Дозирование
 Скачать 5.11 Mb.
|
|
Рис. 1.2. Принципиальная схема программно-измерительного комплекса SDM-4: 1 – осадительный сосуд; 2 – чувствительная система; 3 – датчик микроперемещений; 4 – чашка сбора осадка; 5 – штанги передвижения датчика относительно чашки; 6 – блок сопряжения седиментометра; 7 – сервер; 8 – дисплей; 9 – принтер Традиционные способы определения гранулометрического состава зернистых материалов, такие как рассев и седиментация медленны и трудоемки. В последнее время начали чаще применять оптические принципы измерения. Принцип измерения частиц в анализаторе "Camsizer" [15] – теневое проектирование. Частицы проходят через луч между двумя источниками света и цифровыми камерами. Поток частиц воспроизводится камерами. Чрезвычайно короткое время экспозиции света, определяемое электронным затвором сканирующей матричной камеры, гарантирует точное определение области проектирования частиц. Для записи картинки с очень коротким временем экспозиции света специально разработан гомогенный источник света, который состоит из холодной катодной флюоресцентной лампы с микрооптическими системами призм. Размеры и форма частиц вычисляются в реальном времени при помощи современных алгоритмов обработки изображения. За счет запатентованного подсоединения двух камер с разными масштабами изображения к адаптивной измерительной системе возможен 6 чрезвычайно широкий диапазон измерения. Область применения данного анализатора от 30 мкм до 30 мм. Это не только позволяет системе выполнять анализ размеров частиц, нои провести детальные определения формы частицы. Обычно приборы для измерения размеров частиц, работающие на базе лазера, основываются на анализе когерентной дифракции. Принцип измерения на "Crystalsizer" [16] базируется на применении некогерентного света для генерации интенсивностей дифракции. Применяется некогерентный и по своей геометрии плоский переменный источник света. Запись измерения производится при помощи единичного точечного детектора на оптической оси. Использование белого света ведет к ряду преимуществ. Прибор имеет очень незначительную чувствительность к влиянию окружающей среды. Плоский источник света получается при помощи галогеновой лампы, конденсатора и переключаемого жидкокристаллического дисплея. Запись измерения производится при помощи фотоумножителя, перед которым помещена точечная диафрагма. Гравитационный диспергирующий модуль предназначен для неслипающихся материалов, а диспергирующий модуль сжатого воздуха – для анализа материалов с агломератами. Прибор измеряет частицы от 0,01 мкм до 2 мм. Через прибор пропускают 20…50 г порошка. Прибор может анализировать различные материалы: сахар, муку, соль, фармацевтические препараты, стиральный порошок, песок, пластиковый порошок, химическое сырье, керамические и металлические порошки и др. Автоматизированная оптико-электронная система контроля гранулометрического состава минеральных удобрений или других зернистых материалов "Cinderella" [17] предназначена для определения распределения гранул в анализируемой пробе по фракциям (диапазонам размеров), что позволяет оценить качество продукции и осуществить оперативную корректировку параметров технологического процесса. Принцип функционирования системы заключается в следующем. Исследуемая проба (до 2 кг) засыпается в резервуар устройства автоматической подачи гранул. Устройство автоматической подачи гранул осуществляет дозированное равномерное поступление гранул в блок видеорегистрации. Интенсивность подачи гранул адаптивно регулируется из программного модуля. Видеоинформация вводится в персональный компьютер и анализируется специализированным программным обеспечением. После обработки всей пробы процесс контроля автоматически останавливается, оператору предоставляется информация о распределении гранул в пробе по фракциям в печатной и графической форме. Таким образом, участие оператора в процессе контроля гранулометрического состава сводится к загрузке пробы в устройство подачи гранул и получению результатов анализа в печатной форме. Время обработки пробы массой 1 килограмм в среднем составляет 15…18 мин, при этом анализируется 20 кадров в секунду. Данная система имеет ряд преимуществ перед ситовым анализом: небольшое время обработки пробы; расчет распределения элементов материала по произвольному набору фракций; получение широкого спектра параметров элементов материала (в том числе формы); малые затраты труда оператора вследствие высокой степени автоматизации процесса анализа (отсутствует необходимость в чистке сит, взвешивании и расчетах); возможность получения промежуточных результатов в процессе анализа; бесконтактный анализ; высокая степень наглядности предоставления результатов анализа. Прибор ANALYSETTE 22 NanoTec является главной моделью в ряду лазерных анализаторов размера частиц фирмы FRITSCH [18]. Благодаря эффекту обратного рассеивания, достижим диапазон измерений порядка 0,01 мкм. Полный диапазон измерений, простирающийся от 0,01 до 1000 мкм, может быть переключен на диапазон 15…2000 мкм благодаря эффекту расхождения лучей. Функция масштабирования позволяет получить гранулометрический состав образца при помощи 520 измерительных каналов. Для описания частиц могут быть получены как гранулометрический состав, так и параметры формы. C помощью ANALYSETTE 22 за один замер можно получить гранулометрический состав и провести анализ формы частиц. Две независимые направляющие системы для измерений в жидкой и сухой средах, совмещенные в одном приборе, позволяют проводить измерения по двум линиям. Прибор двойного назначения содержит модули, как жидкостного диспергирования, так и сухого. Основные характеристики прибора приведены в табл. 1.1. Таблица 1.1 Метод анализа Рассеивание лазерного излучения Состояние образца Сухой/Мокрый Диапазон измерений при диспергировании в жидкости 0,01…2000 мкм Диапазон измерений при сухом диспергировании 0,1 мкм…2000 мкм Минимальное количество образца твердого вещества для получения суспензии или эмульсии 0,1…2 см³ в 500 мл жидкости Минимальное количество образца твердого вещества 5…50 см Время замера 10 с Цикл измерения 2 мин Рис. 1.3. Пикнометр Ле-Шателье-Кондо 1.3. ПЛОТНОСТЬ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ Различают несколько видов плотности: истинная плотность (или просто плотность) – масса единицы объема частиц, не имеющих пор; кажущаяся плотность – масса единицы объема частиц, включая и объем закрытых пор; объемная плотность – масса единицы объема частиц, включая объем закрытых и открытых пор; насыпная плотность (насыпной вес) – масса единицы объема зернистого материала, свободно насыпанного в какую-либо емкость (в ее объем входят внутренние поры частиц и промежуточное пространство между ними). Для определения плотности зернистых материалов (ρ) используют различные модификации пикнометра Ле-Шателье-Кондо (рис. 1.3). Пикнометр имеет колбочку 1 и значительно удлиненную шейку 2. На расстоянии 28 мм от колбочки шейка пикнометра расширена в баллончик 3. Заканчивается шейка сверху воронкообразным расширением диаметром 50 мм. Вместо одной метки, как у обыкновенных пикнометров, на шейке этого пикнометра имеется объемная шкала, нулевое деление которой находится между колбочкой и баллончиком – указатель объема пикнометра при 20 °С. Наиболее удобны для определения плотности зернистых материалов пикнометры объемом 50 см 3 Пикнометрический метод определения плотности основан на определении объема жидкости, вытесненной порошком, масса которого предварительно измерена. Частное от деления массы материала на вытесненный им объем равно искомой плотности материала. В тех случаях, когда не удается подобрать манометрическую жидкость, плотность зернистого материала можно определить методом вытеснения воздуха, называемым также манометрическим методом [19]. Метод определения насыпной плотности заключается в определении массы зернистого материала в известном объеме. Используется мерный цилиндр, в основном, диаметром D = 30…100 мм и высотой H = 1,5…2,0 D. Верхняя часть цилиндра (высотой 0,2…0,4 H) соединена с нижней частью с возможностью поворота относительно вертикальной оси, проходящей через точку, лежащую на срединной поверхности обечайки цилиндра. Размеры мерного цилиндра определяются дисперсностью материала. Чем крупнее частицы материала, тем больше габариты мерного цилиндра. Для определения насыпной плотности зернистый материал насыпают в мерный сосуд. Поворачивают верхнюю часть на 180 градусов. После поворота открытая поверхность материала представляет собой плоскость, проходящую по верхней границе нижней (рабочей) части мерного сосуда. Сосуд с материалом взвешивают и насыпную плотность ρ н вычисляют по формуле V G G 1 2 н − = ρ , г/см 3 , (1.10) где G 2 –масса мерного сосуда с зернистым материалом, г; G 1 – масса мерного сосуда, г; V – объем нижней части мерного сосуда, см 3 Между величинами ρ и ρ н существует взаимосвязь: ( ) ε − ρ = ρ 1 н , (1.11) где ε – порозность зернистого материала, которая равна отношению объема свободного пространства между частицами к полному объему, который занимает зернистый материал. Численное значение насыпной плотности существенно зависит от способа засыпки зернистого материала в емкость. Для одного и того же зернистого материала, даже при одинаковом диаметре частиц, насыпная плотность может изменяться в широком диапазоне, поскольку зависит от укладки или упаковки частиц [20–21]. Следует отметить, что не только в отечественной, но и в мировой практике, нет единого мнения не только относительно процедуры определения насыпной плотности, но и терминологии. Так, например, в мировой практике молочной промышленности этот показатель используется для управления процессами сушки молока, оценки качества конструкции распылителей и диагностики их состояния в процессе работы, а также в прогнозировании пригодности продукции к длительному хранению и при оценке состояния продукции после длительного хранения. Насыпная плотность как интегральный показатель структурно-механического состояния сухого продукта занимает в программах контроля качества первое место. Учитывая значения показателей насыпной плотности в технологическом и коммерческом контроле, в 1999 году был разработан ГОСТ Р 51462– 99 "Продукты молочные сухие. Метод определения насыпной плотности". Необходимость углубленного химического контроля определяется по значениям насыпной плотности, полученным при трех различных условиях проведения измерения. В зависимости от этих условий различают три вида показателя насыпной плотности: объемная насыпная плотность, рыхлая насыпная плотность, насыпная плотность. В соответствии с ГОСТом: объемная насыпная плотность – отношение массы продукта к его объему в мерном цилиндре без уплотнения продукта; рыхлая насыпная плотность – отношение массы продукта к его объему после 100 ударов с частотой 250 ± 15 в минуту; насыпная плотность – то же, но после 625 ударов. Ударное устройство должно согласно стандарту сбрасывать мерный цилиндр с высоты 3 ± 0,1 мм. Значение объемной насыпной плотности прямо связано с размерами частиц сухого молока, а значение рыхлой насыпной плотности – с их прочностью. Значения насыпной плотности до и после хранения продукта дают информацию о его поведении при восстановлении. Показатели насыпной плотности широко используются за рубежом, как в технологических, так и в маркетинговых целях. В производственной практике эти показатели используются при управлении процессами дозирования детских продуктов в потребительскую тару с нормируемыми значениями совместимости. Приборы, позволяющие измерять значения насыпных плотностей, ранее в России не выпускались. Впервые они были разработаны в институте молочной промышленности, а одно из машиностроительных предприятий Московской области освоило их производство. Прибору присвоено обозначение УИП-0,25 (установка по измерению плотности с мерным цилиндром объемом 250 см 3 ). Установка состоит из двух частей: механизма встряхивания с укрепленным на нем быстросъемным стеклянным мерным цилиндром и блока управления с расположенным в нем счетчиком импульсов, поступающих с механизма встряхивания. Установка имеет следующие технические характеристики: Масса загружаемого продукта, кг …………. 0,1 Частота встряхивания, мин –1 ………………. 240 Амплитуда колебаний, мм …………………. 3 Параметры приводов: мощность, Вт ………………………….. 0,7 скорость вращения, об/мин …………... 60 напряжение, В …………………………. 220 Габаритные размеры, мм механизма встряхивания ……………… 230 × 205 × 547 блока управления ……………………… 217 × 225 × 117 Масса, кг …………………………………….. 9 Еще в меньшей степени регламентирована процедура определения плотности частиц, насыпной плотности песка и его пустотности. Для определения насыпной плотности песок высушивают до постоянной массы при температуре 105…110 °С. Высушенный песок насыпают в посуду известного объема и массы и взвешивают. Частное от деления значения массы песка (без посуды) на объем посуды составляет насыпную плотность песка. Так повторяют три раза и вычисляют по этим результатам среднее значение. Насыпная плотность сухих песков обычно колеблется в пределах 1450…1650 кг/м 3 . Плотность частиц песка определяют в градуированном сосуде емкостью 250…500 см 3 . Сосуд наполняют водой до отметки 0,5…0,7 его объема и по шкале мерного цилиндра отсчитывают занимаемый ею объем V 1 . Затем берут приготовленную пробу песка (150…200 г) и осторожно всыпают ее в сосуд так, чтобы частицы песка не оседали на его стенках. Лучше сыпать песок мелкими порциями, чтобы воздух свободно удалялся из него и не образовывался вспененный слой на поверхности. Как только всыпали пробу, делают отсчет по шкале сосуда нового объема жидкости вместе с песком V 2 . Плотность ρ, г/см 3 , подсчитывают как частное от деления массы пробы песка G на разность V 2 – V 1 , соответствующую примерному объему песка в плотном состоянии: 1 2 V V G − = ρ . (1.12) Опыт повторяют не менее трех раз и окончательный результат вычисляют как среднее арифметическое трехкратного определения. Для предварительных расчетов можно принимать плотность частиц песка 2650…2700 кг/м 3 (2,65…2,7 г/см 3 ). Пустотность пескаимеет весьма важное значение при определении состава бетона и растворов: с увеличением пустотности увеличивается расход вяжущих. Объем пустот песка из зерен почти одинаковой крупности составляет 40…42 %. При оптимальном сочетании крупных, средних и мелких зерен песка объем его пустот уменьшается до 30…35 %. В песке удовлетворительного качества объем пустот не должен превышать 40 %, а хорошего – 37…38 %. Пустотность песка можно также приблизительно определить с помощью двух одинаковых цилиндрических стаканов. В первый насыпают сухой песок, уплотняют его легким постукиванием стакана по столу и сравнивают ножом или линейкой вровень с кромками стакана. Из другого стакана, до краев наполненного водой, осторожно переливают воду в первый до тех пор, пока в первом стакане вода не будет вровень с краями, т.е. пока она полностью не заполнит пустоты в песке. После этого замеряют высоту столба воды, оставшейся во втором стакане. Разность высот стакана В ст и оставшейся в нем воды В в , взятая относительно полной высоты стакана В ст , составит приблизительное значение пустотности, %. При определении насыпной плотности металлических порошков для устранения ошибок, вызванных субъективными факторами, процедура эксперимента регламентирована ГОСТ 19440–94. В соответствии с этим насыпную плотность можно определять двумя методами: метод с использованием воронки; метод волюмометра Скотта. а) б) Рис. 1.4. Устройство для определения насыпной плотности металлических порошков: а – воронка; б – устройство в сборе Сущность первого метода заключается в измерении массы определенного количества порошка, который в свободно насыпанном состоянии полностью заполняет емкость (стакан) известного объема. Свободно насыпанное состояние получается при заполнении емкости с помощью воронки, расположенной над ней на определенном расстоянии. Отношение массы к объему представляет собой насыпную плотность. На рисунке 1.4 показана воронка с основными размерами и схема устройства. Рис. 1.5. Волюмометр Скотта (вид спереди): 1 – большой конус воронки; Рис. 1.6. Волюмометр Скотта (вид сбоку): 1 – латунное сито; 5 6 2 – цилиндрическая часть воронки; 3 – малый конус воронки; 4 – внутренний диаметр; 5 – боковые стороны коробки; 6 – передняя и задняя стороны коробки; 7 – нижняя воронка; 8 – цилиндрическая емкость; 9 – основание прибора 2 – сторона коробки из стекла; 3 – деталь нижнего соединения; 4 – нижняя квадратная воронка; 5 – сторона коробки из дерева; 6 – стойка Объем емкости также регламентирован – 25 ± 0,05 см 3 . Емкость и воронки должны быть изготовлены из немагнитного устойчивого против коррозии металла (например, из стали марки 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632) со стенками достаточной толщины и твердости, чтобы противостоять деформации и чрезмерному износу. Внутренние поверхности емкости и воронок должны быть отшлифованы. Процедура экспериментального определения насыпной плотности достаточно проста. Воронку с выходным отверстием диаметром 2,5 мм, закрытым сухим пальцем, заполняют порошком. После того, как воронка заполнена, открывают выходное отверстие и пропускают порошок через отверстие до полного заполнения емкости и начала пересыпания из нее порошка. Одноразовым движением с помощью немагнитной линейки выравнивают в емкости поверхность порошка, не оказывая на него давления. Массу порошка, находящегося в емкости, определяют с точностью до 0,05 г. Определение выполняют на трех испытуемых порциях. Если порошок не протекает через эту воронку, необходимо взять воронку с отверстием диаметром 5,0 мм. Во втором методе для заполнения емкости используют волюмометр Скотта, общий вид которого показан на рис. 1.5, а на рис. 1.6 дан вид сбоку. Боковые стороны 5 имеют размеры приблизительно 8 × 58 × 152 мм, выполнены из дерева или другого материала. Передняя и задняя стороны 6 имеют размеры приблизительно 2 × 44 × 142 мм и выполнены из стекла. Нижняя воронка 7 имеет квадратное сечение с размерами приблизительно от 4,5 до 12,5 мм. Большой конус воронки отделен от цилиндрической части латунным ситом с отверстиями диаметром 1,18 мм. Коробка квадратного сечения имеет четыре стеклянных наклонных пластинки, которые размещены и удерживаются с помощью пазов на противоположных (боковых) ее сторонах так, чтобы их можно было легко вынимать и чистить. Пластинки установлены таким образом, чтобы порошок последовательно падал на каждую из них, вследствие чего падение порошка прерывается, а скорость его потока уменьшается. Порядок определения насыпной плотности такой же, как и в первом методе. |