CN108169582B - 一种单颗粒滑动摩擦带电的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单颗粒滑动摩擦带电的测量装置和方法，利用底座、支架、旋钮和托板，布置一个倾斜的滑道；将通式法拉第杯、法拉第杯与静电计相连；滑道引导段，通过通式法拉第杯，测量试样颗粒的初始静电量；滑道有效摩擦段末端下方放置法拉第杯，测量颗粒的最终静电量；利用最终静电量减去初始静电量，就可以准确地计算出试样颗粒与滑道滑动摩擦后产生的静电电荷量。本发明在测量单颗粒摩擦带电时，首次将通式法拉第杯和法拉第杯结合，可同时测量颗粒的初始静电量和最终静电量，有效提高了对摩擦带电量测量的精度，适用于精准分析颗粒物料与壁面摩擦带电的场合。

Description

一种单颗粒滑动摩擦带电的测量装置和方法

技术领域

本发明属于颗粒物料摩擦带电领域，具体涉及一种单颗粒滑动摩擦带电量的测量技术。

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。在颗粒的破碎、筛分、造粒及输送等过程中，固体颗粒与管道或容器的频繁摩擦、碰撞，不可避免的产生大量静电。颗粒静电集聚会形成电场，影响每个带电颗粒，影响了颗粒的运动形态，从而影响产品品质；甚至会引起放电导致电火花、着火或爆炸等危害。例如在气相法流化床聚乙烯的生产过程中，积累的静电会导致聚乙烯颗粒黏壁、熔融，最终形成结片，从而影响床内的流化状态甚至导致停车，影响流化床反应器的长期平稳运转；在制药工业中，静电的一个典型问题就是引起粉体颗粒的不充分流动，由于带电颗粒的流动性变差，导致管道堵塞，对后续的工艺造成很严重的影响；在粮食、制药、化工等产品的储运过程中，进入料仓的颗粒带有大量静电，当料仓内部的颗粒静电保持很高水平时，可能会产生刷形放电，极端情况会引发爆炸。

为了避免颗粒静电积累带来的各种不利影响，对颗粒静电的产生机理的研究迫在眉睫。测量出颗粒摩擦的荷电量，分析颗粒摩擦带电的影响因素，对上述工业领域的颗粒处理过程中静电危害预防的消除具有十分重要的意义。然而，颗粒静电生成机理非常复杂，涉及颗粒与颗粒的接触、碰撞以及颗粒与壁面的摩擦、碰撞等过程。因此，简化颗粒的作用过程，研究单个颗粒与壁面的滑动摩擦产生的静电对于理解颗粒的带电机理显得十分必要。

法拉第杯已被众多研究者们用来直接测量颗粒表面的静电量。传统法拉第杯由两个相互绝缘的同轴容器构成，外筒接地，起到静电屏蔽的作用，内筒是测量筒并与静电测量仪连接。当一个带电颗粒放入内筒中，试样上发出的电力线能够全部进入法拉第内筒。内筒壁面上会感应出电量相等但极性相反的电荷，通过电容储存电荷的功能就能通过静电测量仪对其进行测量。国内外研究人员在测量单颗粒滑动摩擦产生静电量时，通常需要对试样进行清洗、加热或接地等处理，以期消除试样的初始静电量。然后让试样从沿滑道滑落至法拉第杯内，由静电计测得最终静电量，并认为测得的最终静电量即为试样与滑动滑动摩擦产生的静电量。传统测量方法默认经过预处理的试样初始静电量为零。

然而，经过各种预处理后的试样静电量不可能完全为零，且单个颗粒与滑道进行摩擦产生的静电量的量级也很小，与试样颗粒的初始静电量基本在一个量级。这种简单的近似将会带来测量结果的严重偏差，例如：(1)当试样颗粒的初始静电量为2×10^-11C，经过滑动摩擦后的最终静电量为6×10^-11C，真实的摩擦带电量为最终静电量与初始静电量之差为4×10^-11C，而传统方法测量的摩擦静电量为6×10^-11C，较真实值偏大；(2)当试样颗粒的初始静电量为(-2×10^-11)C，经过滑动摩擦后的最终静电量为6×10^-11C，真实的摩擦带电量为最终静电量与初始静电量之差为8×10^-11C，而传统方法测量的摩擦静电量为6×10^-11C，较真实值偏小。

与此同时，颗粒所带静电是分布于颗粒表面的，要想研究颗粒某表面与滑道摩擦所带静电，必须排除其他表面所带静电量的干扰。因为法拉第杯法测量的是颗粒所有表面的静电量代数和，传统以最终静电量作为摩擦带电量的方法无法真实反应出滑动表面经过摩擦所带的摩擦静电。

因此，同时测量试样颗粒的初始静电量和最终静电量，排除试样颗粒初始静电的影响，为研究单颗粒滑动摩擦产生的静电量提供准确的测量数据，显得十分必要。

发明内容

技术问题：本发明提供一种能同时测量试样颗粒的初始静电量和最终静电量，实现精准测量单颗粒滑动摩擦带电的装置和方法。

技术方案：本发明的单颗粒滑动摩擦带电的测量装置，包括底座、安装在所述底座上的支架、通过旋钮固定在所述支架上的托板、安装在托板上的滑道、安装在所述滑道上的通式法拉第杯、与所述通式法拉第杯对应设置的法拉第杯、与所述通式法拉第杯和法拉第杯信号连接的静电计、与所述静电计信号连接的计算机；所述通式法拉第杯包括同轴的外管和内管、位于所述外管和内管之间将二者固定绝缘的绝缘棒，所述内管通过第一同轴电缆线与静电计的一个信号输入端相连。所述法拉第杯包括同轴的内筒和外筒、位于所述内筒和外筒之间将二者固定绝缘的绝缘层，内筒通过第二同轴电缆线与静电计的另一个信号输入端相连，所述静电计的信号输出端通过数据传输线与计算机连接。

进一步的，本发明装置中，托板通过托板把与旋钮连接，托板以托板把为中轴线轴对称设置，并能以托板把为中轴线进行旋转；所述滑道平铺于托板平面上，并能随着托板的旋转而调整与水平面夹角。

进一步的，本发明装置中，滑道为一窄长平板，所述滑道穿过通式法拉第杯的内管，与内管的中轴线平行且不与内管壁面接触。

进一步的，本发明装置中，法拉第杯位于通式法拉第杯下方。

进一步的，本发明装置中，外管和外筒均接地。

本发明的单颗粒滑动摩擦带电的测量方法，包括以下步骤：

1)旋转旋钮使滑道与水平面所成夹角大于试样摩擦角，保证滑道与内管壁面的间距足够大，使得试样颗粒能通过内管且不与内管壁接触；将法拉第杯放置与滑道末端的下方，保证试样颗粒能准确落入法拉第杯的内筒中；

2)将试样颗粒放置于滑道超出通式法拉第杯颗粒入口端的引导段上，并在重力的作用下开始下滑进入通式法拉第杯的内管；试样颗粒通过滑道的引导段时，利用通式法拉第杯和静电计测量出试样颗粒的初始静电量，并传输给计算机；

3)试样颗粒继续沿着滑道下滑，最终离开滑道，落入法拉第杯的内筒中，由静电计采集出试样颗粒与滑道滑动摩擦后的最终静电量，并传输给计算机；

4)利用所述最终静电量减去初始静电量，就计算出试样颗粒与滑道有效摩擦段滑动摩擦后产生的静电电荷量。

进一步的，本发明方法中，所述步骤2)中试样颗粒通过滑道的引导段时，试样颗粒通过通式法拉第杯的内管的时间大于静电计的采样时间。

进一步的，本发明方法中，所述步骤1)中的试样摩擦角为试验颗粒恰好能从滑道自由下滑时的倾角。

本发明中，托板通过托板把与旋钮连接，托板以托板把为中轴线轴对称设置，并能以托板把为中轴线进行旋转；所述滑道平铺于托板平面上，并能随着托板的旋转而调整与水平面夹角。所述滑道为一窄长平板，通过设置在上面的分界线分割为引导段和有效摩擦段，所述引导段穿过通式法拉第杯的内管，与内管的中轴线平行且不与内管壁面接触，外管设置在其末端径向投影线与分界线重合的位置；所述法拉第杯位于通式法拉第杯下方；所述外管和外筒接地。

测量开始前，旋转旋钮使滑道与水平线所成夹角大于试样摩擦角，使得试样颗粒能够沿着滑道自由下滑；保证滑道与内筒壁面的间距足够大，使得试样颗粒能通过内筒且不与内筒壁接触；法拉第杯放置与滑道末端的下方，保证试样颗粒能准确落入法拉第杯的内筒中；开始测量时，试样颗粒通过滑道引导段，利用通式法拉第杯和静电计测量出试样颗粒的初始静电量，并保存在计算机内；试样颗粒继续沿着滑道下滑，最终离开滑道，落入法拉第杯中，由静电计采集出试样颗粒与滑道充分摩擦后的最终静电量，并保存在计算机内；利用最终静电量减去初始静电量，就可以准确地计算出试样颗粒与滑道滑动摩擦后产生的静电电荷量。通过旋转旋钮，使滑道与水平面呈不同的角度，试样颗粒沿滑道下滑的速度就不同，测量试样颗粒在不同滑动速度下的摩擦带电量；通过调整滑道有效摩擦段的长度，测量试样颗粒滑动不同距离后的摩擦带电量；通过改变滑道有效摩擦段的粗糙度，测量试样颗粒在不同的粗糙表面滑动后的摩擦带电量。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、与传统方法中，将试样滑动摩擦后的最终静电量视为摩擦带电量相比，本发明能够测量出试样颗粒的初始静电量和经过滑动摩擦后的最终静电量，可得到准确的摩擦带电值，避免了因默认试样颗粒初始静电量为零导致的测量偏差；

2、传统方法利用一个法拉第杯测得的颗粒最终带电量为颗粒所有表面带静电量的代数和，无法得到滑动摩擦表面因摩擦而产生的静电量；本发明利用测量出试样经过滑动摩擦后的最终静电量与颗粒的初始静电量之差计算得到因试样颗粒表面与滑道表面摩擦而产生的静电量，排除了试样颗粒非摩擦面所带静电量对测量的干扰，可以定量分析摩擦带电量与颗粒摩擦面面积的关系；

3、传统方法中，需对试样颗粒进行预处理消除初始静电量，无法反映颗粒真实带电情况，因此对测量工况限制很大；本发明所需试样颗粒不需经过预处理，能够测量实际工业生产环境中的各种工况下真实颗粒滑动摩擦带电，更具有现实意义；

4、本装置安装方便，布置灵活，操作简单，可经过调整滑道倾斜角度、滑道长度和滑道表面粗糙度等因素，测量不同情况下颗粒滑动摩擦带电情况。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图。

图2是图1中通式法拉第杯结构主视图。

图3是图1中通式法拉第杯结构俯视图。

图中有：底座1，支架2，旋钮3，托板4，托板把41，滑道5，引导段51，有效摩擦段52，通式法拉第杯6，外管61，内管2，绝缘棒63，法拉第杯7，外筒71，内筒72，绝缘层73，第一同轴电缆线8，静电计9，第二同轴电缆线10，数据传输线11，计算机12，试样颗粒13。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步的解释说明。

本发明的基本思想是利用通式法拉第杯与法拉第杯结合，实现准确测量试样颗粒摩擦带电量。

如图1所示，该单颗粒滑动摩擦带电的测量装置包括底座1、垂直安装在所述底座1上的支架2、通过旋钮3与支架2连接的托板4以及长50cm的PVC材质的滑道5；还包括通式法拉第杯6、法拉第杯7、静电计9、计算机12；静电计9和计算机12通过数据传输线11连接；

通式法拉第杯6由两个同轴的不锈钢圆管：外管61和内管62组成；如图2、图3所示，外管61和内管62之间通过三个聚四氟乙烯绝缘棒63固定和绝缘，内管62通过同轴电缆线8与静电计9相连，外管61通过金属线接地；法拉第杯7由两个同轴的不锈钢内筒72和外筒71组成，两者之间通过聚四氟乙烯的绝缘层73固定，内筒72通过同轴电缆线10与静电计相9连，外筒71接地；通式法拉第杯6与法拉第杯7为两种不同形式的法拉第杯，其中传统法拉第杯的外筒71与内筒72底部都有封盖，而通式法拉第杯的外管61和内管62两端皆为开口。当试样进入内管62或内筒72后，且试样所发出的电力线全部落在内管62或内筒72上，通式法拉第杯6与法拉第杯7即能感应出试样所带电荷。

如图1所示，滑道5为一窄长平板，通式法拉第杯6左右两端分别称为颗粒入口端和颗粒出口端。滑道5的最左端超出通式法拉第杯6的左端，通式法拉第杯6的右端断面与滑道5交叉处定义为分界线，将滑道5分为引导段51和有效摩擦段52。通式法拉第杯6可沿着滑道移动，改变有效摩擦段52的位置和长度。引导段51穿过通式法拉第杯6的内管62，与内管62的中轴线平行且不与内管62壁接触；托板4以托板把41为中轴线轴对称，通过旋钮3与支架2连接固定，并可以托板把41为中轴线进行旋转；所述滑道5平铺、固定于托板4平面上，并可随着托板4的旋转而调整与水平面夹角。

测量开始前，旋转旋钮3使滑道5与水平面成45°，使得圆柱型聚乙烯试样颗粒13能够沿着PVC材质的滑道5自由下滑；保证滑道5与内管62壁面的间距足够大，使得试样颗粒13能通过内管62且不与内管62壁接触；法拉第杯7放置与滑道5末端的下方5cm处，使试样颗粒13能准确落入法拉第杯7的内筒72中；开始测量时，将试样颗粒13放置于通式法拉第杯6入口处的滑道5的引导段51上，并在重力的作用下开始下滑。聚乙烯试样颗粒13通过引导段51，由通式法拉第杯6和静电计9采集出试样颗粒的初始静电量Q_初始，并保存在计算机12内；试样颗粒13继续沿着滑道5的有效摩擦段52下滑，最终离开滑道5，落入法拉第杯7中，由静电计9采集出试样颗粒13与滑道5充分摩擦后的最终静电量Q_最终，并保存在计算机12内；利用最终静电量Q_最终减去初始静电量Q_初始，就可以准确地计算出试样颗粒13与滑道5的有效摩擦段52滑动摩擦后产生的静电电荷量Q_摩擦。

通过旋转旋钮，使滑道5与水平面呈不同的角度，试样颗粒13沿滑道5下滑的速度不同，测量试样颗粒13在不同滑动速度下的摩擦带电量；通过调整通式法拉第杯6的位置改变有效摩擦段52的长度，测量试样颗粒13滑动不同距离后的摩擦带电量；通过改变滑道5有效摩擦段52的粗糙度，测量试样颗粒13在不同的粗糙表面滑动后的摩擦带电量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，尽管本说明书参照附图对本发明做出了详细的说明，但是，所述干粉挤压密封变压输送装置的形状可随着实际情况改变，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种单颗粒滑动摩擦带电的测量装置，其特征在于：该装置包括底座(1)、安装在所述底座(1)上的支架(2)、通过旋钮(3)固定在所述支架(2)上的托板(4)、安装在托板(4)上的滑道(5)、安装在所述滑道(5)上的通式法拉第杯(6)、与所述通式法拉第杯(6)对应设置的法拉第杯(7)、与所述通式法拉第杯(6)和法拉第杯(7)信号连接的静电计(9)、与所述静电计(9)信号连接的计算机(12)；

所述通式法拉第杯(6)包括同轴的外管(61)和内管(62)、位于所述外管(61)和内管(62)之间将二者固定绝缘的绝缘棒(63)，所述内管(62)通过第一同轴电缆线(8)与静电计(9)的一个信号输入端相连；

所述法拉第杯(7)包括同轴的内筒(72)和外筒(71)、位于所述内筒(72)和外筒(71)之间将二者固定绝缘的绝缘层(73)，内筒(72)通过第二同轴电缆线(10)与静电计(9)的另一个信号输入端相连，所述静电计(9)的信号输出端通过数据传输线(11)与计算机(12)连接。

2.根据权利要求1所述的单颗粒滑动摩擦带电的测量装置，其特征在于，所述托板(4)通过托板把(41)与旋钮(3)连接，托板(4)以托板把(41)为中轴线轴对称设置，并能以托板把(41)为中轴线进行旋转；所述滑道(5)平铺于托板(4)平面上，并能随着托板(4)的旋转而调整与水平面夹角。

3.根据权利要求1所述的单颗粒滑动摩擦带电的测量装置，其特征在于，所述滑道(5)为一窄长平板，所述滑道(5)穿过通式法拉第杯(6)的内管(62)，与内管(62)的中轴线平行且不与内管(62)壁面接触。

4.根据权利要求1所述的单颗粒滑动摩擦带电的测量装置，其特征在于，所述法拉第杯(7)位于通式法拉第杯(6)下方。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的单颗粒滑动摩擦带电的测量装置，其特征在于，所述外管(61)和外筒(71)均接地。

6.一种单颗粒滑动摩擦带电的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)旋转旋钮(3)使滑道(5)与水平面所成夹角大于试样摩擦角，保证滑道(5)与内管(62)壁面的间距足够大，使得试样颗粒(13)能通过内管(62)且不与内管(62)壁接触；将法拉第杯(7)放置与滑道(5)末端的下方，保证试样颗粒(13)能准确落入法拉第杯(7)的内筒(72)中；

2)将试样颗粒(13)放置于滑道(5)超出通式法拉第杯(6)颗粒入口端的引导段(51)上，并在重力的作用下开始下滑进入通式法拉第杯(6)的内管(62)；试样颗粒(13)通过滑道(5)的引导段(51)时，利用通式法拉第杯(6)和静电计(9)测量出试样颗粒(13)的初始静电量，并传输给计算机(12)；

3)试样颗粒(13)继续沿着滑道(5)下滑，最终离开滑道(5)，落入法拉第杯(7)的内筒(72)中，由静电计(9)采集出试样颗粒(13)与滑道(5)滑动摩擦后的最终静电量，并传输给计算机(12)；

4)利用所述最终静电量减去初始静电量，就计算出试样颗粒(13)与滑道(5)有效摩擦段(52)滑动摩擦后产生的静电电荷量。

7.根据权利要求6所述的单颗粒滑动摩擦带电的测量方法，其特征在于，所述步骤2)中试样颗粒(13)通过滑道(5)的引导段(51)时，试样颗粒(13)通过通式法拉第杯(6)的内管(62)的时间大于静电计(9)的采样时间。

8.根据权利要求6或7所述的单颗粒滑动摩擦带电的测量方法，其特征在于，所述步骤1)中的试样摩擦角为试验颗粒(13)恰好能从滑道(5)自由下滑时的倾角。

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