Разработка экспериментальной установки для измерения коэффициента восстановления в условиях вакуума
29 марта 2016 г.
Коэффициент восстановления является параметром, который описывает потерю кинетической энергии при столкновении. Здесь, установка свободного падения в условиях вакуума разработан, чтобы иметь возможность определить коэффициент параметра реституционной для частиц в диапазоне микрометра с высокими скоростями удара.
Общая цель данной экспериментальной установки заключается в измерении коэффициента восстановления сталкивающихся частиц в условиях вакуума. Этот метод может способствовать решению инженерных задач, поскольку коэффициент восстановления учитывается в любой технологической операции, такой как транспортировка, перемещение и хранение сыпучих твердых тел в промышленном производстве. Основным преимуществом данного метода является возможность его применения к тонкодисперсным порошкам в условиях вакуума без предварительного ускорения частицы при ее попадании в камеру.
Свен Друкер, аспирант моей лаборатории, продемонстрирует данную процедуру. Он работает в рамках проекта под названием Pardem. Для работы с частицами любого размера сначала снимите кожух с вакуумной камеры и поднимите верхнюю крышку.
Затем поместите в камеру базовую пластину с подходящим материалом стенок. После этого поверните нижнюю часть вакуумной камеры боком и осторожно задвиньте базовую пластину на место. Затем с помощью пинцета поместите ровно одну частицу известного размера в центр базовой пластины.
Затем отрегулируйте положение высокоскоростной видеокамеры, установленной на штативе, так, чтобы опорная пластина находилась в нижней четверти поля зрения, и сфокусируйте камеру на частице. Настройте высокоскоростную камеру на запись со скоростью 10 000 кадров в секунду при разрешении 528 на 396 пикселей. После этого запишите короткое видео частицы для использования в качестве эталона.
Не забудьте извлечь частицу после завершения процедуры. При работе с частицами размером 700 микрон или более сначала отрегулируйте высоту камеры для частиц, чтобы была достигнута требуемая скорость удара. Измерьте высоту с помощью шкалы, закрепленной на удерживающей пластине.
Затем закройте камеру для частиц кончиком пипетки. Теперь поднимите верхнюю крышку вакуумной камеры и с помощью пинцета поместите одну сферу внутрь камеры для частиц. В данном примере показана сплошная сфера.
Тем не менее, можно проводить испытания и сфер, заполненных жидкостью. Установите верхнюю крышку на нижнюю часть вакуумной камеры и соедините их с помощью муфты. Теперь, перед созданием вакуума, наденьте защитные очки.
С помощью насоса откачайте воздух из камеры до достижения требуемого давления. В данной демонстрации целевое давление составляет 0.1 millibars. Затем закройте клапан на боковой стороне камеры и выключите насос.
На этом этапе начните запись видео. Во время записи откройте отверстие камеры с частицей, чтобы освободить ее, и одновременно с этим потяните и поверните стержень, прикрепленный к кончику пипетки. Это позволит избежать проблем с эффектом прерывистого скольжения, возникающих из-за высокого трения между стержнем и уплотнительным кольцом.
Сразу после того, как произойдет удар, остановите запись. Сохранить можно лишь ограниченное количество кадров, и первые из них будут перезаписаны, как только этот лимит будет превышен. Обрежьте видео на экране вокруг момента удара и сохраните его на карту памяти.
Для получения точного среднего значения следует повторить эксперимент примерно 10 раз. При работе с более мелкими частицами используйте практически ту же процедуру с несколькими изменениями. Поместите от 50 до 100 сфер на сложенный лист бумаги, а затем перенесите частицы с бумаги в камеру.
При извлечении стержня в начале эксперимента делайте это очень медленно, чтобы частицы не осыпались одновременно. При монтаже видеоряда сделайте так, чтобы в кадре было видно не менее 10 четко сфокусированных ударов. Перед анализом данных необходимо сначала откалибровать программное обеспечение.
Загрузите кадр с частицей известного размера, полученной в ходе предварительной настройки. Затем подсчитайте количество пикселей по горизонтальному диаметру и разделите известное расстояние на количество пикселей, чтобы получить коэффициент пересчета (расстояние на один пиксель). Горизонтальный диаметр использовать проще из-за контраста между частицей и белым фоном.
Для расчета скорости удара установите первую контрольную точку движения на верхней части сферы за 10 кадров до момента удара, а вторую контрольную точку — за один кадр до удара. Используйте количество пикселей между двумя точками и коэффициент пересчета для вычисления пройденного расстояния. Затем разделите это расстояние на время, прошедшее за девять кадров, чтобы получить скорость удара.
Для расчета скорости отскока используйте контрольные точки на верхней части сферы через один кадр после удара и через десять кадров после удара. Наконец, вычислите коэффициент восстановления (COR) как отношение скорости отскока к скорости удара. Повторите все эти шаги для анализа всех записанных видеороликов с испытаниями на падение.
Стеклянные частицы диаметром от 100 мкм до 4 мм сбрасывали с начальной высоты 200 мм на стальную основание-пластину толщиной 20 мм. Среднее значение COR составило около 0,9 для частиц размером 700 мкм и более. Этот результат не зависел от давления воздуха.
Для частиц диаметром менее 400 микрон COR оставался почти постоянным и составлял 0,9 в условиях вакуума. При атмосферном давлении коэффициент восстановления уменьшался с увеличением диаметра частиц. Результаты для скорости удара зависели от размера частиц и атмосферного давления.
Мелкодисперсные порошки двигались значительно медленнее при атмосферном давлении, в то время как в условиях вакуума скорость их удара снизилась лишь незначительно. Данные выявили некоторые исключительные выбросы при 700 мкм, которые могли возникнуть вследствие ошибочной калибровки. После просмотра этого видео вы должны четко понимать, как измерять коэффициент восстановления в экспериментах по свободному падению в условиях вакуума.
После освоения этот метод при правильном применении может быть выполнен за полтора часа для 10 частиц. Не забывайте, что работа со стеклянным цилиндром в условиях вакуума чрезвычайно опасна и всегда следует соблюдать меры предосторожности.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье представлена экспериментальная установка, предназначенная для измерения коэффициента восстановления при столкновении частиц в условиях вакуума. Метод направлен на решение инженерных задач, связанных с перемещением и хранением сыпучих твердых тел.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Физика
- Инженерия
- Материаловедение
Теоретические основы
- Коэффициент восстановления количественно определяет потерю энергии при столкновениях.
- Понимание этого параметра имеет решающее значение для различных инженерных приложений.
- Условия вакуума позволяют проводить точные измерения без внешних воздействий.
- Данный метод особенно полезен для дисперсных порошков.
Цель исследования
- Разработать надежный метод измерения коэффициента восстановления.
- Углубить понимание поведения частиц при столкновениях.
- Получить данные, применимые в инженерной промышленности.
Используемые методы
- Установка для свободного падения в условиях вакуума.
- Измерение скоростей удара частиц микронного размера.
- Демонстрация аспирантом в рамках исследовательского проекта.
- Процедура включает снятие кожуха вакуумной камеры и верхней крышки.
Основные результаты
- Данная установка позволяет точно измерить коэффициент восстановления.
- Продемонстрирована применимость к мелкодисперсным порошкам без предварительного ускорения.
- Способствует решению инженерных задач, связанных с сыпучими твердыми телами.
- Создает основу для будущих исследований динамики столкновений частиц.
Выводы
- Разработанный метод эффективен для измерения коэффициентов восстановления.
- Он имеет важное значение для инженерной практики, связанной с сыпучими материалами.
- Будущие исследования могут опираться на данную методологию для более широкого применения.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Точное измерение коэффициента восстановления в контролируемых условиях способствует прогностическому моделированию поведения частиц при работе с фармацевтическими порошками, их смешивании и производстве таблеток. Данный метод позволяет снизить риски при разработке рецептур и технологических процессов, предоставляя надежные входные параметры для моделирования методом дискретных элементов, используемого при масштабировании и проектировании оборудования. Он устраняет критический пробел в характеристике динамики мелкодисперсных порошков, когда атмосферные условия ограничивают достижимые скорости удара.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет исследовать механику взаимодействия частиц друг с другом и частиц со стенками, что имеет решающее значение для понимания свойств потока и когезии в системах с активными фармацевтическими ингредиентами (API) и вспомогательными веществами.
- Практическая ценность: обеспечивает воспроизводимые коэффициенты восстановления в условиях вакуума, что позволяет отделить внутренние свойства материала от влияющих факторов окружающей среды, таких как влажность и сопротивление воздуха.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: позволяет получать количественные данные о скорости, которые служат стандартизированными показателями для сравнения поведения объемных твердых тел при различных составах.
- Практическая ценность: обеспечивает готовность к проведению анализа, предоставляя калиброванные протоколы высокоскоростной визуализации, применимые к микрочастицам, которые используются в ингаляционной и микрофлюидной доставке лекарственных средств.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Способствует снижению механистических рисков при масштабировании за счет установления связи между динамикой столкновений на микроуровне и поведением порошка на макроуровне в операциях заполнения, дозирования и транспортировки.
- Практическая ценность: Обеспечивает преемственность от ранней характеризации частиц до доклинического производства, предоставляя параметры, готовые для использования в методе дискретных элементов (DEM), для прогностического моделирования процессов.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод занимает место в рабочем процессе исследований в качестве инструмента предварительной характеристики, который служит основой для последующих этапов моделирования и оптимизации процессов, особенно для рецептур с использованием тонкодисперсных порошков, где воздействие окружающей среды снижает достоверность данных.
- Фундаментальная биология: способствует проверке гипотез о поведении материалов, обеспечивая контролируемое измерение диссипации энергии при столкновениях, что является ключевым фактором при прогнозировании комкования, агломерации и нарушения текучести.
- Скрининг: обеспечивает стандартизированные и воспроизводимые измерения скорости в вакууме, гарантируя сопоставимость данных для различных диапазонов размеров частиц и типов материалов.
- Аналитика: предоставляет данные о скорости удара и отскока, полученные с помощью отслеживания пикселей и калибровки, что позволяет рассчитать коэффициент восстановления как безразмерный сопоставимый показатель.
- Трансляционные исследования: обеспечивают преемственность с доклиническим этапом, предоставляя валидированные входные параметры для моделей дискретных элементов, используемых при моделировании переработки порошков в промышленном масштабе.
- Корпоративное использование: создает универсальную платформу для характеристики любой дисперсной системы, сокращая необходимость в повторной разработке методик для различных проектов и площадок.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает достоверность прогнозов при моделировании за счет получения коэффициентов восстановления в условиях изоляции от воздействия окружающей среды, которые отражают истинные свойства материала.
- Операционная ценность: повышает воспроизводимость и стандартизацию благодаря определенным уровням вакуума, настройкам камеры и механике высвобождения частиц.
- Стратегическая ценность: снижает риски на поздних этапах производства, позволяя заблаговременно выявлять виды отказов, связанных с потоком, за счет точных входных данных для DEM.
- Влияние на портфель: способствует выбору рецептуры с учетом рисков и совершенствованию технологического процесса путем количественной оценки механического поведения, критически важного для однородности состава и точности дозировки.
Особенности реализации
- Требуется опыт работы в области высокоскоростной видеосъемки, манипулирования частицами и эксплуатации вакуумных систем.
- Зависит от наличия доступа к совместимым с вакуумом оптическим камерам, калиброванным системам визуализации и инструментам для манипулирования частицами.
- Необходима координация между исследовательскими группами по протоколам калибровки и стандартам измерения скорости для обеспечения согласованности данных.
- При использовании объектов, отличных от стандартных стеклянных сфер, требуются адаптации с учетом различной плотности, формы и свойств поверхности частиц.
- Ограничено физическими параметрами размера вакуумной камеры и максимально достижимой высотой падения в условиях низкого давления.
