СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ ТАРЫ И УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВООБЩЕ
METHOD OF MEASURING GAS PERMEABILITY OF CONTAINERS AND SEALING ELEMENTS IN GENERAL

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к способу измерения газопроницаемости тары вообще, такой, как бутылки, пакеты различных форм или также мембран и иных уплотнительных элементов, таких, как крышки.
Предпосылки изобретения
Как известно, в тароупаковочном производстве как в пищевой, так и в фармацевтической промышленности необходимо ограничивать проницаемость упаковок, как для кислорода, так и для других газов, чтобы в течение определенного времени сохранить качество содержимого.
В документе US 2005076705 описана система измерения проницаемости тары для кислорода. В этом документе приводится описание того, как с помощью специальных датчиков измерять изменения объема газа, проникшего в тару, в двух разных случаях и в соответствии с законом идеальных газов. Затем описанное уравнение интегрируется по времени с получением изменения объема газа в таре во времени. Перед проведением двух измерений объема необходимо дожидаться конца переходной фазы с неизбежными продолжительными и дорогостоящими ожиданиями.
В другом обычном способе анализируемую тару помещают в испытательную камеру. В испытательной камере тару соответственно уплотняют и изолируют за исключением впускного канала и выпускного канала, через которые газообразный носитель, обычно, азот, заставляют протекать в тару. В испытательной камере вне тары доставляют образец чистого газа, обычно, кислорода или углекислого газа, или смесь с содержанием газа-носителя и образца газа. Образец газа может проникать в тару через стенки самой тары. Газ-носитель, протекающий в таре, выполняет двойную функцию: поддерживает в таре такое же давление, что и в испытательной камере, обычно, атмосферное давление, чтобы уравновешивать силы и избегать сминания тары, а также переносит проникший газ к измерительному устройству для обнаружения его концентрации.
Газ-носитель, вытекающий из тары, достигает измерительного устройства, обычно, электрохимической ячейки или детектора инфракрасного излучения. Измерительное устройство, начав измерения, выявляет переменное значение концентрации проникшего газа в потоке газообразного носителя. При поддерживании постоянными потока образца газа в испытательной камере и потока газа-носителя в таре, измерительное устройство регистрирует график, который сходится в устойчивое состояние, т.е. состояние, в котором измеренная концентрация проникшего газа постоянна во времени. Измеренное значение, после схождения, представляет поток газа, проникающий в тару, т.е. значение, пропорциональное проницаемости тары.
Этот же способ можно использовать для измерения проницаемости укупорочных элементов с низкой проницаемостью для тары, таких, как пробки и крышки. Тару помещают в испытательную камеру подобно тому, как описано выше, уплотненную укупорочным элементом. В стенках тары искусственно выполняют впускной и выпускной проходы, которые обычно уплотняют эпоксидной смолой, для потока газообразного носителя.
Недостатком этой системы является время ожидания, требуемое для достижения схождения, которое в некоторых случаях может быть очень продолжительным, например, для пробок даже несколько недель, что обусловливает высокие технологические издержки.
Краткое описание изобретения
Исходя из вышеизложенного, целью настоящего изобретения является создание способа измерения газопроницаемости тары или уплотнительных элементов, который требует времени измерения, намного меньшего по сравнению с традиционными способами.
Кроме того, целью настоящего изобретения является создание способа измерения газопроницаемости тары, который не требует обязательно очень чувствительных и дорогих датчиков.
Эти и другие цели достигаются предлагаемым способом измерения проницаемости для образца газа через тару или уплотнительный элемент, причем указанная тара или указанный уплотнительный элемент имеют наружную сторону, толщину и внутреннюю сторону, причем в указанной толщине размещают измеренную начальную концентрацию образца газа, при этом указанный способ включает следующие стадии:
- стадию, на которой на наружную сторону подают поток указанного образца газа, который примешивают к другому газу с определенной и фиксированной концентрацией;
- стадию, на которой на внутреннюю сторону подают поток газа-носителя с определенной и фиксированной концентрацией;
- стадию, на которой внутреннюю сторону приводят в соприкосновение с указанным газом-носителем, измеряя образец газа, фактически проникший и переносимый указанным газом-носителем;
- стадию, на которой ожидают устойчивого состояния измеренного значения фактически проникшего газа, рассматривают указанное измеренное значение как проницаемость тары или уплотнительного элемента для образца газа,
и отличается тем, что
- указанную измеренную и фиксированную концентрацию образца газа, который подают на указанную наружную сторону, выбирают так, чтобы разница между концентрацией образца газа, который подают на указанную наружную сторону, и указанной начальной концентрацией образца газа в указанной толщине была практически равной разнице между начальной концентрацией образца газа в указанной толщине и ожидаемой концентрацией образца газа, который подают на указанную наружную сторону, причем начальную концентрацию образца газа в указанной толщине рассчитывают, принимая коэффициент растворимости близким 1.
0
0
Иными словами, при принятии коэффициента растворимости образца газа в материале близким 1, если начальная концентрация образца газа равна X, а в таре концентрация образца газа равна Х, то в соответствии с настоящим изобретением концентрация образца газа вне тары равна 2 (X-Х). Таким образом, после схождения, профиль концентрации образца газа в толщине между наружной и внутренней сторонами представляет собой практически линейное снижение со средним значением, падающим на среднюю линию толщины и равным начальному значению X. Таким образом, миграция образца газа делится для половины толщины соответственно между наружной и средней линией и между средней линией и внутренней линией, что значительно сокращает время миграции и, следовательно, время сходимости.
Преимущественно, если на указанную внутреннюю сторону подают чистый газообразный носитель при полном отсутствии образца газа, указанную измеренную и фиксированную концентрацию образца газа, который подают на указанную наружную сторону, преимущественно выбирают как практически двойную начальную концентрацию образца газа в указанной толщине.
В частности, при измерении проницаемости указанной тары для кислорода, соотношение кислорода, присутствующего в указанной изолированной испытательной камере, устанавливают в пределах между 40 и 44%, в частности, равным 42%, что в этом случае является соотношением газа всего поперечного сечения элемента, подлежащего анализу, в начальном состоянии, установленном в пределах между 20 и 22%, в частности, практически равным 21%, что является концентрацией кислорода, присутствующего в воздухе. Это происходит, если коэффициент растворимости кислорода в материале тары преимущественно принимают близким 1. Фактически, концентрация кислорода в материале пропорциональна этому значению, чувствительному к коэффициенту растворимости, нормально всегда намного ниже 1. Выбор коэффициента растворимости близким 1 делают исключительно для облегчения расчетов.
В соответствии с изобретением концентрацию образца газа в начальном состоянии поддерживают с фиксированным значением в средней плоскости между указанной наружной стороной и указанной внутренней стороной. В частности, в случае кислорода как образца газа указанное фиксированное значение в средней плоскости устанавливают в пределах между 20 и 22%, в частности, практически равным 21%.
Краткое описание графического материала
Дальнейшие характеристики и преимущества предлагаемого способа будут понятнее из последующего описания одного предпочтительного варианта его осуществления, служащего примером, не ограничивающим объем настоящего изобретения, со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых одинаковые или подобные части обозначены одинаковыми позициями. На этих фигурах:
на фиг.1 схематически представлен общий вид устройства для определения газопроницаемости известным способом;
на фиг.2 представлена переходная фаза проницания через поперечное сечение стенки анализируемой тары, имеющей исходную толщину, наружная поверхность которой вступает в контакт с воздухом;
на фиг.3 схематически представлен общий вид устройства для определения газопроницаемости предлагаемым способом;
на фиг.4 схематически представлен разрез анализируемой тары во время стадии, на которой газ пропускают предлагаемым способом;
на фиг.5 подробно представлено сравнение графика потока газа, который со временем проникает через поперечное сечение тары, в соответствии с изобретением и в соответствии с известным уровнем техники.
Описание предпочтительных примерных вариантов осуществления
В последующем описании и на графическом материале ссылки всегда приводятся на растворимость образца газа в материале, близкую 1. На самом деле растворимость образца газа в материале всегда намного ниже 1. Однако нет необходимости знать фактическую растворимость, поскольку преимущества предлагаемого способа неизменны.
Со ссылками на фиг.1 описывается конструктивное исполнение системы для осуществления способа измерения проницаемости для кислорода тары, такой, как бутылки, пакеты различных форм, или уплотнительных элементов вообще, таких, как мембраны или крышки. В известном способе исходную тару 2, например, бутылку, изготовленную из материала, проницаемость которого необходимо измерить, например, из бумаги, пластмассы, пробкового материала и т.п., помещают в изолированную испытательную камеру 1.
2
Испытательную камеру 1 соединяют с каналом воздуха 10 и соединяют с регулятором массы газа, обозначенным позицией 3. Регулятором 3 обеспечивают постоянный поток газа, в данном случае, воздуха, который подают в камеру 1 во время определения проницаемости. По каналу 11, альтернативно, подают другой газ, отличный от кислорода, в частности, азот N, или тоже кислород или гелий или их смесь, который или которую пропускают в канале 11 как газообразный носитель.
Газообразный носитель через регулятор массы газа 5 подают в тару 2 по каналу 8, который располагают между каналом 11 и камерой 1. Между каналом 11 и каналом 8 располагают клапан 12, который используют для переключения потока между камерой 1 и перепускным каналом 13, который заканчивают в выпускном канале 14 для газообразного носителя, через клапан 12'. Перепускной канал 13 используют для регулировки «нуля», необходимой для оценки возможного присутствия следовых количеств кислорода, уже присутствующего в газообразном носителе, например, из-за недостаточной чистоты или из-за утечек в устройстве, а не из-за проницаемости исследуемого материала. Эту регулировку выполняют путем подачи лишь газообразного носителя без приведения его в контакт с камерой 1.
2
2
Газообразный носитель, в частности, азот N, смешивают с газом, подлежащим измерению, в частности, кислородом О, проникшим через тару 2 и показанным маленькими стрелками. Затем по выпускному каналу 14 его подают на измерительный датчик 9, в частности, электрохимическую ячейку или детектор инфракрасного излучения.
Переходная фаза проницания через стенку тары 2 исходной толщины t показана на фиг.2, которая представляет собой разрез стенки анализируемой тары, наружную поверхность 23 которой приводят в контакт с воздухом, т.е. известным также как смесь газа с 21%-ным содержанием кислорода, в испытательной камере, в то время как внутреннюю поверхность приводят в контакт лишь с газом-носителем и, следовательно, при отсутствии (0%) кислорода.
Перед помещением в испытательную камеру тару погружают в воздух, а затем - в рассчитанном случае коэффициента растворимости, близкого 1, - она находится в состоянии устойчивого равновесия при 21% кислорода, что показано линией 25, по всей своей толщине t. Иначе соотношение кислорода зависит от коэффициента растворимости кислорода в материале тары.
После помещения в испытательную камеру и после того, как наружные потоки газа или смеси начинают проникать в тару, и начинает протекать внутренний поток газа-носителя, на толщину t оказывает воздействие разность отношения кислорода, определяемого присутствием 21% кислорода на наружной поверхности 23, и 0% кислорода на ее внутренней поверхности 24. Со временем толщина t будет стремиться достичь конфигурации равновесия. В то время как наружная стенка 23 уже фактически находится в состоянии равновесия с окружением, если двигаться к внутренней стенке 24, каждое продольное поперечное сечение по указанной толщине t указанного поперечного сечения будет вынуждено высвобождать кислород для перехода в состояние равновесия, прикладываемое к внутренней поверхности 24. Явление переходной фазы развивается в направлении, указанном стрелкой 21, в соответствии с кривыми 26', 26", показанными на фиг.2, т.е. вначале газ-носитель будет вымывать кислород, присутствующий во внутренних продольных сечениях, а затем, в конечном итоге, газ-носитель будет вымывать и наружные продольный секции. Кривые 26', 26" показывают эту переходную фазу с переменными потоками кислорода во времени до достижения устойчивого состояния постоянного потока, показанного, альтернативно, линией 27 с фиксированным уклоном. Только в этот момент датчик 9 на фиг.1 измеряет в устойчивом состоянии поток кислорода, проникший сквозь тару.
Как уже отмечалось, время ожидания, необходимое для достижения указанного устойчивого состояния, может быть очень длительным. Кроме того, в случае мелкой тары и, соответственно, малого количества проникающего кислорода, измерения затруднительны и требуют использования датчиков, очень чувствительных и дорогих.
В соответствии с предлагаемым способом, через камеру 1 пропускают, вне тары 2, поток азота и кислорода, с соотношением кислорода - 42%, как показано на фиг.4. Одновременно с этим по каналу 8, который пропускают в тару 2, вводят поток азота.
Обычно в конце испытания по вышеуказанным причинам выполняют установку нуля. Это выполняют путем управления клапанами 12 и 12', которые действуют как открывающий и закрывающий краны. Таким образом газообразный носитель могут заставлять протекать к датчику 9 вместе с возможными примесями кислорода, присутствующими в нем. Для выполнения фактических измерений указанный перепуск настраивают так, чтобы изолировать канал 13 и обеспечить начало потока в упаковку 2.
Эта работа описана на фиг.4, на которой представлен разрез тары 2, имеющей наружную поверхность 15, которая контактирует со смесью азота и кислорода, и внутреннюю поверхность 16, которая контактирует с азотом. В начале измерений, которые проводят в соответствии с изобретением, датчиком 9 через указанный канал 14 в соответствии с направлением стрелки В, показанной на фиг.1, будут обнаруживать очень высокий поток кислорода, переносимый газообразным носителем, в частности, азотом, и этот поток со временем будет быстро снижаться. Этот высокий поток обусловлен дегазацией, т.е. удалением кислорода, первоначально присутствующего в таре 2.
На фиг.5 позицией 22 показана часть потока, быстро уменьшающегося во времени, в соответствии с настоящим изобретением, совпадающая также с тем, что происходит в известных технических решениях. Затем поток будет уменьшаться, но переходная фаза с потоком, неустойчивым во времени, будет по-прежнему присутствовать. Для того чтобы фактически измерить реальную проницаемость тары для кислорода, необходимо подождать некоторое время, пока поток не станет постоянным.
На фиг.5 время Т1 и время Т2, необходимые для достижения постоянного потока, указаны фактически соответственно в соответствии с данным изобретением и в соответствии с известными техническими решениями. Фактически, как показано на фиг.4 кривыми равновесия 19, 19' и 19", показано, как различные сечения тары стремятся во времени достичь равновесия. В частности, в исходном состоянии все поперечные сечения указанной тары будут содержать отношение газа на уровне 21%, как показано горизонтальной линией 18. Следовательно, как только указанное поперечное сечение будет приведено в контакт с кислородом с 42%-ным соотношением на его наружной поверхности и при 0% на его внутренней поверхности, указанное поперечное сечение будет стремиться достичь во времени состояния равновесия в соответствии с указанными кривыми 19' и 19" до окончательного состояния равновесия, показанного линией 19, имеющей постоянный наклон и достигаемой по истечении указанного времени Т1 на фиг.4. Иными словами, часть толщины, внешняя линии 21%, будет стремиться принимать кислород для достижения состояния 42%-ного равновесия, прикладываемого внешним окружением изолированной испытательной камеры 1, а внутренняя часть 16 толщины будет терять кислород для движения к предельному состоянию 0%, прикладываемому в указанной таре. Следовательно, в толщине тары 2 определяется ось симметрии 17, которая постоянно поддерживается на 21%-ном соотношении образца газа. Следовательно, эти две части толщины t/2 стремятся к своему соответствующему равновесию независимо. Фактически, конкретное 42%-ное соотношение кислорода, применяемое для изолированной испытательной камеры 1, точно в два раза превышает отношение, фактически присутствующее во всей толщине перед началом определения. Это эквивалентно факту, что алгебраическая разность между соотношением кислорода, которое является постоянным в изолированной испытательной камере 1, и соотношением кислорода в толщине t в начале определения равна алгебраической разности между отношением кислорода, присутствующего в указанном поперечном сечении в начале определения, и отношением кислорода, присутствующего в бутылке, т.е. 0%. Следовательно, это создает симметрию, показанную на фиг.4, относительно указанной оси 17 и тот факт, что две части указанного поперечного сечения стремятся к равновесию независимо и одновременно. Поскольку время, необходимое для достижения состояния устойчивого потока, показанного кривой 19, а также известного в литературе, зависит от квадрата толщины поперечного сечения, то равновесие, достигаемое на половине поперечного сечения, приводит к сокращению времени сходимости до четверти.
Без каких-либо ограничений объема настоящего изобретения, то же самое определение можно выполнять с газом, отличным от кислорода и азота, просто рассматривая ось симметрии анализируемого материала путем установки процента образца газа в указанной изолированной испытательной камере 1 вдвое большим процента во всем поперечном сечении перед началом определения. Естественно, количество образца газа, отличающегося от кислорода, присутствующего сначала в указанном поперечном сечении тары, должно быть известным и устанавливаться путем что-то вроде предварительной подготовки указанной тары, например, путем помещения ее в среду с указанным газом на заданное время.
Фиг.3 иллюстрирует один вариант осуществления устройства, которое осуществляет предлагаемый способ. Устройство содержит впускной канал для газообразного носителя, в частности, азота, выполняющий функцию впускного канала в тару 2 и впускного канала в камеру 1 и вокруг тары 2, проницаемость которой требуется измерить. Канал, который входит в тару 2, содержит трубки 8 и 11, а канал, который входит в камеру 1 и вокруг тары 2, содержит трубки 6 и 7. Эти каналы имеют общее начало, чтобы обеспечить распределение между ними потока 200 газа-носителя на входе. Для потока газа образца, такого, как кислород, предусмотрен впускной канал 100, который заканчивается в канале 7, для смешивания с газом-носителем в камере 1. Для каждого впускного канала предусмотрен регулятор массы газа, указанный позициями 5, 4 и 3 соответственно.
Вышеприведенное описание конкретного варианта осуществления настолько полно раскроет изобретение с концептуальной точки зрения, что специалисты в данной области, применяя нынешние знания, смогут изменить этот вариант осуществления и/или адаптировать его для различных случаев применения без дополнительных исследований и без отступления от изобретения. Поэтому следует понимать, что эти адаптации и изменения должны будут рассматриваться как эквивалент этого конкретного варианта осуществления. Средства и материалы для реализации разных функций, описанных в настоящем документе, могут иметь разный характер без отступления - по этой причине - от области изобретения. Следует понимать, что фразеология или терминология, используемая в настоящем документе, служит цели описания, а не ограничения объема настоящего изобретения.