УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАСЫПНОЙ ПЛОТНОСТИ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE TO DETERMINE APPARENT DENSITY OF POROUS MATERIALS

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для определения насыпной плотности пористых, рыхлых волокон или волокноподобных материалов, легко делящихся на фрагменты и сцепляемых друг с другом и соответственно не ссыпаемых в мерный цилиндр через стандартную воронку.
3
Известно устройство (ГОСТ 25984-83) для определения насыпной плотности волокнистого материала - асбеста, включающее металлический цилиндр с внутренним диаметром 88 мм, вместимостью 1 дм, приспособление для ссыпания в металлический цилиндр исследуемого рыхлого материала, включающее горизонтальную площадку и наклонную плоскость, угол наклона которой к плоскости стола составляет 60°C. Приспособление установлено на основании так, что расстояние нижнего края наклонной плоскости от верха цилиндра должно быть 35 мм.
К недостаткам известного устройства относится то, что известное устройство не позволяет экологически чисто и точно определить насыпную плотность рыхлых волокнистых материалов, в том числе терморасширенного графита, в связи с тем, что приспособление для ссыпания полностью открыто и рыхлый материал, особенно легко пылящий терморасширенный графит, поднимается вверх и загрязняет воздух окружающего пространства, нанося ущерб здоровью человека, особенно работникам, проводящим исследования. К тому же навеска размещается ровным слоем на горизонтальной площадке, вследствие этого за борт приспособления (в том числе и в мерный цилиндр) уходит много материала впустую. Предложенная конструкция приспособления для ссыпания исследуемого плохо ссыпающегося материала (асбеста), как и легко пылящего графита, предполагает внешнее вмешательство в виде совка, шпателя, которые частично уплотняют материал, что в итоге приводит к искажению полученных данных. Кроме того, при использовании известного устройства необходима сложная технология подготовки исследуемого материала (ГОСТ 25983-83).
3
3
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для определения насыпной плотности графита (ГОСТ Р 50019.1-92), которое выбрано в качестве прототипа. Устройство содержит мерный цилиндр по ГОСТ 1770-74 вместимостью 100 см, обрезанный по верхней метке, воронку лабораторную стеклянную по ГОСТ 25336 с обрезанным стеблем и частью конуса до внутреннего диаметра 20 мм, стакан по ГОСТ 25336 вместимостью 400-500 см, шпатель, пластину металлическую для удаления избыточного количества графита, кисть.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения - мерный цилиндр, выполненный по ГОСТу 1770; воронка стеклянная с цилиндрической частью, выполненная по ГОСТу 25336 и размещенная над мерным цилиндром; емкость с исследуемым материалом.
К недостаткам известного устройства, принятого за прототип, относится то, что известное устройство функционально ограничено: оно способно проводить испытания графита только в виде порошка (измельченного графита в виде чешуек, интеркалированных частиц графита, полученных окислением измельченного графита) или будучи предварительно спрессованного, а затем измельченного отхода производства графита. Графит же, после интеркалирования естественного графита в виде плоских многослойных чешуек, приобретает форму объемной рыхлой системы связи чешуек в форме червячков различной протяженностью, в зависимости от режима термообработки и качества слоев в чешуйке. В таком виде у графита определить насыпную плотность проблематично, т.к. «червячки», имея хорошо развитую поверхность, цепляясь друг за друга, образуют пробку в процессе засыпки в воронку. К тому же, используя шпатель для ссыпания червячков в воронку из стакана, дополнительно уплотняют их. Подготовка массы терморасширенного графита в форме червячков путем их неоднократного пересыпания через воронку нереально и пересыпание в подготовительный период и заполнение им мерного цилиндра через воронку с экологической точки зрения неприемлемо, т.к. масса постоянно находится во взвешенном состоянии, распыляясь далеко за пределы лабораторного стола, на котором размещено устройство и зона исследования.
Задача изобретения - разработка устройства, позволяющего провести достоверно, оперативно, экологически чисто определение насыпной плотности пористого материала в виде короткого прямого волокна, например, асбеста или пористого волокноподобного в виде червячка материала, например терморасширенного графита, основываясь на ГОСТ Р 50019.1-92 (Графит. Метод определения насыпной плотности).
Поставленная задача была решена за счет того, что известное устройство для определения насыпной плотности пористых материалов, содержащее мерный цилиндр, выполненный по ГОСТу 1770, воронку стеклянную с цилиндрической частью, выполненную по ГОСТу 25336 и размещенную над мерным цилиндром, емкость с исследуемым материалом, согласно изобретению снабжено соплом, закрепленным на штативе шарнирно или гибким элементом с возможностью перемещения по штативу, а емкость с исследуемым материалом выполнена переменного сечения из двух частей, плавно переходящих одна в другую, причем одна часть выполнена шарообразной формы, вторая часть - в виде куполообразного козырька, имеющего открытое круглое основание, диаметр которого равен большему диаметру воронки, круглое основание козырька емкости плотно соединено с большим основанием воронки, в нижней боковой части куполообразного козырька емкости выполнено сквозное отверстие, при этом сопло установлено на штативе с возможностью вхождения его выходной части в указанное сквозное отверстие, причем выходная часть сопла выполнена с возможностью перемещения в емкости под разными углами, а часть шарообразной формы емкости, примыкающая к основанию куполообразного козырька, является приемником поступающих при отборе проб исследуемых частиц материала.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - снабжено соплом, закрепленным на штативе шарнирно или гибким элементом с возможностью перемещения по штативу; емкость с исследуемым материалом выполнена переменного сечения из двух частей, плавно переходящих одна в другую, причем одна часть выполнена шарообразной формы, вторая часть - в виде куполообразного козырька, имеющего открытое круглое основание, диаметр которого равен большему диаметру воронки; круглое основание козырька емкости плотно соединено с большим основанием воронки; в нижней боковой части куполообразного козырька емкости выполнено сквозное отверстие; сопло установлено на штативе с возможностью вхождения его выходной части в указанное сквозное отверстие; выходная часть сопла выполнена с возможностью перемещения в емкости под разными углами; часть шарообразной формы емкости, примыкающая к основанию куполообразного козырька, является приемником поступающих при отборе проб исследуемых частиц материала.
Выполнение емкости с исследуемым материалом переменного сечения из двух частей, переходящих одна в другую, обеспечивая плавный переход взвешенной составляющей исследуемого материала из шарообразной формы во вторую часть, выполненную в виде куполообразного козырька, способствует повышению качества разрыхления исследуемого материала и удержанию разрыхленного материала во взвешенном состоянии в виде отдельных частиц.
Круглое основание куполообразного козырька емкости, диаметр которого равен большему диаметру воронки, плотно соединено с большим основанием воронки, что позволяет определить насыпную плотность пористого материала экологически чисто, т.е. без попадания частиц на внешнюю часть устройства и соответственно в атмосферу.
Часть шарообразной формы емкости, примыкающая к основанию куполообразного козырька, является приемником поступающих при отборе проб исследуемых частиц материала, что способствует надежному удержанию исследуемого материала в периоды разрыхления и ссыпания в воронку в пределах внутреннего пространства устройства.
Благодаря заявляемой форме емкость с исследуемым материалом многофункциональна: ею производится забор пробы; в ней разделяют частицы пробы, взрыхляя без потерь исследуемый материал; в ней приводят взрыхленную массу во взвешенное состояние.
Благодаря наличию сопла, закреплению его на штативе шарнирно или гибким элементом, наличию сквозного отверстия, выполненного в боковой нижней части куполообразного козырька емкости, и возможности вхождения выходной части сопла в вышеуказанное сквозное отверстие с периодической подачей воздуха под давлением в емкость возможно получение эффекта постоянно взвешенного состояния элементов с отделением их друг от друга, что и исключает пробкообразование в воронке, так как взвесь частиц опускается под козырьком в воронку порциями из отделенных друг от друга элементов. При этом элементы, гарантированно разобщенные друг от друга в емкости, а затем и в воронке, поступают беспрепятственно в измерительный цилиндр, т.е. без образования пробок.
А за счет того, что сопло имеет возможность перемещаться по штативу, его функции расширены: оно дополнительно функционирует и в процессе снятия излишка исследуемой массы на поверхности измерительного цилиндра, срезая ее аккуратно струей воздуха ровно по уровню кромки цилиндра.
Заявляемое устройство позволяет оперативно определить насыпную плотность за счет непрерывного поступления исследуемого материала в мерный цилиндр из емкости устройства.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-3.
На фиг.1 схематично показано устройство, разрез.
На фиг.2 показано устройство, вид сбоку.
На фиг.3 - терморасширенный графит в виде червячков.
Устройство содержит мерный цилиндр 1, выполненный по ГОСТу 1770, воронку 2 стеклянную, выполненную по ГОСТу 25336 с цилиндрической частью, имеющей внутренний диаметр 20 мм, емкость 3, 4 с исследуемым материалом. Воронка 2 размещена над мерным цилиндром 1 на расстоянии 35 мм от его торца. Емкость 3, 4 с исследуемым материалом выполнена переменного сечения из двух частей, плавно переходящих одна в другую, причем одна часть 3 выполнена шарообразной формы, вторая часть 4 - в виде куполообразного козырька, имеющего открытое круглое основание 5, диаметр которого равен большему диаметру воронки 2. Круглое основание козырька емкости 4 плотно соединено с большим основанием воронки 2. В нижней боковой части куполообразного козырька емкости 4 выполнено сквозное отверстие 6. Часть шарообразной формы емкости 3, примыкающая к основанию куполообразного козырька 4, является приемником 7 поступающих при отборе проб исследуемых частиц материала. Устройство снабжено соплом 8, закрепленным на штативе 9 шарнирно или гибким элементом 10 с возможностью перемещения по штативу 9 к заданному участку в емкости 4 или к кромке мерного цилиндра 1. Сопло 8 установлено на штативе 9 с возможностью вхождения выходной части сопла в сквозное отверстие 6, выполненное в нижней боковой части куполообразного козырька емкости 4. Выходная часть сопла 8 выполнена с возможностью перемещения в емкости 4 под разными углами.
Устройство работает следующим образом
3
Емкостью 3, 4 (например, вместимостью 3000 см для качественного проведения процесса отделения частиц друг от друга) отбирают пробу исследуемого материала (волокно асбеста, скрученные или выпрямленные элементы терморасширенного графита, напоминающие форму червяка). При этом вручную заполняют ее на 1/3 часть исследуемым материалом, который сосредотачивается в приемнике 7. Закрепляют емкость над воронкой 2. Для этого основание части емкости 4 в виде куполообразного козырька плотно соединяют с большим основанием воронки 2. Выполнение части емкости 4 в виде куполообразного козырька позволяет удерживать элементы в объеме емкости 3, 4 и воронке 2 и приемнике 7. Для этого емкость 3, 4 устанавливают под углом над воронкой 2 так, чтобы приемник 7 ее был за пределами воронки и удерживал массу исследуемого материала перед началом насыпания в воронку 2 и частично даже при последующем взрыхлении. В отверстие 6 вставляют сопло 8, представляющее собой элемент, подающий воздух в емкость 3, 4 под давлением, например, в виде узкой, сосредоточенной тангенциальной струи. Воздух взрыхляет массу в приемнике 7, а затем отделяет волокна или червячки друг от друга в части емкости 3 таким образом, чтобы не происходило сцепление их ни на одном этапе движения - ни в емкости 3, ни в воронке 2, ни в мерном цилиндре 1. Вместимость емкости 3 рассчитана на эффективное отделение частиц друг от друга, несмотря на их шероховатую сложную поверхность, и свободное перемещение в воронку 2. Подача воздуха из сопла 8, имеющего малые выходные отверстия, рассчитывается с усилием, обеспечивающим целостность элементов (волокон или червячков), гарантируя определение истинного насыпного состояния материала и точность метода определения. Регулируется цикличность подачи воздуха из расчета, чтобы предыдущая порция элементов проходила через воронку 2, не встречаясь с последующей. Такое воздействие на исследуемый материал оказывается и после отбора пробы в часть емкости 3 за счет многократного воздействия воздуха из свободно перемещающегося сопла 8 непосредственно в емкость, предусмотрев временное перекрытие открытой емкости в части 4. Таким образом, из приемника 7 в емкости 3, 4 происходит периодическое поступление в воронку 2 исследуемого материала без попадания еще невзрыхленной части. За счет этого гарантируется прохождение элементов поодиночке без пробок в воронке 2 и, следовательно, оперативность технологического процесса заполнения мерного цилиндра 1. Заполнение мерного цилиндра 1 частицами происходит без загрязнения окружающей среды взвешенными в воздухе емкости 3, 4 частицами, тем самым устройство отличается с экологической точки зрения от аналогов и прототипа. Упрощается подготовительный период к исследованию насыпной плотности за счет отсутствия необходимости укорачивать воронку и за счет того, что элементы исследуемого материала приводятся во взвешенное состояние в самой емкости в процессе отбора пробы (по сравнению с прототипом).
После заполнения мерного цилиндра 1 исследуемым материалом с образованием конуса (согласно ГОСТа) устанавливают сопло 8 у воронки 2 так, чтобы выходная часть сопла 8 была на уровне верхней кромки - торца цилиндра 1 (в отличие от использования стеклянных, металлических и др. пластин, как рекомендуют в ГОСТе, приводящих к зацеплению и удалению элементов из нижележащих поверхностных слоев и уносу массы за пределы воронки, что снижает точность исследований).
3
Далее мерный цилиндр 1 с исследуемым материалом, согласно ГОСТу, имеющий емкость 100 см и определенный вес, взвешивают и рассчитывают насыпную плотность по формуле
1
где m - масса цилиндра с исследуемым материалом, г;
2
m - масса пустого цилиндра, г;
3
V - вместимость цилиндра, см.
По сравнению с прототипом заявляемое устройство имеет следующие преимущества:
- устройство позволяет более оперативно и экологически чисто провести процессы подготовки исследуемого материала и его насыпания в мерный цилиндр;
- устройство позволяет определить истинную насыпную плотность волокна и волокноподобных рыхлых, пористых материалов без измельчения их в процессе проведения исследования. Это особенно актуально для терморасширенного графита, т.к. образуется пористый волокноподобный материал из интеркалированного (окисленного) графита из слоистых чешуек, по форме напоминающий червячок различной длины, в зависимости от количества слоев в чешуйке. «Червячок» скручен или выпрямлен, но очень шероховат и порист. За счет этого он от прикосновения силового контакта со шпателем совком (как в прототипе) сминается, уплотняется и образует плотные скопления, не проходящие через воронку. Предварительное (как в прототипе) пересыпание стакана в воронку также невозможно.
Струя воздуха из сопла, подаваемая периодически (циклически), позволяет решить проблему разделения червячков друг от друга, организовать их прохождение в воронку из емкости беспрепятственно с хорошим скольжением по стеклянной поверхности воронки, а также бесконтактно выровнять слой насыпанного в измерительный цилиндр, особенно графита с очень развитой поверхностью.