CN108828334B - 利用电荷中和的平板式颗粒荷电量测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用电荷中和的平板式颗粒荷电量测量装置与方法，测量装置的壁面有两层，正极板和负极板在两层壁面中，压力传感器粘贴在内层壁面的内层，碰撞颗粒固定杆通过滑动垫片与壁面连接，其上有碰撞颗粒，碰撞颗粒通过牵丝与机械手臂末端压触连结。带电颗粒在压缩空气的携带下进入测量装置，在测量装置中与碰撞颗粒斜碰，碰撞后的带电颗粒向颗粒的正极板运动，并与压力传感器接触。传感器会记录与颗粒接触的位置和颗粒的速度大小和方向。数据通过数据传输线录入后计算机；根据编好的程序和公式计算出单个带电颗粒的质量、带电量及荷质比。经过大量测量后，可以求出其摩擦起电的荷电量。其方法和装置不仅操作方便、测量精确。不仅可以测量颗粒的绝对带电量和质量，计算出颗粒的荷质比。还可以用于荷电量测量，也能用于带不同种类电荷的颗粒所占的比例。

Description

利用电荷中和的平板式颗粒荷电量测量装置与方法

技术领域

本发明涉及颗粒带电量测量领域，特别涉及利用电荷中和的平板式颗粒荷电量测量装置与方法。

背景技术

电选是利用各种矿物和物料在高压电场内电性的差异而进行分选的一种很有效的物理选矿方法，属于干法分选。由于电选具有流程简单、经济、不产生废水、没有环境污染等特点。摩擦荷电是矿物颗粒之间或它们与适当沟物质表面之间有足够强的接触而引起的选择性荷电过程。摩擦荷电技术可代替其它分选过程而使许多问题得到满意解决,常常还能获得较好的结果，摩擦电选是矿物加工领域的基础技术之一,具有清洁、高效、环保等优点,已广泛应用于煤、非金属等的分选，随着技术的发展和技术的改进，目前点选在粉煤灰脱碳方面也开始有所应用。

在电选中，矿物的摩擦荷电以及荷电矿物的分离是影响摩擦电选的关键,由于绝大部分颗粒在分选过程中质量不变，所以在这一过程中，颗粒的带电量会影响其荷质比。颗粒在摩擦起电过程中，会通过接触、碰撞、摩擦的方法使矿粒带电。矿物质不同物体由于元素和物质组成、排列方式不同，从而导致其得失电荷的能力不同，这种性质成为物体的介电性质，两种甚至多种物质摩擦时，其会由于组分种的介电性质的差异而带上正负不同的电荷，电选技术是利用待分离物组分中介电质性的差异而实现分选的可用于多组分细粒物料颗粒分选的物理分选方法。

在一些矿物分离过程中，如粉煤灰的脱碳，为了能精确分离，常需要知道矿物颗粒的荷质比。这样可以有效调整分选设备的参数，提高分选的效率和处理量。

目前测量颗粒的带电量的装备主要是法拉第筒，其是在试验室条件下，评定以摩擦形式带电荷后物料的静电特性，需要和A101滚筒摩擦机及静电电位计配套使用，然而法拉第测量的带电量的方法是用电容器的电荷量与电位计的电压的乘积比上试样的摩擦面积，这个测量的的带电量是相对带电量，是摩擦后电荷的总电荷与质量的比值。若想精确分离，就需要测量出颗粒的绝对带电量，从而求出其荷质比。

发明内容

本发明是提供利用电荷中和的平板式颗粒荷电量测量装置与方法，以解决现有电荷测量装置不能测量颗粒的绝对带电量的的问题。从而精确测量不同质量颗粒的带电量以及电荷种类。为精确分选的提供书数据支持。具有易于操作、数据直观的特点。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种利用电荷中和的平板式颗粒荷电量测量装置，其特征是，包括测量主体、振动给料装置、压缩空气和计算机，其中测量主体包括长方体测量箱、碰撞颗粒、颗粒固定杆、颗粒牵引机构、机械手臂和机械手臂控制器；测量箱的其中一对侧壁对称安装正极板和负极板，两极板全面积设有压力传感器，压力传感器与计算机连接；正极板和负极板之间设置碰撞颗粒，所述碰撞颗粒滑动安装于一颗粒固定杆上，颗粒固定杆与电极板平行设置且与测量箱水平滑配合连接；颗粒牵引机构安装于测量箱内，与碰撞颗粒连接；机械手臂安装于负极板一侧，且与机械手臂控制器连接，机械手臂的前端设有手臂转动端；机构手臂能够做上、下及屈伸动作，控制碰撞颗粒固定杆移动，使碰撞颗粒在垂直于电极板的方向双向平移，机械手臂前端的手臂转动端能够带动牵引机构转动，从而带动碰撞颗粒在平行于电极板的方向双向平移。

所述牵引机构包括牵丝和转轮，牵丝为金属丝，由固定安装于测量箱两侧的转轮支撑形成上下两道平行的牵引线，其中位于上部的牵引线与碰撞颗粒固连，当手臂转动端位于牵丝下方，且于下道牵引线压触连接时，手臂转动端转动时带动牵丝转动，从而带动碰撞颗粒移动。

所述手臂转动端能够正反向转动。

所述颗粒固定杆的两端设置滑动垫片，测量箱的侧壁设置水平方向的滑槽，滑动垫片与滑槽滑配合连接。

所述测量箱的壁面为双层结构，正极板和负极板分别设于两层壁面之间，压力传感器设于正极板与内层壁面之间，并与壁面粘结固定。

压力传感器为高压电容式压力传感器。其额定电压至少可以承受40KVDC的电压。可以是但不限制是高压薄膜电容压力传感器、高压聚丙乙烯电容压力传感器。

将微电流传感器集成在碰撞颗粒固定杆和压力传感器上，且微电流传感器连接计算机。

一种利用电荷中和的平板式颗粒荷电量测量方法：步骤1)压力传感器为一个二维的平面，在与计算相连的软件系统中，以压力传感器上的最上端中点为坐标原点，水平方向为横坐标，竖直方向为纵坐标，当带电颗粒与碰撞颗粒碰撞后，根据其带电性质会向两侧传感器偏移并与传感器接触，传感器将记录与带电颗粒接触的位置，由于传感器为电容式传感器，能够测量出带电颗粒与传感器接触时带电颗粒的速度大小和方向，传感器的数据通过数据传输线录入计算机；

步骤2)在测量中，当颗粒与传感器接触的位置、速度大小和方向已知时，碰撞颗粒在传感器平面上的坐标能够通过计算机输入的数值换算出来，故能够计算得出带电颗在与碰撞颗粒到与传感器接触这段时间内颗粒在三个方向上的位移，结合带电颗粒与传感器接触时的速度大小和方向，计算出带电颗粒的质量；所述微电流传感器测量电容传感器与带电颗粒接触时通过的电流以及带电颗粒与碰撞颗粒碰撞时碰撞颗粒的电流，通过对两种电流之间的关系计算可以得出带电量，最终，计算出带电颗粒的荷质比；如此，经过大量重复性测量后，求出一定质量的颗粒经摩擦起电后的荷电量；

在测量过程中，测量的颗粒大小不一时，则通过机械手臂调节碰撞颗粒的位置使带电颗粒不与碰撞颗粒相碰撞，这时带电颗粒的轨迹为非碰撞轨迹，其原理是碰撞颗粒颗与牵丝由于带电，二者可以等效为曲率极大的丝电极，其将形成电晕电场，而压力传感器由于是平面则成为另一个电极，在高电压的作用下，丝电极周围空气被击穿，从而使带电颗粒偏向或者偏离丝电极，进而向两侧的传感器偏移，此时，带电颗粒的荷电量大小与荷质比计算方法同步骤2)。

步骤2)中所述的带电颗粒的荷质比的具体计算方法为：

步骤2.1)计算带电颗粒的质量

电容传感器记录的带电颗粒的速度大小和方向记录为v_c和θ，其中θ为速度与竖直方向上的夹角，带电颗粒在水平和竖直方向上的分速度为v’₁和v’₂，则

v’₁＝v_csinθ 式1，

v’₂＝v_ccosθ 式2，

颗粒在电容传感器上碰撞后电容传感器记录的竖直方向的位移为y₂，碰撞颗粒在坐标系的坐标为(x₁,y₁).记带电颗粒与碰撞颗粒的水平及竖直方向上的速度分别为v₁和v₂；

则有：

由于碰撞后，带电颗粒水平反向上做匀速运动，则有：

v’₁＝v₁ 式4，

公式4带入公式3有：

两颗粒碰撞时的速度v有

这个速度可视为完全有自由落体速度，带入空气阻力公式

可知小球质量

以上公式未标明的量所表示意义为C为空气阻力系数，该值通常是实验值，和物体的特征面积，即迎风面积，物体光滑程度和整体形状有关；ρ为空气密度，正常的干燥空气取1.293g/l，特殊条件下实地监测；S为物体迎风面积，对于碰撞颗粒可视为球体，由粒径求得；v₀为碰撞颗粒的初始速度，可视为传送带速度；t₂为颗粒下落时间，可近似认为无阻力时自由下落的时间，在测出下落距离时自由落体运动公式得出。

步骤2.2)读取两微电流传感器的数值相减所得差值，得带电颗粒的带电量；

步骤2.3)步骤2.2)所得带电颗粒的带电量与步骤2.1)所得带电颗粒的质量的比值为带电颗粒的荷质比。

机械手臂控制器控制机械手臂调节碰撞颗粒的位置的方法为：以机械手臂安装的位置为原点，以垂直于电极板的方向为横向座标，以平行于电极板的方向为纵向座标，设置平面直角坐标系，通过机械手臂控制器中输入纵坐标和横坐标数值控制机械手臂的屈伸和上下转动，推动或拉动颗粒固定杆水平移动从而使碰撞颗粒移动；当机械手臂与牵丝压触连接时，通过机械手臂控制器控制手臂转动端的正、反向转动和转动圈数带动牵丝运动，实现碰撞颗粒在颗粒固定杆上滑动，实现碰撞颗粒平行于正极板或负极板的横向座标移动。

与现有荷电量测量装置相比，本发明具有以下优点：

1)操作方便、测量精确；2)可以测量颗粒的绝对带电量和质量，并且计算出颗粒的荷质比；3)三、不仅可以用于荷电量测量，也能用于带不同种类电荷的颗粒所占的比例。

附图说明

图1是本发明利用电荷中和的平板式颗粒荷电量测量装置与方法的流程图。

图2是图1中A-A面剖面的俯视图。

图3是图2中B-B面剖面的俯视图。

附图中各部件的标记如下：1.待分离颗粒，2.风机，3.振动给料机，4.计算机，5.颗粒碰撞轨迹，6.压力传感器，7.数据传输线，8.非碰撞轨迹，9.正极板，10.负极板，11.碰撞颗粒，12.机械手臂控制器，13.机械手臂，14.带电颗粒，15.压缩空气，16.牵丝，17.手臂转动端，18.滑动垫片，19.颗粒固定杆，20.测量箱，21.轨道，22.转轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步阐述，但本发明的保护范围并不限于所述内容。下面结合附图，对本发明的实施方式进行进一步。

如图1和图2所示，一种利用电荷中和的平板式颗粒荷电量测量装置，包括测量主体、振动给料装置3、压缩空气15和计算机4，其中测量主体包括长方体测量箱20、碰撞颗粒11、颗粒固定杆19、颗粒牵引机构、机械手臂13和机械手臂控制器12；测量箱20的顶部设置进料通道，进料通道的顶口一侧设置振动给料机3，待分离颗粒1由振动给料机3输送至测量箱20内；测量箱20还配设空气压缩机，压缩空气15从进料通道吹入测量箱20辅助进料；碰撞颗粒11设于进料通道的下方设置，碰撞颗粒11滑动安装于一颗粒固定杆19上，颗粒固定杆19的两端设置滑动垫片18，滑动垫片18与测量箱20内壁的轨道21滑动配合连接，使颗粒固定杆19能够在测量箱20内水平移动；所述碰撞颗粒11与牵丝16固连，牵丝16两端连接在一起形成环形轨道，两端由转轮22支撑，牵丝16与机械手臂13前端的手臂转动端17压触连接，当手臂转动端17转动，则会带动碰撞颗粒11沿颗粒固定杆19滑动。测量箱20的壁面有两层，正极板9和负极板10在两层壁面中，压力传感器6粘贴在内层壁面的内层，通过数据传输线7与计算机连接。这里，压力传感器6为高压电容式压力传感器。其额定电压至少可以承受40KVDC的电压。材料可以是但不限制是高压薄膜电容压力传感器、高压聚丙乙烯电容压力传感器。机械手臂13与压力传感器6所在平面垂直，以其所在的竖直面所在平面直角坐标系，通过机械手臂控制器12中输入纵坐标和横坐标，此处横坐标的数值表示机械机械手臂与牵丝接触的点距传感器的距离的数值，机械手臂控制器12控制机械手臂13，来实现碰撞颗粒11上下左右的移动。同时机械手臂13末端与牵丝16的连接方式为压触式连接，旋转机械手臂末端17可以正反两个方向旋转，旋转时，机械手臂13末端带动牵丝16的运动来实现碰撞颗粒11在碰撞颗粒固定杆19上前后的移动。

实施例1

用于颗粒荷电量以及荷质比的测量。

测量前，先用高压电源与测量装置的正极板9连接，负极板10接地，打开计算机4、风机2。测量时，带电颗粒在振动给料机3中，当震动给料机3工作时，带电颗粒14在压缩空气15的携带下进入测量装置中，这时，在机械手臂控制器12输入数值控制控制机械手臂13以及牵丝16调节碰撞颗粒11的位置；随后带电颗粒14在测量装置中与碰撞颗粒11斜碰，并中和一部分电荷，碰撞后的带电颗粒14轨迹为碰撞轨迹5，如附图1中的C所示。向颗粒的正极板9运动，并与压力传感器6接触；压力传感器6紧贴测量装置的里层的内壁，为一个二维的平面，在与计算机4相连的软件系统中，以压力传感器6上的最上端中点为坐标原点，水平方向为横坐标，竖直方向为纵坐标。当带电颗粒14在与碰撞颗粒11碰撞后，根据其带电性质会向两侧传感器偏移并与传感器接触，传感器将记录与带电颗粒14接触的位置，由于压力传感器6为电容式传感器，其可以测量出带电颗粒14与传感器接触时带电颗粒14的速度大小和方向。压力传感器的数据通过数据传输线7录入计算机4；计算机4根据压力传感器6传输的数据以及中和的电荷量，计算出带电颗粒的荷电量。

在测量出带电颗粒14与压力传感器6接触的位置、速度大小和方向后，并且结合碰撞颗粒11的压力传感器6平面上的坐标，故可以计算得出带电颗14在与碰撞颗粒11到与压力传感器6接触这段时间内颗粒在三个方向上的位移。可以计算出带电颗粒14的质量。电容传感器与带电颗粒14接触时通过的电流以及带电颗粒14与碰撞颗粒11碰撞时碰撞颗粒11的电流之间的关系计算可以得出带电量，最终，计算出带电颗粒14的荷质比。碰撞后的带电颗粒14跌落到测量装置的底端。经过大量测量后，可以累计计算出总的摩擦起电的荷电量。

实施例2

用于带不同电荷颗粒之间的比例的测量。

如附图1和图附2所示，实施例2与实施例1的连接方式和工作原理相同，其主要区别为：

实施例2的碰撞颗粒不与带电颗粒接触。这时的轨迹为非碰撞轨迹8，如附图1中的C’所示。这时碰撞颗粒颗11与牵丝16由于带电，二者可以等效为曲率极大的丝电极，其将形成电晕电场，而传感器6由于是平面则成为另一个电极。在高电压的作用下，丝电极周围空气被击穿，从而使带电颗粒偏向或者偏离丝电极，进而向两侧的传感器偏移。此时计算机需同时计算带电颗粒14与正极板9、负极板10碰撞的质量与荷电量，累计测量之后，可以计算出带电颗粒14中带有正负电荷的颗粒数量以及质量。即可计算出其正负电荷颗粒的总荷质比以及颗粒间荷质比所呈现出的分布。碰撞后的带电颗粒14跌落到测量装置的底端。此时，带电颗粒14的荷电量大小与荷质比计算方法同上文所述类似，不再赘述。

以上所述实施方式仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用电荷中和的平板式颗粒荷电量测量装置，其特征是，包括测量主体、设振动给料装置、压缩空气和计算机，其中测量主体包括长方体测量箱、碰撞颗粒、颗粒固定杆、颗粒牵引机构、机械手臂和机械手臂控制器；测量箱的其中一对侧壁对称安装正极板和负极板，两极板全面积设有压力传感器，压力传感器与计算机连接；正极板和负极板之间设置碰撞颗粒，所述碰撞颗粒滑动安装于一颗粒固定杆上，颗粒固定杆与电极板平行设置且与测量箱水平滑配合连接；颗粒牵引机构安装于测量箱内，与碰撞颗粒连接；机械手臂安装于负极板一侧，且与机械手臂控制器连接，机械手臂的前端设有手臂转动端；机构手臂能够做上、下及屈伸动作，控制碰撞颗粒固定杆移动，使碰撞颗粒在垂直于电极板的方向双向平移，机械手臂前端的手臂转动端能够带动牵引机构转动，从而带动碰撞颗粒在平行于电极板的方向双向平移；将微电流传感器集成在碰撞颗粒固定杆和压力传感器上，且微电流传感器连接计算机。

2.根据权利要求1所述的一种利用电荷中和的平板式颗粒荷电量测量装置，其特征是，所述牵引机构包括牵丝和转轮，牵丝为金属丝，由固定安装于测量箱两侧的转轮支撑形成上下两道平行的牵引线，其中位于上部的牵引线与碰撞颗粒固连，当手臂转动端位于牵丝下方，且于下道牵引线压触连接时，手臂转动端转动时带动牵丝转动，从而带动碰撞颗粒移动。

3.根据权利要求1所述的一种利用电荷中和的平板式颗粒荷电量测量装置，其特征是，所述手臂转动端能够正反向转动。

4.根据权利要求1所述的一种利用电荷中和的平板式颗粒荷电量测量装置，其特征是，所述颗粒固定杆的两端设置滑动垫片，测量箱的侧壁设置水平方向的滑槽，滑动垫片与滑槽滑配合连接。

5.根据权利要求1所述的一种利用电荷中和的平板式颗粒荷电量测量装置，其特征是，所述测量箱的壁面为双层结构，正极板和负极板分别设于两层壁面之间，压力传感器设于正极板与内层壁面之间，并与壁面粘结固定。

6.根据权利要求1所述的一种利用电荷中和的平板式颗粒荷电量测量装置，其特征是，压力传感器为高压电容式压力传感器；其额定电压至少可以承受40KVDC的电压；可以是但不限制是高压薄膜电容压力传感器、高压聚丙乙烯电容压力传感器。

7.利用权利要求1～6任意一项权利要求所述的装置的一种利用电荷中和的平板式颗粒荷电量测量方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1)压力传感器为一个二维的平面，在与计算相连的软件系统中，以压力传感器上的最上端中点为坐标原点，水平方向为横坐标，竖直方向为纵坐标，当带电颗粒与碰撞颗粒碰撞后，根据其带电性质会向两侧传感器偏移并与传感器接触，传感器将记录与带电颗粒接触的位置，由于传感器为电容式传感器，能够测量出带电颗粒与传感器接触时带电颗粒的速度大小和方向，传感器的数据通过数据传输线录入计算机；

步骤2)在测量中，当颗粒与传感器接触的位置、速度大小和方向已知时，碰撞颗粒在传感器平面上的坐标能够通过计算机输入的数值换算出来，故能够计算得出带电颗在与碰撞颗粒到与传感器接触这段时间内颗粒在三个方向上的位移，结合带电颗粒与传感器接触时的速度大小和方向，计算出带电颗粒的质量；所述微电流传感器测量电容传感器与带电颗粒接触时通过的电流以及带电颗粒与碰撞颗粒碰撞时碰撞颗粒的电流，通过对两种电流之间的关系计算可以得出带电量，最终，计算出带电颗粒的荷质比；如此，经过大量重复性测量后，求出一定质量的颗粒经摩擦起电后的荷电量；

在测量过程中，测量的颗粒大小不一时，则通过机械手臂调节碰撞颗粒的位置使带电颗粒不与碰撞颗粒相碰撞，这时带电颗粒的轨迹为非碰撞轨迹，其原理是碰撞颗粒颗与牵丝由于带电，二者可以等效为曲率极大的丝电极，其将形成电晕电场，而压力传感器由于是平面则成为另一个电极，在高电压的作用下，丝电极周围空气被击穿，从而使带电颗粒偏向或者偏离丝电极，进而向两侧的传感器偏移，此时，带电颗粒的荷电量大小与荷质比计算方法同步骤2)。

8.根据权利要求7所述的一种利用电荷中和的平板式颗粒荷电量测量方法，其特征是，步骤2)中所述的带电颗粒的荷质比的具体计算方法为：

步骤2.1)计算带电颗粒的质量，电容传感器记录的带电颗粒的速度大小和方向记录为v_c和θ，其中θ为速度与竖直方向上的夹角，带电颗粒在水平和竖直方向上的分速度为v′₁和v′₂，则

v′₁＝v_csinθ 式1，

v′₂＝v_ccosθ 式2，

颗粒在电容传感器上碰撞后电容传感器记录的竖直方向的位移为y₂，碰撞颗粒在坐标系的坐标为(x₁,y₁).记带电颗粒与碰撞颗粒的水平及竖直方向上的速度分别为v₁和v₂；

则有：

由于碰撞后，带电颗粒水平反向上做匀速运动，则有：

v′₁＝v₁ 式4，

公式4带入公式3有：

两颗粒碰撞时的速度v有

这个速度可视为完全有自由落体速度，带入空气阻力公式

可知小球质量

以上公式中C为空气阻力系数，该值通常是实验值，和物体的特征面积，即迎风面积，物体光滑程度和整体形状有关；ρ为空气密度，正常的干燥空气取1.293g/l，特殊条件下实地监测；S为物体迎风面积，对于碰撞颗粒可视为球体，由粒径求得；v₀为碰撞颗粒的初始速度，可视为传送带速度；t₂为颗粒下落时间，可近似认为无阻力时自由下落的时间，在测出下落距离时自由落体运动公式得出；

步骤2.2)读取两微电流传感器的数值相减所得差值，得带电颗粒的带电量；

步骤2.3)步骤2.2)所得带电颗粒的带电量与步骤2.1)所得带电颗粒的质量的比值为带电颗粒的荷质比。

9.根据权利要求7所述的一种利用电荷中和的平板式颗粒荷电量测量方法，其特征是，机械手臂控制器控制机械手臂调节碰撞颗粒的位置的方法为：

以机械手臂安装的位置为原点，以垂直于电极板的方向为横向座标，以平行于电极板的方向为纵向座标，设置平面直角坐标系，通过机械手臂控制器中输入纵坐标和横坐标数值控制机械手臂的屈伸和上下转动，推动或拉动颗粒固定杆水平移动从而使碰撞颗粒移动；当机械手臂的与牵丝压触连接时，通过机械手臂控制器控制手臂转动端的正、反向转动和转动圈数带动牵丝运动，实现碰撞颗粒在颗粒固定杆上滑动，实现碰撞颗粒平行于正极板或负极板的横向座标移动。

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