PL241621B1

PL241621B1 - Method for determination of degree of agglomeration and strength of consolidated powder materials

Info

Publication number: PL241621B1
Application number: PL436420A
Authority: PL
Inventors: Mateusz Stasiak; Justyna Wajs
Original assignee: Inst Agrofizyki Im Bohdana Dobrzanskiego Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2022-11-07
Also published as: PL436420A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest stanowisko do badania stopnia zbrylenia i wytrzymałości skonsolidowanych materiałów proszkowych, zawierające naczynie do umieszczania próbki materiału i odważnik do konsolidacji charakteryzujące się tym, że zawiera pomiarowy pręt (3) połączony rozłącznie linką (31) z siłownikiem (32) i wyposażony w czujnik siły (33) oraz uchwyt (4) podtrzymujący naczynie (1) i uchwyt (5) stabilizujący pomiarowy pręt (3). Naczynie (1) ustawione jest na płytce (7), w której wykonane jest centrujące kołowe zagłębienie o wymiarach dopasowanych do wymiarów naczynia (1). Naczynie (1) ma kształt cylindra i ma podstawę, w której wykonany jest centrujący otwór, dla wycentrowania pomiarowego pręta (3), a ściana boczna naczynia (1) posiada perforację. Pomiarowy pręt (3) ma kołowy przekrój poprzeczny i posiada na jednym końcu stożkowe zakończenie, a na powierzchni bocznej ma wykonane poziome dookólne żłobienia -43-5,) Odważnik (2) ma kształt walca o wymiarach podstawy dopasowanych do wymiarów naczynia (1) i ponadto posiada wykonany środkowo przelotowy otwór do osadzenia na pomiarowym pręcie (3).The subject of the invention is a stand for testing the degree of caking and strength of consolidated powder materials, containing a vessel for placing a sample of the material and a consolidation weight, characterized in that it includes a measuring rod (3) detachably connected with a cable (31) with an actuator (32) and equipped with a sensor forces (33) and the handle (4) supporting the vessel (1) and the handle (5) stabilizing the measuring rod (3). The vessel (1) is placed on a plate (7), in which a centering circular recess is made, with dimensions adapted to the dimensions of the vessel (1). The vessel (1) has the shape of a cylinder and has a base in which a centering hole is made to center the measuring rod (3), and the side wall of the vessel (1) has a perforation. The measuring rod (3) has a circular cross-section and has a conical end at one end, and has horizontal, all-round grooves -43-5 on its side surface. moreover, it has a central through hole for mounting on the measuring rod (3).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest stanowisko do badania stopnia zbrylenia i wytrzymałości skonsolidowanych materiałów sypkich, zwłaszcza proszków spożywczych, z uwzględnieniem warunków otoczenia, w szczególności wilgotności.The subject of the invention is a stand for testing the degree of agglomeration and strength of consolidated loose materials, especially food powders, taking into account environmental conditions, in particular humidity.

Każda zmiana właściwości materiału podczas przetwarzania może wiązać się ze zmianami parametrów fizycznych materiału, zmianami struktury i składu che micznego, skutkując ryzykiem powstawania niepożądanych zjawisk obniżających jakość surowca. Jednym z niekorzystnych zjawisk zachodzących w przetwarzaniu materiałów sypkich jest zbrylanie. Dotychczasowa literatura prezentuje wiele metod służących określaniu wytrzymałości proszków. Istnieje jednak ciągła potrzeba poszukiwania nowych rozwiązań w celu określania stopnia zbrylania w materiale sypkim. Stopień zbrylenia indeksowany jest różnymi wielkościami fizycznymi określanymi przy pomocy stanowisk pomiarowych.Any change in the properties of the material during processing may be associated with changes in the physical parameters of the material, changes in the structure and chemical composition, resulting in the risk of undesirable phenomena that reduce the quality of the raw material. One of the unfavorable phenomena occurring in the processing of loose materials is caking. The existing literature presents many methods for determining the strength of powders. However, there is a constant need to look for new solutions in order to determine the degree of caking in bulk material. The degree of agglomeration is indexed with various physical quantities determined using measuring stands.

Z publikacji US5585569A znana jest aparatura i metoda oceny odporności sypkiego materiału na zbrylanie. Urządzenie zawiera komorę do umieszczania próbki materiału, komora ma kształt stożka. Dno komory stanowi wysuwana przesłona, a wewnętrzna ściana boczna komory posiada poprzeczne żebrowanie. Materiał w komorze konsolidowany - zbrylany jest za pomocą przyłożonego obciążenia. Poniżej wysuwanej przesłony umieszczona jest waga, do pomiaru ciężaru części próbki po przeprowadzonym zbryleniu i wysunięciu przesłony. Metoda pomiaru obejmuje etapy umieszczenia próbki materiału stałego o znanej masie, przykładania obciążenia ściskającego w celu zbrylenia części próbki, oddzielania niezbrylonej części próbki od zbrylonej części próbki po częściowej agregacji próbki i obliczenie wskaźnika stabilności materiału stałego przed zbrylaniem. Stabilność próbki indeksuje się poprzez określenie stosunku masy niezbrylonej części próbki do całkowitej masy próbki, albo masy niezbrylonej części próbki do masy zbrylonej części próbki. Rozwiązanie może nie zapewniać powtarzalnych pomiarów, mianowicie żebrowanie może zakłócić prawidłowe rozmieszczenie próbki materiału w próbce, mogą postawać pustki powietrzne, zatem uzyskane wyniki mogą być obarczone błędem.From publication US5585569A, an apparatus and method for evaluating the resistance of bulk material to caking is known. The device comprises a chamber for placing a material sample, the chamber being cone-shaped. The bottom of the chamber is a sliding screen, and the inner side wall of the chamber has transverse ribs. The material in the chamber is consolidated - it is clumped with the applied load. Below the slide-out shutter there is a scale to measure the weight of a part of the sample after the clumping and slide-out of the shutter. The measurement method includes the steps of placing a sample of solid material of known mass, applying a compressive load to agglomerate a portion of the sample, separating the non-agglomerated portion of the sample from the agglomerated portion of the sample after partial aggregation of the sample, and calculating the stability index of the solid material against caking. The stability of the sample is indexed by determining the ratio of the weight of the non-agglomerated portion of the sample to the total weight of the sample, or the weight of the non-agglomerated portion of the sample to the weight of the agglomerated portion of the sample. The solution may not provide repeatable measurements, namely the ribbing may interfere with the correct distribution of the material sample in the sample, air voids may form, so the obtained results may be subject to error.

W publikacji wzoru użytkowego CN205607751U przedstawiono urządzenie do badania zbrylenia nawozów sypkich pod kontrolowanym naciskiem. Urządzenie posiada ustawioną na podstawie komorę, w której umieszczana jest badana próbka. Próbka od góry ściskana jest górną płytą z dociskiem sprężynowym, pod kontrolowanym ciśnieniem.The utility model publication CN205607751U presents a device for testing the lumpiness of loose fertilizers under controlled pressure. The device has a chamber set on the base in which the test sample is placed. The sample is compressed from above by the upper plate with a spring pressure under controlled pressure.

Celem wynalazku jest zaproponowanie stanowiska pomiarowego, umożliwiającego wykonywanie badań z uzyskaniem powtarzalnych wyników. Pożądane jest, by istniała możliwość zapewnienia parametrów próbki, w szczególności parametrów wilgotnościowych o wartościach takich, jakie występują w rzeczywistych warunkach przechowywania materiału. Wyniki uzyskane z projektowanego stanowiska pomiarowego indeksowane będą do wartości siły.The aim of the invention is to propose a measuring station that allows performing tests with reproducible results. It is desirable to be able to provide the parameters of the sample, in particular the moisture parameters, with values such as those present in the actual storage conditions of the material. The results obtained from the designed measuring station will be indexed to the force value.

Istota stanowiska do badania stopnia zbrylenia i wytrzymałości skonsolidowanych materiałów proszkowych, zawierającego naczynie do umieszczania próbki materiału i odważnik do konsolidacji, polega na tym, że zawiera pomiarowy pręt połączony linką z siłownikiem i wyposażony w czujnik siły. Stanowisko wyposażone jest w uchwyt podtrzymujący naczynie i uchwyt stabilizujący pomiarowy pręt. Naczynie ustawione jest na płytce, w której wykonane jest centrujące kołowe zagłębienie o wymiarach dopasowanych do wymiarów naczynia, a ponadto naczynie ma kształt cylindra i ma podstawę, w której wykonany jest centrujący otwór, dla wycentrowania pomiarowego pręta. Ściana boczna naczynia posiada perforację. Pomiarowy pręt ma kołowy przekrój poprzeczny i posiada na jednym końcu stożkowe zakończenie, a na powierzchni bocznej ma wykonane poziome dookólne żłobienia. Odważnik ma kształt walca o wymiarach podstawy dopasowanych do wymiarów naczynia i ponadto posiada wykonany środkowo przelotowy otwór do osadzenia na pomiarowym pręcie.The essence of the stand for testing the degree of caking and strength of consolidated powder materials, containing a vessel for placing a sample of the material and a weight for consolidation, consists in the fact that it contains a measuring rod connected with a cable with an actuator and equipped with a force sensor. The station is equipped with a handle supporting the vessel and a handle stabilizing the measuring rod. The vessel is placed on a plate in which a centering circular recess is made with dimensions adapted to the dimensions of the vessel, and furthermore the vessel is cylindrical in shape and has a base in which a centering hole is made for centering the measuring rod. The side wall of the vessel has a perforation. The measuring rod has a circular cross-section and has a conical end at one end, and horizontal, all-round grooves are made on the side surface. The weight has the shape of a cylinder with the dimensions of the base adjusted to the dimensions of the vessel and, moreover, it has a central through hole for mounting on the measuring rod.

Korzystnie, dookólne żłobienia pomiarowego pręta mają trójkątny zarys i głębokość od 0,5 do 1,4 mm.Preferably, the omnidirectional measuring grooves of the bar have a triangular outline and a depth of 0.5 to 1.4 mm.

Korzystnie, uchwyt podtrzymujący naczynie i uchwyt stabilizujący pomiarowy pręt mocowane są na trzpieniu zamocowanym do płytki.Preferably, the holder supporting the vessel and the holder stabilizing the measuring rod are mounted on a mandrel attached to the plate.

Stanowisko o budowie według obecnego wynalazku pozwala uzyskać powtarzalne wyniki, indeksowane do wartości siły. Dokładność pomiaru zapewniają elementy centrujące i uchwyty. Natomiast perforacja naczynia pozwala zwiększyć kontakt zawartego w nim materiału z otoczeniem. Dzięki temu ułatwione jest badanie próbek materiału przechowywanego w zwiększonej wilgotności otoczenia.The stand structured according to the present invention allows to obtain reproducible results indexed to the force value. Accuracy of measurement is ensured by centering elements and holders. On the other hand, the perforation of the vessel allows to increase the contact of the material contained in it with the environment. Thanks to this, it is easier to test samples of material stored in increased ambient humidity.

Stanowisko według wynalazku przedstawione zostało w przykładzie realizacji na rysunku, na którym: Fig. 1 przedstawia schemat stanowiska, Fig. 2 przedstawia naczynie w widoku perspektywicznym i przekroju wzdłużnym, Fig. 3 przedstawia płytkę w przekroju poprzecznym,The stand according to the invention is shown in an example of implementation in the drawing, in which: Fig. 1 shows a diagram of the stand, Fig. 2 shows a vessel in a perspective view and a longitudinal section, Fig. 3 shows a plate in a cross-section,

PL 241 621 B1PL 241 621 B1

Fig. 4 przedstawia pomiarowy pręt w widoku z boku, Fig. 5 przedstawia obciążnik w przekroju poprzecznym.Fig. 4 is a side view of the measuring rod, Fig. 5 is a cross-sectional view of the weight.

Stanowisko do badania stopnia zbrylenia i wytrzymałości skonsolidowanych materiałów proszkowych, zawiera naczynie 1 do umieszczania próbki materiału, odważnik 2 do konsolidacji oraz pomiarowy pręt 3. Naczynie 1 ma kształt cylindra i ma podstawę 11, w której wykonany jest centrujący otwór 12, dla wycentrowania pomiarowego pręta 3. Naczynie 1 ma wykonaną perforację 13 o średnicy oczek 1,5 mm. Wysokość naczynia to 30 mm, średnica: 24 mm. Pomiarowy pręt 3 połączony jest rozłącznie linką 31 z siłownikiem 32 i wyposażony jest w czujnik siły 33. Pomiarowy pręt 3 ma kołowy przekrój poprzeczny i posiada na jednym końcu stożkowe zakończenie 34. Zakończenie 34 centrowane jest w centrującym otworze 12. Pręty pomiarowe 3 mają długość 93,7 mm oraz średnicę 4,82 mm i są wykonane w dwóch wariantach: ze stali nierdzewnej oraz tworzywa sztucznego. Na powierzchni bocznej pomiarowy pręt 3 ma wykonane poziome dookólne żłobienia 35 o trójkątnym zarysie. Dookólne żłobienie wykonane jest na długości ok. 33 mm od stożkowego zakończenia 34. Zastosowano cztery typy pomiarowych prętów 3:The station for testing the degree of caking and strength of consolidated powder materials, includes a vessel 1 for placing a sample of the material, a consolidation weight 2 and a measuring rod 3. The vessel 1 is cylindrical in shape and has a base 11, in which a centering hole 12 is made for centering the measuring rod 3. Vessel 1 has a perforation 13 with a mesh diameter of 1.5 mm. The height of the vessel is 30 mm, diameter: 24 mm. The measuring rod 3 is detachably connected with a cable 31 to the actuator 32 and is equipped with a force sensor 33. The measuring rod 3 has a circular cross-section and has a conical end 34 at one end. The end 34 is centered in the centering hole 12. The measuring rods 3 have a length of 93 7 mm and a diameter of 4.82 mm and are made in two variants: stainless steel and plastic. On the side surface, the measuring rod 3 has horizontal, all-round grooves 35 with a triangular outline. The omnidirectional groove is made at a length of approx. 33 mm from the conical end 34. Four types of measuring rods 3 were used:

- stal nierdzewna ze żłobieniami o głębokości h = 1,3 mm,- stainless steel with grooves h = 1.3 mm deep,

- stal nierdzewna ze żłobieniami o głębokości h = 0,65 mm,- stainless steel with grooves h = 0.65 mm deep,

- tworzywo sztuczne ze żłobieniami o głębokości h = 1,3 mm,- plastic with grooves h = 1.3 mm deep,

- tworzywo sztuczne ze żłobieniami o głębokości h = 0,65 mm.- plastic with grooves with a depth of h = 0.65 mm.

Odważnik 2 ma kształt walca o wymiarach podstawy do pasowanych do wymiarów naczynia 1 i ponadto posiada wykonany środkowo przelotowy otwór 21 do osadzenia na pomiarowym pręcie 3. Przykładowy zestaw zawiera obciążniki 2 realizujące napór 5 kPa i 10 kPa. Stanowisko posiada uchwyt 4 podtrzymujący naczynie 1 i uchwyt 5 stabilizują cy pomiarowy pręt 3, które zamocowane są na trzpieniu 6 zamocowanym do płytki 7. W płytce 7 wykonane jest centrujące kołowe zagłębienie 71 o wymiarach dopasowanych do wymiarów naczynia 1, w którym ustawione i ustabilizowane jest naczynie 1.The weight 2 has the shape of a cylinder with the dimensions of the base to match the dimensions of the vessel 1 and, moreover, it has a central through-hole 21 for mounting on the measuring rod 3. The exemplary set includes weights 2 realizing the pressure of 5 kPa and 10 kPa. The station has a holder 4 supporting the vessel 1 and a holder 5 stabilizing the measuring rod 3, which are mounted on a pin 6 fixed to the plate 7. In the plate 7 there is a centering circular recess 71 with dimensions adapted to the dimensions of the vessel 1, in which the vessel 1.

Badanie próbki w stanowisku według wynalazkuExamination of the sample in the stand according to the invention

Naczynie 1 z umieszczonym w nim i ustabilizowanym w centrującym otworze 12 wybranym pomiarowym prętem 3 umieszcza się w zagłębieniu 71 płytki 7 i uchwycie 4, a pręt 3 dodatkowo stabilizowany jest w uchwycie 5. Tak przygotowane naczynie 1 uzupełnia się do pełnej objętości materiałem sypkim, a następnie poddaje się konsolidacji naporem pionowym wywołanym odważnikiem 2. Odważniki 2 nasadzane są na pomiarowy pręt 3 dzięki przelotowym otworom 21 i przesuwają się wzdłuż niego swobodnie, bez tarcia. Po obciążeniu materiału, pomiarowy pręt 3 jest wycentrowany i stabilnie utrzymywany przez badany proszek, dlatego nie wymaga dalszego wspomagania uchwytem 5. Po usunięciu uchwytu 5 w górnej części pomiarowego pręta 3 zaczepia się linkę 31. Drugi koniec linki 31 osadzony jest w trzonie napędzanym siłownikiem 32. W trzonie osadzony jest czujnik siły 33 mierzący wartość siły przenoszonej przez linkę 31 w zakresie 4,4 N. Siłownik 32 umożliwia napęd linki 31 z prędkością przesuwu od 1,75 do 9 mm/min. Za pomocą linki 31 oraz zadanej prędkości przesuwu, żłobiona część pomiarowego pręta 3 jest wysuwana z materiału sypkiego. Urządzenie połączone jest z komputerem wyposażonym w program przeprowadzania i rejestracji wykonywanych testów.The vessel 1 with the selected measuring rod 3 placed in it and stabilized in the centering hole 12 is placed in the recess 71 of the plate 7 and the holder 4, and the rod 3 is additionally stabilized in the holder 5. The vessel 1 prepared in this way is filled to its full volume with loose material, and then it is consolidated by the vertical pressure caused by the weight 2. The weights 2 are put on the measuring rod 3 thanks to the through holes 21 and they move along it freely, without friction. After loading the material, the measuring rod 3 is centered and stably held by the tested powder, therefore it does not require further support with the holder 5. After removing the holder 5, a cable 31 is attached to the upper part of the measuring rod 3. The other end of the cable 31 is embedded in the shaft driven by the actuator 32 A force sensor 33 is embedded in the stem, which measures the value of the force transmitted by the cord 31 in the range of 4.4 N. The actuator 32 enables the drive of the cord 31 with a travel speed of 1.75 to 9 mm/min. By means of the cable 31 and the set speed of travel, the grooved part of the measuring rod 3 is slid out of the bulk material. The device is connected to a computer equipped with a program for conducting and recording tests.

Claims

1. A stand for testing the degree of caking and strength of consolidated powder materials, containing a vessel for placing a sample of the material and a consolidation weight, characterized in that it includes a measuring rod (3) detachably connected with a cable (31) with an actuator (32) and equipped with a force sensor ( 33) and a holder (4) supporting the vessel (1) and a holder (5) stabilizing the measuring rod (3), the vessel (1) being placed on a plate (7) with a centering circular recess (71) of dimensions adapted to the dimensions of the vessel (1), moreover, the vessel (1) is cylindrical in shape and has a base (11) in which a centering hole (12) is made to center the measuring rod (3), and the side wall of the vessel (1) has a perforation (13), while the measuring rod (3) has a circular cross-section and has a conical tip (34) at one end, and horizontal, circumferential grooves (35) are made on the side surface, while the weight (2) has the shape of a cylinder with dimensions bases adapted to the dimensions of the vessel (1)

PL 241 621 Β1 and, moreover, it has a central through-hole (21) for mounting on the measuring rod (3).

2. The station according to claim 1, characterized in that the circumferential grooves (35) of the measuring rod (3) have a triangular outline and a depth (h) of 0.5 to 1.4 mm.

3. The station according to claim 1 or 2, characterized in that the handle (4) supporting the vessel (1) and the handle (5) stabilizing the measuring rod (3) are mounted on a pin (6) fixed to the plate (7).