| von René Dechange , Haver & Boecker


  • Die photooptische Partikelanalyse hat gegenüber der konventionellen Siebanalyse eine Reihe von Vorteilen, zu denen neben reproduzierbaren Ergebnissen auch Zeitersparnis, Automatisierbarkeit sowie Aussagen zur Kornform gehören.
  • Herzstück der CPA-Geräte ist eine hochauflösende digitale Zeilenkamera, durch die pro Sekunde bis zu 10000 Partikel vermessen und analysiert werden.
  • Bei länglichem Material stößt die Bildanalyse im freien Fall an ihre Grenzen. Deshalb wurde das Conveyor-Messverfahren entwickelt, bei dem die Probe durch ein schnell laufendes Transportband ausgerichtet wird.

Insbesondere in der chemischen Industrie besteht der Bedarf nach zuverlässigen Längen- oder Breitenverteilungen von stabförmigem Material wie z.B. Katalysatoren. Da eine konventionelle Siebanalyse für solche Untersuchungen nicht geeignet ist, sind neben der zeitaufwendigen Messschieber-Analyse auch immer häufiger photooptische Verfahren im Einsatz. Die gängigen Freifall-Geräte haben bei der Analyse von stabförmigem Material zwei Nachteile:

  • Die Partikel sind schwierig zu vereinzeln, so dass sie sich während der digitalen Bildanalyse berühren.
  • Die Partikel drehen sich im freien Fall, wodurch es im Extremfall dazu kommen kann, dass lediglich die Stirnfläche eines länglichen Partikels in die digitale Bildverarbeitung eingeht.

Durch die Entwicklung neuer Geräte wurden diese Probleme nun gelöst. Das Messsystem Haver CPA (Computerized Particle Analysis) nutzt die digitale Bildverarbeitung zur Analyse von Partikeln. Das Herzstück der Geräte ist eine hochauflösende digitale Zeilenkamera, die eine Taktrate bis zu 28000 Zeilen-Scans pro Sekunde erreicht. Dadurch können bis zu 10000 Partikel pro Sekunde gemessen und analysiert werden.

Die Materialprobe wird zur optimalen Dosierung über eine Transportrinne, deren Amplitude automatisch per Software geregelt wird, zum Messkanal transportiert. Im Messkanal fallen die Partikel zwischen eine LED-Lichtzeile und eine digitale Zeilenkamera, wo sie während des freien Falls im Gegenlichtverfahren „abgescannt“ werden. Der Scanbereich der Zeilenkamera wird dabei größer ausgelegt als die Rinnenbereite, damit keine angeschnittenen oder gar komplett verloren gegangenen Partikel das Ergebnis verfälschen können.
Die gescannten Zeilen werden von der CPA-Software zu einem Endlos-Datensatz zusammengesetzt und die Schattenprojektionen der Partikel parallel zum Messvorgang ausgewertet. Die vertikal unbegrenzten Bilder einer einzelnen digitalen Zeilenkamera ermöglichen es, die im Korngrößen-Messbereich des CPA-Gerätes liegenden Partikel vollständig in Echtzeit zu erfassen. Dadurch ist es möglich, unterschiedlichste Kornformwerte an jedem einzelnen Partikel auszuwerten und das Gerät auch als Partikelzähler zu nutzen. Sollte dennoch Material nicht vermessen worden sein, wird dies dokumentiert.
Dass der gesamte Messbereich mit einer Kamera erfasst werden kann, liegt an der hohen Auflösung digitaler Zeilenkameras. Fehler, die sich durch die Verrechnung von einzelnen Teilbereichen mehrerer Kameras ergeben können, sind genauso ausgeschlossen, wie Doppelzählungen von Partikeln. Daher lassen sich bereits sehr kleine Probenmengen reproduzierbar vermessen.
Um die Ergebnisse mit einer konventionellen Siebanalyse vergleichen zu können, wurden verschiedene automamatische Angleichfunktionen entwickelt. Im Vergleich zur konventionellen Siebanalyse bietet die photooptische Partikelanalyse folgende Vorteile:

  • hohe Reproduzierbarkeit der Messergebnisse,
  • enorme Zeitersparnis,
  • zusätzlicher Informationsgehalt (Kornformwerte),
  • Automatisierbarkeit,
  • geringe Betriebskosten durch wartungsarme Technologien (z.B. LED-Lichtzeile).

Bildanalyse stößt bei länglichem Material an ihre Grenzen

Bei der Analyse von länglichem Material stößt das Verfahren der Bildanalyse im freien Fall an seine Grenzen. Zwei Einschränkungen können dabei auftreten:

  • Durch das Transportverhalten länglicher Materialien auf einer Dosier-Rinne kann es zum „Überkreuzliegen“ einzelner Partikel während der digitalen Bildanalyse kommen, so dass die Messergebnisse verfälscht werden.
  • Im freien Fall entstehen geometriebedingt Drehungen des Materials in alle drei Dimensionen. Die abgebildete zweidimensionale Projektionsfläche basiert auf einer zufälligen Partikellage im Raum.

Diesen Schwierigkeiten begegnet das neue CPA Conveyor-Messverfahren: Die Materialprobe wird dabei zunächst über eine Dosier-Rinne gefördert, deren Amplitude per Software geregelt wird. Anschließend gelangt die Probe auf ein Transportband, dessen Geschwindigkeit konstant, aber schneller ist als die der Dosier-Rinne. Beim Übergang auf das schneller laufende Fördermedium wird die Materialprobe auseinander gezogen, so dass die Partikel vor der digitalen Bildanalyse vereinzelt werden.

Darüber hinaus nehmen die Partikel während des Transports auf dem schneller laufenden Transportband eine stabile Lage (max. Länge zu max. Breite) ein und werden so ausgerichtet an der Abwurfkante des Förderbandes von der Zeilenkamera aufgenommen. Ein zufälliges Drehen im Moment ihrer Erfassung ist durch diese Art der Zuführung nahezu ausgeschlossen. Durch die Echtzeitmessung werden auch hier selbst bei kleinen Probenmengen reproduzierbare Messergebnisse erzielt.
Die neuen Geräte zur photooptischen Partikelanalyse sind das CPA 2–1, ein wirtschaftliches Basisgerät für den Betrieb im Labor, sowie das CPA 2 Conveyor, mit dem nun auch längliche Materialien im Feinbereich reproduzierbar vermessen werden können. Das Laborgerät wird zur Korngrößen- und Kornformanalyse im Messbereich von 34µm bis 25mm eingesetzt. Mit der „High Resolution“(HR)-Version kann im Bereich von 10µm bis 4mm gemessen werden

Das CPA 2 Conveyor ist ein Bandgerät zur Korngrößen- und Kornformanalyse im Messbereich von 37µm bis 20mm. Für die Messbereiche von 106µm bis 200mm sowie 400µm bis 400mm stehen weitere Geräte zur Verfügung.

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