СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДАЧИ И ЦИРКУЛЯЦИИ СУСПЕНЗИЙ И РАСТВОРОВ В ПРОТОЧНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЯЧЕЙКЕ АНАЛИЗАТОРОВ
SYSTEM FOR AUTOMATIC FEED AND CIRCULATION OF SUSPENSIONS AND SOLUTIONS IN FLOW MEASURING CELL OF ANALYSERS

Заявляемое техническое решение относится к горнодобывающей, обогатительно-металлургической и химической областям промышленности и используется в автоматических системах аналитического контроля при измерении жидких проб в виде суспензий, фильтратов и растворов.
Система включает в себя комплекс последовательно соединенных технических средств для представительного пробоотбора технологического продукта, формирования и транспортировки накопленной пробы, станции приема проб, отделения и накопления части для балансового контроля, подачи и непрерывной циркуляции жидких проб между накопительной емкостью и измерительной ячейкой прибора, промывки трактов и удаления измеренной пробы и смывов. При этом подача и циркуляция жидких проб в измерительной ячейке анализаторов является неотъемлемой составной частью общей задачи пробообеспечения автоматических систем аналитического контроля технологических продуктов типа суспензий.
Известны различные схемы построения цепей аппаратов для решения этих задач и технические решения отдельных устройств:
- в рентгеноспектральных анализаторах «Курьер-30»,Финляндия, 1990, от каждого измеряемого технологического потока отбирается и с помощью насосной системы непрерывно подается к измерительному прибору по трубопроводам 200 литров в минуту первичной пробы. Из этого потока автоматически отбирается одна десятая - 20 литров в минуту, которая сифонно под разрежением подается в ячейку анализатора для измерения и сливается в дренаж. Затем весь объем - 200 литров в минуту по каждому измеряемому продукту необходимо вернуть отдельными насосами в процесс;
- в рентгеноспектральных анализаторах «Курьер-30», Финляндия, 1990, в одних конструкциях от каждого контролируемого технологического потока для циркуляции через ячейку анализатора подается непрерывно самотеком 20 литров в минуту. В связи с этим сам анализатор устанавливается на нулевой отметке под потоком и технологическим оборудованием, а возврат проб осуществляется отдельными насосами;
- в других конструкциях «Курьер-30», Финляндия, 1990, и АР-31, 1980-1992, Россия, дискретно доставляется от места отбора пневмотранспортом к измерительному прибору объем пробы (от 6 до 24 литров) и далее подается для циркуляции и измерения специальными перекачивающими устройствами.
Объем отбираемой пробы регламентируется необходимой скоростью протекания через ячейку и временем экспозиции при измерении. При этом необходимо также предусматривать устройства перемешивания суспензии после доставки к месту измерения до начала и во время подачи на измерение.
Существуют различные технические решения подачи проб в проточные измерительные ячейки:
- специальными электромеханическими или пневматическими струйными насосами в сочетании с коммутационным устройством а.с. №2173452;
- емкости для сбора порций, доставленных пневмопочтой проб суспензий, оснащенные устройствами для поддержания ее в равновзвешенном состоянии до начала измерения с проливом через измерительную ячейку либо самотеком, либо за счет старта эжектором и последующей сифонной проливкой через измерительную ячейку АР-31.
Все перечисленные варианты циркуляции и подачи проб в измерительные ячейки обладают различными недостатками:
- большие объемы перекачиваемых проб,
- необходимость использования сложного насосного оборудования с электроприводом 380 вольт,
- неоправданные эксплуатационные трудовые и материальные затраты на замену быстроизнашиваемых деталей в результате абразивного износа в рабочих зонах,
- необходимость перемешивания различными способами суспензии от момента доставки в накопительную емкость до окончания измерения.
Известно техническое решение по патенту №2173452 от 25.12.2000, МКИ G01N 1/10, G01N 35/08, RU. Система аналитического контроля жидких проб содержит последовательно соединенный комплекс средств пробоотбора, транспортную магистраль, воздухоотделительную емкость, насос, клапан сброса и проточную кювету спектрометра, причем она снабжена нижним и верхним устройствами коммутации, причем верхнее устройство коммутации снабжено измерительной емкостью, емкостью усреднения пробы и установленной на входе в устройство управляемой распределительной трубкой, расположенной над измерительной емкостью и емкостью усреднения пробы, а воздухоотделительная емкость соединена с первым входом насоса, его выход соединен с управляемой распределительной трубкой и выход измерительной емкости соединен через проточную кювету спектрометра со входом нижнего устройства коммутации, выход которого соединен с третьим входом насоса, при этом проточная кювета спектрометра расположена по высоте между верхним и нижним устройствами коммутации. Нижнее устройство коммутации содержит набор емкостей, установленную над ними распределительную трубку и многопозиционный исполнительный механизм, на штоке которого закреплен двухпозиционный исполнительный механизм для перемещения распределительной трубки. Клапан сброса установлен в корпусе насоса.
Достоинством этого решения является возможность последовательной подачи в одну измерительную ячейку до шести различных технологических проб, а также интенсивное механическое перемешивание суспензии в циркуляционном контуре во время подготовки и измерения.
Недостатком является конструктивная сложность решения, необходимость использования специального насоса с электроприводом, наличие быстроизнашиваемых рабочих частей при контакте с высоко абразивной средой измеряемых суспензий.
Близким аналогом является техническое решение по патенту №2419776 от 18.05.2009, МКИ G01N 1/10, RU. Автоматическая система аналитического контроля жидких проб. Система включает управляемый источник вакуум-давление, герметичную пробоотборную емкость, анализатор, приемоотправительную станцию в виде герметичной емкости с расположенным в ее цилиндрической части штуцером подачи в нее воды, используемой для промывки линии доставки пробы. Система включает блок управления, индикации и передачи информации, включающий устройства электропневматического и электрического управления, снабженные программируемым логическим контроллером и программой для обработки цифрового сигнала. Устройство вакуумной подачи проб на измерительный прибор состоит из последовательно соединенных коммутационного устройства приема поочередно подаваемых технологических проб или промывочной воды, проточной измерительной ячейки и подключенной к системе обеспечения режимов вакуум-давление приемоотправительной станции. При этом приемоотправительная станция аналитического комплекса расположена ниже уровня проточной измерительной ячейки и выполнена объемом, превышающим суммарно объемы подаваемой на измерение пробы и промывочной воды, и соединена с проточной ячейкой и с линией возврата. Устройство автоматической подачи мерного объема воды для промывки измерительных трактов выполнено в виде фильтра грубой очистки воды. Устройство электрического управления аналитическим комплексом содержит панель оператора с индикацией и визуализацией и обеспечивает в соответствии с циклограммой управление пробоподачей на измерительные приборы, промывкой, возвратом продуктов в технологический процесс, а также приемом, обработкой результатов измерений и передачи информации.
Достоинством системы является комплексное решение всех требований автоматического отбора, доставки, подготовки проб растворов к измерению и возврата их в технологический процесс.
Недостатком системы является возможность контроля только жидких проб и обусловленное этим нахождение порции пробы раствора в измерительной ячейке анализатора в неподвижном состоянии, что недопустимо при работе с технологическими пробами, содержащими твердые частицы, то есть суспензиями, для которых необходимо поддержание соответствующего режима циркуляции и перемешивания пробы в течение всего времени измерения.
Техническим результатом заявляемого решения является выполнение всех требований пробообеспечения при измерении проб суспензий и жидкостей в автоматических системах аналитического контроля, в том числе условий поддержания режима перемешивания, циркуляции и подачи их в измерительную ячейку под разрежением.
Поставленная цель достигается следующим образом.
Система содержит приемоотправительную станцию в виде герметичной емкости, снабженной в нижней ее части управляемым двухходовым диафрагменным клапаном, устройство вакуумной подачи проб на измерительный прибор, состоящее из последовательно соединенных коммутационного устройства приема, проточной измерительной ячейки, закрытой сверху защитной пленой и подключенной к системе обеспечения режимов вакуум-давление приемоотправительной станции, при этом измерительная ячейка выполнена с нижними вводом-выводом жидких продуктов и расположена в верхней точке тракта подачи в нее проб, исключающей их попадание в прибор при нарушении целостности пленки;
проточная измерительная ячейка выполнена закрытой сверху защитной пленкой;
блок управления, индикации и передачи информации, включающий устройства электропневматического и электрического управления, снабженные программируемым логическим контроллером и программой для обработки цифрового сигнала, при этом введена дополнительная приемоотправительная станция, составляющая совместно с первой приемоотправительной станцией насосное устройство,
приемоотправительные станции идентичны и состоят из емкостей, в нижней части которых расположены двухходовые диафрагменные клапаны, в верхних крышках размещены датчики уровня пробы и штуцера подачи вакуума и давления раздельно;
- штуцера подачи материала под разрежением двухходовых диафрагменных клапанов обеих приемоотправительных станций через тройник соединены гибким шлангом между собой и с верхним штуцером проточной измерительной ячейки, а штуцера подачи материала под давлением соединены между собой тройником с гибким сливным шлангом возврата измеренной части пробы в накопительную емкость;
накопительная емкость содержит в верхней части штуцер приема технологической пробы от системы первичного пробоотбора, штуцер возврата измеренной пробы циркуляционного контура, воздухоотделитель и клапан подачи промывочной воды, а в нижней части - тройник, к одной стороне которого прикреплен управляемый клапан сброса в дренаж измеренной пробы или смывов после промывки измерительных трактов, а к другой - гибкий шланг соединения с нижним штуцером измерительной ячейки;
воздухоотделитель выполнен в виде диффузора с размещенным внутри него коническим рассекателем.
На представленном чертеже - схема устройств подачи и циркуляции растворов и суспензий в проточной измерительной ячейке анализаторов, где:
1.1 и 1.2 - приемоотправительные станции, составляющие насосное устройство,
2 - измерительная ячейка,
3 - накопительная емкость,
4 - блок электроуправления с контроллером,
5 - двухходовой диафрагменные клапаны 5.1, 5.2,
5.1.1, 5.1.2 - штуцера подачи материала под разрежением, 5.2.1, 5.2.2 - штуцера подачи материала под давлением,
6 - датчики уровня 6.1, 6.2,
7 - К1 - электропневмоклапан подачи сжатого воздуха на эжектор,
8 - К2, К3 - электропневмоклапаны подачи вакуума на насосные устройства 1.1 и 1.2,
9 - электропневмоклапан подачи промывочной воды,
10 - штуцера подачи вакуума 10.1, 10.2,
11 - штуцера подачи сжатого воздуха 11.1, 11.2,
12 - эжектор,
13 - К6, К7 - электропневмоклапаны управления двухходовыми диафрагменными клапанами 5.1 и 5.2,
14 - К4, К5 - электропневмоклапаны подачи сжатого воздуха на насосные устройства 1.1 и 1.2,
15 - гибкий шланг подачи пробы от измерительной ячейки к насосному устройству,
16 - гибкий шланг возврата пробы,
17 - гибкий шланг подачи пробы от накопительной емкости к измерительной ячейке,
18 - сбросной клапан,
19 - штуцер подачи первичной пробы от системы пробоотбора,
20 - воздухоотделитель.
Сущность заключается в следующем.
Система состоит из двух работающих поочередно приемоотправительных станций 1.1 и 1.2, выполняющих функцию насосного устройства. Приемоотправительные станции идентичны и представляют собой емкости, в верхней части которых размещены датчики уровня 6.1 и 6.2, штуцера 10.1 и 10.2 подачи вакуума и штуцера 11.1 и 11.2 подачи давления, а в нижней части - двухходовые диафрагменные клапаны 5.1 и 5.2.
Для управления подачей вакуума на штуцера 10.1 и 10.2 предусмотрены электропневмоклапан 7-К1, эжектор 12 и электропневмоклапаны 8-К3 и 8-К2.
Для управления подачи давления на штуцера 11.1 и 11.2 предусмотрены  электропневмоклапаны 14-К4 и 14-К5.
Для управления работой диафрагм двухходовых диафрагменных клапанов 5.1 и 5.2 предусмотрены электропневмоклапаны 13-К6 и 13-К7.
Штуцера 5.1.1 и 5.2.1 двухходовых диафрагменных клапанов 5.1 и 5.2 подачи материала под разрежением соединены тройником между собой и гибким шлангом 15 с верхним штуцером измерительной ячейки 2.
Штуцера 5.1.2 и 5.2.2 двухходовых диафрагменных клапанов 5.1 и 5.2 подачи материала под давлением соединены тройником между собой и гибким шлангом 16 с воздухоотделителем 20, расположенным в верхней части накопительной емкости 3.
В верхней части накопительной емкости 3 размещены: клапан подачи промывочной воды 9, штуцер 19 подачи пробы от пробоотборника и гибкий шланг 16 с воздухоотделителем 20.
В нижней части накопительной емкости 3 размещен тройник, на одном конце которого закреплен управляемый сбросной клапан 18, а к другому присоединен гибкий шланг 17 подачи пробы от накопительной емкости 3 к нижнему штуцеру измерительной ячейки 2.
Блок управления 4 с контроллером предназначен для обеспечения работы системы подачи и циркуляции суспензий и растворов в проточной измерительной ячейке 2 анализаторов в автоматическом режиме согласно циклограмме.
Работает система следующим образом.
Отобранная от технологического потока первичная проба продукта поступает по команде от контроллера аналитического комплекса в накопительную емкость 3 через штуцер 19. При этом сбросной клапан 18 закрыт. Начинается работа контроллера блока управления 4 работой системы циркуляции.
По команде от контроллера блока управления 4 в соответствии с циклограммой подается электрическое питание 24 В на катушки клапанов 7-К1, 8-К2, 13-К6. При этом сжатый воздух давлением не менее 3,5 атм, проходя через эжектор 12, создает вакуум -0,8 атм, который через открытый клапан 8-К2 и штуцер 10.1 создает разрежение в емкости приемоотправительной станции 1.1. Происходит засасывание пробы из накопительной емкости 3 по гибкому шлангу 17 через нижний и верхний штуцера проточной измерительной ячейки 2, штуцер 5.1.1 и одну из полостей двухходового диафрагменного клапана 5.1 в емкость приемоотправительной станции 1.1. При этом всасывающая полость двухходового диафрагменного клапана 5.2 приемоотправительной станции 1.2 закрыта диафрагмой. Происходит заполнение емкости 1.1 до уровня, определяемого датчиком 6.1. По сигналу датчика уровня 6.1 в соответствии с циклограммой и команде от контроллера подается электрическое питание 24 В на катушки электропневмоклапанов 7-К1, 8-К3, 14-К4, 13-К7 и снимается электрическое питание с 8-К2 и 13-К6. Происходит одновременно переключение диафрагм двухходовых клапанов 5.1 и 5.2 и переключение с вакуума на давление в приемоотправительной станции 1.1 и подача вакуума в приемоотправительной станции 1.2.
При этом одновременно происходят следующие действия системы:
- ранее накопленная проба из приемоотправительной станции 1.1 под давлением сжатого воздуха, подаваемого через штуцер 11.1, сливается через нагнетательный штуцер 5.1.2 двухходового диафрагменного клапана 5.1 по гибкому шлангу возврата пробы 16 и воздухоотделитель 20 в накопительную емкость 3,
- под действием вакуума, подаваемого от эжектора 12 через клапан 8-К3, в приемоотправительной станции 1.2 создается вакуум и проба из накопительной емкости 3 по гибкому шлангу 17 через нижний и верхний штуцера проточной измерительной ячейки 2, тройник, штуцер 5.2.1 и одну из полостей двухходового диафрагменного клапана 5.2 начинает заполнять емкость приемоотправительной станции 1.2 до уровня, определяемого датчиком 6.2. Движение потока в проточной ячейке 2 при этом не прерывается.
На этом заканчивается один цикл движения пробы в замкнутом контуре. Попеременное заполнение пробой приемоотправительных станций 1.1 и 1.2 под действием вакуума и последующий попеременный слив пробы в накопительную емкость 3 под действием сжатого воздуха путем автоматического управления контроллером согласно циклограмме с использованием электропневмоклапанов и эжектора, как подробно описано выше, создает режим в течение всего времени измерения непрерывно работающей насосной установки, обеспечивающей перемешивание суспензии и циркуляцию пробы из накопительной емкости 3 через измерительную ячейку 2 и возврат в накопительную емкость 3.
Так как заполнение пробой емкостей приемоотправительных станций 1.1 и 1.2 происходит снизу за счет вакуума, то в течение всего времени заполнения происходит непрерывное движение и перемешивание твердой фазы суспензии, что предотвращает выпадение твердых частиц в осадок, что является необходимым условием для измерения проб суспензий даже с высоким содержанием твердых частиц. По окончании цикла измерения пробы закрывают клапан подачи сжатого воздуха 7-К1, не нарушая работу остальных клапанов в автоматическом цикле, циркуляция прекращается, происходит продувка всех трактов и слив остатков проб через накопительную емкость 3 при открытом сбросном клапане 18 в дренаж.
После окончания слива измеренной пробы все тракты системы промывают. Для этого от контроллера блока электроуправления 4 согласно циклограмме подают электрическое питание на электропневмоклапан 9, закрывают сбросной клапан 18 и порция промывочной воды поступает в накопительную емкость 3. После этого открывают клапан подачи сжатого воздуха 7-К1. Поскольку работа остальных электропневмоклапанов не нарушалась, происходит циркуляция промывочной воды по измерительным трактам с очисткой системы от остатков предыдущей пробы с последующим сливом смывов в дренаж через сбросной клапан 18, как описано выше.
Допустимо использование в работе одной приемоотправительной станции при решении задач первичного отбора проб из пульпораспределительных коробов и другого технологического оборудования. При этом приемоотправительная станция выполняет функцию вакуумного пробоотборника. Отбор проб осуществляется через гибкий шланг, один конец которого опущен в технологический поток, а второй подключен к всасывающему штуцеру двухходового диафрагменного клапана 5. При подаче вакуума в емкость приемоотправительной станции происходит засасывание технологической пробы и накопление ее до уровня, определяемого датчиком 6. По сигналу от датчика уровня 6, команде от контроллера блока управления 4 и в соответствии с циклограммой одновременно переключаются диафрагмы двухходового клапана 5, подается сжатый воздух в емкость приемоотправительной станции 1 и отобранная проба через нагнетающий штуцер двухходового диафрагменного клапана 5, соединенный с транспортным трубопроводом, транспортируется к месту проведения анализа.
Преимуществами предлагаемой системы автоматической подачи и циркуляции проб суспензий и растворов в проточной ячейке измерительного прибора являются:
- простота конструкции устройств циркуляции, удобство обслуживания;
- отсутствие абразивного износа во вращающихся частях нагнетательных центробежных насосах и в рабочих зонах струйных насосов;
- одновременное обеспечение качественного перемешивания проб по всему тракту циркуляции, в том числе и в измерительной ячейке;
- минимизация объема измеряемой пробы и повышение точности измерения за счет многократной циркуляции,
- повышение безопасности и снижение энергозатрат эксплуатации системы за счет использования напряжения 24 В;
- возможность использования в качестве вакуумного пробоотборника.
Заявляемое техническое решение разработано и опробовано в ЗАО «ТЕХНОЛИНК» Санкт-Петербург, Россия.