CN108254633B - 一种测量颗粒与颗粒碰撞产生静电的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量颗粒与颗粒碰撞产生静电的装置和方法，利用底座、支架、夹箍和圆管滑轨，布置一个倾斜的滑轨；将通式法拉第杯、法拉第杯与静电计相连；滑动颗粒经过滑轨通过通式法拉第杯，测量滑动颗粒的碰撞前带电量；滑动颗粒离开滑轨与悬挂颗粒碰撞，并落入法拉第杯中测出滑动颗粒碰撞后带电量；利用碰撞后带电量减去碰撞前带电量，就可以准确地计算两颗粒碰撞后产生的静电电荷量。本发明可对悬挂颗粒碰撞后产生的静电电荷量进行测量，与滑动颗粒碰撞后产生的静电电荷量相互验证。

Description

一种测量颗粒与颗粒碰撞产生静电的装置和方法

技术领域

本发明属于气固两相流固体颗粒物碰撞带电领域，涉及一种测量颗粒与颗粒碰撞产生静电量的技术。

背景技术

颗粒带电是工业生产过程中普遍存在的现象。在颗粒的破碎、筛分、造粒及输送等过程中，由于颗粒与颗粒之间、颗粒与壁面之间的剧烈碰撞和摩擦，颗粒带电现象十分明显。颗粒静电大量积聚，导致团聚和黏壁现象，甚至还会产生静电放电，引起着火、爆炸等严重事故。

颗粒带电问题不仅广泛存在于人们的生产和生活中，自然界中也经常出现由于颗粒与颗粒碰撞而产生静电的现象。例如，在沙尘暴时从地表起跳的沙粒，由于沙粒间接触、碰撞和摩擦，许多沙粒会带上电荷；火山喷发时，火山灰颗粒之间相互接触也常常引起火山灰颗粒带电。即使在遥远的太空，也存在着颗粒静电问题：月球或火星上的沙尘暴会引起宇宙空间的粒子带电量的大小在数量级上要远远大于地球上的颗粒带电量。当这些带电的颗粒粘附在宇航员的太空服上，并带到飞船中，极有可能会影响飞船的飞行安全。

为了更好地探索自然，以及避免和消除颗粒静电带来的危害，对颗粒带电机理的研究迫在眉睫。由于颗粒静电的复杂性，势必要进行过程的分解和简化，单独研究颗粒与颗粒的碰撞带电成为一种行之有效的方法。然而，因缺乏有效的测量装置和测量手段，关于颗粒与颗粒的碰撞带电的测量鲜有报道。

测量颗粒表面的静电量最有效的方法为法拉第杯法。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。两颗粒碰撞带电的过程分为：接近-碰撞-分离-测量这几个个步骤，想要测量出因为碰撞而产生的静电量存在以下难点：1、接近-碰撞：两个颗粒如何准确碰撞上。通常的做法有：利用导轨引导颗粒滚动或滑动，给颗粒提供一个可预测的运行轨迹与另一个静止的颗粒相撞；或者利用细绳将颗粒悬挂，让颗粒做圆周运动，与另一个颗粒相撞；或者利用重力让颗粒自由落体，与正下方的另一个颗粒相撞；2、碰撞-分离：如何保证两颗粒碰撞-分离过程中滑动颗粒不受其他因素干扰。例如当两个颗粒在滑轨或平板上碰撞分离后，滑动颗粒落入法拉第杯中。其中滑动颗粒在从滑轨上下落，其实包含了滑动颗粒与滑轨的接触-分离过程。这样对两颗粒的碰撞-分离过程带电的研究产生严重干扰。3、分离一测量：碰撞分离后如何保证滑动颗粒准确落入法拉第杯中，而非被测小球不落入法拉第杯中。由动量定理可知，两个不同的颗粒碰撞分离后，都会继续运动，且运动轨迹不可控，所测颗粒可能无法准确落入法拉第杯，而且另一个颗粒也可能落入法拉第杯干扰测量。

现有的关于颗粒与颗粒的碰撞带电的测量方法对上述几个难题的处理大都存在缺陷。而且现有的方法中都没有考虑滑动颗粒碰撞前带电量，认为测得的碰撞后的静电量即为两颗粒碰撞产生的静电量。滑动颗粒静电量不可能完全为零，且两颗粒碰撞产生的静电量的数量级滑动颗粒的碰撞前静电量基本在一个量级。因此，忽略滑动颗粒碰撞前带电量严重影响两颗粒碰撞产生的静电量的测量精度。

因此，发明一种有效的测量装置，排除滑动颗粒碰撞前带电量的影响，准确测量两颗粒碰撞产生的静电量，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滑动颗粒的碰撞前带电量和碰撞后带电量，精准度高的测量颗粒与颗粒碰撞产生静电的装置和方法。

技术方案：本发明的测量颗粒与颗粒碰撞产生静电的装置，包括底座、安装在所述底座上的支架、安装在所述支架上的夹箍、固定在所述夹箍上的圆管滑轨、安装在所述圆管滑轨上的通式法拉第杯、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、安装在所述支架上的悬挂颗粒；所述支架包括安装在底座上的支架竖直段和固定在所述支架竖直段上的支架水平段，夹箍一端通过旋钮安装在支架竖直段上，另一端与圆管滑轨固定连接。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，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；所述圆管滑轨下半段穿过内管，与内管的同轴，且圆管滑轨的末端与外管末端平齐；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和计算机连接。

进一步的，本发明装置中，悬挂颗粒通过绝缘细线和挂钩悬挂在支架水平段上并位于内筒正上方，所述法拉第杯位于通式法拉第杯下方。

进一步的，本发明装置中，所述外管和外筒均接地。

进一步的，本发明装置中，所述圆管滑轨的直径大于试样颗粒当量直径且小于两倍试样颗粒当量直径。

本发明的测量颗粒与颗粒碰撞产生静电的方法，包括以下步骤：

1)旋转旋钮使圆管滑轨与水平面所成夹角大于试样摩擦角，将法拉第杯放置于圆管滑轨末端出口的下方，保证滑动颗粒能准确落入法拉第杯的内筒中；调整绝缘细线的长度使悬挂颗粒处于圆管滑轨出口附近，且在法拉第杯上方；

2)将滑动颗粒放置于圆管滑轨的入口处，并在重力的作用下开始下滑进入通式法拉第杯的内管；滑动颗粒滑过圆管滑轨时，利用通式法拉第杯和静电计测量出滑动颗粒的碰撞前带电量，并传输给计算机；

3)滑动颗粒离开圆管滑轨，与悬挂颗粒碰撞，并落入法拉第杯的内筒中；悬挂颗粒绕着挂钩做圆周运动，由静电计采集出滑动颗粒与悬挂颗粒碰撞后的带电量，并传输给计算机；

4)利用悬挂颗粒碰撞后的带电量减去碰撞前带电量，就计算出滑动颗粒与悬挂颗粒碰撞后产生的静电电荷量。

进一步的，本发明方法中，所述步骤2)中滑动颗粒通过通式法拉第杯的内管(62)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)中的试样摩擦角为滑动颗粒恰好能从圆管滑轨自由下滑时的倾角。

本发明可对悬挂颗粒碰撞后产生的静电电荷量进行测量，与滑动颗粒碰撞后产生的静电电荷量相互验证。本发明首次将通式法拉第杯和法拉第杯相融合，可同时测量颗粒碰撞前带电量和碰撞后带电量，有效提高了对两颗粒碰撞带电量测量的精度，适用于精准分析颗粒物相互碰撞带电的场合。测量开始前，旋转旋钮使圆管滑轨与水平面所成夹角大于试样摩擦角，使得滑动颗粒能够沿着圆管滑轨自由下滑；法拉第杯放置于圆管滑轨末端出口的下方，保证滑动颗粒能准确落入法拉第杯的内筒中；调整绝缘细线的长度使悬挂颗粒处于圆管滑轨出口附近，且在法拉第杯上方；；

开始测试时，将滑动颗粒放置于圆管滑轨的入口处，并在重力的作用下开始下滑；滑动颗粒滑过圆管滑轨，利用通式法拉第杯和静电计测量出滑动颗粒的碰撞前带电量，并保存在计算机内；滑动颗粒离开圆管滑轨，与悬挂颗粒碰撞，并落入法拉第杯中；悬挂颗粒绕着挂钩做圆周运动。由静电计采集出滑动颗粒与悬挂颗粒碰撞后的碰撞后带电量，并保存在计算机内；利用碰撞后带电量减去碰撞前带电量，就可以准确地计算出滑动颗粒与悬挂颗粒碰撞后产生的静电电荷量。

更进一步，在滑动颗粒与悬挂颗粒碰撞之前，通过下放绝缘细线将悬挂颗粒放入法拉第杯内筒底部，测量出悬挂颗粒碰撞前带电量，再将悬挂颗粒拉回法拉第杯上方、滑轨出口处；滑动颗粒与悬挂颗粒碰撞之后，计算机记录滑动颗粒碰撞后带电量，再将悬挂颗粒放入法拉第杯内筒底部，测量出悬挂颗粒碰撞后带电量，利用悬挂颗粒碰撞后带电量减去悬挂颗粒碰撞前带电量，就可以准确地计算出悬挂颗粒与滑动颗粒碰撞后产生的静电电荷量；由电荷守恒原理，滑动颗粒碰撞后产生的静电电荷量与悬挂颗粒碰撞后产生的静电电荷量应数值相等、电性相反；可与权利要求2所述的单颗粒滑动摩擦带电的测量方法相互验证。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、能够为滑动颗粒提供精确的运动轨迹，保证滑动颗粒与悬挂颗粒碰撞；在滑动颗粒与悬挂颗粒在碰撞-分离过程中不受外界干扰；滑动颗粒在碰撞后能准确落入法拉第杯中测出碰撞后带电量；

2、能够测量出滑动颗粒碰撞前的带电量和碰撞后的带电量，可得到准确的碰撞带电值，避免了因默认滑动颗粒碰撞前带电量为零导致的测量偏差；

3、本发明提供了两个可以互为验证的方法，使得测量更准确、可靠。

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，支架竖直段21，支架水平段22，旋钮3，夹箍4，圆管滑轨5，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，滑动颗粒13，挂钩14，绝缘细线15，悬挂颗粒16。

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。

如图1所示，该测量颗粒与颗粒碰撞产生静电的装置包括底座1、支架2、夹箍4、圆管滑轨5、通式法拉第杯6、法拉第杯7、静电计9、计算机12、滑动颗粒13和悬挂颗粒16；支架2包括安装在底座1上的支架竖直段21和固定在所述支架竖直段21上的支架水平段22，夹箍4一端通过旋钮3安装在支架竖直段21上，另一端固定安装圆管滑轨5。

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通过第一同轴电缆线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通过第二同轴电缆线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。

圆管滑轨5下半段穿过通式法拉第杯6的内管62，与内管62的同轴，且滑轨5的末端与外管61末端平齐；静电计9和计算机12通过数据传输线11连接；悬挂颗粒16通过绝缘细线15和挂钩14悬挂在支架水平段22，所述绝缘细线15可通过挂钩14改变长度。

测量开始前，旋转旋钮3使滑轨5与水平面成成45°，使得被测聚乙烯颗粒13能够沿着滑轨5自由下滑；法拉第杯7放置与滑轨5末端出口的下方，保证滑动颗粒13能准确落入法拉第杯7的内筒72中；调整绝缘细线15的长度使悬挂颗粒16处于滑轨5出口附近，且在法拉第杯7上方。

开始测量时，将滑动颗粒13放置于滑轨5的入口处，并在重力的作用下开始下滑；滑动颗粒13通过滑轨5，利用通式法拉第杯6和静电计9测量出滑动颗粒13的碰撞前带电量Q_13前，并保存在计算机12内；滑动颗粒13离开滑轨5，与悬挂颗粒16碰撞落入法拉第杯7中，悬挂颗粒16绕着挂钩14做圆周运动；由静电计9采集出滑动颗粒13与悬挂颗粒16碰撞后的碰撞后带电量Q_13后，并保存在计算机12内；利用碰撞后带电量Q_13后减去碰撞前带电量Q_13前，就可以准确地计算出滑动颗粒13与悬挂颗粒16碰撞后产生的静电电荷量Q_13碰撞。

可以通过调整圆管滑轨5的长度、内壁粗糙度或材质，可以改变滑动颗粒13碰撞前带电量，测量带有不同碰撞前带电量的滑动颗粒13与悬挂颗粒16碰撞后产生的静电电荷量。

在滑动颗粒13与悬挂颗粒16碰撞之前，可以通过下放绝缘细线15将悬挂颗粒16放入法拉第杯7内筒7底部，测量出悬挂颗粒16碰撞前带电量Q_16前，再将悬挂颗粒16拉回法拉第杯7上方、滑轨5出口处；滑动颗粒13与悬挂颗粒16碰撞之后，计算机12记录被测颗13碰撞后带电量，再将将悬挂颗粒16放入法拉第杯7内筒72底部，测量出悬挂颗粒16碰撞后带电量Q_16后，利用悬挂颗粒16碰撞后带电量Q_16后减去悬挂颗粒16碰撞前带电量Q_16前，就可以准确地计算出悬挂颗粒16与滑动颗粒13碰撞后产生的静电电荷量Q_16碰撞；由电荷守恒原理，滑动颗粒13碰撞后产生的静电电荷量Q_13碰撞应与悬挂颗粒16碰撞后产生的静电电荷量Q_16碰撞数值相等、电性相反；滑动颗粒13碰撞后产生的静电电荷量Q_13碰撞可与悬挂颗粒16碰撞后产生的静电电荷量Q_16碰撞相互验证。

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 (7)

1.一种测量颗粒与颗粒碰撞产生静电的装置，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)、安装在所述支架(2)上的夹箍(4)、固定在所述夹箍(4)上的圆管滑轨(5)、安装在所述圆管滑轨(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)、安装在所述支架(2)上的悬挂颗粒(16)；所述支架(2)包括安装在底座(1)上的支架竖直段(21)和固定在所述支架竖直段(21)上的支架水平段(22)，夹箍(4)一端通过旋钮(3)安装在支架竖直段(21)上，另一端与圆管滑轨(5)固定连接，悬挂颗粒(16)安装在所述支架水平段(22)上；

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)，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；所述圆管滑轨(5)下半段穿过内管(62)，与内管(62)的同轴，且圆管滑轨(5)的末端与外管(61)末端平齐；

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)和计算机(12)连接。

2.根据权利要求1所述的测量颗粒与颗粒碰撞产生静电的装置，其特征在于，所述悬挂颗粒(16)通过绝缘细线(15)和挂钩(14)悬挂在支架水平段(22)上并位于内筒(72)正上方，所述法拉第杯(7)位于通式法拉第杯(6)下方。

3.根据权利要求1所述的测量颗粒与颗粒碰撞产生静电的装置，其特征在于，所述外管(61)和外筒(71)均接地。

4.根据权利要求1、2或3所述的测量颗粒与颗粒碰撞产生静电的装置，其特征在于，所述圆管滑轨(5)的直径大于试样颗粒当量直径且小于两倍试样颗粒当量直径。

5.一种测量颗粒与颗粒碰撞产生静电的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)旋转旋钮(3)使圆管滑轨(5)与水平面所成夹角大于试样摩擦角，将法拉第杯(7)放置于圆管滑轨(5)末端出口的下方，保证滑动颗粒(13)能准确落入法拉第杯(7)的内筒(72)中；调整绝缘细线(15)的长度使悬挂颗粒(16)处于圆管滑轨(5)出口附近，且在法拉第杯(7)上方；

2)将滑动颗粒(13)放置于圆管滑轨(5)的入口处，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)；滑动颗粒(13)滑过圆管滑轨(5)时，利用通式法拉第杯(6)和静电计(9)测量出滑动颗粒(13)的碰撞前带电量，并传输给计算机(12)；

3)滑动颗粒(13)离开圆管滑轨(5)，与悬挂颗粒(16)碰撞，并落入法拉第杯(7)的内筒(72)中；悬挂颗粒(16)绕着挂钩(14)做圆周运动，由静电计(9)采集出滑动颗粒(13)与悬挂颗粒(16)碰撞后的带电量，并传输给计算机(12)；

4)利用悬挂颗粒(16)碰撞后的带电量减去碰撞前带电量，就计算出滑动颗粒(13)与悬挂颗粒(16)碰撞后产生的静电电荷量。

6.根据权利要求5所述的测量颗粒与颗粒碰撞产生静电的方法，其特征在于，所述步骤2)中滑动颗粒(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。

7.根据权利要求5或6所述的测量颗粒与颗粒碰撞产生静电的方法，其特征在于，所述步骤1)中的试样摩擦角为滑动颗粒(13)恰好能从圆管滑轨(5)自由下滑时的倾角。

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