CN109633293A - 一种根据颗粒运动轨迹测量颗粒碰撞带电的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种根据颗粒运动轨迹测量颗粒碰撞带电的装置和方法。该装置由高压直流电源、标尺、可视化试验箱、机械悬臂、电极板、碰撞平板、高速摄像机、真空泵组成。真空实验箱两侧布置两块平行电极板，一块电极板与高压电源连接，另一块接地，通过高压电源使电极板之间形成均匀电场，试验箱底部布置平板。固定在机械悬臂内的碰撞颗粒在重力作用下落入电极板之间的电场区域，与碰撞平板碰撞后反弹再次进入电场区域，用高速摄影机记录颗粒在电极板处的运动轨迹。带电颗粒在均匀电场中受水平电场力的作用，颗粒轨迹会发生偏移，通过分析颗粒的运动轨迹，即可得到颗粒的受力情况，进而计算得到颗粒的带电量。

Description

一种根据颗粒运动轨迹测量颗粒碰撞带电的装置和方法

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，涉及一种根据颗粒运动轨迹测量颗粒与壁面碰撞产生静电的技术。

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。

在颗粒传输处理过程中，静电的产生、积累会对工业生产有相当的危害性，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。随着工业生产的高速发展和高分子材料的迅速推广，静电危害己经成为化工、制药、面粉、粮食储运等不少行业安全生产的严重威胁。

为了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。目前该方面的研究还很有限，机理尚未明确。研究单个颗粒与壁面碰撞、摩擦产生静电能更好的了解静电产生的机理。

目前测量颗粒带电量的主要是依靠法拉第杯法。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。法拉第杯法测量过程中法拉第杯的电容容易受到外部环境的影响，同时该方法在颗粒间碰撞和分离测量过程中存在较多难题，只能得到颗粒碰撞后所获得的电量，而且对于带电量只有1×10^-12C量级的单颗粒来说，测量误差不容忽视。

因此，发明一种有效的测量装置和新的测量方法，减少法拉第杯装置对于颗粒静电量的影响，准确测量颗粒与壁面碰撞前后产生的静电量，显得十分必要。

发明内容

本发明根据上述不足提供了一种根据颗粒运动轨迹带电碰撞装置及碰撞试验方法；解决法拉第杯法测量的缺陷。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的根据颗粒运动轨迹带电碰撞装置，包括高压电源，标尺，可视化试验箱，机械爪，电极板，碰撞平板，高速摄影机，真空泵；所述的可视化试验箱内顶部设有机械爪；所述的机械爪用于夹持试验颗粒；可视化试验箱上设有抽气端口，该抽气端口与真空泵相连通；可视化试验箱的内底部设有碰撞平板；可视化试验箱的两侧分别设有电极板；电极板与高压电源相连；可视化试验箱的水平方向和垂直方向分别设有标尺；高速摄影机布置在可视化试验箱的外部。

本发明所述的根据颗粒运动轨迹测量颗粒碰撞带电的装置，所述的真空泵将可视化试验箱内空气抽离，可视化试验箱内处于真空状态。

本发明所述的根据颗粒运动轨迹测量颗粒碰撞带电的装置，所述的机械爪的底端的水平高度高于电极板顶端的水平高度。防止气体电离影响颗粒静电量，消除空气阻力对颗粒运动影响；电极板应保证平行布置在试验箱外部，保证不与颗粒接触，且一侧电极板接地。

本发明装置中，所述碰撞颗粒应保证能够有效碰撞反弹。

本发明的根据颗粒运动轨迹测量颗粒碰撞带电的方法，包括以下步骤：

1)、准备试验设备，机械爪夹持试验颗粒；调整高速摄像机的位置，确保高速摄像机能对可视化试验箱内试验颗粒的运动轨迹进行捕捉；

2)、采用真空泵对可视化试验箱内抽真空，调节高压电源，使电极板区域形成稳定均匀电场；

3)、开始试验，控制开关控制机械爪张开，试验颗粒由于重力向下运动，穿过均匀电场直至与碰撞平板发生碰撞；此时试验颗粒再次反弹至电场内；

4)、高速摄像机捕捉试验颗粒的运动轨迹，并将生成的运动轨迹图像传输至计算机；

5)、根据颗粒的运动轨迹图像，利用计算机图像处理得到颗粒质心运动轨迹S(x,y)，通过如下公式得到试验颗粒水平方向的运动分速度：

将得到的试验颗粒水平方向的运动分速度，通过下式得到试验颗粒水平方向的加速度：

将得到试验颗粒水平方向加速度通过如下公式得到试验颗粒的带电量：

ma_x＝QE

上述式中为颗粒在t时刻水平方向分速度，为颗粒在t+Δt时刻的横坐标，为颗粒在t时刻的横坐标，Δt为时间间隔；为颗粒在t时刻水平方向加速度，为颗粒在t+Δt时刻的水平方向分速度；m为颗粒质量，a_x为颗粒水平方向分速度，Q为颗粒带电量，E为颗粒动能。

本发明所述的根据颗粒运动轨迹测量颗粒碰撞带电的碰撞试验方法，碰撞试验中可视化试验箱内保持真空状态。

有益效果：

本发明提供的根据颗粒运动轨迹测量颗粒碰撞带电的装置和方法，通过可视化试验箱及箱体内的真空环境，减少了颗粒碰撞过程中外部和空气因素对于带电量的影响。

本发明提供的根据颗粒运动轨迹测量颗粒碰撞带电的装置和方法，该测试方法测量精度高，不仅能够测量得到颗粒碰撞壁面获得的带电量，而且能够得到颗粒碰撞壁面前后的带电量。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图。

图中1是高压电源，2是标尺，3是可视化试验箱，4是机械爪，5是控制开关，6是电极板，7是碰撞平板，8是高速摄像机，9是真空泵。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示：本发明所述的根据颗粒运动轨迹测量颗粒与壁面碰撞带电的装置包括高压电源1，标尺2，可视化试验箱3，机械爪4，控制开关5，电极板6，碰撞平板7，高速摄像机8，真空泵9；所述的可视化试验箱3内顶部设有机械爪4；所述的机械爪4用于夹持试验颗粒。

可视化试验箱3上设有抽气端口，该抽气端口通过管路与真空泵9相连通；可视化试验箱3的内底部设有碰撞平板7；可视化试验箱3的外部两侧分别设有电极板6；一侧电极板6与高压电源1相连，一侧电极板6接地；可视化试验箱3上设有水平和垂直标尺2；高速摄像机8布置在可视化试验箱3外部。

实验所用碰撞颗粒为绝缘材料和金属材料的球形颗粒，保证能够有效碰撞反弹。

其试验颗粒具体可采用塑料材料制成或铜材料制成。

本发明采用的根据颗粒运动轨迹测量颗粒碰撞带电的实验方法，其原理为：

根据颗粒的运动轨迹图像，利用计算机处理得到颗粒质心的坐标变化，计算得到颗粒水平方向运动加速度大小，由于颗粒水平方向只受到静电力，根据牛顿第二定律可计算得到颗粒碰撞过程中所受静电力，进而计算得到颗粒碰撞前初始带电量Q₀、碰撞后带电量Q，最终得到碰撞带电量ΔQ。

测量开始前，将碰撞颗粒固定在试验箱顶部的机械爪内，打开机械爪，确保颗粒在重力作用下能自由下落。

开始测量时，利用真空泵将可视化试验箱内抽成真空。打开高压电源1，使电极板之间形成均匀电场，调节高速摄像机8，确保拍摄照片清晰，通过外置开关5控制机械爪打开，颗粒在重力作用下开始下落，落入电极板之间的电场区域，与碰撞平板7碰撞后反弹再次进入电场区域。用高速摄影机8拍摄颗粒在电极板处的运动轨迹，将拍摄的颗粒轨迹传输到计算机进行分析。

基于计算机软件Matlab自行编制的简单的图像处理程序，对试验过程中颗粒的运动参数进行提取。得到颗粒在试验箱内整体运动轨迹S(x,y)，将颗粒的水平方向上的质心坐标的差值除以相应的时间间隔，即可得到水平方向的运动分速度：

将水平速度差值除以时间间隔即可得到水平加速度：

在水平方向上，带电颗粒只受电场力，由牛顿第二定律得：

ma_x＝QE ⑶

上述式中为颗粒在t时刻水平方向分速度；为颗粒在t+Δt时刻的横坐标；为颗粒在t时刻的横坐标；Δt为时间间隔；为颗粒在t时刻水平方向加速度；为颗粒在t+Δt时刻的水平方向分速度；m为颗粒质量，a_x为颗粒水平方向分速度，Q为颗粒带电量，E为颗粒动能。

已知带电颗粒在水平方向上的加速度和颗粒动能后，由公式(3)可以计算得到颗粒的带电量Q。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种根据颗粒运动轨迹测量颗粒碰撞带电的装置，其特征在于：包括高压电源(1)，标尺(2)，可视化试验箱(3)，机械爪(4)，碰撞平板(7)，高速摄像机(8)、真空泵(9)；所述的可视化试验箱(3)内顶部设有机械爪(4)；所述的机械爪(4)用于夹持试验颗粒；可视化试验箱(3)上设有抽气端口，该抽气端口与真空泵(9)相连通；可视化试验箱(3)的内底部设有碰撞平板(7)；可视化试验箱(3)的两侧分别设有电极板(6)；一侧电极板(6)与高压电源(1)相连，一侧电极板(6)接地；可视化试验箱(3)的水平方向和垂直方向分别设有标尺(2)；高速摄影机(8)布置在可视化试验箱(3)的外部。

2.根据权利要求1所述的根据颗粒运动轨迹测量颗粒碰撞带电的装置，其特征在于：所述的真空泵(9)将可视化试验箱(3)空气抽离，可视化试验箱(3)内处于真空状态。

3.根据权利要求1所述的根据颗粒运动轨迹测量颗粒碰撞带电的装置，其特征在于：所述的机械爪(4)的底端的水平高度高于电极板(6)顶端的水平高度。

4.根据上述权利要求1至3任一项所述的根据颗粒运动轨迹测量颗粒碰撞带电的装置碰撞试验方法，其特征在于：试验步骤如下：

1)、准备试验设备，机械爪(4)夹持试验颗粒；调整高速摄像机(8)的位置，确保高速摄像机(8)能对可视化试验箱(3)内试验颗粒的运动轨迹进行捕捉；

2)、采用真空泵(9)对可视化试验箱(3)内抽真空，调节高压电源(1)，使电极板(6)区域形成稳定均匀电场；

3)、开始试验，控制开关(5)控制机械爪(4)张开，试验颗粒由于重力向下运动，穿过均匀电场直至与碰撞平板(7)发生碰撞；此时试验颗粒再次反弹至电场内；

4)、高速摄像机(8)捕捉试验颗粒的运动轨迹，并将生成的运动轨迹图像传输至计算机；经过计算得到颗粒运动过程中带电量。

5.根据权利要求4所述的根据颗粒运动轨迹测量颗粒碰撞带电的装置碰撞试验方法，其特征在于：步骤4)中根据颗粒的运动轨迹图像，利用计算机图像处理得到颗粒质心运动轨迹S(x,y)，通过如下公式得到试验颗粒水平方向的运动分速度：

将得到的试验颗粒水平方向的运动分速度，通过下式得到试验颗粒水平方向的加速度：

将得到试验颗粒水平方向加速度通过如下公式得到试验颗粒的带电量：

ma_x＝QE

上述式中为颗粒在t时刻水平方向分速度；为颗粒在t+Δt时刻的横坐标；为颗粒在t时刻的横坐标；Δt为时间间隔；为颗粒在t时刻水平方向加速度；为颗粒在t+Δt时刻的水平方向分速度；m为颗粒质量；a_x为颗粒水平方向分速度，Q为颗粒带电量，E为颗粒动能。