（材料加工工程专业论文）多波长光散射法测量粒度.pdf

摘要 摘要 颗粒的粒度分布对获取粉体材料的特性非常重要。在众多颗粒粒度测试方法 中，光全散射法以方便简单、测量准确以及成本低廉成为传统而经典的方法。光 全散射法早期多应用于求取平均粒径，原则上只适用于单分散颗粒系。而对于多 分散颗粒系的粒度分布求解，仍停留在理论模拟阶段，少有成品仪器可以被广泛 使用。 根据光全散射法原理，推导光全散射法的理论模型，以无分布函数算法为基 础建立多波长光散射模型，通过m i e 氏理论计算光全散射法的消光系数矩阵，用 以求解多分散颗粒系的粒度分布。 在透射比实际测量中，通过分析光全散射法原理以及研究实验装置，发现波 长、浓度和光程三者是影响实测实验的主要因素。通过大量实验分别研究三种影 响因素对实测的影响程度，并在现有的实验基础上找到最优条件，在此条件下测 量颗粒样品的透射比值，并用其它粒度测试方法来验证测量结果。 研究表明光全散射法中粒度分布求解是一个反问题，借鉴于激光粒度仪中的 反演过程，引入相关算法求解颗粒的粒度分布。本文采用c h a h i n e 算法和 p r o j e c t i o n 算法用于反演颗粒的粒度分布。模拟及实验结果表明，c h a h i n e 算法可 以通过预处理的方法对其进行改进，p r o j e c t i o n 算法可以通过非负处理的方法对 其进行改进，比两算法直接反演的效果要好。 颗粒测量中对粒度分布分辨率的研究一直是颗粒测量学中的空白。本文通过 对分辨率的理论定义研究，最终确定两标准颗粒相交部分占总分布的1 5 作为分 辨的临界。并对应于分辨率的理论定义，提出了评估粒度仪分辨率的方案，给出 了不同分辨率下的粒度分布与原始粒度分布差异的量化标准。在此基础上检验了 c h a h i n e 算法和p r o j e c t i o n 算法对不同分布宽度的r r 分布反演效果所能达到的 分辨率，并发现工业颗粒产品经分级后用c h a h i n e 算法反演，相比于未分级前， 分辨率有所提高。 关键词t 光全散射粒度分布分辨率多波长反演算法 a b s t r a c t a b s t r a c t p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ( p s d ) i sv e r yi m p o r t a n tt oa c q u i r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o f p o w d e rm a t e r i a l a m o n gt h em a n ym e t h o d so fp a r t i c l es i z et e s t i n g , e x t i n c t i o ni st h e t r a d i t i o n a la n dc l a s s i c a lm e t h o db e c a u s eo fi t ss i m p l e , a c c u r a t em e a s u r e m e n ta n d c h e a pc o s t e a r l ye x t i n c t i o na p p l i e dt oo b t a i nt h ea v e r a g ep a r t i c l es i z e , i np r i n c i p l e , i t a p p l yo n l yt ot h em o n o d i s p e r s ep a r t i c l e a sf o rt h es o l u t i o no ft h ep o l y d i s p e r s e p a r t i c l es i z e d i s t r i b u t i o n r e m a i n si n t h e t h e o r e t i c a ls i m u l a t i o ns t a g e ，v e r yf e w i n s t r u m e n t sc a nb eu s e dw i d e l y e x f i n c t i o nt h e o r e t i c a lm o d di sd e r i v e di na c c o r d a n c ew i t ht h ee x t i n c t i o n p r i n c i p l e ，t h ee s t a b l i s h m e n to fm u l t i w a v e l e n g t hn g h ts c a t t e r i n gm o d e li sb a s e d0 1 1 i n d e p e n d e n tm o d e la l g o r i t h m t h r o u g ht h em i e st h e o r ye x t i n c t i o nc o e f f i c i e n tm a t r i x c a nb eo b t a i n e d , a n dt h e nt h ep o l y d i s p e r s ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o nc a nb ew o r k e d o u t i nt h ea c t u a lm e a s u r e m e n to fe x t i n c t i o nv a l u e , i tw i l lb ef o u n dt h a tt h e w a v e l e n g t h , c o n c e n t r a t i o na n dl i g h tp a t ha 他m a j o ri n f l u e n c i n gf a c t o r s i n t h e e x p e r i m e n tb ya n a l y z i n gt h e e x t i n c t i o np r i n c i p l ea n de x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t t h r o u g hs t u d y i n gt h ei n f l u e n c ed e g r e eo ft h et h r e ei n f l u e n c ef a c t o r s f o r a c t u a l m e a s u r e m e n tt h r o u g hal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t s ，a n df i n dt h eo p t i m a l e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s t h e ne x t i n c t i o nv a l u ew a sm e a s u r e do nt h e s ec o n d i t i o n s ， a n di tw a sv e r i f i e d 埘t ho t h e rt e s t i n gm e t h o d s t h er e s e a r c hs h o w e dt h a tt h es o l u t i o no fp s d u s i n ge x t i n c t i o nw a st h ei n v e r s e p r o b l e m u s ef o rr e f e r e n c eo fl a s e rp a r t i c l es i z ei n s t r u m e n ti nt h ep r o c e s so fi n v e r s i o n , s e v e r a lr e l e v a n ta l g o f i t h m s 啪b eu s e dt os o l v ep s d n ec h a h i n ef l g o f i t h ma n d p r o j e c t i o na l g o r i t h mw e r eu s e d t oi n v e r tp s d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t ss h o w e dt h ec h a h i n cp r e t r e a t m e n ta l g o r i t h ma n dp r o j e c t i o nn o - n e g a t i v e a l g o r i t h mc o u l di m p r o v et h e i rm e t h o d s , a n dt h ei n v e r s er e s u l t sw c i eb a t t e rt h a n b e f o r e 硕士学位论文 t h ep s dr e s o l u t i o ni st h eb l a n ka r e ai np a r t i c l em e a s u r e m e n ta ta l lt i m e s i nt h i s p a p e r , t h et h e o r e t i cd e f i n i t i o no fr e s o l u t i o no fp a r t i c l em e a s u r e m e n tw a sr e s e a r c h e d , t h e ni ti sd e f i n e dt h a tt h ei n t e r s e c t a n ta r e ao ft h et w os t a n d a n dp a r t i c l e sw a s15 o f t h et o t a ld i s t r i b u t i o n n ee v a l u a t i o np r o g r a mf o rr e s o l u t i o no fp a r t i c l em e a s u r e m e n t i n s t r u m e n tw i l lb ep u tf o r w a r db a s e do nt h e o r e t i cd e f i n i t i o no fr e s o l u t i o n , a n dt h e q u a n t i z i n gc r i t e r i ao ft h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h eo r i g i n a lp s da n dt h ep s do f d i f f e r e n tr e s o l u t i o n sw a sg i v e n f i n a l l y , t h er e s o l u t i o no fi n v e r s er e s u l t so fr r d i s t r i b u t i o nw i t hd i f f e r e n td i s t r i b u t e d p a r a m e t e ru s i n gc h a h i n ea l g o r i t h m a n d p r o j e c t i o na l g o r i t h mw e 坞e s t i m a t e d ，a n df o u n dt h er e s o l u t i o no fi n v e r s er e s u l t so f i n d u s t r yc l a s s i f i c a t i o np a r t i c l eu s i n gc h a h i n ea l g o r i t h mw a sb a t t e rt h a nt h o s ep a r t i c l e w h i c hd i dn o tb et r e a t e d k e y w o r d s ：e x t i n c t i o n ) s i z ed i s t r i b u t i o n ：r e s o l u t i o n ；m u l t i - w a v e l e n g t h ；i n v e r s e a l g o r i t h m i i i 日录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论1 i i 前言一l 1 2 颗粒的基本性质2 1 2 1 颗粒的形状2 1 2 2 颗粒粒径。2 1 2 - 3 颗粒的粒度。3 1 3 颗粒测量方法5 1 3 1 筛分法一6 1 3 2 显微镜法6 1 3 3 库尔特法( 电感应法) 7 1 3 4 沉降法。7 1 3 5 光散射法8 1 4 光全散射法10 1 4 1 光全散射法原理1 0 1 4 2 光全散射法的发展简介。l l 1 4 3 光全散射法研究的意义1 6 1 4 4 光全散射法中关键问题1 7 1 5 本论文研究的主要内容1 7 1 6d 、结l8 第二章多波长光散射模型的建立1 9 i v 硕士学位论文 2 1 光全散射法理论19 2 2 多波长光散射模型的建立2 l 2 3m ie 散射理论。2 3 2 4 本章小结2 6 第三章透射比的测量2 7 3 1 实验仪器装置2 7 3 1 1 可见分光光度计2 7 3 1 2 其它试验装置2 8 3 2 实验中各因素的影响。2 8 3 2 1 复散射的影响2 8 3 2 2 杂散光的影响。2 8 3 2 3l a m b e r t - b e e r 定律的偏离。2 9 3 2 4 参比溶液和溶剂的选择3 0 3 3 实验方案3 0 3 3 1 实验方案设计。3 0 3 3 2 实验步骤3l 3 4 实验数据记录与分析3 2 3 4 1 浓度的影响3 2 3 4 2 光程的影响。3 5 3 4 3 验证实验3 7 3 5 本章小结3 8 第四章粒度的反演求解及算法改进3 9 4 1 光全散射法中的粒度反演3 9 4 1 1 光全散射法中的反演问题。3 9 4 1 2 反演问题准确求解的条件3 9 4 1 3 反演模拟流程4 0 4 1 4 反演工具选择4 l 4 2 粒度反演算法。4 2 4 2 1 非独立模式求解4 3 v 目录 4 2 2 独立模式求解4 3 4 2 3 计算机模拟中反演结果的评价4 5 4 3 算法模拟4 5 4 3 1c h a h i n e 算法模拟。4 6 4 3 2 p r o j e c t i o n 算法模拟结果4 8 4 3 3 算法模拟结果比较5 0 4 4 实测颗粒的反演研究。5 l 4 5 算法改进。5 4 4 6 本章小结5 8 第五章反演效果用粒度分布分辨率评估5 9 5 1 分辨率的概述。5 9 5 1 1 颗粒粒度测量学中的分辨率。5 9 5 1 2 颗粒粒度测量学中研究分辨率的难点。5 9 5 2 分辨率的研究一6 0 5 2 1 分辨率的概念的阐述。6 0 5 2 2 分辨临界的提出以及确定一6 4 5 2 3 分辨率定义的重新阐述6 6 5 3 仪器分辨率的评估6 7 5 4 算法反演结果的评估7 0 5 4 1 算法对r r 分布模型反演的结果评估7 l 5 4 2 算法对工业级颗粒产品反演的结果评估7 3 5 5 小结7 5 第六章结论与展望7 6 6 1 结论及创新点7 6 6 2 工作展望。7 7 参考文献7 9 研究成果8 6 致谢8 7 v i 硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 颗粒( p a r t i c l e ) 是一相对性概念，其粒径没有严格的限制，小到可以是肉眼难 见的电子，直径约为1 0 。1 5 m ；大到可以是恒星等天体，直径约为 0 9 1 1 1 。我们日 常生活和工业中提及的颗粒，是指处于分割状态下的微小固体、液体或气体，也 可以是具有生命力的微生物和细菌等，其粒径范围一般为1 0 - 9 1 0 3 m ，一些情况 下，也有超过1 0 0 0 1 工m 的。多数情况下，颗粒一词泛指固体颗粒，而液体颗粒和 气体颗粒则相应地称为液滴( d r o p l e t ) 和气泡( b u b b l e ) 。由许多个颗粒组成的颗粒 群称为颗粒系。粉末则是固体颗粒在疏松状态下的堆积【l 】。 现代工业生产中，许多部门诸如冶金、水泥、陶瓷、食品、轻工、化工、医 药、涂料、航空航天、生物工程等，其工业产品及中间产品都呈颗粒状，因此粒 径的大小往往会对产品的性能质量、能源的消耗、环境的污染、人民的身体健康、 全球气象以及生态系统等产生重大影响。另外，更加重要的是微细颗粒及超细颗 粒有时会产生独特的性质，为人类社会的进步做出了不小的贡献，而这些重要特 性的体现则是由颗粒的平均粒度及粒度分布参数所决定的。例如医药颗粒微细化 可提高治疗效果，水泥粒度分布参数的不同会影响水泥的凝结时间，涂料染料微 细化可使色泽更加艳丽，固体燃料微细化可大大提高燃烧效率，催化剂超细化可 显著提高反应速率等等。上述提及的材料只有在粒径达到一定范围时，这些特性 才会体现出来。 可以预见，随着科学技术的日益进步和发展，在国民经济的许多部门中必将 会出现越来越多的与微细颗粒及超细颗粒密切相关的技术问题有待解决。鉴于 此，颗粒粒径的测量就成为最基本也是最重要的一个方面。除此之外，许多情况 下，对粒度浓度( 单位体积中的颗粒数或颗粒重量) 的测量也是很重要的。如今， 颗粒粒度测量技术已受到人们的普遍重视，将会逐渐发展成为现代测量学中的一 个重要分支【引。 第一章绪论 1 2 颗粒的基本性质 1 2 1 颗粒的形状 颗粒的形状是多种多样、千差万别的，这与颗粒材料的结构和产生颗粒时的 过程如粉碎、燃烧和凝结等有关，过程不同所形成的颗粒形状就会各不相同。单 颗粒与颗粒群( 即粉体) 的表述是不同的，在表1 1 中，罗列出了人们在日常生 活和工业生产中用于描述颗粒群形状的几种常用术吾3 1 。 表1 - 1 颗粒形状的定义 t a b l ei - ! d e f i n i t i o nf o rp a r t i c l es h a p e s 形状形状描述 球状 不规则状 粒状 枝状 纤维状 片状 模状 针状 结晶状 多角状 圆形球体 无任何对称性的形体 具有大致相同量纲的不规则形状 树枝状结晶 规则的或不规则的线状体 板状体 具有完整的，不规则形状 针形体 在流体介质中自由发展的几何体 具有清晰边缘或有粗糙的多面体 表中的常用术语只能定性的描述颗粒的形状，但却无法定量的通过一个或几 个参数来表示颗粒的性质。颗粒测试的理论基础应该是关于颗粒的大小和形状的 表征，但是由于颗粒形状的复杂多样，对颗粒的表征是一个十分困难的工作，虽 有多种方法存在，但是至今仍没有一种表征方法受到大多数行业的认可。 1 2 2 颗粒粒径 颗粒的粒径一般定义为颗粒所占空间大小的尺度。粒径的范围变化很大，可 以从几个纳米到几千微米。由于粉体形状各异，对于非球体颗粒或表面不光滑颗 粒是无法用同一种方法来精确描述其粒径大小的，不同的描述方法将得到不同的 2 硕士学位论文 粒径值。不同的测量方法对粒径的表征也是不同的，这就直接导致不同的粒度测 量仪，即使测量同一种颗粒，所得的粒度信息也是有差别的。表面光滑的球形颗 粒的粒径就是它的直径，但非球体或表面不光滑颗粒的粒径表征就相对复杂，方 法也是多种多样，表1 2 是几种表征不规则颗粒群粒径的方法【4 1 表1 2 不规则颗粒粒径表征的几种算法 t a b l e1 - 2s e v e r a lr e p r e s e n t a t i o na l g o r i t h m so fa b n o r m i t yp a r t i c l ed i a m e t e r 名称 意义 体积直径d v与颗粒体积相同的球的直径 表面积直径d s与颗粒表面积相同的球的直径 体积表面积直径d s v与颗粒体积与表面积比相同的球的直径 阻力直径d d 与颗粒在同样粘度介质中以相同速度运动时受到相 同阻力的球的直径 自由沉降直径d f 与颗粒密度相同，在同样密度和粘度的介质中具有相 同自由沉降速度的球的直径 斯托克斯直径d 矗在层流区的自由沉降直径 投影面积直径d 。与静止颗粒有相同投影面积的圆的直径 筛分直径d a颗粒刚能通过的最小方孔的宽度 f e r e t 直径d f在一定方向与颗粒投影面两边相切的平行线的距离 m a r t i n 直径d m在一定方向与颗粒投影面成两等面积的弦长 观察上表可得：表征颗粒粒径的方法大致可以分成相当球直径、相当圆直径 和统计直径等几类。相当球直径即与颗粒有相同某一性质或行为的球的直径，包 含有阻力直径d d 、自由沉降直径d f 和斯托克斯直径d 啦等；相当圆直径即与颗 粒投影像有相同某一性质( 面积或周长) 的圆的直径，包含有筛分直径d a 和投影 面积直径d l 等；而相当统计直径则有f e r e t 直径d f 和m a r t i n 直径d m 等。 1 2 3 颗粒的粒度 颗粒群或颗粒系是由许多颗粒组成的，大致可以分为单分散和多分散两类。 如果组成颗粒群的所有颗粒均具有相同或相近相同的粒径，则称该颗粒群为单分 散颗粒系。当颗粒群由许多粒径大小不一的颗粒组成时，则称为多分散颗粒系。 3 第一章绪论 在实际生产过程中所处理的粉体颗粒大多是多分散颗粒系。严格来讲，实际 颗粒群的粒度分布是不连续的，但当测量的数目很大时，则可以认为是连续的。 对于这样的一个颗粒群，人们通常更关心它的粒度组成情况即粒度分布。所谓粒 度分布是指将颗粒群以一定的粒度范围按大小顺序分成若干级别( 粒级) ，各级 别粒子占颗粒群总量的百分数。由大小不同的颗粒组成的多分散颗粒系的尺寸分 布有单峰分布和多峰分布等形式。 颗粒群粒度分布的表达方法按物理意义可分为：颗粒数分布n ( d ) 、颗粒体 积( 重量) 分布v ( d ) 。两者的关系是： v ( d ) = 等( d ) d 3 ( 1 一1 ) o 由于颗粒的体积是直径的三次方，故少量大颗粒就可对体积分布状况产生很 大影响。因此在表示颗粒尺寸分布时，很重要的一点就是要说明该尺寸分布是体 积分布还是颗粒数分布。 这两种表达方法在形式上又分为微分和积分两种，即频率分布和累积分布。 频率分布指落在某个尺寸范围内的颗粒数目或者颗粒体积( 重量) 占总量的百分 率；累积分布指大于或小于某一尺寸的颗粒体积( 重量) 占总量的百分率。 常用于表示颗粒群尺寸频度分布和累积分布的方法有三种：列表法，图示法 和分布函数法。 列表法是将粉体粒度分析数据列成表格，分别计算出各粒级相对应的百分数 和累积筛下的百分数，是表示粒度分布的最简单形式。 图示法又分为直方图法( 矩形法) 和扇形法等，以直方图为例，一般横坐标 为粒径，纵坐标为颗粒数或体积百分数，各矩形纵坐标之和为1 0 0 。此法虽然 直观，但数据不够精确。 分布函数法则是在直方图法的基础上，将每个矩形的中点连接起来形成曲 线，当d - - - d d 时，就可用函数来表示其曲线。对于粒度分布的表示方式，人 们总是期望能采用某一分布函数来表示，目前最常用的、最普遍的有正态分布、 对数正态分布和r r 分布等等 s l 。 1 ) 正态分布 正态分布函数的形式如下： 4 硕士学位论文 即) = 而1 e x p ( - 圭( 等) 2 ) ( 1 2 ) 式中西为粒度平均值，盯为分布参数，其值越小，分布就越窄，反之其值越 大，分布就越宽。当仃 0 2 后，就可以视为单分散颗粒系。在自然界中除植物花 粉的粒度分布符合正态分布外，工程上绝大多数颗粒的粒度分布都是非对称的。 2 ) 对数正态分布 对数正态分布函数的形式如下： 即，= d 去吲一三c 等笋) 2 】 m 3 ) 式中历为粒度平均值，为标准偏差。生产中粉碎产品的粒度分布曲线往 往细粉偏多粗颗粒偏少从而向小颗粒一侧倾斜，大颗粒一侧形成长下摆，因此该 式适用于通过结晶或粉碎方法而得到的粉体。 3 ) r - r 分布函数 r r 分布函数的形式如下： f ( d ) = 1 0 0 e x p 一( d d c , ) 】 ( 1 - 4 ) 式中以为特征粒径，一为分布参数，其值越大，分布就越窄，反之其值越 小，分布就越宽。上式是由r o s i n 等人通过粉碎煤粉、水泥等物料实验的概率和 统计理论的研究，归纳总结得出的，适用于粉碎后细粉料和粉尘等粒度分布范围 很宽的粉体。 1 3 颗粒测量方法 随着科学技术的日益进步和发展，为了不断满足生产实践提出的关于颗粒粒 径的测量要求，测量颗粒粒度的方法以及相应仪器也在不断的完善和发展。早在 1 9 6 3 年，英国分析化学学会分析方法委员会粒度分析学会就发表了一篇十分详 尽的综述1 6 1 ，该文将粒度与比表面积的测量方法作了分类，达7 3 种之多。而据 报道，到8 0 年代已经使用和正处于研究的粒度测量方法就达到约有4 0 0 种【7 】。 就目前得到应用的各种颗粒粒度测量仪器来说，它们的种类形式虽然众多，但按 其基本工作原理，大致可分为以下几类： 5 第一章绪论 1 3 1 筛分法 筛分法【2 8 】是用一定大小筛孔的筛子将被测颗粒样品分成较粗的筛余量和较 细的筛过量两部分，是最简单的颗粒粒径测量和分级方法。早在古埃及时代就有 使用筛子的记载，而直到1 9 世纪中期，由于可以制造出高精度的筛子，筛分法 才作为一种粒径测量方法得到广泛应用 9 1 。在实际操作时，按被测样品的粒度分 布，一般选用5 到6 个不同大小筛孔的筛子一起使用，主要用于粒径较大的颗粒 测试。而筛分操作又有干筛和湿筛之分，一般以2 0 0 目( 约7 5 9 m ) 为界限，大于 2 0 0 目的颗粒一般采用干筛法，而小于2 0 0 目的颗粒一般采用湿筛法。筛孔大小 有多种表示方法，其中“目 是一般常用的表示筛孔大小的符号，表示每英寸长 度内有若干根编丝的根数，即每英寸长度上的筛孔数。目数越高，筛孔就越小， 反之亦然。 筛分法的优点在于其机理浅显直观、设备简单、成本低廉；但测量精度不高， 一般只能分辨3 0 p r o 以上的颗粒，还需避免对于脆性颗粒、针形颗粒以及易团聚 的颗粒等的测量。目前按不同的标准有多种筛系，例如美国的t y l e r 筛系和i s o ( 国际标准化组织) 筛系等。 1 3 2 显微镜法 显微镜法【2 , 1 0 不仅可以测量颗粒大小，还可以观测到颗粒的形状( 球形或不 规则形等) 、颗粒的结构状况( 实心或多孔等) 以及颗粒的表面形貌，是少数几 个能对单个颗粒同时进行观察和测量的方法。从原理上讲，显微镜属于成像法， 所观察和测量到的只是颗粒的一个平面投影图像，其粒径表述方法可以是d f 、 d m 和d 。等多种。其测试手段分人工、半自动和全自动三类，其显微方式有光学 显微镜和电子显微镜【l 。显微镜的测量下限取决于它的分辨距离，分辨距离是指 仪器能够清楚地分辨两个颗粒之间的最近距离。当两颗粒距离小于分辨距离时， 由于光的衍射现象，两者的图像会发生重叠，近似于一个颗粒而无法分辨。一般 光学显微镜，其测量下限可达0 5 p m ，应用范围为1 - - , 2 0 0 p r o ；而电子显微镜分辨 率可达到数个纳米，实际应用中，透射电子显微镜的应用范围为0 0 0 1 1 0 1 m a ， 而扫描电子显微镜的应用范围为0 0 0 5 - - - 5 0 p r o 。 显微镜法虽然可以对单个颗粒测量进行全面观察，但也带来了诸如代表性 6 硕士学位论文 差、试样制备烦琐且要求较苛刻等缺点；再者，为得到统计意义上的测量结果， 还需对尽可能多的颗粒样品进行测量，无形中使得测量时间加长，并且成套的仪 器价格昂贵。 1 3 3 库尔特法( 电感应法) 最初的由库尔特法【2 1 2 】制作的仪器是用于对血液中血球的计数，故又称为库尔 特计数器，属于颗粒计数器类型。其工作原理是使均匀分散于电解质溶液中的被 测颗粒通过一玻璃管上的, b ：f l ，小孔两边各有一电极使之构成回路。当颗粒通过 小孔时，由于颗粒的阻挡排挤了与颗粒等体积的电解液，使得小孔部位的电阻发 生变化，相应地给出一电压脉冲，且脉冲的幅值是对应于颗粒的体积以及粒径的。 这些脉冲经放大、甄别以及计算后，从数据处理结果可获取悬浮于电解质溶液中 颗粒的粒度分布。由于电感应法是对单个颗粒进行依次测量，不仅可以得到颗粒 的粒径信息，同时还可得到颗粒总数。并且其测量结果表示为一定容积中的颗粒 总数和各种不同粒径值颗粒数目各有多少，得到的是真正意义上的粒度分布，因 ? 此仪器的分辨率也相对较高。到目前为止，美国库尔特公司生产的m u l t i s i z e r 3 库尔特计数仪是公认的具有最高分辨率的粒度分析仪。 库尔特法常用来做为对其它颗粒测量方法的对比或者互相校验，甚至被一些 国家列为标准，其粒径测量范围通常在0 5 - 1 0 0 t t m 之间，在粉体工程中颗粒粒 径的测量以及清洁介质中杂质颗粒数的计量和控制等方面应用较多。为了保证每 次通过小孔的都是一个颗粒，而不会几个颗粒同时通过或发生颗粒堵塞小孔的现 象，就使得测量范围较窄，不大适合工业上的分布较宽的粉体测量。 1 3 4 沉降法 沉降法的原理是被测颗粒在均匀介质中，受重力作用的影响发生沉降，由于 颗粒大小不同沉降速度也不同，从而根据沉降时间可得到颗粒的粒度分布，该方 法可以分为重力沉降和离心沉降两大类。根据s t o k e s 定律，颗粒在介质中的沉 降速度与其粒径的平方成正比。将被测颗粒试样充分分散后，置入一定高度的沉 降槽内，通过计算不同粒径值的颗粒的沉降时间，从而可得到粒度分布。沉降天 平就是依据此原理研制而成的，它是测量通过介质沉降到盘上的沉结物随时间的 7 第一章绪论 变化，来求粒度的分布。光透式沉降粒度仪则是通过测量颗粒悬浊液的透过光量 随时间的变化，来求粒度分布。离心沉降法是对重力沉降法的改进。因为在重力 沉降中，由于微米级甚至亚微米细颗粒，其重力沉降速度很小，沉降时间过长， 且受颗粒本身布朗运动的干扰，而难以实现重力沉降。为了改变这一状况，加快 定向运动速度、缩短测量时间以及减小检测粒径，因此采用比在重力场中沉降速 度大得多的离心场。颗粒在离心场中做圆周运动，由于离心力作用，不同大小的 颗粒以不同的径向速度作离心沉降，其沉降速度与粒径的平方成正比，但因离心 加速度是重力加速度的几百倍，故不仅可大大缩短测量时间，还可使沉降法的测 量下限大大增加。重力沉降法的测量范围为l 3 0 0 0 p m ，而离心沉降法的测量范 围则扩展至为0 0 3 一- - 3 0 0 0 9 m 。 基于沉降原理的粒度仪有可能比任何基于其它原理的粒度仪的种类和型式 都要多，代表仪器有南京工业大学工程测试研究所的n s k c l 型沉降式粒度仪 【1 3 1 、日本清新公司的s k c 3 0 0 0 离心沉降式粒度仪、美国m i c r o m e s r r i c s 公 司的s e d i g 黜垤h 5 l o o 粒度仪等等。 1 3 5 光散射法 光散射法【1 1 是基于光的散射原理，即穿过纯净介质的光束将会沿直线传播， 但当纯净介质中存在颗粒时，光束经颗粒散射将向空间四周传播，而光的各个散 射参数是与颗粒的粒径密切相关的，这就为颗粒粒径的测量提供了一个尺度。光 散射法又可以分为：衍射法，角散射法，全散射法( 消光法) 和光子相关光谱法 ( 动态光散射法) 等。 1 3 5 1 衍射法 衍射法【l 】又称为小角前向散射法，其基本原理是用激光器发出一束平行单色 光照射测量区中的颗粒群，会发生光的衍射现象，并用接受透镜接受各个颗粒散 射出来的相同方向的衍射光。因为衍射散射光的强度分布是与测量区中被照射的 颗粒直径和颗粒数有关，这就为颗粒测量提供了一个尺度。由于它以激光为光源， 因此习惯上又称为激光粒度仪，是目前各种光散射式颗粒粒度仪中发展最为成 熟、应用最为广泛的一种仪器，其测量上限可达2 0 0 0 t t m 或更大，如引入侧向和 后向散射，下限可达0 0 5 1 t m 。 8 硕士学位论文 1 3 5 2 角散射法 角散射法【l 】的基本原理是在空间中某一( 或多个) 角度下采集光束遇到颗粒 后形成的散射光强度或散射光能信号，由于颗粒的散射光分布图形是与粒径有关 的，从而求得被测颗粒的粒径大小。角散射法分为两大类即单个式和群组式，二 者的主要差别在于测量区的大小。这类仪器的一个特例就是颗粒计数器，其属于 单个式，一般采用激光为光源。光束经空间滤波器改善断面上光能分布的均匀性 之后，经透镜聚集形成一细小而明亮的束腰，在束腰中定义一测量区a ，a 的容 积要足够小，使得每一瞬间只能有一个颗粒经过。相比于库尔特颗粒计数器，其 不仅能对液体介质中的，还可以对气体介质中的颗粒进行检测，适用范围更广。 有关文献也将角散射法称为经典光散射法，在环境工程、粉体工程、杂质污染控 制工程中得到了广泛应用。 1 3 5 3 动态光散射法 动态光散射法【1 】又称为光子相关光谱法，是建立在颗粒的随机热运动( 或布 朗运动) 的基础之上的。其基本原理由激光器发射一光束照射到试样测量区中的 颗粒群上会产生散射光，然后用光电倍增管在某一角度口下采集散射光。颗粒由 于布朗运动的作用，会不断地“进入一和“离开 光束，使得光电倍增管所接受 到的散射光信号不能再保持稳定，而是围绕某一平均值随时间不断地起伏涨落。 当试样的粒径较小时，布朗运动较快，散射光信号的起伏涨落也会相应地较快； 当试样的粒径较大时，布朗运动较慢，散射光信号的起伏涨落也会相地应较慢。 由此可知，散射光信号的起伏涨落中包含了被测颗粒试样粒径大小的信息。这种 仪器的测量下限只有0 0 0 3 - - 0 0 0 5 p x n ，上限为2 - 3 p r o ，在超细颗粒测量中得到很 多应用。 1 3 5 4 全散射法 全散射法与上述几种光散射法略有不同，其测量的是颗粒的非散射光信号， 即透射光信号。由于颗粒的消光作用，透射光的强度将会小于入射光的强度，这 一衰减程度反应出颗粒对入射光的消弱作用，是与颗粒粒径相关联的。该方法最 早应用于胶体化学中，如今在分析化学和粉体工程中均有应用。 纵观各种颗粒粒度测试方法，犹如百花齐放，异彩纷呈，基本上每种测试方 法都有其独特的优势及相应的适用范围。但是与前几者相比，光散射法还是比较 9 第一章绪论 新颖，并且具有一些相对独特优点的一种测量方法，它的主要优点为： ( 1 ) 适用性广，除固体颗粒外，对液滴和气泡也都同样使用，这是其他方法 无法做到的。 ( 2 ) 粒径测量范围宽广，可以测量微米至亚微米级的颗粒，这正是当今粒度 测量涉及的主要区间，而且可测的粒径范围高达6 个数量级。 ( 3 ) 测量速度快，实时性好，由于现代计算机技术的引入，试样的一次测量 ( 包括数据采集和数据处理) 可以在1 分钟，甚至更短的时间内完成。 ( 4 ) 仪器的自动化和智能化程度高，操作简单方便，测量的精度高，重复性 好。 ( 5 ) 由于光的透射性，属非接触测量，因此光散射法特别适宜于在线检测。 并且在线检测还无需采样，这不仅避免了采样中有可能产生的各种偏差，也不会 对被测对象或测量环境造成干扰，使得测量结果会更接近于真实情况。 1 4 光全散射法 光全散射法是光散射法中的一种，光散射法颗粒测量仪的型式多种多样，可 以有不同的分类方法。按仪器所接收的散射信号分，光全散射法有别于衍射法， 角散射法和光子相关光谱法，其接受的是透射光信号；按同时被测量的颗粒数分， 光全散射法有别于角散射式颗粒计数器的单粒式，是属于多粒式( 或群组式) 一 类；按采集信号模式分，光全散射法不同于光子相关光谱法的动态光散射式，属 于静态光散射法；按序列分，当光全散射法测量的是某一瞬间或某一时刻( 延续 时间很短) 一定空间内所有颗粒的粒径分布，称为空间型，与之相区别的是测量 需花费很长时间的时间型l l 】。 1 4 1 光全散射法原理 全散射法【1 1 又称浊度法或消光法( e x t i n c t i o n ) 。其基本原理是，当光束穿过 一含有被测颗粒的介质时，由于光束受到颗粒的散射和吸收作用，使该光束穿过 介质后的透射光的强度发生衰减，这一衰减程度用浊度或消光来表示，其与颗粒 的大小和数量( 浓度) 相关，即得到公式： a = ( d k ) ( 1 5 ) 1 0 硕士学位论文 式中表示浊度或消光，n 表示颗粒数量( 浓度) ，d 表示颗粒粒径值，如 表示消光系数，是与粒径值、光的波长以及物质相对折射率有关的一个量( 在第 二章中将对光全散射法求解粒径进行完整的推导) 。 这就为颗粒粒径的测量提供了一个尺度，这也是浊度法或消光法名称的来 由。 光全散射法颗粒测量装置通常是由白光光源、样品池( 器皿) 、分光系统、 光电检测系统、信号放大、a d 转换、数据采集和计算机、打印机等组成的。其 基本工作原理及结构框架如图1 1 ，图中给出了光全散射法颗粒测量仪的原则性 工作原理图。 图1 - 1 光全散射法测量原理框图 f i gl - 1b l o c kd i a g r a mo fe x t i n c t i o nm e a s u r i n gp r i n c i p l e 首先白光光源发出的光束经过分光系统成为极细的单波长光束，其照射到含 有待测颗粒的器皿或某一空间，光束通过器皿时遇到颗粒从而产生光的散射，其 散射光信号蕴含着待测颗粒粒径大小的信息。由光电检测器接受散射光信号并同 时转换成电信号，电信号在经放大器放大处理后经过接口送入计算机，计算机按 事前编制的软件对所接受的散射光信号进行处理，即可从中得到颗粒大小及分布 的信息，最后由外围设备打印输出。 1 4 2 光全散射法的发展简介 纵观全散射法的发展历程，其研究与应用经历了一个较长的时期。在光全散 射法的研究初期，由于科