一种负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统及方法

技术领域

本发明属于颗粒静电荷采样测定技术领域，尤其涉及一种负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统及方法。

背景技术

在涉及粉末的工业生产过程中，由于粉末颗粒的摩擦带电特性，使得粉末颗粒常荷有较高的静电，粉末颗粒上的静电会导致颗粒粘结、壁面黏附甚至产生火花放电，不仅干扰正常生产，还会带来安全隐患。因此，粉末颗粒静电荷的测定技术对于研究颗粒荷电特性，进而改进生产设备和工艺流程具有重要意义。

目前，常用的颗粒静电荷的测定方法通常分为采样和测定两个步骤进行，由于静电荷性质不稳定，在采样过程中极易产生电荷改变，特别是采用金属器具(例如，采样勺)进行采样时，金属器具与颗粒接触会导致电荷逸散，从而影响最终测定的准确性。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统及方法，用以解决现有技术中颗粒静电荷测定方法中采样和测定分步进行、采样操作会导致待测颗粒的静电荷发生变化影响测定的准确性的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的。

本发明提供了一种负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统，包括采样装置、电荷计和负压吸引装置；采样装置包括采样管、接触片、连接端子和颗粒腔，采样管、接触片、连接端子和颗粒腔的材质均为导电材料；颗粒腔前端为开口，接触片盖设于颗粒腔前端的开口处且与颗粒腔电气连接，采样管的出样端与接触片电气连接且穿过接触片与颗粒腔连通，连接端子的一端与颗粒腔电气连接，连接端子的另一端与电荷计的输入端电气连接，负压吸引装置通过软管与颗粒腔后端连通。

进一步地，上述负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统还包括材质为导电材料的外壳以及材质为绝缘材料的外盖，外壳前端为开口，外盖盖设于外壳的开口处且与外壳固定连接；外盖上开设通孔，采样管的出样端依次穿过通孔和接触片后与颗粒腔连通，接触片固设于外盖的内侧，外壳后端与负压吸引装置连接。

进一步地，通孔与采样管相匹配。

进一步地，颗粒腔的后端为开口，使得颗粒腔与壳体连通。

进一步地，上述负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统还包括滤网，滤网盖设于颗粒腔后端的开口处且与颗粒腔后端固定连接，滤网的网孔孔径小于待测颗粒的粒径。

进一步地，连接端子包括从内至外依次套设的连接柱、绝缘层和接地层，接地层与连接柱和颗粒腔之间绝缘，连接柱与电荷计电气连接。

进一步地，连接柱通过连接线与电荷计电气连接。

进一步地，连接线包括从内至外依次套设的信号传输线、绝缘层和信号屏蔽网，信号屏蔽网接地。

进一步地，电荷计的接地端通过外壳接地，连接端子的接地层通过外壳接地。

本发明还提供了一种负压吸引式颗粒静电荷采样测定方法，采用上述负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统，采样测定方法包括如下步骤：

待测颗粒在负压吸引作用下通过采样管被吸入颗粒腔中；

待测颗粒在采样管、接触片和颗粒腔中将电荷传导至电荷计，电荷计测定得到待测颗粒的电荷参数。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一。

A)本发明提供的负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统，适用于颗粒静电荷参数(例如，颗粒电荷、荷质比、表面电荷密度和等效电流)的在线采样和测定，由于采样管直接与颗粒腔连接，采样管、接触片和颗粒腔构成一个导电腔，通过负压吸引装置使得颗粒腔处于负压状态，能够实现待测颗粒采样和测定的同步进行，避免采样和测定分步进行导致待测颗粒的静电荷发生变化，从而能够有效提高颗粒静电荷采样测定的准确性，为粉体工业、化学工业设备中颗粒的静电测定提供了新手段，为设备升级改进提供了参考。

B)本发明提供的负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统，由于采样管、接触片和颗粒腔均为导电材料，在待测颗粒接触采样管、接触片和颗粒腔的一瞬间就能够采集待测颗粒的静电荷参数，基本上不会有静电荷的损失，从而能够有效提高颗粒静电荷采样测定的准确性。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例一提供的负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统中采样装置的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统中采样管的结构示意图；

图4为本发明实施例一提供的负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统中颗粒腔的结构示意图。

附图标记：

1-采样装置；101-采样管；1011-缩径段；1012-恒径段；1013-扩径段；1014-弹性外凸区；102-外盖；103-接触片；104-连接端子；105-滤网；106-颗粒腔；1061-腔体导流槽；107-外壳；2-电荷计；3-负压吸引装置。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

本实施例提供了一种负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统，参见图1至图2，包括采样装置1、电荷计2和负压吸引装置3，其中，采样装置1包括材质为导电材料的采样管101、接触片103、连接端子104和颗粒腔106，颗粒腔106前端为开口，接触片103盖设于颗粒腔106前端的开口处且与颗粒腔106电气连接，采样管101的出样端与接触片103电气连接且穿过接触片103与颗粒腔106连通，连接端子104的一端与颗粒腔106电气连接，连接端子104的另一端与电荷计2的输入端电气连接，负压吸引装置3通过软管与颗粒腔106后端连通。

需要说明的是，定义颗粒腔106设有采样管101的一端为前端，颗粒腔106与头部相对应的一端为后端。

与现有技术相比，本实施例提供的负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统，适用于颗粒静电荷参数(例如，颗粒电荷、荷质比、表面电荷密度和等效电流)的在线采样和测定，由于采样管101直接与颗粒腔106连接，采样管101、接触片103和颗粒腔106构成一个导电腔，通过负压吸引装置3使得颗粒腔106处于负压状态，能够实现待测颗粒采样和测定的同步进行，避免采样和测定分步进行导致待测颗粒的静电荷发生变化，从而能够有效提高颗粒静电荷采样测定的准确性，为粉体工业、化学工业设备中颗粒的静电测定提供了新手段，为设备升级改进提供了参考。

此外，由于采样管101、接触片103和颗粒腔106均为导电材料，在待测颗粒接触采样管101、接触片103和颗粒腔106的一瞬间就能够采集待测颗粒的静电荷参数，基本上不会有静电荷的损失，从而能够有效提高颗粒静电荷采样测定的准确性。

为了便于整体结构的稳定性，上述负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统还包括材质为导电材料的外壳107以及材质为绝缘材料的外盖102，外壳107前端为开口，外盖102盖设于外壳107的开口处且通过螺纹或其他可拆卸的方式与外壳107固定连接，连接时需保证气密性，在连接后应保证接触片103与颗粒腔106紧贴且电气导通；外盖102上开设通孔，采样管101的出样端依次穿过通孔和接触片103后与颗粒腔106连通，接触片103固设于外盖102的内侧，外壳107后端与负压吸引装置3连接。

在采样测定过程中，为了减少采样管101的晃动，上述通孔与采样管101相匹配，也就是说，通孔的孔径与采样管101的外径相等，采样管101与通孔之间无间隙，采样管101穿过通孔后能够实现与通孔的固定连接。

需要说明的是，为了便于负压吸引装置3的连接，将外壳107后端与负压吸引装置3连接，但是，在实际应用中，负压吸引装置3设置的目的是为了在颗粒腔106中形成负压状态，因此，颗粒腔106的后端为开口，使得颗粒腔106与壳体连通，从而能够在颗粒腔106中形成负压状态。

为了能够避免待测颗粒堵塞负压吸引装置3，上述负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统还包括滤网105，滤网105盖设于颗粒腔106后端的开口处且通过焊接或其他方式与颗粒腔106后端固定连接，滤网105的网孔孔径小于待测颗粒的粒径，从而能够将待测颗粒限定在颗粒腔106内，从而能够避免待测颗粒堵塞负压吸引装置3。

对于连接端子104的结构，具体来说，其为嵌套结构，包括从内至外依次套设的连接柱、绝缘层和接地层，接地层与连接柱和颗粒腔106之间绝缘，连接柱通过连接线与电荷计2电气连接。

对于连接线的结构，具体来说，从内至外包括依次套设的信号传输线、绝缘层和信号屏蔽网，信号屏蔽网接地，通过信号屏蔽网能够有效屏蔽信号干扰，进一步提高颗粒静电荷采样测定的准确性。

可以理解的是，为了能够提供一个参考电位，上述电荷计2的接地端通过外壳107接地，连接端子104的接地层通过外壳107接地。

考虑到通过上述结构颗粒腔106是悬空设于外壳107内，随着使用时间的延长不可避免地会导致颗粒腔106的位移，为了保证颗粒腔106与外壳107之间的安装稳定性，上述负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统还包括绝缘支撑件，颗粒腔106通过绝缘支撑件架设在外壳107内。

为了能够提高采样管101的采样性能，对于采样管101的结构，参见图3，具体来说，其包括沿待测颗粒流动方向依次连接的缩径段1011、恒径段1012和扩径段1013。其中，缩径段1011能够加快待测颗粒的流速，增强对待测颗粒的吸引力，在负压吸力不变的情况下，适用于粒径较大的待测颗粒负压吸引；恒径段1012能够对待测颗粒进行稳流，增加待测颗粒与恒径段1012的接触时间和接触几率，从而能够提高待测颗粒与恒径段1012的电荷传导；扩径段1013能够促进采样管101中的待测颗粒顺利进入颗粒腔106。

示例性地，采样管101的长度与直径之比(也就是长径比)为10～20，采样管101的长度为10～20cm，缩径段1011、恒径段1012和扩径段1013的长度比1～1.5：7.5～9：1～1.5。

为了能够进一步增加待测颗粒与恒径段1012的接触时间和接触几率，扩径段1013的内壁开设螺旋形的管体导流槽，通过螺旋形的管体导流槽能够产生螺旋流动的待测颗粒流，进一步提高待测颗粒与采样管101的接触时间和接触几率，从而能够进一步提高待测颗粒与采样管101的电荷传导。

值得注意的是，由于缩径段1011的设置，缩径段1011的进料端的直径大于缩径段1011的出料端(也就是恒径段1012)的直径，在取样过程中，采样管101的恒径段1012会发生堵塞，为了能够减少恒径段1012堵塞的情况发生，上述恒径段1012的侧壁设有至少一个弹性外凸区1014，弹性外凸区1014的内壁为内凹形，弹性外凸区1014的外壁为弹性外凸形，一旦恒径段1012发生堵塞，可以从恒径段1012的外壁按压弹性外凸区1014，使得弹性外凸区1014向恒径段1012内形变，然后，松开弹性外凸区1014，弹性外凸区1014向外弹出并产生一定的振动，通过振动使得恒径段1012堵塞位置的待测颗粒松散并发生移动，从而能够解决恒径段1012堵塞的问题。

为了能够提高待测颗粒与颗粒腔106的接触时间和接触几率，颗粒腔106的内壁也开设螺旋形的腔体导流槽1061，参见图4，通过螺旋形的腔体导流槽1061能够产生螺旋流动的待测颗粒流，进一步提高待测颗粒与采样管101的接触时间和接触几率，从而能够进一步提高待测颗粒与采样管101的电荷传导。

值得注意的是，腔体导流槽1061的设置可能会导致待测颗粒残留在腔体导流槽1061中，无法从颗粒腔106中倒出，为了解决上述问题，上述腔体导流槽1061的槽壁包括从颗粒腔106前端至后端依次设置的倾斜壁和垂直壁，其中，倾斜壁相对于颗粒腔106的径向倾斜设置，垂直壁沿颗粒腔106的径向设置，这样，一方面，通过导流槽的设置能够延长待测颗粒与颗粒腔106的接触时间，并能够增加待测颗粒与颗粒腔106的接触面积，另一方面，当待测颗粒从颗粒腔106中倒出时，倾斜壁能够对待测颗粒进行导流，使其能够顺利从颗粒腔106中倒出。

示例性地，接触片103、滤网105和颗粒腔106为导电金属材质，例如，纯铜，外壳107为导电金属材质，例如，不锈钢，外盖102为绝缘材质，例如，尼龙，采样管101为导电金属材质(例如，纯铜)外侧包覆绝缘材料(例如，绝缘橡胶)。

实施例二

本实施例提供了一种负压吸引式颗粒静电荷采样测定方法，采用实施例一提供的负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统，该采样测定方法包括如下步骤：

步骤1：启动电荷计的预热功能，预热时间为10～15min；

步骤2：开启负压吸引装置，检查负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统的整体气密性，使得颗粒腔处于负压状态；

步骤3：启动电荷计的电荷采集功能，将采样管的进样端靠近待测颗粒，待测颗粒在负压吸引作用下通过采样管被吸入颗粒腔中，待测颗粒在采样管、接触片和颗粒腔中通过接触带电和感应带电的方式将待测颗粒上的电荷传导至电荷计，电荷计测定得到待测颗粒的电荷参数，完成颗粒静电荷的采样和测定。

与现有技术相比，本实施例提供的负压吸引式颗粒静电荷采样测定方法的有益效果与实施例一提供的负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

为了保证测量的准确性，示例性地，待测颗粒占颗粒腔的容积的百分比为20～80％。

示例性地，上述步骤2中，检查负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统的整体气密性包括如下步骤：

步骤21：堵住采样管的采样端；

步骤22：观察负压吸引装置上的压力表数值，若压力表的数值下降，则说明负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统的整体气密性良好，若压力表的数值不变，则说明负压吸引式颗粒静电荷采样测定系统存在漏气的位置。

具体来说，上述步骤3中，电荷参数包括颗粒电荷、荷质比和表面电荷密度，电荷计测定得到待测颗粒的电荷参数包括如下步骤：

停止电荷计电荷采集功能，读取电荷量q，C，关闭负压吸引装置，打开外盖，取出颗粒腔内待测颗粒并称重得颗粒质量m，kg，可得待测颗粒的荷质比q/m；

计算颗粒的表面电荷密度σ，C/m

其中，ρ为待测颗粒密度，kg/m

上述步骤3中，电荷参数包括等效电流，电荷计测定得到待测颗粒的电荷参数包括如下步骤：

记录累计电荷量q

求取累计电荷量随时间变化的曲线的斜率，计算颗粒的等效电流I，A，采用如下公式：

其中，

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。