PL208509B1 - Przyrząd do wyznaczania współczynnika porowatości próbek - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest przyrząd do wyznaczenia współczynnika porowatości próbek.

Przyrząd ten może znaleźć zastosowanie w laboratoriach, w których prowadzone są badania podstawowych cech jakościowych produktów spożywczych, zwłaszcza badania ich cech fizycznych.

Znana jest powszechnie aparatura do pomiaru porowatości, np. porozymetr rtęciowy, pirometr powietrzny, precyzyjna kolba miarowa, kolba Chateliera, piknometr. przy pomocy, której określa się ilość medium wnikającego w badaną materię. Działanie powyższej aparatury oparte jest na prawach przemian gazowych Boyle-Mariotta lub Archimedesa. (Żak K., Bain J. ,.Pórovitost roślinnych materiάlύ. Zemedelska Technica. 1988, 34. s. 481-491; Leśnikowski J. ..Przyrząd do pomiaru porowatości wykorzystujący metodę objętościowo-ciśnieniową. Pomiary, Automatyka, Kontrola. 2002, 7-8. s. 65-68; Żάk K., Bain J. ..Pórovitost roślinnych materiśldu'. Zemedelska Technica. 1988, 34, s. 481 - 491; Leśnikowski J. „Przyrząd do pomiaru porowatości wykorzystujący metodę objętościowo-ciśnieniową. Pomiary. Automatyka. Kontrola, 2002, 7-8. s. 65-68; Carlos A. „ New Perspectives In Merkury porosimetry. Advances In Colloid and Interface Science, 1998, s. 346-372).

Znana jest aparatura do wyznaczenia porowatości, głównie otwartej, umożliwiająca, poprzez wnikanie medium w materię badanej substancji, wypełnienie istniejących por. Najczęściej medium są gazy obojętne lub powietrze oraz ciecze np.: woda. rtęć. propanol.

Znana jest też aparatura, umożliwiająca utrwalenie badanej struktury i jej mikroskopową analizę. W wyniku tego uzyskuje się informację o objętościowym udziale fazy gazowej w odniesieniu do objętości całej badanej próby. Tym samym możliwe jest wyznaczenie wartości współczynnika porowatości (Słowińska-Jurkiewicz A., Domżal H. „ The structure of the cultivated horizon of soil compacted by the eheels of agricul-tural tractors, Soil Till.. Res., 1991. 19. s .215 - 226: Czachor H. Próba zastosowania stopu Wood'a do oznaczeń makroporowatości gleby. Acta Agrophysica. 2005, 6(1), s. 43-52).

W przypadku badania materiału roślinnego o budowie tkankowej, w której dominuje porowatość zamknięta (np. tkanka korzeni selera, chrzanu, pietruszki, itp.) dotychczas stosowana aparatura jest zawodna, ponieważ zastosowane w niej media wchodzą w interakcję z badaną tkanką. Dotyczy to szczególnie układów dwufazowych, np. suszonych produktów roślinnych.

Przyrząd, według wynalazku ma tuleję, wewnątrz której znajduje się komora pomiarowa. Na tulei, w której znajduje się komora pomiarowa, jest osadzona prowadnica z podporami, w których suwliwie umocowany jest tłok. Prowadnica w części środkowej posiada wycięcie tworzące, z boczną powierzchnią tłoka, komorę cieczową. Komora ta połączona jest z kanałem, w którym zamocowany jest króciec z odsysaczem. Górna część tłoka jest zakończona półkolistą czaszą.

Korzystnie jest, gdy boczna powierzchnia tłoka oraz wewnętrzne powierzchnie podpór i tulei leżą w odpowiadających sobie płaszczyznach i stanowią prostopadłościany o przekroju poprzecznym trójkąta albo prostokąta, albo stanowią powierzchnię walcową.

Korzystne jest, gdy prowadnica posiada, co najmniej dwie podpory a stosunek rozstawu podpór do średnicy tłoka wynosi, co najmniej 0,5.

Korzystne też jest, gdy stosunek objętości komory cieczowej do komory pomiarowej wynosi, co najmniej 0,1 a pojemność odsysacza stanowi, co najmniej dwie objętości komory cieczowej.

Korzystne jest, gdy pary kinematyczne tłok-tuleja oraz tłok-podpory są wykonane w klasie dokładności H7/h6 a króciec posiada zawór.

Przyrząd, według wynalazku, umożliwia wyznaczenie charakterystyki chwilowej wartości gęstości ściskanej próbki w funkcji naprężenia. Po aproksymacji liniowego odcinka tej funkcji można określić wartość współczynnika gęstości teoretycznej i na tej podstawie - wartość współczynnika porowatości.

Przyrząd, według wynalazku, umożliwia też uzyskanie i zachowanie stałych warunków pomiaru badanej próbki co zapewnia dokładne wyliczenie wartości współczynnika porowatości.

Wynalazek jest bliżej objaśniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój przyrząd u przystosowanego do badań próbek w kształcie walca. fig. 2 przedstawia graficzny przebieg zależności naprężenie-odkształcenie względne, a fig. 3 - graficzną zależność chwilowej wartości gęstości ściskanej próbki w funkcji naprężenia.

P r z y k ł a d

Przyrząd, według wynalazku, ma tuleję 8. na której jest osadzona prowadnica 4 z podporami 5, w których suwliwie umocowany jest tłok 3 zakończony półkolistą czaszą 2. Prowadnica 4 w części środkowej posiada wycięcie 6, tworzące z boczną powierzchnią tłoka 3, komorę cieczową 7, połączoPL 208 509 B1 ną z kanałem 16. W kanale 16 zamocowany jest króciec 14, do którego mocuje się odsysacz 13. Króciec 14 wyposażony jest w zawór 15. Przed rozpoczęciem prowadzenia badań, płytę 11, przyrządu według wynalazku, mocuje się do podłoża 17 śrubami 12.

Półkolista czasza 2 tłoka 3 zapewnia, w trakcie prowadzenia badań, osiowe obciążanie badanej próbki 9. Odsysacz 13 umożliwia pobieranie - z komory cieczowej 7 - cieczy wydzielającej się podczas badań ze ściskanej próbki 9.

Przed rozpoczęciem pomiarów, z tkanki badanego obiektu, przy pomocy cienkościennych wykrojników, wycina się próbkę 9, np. o kształcie walcowym i o określonej wysokości. Istotna jest przy tym dokładność kształtu tak uzyskanej próbki 9 (odchyłki kształtu nie powinny przekraczać ± 0.1 mm).

Następnie wkłada się próbkę 9 do komory pomiarowej 10 tulei 8 i dosuwa się tłok 3 do próbki 9.

W celu określenia wartości współczynnika porowatości Φ wykonuje się test ściskania próbki 9, w przyrządzie, według wynalazku, zamontowanym na płycie 17 dodatkowego urządzenia, którym jest np. maszyna wytrzymałościowa typu śrubowego o wysokiej klasie dokładności i z cyfrowym zapisem mierzonych wielkości. Następnie, poprzez analizę uzyskanych wyników, oblicza się poszukiwaną wartość Φ.

Wspomniane dodatkowe urządzenie, poprzez element dociskowy 1, powoduje przemieszczanie tłoka 3 w prowadnicach 5 ze stałą, quasi-statyczną prędkością. Wówczas reakcja ściskanej próbki 9 wyraża się zmianami wartości rejestrowanej siły. Typowy przebieg zmian siły i odkształcenia, przetransformowany do standardowego układu naprężenie-odkształcenie względne, σ = f (ε), przedstawia fig. 2. Pomiar prowadzi się do momentu, gdy badana próbka 9 uzyska stan jednorodny, to jest po zaniku w niej makropor i dokładnym wypełnieniu przez nią komory pomiarowej 10. Wyraża się to na wykresie σ = f (ε), odcinkiem P-K, w którym pochodna tej funkcji jest stała, tzn. dσ/dε = const.

Przed i po zakończeniu pomiaru próbkę 9 się waży z dokładnością ± 0.001 g, po czym wyznacza się zależność wartości chwilowej gęstości p_i w funkcji naprężenia (σ), p= (σ), co graficznie przedstawia fig. 3.

Następnie na przebiegu p_i = ^σ) wyznacza się odcinek P-K, dla którego dp^ = const. Z równania trendu, y = a-x+b, jakim podlega ten odcinek, wyznacza się wartość współczynnika bo (przy x = 0), która jest tożsama z wartością gęstości teoretycznej pt, odpowiadającej hipotetycznemu stanowi próbki 9 bez por, przy obciążeniu σ = 0.

Przy założeniu, że masa próbki w czasie pomiaru jest stała, z równania:

Φ = (1-po/pt)100% gdzie: pt - gęstość teoretyczna, po - -gęstość początkowa, wyznaczona znanymi sposobami, wylicza się wartość współczynnika porowatości Φ.

W przypadku, gdy względna masa cieczy mc znajdującej się w odsysaczu 13 jest znacząca, np. powyżej 0,5% masy początkowej, wskazane jest wprowadzenie następującej poprawki do równania Φ = (1 - p_o/pt)100 - m_c [%].

Korzystne jest, gdy podczas prowadzenia badań przyrządem według wynalazku, stosuje się próbkę, której stosunek wysokości do jej średnicy zastępczej zawiera się w przedziale od 0,5 do 2 oraz gdy jej średnica zastępcza odniesiona do średnicy zastępczej tulei zawiera się w przedziale od 0,95 do 0,99, a w czasie pomiaru stosuje się obciążenia zapewniające uzyskanie jednorodnej reakcji ściskanej próbki.

Wykaz oznaczeń rysunku

1. element dociskowy

2. czasza kulista,

3. tłok

4. prowadnica

5. podpora

6. wycięcie

7. komora cieczowa

8. tuleja

9. próbka komora pomiarowa

11. płyta

12. śruba

PL 208 509 B1

13. odsysacz

14. króciec

15. zawór

16. kanał

17. podłoże h - wysokość próbki d - ś rednica próbki

D - ś rednica komory pomiarowej

Claims (9)

1. Przyrząd do wyznaczenia współczynnika porowatości próbek posiadający płytę, na której zamocowana jest śrubami tuleja z suwliwym tłokiem, znamienny tym, że na tulei (8), w której znajduje się komora pomiarowa (10) jest osadzona prowadnica (4) z podporami (5) tłoka (3), która w części środkowej posiada wycięcie (6), tworzące z boczną powierzchnią tłoka (3) komorę cieczową (7) połączoną z kanałem (16), w którym zamocowany jest króciec (14) z odsysaczem (13), przy czym górna część tłoka (3) jest zakończona półkolistą czaszą (2).

2. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że boczne powierzchnie tłoka (3) oraz wewnętrzne powierzchnie podpór (5) i tulei (8) leżą w odpowiadających sobie płaszczyznach i stanowią prostopadłościany o przekroju poprzecznym trójkąta albo prostokąta.

3. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że zewnętrzna powierzchnia tłoka (3) oraz wewnętrzne powierzchnie podpór (5) i tulei (8) leżą w jednej płaszczyźnie i stanowią powierzchnię walcową.

4. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że prowadnica (4) posiada co najmniej dwie podpory (5).

5. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek rozstawu podpór (5) do średnicy tłoka (3) wynosi co najmniej 0,5.

6. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, stosunek objętości komory cieczowej (7) do komory pomiarowej (10) wynosi co najmniej 0,1.

7. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że pojemność odsysacza (13) stanowi co najmniej dwie objętości komory cieczowej (7).

8. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że pasowanie par kinematycznych tłok (3)-podpory (5) oraz tłok (3)-tuleja (8) są wykonane w klasie H7/h6.

9. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że króciec (14) posiada zawór (15).

PL 208 509 B1