Устройство для опытно-цифрового анализа содержания в текучей среде магнитно-восприимчивых частиц Российский патент 2021 года по МПК B03B13/04 B03C1/02 

Изобретение относится к области магнитного разделения и может быть использовано в лабораторной практике различных отраслей промышленности для анализа содержания (в частности, определения концентрации) магнитно-восприимчивых частиц в текучей среде: сыпучей, жидкой, газообразной. Такой анализ, особенно с дополненной возможностью реализации в нем цифрового принципа, обеспечивающего его автоматизацию, важен для оперативного получения информации, необходимой, в частности, для оценки результативности работы магнитных сепараторов.

Известны устройства для определения содержания магнитно-восприимчивых частиц в различных средах, предполагающие многократное (многоцикловое, многостадийное, многооперационное, многоступенчатое) магнитно-сепарационное выделение таких частиц из пробы этой среды такими приемами: путем повторения действия по пропусканию одной и той же пробы среды через магнитный сепаратор-анализатор [1], за счет повторяющихся вращений магнитной системы сепаратора-анализатора в пробе среды [2,3], посредством выполнения ряда одинаковых операций магнитно-сепарационного «сканирования» тонкого слоя пробы среды [4-16].

Однако, хотя этими приемами и удается увеличивать выделение магнитно-восприимчивых частиц из пробы анализируемой среды, что в определенной мере способствует повышению точности анализа, тем не менее, даже при увеличенной кратности магнитно-сепарационного выделения добиться требуемого полного извлечения этих частиц в подобных устройствах-аналогах не удается. А это обусловливает погрешность данных по содержанию магнитно-восприимчивых частиц в анализируемой пробе.

Известны способы и устройства для определения содержания магнитно-восприимчивых частиц в различных средах, основывающиеся на том же многократном магнитном выделении этих частиц из пробы (несколько последовательных стадий магнитной сепарации) [17-19], причем для повышения выделения предусматривается также усиление магнитного воздействия на пробу среды по ходу ее перемещения (от стадии к стадии) в сепараторе-анализаторе: увеличение магнитной индукции, магнитной энергии [18,19].

Эти устройства-аналоги обладают тем же, отмеченным выше, недостатком, особенно при ограниченном числе стадий (операций) сепарации. К тому же, из-за отсутствия указаний по измерению масс частиц, выделенных в каждой из стадий сепарации, не представляется возможным выяснить тенденцию убывания этих (стадийных, операционных) масс и выполнить соответствующую, например, базирующуюся на экстраполяции данных, прогнозную оценку остаточной массы частиц и, главное, их общей массы (и содержания) в пробе.

Известно решение, описанное в способе [20], согласно которому для определения содержания магнитно-восприимчивых частиц в среде выполняется ряд одинаковых последовательных операций их магнитно-сепарационного выделения из пробы среды – с измерением масс выделенных частиц в каждой операции и получением графической зависимости этих масс от порядкового номера операции. По этой зависимости выясняется характер убывания этих (операционных) масс с получением соответствующей аналитической зависимости, благодаря которой осуществляется экстраполяция данных за пределы фактических измерений. Тем самым определяются любые (в том числе обоснованные таким опытно-расчетным путем потенциальные) операционные массы магнитно-восприимчивых частиц и, как следствие, их общая масса в пробе и их содержание, например, в виде отношения этой массы к массе или объему пробы.

Недостатком такого анализа является его трудоемкость и необходимость в соответствующих (требующих дополнительных затрат времени) расчетах – из-за отсутствия решений автоматизированного, основывающегося на принципах цифровизации, получения необходимой опытно-расчетной информации.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является устройство, описанное в [21], а именно вариант этого устройства, не предполагающий использование ферромагнитной намагничиваемой фильтр-матрицы. Предназначенное для определения содержания в текучей среде магнитно-восприимчивых частиц по массе частиц, выделенных из пробы среды, такое устройство содержит исполнительный магнитный сепаратор, обеспечивающий не менее трех последовательных, с определенным шагом осуществляемых, операций сепарации пробы, при этом сепаратор имеет ограниченный необходимыми технологическими поверхностями рабочий канал для потока сепарируемой среды, снабженный требуемыми, соответствующими операциям сепарации, источниками магнитного воздействия на поток. Устройство-прототип содержит также средство пооперационного определения фактической массы выделяемых этими источниками магнитно-восприимчивых частиц из потока (путем использования весов) и соединенный с этим средством системный блок цифровизации анализа содержания выделяемых магнитно-восприимчивых частиц, обладающий функциями визуализации получаемой функциональной зависимости операционных масс выделяемых частиц, экстраполяции этой зависимости, интеграции фактических и экстраполяционных данных операционных масс.

Однако в устройстве-прототипе из-за повышенной разобщенности каждого из источников магнитного воздействия по отношению к потоку анализируемой сепарируемой среды магнитное воздействие на поток недостаточно эффективно, прежде всего, на наиболее удаленную (от источников магнитного воздействия) часть потока, где магнитно-восприимчивые частицы испытывают наибольшее затруднение в перемещении к источникам магнитного воздействия для реализации магнитного захвата, особенно при осуществлении анализа сыпучей среды, когда эти частицы находятся в окружении не восприимчивых к магнитному воздействию частиц основной фракции сыпучей среды. Кроме того, в устройстве-прототипе не предусмотрены технические решения по функционально необходимому периодическому устранению магнитного воздействия на поток, в частности, для беспрепятственного и не продолжительного во времени получения в распоряжение операционных масс выделенных частиц в виде, обеспечивающем необходимую точность последующих измерений этих масс и анализа в целом, а также не предусмотрены технические решения по компоновке элементов и позиций, ответственных за необходимые измерения.

Задача изобретения заключается в повышении эффективности магнитного воздействия на поток анализируемой пробы сепарируемой среды, сокращении времени и повышении точности анализа.

Технический результат достигается в устройстве для опытно-цифрового анализа содержания в текучей среде магнитно-восприимчивых частиц по массе частиц, выделенных из пробы среды, содержащем исполнительный магнитный сепаратор, содержащий ограниченный поверхностями рабочий канал для потока сепарируемой среды, с не менее чем тремя последовательно установленными источниками магнитного воздействия на поток, а также содержащем средство пооперационного определения фактической массы выделяемых этими источниками магнитно-восприимчивых частиц из потока, предусматривающее использование весов, и соединенный с этим средством системный блок цифровизации анализа содержания выделяемых магнитно-восприимчивых частиц с функциями визуализации получаемой функциональной зависимости операционных фактических масс выделяемых частиц, экстраполяции этой зависимости, интеграции фактических и экстраполяционных данных операционных масс. В этом устройстве каждый из источников магнитного воздействия выполнен в виде проникающего в поток сепарируемой среды неферромагнитного гнезда, вмонтированного в вертикальную поверхность рабочего канала, с периодически помещаемым в это гнездо магнитным блоком, при этом весы, исполненные в масштабе, соизмеримом с поперечным размером гнезда, расположены под гнездом, причем под его начальным, примыкающим к поверхности рабочего канала, участком, где осуществляется сброс выделенных частиц, перемещаемых к этому участку при периодическом выведении магнитного блока из гнезда.

Проникающее в поток сепарируемой среды неферромагнитное гнездо представляет собой заглушенную в концевой части трубку: круглого или прямоугольного сечения – в зависимости от выбранной конфигурации магнитного блока, причем в случае выполнения анализа с использованием проб сыпучей среды и варианта прямоугольного сечения трубки ее целесообразно позиционировать в рабочем канале ребром навстречу потоку сепарируемой среды. Это способствует самопроизвольному сползанию с поверхности трубки (препятствуя нежелательному задерживанию на этой поверхности) частиц основной фракции сыпучей среды, т.е. той фракции среды, из которой производится магнитный захват и осаждение на указанной поверхности самих магнитно-восприимчивых частиц (составляющей фракцию частиц-включений в основной фракции частиц сыпучей среды). Этой же цели может служить и то, что выполненное из трубки (любой формы сечения) гнездо предпочтительно ориентировать относительно рабочего канала и соответственно потока сепарируемой среды нисходящим (наклонным), с расположением его концевого участка ниже начального участка.

Периодически помещаемый в неферромагнитное гнездо магнитный блок в случае, когда оправданными являются решения о сравнительно небольшом проникновении этого гнезда в поток сепарируемой среды (что не требует создания нескольких магнитных контуров), может быть выполнен в виде постоянного магнита или в виде катушки намагничивания с ферромагнитным сердечником (и при необходимости снабженным полюсными наконечниками). А в случае, когда оправданными являются решения о более существенном проникновении этого гнезда в поток сепарируемой среды (требующем создание нескольких магнитных контуров), магнитный блок может быть выполнен в виде системы постоянных магнитов (например, обращенных друг к другу одноименными полюсами, с расположенными между ними ферромагнитными элементами – для обеспечения возможности результативного замыкания создаваемых магнитных контуров через поток анализируемой среды), или аналогично – в виде системы катушек намагничивания с ферромагнитными сердечниками (обращенными друг к другу одноименными полюсами, с расположенными между ними ферромагнитными элементами).

Ввиду необходимости осуществления прямых измерений операционных масс выделяемых магнитно-восприимчивых частиц непосредственно в рабочем канале (после завершения процедуры пропускания изучаемой пробы через рабочий канал сепаратора и синхронного вывода каждого из магнитных блоков из соответствующего гнезда, вследствие чего увлекаемые полем магнитных блоков выделенные на поверхности гнезда магнитно-восприимчивые частицы перемещаются к начальному участку этой поверхности, а после полного выведения блока, т.е. после устранения магнитного воздействия, осуществляется их самопроизвольный сброс с поверхности гнезда вниз) требуется миниатюризация соответствующего измерительного средства. Необходимые для этого весы, приводимые в действие после завершения процедуры пропускания изучаемой пробы через рабочий канал сепаратора и синхронного вывода каждого из магнитных блоков из соответствующего гнезда, исполнены с применением тензодатчика, в частности, балочного типа (показания которого необходимо проградуировать в размерностях массы – посредством специально получаемого градуировочного графика), а для предотвращения повреждения такого измерительного средства оно экранировано от потока сепарируемой среды защитной перегородкой.

На чертеже показан общий вид с разрезом варианта предложенного устройства, в частности, для осуществления опытно-цифрового анализа содержания магнитно-восприимчивых частиц в сыпучей среде. Оно содержит исполнительный магнитный сепаратор, обеспечивающий пять пошагово осуществляемых операций сепарации пробы среды 1 посредством проникающих в поток этой среды пяти источников магнитного воздействия, каждый из которых состоит из неферромагнитного, заглушенного в концевой части, гнезда 2 (здесь трубчатой формы), вмонтированного в вертикальную поверхность рабочего канала 3, и периодически помещаемым в это гнездо магнитным блоком 4 (в частности, системой постоянных магнитов) – одновременно с другими четырьмя магнитными блоками. Под каждым из гнезд 2, а именно под его начальным, примыкающим к поверхности рабочего канала 3, участком, где осуществляется самопроизвольный сброс выделенных частиц, осевших на внешней поверхности гнезд 2 и перемещаемых к этому участку при периодическом выведении магнитного блока 4 из гнезда 2, установлены весы 5, исполненные с применением тензодатчика (в частности, балочного типа, проградуированного в размерностях массы), экранированные от потока сепарируемой пробы среды 1 неферромагнитной защитной перегородкой 6. Для подачи пробы среды 1 в исполнительный магнитный сепаратор и отвода ее после сепарации служат питательный бункер 7 и приемная емкость 8, при этом расход среды 1 регулируется средством 9, например, шиберного типа. Для обработки сигналов, поступающих от всех (пяти) весов 5 с тензодатчиками, служит системный блок 10 цифровизации анализа содержания выделяемых магнитно-восприимчивых частиц (обладающий функциями визуализации получаемой зависимости операционных, выделяемых из потока среды 1, масс магнитно-восприимчивых частиц – путем их осаждения с помощью магнитных блоков 4 на внешних поверхностях последовательно расположенных гнезд 2, экстраполяции этой зависимости, интеграции фактических и экстраполяционных данных операционных масс выделяемых частиц).

Устройство работает следующим образом. Проба анализируемой среды 1, подаваемая в устройство через питательный бункер 7, проходит по рабочему каналу 3, где подвергается нескольким пошагово осуществляемым операциям сепарации пробы за счет магнитного воздействия, осуществляемого магнитными блоками 4, помещенными в неферромагнитные гнезда 2 (в исполнении на чертеже – пять операций вместо минимальных трех – для повышения объективности в последующем получении необходимой зависимости). При этом магнитно-восприимчивые частицы, присутствующие в анализируемой среде 1, испытывая магнитное силовое воздействие, осаждаются на внешних поверхностях гнезд 2 – с закономерным уменьшением массы осаждаемых магнитно-восприимчивых частиц на каждом последующем гнезде 2 по мере прохождения пробы среды 1 вниз по рабочему каналу 3, т.е. уменьшением каждой операционной массы осаждаемых (выделяемых из потока среды 1) частиц. После пропускания пробы среды 1 через магнитный сепаратор осуществляют вывод магнитных блоков 4 из гнезд 2 и в процессе этого вывода происходит перемещение (вслед за перемещением магнитных блоков 4) выделенных из потока среды 1 (осевших на внешней поверхности гнезд 2) магнитно-восприимчивых частиц на начальный, примыкающий к поверхности рабочего канала 3, участок гнезда 2 с последующим их самопроизвольным сбросом на весы 5 (с тензодатчиками) – после полного вывода магнитного блока 4 за пределы гнезда 2 и соответственно рабочего канала 3, когда магнитное воздействие на магнитно-восприимчивые частицы исчезает. Сигналы от всех (пяти) тензодатчиков весов 5 поступают на цифровую обработку в соединенный с весами 5 системный блок 10 цифровизации анализа содержания магнитно-восприимчивых частиц в изучаемой пробе среды, в котором осуществляется визуализация получаемой зависимости операционных, выделяемых из потока среды масс частиц, экстраполяция этой зависимости, интеграция фактических и экстраполяционных данных операционных масс выделяемых частиц – с получением соответствующей информации оператором.

[1] Patent US 4492921. Method of Determining the Quantity of Solid Fraction of Ferromagnetic Matter in a Fluid // Sandulyak A.V., Garaschenko V.I., Korkhov O.J.

[2] Патент РФ 2231394. Магнитный сепаратор-анализатор // Звегинцев А.Г., Килин В.И.

[3] Патент РФ 2197529. Устройство для определения содержания металломагнитных примесей в пищевых или кормовых сыпучих продуктах // Самбурский А.И., Перминова З.А., Пучкова Н.А., Климова Н.Ю.

[4] ГОСТ 25216-82. Тальк и талькомагнезит. Метод определения железа.

[5] ГОСТ 23673.2-79. Доломит для стекольной промышленности. Метод определения содержания окиси железа.

[6] ГОСТ 23789-79. Вяжущие гипсовые. Методы испытаний.

[7] ГОСТ Р 53011-2008. Комбикорма, белково-витаминно-минеральные концентраты, премиксы. Методы определения металломагнитных примесей.

[8] ГОСТ 13979.5-68. Жмыхи, шроты и горчичный порошок. Метод определения металлопримесей.

[9] ГОСТ 20239-74. Мука, крупа и отруби. Метод определения металломагнитной примеси.

[10] ГОСТ 1936-85. Чай. Правила приемки и методы анализа.

[11] ГОСТ 15113.2-77. Концентраты пищевые. Методы определения примесей и зараженности вредителями хлебных запасов.

[12] ГОСТ 5901-87. Изделия кондитерские. Методы определения массовой доли золы и металломагнитной примеси.

[13] ГОСТ 13496.9-06. Комбикорма. Методы определения металломагнитной примеси.

[14] ГОСТ 17681-82. Мука животного происхождения. Методы испытаний.

[15] ГОСТ 26185-84. Водоросли морские, травы морские и продукты их переработки. Методы анализа.

[16] ГОСТ 30483-97. Зерно. Методы определения общего и фракционного содержания сорной и зерновой примесей; содержания мелких зерен и крупности; содержания зерен пшеницы, поврежденных клопом-черепашкой; содержание металломагнитной примеси.

[17] Авторское свидетельство СССР 300825. Прибор для выделения ферропримесей из проб сыпучих продуктов // Тарутин П.П., Миров Г.Л., Хаби Г.С.

[18] Патент РФ 2486012. Способ извлечения железосодержащих компонентов из техногенного материала тонкого класса // Прохоров К.В., Александрова Т.Н., Богомяков Р.В.

[19] Авторское свидетельство СССР 1461506. Магнитный анализатор // Рожков И.М., Кармазин В.В.

[20] Патент РФ 2409425. Способ определения концентрации магнитовосприимчивых примесей в текучей среде // Сандуляк А.В., Пугачева М.Н., Сандуляк А.А., Ершова В.А.

[21] Патент РФ 93305 (полезная модель). Устройство для определения содержания в текучей среде магнитно-восприимчивых примесей (варианты) // Сандуляк А.А., Полисмакова М.Н., Свистунов Д.И., Сандуляк А.В., Ершова В.А., Полисмаков К.С., Ершов Д.В., Сандуляк Д.А.

Предложенное изобретение относится к области магнитного разделения и может быть использовано в лабораторной практике различных отраслей промышленности для анализа содержания (в частности, определения концентрации) магнитно-восприимчивых частиц в текучей среде: сыпучей, жидкой, газообразной. Устройство для опытно-цифрового анализа содержания в текучей среде магнитно-восприимчивых частиц по массе частиц, выделенных из пробы среды, содержит исполнительный магнитный сепаратор, включающий ограниченный поверхностями рабочий канал для потока сепарируемой среды, с не менее чем тремя последовательно установленными источниками магнитного воздействия на поток. Устройство также содержит средство пооперационного определения фактической массы выделяемых этими источниками магнитно-восприимчивых частиц из потока, предусматривающее использование весов, и соединенный с этим средством системный блок цифровизации анализа содержания выделяемых магнитно-восприимчивых частиц с функциями визуализации получаемой функциональной зависимости операционных фактических масс выделяемых частиц, экстраполяции этой зависимости, интеграции фактических и экстраполяционных данных операционных масс. Каждый из источников магнитного воздействия выполнен в виде проникающего в поток сепарируемой среды неферромагнитного гнезда, вмонтированного в вертикальную поверхность рабочего канала, с периодически помещаемым в это гнездо магнитным блоком. Весы, исполненные в масштабе, соизмеримом с поперечным размером гнезда, расположены под гнездом, причем под его начальным примыкающим к поверхности рабочего канала участком, где осуществляется сброс выделенных частиц, перемещаемых к этому участку при периодическом выведении магнитного блока из гнезда. Технический результат - повышение эффективности магнитного воздействия на поток анализируемой пробы сепарируемой среды, сокращение времени и повышение точности анализа. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для опытно-цифрового анализа содержания в текучей среде магнитно-восприимчивых частиц по массе частиц, выделенных из пробы среды, содержащее исполнительный магнитный сепаратор, содержащий ограниченный поверхностями рабочий канал для потока сепарируемой среды, с не менее чем тремя последовательно установленными источниками магнитного воздействия на поток, а также содержащее средство пооперационного определения фактической массы выделяемых этими источниками магнитно-восприимчивых частиц из потока, предусматривающее использование весов, и соединенный с этим средством системный блок цифровизации анализа содержания выделяемых магнитно-восприимчивых частиц с функциями визуализации получаемой функциональной зависимости операционных фактических масс выделяемых частиц, экстраполяции этой зависимости, интеграции фактических и экстраполяционных данных операционных масс, отличающееся тем, что каждый из источников магнитного воздействия выполнен в виде проникающего в поток сепарируемой среды неферромагнитного гнезда, вмонтированного в вертикальную поверхность рабочего канала, с периодически помещаемым в это гнездо магнитным блоком, при этом весы, исполненные в масштабе, соизмеримом с поперечным размером гнезда, расположены под гнездом, причем под его начальным примыкающим к поверхности рабочего канала участком, где осуществляется сброс выделенных частиц, перемещаемых к этому участку при периодическом выведении магнитного блока из гнезда.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что неферромагнитное гнездо выполнено в виде трубки круглого сечения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что неферромагнитное гнездо выполнено в виде трубки прямоугольного сечения, позиционируемой в рабочем канале ребром навстречу потоку сепарируемой среды.

4. Устройство по пп.2, 3, отличающееся тем, что неферромагнитное гнездо ориентировано относительно рабочего канала и соответственно потока сепарируемой среды нисходящим, с расположением его концевого участка ниже начального участка.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магнитный блок выполнен в виде постоянного магнита.

6. Устройство по пп.1, 5, отличающееся тем, что магнитный блок выполнен в виде системы постоянных магнитов, обращенных друг к другу одноименными полюсами, с расположенными между ними ферромагнитными элементами.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магнитный блок выполнен в виде катушки намагничивания с ферромагнитным сердечником.

8. Устройство по пп.1, 7, отличающееся тем, что магнитный блок выполнен в виде системы катушек намагничивания с ферромагнитными сердечниками, обращенными друг к другу одноименными полюсами, с расположенными между ними ферромагнитными элементами.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что весы исполнены с применением тензодатчика, в частности, балочного типа, проградуированного в размерностях массы.

10. Устройство по пп.1, 9, отличающееся тем, что весы экранированы защитной перегородкой.