книги из ГПНТБ / Мяздриков О.Я. Дифференциальные методы гранулометрии

достигает максимума при 40—50% (рис. 34). С ростом концентрации зерен фосфора в суспензии увеличивается их число в зоне деформации, но вместе с этим уменьша­ ется н прозрачность слоя суспензии в целом.

При механическом возбуждении суспензии ударом наличие металлического электрода / (см. рис. 27) не имеет принципиального значения, но оно желательно, так как часть светового потока, распространяющегося в

ется суммарный световой поток, падающий на ФЭУ. Од­ нако чувствительность к механическому возбуждению падает с увеличением толщины металлического слоя. Характер этой зависимости показан на рис. 35.

При механическом возбуждении наблюдаются уста­ лостные явления. В качестве критерия усталости приня­ та зависимость амплитуды импульса на выходе ФЭУ от времени возбуждения (числа ударов) (рис. 36). Практи­ чески для любой суспензии характерен резкий спад чув­ ствительности в первый период времени, что, по-видимо­ му, связано с механическим разрушением кристаллов фосфора. Изменяющаяся во времени деформация слоя фосфора, возникающая в результате удара, вызывает в нем световую вспышку, которая регистрируется фотоум-

п о

ножптелем. Импульс, снимаемый с нагрузки ФЭУ, мо­ жет иметь двоякую форму. В простейшем варианте это экспонента с крутым фронтом и активной длительностью порядка 2 - Ю - 3 с. Такая форма импульса характерна для люминесцентных конденсаторов с оранжевым спект­ ром излучения. Более общий вариант — наличие двух выбросов на вершине импульса при активной длительно­ сти (4-=-7)-10~5 с. Такую форму импульса наблюдаем у

толщины d металлическо­ го электрода

люминесцентных конденсаторов с сине-зеленым спект­ ром излучения.

Определенный интерес вызывает влияние температу­ ры на чувствительность суспензии фосфора к механиче­ скому возбуждению. Этот интерес обусловлен тем, что в процессе удара в зоне деформаций может иметь место локальный разогрев и, что более существенно, могут иметь место ситуации, когда будет необходим грануло­ метрический анализ при температурах, отличных от нор­ мальных. Учитывая, что практически отсутствует теория механического возбуждения и процессы приблизительно происходят по схеме: механическое воздействие — де­ формация — возникновение зарядов на кристалле фос­ фора — электролюминесценция, при этом возникновение заряда на кристалле фосфора может быть следствием электризации или пьезоэффекта, следует проводить ис­ следования по определению влияния температуры на чувствительность к механическому возбуждению, что бу-

111

дет способствовать формированию представлений о фи­ зике протекающих процессов.

При исследованиях [42] в достаточно широком ин­ тервале температур от —50 до +200° С оценивалось по­ вышение температуры в зоне деформации в зависимости от скорости частицы, ее размера и размера зерен люми­ нофора.

Установлено, что степень нагрева практически ие за­ висит от соотношения размеров и примерно пропорцио­ нальна квадрату скорости частицы.

Исследования были проведены на установке анало­ гичной той, что изображена на рис. 32, с единственным дополнением, которое зак­ лючалось в том, что опти­ ческая связь между участ­ ком фосфора и фотокато­ дом ФЭУ осуществлялась с помощью гибкого световода.

Этим исключалось влияние температур, отличных от нормальных, на ФЭУ.

Сравнительный резуль­ тат но влиянию температур на чувствительность при ме­ ханическом и электричес­ ком (импульсами напряже­ ния) возбуждениях приведе­ на на рис. 37. Из рассмотре­

ния графиков следует, что чувствительность фосфора к ударному и электрическому возбуждениям с темпе­ ратурой меняется по различным законам: чувст­ вительность к электрическому возбуждению сравни­ тельно сильно зависит от температуры, а при ме­ ханическом возбуждении температура практически не влияет на чувствительность. Кривые, приведенные на рис. 37, носят универсальный характер для любого из исследованных фосфоров. С точки зрения практики гра­ нулометрического анализа этот факт является обнаде­ живающим, но с теоретических позиций этот факт еще не ясен.

В заключение укажем, что коэффициент преобразо­ вания механической энергии при соударении в световую крайне низок. По некоторым данным, он ие превышает

ю - 3 % .

112

4. ВАРИАНТЫ СХЕМ ДАТЧИКОВ,

Р Е А Л И З У Ю Щ И Х МЕХАНИЧЕСКОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ [29]

Принцип оптического преобразования как средство повышения чувствительности и снижения уровня помех был реализован в различных вариантах. Одной из пер­ вых была разработана схема, приведенная на рис. 38, с ускорением частиц силами электрического поля, приме­ нительно к анализу полндисперсных систем, которые по

Рис. 38. Схема датчика с ускорением частиц силами элек­

или полупроводникам. Схема предполагает проведение анализа в условиях достаточно глубокого вакуума, ко­ торый исключает потери энергии на аэродинамическое сопротивление и позволяет перейти на более высокие значения напряженности электрического поля.

Анализируемая полидисперсиая система 9 помещает­ ся на электрод 10. После сборки и откачки воздуха из внутреннего объема подается высокое напряжение на электроды 7, 5, 10, образующие двухкамерную систему. Частицы по каналу в электроде 8 постепенно перекачива-

Рассматривая последнюю формулу, можно сделать вывод, что в этом случае мы имеем практически линей­ ную зависимость, что существенно с точки зрения элект­ ронной части последующих элементов схемы анализа. При оценке точности преобразования размера в амплиту­ ду импульсного сигнала следует исходить из предполо­ жения, что основным источником погрешности является разброс значений коэффициентов чувствительности k\ и к. Остальные величины могут быть стабилизированы и вклад их в суммарную погрешность будет незначителен.

Тогда для предельной относительной погрешности в соответствии с формулами (206) и (209) будем иметь

пользование фосфоров с большой постоянной времени дает выигрыш в точности преобразования. Минимальный размер частиц, регистрируемый датчиком указанного типа, как следует, например, из формулы (209), при про­ чих равных условиях обратно пропорционален U2, т. е. определяется тем максимальным значением напряжен­ ности Е электрического поля, которое может быть созда­ но в межэлектродной области d2- Для хорошего вакуума

определяется шумами ФЭУ, равным 10~2 В, получим ми­ нимальный регистрируемый размер по эквивалентному радиусу 8—10 мкм. Для рассмотренной схемы датчика эта величина, по-видимому, является предельной, что оп­ ределяется ударной ионизацией молекул газа в меж­ электродной области. Как показывает опыт, бомбарди­ ровка возникающими ионами поверхности люминофора вызывает его свечение. Это явление становится замет­ ным, начиная со значений напряженности поля 1 0 6 В - м - 1 , и именно оно ограничивает предельное значение напря­ женности электрического поля, а не электрическая проч­

конструкции датчика с электрической дозировкой пода­ чи частиц показан на рис. 39. Анализируемую пробу по­ мещают на электрод 9 при снятой верхней части конст­ рукции датчика вместе с электродом 7. Электрод 9 по­ мещен в корпус 8 из диэлектрика. При подаче на контакт 10 напряжения частицы приходят в автоколебательный режим и через канал 11 постепенно перекачиваются вверх. Скорость перекачки определяется величиной при­ ложенного напряжения и, следовательно, регулируется.

Рис. 39. Схема датчика с ускорением частиц воздушным потоком

К патрубку / подключена воздуходувка, создающая поток в канале 13. Воздух просасывается через слой 6 фильтрующей ткани для очистки от пыли. Одно из пру­ жинящих колец 12 уплотняет ткань, второе — фиксирует положение диска 5, в котором крепится трубка, образу­ ющая канал 13. Ток воздуха на нижнем срезе канала подхватывает частицы, «впрыснутые» через канал 11, и к моменту соударения с люминофором 4 они приобрета­ ют скорость vT. Световой поток, возникающий при соуда­ рении, собирается световодом 3, который вклеен в све­ тонепроницаемый каркас 2. На собственно.слой суспен­ зии люминофора в твердом диэлектрике 4 напылен ме­ таллический слой 4 толщиной 5—10 мкм. Выполняя роль

116

Оценим отличие скорости частицы v4 от скорости по­ тока v„. Пренебрегая силой тяжести, уравнение движе­ ния частицы в канале может быть записано в виде

где Fa— аэродинамическая сила сопротивления при дви­ жении частицы с относительной скоростью v0, очевидно, что

Сила аэродинамического сопротивления Fa в интер­ вале значений скоростей 0,2—240 м - с - 1 (а в этом интер­ вале и лежат, как показывает эксперимент, значения v0) с достаточной точностью аппроксимируется формулой

Скорость частицы может быть определена как произ­ водная по времени от координаты х, совпадающей с осью канала:

Интегрируя это выражение в пределах 0, t\ 0, х, по­ лучим

117

(217)

Семейство характеристик, полученных по этим фор­ мулам для частиц различного радиуса из карбида крем­ ния, показано на рис. 40. Эти характеристики позволяют построить зависимости коэффициента увлечения

Учитывая, что (3^1, источником погрешности при преобразовании размера в амплитуду импульсного сиг­ нала можно считать погрешности определения коэффици­ ентов k и р. Тогда для предельной относительной по­ грешности 6,-пред после очевидных преобразований из вы­ ражения (220) можно получить

Величина 64 составляет 100%. Неточность в значении бр, соглас­ но графикам рис. 41, может быть принята (заведомо завышено) 20— 25%, тогда

Очевидно, что по мере уменьшения размера частицы величина 8Ч уменьшается, так как р->-1. Следовательно, уменьшается и предельная относительная погрешность, стремясь к своему минимальному значению:

118

Рассмотренной схеме присущи такие недостатки, как большие габаритные размеры, определенная вероятность оседания частиц на стенках канала и т.д.

Поэтому дальнейшее конструктивное совершенство­ вание этого принципа привело к схеме (рис. 42), в кото­ рой уменьшение габаритных размеров, повышение точно­ сти и разрешающей способности достигнуто за счет то­ го, что осуществлен переход от лобового удара к сколь-

зящему. Соответствующая конструкция приведена на рис. 42.

Как следует из рисунка, основная особенность схемы заключается в том, что суспензия фосфора в твердом диэлектрике 3 нанесена на стеклянный диск 4, который приводится во вращение электродвигателем 5. Анализи­ руемые частицы подаются по каналу 1, диаметр которо­ го определяется диапазоном размеров анализируемых частиц.

Частицы имеют при вылете из канала скорость по­ рядка долей метра в 1 с. Следовательно, разброс в их скоростях мало влияет на величину относительной ско-

Ш