CN106501137B - 一种测量颗粒球形度的激光粒度仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用激光粒度仪同时测量激光散射或衍射粒度分布与颗粒斯托克斯沉降等效粒度分布，从而导出颗粒的球形度的系统及方法。本发明突破了图像法测定球形度的老问题，创造性地提出了用两种粒度分析结果表征球形度的新思路，具体解决了用激光粒度仪同时获得两种不同原理的粒度分布结果的方法，大大扩展了激光粒度仪的使用领域，本发明操作简单实用，具有广泛实用价值。

Description

一种测量颗粒球形度的激光粒度仪及方法

技术领域

本发明涉及光学测量领域，涉及一种测量颗粒球形度的激光粒度仪及方法，尤其涉及一种采用激光粒度仪同时测量激光散射粒度分布与颗粒斯托克斯沉降等效粒度分布，从而导出颗粒的球形度的系统及方法。

背景技术

颗粒的形状参数是颗粒几何参数中最为重要的参数，在众多领域中都有着广泛的应用。传统的测量颗粒形状参数的方法有很多，例如，激光散射法、沉降法、直接观察法、筛分法等。

颗粒球形度是表征颗粒形状对球形形状偏离程度的重要几何参数，它直接影响颗粒的流动性，化学反应速度，堆积密度等，因此受到广泛关注。颗粒球形度测量与表征目前只有颗粒图像分析法，但是，图像法是二维测量法，它不可能表征三维的概念。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明充分利用了激光粒度仪的优势，创造了一种全新的测量方法，可以快速简便测量颗粒球形度，具有极大的实用价值。

本发明采用的技术方案为：

本发明的第一方面，一种测量颗粒球形度的激光粒度仪，其特征在于，包括：

激光器，其发射用于对被测颗粒进行照射的激光束；

傅里叶透镜，用于会聚光束；

样品池，用于容纳介质和被测颗粒；

光阑，用于限制光束，具有光阑孔，光阑孔的大小可调；

阵列光电探测器，用于接收经过样品池的散射光，所述的阵列光电探测器的中心有一个直径约50至200微米的透光圆孔；

颗粒浓度探测器，用于记录颗粒的浓度变化；

所述颗粒浓度探测器5置于阵列光电探测器4之后，所述光阑6靠近在样品池3上位于阵列光电探测器4方向的一侧，所述激光器9、样品池3、傅里叶透镜1、阵列光电探测器4以及颗粒浓度探测器5在光路方向上同轴设置；

颗粒的球形度Q= ds/dl，其中ds是沉降法测得的斯托克斯粒径，dl是激光散射或衍射法测得的粒径。

作为本发明的进一步改进，光束应该用光阑进行限制,但不得关闭，所述的光阑孔形状为狭缝孔或者圆形孔，所述狭缝孔的宽度或圆形孔的孔径可实现大小调节。

作为本发明的进一步改进，所述的阵列光电探测器的中心有一个直径约50至200微米的透光圆孔。

作为本发明的进一步改进，为了方便控制样品池中颗粒的运动，所述样品池一端还依次连接有循环泵和循环阀门，循环阀门的另一端与样品池连接。

作为本发明的进一步改进，所述样品池可以置于傅里叶透镜之前或者傅里叶透镜之后，所述样品池和傅里叶透镜均置于阵列光电探测器之前。

作为本发明的进一步改进，所述激光器、样品池、傅里叶透镜、阵列光电探测器以及颗粒浓度探测器在光路方向上同轴设置。

作为本发明的另一方面，一种使用测量颗粒球形度的激光粒度仪测量颗粒球形度的方法，该方法的具体步骤为：

1）使用激光粒度仪测量激光衍射或者散射的整体粒度分布，此时，样品池中的被测颗粒处于静止或循环运动状态，光阑处于完全开放状态，测得粒径为dl。

2）当步骤1中的被测颗粒为静止状态时，直接进行步骤3；当步骤1中的被测颗粒为循环运动状态时，停止循环运动后进行步骤3。

3）样品池内颗粒在重力作用下下沉，做自由沉降运动，调整光阑孔的大小，激光粒度仪利用阵列光电探测器透光圆孔透过的光能信息到达浓度探头，连续记录颗粒的浓度随时间的变化，从而测得沉降法的斯托克斯粒度分布，沉降法测得的斯托克斯粒径为ds。

4）颗粒球形度为Q= ds/dl，对两种不同的粒度测试方法获得的两种粒度分布进行分析比较，根据两种粒度分布可以得到一系列的特征粒径 ds_(i)和dl_(i)，对于对应的特征粒径应用球形度公式即可以得到一系列颗粒球形度Q_(i)= ds_(i)/dl_(i)，其中所述的i表示第i个特征粒径的序号。

作为本发明的进一步改进，根据各种颗粒的体积百分比计算颗粒群的平均球形度Q=∑Q_(i)•V_(i)， 其中V_(i)是粒度为d_(i)的颗粒体积百分比。作为本发明的进一步改进，以颗粒粒径d/μm为横坐标，V%表示纵坐标，可以根据测定的一系列的d/μm和V%值，得到两条颗粒累积分布曲线图。

作为本发明的进一步改进，所述颗粒球形度测量仪样品池3一端还依次连接有循环泵7和循环阀门8，循环阀门8的另一端与样品池3连接，所述的使样品池的颗粒停止循环运动，可以通过关闭循环泵，切断循环阀门的方式实现。

本发明达到的技术效果为：本发明突破了图像法测定球形度的老问题，创造性地提出了用两种粒度分析结果表征球形度的新思路，具体解决了用激光粒度仪同时获得两种不同原理的粒度分布结果的方法，大大扩展了激光粒度仪的使用领域，具有明显的创新性。测试结果表明本发明测得球形度与图像法具有良好的正相关。可以用于颗粒球形度的测试与表征。本发明操作简单实用，具有广泛实用价值。

附图说明

图1为激光粒度仪测球形度的示意图。

图2为颗粒累积分布图。

1.傅里叶透镜，2.激光束，3.样品池，4.阵列光电探测器，5.颗粒浓度探测器，6.光阑，7.循环泵，8.循环阀门，9.激光器，ds为沉降法测的粒径，dl为激光散射或衍射法测得的粒径，d/μm为粒径统称，V%为颗粒的体积百分比。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的第一个方面，如图1所示，

本发明提供的一种测量颗粒球形度的激光粒度仪，包括：用于发射激光的激光器；傅里叶透镜，用于会聚光束；

样品池3，用于容纳介质和被测颗粒；

优选的，样品池3一端依次连接有循环泵7和循环阀门8，循环阀门8的另一端与样品池3连接，用于控制样品池3中悬浊液的流动，循环泵7和循环阀门8协作用于控制样品池3中介质和被测样品颗粒的流动。所述的悬浊液即为介质和被测颗粒形成的液体。

光阑6，其用于限制光束，光阑6靠近在样品池3上位于阵列光电探测器4方向的一侧，所述的光阑孔形状为狭缝孔或者圆形孔，狭缝孔的宽度或圆形孔的孔径可实现大小调节。光阑位于样品池的一侧，所所的样品池的一侧指的是靠近阵列光电探测器4方向的一侧；光阑用于限制光束，但是不能关闭。光阑可以紧贴样品池，也可以与样品池之间有细小的缝隙，当移动样品池的位置时，光阑也跟随样品池一起移动。

阵列光电探测器4，用于接收经过样品池的散射光，阵列光电探测器的中心有一个透光圆孔直径约50至200微米，用于接收散射光。

颗粒浓度探测器5可以为一独立的光电探测器，散射光通过阵列光电探测器4中心的透光圆孔照射到颗粒浓度探测器5，用于测量颗粒的浓度。

另外，样品池3可以置于傅里叶透镜1之前，也可以置于傅里叶透镜1之后，但是样品池3与傅里叶透镜1都在阵列光电探测器4之前。

实施时，激光器9发射激光束2，经过傅里叶透镜之后为会聚光路，经过样品池3，样品池3中具有流动介质和被测颗粒；最后照射到阵列光电探测器4上，阵列光电探测器4的中心有一个透光圆孔直径约50至200微米，用于接收散射光，散射光经过阵列光电探测器中心的透光圆孔照射到颗粒浓度探测器5上。此时光阑6处于完全打开状态，样品池3中的被测颗粒处于静止或者循环运动状态，激光粒度仪记录颗粒的整体粒度分布，测得粒径大小。此时，样品池中的被测颗粒可以处于循环运动状态，也可以处于静止状态，可以根据实际测量情况来决定。

沉降法测量时，若样品池中颗粒循环运动，则使样品池3的颗粒停止循环运动，样品池3中的颗粒做自由沉降运动，调整光阑6狭缝或孔的大小，使狭缝或孔以中心为轴减小，激光粒度仪利用阵列光电探测器4透光圆孔透过的光能信息到达浓度探头，连续记录颗粒的浓度随时间的变化，从而测得沉降法的斯托克斯粒度分布，测得沉降法的斯托克斯粒径，测量步骤与光透法沉降粒度分析步骤相同。

优选的，可以通过关闭循环泵7，切断循环阀门8的方式使样品池3的颗粒停止循环运动。

作为本发明的另一方面，一种使用激光粒度仪测量颗粒球形度的方法，采用上述所述的测量颗粒球形度的激光粒度仪，激光粒度仪同时测量激光散射粒度分布与颗粒斯托克斯沉降等效粒度分布，从而导出颗粒的球形度。我们首先定义颗粒的球形度Q= ds/dl（公式1），其中ds是沉降法测得的斯托克斯粒径，dl是激光散射或衍射法测得的粒径。公式的具体含义为：颗粒球形度Q等于沉降法测得的斯托克斯粒径ds与激光散射或衍射法测得的粒径dl的比值。

定义的基本依据是：当颗粒为球形时，沉降阻力最小ds= dl故球形度等于1；当颗粒形状偏离球形时，颗粒下沉阻力增大，沉降速度减慢，ds小于 dl，故Q值小于1；颗粒偏离球形愈大，下沉阻力越大，沉降速度越慢，Q=ds/dl越小。

具体的测量步骤为：

1）按照激光粒度仪的使用步骤测量激光衍射或者散射的整体粒度分布，此时，样品池3中具有静止或不断循环运动的已知粘度系数μ（Pa s）和密度ρ _f （kg/m³）的沉降介质和已知密度ρ _P （kg/m³）的被测颗粒，光阑6处于完全开放状态，测得粒径为dl。

2）当步骤1中的被测颗粒为静止状态时，直接进行步骤3；当步骤1中的被测颗粒为循环运动状态时，停止循环运动后进行步骤3。

3）样品池内颗粒在重力作用下下沉，做自由沉降运动，移动光阑6的位置，调整光阑孔的大小，激光粒度仪利用阵列光电探测器透光圆孔透过的光能信息到达浓度探头，连续记录颗粒的浓度随时间的变化，从而测得沉降法的斯托克斯粒度分布，由斯托克斯沉降公式按照沉降速度可以计算颗粒大小，沉降法测得的斯托克斯粒径为ds，测量步骤与光透法测量沉降粒径方法相同。

4）颗粒球形度为Q= ds/dl，对两种不同的粒度测试方法获得的粒径进行分析比较，根据两种粒度分布可以得到一系列的特征粒径 ds_(i)和dl_(i)，对于对应的特征粒径应用球形度公式即可以得到一系列颗粒球形度Q_（i）= ds_(i)/dl_(i)，其中所述的i表示第i个特征粒径的序号，序号相同即颗粒累积体积百分比相同。所述的对应的特征粒径，指的是颗粒体积百分比相同的特征粒径。根据浓度曲线可以计算颗粒含量。

如图2所示，激光法和沉降法都获得一系列的特征粒径，如d₍₁₀₎、d₍₅₀₎、d₍₉₀₎等，根据以上定义的球形度，可以获得整个颗粒群的球形度分布，例如，Q₍₁₀₎= ds₍₁₀₎/dl₍₁₀₎、Q₍₅₀₎=ds₍₅₀₎/dl₍₅₀₎、Q₍₉₀₎= ds₍₉₀₎/dl₍₉₀₎和颗粒群的球形度统计平均值。

颗粒群的整体球形度应等于Q=∑Q_(i)•V_(i)，其中V_(i)为粒度为d_(i)的颗粒的体积百分比。

测试结果表明，本发明测得球形度与图像法具有良好的正相关。可以用于颗粒球形度的测试与表征。

如图2所示，横坐标为粒径d/μm，纵坐标为颗粒的体积百分比V%，ds为沉降法测得的粒径，dl为激光散射或衍射法测得的粒径。

本例是一种非球形颗粒，沉降法的各个特征粒径都小于激光法，根据公式1: Q=ds/dl可以计算各个特征点的球形度。

对于球形度很好的颗粒，这两条累积分布曲线是吻合的。

以上所述实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，对本发明的修改或替换，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量颗粒球形度的激光粒度仪，其特征在于，包括：

激光器（9），其发射用于对被测颗粒进行照射的激光束（2）；

傅里叶透镜（1），用于会聚光束；

样品池（3），用于容纳介质和被测颗粒；

光阑（6），用于限制光束，具有光阑孔，光阑孔的大小可调；

阵列光电探测器（4），用于接收经过样品池（3）的散射光，所述的阵列光电探测器（4）的中心有一个直径约50至200微米的透光圆孔；

颗粒浓度探测器（5），用于记录颗粒的浓度变化；

所述颗粒浓度探测器（5）置于阵列光电探测器（4）之后，所述光阑（6）靠近在样品池（3）上位于阵列光电探测器（4）方向的一侧，所述激光器（9）、样品池（3）、傅里叶透镜（1）、阵列光电探测器（4）以及颗粒浓度探测器（5）在光路方向上同轴设置；

颗粒的球形度Q= ds/dl，其中ds是沉降法测得的斯托克斯粒径，dl是激光散射或衍射法测得的粒径。

2.根据权利要求1所述的测量颗粒球形度的激光粒度仪，其特征在于，所述的光阑孔形状为狭缝孔或者圆形孔，所述狭缝孔的宽度或圆形孔的孔径可实现大小调节。

3.根据权利要求1所述的测量颗粒球形度的激光粒度仪，其特征在于，所述样品池（3）一端还依次连接有循环泵（7）和循环阀门（8），循环阀门（8）的另一端与样品池（3）连接。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的测量颗粒球形度的激光粒度仪，其特征在于，所述样品池（3）置于傅里叶透镜（1）之前或者傅里叶透镜（1）之后，所述样品池（3）和傅里叶透镜（1）均置于阵列光电探测器（4）之前。

5.一种使用权利要求1所述测量颗粒球形度的激光粒度仪测量颗粒球形度的方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

1）使用激光粒度仪测量激光衍射或者散射的整体粒度分布，此时，样品池（3）中的被测颗粒处于静止或循环运动状态，光阑（6）处于完全开放状态，测得粒径为dl；

2）当步骤1中的被测颗粒为静止状态时，直接进行步骤3；当步骤1中的被测颗粒为循环运动状态时，停止循环运动后进行步骤3；

3）样品池（3）内颗粒在重力作用下下沉，做自由沉降运动，调整光阑孔的大小，激光粒度仪利用阵列光电探测器（4）透光圆孔透过的光能信息到达浓度探头，连续记录颗粒的浓度随时间的变化，从而测得沉降法的斯托克斯粒度分布，沉降法测得的斯托克斯粒径为ds；

4）颗粒球形度为Q= ds/dl，对两种不同的粒度测试方法获得的两种粒度分布进行分析比较，根据两种粒度分布得到一系列的特征粒径 ds_(i)和dl_(i)，对于对应的特征粒径应用球形度公式即得到一系列颗粒球形度Q_（i）= ds_(i)/dl_(i)，其中所述的i表示第i个特征粒径的序号。

6.根据权利要求5所述的使用激光粒度仪测量颗粒球形度的方法，其特征在于：根据各种颗粒的体积百分比计算颗粒群的平均球形度Q=∑Q_(i)•V_(i)， 其中V_(i)是粒度为d_(i)的颗粒体积百分比。

7.根据权利要求6所述的使用激光粒度仪测量颗粒球形度的方法，其特征在于：以颗粒粒径d/μm为横坐标，颗粒的体积百分比V%表示纵坐标，根据测定的一系列的d/μm和V%值，得到两条颗粒累积分布曲线图。

8.根据权利要求5所述的使用激光粒度仪测量颗粒球形度的方法，其特征在于：所述颗粒球形度测量仪样品池（3）一端还依次连接有循环泵（7）和循环阀门（8），循环阀门（8）的另一端与样品池（3）连接，所述步骤2的使样品池（3）的颗粒停止循环运动，通过关闭循环泵（7），切断循环阀门（8）的方式实现。