CN202101917U - 多分散颗粒系粒度分布测量装置 - Google Patents

Abstract

一种多分散颗粒系粒度分布测量装置，包括入射光路、接收光路、光电接收单元和数据处理单元，入射光路包括主光轴上的第一平面分束镜，该第一平面分束镜与主光轴成45°并形成与主光轴垂直的第一反射光轴，接收光路包括第二平面分束镜，该第二平面分束镜与主光轴成45°并形成与主光轴垂直的第二反射光轴，光电接收单元包括三光电二极管，该三光电二极管分别设置于第一反射光轴、第二反射光轴和主光轴上，数据处理单元包括计算机，其与光电接收单元连接。本实用新型具有测量精度高、结构紧凑的优点，适用于对多分散颗粒系物体的粒度分布的测量。

Description

多分散颗粒系粒度分布测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种物体粒度分布测量装置，特别涉及一种基于前向角散射光透过率测量的多分散颗粒系粒度分布测量装置。

背景技术

在物体粒度分布测量方法中，光散射式颗粒粒度测量法具有可测粒径范围宽、适用范围广、使用限制少、测量结果可靠、响应速度快等优势，在工业在线测量应用中占有主导地位。目前应用较广泛的光散射法包括有衍射散射法、全散射法和角散射法等。前向角散射光透过率测量法是角散射法的一种，近年来成为物体粒度测量领域的研究热点，其原理为：采用单色激光束照射颗粒系物体，散射光经过光阑遮光和透镜会聚后由光电二极管接收，接收光强与入射光强相比得到光透过率，在理论上光透过率与颗粒系物体粒度分布存在着确定关系，通过此关系即可反演计算得到粒度分布。此种方法具有结构简单、抗干扰能力强、操作方便等优点，并能保证足够高的测量精度。然而基于此方法的现有测量装置所存在的缺陷是：由于激光器功率波动和颗粒浓度波动容易干扰测量精度，因而装置测量精度不高；另外，装置体积庞大结构复杂，不适于在线测量。

实用新型内容

为克服现有基于前向角散射光透过率测量法的测量装置的不足，本实用新型提供一种多分散颗粒系粒度分布测量装置，其能够得到精度较高的颗粒粒度分布函数，从而具有测量精度高、结构紧凑的优点。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种多分散颗粒系粒度分布测量装置，其特征在于：所述测量装置包括入射光路、接收光路、光电接收单元和数据处理单元，所述入射光路由依次排列在同一主光轴上的光源、第一平面分束镜和样品池组成，该第一平面分束镜与主光轴成45°并形成与主光轴垂直的第一反射光轴，所述接收光路沿所述主光轴设于所述入射光路之后且由依次排列的转盘、会聚透镜、第二平面分束镜和窄带滤波器组成，该转盘为不透光的旋转体，上面设有当其旋转时能够横穿过所述主光轴的若干透光光阑，该第二平面分束镜与主光轴成45°并形成与主光轴垂直的第二反射光轴，所述光电接收单元由三光电二极管和A/D转换器组成，该三光电二极管分别设置于第一反射光轴、第二反射光轴和主光轴上，该A/D转换器同时与该三光电二极管连接，所述数据处理单元由计算机和与之连接的打印机组成，该计算机中预装有数据采集软件和拟合计算软件，其与所述A/D转换器连接。

本实用新型所述多分散颗粒系粒度分布测量装置的转盘为圆盘体，其位置与所述主光轴偏心且由直流电机驱动旋转，转速为10rps，所述若干透光光阑数量为8个，其绕该转盘轴心对称分布，该8个透光光阑的直径分别为5.0mm、7.6mm、11.7mm、17.3mm、26.0mm、39.5mm、59.5mm和75.0mm；所述三光电二极管为第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管，该第一光电二极管设置于第一反射光轴上且面对所述第一平面分束镜，该第二光电二极管设置于第二反射光轴上且面对所述第二平面分束镜，该第三光电二极管设置于主光轴上且面对所述窄带滤波器；所述光源为Ar⁺激光器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型设有第一平面分束镜、第一光电二极管以及第二平面分束镜、第二光电二极管，分别形成了第一反射光轴和第二反射光轴，因此在传统的前向角散射光透过率测量装置结构只具有一个光强接收主通道的基础上，增加了一光强接收参考通道和一光强接收辅助通道。三个通道同时测量，最后通过比值得到相对量，从而最大限度地减小了激光器功率波动和颗粒浓度波动对测量精度造成的影响；并且光源采用Ar⁺激光器，其单色性好、寿命长、功率稳定，另外采用光电二极管作为光电接收器件，其量子效率高、测量精度高、响应速度快；因此，所述多分散颗粒系粒度分布测量装置具有测量精度高、性能稳定可靠的优点。

2、本实用新型的光路部分均采用普通光学器件，无需花费过多精力调试光路，部件发生损坏时替换方便，因此，所述多分散颗粒系粒度分布测量装置具有结构紧凑、操作简便、成本低廉且易于维护的优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图中，

1光源，2第一平面分束镜，3第一光电二极管，4样品池，5转盘，6直流电机，7会聚透镜，8第二平面分束镜，9第二光电二极管，10窄带滤波器，11第三光电二极管，12A/D转换器，13计算机，14打印机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

请参阅图1本实用新型的结构示意图，图示多分散颗粒系粒度分布测量装置包括入射光路、接收光路、光电接收单元和数据处理单元。

所述入射光路由光源1、第一平面分束镜2和样品池3组成，它们依次排列在同一主光轴上。所述光源1为Ar⁺激光器，其能够发出测量主光束。所述第一平面分束镜2与主光轴成45°，从而形成与主光轴垂直的第一反射光轴，主光束被第一平面分束镜2反射的部分沿该第一反射光轴形成反射光束，成为光强接收参考通道。

所述接收光路沿所述主光轴设于所述入射光路之后，其由依次排列的转盘5、会聚透镜7、第二平面分束镜8和窄带滤波器10组成。所述转盘5为不透光的旋转体，上面设有当其旋转时能够横穿过所述主光轴的若干透光光阑；本实施例中，该转盘5为一圆盘体，其位置与所述主光轴偏心，并且由直流电机6驱动旋转，转速为10rps；该若干透光光阑数量为8个，其绕该转盘5轴心对称分布，该8个透光光阑的直径分别为5.0mm、7.6mm、11.7mm、17.3mm、26.0mm、39.5mm、59.5mm和75.0mm。所述第二平面分束镜8与主光轴成45°并形成与主光轴垂直的第二反射光轴，主光束被第二平面分束镜8反射的部分沿该第二反射光轴形成反射光束，成为光强接收辅助通道。

所述光电接收单元由三光电二极管和A/D转换器12组成，该三光电二极管分别设置于第一反射光轴、第二反射光轴和主光轴上。本实施例中，所述三光电二极管为第一光电二极管3、第二光电二极管9和第三光电二极管11；该第一光电二极管3设置于第一反射光轴上且面对所述第一平面分束镜2，其接收参考反射光束；该第二光电二极管9设置于第二反射光轴上且面对所述第二平面分束镜8，其接收辅助反射光束；该第三光电二极管设置于主光轴上且面对所述窄带滤波器10，其接收主光束。所述A/D转换器12同时与该三光电二极管3、9和11连接，将之输出的模拟信号转换为数字信号。

所述数据处理单元由计算机13和打印机14组成，该打印机14与所述计算机13连接，该计算机13中预装有数据采集软件和拟合计算软件，其同时与所述A/D转换器12连接以接收来自该A/D转换器12的数据。

本实用新型所述多分散颗粒系粒度分布测量装置的操作步骤为：

1)打开光源1预热激光器，调整光路实现对准；调整两块平面分束镜2和8的角度，使反射光转过90°，分别由光电二极管3和9接收；主光束由光电二极管11接收。

2)样品池4中不放被测颗粒系物体，开启直流电机6，使转盘5以10rps的速度旋转，8个透光光阑依次通过主光轴；光电二极管11、3和9分别接收光强信号，记为

和

通过A/D转换器12转换后由计算机13中数据采集软件采集；其中i＝1，2，...8，为孔径光阑序号；5秒钟后关闭电机电源，同时停止数据采集。

3)样品池4中放入被测颗粒系物体悬浮液，开启直流电机6，使转盘5以10rps的速度旋转；光电二极管11、3和9接收光强信号，记为I_bi、I_ri和I_ai，通过A/D转换器12转换后由计算机13中数据采集软件采集；5秒钟后关闭电机电源，同时停止数据采集。

4)由上述2)、3)两步得到的两组数据计算测量值q^meas(θ_di)，表达式为

$q^{\mathrm{meas}}\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{di}}\right)=\frac{\ln [(I_{\mathrm{bi}}^0/I_{\mathrm{ri}}^0)/(I_{\mathrm{bi}}/I_{\mathrm{ri}})]}{\ln [(I_{\mathrm{ai}}^0/I_{\mathrm{ri}}^0)/(I_{\mathrm{ai}}/I_{\mathrm{ri}})]}---\left(1\right)$

其中θ_di为第i个透光光阑对准主光轴时，可以到达光电二极管11、3和9的散射光的最大散射角。又有光透过率表达式

T＝I/I₀＝exp(-τ)(3)

其中τ＝N_pσ(θ_d)l，N_p为颗粒数量浓度，l为样品池4沿光轴的几何厚度，σ(θ_d)为积分截面，有表达式

$\mathrm{\σ}\left({\mathrm{\θ}}_d\right)={\∫}_0^{\∞}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ext}}f\left(r\right)\mathrm{dr}-\frac{1}{2}{\∫}_0^{\∞}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sca}}f\left(r\right)\mathrm{dr}{\∫}_0^{{\mathrm{\θ}}_d}{p}_{\mathrm{\θ}}\sin \mathrm{\θd\θ}$

p_θ为散射相位函数，σ_ext＝σ_sca+σ_abs为消光截面，σ_sca为散射截面，f(r)为颗粒粒度分布。

则相对积分截面定义为

$q^{\mathrm{calc}}\left({\mathrm{\θ}}_d\right)=\mathrm{\σ}\left({\mathrm{\θ}}_d\right)/{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{\mathrm{ext}}---\left(4\right)$

其中

为颗粒系的平均散射截面，表达式为

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{\mathrm{ext}}={\∫}_0^{\∞}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ext}}\left(r\right)\mathrm{dr}---\left(5\right)$

假定多分散颗粒系服从某一分布(如R-R分布、正态分布或对数正态分布等)，计算机13通过拟合计算软件对(1)、(4)两式进行最小二乘拟合，即可得到颗粒系粒度分布函数f(r)。

Claims (4)

1.一种多分散颗粒系粒度分布测量装置，其特征在于：所述测量装置包括入射光路、接收光路、光电接收单元和数据处理单元，所述入射光路由依次排列在同一主光轴上的光源、第一平面分束镜和样品池组成，该第一平面分束镜与主光轴成45°并形成与主光轴垂直的第一反射光轴，所述接收光路沿所述主光轴设于所述入射光路之后且由依次排列的转盘、会聚透镜、第二平面分束镜和窄带滤波器组成，该转盘为不透光的旋转体，上面设有当其旋转时能够横穿过所述主光轴的若干透光光阑，该第二平面分束镜与主光轴成45°并形成与主光轴垂直的第二反射光轴，所述光电接收单元由三光电二极管和A/D转换器组成，该三光电二极管分别设置于第一反射光轴、第二反射光轴和主光轴上，该A/D转换器同时与该三光电二极管连接，所述数据处理单元由计算机和与之连接的打印机组成，该计算机中预装有数据采集软件和拟合计算软件，其与所述A/D转换器连接。

2.根据权利要求1所述的多分散颗粒系粒度分布测量装置，其特征在于：所述转盘为圆盘体，其位置与所述主光轴偏心且由直流电机驱动旋转，转速为10rps，所述若干透光光阑数量为8个，其绕该转盘轴心对称分布，该8个透光光阑的直径分别为5.0mm、7.6mm、11.7mm、17.3mm、26.0mm、39.5mm、59.5mm和75.0mm。

3.根据权利要求1或2所述的多分散颗粒系粒度分布测量装置，其特征在于：所述三光电二极管为第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管，该第一光电二极管设置于第一反射光轴上且面对所述第一平面分束镜，该第二光电二极管设置于第二反射光轴上且面对所述第二平面分束镜，该第三光电二极管设置于主光轴上且面对所述窄带滤波器。

4.根据权利要求3所述的多分散颗粒系粒度分布测量装置，其特征在于：所述光源为Ar⁺激光器。

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