PL209200B1 - Przyrząd do pobierania cieczy z próbki ściskanej jednoosiowo oraz sposób określania jej ilości - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przyrząd do pobierania cieczy z próbki ściskanej jednoosiowo oraz sposób określania jej ilości.

Wynalazki te mogą znaleźć zastosowanie w laboratoriach, w których prowadzone są badania podstawowych cech jakościowych materiałów pochodzenia roślinnego, zwłaszcza badania ich odporności na uszkodzenia mechaniczne.

Ograniczenie strat części jadalnych owoców i warzyw - głównie ich bulw i korzeni - w trakcie zbioru, przechowywania i przetwarzania, wymaga poznania podatności tego surowca na uszkodzenia mechaniczne. Szczególnie istotna jest faza inicjacji uszkodzeń. Ważne jest przy tym powiązanie reakcji badanych obiektów, standardowo przedstawionej jako przebieg zmian naprężenia w funkcji odkształcenia, z momentem, w którym następuje intensywny przyrost rejestrowanych sygnałów, świadczących o propagacji mikropęknięć, (Czachor G. „Dynamika procesów zachodzących w ściskanej tkance buraka ćwikłowego. Inżynieria Rolnicza, 2006, 13, 88). Jednakże uzyskanie takich danych jest trudne, ponieważ badane obiekty są układami wielofazowymi o strukturze dyskretnej i właściwościach zmiennych w czasie, (Hamann J., Konstankiewicz K „Procesy zniszczenia w komórkowym ośrodku roślinnym, Acta Agrophysica, 1999, 24, ss. 67-86).

Wyznaczenie dynamiki wycieku cieczy, jako sygnału opisującego zmiany stanu badanej próbki, jest szczególnie istotne w odniesieniu do tkanek korzeni, bulw warzyw i owoców zawierających od 70% do 95% wody. W wyniku realizacji standardowego testu jednoosiowego ściskania próbek wyciętych z tych obiektów, następuje wyraźny ubytek ich masy, dochodzący do 20%.

Znana jest praca, w której opisano dynamikę pękania komórek tkanki bulwy ziemniaka, przy wykorzystaniu metody emisji akustycznej (Konstankiewicz K., Zdunek A. „Metoda emisji akustycznej w badaniach procesów pękania tkanek roś linnych. Acta Agrophysica, 1999, 24, ss. 87-95). W pracy wykazano, że w ściskanej tkance, po przekroczeniu około 50% jej odkształcenia osiowego, wyraźnie wzrasta liczba impulsów akustycznych. Może to sugerować narastanie procesów pękania badanej struktury. Należy podkreślić, że omawiana praca jest jednym z nielicznych przykładów, w których powiązano przebieg zmian naprężenie-odkształcenie z przebiegiem zmian sygnału diagnostycznego, charakteryzującego stan badanego obiektu.

W standardowym teś cie jednoosiowego ściskania, próbkę ustawiano pomiędzy dwoma płytami roboczymi maszyny wytrzymałościowej, przy czym jedną z płyt przemieszczano względem drugiej w kierunku prostopadłym do jej powierzchni. Wówczas ściskana próbka podlegała swobodnej deformacji poprzecznej.

Znana jest konstrukcja, w której wykorzystano układ tłok-cylinder do quasi-jednoosiowego ściskania próbki (Lewicki P.P., Jakubczyk E. „Effect of hot air temperature on mechanical properties of driad apples, Journal of Ford Engineering, 2004, 64, ss. 307-314) W tym przypadku, w luźnym cylindrze kolejno układano wysuszone plasterki miąższu jabłka, które następnie ściśnięto tłokiem do pewnej wartości ich odkształcenia. W związku z tym, że część plasterków mogła opierać się o ściankę cylindra, test mógł nie spełniać warunków testu jednoosiowego ściskania.

Znane są też konstrukcje przyrządów wykorzystujące układ tłok-cylinder, w których próbki szczelnie wypełniały przestrzeń roboczą cylindrów. Układ taki wykorzystano do pomiarów współczynnika sprężystości poprzecznej - określano liczbę Poissona, (Hughes H.,Segerlind L., J. „A rapid mechanical metod for determining Poissona's ratio in biological materials, ASAE, 1972, ss.72-310).

Układ tłok-cylinder wykorzystano również w innych badaniach. W tym rozwiązaniu układ tłokcylinder składał się z tulei zakończonej kołnierzem, do którego śrubami była przykręcona płyta, stanowiąca podstawę cylindra (Viswanathan R., Gothandapani L. „Pressure Density Relationships and Stress Relaxation Characteristics of Copr. Pith Journal Agric. Engng. Res., 1999, 73, ss. 217-225). Zastosowane rozwiązanie konstrukcyjne spełnia funkcję cylindra i jest typowe dla tego typu badań.

Przyrząd, według wynalazku, posiada znany tłok, który w górnej części zakończony jest czaszą półkulistą. Przestrzeń, ograniczona powierzchniami czołowymi tłoka i występu osadczego oraz wewnętrzną powierzchnią tulei, tworzy komorę cieczową, połączoną z kanałem, poprzez króciec, z odsysaczem.

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

Korzystne jest, gdy stosunki wysokości (h2) części prowadzącej tulei oraz wysokości (h1) występu osadczego do średnicy (D) tulei, wynoszą odpowiednio, h₂/D > 1,0 oraz h₁/D > 0,5.

PL 209 200 B1

Korzystne też jest, gdy stosunek średnicy (D) tulei do średnicy (d) próbki, wynosi co najmniej 1.2 a pojemność odsysacza stanowi, co najmniej dwie objętości komory cieczowej.

Korzystne jest, gdy pasowania par kinematycznych tłok-tuleja oraz występ osadczy-tuleja są wykonane w klasie dokładności H7/h6.

Korzystne jest, gdy płyta posiada otwory, w których usadowione są śruby a tuleja osadzona na tej płycie wykonana jest z przezroczystego tworzywa.

Korzystne jest, gdy na powierzchni czołowej występu osadczego są oznaczone, co najmniej dwa koncentryczne okręgi o średnicach zwiększonych skokowo, począwszy od średnicy próbki.

Sposób określania ilości cieczy pobranej z próbki, polega na tym, że po wyznaczeniu masy początkowej (mo) próbki dokonuje się kolejnych pomiarów mas cieczy (mi), wyciśniętych z próbki w zadanych przedziałach czasowych (Δτ_ω = τ₍,) - τ_(Μ). Następnie wylicza się względną masę cieczy μ wyciśniętej z próbki z danych przedziałów czasowych (0-^), po czym określa się jej zmienność w funkcji czasu μ₀ = ί(τ).

Korzystne jest, gdy w czasie pomiaru stosuje się quasi statyczną oraz stałą prędkość przesuwu tłoka.

Korzystne też jest, gdy stosuje się próbkę, której stosunek wysokości do jej średnicy zastępczej zawiera się w przedziale od 0,5 do 2.

Przyrząd, według wynalazku, umożliwia w trakcie realizacji testu ściskania, uzyskanie i zachowanie stałych warunków pomiaru. Konstrukcja przyrządu umożliwia łatwy jego montaż i demontaż.

Sposób, według wynalazku, umożliwia wyznaczenie dynamiki wycieku cieczy. Dzięki temu możliwe jest zestawienie na standardowym wykresie naprężenie-odkształcenie, zmian dynamiki wycieku cieczy.

Wynalazek jest bliżej objaśniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój przyrządu przystosowanego do badań próbek w kształcie walca, a fig. 2 - graficzne zestawienie następujących przebiegów względnych wartości Yi/Y_max: naprężenia σ, pochodnej funkcji σ(ε), dσ/dε; oraz względnej masy cieczy μ₀ określonej, według wynalazku, w funkcji odkształcenia osiowego ε próbki.

Przyrząd, według wynalazku, posiada tuleję 4 z tłokiem 3, zakończonym od góry czaszą półkulistą 2, centrowaną na występie osadczym 10 płyty 12 i opartą na jej powierzchni. Przestrzeń ograniczona wewnętrzną powierzchnią tulei 4 oraz powierzchniami czołowymi tłoka 3 i występu osadczego 10, tworzy komorę cieczową 6. Komora ta połączona jest kanałem 7, poprzez króciec 8, z odsysaczem 9. Płyta 12 posiada otwory 13 ze śrubami 11. Występ osadczy 10 ma na powierzchni czołowej oznaczone okręgi koncentryczne 15.

Półkulista czasza 2 tłoka 3 zapewnia, w trakcie prowadzenia badań, osiowe obciążanie badanej próbki 5. Odsysacz 9 umożliwia pobieranie cieczy, wydzielającej się podczas badań ze ściskanej próbki 5, z komory cieczowej 6 i jej gromadzenie.

Przed rozpoczęciem pomiarów płytę 12, wraz z przyrządem, według wynalazku, mocuje się śrubami 11 do podstawy 14 dodatkowego urządzenia, którym jest np. maszyna wytrzymałościowa typu śrubowego o wysokiej klasie dokładności i z cyfrowym zapisem mierzonych wielkości, posiadająca element dociskowy 1. Następnie z tkanki badanego obiektu, przy pomocy cienkościennych wykrojników, wycina się próbkę 5, np. o kształcie walcowym i o określonej wysokości. Istotna jest przy tym dokładność kształtu tak uzyskanej próbki 5 (odchyłki kształtu nie powinny przekraczać ± 0,1 mm).

Próbkę 5 wkłada się do tulei 4 i ustawia się ją na powierzchni czołowej występu osadczego 10, po czym dosuwa się do niej tłok 3. Osiowe położenie próbki 5 ustala się przy pomocy koncentrycznych okręgów 15, oznaczonych na powierzchni czołowej występu osadczego 10.

W celu określenia ilości cieczy pobranej z próbki 5, wykonuje się test jej ściskania, w przyrządzie, według wynalazku, zamontowanym na wspomnianej podstawie 14 dodatkowego urządzenia. Następnie, po określeniu masy początkowej (mo) próbki 5 dokonuje się kolejnych pomiarów mas cieczy (mi), wyciskanych z próbki 5 i gromadzonych indywidualne w pojemnikach odsysacza 9, w zadanych przedziałach czasowych (Δτ(,) = T(_i) - T(_i-1)). Wspomniane masy waży się z dokładnością ± 0,001 g. Następnie wylicza się względną masę cieczy (p_c), wyciśniętej z próbki 5 z danych przedziałów czasowych (0-T_(i)), według wzoru:

μc ₁ ^(τ)=—Σ^mi ·¹⁰⁰% ^m i=1 gdzie μ_;(τ) - względna masa cieczy wyciśniętej z próbki w zadanym przedziale czasowym, %;

mo - masa początkowa próbki, g;

mi - masa cieczy, g, wyciśniętej w czasie Δτ;

Δτ_ω = T(_i) - T(_i-1), gdzie: i - kolejny pomiar, Δτ_ω - kolejny krok czasowy, s.

Następnie wylicza się dynamikę zmian (μ,-..) w funkcji czasu, /μ = ί(τ).

PL 209 200 B1

Wspomniane dodatkowe urządzenie, poprzez element dociskowy 1, powoduje przemieszczanie tłoka 3 w prowadzącej części tulei 4 ze stałą, quasi-statyczną prędkością, dε/dτ = const. Wówczas rejestrowane zmiany można przedstawić albo w funkcji czasu albo w funkcji odkształcenia. Umożliwia to przedstawienie zmian wartości rejestrowanej siły, wyrażających reakcję ściskanej próbki 5, oraz zmian ilości cieczy uzyskanej z kolejnych pomiarów, w funkcji odkształcenia. Typowy przebieg zmian siły i odkształcenia, przetransformowany do standardowego układu naprężenie-odkształcenie względne σ = fis), zestawiony z dynamiką zmian względnej masy wyciśniętej cieczy μι; = f(e), przedstawia fig. 2. Prezentowane przebiegi są wynikiem badań wykonanych na próbkach wyciętych z buraka ćwikłowego, wybranego, na podstawie szeregu badań, ze względu na czytelność obserwowanych zjawisk.

Pomiar prowadzi się do momentu, gdy badana próbka 5 uzyska stan zniszczenia, w którym rejestrowana siła po osiągnięciu maksymalnych wartości szybko spada. Reakcję próbki 5, charakterystyczną dla danego materiału, wyraża zmienność naprężenia w funkcji odkształcenia σ = f(s). Jej pochodna dσ/dε wyraża precyzyjnie dynamikę zmian w badanym materiale. W przypadku badanej tkanki buraka ćwikłowego pojawia się zbieżność położenia współrzędnych punktów przełomowych C oraz P, odniesionych do osi odciętych.

Punkt P określa się jako próg płynięcia, tzn., momentem, od którego rozpoczyna się wyraźny wzrost ilości wyciskanej cieczy. Świadczy to o intensywności zmian zachodzących w badanej próbce 5, prowadzących do jej zniszczenia.

Claims (13)

Zastrzeżenia patentowe

1. Przyrząd do pobierania cieczy z próbki ściskanej jednoosiowo posiadający tuleję z tłokiem, centrowaną na występie osadczym płyty i opartą na jej powierzchni, znamienny tym, że znany tłok (3), w górnej części, zakończony jest czaszą półkulistą (2), przy czym przestrzeń, ograniczona powierzchniami czołowymi tłoka (3) i występu osadczego (10) oraz wewnętrzną powierzchnią tulei (4), tworzy komorę cieczową (6), połączoną z kanałem (7), poprzez króciec (8), z odsysaczem (9).

2. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że boczna powierzchnia tłoka (3) oraz wewnętrzna powierzchnia tulei (4) leżą w odpowiadających sobie płaszczyznach i stanowią prostopadłościany o przekroju poprzecznym trójkąta albo prostokąta.

3. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że boczna powierzchnia tłoka (3) oraz wewnętrzna powierzchnia tulei (4) leżą w jednej płaszczyźnie i stanowią powierzchnię walcową.

4. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunki wysokości (h2) części prowadzącej tulei (4) oraz wysokości (h1) występu osadczego (10) do średnicy (D) tulei (4), wynoszą odpowiednio h₂/D > 1,0 oraz h₁/D > 0,5.

5. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek średnicy (D) tulei (4) do średnicy (d) próbki (5), wynosi D/d > 1,2.

6 Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że pojemność odsysacza (9) stanowi co najmniej dwie objętości komory cieczowej (6)

7. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że pasowania par kinematycznych tłok (3)-tuleja (4) oraz występ osadczy (10)-tuleja (4) są wykonane w klasie H7/h6.

8. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że znana płyta (12) posiada otwory (13), w których usadowione są śruby (11).

9. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że tuleja (4) wykonana jest z przezroczystego tworzywa.

10. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że występ osadczy (10) ma oznaczone na swojej powierzchni czołowej co najmniej dwa koncentryczne okręgi (15) o średnicach zwiększonych skokowo, począwszy od średnicy próbki (5).

11. Sposób określania ilości cieczy pobranej z próbki, znamienny tym, że po określeniu masy początkowej (mo) próbki (5) dokonuje się kolejnych pomiarów mas cieczy (mi), wyciśniętych z próbki (5) w zadanych przedziałach czasowych, ((Δτ_ω = T_(i) - τ_(Μ)), następnie wylicza się względną masę cieczy (u_c(i), wyciśniętej z próbki (5) z danych przedziałów czasowych (0-τ_ω), po czym określa się dynamikę ilości wyciśniętej cieczy μι; = f(T).

12. Sposób, według zastrz. 11, znamienny tym, że w czasie pomiaru stosuje się quasi statyczną oraz stałą prędkość przesuwu tłoka (3).

13. Sposób, według zastrz 11, znamienny tym, że stosuje się próbkę (5), której stosunek wysokości (h) do jej średnicy zastępczej (d) zawiera się w przedziale od 0,5 do 2.