способ изучения кинетики коронной электризации частиц и устройство для его осуществления

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

t = RC,

где R сопротивление;

C емкость частиц,

с момента измерения начального заряда и после прекращения воздействия измеряют изменение заряда в течение времени t, затем дополнительно воздействуют ионами коронного разряда до насыщения и измеряют изменение заряда после насыщения в течение двух интервалов времени t..

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.

Описание изобретения к патенту

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

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 t= RC, где R сопротивление; С емкость частиц, с момента измерения начального заряда и после прекращения воздействия измеряют изменение заряда в течение времени t, затем дополнительно воздействуют ионами коронного разряда до насыщения и измеряют изменение заряда насыщения в течение двух интервалов времени 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 t. Проведение воздействия на частицы ионами коронного разряда через интервал времени 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 t (между окончанием заряда и измерением).

Осуществление дополнительного воздействия ионами коронного разряда до насыщения и измерение изменения заряда насыщения в течение двух интервалов времени 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 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 t). Однако это приводит к значительному увеличению длительности анализа. Как показали экспериментальные исследования, изменение точности с изменением t также меняется по экспоненте (фиг. 2), и при некотором t эти изменения становятся малыми, в то время как длительность анализа растет. Приемлемые точность и длительность находятся в области пересечения указанных зависимостей в области 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 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 t_з. После прекращения воздействия кювету 8 с частицами перемещают в измерительную камеру 3, где измеряют изменение заряда q₁ в течение времени 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 t(q₂) и через 2 t(q₃). Постоянную времени зарядки определяют по формуле

_з=t_з/ln где t_з длительность воздействия на частицы ионами коронного разряда;

q₀ начальный заряд;

q₁ изменение заряда в течение времени t;

t интервал времени, равный RC;

q₂ и q₃ изменения заряда насыщения через интервалы времени t и 2 t;

q_н заряд насыщения,

q_н=q₂²/q₃.

Постоянную времени разрядки определяют по формуле

_p=tln

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 t 20c (R=610¹¹Ом, C=3,2 пФ)

Для полевого шпата t 16,3 c (R2 10¹⁰ Ом, С=8,3 пФ).

Для кварца t_з= 30 с, для полевого шпата t_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.