Устройство для цифровизации контроля содержания магнитных частиц в текучей среде
DEVICE FOR DIGITALIZING CONTROL OF CONTENT OF MAGNETIC PARTICLES IN FLUID MEDIUM

Устройство относится к области контроля содержания магнитно-восприимчивых (магнитных) частиц в пробах различных текучих (сыпучих, жидких, газообразных) сред – путем пооперационного магнитного выделения масс фракции частиц, обладающих выраженными магнитными свойствами, и последующего анализа получаемых массово-операционных данных. Может быть использовано в практике лабораторного анализа фракционного состава разных сред для выявления и определения концентрации (массовой доли) фракции магнитных частиц, что востребовано, в частности, при решении задач магнитного обогащения руд, удаления вредных железосодержащих примесей из пищевых продуктов, сырья производств стекла и керамики, газовых выбросов производственных участков сварки и резки металла и пр.
Известно устройство [1-13] для контроля содержания магнитно-восприимчивых (магнитных) частиц в текучей среде, когда оператор вручную неоднократно перемещает источник магнитного воздействия (постоянный магнит) сканирующими движениями в верхней части специально сформированного на плоской поверхности тонкого слоя пробы исследуемой среды (сыпучие пищевые продукты, сырьевые компоненты производств стекла и керамики). Далее, следуя условиям анализа, извлекаемые таким приемом полиоперационной магнитной сепарации (от трех до шести операций) магнитные частицы накапливают, измеряют общую массу и при известном объеме (известной массе) пробы определяют концентрацию (массовую долю) этих частиц. Подобный прием полиоперационной ручной магнитной сепарации используется также и в известном устройстве [14], в котором источники магнитного воздействия (постоянные магниты), закрепленные на отдельных, расположенных в шахматном порядке, стержнях, вручную перемещают в слое пробы исследуемой сыпучей среды, находящейся в чашеобразной емкости.
При использовании этих устройств-аналогов процедура контроля является трудоемкой и длительной во времени. Кроме того, достаточно объективный контроль здесь не обеспечивается из-за отсутствия как обоснованных требований по кратности операций магнитной сепарации, так и указаний определять и отдельно фиксировать обладающие информативностью операционные убывающие (но не обнуляющиеся) массы извлекаемых магнитных частиц – для оценки снижения остаточной массы и в конечном счете – для реализации возможности более объективного контроля.
Известен магнитный анализатор [15], в котором за счет каскадно размещенных немагнитных плоских наклонных желобов с расположенной под ними магнитной системой (блоки постоянных магнитов, установленные с возрастанием их магнитной энергии) осуществляются последовательные операции магнитной сепарации пробы анализируемой среды, подаваемой из бункера и перемещающейся по желобам. Последующий анализ, подобно предыдущему случаю, сводится к тому, что выделенные массы магнитных частиц снимаются с желобов, определяется их суммарная масса и соответственно содержание этих частиц в общей массе пробы изучаемой среды.
Хотя это устройство и позволяет минимизировать трудозатраты, сократить процедуру контроля во времени, однако реализуемый с его помощью контроль, обладающий теми же, отмеченными выше, недостатками и основывающийся на дискуссионном убеждении, что при таком (с ограниченным числом операций) магнитном разделении среды на фракции обеспечивается полное выделение магнитных частиц, не является достаточно достоверным.
Известен способ [16], согласно которому проводят не менее трех однотипных операций магнитной сепарации для извлечения из пробы магнитных частиц с последующим выполнением анализа, предусматривающего, прежде всего, измерение (и фиксирование) каждой из операционных масс частиц. Далее, по значениям этих операционных масс получают дискретную массово-операционную характеристику, т.е. зависимость между операционной массой и порядковым номером операции. Используя установленную закономерность убывания операционных масс, находят соответствующую аналитическую зависимость, которая дает возможность расчетным путем (в том числе с использованием принципа экстраполяции) определить последующие, за пределами фактического числа проведенных операций, операционные массы, остаточную массу, а значит – достоверную суммарную массу магнитных частиц и их концентрацию.
Будучи достаточно объективным и являющимся аналитической базой для создания устройств-анализаторов данного назначения, тем не менее, такой контроль из-за отсутствия технических приемов и средств автоматизированного получения необходимой опытно-расчетной информации, является трудоемким и затратным во времени.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является устройство [17], в котором осуществляется автоматизированное, с соответствующей цифровизацией, получение необходимых опытно-расчетных данных контроля содержания магнитных частиц в текучей среде. Это устройство содержит исполнительный магнитный сепаратор, обеспечивающий не менее трех последовательных операций магнитной сепарации пробы среды. Он имеет рабочий, с ограничивающими поверхностями, канал для потока сепарируемой среды, снабженный согласно этим операциям источниками магнитного воздействия с присущими им, обращенными к потоку сепарируемой среды, полюсными поверхностями. Устройство оснащено также средством пооперационного (с соответствующим числом узлов) определения массы выделенных частиц, предусматривающим измерения электроемкости объема, где реализуется выделение частиц. С этим средством соединен системный блок цифровизации контроля содержания магнитных частиц в пробе текучей среды (с функциями визуализации получаемой аналитической зависимости операционных масс выделяемых частиц, экстраполяции этой зависимости, интеграции выделяемых и экстраполяционных данных операционных масс).
Однако в устройстве-прототипе, хотя в качестве решения, позволяющего автоматизировать определение операционных масс выделенных магнитных частиц, указано на результативный вариант, основывающийся на измерениях электропроводности (объема, где реализуется выделение частиц), для повышения точности контроля требуется расширение функциональных возможностей такого технического решения (и устройства в целом). Для этого измерения (соответствующими средствами и техническими приемами) электроемкости объема, где реализуется выделение частиц, должно осуществляться как традиционно после завершения магнитной сепарации всей изучаемой пробы среды, т.е. по факту уже накопленных масс магнитных частиц (осадков), так и во время ее сепарации, т.е. по текущим выделяемым массам магнитных частиц (в процессе их накопления), разумеется – с последующей визуализацией текущих данных операционных масс выделяемых частиц и их аналитической зависимости, экстраполяцией этой зависимости, интеграцией выделяемых и экстраполяционных данных операционных масс.
Задача изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройства и повышении с его помощью точности контроля содержания магнитных частиц в текучей среде.
Соответствующий поставленной задаче технический результат достигается в устройстве для цифровизации контроля содержания магнитных частиц в текучей среде по массе частиц, выделяемых из пробы среды, содержащем исполнительный магнитный сепаратор, включающий образованный ограничивающими поверхностями рабочий канал для потока сепарируемой среды с не менее чем тремя последовательно расположенными источниками магнитного воздействия с обращенными к потоку сепарируемой среды полюсными поверхностями, а также средство с соответствующим числом узлов пооперационного определения массы выделяемых частиц, предусматривающее измерения электроемкости объема, где реализуется выделение частиц, и соединенный с этим средством системный блок цифровизации контроля содержания магнитных частиц в пробе текучей среды с функциями визуализации получаемой аналитической зависимости пооперационных масс выделяемых частиц, экстраполяции этой зависимости, интеграции выделяемых и экстраполяционных данных пооперационных масс. При этом ограничивающие поверхности рабочего канала изготовлены из материала, не обладающего электропроводными свойствами, а каждый из узлов срéдства пооперационного определения фактической массы выделяемых частиц выполнен в виде электрического контура с конденсатором, в котором одним из противостоящих элементов служит полюсная поверхность обладающего электропроводными свойствами источника магнитного воздействия на поток, а вторым элементом является дополнительно установленная электропроводная пластина. Содержащийся в этом контуре измеритель электроемкости проградуирован в единицах массы выделяемых, накапливающихся в объеме между полюсной поверхностью и пластиной, частиц.
Кроме наиболее практичного, упрощенного варианта расположения таких элементов-электродов созданного в устройстве конденсатора как полюсная поверхность источника магнитного воздействия и противостоящая ей пластина, а именно вне рабочего канала, для максимального сближения этих элементов-электродов и тем самым повышения чувствительности измерителя электроемкости конденсатора и соответственно повышения точности измерений указанные элементы-электроды могут быть выполнены встроенными в ограничивающие поверхности рабочего канала.
На фиг.1 изображена схема исполнения устройства, предназначенного для цифровизации контроля содержания магнитных частиц, в частности, в сыпучей среде. Устройство содержит исполнительный магнитный сепаратор, состоящий из рабочего канала 1 (его ограничивающие поверхности не должны обладать электропроводными свойствами), регулятора 2 расхода потока сепарируемой пробы среды (в частности, дроссельная заслонка с ручным или электрическим приводом), питательного 3 и приемного 4 бункеров, источников 5 магнитного воздействия на поток (постоянных магнитов, электромагнитов). Эти источники 5 обеспечивают не менее трех (на фиг.1 – четырех: с повышением этого числа последующая цифровизация контроля более объективна) последовательных операций магнитной сепарации потока пробы для выделения масс 6 магнитных частиц из потока. Контроль фактических операционных масс 6 выделяемых магнитных частиц осуществляется с помощью срéдства пооперационного определения этих масс, каждый из узлов которого (здесь четырех) выполнен в виде электрического контура 7 с конденсатором, одним из элементов (электродов) которого является полюсная поверхность источника 5 (с электропроводными свойствами) магнитного воздействия, а вторым элементом (противостоящим электродом) – дополнительно установленная электропроводная пластина 8. При этом в каждом электрическом контуре 7 содержится измеритель электроемкости 9 (например, типа RLC), который позволяет определять электроемкость объема между элементами 5 и 8, где реализуется выделение и накопление масс 6 магнитных частиц (в том числе в процессе этого накопления), и тем самым – определять каждую из операционных масс 6 магнитных частиц (величина этой накапливаемой массы влияет на значения измеряемой электроемкости). Соответствующая информация от измерителей электроемкости 9 поступает в системный блок 10 цифровизации контроля содержания магнитных частиц в пробе среды.
Устройство работает следующим образом. Поток пробы сыпучей среды из питательного бункера 3 подается в рабочий канал 1 и, перемещаясь самотеком вдоль него, подвергается последовательным операциям сепарации посредством источников 5 магнитного воздействия. При этом магнитные частицы, испытывая магнитное силовое воздействие, осаждаются на внутренней поверхности рабочего канала 1 – локально, на тех участках, которые примыкают к полюсным поверхностям источников 5 магнитного воздействия, с закономерным уменьшением локальных (операционных) масс 6 осажденных магнитных частиц по ходу потока пробы среды. Благодаря наличию электрического контура 7, содержащего конденсатор (один из его электродов – полюсная поверхность источника 5 магнитного воздействия, а противоположный ему – дополнительно установленная электропроводная пластина 8), электрическая емкость которого, изменяющаяся в зависимости от величины каждой из операционных масс 6 выделяемых магнитных частиц (как после пропускания всей пробы среды, так и в процессе ее пропускания, т.е. в процессе накопления выделяемых масс), определяется измерителем электроемкости 9 (проградуированным в единицах массы выделяемых частиц – для контрольного непосредственного считывания значений масс). Соответствующие данные, поступая с измерителя электроемкости 9 в системный блок 10 цифровизации контроля содержания магнитных частиц, подвергаются необходимой обработке для получения оператором необходимых результатов, в частности, по визуализации получаемой аналитической зависимости пооперационных масс выделяемых частиц, экстраполяции этой зависимости (например, часто квалифицируемой как экспоненциальная) за пределы участка фактических пооперационных масс, интеграции выделяемых и экстраполяционных данных пооперационных масс с определением массы магнитных частиц, присутствующих в исследуемой пробе среды и, как следствие, их концентрации (из расчета на единицу объема и/или массы этой среды).
[1] ГОСТ 20239-74. Мука, крупа и отруби. Метод определения металломагнитной примеси.
[2] 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.
[3] ГОСТ Р 53011-2008. Комбикорма, белково-витаминно-минеральные концентраты, премиксы. Методы определения металломагнитных примесей.
[4] ГОСТ 5901-87. Изделия кондитерские. Методы определения массовой доли золы и металломагнитной примеси.
[5] ГОСТ 13979.5-68. Жмыхи, шроты и горчичный порошок. Метод определения металлопримесей.
[6] ГОСТ 1936-85. Чай. Правила приемки и методы анализа.
[7] ГОСТ 15113.2-77. Концентраты пищевые. Методы определения примесей и зараженности вредителями хлебных запасов.
[8] ГОСТ 13496.9-06. Комбикорма. Методы определения металломагнитной примеси.
[9] ГОСТ 17681-82. Мука животного происхождения. Методы испытаний.
[10] ГОСТ 26185-84. Водоросли морские, травы морские и продукты их переработки. Методы анализа.
[11] ГОСТ 25216-82. Тальк и талькомагнезит. Метод определения железа.
[12] ГОСТ 23673.2-79. Доломит для стекольной промышленности. Метод определения содержания окиси железа.
[13] ГОСТ 23789-79. Вяжущие гипсовые. Методы испытаний.
[14] Патент РФ 2197529. Самбурский А.И., Перминова З.А., Пучкова Н.А., Климова Н.Ю. Устройство для определения металломагнитных примесей в пищевых и кормовых сыпучих продуктах.
[15] Авторское свидетельство СССР 1461506. Рожков И.М., Кармазин В.В. Магнитный анализатор.
[16] Патент РФ 2409425. Сандуляк А.В., Пугачева М.Н., Сандуляк А.А., Ершова В.А. Способ определения концентрации магнитовосприимчивых примесей в текучей среде.
[17] Патент РФ № 93305 (полезная модель). Сандуляк А.В., Сандуляк А.А., Свистунов Д.И. и др. Устройство для определения содержания в текучей среде магнитновосприимчивых примесей (варианты).