CN108107282B - 碰撞颗粒的静电发生测量装置及方法 - Google Patents

碰撞颗粒的静电发生测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碰撞颗粒的静电发生测量装置及方法，该装置包括：支架；设置在所述支架上的碰撞体；法拉第杯，其位于所述碰撞体斜下方，待测颗粒与所述碰撞体碰撞后形成带电颗粒并能落入所述法拉第杯，所述带电颗粒运动产生电流；静电计，所述静电计与所述法拉第杯电性连接，用于计量所述电流对应的静电量；计算机，所述计算机与所述静电计电性连接，用于记录测得的所述静电量。本发明提供的碰撞颗粒的静电发生测量装置及方法，能够获得单颗粒碰撞发生静电的大小，并确定影响静电发生的因素，从而指导实际生产。

Description

碰撞颗粒的静电发生测量装置及方法
技术领域
本发明涉及静电量测量技术领域，特别涉及一种碰撞颗粒的静电发生测量装置及方法。
背景技术
颗粒是一种广泛应用的重要工业原料，包括化工、能源、制药、食品和矿物运输等领域。在颗粒传输过程中，固定颗粒在管道中随流体的运动复杂，其中颗粒与壁面的碰撞不仅带来磨损问题，还会产生大量静电。一方面，带电颗粒会发生放电现象，这可能引起颗粒团结、堵塞、火星和爆炸等危害。此外，在流体中，例如气固两相流中，颗粒上所带静电还可能会影响相关仪器的测量精度，损坏设备、仪器等。另一方面，如果合理利用静电又可以促进某些先进工业领域，例如印刷技术、除尘技术等的发展。
总之，测量由于颗粒碰撞发生的静电，研究碰撞静电生成的影响因素，对工业应用领域中发展消除、控制静电技术，合理利用静电都具有重要的实际指导意义。但是，由于静电产生机理十分复杂，目前还没有一种基于颗粒碰撞发生静电的测量技术。因此，目前非常有必要提出一种颗粒碰撞发生静电的测量技术，以弥补现有技术中的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种碰撞颗粒的静电发生测量装置及方法，测量单颗粒碰撞发生静电量，确定影响静电生成的因素，从而指导实际生产。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
一种碰撞颗粒的静电发生测量装置，其包括：
支架；
设置在所述支架上的碰撞体；
法拉第杯，其位于所述碰撞体斜下方，待测颗粒与所述碰撞体碰撞后形成带电颗粒并能落入所述法拉第杯内，所述带电颗粒运动产生电流；
静电计，所述静电计与所述法拉第杯电性连接，用于计量所述电流对应的静电量；
计算机，所述计算机与所述静电计电性连接，用于记录测得的所述静电量。
在一个优选的实施方式中，所述碰撞体的材料包括下述中的任意一种：不锈钢、玻璃。
在一个优选的实施方式中，所述碰撞体具有碰撞面和与所述碰撞面相对的底面，所述碰撞面呈圆弧状，所述底面固定在所述支架上且连接有接地线。
在一个优选的实施方式中，还包括用于检测湿度的湿度仪。
在一个优选的实施方式中，还包括：用于获取待测颗粒运动情况的摄像仪，所述摄像仪与所述计算机电性连接。
在一个优选的实施方式中，还包括：金属箔罩，所述金属箔罩设置在所述支架、法拉第杯、摄像仪、湿度仪外，所述金属箔罩上设置有预定尺寸的窗口。
在一个优选的实施方式中，所述窗口的下方，且位于所述碰撞体的上方还设置有用于对所述待测颗粒下落位置进行定位的横向标尺，位于所述碰撞体远离所述法拉第杯的一侧设置有纵向标尺。
在一个优选的实施方式中，所述法拉第杯、静电计、金属箔罩均与地线连接。
在一个优选的实施方式中，还包括用于测量待测颗粒质量的电子天平，所述电子天平的精度至少为10-4克。
一种基于上述的碰撞颗粒的静电发生测量装置的测量方法，包括：
测量待测颗粒的尺寸、质量，并将所述待测颗粒放电至少24小时以上；
将放电后的所述待测颗粒在预定位置下落，与碰撞体进行碰撞后形成带电颗粒并落入法拉第杯中，所述带电颗粒运动产生电流；通过与所述法拉第杯连接的静电计测量所述电流对应的静电量；
计算机按照预设时间间隔将测量到的所述静电量数据保存。
在一个优选的实施方式中，还包括：改变所述待测颗粒的尺寸、质量、下落高度、材料以及湿度参数中的任意一种，而保持其他参数不变，重复上述测量方法。
本发明的特点和优点是：本申请实施方式中提供的碰撞颗粒的静电发生测量装置及方法，通过设置碰撞体，位于所述碰撞体斜方的法拉第杯，所述待测颗粒与所述碰撞体碰撞后形成待定颗粒并能落入法拉第杯中，所述带电颗粒运动产生电流；与所述法拉第杯电性连接的静电计，与所述静电计电性连接的计算机，可以实现待测颗粒的静电量测量，并且通过改变实验条件可以确定单颗粒碰撞静电生成的影响因素。总之，发明提供的碰撞颗粒的静电发生测量装置，能够模拟实际颗粒的碰撞现象，测量单颗粒碰撞发生静电量，确定影响静电生成的因素，从而指导实际生产。
参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
图1是本申请实施方式中一种碰撞颗粒的静电发生测量装置的结构示意图；
图2是本申请实施方式中一种碰撞颗粒的静电发生测量方法的步骤流程图。
附图标记说明：
支架-1；待测颗粒-10；横向标尺11；纵向标尺12；碰撞体-2；法拉第杯-3；开口端-30；静电计-4；计算机-5；摄像仪-6；湿度仪-7；金属箔罩-8，窗口-81。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提供一种碰撞颗粒的静电发生测量装置及方法，测量单颗粒碰撞发生静电量，确定影响静电生成的因素，从而指导实际生产。
本申请所提供的碰撞颗粒的静电发生测量装置用于测量单颗粒的静电量，其测量原理是：颗粒在运动的过程中不可避免地与碰撞体进行碰撞，从而生成静电荷，该过程为“碰撞带电”；分开之后颗粒与碰撞体带相同数量的相反电荷。其中，产生的电量大小可能的影响因素包括：颗粒材料、大小、形状、环境湿度等。具体的，各个影响因素对颗粒碰撞后带电量的影响大小利用本申请所提供的碰撞颗粒的静电发生测量装置进行确定。
需要强调的是：本申请所提供的测量模型是单颗粒-碰撞体的碰撞模型，产生的静电是由单颗粒与碰撞体碰撞后产生。该碰撞带电的方式与滑动带电主要存在以下区别：
1、颗粒发生静电本质不同：颗粒-壁面碰撞是一次性瞬间发生静电，与颗粒材料、碰撞速度(下落高度)、颗粒大小等因素有关系；而颗粒-壁面滑动是指颗粒在平面上滑动接触，长时间接触后发生静电，除了上述影响因素外，还有颗粒接触面积、颗粒形状、颗粒表面粗糙度等因素有关。
2、接触方式不同：滑动带电为面接触，碰撞带电为点接触；
3、接触时间不同：滑动带电是指颗粒在平面上滑动的时间，时间较长，颗粒-壁面碰撞带电则为瞬间颗粒-壁面碰撞；
4、静电发生机理及影响因素作用不同：颗粒-壁面碰撞速度越大，由于撞击动能大导致静电产生量大；颗粒滑动速度大，在相同的滑行距离内滑动接触时间短，导致静电产生量小。
对于颗粒-壁面碰撞模型或者碰撞带电的方式而言，其更能模拟实际的颗粒与壁面碰撞的情况。
请参阅图1，本申请实施方式中提供的一种碰撞颗粒的静电发生测量装置可以包括：支架1；设置在所述支架1上的碰撞体2；法拉第杯3，其位于所述碰撞体2斜下方，所述待测颗粒10与所述碰撞体2碰撞后形成带电颗粒并能落入所述法拉第杯3产生电流；静电计4，所述静电计4与所述法拉第杯3电性连接，用于计量所述电流对应的静电量；计算机5，所述计算机5与所述静电计4电性连接，用于记录测得的所述静电量。
在本实施方式中，所述支架1用于支撑所述碰撞体2。具体的，所述支架1可以包括底座和设置在所述底座上的支撑杆。所述支撑杆上可以设置有固定部，用于固定所述碰撞体2。所述固定部与所述碰撞体2的配合方式可以为卡合方式，可以为磁性吸附的方式，或者，所述碰撞体2可以直接焊接在所述支架1上，此外，两者的配合方式并不限于上述举例，具体的本申请在此并不作具体的限定。
在本实施方式中，所述碰撞体2用于与待测颗粒10进行碰撞。具体的，所述碰撞体2的材料可以包括下述中的任意一种：不锈钢、玻璃等。其中，该玻璃可以为有机玻璃。具体的，该碰撞体2的材料可以根据实际应用环境材料的不同而适应性改变，本申请在此并不作具体的限定。
在一个实施方式中，所述碰撞体2具有碰撞面和与所述碰撞面相对的底面，所述碰撞面呈圆弧状。所述碰撞体2可以为半球体，例如，所述碰撞体2可以为半径5厘米的半球体。所述碰撞体2的底面可以与水平面呈预定角度放置在所述支架1上，为了使得待测颗粒10从碰撞体2碰撞反弹直接落入法拉第杯3，该预定角度可以选为45-65度。
为了保证待测颗粒10与碰撞体2碰撞是点接触，在本实施方式中限制碰撞体2的形状为球体。该碰撞体2的构造与支架1的配合关系等并不限于上述举例，本申请在此并不作具体的限定，保证待测颗粒10与该碰撞体2碰撞为一次性点碰撞而产生静电，并能弹出至法拉第杯3中。
其中，为了进行独立性实验，即待测颗粒10碰撞后进行下一个待测颗粒10的碰撞，碰撞体2需要瞬间放电。具体的，所述碰撞体2的底面可以固定在所述支架1上且连接有接地线。从理论上分析，待测颗粒10与碰撞体2相碰撞后，两者分别带相同数量的相反电荷。但是考虑到碰撞体2的面积较大，受周围环境影响较大，直接测量其带电量误差较大，因此不对其进行测量。
在本实施方式中，所述法拉第杯3位于所述碰撞体2的斜下方。所述待测颗粒10与所述碰撞体2碰撞后落入法拉第杯3中形成带电颗粒，所述带电颗粒运动产生电流。法拉第杯3是用来测量带电颗粒运动所产生的电流，进而获得颗粒碰撞后产生的静电量。
具体的，所述法拉第杯3整体可以呈中空的圆筒形，其上端为开口端30。所述法拉第杯3具有相对的第一侧和第二侧。结合附图而言，所述第一侧为所述法拉第杯3的左侧，所述第二侧为所述法拉第杯3的右侧。所述第一侧为靠近所述碰撞体2下端的一侧。其中，所述法拉第杯3的开口端30的内径为4厘米。
在本实施方式中，所述静电计4与所述法拉第杯3电性连接，用于计量所述电流对应的静电量。一般的，待测颗粒10的粒径约2-3毫米，待测颗粒10自由下落，与碰撞体2发生碰撞后直接落入法拉第杯3中，法拉第杯3与静电计4搭配使用，通过电流与电荷的转换，可获得准确的电荷数量，简单可靠，可测出较小的电荷量(10-14～10-10库仑)。
在本实施方式中，所述计算机5与所述静电计4电性连接，用于保存测得的所述静电量。具体的，所述计算机5可以为带有数据计算功能或者数据输出或展示功能的设备，例如计算机5等，具体的本申请在此不再赘述。
在一个实施方式中所述法拉第杯3、静电计4、碰撞体2以及金属箔罩8均接地，从而避免周围环境影响测量精度。
在一个实施方式中，所述碰撞体2内还设置有用于获取待测颗粒10运动情况的摄像仪6。所述摄像仪6可以为高速摄像仪6，能够高效、准确地记录待测颗粒10的运动轨迹。此外，根据上方，侧边布置的标尺可以准确获得待测颗粒10下落至碰撞体2上方的速度，所述摄像仪6可以与所述计算机5电性连接，从而将获取的数据传输给所述计算机5进行保存。
在一个实施方式中，为了检测待测颗粒10周围的环境湿度，进而确定出环境湿度对碰撞颗粒产生静电大小的影响，该碰撞颗粒的静电发生测量装置还包括用于检测湿度的湿度仪7。
此外，为了屏蔽外围静电干扰，提供静电测量的准确性，该碰撞颗粒的静电发生测量装置还包括：金属箔罩8，并且可以接地。所述金属箔罩8可以设置在所述支架1、法拉第杯3、摄像仪6、湿度仪7外。所述金属箔罩8上设置有预定尺寸的窗口81，用于投放待测颗粒10。具体的，所述金属箔罩8的大小和形状可以根据实际实验需要而设定，本申请在此并不作具体的限定。例如，该金属箔罩8可以为长75厘米、宽30厘米、高45厘米的长方体形。该长方体形的顶面设置有长25厘米宽10厘米的窗口81。
进一步的，在所述窗口81的下方，且位于所述碰撞体2的上方还设置有用于对所述待测颗粒10下落位置进行定位的横向标尺11，位于所述碰撞体2远离所述法拉第杯3的一侧设置有纵向标尺12。所述横向标尺11和纵向标尺12用于配合实现待测颗粒10的初始定位，当该待测颗粒10在横向标尺11和纵向标尺12所在的范围内下落时，能够与碰撞体2碰撞后落入法拉第杯3中。具体的，横向标尺11的范围可以为0-5厘米，所述纵向标尺12的范围可以为0-5厘米。
此外，为了避免周围环境的影响，保证测量的精度，所述法拉第杯3、静电计4、金属箔罩8均接地。
在一个实施方式中，该碰撞颗粒的静电发生测量装置还包括用于测量待测颗粒10质量的电子天平，所述电子天平的精度至少为10-4g，以便准确地测量该待测颗粒10的质量。
具体检测时，可以利用电子天平测量待测颗粒10的质量，选出满足质量要求的待测颗粒10，然后将待测颗粒10放置在所述碰撞体2中进行放电，例如可以放电24小时以上，以保证该待测颗粒10实验前完全不带电。后续用防静电镊子将放电后的待测颗粒10放置在设定位置，所述待测颗粒10自由下落与所述碰撞体2发生碰撞后形成带电颗粒并弹入所述法拉第杯3中，该带电颗粒运动时产生感应电流。产生的感应电流经过所述静电计4测量后获得所述带电颗粒所带的电荷。后续该电荷通过与所述静电计4连接的计算机5进行存储。
整体上，本申请实施方式中提供的碰撞颗粒的静电发生测量装置通过设置碰撞体2，位于所述碰撞体2斜方的法拉第杯3，所述待测颗粒与所述碰撞体2碰撞后形成带电颗粒，该带电颗粒反弹落入所述法拉第杯3中产生电流；与所述法拉第杯3电性连接的静电计4，与所述静电计4电性连接的计算机5，可以实现待测颗粒10的静电发生测量，并且通过改变实验条件可以能够确定出单颗粒碰撞静电生成的影响因素。综上而言，发明提供的碰撞颗粒的静电发生测量装置，能够模拟实际颗粒的碰撞现象，能够获得单颗粒碰撞发生静电的大小，并确定影响静电发生的因素，从而指导实际生产。
请参阅图2，基于上述的碰撞颗粒的静电发生测量装置，本申请实施方式中提供了一种碰撞颗粒的静电发生测量方法，该方法可以包括如下步骤：
步骤S10：测量待测颗粒10的尺寸、质量，并将所述待测颗粒10放电至少24小时以上；
步骤S12：将放电后的待测颗粒10在预定位置下落，与碰撞体2进行碰撞后形成带电颗粒并落入法拉第杯3中，所述带电颗粒运动产生电流；通过与所述法拉第杯3连接的静电计4计量所述电流对应的静电量；
步骤S14：计算机5按照预设时间间隔将测量到的所述静电量数据进行保存。
进一步的，该方法还可以包括：
步骤S16：改变所述待测颗粒10的尺寸、质量、下落高度、材料以及湿度参数中的任意一种，而保持其他参数不变，重复上述测量方法。
在正式实验前，可以先测量待测颗粒10的尺寸、质量，并将所述待测颗粒10放电至少24小时以上，以保证待测颗粒10完全不带电。
正式测量时，可以用防静电镊子将放电后的待测颗粒10落下，其中该待测颗粒10的材料可以选择：PVC、PP、煤粉、玻璃等其它需要实验模拟的材料，该待测颗粒10的初始位置可以为横向标尺11和纵向标尺12所在的范围内，当该待测颗粒10与碰撞体2碰撞后形成带电颗粒反弹至法拉第杯3中，测得的电荷每隔50ms自动保存在计算机5上。后续夹出该带电颗粒放置在不锈钢板上进行放电。
测量除下落高度外的影响因素时，要确保待测颗粒10下落高度一致；测量下落高度的影响时，应在标尺范围内下落并记录，该范围经实验论证可以保证颗粒落入法拉第杯3中。
利用上述实施方式提供的碰撞颗粒的静电发生测量装置，进行测量能够模拟实际颗粒的碰撞现象，测量颗粒碰撞后产生静电的大小，确定单颗粒碰撞静电生成的影响因素，从而指导实际生产。例如，实验中发现：颗粒长宽比越大则发生静电量越大，由此可在有危害的场所将颗粒的长宽比尽可能减小；而在静电量的应用中使颗粒长宽比尽可能大。
本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。
以上所述仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种碰撞颗粒的静电发生测量装置，其特征在于，包括：
支架；
设置在所述支架上的碰撞体；
法拉第杯，其位于所述碰撞体斜下方，待测颗粒与所述碰撞体碰撞后形成带电颗粒并能落入所述法拉第杯内，所述带电颗粒运动产生电流；
静电计，所述静电计与所述法拉第杯电性连接，用于计量所述电流对应的静电量；
计算机，所述计算机与所述静电计电性连接，用于记录测得的所述静电量；
金属箔罩，所述金属箔罩设置在所述支架、法拉第杯、摄像仪、湿度仪外，所述金属箔罩上设置有预定尺寸的窗口；所述窗口的下方，且位于所述碰撞体的上方还设置有用于对所述待测颗粒下落位置进行定位的横向标尺，位于所述碰撞体远离所述法拉第杯的一侧设置有纵向标尺，所述横向标尺和所述纵向标尺用于配合实现待测颗粒的初始定位，当所述待测颗粒在所述横向标尺和所述纵向标尺所在的范围内下落时，能够与所述碰撞体碰撞后落入所述法拉第杯中。
2.如权利要求1所述的碰撞颗粒的静电发生测量装置，其特征在于，所述碰撞体的材料包括下述中的任意一种：不锈钢、玻璃。
3.如权利要求2所述的碰撞颗粒的静电发生测量装置，其特征在于，所述碰撞体具有碰撞面和与所述碰撞面相对的底面，所述碰撞面呈圆弧状，所述底面固定在所述支架上且连接有接地线。
4.如权利要求3所述的碰撞颗粒的静电发生测量装置，其特征在于，还包括用于检测湿度的湿度仪。
5.如权利要求4所述的碰撞颗粒的静电发生测量装置，其特征在于，还包括：用于获取待测颗粒运动情况的摄像仪，所述摄像仪与所述计算机电性连接。
6.如权利要求1所述的碰撞颗粒的静电发生测量装置，其特征在于，所述法拉第杯、静电计、金属箔罩均与地线连接。
7.如权利要求1所述的碰撞颗粒的静电发生测量装置，其特征在于，还包括用于测量待测颗粒质量的电子天平，所述电子天平的精度至少为10-4克。
8.一种基于权利要求1所述的碰撞颗粒的静电发生测量装置的测量方法，其特征在于，包括：
测量待测颗粒的尺寸、质量，并将所述待测颗粒放电至少24小时以上；
将放电后的所述待测颗粒在预定位置下落，与碰撞体进行碰撞后形成带电颗粒并落入法拉第杯中，所述带电颗粒运动产生电流；通过与所述法拉第杯连接的静电计测量所述电流对应的静电量；
计算机按照预设时间间隔将测量到的所述静电量数据进行保存。
9.如权利要求8所述的碰撞颗粒的静电发生测量装置的测量方法，其特征在于，还包括：改变所述待测颗粒的尺寸、质量、下落高度、材料以及湿度参数中的任意一种，而保持其他参数不变，重复上述测量方法。
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