УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕДИМЕНТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОДУКТОВ МОКРОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И СУСПЕНЗИЙ
DEVICE FOR SEDIMENTATION ANALYSIS OF WET GRINDING PRODUCTS AND SUSPENSIONS

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов путем определения их физических свойств, а именно: к исследованию продуктов мокрого измельчения и суспензий с использованием явления седиментации - осаждение твердых частиц под действием собственной силы тяжести, и может быть применено для контроля параметров продуктов мокрого измельчения и суспензий в горной, металлургической, химической и строительной отраслях.
Известно устройство для седиментационного исследования продуктов мокрого измельчения и суспензий - седиментационный гранулометр (РФ, патент №2196974, G01N 15/04, 20.01.2003), включающий осадительную трубу, на нижнем конце которой установлен клапан слива, измерительную трубку с датчиком давления и сообщенную с осадительной трубой с образованием свободного пространства над клапаном слива; камеру накопления пробы, снабженную отражателем, включающую сообщенную с ней разделительную камеру, снабженную клапаном для подачи воды и отверстиями для сброса в атмосферу сжатого воздуха; разделительная камера переходит в нижней части в трубу ввода пробы с отражателем на конце, размещенную внутри осадительной трубы; в верхней части с внутренним объемом разделительной камеры сообщен пробозаборный трубопровод. Труба ввода пробы на нижнем конце снабжена направляющим отражателем, а также демпфирующим устройством в виде шарика с седлом, свободно плавающим внутри ее нижней части.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для седиментационного исследования продуктов мокрого измельчения и суспензий - седиментационный гранулометр (СССР, а.с. №890157, G01N 15/04, 15.12.81), включающий осадительную трубу, на нижнем конце которой установлен клапан слива, измерительную трубку с датчиком давления и сообщенную с осадительной трубой с образованием свободного пространства над клапаном слива; камеру накопления пробы, снабженную отражателем и включающую сообщенную с ней разделительную камеру, снабженную клапаном для подачи воды и отверстиями для сброса в атмосферу сжатого воздуха; разделительная камера переходит в нижней части в трубу ввода пробы с отражателем на конце, размещенную внутри осадительной трубы; в верхней части с внутренним объемом разделительной камеры сообщен пробозаборный трубопровод, соединенный с устройством для бесконтейнерной отправки отбираемой пробы исследуемого продукта.
Выявленные в результате патентного поиска устройства позволяют определить относительное содержание частиц контролируемого класса крупности в исследуемой пробе продукта, которое оценивают по отношению A=h/H×100%, где Н - приращение давления по отношению к начальному в осадительной трубе после введения отбираемой пробы исследуемого продукта; h - приращение давления по отношению к начальному в осадительной трубе через время, соответствующее оседанию твердых частиц контролируемой крупности.
Основной недостаток выявленных в процессе патентных исследований известных устройств седиментационного исследования продуктов мокрого измельчения и суспензий (аналога и прототипа) состоит в том, что они позволяют определить только гранулометрический состав исследуемого продукта и не позволяют определить его плотность, что сужает их функциональные возможности.
Выявленные в процессе патентного поиска устройства содержат ряд технических мер, повышающих точность определения относительного содержания частиц контролируемого класса крупности в исследуемой пробе продукта, основные из которых: дополнительное разрушение в камере накопления пробы слипшихся частиц; выполнение отражателя на конце трубы ввода отбираемой пробы, который направляет вверх поток отбираемой пробы, вводимой в осадительную трубу, распределяя твердые частицы над уровнем врезки измерительной трубки в осадительную трубу; подача отбираемой пробы сжатым воздухом, что вызывает сильную турбулизацию отбираемой пробы, она хорошо перемешивается, нарушая условия для слипания частиц. Однако при загрузке пробы в осадительную трубу часть отбираемой пробы остается внутри трубы ввода. Кроме того, оба устройства не имеют технических возможностей для подачи отбираемой пробы строго определенного объема, что необходимо для определения плотности контролируемого продукта. При этом в обоих устройствах труба ввода с направляющим отражателем заканчивается в верхней части осадительной трубы. В результате рабочая площадь зеркала жидкости в поперечном сечении осадительной трубы в верхней ее части отличается на площадь сечения трубы ввода от площади сечения, расположенной ниже направляющего отражателя трубы ввода. Это приводит к увеличению погрешности при определении гранулометрического состава отбираемой пробы, так как определяемые величины приращения давления обратно пропорциональны площади сечения и теоретически могут быть рассчитаны по формуле: H(h)=P/S×((ρтв-1):ρтв), где H(h) - приращения давлений, Р - вес твердого в пробе, S - рабочая площадь зеркала жидкости в поперечном сечении осадительной трубы, ρтв - плотность пробы. Неравномерность рабочей площади зеркала жидкости в поперечном сечении осадительной трубы снижает достоверность результатов определения гранулометрического состава отбираемой пробы.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания устройства седиментационного исследования продуктов мокрого измельчения и суспензий, осуществление которого обеспечивает возможность достижения технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей, за счет определения не только гранулометрического состава исследуемого продукта, но и плотности продукта, а также в повышении достоверности результатов исследования.
Сущность заявленного изобретения заключается в том, что в устройстве для седиментационного исследования продуктов мокрого измельчения и суспензий, включающем осадительную трубу, на нижнем конце которой установлен клапан слива, измерительную трубку с датчиком давления и сообщенную с осадительной трубой с образованием свободного пространства над клапаном слива ниже места соединения с осадительной трубой, камеру накопления пробы, снабженную клапаном для подачи воды и переходящую в нижней части в трубу ввода пробы, снабженную направляющим отражателем и размещенную внутри осадительной трубы, пробозаборную трубку, сообщенную с камерой накопления пробы в ее верхней части, новым является то, что в устройство введены датчик уровня и блок вакуум-давления, а камера накопления пробы снабжена обратным клапаном слива, при этом датчик уровня размещен в верхней части камеры накопления пробы и функционально связан с блоком вакуум-давления, кроме того, клапан для подачи воды сообщен с камерой накопления пробы в ее верхней части. При этом труба ввода пробы после отражателя имеет продолжение до уровня соединения измерительной трубки с осадительной трубой.
Технический результат достигается следующим образом. Признаки формулы изобретения: «…включающее осадительную трубу, на нижнем конце которой установлен клапан слива, измерительную трубку с датчиком давления и сообщенную с осадительной трубой с образованием свободного пространства над клапаном слива ниже места соединения с осадительной трубой, камеру накопления пробы, снабженную клапаном для подачи воды и переходящую в нижней части в трубу ввода пробы, снабженную направляющим отражателем и размещенную внутри осадительной трубы, пробозаборную трубку, сообщенную с камерой накопления пробы в ее верхней части, …», являются обязательными для осуществления принципа седиментационного исследования, а следовательно, обеспечивают достижение заявленного технического результата. Кроме того, отражатель в трубе ввода пробы направляет вверх поток отбираемой пробы, вводимой в осадительную трубу, распределяя твердые частицы над уровнем соединения измерительной трубки с осадительной трубой, что повышает достоверность результатов измерения приращение давления по отношению к начальному в осадительной емкости после введения отбираемой пробы исследуемого продукта. Благодаря присоединению измерительной трубки к осадительной трубе с образованием свободного пространства над клапаном слива ниже места соединения с осадительной трубой образуется объем для осаждения частиц контролируемой крупности, что обеспечивает возможность исследования гранулометрического состава отбираемой пробы, а следовательно, и возможность осуществления заявленного технического результата.
Введение датчика уровня обеспечивает возможность контроля заполнения камеры накопления пробы до заданного уровня, а следовательно, обеспечивает возможность фиксации объема отбираемой пробы. Размещение датчика уровня в верхней части камеры обеспечивает возможность максимального использования объема камеры. Введение блока вакуум-давления, с которым датчик уровня связан функционально, обеспечивает возможность управления процессом загрузки камеры накопления и выгрузки отбираемой пробы (вводом пробы в осадительную трубу) по заданному уровню заполнения камеры, т.е. по наличию в камере фиксированного объема отбираемой пробы. При этом блок вакуум-давления на этапе подготовки устройства к забору пробы перед ее забором подает сжатый воздух для обдува датчика и камеры накопления; формирует вакуум в камере накопления пробы для засасывания отбираемой пробы до уровня, контролируемого датчиком, после достижения контролируемого уровня подает сжатый воздух для выдавливания отбираемой пробы из камеры накопления и трубы ввода в осадительную трубу. Наличие в камере накопления обратного клапана обеспечивает возможность создания вакуума в камере накопления при засасывании отбираемой пробы (клапан закрыт) и возможность выдавливания пробы из камеры и трубы ввода сжатым воздухом (клапан открыт). Таким образом, выше перечисленные признаки формулы изобретения обеспечивают возможность загрузки в осадительную трубу отбираемой пробы с фиксированным объемом, что обеспечивает возможность измерения плотности отбираемой пробы, обеспечивает работоспособность устройства и достижение заявленного технического результата.
При этом поскольку камера накопления пробы снабжена клапаном для подачи воды, который сообщен с ней в ее верхней части, а осадительная труба - клапаном слива на нижнем конце, то появляется возможность предварительной подготовки устройства к приему следующей пробы: промывка датчика уровня от возможных остатков предыдущей пробы, смыв стенок камеры и трубы ввода и удаления из осадительной трубы смыва. Возможность предварительной очистки устройства от частиц предыдущей пробы перед приемом очередной отбираемой пробы повышает достоверность результатов определения ее характеристик: гранулометрического состава и плотности. Клапан слива на нижнем конце осадительной трубы обеспечивает также освобождение трубы от исследованной отбираемой пробы, обеспечивая многоразовое использование устройства.
Кроме того, подача воды в верхнюю часть камеры накопления пробы позволяет на этапе ввода пробы сжатым воздухом в осадительную трубу последующей подачей воды смыть остатки пробы со стен камеры и промыть трубу ввода пробы. В результате в осадительную трубу поступает весь фиксированный объем отбираемой пробы. Кроме того, труба ввода при этом заполняется водой, что исключает после ввода в осадительную камеру отбираемой пробы возникновение колебаний уровней в сообщающихся сосудах: осадительная труба - измерительная трубка. Это повышает достоверность результатов исследований отбираемой пробы.
Благодаря тому что труба ввода пробы после отражателя имеет продолжение до уровня, на котором измерительная трубка сообщена с осадительной трубой, рабочая площадь зеркала жидкости в поперечном сечении осадительной трубы постоянна по всему ее внутреннему объему. Выравнивание активной площади снижает величину погрешности при определении гранулометрического состава и повышает достоверность полученных результатов.
Датчик давления измерительной трубки обеспечивает фиксацию изменения давления в осадительной трубе: фиксацию приращения давления в осадительной трубе после введения в нее пробы исследуемого продукта; фиксацию приращения давления по отношению к начальному в осадительной трубе через время, соответствующее оседанию твердых частиц контролируемой крупности. В результате обеспечивается: возможность определения плотности отбираемой пробы, так как приращение давления в осадительной трубе после введения в нее пробы исследуемого продукта пропорционально общему количеству твердых частиц в пробе; возможность разделения твердых частиц в отбираемой пробе по классам крупности, а следовательно, возможность определения гранулометрического состава отбираемой пробы исследуемого продукта.
Поскольку значения приращения давления по отношению к начальному в осадительной трубе после введения отбираемой пробы и приращения давления по отношению к начальному в осадительной трубе через время, соответствующее оседанию твердых частиц контролируемой крупности в отбираемой пробе, находятся в пропорциональной зависимости с количественным содержанием частиц в отбираемой пробе исследуемого продукта, это позволяет характеризовать количественное содержание частиц контролируемой крупности в отбираемой пробе через отношение данных величин и выполнять вычисление содержания твердых частиц контролируемой крупности по известной формуле: A=h/H×100%, где h - приращение давления по отношению к начальному в осадительной трубе через время, соответствующее оседанию твердых частиц контролируемой крупности; Н - приращение давления по отношению к начальному в осадительной трубе после введения отбираемой пробы.
Как уже было показано выше, датчик уровня фиксирует факт заполнения камеры накопления пробы, т.е. датчик контролирует и фиксирует объем отбираемой пробы. Зная объем отбираемой пробы можно вычислить ее плотность. Это вытекает из следующего. Поскольку объем отбираемой пробы исследуемого продукта, а приращение давления по отношению к начальному в осадительной трубе после введения отбираемой пробы пропорционально общему количеству частиц в отбираемой пробе исследуемого продукта, то можно оценить плотность частиц в единице объема пробы через отношение Н/Vп, которое характеризует количество частиц в пробе, приходящихся на единицу объема пробы, где Н - приращение давления по отношению к начальному в осадительной трубе после введения отбираемой пробы исследуемого продукта; Vп - объем отбираемой пробы исследуемого продукта.
Как было показано выше, поскольку частицы в осадительной трубе распределяются по всему ее поперечному сечению, то произведение S×H/Vп характеризует плотность отбираемой пробы исследуемого продукта без учета плотности воды, где S - рабочая площадь зеркала жидкости в поперечном сечении осадительной трубы. При этом в заявленном устройстве, благодаря тому что труба ввода пробы после отражателя имеет продолжение до уровня соединения измерительной трубки с осадительной трубой, рабочая площадь зеркала жидкости в поперечном сечении осадительной трубы постоянна по высоте трубы, что повышает достоверность определения плотности.
В результате заявленное устройство позволяет вычислить плотность отбираемой пробы исследуемого продукта по формуле: ρп=ρв+HS/Vn, где ρп и ρв соответственно плотность отбираемой пробы исследуемого продукта и плотность воды; Н - приращение давления по отношению к начальному в осадительной трубе после введения отбираемой пробы исследуемого продукта; S - рабочая площадь зеркала жидкости в поперечном сечении осадительной трубы; Vп - объем отбираемой пробы исследуемого продукта.
При этом S - рабочая площадь зеркала жидкости в поперечном сечении осадительной трубы для конкретной осадительной трубы является величиной известной (например, указана в паспорте на изделие) или вычисляется по результатам обмеров. Vп - объем отбираемой пробы исследуемого продукта обычно равен объему камеры накопления пробы до уровня датчика. В результате для конкретного устройства отношение S/Vп, также ρв являются величиной постоянной. В результате погрешность измерения как плотности отбираемой пробы, так и гранулометрического состава пробы определяется только погрешностью датчик давления, фиксирующего значения Н и h, что повышает достоверность полученных результатов.
Таким образом, повышение достоверности результатов исследования в заявленном устройстве достигается за счет следующего. Благодаря рациональному использованию объема камеры накопления пробы, а именно: благодаря предлагаемому подключению к камере накопления пробы клапана для подачи воды, пробозаборной трубки и размещению датчика уровня, функционально связанного с блоком вакуум-давления, в заявленном устройстве обеспечивается возможность предварительной подготовки камеры накопления пробы путем ее очистки от остатков частиц предыдущей пробы, а также подача в осадительную трубу полностью всей отобранной пробы сжатым воздухом с последующим смывом ее остатков со стен камеры и из трубы ввода. В результате последнего труба ввода оказывается заполненной водой, что после ввода в осадительную камеру отбираемой пробы практически исключает возникновение колебаний уровней в сообщающихся сосудах: осадительная труба - измерительная трубка, оптимизирует режим установления динамического равновесия и время установления фиксированного уровня в измерительной трубке. Поскольку труба ввода имеет продолжение до уровня, на котором измерительная трубка сообщена с осадительной трубой, рабочая площадь зеркала жидкости в поперечном сечении осадительной трубы выравнивается по всему ее внутреннему объему до этого уровня. Выравнивание активной площади зеркала жидкости в поперечном сечении осадительной трубы снижает величину погрешности при определении гранулометрического состава.
Возможность фиксации объема пробы исследуемого продукта позволила результаты седиментационного исследования, необходимые для определения гранулометрического состава исследуемого продукта, а именно измерение Н - приращение давления в осадительной трубе после введения в нее пробы исследуемого продукта, использовать не только для определения содержания в исследуемом продукте твердых частиц контролируемой крупности, но и для определения плотности исследуемого продукта, что расширяет функциональные возможности заявленного устройства. Результаты измерения используются для определения плотности исследуемого продукта по обоснованной теоретически и проверенной практически математической формуле ρп=ρв+HS/Vп. Это расширяет функциональные возможности заявленного устройства.
Из выше изложенного следует, что предлагаемое устройство седиментационного исследования продуктов мокрого измельчения и суспензий при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей за счет определения не только гранулометрического состава исследуемого продукта, но и плотности продукта, а также в повышении достоверности результатов исследования.
На фигуре схематично изображено заявленное устройство для седиментационного исследования продуктов мокрого измельчения и суспензий, включающее: осадительную трубу 1, на нижнем конце которой установлен клапан слива 2; измерительную трубку 3 с датчиком давления 4, сообщенную с осадительной трубой 1 с образованием свободного пространства над клапаном слива 2 ниже места соединения с осадительной трубой 1; трубу ввода 5 пробы с направляющим отражателем 6 и размещенную внутри осадительной трубы; пробозаборную трубку 7; камеру 8 накопления пробы, которая снабжена обратным клапаном слива 9; датчик уровня 10, который размещен в верхней части камеры 8 накопления пробы и функционально связан с введенным в устройство блоком вакуум-давления 11; камера 8 накопления пробы переходит в нижней части в трубу ввода пробы 5 и снабжена, кроме того, клапаном для подачи воды 12. Пробозаборная трубка 7 и клапан для подачи воды 12 сообщены с камерой 8 накопления пробы в ее верхней части. Труба ввода пробы 5 после отражателя 6 имеет продолжение до уровня соединения измерительной трубки 3 с осадительной трубой 1. Отражатель 6 размещен, например, в верхней части трубы ввода 5. Патрубки 13, 14 соответственно для подвода отбираемой пробы и воды могут быть выполнены под углом к корпусу камеры 8 накопления таким образом, чтобы склеенные частицы пробы при засасывании в камеру ударялись об отражатель 15, установленный в камере 8, и разделялись на более мелкие, а вода поступала в камеру 8 сверху, омывала датчик уровня 10 и частично попадала в пробозаборную трубку 7, промывая ее в начале работы устройства.
Устройство работает следующим образом. Клапан 2 открыт. Включают клапан 12 для подачи воды. Вода омывает датчик уровня 10, стенки камеры 8, трубу ввода 5 и осадительную трубу 1. Смыв сливается через открытый клапан 2. Затем клапан 2 закрывают. Вода продолжает поступать через клапан 12, камеру накопления пробы 8 и через трубу ввода 5 в осадительную трубу 1 до перелива через верхние кромки осадительной трубы 1. В осадительной трубе 1 и измерительной трубке 3 устанавливается одинаковый уровень воды, что фиксирует датчик 4. Клапан 12 закрывают. Подачу воды прекращают. После этого кратковременно включают блок вакуум-давления 11 для подачи сжатого воздуха, который обдувает датчик уровня 10 и выносит из камеры накопления пробы 8 остатки воды. Клапан 9 в это время открыт. После этого переключают блок 11 для подачи вакуума в камеру накопления пробы 8. В результате через пробозаборную трубку 7 в камеру 8 засасывается отбираемая проба до момента срабатывания датчика уровня 10. При этом клапан 9 закрывается под действием вакуума, обеспечивается герметичность камеры 8. После достижения заданного уровня заполнения камеры 8, который фиксирует датчик уровня 10, блок 11 переключают на подачу в камеру 8 сжатого воздуха, который вытесняет пробу из камеры 8 через трубу ввода 5 в осадительную трубу 1. При этом клапан 9 открыт. Вслед за подачей воздуха в камеру 8 кратковременно подают воду, которая вымывает остатки твердых частиц со стен камеры 8 и из трубы ввода 5. При этом труба ввода 5 заполняется водой.
Отражателем 6 проба направляется в верхнюю часть осадительной трубы 1, вытесняя из нее объем воды, равный объему введенной пробы. Вес столба гидросмеси в осадительной требе 1 увеличивается при сохранении его высоты. Разница давлений гидросмеси в трубе 1 и в измерительной трубке 3 уравновешивается подъемом уровня воды в трубке 3 на величину, пропорциональную суммарному весу твердых частиц в веденной пробе. Изменение давления в измерительной трубке 3 фиксирует датчик давления 4. При выседании частиц ниже уровня подсоединения трубки 3 к трубе 1, вес вышерасположенного столба гидросмеси уменьшается. Соответственно снижается уровень воды в трубке 3, что фиксирует датчик давления 4. Зная заранее время оседания частиц контролируемого класса крупности, измеряют соответствующую разницу давлений.
Таким образом, датчик давления 4 фиксирует начальное давление, создаваемое эталонной жидкостью в осадительной трубе 1 и давление в осадительной трубе 1 после введения отбираемой пробы. Это позволяет вычислить приращения давления (Н) по отношению к начальному в осадительной трубе 1 после введения отбираемой пробы, которое пропорционально общему содержанию твердых части в отбираемой пробе.
Для определения гранулометрического состава отбираемой пробы измеряют приращение давления по отношению к начальному в осадительной трубе 1 через время, соответствующее оседанию твердых частиц контролируемой крупности. В течение этого времени в осадительной трубе 1 контролируемые частицы осядут в свободном пространстве над клапаном слива 2 ниже места подсоединения измерительной трубки 5. При этом в осадительной трубе 1 давление, контролируемое измерительной трубкой 3 по принципу сообщающихся сосудов, пропорционально изменится и уровень воды в измерительной трубке 3 несколько понизится, что зафиксирует датчик 4. После этого вычисляют h - приращение давления по отношению к начальному в осадительной трубе 1 через время, соответствующее оседанию твердых частиц контролируемой крупности.
Скорость оседания частиц пропорциональна квадрату их радиуса, т.е. разделение частиц по классу крупности происходит достаточно четко. Предварительно выполняют калибровку устройства, т.е. опытным путем определяют время, соответствующее оседанию твердых частиц контролируемой крупности.
Вычисляют содержание в отбираемой пробе твердых частиц контролируемой крупности по известной формуле: A=h/H×100%, где h - приращение давления по отношению к начальному в осадительной трубе через время, соответствующее оседанию твердых частиц контролируемой крупности; Н - приращение давления по отношению к начальному в осадительной трубе после введения отбираемой пробы исследуемого продукта.
Плотность отбираемой пробы исследуемого продукта вычисляют по формуле: ρп=ρв+HS/Vп, где ρп и ρв соответственно плотность отбираемой пробы исследуемого продукта и плотность воды; Н - приращение давления по отношению к начальному в осадительной трубе после введения отбираемой пробы исследуемого продукта; S - рабочая площадь зеркала жидкости в поперечном сечении осадительной трубы; Vп - объем отбираемой пробы исследуемого продукта.
После окончания исследования отбираемой пробы открывают клапан слива 2 и освобождают осадительную трубу 1.
Блок вакумм-давления 11 может состоять из двух электромагнитных клапанов и расположенного между ними эжектора. При включенных одновременно двух клапанов блок работает на вакуум. Если один клапан открыт, а другой закрыт - блок работает на продувку.
Датчик уровня 10 может быть выполнен, например, емкостным.