Ontwikkeling van een experimentele opstelling voor het meten van de Coëfficiënt van Restitutie onder vacuüm

Het algemene doel van deze experimentele opstelling is het meten van de restitutiecoëfficiënt van botsende deeltjes onder vacuümcondities. Deze methode kan bijdragen aan het oplossen van technische problemen, aangezien de restitutiecoëfficiënt een rol speelt bij elke technische operatie, zoals het transport, de behandeling en de opslag van granulaire vaste stoffen in de technische industrie. Het belangrijkste voordeel van deze methode is dat deze kan worden toegepast op fijne poeders onder vacuümcondities zonder het deeltje te versnellen bij het betreden van de kamer.

Sven Drucker, een promovendus uit mijn laboratorium, zal de procedure demonstreren. Hij werkt in het kader van een project genaamd Pardem. Om met deeltjes van elke gewenste grootte te werken, verwijdert u eerst de huls over de vacuümkamer en tilt u de bovenkap op.

Select vervolgens de bodemplaat met het gewenste wandmateriaal in de kamer. Draai daarna het onderste gedeelte van de vacuümkamer zijwaarts en schuif de bodemplaat voorzichtig op zijn plaats. Plaats vervolgens met een pincet precies één partikel van een bekende grootte in het midden van de bodemplaat.

Pas vervolgens de positie van een op een statief gemonteerde hogesnelheidsvideocamera aan, zodat de basisplaat zich in het onderste kwart van het gezichtsveld bevindt en de focus op het deeltje ligt. Stel de hogesnelheidscamera in om 10.000 frames per seconde op te nemen met een resolutie van 528 bij 396 pixels. Maak vervolgens een korte video van het deeltje voor referentiedoeleinden.

Vergeet niet om het partikel achteraf te verwijderen. Wanneer u werkt met partikels van 700 microns of grover, pas dan eerst de hoogte van de partikelkamer aan zodat de gewenste impactsnelheid wordt bereikt. Meet de hoogte met de schaalverdeling die aan de houderplaat is bevestigd.

Sluit vervolgens de partikelkamer af met de punt van een pipet. Til nu de bovenkap van de vacuümkamer op en plaats met een pincet één enkele bol in de partikelkamer. Dit voorbeeld toont een vaste bol.

Vloeistofgevulde bollen kunnen echter ook worden getest. Plaats het bovenste kapje op het onderste deel van de vacuümkamer en verbind het bovenste kapje en het onderste deel van de vacuümkamer met de huls. Zet nu een veiligheidsbril op voordat u het vacuüm creëert.

Evacueer met behulp van de pomp de kamer totdat de gewenste druk is bereikt. De doeldruk in deze demonstratie is 0,1 millibars. Sluit vervolgens het ventiel aan de zijkant van de kamer en schakel de pomp uit.

Start op dit moment de video-opname. Open tijdens het opnemen het gat van de partikelkamer om het partikel vrij te laten, en trek tegelijkertijd aan het stokje dat aan de punt van de pipet is bevestigd en draai dit rond. Dit voorkomt stick-slip-problemen als gevolg van de hoge wrijving tussen het stokje en de afdichtingsring.

Stop on het moment dat de impact plaatsvindt onmiddellijk de opname. Er kan slechts een beperkt aantal frames worden opgeslagen, waarbij de eerste frames worden overschreven zodra de limiet is overschreden. Knip de video op het scherm rond het moment van de impact en sla deze op de geheugenkaart op.

Houd er rekening mee dat het experiment ongeveer 10 keer moet worden herhaald voor een nauwkeurige hoofdwaarde. Bij het werken met kleinere deeltjes wordt in essentie dezelfde procedure gevolgd met enkele aanpassingen. Plaats 50 tot 100 sferen op een gevouwen vel papier en breng de deeltjes vanaf het papier in de kamer over.

Trek bij de start van het experiment het stokje zeer langzaam uit om te voorkomen dat alle deeltjes tegelijkertijd vallen. Knip de video zodanig dat er ten minste 10 duidelijk gefocuste impactmomenten zichtbaar zijn. Voordat de gegevens worden geëvalueerd, is het noodzakelijk om eerst de software te kalibreren.

Laad een frame met het deeltje van bekende grootte dat tijdens de opstelling is verkregen. Tel vervolgens het aantal pixels van de horizontale diameter en deel de bekende afstand door het aantal pixels om de conversiefactor, de afstand per pixel, te bepalen. De horizontale as is gemakkelijker te gebruiken vanwege het contrast tussen het deeltje en de witte achtergrond.

Om de impactsnelheid te berekenen, stelt u een referentiepunt voor de beweging in op de bovenkant van de bol 10 frames vóór het moment van impact en een tweede referentiepunt één frame vóór de impact. Gebruik het aantal pixels tussen de twee punten en de conversiefactor om de afgelegde afstand te berekenen. Deel vervolgens de afstand door de verstreken tijd tussen negen frames om de impactsnelheid te bepalen.

Om de reboundsnelheid te berekenen, gebruikt u referentiepunten op de bovenkant van de bol, één frame na de impact en tien frames na de impact. Bereken vervolgens de restitutiecoëfficiënt, of COR, als de verhouding tussen de reboundsnelheid en de impactsnelheid. Herhaal al deze stappen om alle opgenomen video's van de valproef te evalueren.

Glasdeeltjes met diameters van 100 micron tot vier millimeter werden vanuit een beginhoogte van 200 millimeter op een roestvrijstalen basisplaat met een dikte van 20 millimeter gelaten. De gemiddelde waarde van de COR was ongeveer 0,9 voor deeltjes van 700 micron of groter. Dit resultaat was onafhankelijk van de luchtdruk.

Voor deeltjes met een diameter kleiner dan 400 micron was de COR bijna constant met een waarde van 0,9 onder vacuümomstandigheden. Onder atmosferische druk nam de restitutiecoëfficiënt af naarmate de deeltjesdiameter toenam. De resultaten voor de impactsnelheid waren afhankelijk van de grootte van het deeltje en de atmosferische druk.

Fijne poeders waren veel trager onder atmosferische druk, terwijl hun impactsnelheid onder vacuümcondities slechts licht afnam. De gegevens vertoonden enkele uitzonderlijke uitschieters bij 700 micron die mogelijk zijn ontstaan door een foutieve kalibratie. Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht hebben in hoe u de restitutiecoëfficiënt kunt meten in vrije val-experimenten onder vacuümcondities.

Zodra deze methode onder de knie is, kan deze, mits correct toegepast, in anderhalf uur voor 10 deeltjes worden uitgevoerd. Vergeet niet dat het werken met een glazen cilinder onder vacuümcondities uiterst gevaarlijk is en dat er altijd voorzorgsmaatregelen moeten worden getroffen.