RU2393465C1 - Sensor for contactless measurement of electric charge of moving mineral particles (versions) - Google Patents
Sensor for contactless measurement of electric charge of moving mineral particles (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2393465C1 RU2393465C1 RU2009109040/28A RU2009109040A RU2393465C1 RU 2393465 C1 RU2393465 C1 RU 2393465C1 RU 2009109040/28 A RU2009109040/28 A RU 2009109040/28A RU 2009109040 A RU2009109040 A RU 2009109040A RU 2393465 C1 RU2393465 C1 RU 2393465C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensitive electrode
- sensor
- electrode
- grounded
- relation
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 31
- 239000011707 mineral Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000010432 diamond Substances 0.000 abstract description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 5
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 238000000605 extraction Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 12
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 10
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000002817 coal dust Substances 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для измерения электрического заряда движущихся частиц минералов и предназначено, в частности, для обнаружения алмазов в алмазосодержащих смесях минералов, для их последующего извлечения с помощью исполнительного механизма. Кроме того, заявляемое изобретение может быть использовано для измерения электрического заряда частиц минералов при исследовании процессов электрической сепарации различных руд.The present invention relates to the field of measurement technology, is intended to measure the electric charge of moving particles of minerals and is intended, in particular, to detect diamonds in diamond-containing mixtures of minerals, for their subsequent extraction using the actuator. In addition, the claimed invention can be used to measure the electric charge of mineral particles in the study of the processes of electrical separation of various ores.
Известны электроемкостные методы контроля, к которых в качестве первичного источника сигнала применяется электроемкостный преобразователь /Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник./ В.В.Клюев, Ф.Р.Соснин, А.В.Ковалев и др.; Под ред. В.В.Клюева. 3-е изд., испр. и доп.- М.: Машиностроение, 2005. Стр. 453-455/. Электроемкостные преобразователи по количеству и форме электродов делятся на накладные и проходные. Накладные преобразователи применяются для контроля массивных изделий при одностороннем доступе. Проходные электроемкостные преобразователи применяются для объектов контроля, имеющих малое поперечное сечение. В этом случае объект контроля размещается или движется во внутреннем канале преобразователя между электродами или в полости одного из электродов. Электроемкостные преобразователи предназначены для измерения электрической емкости или тангенса угла потерь объектов контроля, выполненных из диэлектрических материалов. Возможно измерение геометрических размеров и контроль формы изделий, выполненных из металла. При контроле твердых сыпучих материалов электроемкостные преобразователи применяются при контроле физико-механических параметров, например, дисперсность состава и влажность материала.Electro-capacitive control methods are known, to which an electro-capacitive transducer is used as the primary signal source / Non-destructive testing and diagnostics: Reference book / V.V. Klyuyev, F.R.Sosnin, A.V. Kovalev and others; Ed. V.V. Klyueva. 3rd ed., Rev. and additional.- M.: Mechanical Engineering, 2005. Pp. 453-455 /. Electrical capacitors according to the number and shape of the electrodes are divided into overhead and walk-through. Overhead converters are used to control massive products with one-way access. Feed-through electric capacitive converters are used for control objects having a small cross section. In this case, the control object is placed or moves in the internal channel of the transducer between the electrodes or in the cavity of one of the electrodes. Electrical capacitors are designed to measure the electric capacitance or the tangent of the loss angle of control objects made of dielectric materials. It is possible to measure the geometric dimensions and control the shape of products made of metal. When controlling solid bulk materials, electro-capacitive converters are used to control physical and mechanical parameters, for example, the dispersion of the composition and moisture of the material.
Недостатком известных электроемкостных преобразователей является то, что они не позволяют производить бесконтактное измерение знака и абсолютной величины электрического заряда движущихся твердых частиц минералов, например алмазов, или сопутствующих минералов.A disadvantage of the known electric capacitive converters is that they do not allow non-contact measurement of the sign and the absolute value of the electric charge of moving solid particles of minerals, such as diamonds, or related minerals.
Известен зонд для бесконтактного измерения поверхностной проводимости материала, имеющего проводящую поверхность /Заявка РФ №2005118104, G01R 27/04, 2006 г./. Составной частью известного зонда является датчик, содержащий LC-контур, который является составной частью генератора. LC-контур содержит катушку (L) датчика; при этом индуктивность катушки датчика изменяется в зависимости от проводимости материала вблизи катушки датчика. Известный датчик может быть применен для бесконтактного измерения проводимости в широком интервале значений. Основное применение известного датчика состоит в исследовании электрофизических характеристик полупроводников.A known probe for non-contact measurement of the surface conductivity of a material having a conductive surface / RF Application No. 2005118104, G01R 27/04, 2006 /. An integral part of the known probe is a sensor containing an LC circuit, which is an integral part of the generator. The LC circuit contains a coil (L) of the sensor; the inductance of the sensor coil varies depending on the conductivity of the material near the sensor coil. The known sensor can be used for non-contact conductivity measurement in a wide range of values. The main application of the known sensor is to study the electrophysical characteristics of semiconductors.
Недостатком известного датчика является то, что он не позволяет производить измерение знака и абсолютной величины электрического заряда движущихся твердых частиц минералов.A disadvantage of the known sensor is that it does not allow measurement of the sign and the absolute value of the electric charge of the moving solid particles of minerals.
Известно устройство для измерения расхода и калорийности угольной пыли /Заявка РФ №2006145548, G01F 5/00, 2008 г./. В состав известного устройства входит измерительная ячейка датчика, включающая электрод, выполненный в виде отрезка прямоугольной трубы, причем поток измеряемого материала проходит внутри электрода. Известное устройство имеет ряд сходных признаков с заявляемым изобретением, но имеет иное назначение.A device for measuring the flow rate and calorific value of coal dust / RF Application No. 2006145548,
Недостатком известного датчика является то, что он не позволяет производить измерение знака и абсолютной величины электрического заряда движущихся твердых частиц минералов.A disadvantage of the known sensor is that it does not allow measurement of the sign and the absolute value of the electric charge of the moving solid particles of minerals.
Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является устройство для осуществления способа сепарации алмазосодержащих материалов /Заявка РФ 2007116603, В03С 7/00, 2008 г./. Известное устройство в своем составе содержит датчик для бесконтактного измерения знака и величины электрического трибозаряда минерала. Датчик содержит заземленный корпус, внутри которого расположен чувствительный электрод в виде трубы прямоугольного поперечного сечения, установленный на высококачественном изоляторе. Поперечные размеры внутреннего канала чувствительного электрода выполнены с возможностью свободного прохождения сепарируемого материала внутри датчика, то есть материал должен двигаться по траектории свободного падения, не задевая поверхность чувствительного электрода. Высота чувствительного электрода в прототипе не оговорена. Размеры изолирующих зазоров и форма элементов заземленного корпуса в области входного и выходного окон не оговорены. Импульс наведенного тока измеряется высокочувствительным электрометрическим усилителем, выполненным по схеме преобразователя ток-напряжение. Вследствие дифференцирования в такой системе измерения величины индуцированного на чувствительном электроде заряда выходной сигнал датчика состоит из двух составляющих противоположной полярности.The closest analogue of the invention is a device for implementing the method of separation of diamond-containing materials / RF Application 2007116603,
Известное устройство имеет то же назначение, что и заявляемое изобретение, а также имеет наибольшее количество сходных признаков с заявляемым устройством.The known device has the same purpose as the claimed invention, and also has the greatest number of similar features with the claimed device.
Недостатками устройства-прототипа являются: во-первых, недостаточная стабильность выходного сигнала датчика, связанная с зависимостью индуцированного заряда от геометрических размеров чувствительного электрода, во-вторых, зависимость формы импульсов от формы заземленного корпуса в зонах входного и выходного окна заземленного корпуса.The disadvantages of the prototype device are: firstly, the lack of stability of the output signal of the sensor associated with the dependence of the induced charge on the geometric dimensions of the sensitive electrode, and secondly, the dependence of the shape of the pulses on the shape of the grounded housing in the areas of the input and output windows of the grounded housing.
Задачей предлагаемого изобретения является создание датчика с измененными геометрическими размерами, позволяющими повысить стабильность выходного сигнала датчика.The objective of the invention is the creation of a sensor with modified geometric dimensions, which can improve the stability of the output signal of the sensor.
Поставленная задача достигается тем, что в датчике для бесконтактного измерения электрического заряда движущихся частиц минералов, включающем заземленный корпус, внутри которого расположен чувствительный электрод, установленный на высококачественном изоляторе, в верхней части заземленного корпуса выполнено входное окно, в нижней части заземленного корпуса выполнено выходное окно, внутренняя поверхность чувствительного электрода выполнена в форме цилиндра, причем радиус RD цилиндра выбран из соотношенияThe task is achieved in that in the sensor for non-contact measurement of the electric charge of moving particles of minerals, including a grounded housing, inside which there is a sensitive electrode mounted on a high-quality insulator, an input window is made in the upper part of the grounded housing, an output window is made in the lower part of the grounded housing the inner surface of the sensitive electrode is made in the form of a cylinder, and the radius R D of the cylinder is selected from the ratio
RD=(1,1-1,5)RT,R D = (1.1-1.5) R T ,
где RT - максимальное отклонение траекторий движения материала внутри детектора от оси, а высота hD чувствительного электрода выбрана из соотношенияwhere R T is the maximum deviation of the trajectories of the material inside the detector from the axis, and the height h D of the sensitive electrode is selected from the relation
hD=(2,0-5,0)RD,h D = (2.0-5.0) R D ,
в датчик введены два дополнительных заземленных электрода цилиндрической формы с радиусом внутренней поверхности, равным радиусу внутренней поверхности чувствительного электрода, причем высота hЭ каждого из дополнительных электродов выбрана из соотношенияtwo additional grounded cylindrical electrodes with a radius of the inner surface equal to the radius of the inner surface of the sensitive electrode are introduced into the sensor, and the height h E of each of the additional electrodes is selected from the relation
hЭ=(1,0-2,0)RD,h E = (1.0-2.0) R D ,
дополнительные электроды установлены соответственно выше и ниже чувствительного электрода с изолирующим зазором DЗ, величина которого выбрана из соотношенияadditional electrodes are installed respectively above and below the sensitive electrode with an insulating gap D З , the value of which is selected from the ratio
DЗ=(0,05-0,1)RD.D W = (0.05-0.1) R D.
В датчике для бесконтактного измерения электрического заряда движущихся частиц минералов, включающем заземленный корпус, внутри которого расположен чувствительный электрод, установленный на высококачественном изоляторе, в верхней части заземленного корпуса выполнено входное окно, в нижней части заземленного корпуса выполнено выходное окно, внутренняя поверхность чувствительного электрода выполнена в форме канала с поперечным сечением в виде квадрата, причем сторона квадрата внутренней поверхности чувствительного электрода AD выбрана из соотношенияIn the sensor for non-contact measurement of the electric charge of moving particles of minerals, including a grounded housing, inside which there is a sensitive electrode mounted on a high-quality insulator, an input window is made in the upper part of the grounded housing, an output window is made in the lower part of the grounded housing, the inner surface of the sensitive electrode is made in the shape of the channel with a cross-section in the form of a square, and the side of the square of the inner surface of the sensitive electrode A D selected ratio wound
AD=2(1,1-1,5)RT,A D = 2 (1.1-1.5) R T ,
где RT - максимальное отклонение траекторий движения материала внутри детектора от оси,where R T is the maximum deviation of the trajectories of the material inside the detector from the axis,
а высота hD чувствительного электрода выбрана из соотношенияand the height h D of the sensitive electrode is selected from the relation
hD=(2,0-5,0)AD/2,h D = (2.0-5.0) A D / 2,
в датчик введены два дополнительных заземленных электрода цилиндрической формы с радиусом внутренней поверхности, равным радиусу внутренней поверхности чувствительного электрода, причем высота каждого из дополнительных электродов hЭ выбрана из соотношения hЭ=(1,0-2,0)AD/2, дополнительные электроды установлены соответственно выше и ниже чувствительного электрода с изолирующим зазором DЗ, величина которого выбрана из соотношения DЗ=(0,05-0,1)AD/2.two additional grounded cylindrical electrodes with a radius of the inner surface equal to the radius of the inner surface of the sensitive electrode are introduced into the sensor, the height of each of the additional electrodes h E selected from the relation h E = (1.0-2.0) A D / 2, additional electrodes are installed respectively above and below the sensitive electrode with an insulating gap D З , the value of which is selected from the relation D З = (0.05-0.1) A D / 2.
В датчике для бесконтактного измерения электрического заряда движущихся частиц минералов, включающем заземленный корпус, внутри которого расположен чувствительный электрод, установленный на высококачественном изоляторе, в верхней части заземленного корпуса выполнено входное окно, в нижней части заземленного корпуса выполнено выходное окно, внутренняя поверхность чувствительного электрода выполнена в форме канала с поперечным сечением в виде прямоугольника, длина прямоугольного канала LD выбрана из соотношенияIn the sensor for non-contact measurement of the electric charge of moving particles of minerals, including a grounded housing, inside which there is a sensitive electrode mounted on a high-quality insulator, an input window is made in the upper part of the grounded housing, an output window is made in the lower part of the grounded housing, the inner surface of the sensitive electrode is made in the shape of the channel with a cross section in the form of a rectangle, the length of the rectangular channel L D is selected from the relation
LD=L+2(1,1-1,5)RT,L D = L + 2 (1.1-1.5) R T ,
где L - ширина подающего лотка,where L is the width of the feed tray,
RT - максимальное отклонение траекторий движения материала внутри детектора от оси,R T - the maximum deviation of the trajectories of the material inside the detector from the axis,
ширина прямоугольника BD выбрана из соотношенияthe width of the rectangle B D is selected from the relation
BD=2(1,1-1,5)RT,B D = 2 (1.1-1.5) R T ,
высота чувствительного электрода hD выбрана из соотношенияthe height of the sensitive electrode h D is selected from the relation
hD=(2,0-5,0)BD/2,h D = (2.0-5.0) B D / 2,
в датчик введены два дополнительных заземленных электрода, внутренняя поверхность которых выполнена в форме канала с поперечным сечением в виде прямоугольника, размеры которого равны размерам внутреннего канала чувствительного электрода, причем высота каждого из дополнительных электродов hЭ выбрана из соотношенияtwo additional grounded electrodes are introduced into the sensor, the inner surface of which is made in the form of a channel with a cross-section in the form of a rectangle, the dimensions of which are equal to the dimensions of the internal channel of the sensitive electrode, and the height of each of the additional electrodes h E is selected from the relation
hЭ=(1,0-2,0)BD/2,h E = (1.0-2.0) B D / 2,
дополнительные электроды установлены соответственно выше и ниже чувствительного электрода с изолирующим зазором, величина DЗ которого выбрана из соотношенияadditional electrodes are installed respectively above and below the sensitive electrode with an insulating gap, the value of D Z which is selected from the relation
DЗ=(0,05-0,1)BD/2.D W = (0.05-0.1) B D / 2.
Отличие заявляемых вариантов заключается в следующем: во-первых, в том, что дополнительно оговорено соотношение размеров между размером внутреннего канала и высотой чувствительного электрода, во-вторых, в том, что в конструкцию введены два дополнительных заземленных электрода, в-третьих, оговорено соотношение размеров между размером внутреннего канала чувствительного электрода, размерами дополнительных электродов и величиной изолирующего зазора между дополнительными электродами и чувствительным электродом.The difference between the claimed options is as follows: firstly, in that the size ratio between the size of the internal channel and the height of the sensitive electrode is additionally stipulated, secondly, two additional grounded electrodes are introduced into the design, and thirdly, the ratio sizes between the size of the internal channel of the sensitive electrode, the dimensions of the additional electrodes and the size of the insulating gap between the additional electrodes and the sensitive electrode.
Различие между вариантами заключается в том, что в первом варианте внутренняя поверхность чувствительного электрода имеет форму цилиндра, во втором варианте внутренняя поверхность чувствительного электрода имеет квадратное поперечное сечение, в третьем варианте внутренняя поверхность чувствительного электрода имеет прямоугольное поперечное сечение.The difference between the options is that in the first embodiment, the inner surface of the sensitive electrode has the shape of a cylinder, in the second embodiment, the inner surface of the sensitive electrode has a square cross section, in the third embodiment, the inner surface of the sensitive electrode has a rectangular cross section.
Принцип действия датчика основан на законе электростатической индукции, поэтому для обоснования новых вариантов формы внутренней поверхности чувствительного электрода необходимо рассмотреть расчет индуцированного заряда на внутренней поверхности чувствительного электрода и индуцированный ток датчика в электрометрическом усилителе, подключенном к чувствительному электроду.The principle of operation of the sensor is based on the law of electrostatic induction, therefore, to justify new options for the shape of the inner surface of the sensitive electrode, it is necessary to consider the calculation of the induced charge on the inner surface of the sensitive electrode and the induced current of the sensor in an electrometric amplifier connected to the sensitive electrode.
При расчетах заряда и тока датчика принято, что потенциал измерительного электрода можно с достаточной точностью считать равным нулю. Экспериментальная проверка показывает, что данное приближение позволяет получить хорошее согласование теоретических и экспериментальных данных.When calculating the charge and current of the sensor, it is assumed that the potential of the measuring electrode can be considered with sufficient accuracy to be equal to zero. Experimental verification shows that this approximation allows one to obtain good agreement between theoretical and experimental data.
Примем, что ось датчика, например ось у, совпадает с направлением движения заряженного зерна минерала.We assume that the axis of the sensor, for example, the y axis, coincides with the direction of motion of the charged grain of the mineral.
Ток датчика определяется выражениемSensor current is determined by the expression
где Qинд(t) - величина индуцированного заряда на чувствительном электроде датчика.where Q ind (t) is the magnitude of the induced charge on the sensitive electrode of the sensor.
Выражение (1) можно упростить для двух конкретных случаев движения зерен:Expression (1) can be simplified for two specific cases of grain motion:
1) движение с постоянной скоростью, тогда1) movement at a constant speed, then
где ν - скорость движения,where ν is the speed of movement,
2) свободное падение с высоты h0 по закону
Из формул (1-3) следует, что для расчета параметров электрического сигнала достаточно знать зависимость величины индуцированного заряда от расстояния, т.е. координаты заряженной частицы относительно выбранной точки отсчета.It follows from formulas (1-3) that, to calculate the parameters of an electric signal, it suffices to know the dependence of the magnitude of the induced charge on distance, i.e. coordinates of the charged particle relative to the selected reference point.
Расчет электрических зарядов проводится в предположении, что в пространстве между заряженной частицей минерала и поверхностью измерительного электрода нет объемных зарядов, тогда для расчета электрического поля можно применить уравнение ЛапласаThe calculation of electric charges is carried out under the assumption that there are no volume charges in the space between the charged mineral particle and the surface of the measuring electrode, then the Laplace equation can be used to calculate the electric field
где φ - электрический потенциал.where φ is the electric potential.
Напряженность электрического поля равнаThe electric field strength is
Геометрическая форма и размеры измерительного электрода задаются в виде граничных условий при решении уравнения (4).The geometric shape and dimensions of the measuring electrode are set in the form of boundary conditions when solving equation (4).
В связи с тем, что аналитическое решение уравнения (4) можно получить только для ограниченного числа простейших граничных условий, теоретический анализ проводится приближенными методами с помощью метода конформных отображений, разработанного в теории функций комплексного переменного. Данный метод расчета позволяет оценить общие закономерности формирования сигналов для плоской модели электрического поля, но не предназначен для проведения точных расчетов, поэтому все варианты исполнения датчика анализируются с помощью одной модели.Due to the fact that the analytical solution of equation (4) can be obtained only for a limited number of simple boundary conditions, theoretical analysis is carried out by approximate methods using the conformal mapping method developed in the theory of functions of a complex variable. This calculation method allows you to evaluate the general patterns of signal formation for a flat model of the electric field, but is not intended for accurate calculations, therefore, all sensor versions are analyzed using one model.
Исходная модель предполагает, что электрический заряд равен единице и расположен в центре окружности, имеющей радиус, равный единице. В этом случае двумерное уравнение Лапласа имеет простое решение, а именно силовые линии направлены по радиусам, а эквипотенциальные линии имеют форму окружностей.The original model assumes that the electric charge is equal to unity and is located in the center of a circle having a radius equal to unity. In this case, the two-dimensional Laplace equation has a simple solution, namely, the lines of force are directed along the radii, and the equipotential lines have the shape of circles.
Для последующего анализа введены следующие обозначения.For the subsequent analysis, the following notation is introduced.
Исходная комплексная переменная обозначена в декартовых координатах в видеThe initial complex variable is indicated in Cartesian coordinates as
или в полярных координатах в видеor in polar coordinates in the form
где х=rcosθ и у=rsinθ - соответственно действительная и мнимая части исходной комплексной переменной, а r и θ - соответственно радиус и угол полярной системы координат.where x = rcosθ and y = rsinθ are the real and imaginary parts of the original complex variable, respectively, and r and θ are the radius and angle of the polar coordinate system, respectively.
Исходная модель имеет для силовых линий уравнениеThe original model has the equation for the lines of force
а для эквипотенциальных линийand for equipotential lines
Дальнейший анализ проводится для граничных условий уравнения (4), соответствующего вариантам заявляемого изобретения.Further analysis is carried out for the boundary conditions of equation (4) corresponding to the variants of the claimed invention.
Математическое моделирование процесса перемещения заряженной частицы вдоль оси датчика производится с помощью конформного отображения исходной модели, в которой заряженная частица расположена в центре единичной окружности, на единичную окружность со смещенным центром. Это отображение осуществляется с помощью функцииMathematical modeling of the process of moving a charged particle along the axis of the sensor is performed using conformal mapping of the original model, in which the charged particle is located in the center of a unit circle, on a unit circle with a displaced center. This display is performed using the function
причем в формуле (10) смещение производится вдоль оси y на величину h.moreover, in formula (10), the displacement is performed along the y axis by the value of h.
Конфигурация силовых линий электрического поля показана на Фиг.1,а для исходной модели единичной окружности и Фиг.1,б для единичной окружности со смещенным центром.The configuration of the electric field lines is shown in FIG. 1, and for the original model of the unit circle and FIG. 1, b for the unit circle with a displaced center.
Математическая модель датчика задана так, что границы внутренней поверхности датчика и дополнительных электродов имеют вид двух параллельных линий. Эта модель приближенно описывает все варианты заявляемого датчика. В первом варианте расстояние между прямыми линиями соответствует диаметру внутреннего канала цилиндрической формы, во втором варианте расстояние между прямыми линиями соответствует длине стороны квадрата, в третьем варианте расстояние между прямыми линиями соответствует длине наименьшей стороны прямоугольника.The mathematical model of the sensor is set so that the boundaries of the internal surface of the sensor and additional electrodes have the form of two parallel lines. This model approximately describes all the variants of the claimed sensor. In the first embodiment, the distance between the straight lines corresponds to the diameter of the inner channel of a cylindrical shape, in the second embodiment, the distance between the straight lines corresponds to the length of the side of the square, in the third embodiment, the distance between the straight lines corresponds to the length of the smallest side of the rectangle.
Все математические расчеты поясняются чертежами.All mathematical calculations are illustrated by drawings.
Фиг.1. Структура силовых линий электрического поля в теоретической модели конформного отображения исходной единичной окружности с зарядом в центре (а) на единичную окружность со смещенным зарядом (б).Figure 1. The structure of electric field lines in the theoretical model of conformal mapping of an initial unit circle with a charge in the center (a) onto a unit circle with a displaced charge (b).
Теоретическая модель датчика электрического заряда показана на Фиг.2, где обозначены: 1 - чувствительный электрод, 2 - верхний дополнительный заземленный электрод, 3 - нижний дополнительный заземленный электрод.The theoretical model of the electric charge sensor is shown in FIG. 2, where: 1 - sensitive electrode, 2 - upper additional grounded electrode, 3 - lower additional grounded electrode.
Кроме того, на Фиг.2 обозначены: U и V - оси комплексной плоскости, r0 - расстояние от оси до внутренней поверхности электрода, ld - длина чувствительного электрода, δ - изолирующий зазор между чувствительным электродом и вспомогательным электродом.In addition, figure 2 shows: U and V are the axes of the complex plane, r 0 is the distance from the axis to the inner surface of the electrode, l d is the length of the sensitive electrode, δ is the insulating gap between the sensitive electrode and the auxiliary electrode.
Для упрощения расчетов приняты следующие предположения.To simplify the calculations, the following assumptions are made.
Внутренние границы чувствительного электрода имеют вид параллельных линий, расположенных на расстоянии от оси, равном единице, т.е. r0=1, и длиной ld.The internal boundaries of the sensitive electrode have the form of parallel lines located at a distance from the axis equal to unity, i.e. r 0 = 1, and length l d .
Зазоры между чувствительным электродом и вспомогательными заземленными электродами считаются малыми δ<<r0, δ<<ld, так что структура силовых линий в области изолирующего зазора не искажается.The gaps between the sensitive electrode and auxiliary grounded electrodes are considered small δ << r 0 , δ << l d , so that the structure of the lines of force in the region of the insulating gap is not distorted.
Решение задачи ведется с помощью отображения единичного круга на полосу, ограниченную прямыми линиями, пересекающими мнимую ось в точках (-i,+i). Длина цилиндра выражена в единицах L=ld/r0, начало координат выбрано в центре цилиндра, т.е. границы детектора (-L/2,+L/2) по действительной оси.The problem is solved by mapping the unit circle onto a strip bounded by straight lines intersecting the imaginary axis at the points (-i, + i). The length of the cylinder is expressed in units of L = l d / r 0 , the origin is selected in the center of the cylinder, i.e. detector boundaries (-L / 2, + L / 2) along the real axis.
Конформное отображение осуществляется с помощью функцииConformal mapping is performed using the function
где ω=u+iν - новая комплексная переменная, имеющая действительную часть u и мнимую часть ν, i - мнимая единица.where ω = u + iν is the new complex variable having the real part u and the imaginary part ν, i is the imaginary unit.
По определению логарифм комплексной функции ω равенBy definition, the logarithm of the complex function ω is
Используя формулы (12) и (6), после элементарных преобразований получаем выражение для ω=u+i ν, в видеUsing formulas (12) and (6), after elementary transformations, we obtain the expression for ω = u + i ν, in the form
Переход к полярным координатам с помощью формул (7) дает другую форму записи выражений (13)The transition to polar coordinates using formulas (7) gives a different form for writing expressions (13)
Силовые линии в исходной системе координат описываются уравнениямиThe lines of force in the original coordinate system are described by equations
у=kx или θ=const.y = kx or θ = const.
Структура силовых линий электрического поля внутри датчика с зарядом в центре датчика показана на Фиг.3. Из чертежа видно, что силовые линии практически полностью замыкаются на датчике, если его длина ld≥3r0.The structure of the electric field lines inside the sensor with a charge in the center of the sensor is shown in FIG. 3. From the drawing it can be seen that the field lines are almost completely closed on the sensor if its length l d ≥3r 0 .
На Фиг.4 показаны: выбор границ интегрирования при вычислении индуцированного заряда в модели датчика (а) и в исходной единичной окружности (б).Figure 4 shows: the choice of integration boundaries when calculating the induced charge in the sensor model (a) and in the original unit circle (b).
Оценка формы сигнала при перемещении заряда вдоль оси цилиндра может быть проведена аналитически, путем вычисления значений углов θ1 и θ2, обозначенных как показано на Фиг.4.Evaluation of the waveform when moving the charge along the axis of the cylinder can be carried out analytically by calculating the values of the angles θ 1 and θ 2 , indicated as shown in Figure 4.
На Фиг.4 дополнительно обозначены: U0 - координата заряженной частицы,
По определению отображения, обратного к отображению (11), линии границы датчика переходят в единичную окружность, поэтому на поверхности детектора можно считать r=1 или x2+y2=1. При этих условиях выражения (14) существенно упростятся и примут видBy the definition of the map, which is inverse to map (11), the sensor boundary lines turn into a unit circle, so r = 1 or x 2 + y 2 = 1 on the surface of the detector. Under these conditions, expressions (14) will be significantly simplified and take the form
Из первого уравнения системы (15) получим формулу для обратного преобразованияFrom the first equation of system (15) we obtain the formula for the inverse transformation
Формула (16) позволяет не только перейти из пространства (u, ν) обратно в пространство (r, θ), но и сразу определить значения cosθ, необходимые для расчета индуцированного заряда.Formula (16) allows not only moving from the space (u, ν) back to the space (r, θ), but also immediately determining the values of cosθ necessary for calculating the induced charge.
Считая, что заряд смещен относительно центра датчика на величину l, получим координаты границ измерительного электрода в пространстве (u, ν) какAssuming that the charge is shifted relative to the center of the sensor by l, we obtain the coordinates of the boundaries of the measuring electrode in space (u, ν) as
l1=l+L/2;l 1 = l + L / 2;
l1=l-L/2.l 1 = lL / 2.
Согласно теореме Гаусса в интегральной форме полный поток вектора напряженности электрического поля Ф0 для силовых линий, замыкающихся на всю внутреннюю поверхность в исходной модели, равенAccording to the Gauss theorem in integral form, the total flux of the electric field vector Φ 0 for lines of force that close to the entire inner surface in the original model is
Поскольку чувствительный электрод представляет собой только часть полной поверхности, то индуцированный заряд датчика будет пропорционален части потока, ограниченной граничными углами θ1 и θ2, как показано на фиг.4. Определение индуцированного заряда по методу конформных отображений сводится к выделению силовых линий на границах детектора и возврату к исходному пространству - единичной окружности.Since the sensitive electrode is only part of the total surface, the induced charge of the sensor will be proportional to the part of the flow limited by the boundary angles θ 1 and θ 2 , as shown in Fig. 4. Determination of the induced charge by the method of conformal mappings is reduced to isolating the lines of force at the boundaries of the detector and returning to the original space — the unit circle.
На основании изложенного для индуцированного заряда на чувствительном электроде справедливо выражениеBased on the foregoing, for the induced charge on the sensitive electrode, the expression
На основании формул (18) и (19) можно ввести характеристику датчика - коэффициент эффективности
Коэффициент эффективности η имеет простой физический смысл: он показывает, какая часть потока вектора напряженности электрического поля собирается на чувствительном электроде. Очевидно, что максимальное значение величины η равно 1,0 или 100%.The efficiency coefficient η has a simple physical meaning: it shows how much of the flux of the electric field vector is collected on the sensitive electrode. Obviously, the maximum value of η is 1.0 or 100%.
Подстановка значений точек из формул (17) в формулу (16), а значений косинусов, соответствующих границам датчика, в формулу (19) дает для индуцированного заряда выражениеSubstitution of the point values from formulas (17) into formula (16), and the cosines corresponding to the sensor boundaries into formula (19) gives the expression for the induced charge
где параметр J равенwhere the parameter J is
В формулу (22) для упрощения записи введены обозначенияTo simplify the notation, the following notation is introduced in formula (22):
В формуле (22) параметр J имеет смысл интенсивности сигнала для единичного заряда. Максимальное значение индуцированного заряда достигается при расположении заряженной частицы в центре датчика, то есть при l=0, поэтому выражение для коэффициента эффективности имеет видIn formula (22), parameter J has the meaning of signal intensity for a unit charge. The maximum value of the induced charge is achieved when the charged particle is located in the center of the sensor, i.e., at l = 0, therefore, the expression for the efficiency coefficient has the form
На Фиг.5 приведены кривые изменения индуцированного заряда, рассчитанные по формуле (22) с учетом выражений (23), для разных значений длины датчика. Из чертежа видно, что нарастание переднего фронта от уровня 0,1 до уровня 0,9 происходит при перемещении заряда на величину Δl=(1-1,25)r0, причем форма переднего и заднего фронтов полностью совпадает. При длинах L≥3 значение коэффициента эффективности превышает 98%. Положение переднего фронта на уровне 0,5 соответствует пересечению заряженным зерном границы между измерительным электродом и экраном.Figure 5 shows the curves of changes in the induced charge, calculated by the formula (22), taking into account the expressions (23), for different values of the length of the sensor. It can be seen from the drawing that the rise of the leading edge from 0.1 to 0.9 occurs when the charge moves by Δl = (1-1.25) r 0 , and the shape of the leading and trailing edges completely coincides. With lengths L≥3, the value of the efficiency coefficient exceeds 98%. The position of the leading edge at the level of 0.5 corresponds to the intersection by the charged grain of the boundary between the measuring electrode and the screen.
Расчеты индуцированного заряда Qинд позволяют перейти к анализу формы тока датчика I на выходе усилителя путем дифференцирования зависимости заряда от координаты, то есть по формулеCalculations of the induced charge Q ind allow one to go on to analyze the current shape of the sensor I at the amplifier output by differentiating the dependence of the charge on the coordinate, i.e., by the formula
где l - текущая координата расположения заряда.where l is the current coordinate of the location of the charge.
Из формулы (25) следует, что ток пропорционален скорости движения зерна, поэтому при расчетах необходимо указывать уравнение движения материала. Для практического применения важны два случая, описанных выше формулами (2) и (3), т.е. движения с постоянной скоростью и движения в режиме свободного падения.From formula (25) it follows that the current is proportional to the speed of movement of the grain, therefore, in the calculations it is necessary to indicate the equation of movement of the material. For practical application, two cases are important, described by formulas (2) and (3) above, i.e. constant speed motion and free fall motion.
После подстановки выражений (22) и (23) в формулу (21) и дифференцирования получаем выражение для тока датчика при движении с постоянной скоростью в видеAfter substituting expressions (22) and (23) into formula (21) and differentiating, we obtain the expression for the sensor current when moving at a constant speed in the form
Для расчета тока при свободном падении заряженной частицы справедливо выражениеTo calculate the current with the free fall of a charged particle, the expression
На Фиг.6 приведены типичные кривые зависимости тока датчика от координат частицы, т.е.
Переход к временной зависимости легко получить путем умножения результата на The transition to time dependence is easily obtained by multiplying the result by
(-ν) и заменой l на (l0-νt), т.е. изменением масштаба по оси абсцисс. Из Фиг.6 видно, что при L≥2 максимумы положительного и отрицательного импульсов строго соответствуют пересечению зерном минерала границы детектора l=±L/2. Импульсы имеют одинаковую амплитуду, не зависящую от размеров измерительного электрода датчика. Длительность каждого импульса строго постоянна и также не зависит от размеров измерительного электрода. Увеличение параметра L влияет только на сдвиг во времени между положительным и отрицательным импульсом, причем заданием величины L можно в широких пределах изменять этот сдвиг. При L<2 положение импульсов во времени фиксировано, а уменьшение L влечет за собой ослабление амплитуды.(-ν) and replacing l with (l 0 -νt), i.e. zooming in on the abscissa. From Fig.6 it can be seen that at L≥2, the maxima of the positive and negative pulses strictly correspond to the intersection of the detector grain with the mineral grain l = ± L / 2. The pulses have the same amplitude, independent of the size of the measuring electrode of the sensor. The duration of each pulse is strictly constant and also independent of the size of the measuring electrode. An increase in the parameter L affects only the time shift between the positive and negative momentum, and by setting the value of L, this shift can be varied over a wide range. For L <2, the position of the pulses in time is fixed, and a decrease in L entails a weakening of the amplitude.
На Фиг.7 приведена зависимость эффективности регистрации от чувствительного электрода в относительных единицах, т.е. от отношения
Из графика видно, что эффективность регистрации составляет соответственно:The graph shows that the registration efficiency is respectively:
65,6% при L=ld/r0=1;0;65.6% at L = l d / r 0 = 1; 0;
91,7% при L=ld/r0=2,0;91.7% at L = l d / r 0 = 2.0;
98,2% при L=ld/r0=3,0;98.2% at L = l d / r 0 = 3.0;
99,6% при L=ld/r0=4,0;99.6% at L = l d / r 0 = 4.0;
99,9% при L=ld/r0=5.0.99.9% at L = l d / r 0 = 5.0.
Теоретический анализ позволяет сформулировать основные отличительные признаки заявляемого датчика.Theoretical analysis allows us to formulate the main distinguishing features of the proposed sensor.
Общий вид устройства показан на Фиг.8.A general view of the device is shown in FIG.
Датчик электрического заряда по всем вариантам исполнения состоит из трех основных электродов: чувствительного электрода 1, верхнего заземленного электрода 2, нижнего заземленного электрода 3. Датчик содержит заземленный корпус 4, внутри которого расположен чувствительный электрод, установленный на высококачественном изоляторе 5, например, выполненном из фторопласта. В верхней части заземленного корпуса выполнено входное окно, через которое сепарируемый материал поступает внутрь датчика. Внутри датчика сепарируемый материал движется по траектории свободного падения. В нижней части заземленного корпуса выполнено выходное окно, через которое сепарируемый материал выходит из датчика и далее переходит в зону действия исполнительного механизма, который отсекает алмазы в отдельный приемник концентрата. Основным элементом датчика является чувствительный электрод с внутренним каналом, по которому перемещается сепарируемый материал. Размеры внутреннего канала должны быть достаточны для того, чтобы сепарируемый материал двигался по траектории свободного падения и не задевал внутреннюю поверхность чувствительного электрода.The electric charge sensor in all versions consists of three main electrodes: a
На Фиг.9. показан датчик электрического заряда, выполненный по первому варианту. Дополнительно обозначены: RD - радиус внутренней поверхности цилиндрического канала, hD - высота чувствительного электрода, hЭ - высота заземленного электрода, δ - размер изолирующего зазора.In Fig.9. An electric charge sensor according to a first embodiment is shown. Additionally marked: R D is the radius of the inner surface of the cylindrical channel, h D is the height of the sensitive electrode, h E is the height of the grounded electrode, δ is the size of the insulating gap.
Первый вариант исполнений заключается в том, что внутренняя поверхность чувствительного электрода выполнена в форме цилиндра. Этот вариант датчика предназначен для измерения заряда частиц в режиме подачи по одному зерну. Частицы минерала должны двигаться по оси датчика.The first embodiment is that the inner surface of the sensitive electrode is made in the form of a cylinder. This version of the sensor is designed to measure the charge of particles in the feed mode on one grain. Mineral particles should move along the axis of the sensor.
Размеры внутреннего канала должны быть достаточны для того, чтобы частицы минерала двигались по траектории свободного падения и не задевали внутреннюю поверхность чувствительного электрода. Выполнение данного условия обеспечивается тем, что должно существовать особое соотношение размеров между максимальным отклонением траектории движения частиц минерала внутри датчика в процессе свободного падения и радиусом внутренней поверхности чувствительного электрода. Радиус внутреннего канала чувствительного электрода RD выбран из соотношенияThe dimensions of the inner channel must be sufficient so that the particles of the mineral move along the trajectory of free fall and do not touch the inner surface of the sensitive electrode. The fulfillment of this condition is ensured by the fact that there must be a special size relationship between the maximum deviation of the trajectory of the movement of mineral particles inside the sensor during free fall and the radius of the inner surface of the sensitive electrode. The radius of the internal channel of the sensitive electrode R D is selected from the ratio
где RT - максимальное отклонение траекторий движения материала внутри детектора.where R T is the maximum deviation of the trajectories of the material inside the detector.
Выполнение соотношения (28) обеспечивает отсутствие касания частицами минералов внутренней поверхности чувствительного электрода.The fulfillment of relation (28) ensures that particles of minerals do not touch the inner surface of the sensitive electrode.
Следующее условие непосредственно вытекает из зависимости эффективности регистрации от высоты чувствительного электрода, изображенной на Фиг.7. Из Фиг.7 видно, что при высоте чувствительного электрода, меньшей чем 2 радиуса внутренней поверхности, т.е. при выполнении условия L=ld/r0<2,0, эффективность регистрации менее 90%. При выполнении условия L=ld/r0≥2,0 эффективность регистрации достигает значения 91,7% и продолжает расти с увеличением высоты до значения 99,9% при L=ld/r0=5,0. Дальнейшее увеличение высоты нецелесообразно, так как величина индуцированного заряда на чувствительном электроде равна заряду частицы минерала.The following condition directly follows from the dependence of the registration efficiency on the height of the sensitive electrode shown in Fig.7. From Fig. 7 it is seen that when the height of the sensitive electrode is less than 2 radii of the inner surface, i.e. when the condition L = l d / r 0 <2.0, the registration efficiency is less than 90%. Under the condition L = l d / r 0 ≥2.0, the registration efficiency reaches 91.7% and continues to increase with increasing height to a value of 99.9% at L = l d / r 0 = 5.0. A further increase in height is impractical, since the magnitude of the induced charge on the sensitive electrode is equal to the charge of the mineral particle.
В связи с изложенным второе особое соотношение размеров сформулировано следующим образом: высота чувствительного электрода hD выбрана из соотношенияIn connection with the above, the second special aspect ratio is formulated as follows: the height of the sensitive electrode h D is selected from the relation
Следующий существенный признак заключается в том, что в конструкцию датчика введены два дополнительных заземленных электрода, расположенных выше и ниже чувствительного электрода с изолирующим зазором. Дополнительные электроды имеют внутреннюю поверхность в виде цилиндра, причем радиус цилиндра выбирается равным радиусу внутренней поверхности чувствительного электрода, то есть должен удовлетворять соотношению (28).The next significant feature is that two additional grounded electrodes located above and below the sensitive electrode with an insulating gap are introduced into the sensor design. Additional electrodes have an inner surface in the form of a cylinder, and the radius of the cylinder is chosen equal to the radius of the inner surface of the sensitive electrode, that is, it must satisfy relation (28).
Дополнительные электроды необходимы для того, чтобы структура силовых линий электрического поля при входе и при выходе заряженной частицы минерала в датчик была бы неискаженной и соответствовала бы полю при движении заряженной частицы внутри цилиндра. Это условие выполняется, если высота каждого из дополнительных электродов hЭ выбрана из соотношенияAdditional electrodes are necessary so that the structure of the electric field lines at the entrance and exit of the charged mineral particle into the sensor is undistorted and corresponds to the field when the charged particle moves inside the cylinder. This condition is satisfied if the height of each of the additional electrodes h e selected from the relation
Величина зазора между одним из заземленных электродов и краем чувствительного электрода должна быть такой, чтобы в области зазора структура силовых линий сохранялась без значительных искажений. Это условие выполняется, если дополнительные электроды установлены с изолирующим зазором, величина D3 которого выбрана из соотношенияThe gap between one of the grounded electrodes and the edge of the sensitive electrode should be such that in the gap region the structure of the lines of force is maintained without significant distortion. This condition is satisfied if the additional electrodes are installed with an insulating gap, the value of D 3 which is selected from the relation
Фиг.10. Датчик электрического заряда, выполненный по второму варианту:Figure 10. The electric charge sensor made in the second embodiment:
1 - чувствительный электрод, 2 - верхний заземленный электрод, 3 - нижний заземленный электрод. Дополнительно обозначены: AD - сторона квадрата внутренней поверхности канала, hD - высота чувствительного электрода, hD - высота заземленного электрода, δ - размер изолирующего зазора.1 - sensitive electrode, 2 - upper grounded electrode, 3 - lower grounded electrode. Additionally marked: A D is the side of the square of the inner surface of the channel, h D is the height of the sensitive electrode, h D is the height of the grounded electrode, δ is the size of the insulating gap.
Второй вариант исполнения заключается в том, что внутренние каналы чувствительного электрода и дополнительных электродов имеют в поперечном сечении форму квадрата. Этот вариант датчика, так же как и первый, предназначен для измерения заряда частиц минерала в режиме подачи по одному зерну. Частицы минерала должны двигаться в центре канала.The second embodiment consists in the fact that the internal channels of the sensitive electrode and additional electrodes have a square shape in cross section. This version of the sensor, like the first one, is designed to measure the charge of mineral particles in the feed mode for one grain. Mineral particles should move in the center of the channel.
Основные требования к стороне квадрата аналогичны изложенным выше для первого варианта, то есть должны быть выполнены соотношения размеров, аналогичные формулам (28), (29), (30) и (31). Но в этих формулах необходимо заменить радиус цилиндра на половину стороны квадрата.The basic requirements for the side of the square are similar to those described above for the first option, that is, size ratios similar to formulas (28), (29), (30) and (31) must be satisfied. But in these formulas it is necessary to replace the radius of the cylinder by half the side of the square.
Соотношения размеров для второго варианта принимают вид.The aspect ratio for the second option takes the form.
Сторона квадрата внутреннего канала чувствительного электрода AD выбрана из соотношенияThe side of the square of the inner channel of the sensitive electrode A D is selected from the relation
где RT - максимальное отклонение траекторий движения материала внутри детектора.where R T is the maximum deviation of the trajectories of the material inside the detector.
Высота чувствительного электрода hD выбрана из соотношенияThe height of the sensitive electrode h D is selected from the relation
Дополнительные электроды установлены с изолирующим зазором DЗ, величина которого выбрана из соотношенияAdditional electrodes are installed with an insulating gap D З , the value of which is selected from the ratio
Высота hЭ каждого из дополнительных электродов выбрана из соотношенияThe height h e of each of the additional electrodes is selected from the ratio
Фиг.11. Датчик электрического заряда, выполненный по третьему варианту:11. The electric charge sensor made in the third embodiment:
1 - чувствительный электрод, 2 - верхний заземленный электрод, 3 - нижний заземленный электрод. Дополнительно обозначены: LD - длина прямоугольника поперечного сечения внутренней поверхности канала, BD - ширина прямоугольника поперечного сечения внутренней поверхности канала, hD - высота чувствительного электрода, hЭ - высота заземленного электрода, δ - размер изолирующего зазора.1 - sensitive electrode, 2 - upper grounded electrode, 3 - lower grounded electrode. Additionally marked: L D - the length of the rectangle of the cross section of the inner surface of the channel, B D - the width of the rectangle of the cross section of the inner surface of the channel, h D - the height of the sensitive electrode, h E - the height of the grounded electrode, δ - the size of the insulating gap.
Третий вариант исполнения заключается в том, что внутренние каналы чувствительного электрода и дополнительных электродов имеют в поперечном сечении форму прямоугольника. Этот вариант датчика предназначен для измерения заряда материала в режиме подачи в виде потока.The third embodiment consists in the fact that the internal channels of the sensitive electrode and additional electrodes have a rectangular shape in cross section. This version of the sensor is designed to measure the charge of the material in the feed mode in the form of a stream.
Основные требования к сторонам прямоугольника формулируются следующим образом.The basic requirements for the sides of the rectangle are formulated as follows.
Материал подается в датчик из подающего лотка в виде потока толщиной в одно зерно и шириной, равной ширине подающего лотка. Далее материал свободно падает внутри датчика. В процессе свободного падания происходит рассеяние траекторий на величину RT двух направлениях по длине и ширине датчика. Так же, как и в первых двух вариантах, материал не должен касаться внутренней поверхности электродов. Указанные условия выполняются при условии, что размеры прямоугольного канала внутренней поверхности чувствительного электрода определяются следующими соотношениями.Material is fed into the sensor from the feed tray in the form of a stream with a thickness of one grain and a width equal to the width of the feed tray. Further, the material freely falls inside the sensor. In the process of free fall, the trajectories are scattered by the value of R T in two directions along the length and width of the sensor. As in the first two versions, the material should not touch the inner surface of the electrodes. These conditions are met provided that the dimensions of the rectangular channel of the inner surface of the sensitive electrode are determined by the following relationships.
Длина внутреннего прямоугольного канала LD выбрана из соотношенияThe length of the inner rectangular channel L D is selected from the relation
где L - ширина подающего лотка.where L is the width of the feed tray.
Ширина внутреннего прямоугольного канала чувствительного электрода BD выбрана из соотношенияThe width of the inner rectangular channel of the sensitive electrode B D is selected from the relation
Высота чувствительного электрода определяется соотношением, сходным с формулой (33), но сторона квадрата должна быть заменена шириной прямоугольного канала.The height of the sensitive electrode is determined by a ratio similar to formula (33), but the side of the square should be replaced by the width of the rectangular channel.
Соотношение имеет видThe ratio has the form
где hD - высота чувствительного электрода.where h D is the height of the sensitive electrode.
Дополнительные электроды установлены с изолирующим зазором DЗ, величина которого выбрана из соотношенияAdditional electrodes are installed with an insulating gap D З , the value of which is selected from the ratio
Высота каждого из дополнительных электродов hэ выбрана из соотношенияThe height of each of the additional electrodes h e selected from the ratio
Датчик работает следующим образом:The sensor works as follows:
Заряженная частица минерала в процессе свободного падения пролетает последовательно внутри верхнего заземленного электрода 1 (при этом силовые линии замыкаются на заземленный электрод, не давая вклада в полезный сигнал), затем заряженная частица переходит внутрь чувствительного электрода 1 (при этом на чувствительном электроде индуцируется изменяющийся во времени электрический заряд, вызывающий в цепи чувствительного электрода импульс электрического тока), далее заряженная частица переходит внутрь нижнего заземленного электрода (при этом силовые линии вновь замыкаются на заземленный электрод, не давая вклада в индуцированный заряд, спад заряда на чувствительном электроде вызывает импульс электрического тока противоположного знака).A charged particle of a mineral during a free fall flies sequentially inside the upper grounded electrode 1 (in this case, the lines of force are closed to the grounded electrode without contributing to the useful signal), then the charged particle passes into the sensitive electrode 1 (in this case, a time-varying electrode is induced an electric charge, causing an electric current pulse in the circuit of the sensitive electrode), then the charged particle passes into the lower grounded electrode (pr and this force lines are again closed to a grounded electrode, without making a contribution to the induced charge, the decay of the charge on the sensitive electrode causes an electric current pulse of the opposite sign).
Необходимо отметить, что принципиальное значение для формирования сигналов имеет только внутренняя поверхность чувствительного электрода и дополнительных электродов. Форма внешней поверхности чувствительного электрода и дополнительных электродов не имеет принципиального значения, поэтому электроды могут быть выполнены как в виде тонкостенных конструкций из листового материала, так и в виде массивных блоков, в которых внутренние каналы могут быть выполнены путем обработки резанием.It should be noted that only the inner surface of the sensitive electrode and additional electrodes is of fundamental importance for signal generation. The shape of the outer surface of the sensitive electrode and additional electrodes does not matter, therefore, the electrodes can be made both in the form of thin-walled structures of sheet material, and in the form of massive blocks in which the internal channels can be made by machining.
Изолирующие зазоры могут быть обеспечены путем крепления электродов к высококачественному изолятору, например, выполненному из фторопласта. Вся система электродов должна быть помещена в заземленный корпус, предназначенный для снижения уровня электрических помех. Чувствительный электрод должен быть соединен с входом быстродействующего электрометрического усилителя.Insulating gaps can be achieved by attaching the electrodes to a high-quality insulator, for example made of fluoroplastic. The entire electrode system must be placed in a grounded enclosure designed to reduce electrical noise. The sensitive electrode must be connected to the input of a high-speed electrometric amplifier.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является: во-первых, достижение максимально возможного стабильного значения индуцированного заряда на чувствительном электроде, равного заряду движущейся заряженной частицы минерала, во-вторых, обеспечение стабильной формы сигнала тока датчика, не зависящей от формы заземленного корпуса, внутри которого расположен чувствительный электрод.The technical result of the invention is: firstly, to achieve the highest possible stable value of the induced charge on the sensitive electrode, equal to the charge of a moving charged mineral particle, and secondly, to provide a stable waveform of the current sensor that does not depend on the shape of the grounded enclosure inside which the sensitive electrode.
Claims (3)
RD=(1,1-1,5)RT,
где RT - максимальное отклонение траекторий движения материала внутри детектора от оси,
а высота hD чувствительного электрода выбрана из соотношения
hD=(2,0-5,0)RD,
в датчик введены два дополнительных заземленных электрода цилиндрической формы с радиусом внутренней поверхности, равным радиусу внутренней поверхности чувствительного электрода, причем высота hэ каждого из дополнительных электродов выбрана из соотношения
hэ=(1,0-2,0)RD,
дополнительные электроды установлены соответственно выше и ниже чувствительного электрода с изолирующим зазором D3, величина которого выбрана из соотношения
D3=(0,05-0,1)RD.1. A sensor for non-contact measurement of the electric charge of moving particles of minerals, including a grounded housing, inside which there is a sensitive electrode mounted on a high-quality insulator, an input window is made in the upper part of the grounded housing, an output window is made in the lower part of the grounded housing, characterized in that the inner the surface of the sensitive electrode is made in the form of a cylinder, and the radius R D of the cylinder is selected from the ratio
R D = (1.1-1.5) R T ,
where R T is the maximum deviation of the trajectories of the material inside the detector from the axis,
and the height h D of the sensitive electrode is selected from the relation
h D = (2.0-5.0) R D ,
two additional grounded cylindrical electrodes with a radius of the inner surface equal to the radius of the inner surface of the sensitive electrode are introduced into the sensor, and the height h e of each of the additional electrodes is selected from the relation
h e = (1.0-2.0) R D ,
additional electrodes are installed respectively above and below the sensitive electrode with an insulating gap D 3 , the value of which is selected from the ratio
D 3 = (0.05-0.1) R D.
AD=2(1,1-1,5)RT,
где RT - максимальное отклонение траекторий движения материала внутри детектора от оси,
а высота hD чувствительного электрода выбрана из соотношения
hD=(2,0-5,0)AD/2,
в датчик введены два дополнительных заземленных электрода цилиндрической формы с радиусом внутренней поверхности, равным радиусу внутренней поверхности чувствительного электрода, причем высота каждого из дополнительных электродов hэ выбрана из соотношения
hэ=(1,0-2,0)AD/2,
дополнительные электроды установлены соответственно выше и ниже чувствительного электрода с изолирующим зазором D3, величина которого выбрана из соотношения
D3=(0,05-0,1)AD/2.2. A sensor for non-contact measurement of the electric charge of moving particles of minerals, including a grounded housing, inside which there is a sensitive electrode mounted on a high-quality insulator, an input window is made in the upper part of the grounded housing, an output window is made in the lower part of the grounded housing, characterized in that the inner the surface of the sensitive electrode is made in the form of a channel with a cross-section in the form of a square, and the square side of the inner surface of the sensor electrode A D is selected from the relation
A D = 2 (1.1-1.5) R T ,
where R T is the maximum deviation of the trajectories of the material inside the detector from the axis,
and the height h D of the sensitive electrode is selected from the relation
h D = (2.0-5.0) A D / 2,
two additional grounded cylindrical electrodes with a radius of the inner surface equal to the radius of the inner surface of the sensitive electrode are introduced into the sensor, the height of each of the additional electrodes h e selected from the relation
h e = (1.0-2.0) A D / 2,
additional electrodes are installed respectively above and below the sensitive electrode with an insulating gap D 3 , the value of which is selected from the ratio
D 3 = (0.05-0.1) A D / 2.
LD=L+2(1,1-1,5)RT,
где L - ширина подающего лотка;
RT - максимальное отклонение траекторий движения материала внутри детектора от оси,
а ширина прямоугольника BD выбрана из соотношения
BD=2(1,1-1,5) RT,
высота чувствительного электрода hD выбрана из соотношения
hD=(2,0-5,0) BD/2,
в датчик введены два дополнительных заземленных электрода, внутренняя поверхность которых выполнена в форме канала с поперечным сечением в виде прямоугольника, размеры которого равны размерам внутреннего канала чувствительного электрода, причем высота каждого из дополнительных электродов hэ выбрана из соотношения
hэ=(1,0-2,0)BD/2,
дополнительные электроды установлены соответственно выше и ниже чувствительного электрода с изолирующим зазором, величина D3 которого выбрана из соотношения
D3=(0,05-0,1)BD/2. 3. A sensor for non-contact measurement of the electric charge of moving particles of minerals, including a grounded housing, inside which there is a sensitive electrode mounted on a high-quality insulator, an input window is made in the upper part of the grounded housing, an output window is made in the lower part of the grounded housing, characterized in that the inner the surface of the sensitive electrode is made in the form of a channel with a cross section in the form of a rectangle, the length of the rectangular channel L D is selected from the relation
L D = L + 2 (1.1-1.5) R T ,
where L is the width of the feed tray;
R T is the maximum deviation of the trajectories of the material inside the detector from the axis,
and the width of the rectangle B D is selected from the relation
B D = 2 (1.1-1.5) R T ,
the height of the sensitive electrode h D is selected from the relation
h D = (2.0-5.0) B D / 2,
two additional grounded electrodes are introduced into the sensor, the inner surface of which is made in the form of a channel with a cross-section in the form of a rectangle whose dimensions are equal to the dimensions of the internal channel of the sensitive electrode, and the height of each of the additional electrodes h e is selected from the relation
h e = (1.0-2.0) B D / 2,
additional electrodes are installed respectively above and below the sensitive electrode with an insulating gap, the value of D 3 which is selected from the ratio
D 3 = (0.05-0.1) B D / 2.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009109040/28A RU2393465C1 (en) | 2009-03-11 | 2009-03-11 | Sensor for contactless measurement of electric charge of moving mineral particles (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009109040/28A RU2393465C1 (en) | 2009-03-11 | 2009-03-11 | Sensor for contactless measurement of electric charge of moving mineral particles (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2393465C1 true RU2393465C1 (en) | 2010-06-27 |
Family
ID=42683754
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009109040/28A RU2393465C1 (en) | 2009-03-11 | 2009-03-11 | Sensor for contactless measurement of electric charge of moving mineral particles (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2393465C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2530439C1 (en) * | 2013-03-05 | 2014-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" | Contactless sensor to measure electric charge of mineral moving particles |
| CN105834004A (en) * | 2016-06-11 | 2016-08-10 | 兰州大学 | Separation method and device of nano particles |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2000842C1 (en) * | 1992-01-09 | 1993-10-15 | Товарищество с ограниченной ответственностью "ДиСиДи" | Device for automated control of process of piece-by-piece sorting of mineral raw material |
| WO2000027536A1 (en) * | 1998-11-05 | 2000-05-18 | Hitachi Zosen Corporation | Selector |
| RU2006145548A (en) * | 2006-12-20 | 2008-06-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Фирма АПРОКС" (RU) | METHOD FOR MEASURING COAL DUST EXPENDITURE AND CALORIES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION |
| RU2007116603A (en) * | 2007-05-02 | 2008-11-20 | Научно исследовательский институт прикладной физики ГОУ ВПО Иркутский государственный университет (RU) | METHOD FOR SEPARATION OF DIAMOND-CONTAINING MATERIALS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION |
-
2009
- 2009-03-11 RU RU2009109040/28A patent/RU2393465C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2000842C1 (en) * | 1992-01-09 | 1993-10-15 | Товарищество с ограниченной ответственностью "ДиСиДи" | Device for automated control of process of piece-by-piece sorting of mineral raw material |
| WO2000027536A1 (en) * | 1998-11-05 | 2000-05-18 | Hitachi Zosen Corporation | Selector |
| RU2006145548A (en) * | 2006-12-20 | 2008-06-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Фирма АПРОКС" (RU) | METHOD FOR MEASURING COAL DUST EXPENDITURE AND CALORIES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION |
| RU2007116603A (en) * | 2007-05-02 | 2008-11-20 | Научно исследовательский институт прикладной физики ГОУ ВПО Иркутский государственный университет (RU) | METHOD FOR SEPARATION OF DIAMOND-CONTAINING MATERIALS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2530439C1 (en) * | 2013-03-05 | 2014-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" | Contactless sensor to measure electric charge of mineral moving particles |
| CN105834004A (en) * | 2016-06-11 | 2016-08-10 | 兰州大学 | Separation method and device of nano particles |
| CN105834004B (en) * | 2016-06-11 | 2017-10-10 | 兰州大学 | The separation method and device of a kind of nano particle |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Xu et al. | Sensing characteristics of electrostatic inductive sensor for flow parameters measurement of pneumatically conveyed particles | |
| Peng et al. | Characterization of electrostatic sensors for flow measurement of particulate solids in square-shaped pneumatic conveying pipelines | |
| Gajewski | Electrostatic nonintrusive method for measuring the electric charge, mass flow rate, and velocity of particulates in the two-phase gas–solid pipe flows—its only or as many as 50 years of historical evolution | |
| Cui et al. | Liquid film thickness estimation using electrical capacitance tomography | |
| WO2014033040A1 (en) | Aerosol measuring device and method | |
| Tajdari et al. | New technique to measure particle size using electrostatic sensor | |
| Machida et al. | Process tomography system by electrostatic charge carried by particles | |
| CN103954789B (en) | Ion velocity distribution transient measurement device and method | |
| CN105973770B (en) | A kind of wear particle detection device and method | |
| Murnane et al. | Electrostatic modelling and measurement of airborne particle concentration | |
| RU2393465C1 (en) | Sensor for contactless measurement of electric charge of moving mineral particles (versions) | |
| Li et al. | Spatial filtering characteristics of electrostatic sensor matrix for local velocity measurement of pneumatically conveyed particles | |
| CN108828334B (en) | Flat plate type particle charge quantity measuring device and method utilizing charge neutralization | |
| Wang et al. | DWT-based adaptive decomposition method of electrostatic signal for dilute phase gas-solid two-phase flow measuring | |
| RU2401427C1 (en) | Sensor for contactless measurement of electric charge of moving mineral particles (versions) | |
| US12372389B2 (en) | Flow meter for measuring flow velocity in oil continuous flows | |
| Zhang et al. | A micro-force measurement system based on lorentz force particle analyzer for the cleanliness inspection of metal materials | |
| Armour-Chelu et al. | The electrostatic charging trends and signal frequency analysis of a particulate material during pneumatic conveying | |
| CN100344980C (en) | Round comb type minisize electric field sensor | |
| DE102011056650B4 (en) | Method and arrangement for determining the electrical conductivity of a material | |
| Dastoori et al. | Adhesion measurements for electrostatic powder coatings using drop test rig and virtual oscilloscope | |
| Pusppanathan et al. | Sensitivity mapping for electrical tomography using finite element method | |
| Ullum et al. | Three-dimensional flow and turbulence structure in electrostatic precipitator by stereo PIV | |
| RU2463588C1 (en) | Sensor for contactless measurement of electric charge of moving mineral particles (versions) | |
| Karamifard et al. | Design and simulation of electromagnetic flow meter for circular pipe type |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20130611 |
|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20190329 Effective date: 20190329 |