CN111551797A - 一种适用于含能材料的在线静电电荷量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于含能材料的在线静电电荷量测量装置，包括料仓、微电流传感器和数据采集处理器，料仓、微电流传感器和数据采集处理器之间依次电性连接，料仓内装有含能粉体，料仓顶部设有进料口，料仓外套有屏蔽层，微电流传感器包括低输入阻抗微电流前置放大器、降噪电路、A/D转换电路和数据传输电路，数据采集处理器包括数据接收电路、积分电路、数据储存电路和数据显示单元；本发明可实现连续在线测量，直接测得料仓内粉体的静电起电电流及总静电电荷量，测量装置最大火花放电能量远小于粉体最小点火能，安全性高，与电位计法的测量结果进行比较，最大误差小于6％，测量结果准确可信，测量装置安装方便，应用范围广泛。

Description

一种适用于含能材料的在线静电电荷量测量装置

技术领域

本发明涉及含能材料静电电荷测量技术领域，具体为一种适用于含能材料的在线静电电荷量测量装置。

背景技术

静电是引发含能材料燃烧***的主要因素之一。对静电电荷量进行实时监控，是防止静电灾害的重要手段。目前，静电电荷量测量主要采用法拉第筒配合电位计的方法，其原理是采用内外两个相互绝缘的同心金属筒组成一个法拉第筒，具有固定的电容量C，外筒接地，内筒与外筒绝缘，当取样的含能材料注入法拉第筒内筒后，内筒将产生一个相对于外筒的静电电位，通过电位计测量静电电位U，根据Q＝CU，即可计算出含能材料的静电电荷量。

电位计法在实际测量过程中有很多局限性，主要表现在：

(1)需要人为进行取样注入法拉第筒内进行测量，而人为取样过程会影响样品的静电电荷量，使测量结果不准确。为了消除人为取样带来的影响，学者们研究了各种不同的在线取样测量方式，如M.Glor,B.Maurer在进行“ignition tests with discharges frombulked polymeric granules in silos”中采用了在进料口处设置可移动的自动取料装置的方法。F.sharmene Ali等为测量流化床含能材料静电电荷量设计了专门的样品取样勺和取样铲，Li wenguo,Jin taidong等研制出了在线式法拉第筒的方法，即在生产过程中含能材料传输部位设计了自动出料和进料口，使在线的含能材料自动进入旁置的法拉第筒中，然后进行测量，测量后将含能材料自动排除。

尽管学者们研究了不同的在线取样方式，但是该方法是在含能材料输送管路上或料仓进料时刻，对少量含能材料样品进行静电电荷量测量，然后根据样品荷质比推算出料仓中全部含能材料的总静电电荷量，不是直接监测料仓中含能材料的总静电电荷量。

(2)电位计法存在较大的安全风险。对于一些静电点火能很小(甚至小于0.1mJ)的含能材料，由于法拉第内筒的对地电阻大，电位计的输入阻抗高于10¹⁴Ω，当带电含能材料进入法拉第内筒后，法拉第内筒产生一个较高的电压，有可能发生静电放电。如含能材料在通过管路输送进入法拉第筒的质量为1kg时，可能产生的静电电荷量最大可达到10^-6C/kg，法拉第筒的电容C一般在100pf左右，此时，法拉第筒内、外筒的静电电压将达到

:，如此高的电压有可能导致法拉第筒内、外筒之间发生火花放电，放电能量将达到

:，该放电能量有可能引燃静电点火能小于5mJ的物料。

基于此，本发明设计了一种适用于含能材料的在线静电电荷量测量装置，以解决上述提到的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于含能材料的在线静电电荷量测量装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于含能材料的在线静电电荷量测量装置，包括料仓、微电流传感器和数据采集处理器，所述料仓、微电流传感器和数据采集处理器之间依次电性连接，所述料仓内装有含能粉体，所述料仓顶部设有进料口，所述料仓除去进料口外其余部位全封闭设计，所述料仓外套有屏蔽层，所述屏蔽层与料仓之间不接触，所述屏蔽层接地，所述微电流传感器包括低输入阻抗微电流前置放大器、降噪电路、A/D转换电路和数据传输电路，所述数据采集处理器包括数据接收电路、积分电路、数据储存电路和数据显示单元。

优选的，所述进料仓、低输入阻抗微电流前置放大器、降噪电路、A/D转换电路、数据传输电路、数据接收电路、积分电路、数据储存电路和数据显示单元之间依次电性连接。

优选的，所述数据采集处理器对微电流传感器传输的数据进行接收，并进行微电流积分、数据储存、数据显示和控制时间。

优选的，所述料仓和屏蔽层均为圆柱状，所述料仓和屏蔽层均为金属材料。

优选的，所述屏蔽层内设有绝缘支撑体，所述绝缘支撑体对料仓进行支撑。

优选的，所述微电流传感器和数据采集处理器均接地。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明可方便地实现连续在线测量，直接测得料仓内粉体的静电起电电流及总静电电荷量，避免了复杂的物料取样过程。

2、本发明测量装置最大火花放电能量远小于粉体最小点火能，避免了可能由于测量装置自身的火花放电引起的燃烧***事故，安全性高。

3、本发明与电位计法的测量结果进行比较，最大误差小于6％，测量结果准确可信。

4、本发明测量装置安装方便，应用范围广泛，不仅可用于粉体料仓的静电电荷量监测，还可用于液体等其他形式物料的静电电荷量监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明测量装置示意图；

图2为本发明测量原理图；

图3为本发明感应微电流法与电位计法测得的静电电荷量对比图；

图4为本发明粉体流速为0.6m/s时感应电流曲线图；

图5为本发明粉体流速为0.6m/s时电荷量曲线图；

图6为本发明粉体流速为0.9m/s时的感应电流曲线图；

图7为本发明粉体流速为0.9m/s时电荷量曲线图；

图8为本发明粉体流速为1.2m/s时的感应电流曲线图；

图9为本发明粉体流速为1.2m/s时电荷量曲线图；

图10为本发明不同流速粉体电荷量曲线对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，本发明提供一种适用于含能材料的在线静电电荷量测量装置技术方案：包括料仓3、微电流传感器5和数据采集处理器，料仓3、微电流传感器5和数据采集处理器6之间依次电性连接，微电流传感器5等效输入阻抗小于1000Ω，测量范围为1nA-1mA，料仓3内装有含能粉体4，料仓3顶部设有进料口1，料仓3除去进料口1外其余部位全封闭设计，保障粉体静电电荷产生的电力线不外泄，料仓3外套有屏蔽层2，屏蔽层2与料仓3之间不接触，屏蔽外来静电干扰，屏蔽层2接地，微电流传感器5包括低输入阻抗微电流前置放大器51，实现降低对地等效电阻和nA-mA微电流的放大，降噪电路52，实现对工频干扰信号的滤波作用，A/D转换电路53和数据传输电路54，A/D转换电路53实现对放大后模拟电流信号的数字转换作用，数据传输电路54实现数字信号编码、传输功能，数据采集处理器6包括数据接收电路61、积分电路62、数据储存电路63和数据显示单元64。

其中，进料仓3、低输入阻抗微电流前置放大器51、降噪电路52、A/D转换电路53、数据传输电路54、数据接收电路61、积分电路62、数据储存电路63和数据显示单元64之间依次电性连接。

其中，数据采集处理器6对微电流传感器5传输的数据进行接收，并进行微电流积分、数据储存、数据显示和控制时间。

其中，料仓3和屏蔽层2均为圆柱状，料仓3和屏蔽层2均为金属材料；屏蔽层2内设有绝缘支撑体7，绝缘支撑体7对料仓3进行支撑；微电流传感器5和数据采集处理器6均接地。

感应微电流积分获得静电电荷量的原理：粉体在传输过程中由于摩擦、碰撞带电，当时间t内携带静电电荷量q的粉体进入料仓时，由高斯定理可知，料仓内壁感应出与之等量异性电荷-q，而在料仓外壁产生等量同性电荷q，如果外壁接地，该电荷将通过泄漏线路流入大地，形成感应泄漏电流，通过测量该泄漏电流，并对其按时间积分，即可获得t时间内进入料仓粉体的静电电荷量，即。当t取不同值时，可以获得电荷量随时间变化的曲线。

减小料仓火花放电能量的原理：假设粉体的最小点火能E_min为0.1mJ。料仓发生火花放电的最大能量为

(其中Q为料仓内粉体的静电电荷量，U为料仓对地电位)。为保证安全，必须使E＜E_min＝0.1mJ。当料仓中粉体最大质量为10kg，最大荷质比

时，料仓中最大电荷量Q＝10kg*10^-6C/kg＝10^-5C。为使E＜0.1mJ，必须保证料仓的最大电位

料仓的最大电位由料仓的等效接地电阻R和静电感应电流I决定,即U＝IR。当料仓最大加料速度v＝1kg/s时，料仓的静电感应起电电流

为使U＜20V，则料仓等效接地电阻

由上可知，当料仓等效接地电阻小于时2*10⁷Ω，料仓最大电位小于20V，料仓最大火花放电能量小于0.1mJ。

具体工作原理如下所述：

测量电路采用微电流传感器，连接在料仓与大地之间，料仓的等效接地电阻主要由微电流传感器的输入阻抗决定，其输入阻抗为1000Ω，因此，料仓的等效接地电阻小于1000Ω，料仓可能达到的最大电位，最大放电能量，远远小于粉体的最小点火能，可确保测量***发生的静电放电不会引燃粉体，保障安全。

选择最小点火能为25mJ的聚丙烯粉体为代料，控制相同的起电条件，采用感应微电流法和电位计法对静电电荷量进行对比测量，测量结果如图3所示，由图3可以看出，感应微电流法与电位计法测量结果基本一致，最大误差不大于6％，两种方法测得物料荷质比均分布在1～3μC/kg。

采用感应微电流法对最小点火能小于0.1mJ的粉体料仓进行连续监测，料仓外筒高度h1＝380mm，直径d1＝470mm，内筒高度h2＝300mm，直径d2＝310mm，C＝70pf。粉体以0.6m/s、0.9m/s、1.2m/s三种不同的流速连续注入料仓，注入料仓的物料质量均为10kg，测得的静电泄漏电流曲线和静电电荷量曲线如图4-10所示，由图4-10可以看出被测粉体静电带电极性为负；如图4-5所示，粉体流动速度在0.6m/s时，料仓最大静电电荷量为-5.2，荷质比为-0.52；如图6-7所示，粉体流动速度在0.9m/s时，料仓最大静电电荷量为-8.1，荷质比为-0.81；如图8-9所示，粉体流动速度在1.2m/s时，料仓最大静电电荷量为-9.7，荷质比为-0.97。由图10可知，粉体最大静电电荷量和荷质比均随着粉体流速的增大而增加，可以看出，采用感应微电流法可以对粉体料仓的静电电荷量进行连续监测。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种适用于含能材料的在线静电电荷量测量装置，其特征在于：包括料仓(3)、微电流传感器(5)和数据采集处理器，所述料仓(3)、微电流传感器(5)和数据采集处理器(6)之间依次电性连接，所述料仓(3)内装有含能粉体(4)，所述料仓(3)顶部设有进料口(1)，所述料仓(3)除去进料口(1)外其余部位全封闭设计，所述料仓(3)外套有屏蔽层(2)，所述屏蔽层(2)与料仓(3)之间不接触，所述屏蔽层(2)接地，所述微电流传感器(5)包括低输入阻抗微电流前置放大器(51)、降噪电路(52)、A/D转换电路(53)和数据传输电路(54)，所述数据采集处理器(6)包括数据接收电路(61)、积分电路(62)、数据储存电路(63)和数据显示单元(64)。

2.根据权利要求1所述的一种适用于含能材料的在线静电电荷量测量装置，其特征在于：所述进料仓(3)、低输入阻抗微电流前置放大器(51)、降噪电路(52)、A/D转换电路(53)、数据传输电路(54)、数据接收电路(61)、积分电路(62)、数据储存电路(63)和数据显示单元(64)之间依次电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种适用于含能材料的在线静电电荷量测量装置，其特征在于：所述数据采集处理器(6)对微电流传感器(5)传输的数据进行接收，并进行微电流积分、数据储存、数据显示和控制时间。

4.根据权利要求1所述的一种适用于含能材料的在线静电电荷量测量装置，其特征在于：所述料仓(3)和屏蔽层(2)均为圆柱状，所述料仓(3)和屏蔽层(2)均为金属材料。

5.根据权利要求1所述的一种适用于含能材料的在线静电电荷量测量装置，其特征在于：所述屏蔽层(2)内设有绝缘支撑体(7)，所述绝缘支撑体(7)对料仓(3)进行支撑。

6.根据权利要求1所述的一种适用于含能材料的在线静电电荷量测量装置，其特征在于：所述微电流传感器(5)和数据采集处理器(6)均接地。

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