ДАТЧИК ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА ДВИЖУЩИХСЯ ЧАСТИЦ МИНЕРАЛОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2010 года по МПК G01N27/60 B03C7/00 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для измерения электрического заряда движущихся частиц минералов и предназначено, в частности, для обнаружения алмазов в алмазосодержащих смесях минералов, для их последующего извлечения с помощью исполнительного механизма. Кроме того, заявляемое изобретение может быть использовано для измерения электрического заряда частиц минералов при исследовании процессов электрической сепарации различных руд.

Известны электроемкостные методы контроля, к которых в качестве первичного источника сигнала применяется электроемкостный преобразователь /Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник./ В.В.Клюев, Ф.Р.Соснин, А.В.Ковалев и др.; Под ред. В.В.Клюева. 3-е изд., испр. и доп.- М.: Машиностроение, 2005. Стр. 453-455/. Электроемкостные преобразователи по количеству и форме электродов делятся на накладные и проходные. Накладные преобразователи применяются для контроля массивных изделий при одностороннем доступе. Проходные электроемкостные преобразователи применяются для объектов контроля, имеющих малое поперечное сечение. В этом случае объект контроля размещается или движется во внутреннем канале преобразователя между электродами или в полости одного из электродов. Электроемкостные преобразователи предназначены для измерения электрической емкости или тангенса угла потерь объектов контроля, выполненных из диэлектрических материалов. Возможно измерение геометрических размеров и контроль формы изделий, выполненных из металла. При контроле твердых сыпучих материалов электроемкостные преобразователи применяются при контроле физико-механических параметров, например, дисперсность состава и влажность материала.

Недостатком известных электроемкостных преобразователей является то, что они не позволяют производить бесконтактное измерение знака и абсолютной величины электрического заряда движущихся твердых частиц минералов, например алмазов, или сопутствующих минералов.

Известен зонд для бесконтактного измерения поверхностной проводимости материала, имеющего проводящую поверхность /Заявка РФ №2005118104, G01R 27/04, 2006 г./. Составной частью известного зонда является датчик, содержащий LC-контур, который является составной частью генератора. LC-контур содержит катушку (L) датчика; при этом индуктивность катушки датчика изменяется в зависимости от проводимости материала вблизи катушки датчика. Известный датчик может быть применен для бесконтактного измерения проводимости в широком интервале значений. Основное применение известного датчика состоит в исследовании электрофизических характеристик полупроводников.

Недостатком известного датчика является то, что он не позволяет производить измерение знака и абсолютной величины электрического заряда движущихся твердых частиц минералов.

Известно устройство для измерения расхода и калорийности угольной пыли /Заявка РФ №2006145548, G01F 5/00, 2008 г./. В состав известного устройства входит измерительная ячейка датчика, включающая электрод, выполненный в виде отрезка прямоугольной трубы, причем поток измеряемого материала проходит внутри электрода. Известное устройство имеет ряд сходных признаков с заявляемым изобретением, но имеет иное назначение.

Недостатком известного датчика является то, что он не позволяет производить измерение знака и абсолютной величины электрического заряда движущихся твердых частиц минералов.

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является устройство для осуществления способа сепарации алмазосодержащих материалов /Заявка РФ 2007116603, В03С 7/00, 2008 г./. Известное устройство в своем составе содержит датчик для бесконтактного измерения знака и величины электрического трибозаряда минерала. Датчик содержит заземленный корпус, внутри которого расположен чувствительный электрод в виде трубы прямоугольного поперечного сечения, установленный на высококачественном изоляторе. Поперечные размеры внутреннего канала чувствительного электрода выполнены с возможностью свободного прохождения сепарируемого материала внутри датчика, то есть материал должен двигаться по траектории свободного падения, не задевая поверхность чувствительного электрода. Высота чувствительного электрода в прототипе не оговорена. Размеры изолирующих зазоров и форма элементов заземленного корпуса в области входного и выходного окон не оговорены. Импульс наведенного тока измеряется высокочувствительным электрометрическим усилителем, выполненным по схеме преобразователя ток-напряжение. Вследствие дифференцирования в такой системе измерения величины индуцированного на чувствительном электроде заряда выходной сигнал датчика состоит из двух составляющих противоположной полярности.

Известное устройство имеет то же назначение, что и заявляемое изобретение, а также имеет наибольшее количество сходных признаков с заявляемым устройством.

Недостатками устройства-прототипа являются: во-первых, недостаточная стабильность выходного сигнала датчика, связанная с зависимостью индуцированного заряда от геометрических размеров чувствительного электрода, во-вторых, зависимость формы импульсов от формы заземленного корпуса в зонах входного и выходного окна заземленного корпуса.

Задачей предлагаемого изобретения является создание датчика с измененными геометрическими размерами, позволяющими повысить стабильность выходного сигнала датчика.

Поставленная задача достигается тем, что в датчике для бесконтактного измерения электрического заряда движущихся частиц минералов, включающем заземленный корпус, внутри которого расположен чувствительный электрод, установленный на высококачественном изоляторе, в верхней части заземленного корпуса выполнено входное окно, в нижней части заземленного корпуса выполнено выходное окно, внутренняя поверхность чувствительного электрода выполнена в форме цилиндра, причем радиус R_D цилиндра выбран из соотношения

R_D=(1,1-1,5)R_T,

где R_T - максимальное отклонение траекторий движения материала внутри детектора от оси, а высота h_D чувствительного электрода выбрана из соотношения

h_D=(2,0-5,0)R_D,

в датчик введены два дополнительных заземленных электрода цилиндрической формы с радиусом внутренней поверхности, равным радиусу внутренней поверхности чувствительного электрода, причем высота h_Э каждого из дополнительных электродов выбрана из соотношения

h_Э=(1,0-2,0)R_D,

дополнительные электроды установлены соответственно выше и ниже чувствительного электрода с изолирующим зазором D_З, величина которого выбрана из соотношения

D_З=(0,05-0,1)R_D.

В датчике для бесконтактного измерения электрического заряда движущихся частиц минералов, включающем заземленный корпус, внутри которого расположен чувствительный электрод, установленный на высококачественном изоляторе, в верхней части заземленного корпуса выполнено входное окно, в нижней части заземленного корпуса выполнено выходное окно, внутренняя поверхность чувствительного электрода выполнена в форме канала с поперечным сечением в виде квадрата, причем сторона квадрата внутренней поверхности чувствительного электрода A_D выбрана из соотношения

A_D=2(1,1-1,5)R_T,

где R_T - максимальное отклонение траекторий движения материала внутри детектора от оси,

а высота h_D чувствительного электрода выбрана из соотношения

h_D=(2,0-5,0)A_D/2,

в датчик введены два дополнительных заземленных электрода цилиндрической формы с радиусом внутренней поверхности, равным радиусу внутренней поверхности чувствительного электрода, причем высота каждого из дополнительных электродов h_Э выбрана из соотношения h_Э=(1,0-2,0)A_D/2, дополнительные электроды установлены соответственно выше и ниже чувствительного электрода с изолирующим зазором D_З, величина которого выбрана из соотношения D_З=(0,05-0,1)A_D/2.

В датчике для бесконтактного измерения электрического заряда движущихся частиц минералов, включающем заземленный корпус, внутри которого расположен чувствительный электрод, установленный на высококачественном изоляторе, в верхней части заземленного корпуса выполнено входное окно, в нижней части заземленного корпуса выполнено выходное окно, внутренняя поверхность чувствительного электрода выполнена в форме канала с поперечным сечением в виде прямоугольника, длина прямоугольного канала L_D выбрана из соотношения

L_D=L+2(1,1-1,5)R_T,

где L - ширина подающего лотка,

R_T - максимальное отклонение траекторий движения материала внутри детектора от оси,

ширина прямоугольника B_D выбрана из соотношения

B_D=2(1,1-1,5)R_T,

высота чувствительного электрода h_D выбрана из соотношения

h_D=(2,0-5,0)B_D/2,

в датчик введены два дополнительных заземленных электрода, внутренняя поверхность которых выполнена в форме канала с поперечным сечением в виде прямоугольника, размеры которого равны размерам внутреннего канала чувствительного электрода, причем высота каждого из дополнительных электродов h_Э выбрана из соотношения

h_Э=(1,0-2,0)B_D/2,

дополнительные электроды установлены соответственно выше и ниже чувствительного электрода с изолирующим зазором, величина D_З которого выбрана из соотношения

D_З=(0,05-0,1)B_D/2.

Отличие заявляемых вариантов заключается в следующем: во-первых, в том, что дополнительно оговорено соотношение размеров между размером внутреннего канала и высотой чувствительного электрода, во-вторых, в том, что в конструкцию введены два дополнительных заземленных электрода, в-третьих, оговорено соотношение размеров между размером внутреннего канала чувствительного электрода, размерами дополнительных электродов и величиной изолирующего зазора между дополнительными электродами и чувствительным электродом.

Различие между вариантами заключается в том, что в первом варианте внутренняя поверхность чувствительного электрода имеет форму цилиндра, во втором варианте внутренняя поверхность чувствительного электрода имеет квадратное поперечное сечение, в третьем варианте внутренняя поверхность чувствительного электрода имеет прямоугольное поперечное сечение.

Принцип действия датчика основан на законе электростатической индукции, поэтому для обоснования новых вариантов формы внутренней поверхности чувствительного электрода необходимо рассмотреть расчет индуцированного заряда на внутренней поверхности чувствительного электрода и индуцированный ток датчика в электрометрическом усилителе, подключенном к чувствительному электроду.

При расчетах заряда и тока датчика принято, что потенциал измерительного электрода можно с достаточной точностью считать равным нулю. Экспериментальная проверка показывает, что данное приближение позволяет получить хорошее согласование теоретических и экспериментальных данных.

Примем, что ось датчика, например ось у, совпадает с направлением движения заряженного зерна минерала.

Ток датчика определяется выражением

где Q_инд(t) - величина индуцированного заряда на чувствительном электроде датчика.

Выражение (1) можно упростить для двух конкретных случаев движения зерен:

1) движение с постоянной скоростью, тогда

где ν - скорость движения,

2) свободное падение с высоты h₀ по закону , где g - ускорение свободного падения, тогда

Из формул (1-3) следует, что для расчета параметров электрического сигнала достаточно знать зависимость величины индуцированного заряда от расстояния, т.е. координаты заряженной частицы относительно выбранной точки отсчета.

Расчет электрических зарядов проводится в предположении, что в пространстве между заряженной частицей минерала и поверхностью измерительного электрода нет объемных зарядов, тогда для расчета электрического поля можно применить уравнение Лапласа

где φ - электрический потенциал.

Напряженность электрического поля равна

Геометрическая форма и размеры измерительного электрода задаются в виде граничных условий при решении уравнения (4).

В связи с тем, что аналитическое решение уравнения (4) можно получить только для ограниченного числа простейших граничных условий, теоретический анализ проводится приближенными методами с помощью метода конформных отображений, разработанного в теории функций комплексного переменного. Данный метод расчета позволяет оценить общие закономерности формирования сигналов для плоской модели электрического поля, но не предназначен для проведения точных расчетов, поэтому все варианты исполнения датчика анализируются с помощью одной модели.

Исходная модель предполагает, что электрический заряд равен единице и расположен в центре окружности, имеющей радиус, равный единице. В этом случае двумерное уравнение Лапласа имеет простое решение, а именно силовые линии направлены по радиусам, а эквипотенциальные линии имеют форму окружностей.

Для последующего анализа введены следующие обозначения.

Исходная комплексная переменная обозначена в декартовых координатах в виде

или в полярных координатах в виде

где х=rcosθ и у=rsinθ - соответственно действительная и мнимая части исходной комплексной переменной, а r и θ - соответственно радиус и угол полярной системы координат.

Исходная модель имеет для силовых линий уравнение

а для эквипотенциальных линий

Дальнейший анализ проводится для граничных условий уравнения (4), соответствующего вариантам заявляемого изобретения.

Математическое моделирование процесса перемещения заряженной частицы вдоль оси датчика производится с помощью конформного отображения исходной модели, в которой заряженная частица расположена в центре единичной окружности, на единичную окружность со смещенным центром. Это отображение осуществляется с помощью функции

причем в формуле (10) смещение производится вдоль оси y на величину h.

Конфигурация силовых линий электрического поля показана на Фиг.1,а для исходной модели единичной окружности и Фиг.1,б для единичной окружности со смещенным центром.

Математическая модель датчика задана так, что границы внутренней поверхности датчика и дополнительных электродов имеют вид двух параллельных линий. Эта модель приближенно описывает все варианты заявляемого датчика. В первом варианте расстояние между прямыми линиями соответствует диаметру внутреннего канала цилиндрической формы, во втором варианте расстояние между прямыми линиями соответствует длине стороны квадрата, в третьем варианте расстояние между прямыми линиями соответствует длине наименьшей стороны прямоугольника.

Все математические расчеты поясняются чертежами.

Фиг.1. Структура силовых линий электрического поля в теоретической модели конформного отображения исходной единичной окружности с зарядом в центре (а) на единичную окружность со смещенным зарядом (б).

Теоретическая модель датчика электрического заряда показана на Фиг.2, где обозначены: 1 - чувствительный электрод, 2 - верхний дополнительный заземленный электрод, 3 - нижний дополнительный заземленный электрод.

Кроме того, на Фиг.2 обозначены: U и V - оси комплексной плоскости, r₀ - расстояние от оси до внутренней поверхности электрода, l_d - длина чувствительного электрода, δ - изолирующий зазор между чувствительным электродом и вспомогательным электродом.

Для упрощения расчетов приняты следующие предположения.

Внутренние границы чувствительного электрода имеют вид параллельных линий, расположенных на расстоянии от оси, равном единице, т.е. r₀=1, и длиной l_d.

Зазоры между чувствительным электродом и вспомогательными заземленными электродами считаются малыми δ<<r₀, δ<<l_d, так что структура силовых линий в области изолирующего зазора не искажается.

Решение задачи ведется с помощью отображения единичного круга на полосу, ограниченную прямыми линиями, пересекающими мнимую ось в точках (-i,+i). Длина цилиндра выражена в единицах L=l_d/r₀, начало координат выбрано в центре цилиндра, т.е. границы детектора (-L/2,+L/2) по действительной оси.

Конформное отображение осуществляется с помощью функции

где ω=u+iν - новая комплексная переменная, имеющая действительную часть u и мнимую часть ν, i - мнимая единица.

По определению логарифм комплексной функции ω равен

Используя формулы (12) и (6), после элементарных преобразований получаем выражение для ω=u+i ν, в виде

Переход к полярным координатам с помощью формул (7) дает другую форму записи выражений (13)

Силовые линии в исходной системе координат описываются уравнениями

у=kx или θ=const.

Структура силовых линий электрического поля внутри датчика с зарядом в центре датчика показана на Фиг.3. Из чертежа видно, что силовые линии практически полностью замыкаются на датчике, если его длина l_d≥3r₀.

На Фиг.4 показаны: выбор границ интегрирования при вычислении индуцированного заряда в модели датчика (а) и в исходной единичной окружности (б).

Оценка формы сигнала при перемещении заряда вдоль оси цилиндра может быть проведена аналитически, путем вычисления значений углов θ₁ и θ₂, обозначенных как показано на Фиг.4.

На Фиг.4 дополнительно обозначены: U₀ - координата заряженной частицы, - смещение границ чувствительного электрода относительно центра, θ₁ и θ₂ - углы для силовых линий, ограничивающие поток вектора напряженности электрического поля на чувствительный электрод в исходной модели.

По определению отображения, обратного к отображению (11), линии границы датчика переходят в единичную окружность, поэтому на поверхности детектора можно считать r=1 или x²+y²=1. При этих условиях выражения (14) существенно упростятся и примут вид

Из первого уравнения системы (15) получим формулу для обратного преобразования

Формула (16) позволяет не только перейти из пространства (u, ν) обратно в пространство (r, θ), но и сразу определить значения cosθ, необходимые для расчета индуцированного заряда.

Считая, что заряд смещен относительно центра датчика на величину l, получим координаты границ измерительного электрода в пространстве (u, ν) как

l₁=l+L/2;

l₁=l-L/2.

Согласно теореме Гаусса в интегральной форме полный поток вектора напряженности электрического поля Ф₀ для силовых линий, замыкающихся на всю внутреннюю поверхность в исходной модели, равен

Поскольку чувствительный электрод представляет собой только часть полной поверхности, то индуцированный заряд датчика будет пропорционален части потока, ограниченной граничными углами θ₁ и θ₂, как показано на фиг.4. Определение индуцированного заряда по методу конформных отображений сводится к выделению силовых линий на границах детектора и возврату к исходному пространству - единичной окружности.

На основании изложенного для индуцированного заряда на чувствительном электроде справедливо выражение

На основании формул (18) и (19) можно ввести характеристику датчика - коэффициент эффективности , согласно формуле

Коэффициент эффективности η имеет простой физический смысл: он показывает, какая часть потока вектора напряженности электрического поля собирается на чувствительном электроде. Очевидно, что максимальное значение величины η равно 1,0 или 100%.

Подстановка значений точек из формул (17) в формулу (16), а значений косинусов, соответствующих границам датчика, в формулу (19) дает для индуцированного заряда выражение

где параметр J равен

В формулу (22) для упрощения записи введены обозначения

В формуле (22) параметр J имеет смысл интенсивности сигнала для единичного заряда. Максимальное значение индуцированного заряда достигается при расположении заряженной частицы в центре датчика, то есть при l=0, поэтому выражение для коэффициента эффективности имеет вид

На Фиг.5 приведены кривые изменения индуцированного заряда, рассчитанные по формуле (22) с учетом выражений (23), для разных значений длины датчика. Из чертежа видно, что нарастание переднего фронта от уровня 0,1 до уровня 0,9 происходит при перемещении заряда на величину Δl=(1-1,25)r₀, причем форма переднего и заднего фронтов полностью совпадает. При длинах L≥3 значение коэффициента эффективности превышает 98%. Положение переднего фронта на уровне 0,5 соответствует пересечению заряженным зерном границы между измерительным электродом и экраном.

Расчеты индуцированного заряда Q_инд позволяют перейти к анализу формы тока датчика I на выходе усилителя путем дифференцирования зависимости заряда от координаты, то есть по формуле

где l - текущая координата расположения заряда.

Из формулы (25) следует, что ток пропорционален скорости движения зерна, поэтому при расчетах необходимо указывать уравнение движения материала. Для практического применения важны два случая, описанных выше формулами (2) и (3), т.е. движения с постоянной скоростью и движения в режиме свободного падения.

После подстановки выражений (22) и (23) в формулу (21) и дифференцирования получаем выражение для тока датчика при движении с постоянной скоростью в виде

Для расчета тока при свободном падении заряженной частицы справедливо выражение

На Фиг.6 приведены типичные кривые зависимости тока датчика от координат частицы, т.е. с различными значениями отношения высоты чувствительного электрода к расстоянию от осевой линии до внутренней поверхности , при движении через него единичного заряда. Дополнительно обозначены численные значения величины в интервале от 0,5 до 10.

Переход к временной зависимости легко получить путем умножения результата на

(-ν) и заменой l на (l₀-νt), т.е. изменением масштаба по оси абсцисс. Из Фиг.6 видно, что при L≥2 максимумы положительного и отрицательного импульсов строго соответствуют пересечению зерном минерала границы детектора l=±L/2. Импульсы имеют одинаковую амплитуду, не зависящую от размеров измерительного электрода датчика. Длительность каждого импульса строго постоянна и также не зависит от размеров измерительного электрода. Увеличение параметра L влияет только на сдвиг во времени между положительным и отрицательным импульсом, причем заданием величины L можно в широких пределах изменять этот сдвиг. При L<2 положение импульсов во времени фиксировано, а уменьшение L влечет за собой ослабление амплитуды.

На Фиг.7 приведена зависимость эффективности регистрации от чувствительного электрода в относительных единицах, т.е. от отношения .

Из графика видно, что эффективность регистрации составляет соответственно:

65,6% при L=l_d/r₀=1;0;

91,7% при L=l_d/r₀=2,0;

98,2% при L=l_d/r₀=3,0;

99,6% при L=l_d/r₀=4,0;

99,9% при L=l_d/r₀=5.0.

Теоретический анализ позволяет сформулировать основные отличительные признаки заявляемого датчика.

Общий вид устройства показан на Фиг.8.

Датчик электрического заряда по всем вариантам исполнения состоит из трех основных электродов: чувствительного электрода 1, верхнего заземленного электрода 2, нижнего заземленного электрода 3. Датчик содержит заземленный корпус 4, внутри которого расположен чувствительный электрод, установленный на высококачественном изоляторе 5, например, выполненном из фторопласта. В верхней части заземленного корпуса выполнено входное окно, через которое сепарируемый материал поступает внутрь датчика. Внутри датчика сепарируемый материал движется по траектории свободного падения. В нижней части заземленного корпуса выполнено выходное окно, через которое сепарируемый материал выходит из датчика и далее переходит в зону действия исполнительного механизма, который отсекает алмазы в отдельный приемник концентрата. Основным элементом датчика является чувствительный электрод с внутренним каналом, по которому перемещается сепарируемый материал. Размеры внутреннего канала должны быть достаточны для того, чтобы сепарируемый материал двигался по траектории свободного падения и не задевал внутреннюю поверхность чувствительного электрода.

На Фиг.9. показан датчик электрического заряда, выполненный по первому варианту. Дополнительно обозначены: R_D - радиус внутренней поверхности цилиндрического канала, h_D - высота чувствительного электрода, h_Э - высота заземленного электрода, δ - размер изолирующего зазора.

Первый вариант исполнений заключается в том, что внутренняя поверхность чувствительного электрода выполнена в форме цилиндра. Этот вариант датчика предназначен для измерения заряда частиц в режиме подачи по одному зерну. Частицы минерала должны двигаться по оси датчика.

Размеры внутреннего канала должны быть достаточны для того, чтобы частицы минерала двигались по траектории свободного падения и не задевали внутреннюю поверхность чувствительного электрода. Выполнение данного условия обеспечивается тем, что должно существовать особое соотношение размеров между максимальным отклонением траектории движения частиц минерала внутри датчика в процессе свободного падения и радиусом внутренней поверхности чувствительного электрода. Радиус внутреннего канала чувствительного электрода R_D выбран из соотношения

где R_T - максимальное отклонение траекторий движения материала внутри детектора.

Выполнение соотношения (28) обеспечивает отсутствие касания частицами минералов внутренней поверхности чувствительного электрода.

Следующее условие непосредственно вытекает из зависимости эффективности регистрации от высоты чувствительного электрода, изображенной на Фиг.7. Из Фиг.7 видно, что при высоте чувствительного электрода, меньшей чем 2 радиуса внутренней поверхности, т.е. при выполнении условия L=l_d/r₀<2,0, эффективность регистрации менее 90%. При выполнении условия L=l_d/r₀≥2,0 эффективность регистрации достигает значения 91,7% и продолжает расти с увеличением высоты до значения 99,9% при L=l_d/r₀=5,0. Дальнейшее увеличение высоты нецелесообразно, так как величина индуцированного заряда на чувствительном электроде равна заряду частицы минерала.

В связи с изложенным второе особое соотношение размеров сформулировано следующим образом: высота чувствительного электрода h_D выбрана из соотношения

Следующий существенный признак заключается в том, что в конструкцию датчика введены два дополнительных заземленных электрода, расположенных выше и ниже чувствительного электрода с изолирующим зазором. Дополнительные электроды имеют внутреннюю поверхность в виде цилиндра, причем радиус цилиндра выбирается равным радиусу внутренней поверхности чувствительного электрода, то есть должен удовлетворять соотношению (28).

Дополнительные электроды необходимы для того, чтобы структура силовых линий электрического поля при входе и при выходе заряженной частицы минерала в датчик была бы неискаженной и соответствовала бы полю при движении заряженной частицы внутри цилиндра. Это условие выполняется, если высота каждого из дополнительных электродов h_Э выбрана из соотношения

Величина зазора между одним из заземленных электродов и краем чувствительного электрода должна быть такой, чтобы в области зазора структура силовых линий сохранялась без значительных искажений. Это условие выполняется, если дополнительные электроды установлены с изолирующим зазором, величина D₃ которого выбрана из соотношения

Фиг.10. Датчик электрического заряда, выполненный по второму варианту:

1 - чувствительный электрод, 2 - верхний заземленный электрод, 3 - нижний заземленный электрод. Дополнительно обозначены: A_D - сторона квадрата внутренней поверхности канала, h_D - высота чувствительного электрода, h_D - высота заземленного электрода, δ - размер изолирующего зазора.

Второй вариант исполнения заключается в том, что внутренние каналы чувствительного электрода и дополнительных электродов имеют в поперечном сечении форму квадрата. Этот вариант датчика, так же как и первый, предназначен для измерения заряда частиц минерала в режиме подачи по одному зерну. Частицы минерала должны двигаться в центре канала.

Основные требования к стороне квадрата аналогичны изложенным выше для первого варианта, то есть должны быть выполнены соотношения размеров, аналогичные формулам (28), (29), (30) и (31). Но в этих формулах необходимо заменить радиус цилиндра на половину стороны квадрата.

Соотношения размеров для второго варианта принимают вид.

Сторона квадрата внутреннего канала чувствительного электрода A_D выбрана из соотношения

где R_T - максимальное отклонение траекторий движения материала внутри детектора.

Высота чувствительного электрода h_D выбрана из соотношения

Дополнительные электроды установлены с изолирующим зазором D_З, величина которого выбрана из соотношения

Высота h_Э каждого из дополнительных электродов выбрана из соотношения

Фиг.11. Датчик электрического заряда, выполненный по третьему варианту:

1 - чувствительный электрод, 2 - верхний заземленный электрод, 3 - нижний заземленный электрод. Дополнительно обозначены: L_D - длина прямоугольника поперечного сечения внутренней поверхности канала, B_D - ширина прямоугольника поперечного сечения внутренней поверхности канала, h_D - высота чувствительного электрода, h_Э - высота заземленного электрода, δ - размер изолирующего зазора.

Третий вариант исполнения заключается в том, что внутренние каналы чувствительного электрода и дополнительных электродов имеют в поперечном сечении форму прямоугольника. Этот вариант датчика предназначен для измерения заряда материала в режиме подачи в виде потока.

Основные требования к сторонам прямоугольника формулируются следующим образом.

Материал подается в датчик из подающего лотка в виде потока толщиной в одно зерно и шириной, равной ширине подающего лотка. Далее материал свободно падает внутри датчика. В процессе свободного падания происходит рассеяние траекторий на величину R_T двух направлениях по длине и ширине датчика. Так же, как и в первых двух вариантах, материал не должен касаться внутренней поверхности электродов. Указанные условия выполняются при условии, что размеры прямоугольного канала внутренней поверхности чувствительного электрода определяются следующими соотношениями.

Длина внутреннего прямоугольного канала L_D выбрана из соотношения

где L - ширина подающего лотка.

Ширина внутреннего прямоугольного канала чувствительного электрода B_D выбрана из соотношения

Высота чувствительного электрода определяется соотношением, сходным с формулой (33), но сторона квадрата должна быть заменена шириной прямоугольного канала.

Соотношение имеет вид

где h_D - высота чувствительного электрода.

Дополнительные электроды установлены с изолирующим зазором D_З, величина которого выбрана из соотношения

Высота каждого из дополнительных электродов h_э выбрана из соотношения

Датчик работает следующим образом:

Заряженная частица минерала в процессе свободного падения пролетает последовательно внутри верхнего заземленного электрода 1 (при этом силовые линии замыкаются на заземленный электрод, не давая вклада в полезный сигнал), затем заряженная частица переходит внутрь чувствительного электрода 1 (при этом на чувствительном электроде индуцируется изменяющийся во времени электрический заряд, вызывающий в цепи чувствительного электрода импульс электрического тока), далее заряженная частица переходит внутрь нижнего заземленного электрода (при этом силовые линии вновь замыкаются на заземленный электрод, не давая вклада в индуцированный заряд, спад заряда на чувствительном электроде вызывает импульс электрического тока противоположного знака).

Необходимо отметить, что принципиальное значение для формирования сигналов имеет только внутренняя поверхность чувствительного электрода и дополнительных электродов. Форма внешней поверхности чувствительного электрода и дополнительных электродов не имеет принципиального значения, поэтому электроды могут быть выполнены как в виде тонкостенных конструкций из листового материала, так и в виде массивных блоков, в которых внутренние каналы могут быть выполнены путем обработки резанием.

Изолирующие зазоры могут быть обеспечены путем крепления электродов к высококачественному изолятору, например, выполненному из фторопласта. Вся система электродов должна быть помещена в заземленный корпус, предназначенный для снижения уровня электрических помех. Чувствительный электрод должен быть соединен с входом быстродействующего электрометрического усилителя.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является: во-первых, достижение максимально возможного стабильного значения индуцированного заряда на чувствительном электроде, равного заряду движущейся заряженной частицы минерала, во-вторых, обеспечение стабильной формы сигнала тока датчика, не зависящей от формы заземленного корпуса, внутри которого расположен чувствительный электрод.

Изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для измерения электрического заряда движущихся частиц минералов, в частности для обнаружения алмазов в алмазосодержащих смесях минералов, для их последующего извлечения с помощью исполнительного механизма. Датчик для бесконтактного измерения электрического заряда состоит из трех основных электродов: чувствительного электрода 1, верхнего заземленного электрода 2, нижнего заземленного электрода 3. Датчик содержит заземленный корпус, внутри которого расположен чувствительный электрод, установленный на высококачественном изоляторе. Основным элементом датчика является чувствительный электрод с внутренним каналом, по которому перемещается сепарируемый материал. Различие между вариантами выполнения датчика заключается в том, что в первом варианте внутренняя поверхность чувствительного электрода имеет форму цилиндра, во втором варианте внутренняя поверхность чувствительного электрода имеет квадратное поперечное сечение, в третьем варианте внутренняя поверхность чувствительного электрода имеет прямоугольное поперечное сечение. Технический результат - достижение максимально возможного стабильного значения индуцированного заряда на чувствительном электроде, равного заряду движущейся заряженной частицы минерала, обеспечение стабильной формы сигнала тока датчика, не зависящей от формы заземленного корпуса, внутри которого расположен чувствительный электрод. 3 н.п. ф-лы, 11 ил.

1. Датчик для бесконтактного измерения электрического заряда движущихся частиц минералов, включающий заземленный корпус, внутри которого расположен чувствительный электрод, установленный на высококачественном изоляторе, в верхней части заземленного корпуса выполнено входное окно, в нижней части заземленного корпуса выполнено выходное окно, отличающийся тем, что внутренняя поверхность чувствительного электрода выполнена в форме цилиндра, причем радиус R_D цилиндра выбран из соотношения
R_D=(1,1-1,5)R_T,
где R_T - максимальное отклонение траекторий движения материала внутри детектора от оси,
а высота h_D чувствительного электрода выбрана из соотношения
h_D=(2,0-5,0)R_D,
в датчик введены два дополнительных заземленных электрода цилиндрической формы с радиусом внутренней поверхности, равным радиусу внутренней поверхности чувствительного электрода, причем высота h_э каждого из дополнительных электродов выбрана из соотношения
h_э=(1,0-2,0)R_D,
дополнительные электроды установлены соответственно выше и ниже чувствительного электрода с изолирующим зазором D₃, величина которого выбрана из соотношения
D₃=(0,05-0,1)R_D.

2. Датчик для бесконтактного измерения электрического заряда движущихся частиц минералов, включающий заземленный корпус, внутри которого расположен чувствительный электрод, установленный на высококачественном изоляторе, в верхней части заземленного корпуса выполнено входное окно, в нижней части заземленного корпуса выполнено выходное окно, отличающийся тем, что внутренняя поверхность чувствительного электрода выполнена в форме канала с поперечным сечением в виде квадрата, причем сторона квадрата внутренней поверхности чувствительного электрода A_D выбрана из соотношения
A_D=2(1,1-1,5)R_T,
где R_T - максимальное отклонение траекторий движения материала внутри детектора от оси,
а высота h_D чувствительного электрода выбрана из соотношения
h_D=(2,0-5,0)A_D/2,
в датчик введены два дополнительных заземленных электрода цилиндрической формы с радиусом внутренней поверхности, равным радиусу внутренней поверхности чувствительного электрода, причем высота каждого из дополнительных электродов h_э выбрана из соотношения
h_э=(1,0-2,0)A_D/2,
дополнительные электроды установлены соответственно выше и ниже чувствительного электрода с изолирующим зазором D₃, величина которого выбрана из соотношения
D₃=(0,05-0,1)A_D/2.

3. Датчик для бесконтактного измерения электрического заряда движущихся частиц минералов, включающий заземленный корпус, внутри которого расположен чувствительный электрод, установленный на высококачественном изоляторе, в верхней части заземленного корпуса выполнено входное окно, в нижней части заземленного корпуса выполнено выходное окно, отличающийся тем, что внутренняя поверхность чувствительного электрода выполнена в форме канала с поперечным сечением в виде прямоугольника, длина прямоугольного канала L_D выбрана из соотношения
L_D=L+2(1,1-1,5)R_T,
где L - ширина подающего лотка;
R_T - максимальное отклонение траекторий движения материала внутри детектора от оси,
а ширина прямоугольника B_D выбрана из соотношения
B_D=2(1,1-1,5) R_T,
высота чувствительного электрода h_D выбрана из соотношения
h_D=(2,0-5,0) B_D/2,
в датчик введены два дополнительных заземленных электрода, внутренняя поверхность которых выполнена в форме канала с поперечным сечением в виде прямоугольника, размеры которого равны размерам внутреннего канала чувствительного электрода, причем высота каждого из дополнительных электродов h_э выбрана из соотношения
h_э=(1,0-2,0)B_D/2,
дополнительные электроды установлены соответственно выше и ниже чувствительного электрода с изолирующим зазором, величина D₃ которого выбрана из соотношения
D₃=(0,05-0,1)B_D/2.