CN201697796U - 一种具有粒子运动摩擦带电测量功能的粒子环境模拟系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种粒子环境模拟系统，更具体地说，公开了一种具有粒子运动摩擦带电测量功能的粒子环境模拟系统，其包括粒子环境模拟装置和粒子运动摩擦带电测量装置。该系统搭建模拟粒子环境，其空气压力可调，紊流程度可调，可控制环境中粒子相互作用程度，并能够测量粒子相互作用的带电情况。

Description

一种具有粒子运动摩擦带电测量功能的粒子环境模拟系统

技术领域

本实用新型涉及一种粒子环境模拟系统，更具体地说，涉及一种具有粒子运动摩擦带电测量功能的粒子环境模拟系统。

背景技术

粒子环境作为一种典型的服役环境，正在日益影响着人们的生产生活，空气中悬浮的微尘粒子对机械设备，特别是精密机械，如磁头磁卡系统、空气轴承的服役情况和寿命产生了很大的影响，因此，机械设备的设计与应用不得不考虑粒子环境对设备服役状态的影响。粒子环境中粒子之间的相互运动摩擦产生的静电会在局部形成很强的静电场，已有的研究表明粒子环境中的静电场会对高压送电及微波传输等产生严重的不良影响。但是，粒子环境中的带电荷粒子和静电场对机械系统摩擦学特性的影响还不清楚。

现有模拟粒子环境主要是在风洞中利用强风形成大面积的模拟沙尘环境，利用该模拟环境可以研究整个机械系统在沙尘环境中的磨损情况及使用寿命；但是，对于研究带电粒子侵入摩擦副表面引起的摩擦磨损性能的变化及电磁性能的变化，则需要在较小腔体内形成稳定可控的模拟粒子环境以方便研究，而研究带电微粒子对空气轴承的影响则要求形成具有一定压力的含粒子气流。因此，搭建空气压力可调的模拟粒子环境，并能够控制环境中粒子相互作用，测量粒子相互运动摩擦的带电情况，对研究粒子环境下机械系统的摩擦学特性具有重要意义，可为机械系统设计改进提供参考。

实用新型内容

鉴于上述研究需要，本实用新型的目的在于提供一种具有粒子运动摩擦带电测量功能的粒子环境模拟系统，它能够模拟具有一定正压力、不同紊流程度的粒子环境，并能够对粒子环境模拟装置中的粒子的带电情况进行测量。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现。

一种具有粒子运动摩擦带电测量功能的粒子环境模拟系统，其特征在于，包括粒子环境模拟装置和粒子运动摩擦带电测量装置；所述粒子环境模拟装置包含洁净气流总管路、水平放置的圆柱状粒子环境模拟腔、与粒子环境模拟腔径向入口连通的扰流管路、与粒子环境模拟腔的轴向出口连通的粒子收集腔、与粒子环境模拟腔的轴向入口连接的粒子供应管路、与粒子供应管路水平连通的主气管路、与粒子供应管路垂直连通的粒子进给机构，粒子进给机构具有粒子腔供气管路，所述洁净气流总管路分别连通主气管路、扰流管路、粒子进给机构的粒子腔供气管路；所述粒子运动摩擦带电测量装置包含电荷放大电路，以及电连接电荷放大电路并轴向设置在粒子环境模拟腔内的探针。

本实用新型的进一步改进和特点在于：(1)所述粒子进给机构包含粒子腔，设置在粒子腔内粒子漏斗；所述粒子腔的上入口连通粒子腔供气管路，下出口连通粒子供应管路。

(2)所述粒子供应管路通过三通管件分别与主气管路水平连通、与粒子进给机构垂直连通；所述三通管件与主气管路水平连通的管道部分沿进气方向先收缩后扩张。

(3)所述粒子环境模拟腔轴向设置有多个径向入口，所述扰流管路分多路连通的所述多个径向入口，所述多个径向入口相互错开。

(4)所述主气管路、扰流管路、粒子进给机构的粒子腔供气管路分别沿各自的气流方向依次设置有单向节流阀和压力阀。

(5)所述探针的迎流端设置有金属球。所述电荷放大电路采用CA3140芯片实现。

本实用新型具有粒子运动摩擦带电测量功能的粒子环境模拟系统，具有如下有益效果：(1)能够形成均匀稳定的具有一定正压力的粒子环境。洁净气流总管路可由空气压缩机供应稳定的气流，粒子供应机构送出的气体-粒子二相流混合，经三通管件整流进入粒子环境模拟腔内，形成一种稳定而均匀的且具有一定正压力的粒子环境。

(2)粒子环境模拟腔内气流流速、粒子浓度、紊流程度可调。粒子环境模拟腔内的气流流速可以通过三路管路(粒子进给机构具有粒子腔供气管路、主气管路、扰流管路)上的压力阀与单向节流阀控制；粒子浓度通过更换粒子腔内不同口径大小的漏斗调节粒子供应速率控制；粒子环境模拟腔内气流紊流程度通过改变扰流管路与主气管路的流量比控制。

(3)粒子运动摩擦带电测量装置的精度很高。电荷放大电路采用CA3140芯片，该芯片自身偏置电流典型值为10pA，约比探针测量到的电流低2-3个数量级，从而保证了测量误差在1％以内。

附图说明

图1是本实用新型一种具有粒子运动摩擦带电测量功能的粒子环境模拟系统的结构示意图；图2是粒子供给机构的半剖结构示意图；图3是三通管件的结构示意图；图4是粒子环境模拟腔部分的结构示意图；图5是探针的安装示意图；图6是电荷放大电路的原理示意图；图中：1、洁净气流总管路；2、第一球阀；3、三通；4、第二球阀；5、洁净气流支路；6、粒子腔供气管路；7、主气管路；8、扰流管路；9、单向节流阀；10、压力阀；11、粒子进给机构；1101第三球阀；1102粒子腔；1103盖子；1104粒子漏斗；1105第四球阀；12三通管件；13粒子环境模拟腔；1301前腔体；1302后腔体；14粒子供应管路；15探针；1501金属球；1502L型铜丝；16粒子收集腔；17电荷放大电路；18信号采集卡；19环形基板；20引线。

具体实施方式

参照图1，本实施例的具有粒子运动摩擦带电测量功能的粒子环境模拟系统，包括粒子环境模拟装置和粒子运动摩擦带电测量装置两部分。

粒子环境模拟装置中，粒子环境模拟腔13为水平放置的圆柱状，轴向出口通过法兰连通的粒子收集腔16，粒子收集腔16设置有轴向出口，轴向出口逐渐收缩，获得含粒子气流；粒子环境模拟腔13的轴向入口连接的粒子供应管路14，粒子供应管路14连接三通管件12的一个水平端口，三通管件12的另一个水平端口与主气管路连通，三通管件12的垂直端口连通粒子进给机构11的出口；粒子环境模拟腔设置有三个径向入口，三个径向入口沿轴向分布，并且三个径向入口错开角度，其中两边开口向上，中间的开口向下，对应的扰流管路通过四通分为三路分别连通上述三个径向入口。

洁净气流总管路通过四通分别连通主气管路7、扰流管路8、粒子进给机构11的粒子腔供气管路6；主气管路7、扰流管路8、粒子进给机构11的粒子腔供气管路6分别沿各自的气流方向依次设置有单向节流阀9和压力阀10，可以控制粒子环境模拟腔内的气流流速。洁净气流总管路的入口连接空气压缩机，洁净气流总管路1还设置有第一球阀2，第一球阀的入口端通过三通3设置有洁净气流支路5，该洁净气流支路5上设置有第二球阀4。

粒子运动摩擦带电测量装置包含信号采集卡18、与信号采集卡18电连接的电荷放大电路17，以及轴向设置在粒子环境模拟腔内的电连接电荷放大电路的探针15。探针15固定在粒子环境模拟腔13和离子收集腔16的连接法兰上，探针15位于粒子环境模拟腔13和离子收集腔16的中轴线上。

在粒子环境模拟系统中，由空气压缩机将经过空气洁净单元送入的洁净压缩空气在洁净气流总管路1上经过三通3分为两路，分别由第一球阀2和第二球阀4控制管路开合，向粒子环境模拟装置和洁净气流支路5提供气流，以保证该装置可以根据需要分别输出含粒子气流和洁净气流。向粒子环境模拟装置提供的洁净气流经过四通分为粒子进给机构11的粒子腔供气管路6、主气管路7和扰流管路8，上述三路管路都分别有单向节流阀9和压力阀10控制管路压力和流量大小。

粒子进给机构11的粒子腔供气管路6的气流经过粒子进给机构11形成含粒子的气流，并经过三通管件12与主气管路7汇合后送入粒子环境模拟腔13中。扰流管路提供的气流经过四通分为三路向粒子环境模拟腔13中通入扰流气流，促使主气管路中所含的粒子相互作用摩擦产生电荷。调节主气管路7与扰流气路8的流量压力比可以控制粒子环境模拟腔13内气流的紊流程度，从而控制气流中粒子相互作用的剧烈程度而影响粒子摩擦产生的静电量。

位于粒子环境模拟腔13后端的探针15与通过与气流中的粒子发生接触，将粒子上产生的电荷转移到探针上15，形成微小电流，并通过导线连接到电荷放大电路17上，将微小电流放大为较好测量的电压信号，并通过信号采集卡18将电压信号读取并记录，实现对粒子带电的测量。

参照图2、图3，粒子进给机构主要包含：粒子腔1102，设置在粒子腔1102内粒子漏斗1104，粒子腔1104的上入口设置第三球阀1101并连通粒子腔供气管路6，下出口设置第四球阀1105并连通三通管件12的垂直端口。粒子腔1102顶部设置有盖子1103，用于向粒子漏斗1104放置粒子。粒子供应管路14连接三通管件12的一个水平端口，三通管件12的另一个水平端口与主气管路7连通；并且，三通管件12与主气管路7水平连通的管道部分沿进气方向先收缩后扩张。

粒子进给机构11添加粒子时，将第三球阀1101和第四球阀1105关闭，打开盖子1103，此时粒子腔1102内压力为大气压，向粒子漏斗1104内加入定量的粒子，粒子由开在漏斗1104底部的小孔向粒子腔1102内缓慢流出粒子。拧紧盖子1103，打开第一球阀1101，压缩空气沿粒子腔供气管路6进入粒子腔1102，使粒子腔1102内的压力升高；分别调节粒子腔供气管路6和主气管路7上的单向节流阀9和压力阀10，可以调节粒子腔1102和主气管路的压力关系。打开粒子腔1102下出口的第四球阀1105，粒子腔1102内的气流与漏斗1104流出来的粒子混合形成含粒子气流，进入三通管件12内与主气管路7混合。三通管件12与主气管路7水平连通的管道部分沿进气方向设计为先收缩后扩张，可以在粒子腔1102的下出口形成相对负压，降低对粒子腔1102的压力要求，并且这种形状的管路设计可以促进粒子腔1102的下出口中的含粒子气流与主气管路7中的洁净气流充分均匀混合。

参照图4、图5，粒子环境模拟腔13包括通过法兰连接的前腔体1301和后腔体1302，连接法兰之间设置有橡胶密封圈；与扰流管路连通的三个径向入口位于前腔体1301上。

粒子环境模拟腔13的后腔体1302和粒子收集腔16的通过法兰连接，该处的法兰连接之间夹持有环形基板19。探针15由表面光滑的金属球1501和表面涂有绝缘漆的L型铜丝1502组成，L型铜丝1502的一条边位于粒子环境模拟腔13的中轴线上，该条的迎流端设置有金属球1501，其另一条边作为引出线贯穿环形基板19径向开设通孔，并固定固定在环形基板19上。探针15的引出线顺次电连接电荷放大电路17和信号采集卡18。

上述结构中，扰流管路8的气流经过四通分为三路与主气管路7气流方向垂直通入前腔体1301中，扰流气流与主气流相互作用，在前腔体1301内形成涡流，促进粒子相互摩擦作用产生静电荷；分别通过调节主气管路7和扰流管路8上的单向节流阀9和压力阀10以控制主气管流和扰流气路的流量比，可以控制前腔体1301内涡流的大小，从而控制粒子相互作用的剧烈程度，以控制粒子摩擦产生的静电量。前腔体1301内的气流在后腔体1304内逐渐稳定，形成均匀的含粒子气流。探针15固定在后腔体1304尾端，通过与气流中粒子接触，将粒子表面所带静电荷转移到探针顶端的金属球上。含带电粒子的气流最后经过粒子环境模拟腔13尾部的收集腔16对外输出具有一定正压力的含粒子气流。

参照图6，电荷放大电路采用CA3140芯片实现，探针15采集的电荷通过具有低噪声屏蔽线的引线20连接到CA3140芯片的负极输入端，CA3140芯片的正极输入端经过并联的阻容补偿电路(电容C1、电阻R1并联)接地；其输入端与负极输入端设置反馈电容支路(电容Cf)，以及并联的反馈电电阻支路(电阻Rf与开关K串联)；CA3140芯片输出端获得代表电荷量的电压信号Uo。

Claims (6)

1.一种具有粒子运动摩擦带电测量功能的粒子环境模拟系统，其特征在于，包括粒子环境模拟装置和粒子运动摩擦带电测量装置；

所述粒子环境模拟装置包含洁净气流总管路(1)、水平放置的圆柱状粒子环境模拟腔(13)、与粒子环境模拟腔(13)径向入口连通的扰流管路(8)、与粒子环境模拟腔(13)的轴向出口连通的粒子收集腔(16)、与粒子环境模拟腔(13)的轴向入口连接的粒子供应管路(14)、与粒子供应管路(14)水平连通的主气管路(7)、与粒子供应管路(14)垂直连通的粒子进给机构(11)，粒子进给机构(11)具有粒子腔供气管路(6)，所述洁净气流总管路分别连通主气管路(7)、扰流管路(8)、粒子进给机构(11)的粒子腔供气管路(6)；

所述粒子运动摩擦带电测量装置包含电荷放大电路，以及电连接电荷放大电路并轴向设置在粒子环境模拟腔(13)内的探针(15)。

2.根据权利要求1所述的具有粒子运动摩擦带电测量功能的粒子环境模拟系统，其特征在于，所述粒子进给机构(11)包含粒子腔(1102)，设置在粒子腔(1102)内粒子漏斗(1104)；所述粒子腔的上入口连通粒子腔供气管路(6)，下出口连通粒子供应管路。

3.根据权利要求1所述的具有粒子运动摩擦带电测量功能的粒子环境模拟系统，其特征在于，所述粒子供应管路(14)通过三通管件分别与主气管路(7)水平连通、与粒子进给机构(11)垂直连通；所述三通管件与主气管路(7)水平连通的管道部分沿进气方向先收缩后扩张。

4.根据权利要求1所述的具有粒子运动摩擦带电测量功能的粒子环境模拟系统，其特征在于，所述粒子环境模拟腔(13)轴向设置有多个径向入口，所述扰流管路(8)分多路连通的所述多个径向入口，所述多个径向入口相互错开。

5.根据权利要求1所述的具有粒子运动摩擦带电测量功能的粒子环境模拟系统，其特征在于，所述主气管路(7)、扰流管路(8)、粒子进给机构(11)的粒子腔供气管路(6)分别沿各自的气流方向依次设置有单向节流阀(9)和压力阀(10)。

6.根据权利要求1所述的具有粒子运动摩擦带电测量功能的粒子环境模拟系统，其特征在于，所述探针(15)的迎流端设置有金属球(1501)。

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