmen der Intensität des Lichtstrahls hinter der Brennebene, wobei im Raumbereich der Brennebene dieses fokussierten Strahls bewegliche Partikel (7) sowie Mittel (5, 5a) zum Überstreichen dieser beweglichen Partikel mit dem fokussierten Lichtstrahl vorgesehen sind. Dabei soll zum Überstreichen der Partikel der Lichtstrahl eine ausreichende, vorzugsweise schnelle Relativbewegung zur Bestimmung der Transitionszeit ausführen. Als Partikel kommen insbesondere Partikel aus wenigstens einem der Stoffe der Gruppe Zement, Mehl, Lebensmittel oder pharmazeu- tikum in Betracht, deren Größe und Größenverteilung (en) mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestimmbar sind.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur On-Line-Messung von Partikelgroßenverteilungen nach dem „Time Of Transition-Verfahren", dadurch gekenri- zeichnet, daß die Strahlquelle ein Halbleiterlaser (1) mit einer Single-Mode-Lichtleitfaser (2) ist.
2. Vorrichtung zur On-Line-Messung von Partikelgroßenverteilungen nach dem „Time Of Transition-Verfahren", dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlquelle ein Halbleiterlaser (1) mit einem integrierten Single-Mode-Filter ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Ablenkeinheit (5) ein elektrooptischer Deflektor eingesetzt wird.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Ablenkeinheit (5) ein akustooptischer Deflektor eingesetzt wird.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Ablenkeinheit (5) ein elektrostatisch bewegter, mechanischer Scanner eingesetzt wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Ablenkeinheit (5) ein elektromagnetisch bewegter, mechanischer Scanner eingesetzt wird.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Ablenkeinheit (5) ein piezoelektrisch bewegter, mechanischer Scanner eingesetzt wird.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheit den Strahl in einer Dimension oder mehreren Dimensionen ablenkt.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheit durch einen Funktionsgenerator (5a) angesteuert wird.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Bestrahlungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung nach der Sammellinse (9) durch eine nicht- abbildende Sammeloptik (12), insbesondere eine Ulbrichtkugel (12), aufgefangen und auf den Detektor (10) gelenkt wird.
11. Vorrichtung zur On-Line-Messung der Größenverteilungen von Partikeln, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit
- Mitteln (1, 2, 2a, 2b, 3, 4, 5, 6) zur Bildung eines fokus- sierten Lichtstrahls in einer Brennebene,
- Mitteln (9, 10, 11, 12) zum Sammeln und Bestimmen der Intensität des Lichtstrahls hinter der Brennebene,
gekennzeichnet durch
- im Raumbereich der Brennebene dieses fokussierten Strahls bewegliche Partikel (7),
- Mittel (5, 5a) zum Überstreichen dieser beweglichen Partikel mit dem fokussierten Lichtstrahl.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch in Luft frei fallende oder in einer Flüssigkeit suspendierte Partikel.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Partikel aus wenigstens einem der Stoffe der Gruppe Zement, Mehl, Lebensmittel oder pharmazeuti- kum.
14. Mahlanlage mit wenigstens einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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