ИЗМЕРИТЕЛЬ СОДЕРЖАНИЯ ПЫЛИ В СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛАХ Российский патент 1997 года по МПК G01N15/02 

Предлагаемое техническое решение относится к области аналитического приборостроения и касается, в частности, экспрессного измерения содержания пыли (ИСП) пылимости в сыпучих материалах (СМ) весовым методом, которое найдет широкое применение в галургии, угольной, строительной, пищевой и текстильной отраслях промышленности, сельском хозяйстве; в автомобильном, железнодорожном и морском транспорте при выборе режимов перевозки и вида упаковки сыпучих грузов, а также может служить одним из эффективных критериев оценки качества готовой продукции.

Известно большое число способов, приборов и устройств по ИСП в СМ, применяемых в различных отраслях промышленности, каждый из которых используется в соответствии с областью назначения, требованиями к обеспечению приемлемых метрологических и надежностных характеристик и достигнутым уровнем научно-технического прогресса.

(1. А. с: NN303565, 312186, 314120, 356530, 359577, 381971, 441469, 464804, 532790, 603883, 6219922, 734539, 794426, 802843, 817537, 832425, 840704, 851183, 857813, 880013, 913173, 987476, 1006977, 108463, 1150519, 167480, 1265550, 1260757, 1280493, 1283623, 1295893, 1317326, 1336698, 1341547, 1346971, 1390538, 1392456, 1397804, 1401357, 1449873, 148333, 142907, 1539599, 1550365, 1562780, 1564520, 1578589, 1583794, 1603246, 160691, 1642324.

2. Патенты: США NN3561253, 3630090, 3715911, 3787122, 4212190; ФРГ NN2427908, 2544563, 3218103; Франция NN2086984, 2243432, 2412840; Англия N 1320966; Япония N14192.

3. Книги: Зубков Г.А. и др. Автоматизация процессов обогащения руд цветных металлов. М. Недра, 1967, с. 484.

Коузов П. А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. М. Химия, 1971, с. 207.

Гордон Т. М. и др. Контроль пылеулавливающих установок. М. Металлургия, 1973, с. 254.

Козьмин Н.П. Биохимия зерна и продуктов его переработки. М. Колос, 1976, с. 306.

Клименко А. П. Методы и приборы для измерения концентрации пыли. М. Химия, 1978.

Мяздриков О. А. Дифференциальные методы гранулометрии. М. Металлургия, 1974, с. 168.

Горное дело. Терминологический словарь. М. Недра, 1981, с. 172).

Известен анализатор гранулометрического состава порошков типа "Гран" (см. Техническое описание и инструкцию по эксплуатации N4047-00-00-000 ТО, 1983, с. 12).

Он содержит квартователь, блок рассеивания и блок управления анализатором.

К его недостаткам относятся:
сложность устройства, обусловленная наличием высоковольтного источника питания для непрерывного разделения частиц в электростатическом поле,
ограничение по электрическому сопротивлению СМ,
наличие ручного привода квартователя,
невозможность измерения пылимости при малом содержании пылящей части (доли процента) в СМ.

Кроме того, используется автоматический анализатор частиц модели "ТА" (см. проспект фирмы "Культер Кунтер". Франция, г. Андилла, 13 с.).

Он содержит 16-канальный анализатор, пробоотборник, таймер, микропроцессорное устройство, двухкоординатный регистратор.

Недостатками его считаются:
конструктивная и функциональная сложность анализатора,
ограничения по минимальным и максимальным размерам частиц анализируемого материала,
неудобство эксплуатации в местах добычи и переработки СМ,
высокая стоимость,
ограниченная область применения только для жидких сред.

Прототипом предлагаемого технического решения является прибор по измерению пылимости хлористого калия (см. ТУ 113-13-41-88. Ассоциация "Агрохим", 1990, 11 с. ), созданный на основе устройства для определения динамической прочности и истираемости гранул типа ПКПГ-1 (ГОСТ 21560.3-82).

Он содержит качающийся барабан со съемной торцовой крышкой и диаметрально расположенной изогнутой перегородкой, секундомер и аспиратор, состоящий из вакуум-насоса, регулируемого дросселя и ротаметра.

В верхней части барабана по цилиндрической поверхности установлены два штуцера: под углом 20^o к вертикальной оси над выпуклой частью перегородки для подвода воздуха и строго вертикально, перпендикулярно плоскости перегородки для отбора пылевоздушной смеси (ПВС).

К его недостаткам относятся:
невысокая точность ИСП, связанная с возможным попаданием на фильтр крупных непылящих фракций,
длительность проведения анализа, обусловленная возвратно-вращательным движением барабана и ручным его приводом,
неудобство в эксплуатации, вызванное отсутствием блока автоматического управления пусковым и остановочным режимами.

Задачами предлагаемого технического решения являются повышение точности ИСП в СМ и сокращение длительности проведения анализа.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в ИСП в СМ, включающем в себя вращающийся барабан со съемной крышкой, алонж с фильтром, таймер, весы, аспиратор, причем барабан снабжен штуцером отсоса воздуха, а внутри барабана установлены перегородки, выход штуцера отсоса воздуха соединен с аспиратором, дополнительно установлены:
воздушный сепаратор,
фиксатор предотвращения вращательного движения выходного штуцера сепаратора,
электропривод с редуктором вращения барабана, блок управления с пусковой кнопкой, причем перегородки внутри барабана выполнены в виде лопастей, расположенных равномерно по окружности между съемной крышкой и торцовой стенкой, с жестким креплением их к цилиндрической поверхности и торцовой стенке, а их число соответствует условию
n_л≥2,
съемная крышка барабана снабжена равномерно расположенными по окружности воздухозаборными отверстиями, причем суммарная площадь отверстий, определяемая их числом и диаметром, составляет 0,5 -2 площади сечения входного штуцера аспиратора,
по центру барабан оснащен конусом с отверстием у его вершины, диаметр которого D_k находится в пределах (0,05 1) D_с от диаметра сепаратора, воздушный сепаратор размещен горизонтально между барабаном со стороны съемной крышки и отсасывающим штуцером и своим фланцем прикреплен к съемной крышке, а со стороны выхода отсасываемого воздуха оснащен выступом для размещения алонжа с фильтром, причем внутренний диаметр сепаратора D_с удовлетворяет соотношению

где G_в расход воздуха через сепаратор;
V₁ скорость воздуха в сепараторе,
а его длина L_с удовлетворяет соотношению

где V₂ скорость осаждения в воздухе частиц пыли граничного размера (например 30 мкм);
D_k диаметр входного отверстия сепаратора,
а алонж оснащен уплотняющей гайкой и штуцером отсоса воздуха, сальником с пластмассовыми втулками и уплотняющим штуцером,
центр барабана со стороны торцовой стенки жестко связан через редуктор с электроприводом,
основание фиксатора со стопорным винтом расположено на выходе штуцера отсоса воздуха из воздушного сепаратора,
барабан выполнен с возможностью однонаправленного вращения в течение установленного промежутка времени, причем угловая скорость вращения удовлетворяет соотношению

где D_б диаметр барабана,
выход таймера и кнопка управления соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления, первый и второй выходы блока управления соединены соответственно с электроприводами аспиратора и барабана.

В порядке обоснования соответствия предлагаемого технического решения критериям "изобретательский уровень" и "промышленная применимость приводим следующие доказательства.

1. Пыль представляет собой сложную полидисперсную систему, характеризующуюся широким спектром размеров частиц в диапазоне от 10^-1 до 10² мкм и являющуюся нежелательным источником загрязнения большинства промышленной и сельскохозяйственной продукции, резко снижающим показатели ее качества и товарный вид. Чем ниже запыленность продукции, тем выше ее качество и стоимость, что гарантирует повышенный спрос на нее даже в условиях сильной конкуренции на мировом рынке. Снижение пылимости СМ позволяет уменьшить запыленность окружающего воздуха при проведении погрузочно-разгрузочных работ, что улучшает экологическую обстановку в районе складов, железнодорожных станций и портов.

2. В настоящее время широко известны пылемеры, применяемые для измерения концентрации пыли в атмосферном воздухе, воздухе промышленных предприятий и в отходящих газовых потоках установок, однако ИСП в СМ является новой и весьма актуальной, но трудноразрешимой задачей.

3. Из существующих методов по ИСП весовой, радиоизотопный, оптический, пьезоэлектрический, гидродинамический, вибрационный весовой метод считается наиболее перспективным и доступным применительно к ИСП в СМ.

Суть весового метода заключается в предварительном взвешивании чистого бумажного фильтра, взятии навески пробы СМ, создании потока ПВС (дисперсной системы, состоящей из твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в воздушной среде), улавливании содержащейся в навеске пыли на фильтре с последующим взвешиванием фильтра с осажденной пылью.

4. Преимуществом весового метода считается возможность измерения массового количества пыли при небольшом ее содержании и отсутствие влияния химического состава СМ на результат измерения.

5. Для повышения точности ИСП необходимо создать и поддерживать в течение определенного времени стабильный поток ПВС, выделить из этого потока пылящую часть с заданными размерами частиц и определить ее массу. Решение этих задач обеспечивается особенностями конструктивных решений устройства пылеобразования, введением в ИСП сепаратора, выделяющего и удерживающего крупные частицы пыли, выбором скорости вращения барабана пылеобразования и длительности его работы.

6. Угловая скорость вращения барабана ω ограничена по максимальному w_max и минимальному ω_min значениям. Если скорость вращения барабана будет недостаточной, то СМ начнет сходить с лопастей еще в нижней части барабана и тогда условия образования ПВС будут неудовлетворительными. Когда скорость вращения барабана ω станет чрезмерно большой (ω > ω_max), то возникает так называемый эффект "центрифугирования", при котором ПВС не будет образовываться вовсе.

Оценка величины скоростей ω_min > ω_max производится из следующих условий. Вес частицы материала пробы равен:
P mq
где P вес частицы материала;
m масса частицы материала;
q ускорение свободного падения.

При вращении барабана помимо веса на частицу действует сила реакции, равная

где F сила реакции;
ω угловая скорость вращения барабана;
D_б диаметр барабана.

Частица перестанет падать вниз в верхней точке вращающегося барабана при выполнении условия (если пренебречь трением частицы о лопасть)

откуда

Как показали экспериментальные данные, минимальная скорость вращения барабана составляет 0,1 D_бmax.

Поэтому скорость вращения барабана должна удовлетворять условию

7. Условия образования ПВС, а, следовательно, и количество отбираемой пыли из СМ являются функцией следующих факторов:

где D диаметры: D_с внутренний сепаратора; D_о - воздухозаборных отверстий в барабане; D_k входного отверстия сепаратора;
n_л число лопастей, L_л длина лопастей; n_о число воздухозаборных отверстий в крышке барабана,
L_б длина барабана, L_с длина сепаратора;
G_в расход воздуха через сепаратор;
ω угловая скорость вращения барабана,
t длительность работы ИСП.

8. Содержание пыли в СМ (пылимость продукта П), выражается в миллиграммах на килограмм (мг•кг^-1) продукта (навески) и рассчитывается согласно формуле:

где m_с масса фильтра с пылью, мг;
m_б масса фильтра без пыли, мг;
M масса навески СМ, кг.

9. Диаметр барабана (D_б) определяется массой анализируемой пробы, связанной с процентным содержанием пылящей фракции и ее представительностью, а число воздухозаборных отверстий n_о в съемной крышке барабана и их размеры D_о выбираются, исходя из суммарной площади отверстий, которая должна быть соизмерима с сечением входного патрубка аспиратора. Это предотвращает образование сильных вихревых потоков воздуха при входе его в барабан, что сказывается на снижении погрешности измерения.

Число лопастей n_л в барабане устанавливается из условия n_л ≥ 2, чем обеспечивается создание ПВС, равномерно распределенной по всему объему барабана.

Диаметр входного отверстия сепаратора D_k находится в пределах (0,05 1) D_с от внутреннего диаметра сепаратора и определяется процентным содержанием пылящей фракции в СМ.

10. Внутренний диаметр сепаратора D_с рассчитывается согласно формуле:

где: G_в расход воздуха через сепаратор;
V₁ скорость воздуха в сепараторе.

11. Для исключения попадания на фильтр крупных непылящих частиц пробы (больше заданного размера) в сепараторе выбор его длины L_с должен выполняться с учетом следующих положений.

Пылевая частица входит в сепаратор через отверстие диаметром D_k и до момента осаждения на внутреннюю поверхность сепаратора проходит путь, равный , если скорость осаждения частиц с граничным размером будет V₂, то время осаждения частицы τ₁ равно . При скорости воздуха вдоль оси сепаратора, равной V₁, частица продвинется в этом направлении на расстояние l₁, равное l₁= v₁τ_1/ или . Следовательно, для разделения вынесенной из барабана пылеобразования пыли по граничному размеру частиц длина сепаратора должна удовлетворять условию

Если увеличить размер входного отверстия сепаратора D_k до величины его внутреннего диаметра D_с, то соотношение примет вид

12. При уменьшении длительности измерения уменьшается масса пробы на фильтре и увеличивается в связи с этим погрешность измерений, а при увеличении длительности измерения погрешность также несколько возрастает в связи с измельчением пробы в барабане и возрастанием доли пылящей части в пробе.

Сущность предложенного технического решения поясняется структурно-функциональной схемой ИСП в СМ с вращающимся (динамическим) сепаратором, представленной на фиг.1.

Основными элементами ИСП являются устройство образования ПВС 1, воздушный сепаратор 2, аспиратор 3, фиксатор 4 предотвращения вращательного движения штуцера отсоса воздуха из сепаратора (см.чертеж) и блок управления (БУ) 5, таймер 6 и пусковая кнопка 7.

Устройство образования ПВС включает в себя барабан пылеобразования 8 с редуктором 9 и электроприводом 10.

Конструктивно барабан 8 представляет собой цилиндрическую камеру со съемной торцовой крышкой 11, крепящейся к камере посредством замков 12, и торцовой стенкой 13.

Внутри барабана равномерно по окружности и радиально расположены лопасти 14. В крышке по окружности выполнены воздухозаборные отверстия 15.

Для выхода образующейся в барабане ПВС 16 в центре крышки барабана размещен конус 17 с отверстием 18 у вершины конуса.

Конус охвачен соединительным стаканом 19, заканчивающимся с торцовой части наружной резьбой.

Воздушный сепаратор 2 снабжен в торцовой правой части воздухораспределительной решеткой 20.

С противоположной стороны сепаратор снабжен посадочным выступом 21, фильтром 22 с осевой пылью 23, алонжем 24 и крепежной гайкой 25.

Алонж 24 по оси оснащен штуцером 26 отсоса воздуха. Для обеспечения вращения алонжа он снабжен сальником из фторопластовых втулок 27 с уплотняющим штуцером 28 и прижимной гайкой 29.

Аспиратор 3 состоит из вакуум-насоса 30 с электроприводом 31, ротаметра 32 и регулируемого дросселя 33, установленных последовательно на всасывающей линии.

Фиксатор 4 оснащен насадочной втулкой 34 со стопорным винтом 35 и неподвижной опорой (или противовесом) 36. Y₁, Y₂ импульсные линии передачи командных управляющих воздействий.

ИСП в СМ функционирует следующим образом.

Навеску СМ с определенной массой помещают в камеру барабана 8; включают через БУ 5 посредством пусковой кнопки 7 электропривод 10 барабана 8 образования ПВС и электропривод 31 аспиратора 3.

По показаниям ротаметра 32 с помощью регулируемого дросселя 33 устанавливают необходимый расход воздуха через барабан 8 и сепаратор 2. ПВС, пройдя отверстие 18 конуса 17 и воздухораспределительную решетку 20, разделяется: крупные частицы оседают внизу сепаратора, а мелкие в виде пыли 23 попадают на фильтр 22, газовая фаза через фильтр 22 по штуцеру 26 отсасывается аспиратором 3 в атмосферу.

По истечении установленного промежутка времени с таймера 6 через БУ5 поступает команда на останов электроприводов 10 барабана 8 и 31 аспиратора 3. Затем освобождается крепежная гайка 25, вынимается алонж 24 и с него снимается фильтр 22 с осевшей пылью 23. Фильтр взвешивается, и по приведенной выше формуле определяется пылимость СМ.

Предлагаемый ИСП в СМ найдет широкое применение во многих отраслях промышленности и сельском хозяйстве, существенно повышая точность определения пылимости с погрешностью 3 5% и сокращая на 10 12% длительность проведения анализа, способствуя в конечном итоге получению более кондиционной продукции.

Использование: для измерения содержания пыли (ИСП) в сыпучих материалах (СМ). Сущность изобретения: использование последовательно соединенных вращающегося барабана с загруженной навеской для образования пылевоздушной смеси горизонтально установленного сепаратора с воздухораспределительной решеткой для отделения крупных фракций от пыли и встроенным алонжем с фильтром для сбора пыли, аспиратора для регулируемого отсоса воздуха из барабана. Перегородки внутри барабана выполнены в виде лопастей числом n_л ≥ 2. Съемная крышка барабана снабжена равномерно расположенными по окружности воздухозаборными отверстиями суммарной площадью 0,5 - 2 площади сечения входного штуцера аспиратора. По центру барабан оснащен конусом с отверстием у вершины, диаметр которого D_k= (0,05 - 1)D_e, где D_e - диаметр сепаратора. Сепаратор размещен между барабаном и отсасывающим штуцером и фланцем прикреплен к съемной крышке барабана, а со стороны выхода отсасываемого воздуха оснащен выступом для размещения алонжа с фильтром, причем внутренний диаметр сепаратора D_c удовлетворяет соотношению

где G_в - расход воздуха через сепаратор;
V₁ - скорость воздуха в сепараторе, а его длина L_c удовлетворяет соотношению
L_c ≥ V₁(D_k + D_c)/2V₂;
где V₂ - скорость осаждения в воздухе частиц пыли граничного размера (например 30 мкм);
D_k - диаметр входного отверстия сепаратора,
а алонж оснащен уплотняющей гайкой и штуцером отсоса воздуха, сальником с пластмассовыми втулками и уплотняющим штуцером, центр барабана со стороны торцовой стенки жестко связан через редуктор с электроприводом, основание фиксатора со стопорным винтом расположено на выходе штуцера отсоса воздуха из воздушного сепаратора, барабан выполнен с возможностью однонаправленного вращения в течение установленного промежутка времени, причем угловая скорость вращения удовлетворяет соотношению

где D_б - диаметр барабана,
выход таймера и кнопки управления соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления, первый и второй выходы блока управления соединены соответственно с электроприводом аспиратора и барабана. 1 ил.

Измеритель содержания пыли в сыпучих материалах, содержащий вращающийся барабан со съемной крышкой, алонж с фильтром, таймер, весы, аспиратор, причем барабан снабжен штуцером отсоса воздуха, внутри барабана установлены перегородки, выход штуцера отсоса воздуха соединен с аспиратором, отличающийся тем, что в нем дополнительно установлены воздушный сепаратор, фиксатор предотвращения вращательного движения выходного штуцера сепаратора, электропривод с редуктором вращения барабана, блок управления с пусковой кнопкой, причем перегородки внутри барабана выполнены в виде лопастей, расположенных равномерно по окружности между съемной крышкой и торцевой стенкой с жестким креплением их к цилиндрической поверхности и торцевой стенке, а их число соответствует условию n_л ≥ 2, съемная крышка барабана снабжена равномерно расположенными по окружности воздухозаборными отверстиями, причем суммарная площадь отверстий, определяемая их числом и диаметром, составляет 0,5 2 площади сечения входного штуцера аспиратора, а по центру барабан оснащен конусом с отверстием у его вершины, диаметр которого D_к находится в пределах D_к (0,05 1) D_с от диаметра сепаратора, воздушный сепаратор размещен горизонтально между барабаном со стороны съемной крышки и отсасывающим штуцером и своим фланцем прикреплен к съемной крышке, а со стороны выхода отсасываемого воздуха оснащен выступом для размещения алонжа с фильтром, причем внутренний диаметр сепаратора удовлетворяет соотношению

где G_в расход воздуха через сепаратор;
V₁ скорость воздуха в сепараторе,
а его дина L_с удовлетворяет соотношению

где V₂ скорость осаждения в воздухе частиц пыли граничного размера;
D_к диаметр входного отверстия сепаратора,
а алонж оснащен уплотняющей гайкой и штуцером отсоса воздуха, сальником с пластмассовыми втулками и уплотняющим штуцером, центр барабана со стороны торцевой стенки жестко связан через редуктор с электроприводом, основание фиксатора со стопорным винтом расположено на выходе штуцера отсоса воздуха из воздушного сепаратора, барабан выполнен с возможностью однонаправленного вращения в течение установленного промежутка времени, причем угловая скорость вращения барабана ω удовлетворяет соотношению

где D_б диаметр барабана,
выход таймера и кнопки управления соединены соответственно с первым и вторым входом блока управления, первый и второй выходы блока управления соединены соответственно с электроприводами аспиратора и барабана.