PL209201B1 - Przyrząd do pobierania cieczy wyciskanej z próbki oraz sposób określania jej ilości - Google Patents

Description

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 rejestruje się narastanie skutków intensywnej 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).

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 roślinnych”. 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.

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 testów ściskania próbek - jednoosiowego i w cylindrze, następuje wyraźny ubytek masy, dochodzący do 20%.

Znane są konstrukcje przyrządów wykorzystujące układ tłok-cylinder, w których próbki szczelnie wypełniały przestrzeń roboczą cylindrów. Układ taki wykorzystano do pomiarów współczynika sprężystości poprzecznej - określano liczbę Poissona, (Hughes H., Segerlind L., J. „A rapie mechanical metod for determining Poissons ratio in biological materiale”, ASAE. 1972, ss.72-3 10).

Układ tłok-cylinder wykorzystano również w badaniach wybranych materiałów pochodzenia roślinnego W tym rozwiązaniu układ tłok-cylinder składał się z tulei zakończonej kołnierzem, do którego śrubami była przykręcona płyta, stanowiącą 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.

Znane są również konstrukcje, w których układy tłok-cylinder zmodyfikowano wykonując otwory w tłoku, w denku cylindra oraz w ściance bocznej tulei, stanowiącej istotną część cylindra, celem usunięcia powietrza i wody ze ściskanej masy.

W pierwszym przypadku ś ciskano masę rozdrobnionego torfu w cylindrze o ś rednicy 40 mm (C von Ow, Ward S M, Lynch J, „Milled-Peat Compressibility Sensor”. Journal Agric. Engng. Res., 1997, 68, ss. 109-1 13), w drugim badano procesy filtracyjne zachodzące w gruntach i skałach, (Kisiel

I. „Mechanika skał i gruntów”. Mechanika Techniczna. 1982. PWN Warszawa, t. VII), w trzecim przypadku ściskano wybrane warzywa i owoce (Blahovec J., Patocka K „Liquid expression from compressed products”, 4th International Conference Physical Properties of Agricultural Materials and their influence on Technological processes. 1989, Rostock. ss.67-73).

Przyrząd z otworami w ściance cylindra, składał się z tłoka oraz z tulei centrycznie zamocowanej na występie osadczym, do którego śrubami była przykręcona płyta, stanowiąca podstawę cylindra Wewnątrz tulei ustawiano próbkę na powierzchni czołowej występu osadczego a od góry dociskano ją tłokiem. W ściance tulei wykonano liczne otwory o średnicy 0,8 mm na długości pomiarowej, odpowiadającej wysokości próbki. Tłok od góry zakończony był kołnierzem, połączonym śrubami z płytą. Poprzez dokręcanie tych śrub ustalano osiowe przemieszczenie tłoka względem cylindra, tym samym deformowano próbkę umieszczoną wcześniej w cylindrze. Po usunięciu nadmiaru wyciśniętej cieczy

PL 209 201 B1 przyrząd wraz z próbką ważono. W wyniku takich pomiarów stwierdzono, ze ubytek masy próbki jest proporcjonalny do wartości osiowego przemieszczenia tłoka.

Według opisanego w omawianej pracy sposobu postępowania, nie rejestrowano zmian siły, nie uwzględniono również tempa relaksacji naprężeń zachodzącego w próbce, przy skokowym jej obciążaniu Tym samym niemożliwe było odniesienie się do standardowego układu napręzenie-odkształcenie.

Przyrząd, według wynalazku, na znanej płycie posiadającej występ osadczy, ma centrycznie i suwliwie zamocowaną tuleję wewnętrzną, składającą się z części dolnej, pomiarowej i prowadzącej. W części prowadzącej ma suwliwie umieszczony tłok zakończony od góry czaszą półkulistą. Powierzchnie zewnętrzne tulei wewnętrznej w częściach prowadzącej i dolnej są suwliwie zamocowane w cylindrze i opierają się swoimi powierzchniami czołowymi, w części prowadzącej - o kołnierz wewnętrzny a w części dolnej - o płytę. Natomiast tuleja wewnętrzna w części pomiarowej ma kanaliki łączące komorę pomiarową z wycięciem, tworzącym z wewnętrzną powierzchnią cylindra komorę cieczową. Komora cieczowa połączona jest kanałem, poprzez króciec, z odsysaczem.

Korzystnie jest, gdy boczne powierzchnie tłoka oraz wewnętrzne powierzchnie tulei wewnętrznej w częściach prowadzącej, pomiarowej i dolnej leżą w odpowiadających sobie płaszczyznach i stanowią prostopadłościany o przekroju poprzecznym trójkąta albo prostok ąta, albo stanowią powierzchnię walcową.

Korzystne jest, gdy stosunki wysokości tulei wewnętrznej w częściach prowadzącej oraz dolnej do średnicy tłoka wynoszą odpowiednio, co najmniej 1,0 oraz 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 pasowania par kinematycznych tłok-tuleja wewnętrzna w częściach prowadzącej i pomiarowej oraz występ osadczy-tuleja wewnętrzna w części dolnej są wykonane w klasie H7/h6 oraz gdy pasowania par kinematycznych zewnętrzne powierzchnie tulei wewnętrznej w części prowadzącej i dolnej-wewnętrzna powierzchnia cylindra są wykonane w klasie H8/h7.

Korzystne jest, gdy pomiędzy powierzchnią wewnętrzną cylindra a powierzchniami zewnętrznymi tulei wewnętrznej, w częściach prowadzącej i dolnej, są uszczelniacze.

Korzystne jest, gdy kołnierz zewnętrzny oraz płyta mają współosiowe, przelotowe otwory ze śrubami długimi a powierzchnie zewnętrzna tulei wewnętrznej w części pomiarowej oraz wewnętrzna cylindra są pokryte substancją hydrofobową.

Sposób określania ilości cieczy pobranej z próbki, polega na tym, że po określeniu 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 (jj_c), wyciśniętej z próbki z danych przedziałów czasowych (0-τ_ω), po czym określa się dynamikę ilości wyciśniętej cieczy zmienność p_c=f(t).

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 oraz gdy jej średnica zastępcza odniesiona do średnicy zastępczej tłoka zawiera się w przedziale od 0,95 do 0,99.

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 przedstawia graficzne zestawienie przebiegów względnych wartości Y,/Y_max. naprężenia σ, pochodnej funkcji σ(ε), dσ/dε oraz względnej masy cieczy p_c, określonej, według wynalazku, w funkcji odkształcenia osiowego ε próbki.

Przyrząd, według wynalazku, ma na znanej płycie 16 posiadającej występ osadczy 14, suwliwie zamocowaną tuleję wewnętrzną, składającą się z części dolnej 12, pomiarowej 8 i prowadzącej 6. W części prowadzącej 6 jest suwliwie umieszczony tłok 3 zakończony od góry czaszą półkulistą 2 Powierzchnie zewnętrzne tulei wewnętrznej w częściach prowadzącej 6 i dolnej 12 są suwliwie zamocowane w cylindrze 5 i opierają się swoimi powierzchniami czołowymi, w części prowadzącej 6 o kołnierz wewnętrzny 4 a w części dolnej 12 o płytę 16. Natomiast tuleja wewnętrzna w części pomiarowej 8 ma kanaliki 10 łączące komorę pomiarową 23 z wycięciem 9. Wycięcie 9 tworzy z wewnętrzną powierzchnią

PL 209 201 B1 cylindra 5 komorę cieczową 11, która połączoną jest kanałem 22, poprzez króciec 21, z odsysaczem

20. Kołnierz zewnętrzny 15 tulei 5 połączony jest z płytą 16 śrubą 13. Kołnierz zewnętrzny 15 oraz płyta 16 posiadają otwory 18 ze śrubami długimi 19 Przyrząd pomiędzy powierzchnią wewnętrzną cylindra 5 a powierzchniami zewnętrznymi tulei wewnętrznej, w częściach prowadzącej 6 i dolnej 12, ma umieszczone uszczelniacze 7.

Półkulista czasza 2 tłoka 3 zapewnia, w trakcie prowadzenia badań, osiowe obciążanie badanej próbki 24. Odsysacz 20 umożliwia pobieranie cieczy wydzielającej się podczas badan ze ściskanej próbki 24, z komory cieczowej 11 i jej gromadzenie. Prawidłowe wyciskanie cieczy umożliwiają kanaliki 10. o średnicy nie większej niż 0,5 mm, równomiernie rozmieszczone na powierzchni tulei wewnętrznej w jej części pomiarowej.

Przed rozpoczęciem pomiarów płytę 16, wraz z przyrządem według wynalazku, mocuje się śrubami długimi 19 do podstawy 17 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 24, np. o kształcie walcowym i o określonej wysokości. Istotna jest przy tym dokładność kształtu tak uzyskanej próbki 24 (odchyłki kształtu nie powinny przekraczać ± 0,1 mm).

Do komory pomiarowej 23, przyrządu według wynalazku, wkłada się próbkę 24, opierając ją o powierzchnię czoł ową wystę pu osadczego 14, następnie dosuwa się do niej tł ok 3.

W celu okreś lenia iloś ci cieczy pobranej z próbki 24, wykonuje się test jej ś ciskania, w przyrzą dzie, według wynalazku, zamontowanym na wspomnianej podstawie 17 dodatkowego urządzenia. Następnie, po określeniu masy początkowej (mo) próbki 24 dokonuje się kolejnych pomiarów mas cieczy (mi), wyciskanych z próbki 24 i gromadzonych indywidualne w pojemnikach odsysacza 20, w zadanych przedziałach czasowych (Δτ₀) = τ₀) - τ_0-ΐ)). Wspomniane masy wazy się z dokładnością ± 0,001 g. Następnie wylicza się względną masę cieczy (u_c), wyciśniętej z próbki 24 z danych przedziałów czasowych (0-^), według wzoru:

'

A_c(r)---100 (%) m,.

gdzie: p_c(T) - względna masa cieczy wyciśniętej z próbki w zadanym przedziale czasowym, %;

mo - masa początkowa próbki, g;

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

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

Następnie wylicza się dynamikę zmian (u_c) w funkcji czasu p_c = f (τ).

Wspomniane dodatkowe urządzenie, poprzez element dociskowy 1, powoduje przemieszczanie tłoka 3 w prowadzącej części tulei 6 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 24, 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 = f(s), zestawiony z dynamiką zmian względnej masy wyciśniętej cieczy p_c = f(s), przedstawia fig. 2. Prezentowane przebiegi są wynikiem badań wykonanych na próbkach wyciętych z buraka ćwikłowego, wybranego, na podstawie szeregu badan, ze względu na czytelność obserwowanych zjawisk.

Pomiar prowadzi się do momentu, gdy badana próbka 24 uzyska stan jednorodny, w którym po zaniku, makropor w badanej tkance i dokładnym wypełnieniu przez nią komory pomiarowej 23, następuje stały przyrost ilości wyciskanej cieczy. Wyraża się to na wykresie σ = ffe). odcinkiem P-K, w którym pochodna tej funkcji jest stała, tzn. dσ/dε; = const. Punkt P określa się, jako próg płynięcia tzn., momentem, od którego rozpoczyna się wyraźny wzrost ilości wyciskanej cieczy. Świadczy to o jakościowych zmianach zachodzących w badanej próbce 24.

Claims (15)

1. Przyrząd do pobierania cieczy wyciskanej z próbki, posiadający tłok i cylinder, którego tuleja zamocowana jest śrubami na płycie, znamienny tym, że ma umocowaną na występie osadczym (14) znanej płyty (16), centrycznie i suwliwie tuleję wewnętrzną składającą się z części dolnej (12), pomiaPL 209 201 B1 rowej (8) i prowadzącej (6), w której suwliwie umieszczony jest tłok (3), zakończony od góry czaszą półkulistą (2), przy czym powierzchnie zewnętrzne tulei wewnętrznej w częściach prowadzącej (6) i dolnej (12) są suwliwie zamocowane w cylindrze (5) i opierają się swoimi powierzchniami czołowymi, w części prowadzącej (6) o kołnierz wewnętrzny (4) a w części dolnej (12) o płytę (16), przy czym tuleja wewnętrzna w części pomiarowej (8) ma kanaliki (10) łączące komorę pomiarową (23) z wycięciem (9), tworzącym z wewnętrzną powierzchnią cylindra (5) komorę cieczową (11), która połączona jest kanałem (22), poprzez króciec (21), z odsysaczem (20).

2. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że boczne powierzchnie tłoka (3) oraz wewnętrzne powierzchnie tulei wewnętrznej w częściach prowadzącej (6), pomiarowej (8) i dolnej (12) leżą w odpowiadających sobie płaszczyznach i stanowią prostopadłościany o przekroju poprzecznym trójkąta albo prostokąta.

3. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że boczne powierzchnie tłoka (3) oraz wewnętrzne powierzchnie tulei wewnętrznej w częściach prowadzącej (6), pomiarowej (8) i dolnej (12) leżą w jednej płaszczyźnie i stanowią powierzchnię walcową.

4. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunki wysokości (h2) tulei wewnę trznej w części prowadzą cej (6) oraz wysokości (h1) w części dolnej (12) do ś rednicy (D) tł oka (3) wynoszą odpowiednio, co najmniej 1,0 oraz 0,5.

5. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek objętości komory cieczowej (11) do komory pomiarowej (23) wynosi, co najmniej 0,1.

6. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że pojemność odsysacza (20) stanowi, co najmniej dwie objętości komory cieczowej (11).

7. Przyrzą d, według zastrz. 1, znamienny tym, że pasowania par kinematycznych tłok (3)tuleja wewnętrzna w częściach prowadzącej (6) i pomiarowej (8) oraz występ osadczy (14)-tuleja dolna (12) są wykonane w klasie H7/h6.

8. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, ż e pasowania par kinematycznych zewnętrzne powierzchnie tulei wewnętrznej w części prowadzącej (6) i dolnej (12)-wewnętrzna powierzchnia cylindra (5) są wykonane w klasie H8/h7.

9. Przyrzą d, wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e pomię dzy powierzchnią wewnę trzną cylindra (5) a powierzchniami zewnętrznymi tulei wewnętrznej, w częściach prowadzącej (6) i dolnej (12), są uszczelniacze (7).

10. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że kołnierz zewnętrzny (15) oraz płyta (16) mają współosiowe, przelotowe otwory (18) ze śrubami długimi (19).

11. Przyrząd, według zastrz. 1, znamienny tym, że powierzchnie zewnętrzna tulei wewnętrznej w części pomiarowej (8) oraz wewnętrzna cylindra (5) są pokryte substancją hydrofobową.

12. Sposób określania ilości cieczy pobranej z próbki, znamienny tym, że po określeniu masy początkowej (mo) próbki (24) dokonuje się kolejnych pomiarów mas cieczy (mi), wyciśniętych z próbki (24) w zadanych przedziałach czasowych, (Δτ_ω = T_(i) - τ_(Μ)), następnie wylicza się względną masę cieczy (μ_0(Ι)). wyciśniętej z próbki (24) z danych przedziałów czasowych (0-τ_ω), po czym określa się dynamikę ilości wyciśniętej cieczy ιμ = f(T).

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

14. Sposób, według zastrz. 12, znamienny tym, że stosuje się próbkę (24), której stosunek wysokości (h) do jej średnicy zastępczej (d) zawiera się w przedziale od 0,5 do 2.

15. Sposób, według zastrz. 13, znamienny tym, że stosuje się próbkę (24), której średnica zastępcza (d) odniesiona do średnicy zastępczej (D) tłoka (3) zawiera się w przedziale od 0,95 do 0,99.