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

рости соударения, которая в основном определяется ско­ ростью вращения диска 4. Световой поток вспышки фос­ фора от удара частицы собирается и направляется све­ товодом 2 на фотокатод ФЭУ и далее задача анализа сводится к амплитудному анализу амплитуды импуль­ сов напряжения, снимаемых с сопротивления нагрузки.

Принцип соударения частицы с вращающимся слоем суспензии фосфора не только уменьшает разброс скоро-

Рис. 42. Схема датчика с вращающимся люминофором

стей частиц к моменту соударения, т. е. положительно влияет на точность преобразования, но позволяет увели­ чить разрешение импульсного метода с оптической раз­ вязкой. Действительно, активная длительность импуль­ сов, снимаемых с сопротивления нагрузки, а импульс фактически повторяет закон изменения светового потока при соударении, заключена в пределах до 50—100 мке при времени нарастания фронта 5—10 мкс. Поэтому представляется целесообразным выделить фронт, им­ пульса, ограничив длительность регистрируемой ФЭУ части светового потока. Эта задача решена в рассматри­ ваемой конструкции, так как участок суспензии, высве­ чивающийся в процессе соударения, выводится за счет вращения диска из поля зрения световода. Ниже приве­ дены результаты экспериментальных исследований, це­ лью которых было сопоставление экспериментальных и расчетных значений сокращения длительности импульса при различных числах оборотов.

120

Эксперимент проводился при радиусе смещения цент­ ра световода и канала шприца по отношению осп враще­ ния в 100 мм при диаметре световода d=2,5 мм. Актив­ ная длительность импульсов для фосфора составом: ZnS, Си, MnS, NH4CI равнялась Ю - 4 с на уровне 0,1. Установлено, что в осуществленной конструкции не име­ ет места увеличение частиц воздушным потоком, создан­ ным вращающимся диском.

Например, понижение давления во внутреннем герме­

спектра.

Чтобы избежать нежелательного выброса зарегистри­ рованных частиц в помещение, в котором проводится анализ, на крышке 7 помещают фильтр 6.

При использовании любой из схем датчика необходи­ мо учитывать, что деформация при соударении имеет место в основном только в пределах поверхности контак­ та соударяемых тел. Следовательно, если удар будет приходиться на область слоя суспензии, занятую связую­ щим диэлектриком, то явление вспышки фосфора исклю­ чается. Принимая, что соударение равновероятно в лю­ бой точке поверхности слоя суспензии, можно допустить, что вероятность потери информации будет равна отно­ шению площади, занятой связующим диэлектриком, к площади слоя в целом. Как показывает опыт, целесооб­

С— концентрация кристаллов люминофора в сус­ пензии, %.

Таким образом, ордината гистограммы каждого из каналов должна быть умножена на некоторое постоян­ ное число 100/С. К этой операции сводится введение по­ правки.

5. МЕТОД МИКРОИСКРЫ

Оригинальным является метод с предварительным оптическим преобразованием не кинетической энергии, а энергии электрического поля частицы в световую

121

вспышку1 . Известный факт о том, что изменение знака макрозаряда может иметь место и до момента его кон­ такта с электродом был исследован для различных зна­ чений напряжений на электродах, различных размеров частиц и т.д. Эксперименты сводились к регистрации

d.v/du 0,2 г

Принципиальная схема соответствующей установки приведена на рис. 43. При подаче напряжения частица 4 входит в автоколебательный режим, и каждый акт изме­ нения знака заряда при подлете к полупрозрачному электроду 2, сопровождающийся световой вспышкой от микроискры, регистрируется ФЭУ. Импульсы с выхода ФЭУ имеют экспоненциальный характер с временем на­ растания порядка Ю - 7 с. Анализ амплитуд импульсов от одной и той же частицы приводит к дифференциальному распределению в довольно широком интервале значений напряжений дискриминации. Нормированное распределе­ ние приведено на рис. 44. Распределение не симметрич­ но относительно наиболее вероятного значения ампли­ туды, но существенно, что наиболее вероятное значение амплитуды импульса пропорционально приложенной к электродам 3 и 5 разности потенциалов. Установлено, что характер излучения зависит от химической природы

122

пленки и ее толщины. По-видимому, оптимальным вари­ антом служит полупроводниковое покрытие типа SnCv Поэтому необходимо определение разрешающей спо­ собности, которая оценивается значением порядка 100%. Это нельзя признать, как удовлетворительный результат. Однако если учесть, что амплитуда световой вспышки пропорциональна энергии искрового разряда, а полуэм­ пирическая зависимость последней от радиуса г частицы

имеет вид:

Последнее выражение показывает, что разрешающая способность по размерам частиц будет значительно вы­ ше 100%.

Разброс интенсивности искрового разряда зависит и от газовой среды; для водорода он наименьший. Этот путь является одним из путей повышения разрешения. Метод микрометра реализован в конструкции, схематически изображенной на рис. 45. Как следует из рисунка, систе­ ма инжекции является трехэлектродной. На эти элект­ роды от высоковольтного делителя подается последова­ тельно уменьшающаяся разность потенциалов U2>U3>

Величины этих разностей потенциалов подбираются экспериментально так, чтобы обеспечить максимальную дезагрегацию анализируемых частиц и попадание всех частиц, прошедших сетку 5, на регистрирующий элект­ род 6. Сетка электрода 3 регулирует скорость поступле­

движения, что способствует процессу дезагрегации. Час­

направлении. Таким образом, в повторном анализе они не принимают участия. Такая система инжекции удов­

гл. I I , эта система инжекции дает отрицательный резуль-

123

тат: напряженности электрического поля еще не доста­ точны, а в данной конструкции инжектора они не могут быть увеличены, так как ограничены электрической проч­ ностью в межэлектродных областях. Основным элемен­ том в устройстве (рис. 45) является регистрирующий электрод 6, который выполняется из стекла или полиметилметакрилата в форме полусферы или закругленного

ной анализируемой партии. Но это несущественно, если принять, что эффективность регистрации практически не зависит от размера регистрируемой частицы.

Рассмотренное устройство обеспечивает преобразо­ вание вида энергии поля частицы — амплитуда импуль­ са. Но для того чтобы перейти к распределению по раз­ мерам, необходимо знать зависимость энергии от разме­ ра. В этом случае нельзя ориентироваться на выражение (225), так как разряд частицы на кромке соответствует значительно большим напряженностям электрического поля, по сравнению с напряженностями для плоскопа­ раллельных электродов. Экспериментальное определе­ ние этой зависимости достаточно сложно ввиду того, что

124

монодисперсные порошки практически отсутствуют. Од­ нако ряд данных по сопоставлению результатов микро­ скопического анализа и анализа амплитудных распреде­ лений показывает, что эта зависимость близка к квад­ ратной, т. е.

На рис. 46 приведены результаты анализа карбони­ льного никеля, частицы которого близки к сферической форме.

Дадим общую .оценку метода микроискры. Прежде всего следует отметить, что, как показали соответствую-

= 3 _

щне исследования, принцип оптической развязки дейст­ вительно позволил значительно повысить чувствитель­ ность анализа. Что касается разрешающей способности, то ограничивающим фактором является разброс чувстви­ тельности при механическом возбуждении фосфора, обус­ ловленный неоднородностью структуры самой суспензии. Возможны различные варианты, реализации метода, из которых, по-видимому наиболее интересен вариант с вращающимсялюминофором. Этот вариант не создает принципиальных трудностей в обеспечении порогового значения регистрируемых размеров, величина которых составляет доли микрометра. Этот метод представляет интерес, несмотря на то, что существенным недостатком является выдача информации по цепочке: заряд — энер­ гия —интенсивность световой вспышки •— амплитуда им­ пульса на выходе ФЭУ. Интенсивность световой вспышки

125

является наиболее узким участком, так как энергия по­ ля собственно частицы может изменяться по различным причинам, что еще существеннее, параметры вспышки при микроискре зависят от ряда факторов, трудно под­ дающихся учету. Что касается чувствительности, то тео­ ретически она ограничивается критическим значением напряженности электрического поля для твердых тел и должна быть оценена значением порядка нескольких микрометров. Все это позволяет утверждать, что если кондуктометрический метод является оптимальным для случая, когда для анализируемой системы характерно образование суспензий в электролитах, то и метод с оп­ тической развязкой следует рассматривать как наиболее прогрессивный для случаев, когда для полидиепереной системы характерно сухое состояние. Кроме того, оптиче­ ское преобразование с помощью механического возбуж­ дения суспензии фосфора реализуется для температур­ ных условий, отличных от нормальной, и это нельзя не учитывать для целого ряда производств.

1. ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АМПЛИТУД ИМПУЛЬСОВ

Нелинейная функциональная зависимость размера час­ тицы и амплитуды импульса для любого из рассмотрен­ ных принципов преобразования существенно усложняют задачу анализа амплитуд, т.е. завершающую стадию анализа дисперсности. Неоднократно отмечалось, что диапазон размеров частиц в полидисперсной системе обычно составляет 10—102 и .более, а это приводит к то­ му, что диапазон сигналов на выходе датчика может до­ стигать значений 103—107. Следовательно, обеспечить требуемую разрешающую способность по размерам — задача действительно сложная, особенно при учете дина­ мических диапазонов амплитудных анализаторов. В свя­ зи с этим возникает необходимость согласования дииа-

126

мических диапазонов анализируемых импульсных сигна­ лов, и диапазонов анализаторов амплитуд импульсов.

Очевидно, функциональное преобразование сигналов, снимаемых с датчика, по закону, обратному закону за­ висимости амплитуды импульса и размера частицы, раз­ решит задачу согласования их диапазона. Это преобра­ зование должно осуществляться одновременно с усиле­ нием. Аналогичные задачи встречаются во многих облас-

Напрятенив смещения

Рис. 47. Блок-схема электроннолучевого функционального преобразователя

тях техники и все они сводятся к выбору метода подбора соответствующей аппроксимирующей функции. При этом различают аппроксимацию в интервале функции, близ­ кой к расчетной; кусочно-линейную аппроксимацию, ку­ сочно-нелинейную аппроксимацию.

К группе устройств, основанных на первом виде ап­ проксимации, могут быть отнесены электроннолучевые функциональные преобразователи [22].

Блок-схема такого устройства приведена на рис. 47. Оно представляет собой систему замкнутого типа с от­ рицательной обратной связью. Устройство работает на принципе следящей системы. При изменении входного напряжения (напряжение отклонения по горизонтали) световое пятно смещается по экрану в направлении оси х. Но в результате действия цепи обратной связи удер­ живается несколько ниже края специально изготовлен­ ной функциональной маски. Контур обратной связи со-

127

стоит из электронно-лучевой трубки, фотоумножителя и УПТ вертикального отклонения. В результате выходное напряжение (напряжение отклонения по вертикали) из­ меняется как функция аргумента х.

В электроннолучевом функциональном преобразова­ теле разомкнутого типа горизонтальное отклонение луча также осуществляется входным напряжением, но одно­ временно под действием линейной пилообразной разверт­ ки выполняется сканирование лучом по вертикали. При этом луч пересекает границу между прозрачной и не­ прозрачной частями функциональной маски с частотой до 50 кГц. В результате каждому значению входного на­ пряжения соответствует ток ФЭУ, представляющий со­

последовательность широтиомодулнроваииых прямо­ угольных импульсов поступает на фильтр для выделения напряжения заданной функциональной зависимости.

Схема сканирующего типа менее критична к неста­ бильности характеристик экрана и ФЭУ, изменениям раз­ мера пятна и чувствительности усилителя вертикального отклонения, по имеет более узкую полосу пропускания, составляющую примерно 1 кГц, в то время как в преды­ дущей схеме полоса достигла 100 кГц.

Электроннолучевые функциональные преобразовате­ ли допускают удобную и быструю смену воспроизводи­ мой зависимости при наличии запасных функциональных масок. Как недостаток таких преобразователей, следует отметить ограниченный диапазон функциональной зави­ симости, который может быть получен при использова­ нии отдельного функционального преобразователя.

Вторым вариантом данной группы устройств является лампа с формирующими электродами внутри электрова­ куумного устройства [55]. Схема расположения электро­ дов подобного устройства приведена на рис. 48. Ленточ­ ный луч, формируемый электронным прожектором 1, на своем пути между отклоняющими электродами 2 коллек­ тором 4 проходит через отверстия в формирующем элект­ роде (маске) 3. При отклонении луча ток, приходящий на коллектор 4, изменяется по закону, определяемому формой отверстий в маске.

В сравнении с электроннолучевыми функциональны­ ми преобразователями лампы с формирующими электро­ дами обладает более широкой полосой пропускания —

128

до 100 МГц и более, и обеспечивают широкий динамиче­ ский диапазон. Однако в этом случае нельзя оперативно менять вид функциональной зависимости или осущест­ влять подстройку. Изготовление таких ламп требует спе­ циального производства, обеспечивающего высокую ме­ ханическую точность монтажа при большой конструкци-

Рис. 48. Схема лампы с формирующими электродами:

типовых деталей.

К этой группе устройств можно также отнести устрой­ ства с функциональными характеристиками, основанны­ ми на использовании свойств вторичной электронной эмиссии менять свое значение при изменении угла паде­ ния первичных электронов [54], с характеристиками об­ ращенных ламп [34], устройства, использующие много­ кратное управление в многосеточиых лампах, а также специальные режимы питания [4]. Однако использование этих принципов в функциональных преобразователях приводит к невысоким точностям воспроизведения функ­ циональных зависимостей с ограниченными динамичес­ кими диапазонами.

Ко второй группе следует отнести кусочно-линейные диодные функциональные преобразователи [22, 35]. По­ лучение функциональных характеристик с помощью ку­ сочно-линейной аппроксимации основано на том, что не­ прерывная функция заменяется участками ломаной линии.

Один из вариантов принципальной электрической схе­ мы преобразователя с низкоомной пороговой цепочкой