УСТРОЙСТВО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ СРЕДЫ ПОСРЕДСТВОМ МАГНИТНОЙ МЕШАЛКИ

Полезная модель относится к области аналитического приборостроения, в частности к устройствам, обеспечивающим перемешивание технологических сред, и может быть использована в технологических производственных процессах, при выполнении электрохимических анализов, анализов свертываемости крови, в гальванике, кулонометрии и других областях техники.
Известны устройства для перемешивания жидких немагнитных сред
посредством магнитных мешалок, в частности,
DE, патент 3211191 G01N 33/86, 1993.
Перемешиваемая среда находится в сосуде, в который помещен перемешивающий элемент в виде стального шарика, приводимого в движение магнитным полем привода.
Привод шарика выполнен в виде электромагнита, питаемого переменным током. Недостатки указанного технического решения:
- зависимость скорости вращения перемешивающего элемента от вязкости среды, и, как следствие, нестационарность и изменения периода вращения перемешивающего элемента и паразитный нагрев пробы при работе мешалки.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является магнитная мешалка, принцип устройства которой описан в патенте №2172483 от 2001.08.20.
Дно сосуда, в котором находится перемешиваемая жидкая среда, в центральной части содержит углубление с круговым сечением параллельно основанию кюветы. Поверхность углубления выполнена сферической.
В качестве перемешивающего элемента магнитной мешалки используют два стальных шарика, соприкасающихся друг с другом. Средство создания
магнитного поля (привод) выполнено в виде многополюсного переменного электромагнита, полюса которого расположены по кругу в плоскости, параллельной основанию кюветы.
Недостатки указанного технического решения:
- зависимость скорости вращения перемешивающего элемента от вязкости среды, и, как следствие, нестационарность и изменения периода вращения перемешивающего элемента мешалки; необходимость использования специальных кювет со сферическим углублением; паразитный нагрев пробы.
Технический результат предлагаемой полезной модели - повышение производительности и точности (достоверности) анализов и снижение их стоимости за счет уменьшения объема проб и расхода дорогих реактивов, снижение расхода энергии, повышение надежности и ресурса непрерывной работы, упрощение конструкции и уменьшение габаритов магнитных мешалок. Для получения указанного технического результата предложено использовать устройство перемешивания жидкой среды посредством магнитной мешалки, которое содержит привод с магнитными полюсами, причем привод с магнитными полюсами расположен снаружи резервуара с перемешиваемой жидкостью под дном резервуара и перемешивающий элемент, который помещен в перемешиваемую среду и находится на дне резервуара, причем перемешивающий элемент представляет собой постоянный магнит цилиндрической формы с высокой коэрцитивной силой и осевой поляризацией вектора намагниченности магнитного поля, причем постоянный магнит изготовлен неэлектропроводным и заключен в герметичную тонкостенную оболочку из кислотостойкого материала, а обмотки магнитных полюсов привода подключены попарно последовательно и согласно к выходам коммутатора, вход которого связан с выходом усилителя, вход которого подключен к выходу управляемого генератора прямоугольных импульсов, вход которого связан с выходом задатчика скорости перемешивания, дополнительно снабженного плавным,
либо дискретным регулятором скорости вращения перемешивающего элемента, указателем текущего числа оборотов и светодиодным индикатором вращения магнитного поля статора привода мешалки, причем указанный резервуар выполнен из немагнитного и неэлектропроводного кислотостойкого материала. Магнитные полюса привода, представляющие его статор, создают дискретное в пространстве и во времени магнитное поле для строго синхронного (по типу шагового двигателя) вращения цилиндрического постоянного магнита, причем магнитные полюса привода расположены в точках окружности, плоскость которой параллельна основанию (дну) сосуда. Так как перемешиваемые среды имеют различную вязкость (химические растворы, масла, растворы крови, герметики и др.), мешалка должна удовлетворять двум главным требованиям:
1. Перемешивающий элемент должен иметь плавно регулируемую скорость вращения, т.к. от величины скорости зависит интенсивность (качество) перемешивания, необходимая для данной среды при данной вязкости.
2. Заданное значение скорости перемешивания должно стабильно поддерживаться в течение всего времени работы мешалки.
Эти требования вытекают из технологии, т.к. от их выполнения зависит либо достоверность анализов, либо качество полученного продукта.
Известные технические решения не удовлетворяют этим требованиям, т.к. перемешивающий элемент вращается неравномерно, т.е. с переменной скоростью, зависящей от вязкости среды, причем чем больше вязкость, тем меньше скорость (хуже качество перемешивания) и больше паразитный нагрев пробы. В этих условиях для получения необходимого качества перемешивания приходится увеличивать время процесса, что недопустимо снижает время жизни продукта (например, герметика), или при выполнении химических анализов снижает их достоверность.
Особо следует отметить паразитный и зависящий от вязкости нагрев перемешивающего элемента (ротора) током, протекающим по нему, что
делает необходимым введение в установку термостабилизирующих устройств, т.к. без них температура пробы быстро растет, что существенно снижает достоверность анализа, либо время жизни продукта.
Таким образом, неравномерное или несинхронное с магнитным полем привода движение перемешивающего элемента является главным недостатком известных технических решений.
Принципиальная зависимость скорости перемешивания от вязкости среды присуща известным техническим решениям потому, что перемешивающий элемент (ротор) изготовлен из ферромагнитного электропроводящего материала (сталь), в котором переменное магнитное поле привода (статора) наводит ЭДС, под действием которой в роторе появляется ток. Магнитное поле этого тока, взаимодействуя с магнитным полем привода (статора), приводит в движение перемешивающий элемент (ротор). Таким образом, мешалки в известных технических решениях работают по принципу асинхронного двигателя, чем и обусловлена зависимость скорости вращения перемешивающего элемента (ротора) от вязкости среды. Кроме того, скорости ротора и магнитного поля привода (статора) всегда отличаются на величину скольжения, которое зависит от нагрузки, в качестве которой выступает вязкость перемешиваемой среды.
Известно так же, что нагрузочная способность двигателя, в котором в качестве ротора используют сталь, невелика, иначе говоря, скорость вращения ротора сильно зависит от нагрузки, поэтому и «нестационарность движения шариков» и «изменения периода вращения шариков» в зависимости от нагрузки, в качестве которой выступает вязкость, принципиально присущи конструкциям мешалок, описанных в известных технических решениях.
В предлагаемом устройстве перемешивающий элемент представляет собой цилиндрический постоянный магнит с высокой коэрцитивной силой и изготовлен из ферромагнитного неэлектропроводного материала методом
спекания порошка и с последующим намагничиванием с поляризацией вектора намагниченности вдоль геометрической оси.
Привод расположен под немагнитным основанием и обеспечивает синхронное вращение постоянного магнита вокруг оси, проходящей через его центр перпендикулярно образующей цилиндра.
Техническая задача, решаемая посредством предлагаемой полезной модели: - устранение неравномерности скорости вращения перемешивающего элемента (ротора), т.е. зависимости скорости вращения от вязкости среды, и, как следствие, устранение нестационарности и изменения периода вращения перемешивающего элемента (ротора) мешалки;
- устранение нагрева пробы; - расширение области применения за счет использования стандартных сосудов с немагнитным плоским дном.
Магнитная мешалка Фиг.1 изображена в рабочем состоянии с сосудом 1, в котором находится перемешиваемая жидкость 2 и перемешивающий элемент 3. Немагнитное основание 4 - часть корпуса, в котором размещены все блоки и органы управления, в том числе и привод (статор) мешалки.
Привод содержит магнитные полюса 5 со стержнями. На стержне магнитного полюса 5 размещен электроизоляционный каркас 6; на нем расположена обмотка 7 магнитного полюса. Изолирующее основание 8 служит для распайки выводов обмоток магнитных полюсов статора, которые объединены в единую магнитную систему магнитопроводом 9.
Взаимное расположение в плане магнитных полюсов 5 статора и перемешивающего элемента 3 в текущий момент времени показано на Фиг.2.
На рисунках представлена конструкция статора привода с двумя парами полюсов; количество полюсов может быть любым, кратным двум.
Электрическая часть устройства перемешивания содержит источник питания 10, задатчик 11 скорости перемешивания, снабженный шкалой и указателем числа оборотов, управляемый генератор импульсов 12, усилитель мощности 13, коммутатор 14, обмотки магнитных полюсов статора 15 и светодиодный индикатор 16 вращения поля статора привода.
Устройство работает следующим образом:
Задатчиком 11 скорости перемешивания устанавливают нужное значение скорости перемешивания. При включении в сеть источника питания 10 управляемый генератор импульсов 12 начинает вырабатывать прямоугольные импульсы с частотой, определяемой задатчиком 11 скорости перемешивания. После усилителя мощности 13 импульсы поступают на вход коммутатора 14, который распределяет их, поочередно включая каждую пару магнитных полюсов 15 статора. Как видно из Фиг.2, в каждый момент времени включаются два диаметрально противоположных полюса и перемешивающий элемент 3 притягивается к ним, занимая положение, показанное на Фиг.2. В этом положении он находится, пока длится импульс.
Затем для данной пары полюсов наступает пауза, т.к. импульс подается на следующую пару полюсов. При этом перемешивающий элемент 3 притягивается к следующей паре полюсов 15 статора и делает шаг, поворачиваясь на угол 360/2р, где р - число пар полюсов (в рассматриваемом случае р=2 и угол равен 90 градусам).
Заканчивая поворот на 360 градусов, перемешивающий элемент 3 подойдет к исходной паре полюсов статора в другой полярности (см. Фиг.2), поэтому коммутатор 14 автоматически изменяет полярность магнитных полюсов 15 статора перед окончанием каждого оборота перемешивающего элемента 3. Процесс повторяется и перемешивающий элемент 3 вращается, перемешивая жидкую среду 2, находящуюся в сосуде 1, причем вращение происходит строго синхронно с полем магнитных полюсов 15 статора т.е. отсутствует скольжение, присущее принципу асинхронного двигателя, а следовательно, и зависимость скорости вращения перемешивающего элемента 3 - постоянного магнита (ротора) от вязкости среды и, как следствие - нестационарность и изменения периода вращения перемешивающего элемента - постоянного магнита (ротора) мешалки.
Вращение поля магнитных полюсов индицируется светодиодным индикатором 16 вращения магнитного поля статора привода.
Так как перемешивающий элемент 3 - постоянный магнит изготовлен из неэлектропроводного материала, в нем отсутствуют потери на вихревые токи и гистерезис, т.е. отсутствует нагрев в процессе работы.
Предлагаемое устройство испытано в цеховых условиях при проведении химических анализов сплавов металлов на процентное содержание отдельных компонентов посредством электролитического осаждения из раствора. Выявлены:
- равномерность перемешивания по всему объему пробы,
- отсутствие нестационарности и турбулентности движения анализируемой среды во время перемешивания за счет подбора скорости мешалки, необходимой при конкретных объеме пробы и вязкости среды, что обеспечивается наличием плавного регулирования скорости,
- отсутствие нагрева пробы во время работы мешалки;
- снижение погрешности анализа за счет высокой однородности раствора по всему объему пробы и, тем самым, одновременного протекания процесса анализа во всем объеме; - возможность использования стандартных сосудов;
- некритичность мешалки к центровке относительно стенок сосуда и к горизонтальности установки, а также к толщине сосуда;
- простота обслуживания, мобильность при малом весе и габаритах, возможность использования как в лабораторных, так и в цеховых условиях.