ДАТЧИК ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА ДВИЖУЩИХСЯ ЧАСТИЦ МИНЕРАЛОВ (ВАРИАНТЫ)
SENSOR FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF ELECTRIC CHARGE OF MOVING MINERAL PARTICLES (VERSIONS)

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, 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.
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 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.
Недостатком известного датчика является то, что он не позволяет производить измерение знака и абсолютной величины электрического заряда движущихся твердых частиц минералов.
Известен способ измерения скорости проводящей пули /Патент РФ 2184978, G01P 3/66, 2002 г./, для осуществления которого применяются два датчика, выполненных в виде плоского электрода с отверстием. Перед измерением проводящей пуле сообщается электрический заряд путем подачи потенциала на оружие. Пуля пролетает внутри отверстия и наводит электрический ток. Известное устройство имеет ряд сходных признаков с заявляемым изобретением, но имеет иное назначение.
Недостатком известного датчика является то, что он не позволяет производить измерение абсолютной величины электрического заряда движущихся твердых частиц минералов.
Известен датчик для бесконтактного измерения электрического заряда движущихся частиц минералов /Патент РФ 2401427, G01N 27/60, 2010 г./.
Принцип работы датчика состоит в измерении электрического тока, создающего на изолированном чувствительном электроде электрический заряд, индуцированный движущимся внутри датчика измеряемым электрическим зарядом. Известные варианты датчика содержат корпус, внутри которого на высококачественном изоляторе установлен чувствительный электрод. Предложенные формы чувствительного электрода характеризуются уменьшением площади контура поперечного сечения, перпендикулярного оси датчика, в направлении предполагаемого движения измеряемого электрического заряда.
Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является датчик для бесконтактного измерения электрического заряда движущихся частиц минералов (варианты) /Патент РФ 2393465, G01N 27/60, В03С 7/00, 2010 г./. Известные варианты датчика содержат корпус, внутри которого на высококачественном изоляторе установлен чувствительный электрод, выполненный в форме трубы прямоугольного или круглого сечения постоянной площади. Электрод помещен в экранирующий корпус.
Недостатки прототипа связаны с невозможностью при амплитудном анализе сигнала датчика получить во всех предложенных вариантах выполнения чувствительного электрода минимально возможную вероятность ошибки в определении знака измеряемого заряда в условиях повышенных статистических нагрузок на тракт измерения. Действительно полученные для указанных датчиков формы сигналов имеют колоколообразную форму входного составляющей сигнала, что приводит к большей амплитуде входной составляющей сигнала по сравнению с трапециевидной формой входной составляющей сигнала. Кроме того, определение оптимальной формы элементов датчика основано на переборе возможных вариантов и не предлагается аналитического метода выбора оптимального варианта для заданного закона движения измеряемого заряда.
Отсутствие разделения по амплитуде входной и выходной составляющих сигнала датчика электрического заряда приводит к ошибке определения знака измеряемого трибоэлектрического заряда минерала при повышенных статистических нагрузках на систему измерения, что в условиях сепарации ограничивает производительность и селективность процесса разделения минералов.
Задачей предлагаемого изобретения является создание: датчика, позволяющего, во-первых, повысить точность определения знака трибоэлектрического заряда минералов разного знака, во-вторых, повысить производительность и селективность сепарации путем снижения вероятностей ложного принятия решения об обнаружении полезного минерала и пропуска полезного минерала при одновременной регистрации сигналов от двух и более противоположно заряженных минералов.
Поставленная задача достигается тем, что в датчике для бесконтактного измерения электрического заряда движущихся частиц минералов, включающем заземленный экранирующий корпус, в котором расположен внутренний канал датчика, в верхней части заземленного корпуса выполнено входное окно и нижний заземленный электрод, в нижней части заземленного корпуса выполнены выходное окно и дополнительный заземленный электрод, внутренний канал датчика имеет постоянное поперечное сечение, поверхность внутреннего канала датчика разделена на чувствительный электрод и заземленный электрод так, что распределение площади чувствительного электрода изменяется от 0 до 1, распределение площади заземленного электрода от 1 до 0 вдоль оси датчика в направлении движения измеряемого заряда по линейной или параболической зависимости, определяемой законом движения измеряемого заряда, причем чувствительный электрод выполнен из проводящего материала в виде зубчатой формы, а заземленный электрод выполнен в виде встречной зубчатой формы, совмещенных по оси с малым изолирующим зазором, относительно друг друга, у которых размер основания зубца не превышает половины минимального размера поперечного сечения внутреннего канала.
Внутренний канал датчика имеет прямоугольное поперечное сечение.
Внутренний канал датчика имеет круглое поперечное сечение.
Датчик для бесконтактного измерения электрического заряда движущихся частиц минералов, включающий заземленный экранирующий корпус, в котором расположен внутренний канал датчика, в верхней части заземленного корпуса выполнено входное окно и нижний заземленный электрод, в нижней части заземленного корпуса выполнены выходное окно и дополнительный заземленный электрод, внутренний канал датчика имеет постоянное поперечное сечение, поверхность внутреннего канала датчика разделена на чувствительный электрод и заземленный электрод так, что вдоль оси датчика в направлении движения измеряемого заряда распределение площади чувствительного электрода изменяется от 1 до 0, распределение площади заземленного электрода от 0 до 1, причем распределение площади соответствует линейной зависимости или параболической зависимости, определяемой законом движения измеряемого заряда, а в нижней части внутреннего канала выполнен сплошной участок высотой (0.5÷3) максимальных размеров поперечного сечения внутреннего канала, причем чувствительный электрод выполнен из проводящего материала в виде зубчатой формы, а заземленный электрод выполнен в виде встречной зубчатой формы, совмещенных по оси с малым изолирующим зазором, относительно друг друга, у которых размер основания зубца не превышает половину минимального размера поперечного сечения внутреннего канала.
Внутренний канал датчика имеет прямоугольное поперечное сечение.
Внутренний канал датчика имеет круглое поперечное сечение.
Новая форма датчика предусматривает то, что поверхность внутреннего канала датчика разделена на чувствительный электрод и заземленный электрод так, что обеспечивается заданная кинетика изменения величины индуцированного заряда на чувствительном электроде в процессе движения измеряемого заряда. Различные варианты датчика имеют общий признак, заключающийся в том, что вдоль оси датчика в направлении движения измеряемого заряда от входного окна до выходного окна распределение площади чувствительного электрода изменяется от 0 до 1, а распределение площади заземленного электрода от 1 до 0. Различные варианты различаются законом, по которому изменяется распределение площади, способом реализации изменения распределения площади и формой поперечного сечения внутреннего канала датчика.
Основным элементом датчика является чувствительный электрод, являющийся основной частью внутреннего канала, 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.
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. Формирование выходного сигнала в представленной системе измерения происходит следующим образом. Измеряемый заряд Q при движении внутри датчика индуцирует заряд на чувствительном электроде. Индуцированный заряд формируется за счет тока I, протекающего через входную цепь электрометрического усилителя и формирующего выходной сигнал системы измерения.
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.
Система уравнений, определяющая форму сигнала датчика в системе измерения, имеет следующий вид:
Использованы следующие обозначения:
q(t) - кинетика изменения величины электрического заряда, индуцированного на чувствительном электроде;
изм
R - измерительное сопротивление;
R
C - емкость измерительного сопротивления;
изм.эл.
С - емкость чувствительного электрода;
k - коэффициент усиления усилителя.
изм
R
При характерном значении постоянной времени RC≤1 мс, вторым слагаемым в правой части выражения (1) для сигналов в полосе частот 0-50 Гц можно пренебречь. Таким образом, выходной сигнал системы измерения заряда связан с кинетикой изменения индуцированного заряда на измерительном электроде следующей зависимостью:
1
2
Сигнал датчика в рассматриваемой системе измерения состоит из двух составляющих: входной U (формируется при входе измеряемого заряда в датчик) и выходной U (формируется при выходе измеряемого заряда из датчика).
Учитывая, что -
0
1
К - коэффициент сбора заряда, t - момент перехода сигнала через 0), разделение по амплитуде входной и выходной составляющих сигнала датчика будет тем лучше, чем ближе временная зависимость входной составляющей U к трапециевидной форме, условно изображенной на фиг.2 пунктиром. При этом кинетика накопления индуцированного заряда q(t) на чувствительном электроде имеет линейный вид. Указанный факт позволяет поставить следующую задачу проектирования датчика - по заданному закону движения измеряемого заряда через внутренний канал датчика найти такое распределение площади чувствительного электрода и заземленного электрода, образующих внутренний канал датчика, чтобы зависимость входной составляющей сигнала была близка к трапециевидной форме.
Рассмотрим датчик, у которого чувствительный электрод и заземленный электрод расположены на поверхности внутреннего канала и разделены узким изолирующим зазором. Предположим, что движение измеряемого заряда происходит вдоль оси х.
Ведем следующие обозначения:
d
d
ds(x)=S(x)dxdy - площадь элемента измерительного электрода датчика заряда, сосредоточенная в полосе [х,х+dx];
e
e
ds=S(x)dxdy - площадь заземленного электрода датчика заряда, сосредоточенная в полосе [х,х+dx];
Пренебрегая изолирующим зазором между чувствительным электродом и заземленным электродом, имеем:
0
0
0
0
σ(х,y,x,y) - поверхностная плотность заряда, индуцированная единичным зарядом в точке поверхности электрода (х, y), при его движении по траектории (х,y).
Индуцированный на измерительном электроде заряд будет определяться интегралом по всей поверхности S внутреннего канала датчика:
Учитывая (1), (2) для зависимости сигнала датчика от времени имеем
d
Для поиска распределения S(x) необходимо решить интегральное уравнение (5)
d
0
0
0
0
относительно функции S(x) при заданной форме выходного сигнала U(t), определенном законе движения измеряемого заряда x(t),y(t) и известном распределении плотности индуцированного заряда σ(х,y,х,y).
Приближенное решение уравнения (5) получено при следующих допущениях:
1. Зависимость плотности индуцированного заряда от координаты определим как
где q равен заряду, индуцированному на электродах датчика, при движении в нем заряда Q:
2. Зависимость входной составляющей сигнала датчика определим как
Тогда, подставляя (6) и (7) в (5), получим:
учитывая свойства подынтегральных функций, преобразуем (9):
Рассмотрим два закона движения измеряемого заряда в датчике.
1. Случай равномерного движения заряда в датчике. При этом зависимость координаты от времени
0
d
где x - координата проекции точки нахождения измеряемого заряда на плоскость внутреннего канала датчика,  - координата начальной точки движения заряда, V - скорость равномерного движения заряда. Подставляя ее в (10) получим дифференциальное уравнение первого порядка относительно функции S(х):
d
Решением дифференциального уравнения (2.24) для начального условия S(0)=0 будет функция:
Считая, что распределение площади чувствительного электрода изменяется от 0 до 1 длина части внутреннего канала датчика на длине h, для распределения площади чувствительного и заземленного электрода получим линейную зависимость вида:
2. Случай движения заряда с ускорением. При этом зависимость координаты от времени имеет вид:
0
d
0
где x - координата проекции точки нахождения измеряемого заряда на плоскость внутреннего канала датчика, - координата начальной точки движения заряда, V - скорость равномерного движения заряда, g - проекция ускорения на ось X. Подставляя уравнение движения в (2.23), получим дифференциальное уравнение для функции S(х):
d
Интегрируя (13), получим при начальном условии S(0)=0:
Считая, что распределение площади чувствительного электрода изменяется от 0 до 1 длина части внутреннего канала датчика на длине h, для распределения площади чувствительного и заземленного электрода получим параболическую зависимость вида:
В частности для начальных координат и скорости, равных 0, выражение примет вид:
При практической реализации полученное распределение площади чувствительного электрода и заземленного электрода достигается использованием отдельно выполненных из проводящего материала чувствительного электрода зубчатой формы и заземленного электрода встречной зубчатой формы, совмещенных по оси с малым изолирующим зазором, относительно друг друга. Эксперимент и численные расчеты показывают, что при размере основания зубца менее, чем расстояние от поверхности внутреннего канала до траектории движения измеряемого заряда, основная доля индуцированного заряда локализуется как минимум на одном зубце чувствительного электрода и одном зубце заземленного электрода, что обеспечивает заданную форму кинетики накопления индуцированного заряда. Таким образом, считая траекторию движения измеряемого заряда равноудаленной от противоположных поверхностей внутреннего канала датчика, необходимо потребовать, чтобы размер основания зубца D не превышает половины минимального размера поперечного сечения внутреннего канала.
Для получения максимальной амплитуды выходной составляющей сигнала и максимального коэффициента сбора заряда k целесообразно в нижней части датчика выполнить сплошной участок чувствительного электрода. Высота этого участка h выбирается так, чтобы обеспечивать локализацию в некоторый момент (когда измеряемый заряд находится над сплошным участком) значительной доли индуцированного заряда на указанном участке чувствительного электрода. Указанное требование выполняется при высоте сплошного участка чувствительного электрода, составляющей (0.5÷3) максимальных размеров поперечного сечения внутреннего канала.
Для измерения электрических зарядов в позерновом режиме подачи минералов целесообразно использовать датчики с круглым поперечным сечением внутреннего канала.
Датчик устроен следующим образом (Фиг.1).
Датчик имеет заземленный корпус 1. В верхней и нижней частях заземленного корпуса выполнены входное окно 2 и выходное окно 3 с дополнительным заземленным электродом 4. Внутри заземленного корпуса 1 на высококачественном изоляторе 5 установлен внутренний канал датчика 6, поверхность которого разделена малым изолирующим зазором 7 на чувствительный электрод 8 и заземленный электрод 9. Чувствительный электрод 8 подключен ко входу электрометрического усилителя 10. Поперечные размеры внутреннего канала 6 датчика, входного окна 2 и выходного окна 3 выбраны так, что обеспечивается свободное перемещение измеряемого заряда Q внутри датчика, исключая возможный контакт с элементами конструкции датчика. Поперечное сечение внутреннего канала может быть прямоугольным, квадратным (Фиг.2, 3) или круглым (Фиг.4, 5).
Предложенная конструкция датчика была проверена расчетным путем и экспериментально. При расчете использовалась разработанная автором программа в среде программирования SCILAB (ОС LINUX). На Фиг.6 приведены рассчитанная кинетика накопления индуцированного заряда и выходной сигнал системы измерения для датчика с круглым внутренним каналом диаметром 2 см и высотой 10 см, у которого длина зубчатой части составляет 7 см, распределение площади чувствительного электрода имеет параболическую зависимость. Предполагалось, что измеряемый заряд движется равноускоренно с уровня 2 см выше верхнего среза внутреннего канала датчика. Рассчитанная зависимость величины индуцированного заряда на чувствительном электроде является практически линейной от времени на интервале 0÷0.08 с (Фиг.6, пунктирная линия), а выходной сигнал на данном интервале времени имеет трапециевидную форму.
Закон изменения распределения площадей чувствительного и измерительного электродов выбирается, исходя из закона движения измеряемого заряда. При измерении в режиме свободного падения применяется параболическая зависимость, при измерении в режиме движения с постоянной скоростью (обычно при горизонтальном движении) применятся линейная зависимость. В некоторых случаях оправдано применение линейной зависимости распределения при измерении в режиме свободного падения, т.к. такая зависимость инвариантна к начальным координате и скорости ускоренного движения измеряемого заряда.
Датчик работает следующим образом.
Измеряемый заряд двигается по траектории свободного падения через внутренний канал датчика. На чувствительном электроде датчика индуцируется электрический заряд противоположного знака. На большей части траектории движения измеряемого заряда внутри датчика, которой соответствует изменение распределения площади элементов чувствительного электрода от 0 до 1, происходит постепенное увеличение индуцированного на чувствительном электроде датчика электрического заряда. При правильном выборе распределения площади чувствительного электрода индуцированный заряд увеличивается во времени практически линейно, что соответствует постоянной величине тока, протекающего через входную цепь электрометрического усилителя и преобразуемого в постоянное выходное напряжение системы измерения. Таким образом, формируется трапециевидная входная составляющая сигнала. При выходе измеряемого заряда из датчика происходит быстрый переход силовых линий электрического поля с чувствительного электрода на поверхность дополнительного заземленного электрода 4 и нижнюю часть заземленного корпуса, приводя к быстрому, по сравнению со входом измеряемого заряда в датчик, изменению величины индуцированного заряда на чувствительном электроде, что обеспечивается импульсом тока значительной амплитуды, протекающим через входную цепь электрометрического усилителя и формирующим выходную составляющую сигнала системы измерения с амплитудой, значительно большей амплитуды входной составляющей сигнала.
Общим для всех вариантов разделения внутреннего канала датчика на чувствительный электрод и заземленный электрод является то, что входная составляющая сигнала имеет большую длительность и малую амплитуду, тогда как выходная составляющая имеет малую длительность и большую амплитуду. Различие импульсов позволяет определить знак заряда и снизить уровень шумов, связанных с движением зерен сопутствующих минералов при подаче материала в поточном режиме.
Как видно из Фиг.7, результаты практических измерений подтверждают технический эффект, а именно сигнал имеет вид двух составляющих разных полярностей, из которых первый имеет большую длительность и малую амплитуду, а второй малую длительность и большую амплитуду.
Техническим результатом предлагаемого изобретения являются: во-первых, создание конструкции датчика, в которой, исходя из требуемой (оптимальной для дальнейшего анализа) формы выходного сигнала датчика, может быть определена геометрия электродов датчика; во-вторых, повышение точности определения знака трибоэлектрического заряда минералов разного знака; в-третьих, повышение производительности и селективности сепарации путем снижения вероятностей ложного принятия решения об обнаружении полезного минерала и пропуска полезного минерала при одновременной регистрации сигналов от двух и более противоположно заряженных минералов.