ДАТЧИК ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА ДВИЖУЩИХСЯ ЧАСТИЦ МИНЕРАЛОВ
CONTACTLESS SENSOR TO MEASURE ELECTRIC CHARGE OF MINERAL MOVING PARTICLES

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.
Известны электроемкостные методы контроля, в 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.
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.
Известен способ сепарации минералов и устройство для его осуществления / патент РФ №2353439, D07C 5/344, от 02.05.2007 /, основанный на бесконтактном измерении электрического заряда частиц минералов, свободно движущихся внутри датчика. В примере конкретного осуществления способа описан 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. Известное устройство имеет то же назначение, что и заявляемое изобретение.
Недостатками известного устройства являются: во-первых, недостаточная стабильность выходного сигнала датчика, связанная с зависимостью индуцированного заряда от геометрических размеров и формы чувствительного электрода, во-вторых, зависимость формы импульсов от формы заземленного корпуса в зонах входного и выходного окна заземленного корпуса.
Известен датчик для бесконтактного измерения электрического заряда движущихся частиц минерала / патент РФ №2393465, G01N 27/60, от 11.03.2009 /. В описании датчика подробно описаны три возможных варианта исполнения, которые отличаются формой чувствительного электрода. Во всех вариантах исполнения чувствительный электрод имеет постоянное поперечное сечение, установлен на изоляторе внутри заземленного электрода. Геометрическая форма заземленного электрода не оговорена. Известный датчик имеет то же назначение, что и заявляемое изобретение.
Недостатками известного датчика являются: во-первых, недостаточная селективность выделения сигнала от алмазов по отношению к сигналам, зарегистрированным от сопутствующих минералов, имеющих знак заряда, противоположный знаку алмазов, во-вторых, снижение селективности при повышении производительности сепарации путем перехода от позернового режима подачи сепарируемого материала к поточному.
Ближайшим аналогом заявляемого устройства является датчик для бесконтактного измерения электрического заряда движущихся частиц минерала / патент РФ 2401427, G01N 27/60, от 12.05.2009 г. /. включающий 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 и установлен дополнительный заземленный электрод, установленный с изолирующим зазором, внутренний канал чувствительного электрода имеет переменное поперечное сечение. Чувствительный электрод имеет переменное поперечное сечение, причем поперечное сечение внутренней поверхности канала вдоль оси датчика имеет три возможных варианта формы. Первый вариант имеет форму поперечного сечения в виде гиперболы. Второй вариант имеет комбинированную форму, в которой верхняя часть выполнена в форме гиперболы, а нижняя часть в виде прямых линий, параллельных оси датчика. Третий вариант описывает форму, в которой поперечное сечение имеет вид ломаной линии, причем в верхней части линия наклонена к оси, а в нижней части линия параллельна оси. Форма заземленного электрода в верхней части датчика в зоне входа заряженных частиц в датчик в прототипе не оговорена.
Недостатками известного датчика являются: во-первых, недостаточная селективность выделения сигнала от алмазов по отношению к сигналам, зарегистрированным от сопутствующих минералов, имеющих знак заряда, противоположный знаку алмазов, во-вторых, снижение селективности при повышении производительности сепарации путем перехода от позернового режима подачи сепарируемого материала к поточному.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение селективности сепарации при регистрации сигналов от частиц минералов разного знака.
Поставленная задача достигается тем, что в датчике для бесконтактного измерения электрического заряда движущихся частиц минералов, включающем чувствительный электрод с внутренним каналом переменного поперечного сечения, высококачественный изолятор и заземленный электрод, верхняя часть заземленного электрода выполнена в форме усеченной пирамиды с наклоном внутренней поверхности боковых граней пирамиды к вертикальной оси датчика, выбранной из интервала 30-55 градусов.
Заявляемый датчик имеет ряд признаков, общих с прототипом.
Датчик включает чувствительный электрод, установленный внутри заземленного электрода на высококачественном изоляторе. Чувствительный электрод имеет внутренний канал, через который свободно движутся частицы минерала, например по траектории свободного падения. Чувствительный электрод имеет переменное поперечное сечение внутреннего канала в плоскости, перпендикулярной к оси датчика. Поперечное сечение, максимальное в верхней части чувствительного электрода, постепенно уменьшается при смещении вниз и имеет минимальное сечение в нижней части электрода.
Существенным отличием заявляемого устройства является изменение геометрической формы верхней части заземленного ээлектрода. Верхняя часть заземленного электрода выполнена в форме усеченной пирамиды с входным окном для материала, выполненным в верхнем основании. Угол наклона внутренней поверхности боковых граней к вертикальной оси датчика имеет значение из интервала 35-55 градусов. Выполнение указанных условий позволяет получить минимальную амплитуда первого импульса при сохранении амплитуды второго импульса.
Если угол наклона боковой грани к вертикальной оси датчика составляет менее 35 градусов, то увеличивается амплитуда первого импульса датчика, при этом максимум первого импульса приближается ко второму импульсу.
Если угол наклона боковой грани к вертикальной оси датчика составляет более 55 градусов, то увеличивается амплитуда первого импульса датчика, при этом максимум первого импульса удаляется от второго импульса.
Выбор оптимальных углов наклона выполнен экспериментальным путем.
Для удобства выбора оптимальных параметров датчики верхняя часть заземленного электрода выполнена в виде съемной крышки. Это исполнение позволяет изменять параметры селективности путем замены съемного элемента.
Смещение импульсов во времени не оказывает существенного влияния на процесс сепарации алмазов, так как обнаружение алмазов производится по амплитуде второго импульса.
Уменьшение амплитуды первого импульса имеет принципиальное значение для повышения селективности, так как часть сопутствующих минералов имеет электрический заряд, противоположный знаку электрического заряда алмазов, поэтому первый импульс от минерала может быть ошибочно воспринят как сигнал от алмаза, что приведет к ложному срабатыванию исполнительного механизма в отсутствии алмаза.
На фигуре 1 показан датчик для бесконтактного измерения электрического заряда в разрезе. Где: 1 - чувствительный электрод, 2 - высококачественный изолятор, 3 - основание заземленного электрода, 4 - верхняя часть заземленного электрода, а - угол между внутренней гранью верхней части заземленного электрода и вертикальной осью датчика.
Д
На фигуре 2 изображен сигнал датчика при значении угла α=45° и обозначены оси t - время, I - ток датчика.
Д
На фигуре 3 изображен сигнал датчика при значении угла α=35° и обозначены оси t - время, I - ток датчика.
Д
На фигуре 4 изображен сигнал датчика при значении угла α=55° и обозначены оси t - время, I - ток датчика.
Чувствительный электрод 1 закреплен на высококачественном изоляторе 2 и установлен внутри основания заземленного электрода 3. Верхняя часть заземленного электрода установлена на основании заземленного электрода.
Устройство работает следующим образом.
При пролете заряженной частицы материала через внутреннюю часть датчика наблюдается два импульса тока разной полярности. Первый импульс генерируется в момент входа заряженной частицы внутрь чувствительного электрода. Второй импульс имеет противоположную полярность и генерируется в момент выхода заряженной частицы материала из чувствительного электрода. Длительность и амплитуда импульсов тока на выходе датчика зависит от скорости перемещения материала и расстояния от заряженной частицы до внутренней поверхности чувствительного электрода и до внутренней поверхности заземленного электрода. Основная задача формирования сигнала датчика, предназначенного для бесконтактного измерения заряда частицы минерала заключается в том, чтобы максимально уменьшить амплитуду первого импульса при сохранении амплитуды второго импульса. В прототипе предлагаемого изобретения уменьшение амплитуды первого импульса достигается путем изменения формы чувствительного электрода, внутренний канал которого выполнен расширенным в верхней части и постепенно сужается в нижней части. Формирование второго импульса происходит в части с минимальным поперечным сечением. Форма заземленного электрода в верхней части датчика не оговорена, но в примерах конкретного исполнения заземленный электрод изображен в виде прямоугольного параллелепипеда, у которого верхняя часть выполнена в виде плоской грани с отверстием для ввода материала.
В процессе выполнения бесконтактного измерения электрического заряда частицы минерала пролетают сквозь внутренний канал чувствительного электрода. На внутренней поверхности чувствительного электрода создается индуцированный электрических заряд, изменяющийся во времени. Изменение заряда во времени вызывает импульсный электрический ток, имеющий форму двух импульсов.
Первый импульс соответствует входу заряженной частицы внутрь датчика, а второй импульс соответствует выходу заряженной частицы из датчика. Эти два импульса имеют противоположные полярности. Обнаружение алмазов производится по амплитуде второго импульса. Первый импульс не участвует в распознавании минерала, но может мешать правильному распознаванию алмаза, поэтому амплитуда первого импульса должна быть минимальной.
Технический эффект заключается в уменьшении числа паразитных срабатываний исполнительного механизма, в результате чего уменьшается доля сопутствующих минералов в концентрате. Это ведет к повышению кондиции концентрата без дополнительных затрат времени и электроэнергии.