[发明专利]一种单颗粒滑动摩擦带电的测量装置和方法

说明书

本发明公开了一种单颗粒滑动摩擦带电的测量装置和方法，利用底座、支架、旋钮和托板，布置一个倾斜的滑道；将通式法拉第杯、法拉第杯与静电计相连；滑道引导段，通过通式法拉第杯，测量试样颗粒的初始静电量；滑道有效摩擦段末端下方放置法拉第杯，测量颗粒的最终静电量；利用最终静电量减去初始静电量，就可以准确地计算出试样颗粒与滑道滑动摩擦后产生的静电电荷量。本发明在测量单颗粒摩擦带电时，首次将通式法拉第杯和法拉第杯结合，可同时测量颗粒的初始静电量和最终静电量，有效提高了对摩擦带电量测量的精度，适用于精准分析颗粒物料与壁面摩擦带电的场合。

技术领域

本发明属于颗粒物料摩擦带电领域，具体涉及一种单颗粒滑动摩擦带电量的测量技术。

背景技术

颗粒是一种广泛应用的重要工业原料，包括化工、能源、制药、食品和矿物运输等领域。在颗粒的破碎、筛分、造粒及输送等过程中，固体颗粒与管道或容器的频繁摩擦、碰撞，不可避免的产生大量静电。颗粒静电集聚会形成电场，影响每个带电颗粒，影响了颗粒的运动形态，从而影响产品品质；甚至会引起放电导致电火花、着火或爆炸等危害。例如在气相法流化床聚乙烯的生产过程中，积累的静电会导致聚乙烯颗粒黏壁、熔融，最终形成结片，从而影响床内的流化状态甚至导致停车，影响流化床反应器的长期平稳运转；在制药工业中，静电的一个典型问题就是引起粉体颗粒的不充分流动，由于带电颗粒的流动性变差，导致管道堵塞，对后续的工艺造成很严重的影响；在粮食、制药、化工等产品的储运过程中，进入料仓的颗粒带有大量静电，当料仓内部的颗粒静电保持很高水平时，可能会产生刷形放电，极端情况会引发爆炸。

为了避免颗粒静电积累带来的各种不利影响，对颗粒静电的产生机理的研究迫在眉睫。测量出颗粒摩擦的荷电量，分析颗粒摩擦带电的影响因素，对上述工业领域的颗粒处理过程中静电危害预防的消除具有十分重要的意义。然而，颗粒静电生成机理非常复杂，涉及颗粒与颗粒的接触、碰撞以及颗粒与壁面的摩擦、碰撞等过程。因此，简化颗粒的作用过程，研究单个颗粒与壁面的滑动摩擦产生的静电对于理解颗粒的带电机理显得十分必要。

法拉第杯已被众多研究者们用来直接测量颗粒表面的静电量。传统法拉第杯由两个相互绝缘的同轴容器构成，外筒接地，起到静电屏蔽的作用，内筒是测量筒并与静电测量仪连接。当一个带电颗粒放入内筒中，试样上发出的电力线能够全部进入法拉第内筒。内筒壁面上会感应出电量相等但极性相反的电荷，通过电容储存电荷的功能就能通过静电测量仪对其进行测量。国内外研究人员在测量单颗粒滑动摩擦产生静电量时，通常需要对试样进行清洗、加热或接地等处理，以期消除试样的初始静电量。然后让试样从沿滑道滑落至法拉第杯内，由静电计测得最终静电量，并认为测得的最终静电量即为试样与滑动滑动摩擦产生的静电量。传统测量方法默认经过预处理的试样初始静电量为零。

然而，经过各种预处理后的试样静电量不可能完全为零，且单个颗粒与滑道进行摩擦产生的静电量的量级也很小，与试样颗粒的初始静电量基本在一个量级。这种简单的近似将会带来测量结果的严重偏差，例如：(1)当试样颗粒的初始静电量为2×10^-11C，经过滑动摩擦后的最终静电量为6×10^-11C，真实的摩擦带电量为最终静电量与初始静电量之差为4×10^-11C，而传统方法测量的摩擦静电量为6×10^-11C，较真实值偏大；(2)当试样颗粒的初始静电量为(-2×10^-11)C，经过滑动摩擦后的最终静电量为6×10^-11C，真实的摩擦带电量为最终静电量与初始静电量之差为8×10^-11C，而传统方法测量的摩擦静电量为6×10^-11C，较真实值偏小。

与此同时，颗粒所带静电是分布于颗粒表面的，要想研究颗粒某表面与滑道摩擦所带静电，必须排除其他表面所带静电量的干扰。因为法拉第杯法测量的是颗粒所有表面的静电量代数和，传统以最终静电量作为摩擦带电量的方法无法真实反应出滑动表面经过摩擦所带的摩擦静电。