Лабораторни машини за ситов анализ

• Разпределението на частиците спрямо размерите им, т. е. броят на частиците с определен размер, дефинира важни физични и химични свойства като разтворимост, течливост и повърхностна активност
  
  
• За да се гарантира висока степен на възпроизводимост и надеждност, лабораторните машини за ситов анализ и аксесоарите им трябва да отговарят на изискванията на национални и международни стандарти
  
  
• Въпреки бързото развитие на съвременните оптични измервателни техники, класическият ситов анализ все още е водещ в практическото оценяване на качеството на насипни стоки

Познаването на гранулометричния състав на различните по форма и размери насипни стоки е от ключово значение за охарактеризирането им. Разпределението на частиците спрямо размерите им, т. е. броят на частиците с определен размер, дефинира важни физични и химични свойства като разтворимост, течливост и повърхностна активност.
В редица индустриални сектори като хранително-вкусовата, фармацевтичната и химическата промишленост традиционният ситов анализ е стандарт по отношение на контрола на производствените процеси и качеството на прахове и гранули. Сред предимствата на ситовия анализ са лесно манипулиране, ниски инвестиционни разходи, получаване на прецизни и възпроизводими резултати в рамките на сравнително малко време и възможност за сепариране на фракциите. Следователно методът може да се смята за допустима алтернатива на аналитични методи, използващи лазерна светлина или обработка на изображения.
За да се гарантира висока степен на възпроизводимост и надеждност, лабораторните машини за ситов анализ и аксесоарите им трябва да отговарят на изискванията на национални и международни стандарти. Това означава, че тестовите сита, ситовите машини и всички останали измервателни инструменти (например везни), които се използват за охарактеризирането на гранулометричния състав, трябва да бъдат калибрирани и подложени на мониторинг в рамките на системата за управление на качеството. Освен това е абсолютно необходимо подготовката на пробите да се извършва изключително внимателно. Само тогава може да се получат резултати от ситовия анализ, които да дадат възможност за надеждно охарактеризиране на продукта.

Методи

По време на пресяване пробата е подложена на вертикално движение (вибрационно пресяване) или хоризонтално движение (хоризонтално пресяване). При конбинираните ситови машини двете движения са насложени. По време на този процес частиците се сравняват с отворите на всяко едно сито. Вероятността една частица да премине през мрежата на ситото се определя от съотношението между размера на частицата и размера на отворите на ситото, пространствената ориентация на частиците и броя на “срещите” на частицата с отворите на мрежата. Подходящият метод на пресяване зависи от степента на финост на пробата. Сухото пресяване е предпочитаният метод за размер между 40 µm и 125 mm. Измервателният обхват обаче се ограничава от свойства на пробата като склонност към образуване на агломерати, плътност или електростатичен заряд.

Вибрационно пресяване

Пробата се подхвърля нагоре благодарение на вибрациите на дъното на ситото и пада обратно заради гравитационните сили. Амплитудата е индикатор за височината на вертикалната осцилация на дъното на ситото.

Поради това комбинирано движение материалът от пробата се разпределя равномерно по цялата площ на ситото. Частиците се ускоряват във вертикално направление, въртят се свободно и падат обратно статистически ориентирано.

Хоризонтално пресяване

При хоризонталните лабораторни машини за ситов анализ ситата се движат в хоризонтални кръгове в една равнина. Хоризонталните ситови машини се препоръчват предимно за игловидни, плоски, дълги и влакнести проби. Поради хоризонталното движение на пресяване много малка част от частиците променят ориентацията си върху ситото.

Комбинирано пресяване

При комбинираните ситови машини хоризонталното кръгово движение е насложено върху вертикално движение. Тези машини се специфицират в различни стандарти за гранулометричен анализ.

Броят на сравненията между частиците и отворите на ситото е значително по-малък при комбинираните машини, отколкото при вибрационните, което води до по-продължителни периоди на пресяване. От друга страна, комбинираното движение дава на частиците по-голям импулс, поради което при някои материали, например абразиви, фракцията на фините частици е по-голяма. При леки материали като талк и брашно обаче фракцията на фините частици е по-малка.

Пресяване с въздушна струя

При ситовите машини с въздушна струя за всеки процес на пресяване се използва само по едно сито. Самото сито не се движи по време на процеса.
Материалът върху ситото се придвижва от въртяща се струя въздух. Устройство, подобно на прахосмукачка, е свързано към ситовата машина и генерира вакуум в пресевната камера, като засмуква свеж въздух през въртяща се прорязана дюза. При преминаване през тесния прорез на дюзата въздушният поток се ускорява и се насочва към мрежата на ситото, разпръсквайки частиците. Над мрежата въздушната струя се разпределя по цялата повърхност на ситото и се засмуква с ниска скорост през мрежата му. По този начин по-фините частици се транспортират през отворите на мрежата в генериращото вакуум устройство или в циклон.

Ситов анализ за качествен контрол

Всички сме запознати с понятието за качество. То се използва широко за описването на продукт с особено висока стойност. Точната дефиниция на качество обаче е съответствието на определени свойства с регистрираните в резултат на тестване характеристики на продукт. Един продукт може да бъде описан като висококачествен, ако измерванията установят, че желаните характеристики са в определен допустим интервал. Ако измерените стойности се отклоняват прекалено много, качеството е по-ниско.

Много материали, независимо дали с естествен произход или създадени изкуствено, се намират в дисперсна форма – материал, който не сформира едно цяло, но е разделен на елементи, които могат да бъдат разделени един от друг, например купчина пясък. Размерите на частиците и тяхното разпределение в дадено количество материал, т.е. фракциите на частици с различни размери, оказват съществено влияние върху физични и химични свойства.

Сред примерите за характеристики, които могат да се повлияят от гранулометричния състав, са якостта на бетон, вкусът на шоколад, разтворимостта на таблетки, течливостта и разтворимостта на прахове за пране, повърхностната активност на филтърни материали. Тези примери ясно показват колко е важно да се познава гранулометричният състав, особено в контекста на качествения контрол на насипни материали за производствени процеси. Ако гранулометричният състав се промени в рамките на производствения процес, то ще се измени и качеството на продукта.

Възпроизводими резултати за възможно най-кратко време

Въпреки бързото развитие на съвременните оптични измервателни техники, класическият ситов анализ все още е водещ в практическото оценяване на качеството на насипни стоки. В допълнение, резултатите от пресяването често се използват като основа за сравнение с други измервателни техники. Преди всичко, за оценката на качеството на насипни материали по време на производствените процеси е необходимо бързото получаване на резултат от определянето на размера на частиците. За да се гарантира адекватен мониторинг на производството, често е достатъчно да се определи тенденция. Изискват се стандартизирани и работещи възпроизводимо измервателни инструменти, за да се гарантира надеждността на резултатите и да се редуцира необходимото работно време до абсолютния минимум. Нужните работни етапи трябва да бъдат описани, за да се избегнат във възможно най-голяма степен човешки и случайни грешки.

Ако се избере кратка продължителност на пресяването, то винаги трябва да се допуска, че отделните фракции няма да бъдат разделени толкова прецизно, колкото е необходимо, особено когато става дума за пресяване на материали с фини частици. Ако целият процес на пресяване се извършва възпроизводимо обаче, т.е. когато параметрите на машината са винаги възпроизводими, тогава резултатите от пресяването също могат да бъдат сравнени едни с други, дори и да има систематична грешка. Преди началото на ситовия анализ трябва да се обърне специално внимание на няколко фактора.

Ситовият анализ започва с набирането и подготовката на пробата, която ще се пресява. Това трябва винаги да бъде представителна част от цялата оригинална проба. В противен случай резултатът от пресяването трябва да бъде поставен под съмнение.
Когато се избира ситова машина, трябва да се внимава настройката на времето на пресяване и пресевните движения да се извършва възпроизводимо. За ситов анализ трябва да се използват само сита, стандартизирани по DIN ISO 3310 или подобни стандарти. Сита, които не отговарят на изискванията на тези стандарти, не трябва да се използват.

Има няколко фактора, които имат постоянно влияние върху процеса на пресяване и следователно върху качеството на резултатите. Освен техническите изисквания на ситовата машина, амплитудата и честотата на осцилация, както и времето на пресяване играят ключова роля. За да се транспортира една твърда частица през отвора на ситото, тази частица и мрежата трябва да са в относително движение един спрямо друг. Това се определя индиректно от типа на задвижването на ситовата машина. Вероятността частицата да премине през ситото се определя от съотношението между техните размери, формата на частицата, посоката на движение и ориентацията й спрямо пресевната площ. Накратко, пресевното движение и времето на пресяване са ключови фактори за прецизното разделяне на отделните фракции.

Изисквания към ситовата машина

Пресяването чрез подхвърляне често се използва в ситовия анализ. В този случай най-висока е вероятността частицата да премине през ситото, когато времето на полета на частицата съответства на времето за една осцилация на ситото. Това означава, че сравнение между размера на частицата и отворите на ситото може да протече при всяка една осцилация. Това обаче може да бъде постигнато само с определена настройка на ситовата машина и е известно като “статистически резонанс”.

За да се случи това, трябва да има взаимодействие между амплитудата и честотата на осцилациите, т.е. трябва да се постигне определено ускорение на ситото.

Съвременните ситови машини имат електромагнитно задвижване, което кара системата да осцилира. Всички работни параметри, като амплитуда на осцилациите, време на пресяване и продължителност на интервалите могат да бъдат избрани дигитално. В допълнение може да бъде зададено и визуализирано зависещото от честотата на осцилациите ускорение. Управляваният чрез микропроцесор измервателен и контролен модул гарантира постоянни движения на ситото и следователно абсолютно възпроизводими процеси на пресяване. Всички важни работни параметри на ситовата машина, които могат да повлияят на резултата, могат да бъдат калибрирани в контекста на мониторинга от тестовия агент.

В производствения контрол на насипни стоки се изискват кратки времена на пресяване, за да може да се реагира възможно най-бързо. Продължителността на късите цикли на пресяване обикновено се дефинира като 5 минути и трябва да бъде възпроизводима. Механичните таймери, които все още могат да бъдат намерени в редица конвенционални ситови машини, могат да имат относителна грешка от +/- 10%. Тази грешка често може да бъде проследена до неточната настройка чрез аналогова скала, а не до липсата на прецизност на таймера. За цикъл на пресяване от 5 минути вариация от 10% означава, че пресяването ще продължи 30 секунди повече или по-малко, което може да има последствия за резултата. Електронните таймери с цифрова настройка на времето и кварцова точност правят допускането на подобни грешки невъзможно.

След като приключат процесите на пресяване и претегляне, може да започне математическото оценяване и графичното представяне на разпределението на частиците по размер. В повечето случаи това е ръчна процедура, която е много времеемка и допускането на систематични и операторски грешки невинаги може да бъде избегнато, дори ако работата се извършва съвестно. Нещата са различни, когато се използва компютърна програма за оценка. Подобни софтуерни продукти могат да предоставят инструкции за следващия работен етап през целия процес на пресяване. Програмата комуникира със ситовата машина и изчислява резултата от пресяването. В допълнение, те позволяват и изчисляване на други свързани параметри. Резултатът се представя графично и таблично в стандартизиран протокол от измерването. Възможни са и анализ на тенденциите, сравнителни представяния, изчисляване на средни стойности и експортиране на данните.