Электростатическая безопасность пожаро - и взрывоопасных производств (стр. 2 )

Принципиальная схема прибора приведена на рисунке 4.2. Схема включает в себя дифференциальный усилитель, собранный на транзисторах V1 и V2 со стоковой нагрузкой R1 и R4 соответственно, измерительный прибор Р, включенный между стоками указанных транзисторов, генератор тока ГТ, собранный по классической схеме [53], делитель напряжения из резисторов R5 и R6.

1- объект; 2- корпус датчика; 3 - чувствительный элемент

Рисунок 4.2 – Принципиальная схема прибора ИЭП-1

Прибор работает следующим образом. При подаче измеряемого потенциала на затвор транзистора V1 происходит разбаланс дифференциального усилителя. Усиленный сигнал разбаланса регистрируется измерительным прибором Р. Угол отклонения стрелки измерительного прибора пропорционален измеряемому потенциалу. Для поддержания заданного уровня рабочих токов дифференциального усилителя устройство снабжено генератором тока ГТ, который поддерживает заданные токи стоков Iс1, Iс2 транзисторов V1 и V2 на линейном участке характеристик при изменении напряжения источника питания в процессе эксплуатации.

Для того чтобы показания измерительного прибора Р линейно зависели от измеряемого потенциала обеих полярностей, в устройство дополнительно введён делитель напряжения на резисторах R5 и R6. Изменяя потенциал UЗИ (затвор-исток) на транзисторе V2 с помощью указанного делителя напряжения, рабочие точки транзисторов V1 и V2 выводят на линейные участки выходных характеристик Iс = f (UЗИ), где Iс – ток стока.

На рисунке 4.3 приведена выходная характеристика Iс = f (UЗИ) транзистора КП 305П, используемого в приборе.

Выходная характеристика прибора соответствует выражению:

(4.1)

где С21 = 0,2 пФ; С13 = 0,2 пФ; С23 = 20 пФ; d1=0,25 мм; d2=8 мм;
l=100 мм; С33 и С22 - собственные емкости чувствительного элемента и корпуса датчика соответственно; j1 и j3 - потенциалы измеряемого объекта и затвора транзистора V1 соответственно.

Рисунок 4.3 – Выходная характеристика транзистора КП 305П

Подключение делителя напряжения к генератору тока ГТ позволяет исключить влияние изменения напряжения источника питания при эксплуатации на ток делителя R5, R6 и тем самым дополнительно повысить стабильность работы схемы устройства. Использование в схеме дифференциального усилителя на МDП-транзисторах, снабжённого генератором тока для поддержания стабильного тока через балансный каскад усилителя и делителем напряжения на резисторах для линеаризации выходной характеристики, позволяет повысить точность измерений по сравнению с аналогами [52, 53]. Наличие дифференциального усилителя на одинаковых транзисторах позволяет уменьшить дрейф нуля, снизить потребляемую мощность, что очень существенно для переносных приборов, обеспечить искробезопасное исполнение измерительного преобразователя и всего прибора в целом.

На прибор ИЭП-1 разработан полный комплект технической документации, сертифицированная партия приборов успешно эксплуатируется на ряде взрывопожаропасных предприятий. Прибор демонстрировался на выставке «Охрана труда – 90» и отмечен дипломом ВДНХ.

4.3 Индикаторы электростатических полей

Для исследования электростатических полей кроме приборов, обладающих достаточно точными характеристиками, разработаны и используются простые по конструкции датчики-индикаторы, по показаниям которых можно принять оперативные решения.

Отличительной особенностью датчиков-индикаторов, разработанных в МИХМе (г. Москва) [54], является то, что оценка воспламеняющей способности разрядов статического электричества производится по непосредственному воспламенению горючей смеси с известной характеристикой чувствительности к электростатическому разряду. Такой характеристикой является минимальная энергия воспламенения горючей среды или воспламеняющий заряд в разряде. Так как чувствительность горючих сред, в качестве которых используются газовоздушные смеси, изменяется в широких пределах, то всегда можно выявить максимальную воспламеняющую способность разрядов в технологическом процессе, а затем сделать вывод о пожаро - и взрывоопасности всего процесса на основании известных свойств перерабатываемого материала.

Принцип действия устройств для индикации электростатических разрядов или датчиков-индикаторов заключается в следующем. При формировании импульсного разряда на внешний электрод датчика легко пробивается межэлектродный промежуток в камере датчика, образованной иглой и проводящей плоскостью, которая заземлена через корпус датчика. Если воспламеняющая способность электростатического разряда достаточна для зажигания горючей смеси, происходит срабатывание сигнального устройства или устройства автоматического регулирования процесса. Герметизация внутренней полости датчика позволяет длительное время сохранять горючую смесь заданной концентрации, а прочный корпус обеспечивает взрывобезопасное исполнение и полностью исключает возможность воспламенения перерабатываемого продукта в случае взрыва смеси в камере датчика-индикатора. Выбор индикационных газовых горючих смесей обусловлен их довольно стабильными характеристиками чувствительности к разрядам при неизменной концентрации, а также возможностью «моделирования» минимальных энергий воспламенения многих веществ одной горючей смесью за счёт изменения концентрации горючего в смеси. Например, при изменении содержания водорода в воздухе от 20 до 63 % энергия воспламенения меняется от 0,013 до 0,900 мДж.

Датчик-индикатор (рисунок 4.4) работает следующим образом. Если в аппарате, в котором установлен датчик, происходит искровой разряд с поверхности или облака заряженного материала (в сушильной камере, бункере и т. п.) на шаровый изолированный от корпуса электрод 1, то одновременно в зазоре между электродами 2 и 3, установленными в полости, заполненной горючей газовой смесью с известной энергией зажигания, происходит искровой разряд. Если его энергия равна или превышает энергию зажигания горючей смеси, происходит ее воспламенение. Пламя плавит капроновую нить 4, контакты 5 замыкаются на корпус и включают сигнальную лампу 8, питаемую от элемента 7.

Рисунок 4.4 – Датчик-индикатор воспламеняющих искровых разрядов
с газовой индикационной смесью

Несмотря на надёжность полученных экспериментальных данных, техническое обслуживание датчика представляет определённую сложность: снаряжение горючей смесью, закрепление капроновой нити на контакты, обеспечение герметичности и индикации. Поэтому применение датчика ограничилось научно-исследовательскими работами.

Наиболее простым по конструкции и обслуживанию является малогабаритный индикатор электростатических потенциалов
МИЭП-1М, разработанный НПО «Алтай» совместно с Томским политехническим институтом. Индикатор представляет собой портативную конструкцию, не требует источников питания и относится к показывающим приборам, предназначенным для визуального отсчёта показаний.

Индикатор МИЭП-1М представляет собой цилиндрическую конструкцию из диэлектрика, внутри которой размещена электрометрическая измерительная система. Индикатор размещен на измерительной штанге (рисунок 4.5). Благодаря подвижному сочленению «штанга - индикатор» прибором можно пользоваться в труднодоступных местах, повернув и зафиксировав индикатор в удобном для работы положении. На корпусе индикатора расположена ручка регулируемого устройства для установки начального положения визирной нити электроскопа.

1 - датчик; 2 - окуляр; 3 - ручка; 4 - штанга

Рисунок 4.5 – Малогабаритный индикатор электростатических
потенциалов МИЭП-1М (общий вид)

Электрометрическая измерительная система МИЭП-1М представляет собой металлический цилиндрический корпус, в котором находятся отсчётный микроскоп, электроскоп, запоминающий элемент, измерительная головка и устройство, с помощью которого устанавливается начальное положение визирной нити электроскопа.

Функциональная схема индикатора показана на рисунке 4.6. При внесении индикатора головной частью в электростатическое поле заряженной поверхности 1, на острие электроскопа 3 измерительной головки 2 индуцируется заряд, знак которого противоположен знаку заряда на исследуемой поверхности. Срабатывание запоминающего элемента 7 обеспечивает сохранение этого заряда на электроскопе 3 в течение продолжительного времени после удаления индикатора из исследуемого поля. Отклонение кварцевой нити 5 электроскопа, наблюдаемое в отсчётный микроскоп 6, пропорционально потенциалу на измеряемом объекте 1.

Наличие регулируемого устройства 8 делает измерительную систему индикатора знакочувствительной. Знакочувствительность индикатора заключается в том, что отклонение нити электроскопа, наблюдаемое в отсчётный микроскоп, определяется знаком зарядов на исследуемой поверхности. Если поверхность заряжена положительно, нить электроскопа при отсчёте показаний после запоминания отклонится вправо, в противном случае – влево.

Рисунок 4.6 – Функциональная схема индикатора МИЭП-1М

Основным элементом устройства 8 является электрет [55] (поляризованный диэлектрик), положение которого относительно нити электроскопа можно изменять вращением ручки «Уст. 0». Изменение силы электростатического воздействия электрета на нить электроскопа приводит к её перемещению по шкале отсчёта микроскопа, и она может быть установлена на любом делении шкалы. В этом случае угол отклонения визирной линии α (дел.) определяется выражением:

(4.2)

где U1, U2 – потенциал наэлектризованного объекта и электрета, В;

k1, k2 – коэффициенты упругости нити.

Коэффициент передачи:

. (4.3)

На рисунке 4.7 приведены экспериментальные зависимости угла отклонения визирной линии α (деления) от потенциала наэлектризованной поверхности U1 (В) и вспомогательного потенциала электроскопа U2 (В). На зависимости α = f (U1) выделен линейный участок АВ, который и является рабочей характеристикой индикатора.

Рисунок 4.7 – Зависимость угла отклонения визирной линии α (дел)
от потенциала объекта U1 (В) и вспомогательного потенциала
электрета U2 (В)

Искробезопасность малогабаритных индикаторов МИЭП обеспечивается размещением всех металлических элементов в диэлектрическом корпусе и отсутствием источников питания. Максимально возможная энергия, которую получает измерительная система в процессе измерения электростатических полей, составляет 1,2∙10-8 Дж, что на два порядка ниже энергии воспламенения водородной смеси
(1,4∙10-6 Дж). Дополнительно искрозащита обеспечивается заземлением всех металлических элементов конструкции. Действенность мер по обеспечению искробезопасности и взрывозащиты МИЭП-1М подтверждена результатами испытаний индикаторов и согласованием технической документации в Восточном НИИ (г. Кемерово) с присвоением степени искро - и взрывозащиты О4Т5–И (ГОСТ 22.782.5-78), что значит: «конструкция взрывобезопасна» при любых повреждениях.

Очевидные преимущества малогабаритных датчиков-индикато-ров статического электричества по сравнению с другими приборами: простота конструкции, оперативность обслуживания, низкая стоимость, возможность использования в производственных условиях на каждом рабочем месте, где возможно образование зарядов статического электричества. Таким требованиям удовлетворяет разрядник электростатический РЭС-1, разработанный в НПО «Алтай» (г. Бийск) и используемый до настоящего времени в ряде производств. Он применяется для индикации электростатического поля, а также используется для снятия электростатических зарядов как с наэлектризованного человека, так и с любого объекта в пожаровзрывоопасных производствах.

На рисунке 4.8 представлена конструктивная схема разрядника РЭС-1, а на рисунке 4.9 его электрическая схема.

Рисунок 4.8 – Конструктивная схема разрядника РЭС-1

Рисунок 4.9 – Эквивалентная электрическая схема разрядника РЭС-1

Разрядник (см. рисунок 4.8) содержит заполненный диэлектрической жидкостью прозрачный корпус 1, металлическую рабочую часть 2, верхнюю 4 и нижнюю 7 обкладки конденсатора с вогнутыми поверхностями, токопроводящую сферическую частицу 8. Для повышения чувствительности порога срабатывания разрядника частица 8 выполнена в виде пустотелой сферы, плотность которой равна плотности диэлектрической жидкости, заполняющей зазор между обкладками конденсатора. Для герметизации между обкладками конденсатора и корпусом установлены прокладки 5. Верхняя обкладка 4 поджимается эбонитовой гайкой 3, а нижняя обкладка поджимается клеммой заземления 6. Рабочая часть 2 крепится к верхней обкладке 4 резьбовым соединением и может быть выполнена конструктивно в виде пробоотборника, совка или другой конструкции в зависимости от технологического процесса. На рисунке 4.8 рабочая часть 2 выполнена в виде выпуклой сферы для отвода зарядов статического электричества с человека.

Разрядник-индикатор работает следующим образом. При приближении (касании) рабочей части 4 к наэлектризованной поверхности 3 (см. рисунок 4.9), рабочая часть, соединённая с верхней обкладкой 2 конденсатора, заряжается до потенциала наэлектризованной области 3. Под воздействием электростатического поля в межэлектродном пространстве конденсатора СР частица 5 совершает колебательное движение, периодически касаясь обкладок конденсатора. При этом частица переносит на заземлённую нижнюю обкладку 6 определённое количество зарядов. Если на рабочей части нет притока новых зарядов, то процесс колебания частицы будет затухающим до выравнивания потенциалов на обкладках конденсатора. Так как заземлённая обкладка имеет нулевой потенциал, то и обкладка 2, соединённая с рабочей частью, разряжается до нулевого потенциала, то есть до полного стекания зарядов с рабочей части. Конец процесса стекания зарядов фиксируется визуально через прозрачный корпус по прекращению колебания частицы.

Электростатическая энергия, переносимая частицей на землю, Wч равна произведению ёмкости частицы и квадрата потенциала на частице после перераспределения зарядов с верхней обкладки на частицу:

(4.4)

где Сч, Uч – электрическая ёмкость частицы и потенциал частицы соответственно.

Электростатическая энергия, переносимая частицей на землю, определяется по экспоненциальному закону:

(4.5)

где С0 - ёмкость объекта, Ф;

U0 – потенциал объекта, В;

Сч – ёмкость частицы, Ф;

Ср – ёмкость конденсатора устройства, Ф;

R – электрическое сопротивление разрядной цепи, Ом;

t - время между единичными порциями электростатической энергии, переносимой частицей на землю, с;

Ui – потенциал, переносимый наэлектризованной частицей, В.

Время переноса электростатической энергии на землю частицей в разряднике намного больше времени развития электростатического разряда с заряженной поверхности объекта на рабочую часть разрядника, поэтому искробезопасность разрядника оценивается по начальной энергии заряженного объекта. Тогда условие обеспечения искробезопасности разрядника будет определяться выражением:

(4.6)

где Wp – энергия, которая может выделиться в промежутке между рабочей частью устройства и наэлектризованным объектом, мДж;

Wmin – минимальная энергия зажигания среды, в которой применяется разрядник, мДж;

Кбез – коэффициент безопасности.

При максимальном потенциале наэлектризованного объекта
Uоб = 20∙103 В и общей ёмкости устройства С0 порядка от 2 до 3 пФ, энергия, выделившаяся в пространстве (объект – разрядник) составляет не более 0,05 мДж, что подтверждается экспериментальными данными.

Снятие выходных характеристик разрядника проводилось по схеме, представленной на рисунке 4.10. Заданное напряжение U (кВ) на рабочую часть устройства подавалось с ёмкости С0, предварительно заряженной от высоковольтного источника G через высокоомное сопротивление R. Для исключения потерь в качестве переключателей S1, S2 использовались вакуумные выключатели ВВ-20.

Рисунок 4.10 – Схема калибровки разрядника РЭС-1

На рисунке 4.11 представлена зависимость потенциала U на рабочей части от времени затухания t. Как видно, процесс автоколебания частицы носит экспоненциальный характер и согласуется с выражением 4.5. С увеличением потенциала крутизна экспоненты увеличивается.

Рисунок 4.11 – Зависимость потенциала U на рабочей части
разрядника от времени t

На рисунке 4.12 приведена экспериментальная зависимость потенциала на рабочей части от частоты колебания частицы f. Частота колебаний частицы (количество импульсов) фиксировалась запоминающим осциллографом С8-11 или частотомером Ч3-34.

Рисунок 4.12 – Зависимость потенциала U на рабочей части
от частоты колебания частицы f

При колебании частицы от электростатического поля с потенциалом U во внешней цепи устройства протекает суммарный ток, значение которого определяется из выражений [60]:

(4.7)

где Q – заряд, переносимый частицей, Кл;

h – расстояние между обкладками конденсатора, м;

r – радиус частицы, м;

e - диэлектрическая проницаемость среды, в которой размещена частица;

e0 – диэлектрическая постоянная, Ф/м.

Частота колебания частицы fч (Гц) зависит от геометрических параметров конденсатора и частицы, а также от плотности среды r между обкладками конденсатора [61]:

, (4.8)

где r – радиус частицы, м;

ρ – плотность жидкости, кг/м3;

k´ - коэффициент упругости частицы;

d – диаметр обкладки конденсатора, м.

Из (4.8) следует, что устройство можно использовать для дистанционных измерений, а также для подключения индикатора к автоматизированной системе управления. Для этой цели наиболее помехозащищённым является аналогичное устройство, в котором нижняя обкладка конденсатора, противоположная рабочей части, выполнена в виде пьезокерамического диска с металлизированными торцевыми поверхностями [57]. В этом случае информативность контроля процесса разряда повышается за счёт преобразования механической энергии частицы в пьезоэлектрический сигнал.

Простота обслуживания, наглядность процесса электризации и надёжность искробезопасного разрядного устройства РЭС-1 являются основными достоинствами устройства по сравнению с существующими индикаторами аналогичного назначения. Например, в индикаторе «Кулон» [58, 62] для визуального наблюдения горения неоновых ламп необходимо затемнённое помещение для наблюдения за индикационным табло. В других случаях в индикаторах используются сложные электронные схемы.

Рисунок 4.13 – Общий вид искробезопасного разрядного устройства
РЭС-1

Общий вид устройства представлен на рисунке 4.13. На устройство РЭС-1 разработан полный комплект технической документации (АП 176ТУ), согласованный с ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности. Проведены государственные сертификационные испытания на электростатическую безопасность разрядников-индикаторов, предназначенных для эксплуатации во взрывоопасных зонах с минимальной энергией зажигания взрывоопасных смесей
Wmin = 0,05 мДж.

Несмотря на кажущуюся простоту вышеописанной конструкции, функциональные возможности устройств, работающих на принципе автоколебания электропроводной частицы, неограниченны. Например, величину потенциала на рабочей части индикатора можно также определить, если выполнить устройство в виде блочной конструкции из конденсаторов, обкладки которых соединены параллельно и по высоте межэлектродного пространства настроены на заданную величину потенциала от 1 до 10 кВ, и по визуальному наблюдению колебания конкретной частицы можно судить о величине наэлектризованной рабочей части [60]. На рисунке 4.14 приведена выходная характеристика устройства Uпор = f(n) в зависимости от количества конденсаторов (частиц) n. Истинное значение потенциала наэлектризованного объекта определяют исходя из общего количества колеблющихся частиц.

Рисунок 4.14 – Выходная характеристика разрядника-индикатора Uпор=f(n)

Дальнейшая модернизация устройств [63, 64], работающих на данном принципе, позволяет применять их в любых средах с дистанционным наблюдением при использовании современных волоконно-оптических световодов [65]. На рисунке 4.15а и 4.15б представлены варианты исполнения датчиков с различным расположением торцов световодов в корпусе. Концы световодов 3 выведены наружу корпуса и оптически соединены с источником света 4 и фотоприёмником 5. Оси световодов обращены в сторону траектории движения частицы 1, на поверхность которой нанесён отражающий материал из хромоникелевого сплава.

1 – частица; 2 – корпус; 3 – световоды; 4 – источник излучения;
5 - фотоприемник

Рисунок 4.15 – Принципиальная схема разрядно-индикаторного
устройства для дистанционных измерений

Регистрация прохождения частицы через световой поток обеспечивается при выполнении определённого соотношения между внутренним диаметром полости корпуса, диаметром сферической частицы и шириной светового пучка h. Данное соотношение между внутренним диаметром D полости корпуса и диаметром d частицы с учётом ширины светового пучка h имеет вид:

d < D < 2d + h. (4.9)

Для обеспечения гарантированной регистрации частицы соотношение (4.9) должно быть более строгим: 1,5d < D < 2d + h. В качестве источника излучения 4 можно использовать светодиод АЛ-107, а в качестве приёмника излучения 5 – фотодиод ФД-К-155. Эпюра изменения светового потока имеет вид, представленный на рисунке 4.15в. Световой поток изменяется от Фd до Фt, что соответствует изменению коэффициента передачи потока Кср от 0,9 до 0. Предлагаемая конструкция позволяет более эффективно иллюстрировать процесс разряда. Повышение информативности достигается за счёт контроля процесса по сигналу с фотоприёмника.

Достоинством данной конструкции является то, что концы световодов могут достигать десятков метров, это дает возможность вывести источник света и фотоприёмник из пожароопасного помещения. Использование волоконно-оптических световодов в разрядном устройстве позволяет применять их в АСУТП, как для предотвращения аварийных ситуаций, так и для повышения качества технологического процесса.

Рассмотренные в данном разделе конструкции устройств приобретают дополнительную полезную функцию, если в устройство ввести силовой блок, действующий на пьезокерамический элемент, одна торцевая сторона которого является обкладкой конденсатора. В этом случае устройство дает возможность не только иллюстрировать электростатическое явление, но и осуществлять контроль за разгрузкой, например, бункера с сыпучим материалом, поскольку прилагаемое давление на пьезокерамический элемент прямо пропорционально потенциалу на нём и соответственно потенциалу на конденсаторе, параллельно соединённом с пьезокерамикой. На рисунке 4.16 приведена принципиальная схема пьезокерамического преобразователя силы [66].

1 – регулируемая обкладка; 2 – сферическая частица;
3 – пьезокерамический элемент; 4 – рабочая часть;
5 – силовой механизм

Рисунок 4.16 – Схема пьезокерамического преобразователя силы

Таблица 4.1 – Зависимость потенциала на рабочей части датчика Uсж от приложенного на него давления Р

Р, МПа	0,89	1,58	1,94	2,46	2,9	3,25
Uсж, кВ	0,15	0,25	0,32	0,37	0,5	0,6

Практическая реализация предлагаемого варианта устройства может осуществляться в различных силовых механизмах 5 (см. рисунок 4.16). Например, зная зависимость потенциала на электродах пьезокерамического диска 3 при сжатии (Uсж, кВ) от нагрузки на его рабочую часть 4 (Р, МПа), можно с помощью изменения межэлектродного расстояния конденсатора регулируемой обкладкой 1 настроить конденсатор на заданное значение порогового срабатывания (Uпор, кВ), соответствующее значению заданной нагрузки (Рзад, МПа). В этом случае автоколебания частицы 2 начнутся только при нагрузках, превышающих заданную величину, то есть при Р > Рзад. В таблице 4.1 приведены результаты тарировки устройства (пьезокерамический диск из титаната бария диаметром d = 7 мм, l = 15 мм) в функции Р = f (Uсж). При изменении нагрузки на рабочую часть от 0,89 до 3,25 МПа потенциал на обкладках конденсатора изменяется от 0,15 до 0,60 кВ. Настроив конденсатор на любое пороговое значение, соответствующее значению Uсж (Uпор > Uсж), по началу колебания частицы определяется величина нагрузки на рабочую часть.

Описанный вариант датчика может быть использован в различных производственных процессах, но особо полезным будет его использование в системах диагностики и управления состоянием массива горных пород при исследовании безопасности работ. В настоящее время в таких системах используется сложная радиотехническая аппаратура с тензометрическими модулями механических напряжений [67].

4.4 Контроль электропроводности покрытий

Одним из путей обеспечения электростатической безопасности в пожаро-взрывоопасных производствах является замена диэлектрических покрытий на электропроводные (электропроводная резина, антистатическая краска, алкамон ОС-2 и т. п.), которые заземляются. Контроль качества электропроводности покрытий и измерение сопротивления заземления в этом случае затруднительны, так как простых устройств для этих целей во взрывобезопасном исполнении нет, а рекомендуемые мегомметры громоздки, неудобны в эксплуатации и имеют высоковольтный источник питания.

Для определения электропроводности покрытий на предприятии НПО «Алтай» (г. Бийск) был разработан прибор ПЭП-1, имеющий корпус искробезопасного исполнения и эластичный измерительный электрод из вибростойкой и электропроводной резины марки ВР-40-1 на основе каучука СКМ-40. Схема этого прибора изображена на рисунке 4.17. Прибор ПЭП-1 работает по методу «амперметра-вольтметра», который заключается в измерении тока в последовательно соединённой цепи, включающей источник питания G, микроампервольтметр V, измерительный электрод 1, сопротивление исследуемого настила 2, контур заземления 3. В данной схеме искомое сопротивление покрытия Rп определяется по закону Ома по величине тока, протекающего по цепи: источник тока – электрод – контур заземления.

1 – измерительный электрод; 2 – исследуемое покрытие; 3 - контур заземления; G – источник питания; V – микроампервольтметр;
S1, S2 - переключатели

Рисунок 4.17 – Схема прибора контроля электропроводности
покрытий

Опытная партия таких приборов была изготовлена и внедрена на предприятии НПО «Алтай».

На практике для принятия оперативных решений по замене или дальнейшему использованию антистатических покрытий достаточно знать величину сопротивления покрытий относительно контура заземления, удовлетворяющую антистатическим свойствам. Удовлетворяют этим требованиям покрытия, имеющие величину удельного поверхностного сопротивления ρs ≤ 1010 Ом [68]. На ряде предприятий ведомственными правилами защиты от статического электричества допускается сопротивление покрытий ρs ≤ 107 Ом. Таким образом, в производственных условиях достаточно определять граничное значение сопротивления покрытия относительно «земли»:

ρs > Rдоп или ρs < Rдоп, (4.10)

где Rдоп – допустимая величина сопротивления покрытий, регламентируемая инструкциями или правилами, Ом.

Для принятия оперативного решения по величине электропроводности вполне достаточно использовать индикатор, работающий по принципу «да», «нет». Конструкция такого прибора [69] описана ниже.

Устройство индикатора контроля антистатических покрытий (ИКАП), аналогична устройству прибора ПЭП-1, который применяется для индикации величины электропроводности покрытий.

В устройстве ИКАП (рисунок 4.18) индикатор выполнен в виде конденсатора в прозрачном диэлектрическом корпусе 3 с обкладками 4, 5, между которыми в диэлектрической жидкости размещена электропроводная частица 8. Источник потенциалов выполнен в виде пьезоэлектрического преобразователя силы, включающего силовой блок 12 и пьезокерамический цилиндр 10 с металлизированными торцовыми поверхностями, одна из которых электрически соединена с нижней обкладкой 4 конденсатора, являющейся одновременно опорой силовводящего блока 12, кинематически связанного с пьезокерамическим цилиндром. Другая обкладка конденсатора 5 электрически соединена с измерительным электропроводным эластичным электродом 13 через гайку 7 проводником 9. Устройство снабжено шунтирующим элементом, выполненным в виде подвижного металлического контакта 2 (кнопки) и винта 1, подключенного к цепи заземления исследуемого покрытия через ограничительный резистор Rогр.

Индикатор устанавливается вертикально электродом 13 на поверхность исследуемого покрытия 14. Небольшим усилием руки надавливают на ручку 6 до появления колебания частицы. Затем при нажатии кнопки 2 производится оценка сопротивления покрытия. При колебании частицы сопротивление покрытия считается неудовлетворительным, т. е. Rп > Rдоп, где Rп – сопротивление исследуемого покрытия, Ом. В этом случае принимаются меры по устранению неисправности покрытия или заземления. При нажатии кнопки 2 и прекращении автоколебаний частицы покрытие считается удовлетворительным, т. е. Rп ≤ Rдоп.

Колебания частицы в зазоре конденсатора происходят вследствие появления разности потенциалов на обкладках за счёт пьезоэлектрического эффекта. Шунтирование конденсатора С подвижным контактом S поясняется эквивалентной электрической схемой (рисунок 4.19а).

Рисунок 4.18 – Конструкция индикатора ИКАП

Рисунок 4.19 – Эквивалентная электрическая схема индикатора
ИКАП (а) и зависимость потенциала U на обкладках от сопротивления шунта Rш (б)

При отработке разрядных устройств на базе колебания частиц в зазоре конденсатора были исследованы зависимости U = f(Rш ) (рисунок 4.19б).

При экспериментальном получении зависимостей выяснилось, что при параллельном подключении к обкладкам конденсатора шунтирующего сопротивления Rш максимальный потенциал на обкладках конденсатора U при Р = const уменьшается с уменьшением шунтирующего сопротивления, т. е. существует зависимость U = f(Rш ), и при Rш < 107…106 Ом потенциал на конденсаторе не превышает порогового значения Uпор. В этом случае частица прекращает колебательное движение. Существует определённый (узкий) диапазон значений Rш, при которых частица не срабатывает (Uпор < Uпор. min), а при значениях
Uпор > Uпор. max устойчиво работает. Среднее значение этого диапазона составляет:

Rш ср = Rогр + Rп +Rэ, (4.11)

где Rогр - сопротивление резистора, Ом;

Rэ – электрическое сопротивление измерительного электрода, Ом;

Rп – электрическое сопротивление покрытия, Ом.

Электрод изготавливают из резиновой композиции ВР-40-1, сопротивление которой составляет от 103 до 107 Ом в зависимости от содержания сажи. Величина Rп задаётся равной 107 Ом. Величина сопротивления шунта при заданной нагрузке Р находится экспериментально из зависимости U = f(Rш ) (рисунок 4.19б). Тогда необходимая величина сопротивления резистора Rогр:

Rогр = Rш ср – (Rп + Rэ). (4.12)

Таким образом, при замыкании переключателем S контактов параллельно конденсатору подключается последовательно соединённая цепь сопротивлений Rогр + Rп + Rэ и при значении Rп, отличающемся от значения 107 Ом, по колебанию частицы (или отсутствию колебания) судят об исправности цепи «Rп – земля» и при необходимости принимают оперативные меры по устранению неисправности.

5 МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕЩЕСТВ

Электростатические характеристики исследуемых веществ можно разделить условно на две группы.

Первая группа содержит показатели, характеризующие степень электризации и критерии оценки антистатических свойств веществ.
К ним относятся: удельные электрические поверхностное и объёмное сопротивления ρS (Ом) и ρV (Ом·м); относительная диэлектрическая проницаемость ε; удельный массовый заряд qм (мкКл/г); поверхностная (или объёмная) плотность зарядов σ (мкКл/м2); время релаксации электростатических зарядов t (с). К этой группе показателей можно отнести потенциал наэлектризованности поверхности U (кВ) и напряжённость электростатического поля E (кВ/м).

Ко второй группе относятся показатели, характеризующие чувствительность взрыво - и пожароопасных веществ (материалов, смесей) к зажигающему воздействию разрядов статического электричества, а именно: минимальная энергия зажигания, минимальный заряд зажигания и минимальная линейная плотность энергии зажигания. Наиболее часто определяют минимальную энергию зажигания Wmin (мДж), по которой классифицируют вещества и разрабатывают меры защиты.

5.1 Определение удельных электрических сопротивлений сыпучих материалов

При статической электризации диэлектрические материалы приобретают и в течение некоторого времени сохраняют на своей поверхности электростатические заряды. Показателем оценки электростатических свойств материалов является удельное объемное и поверхностное электрические сопротивления ρS, ρV [4, 71, 72]. При измерении ρS, ρV необходимо учитывать влияние таких факторов, как геометрическая форма образца, дисперсность порошков, химическое строение, структура поверхности, состав композиции, температура и влажность окружающей среды, наличие примесей и т. п.

Определение электрических сопротивлений твёрдых материалов осуществляют по ГОСТ 6433.2 – 71 [71]. Принцип измерения заключается в сравнении измеряемого сопротивления материалов с известным калиброванным сопротивлением путём измерения величины тока утечки через материал, помещённый между электродами, находящимися под заданным напряжением. Для измерения порошкообразных материалов используют изменённую конструкцию измерительной ячей-
ки [70].

б)

а)

1 и 2 - измерительные электроды; 3 – охранный электрод;
V – измерительный прибор

Рисунок 5.1 – Схема измерения электрических сопротивлений
сыпучих материалов

На рисунке 5.1а представлена схема измерения удельных электрических сопротивлений сыпучих материалов. При определении значения ρV ток утечки измеряется между электродами 1 и 2, электрод 3 при этом заземляется.

Удельное сопротивление образцов рассчитывается по следующим формулам:

объёмное ; (5.1)

поверхностное , (5.2)

где RV и RS – соответственно измеренные объёмное и поверхностное сопротивления образца, Ом;

D0 – диаметр измерительного электрода, м;

h – толщина образца, м;

δ – зазор между измерительным и охранным электродами, м.

Величины RV, RS определяются тераомметрами типа Е6-13 (ЕК6-7) в диапазоне 105…1014 Ом с погрешностью ±(2…20) %. Величины ρV, ρS большинства жидких и твёрдых материалов, используемых в промышленности, известны [4, 32, 68, 72, 73].

В таблице 5.1 приведены значения электрических характеристик ПВХ-линолеума, содержащего различные количества антистатиков [68].

Таблица 5.1 – Значения объёмного ρV и поверхностного ρS удельных соединений ПВХ-линолеума с различным содержанием
антистатических добавок

Содержание антистатика, %	ρS, Ом	ρV, Ом·м
Стеарокс 0,5 1,0 1,5 3,0 Словавив 1,0 1,5	6,7∙1013 8,1∙1011 7,1∙1011 2,8∙1011 8,9∙1011 8,6∙1011	2,0∙1011 9,1∙109 1,2∙109 6,1∙109 9,5∙1010 7,3∙109

Измерения значений RS и RV сыпучих материалов проводятся при прилагаемом усилии на образец 104 Па. При выравнивании поверхности сыпучих образцов в ячейке (рисунок 5.1а) возможно получение разноплотности по объёму, что ухудшает сходимость результатов измерений в параллельных опытах. Отмеченные недостатки устраняются при проведении измерений удельного электрического сопротивления в цилиндрической ячейке коаксиального типа с охранными электродами 3 (рисунок 5.1б). Геометрические размеры ячейки обеспечивают проведение измерений электрических сопротивлений в равномерном электрическом поле постоянного напряжения исследуемых веществ с размером частиц не более 3 мм.

В связи с тем, что на определяемую величину ρ существенно влияют многие случайные факторы, которые трудно учесть при измерениях, необходимо проводить статистическую обработку экспериментальных данных. На практике результат определения величины ρ удобно представлять с учётом доверительного интервала:

, (5.3)

где ρср – среднее арифметическое значение удельного сопротивления, полученное при нескольких измерениях (обычно не менее пяти);

σ – среднее квадратическое отклонение;

tβ – доверительный интервал, определяемый с заданной доверительной вероятностью β (при β = 0,95 для пяти измерений tβ = 2,78).

5.2 Определение электризуемости сыпучих материалов

Кроме определения значений величин ρV, ρS, электростатические свойства можно также оценивать по удельному массовому электростатическому заряду порошков qм.

Исследования удельного массового электростатического заряда qм сыпучих веществ проводятся на экспериментальных установках, имитирующих отдельные технологические фазы производства [72, 73, 77]. Они содержат узел электризации, в котором вещества приобретают избыточный электростатический заряд Q, и приёмную ёмкость, в которую поступает наэлектризованное вещество. При измерении заряда Q по методу потенциалов приёмная ёмкость подключается к электростатическому вольтметру типа С-502, С-96 и т. п., при измерении по методу токов – к усилителю постоянного тока, например, входящему в комплект измерительной аппаратуры Н3012 (выпускается ПО «Краснодарский ЗИП»). При этом qм = Q/m, где m – масса навески, которую определяют после поступления вещества в приёмную ёмкость.

Электризация веществ при просеивании через сито [72, 75] происходит при контакте со стенками ячеек сита (рисунок 5.2а). Значение заряда Q измеряется по методу потенциалов (обычно испытывают три навески по 20 г). Полученные результаты существенно зависят от соотношения размеров частиц вещества и ячеек, причём размеры ячеек сит подбираются таким образом, чтобы частицы свободно проходили через сетку.

Оценка электризации при ссыпании вещества по наклонной плоскости характерна для операций загрузки и выгрузки сыпучих материалов (рисунок 5.2б). Данный метод распространяется на вещества с минимальной энергией зажигания от 0,1 до 1,0 мДж [70, 74]. Электростатический заряд определяют по значению потенциала. При энергии зажигания веществ более 1 мДж величину qм определяют с учетом зависимости электризуемости сыпучих веществ от плотности их в потоке (рисунок 5.2в) [72]. Электризация материала происходит при его ссыпании через воронку с рассекателем. Определение значения Q проводят по методу токов электризации.

В условиях производства вещества подвергаются длительному перемешиванию. Происходящие при этом процессы имитируются испытаниями порошков путем перемещения и смешения их внутри качающейся алюминиевой трубки длиной 1 м и диаметром 20 мм под действием силы тяжести до стабилизации процесса электризации (рисунок 5.2г). Наэлектризованное вещество поступает в металлический стаканчик 3, соединённый с трубкой 1 переходником из органического стекла. Измерения выполняют по методу потенциалов.

1 – ёмкость с сыпучим материалом; 2 - контактная поверхность;
3 – приемная ёмкость; 4 – измерительный прибор

а – просеивание; б – ссыпание; в – загрузка-выгрузка; г – смешивание

Рисунок 5.2 – Схемы установок моделирования электризации сыпучих
материалов

Более усовершенствованной конструкцией для исследования электризации сыпучих материалов является установка ЭП-3М, разработанная ЦНКБ (г. Москва) и доработанная в НПО «Алтай» (г. Бийск), позволяющая имитировать процессы пневмотранспорта при движении и соударении частиц с различными элементами оборудования (рисунок 5.3). Частицы сыпучего материала поступают из вибродозатора 3 в эжектор 4, в котором разгоняются смесью газов (N2, CO2 ) и, ударяясь о преграду 2, ссыпаются в приемный короб 1. Смесь газов с воздухом через фильтр 6 выходит наружу.

1 – приемный короб; 2 – преграда; 3 – вибратор; 4 – эжектор;
5 – корпус; 6 – фильтр

Рисунок 5.3 – Установка ЭП-3М для определения электризуемости
порошков

Скорость движения частиц тарируется на выходе эжектора чашечным анемометром МС-13. Искомое давление газа задаётся редуктором с манометром. Потенциал на элементах установки регистрируется статическими вольтметрами типа С-502, имеющими малую входную ёмкость, а ток утечки измеряется усилителем Н-37 в комплекте с самописцем И-37. Массовый заряд на элементах установки определяется по формуле

(5.4)

где I – ток утечки, измеряемый приборами, А;

R – сопротивление утечки, равное сопротивлению рамки измерительного прибора, Ом;

С – суммарная электрическая ёмкость прибора и элементов установки относительно «земли», Ф;

t – время релаксации электростатических зарядов, с.

При измерениях ток утечки во всех опытах удовлетворяет условию:

(5.5)

где IК – измеренный ток утечки короба;

IПР – ток преграды;

IЭЖ – ток с эжектора;

IУ – ток уноса (за счёт оседания частиц на стенки короба, уноса через фильтр и т. п.).

Результаты экспериментов по электризации на установке ЭП-3М порошкообразного полистирола в зависимости от различных факторов (содержания влаги (%); удельной поверхности частиц Sуд (м2/г); относительной влажности воздуха φ (%); материала преграды, газа-носителя) приведены в таблице 5.2.

Из полученных данных заметно влияние различных факторов на электризацию порошков. Так, например, при увеличении содержания влаги в порошке (эксперименты 1, 2) с 0,09 до 0,36 % потенциал и удельный массовый заряд короба снижаются с 10 до 7,4 кВ и с 2,2 до 1,3 мкКл/г соответственно. Увеличение электризации наблюдается при увеличении удельной поверхности частиц с 0,10 до 0,59 м2/г (эксперименты 2, 3). Влияние состава газа на электризацию данных компонентов не обнаружено. При замене преграды из латуни на преграду из нержавеющей стали при прочих равных условиях снижается электризуемость порошков. Анализ экспериментальных данных позволил разработать рекомендации по составу и физико-механическим свойствам материалов для снижения степени электризации в условиях их переработки.

Для увеличения достоверности полученных результатов и повышения точности параметров электризации НИИ прикладной механики и математики (г. Томск) совместно с НПО «Алтай» разработали и апробировали установку для измерения зарядов частиц при соударении их с исследуемым материалом (рисунок 5.4).

Таблица 5.2 – Экспериментальные данные по электризации порошкообразного полистирола

Контакт. материал нерж. сталь нерж. сталь нерж. сталь нерж. сталь латунь латунь нерж. сталь нерж. сталь нерж. сталь Приёмный короб qпк, мкКл/г -1,32 -2,2 - 4,6 -2,7 -3,2 -2,3 -2,0 -1,2 — Uпк, кВ 7,4 10,0 19,5 16,2 27,0 22,0 8,2 7,4 0,1 Преграда Uпр, кВ 11.0 11,2 15,2 12,2 20,3 14,7 4,4 3,2 2,2 φос, % 44 44 42 44 39 40 47 56 40 Газ носитель CO2 CO2 N2 N2 N2 N2 N2 N2 N2 Sуд, м2/г 0,59 0,10 0,59 0,10 0,59 0,10 0,10 0,59 0,59 Содержание H2O, % 0,36 0,09 0,09 0,36 0,36 0,09 0,90 0,36 0,36 Исследуемое вещество - полистирол партия М5 партия М29 партия М8 партия М12 партия М5 партия М29 партия М24 партия М5 партия М5 размещение нейтрализатора Номер экспе-римента 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 – бункер; 2 – разгонный участок; 3 - исследуемый образец;
4 – подложка; 5 – измерительный прибор; 6 – корпус; 7 – приёмный бункер; 8 – приёмная тара; 9 – сменные циклоны

Рисунок 5.4 – Установка для измерения заряда частиц дисперсного
материала

Конструкция установки предусматривает замену последовательно соединённых блоков (бункер 1, разгонный участок 2, фильтрующие устройства в виде сменных циклонов 9). Исследуемый образец 3 закреплён на проводящей подложке 4, которая заземлена через измерительный прибор 5. Измерения зарядов при отработке установки на кварцевом песке различного фракционного состава (рисунок 5.5) показали хорошую сходимость результатов.