RU205354U1

RU205354U1 - Прибор для контроля размера твердых частиц в суспензиях

Info

Publication number: RU205354U1
Application number: RU2021106873U
Authority: RU
Inventors: Артем Викторович Рухов; Евгений Сергеевич Бакунин; Елена Юрьевна Образцова; Инна Александровна Жабкина; Антон Викторович Рухов; Виктория Александровна Жабкина; Андрей Михайлович Истомин
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2021-07-12

Abstract

Полезная модель относится к оборудованию для исследования размера дисперсных частиц в суспензиях и может быть использована в химической или смежных промышленностях при цеховом или лабораторном контроле. Повышение надежности и измерения размера частиц во взвешенном состоянии является техническим результатом. Прибор для контроля размера твердых частиц в суспензиях, включающий корпус, изготовленный из непрозрачного материала, с установленной в него кюветой, в которую заливается исследуемая суспензия, монохроматических излучателей, установленных встречно, что обеспечивает независимость изменений и фотоприемников. Перед началом измерения суспензия взмучивается при помощи магнитной мешалки, посредством привода магнитной мешалки. Предлагаемый прибор прост в аппаратурном исполнении и эксплуатации и обеспечивает возможность определения размеров частиц седиментационным методом и с использованием гипсометрической формулы. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Полезная модель относится к оборудованию для исследования размера дисперсных частиц в суспензиях и может быть использована в химической или смежных промышленностях при цеховом или лабораторном контроле.

Прибор для контроля размера твердых частиц в суспензиях включающий корпус, изготовленный из непрозрачного материала 1, с установленной в него кюветой 2, в которую заливается исследуемая суспензия 3, монохроматических излучателей 4, установленных встречно, что обеспечивает независимость изменений и фотоприемников 5. Перед началом измерения суспензия взмучивается при помощи магнитной мешалки 6, посредством привода магнитной мешалки 7. Предлагаемый прибор прост в аппаратурном исполнении и эксплуатации и обеспечивает возможность определения размеров частиц седиментационным методом и с использованием гипсометрической формулы.

Известно устройство для измерения распределения концентраций и размеров наночастиц в жидкостях, содержащее лазер с оптическим трактом для транспортировки лазерного излучения, на пути которого установлена рабочая кювета с исследуемой средой, за которой установлен светопоглощающий экран, систему сбора рассеянного излучения, установленную под углом 90 градусов к оптическому тракту лазера в горизонтальной плоскости и содержащую последовательно расположенные ирисовой диафрагмы, линзы, при этом система сбора рассеянного излучения соединена с помощью оптоволокна с оптическим входом фотоэлектронного умножителя, вход питания последнего через схему стабилизации питания подключен к сети, а выход фотоэлектронного умножителя соединен с входом аналогово-цифровой платы, выход которой соединен с компьютером (RU №183438).

Недостатком данного устройства является сложность оптической схемы и необходимость использовать ирисовую диафрагму. Также применение однолазерной системы затрудняет определение размера более крупных частиц.

Известно устройство для измерения распределения размеров и концентраций наночастиц в жидкостях и газах содержащее лазер с оптическим трактом для транспортировки лазерного излучения, на пути которого установлена рабочая кювета с исследуемой средой, у противоположного выхода которой установлен светопоглощающий экран, и четыре фотоприемника, расположенных под углами 35, 60, 90 и 145 градусов соответственно относительно падающего луча лазера (RU № 2370752).

Недостаток данного устройства еще большая, по сравнению с предыдущим прибором, сложность оптической схемы. Применение однолазерной системы также затрудняет определение размера крупных частиц склонных к седиментации.

Известен способ и устройство измерения фоновой мутности жидкости заключающийся в выделении частицы заданных размеров, с помощью фильтра, для чего применяют гравитационное разделение частиц взвеси в ламинарном потоке жидкости с заданной стабилизированной скоростью ее движения. При этом устройство для определения фоновой мутности содержит фильтр с заданным размером ячеек, а также последовательно соединенные успокоитель турбулентности, камеру гравитационного разделения взвеси, систему измерения параметров фоновой взвеси, насос и систему стабилизации скорости прокачки воды (RU № 2504755).

Недостатком этого устройства является измерение скорости осаждения частиц в движущейся жидкости, что делает данный способ и устройство для его реализации очень зависимым от стабильности расхода жидкости через кювету. Также недостатком является необходимость использования калиброванных фильтров.

Известно устройство для определения распределения частиц дисперсных материалов по размерам, которое содержит рабочий сосуд в виде стеклянной трубки с мерной шкалой, полость которой разделена посредством съемной перемычки на два отсека, нижний из которых заполнен дисперсионной средой, а верхний - исследуемой суспензией, фотометрический датчик, закрепленный на стеклянной трубке и подключенный к фотометру, подсоединенному к блоку обработки данных, сливной кран и приемник фракций, размещенные на нижнем конце рабочего сосуда, причем высота слоя дисперсионной среды в нижнем отсеке больше стартового слоя исследуемой суспензии в верхнем отсеке не менее чем в 10 раз (RU № 115484).

Недостатками данного устройства являются сложность реализации измерения и невозможность получения равномерной суспензии перед началом изменения. Также использование одного измерительного луча не позволяет учесть частицы малого размера или с поверхностью обладающей сродством к жидкой фазе, т.е. не осаждающиеся или очень медленно осаждающиеся частицы.

Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является модуль оптического датчика частиц, включающий в себя: два лазера, излучающие измерительные лучи, оптический узел, фокусирующий первый и второй измерительные лучи в первый и второй измерительные объемы соответственно. Узел имеет первую и вторую числовые апертуры относительно соответствующих лучей. Апертуры выбраны так, чтобы обнаруживать предопределенный минимальный размер частиц в пределах предопределенного диапазона скоростей. Первый измерительный луч и второй измерительный луч взаимно образуют угол φ между 10° и 160°. Модуль также содержит 2 детектора, каждый из которых выполнен так, чтобы определять первый и второй сигналы интерференции самосмешивания первой и второй оптических волн в первом и втором лазерных резонаторах первого и второго лазеров соответственно. Модуль содержит блок оценки, принимающий сигналы обнаружения, сгенерированные детекторами в ответ на определенные сигналы интерференции самосмешивания, при этом блок определяет первую и вторую средние скорости частиц соответственно посредством сигналов детектирования, принятых в предопределенный период времени. Также блок оценки определяет первое и второе числа частиц соответственно на основе сигналов обнаружения в предопределенном периоде времени, а затем определяет плотность частиц на основе средней скорости частиц. Изобретение также относится к способу определения плотности частиц и соответствующему компьютерному программному продукту. Изобретение также относится к устройству мобильной связи, содержащему такой модуль лазерного датчика. (RU № 2719573).

Недостатками данного модуля является установка лазерных излучателей в одном направлении, что может приводить к перекрестной засветке фотодатчиков, отсутствии возможности измерения размера частиц находящихся во взвешенном состоянии, например, под действием броуновских сил, а также отсутствии устройства предварительного взмучивания суспензий, что ограничивает измерение частиц большого размера.

Технической задачей данной полезной модели является простое и надежное измерение размера частиц в суспензиях за счет использования двух пар монохроматический излучатель – фотоприемник, оптические линии которых расположены параллельно на расстоянии от 7 диаметров светового пятна до 0,4 высоты кюветы и при этом монохроматические излучатели установлены встречно, а на дне кюветы установлена магнитная мешалка. Размер частиц до завершения осаждения определяется седиментационным методом, а после установления равновесия с использование гипсометрической формулы.

Полупроводниковые монохроматические излучатели со встроенной системой фокусировки, питающиеся от внутренних схем микроконтроллера, позволяют исключить влияние сетевых помех и сделать устойчивым к отключению электроэнергии при продолжительных измерениях расположены по встречной схеме, что позволяет исключить перекрестное влияние на фотоприемники. Система сбора прошедшего излучения реализована на фоторезисторах, включенных в плечо делителей напряжения подключенных к аналого-цифровому преобразователю микроконтроллера. Питание микроконтроллера осуществляется от универсальной последовательной шины персонального компьютера через экранированный кабель, что существенно снижает влияние помех сети и уменьшает общие шумы в сигнале. Обработка сигнала (усреднение, цифровая фильтрация) осуществляется микроконтроллером, а вычисление распределения размеров частиц - на персональном компьютере, что позволяет исключить сложные электронные устройства обработки сигнала из схемы прибора.

Полезная модель работает следующим образом. В корпус 1 (см. фиг. 1) устанавливается прозрачная кювета 2 с суспензией 3. На дно кюветы помещается магнитная мешалка 6, находящаяся во взаимодействии с приводом 7. Включается микроконтроллер и подается питание на монохроматические излучатели 4, мощностью 5 мВт с длиной волны 650 нм. Далее по команде с персонального компьютера включается, на определенное время, привод магнитной мешалки и контролируется оптическая плотность по нижней оптической паре. После завершения взмучивания суспензии привод мешалки выключается и начитается осаждение. Оптическая плотность контролируется по нижней оптической паре и аналоговый сигнал с фоторезистора подается на десятибитный аналого-цифровой преобразователь. Частота считывания сигнала до 10 кГц, периодичность вывода данных на персональный компьютер от 1 до 99 с. До окончания процесса осаждения размер частиц измеряется по известному седиментационному методу, а после наступления равновесия и прекращения осаждения размер частиц определяется по гипсометрической формуле:

где D ₁, D ₂ – оптическая плотность по нижней и верхней оптической паре, соответственно; N _A – постоянная Авогадро; R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура проведения измерения; v – объем твердой частицы; ρ_ч, ρ_ж– плотность твердых частиц и жидкости, соответственно; g – ускорение свободного падения; h – расстояние между оптическими парами.

Для шарообразных частиц уравнение (1) принимает следующий вид:

Claims

1. Прибор для контроля размера твердых частиц в суспензиях, содержащий корпус из непрозрачного материала, кювету прямоугольного или круглого сечения из прозрачного материала, заполненную исследуемой суспензией, фотометрическую систему и приводом магнитной мешалки под кюветой, отличающийся тем, что оптическая система состоит из двух пар монохроматический излучатель – фотоприемник, оптические линии которых расположены параллельно на расстоянии от 7 диаметров светового пятна до 0,4 высоты кюветы и при этом монохроматические излучатели установлены встречно, а на дне кюветы установлена магнитная мешалка.

2. Прибор для контроля размера твердых частиц в суспензиях по п. 1, отличающийся тем, что длина волны монохроматического излучателя 650 нм.

3. Прибор для контроля размера твердых частиц в суспензиях по п. 1, отличающийся тем, что каждая пара монохроматический излучатель – фотоприемник калибруются независимо.

4. Прибор для контроля размера твердых частиц в суспензиях по п. 1, отличающийся тем, что размер частиц до завершения осаждения определяется седиментационным методом, а после установления равновесия с использованием гипсометрической формулы, в которой расстояние между парами монохроматический излучатель – фотоприемник является переменной.

5. Прибор для контроля размера твердых частиц в суспензиях по п. 1, отличающийся тем, что фотоприемник выполнен в виде фоторезистора, включенного в плечо делителя напряжения, подключенного к аналого-цифровому преобразователю микроконтроллера.