DE4227376A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Schüttgutparametern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung wenigstens eines Parameters eines Schüttgutes mit einer Probenentnahme­ vorrichtung, einem Einlauf für den entnommenen Proben-Schütt­ gutstrom und einer unter dem Einlauf angeordneten Meßkammer, in der das Schüttgut verdichtet werden kann. Die Erfindung be­ trifft ferner Verfahren zur Messung von Schüttgutparametern, bei denen aus einem kontinuierlichen Prozeß eine Probe des Schüttgutes entnommen, in eine Meßkammer gefüllt und in der Meßkammer verdichtet wird.

Für verschiedenste Anwendungsfälle besteht ein erhebliches Be­ dürfnis, Parameter eines in einem Prozeß befindlichen Schütt­ gutes möglichst automatisch festzustellen. Mit den ermittelten Parametern kann dabei eine Qualitätssicherung oder eine Steue­ rung nachfolgender Prozeßstufen vorgenommen werden.

Es sind verschiedenste Verfahren bekannt, Parameter von Schüttgütern zu messen. Diese Verfahren sind jedoch für Labor­ untersuchungen entwickelt worden und bedingen überwiegend ei­ nen hohen Zeitaufwand. Für eine quasi kontinuierliche Über­ wachung oder Steuerung eines Prozesses sind diese Verfahren und die dafür benutzten Vorrichtungen nicht geeignet.

Es ist eine Vorrichtung bekannt, bei der die granulometrische Zusammensetzung eines zerkleinerten Schüttgutes gemessen wer­ den soll. Aus dem Prozeß werden automatisch Proben entnommen und zur Füllung einer Meßkammer verwendet. Nach dem Ver­ schließen der Meßkammer wird das Schüttgut in der Meßkammer verdichtet, indem die Meßkammer einer Vibration ausgesetzt wird. Die Verdichtung führt zu einer Volumenverkleinerung in der Meßkammer. Diese Volumenverkleinerung wird durch eine Durchstrahlung der Meßkammer mit Gamma-Strahlen und einem ent­ sprechenden Sensor festgestellt. Dieser Meßmethode liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Verdichtbarkeit eines Schüttgutes eine Funktion der mittleren Partikelgröße des Schüttgutes ist. Die mit der bekannten Vorrichtung erhaltenen Meßwerte sind in ihrer Genauigkeit begrenzt, so daß nur eine grobe Ermittlung des Schüttgutparameters "Partikelgröße" möglich ist. Der Er­ findung liegt somit die Problemstellung zugrunde, daß für die Überwachung und ggfs. Steuerung von Schüttgutprozessen keine Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung stehen, die einen genaueren Aufschluß über Schüttgutparameter erlauben.

Ausgehend von dieser Problemstellung ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß die allseitig verschließbare Meßkammer mit einer als Druckstempel ausgebildeten Wand versehen ist und daß mit dem Druckstempel eine Meßeinrichtung zur Kraft- und/oder Wegmes­ sung verbunden ist. Dabei kann unterhalb der Kammer eine Wie­ geeinrichtung für das die Meßkammer verlassende Schüttgut an­ geordnet sein. Zur Abtrennung des Schüttgutes in der Meßkammer von dem Prozeßschüttgut kann die Meßkammer zweckmäßigerweise auf der Einlaufseite und der Auslaufseite mit jeweils einem Schieber verschließbar sein.

Einen erheblichen Zusatznutzen erhält die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch, daß die senkrecht zum Druckstempel stehenden Wände der Meßkammer entfernbar sind.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich ein Verfahren der eingangs erwähnten Art durchführen, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Verdichtung in der Meßkam­ mer mit Hilfe einer als Druckstempel ausgebildeten Wand er­ folgt, daß beim Verdichtungsvorgang eine Kraft- und/oder Weg­ kurve gemessen wird und daß der gemessene Verlauf der Meßwerte während der Verdichtung mit Schüttgutparametern, wie bei­ spielsweise der mittleren Partikelgröße und der Partikelver­ teilung, in Beziehung gesetzt wird. Hierzu kann hilfreich sein, daß die in der Meßkammer befindliche Schüttgutmenge ge­ wogen wird.

Ein weiteres, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch­ führbares Verfahren der eingangs erwähnten Art ist erfindungs­ gemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung in der Meß­ kammer mit Hilfe einer als Druckstempel ausgebildeten Wand er­ folgt, daß die für die Verdichtung mit dem Druckstempel auf­ gewandte Kraft gemessen wird, daß der durch den Verdichtungs­ vorgang gebildete Block aus Schüttgut mit dem Druckstempel ei­ ner einachsigen Belastung bis zum Bruch unterworfen wird, und daß die für den Druck erforderliche Kraft gemessen und mit der für die Verdichtung aufgewandten Kraft in Beziehung gesetzt wird. Vorzugsweise werden mehrere Meßwerte für unterschied­ liche Verdichtungskräfte auf diese Weise ermittelt.

Besonders zweckmäßig kann eine Kombination der Merkmale der genannten Verfahren sein.

Die Erfindung, bevorzugte Ausführungsformen und erzielbare Vorteile werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Seitenansicht mit einem Teil­ schnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 2 Einen horizontalen Schnitt durch die Meßkammer gemäß Fig. 1.

Fig. 3 Eine Meßkurve für die Schüttgutdichte in Abhän­ gigkeit von der aufgewandten Verfestigungsspan­ nung.

Fig. 4 Meßproben für die Partikelgrößenverteilung ver­ schiedener Schüttgutproben.

Fig. 5 Eine schematische Darstellung eines einachsigen Druckversuches im Anschluß an eine mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgenommenen Ver­ festigung des Schüttgutes.

Fig. 6a Eine typische Meßkurve für die bei einem Druck­ versuch aufgewandte Spannung über dem Weg des Druckstempels.

Fig. 6b Eine schematische Darstellung des Druckversuchs mit den Meßparametern für die Meßkurve gemäß Fig. 6a.

Fig. 7 Eine Fließfunktion, die das Verhältnis der Druck­ festigkeit des verfestigten Schüttgutes in Abhän­ gigkeit von der aufgewandten Verfestigungsspan­ nung wiedergibt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung, die an eine (nicht dargestellte) Probenentnahmevorrichtung angeschlossen ist. Das mit der Probenentnahmevorrichtung entnommene Schüttgut gelangt in Richtung des Pfeiles A in Fig. 1 in einen trichterförmigen Einlauf 1. Unterhalb des Einlaufs 1 befindet sich eine quader­ förmige Meßkammer 2 wie Fig. 2 verdeutlicht.

Die Meßkammer 2 ist auf ihrer Oberseite und Unterseite mit je­ weils einem Schieber 3, 4 verschließbar. Eine komplette Wand der Meßkammer ist als ein verschiebbarer Druckstempel 5 ausge­ bildet, der an seiner zur Meßkammer zeigenden Oberfläche mit einem Kraftaufnehmer 6 versehen ist. Fig. 1 zeigt eine sche­ matische Lagerung einer Kolbenstange 8 des Druckstempels 5, in der die Kolbenstange 8 bzw. der Druckstempel 5 horizontal hin- und herverschiebbar ist. Die Verschiebung des Druckstempels 5 im Sinne einer Volumenverkleinerung der Meßkammer erfolgt mit einer Verschiebungsrichtung senkrecht zu einer während der Verdichtung ortsfesten Gegenwand 9 und parallel zu den Schie­ bern 3, 4 sowie zwei Seitenwänden 10, 11 (Fig. 2). Unterhalb der Verdichtungskammer 2 ist eine Wiegeeinrichtung 12 ange­ ordnet, die eine V-förmige Aufnahme für das Schüttgut auf­ weist, von der ein Schenkel 13 ortsfest und der andere Schen­ kel 14 in eine (gestrichelt dargestellte) Entleerungsstellung verschwenkbar ist. Die Steuerung der Entleerung erfolgt mit einem Steuerzylinder 15, der hydraulisch oder pneumatisch be­ dienbar ist.

An der während der Verdichtung ortsfesten Gegenwand 9 befindet sich eine Austraghilfe 16, die beispielsweise als Vibrator ausgebildet sein kann und das Austragen des ggfs. verdichteten Schüttgutes aus der Meßkammer 2 in die Wiegevorrichtung 12 un­ terstützen soll.

Fig. 2 verdeutlicht, daß die Seitenwände 10, 11 senkrecht zu ihren Oberflächen verfahrbar gelagert sind, so daß ein in der Meßkammer 2 verdichteter Block 17 aus Schüttgut ohne seitliche Unterstützung mit dem Druckstempel 5 belastet werden kann, wie dies anhand der Fig. 5 ff. noch erläutert werden wird.

Die Fig. 1 und 2 verdeutlichen, daß die wirksame Fläche des Druckstempels 5 genau mit dem vertikalen Querschnitt der Meß­ kammer 2 übereinstimmt, so daß die gesamte Wand durch den Druckstempel 5 gebildet wird. Neben dem Kraftaufnehmer 6 an der Oberfläche des Druckstempels 5 ist mit dem Druckstempel 5 ein (nicht dargestellter) Wegaufnehmer verbunden. Die aus Kraftaufnehmer 6 und Wegaufnehmer bestehende Meßeinrichtung erlaubt die Aufnahme einer Meßkurve, wie sie beispielhaft in Fig. 3 dargestellt ist. Da das Volumen der Meßkammer bekannt ist und der Weg des Druckkolbens 5 während der Verfestigung gemessen wird, kann hieraus der Verlauf der relativen Dichte des Schüttgutes beim Verdichtungsvorgang festgestellt werden. Durch den anschließenden Wiegevorgang in der Wiegevorrichtung 12 kann die relative Dichte in eine absolute Dichte umgerech­ net werden. Da gleichzeitig die vom Druckstempel 5 auf das Schüttgut übertragene Kraft mit dem Kraftaufnehmer 6 gemessen wird und diese Kraft mit einer definierten Fläche aufgebracht wird, steht auch der Verlauf der Verfestigungsspannung (Kraft pro Fläche) zur Verfügung. Die Meßeinrichtung erlaubt daher die Feststellung der Abhängigkeit der Schüttgutdichte ρ_b von der Verfestigungsspannung σ.

Die Auswertung einer derartigen Meßkurve erfolgt mit Hilfe so­ genannter Regressionsgleichungen, die an die Meßkurven ange­ paßt werden. In der Literatur sind zahlreiche Regressionsan­ sätze bekannt. Beispielhaft soll nur auf einen Regressions­ ansatz verwiesen werden, der eine physikalische Deutung der einzelnen Konstanten zuläßt. Der allgemeine Ansatz lautet:

ρ_b = c₁₀ + c₁₁σ-c₁₂e^{-c₁₃ σ}.

Dieser Ansatz läßt sich in folgende Form bringen:

ρ_b = ρ_min + Δρ · + (ρ_max - ρ_min) · (1 - e^{-( σ / σ ₀)}).

Dabei ergibt sich die Schüttgutdichte ρ_min für die Spannung "0′′. Die Zunahme der Schüttgutdichte wird mit einem linearen Anteil mit der Steigung Δρ/σ₀ und mit einem exponentiellen An­ teil beschrieben, der die nichtlineare Zunahme der Schüttgut­ dichte von ρ_min (Spannung "0") auf ρ_max (Spannung σ→∞) dar­ stellt. Der lineare Anteil ist physikalisch an sich nicht sinnvoll und wurde eingeführt, um im Bereich kleiner Spannun­ gen mit Hilfe des linearen Terms eine bessere Anpassung an die gemessenen Kurvenverläufe zu erzielen.

Für die Beurteilung von Schüttgütern ist die Partikelvertei­ lung in dem Schüttgut von eminenter Bedeutung. Fig. 4 zeigt einige Kurven, die für verschiedene Proben die Partikelver­ teilung charakterisieren. Die Kurvenverläufe geben jeweils an, wieviel Prozent der Probe durch ein Sieb mit der Maschenweite, die auf der Abszisse angegeben ist, hindurchfällt. Dabei gibt der Wert 0,5 für den Durchgang die mittlere Partikelgröße an. Die noch interessierende Partikelverteilung ergibt sich aus dem Maß der Steilheit der Kurven. Eine sehr steil verlaufende Kurve ist ein Indikator für eine enge Verteilung der Partikel­ größen, während eine stark schräg verlaufende Kurve für eine breite Verteilung der Partikelgrößen charakteristisch ist.

Die Verdichtbarkeit eines Schüttgutes nimmt mit der Feinheit der Partikel zu. Je kleiner der Wert für die mittlere Parti­ kelgröße ist, um so stärker läßt sich ein Schüttgut verdich­ ten. Für die Regressionsgleichung bedeutet dies, daß ρ_max - ρ_min um so größer ist, je kleiner der Wert für die mittlere Partikelgröße ist. Der Einfluß der Steilheit der Partikel­ größenverteilung auf die Verdichtbarkeit hängt vom jeweiligen Schüttgut ab und muß durch Vorversuche mit unterschiedlichen Proben des Schüttgutes ermittelt werden. Nach dieser Ermitt­ lung können die aus den Anpassungsgleichungen für die Ver­ dichtungskurven zu entnehmenden Parameter oder Kombinationen dieser Parameter (z. B. der Term (ρ_max - ρ_min)) in Versuchs­ reihen mit Partikelgrößenverteilungen korreliert werden, so daß anschließend die direkte Berechnung der Parameter der Par­ tikelgrößenverteiligungen aus den Parametern der Verdichtungs­ kurven möglich ist.

Fig. 5 verdeutlicht schematisch eine Messung der Schüttgut­ festigkeit. Dabei wird - wie bereits beschrieben - das Schütt­ gut in der Meßkammer mit Hilfe des Druckstempels 5 unter Auf­ bringung einer Druckspannung σ₁ (Kraft S₁=σ₁·A) verfestigt. An­ schließend werden die bewegbaren Seitenwände 10, 11 entfernt, so daß der verfestigte Schüttgutblock 17 ohne seitliche Unter­ stützung verbleibt. Auf diesen Schüttgutblock 17 wird nun mit Hilfe des Druckstempels 5 eine solche Spannung σ_c (S_c=σ_c·A) aufgebracht, daß der Schüttgutblock 17 bricht.

Fig. 6a und 6b verdeutlichen die dabei entstehende Meßkurve für σ_c. Der Druckstempel 5 legt bei der Druckbeaufschlagung einen Weg x zurück, wobei die Spannung im wesentlichen linear zunimmt. Kommt es zum Bruch des Schüttgutblocks 17, fällt die Spannung von dem maximal aufgebrachten Wert σ_c wieder ab und der Kolben kann theoretisch über einen weiteren Weg x mit ge­ ringerer Spannung σ weiterbewegt werden.

Das Auftragen der gemessenen Werte σ_c in Abhängigkeit von un­ terschiedlichen Verfestigungsspannungen σ₁ führt zu der in Fi­ gur 7 dargestellten Fließfunktion. Diese Fließfunktion charak­ terisiert das Fließvermögen des Schüttgutes. Bei einer hohen Schüttgutfestigkeit für bereits relativ geringe Verfestigungs­ spannungen bildet das Schüttgut beispielsweise stabile Brücken, die die Entleerbarkeit des Schüttgutes aus einem Silo beeinträchtigen können. Darüber hinaus kann in Form einer Qualitätskontrolle festgestellt werden, ob ein produziertes (beispielsweise gemischtes) Produkt nicht zu schlechte Fließ­ eigenschaften (entsprechend einer zu hohen Schüttgutfestig­ keit) für eine bestimmte Anwendung hat.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich die be­ schriebenen Verfahren zur Bestimmung von Schüttgutparametern voll automatisch durchführen und in einem Prozeßrechner aus­ werten. Die Auswertungen können zur Anzeige gebracht werden oder direkt als Steuergrößen für Prozeßparameter Verwendung finden.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Messung wenigstens eines Parameters eines Schüttgutes mit einer Probenentnahmevorrichtung, einem Ein­ lauf (1) für den entnommenen Proben-Schüttgutstrom und ei­ ner unter dem Einlauf (1) angeordneten Meßkammer (2), in der das Schüttgut verdichtet werden kann, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die allseitig verschließbare Meßkammer (2) mit einer als Druckstempel (5) ausgebildeten Wand versehen ist und daß mit dem Druckstempel (5) eine Meßeinrichtung (6) zur Kraft- und/oder Wegmessung verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine un­ terhalb der Kammer (2) angeordnete Wiegeeinrichtung (12) für das die Meßkammer (2) verlassende Schüttgut.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (2) auf der Einlaufseite und auf der Aus­ laufseite mit jeweils einem Schieber (3, 4) verschließbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die senkrecht zum Druckstempel (5) ste­ henden Wände (10, 11) der Meßkammer (2) entfernbar sind.

5. Verfahren zur Messung von Schüttgutparametern, bei dem aus einem kontinuierlichen Prozeß eine Probe des Schüttgutes entnommen, in eine verschließbare Meßkammer (2) gefüllt und in der Meßkammer (2) verdichtet wird, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verdichtung in der Meßkammer (2) mit Hilfe einer als Druckstempel (5) ausgebildeten Wand erfolgt, daß bei Verdichtungsvorgang eine Kraft- und/oder Wegkurve ge­ messen wird und daß der gemessene Verlauf der Meßwerte wäh­ rend der Verdichtung mit Schüttgutparametern, wie bei­ spielsweise mittlere Partikelgröße und Partikelgrößenver­ teilung, in Beziehung gesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Meßkammer (2) befindliche Schüttgutmenge gewogen wird.

7. Verfahren zur Messung von Schüttgutparametern, bei dem aus einem kontinuierlichen Prozeß eine Probe des Schüttguts entnommen, in eine Meßkammer (2) gefüllt und in der Meßkam­ mer (2) verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung in der Meßkammer (2) mit Hilfe einer als Druck­ stempel (5) ausgebildeten Wand erfolgt, daß die für die Verdichtung mit dem Druckstempel (5) aufgewandte Kraft ge­ messen wird, daß der durch den Verdichtungsvorgang gebilde­ te Block (17) aus Schüttgut nach Entfernen von Wänden (10 und/oder 11) mit dem Druckstempel (5) einer einachsigen Belastung bis zum Bruch unterworfen wird und daß die für den Bruch erforderliche Kraft (S_c) gemessen und mit der für die Verdichtung aufgewandten Kraft (S₁) in Beziehung gesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Aufnah­ me mehrerer Meßwerte für unterschiedliche Verdichtungskräf­ te (S₁).

9. Die Kombination der Verfahrensmerkmale der Ansprüche 5 oder 6 mit denen der Ansprüche 7 oder 8.