Способ изучения кинетики коронной электризации частиц и устройство для его осуществления

 

Использование: при исследовании электростатических свойств материалов. Сущность изобретения: при излучении кинетики коронной электризации частиц измеряют начальный заряд частиц, воздействуют на частицы ионами коронного разряда по истечении времени Αt=RC, где R сопротивление; C емкость частиц, с момента измерения начального заряда, прекращают воздействие, измеряют время воздействия и изменение заряда в течение времени Δt, дополнительно воздействуют ионами коронного разряда до насыщения, измеряют изменение заряда насыщения в течение двух интервалов времени Δt и вычисляют постоянные времени зарядки и разрядки. В корпусе 1 устройства для изучения кинетики коронной электризации частиц расположены разряжающая 2 и измерительная 3 камеры, между которыми расположена перегородка 4 из проводящего материала. В разряжающей камере 2 расположен коронирующий электрод 5, а в измерительной камере 3 измерительный электрод 6. В нижней части корпуса 1 установлен с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости заземленный электрод 7, на котором закреплены кюветы 8 и фиксаторы положения электрода. 2 с. п. ф-лы, 1 табл. 4 ил.

Изобретение относится к области электростатического разделения частиц и может быть использовано при исследовании электростатических свойств материалов.

Известен способ измерения сил, действующих на зерна при сепарации в поле коронного разряда, осуществляемый в устройстве [1] включающем некоронирующий и коронирующий электроды, соединенные с высоковольтным источником питания, чувствительные элементы, расположенные под электродами и предназначенные для преобразования силы давления в электрический сигнал, сумматоры импульсов и вычислительный блок, причем некоронирую- щий электрод выполнен в виде двух сменных площадок с отверстиями, нанесенными методом случайных чисел, одна из которых присоединена к источнику питания и располагается под коронирующим электродом, а другая вне его действия.

Способ, осуществляемый в устройстве, включает помещение зерен в отверстия первой и второй площадок, воздействие на частицы, находящиеся на первой площадке, ионами коронного разряда, подачу сигнала с чувствительного элемента первой площадки (в момент отрыва частицы от площадки) на сумматор и определение в вычислительном блоке электрической силы, действующей на частицы, по разнице сигналов сумматоров с первой и второй площадок.

Недостатком известных способа и устройства является недостаточно высокая информативность, позволяющая определить только электрическую силу, действующую на зерна, тогда как эффективность разделения минералов в коронном электросепараторе определяется еще и постоянными времени зарядки и разрядки частиц. Постоянная времени зарядки (скорость зарядки частиц) определяет величину заряда, которую приобретают разделяемые частицы за одинаковый интервал времени, а значит, и величину электростатических сил, разделяющих частицы в электрическом поле. Постоянная времени разрядки определяет величину остаточного заряда и, следовательно, длительность нахождения частицы на барабане сепаратора.

Наиболее близким к изобретению является способ определения постоянной времени зарядки частиц [2] включающий измерение начального заряда частицы, воздействие на частицу ионами коронного разряда в течение 10-300 с, прекращение действия коронного разряда, помещение заряженной частицы изолированной иглой в измерительную ячейку, измерение напряжения (потенциала), определение среднего заряда частицы по измеренному напряжению и известной емкости ячейки, определение предельного заряда и вычисление постоянной времени зарядки по выражению τ где t_з время зарядки; q_з средний заряд, приобретаемый частицей за время t_з; q_пр предельный заряд; q_нач средняя величина начального заряда.

Способ осуществляют в устройстве, включающем конденсатор (заряжающая камера), нижняя пластина которого заземлена (заземленный электрод), а верхняя пластина соединена с источником высокого напряжения (коронирующий электрод), и измерительную камеру (цилиндр Фарадея), соединенную с высокоомным вольтметром (ВК-2-16).

Недостатками способа и устройства являются недостаточные технические возможности, обусловленные невозможностью измерения скорости стекания заряда с заряженных частиц и, следовательно, невозможностью определения постоянной времени разрядки; недостаточно высокая точность определения постоянной времени зарядки из-за применения неконтролируемой ручной совокупности операций измерения и из-за неучтенных величин изменения зарядов за счет процессов трибоэлектризации, проходящих между частицей и подложкой, частицей и иглой, и за счет ионизации окружающей среды.

Техническими результатами изобретения является расширение технических возможностей за счет определения постоянной времени разрядки и повышение точности определения.

Технический результат достигается тем, что по способу, включающему измерение начального заряда частиц, воздействие на частицы ионами коронного разряда, измерение времени воздействия, определение среднего заряда и заряда насыщения и вычисление постоянных времени, воздействие на частицы ионами коронного разряда начинают по истечении времени Δ t= RC, где R сопротивление; С емкость частиц, с момента измерения начального заряда и после прекращения воздействия измеряют изменение заряда в течение времени Δ t, затем дополнительно воздействуют ионами коронного разряда до насыщения и измеряют изменение заряда насыщения в течение двух интервалов времени Δ t.

Технический результат достигается также тем, что в устройстве, включающем заряжающую камеру, содержащую коронирующий и заземленный электроды, измерительную камеру с электродом и измерительную систему, измерительная и заряжающая камеры расположены в одном корпусе и между ними установлена перегородка из проводящего материала, а заземленный электрод установлен с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости из одной камеры в другую и на нем закреплены кюветы и фиксаторы положения электрода.

На фиг. 1 представлена кинетика коронной электризации частиц; на фиг. 2 зависимость точности определения от времени Δt. Проведение воздействия на частицы ионами коронного разряда через интервал времени Δ t= RC с момента измерения начального заряда позволяет, зная этот фиксированный промежуток времени и постоянную времени разряда, учесть неизбежное уменьшение заряда вследствие его стекания (которое не учитывается в прототипе) и тем самым повысить точность определения параметров кинетики зарядки и разрядки.

Указанное обстоятельство обусловлено тем, что измерить потенциал (или заряд) в процессе зарядки невозможно. Необходимо отключить источник ионов, переместить пробу в измерительную камеру и провести измерение. В силу неизбежного стекания заряда с частиц на подложку сразу после прекращения зарядки измеренное значение заряда оказывается заниженным по сравнению с истинным. Его можно вычислить (восстановить), лишь зная постоянную времени разряда и при фиксированном времени Δ t (между окончанием заряда и измерением).

Осуществление дополнительного воздействия ионами коронного разряда до насыщения и измерение изменения заряда насыщения в течение двух интервалов времени Δ t также позволяют оценить сразу две величины, характеризующие эффективность разделения минералов в коронном электросепараторе постоянную времени зарядки и постоянную времени разрядки, не перемещая материал относительно измеряемой кюветы, и этим обеспечить одновременно повышение точности определения и расширение технических возможностей способа.

Выбор времени Δ t= RC, в течение которого осуществляют измерение изменения заряда после воздействия ионами коронного разряда обусловлен тем, что относительная погрешность измерения (а значит, и точность) определяется абсолютной величиной изменения заряда между двумя точками измерения. При экспоненциальной зависимости величины заряда погрешность уменьшается с увеличением паузы между измерениями (увеличение Δ t). Однако это приводит к значительному увеличению длительности анализа. Как показали экспериментальные исследования, изменение точности с изменением Δ t также меняется по экспоненте (фиг. 2), и при некотором Δ t эти изменения становятся малыми, в то время как длительность анализа растет. Приемлемые точность и длительность находятся в области пересечения указанных зависимостей в области Δ t= RC.

Расположение измерительной и заряжающей камер в одном корпусе изолированно друг от друга и установка заземленного электрода с возможностью перемещения из заряжающей камеры в измерительную позволяют провести зарядку частиц в поле короны, а затем измерение постоянной времени разрядки без удаления измеряемых частиц из кюветы, на которой осуществлялась зарядка, и, кроме того, произвести измерения кинетики стекания заряда (разрядки) без влияния поля коронного разряда и остаточных заряженных ионов газа. Закрепление на заземленном электроде кювет позволяет измерять постоянную времени разряда на материалах с различной проводимостью и оценить тем самым роль контактных явлений в механизме стекания разряда. Фиксаторы положения, расположенные на заземленном электроде, обеспечивают постоянство его расположения относительно коронирующего и измерительного электродов, что устраняет погрешности, связанные с пространственной топологией электрических полей.

Таким образом, заявляемая совокупность признаков в устройстве для изучения кинетики коронной электризации частиц позволяет получить дополнительную информацию о технологически важном параметре скорости стекания заряда (постоянной времени разрядки) и повысить точность определений.

На фиг. 3 показано устройство для изучения кинетики коронной электризации частиц, продольный разрез; на фиг. 4 разрез А-А на фиг. 1.

В корпусе 1 устройства находятся заряжающая 2 и измерительная 3 камеры, между которыми расположена перегородка 4 из проводящего материала. В заряжающей камере 2 расположен коронирующий электрод 5, а в измерительной камере 3 измерительный электрод 6, соединенный с измерительной системой (не показана). В нижней части корпуса 1 расположен с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости из заряжающей камеры 2 в измерительную 3 заземленный электрод 7, на котором закреплены кювета 8 и фиксаторы 9 положения электрода 7.

Способ осуществляют следующим образом.

Частицы анализируемого материала размещают монослоем в кювете 8, закрепленной на заземленном электроде 7, перемещением которого помещают кювету 8 в измерительную камеру 3, где положение электрода 7 фиксируется фиксаторами 9. В измерительной камере 3 измеряют начальный заряд частиц q₀ с помощью измерительного электрода 6. Затем кювету 8 перемещают в заряжающую камеру 2, при этом перемещение частиц пробы относительно кюветы 8 отсутствует, а следовательно, не происходит приобретения "паразитного" заряда при трибоэлектризации. В заряжающей камере 2 по истечении времени Δ t с момента измерения начального заряда при подаче тока короны на коронирующий электрод 5 осуществляют воздействие на частицы ионами коронного разряда и измеряют время воздействия Δ t_з. После прекращения воздействия кювету 8 с частицами перемещают в измерительную камеру 3, где измеряют изменение заряда q₁ в течение времени Δ t. Затем кювету 8 снова помещают в заряжающую камеру 2, где на частицы воздействуют ионами коронного разряда тока короны той же плотности, что и в предыдущем цикле, до насыщения и после возвращения кюветы 8 в измерительную камеру 3 осуществляют измерение изменения заряда после насыщения через интервал времени Δ t(q₂) и через 2 Δ t(q₃). Постоянную времени зарядки определяют по формуле τ_з=Δt_з/ln где Δ t_з длительность воздействия на частицы ионами коронного разряда; q₀ начальный заряд; q₁ изменение заряда в течение времени Δ t; Δ t интервал времени, равный RC; q₂ и q₃ изменения заряда насыщения через интервалы времени Δ t и 2 Δ t;
q_н заряд насыщения,
q_н=q₂²/q₃.

Постоянную времени разрядки определяют по формуле
τ_p=Δtln
Способ испытан на лабораторном устройстве на двух материалах кварце и полевом шпате с применением кювет из стали, алюминия, анодированного алюминия.

Источником высокого напряжения служил блок высоковольтного питания, напряженность электрического поля 5 ˙ 10⁵ В/м, ток коронного разряда 20 мА, плотность тока поддерживалась постоянной во время опыта и обеспечивалась стабилизацией напряжения. Индуцированный потенциал (заряд) измерялся высокоомным электрометром ВК-2-16 с постоянной измерения более 105 с, регистрация кинетики осуществлялась на графопостроителе Н 306.

Для кварца Δt 20c (R=6·10¹¹Ом, C=3,2 пФ)
Для полевого шпата Δ t 16,3 c (R2 ˙ 10¹⁰ Ом, С=8,3 пФ).

Для кварца Δ t_з= 30 с, для полевого шпата Δt_з=20 с.

Результаты сравнительных испытаний известного и предлагаемого способов и устройства приведены в таблице.

Точность определения постоянных времени зарядки и заряда насыщения оценивалась по ГОСТ 16263-70 как величина, обратная модулю относительной погрешности.

Результаты сравнительных испытаний показывают, что изобретение по сравнению с прототипом позволяет расширить технические возможности за счет обеспечения определения наряду с постоянной времени зарядки постоянную времени разрядки и повысить точность их определения в 2-2,5 раза. Кроме того, изобретение обеспечивает возможность оценки влияния проводимости материала кюветы на технологические параметры электросепарации.

Формула изобретения

1. Способ изучения кинетики коронной электризации частиц, включающий измерение начального заряда частиц, воздействие на частицы ионами коронного разряда, измерение времени воздействия, определение среднего заряда и заряда насыщения и вычисление постоянных времени, отличающийся тем, что воздействие на частицы ионами коронного разряда начинают по истечении времени
Δt = RC,
где R сопротивление;
C емкость частиц,
с момента измерения начального заряда и после прекращения воздействия измеряют изменение заряда в течение времени Δt, затем дополнительно воздействуют ионами коронного разряда до насыщения и измеряют изменение заряда после насыщения в течение двух интервалов времени Δt..

2. Устройство для изучения кинетики коронной электризации частиц, включающее заряжающую камеру, содержащую коронирующий и заземленный электроды, измерительную камеру с измерительным электродом и измерительную систему, отличающееся тем, что измерительная и заряжающая камеры расположены в одном корпусе и между ними установлена перегородка из проводящего материала, а заземленный электрод установлен с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости из одной камеры в другую и на нем закреплены кювета и фиксаторы положения электрода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5