УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СУСПЕНЗИИ Российский патент 2002 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к устройствам для измерения концентрации суспензий и может быть использовано в целлюлозно-бумажной промышленности для измерения концентрации волокнистой суспензии.

Известно устройство для измерения концентрации суспензий, содержащее корпус, внутри которого на измерительной оси, связанной с преобразователем момента, установлен чувствительный элемент, с обеих сторон которого размещены выполненные с прорезями в их центральной части пластинчатые элементы, соединенные перемычками и связанные через вал с приводом (патент РФ N 2002241 C1 G 01 N 15/02, опубл. 30.10.1993. Бюл. N 39-40). В известном устройстве волокнистая суспензия, содержащая комочки волокон (флоккулы), поступает в корпус и через прорези в центральной части пластинчатых элементов втекает в зазор, образованный чувствительным и пластинчатыми элементами. При вращательном движении пластинчатых элементов в прорезях возникают турбулентные вихри, разрушающие флоккулы, вследствие чего суспензия втекает в зазор в диспергированном (без флоккул) состоянии, где приобретает вращательное движение и, двигаясь в радиальном направлении к периферии и в осевом к чувствительному элементу, создает вблизи него вращающийся пограничный слой, формирующий на поверхности чувствительного элемента касательные напряжения, образующие момент на измерительной оси, зависящий от концентрации суспензии и регистрируемый преобразователем момента. Вытекая из зазора, суспензия покидает корпус.

Недостаток известного устройства заключается в его малой точности измерения вследствие невысокой степени дисперсности суспензии в пограничном слое на чувствительном элементе при обеспечении ламинарного режима течения суспензии в пограничном слое. Это объясняется следующим. Касательные напряжения в пограничном слое на чувствительном элементе и, в конечном итоге, измерительный момент на оси пропорциональны концентрации при условиях, что волокнистая суспензия в пограничном слое не содержит флоккул, то есть полностью диспергирована на волокна, а сам пограничный слой является ламинарным, то есть не содержит турбулентных вихрей. В известном устройстве эти условия не выполняются по следующим причинам.

Во-первых, чтобы полностью диспергировать суспензию на волокна, когда она проходит через прорези пластинчатых элементов, требуется достаточно большое время взаимодействия турбулентных вихрей в прорезях и флоккул, чтобы последние успели разделиться на волокна. Однако, расположение прорезей в центральной части пластинчатых элементов определяет их малую проходную площадь, вследствие чего осевая скорость течения суспензии в прорезях высока и, следовательно, время прохождения флоккул через них слишком мало для полного их разделения на волокна.

Во-вторых, для полной диспергации суспензии на волокна требуется достаточно высокая интенсивность турбулентности в прорезях, которая определяется высокой окружной скоростью, равной произведению угловой скорости вращения пластинчатых элементов на средний радиус расположения прорезей. Вследствие расположения прорезей в центральной части средний радиус их мал и, следовательно, угловая скорость для обеспечения необходимого уровня интенсивности турбулентности в прорезях должна быть велика. Однако при большой угловой скорости окружная скорость периферийной части пластинчатых элементов становится слишком высокой, и пластинчатые элементы так сильно турбулизируют суспензию в зазоре, что пограничный слой на периферийной части чувствительного элемента тоже интенсивно турбулизируется. Поэтому для того, чтобы пограничный слой на чувствительном элементе был ламинарным, приходиться либо увеличивать зазор между чувствительным и пластинчатыми элементами, что приводит к резкому уменьшению касательных напряжений на чувствительном элементе и, соответственно, падению момента на измерительной оси, либо снижать угловую скорость вращения пластинчатых элементов, что приводит к неудовлетворительной дисперсности суспензии в пограничном слое.

Изобретение направлено на создание устройства для измерения концентрации суспензии, обеспечивающее повышение точности измерения за счет повышения степени дисперсности суспензии в пограничном слое на чувствительном элементе при обеспечении его ламинарного режима течения.

Цель достигается тем, что каждый пластинчатый элемент разделен прорезями на сектора, а чувствительный элемент выполнен в виде диска, образующая линия поверхности которого составляет с образующей линией внутренней поверхности ближайшего пластинчатого элемента угол, лежащий в интервале 1,5 - 16 градусов.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - поперечный разрез на фиг. 1; на фиг. 3 - схема течения суспензии в устройстве на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез на фиг. 3.

Устройство содержит корпус 1, внутри которого на измерительной оси 2, связанной с преобразователем момента 3, установлен чувствительный элемент 4, с обеих сторон которого размещены выполненные с прорезями 5 пластинчатые элементы 6, соединенные перемычками 7 и связанные через вал 8 с приводом 9. Пластинчатые элементы 6 разделены прорезями 5 на сектора 10, а чувствительный элемент 4 выполнен в виде диска, образующая линия поверхности которого составляет с образующей линией внутренней поверхности ближайшего пластинчатого элемента угол α, лежащий в интервале 1,5^°≤ α ≤ 16^°.
Устройство работает следующим образом. Суспензия, содержащая флоккулы, поступает в корпус 1 и через прорези 5 между секторами 10 поступает в зазор, образованный чувствительным элементом 4 и пластинчатыми элементами 6. При обтекании секторов 10 в относительном движении поток суспензии турбулизируется на их задних кромках, образуя в прорезях 5 турбулентное поле, диспергирующее флоккулы. Вследствие разделения пластинчатых элементов на сектора осевое перемещение суспензии через турбулентное поле в прорезях осуществляется от центральной части до периферии, что определяет малую осевую скорость V₀ и перемещения флоккул через прорези в зазор, благодаря чему флоккулы успевают полностью разделиться на волокна. Приобретая на пластинчатых элементах вращательное движение, суспензия в зазоре, двигаясь в радиальном направлении к периферии и в осевом к чувствительному элементу 4, создает вокруг него вращающийся пограничный слой, образующий на поверхности чувствительного элемента касательные напряжения τ, которые формируют момент на измерительной оси 2, регистрируемый преобразователем момента 3. При движении суспензии в зазоре от прорезей к чувствительному элементу турбулентные вихри гасятся волокнами, что характерно для волокнистых суспензий [Терентьев О. А. Гидродинамика волокнистых суспензий в целлюлозно-бумажном производстве. М. : Лесная промышленность, 1980, с. 139] , и поток ламинизируется. Наиболее быстро турбулентность гасится в центральной области, поскольку интенсивность турбулентности в прорезях вблизи оси вращения минимальна. Полному гашению турбулентности в центральной области соответствует установка минимального зазора L₀ на оси между чувствительным и пластинчатыми элементами, при котором пограничный слой вблизи измерительной оси на чувствительном элементе становится ламинарным, а касательные напряжения при этом имеют максимальную величину. Вследствие возрастания окружной скорости V вращения секторов от центра к периферии интенсивность турбулентности U' в прорезях увеличивается также от центра к периферии. Соответственно увеличению интенсивности турбулентности расстояние L в осевом направлении от пластинчатых элементов, на котором турбулентность вырождается и поток становится ламинарным, возрастает с увеличением радиуса R согласно зависимости
L = K•R + L₀ (1)
где K = 0.03-0.28 - эмпирический коэффициент, определяющийся средним значением концентрации суспензии.

При выполнении чувствительного элемента в виде диска, образующая линия поверхности которого составляет с образующей линией внутренней поверхности ближайшего пластинчатого элемента угол α, этот угол выбирают из условия
tgα = K (2)
чему соответствует угол, лежащий в диапазоне 1,5^°≤ α ≤ 16^°.
Согласно условиям (1) и (2), уравнение образующей линии поверхности чувствительного элемента определится выражением
L = R•tgα+L₀ (3)
которое означает, что поверхность диска чувствительного элемента отстоит от ближайшей поверхности пластинчатого элемента на минимальное расстояние L, при котором пограничный слой в этой точке ламинарный, а касательные напряжения при этом максимальны.

По сравнению с устройством прототипа в предлагаемом устройстве в пограничном слое на поверхности чувствительного элемента повышается степень дисперсности суспензии при ламинарном его режиме течения и высоких значений касательных напряжений, пропорциональных концентрации суспензии, что определяет линейную зависимость изменения регистрируемого момента от изменения концентрации и, в результате, повышает точность измерения концентрации.

Пример. Производили измерения концентрации волокнистой суспензии известным устройством и предлагаемым устройством. При измерении в предлагаемом устройстве устанавливали ряд чувствительных элементов, выполненных в виде дисков с различными углами между образующей линией их поверхности и образующей линией внутренней поверхности пластинчатых элементов. Истинную концентрацию определяли лабораторно, весовым методом, имеющим несущественную для практики погрешность.

В таблице представлены данные погрешностей измерения концентрации суспензии в используемом в практике диапазоне известным и предлагаемым устройствами.

Из таблицы следует, что предлагаемое устройство обеспечивает по сравнению с известным уменьшение погрешности измерения концентрации суспензии, а следовательно, повышение точности измерения.

Использование: в целлюлозно-бумажной промышленности для точного измерения концентрации волокнистой суспензии. Технический результат заключается в повышении точности измерения. Сущность изобретения состоит в том, что устройство содержит корпус, внутри которого на измерительной оси, связанной с преобразователем момента, установлен чувствительный элемент, с обеих сторон которого размещены выполненные с прорезями пластинчатые элементы, соединенные перемычками и связанные через вал с приводом, пластинчатые элементы разделены прорезями на сектора, а чувствительный элемент выполнен в виде диска, образующая линия поверхности которого составляет с образующей линией внутренней поверхности ближайшего пластинчатого элемента угол, лежащий в интервале 1,5-16^o, 4 ил. , 1 табл.

Устройство для измерения концентрации суспензий, содержащее корпус, внутри которого на измерительной оси, связанной с преобразователем момента, установлен чувствительный элемент, с обеих сторон которого размещены выполненные с прорезями пластинчатые элементы, соединенные перемычками и связанные через вал с приводом, отличающееся тем, что каждый пластинчатый элемент разделен прорезями на сектора, а чувствительный элемент выполнен в виде диска, образующая линия поверхности которого составляет с образующей линией внутренней поверхности ближайшего пластинчатого элемента угол, который выбирают из интервала 1,5-16^o.