Dipl.-Ing. Gert Beckmann, Retsch Technology GmbH Dipl.-Ing. Johannes Jüngling, Süd-Chemie AG

Neue Auswertemöglichkeiten geben der Vermessung von Schüttgütern mittels digitaler Bildverarbeitung eine andere Dimension: Ob Filtersande oder Schleifkörner -leistungsfähigere Soft- und Hardware bietet wirtschaftlich interessante Möglichkeiten, die steigenden Anforderungen an die Herstellung, Förderung und Verarbeitung von dispersen Feststoffen zu erfüllen. Die neueste Entwicklung auf diesem Gebiet ist das Camsizer-Messgerät mit der Auswertesoftware Advanced. Mit einer einzigen Messung lassen sich alle gewünschten Partikelgrößen- und Formanalysen durchführen. Das besondere Feature: Die Analysenergebnisse sind zur traditionellen Siebanalyse kompatibel. Damit deutet sich ein Durchbruch in der industriellen Partikelmesstechnik an, denn die Substitution von bisher zur Qualitätskontrolle eingesetzten Siebmaschinen durch ein Camsizer-Messgerät wird wesentlich erleichtert. Der Anwender kann somit zum einen den Arbeits- und Zeitaufwand für Kornanalysen drastisch verringern und erhält zum anderen Zugang zu einer Vielzahl neuer Partikelinformationen mit praktischem Nutzen.

Einführung und Messprinzip

Zur Ermittlung der Korngrößenverteilung von Schüttgütern und Granulaten dienen neben der traditionellen Siebanalyse auch verschiedene optische Messverfahren. Viele Materialeigenschaften werden aber nicht nur durch die Größenverteilung, sondern ebenso durch die Kornform bestimmt. Die Qualitätssicherung in Unternehmen der Schüttgutindustrie wünscht sich daher häufig sowohl die schnelle und genaue Bestimmung der Partikelgröße als auch die simultane Analyse der Partikelform: Anforderungen, die mittels digitaler Bildverarbeitung via Matrixkameras erfüllt werden können.
Dieses optische Messprinzip nutzt der Camsizer von Retsch Technology. Sein Korngrößenspektrum für die Partikelanalyse reicht von 30 µm bis 30 mm. Die vielfältigen Analysefähigkeiten des Camsizers bieten außerdem auch die Möglichkeit, Schüttgüter und Granulate hinsichtlich ihrer Form zu bewerten, um Qualitätsspezifikationen mit geringem Aufwand zu überwachen oder erstmals zu definieren. Die Prozessoptimierung in den Bereichen Rohstoffe, Produktion und Fertigprodukte kann im Resultat beispielsweise durch die Verringerung von Ausschussquoten erhebliche Kosten einsparen. Denn: Die sichere und quantitativ korrekte Beurteilung von Korngröße und Kornform, die bisher nur mit einem hohen Aufwand an Personal und Arbeitszeit möglich war, kann jetzt bedienerfreundlich und zuverlässig, in kurzer Zeit sowie mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit durchgeführt werden. Zudem erfolgt die Messung berührungslos und damit zerstörungsfrei und ist daher auch für empfindliche Materialien ideal. Bei geeigneter Definition dessen, was die Software als Partikelgröße x zu interpretieren hat, sind die Resultate zudem kompatibel zur derzeit vorherrschenden Siebanalyse.

Der Camsizer nutzt dabei das Prinzip der Schattenprojektion. Die Partikel fallen senkrecht zur optischen Achse zwischen einer Flächenlichtquelle und zwei digitalen CCD Kameras hindurch und werden von diesen in schneller Folge aufgezeichnet, so dass der gesamte Schüttgutstrom analysiert werden kann. Die extrem kurze Belichtungszeit garantiert dabei die hochgenaue Ermittlung der Projektionsflächen der Partikel in den auszuwertenden Digitalaufnahmen.

Abb. 1: Camsizer-Messgerät und digitale Momentaufnahme
(Abbildungen hier nicht eingebunden; siehe pdf-Datei)

Das zweidimensionale Partikelbild wird hierbei über verschiedene Richtungen vermessen. Diese detaillierte Bestimmung der Kornform liefert die Grundlage für verschiedene Definitionen der Partikelgröße (z.B. Längen, Sehnen, Flächen), die zur Auswertung herangezogen werden können.


Größenanalyse: Kompatibilität ist Kundenforderung

Insbesondere kann die Partikelgröße seit neuestem so definiert werden, dass sie dem bei der Siebanalyse vorgenommenen Vergleich zwischen Partikel und Siebmasche entspricht. Mit dieser Option erhält der Anwender Resultate, die mit der Siebanalyse kompatibel sind.
Reiskörner, wie in Abbildung 1 rechts dargestellt, passieren mit ihrer Stirnfläche die Siebmaschen und werden somit in ihrer kleinsten Ausdehnung gemessen. Der Camsizer vermisst die Partikel dagegen in zufälliger Projektion. Wenn daraus beispielsweise der Äquivalentdurchmesser eines flächengleichen Kreises berechnet wird, so sind diese Werte größer als bei der Siebung. Der Anwender musste diese systematische Abweichung zwischen den Partikeldefinitionen bei einem Wechsel zum Camsizer-Messprinzip in der Vergangenheit zunächst einmal akzeptieren oder die Ergebnisse anpassen.
Um diese Abweichung zwischen den Analysenmethoden zu vermeiden, kann nun jedoch der Software eine neue Auswertemöglichkeit der Messwerte vorgegeben werden. Die Bestimmung der Partikeldurchmesser erfolgt dann nicht mehr aus der Projektionsflächenmessung, sondern aus der Ermittlung charakteristischer Abmessungen wie der Breite der detektierten Partikel. Wird die Summenkurve Q3 beispielsweise über die Breiten der Teilchen aufgetragen, kann ein traditionelles Siebergebnis direkt dargestellt werden, weil die Breite rotationselliptischer Körper (wie z.B. Reiskörner in Abbildung 1, rechts) das Maß darstellt, mit dem die Partikel die Siebmaschen passieren.

Abb. 2: Siebkurve und Camsizer-Messungen im Vergleich
(Abbildungen hier nicht eingebunden; siehe pdf-Datei)

Abbildung 2 zeigt die Siebkurve von Rohstoff-Presslingen zur Produktion von Kunststoffen. Die rote Kurve stellt eine Camsizer-Messung dar, bei der die Partikelgröße auf der Basis der Partikelbreite ermittelt wurde. Durch diese Definition des Partikeldurchmessers wird die Siebung nahezu perfekt dargestellt.
Da sich die Größenverteilung des Camsizer-Verfahrens aus bis zu 1 000 Stützstellen zusammensetzt, erhält der Anwender zusätzlich Informationen über die Partikelverteilung der Probe zwischen den Stützpunkten der bisherigen Siebresultate, die als Eckpunkte der schwarzen Kurve zu erkennen sind. Zur Verdeutlichung des Kompatibilitätsfortschritts ist auch eine Q3-Kurve (grün) dargestellt, die bei einer Partikeldefinition über den flächengleichen Kreis (Flächenmessung) erhalten wird. Diese Auswertung der mittleren Partikelprojektionen ist erwartungsgemäß ins Grobe verschoben. In diesem Fall ist die Darstellung von Siebungsergebnissen nur über eine materialspezifische Verschiebung der Kurve zu erreichen. Dies ist mit deutlich höherem Aufwand und mehr Fehlerquellen verbunden.
Zusammengefasst ergeben sich durch die neue Camsizer-Software Advanced folgende Vorteile für den Anwender:
- Ergebnisse der traditionellen und in vielen Normen verankerten Siebanalyse können nun direkt und nahezu perfekt dargestellt werden.
- Durch die hochaufgelöste Darstellung der Verteilungssumme stehen auch Informationen zwischen den Siebschnitten zur Verfügung.
-Bei Verwendung von Längenmaßen können auch andere etablierte Messtechniken substituiert werden (zum Beispiel die Mikroskopie)


Formanalyse: Praxisbeispiel zeigt Zusatznutzen

Neben der Bestimmung der Größenverteilung von Schüttgutproben ermittelt der Camsizer gleichzeitig die Kornform des Probengutes exakt und zuverlässig. Die detaillierte Auswertung der Projektionsflächen einzelner Teilchen erlaubt dabei die Angabe spezieller Formcharakteristika wie absolute Länge, Rundheit und Längen-/Breitenverhältnisse. Die Ausgabe dieser Kenngrößen erfolgt grössenklassenspezifisch oder als Mittelwert für die Gesamtprobe. Die statistische Absicherung der erhaltenen Werte kann aufgrund der Anzahl erfolgter Partikeldetektionen direkt angegeben werden. Ergebnisse werden sowohl tabellarisch als auch in Grafikform dargestellt. Eine Konvertierung der Daten für die Übernahme in gängige Office-Software ist möglich.
Die besonderen Vorteile zeigen sich beispielhaft bei der Vermessung einer diffizilen Probe extrudierter Stäbchen (s. Abb. 3). Die Messaufgabe bestand in der Bestimmung folgender charakteristischer Abmessungen: Absolute Länge der Stäbchen XFe max, Partikelbreite Xc min und äußere Breite X Fe min.


Abb. 3: Kameraaufnahme von Stäbchen-Partikeln und deren Abmessungen
(Abbildungen hier nicht eingebunden; siehe pdf-Datei)

Die Auswertung in Abb. 4 zeigt, dass die Breite der Stäbchen über die Stäbchenlänge im Bereich von 2 mm bis 15 mm nur leicht ansteigt. Die zeitliche Veränderung der Kurve für die Partikelbreite kann dann als direktes Maß für den Verschleiß der Extruderprofile gelten. Anfallende Störungen können durch Formanalytik erkannt und Wartungsmaßnahmen mithin frühzeitig eingeleitet werden. Je länger die Stäbchen werden, desto ausgeprägter wird auch ferner der von ihnen beschriebene Bogen. Dies zeigt der Anstieg der äußeren Breite. Daraus sind Rückschlüsse auf das Materialverhalten oder den Extruderprofile wie z. B. Verschmutzungen möglich.

Abb. 4: Äußere Breite und Partikelbreite über Partikellänge
(Abbildungen hier nicht eingebunden; siehe pdf-Datei)

Der Nutzen einer Kombination von Korngrößen- und Kornformanalyse zeigt sich an dieser Probe in der Gegenüberstellung von Partikelbreite und Volumenverteilung Q3 als Funktion der Partikellänge.

Abb. 5: Partikelbreite und Q3-Kurve über Partikellänge
(Abbildungen hier nicht eingebunden; siehe pdf-Datei)

Während aus der Q3-Kurve nicht ersehen werden kann, ob Partikel dem Staubanteil durch Partikelbruch zugeordnet werden können, wird dies durch die Kornformanalyse schnell und eindeutig ersichtlich. Die Darstellung der Kurven zeigt, dass Teilchen mit einer Breite unterhalb 2 mm Bruch oder Staub darstellen.

Fazit und Ausblick:

Durch die ausgezeichnete Messgüte des Camsizers steht dem Anwender in Verbindung mit innovativen Software-Merkmalen nun auf dem Gebiet der Partikelanalytik ein Messverfahren zur Verfügung, welches innerhalb kürzester Messzeit imstande ist, detaillierte Kornformanalysen und hochauflösende Größenverteilungen zu erstellen. Dabei bleibt auf Wunsch die Kompatibilität zur Siebanalyse erhalten, ohne dass Umwege über mathematische Anpassungsalgorithmen, wie beispielsweise die materialspezifische Angleichung von Messergebnissen mittels Fittung erforderlich sind. Die Robustheit des Gerätes garantiert zudem den problemlosen Industrieeinsatz. Im nächsten Schritt ist die Entwicklung von online-Versionen des Camsizers für die kontinuierliche Produktionsüberwachung geplant.