Instrument for monitoring content of magnetoactive particles in fluid medium on basis of operational masses of the emitted particles production

DOI:https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.119.5.057

Прибор для контроля содержания в текучей среде магнитоактивных частиц на основе получения операционных масс выделяемых частиц

Научная статья

Сандуляк А.А.¹, Киселев Д.О.², Сандуляк Д.А.³, Полисмакова М.Н.^4, *, Кочуров К.А.⁵, Красильников Е.А.⁶, Харин А.С.⁷

¹ ORCID: 0000-0002-5111-6092;

³ ORCID: 0000-0003-4269-6133;

⁴ ORCID: 0000-0002-4564-6206;

⁶ ORCID: 0000-0001-9278-5340;

⁷ ORCID: 0000-0002-0922-1366;

^{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}МИРЭА-Российский технологический университет, Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (m.polismakova[at]mail.ru)

Аннотация

Разработан прибор для использования в лабораторной практике различных отраслей промышленности с целью контроля содержания магнитоактивных частиц в текучей среде. В устройство прибора входит исполнительный магнитный сепаратор, обеспечивающий не менее трех пошагово осуществляемых операций сепарации пробы среды посредством проникающих в поток этой среды последовательно расположенных источников равноценного магнитного воздействия, каждый из которых состоит из неферромагнитного гнезда и периодически помещаемого в это гнездо магнитного блока. Под каждым из гнезд, где осуществляется самопроизвольный сброс частиц, выделенных из потока среды магнитным осаждением их на внешней поверхности гнезд и перемещаемых к начальному участку гнезда при периодическом выведении из него магнитного блока, расположены весы с тензодатчиками, сигналы от которых поступают в системный блок цифровизации контроля содержания магнитоактивных частиц, обладающий функциями визуализации получаемой зависимости операционных масс выделяемых частиц.

Ключевые слова: магнитоактивные частицы, контроль содержания в текучих средах, магнитное выделение, магнитное осаждение, магнитный сепаратор, цифровизация контроля содержания магнитоактивных частиц.

Instrument for monitoring content of magnetoactive particles in fluid medium on basis of operational masses of the emitted particles production

Research article

Sandulyak A.A.¹, Kiselev D.O.², Sandulyak D.A.³, Polismakova M.N.^4,*, Kochurov K.A.⁵, Krasil'nikov E.A.⁶, Harin A.S.⁷

¹ ORCID: 0000-0002-5111-6092;

³ ORCID: 0000-0003-4269-6133;

⁴ ORCID: 0000-0002-4564-6206;

⁶ ORCID: 0000-0001-9278-5340;

⁷ ORCID: 0000-0002-0922-1366;

^{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}MIREA – Russian Technological University, Moscow, Russia

* Correspondent author (m.polismakova[at]mail.ru)

Abstract

An instrument has been developed for use in laboratory practice of various industries for the purpose of monitoring the magnetoactive particles content in a fluid medium.  The device comprises an operative magnetic cobbing machiner which provides for at least three step-by-step separate operations of the medium by means of sequentially arranged sources of equal magnetic action penetrating the flow of the medium, each of which consists of a nonmagnetic socket and a magnetic block periodically placed in the pole piece. Under each of the sockets, where spontaneous discharge of particles separates from the medium flux by magnetic coating on the outer surface of the sockets and transports to the initial section of the socket at the periodic removal of a magnetic block, there are scales with tension gauges, signals of which are transferred to the system digitization unit for the control of the magnetoactive particle content, which has the functions of visualizing the resulting dependency of the operational masses of the emitted particles.

Keywords:magnetic particles, monitoring content of content in fluid medium, magnetic removal, magnetic coating, magnetic cobbing machine, digitization unit for the control of the magnetoactive particle content.

Введение

Разработка промышленного образца прибора, предназначенного для оперативного контроля содержания в текучих (в частности, сыпучих: гранулированных, зернистых, порошковых) средах магнитоактивных частиц является актуальной задачей для различных производств – пищевых, керамических, горнообогатительных, химических, литейных и других. Благодаря объективному контролю содержания таких частиц, повышается результативность последующего решения задачи магнитной сепарации контролируемой среды, что крайне важно для получения полезного и безопасного продукта, повышения качества сырья и рабочих агентов.

Принципиальным требованием к измерительным приборам такого назначения, основанным на принципе магнитного выделения магнитоактивных частиц, является обеспечение достоверных результатов и работоспособности прибора при осуществлении контроля проб разных сред – с разным содержанием этих частиц, что следует из анализа существующих приборов и разработок, приведенных в работах [1], [2], [4], [5]. Учитывая, что массовая доля таких частиц в исследуемых пробах может различаться в пределах до нескольких порядков, дизайн корпуса прибора должен предоставлять возможность пользователю, визуально отслеживать интенсивность накопления улавливаемых частиц. Что позволит предотвратить искажение результатов контроля и выход прибора из строя или, если корпус прибора выполнен сборно-разборным, необходимости затратного во времени восстановления его работоспособности, в том случае, когда при повышенном содержания магнитоактивных частиц в пробе исследуемой среды, происходит стремительное накопление осаждающихся частиц.

Результаты разработки

Разработанный прибор для контроля магнитоактивных частиц лишен отмеченных описанных выше недостатков. На рис. 1 представлена фотоиллюстрация прибора.

Рис.1 – Фотоиллюстрация прибора для опытно-цифрового контроля магнитоактивных частиц в текучей среде

Прибор удовлетворяет принципиально важному требованию к измерительным приборам такого назначения, а именно к приборам для контроля содержания магнитоактивных частиц в текучей среде, основанным на принципе магнитного выделения при помощи блоков магнитного воздействия на пробу среды (многозонным, с возможностью определения масс магнитоактивных частиц, принудительно осаждаемых в каждой из зон магнитного выделения). Использование прибора позволяет обеспечивать его бесперебойную работоспособность при осуществлении контроля проб разных сред – с разным содержанием магнитоактивных частиц (как со сравнительно низким, так и высоким их содержанием в пробе).

Так, пользователь прибора, благодаря целенаправленному исполнению корпуса из прозрачного материала (см. рис. 1), в частности, оргстекла, располагает текущей информацией о фактическом накоплении частиц, т.е. в режиме реального времени может наблюдать и оперативно регулировать накопление магнитоактивных частиц в каждой из зон их магнитного выделения в этом приборе. Даже в случае повышенного (разумеется, заранее неизвестного) содержания этих частиц в пробе контролируемой среды, когда осаждающиеся частицы стремительно накапливаются, пользователь прибора, имея возможность визуальной оценки, своевременно принимает соответствующее решение, например, о сокращении объема пробы, тем самым исключая саму возможность перенасыщения зон магнитного выделения, переброс накоплений с одной зоны в другую. А значит, исключается искажение результатов контроля и получение недостоверных измерений, не нарушается работоспособность прибора (демонтаж-монтаж корпуса и других элементов не требуется). В случае же заниженного содержания магнитоактивных частиц в пробе контролируемой среды, когда осаждающиеся частицы накапливаются медленно, пользователь прибора своевременно принимает соответствующее решение, например, об увеличении объема пробы, создавая тем самым более благоприятные условия для получения итоговых результатов контроля.

Следовательно, благодаря исполнению корпуса из прозрачного материала, пользователь прибора имеет возможность оптимизировать процесс контроля. К тому же, корпус прибора (сборно-разборный, снабженный бункерами загрузки и выгрузки пробы среды) содержит необходимые технологические гнезда – для размещения в каждой из зон магнитного выделения блоков магнитного воздействия и датчиков соответствующих цифровых устройств передачи данных на микроконтроллер и монитор компьютера [6].

На рис. 2 показан общий вид с разрезом варианта разрабатываемого прибора для осуществления опытно-цифрового анализа содержания магнитоактивных частиц в сыпучей среде.

Рис. 2 – Схема прибора для опытно-цифрового контроля магнитоактивных частиц

Он содержит магнитный сепаратор, обеспечивающий пять последовательных операций сепарации контрольной пробы из исследуемой среды 1 путем проникания в поток этой сепарируемой пробы, пяти источников, равнозначных по магнитному воздействию. Каждый из этих источников магнитного воздействия представляет собой магнитный блок 4, состоящий из системы постоянных магнитов (как и другие четыре магнитных блока),которые периодическипомещаются в заглушенное в концевой части, неферромагнитное гнездо 2, закрепленное в вертикальной поверхности рабочего канала 3. Под каждым из этих гнезд 2, в месте, где происходит самопроизвольный сброс уловленных частиц,осевших на внешней поверхности гнезд 2, периодически перемещаемых к участку для выведения магнитного блока 4 из гнезда 2, установлены весы 5, выполненные, как проградуированные тензодатчики. Для защиты весов 5, от потока сепарируемой пробы среды 1 предусмотрена неферромагнитная защитная перегородка 6. Для подачи контрольной пробы среды 1 в магнитный сепаратор служит питательный бункер 7, а для её отвода после сепарации приемная емкость 8, для удобства регулирования расхода предусмотрено средство шиберного типа 9. Обработка сигналов, поступающих от всех 5 весов с тензодатчиками, поступает на системный блок 10, где происходит цифровизация анализа содержания выделяемых магнитоактивных частиц. Цифровизация процесса анализа, позволят получать зависимости операционных масс магнитоактивных частиц, выделяемых из потока среды, с возможностью дальнейшей экстраполяции этой зависимости, интеграции фактических и экстраполяционных данных операционных масс выделяемых частиц.

Проба исследуемой среды 1, подается в прибор через питательный бункер 7, проходя по рабочему каналу 3, подвергается последовательным операциям сепарации пробы за счет магнитного воздействия, осуществляемого магнитными блоками 4, помещенными в неферромагнитные гнезда 2, для объективности и в последующем получении необходимой зависимости, вместо минимальных 3-х операций, предусмотрено 5. Магнитоактивные частицы, присутствующие в исследуемой среде 1, подвергаются воздействию магнитного поля и осаждаются на внешних поверхностях гнезд 2, с закономерным уменьшением массы уловленных магнитоактивных частиц на каждом последующем гнезде 2 по мере прохождения пробы исследуемой среды 1 вниз по рабочему каналу 3. После пропускания нужного количества исследуемой пробы 1 через магнитный сепаратор осуществляется вывод магнитных блоков 4 из гнезд 2, путем перемещения магнитных блоков 4, а с ним и выделенных из потока среды 1 магнитоактивных частиц, осевших на внешней поверхности гнезд 2, с последующим их самопроизвольным сбросом на весы 5 с тензодатчиками. После полного вывода магнитного блока 4 за пределы гнезда 2, магнитное воздействие на уловленные магнитоактивные частицы исчезает. Сигналы от всех весов с тензодатчиками 5 поступают на цифровую обработку в системный блок 10, где происходит цифровизация анализа содержания магнитоактивных частиц в изучаемой пробе среды, в котором осуществляется визуализация получаемой зависимости операционных, выделенных из потока среды масс частиц, экстраполяция этой зависимости, интеграция фактических и экстраполяционных данных операционных масс выделяемых частиц – с получением соответствующей информации оператором [7].

В связи с существующей потребностью цифровизации магнитного контроля, описанного в патенте [8], предложена программа ЭВМ [9]. Ее суть заключается в обработке данных (масс навесок), полученных при проведении такого контрольного числа операций выделения магнитоактивных частиц из пробы, которое позволяет установить функциональный вид зависимости убывания масс навесок.

Получаемая зависимость – это экспоненциальная функция типа m=a·exp(-k·n) с опытно-расчетными параметрами а и k.Будучи дискретной, такая функция представляет собой убывающую геометрическую прогрессию, а это дает возможность определения полной (соответствует неограниченному числу операций) массы магнитоактивных примесей в пробе: как фактически выделенных, так и остаточных, используя полученную в [10] расчетную формулу:

Рис. 3 – Фрагмент работы программы ЭВМ

В верхнем левом углу приводится зависимость убывания масс навесок, в правом верхнем углу – обработка в полулогарифмических координатах с получением экспоненциальной зависимости. В правом нижнем углу приводится итоговый результат расчета [9]. По полученной массе магнитоактивных примесей в пробе Σm, учитывая объем пробы, находится содержание (концентрация) в ней этих примесей.

Заключение

Благодаря объективному контролю содержания магнитоактивных частиц с помощью разработанного прибора, повышается результативность последующего решения задачи магнитной сепарации контролируемой среды, что крайне важно для получения полезного и безопасного продукта, повышения качества сырья и рабочих агентов различных производств – пищевых, керамических, горнообогатительных, химических, литейных и других.

Финансирование Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках Госзадания в сфере науки – проект № 0706-2020-0024.	Funding The study was carried out with the financial support of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation within the framework of the State Task in the field of science - project No. 0706-2020-0024.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы / References

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. и др.
4. ГОСТ 20239-74. Мука, крупа и отруби. Метод определения металломагнитной примеси.
5. Патент РФ 2486012. Способ извлечения железосодержащих компонентов из техногенного материала тонкого класса / Прохоров К.В., Александрова Т.Н., Богомяков Р.В.
6. Патент на промышленный образец RU№127016. Прибор для контроля магнитоактивных частиц в текучей среде. / Д.А.Сандуляк, Д.О.Киселев, А.А. Сандуляк и др.
7. Патент RU № 2752578. Устройство для опытно-цифрового анализа содержания в текучей среде магнитно-восприимчивых частиц. / Д.А.Сандуляк, А.А.Сандуляк, Д.О.Киселев и др.
8. Патент RU2409425. Способ определения концентрации магнитовосприимчивых примесей в текучей среде. / А.В.Сандуляк, М.Н.Пугачева, А.А.Сандуляк и др.
9. Свидетельство о регистрации программы ЭВМ №2020665261. Программа ЭВМ для цифровой обработки операционных масс магнитно-восприимчивых частиц, выделяемых из текучей среды. / Д.А.Сандуляк, Д.О.Киселев, А.А. Сандуляк и др.
10. Функциональная экстраполяция массово-операционной характеристики магнитофореза как основа прецизионного метода контроля феррочастиц / A.A. Сандуляк, М.Н. Полисмакова, Д.В. Ершов и др. // Измерительная техника. – 2010. – №8. – С. 57 – 60.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Patent US 4492921. Method of Determining the Quantity of Solid Fraction of Ferromagnetic Matter in a Fluid / A.V.Sandulyak, V.I.Garaschenko, O.J.Korkhov.
2. Patent RU 2231394. Magnitnyy separator-analizator [Magnetic separator-analyzer] / A.G.Zvegintsev, V.I.Kilin.[in Russian]
3. Patent RU 2197529.Ustroystvo dlya opredeleniya soderzhaniya metallomagnitnykh primesey v pishchevykh ili kormovykh sypuchikh produktakh[A device for determining the content of metallomagnetic impurities in food or feed bulk products] / A.I.Sambursky, Z.A.Perminova, N.A.Puchkova et al.[in Russian]
4. GOST 20239-74. Muka. krupa i otrubi. Metod opredeleniya metallomagnitnoy primesi [Flour, cereals and bran. Method of determination of a metallomagnetic impurity.].[in Russian]
5. Patent RU 2486012. Sposob izvlecheniya zhelezosoderzhashchikh komponentov iz tekhnogennogo materiala tonkogo klassa [Method of extraction of iron-containing components from technogenic material of a thin class ] / V.Prokhorov, T.N.Alexandrova, R.V.Bogomyakov.[in Russian]
6. Patent for industrial design RU No. 127016.Pribor dlya kontrolya magnitoaktivnykh chastits v tekuchey srede[A device for monitoring magnetically active particles in a fluid medium] / D.A.Sandulyak, D.O.Kiselev, A.A.Sandulyak et al.[in Russian]
7. Patent RU No. 2752578. Ustroystvo dlya opytno-tsifrovogo analiza soderzhaniya v tekuchey srede magnitno-vospriimchivykh chastits [A device for experimental digital analysis of the content of magnetically susceptible particles in a fluid medium] / D.A.Sandulyak, A.A.Sandulyak, D.O.Kiselev et al.[in Russian]
8. Patent RU 2409425. Sposob opredeleniya kontsentratsii magnitovospriimchivykh primesey v tekuchey srede [A method for determining the concentration of magnetically susceptible impurities in a fluid medium] / A.V.Sandulyak, M.N.Pugacheva, A.A.Sandulyak et al.[in Russian]
9. Svidetelstvo o registratsii programmy EVM №2020665261. Programma EVM dlya tsifrovoy obrabotki operatsionnykh mass magnitno-vospriimchivykh chastits. vydelyayemykh iz tekuchey sredy[Certificate of registration of the computer program No. 2020665261. A computer program for digital processing of operating masses of magnetically susceptible particles released from a fluid medium] / D.A.Sandulyak, D.O.Kiselev, A.A.Sandulyak et al.[in Russian]
10. Funktsionalnaya ekstrapolyatsiya massovo-operatsionnoy kharakteristiki magnitoforeza kak osnova pretsizionnogo metoda kontrolya ferrochastits [Functional extrapolation of the mass-operational characteristics of magnetophoresis as the basis of the precision method of ferroparticle control] / A.A. Sandulyak, M.N. Polismakova, D.V. Ershov et al. // Izmeritelnaya tekhnika [Measuring technique]. – 2010. – No. 8. – pp. 57-60.[in Russian]