Устройство для измерения текучести порошкового материала
Владельцы патента RU 2727319:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Устройство для измерения текучести порошка относится к области определения физико-механических характеристик порошкообразных материалов, а именно текучести порошка, и может быть использовано в различных отраслях промышленности: пищевой, строительной, химической, машиностроительной и др. Устройство содержит поддон, на котором установлена приемная емкость, загрузочную воронку с калиброванным отверстием, внутри которой соосно расположен конусообразный клапан со штоком. Клапан выполнен в виде двух сопряженных по окружности конусных поверхностей, направленных в противоположные стороны. Внешняя поверхность нижнего конуса выполнена с возможностью беззазорного контакта с внутренней поверхностью воронки. На штоке клапана установлен ограничитель хода, а между воронкой и приемной емкостью установлен регистрирующий датчик, сообщенный с блоком регистрации времени. Технический результат - повышение точности измерения текучести порошкообразного материала за счет обеспечения постоянной скорости истечения порошка через калиброванное отверстие воронки. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области определения физико-механических характеристик порошкообразных материалов, а именно текучести порошка, и может быть использовано в различных отраслях промышленности: пищевой, строительной, химической, машиностроительной и др.
Известна установка для определения текучести порошкообразных составов: Г. Шрайбер, П. Порет. Огнетушащие средства. М: Стройиздат, 1975 г. Установка состоит из резервуара, в который загружается 4 кг порошка, спиралеобразной трубки и приемной емкости. С помощью азота в резервуаре создают давление 10 кгс/см2, после чего порошок выпускают по спиралеобразной трубе длиной около 6 м, диаметром 8 мм в сосуд для приема порошка. При выпуске фиксируют наличие пульсаций, время выпуска и количество порошка, оставшегося в резервуаре. Текучесть считается хорошей, если остаток порошка не превышает 20%. Установка сложна в оформлении и требует большого расхода порошка в процессе определения текучести порошкообразных составов.
Известно устройство для определения текучести порошка с применением микровыбрасывателя, состоящее из стакана микровыбрасывателя, проходного крана, трубки с диафрагмой: А.Н. Баратов, Л.П. Вогман. Огнетушащие порошковые составы. М: Стройиздат, 1982 г. В стакан микровыбрасывателя загружается 50 г порошка при закрытом проходном кране. Затем закрывают перекрывающее устройство и подают азот заданного давления, открывают проходной кран и порошок выбрасывается по трубке через диафрагму.
Фиксируется время выброса и остаток порошка. Испытание проводят при разных давлениях по пять измерений. Недостаток устройства - большой объем испытаний и работа с азотом под давлением.
Известно устройство для измерения текучести порошковых материалов по патенту РФ №2457462 C1 G01N 11/00, опубликовано 27.07.2012. Оно содержит поддон, полый цилиндр, на который устанавливается загрузочная воронка, свободный объем воронки равен объему цилиндра. Загрузочная воронка содержит клапан, крестовину для удержания клапана в исходном состоянии. К цилиндру тросом через два блока, установленные на крестовине, подсоединяется груз, перемещающийся внутри трубы и удерживаемый фиксатором. Способ основан на измерении диаметра рассыпавшегося порошка при истечении его из цилиндра. Определение текучести порошка производится следующим образом: после установки цилиндра на поддон загрузочная воронка заполняется порошком и устанавливается на полый цилиндр. После поднятия клапана загрузочной воронки порошок пересыпается в цилиндр, и после полного истечения порошка клапан возвращается в исходное положение. Затем снимается воронка, груз фиксируется в положение замера, закрывается заслонка кожуха. Далее выдергивается фиксатор, груз при падении поднимает цилиндр и порошок рассыпается по поверхности поддона. Открывают заслонку кожуха, и производится оценка текучести по диаметру рассыпавшегося порошка. Недостаток устройства - косвенный метод определения величины текучести порошка.
Известно устройство для определения текучести порошка в соответствии с ГОСТ 20899-98 (ИСО 4490-78) «Порошки металлические. Определение текучести с помощью воронки (прибор Холла)». Устройство состоит из калиброванной воронки, установленной на стойке и виброустойчивом основании, и приемной емкости. Способ измерения основан на способности металлического порошка «протекать» через отверстие калиброванной воронки стандартизированного размера под действием силы тяжести и заключается в измерении времени, необходимого для истечения 50 граммов порошка. На виброустойчивой стойке жестко крепится воронка с калиброванным отверстием диаметром 2,5+0,05 мм (прибор Холла). Под ней устанавливается приемная емкость. Время истечения порошка фиксируется секундомером или датчиком определения времени истечения порошка. Текучестью порошка является среднее арифметическое значение результатов трех определений времени истечения 50 грамм порошка, умноженное на поправочный коэффициент воронки. Результаты измерений фиксируют в секундах, округленных до 0,5 с. Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Недостатком определения текучести порошка с помощью этого устройства является невысокая точность измерений, связанная с человеческим фактором, т.к. зависит от проводимых действий исследователя, выполняющего измерение секундомером.
Задачей заявляемого изобретения является повышение точности определения текучести порошка.
При использовании изобретения достигается следующий технический результат:
- повышается точность измерения текучести порошка, которая составляет 0,1 с;
- обеспечивается постоянство скорости истечения порошка через калиброванное отверстие калиброванной воронки, что уменьшает процесс пульсации порошка и повышает точность измерения текучести порошка;
- позволяет измерять величину текучести металлических и неметаллических порошковых материалов;
- процесс измерения автоматизирован, что исключает влияние человеческого фактора на точность измерений;
- упрощается процедура установки приемной емкости соосио воронке.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется устройство для измерения текучести порошкового материала, содержащее поддон, на котором установлена приемная емкость, загрузочную воронку с калиброванным отверстием, в котором, согласно изобретению, внутри воронки соосно расположен конусообразный клапан со штоком, выполненный в виде двух сопряженных по окружности конусных поверхностей, направленных в противоположные стороны, при этом внешняя поверхность нижнего конуса выполнена с возможностью беззазорного контакта с внутренней поверхностью воронки, а на цилиндрическом штоке клапана установлен ограничитель хода клапана, при этом между воронкой и приемной емкостью установлен регистрирующий датчик, сообщенный с блоком регистрации времени.
Регистрирующий датчик может быть выполнен с осевым отверстием и установлен соосно калиброванному отверстию воронки, а в поддоне соосно устройству может быть выполнен цилиндрический выступ, диаметр которого соизмерим с диаметром окружности дна приемной емкости.
Конусообразный клапан, расположенный внутри воронки соосно с ней, первоначально используется для перекрытия калиброванного отверстия воронки при заполнении ее порошком перед проведением процесса измерения. При этом шток клапана обеспечивает соосность клапана и воронки. Клапан выполнен в виде двух сопряженных (контактирующих) по окружности конусных поверхностей, направленных в противоположные стороны, при этом внешняя поверхность нижнего конуса выполнена с возможностью беззазорного контакта (сопряжения) с внутренней поверхностью воронки. Клапан изготовлен из мягкого немагнитного материала (в данном случае из алюминия) во избежание воздействия на полированную стальную поверхность воронки. Внешняя поверхность клапана гладкая - такое условие необходимо для непрерывного истечения порошка (за счет минимизации шероховатости внешней поверхности клапана).
После перемещения клапана в вертикальном направлении образуется постоянный, неизменяемый зазор между конусными параллельными поверхностями клапана и воронки. Это обеспечивает точное дозирование и постоянную скорость истечения исследуемого порошка через калиброванное отверстие воронки и минимизирует его пульсацию в процессе измерения текучести. Величина зазора регулируется ограничителем вертикального хода, установленным на цилиндрическом штоке клапана.
В момент начала истечения исследуемого порошка через калиброванное отверстие воронки регистрирующим датчиком запускается отсчет времени, отражаемый на блоке измерения и индикации времени в секундах с приборной точностью 0,1 с. По окончании прохождения порошка через отверстие регистрирующего датчика по команде с регистрирующего датчика отсчет времени прекращается. Результат прохождения порошка через отверстие регистрирующего датчика фиксируется блоком регистрации и индикации времени, приборная погрешность которого составляет 0,1 с.
Для упрощения процедуры установки и центрирования приемной емкости относительно воронки с регистрирующим датчиком, в поддоне выполнен цилиндрический выступ, на который устанавливается приемная емкость.
На фиг. 1 представлена схема устройства для измерения текучести порошкового материала.
На фиг. 2 представлена схема узла подачи порошка.
Заявляемое устройство (фиг. 1, фиг. 2) состоит из основания 1, размещенного на регулируемых опорах 2, обеспечивающих выравнивание устройства по уровню в горизонтальной плоскости. В основании размещается поддон 3 и установленная на выступающую часть поддона приемная емкость 4. На основании закреплены стойки 5, в которых через держатель 6 крепится воронка 7 с калиброванным отверстием диаметром 2,5+0,05 мм. В воронке 7 установлен конусообразный клапан 8 со штоком, центрируемый в ней перекладиной 9. Клапан 8 имеет две конусные поверхности, направленные в противоположные стороны, из которых внешняя поверхность нижнего конуса параллельна внутренней поверхности воронки 7 и имеет на всей ее длине полное сопряжение с поверхностью воронки. На цилиндрическом штоке конусообразного клапана 8 установлен ограничитель 10 хода клапана, состоящий из втулки с резьбовым отверстием и вворачиваемого в него винта, который обеспечивает закрепление втулки на штоке конусообразного клапана 8 и ограничивает его перемещение в вертикальной плоскости. Между воронкой 7 и приемной емкостью 4 установлен регистрирующий оптический датчик 11, соединенный с блоком 12 измерения и индикации времени истечения порошка. Регистрирующий оптический датчик может быть выполнен с осевым отверстием для истечения исследуемого порошка и установлен соосно калиброванному отверстию в воронке (фиг. 1). Регистрирующий датчик также может быть установлен между воронкой и приемной емкостью напротив потока истекающего порошка.
В отверстие оптического датчика 11 может быть установлена прозрачная трубка 13. Воронка 7 с калиброванным отверстием, приемная емкость 4 и оптический датчик 11 расположены на одной оси симметрии (фиг. 1).
Определение текучести исследуемого порошкового материала производится следующим образом. Предварительно необходимо выставить устройство определения текучести порошкового материала с помощью регулируемых опор 2 в горизонтальной плоскости. Установить все элементы устройства. Взвесить навеску исследуемого порошка. Выставить необходимый ход перемещения цилиндрического штока конусообразного клапана 8 с помощью ограничителя 10, который равен расстоянию от верхней точки ограничителя 10 до нижней поверхности перекладины 9. При этом зазор между конусными поверхностями воронки 7 и клапана 8 будет равен двойному расстоянию перемещения цилиндрического штока конусообразного клапана 8. Так, при поднятии клапана на 2 мм, зазор между конусными поверхностями клапана 8 и воронки 7 будет равен 1 мм. Установить клапан 8 в воронку 7 и перекладину 9. Включить питание блока измерения и индикации времени. Засыпать навеску исследуемого порошка в воронку 7. Переместить в вертикальном направлении клапан 8 на величину выставленного ранее расстояния между ограничителем 10 и перекладиной 9. Зафиксировать клапан 8 в данном положении. Исследуемый порошок через образовавшийся зазор между клапаном 8 и воронкой 7 равномерно поступает в калиброванное отверстие воронки 7 диаметром 2,5+0,05 мм, а затем через трубку 13 оптического датчика 11 в приемную емкость 4. В момент начала прохождения исследуемого порошка через отверстие оптического датчика 11 автоматически запускается отсчет времени в блоке измерения и индикации времени 12. В момент окончания прохождения порошка через оптический датчик 11 происходит автоматическая остановка отсчета времени в блоке 12 измерения и индикации времени. Результат считывается с табло блока 12 измерения и индикации. Производится оценка полученного результата.
Положительным фактором применения предлагаемого устройства является точное измерение текучести порошка за счет следующих признаков: 1) неизменностью зазора между конусными поверхностями клапана 8 и воронки 7 удается минимизировать пульсацию подаваемого порошка, обеспечить его точное дозирование и, как следствие, постоянную скорость истечения порошка через калиброванное отверстие воронки 7;
2) автоматизацией процесса считывания времени прохождения исследуемого порошка через калиброванное отверстие воронки 7 повышается точность измерения текучести порошка.
Предлагаемое устройство для определения текучести порошковых материалов опробовано с положительным результатом во ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ».
Исследование величины текучести проводили на металлических и неметаллических порошках: нержавеющая сталь марки 316L, алюминиевый сплав марки ПА4, вольфрам (W), карбид кремния (SiC), оксид алюминия (Al2O3). Во время проведения измерений климатические условия в помещении были следующие:
- температура в комнате не превышала 23,5°С;
- влажность воздуха не превышала 24,6%.
Масса навески определялась с использованием лабораторных электронных весов «Pioneer РА-214С», приборная погрешность которых составляла 0,0001 г. Величина текучести порошков была фиксирована двумя независимыми приборами - блоком измерения с индикацией времени и секундомером. В измерениях был использован секундомер «Agat» (ТУ 25-1984,003-90), приборная погрешность которого составляла 0,2 с. Для автоматической регистрации времени истечения порошка был использован установленный блок измерения с индикацией времени. В качестве блока регистрации времени использовано микропроцессорное реле времени «ОВЕН» УТ24-Щ2.Р, позволяющее контролировать время истечения порошка с точностью до 0,1 с. Прибор в состоянии работать с тремя видами регистрирующих датчиков - оптическим, индуктивным, емкостным (в зависимости от свойств используемого порошка):
- оптический датчик контролирует изменение светового потока в момент начала и окончания истечения порошка и представляет собой устройство, у которого с одной стороны прозрачной трубки расположен источник света, а с противоположной стороны на одной оси с источником -фотоприемник. Оптический датчик способен контролировать все виды порошков, кроме порошков со светоотражающей поверхностью. Универсальный щелевой оптический датчик «ТЕКО» OUR NC3A5-43P-R20LZS4 согласуется по характеристикам с реле времени УТ24-Щ2.Р и различает прозрачные и полупрозрачные порошки с низким коэффициентом преломления света;
- индуктивный датчик контролирует только металлические электропроводящие порошки с низким объемным сопротивлением и является преобразователем параметрического типа, принцип действия которого основан на изменении индуктивности обмотки, вследствие изменения магнитного сопротивления цепи датчика, через которую проходит истечение металлического порошка (кольцевой датчик «ТЕКО» ISB R1A5-31P-R5-LZ с отверстием ∅ 5 мм);
- емкостной датчик контролирует изменение электрической емкости схемы при попадании струи порошка между пластинами конденсатора датчика. Датчик реагирует на все типы порошков вне зависимости от их электропроводности. Увеличение диаметра датчика повышает его чувствительность (датчик «ТЕКО» CSN E8A5-31P-20-LZ-C).
Все рассмотренные виды датчиков имеют регулировку чувствительности, подстраиваемую под конкретный тип контролируемого порошка.
Принцип действия регистратора одинаков для всех видов датчиков - в момент начала истечения порошка срабатывает применяемый датчик, и реле времени начинает отсчет времени (с приборной погрешностью 0,1 с) истечения порошка. В момент окончания истечения порошка датчик дает команду на остановку регистрации времени истечения. Результат измерения считывают на табло прибора. Для проведения нового измерения необходимо нажать кнопку «СБРОС» - значения на табло обнуляются и регистратор готов к новому измерению.
Измерения проводились с использованием оптического датчика. В таблице 1 приведены результаты измерений величины текучести порошков. Количество измерений в серии для одной марки порошка было выполнено 5 раз.
Как видно из таблицы, вне зависимости от марки порошка величина текучести порошка, определенная с использованием блока измерения с индикацией времени, в среднем на 5% ниже, чем величина текучести порошка, зафиксированная секундомером. Стоит отметить, что на результат регистрации времени в случае фиксации секундомером оказывает влияние человеческий фактор. Заявляемое устройство при достаточной простоте исполнения позволяет повысить точность измерения величины текучести порошков, при этом контроль текучести возможен для широкого класса порошков с разными свойствами (металлических и неметаллических порошков).
1. Устройство для измерения текучести порошкового материала, содержащее поддон, на котором установлена приемная емкость, загрузочную воронку с калиброванным отверстием, отличающееся тем, что внутри воронки соосно расположен конусообразный клапан со штоком, выполненный в виде двух сопряженных по окружности конусных поверхностей, направленных в противоположные стороны, при этом внешняя поверхность нижнего конуса выполнена с возможностью беззазорного контакта с внутренней поверхностью воронки, а на штоке клапана установлен ограничитель хода клапана, при этом между воронкой и приемной емкостью установлен регистрирующий датчик, сообщенный с блоком регистрации времени.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в поддоне соосно устройству выполнен цилиндрический выступ, диаметр которого соизмерим с диаметром окружности дна приемной емкости.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что регистрирующий датчик выполнен с осевым отверстием и установлен соосно калиброванному отверстию в воронке.
