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Gas- oder Luftdurchläs sigkeitsprüfgerät Zur Prüfung der Gas- oder
Luftdurchlässigkeit von blattförmigen Materialien sind verschiedene Geräte bekanntgeworden.
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Bei einem bekannten Luftdurchlässigkeitsprüfer beruht das Meßprinzip
darauf, daß Luft unter der Wirkung eines Unterdruckes, der mit Hilfe einer Mariotteschen
Flasche konstant gehalten wird, durch das zu untersuchende Papierblatt gesaugt wird.
Aus dem Wasservolumen, das in der Zeiteinheit aus der Mariotteschen Flasche austritt,
wird dann die durchgetretene Luftmenge bestimmt. Nach diesem Meßprinzip wurden jeweils
gesonderte Apparate für sehr durchlässige und sehr dichte Materialien und für solche
mit mittlerer Durchlässigkeit auf den Markt gebracht.
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Für die Prüfung von Packmaterial für Lebensmittel war ein Gerät entwickelt
worden, bei dem die eine Seite der Probeeinspannvorrichtung unter einem eingestellten
konstant gehaltenen Unterdruck, die andere Seite dagegen unter Atmosphärendruck
steht und die durch die Probe unter der Wirkung des eingestellten Unterdruckes hindurchtretende
Luftmenge gemessen wird. Dieser Apparat war vornehmlich für die Untersuchung dichter
Materialien gedacht.
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Ebenfalls für die Untersuchung von sehr dichten Verpackungsstoffen
wurde eine Versuchsanordnung empfohlen, die auf der volumetrischen Messung der Luftmenge
mit einer Gasbürette bzw. Kapillare beruht, und zwar mit Wasser oder Wasser-Glyzerin-Mischung
als Sperrflüssigkeit. Für die Korrektur der Bürettenablesung dienten einfache Rechenverfahren
und Tabellen oder eine graduierte Bürette. Mit einem Dreiweghahn verband man den
Raum unter der Probe und der Bürette bzw. Kapillare, und den gewünschten Unterdruck
stellte man mit einem Niveaugefäß ein.
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Zur Prüfung von Kabelpapier schlug man ein Gerät vor, dessen Prinzip
auf dem Vergleich des Widerstandes beruht, den einerseits das zu prüfende Papier,
andererseits ein bekanntes Durchlässigkeitsmuster einem hindurchgeschickten Luftstrom
bietet.
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Als Vergleichsmuster diente eine Kapillare von bestimmten Abmessungen.
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In vielen Fällen, z. B. in der Papierindustrie und in der Gewebeindustrie,
müssen Materialien von sehr unterschiedlicher Gasdurchlässigkeit fortlaufend geprüft
werden. Diese Prüfungen erforderten bis heute verschiedene Geräte, deren Meßergebnisse
oft nicht unmittelbar miteinander vergleichbar waren. Außerdem hafteten den bekannten
Ausführungsformen und Meßverfahren für Luftdurchlässigkeitsprüfungen grundsätzliche
Mängel an.
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So ist z. B. bei den vorbeschriebenen Prüfgeräten für Papier die
Prüffläche meist nicht größer als 10 cm2. Bei inhomogenem Material müssen deshalb
entsprechend
mehr Proben genommen werden, was die Prüfdauer nicht unwesentlich verlängert.
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Ferner ist die Einspannvorrichtung für die Prüfblätter od. dgl. bei
den bisherigen Geräten nicht einwandfrei. Beim Einspannen des Prüflings treten durch
Friktion der Gummidichtung in deren Bereich tangentiale Kräfte zur Blattebene auf,
wobei Falten und Risse auftreten können, die zu Fehlern bei der Messung Anlaß geben.
Außerdem ist, insbesondere bei beschichteten Papieren, ein Einwachsen des Randes
notwendig, damit kein tangentialer Gasaustritt durch das Innere der Probe sowie
durch den Raum zwischen Prüfling und Dichtungsfläche erfolgen kann.
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Bei der Messung gasundurchlässiger Materialien ist die treibende
Druckdifferenz bei den vorhandenen Prüfgeräten meist zu klein, was entsprechend
lange Prüfzeiten, und zwar bis zu einem Tag und mehr erforderte. Diese Geräte arbeiten
teilweise mit Unterdruck, wobei die Messung auf der Unterdruckseite erfolgen kann,
wobei die maximale Druckdifferenz, gegeben durch die Länge der Quecksilbersäule,
etwa 100 Torr beträgt. Dies hat den Nachteil, daß bei langen Prüfzeiten die Probe
austrocknen kann und außerdem Undichtigkeiten gegen Außenluft die Messung empfindlich
stören können.
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Erfolgt die Messung auf der Druckseite, so kann bei längerer Prüfdauer
die durch Austrocknung der Probe bedingte Änderung der Porenstruktur ebenfalls eine
Fehlerquelle darstellen.
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Diesen Geräten ist gemeinsam, daß sie als Indikator einen in einer
senkrechten Kapillare beweglichen Onecksilberfaden verwenden. Dabei ist für eine
einwandfreie Messung Voraussetzung, daß die Kapillare sowie auch das Quecksilber
stets sorgfältig sauber zu halten sind, was nur mit verhältnismäßig großem Aufwand
erreichbar ist.
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Es wurde nun gefunden, daß es gelingt, die Nachteile der bekannten
Geräte zu überwinden und in einfacher und zuverlässiger Weise die Gasdurchlässigkeit
blattförmiger Materialien in einem sehr großen Dnrchlässigkeitsbereich schnell zu
messen, indem eine Meßvorrichtung geschaffen wurde, die eine gemein same Prüfkammer
besitzt, mit der die einzelnen für verschiedene Meßbereiche vorgesehenen Vorrichtungen
und Vorrichtungsteile in einem einzigen Gerät zusammengefaßt sind, und die eine
Einspannvorrichtung für den Prüfling mit einem diesen tragenden Stützsieb enthält,
wobei diese Teile der Meßvorrichtung so ausgebildet sind, daß der Prüfling bei vorzugsweise
runder Fläche eine Größe von über 50 cm2 besitzen kann, und wobei die Meßvorrichtung
ferner für die Messung von wenig durchlässigem Material auf der Niederdruckseite
eine waagerechte Kapillare mit einem fast reibungsfrei beweglichen Flüssigkeitstropfen,
ferner eine weitere, gleichfalls auf der Niederdruckseite nachgeschaltete, auswechselbare
und geeichte Kapillare, vor der bei Materialien mittlerer Durchlässigkeit der Staudruck
gemessen wird, und eine auf der Uberdruckseite vorgeschaltete geeichte Kapillare
besitzt, längs der bei Materialien hoher Durchlässigkeit der Druckabfall gemessen
wird, und wobei schließlich Einrichtungen vorhanden sind, mittels derer die Teile
der Meßvorrichtung, die für die verschiedenen Meßbereiche eingerichtet sind, mittels
Ventilen od. dgl. derart untereinander in Verbindung stehen, daß sie wahlweise einschaltbar
sind.
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Durch die Erfindung gelingt es, mit einem einzigen Gerät lediglich
durch einfache Umschaltung einen großen Luftdurchlässigkeitsbereich zu erfassen.
wobei die auf die geschilderten drei Arten gemessenen Gas-oder Luftmengen unter
Berücksichtigung der jeweiligen Druckgefälle an der Probe die gesuchte Gas- oder
Luftdurchlässigkeit des geprüften Materials ergeben.
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Bei mittlerer und hoher Luftdurchlässigkeit erhält man durch die Erfindung
jeweils sofortige Anzeigen, was völlig neu ist, während man bei geringer Luftdurchlässigkeit
einige Zeit warten muß, bis der Tropfen in der Kapillare eine bestimmte Strecke
zurückgelegt hat; jedoch dauert die Prüfung selbst bei äußerst luftundurchlässigem
Material kaum länger als etwa 1/2 Stunde. Dieser günstige Effekt wird durch die
erfindungsgemäße Verwendung eines verhältnismäßig großen Druckgefälles und einer
großen Einspannfläche in Verbindung mit der sich iiber mehrere Meßbereiche erstreckenden
Prüfmethode erzielt. Denn erfindungsgemäß können Prüfflächen von mehr als 50 cm2
mit der hierfür neuartigen Einspannvorrichtung, die einen Teil der Erfindung darstellt,
verwendet werden. Infolge des großen Meßbereiches gestattet die Erfindung die Prüfung
von Papier, Geweben, Folien und verschiedenen anderen blattförmigen Materialien.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besitzt die Prüfkammer ein
Stützsieb für den Prüfling, einen über dessen äußeren Rand herausragenden Gummiring
und einen diesen nach innen iibergreifenden Metallring, die den Prüfling so einspannen,
daß die freie Fläche des Prüflings durch die Anpassung nicht verändert wird und
der eingespannte Rand des Prüflings keinen tangential zur Blattebene wirkenden Kräften
ausgesetzt wird.
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Die Zeichnung zeigt eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung,
und zwar Abb. 1 eine schematische Darstellung der Prüfkammer und der Schaltungsanordnung
der verschiedenen Prüfvorrichtungen,
Abb. 2 eine schaubildliche Darstellung des gesamten
Prüfgerätes, Abb. 3 eine schematische Darstellung einer Prüfkammer mit der neuartigen
Einspannvorrichtung im Schnitt.
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Mit 1 ist die Grundplatte der Prüfkammer 2 bezeichnet, auf welche
der Prüfling 3 aufgelegt und über geeignete Dichtungen mit einem Deckel 4 festgespannt
wird (Abb. 1).
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Wie Abb. 2 zeigt, kann der Prüfkammerdeckel 4 beispielsweise über
eine Spindel 5 mit einem Handrad 6 auf und ab bewegt und mit einem Exzenterhebel
6a angepreßt werden.
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Der in der Kammer 2 eingespannte Prüfling wird einem ueberdruck von
einigen Millimeter Wassersäule bis etwa beispielsweise 1,5 atü ausgesetzt, und die
pro Zeiteinheit hindurchgedrungene Gas- oder Luftmenge wird gemessen. Das Prüfgas,
z. B. Luft od. dgl., wird aus einer Druckflasche 7 oder mit Hilfe eines Kompressors
2 zugeführt, wobei der erforderliche Mindestdruck beispielsweise 3 atü betragen
kann. In Abb. 2 befindet sich der Anschluß für die Druckflasche 7 auf der Rückseite
des Gerätes. über eine Leitung 8 gelangt das Prüfgas od. dgl. zu einem Reduzierventil
9. Dieses sorgt dafür, daß durch ein anschließendes Ventil 10 ein geregelter Druck
von beispielsweise 0,05 bis 1,6 atü eingestellt und an einem Manometer 11 abgelesen
werden kann, das an eine Leitung 12 über eine Zweigleitung 13 angeschlossen ist.
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Um ein großes Intervall der Luftdurchlässigkeit erfassen zu können,
besitzt das Gerät drei Meßbereiche, deren Schaltungsweise und Meßprinzipien im folgenden
beschrieben werden.
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Ein Meßbereich I ist für schwachdurchlässige Materialien, z. B. Folien,
beschichtete und fettdichte Papiere, bestimmt. Hier führt ein Leitungsweg von der
Druckflasche 7 über das Ventil 10, Leitung 12, Kapillare, Nadelventil od. dgl. K3
und Zweigleitungen 14, 15 bei geöffnetem Ventil 16, bei geschlossenem Ventil 17
über eine Leitung 18 in die Prüfkammer 2 durch den Prüfling 3 und über eine Leitung
19 und geöffnetes Ventil 20 zu einer Kapillare K 1. In der geeichten Kapillare K
1 befindet sich ein Tropfen einer schwerflüchtigen Flüssigkeit, dessen fast reibungsfreie
Verschiebung unmittelbar die pro Zeiteinheit durchgeströmte Gasmenge anzeigt. Der
Druck, der zum Bewegen des Flüssigkeitstropfens erforderlich ist, ist sehr klein
und kann gegenüber dem Prüfdruck selbst vernachlässigt werden.
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Für den Meßbereich II für durchlässigere Materialien als bei dem
Meßbereich I führt der Leitung weg bis zum Prüfling 3, wie bei dem Meßbereich 1,
dann über die umgelegten Ventile 20 und 17 zum Manometer 21 und gleichzeitig durch
eine Kapillare K2 nach außen. An die Kapillare K2 können im Bedarfsfalle zusätzlich
wahlweise zwei weitere geeichte Kapillaren zur Erweiterung des Meßbereiches angesetzt
werden. Hierbei dient das Manometer 21 zusammen mit der Kapillare K2 als Strömungsmesser,
wobei das Druckgefälle gleich ist der Differenz vom Prüfdruck am Manometer 11 und
dem Meßdruck am Manometer 21.
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Für den Meßbereich III, z. B. für sehr durchlässige Materialien,
wie Seidenpapier, Gewebe u. dgl., führt der Leitungsweg von der Gasfiasche 7 über
das Ventil 10 durch die geeichte Kapillare, Nadelventil od. dgl. K 3 bei geschlossenem
Ventil 16 über das Ventil 17 zum Manometer 21 und gleichzeitig durch den Prüfling
3 und ein geöffnetes Ventil 22 nach außen.
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Bei dieser Schaltung dienen die Manometer 11 und 21 zusammen mit der
Kapillare od. dgl. K3 als Strömungsmesser. In diesem Fall ist der am Manometer 21
angezeigte Druck gleich dem Druckgefälle an dem Prüfling. Mit dem einstellbaren
Nadelventil od. dgl.
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K 3 kann das Gerät im Meßbereich III nachgeeicht werden.
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Die auf diese drei Arten gemessenen Gas- oder Luftmengen ergeben
unter Berücksichtigung des jeweiligen Druckgefälles an der Probe die bei der gegebenen
Prüffläche gesuchte Gas- oder Luftdurchlässigkeit. Im MeßbereichII und III erhält
man eine momentane Anzeige des Gas- oder Luftdurchlässigkeitswertes. Im Meßbereich
I muß man einige Zeit warten, bis der Tropfen in der Kapillare eine bestimmte Strecke
zurückgelegt hat. Aber auch hier dauert die Prüfung selbst bei sehr luftundurchlässigen
Materialien kaum länger als etwa ll2 Stunde. Dieser günstige Umstand ergibt sich
aus der Verwendung eines größeren Druckgefälles und einer größeren Einspannfläche.
Außerdem kann durch Verwendung einer Flüssigkeit mit geringer Haftspannung das Lumen
der Kapillare K 1 kleiner gewählt werden, wodurch die Meßempfindlichkeit erheblich
gesteigert bzw. die Prüfdauer entsprechend herabgesetzt werden kann.
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Die Vorrichtung zum Einspannen der Prüflinge ist in Abb. 3 dargestellt.
Der zu untersuchende Prüfling 3 besitzt bei vornehmlich runder Fläche eine Größe
von über 50 cm2 und liegt auf einem Stützsieb 24, welches genau bündig mit der Dichtungsfläche
des unteren Teiles der Einspannvorrichtung abschließt und auswechselbar ist. Das
Stützsieb 24 kann aus einer durchlöcherten Metallplatte und einem darüberliegenden
Sieb verschiedener Maschenweite bestehen.
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Am oberen Teil der Einspannvorrichtung, d. h. am Deckel 4, ist der
vornehmlich aus geeignetem Gummi hergestellte Gummiring 25 befestigt, der über den
Außenrand des Prüflings hinausragt. Ein über den inneren Rand der Gummidichtung
greifender Metallring26, der bis nahe an den Prüfling reicht, verhindert, daß beim
Anpressen der Dichtung durch die Ausdehnung des Gummiringes die Prüffläche verkleinert
wird. Außerdem wird dabei ein Beschädigen des Prüflings vermieden, da keinerlei
tangentiale Kräfte zur Blattebene in der Randzone auftreten können.
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Darüber hinaus wirkt die Gummidichtung auch noch in der Weise, daß
eine absolute Dichtung zwischen Unter- und Oberteil der Einspannvorrichtung auch
in radialer Richtung (in Richtung der Pfeile) erzielt wird.
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Die Messungen werden wie folgt ausgeführt: Nachdem der Prüfling eingespannt
ist, wird, sofern der ungefähre Wert der Luftdurchlässigkeit nicht schon bekannt
ist, vorteilhaft der mittlere Meßbereich II eingeschaltet. Auf diese Weise ersieht
man schnell, auf welchen Bereich man eventuell umzuschalten hat.
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Die Messung wird dadurch noch erleichtert, daß sich die einzelnen
Meßbereiche etwas überlappen. Im Meßbereich I wird in der Kapillare K 1 die Bewegung
des Flüssigkeitstropfens verfolgt. Sobald der Tropfen die gesamte Skala der Kapillare
durchfallren hat, kann man durch Öffnen des Ventils 22 und durch Neigen der Kapillare
mit Hilfe einer Verstellvorrichtung 23 den Tropfen in die Ausgangsstellung zurückbringen
und die Messung wiederholen. Erweiterungen an den Enden der Kapillare sorgen dafür,
daß der Flüssig keitstropfen durch Unachtsamkeit nicht verlorengehen kann. In den
Meßbereichen II und III wird die
Anzeige der Manometer 11 und 21 verfolgt. Sobald
sich ein stationärer Zustand eingestellt hat,. kann abgelesen werden.
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Die Werte der Luftdurchlässigkeit können in verschiedenen Einheiten
angegeben werden. Die Eichkurven für das vorliegende Gerät beziehen sich beispielsweise
auf die Dimensionen cm3 min cm2 mm Wassersäule Die Eichkurven selbst enthalten die
Luftdurchlässigkeitswerte in Abhängigkeit von der Manometer anzeige bei 21 für verschiedene
Prüfdrücke, die am Manometer 11 angezeigt werden. Mit Hilfe eines graphischen Umrechnungs
diagramms können alle anderen Größenangaben ermittelt werden. Die Umrechnung auf
Normalbedingungen, z. B. 0° C und 760 Torr, kann gegebenenfalls vorgenommen werden.
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Das Prüfgas kann, bevor es die Prüfkammer erreicht, in geeigneter
Weise klimatisiert werden, so daß die Luftdurchlässigkeitsmessung auch unter variablen
klimatischen Verhältnissen ausgeführt werden kann.
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PATENTANSPROCHE: 1. Vorrichtung zur Messung der Gas- oder Luftdurchlässigkeit
von blattförmigem Material, insbesondere von Papier, Geweben, Folien u. dgl., gekennzeichnet
durch eine gemeinsame Prüfkammer (2), mit der die einzelnen für verschie dene Meßbereiche
vorgesehenen Vorrichtungen und Vorrichtungsteile in einem einzigen Gerät zusammengefaßt
sind, sowie durch eine Einspannvorrichtung (4) für den Prüfling (3) in der Prüfkammer
(2) mit einem diesen tragenden Stützsieb (24), wobei diese beiden Teile der Meßvorrichtung
so ausgebildet sind, daß der Prüfling (3) bei vornehmlich runder Fläche eine Größe
von über 50 cm2 besitzen kann, ferner durch eine waagerechte Kapillare (K 1) auf
der Niederdruckseite mit einem fast reibungsfrei beweglichen Flüssigkeitstropfen
für die Messung von wenig durchlässigem Material, eine weitere, gleichfalls auf
der Niederdruckseite nachgeschaltete, auswechselbare und geeichte Kapillare (K2),
vor der bei Materialien mittlerer Durchlässigkeit der Staudruck gemessen wird, und
durch eine auf der Uberdruckseite vorgeschaltete geeichte Kapillare (K 3), längs
der bei Materialien hoher Durchlässigkeit der Druckabfall gemessen wird, schließlich
durch Einrichtungen, mittels derer die Meßvorrichtungen für die verschiedenen Meßbereiche
untereinander mit Ventilen od. dgl. derart in Verbindung stehen, daß sie wahlweise
einschaltbar sind.