基于离子流控制的纳米粉体分散方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于离子流控制的纳米粉体分散方法及装置，主要应用于粉尘云最小点火能测试仪、粉尘云最低着火温度测试仪等粉尘燃爆特性参数测试类仪器的粉尘分散过程，阻止粉尘在分散过程中形成粉尘颗粒团聚体，实现纳米粉体的均匀分散，使粉尘燃爆特性参数的测量结果更加精确。

背景技术

最小点火能和最低着火温度是评价粉尘燃爆危险性的重要参数。随着纳米粉体在医药、电子、化工、军事等领域的广泛应用，当前迫切需求实现对纳米粉体的最小点火能和最低着火温度等粉尘燃爆特性参数的测量。在粉尘燃爆特性参数测试中，需通过一定的压力将待测粉尘在测试装置中均匀分散，形成粉尘云，然后以一定能量或一定温度去试点燃待测样品，进而得到相应的测试参数。然而，相较于微米级粉尘，纳米级粉尘，即纳米粉体，在分散过程中，因分子之间的作用力以及颗粒间的静电引力，更容易发生团聚，形成更大颗粒。而粉尘的粒径分布是可燃粉尘最小点火能量、最低着火温度等粉尘燃爆特性参数的重要影响因素，普遍上，粉尘粒径越小，其比表面积越大，所需的最小点火能量、最低着火温度也越小。当纳米粉体发生团聚之后，其粒径分布增大，进而导致所测得的最小点火能和最低着火温度等燃爆特性参数值偏大。最小点火能和最低着火温度等燃爆特性参数值直接关系到待测粉尘的危险性等级，若所测量的燃爆特性参数值偏大，则危险性定级偏低，这带来了不可估量的严重隐患。

当前粉尘云最小点火能测试仪、粉尘云最低着火温度测试仪等燃爆特性参数测试类仪器是针对微米级粉尘而设计，微米级粉尘在分散过程中产生的团聚现象远低于纳米级粉尘。因此当前的燃爆特性参数测试类仪器并不能实现对纳米粉体的燃爆特性参数的准确测量，这给纳米粉体的危险性定级带来了困难。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种基于离子流控制的纳米粉体分散方法及装置，旨在阻止纳米级粉尘在分散过程中产生团聚，提高粉尘分散的均匀性，进而实现对纳米粉体的燃爆特性参数的准确测量。

为实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供一种纳米级粉尘云最小点火能分散装置，包括静电敏感探头、测量与控制单元、压缩空气控制单元、离子流发生单元及哈特曼管。

其中，所述静电敏感探头采用感应式静电敏感探头、旋转式静电敏感探头或振动电容式静电敏感探头，用于哈特曼管内矢量电场分布的测量。所述静电敏感探头共布置四支，每两支探头为一对，每对探头处于同一水平轴且固定于所述哈特曼管壁的两侧，两对探头处于不同高度，且两对探头所在的中心轴线正交。所述静电敏感探头的输出端连接至测量与控制单元。

其中，所述测量与控制单元将静电敏感探头所测得的电荷信号转换为电压信号，并根据该电压信号计算所述哈特曼管内的电场矢量分布，根据电场矢量分布控制所述离子流发生单元所输出的离子流极性、流量及持续时长。

其中，所述压缩空气控制单元包括：静音空压机，提供具有一定压力的压缩空气；过滤器，所述静音空压机的输出端连接至过滤器的输入端，实现对压缩空气的油雾分离、过滤；减压阀，所述过滤器的输出端连接至减压阀输入端，减压阀将系统压力降至允许范围内；进气电磁阀，所述减压阀的输出端连接至进气电磁阀的输入端，进气电磁阀由电信号控制，用于自动控制进气量；储气容器，所述进气电磁阀的输出端连接至储气容器的输入端，储气容器内置压力传感器，用于实时监测储气容器的气压，以实现压缩空气进气量的自动控制；排气电磁阀，所述储气容器的输出连接至排气电磁阀的输入端，排气电磁阀的输出端通过气管连接至哈特曼管进气口，排气电磁阀由电信号控制，可实现遥控或自动控制。

其中，所述离子流发生单元包括：高压电源，提供范围在-10kV~+10kV的直流输出电压，直流输出电压的极性、幅值、放电时长等参数由测量单元控制；高压电容，为高压电源提供储能；电极针，置于排气电磁阀输出端至哈特曼管进气口连接的气管内，所述高压电源的输出连接至高压电极，所述高压电源的地连接至地电极，高压电极与地电极同轴并间隔一定距离。

其中，所述哈特曼管包括储粉室、分散器和石英玻璃管，哈特曼管为本领域的常见装置，在此不再赘述。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供一种纳米级粉尘云最低着火温度分散装置，包括测量与控制单元、压缩空气控制单元、离子流发生单元及高得伯尔格-格润瓦尔德炉。

其中，所述静电敏感探头可采用感应式静电敏感探头、旋转式静电敏感探头或振动电容式静电敏感探头，用于高得伯尔格-格润瓦尔德炉内矢量电场分布的测量。所述静电敏感探头共布置四支，每两支探头处于同一水平轴且靠近于所述高得伯尔格-格润瓦尔德炉管壁的两侧，两对探头处于不同高度，且两对探头所在的中心轴线正交。所述静电敏感探头的输出端连接至测量与控制单元。不同于纳米级粉尘云最小点火能分散装置，因高得伯尔格-格润瓦尔德炉内的温度高达1000℃，静电敏感探头不能固定于高得伯尔格-格润瓦尔德炉内。纳米级粉尘云最低着火温度分散装置的静电敏感探头为可移动式，仅当测试新待测样品时，将静电敏感探头放置于高得伯尔格-格润瓦尔德炉内，不加热炉体，以测试该新待测样品在高得伯尔格-格润瓦尔德炉内的矢量电场分布。

其中，所述测量与控制单元将静电敏感探头所测得的电荷信号转换为电压信号，并根据该电压信号计算所述高得伯尔格-格润瓦尔德炉内的电场矢量分布，根据电场矢量分布控制所述离子流发生单元所输出的离子流极性、流量及持续时长。

其中，所述压缩空气控制单元包括：静音空压机，提供具有一定压力的压缩空气；过滤器，所述静音空压机的输出端连接至过滤器的输入端，实现对压缩空气的油雾分离、过滤；减压阀，所述过滤器的输出端连接至减压阀输入端，减压阀将系统压力降至允许范围内；进气电磁阀，所述减压阀的输出端连接至进气电磁阀的输入端，进气电磁阀由电信号控制，用于自动控制进气量；储气容器，所述进气电磁阀的输出端连接至储气容器的输入端，储气容器内置压力传感器，用于实时监测储气容器的气压，以实现压缩空气进气量的自动控制；排气电磁阀，所述储气容器的输出连接至排气电磁阀的输入端，排气电磁阀由电信号控制，可实现遥控或自动控制；储粉室，所述排气电磁阀的输出端连接至储粉室的输入端，储粉室输出端通过玻璃管连接至高得伯尔格-格润瓦尔德炉的上方入口，储粉室用于盛放纳米粉体。

其中，所述离子流发生单元包括：高压电源，提供范围在-10kV~+10kV的直流输出电压，直流输出电压的极性、幅值、放电时长等参数由测量单元控制；高压电容，为高压电源提供储能；电极针，置于储粉室输出端至高得伯尔格-格润瓦尔德炉进气口连接的玻璃管内，所述高压电源的输出连接至高压电极，所述高压电源的地连接至地电极，高压电极与地电极同轴并间隔一定距离。

其中，所述高得伯尔格-格润瓦尔德炉包括石英玻璃管、加热丝，高得伯尔格-格润瓦尔德炉为本领域的常见装置，在此不再赘述。

作为本发明的再一个方面，本发明还提供一种基于离子流控制的纳米粉体分散方法，包括以下步骤：

测量石英玻璃管内电场矢量分布，并计算矢量电场分布随时间的变化关系，根据所述关系控制所述离子流发生单元所输出的离子流极性、流量及持续时长，使产生的正负离子量与纳米粉体分散过程中产生的电荷量相中和，从而阻止纳米粉体在分散过程中发生团聚，实现纳米级粉尘的均匀分散。

本发明的有益效果：通过控制离子流极性、流量及持续时长，产生与纳米粉体分散过程中因摩擦而引起的电荷量相适应的正负离子量，阻止纳米粉体在分散过程中形成团聚体，实现纳米级粉尘的均匀分散，从而使最小点火能和最低着火温度的测量更加准确。

说明书附图

图1为根据本发明实施例的纳米级粉尘云最小点火能的示意图。

图2为静电敏感探头在哈特曼管装置的布置俯视图。

图3为根据本发明实施例的纳米级粉尘云最低着火温度的示意图。

图4为静电敏感探头在高得伯尔格-格润瓦尔德炉装置的布置俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种基于离子流控制的纳米粉体分散方法的纳米级粉尘云最小点火能分散装置。参考图1，纳米级粉尘云最小点火能分散装置包括静电敏感探头、测量与控制单元、压缩空气控制单元、离子流发生单元及哈特曼管。

压缩空气控制单元包括：静音空压机1，提供具有一定压力的压缩空气；过滤器2，静音空压1的输出端连接至过滤器2的输入端，实现对压缩空气的油雾分离和过滤；减压阀3，过滤器2的输出端连接至减压阀3的输入端，用于控制气路的进气压力；电磁阀4，减压阀3的输出端连接至电磁阀4的输入端，电磁阀4由电信号控制，用于自动控制进气量；储气容器6，电磁阀4的输出端连接至储气容器6的输入端，储气容器6的容积为50mL，储气容器6外置压力传感器5，用于实时监测储气容器的气压，以实现压缩空气进气量的自动控制；电磁阀7，储气容器6的输出连接至电磁阀7的输入端，电磁阀7的输出端通过气管12连接至哈特曼管进气口，电磁阀7由电信号控制，可实现遥控或自动控制。

离子流发生单元包括：高压电源14，提供范围在-10kV~+10kV的直流输出电压，直流输出电压的极性、幅值、放电时长等参数由测量与控制单元控制；高压电容C，为高压电源提供储能，高压电容C的取值范围优选20pF~100pF；电极针11和电极针13，置于气管12内，高压电源14的输出连接至电极针13，高压电源14的地连接至电极针11，电极针11与电极针13同轴并间隔一定距离。电极针11与电极针13的材质优选不锈钢或钨。

静电敏感探头15、16、17、18布置于哈特曼管内壁，静电敏感探头15、16、17、18的输出连接至测量与控制单元，测量与控制单元将静电敏感探头所测得的电荷信号转换为电压信号，并根据该电压信号计算所述哈特曼管内的电场矢量，根据电场矢量控制高压电源14的输出。

静电敏感探头的布置位置参考图1和图2，静电敏感探头15、16处于同一水平轴且固定于所述哈特曼管壁的两侧，静电敏感探头17、18处于另一高度的同一水平轴且固定于所述哈特曼管壁的两侧，两对探头所在的中心轴线正交。

当需测试纳米粉体的最小点火能时，采用所述的纳米级粉尘云最小点火能分散装置工作步骤如下：

1）预测试流程，将纳米粉体19放置于储粉室8，关闭高压电源14，控制压缩空气控制单元产生一定压力的气流，将储粉室8的纳米粉体19吹起，纳米粉体19经分散器9后，在石英玻璃管10内形成粉尘云，测量与控制单元测量静电敏感探头15~18的输出信号并计算石英玻璃管10内的矢量电场随时间的变化关系；

2）重复步骤1）的预测试流程，求取所测量的矢量电场的平均值随时间的变化关系，由于粉体分散过程中因摩擦而产生电荷量，石英玻璃管10内的矢量电场分布随时间的变化关系，即粉体分散过程中因摩擦而产生的电荷量随时间的变化关系；

3）正常测试流程，将纳米粉体19放置于储粉室8，打开高压电源14，根据步骤2）所得的矢量电场平均值随时间的变化关系，控制高压电源14的输出电压、极性，进而控制离子流流量，控制所述压缩空气控制单元产生一定压力的、含有正负离子的气流，将储粉室的纳米粉体吹起，纳米粉体经分散器后，在石英玻璃管内形成粉尘云，正负离子中和粉体分散过程中因摩擦而产生的带电量，从而避免纳米粉体在分散过程中的团聚现象。

在本发明的另一个示例性实施例中，提供了一种基于离子流控制的纳米粉体分散方法的纳米级粉尘云最低着火温度分散装置。参考图3，包括静电敏感探头、测量与控制单元、压缩空气控制单元、离子流发生单元及高得伯尔格-格润瓦尔德炉。

压缩空气控制单元包括：静音空压机1，提供具有一定压力的压缩空气；过滤器2，静音空压1的输出端连接至过滤器2的输入端，实现对压缩空气的油雾分离和过滤；减压阀3，过滤器2的输出端连接至减压阀3的输入端，用于控制气路的进气压力；电磁阀4，减压阀3的输出端连接至电磁阀4的输入端，电磁阀4由电信号控制，用于自动控制进气量；储气容器23，电磁阀4的输出端连接至储气容器23的输入端，储气容器23的容积为500mL，储气容器23外置压力传感器5，用于实时监测储气容器的气压，以实现压缩空气进气量的自动控制；电磁阀7，储气容器6的输出连接至电磁阀7的输入端，电磁阀7的输出端连接至储粉室20的输入端，电磁阀7由电信号控制，可实现遥控或自动控制；储粉室20，用于盛放纳米粉体19。

离子流发生单元包括：高压电源14，提供范围在-10kV~+10kV的直流输出电压，直流输出电压的极性、幅值、放电时长等参数由测量与控制单元控制；高压电容C，为高压电源提供储能，高压电容C的取值范围优选20pF~100pF；电极针11和电极针13，置于储粉室20的输出端至高得伯尔格-格润瓦尔德炉的输入端的连接气管内，高压电源14的输出连接至电极针13，高压电源14的地连接至电极针11，电极针11与电极针13同轴并间隔一定距离。电极针11与电极针13的材质优选不锈钢或钨。

高得伯尔格-格润瓦尔德炉由石英玻璃管21和加热丝22组成，加热丝22按一定规律环绕石英玻璃管21的外壁。

静电敏感探头24、25、26、27布置于石英玻璃管21内壁，静电敏感探头24、25、26、27的输出连接至测量与控制单元，测量与控制单元将静电敏感探头所测得的电荷信号转换为电压信号，并根据该电压信号计算所述哈特曼管内的电场矢量，根据电场矢量控制高压电源14的输出。

由于高得伯尔格-格润瓦尔德炉内的温度最高至1000℃，为保护静电敏感探头，静电敏感探头的布置位置参考图3和图4，静电敏感探头24和25处于同一水平轴且靠近于所述石英玻璃管21的内壁两侧，静电敏感探头26和27处于另一高度的同一水平轴且固定于所述石英玻璃管21的内壁两侧，两对探头所在的中心轴线正交。

当需测试纳米粉体的最低着火温度时，采用所述的纳米级粉尘云最低着火温度分散装置工作步骤如下：

1）预测试流程，将静电敏感探头24~27放置于石英玻璃管21，将纳米粉体19放置于储粉室20，关闭高压电源14，加热丝22不产生温度，控制压缩空气控制单元产生一定压力的气流，将储粉室20的纳米粉体19吹起，纳米粉体19在石英玻璃管21内形成粉尘云，测量与控制单元测量静电敏感探头24~27的输出信号并计算石英玻璃管21内的矢量电场分布随时间的变化关系；

2）重复步骤1）的预测试流程，求取所测量的矢量电场的平均值随时间的变化关系，并将静电敏感探头24~27从石英玻璃管21中移出。由于粉体分散过程中因摩擦而产生电荷量，石英玻璃管21内的矢量电场分布随时间的变化关系，即粉体分散过程中因摩擦而产生的电荷量随时间的变化关系；

3）正常测试流程，将纳米粉体19放置于储粉室23，通过加热丝22将石英玻璃管内加热至指定温度，打开所述的离子流发生单元，利用高压电源14控制离子流流量，控制压缩空气控制单元产生一定压力的、含有正负离子的气流，将储粉室23的纳米粉体19吹起，纳米粉体19在石英玻璃管21内形成粉尘云，正负离子中和粉体分散过程中因摩擦而产生的带电量，从而避免纳米粉体19在分散过程中发生团聚现象。

综上所述，本发明的基于离子流控制的纳米粉体分散方法和装置能很好地中和纳米粉体在分散过程中因摩擦而产生的电荷量，阻止纳米粉体颗粒形成团聚体，从而达到均匀的分散效果，实现纳米级粉尘的最小点火能和最低着火温度等燃爆特性参数的准确测量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。