BRPI0609518A2

BRPI0609518A2 - sistema e método para determinar propriedades médias de partìculas constituintes de uma amostra de material

Info

Publication number: BRPI0609518A2
Application number: BRPI0609518-6A
Authority: BR
Inventors: Peter Coghill
Original assignee: Commw Scient And Ind Reseaech Organisation
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2006-03-21
Publication date: 2011-10-18
Also published as: WO2006099666A1; US20090078046A1; CN101147058A; CN101147058B; US7856881B2

Abstract

SISTEMA E MéTODO PARA DETERMINAR PROPRIEDADES MéDIAS DE PARTìCULAS CONSTITUINTES DE UMA AMOSTRA DE MATERIAL. A resistência média ou módulo de Young das partículas constituintes de uma amostra (14) é determinada a partir da velocidade medida do som que propaga de uma fonte (22) através da amostra até um receptor (24). Outros dados de amostra, tais como porosidade, razão de Poisson e a pressão aplicada na amostra, são também usadas para a determinação. Entretanto, não é necessário nenhum dado pertinente a tamanhos de partículas individuais. O método fornece um teste não destrutivo para as resistências médias de materiais tais como pelotas de minério de ferro, pó de alumina, areia moída e pó de carvão.

Description

"SISTEMA E MÉTODO PARA DETERMINAR PROPRIEDADES MÉDIAS DE PARTÍCULAS CONSTITUINTES DE UMA AMOSTRA DE MATERIAL"

Campo da Invenção

Esta invenção diz respeito a um sistema e a um método para

determinação de propriedades mecânicas médias de partículas constituintes de uma amostra de material com uso de ultra-som.

Fundamentos da Invenção

Em muitas indústrias, é desejável determinar propriedades de partículas constituintes de uma amostra de material. Tais materiais incluem pós e agregados tais como grânulos, pelotas e briquetes. Uma propriedade de interesse é a resistência de partículas constituintes de uma amostra de material.

Por exemplo, certas indústrias produzem agregados como produtos acabados ou intermediários, e a resistência do produto agregado é importante para a capacidade de colocação do produto no mercado, já que a quebra do produto anula a operação de agregação. Na indústria de minério de ferro, agregados na forma de pelotas são individualmente testados com relação à resistência por esmagamento controlado. Entretanto, uma técnica como essa é demorada, já que o processo ocorre com base em pelota por pelota. Além disso, a técnica é destrutiva, já que as pelotas são destruídas no processo. É desejável determinar rapidamente a resistência média das pelotas, em massa, usando uma técnica não destrutiva.

Uma propriedade adicional de interesse são as características de polvilhamento dos pós que são diretamente relacionadas com a resistência dos particulados que constituem o pó. Resistência insuficiente de particulado leva a polvilhamento, que pode interferir no processamento na linha de produção, já que maquinário entupido levará a uma parada temporária da usina. Na indústria de alumina, pó de alumina é produzido pelo processo de cristalização e calcinação. A fim de testar a resistência das partículas que constituem o pó calcinado, uma amostra do pó calcinado é tipicamente submetida a um teste de atrito. Este teste envolve agitar mecanicamente a amostra e fazer sucessivas medições para determinar a mudança no tamanho das partículas individuais. A partir destas, a resistência pode ser calculada. Novamente, medições em partículas individuais são demoradas. Além disso, a medição é feita no produto calcinado. É desejável poder determinar as propriedades médias de particulados do material na massa e antes da calcinação.

Agregados são também produzidos em muitas indústrias não minerais como produção de alimentos e fabricação de pó detergente de lavanderia. Assim, uma ampla variedade de produtos é produzida como agregados, em função do que é desejável determinar as propriedades do material.

Sumário da Invenção

De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é provido um método de determinar propriedades médias de partículas constituintes de uma amostra de material, o método incluindo: transmitir ondas sonoras através da amostra;

receber um sinal sonoro representativo das ondas sonoras transmitidas através da amostra;

prover dados de referência relativos a critérios selecionados associados com a amostra; e

processar o sinal recebido e usar os dados de referência para determinar, independentemente do tamanho de partícula das partículas que constituem a amostra, propriedades médias predeterminadas das partículas que constituem a amostra.

O material pode ser um pó. O material pode ser um agregado, tal como, mas sem limitações, grânulos, pelotas ou briquetes.

Preferivelmente, o método inclui determinar a resistência de partículas com base na velocidade do som medida independentemente do tamanho de partícula. Mais particularmente, o método pode incluir calcular o módulo de Young das partículas e, a partir deste cálculo, determinar a resistência das partículas.

O módulo de Young das partículas pode ser obtido a partir da equação derivada de uma ordem de empacotamento aleatória de esferas:

<formula>formula see original document page 4</formula>

onde:

V é à velocidade do som da onda injetada na amostra de material,

Vb é a velocidade do som da onda que propagou através da amostra de material,

K é o número médio de contatos para cada esfera, que, para um empacotamento aleatório é 8,84,

α e a fração de vazios,

ν é a razão de Poisson das partículas individuais na amostra de material,

P é a pressão aplicada, e

E é o módulo de Young.

Pela equação apresentada, nota-se que a velocidade do som é proporcional a 0,167 da potência da pressão aplicada.

Preferivelmente, o método inclui aplicar uma pressão na amostra para facilitar a transmissão do som. A pressão aplicada na amostra pode ser da ordem de 10-6 do módulo de Young das partículas da amostra. O método pode compreender adicionalmente medir a pressão aplicada a amostra.

O método pode compreender adicionalmente medir a densidade em massa da amostra.

O método pode compreender adicionalmente selecionar uma freqüência das ondas sonoras para transmissão através da amostra, onde as freqüências são selecionadas em uma faixa de freqüências ultra-sônicas não destrutivas. O método pode compreender adicionalmente selecionar uma freqüência na faixa de 10 kHz a 1 MHz.

O método pode compreender adicionalmente selecionar uma freqüência das ondas sonoras para transmissão através da amostra, onde o comprimento de onda correspondente à freqüência selecionada é uma razão predeterminada em relação a um diâmetro médio das partículas que constituem a amostra de maneira a minimizar substancialmente perdas por dispersão. Deve-se perceber que a determinação do diâmetro médio das partículas que constituem a amostra precisa ser apenas uma medição bruta. Esta medição é uma medição isolada e não precisa ser repetida para medições feitas no mesmo material. O comprimento de onda das ondas sonoras é preferivelmente pelo menos 10 vezes o diâmetro médio das partículas, mais preferivelmente pelo menos 20 vezes o diâmetro médio das partículas, e ainda mais preferivelmente pelo menos 25 vezes o diâmetro médio das partículas.

Em uma modalidade, o método pode incluir remover uma amostra de material para teste. Nesta modalidade, o método pode envolver colocar a amostra em um recipiente, aplicar uma pressão na amostra no recipiente até um ponto necessário para pressurizar a amostra para facilitar a transmissão do som na amostra. Nesta modalidade, os critérios selecionados podem ser a pressão aplicada no artigo e a densidade em massa da amostra. A partir de um conhecimento do volume do recipiente e da massa da amostra, é um procedimento simples determinar a densidade em massa da amostra.

De acordo com um segundo aspecto da invenção, é provido um sistema para determinar propriedades médias de partículas constituintes de uma amostra de material, o sistema incluindo: uma unidade de geração de som para gerar ondas sonoras de uma freqüência predeterminada para ser transmitidas através da amostra;

um receptor para receber um sinal representativo de ondas sonoras transmitidas através da amostra;

uma unidade de referência para fornecer dados de referência relativos aos critérios selecionados associados com a amostra; e

uma unidade de processamento de sinal para processar o sinal recebido e, usando os dados desta unidade de referência, determinar, independentemente do tamanho de partícula das partículas que constituem a amostra, propriedades médias das partículas que constituem a amostra.

As ondas sonoras a ser transmitidas através da amostra podem ser selecionadas para ter um comprimento de onda que é uma razão predeterminada relativa a um diâmetro médio das partículas que constituem a amostra para evitar perdas por dispersão. Preferivelmente, o comprimento de onda das ondas sonoras é pelo menos 10 vezes o diâmetro médio das partículas, e mais particularmente acima de cerca de 20 vezes o diâmetro médio das partículas, e ainda mais preferivelmente acima de cerca de 25 vezes o diâmetro médio das partículas.

As ondas sonoras a ser transmitidas através da amostra podem ser selecionadas para ter uma freqüência na faixa de freqüências ultra-sônicas não destrutivas. As ondas sonoras a ser transmitidas através da amostra podem ser selecionadas para ter uma freqüência na faixa de 10 kHz a 1 MHz.

As ondas sonoras transmitidas através da amostra podem ser ondas de cisalhamento, ou podem ser ondas longitudinais.

A unidade de geração de som pode incluir um transdutor para transmitir ondas sonoras através da amostra e um gerador de som para acionar o transdutor a uma freqüência predeterminada. O gerador de som pode ser um gerador de pulsos.

Em uma modalidade, o receptor pode compreender um transdutor separado. Em uma modalidade opcional, o transdutor que transmite as ondas sonoras através da amostra pode funcionar como o receptor. Em uma modalidade como essa, o sistema pode incluir adicionalmente uma superfície refletiva arranjada para refletir ondas sonoras transmitidas através da amostra de volta para o transdutor.

Deve-se perceber que a invenção não está limitada ao arranjo dos transdutor(es), já que isto depende do número de transdutores e do tipo de onda sonora gerada.

Os critérios selecionados associados com a amostra podem incluir a densidade em massa, a gravidade específica e a razão de Poisson da amostra de material.

A unidade de processamento de sinal pode compreender um analisador que analisa o sinal recebido para determinar as propriedades necessárias da amostra. O analisador pode incluir uma unidade de referência, ou comunicar com ela.

As propriedades médias a ser determinadas podem incluir dureza ou resistência das partículas que constituem a amostra. A resistência ou dureza das partículas pode ser usada para determinar outras propriedades físicas, tais como, por exemplo, características de polvilhamento.

A unidade de processamento de sinal pode incluir um

osciloscópio para exibir a onda sonora transmitida. A unidade de geração de som pode simultaneamente disparar um traço do osciloscópio e o gerador de pulsos.

O sistema pode compreender adicionalmente um dispositivo de pressão para aplicar pressão na amostra para facilitar a transmissão da onda sonora através da amostra de material. O dispositivo de pressão pode compreender uma chapa de pressão ajustável, ou similares.

O sistema pode compreender adicionalmente um sensor de pressão em comunicação com a unidade de referência para detectar a pressão aplicada na amostra.

Uma modalidade do sistema pode ser provida para determinar propriedades médias de partículas constituintes de uma amostra de material in situ. Por exemplo, material amostrado de uma corrente contínua de agregados, tal como uma corrente de pelotas, pode ser testado com o material sendo em seguida retornado para a corrente. Nesta modalidade da invenção, a unidade de referência pode usar um dispositivo de medição de densidade em massa para determinar a densidade em massa da amostra. O dispositivo de medição de massa específica pode compreender um densitômetro de raios-gama, ou similares. Para se obterem dados relativos à pressurização da amostra, a amostra pode ser desviada da corrente contínua para uma tremonha, ou similares, com uma massa de uma coluna do material na tremonha gerando a pressão necessária.

A tremonha pode ter uma célula de pressão, um sensor, no seu piso. A amostra, uma vez testada, pode ser descartada da tremonha e realimentada na corrente.

De acordo com a invenção, é provido um sistema, cujo uso permite a determinação relativamente rápida de propriedades médias de um material a granel por meio de uma técnica não destrutiva. O sistema facilita a medição de ondas sonoras através de uma amostra de material, permite que a velocidade ultra-sônica seja medida com precisão, mesmo no caso de partículas não esféricas cujo grau de não esfericidade fica em um desvio padrão normal, permite o cálculo do módulo de Young das partículas e, portanto, permite o cálculo da dureza, ou resistência, de partículas em uma amostra de material. Além disso, a operação do sistema em linha permite que os operadores do sistema recebam informação de forma relativamente rápida, de maneira tal que mudanças possam ser feitas para garantir que a qualidade do material atende o padrão exigido.

Breve Descrição dos Desenhos A figura 1 mostra um diagrama de blocos esquemático de uma configuração experimental de um sistema de acordo com uma modalidade da invenção, para determinar propriedades médias de partículas constituintes de uma amostra de material;

A figura 2 mostra um gráfico de velocidade ultra-sônica em função da pressão para meio de impacto de vidro usado no sistema da figura 1;

A figura 3 mostra um diagrama de blocos esquemático de um sistema de bancada de acordo com a invenção;

A figura 4 mostra um diagrama de blocos esquemático de um sistema in situ de acordo com a invenção;

A figura 5 mostra um gráfico da correção entre a taxa de ruptura de alumina calcinada e não calcinada obtida por meio de um aparelho mostrado na figura 1, com a taxa de ruptura para alumina calcinada e não calcinada obtida por meio de um aparelho tradicional; e

A figura 6 mostra um gráfico da correlação entre a taxa de ruptura de alumina não calcinada obtida por meio de um aparelho mostrado na figura 1 com a taxa de ruptura com alumina calcinada obtida por meio de um aparelho tradicional.

Descrição Detalhada de Modalidades Exemplares

Na figura 1 dos desenhos, o número de referência 10 designa no geral uma configuração experimental de um sistema de acordo com uma modalidade da invenção, para determinar propriedades médias de partículas constituintes de uma amostra de material.

O sistema 10 inclui um receptáculo 12 no qual uma amostra de material 14 a ser testada é recebida. Um dispositivo de pressurização na forma de um peso 16 é aplicado em uma superfície superior da amostra de material 14 por meio de um espaçador 18.

O sistema inclui uma unidade de geração de som na forma de um gerador de pulsos 20 e um transdutor fonte 22. O gerador de pulsos 20 gera um sinal a uma freqüência e amplitude predeterminados e estimula o transdutor fonte 22 a converter o sinal em uma onda sonora na freqüência apropriada para propagação através da amostra de material 14. O sistema inclui adicionalmente um receptor na forma de um transdutor 24 que monitora a chegada das ondas sonoras que passaram através da amostra de material 14 e, em resposta, gera um sinal.

Um sensor de pressão (não mostrado) é provido para detectar a pressão aplicada na amostra de material 14.

O sistema 10 inclui adicionalmente uma unidade de processamento de sinal 26 para processar o sinal do som recebido gerado pelo transdutor 24. A unidade de processamento de sinal 26 inclui conjunto de circuitos (não mostrado) para amplificar e filtrar o sinal e inclui adicionalmente um osciloscópio 29 para exibir o sinal gerado pelo gerador de pulsos 20.

Incorporado no sistema 10 está uma unidade de referência 28 que fornece dados de referência relativos aos critérios selecionados associados com a amostra de material 14. Na modalidade da invenção ilustrada na figura 1 dos desenhos, os dados de referência 28 incluem dados alimentados pelo sensor de pressão, a gravidade específica, a razão de Poisson das partículas que constituem a amostra de material 14 e a densidade em massa da amostra de material 14 que é calculada por causa do volume conhecido da amostra de material 14 e da massa da amostra de material 14.

Na determinação da resistência de partículas que constituem a amostra de material 14, uma onda sonora, com uma velocidade V, injetada na amostra de material 14, é atenuada. A velocidade da onda através da amostra de material 14 depende de dois fatores: da massa específica, p, da amostra de material 14 e do módulo elástico, E, das partículas que constituem a amostra de material (referido como módulo de Young). O módulo de Young dá uma indicação da "resistência" ou "resiliência" das partículas que constituem o material da amostra 14, entretanto, este parâmetro pode ser difícil de medir e interpretar quando a amostra de material 14 é constituída por grupos de partículas soltas.

Grande parte da física de transmissão acústica em sólidos granulares pode ser entendida em termos de contato entre esferas. Em um agregado solto, essencialmente não existe transmissão de ondas sonoras através das partículas, já que não há resistência a pequenos deslocamentos das partículas. É necessária pressão para fazer contato sólido entre as partículas que constituem a amostra de material 14 para facilitar a transmissão acústica.

A física de transmissão acústica em sólidos granulados, onde as partículas estão empacotadas aleatoriamente, pode ser encontrada no trabalho "The Effective Elastic Moduli of Porous Granula Rocks", Digby P. J., Journal of Applied Mechanics, dezembro de 1981, volume 48, páginas 803 a 808, cuja revelação está aqui incorporada pela referência. A velocidade do som em função do módulo de Young pode ser assim derivada:

<formula>formula see original document page 11</formula>

onde:

V é a velocidade do som da onda injetada na amostra de material 14,

Vb é a velocidade do som da onda sônica transmitida através da amostra de material 14,

k é o número médio de contatos para cada esfera, que, para um empacotamento aleatório, é 8,84,

α é a fração de vazios (porosidade),

ν é a razão de Poisson das partículas individuais na amostra de material 14,

P é a pressão aplicada, e E é o módulo de Young das partículas que constituem a amostra de material 14.

Nota-se primeiramente por esta equação que a velocidade do som é proporcional a 0,167 da potência da pressão aplicada pelo peso 16.

Na derivação da equação anterior, considera-se que a aderência interpartícuias é zero. Além disso, a principal suposição feita é que o comprimento de onda da onda sonora transmitida através da amostra de material 14 é substancialmente maior que o tamanho de partícula médio. O tamanho de partícula deve ser insignificante para perda até a dispersão tornar- se um efeito importante, isto é, quando o tamanho de partícula tornar-se equiparável ao comprimento de onda da onda sonora. No caso de materiais esféricos, altas perdas são associadas com uma razão de comprimento de onda para diâmetro de partícula de cerca de dez ou menos. A razão do comprimento de onda para o diâmetro de partícula médio para qualquer aplicação, portanto, deve ser pelo menos vinte e, preferivelmente, da ordem de vinte e cinco.

De volta para a equação anterior, depreende-se que para calcular o módulo de Young, e conseqüentemente a resistência de partículas média, é necessário conhecer a densidade em massa da amostra de material 14, a gravidade específica e a razão de Poisson das partículas que constituem a amostra de material 14. Conforme nota-se, essencialmente não existe dependência do tamanho de partícula na velocidade do som. Medições da velocidade do som na onda sonora transmitida através da amostra de material 14, juntamente com uma medição da pressão aplicada na amostra, permitem uma determinação do módulo de Young.

A unidade de processamento de sinal 26 pode conter componentes eletrônicos apropriados para levar em consideração das perdas de transmissão. Perdas de transmissão que ocorrem na medição de sinais acústicos têm duas fontes, a primeira sendo atenuação intrínseca onde o material da amostra 14 faz com que a onda sonora perca amplitude durante a transmissão. A segunda fonte surge das perdas de inserção por causa da dificuldade de transmitir a onda sonora entre a amostra de material 14 e os transdutores 22, 24.

Em algumas modalidades, géis de acoplamento podem ser adicionados na amostra de material para maximizar a área de acoplamento efetiva. Uma medida como essa garante que a rugosidade superficial de partículas individuais não leva a uma transmissão acústica deficiente.

No teste do sistema 10, materiais testados foram principalmente meio de impacto de vidro dos graus AH, AE, AD e AC. Esses materiais têm distribuições de tamanho de partícula relativamente estreitas e diâmetros de partículas médios de 50, 106, 157 e 165 mícrons, respectivamente. 100G Silica Flour foi também usada, que é essencialmente o mesmo material do meio de impacto de vidro, mas com uma ampla distribuição de tamanho de cerca de 20 mícrons de diâmetro com uma forma não esférica extrema tipo chapa. Pós de minério de ferro e carvão foram usados como exemplos de material industrial com tamanhos de partícula de aproximadamente 50 mícrons de diâmetro médio, tais pós são também não esféricos, com uma forma no geral cúbica.

Os transdutores 22, 24 tiveram aproximadamente 25 mm de diâmetro. A amostra de material que formou uma coluna teve um diâmetro de cerca de 70 mm. Cada amostra de material pesou aproximadamente 130 gramas e teve uma altura da ordem de algumas centenas de milímetros. Vários pesos 16 foram aplicados para ajustar a pressão aplicada na amostra de material 14.

Na figura 2 dos desenhos, é mostrado um gráfico do logaritmo da velocidade da onda sonora em função do logaritmo da pressão na amostra de material 14 de meio de impacto de vidro grau AH.

A velocidade da onda sonora foi medida cronometrando o atraso do disparo associado com o pulso ultra-sônico gerado pelo gerador de pulsos 20 até o primeiro cruzamento zero da forma de onda recebida pela unidade de processamento de sinal 26. Uma taxa obtida sem meio de impacto de vidro presente foi usada para calibrar os atrasos inerentes no sistema 10.

A inclinação do gráfico na figura 2 é 0,184 incluindo todos os pontos medidos e 0,171 excluindo o ponto anômalo para a segunda pressão mais baixa. Isto concorda de perto com a taxa prevista de 0,167. A tabela 1 a seguir mostra as velocidades medidas e previstas pela equação anterior para vários tamanhos de meio de impacto de vidro e os outros materiais a uma pressão máxima de 88,8 kPa. Notou-se pela tabela a seguir que a taxa absoluto de velocidade medida é surpreendentemente próxima dos níveis previstos, mesmo para os materiais compreendendo partículas notoriamente não esféricas. A única exceção disto é a areia moída que é a mais fina e mais extrema das partículas não esféricas. A explicação mais plausível para um erro neste caso são as propriedades do material incorretas usadas no cálculo da natureza não esférica extrema das partículas.

Material Esférica Velocidade medida Velocidade Prevista

(sim/não) (ms"1) (ms"1)

AH Sim 626 649

AE Sim 681 671

AD Sim 522 638

AC Sim Sem Sinal

100G Si Flour Não 275 628

Fuligem de Carvão Não 357 324

Minério de ferro Não 251 244

Tabela 1: Medições de velocidade do som

Nota-se que a razão da pressão aplicada para o módulo de Young para a amostra de material é da ordem de IO"6. Com pressões tão baixas, deformação ou dano permanente nas partículas que constituem a amostra de material 14 é improvável, o que deve permitir que medições precisas e repetitivas sejam obtidas.

Uma amostra de material 14 de meio de impacto de vidro grau AH foi usada para investigar o relacionamento de perda de inserção e perda intrínseca da pressão como foi o material que forneceu as medições mais confiáveis. A amplitude do pulso foi medida a uma pressão fixa em uma faixa de espessuras de amostra. Supondo-se que as perdas por inserção e perdas intrínsecas sejam constantes para uma dada pressão, essas medições permitem que a perda de inserção seja determinada extrapolando-se a perda total para espessura de leito zero. A perda intrínseca pode também ser determinada ajustando-se a inclinação na perda total em diferentes espessuras de leito. As medições foram repetidas em uma faixa de pressões.

Para uma variedade de pressões em meio de impacto de vidro grau AH, a perda total em dB foi aproximadamente linear com profundidade de leito permitindo medições sensíveis de ambas as perdas.

Conforme indicado anteriormente, o tamanho de partícula é irrelevante para a perda até a dispersão tornar-se um efeito importante, isto é, quando o tamanho de partícula fica equiparável com o comprimento de onda do sinal acústico ultra-sônico. O comprimento de onda é determinado pela razão da velocidade medida e a freqüência de sinal.

Para material esférico, parece que as altas perdas são associadas com uma razão de 10 ou menos e, conforme indicado anteriormente, a razão do comprimento de onda para diâmetro de partícula para qualquer aplicação deve ser da ordem de 25. Com esta razão de comprimento de onda para diâmetro de partícula, estimativas de perda para outro material que poderia ser usado em um contexto industrial podem ser feitas.

Referindo-se agora à figura 3 dos desenhos, está ilustrado um sistema de bancada 30 para determinar propriedades médias de uma amostra de material. Nesta aplicação, uma amostra de material 32 é removida como um lote e colocada em um receptáculo 34. Uma célula de pressão 36 é montada em um piso do receptáculo 34 e transdutores 38 e 40 são aplicados nas paredes laterais do receptáculo 34 em um relacionamento oposto. Pressão é aplicada por meio de uma chapa de pressão ajustável 42 na amostra de material 32.

Nesta implementação, um sinal acústico ultra-sônico é gerado e convertido em uma onda cônica pelo transdutor 38 e transmitido através da amostra de material. As ondas sonoras que passaram pela amostra de material são medidas pelo transdutor 40 e passam a uma unidade de processamento de sinal (não mostrada nesta figura, mas substancialmente igual à unidade 26 na figura 1 dos desenhos). Em virtude deste volume do receptáculo 34 ser conhecido, a densidade em massa pode ser determinada a partir da medição obtida pela célula de pressão 36.

Com uso da equação anterior, para uma amostra empacotada aleatória de material 32, a resistência da partícula da amostra de material 32 pode ser determinada a partir da velocidade medida do sinal sonora através da amostra de material 32.

Na figura 4 dos desenhos, estão mostrados componentes principais de um sistema in situ 50. Nesta modalidade da invenção, uma amostra de material fluente 52 é desviada de uma linha de produção para uma abertura 54 de uma tremonha 56. A tremonha 56 tem uma abertura de descarga 58 para descarregar a amostra na alimentação 60 para retorno à linha de produção. Transdutores ultra-sônicos 62 e 64 são arranjados em relacionamento diametralmente opostos em uma parede da tremonha 56. Uma célula de pressão 66 é montada em um piso da tremonha 56.

Em virtude de isto ser uma aplicação sem perda de fluxo, uma medição adicional da densidade em massa é necessária por meio de um dispositivo de medição de densidade em massa adequado tal como um densitômetro de raios-gama 68.

Adicionalmente, no caso de aplicação sem perda de fluxo, a pressão aplicada nas células de pressão 66 é produzida pela massa do material por cima da célula de pressão 66 e, conseqüentemente, é uma função da profundidade da tremonha 56.

Conseqüentemente, por meio da invenção, é provido um sistema 10 que permite a determinação relativamente rápida de propriedades de partículas que constituem pós e agregados por meio de uma técnica não destrutiva. O sistema facilita a medição de ondas sonoras através de uma amostra de material, permite que a velocidade ultra-sônica seja medida com precisão, mesmo no caso de partículas não esféricas cujo grau de não esfericidade fica em um desvio padrão normal, permite o cálculo do módulo de Young das partículas e, a partir do módulo de Young5 permite o cálculo da dureza, ou resistência, de partículas em uma amostra de material. Além disso, a operação do sistema em linha permite que operadores do sistema recebam informação de forma relativamente rápida de maneira tal que mudanças possam ser feitas para garantir que a qualidade do material atende o padrão exigido.

Percebe-se que uma ou mais dessas vantagens são extremamente vantajosas em certas indústrias, tais como indústrias de minério de ferro ou alumina.

Como é conhecido na indústria de minério de ferro, briquetes de pós finos são testados de forma destrutiva para avaliar a integridade dos briquetes. Geralmente, isto ocorre somente depois que os briquetes tiverem sido calcionados e, se briquetes de resistência inadequada estiverem sendo formados, a linha de produção precisa ser reajustada. Vantajosamente, a presente invenção pode ser usada em briquetes verdes, ou pré-cozidos, resultando na capacidade de tomar ação corretiva mais rapidamente.

Similarmente, no caso da indústria de alumina, problemas principais ocorrem com polvilhamento do pó de alumina. É benéfico poder reduzir este polvilhamento ao máximo possível, já que polvilhamento pode causar entupimento, que teria sérias conseqüências. Novamente, com o uso do sistema 10, teste não destrutivo de amostras de pó de alumina pode ser feito. Isto novamente facilita a capacidade de tomar ação corretiva no caso de amostras de pó de alumina insatisfatórias.

Amostras de alumina calcinada e não calcinada tiveram as características de polvilhamento medidas usando o aparelho supradescrito com relação à figura 1. Essas amostras de alumina calcinada e não calcinada tiveram também suas características de polvilhamento medidas em um dispositivo de agitação mecânica tradicional separado. No dispositivo de agitação tradicional, o tamanho de partícula individuais foi medido em intervalos antes e depois da agitação. A partir da medição de tamanho de partícula, a resistência da partícula e conseqüentemente a taxa de ruptura foi determinada. A taxa de ruptura mecânica foi medida e correlacionada com a taxa de ruptura obtida a partir da velocidade medida usando o aparelho descrito com relação à figura 1. Bons valores de correção, ilustrados na figura 5, foram obtidos.

A figura 6 ilustra a correlação da taxa de ruptura dos dados não calcinados (obtidos com o aparelho de acordo com a invenção) com a taxa de ruptura de dados calcinados (obtidas com equipamento tradicional). Novamente, está ilustrada uma correção razoável de R = 0,8. Os resultados demonstram a viabilidade do aparelho de teste de características de polvilhamento do pó de alumina. Isto resulta em melhorias na indústria de alumina já que o teste pode ser feito em alumina não calcinada que é muito mais fácil de reciclar do que alumina calcinada.

Outras aplicações do sistema 10 são na indústria de detergente em pó onde problemas com resistência do produto também ocorrem.

Versados na técnica percebem que inúmeras variações e/ou modificações podem ser feitas na invenção mostrada nas modalidades específicas sem fugir do espírito e escopo da invenção descrita de forma geral. As presentes modalidades, portanto, devem ser consideradas ilustrativas sob todos os aspectos, e não restritivas.

Claims

1. Sistema para determinar propriedades médias de partículas constituintes de uma amostra de material, caracterizado pelo fato de que compreende: uma unidade de geração de som para gerar ondas sonoras de uma freqüência predeterminada para ser transmitida através da amostra; um receptor para receber um sinal representativo de ondas sonoras transmitidas através da amostra; uma unidade de referência para fornecer dados de referência relativos aos critérios selecionados associados com a amostra; e uma unidade de processamento de sinal para processar o sinal recebido e, usando os dados da unidade de referência, determinar, independentemente do tamanho de partícula das partículas que constituem a amostra, propriedades médias das partículas que constituem a amostra.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as ondas sonoras a ser transmitidas através da amostra são selecionadas para ter um comprimento de onda que é uma razão predeterminada relativa a um diâmetro médio das partículas que constituem a amostra de maneira a minimizar substancialmente as perdas por dispersão.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o comprimento de onda das ondas sonoras é pelo menos 10 vezes o diâmetro médio das partículas.

4. Sistema de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o comprimento de onda das ondas sonoras é pelo menos 20 vezes o diâmetro médio das partículas.

5. Sistema de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o comprimento de onda das ondas sonoras é pelo menos 25 vezes do diâmetro médio das partículas.

6. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as ondas sonoras a ser transmitidas através da amostra são selecionadas para ter uma freqüência em uma faixa de freqüências ultra- sônicas não destrutiva.

7. Sistema de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que as ondas sonoras transmitidas através da amostra são selecionadas para ter uma freqüência na faixa de 10 kHz a 1 MHz.

8. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que as ondas sonoras a ser transmitidas através da amostra são ondas de cisalhamento.

9. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a -7, caracterizado pelo fato de que as ondas sonoras a ser transmitidas através da amostra são ondas longitudinais.

10. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a unidade de geração de som compreende um transdutor de transmissão para transmitir as ondas sonoras através da amostra e um gerador de som para acionar o transdutor na freqüência predeterminada.

11. Sistema de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o gerador de som é um gerador de pulsos.

12. Sistema de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que o receptor compreende um transdutor de recepção.

13. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um dispositivo para aplicar pressão na amostra para facilitar a transmissão da onda sonora através da amostra de material.

14. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um sensor de pressão em comunicação com a unidade de referência para detectar uma pressão aplicada na amostra.

15. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os critérios selecionados associados com a amostra incluem a densidade em massa, o peso específico e a razão de Poisson das partículas que constituem a amostra de material.

16. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a unidade de processamento de sinal compreende um analisador que analisa o sinal sonoro recebido para determinar as propriedades médias das partículas que constituem a amostra.

17. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que uma propriedade média das partículas que constituem a amostra é a resistência média de partículas que constituem a amostra.

18. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores Ial2el4al7, caracterizado pelo fato de que o sistema é um sistema in situ para medir uma amostra de material in situ, o sistema compreendendo adicionalmente uma tremonha para conter uma amostra desviada de material a ser testado e a unidade de referência usa um dispositivo de medição de massa específica para determinar a densidade em massa da amostra.

19. Sistema de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de medição de massa específica é um densitômetro de raios-gama.

20. Sistema de acordo com a reivindicação 18 ou 19, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um sensor de pressão montado em um piso da tremonha.

21. Método para determinar propriedades médias de partículas constituintes de uma amostra de material, caracterizado pelo fato de que o método compreende: transmitir ondas sonoras através da amostra; receber um sinal sonoro representativo das ondas sonoras transmitidas através da amostra; prover dados de referência relativos a critérios selecionados associados com a amostra; e processar o sinal recebido e usar os dados de referência para determinar, independentemente do tamanho de partícula das partículas que constituem a amostra, propriedades médias predeterminadas das partículas que constituem a amostra.

22. Método de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que processar o sinal sonoro recebido compreende medir a velocidade do som de ondas sonoras transmitidas através da amostra, independentemente do tamanho de partícula. pelo fato de que o método compreende adicionalmente calcular o módulo de Young das partículas constituintes com base na velocidade do som medida. pelo fato de que o módulo de Young das partículas é obtido a partir de uma equação derivada de uma ordem de empacotamento aleatória de esferas:

23. Método de acordo com a reivindicação 22, caracterizado

24. Método de acordo com a reivindicação 23, caracterizado <formula>formula see original document page 22</formula> onde: V é à velocidade do som da onda injetada na amostra de material, Vb é a velocidade do som da onda sonora transmitida através da amostra de material, K é o número médio de contatos para cada esfera, α e a fração de vazios, ν é a razão de Poisson das partículas individuais na amostra de material, P é a pressão aplicada, e E é o módulo de Young.

25. Método de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que determinar uma propriedade média das partículas que constituem a amostra compreende calcular uma resistência média das partículas.

26. Método de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente aplicar uma pressão na amostra para facilitar a transmissão acústica através da amostra.

27. Método de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que a pressão aplicada na amostra é da ordem de 10"6 do módulo de Young das partículas da amostra.

28. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 21a 27, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente medir a pressão aplicada na amostra.

29. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 21a 28, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente medir a densidade em massa da amostra de material.

30. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 21a 29, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente selecionar uma freqüência das ondas sonoras para transmissão através da amostra, onde o comprimento de onda correspondente à freqüência selecionada é uma razão predeterminada relativa a um diâmetro médio das partículas que constituem a amostra de maneira a minimizar substancialmente perdas por dispersão.

31. Método de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que o comprimento de onda das ondas sonoras é pelo menos 10 vezes o diâmetro médio das partículas.

32. Método de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de que o comprimento de onda das ondas sonoras é pelo menos 20 vezes o diâmetro médio das partículas.

33. Método de acordo com a reivindicação 32, caracterizado pelo fato de que o comprimento de onda das ondas sonoras é pelo menos 25 vezes o diâmetro médio das partículas.

34. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações -21a 29, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente selecionar uma freqüência das ondas sonoras para transmissão através da amostra, onde as freqüências são selecionadas em uma faixa de freqüências ultra-sônicas não destrutivas.

35. Método de acordo com a reivindicação 34, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente selecionar uma freqüência na faixa de 10 kHz a 1 MHz.