СПОСОБ ИЗУЧЕНИЯ КИНЕТИКИ КОРОННОЙ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ ЧАСТИЦ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01N27/62 

Изобретение относится к области электростатического разделения частиц и может быть использовано при исследовании электростатических свойств материалов.

Известен способ измерения сил, действующих на зерна при сепарации в поле коронного разряда, осуществляемый в устройстве [1] включающем некоронирующий и коронирующий электроды, соединенные с высоковольтным источником питания, чувствительные элементы, расположенные под электродами и предназначенные для преобразования силы давления в электрический сигнал, сумматоры импульсов и вычислительный блок, причем некоронирую- щий электрод выполнен в виде двух сменных площадок с отверстиями, нанесенными методом случайных чисел, одна из которых присоединена к источнику питания и располагается под коронирующим электродом, а другая вне его действия.

Способ, осуществляемый в устройстве, включает помещение зерен в отверстия первой и второй площадок, воздействие на частицы, находящиеся на первой площадке, ионами коронного разряда, подачу сигнала с чувствительного элемента первой площадки (в момент отрыва частицы от площадки) на сумматор и определение в вычислительном блоке электрической силы, действующей на частицы, по разнице сигналов сумматоров с первой и второй площадок.

Недостатком известных способа и устройства является недостаточно высокая информативность, позволяющая определить только электрическую силу, действующую на зерна, тогда как эффективность разделения минералов в коронном электросепараторе определяется еще и постоянными времени зарядки и разрядки частиц. Постоянная времени зарядки (скорость зарядки частиц) определяет величину заряда, которую приобретают разделяемые частицы за одинаковый интервал времени, а значит, и величину электростатических сил, разделяющих частицы в электрическом поле. Постоянная времени разрядки определяет величину остаточного заряда и, следовательно, длительность нахождения частицы на барабане сепаратора.

Наиболее близким к изобретению является способ определения постоянной времени зарядки частиц [2] включающий измерение начального заряда частицы, воздействие на частицу ионами коронного разряда в течение 10-300 с, прекращение действия коронного разряда, помещение заряженной частицы изолированной иглой в измерительную ячейку, измерение напряжения (потенциала), определение среднего заряда частицы по измеренному напряжению и известной емкости ячейки, определение предельного заряда и вычисление постоянной времени зарядки по выражению
τ где t_з время зарядки;
q_з средний заряд, приобретаемый частицей за время t_з;
q_пр предельный заряд;
q_нач средняя величина начального заряда.

Способ осуществляют в устройстве, включающем конденсатор (заряжающая камера), нижняя пластина которого заземлена (заземленный электрод), а верхняя пластина соединена с источником высокого напряжения (коронирующий электрод), и измерительную камеру (цилиндр Фарадея), соединенную с высокоомным вольтметром (ВК-2-16).

Недостатками способа и устройства являются недостаточные технические возможности, обусловленные невозможностью измерения скорости стекания заряда с заряженных частиц и, следовательно, невозможностью определения постоянной времени разрядки; недостаточно высокая точность определения постоянной времени зарядки из-за применения неконтролируемой ручной совокупности операций измерения и из-за неучтенных величин изменения зарядов за счет процессов трибоэлектризации, проходящих между частицей и подложкой, частицей и иглой, и за счет ионизации окружающей среды.

Техническими результатами изобретения является расширение технических возможностей за счет определения постоянной времени разрядки и повышение точности определения.

Технический результат достигается тем, что по способу, включающему измерение начального заряда частиц, воздействие на частицы ионами коронного разряда, измерение времени воздействия, определение среднего заряда и заряда насыщения и вычисление постоянных времени, воздействие на частицы ионами коронного разряда начинают по истечении времени Δ t= RC, где R сопротивление; С емкость частиц, с момента измерения начального заряда и после прекращения воздействия измеряют изменение заряда в течение времени Δ t, затем дополнительно воздействуют ионами коронного разряда до насыщения и измеряют изменение заряда насыщения в течение двух интервалов времени Δ t.

Технический результат достигается также тем, что в устройстве, включающем заряжающую камеру, содержащую коронирующий и заземленный электроды, измерительную камеру с электродом и измерительную систему, измерительная и заряжающая камеры расположены в одном корпусе и между ними установлена перегородка из проводящего материала, а заземленный электрод установлен с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости из одной камеры в другую и на нем закреплены кюветы и фиксаторы положения электрода.

На фиг. 1 представлена кинетика коронной электризации частиц; на фиг. 2 зависимость точности определения от времени Δt. Проведение воздействия на частицы ионами коронного разряда через интервал времени Δ t= RC с момента измерения начального заряда позволяет, зная этот фиксированный промежуток времени и постоянную времени разряда, учесть неизбежное уменьшение заряда вследствие его стекания (которое не учитывается в прототипе) и тем самым повысить точность определения параметров кинетики зарядки и разрядки.

Указанное обстоятельство обусловлено тем, что измерить потенциал (или заряд) в процессе зарядки невозможно. Необходимо отключить источник ионов, переместить пробу в измерительную камеру и провести измерение. В силу неизбежного стекания заряда с частиц на подложку сразу после прекращения зарядки измеренное значение заряда оказывается заниженным по сравнению с истинным. Его можно вычислить (восстановить), лишь зная постоянную времени разряда и при фиксированном времени Δ t (между окончанием заряда и измерением).

Осуществление дополнительного воздействия ионами коронного разряда до насыщения и измерение изменения заряда насыщения в течение двух интервалов времени Δ t также позволяют оценить сразу две величины, характеризующие эффективность разделения минералов в коронном электросепараторе постоянную времени зарядки и постоянную времени разрядки, не перемещая материал относительно измеряемой кюветы, и этим обеспечить одновременно повышение точности определения и расширение технических возможностей способа.

Выбор времени Δ t= RC, в течение которого осуществляют измерение изменения заряда после воздействия ионами коронного разряда обусловлен тем, что относительная погрешность измерения (а значит, и точность) определяется абсолютной величиной изменения заряда между двумя точками измерения. При экспоненциальной зависимости величины заряда погрешность уменьшается с увеличением паузы между измерениями (увеличение Δ t). Однако это приводит к значительному увеличению длительности анализа. Как показали экспериментальные исследования, изменение точности с изменением Δ t также меняется по экспоненте (фиг. 2), и при некотором Δ t эти изменения становятся малыми, в то время как длительность анализа растет. Приемлемые точность и длительность находятся в области пересечения указанных зависимостей в области Δ t= RC.

Расположение измерительной и заряжающей камер в одном корпусе изолированно друг от друга и установка заземленного электрода с возможностью перемещения из заряжающей камеры в измерительную позволяют провести зарядку частиц в поле короны, а затем измерение постоянной времени разрядки без удаления измеряемых частиц из кюветы, на которой осуществлялась зарядка, и, кроме того, произвести измерения кинетики стекания заряда (разрядки) без влияния поля коронного разряда и остаточных заряженных ионов газа. Закрепление на заземленном электроде кювет позволяет измерять постоянную времени разряда на материалах с различной проводимостью и оценить тем самым роль контактных явлений в механизме стекания разряда. Фиксаторы положения, расположенные на заземленном электроде, обеспечивают постоянство его расположения относительно коронирующего и измерительного электродов, что устраняет погрешности, связанные с пространственной топологией электрических полей.

Таким образом, заявляемая совокупность признаков в устройстве для изучения кинетики коронной электризации частиц позволяет получить дополнительную информацию о технологически важном параметре скорости стекания заряда (постоянной времени разрядки) и повысить точность определений.

На фиг. 3 показано устройство для изучения кинетики коронной электризации частиц, продольный разрез; на фиг. 4 разрез А-А на фиг. 1.

В корпусе 1 устройства находятся заряжающая 2 и измерительная 3 камеры, между которыми расположена перегородка 4 из проводящего материала. В заряжающей камере 2 расположен коронирующий электрод 5, а в измерительной камере 3 измерительный электрод 6, соединенный с измерительной системой (не показана). В нижней части корпуса 1 расположен с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости из заряжающей камеры 2 в измерительную 3 заземленный электрод 7, на котором закреплены кювета 8 и фиксаторы 9 положения электрода 7.

Способ осуществляют следующим образом.

Частицы анализируемого материала размещают монослоем в кювете 8, закрепленной на заземленном электроде 7, перемещением которого помещают кювету 8 в измерительную камеру 3, где положение электрода 7 фиксируется фиксаторами 9. В измерительной камере 3 измеряют начальный заряд частиц q₀ с помощью измерительного электрода 6. Затем кювету 8 перемещают в заряжающую камеру 2, при этом перемещение частиц пробы относительно кюветы 8 отсутствует, а следовательно, не происходит приобретения "паразитного" заряда при трибоэлектризации. В заряжающей камере 2 по истечении времени Δ t с момента измерения начального заряда при подаче тока короны на коронирующий электрод 5 осуществляют воздействие на частицы ионами коронного разряда и измеряют время воздействия Δ t_з. После прекращения воздействия кювету 8 с частицами перемещают в измерительную камеру 3, где измеряют изменение заряда q₁ в течение времени Δ t. Затем кювету 8 снова помещают в заряжающую камеру 2, где на частицы воздействуют ионами коронного разряда тока короны той же плотности, что и в предыдущем цикле, до насыщения и после возвращения кюветы 8 в измерительную камеру 3 осуществляют измерение изменения заряда после насыщения через интервал времени Δ t(q₂) и через 2 Δ t(q₃). Постоянную времени зарядки определяют по формуле
τ_з=Δt_з/ln где Δ t_з длительность воздействия на частицы ионами коронного разряда;
q₀ начальный заряд;
q₁ изменение заряда в течение времени Δ t;
Δ t интервал времени, равный RC;
q₂ и q₃ изменения заряда насыщения через интервалы времени Δ t и 2 Δ t;
q_н заряд насыщения,
q_н=q₂²/q₃.

Постоянную времени разрядки определяют по формуле
τ_p=Δtln
Способ испытан на лабораторном устройстве на двух материалах кварце и полевом шпате с применением кювет из стали, алюминия, анодированного алюминия.

Источником высокого напряжения служил блок высоковольтного питания, напряженность электрического поля 5 ˙ 10⁵ В/м, ток коронного разряда 20 мА, плотность тока поддерживалась постоянной во время опыта и обеспечивалась стабилизацией напряжения. Индуцированный потенциал (заряд) измерялся высокоомным электрометром ВК-2-16 с постоянной измерения более 105 с, регистрация кинетики осуществлялась на графопостроителе Н 306.

Для кварца Δt 20c (R=6·10¹¹Ом, C=3,2 пФ)
Для полевого шпата Δ t 16,3 c (R2 ˙ 10¹⁰ Ом, С=8,3 пФ).

Для кварца Δ t_з= 30 с, для полевого шпата Δt_з=20 с.

Результаты сравнительных испытаний известного и предлагаемого способов и устройства приведены в таблице.

Точность определения постоянных времени зарядки и заряда насыщения оценивалась по ГОСТ 16263-70 как величина, обратная модулю относительной погрешности.

Результаты сравнительных испытаний показывают, что изобретение по сравнению с прототипом позволяет расширить технические возможности за счет обеспечения определения наряду с постоянной времени зарядки постоянную времени разрядки и повысить точность их определения в 2-2,5 раза. Кроме того, изобретение обеспечивает возможность оценки влияния проводимости материала кюветы на технологические параметры электросепарации.

Использование: при исследовании электростатических свойств материалов. Сущность изобретения: при излучении кинетики коронной электризации частиц измеряют начальный заряд частиц, воздействуют на частицы ионами коронного разряда по истечении времени Αt=RC, где R сопротивление; C емкость частиц, с момента измерения начального заряда, прекращают воздействие, измеряют время воздействия и изменение заряда в течение времени Δt, дополнительно воздействуют ионами коронного разряда до насыщения, измеряют изменение заряда насыщения в течение двух интервалов времени Δt и вычисляют постоянные времени зарядки и разрядки. В корпусе 1 устройства для изучения кинетики коронной электризации частиц расположены разряжающая 2 и измерительная 3 камеры, между которыми расположена перегородка 4 из проводящего материала. В разряжающей камере 2 расположен коронирующий электрод 5, а в измерительной камере 3 измерительный электрод 6. В нижней части корпуса 1 установлен с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости заземленный электрод 7, на котором закреплены кюветы 8 и фиксаторы положения электрода. 2 с. п. ф-лы, 1 табл. 4 ил.

1. Способ изучения кинетики коронной электризации частиц, включающий измерение начального заряда частиц, воздействие на частицы ионами коронного разряда, измерение времени воздействия, определение среднего заряда и заряда насыщения и вычисление постоянных времени, отличающийся тем, что воздействие на частицы ионами коронного разряда начинают по истечении времени
Δt = RC,
где R сопротивление;
C емкость частиц,
с момента измерения начального заряда и после прекращения воздействия измеряют изменение заряда в течение времени Δt, затем дополнительно воздействуют ионами коронного разряда до насыщения и измеряют изменение заряда после насыщения в течение двух интервалов времени Δt.. 2. Устройство для изучения кинетики коронной электризации частиц, включающее заряжающую камеру, содержащую коронирующий и заземленный электроды, измерительную камеру с измерительным электродом и измерительную систему, отличающееся тем, что измерительная и заряжающая камеры расположены в одном корпусе и между ними установлена перегородка из проводящего материала, а заземленный электрод установлен с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости из одной камеры в другую и на нем закреплены кювета и фиксаторы положения электрода.