CN1202412C - 沉降式激光反射像点粒度测量方法 - Google Patents

沉降式激光反射像点粒度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及颗粒测试技术。沉降式激光反射像点粒度测量方法，其特征是将激光扩束成平面光束，照射由被测颗粒组成的液固或气固混合重力沉降体系，使位于平面光束上的颗粒因反射激光，形成高光强像点，进而采用摄像和视频动态图像处理手段，获得每一个像点在铅垂方向上的运动速度，即为颗粒的沉降速度，根据Stokes沉降速度定律求出与沉降速度相对应的颗粒粒度与分布值。本发明实现了高固相浓度、快速及取样分析和在线检测均可使用的颗粒粒度与分布测量。

Description

沉降式激光反射像点粒度测量方法
技术领域
本发明涉及粉体科学与工程领域，具体涉及颗粒测试技术。
背景技术
粉体即固体颗粒的集合体。颗粒尺寸，也即粒度的大小和分布值，是关于颗粒几何特性中最为重要的参数，显著影响粉体的性能及用途，因此，对颗粒粒度和分布状况的表征也是颗粒测试技术中最重要的内容。
现有的颗粒粒度测量方法有多种，主要包括：直接观察法，如光学显微镜或电子显微镜的静态图像分析法；筛分法，如振动筛分和音波筛分发；沉降法，如比重计、比重天平、沉降天平、光透过和X光透过等重力沉降法，或光透过和X射线透过等离心力沉降法；激光法，如激光衍射、激光散射和激光光子相干法；电感应法，如小孔通过电感应法；以及光散射法、声散射法、流体透过法和吸附法等粒度测量法。此外，还包括超声波衍射法、光脉动法和消光法等粒度在线测试方法。
在以上各种粒度测量方法中，光透过重力沉降法和X光透过重力沉降法，以及激光衍射、散射法的测量原理、粒径特征和分布基准及适用范围说明如下：
光透过重力沉降法和X光透过重力沉降法，两者均以光透过被测颗粒悬浮液的光强变化，获得确定沉降高度和时间点上的悬浊液浓度变化值，由此得出颗粒的重量百分比，而与此重量百分比相对应的颗粒粒径则由Stokes沉降速度定律求出，即获得颗粒粒度与分布值。光透过重力沉降法和X光透过重力沉降法，两者的区别仅在于光源：前者是白色光，后者是白色光的自然延伸X光；两者具有共同的测量原理：测出悬浮液浓度变化获得颗粒的相对含量，通过Stokes沉降速度定律求出颗粒粒径，由此测得颗粒粒度和分布值；两者具有共同的粒径特征和分布基准：Stokes粒径，重量基准百分比；两者的测量时间较长。
激光法是以激光为光源，将小直径激光束照射到被测颗粒组成的固液(或固气)混合体系中，通过对颗粒的衍射或散射角的测量，利用Mie氏理论或Fraunhoffer理论计算颗粒的粒径，并计取所有测量颗粒的尺寸与相对数量，即获得颗粒粒度与分布值。受原理和技术条件所限，现有的激光粒度测获得方法，其衍射或散射光角只能取自激光穿透面(与激光入射面背向)，因此，激光法限于低固相浓度的粒度测量量，且测量容器的厚度受到限制，否则颗粒的衍射或散射角，将受信号接受光路上其它颗粒的折射和反射，导致衍射或散射角失真。这也使得激光法在目前的技术条件下，难以用于颗粒的在线测试。激光法测得的是等体积粒径，其分布基准为体积基准百分比；测量时间短。
发明内容
本发明的目的是：通过直接测量每一个颗粒在液体或气体中的沉降速度，获得颗粒的Stokes粒径值，实现高固相浓度、快速及取样分析和在线检测均可使用的颗粒粒度与分布测量。
本发明采用的技术方案是：沉降式激光反射像点粒度测量方法，它是将激光扩束成平面光束，照射由被测颗粒组成的液固(或气固)混合重力沉降体系，使位于平面光束上的颗粒因反射激光，形成高光强像点，进而采用摄像和视频动态图像处理手段，获得每一个像点在铅垂方向上的运动速度，即为颗粒的沉降速度，根据Stokes沉降速度定律求出与沉降速度相对应的颗粒粒度与分布值。
具体步骤为：
(1)采用市售激光器作为测量光源，激光功率5～20mW，通过直线扩束器，将激光束扩束成扇形平面光束；
(2)将被测颗粒调制成体积浓度为大于零至小于或等于10％的固液悬浊体或气溶胶，置入容量为大于零至小于或等于300ml测量容器中，器壁设有入射窗口和摄像窗口，入射窗口和摄像窗口相互之间成60度-110度夹角，壁面其它部位作光屏蔽处理；
(3)悬浊体均匀后静置，颗粒开始作重力沉降，同时平面激光束经入射窗口照射到容器中，使位于平面光束上的颗粒因反射激光，形成高光强运动像点；
(4)采用摄像装置或数码相机，通过摄像窗口获得激光反射像点的视频信号，以市售视频动态图像处理软件，获得每一个像点在铅垂方向上的运动速度，即为颗粒的重力沉降速度；
(5)根据Stokes沉降速度定律，当颗粒的密度、液体或气体的密度和粘度确定时，通过沉降速度可以计算获得Stokes粒径，并以颗粒的个数或体积为相对基准，计取所有测量颗粒的Stokes粒径所对应的相对百分数，即获得颗粒粒度与分布值。
本发明与现有的颗粒粒度测量方法相比，具有以下优点：
其一，克服现有粒度测量方法高固相浓度和快速测量不能兼顾的缺陷，即可测量高固相浓度的方法，测量速度慢；可快速测量的方法，测量浓度低。前者影响测量效率，后者给试样的缩分苛以高要求。
其二，现有粒度测量方法在原理和实际中能应用于在线检测的极少，且需要或尚处于完善阶段，本发明可以用于粒度的在线检测，其原理更为简单、可靠。
其三，与现有的光透过重力沉降法和X光透过重力沉降法相比，本发明以激光扩束平面光为光源，其光强和平面集约性提高，使颗粒的激光反射像点易于采集和背景电噪的抑制处理；本发明采用摄像和视频动态图像处理技术，通过直接获得每一个颗粒反射像点的沉降速度，来计算颗粒的Stokes粒径值，测量迅捷。而现有的沉降法，其原理是基于测量悬浊液澄清过程的浓度变化来获取粒度分布信息，导致测量时间长，尤其对微细颗粒测量时间特别冗长。
其四，与现有的激光法相比，本发明以激光扩束平面光为光源，只是为了使颗粒的激光反射像点易于采集和更有效地抑制背景电噪，而其粒径测量原理是基于对反射像点的运动速度的测量分析。因此，本发明不受现有的激光法因测取衍射或散射角而对固相浓度有严格要求的限制，测量浓度比激光法更高。
具体实施方式
本发明按以下方式具体实施：
(1)采用市售激光器作为测量光源，激光功率5～20mW，波长无特别要求，通过直线扩束器，将激光束扩束成扇形平面光束；
(2)将被测颗粒调制成体积浓度为大于零至小于或等于10％的固-液悬浊体(固-气时为气溶胶)，置入容量为大于零至小于或等于300ml测量容器中，器壁设有入射窗口和摄像窗口，入射窗口和摄像窗口相互之间成60度-110度夹角，壁面其它部位作光屏蔽处理；
(3)悬浊体均匀后静置，颗粒开始作重力沉降，同时平面激光束经入射窗口照射到容器中，使位于平面光束上的颗粒因反射激光，形成高光强运动像点；
(4)采用摄像装置或数码相机，通过摄像窗口获得激光反射像点的视频信号，以市售视频动态图像处理软件，获得每一个像点在铅垂方向上的运动速度，即为颗粒的重力沉降速度；
(5)根据Stokes沉降速度定律，当颗粒的密度、液体或气体的密度和粘度确定时，通过沉降速度可以计算获得Stokes粒径，并以颗粒的个数或体积为相对基准，计取所有测量颗粒的Stokes粒径所对应的相对百分数，即获得颗粒粒度与分布值。
整个测量过程的控制、视频与图像处理，以及粒度与分布值的计算、修正均由计算机完成。
本发明应用实例：
被测粉体：碳化硅SiC；密度：3210kg/m3；
沉降介质：水(温度20℃)；粘度：1.005×10-3Pa·S；密度；1000kg/m3；
固液体积浓度：5.5％(超声波分散3分钟)；测量容器：150ml玻璃量筒；
固体激光器：波长532nm；功率：5mw。
                           本发明测得的碳化硅SiC粒度及分布值
序号     沉降速度(μm/s)       粒度(μm) 颗粒数   相对频率(％)  负累积分布(％)
    1     0.52~0.89     0.66~0.86     33     9.12     9.12
    2     0.89~1.90     0.86~1.26     54     14.92     24.04
    3     1.90~4.05     1.26~1.84     52     14.36     38.4
    4     4.05~8.73     1.84~2.70     67     18.51     56.91
    5     8.73~18.68     2.70~3.95     75     20.72     77.62
    6     18.68~40.14     3.95~5.79     46     12.71     90.33
    7     40.14~86.09     5.79~8.48     23     6.35     96.68
    8     86.09~182.31     8.48~12.34     8     2.21     98.89
    9     182.31~397.01     12.34~18.21     3     0.83     99.72
    10     397.01~852.22     18.21~26.68     1     0.28     100
   累积     362     100

Claims (2)

1、沉降式激光反射像点粒度测量方法，其特征是具体步骤为：
(1)采用市售激光器作为测量光源，激光功率5～20mW，通过直线扩束器，将激光束扩束成扇形平面光束；
(2)将被测颗粒调制成体积浓度为大于零至小于或等于10％的固液悬浊体或气溶胶，置入容量为大于零至小于或等于300ml测量容器中，器壁设有入射窗口和摄像窗口，入射窗口和摄像窗口相互之间成60度-110度夹角，壁面其它部位作光屏蔽处理；
(3)悬浊体均匀后静置，颗粒开始作重力沉降，同时平面激光束经入射窗口照射到容器中，使位于平面光束上的颗粒因反射激光，形成高光强运动像点；
(4)采用摄像装置或数码相机，通过摄像窗口获得激光反射像点的视频信号，以市售视频动态图像处理软件，获得每一个像点在铅垂方向上的运动速度，即为颗粒的重力沉降速度；
(5)根据Stokes沉降速度定律，当颗粒的密度、液体或气体的密度和粘度确定时，通过沉降速度可以计算获得Stokes粒径，并以颗粒的个数或体积为相对基准，计取所有测量颗粒的Stokes粒径所对应的相对百分数，即获得颗粒粒度与分布值。
2、根据权利要求1所述的沉降式激光反射像点粒度测量方法，其特征是整个测量过程的控制、视频与图像处理，以及粒度与分布值的计算、修正均由计算机完成。
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