CN87100685A - 原位粒径测量仪 - Google Patents

Abstract

对存在于流质中的粒子同时进行粒径分布和容积密度现场测量的粒径测量仪。其包括激光源14，激光传输装置40，校正器，第一聚焦装置64，待测粒子通过的取样通道74，第二聚焦装置78和检测装置82。其操作方式是：源14的激光通过装置40传到校正器，经校正传至装置64，经聚焦穿过通道74，在此期间，由于其内的粒子而引起散射。散射和校正光均由装置78捕集而聚集到装置82上，由其采集激光强度分布，由此光强分布导出粒径分布并由预定方程算出容积密度。

Description

本发明涉及几种测量仪表，尤其是关于特别适用于同时地有效测量存在于某种流质内的原位粒径分布和粒子的容积密度的测量仪表。

许多生产过程中的重要参数之一是粒径。因此，提供能用于有效测量粒子的仪器是先有技术方面早已为人们所共知的技术。也就是说，先有技术已具有用于实现粒子测量的各种类型的仪表实例。关于这一点，在许多情况下在用来完成对粒子的测量的技术方面存在明显的差别。这种差别的存在多半又归因于种种功能性要求-这些功能要求是与打算将这类装置用于某特定的用途相联系的。例如，就用于特殊用途的特定装置的选择来说，必须考虑的基本因素之一是构成待测粒子的物质的性质。另一个必须要考虑的因素是：在对被测粒子进行测量的时刻，被测粒子存在于其中的那种物质的性质。还有一个必须考虑的因素是：被测粒子的相对粒径。

本申请前后参照以下两个与本申请共同提交并一起转让的专利申请：一是以George    F.Shulof和Michael    J.Dimonte的名义于1986年2月12日递交的名称为“固体粉粒控制系统”的美国专利申请（序号为C850920）;另一是以Mark    P.Eramo和John    M.Holmes为名的于（    ）递交的名称为“用于原位粒径测量仪的固定和往返运动组件”的美国专利申请（序号C860010）。

迄今为止，作为实现粒子测量的、已为人们所采用的某些先有技术包括声学技术、光学计数技术、电学计数技术、淀积技术、分离技术和表面测量技术。而且，人们现已设法应用这类技术来进行粒子测量的粒子种类包括诸如血液质点（blood    particles），食物颗粒、化学微粒（chemical    particles）、矿物颗粒以及其它粒子。此外，现已设法将以上已提到的种种技术用于实现对存在于各种不同类型的流体物质中的粒子（例如形形式式的气体和液体中的粒子）进行测量。

然而遗憾的是，人们发现：迄今为止能实现上面提到目的的先有技术中可用的装置总会在某一方面或几方面显现其缺陷。因此，当人们设法将这类仪表应用于涉及生产过程、为产生与粒子尺寸相关的信息，以便能按要求完成生产过程的调节时，已不可能通过使用现有设备的结构去产生满足适时要求和/或理想精度要求的信息。也就是说，现已证明：就利用其为达及时调整生产过程的目的而论，由于这类设备需化费的时间过长和/或要求投入过多力量而使其不能产生任何有关所需粒径信息的有效的数值。这主要是基于这样一个事实：迄今可用于实现粒径测量的现有仪器是不可能作出就地测量的。因此，为利用迄今已有的现成设备，往往需要从存在要求测量的粒子的介质中收集样品，需要将此样品传送到这种用来实现粒径测量的仪器上，需利用该仪器去实施该粒径的测量过程，然后最终根据粒径测量的结果去完成生产过程所必需作出的一切调节，以便确保（从中获取待测粒子的）生产过程成功进行时，粒子所必须具有的实际尺寸。

人们已知，煤粉的燃烧就是为成功地操纵该过程而将粉粒大小作为重要考虑依据的一种形式的生产过程，（这仅是举例而并不限于此）。关于煤粉的燃烧，人们早已知道：利用煤粉作为燃料的任何蒸汽发生系统的一个基本组成部分是为使煤适用于这种用途而将煤置于其内粉碎的装置。尽管用于此目的已知装置有各种类型但尤其为人们所常用的一种用于粉碎煤块的设备是工业界通称为球磨机的机器。球磨机主要是因为煤的粉碎即研磨是在其内一个构形有点类似球形的研磨表面上进行而获此名。对于球磨机的先有形式的图示说明，可参阅美国专利3，465，971，该专利于1969年9月9日授予J.F.Dalenberg等人并转让给本发明的同一受让人。该专利包含了对球磨机的结构性能和操作方式两方面的教导，这种球磨机适用于对燃煤蒸汽发生器所用的煤进行粉碎。

煤粉的有效燃烧，特别当涉及将煤粉用作一个蒸汽发生系统中的燃料时，要求煤的粒径保持为一种特定的粒径分布。一般，对中等活性煤来说，粒径分布为：70%的粒子通过200号筛，1%通不过50号筛。对于一个典型的500（MW）兆瓦燃煤蒸汽发电厂来说，根据某种经济估价，现已确定通过增加碳的转换率（而碳的转换率又是通过维持某种特定的粒径分布可达到的），在这样规模的电厂的运行成本方面，按年度计算可能获得几十万美元的节省额。显然，就任何燃煤粉的具体的电厂而论，即使凭借着将煤粒大小维持接近于某个特定的粒径分布，其实际将获得的节省额也还要取决于下列许多因素，这些因素包括：煤的反应动力学，即，怎样使所用的特定煤的粒径易于影响燃烧效率，以及为维持最佳的煤的粒径分布，如何对球磨机进行良好控制和隔多长时间控制一次。无论如何，在每种情况下，维持煤粒的粒径分布接近于最佳分布都会导致一定的燃料节省额。

对煤的粒径分布进行较好的控制也会获得其他好处。关于这一点，从蒸汽发生器内的结渣现象会由于对煤粒大小分布的良好控制而减少的事实中得到证实。此外，在某些情况下，可利用煤粒的粒径分布对应该呈现的分布的偏差，作为一种技术维护和有助于查明与球磨机的操作有关问题的诊断，（被测煤粒的粉碎就是在该球磨机内完成的）。而且存在对球磨机的整个操作进行连续控制的可能性，这可利用所贮存的来自煤的粒径测量的信息来实现。另一种可能性是利用由煤粒的粒径分布测量特性所得到的信息，从而获得给煤管内的燃-空比的指示，正如众所周知的，来自球磨机的煤粉粒子被输送到蒸汽发生器，煤粉粒子便在蒸汽发生器里进行燃烧。

因此，现已有证据表明：就现有技术而言，需要一种新的、改进型的粒径测量仪，借助这种新仪器所体现的操作方式，使快速地获得精确的粒径测量成为可能。也就是说，事实证明：需要这样一种新的改进型粒子分析器，它能使粒径的在线测量得以实现，从而获得由这种测量导致的即时方式下的信息，而这种信息可被用来对某种以粒径作为其一个重要参数的生产过程进行有效地整体控制。即，人们要探寻一种新的改进型粒径分析仪，-从而能用来进行现场粒径分布的测量，以致当根据粒径分布的测量值而被认为必需调节时，能对某种生产过程进行调节。此外，人们已经探寻了这样一种粒径分析仪，该仪器的特点还在于：在对粒径分布进行测量的同时，还可能以此兼获现场容积密度的测量结果。

因此，本发明的一个目的是打算提供一种新的改进了的测量仪，该仪器能有效地随时获得存在于某种流体物质中的粒径的测量结果。

本发明的另一目的是提供一种新的改进了的粒径测量仪，这种仪器使得通过使用它而迅速地获得精确的粒径测量结果成为可能。

本发明的又一目的是打算提供一种新的改进了的粒径测量仪，这种仪器使得通过利用它而对存在于某种流动物质中的粒子大小进行现场测量成为可能。

本发明的又一目的是打算提供一种新的改进了的粒径测量仪，这种仪器能对存在于某种流动物质中的粒子的就地粒径分布进行测量。

本发明的又一目的是打标提供一种新的改进了的粒径测量仪，这种仪器能实现存在于某种流动物质中的粒子的容积密度的就地测量，与此同时还能对存在于某种流体物质中的粒子的粒径分布进行就地测量。

本发明的又一目的是打算提供一种新的改进了的粒径测量仪，这种仪器使得利用其产生与粒径大小有关的信息成为可能，这种信息是以足够及时的方式产生，从而可根据这个取自粒径测量结果的信息，进行整个生产过程的控制。

本发明的又一目的是打算提供一种新的改进了的粒径测量仪，这种仪器的制造和操作方面比较简单，另一方面安装也比较便宜。

根据本发明，必须具有一个特别适用于对粒径进行测量的测量仪。为此，该讨论的测量仪能同时地对存在于流动物质中的粒子的粒径分布和粒子容积密度进行测量。按讨论中的粒径测量仪的结构特点而言，基本上由两大部分构成;即一个光源部分和一个探头部分。该光源部分最好是一种氦氖激光器。光从该激光器通过一根光缆被传输到探头，此后光从光缆输出，并被空间滤光和平行校正。再使校正后的光传送到第一组聚焦透镜。该第一聚焦透镜能使校正后的光穿过一取样通道并聚焦到第二聚焦透镜上，该第二聚焦透镜设置在取样通道的一个侧面上，该侧面与第一聚焦透镜所在的通道侧面相对。在穿过取样通路的过程中，激光器的光，由于存在于取样通路中的粒子而被散射。该散射光又由第二聚焦镜会聚，并使其会聚到一个探测器上，从而使光的照度分布是由该探测器来收集的。从该探测器所接收到的光度分布能推断出粒径分布，进而利用一个特定的方程可算出容积密度。

现将附图简要说明如下：

图1是根据本发明所构成的粒径测量仪可采用的光源部分的一个实施例的侧视图;

图1a是可用于按本发明构成的粒径测量仪的光源部分另一实施例的简略说明;

图2是根据本发明构成的粒径测量仪探头部分的部分截面侧视图;

图3是沿图2中3-3线所截取的根据本发明构成的粒径测量仪的探头部分的一个横截面图;

图4是根据图2所示本发明构成的粒径测量仪大致沿其4-4线所截取的探头部分的横截面图;

图5是根据本发明构成的如图2所示粒径测量仪，沿其5-5线所截取的探头部分的一个横截面图;和

图6是一个根据本发明构成的粒径测量仪的探头部分的横截面图，说明了存在于探头部分的某些部件之间的相互关系。

现对本发明的一个最佳实施例说明如下：

参照附图，更具体地说参照其中的图1、1a和2，图中描述了一个特别适用于对存在于流体物质中的粒径分布和容积密度进行同时地和就地测量的测量仪。根据本发明的最佳实施方案，讨论中的粒径测量仪由两个主要的部分组成;即，一个光源部分，该部分在图1中用标号10标明，而另一个为探头部分，在图2中用标号12标明。

现首先来看根据本发明所构成的该粒径测量仪的光源部分10的结构特征，为此，将详细参照图1。根据本发明的最佳实施方式，本发明的粒径测量仪中的光源最好采用一个氦氖激光器，该激光器在图1中用标号14作一般表示。不必多说，虽然在此后的对本发明的粒径测量仪的说明中，将光源14描述为一种气体激光器，但也可让光源14取为半导体激光器形式，而并未脱离本发明的本质。也就是说，尽管已发现为了提供本发明的粒径测量仪，使其具有由此开始描述的操作方式而要求采用的光源必需是激光器，但为达此目的所采用的激光器的具体形式仍可为气体激光器光源或半导体激光器光源。因此，下面将参考附图1a，以说明光源部分，在此用标号10′标明的光源部分包括一个半导体激光器，该激光器适用作根据本发明构成的粒经测量仪中的光源14。

再参见附图1，正如人们参照此图而很易理解的是激光器14被设计成能整个地置于一个外壳内，在图1中，外壳用标号16表示。更具体地说，按附图中所示的外壳16包括一个底板18，一对端壁20，一个顶壁22和一对侧壁24（在图1中，只能看到一个侧壁）。正如图1所示，激光器14被设计成能安装在外壳16内，以使激光器14支撑在图1可见的支撑部件26上。支撑部件26通过任何适宜的传统型夹具，例如螺纹夹具（图中未示）被相配地夹持在底板18的内表面。为了将激光器14支撑在支撑部件26上，最好借助一个激光器夹具（在图1中用标号28表示），将激光器14夹到支撑部件26。为将激光器14夹在激光器夹具28和支撑部件26之间所需的夹持操作最好通过利用任何诸如螺纹夹具（图中未示）之类的传统型夹持装置来实现，这类夹持装置可用来实现激光器夹具28同支撑部件26的相互连接。

激光器14从一个激光器电源获得其所需能量，该电源在图1中由标号30表示。激光器电源30适于利用任何诸如螺纹夹具（图中未示）的传统型夹持装置，相配地安装在外壳16内、其底板18的内表面上。激光器电源30可采取适用于为氦氖激光器提供能量的前述目的、市场可买到的任何型号的激光器电源。如图1所示的激光器电源30借助于由图1中的标号32所示的电缆而被连到激光器14，能量即是通过该电缆从激光器电源30送至激光器14的。激光器电源30本身又通过图1中所见的电缆34连接到一个外部电源（图中未示），用于激光器电源30的能量即取自于该外部电源。为此，电缆34要穿过外壳16的一个端壁20上所规定的开口（图中未示）引出，并在此后使其通过一个导管配件36（见图1所示）。

图1中标号38所示的光纤耦合器被安置在与激光器14相隔一定距离，但对准其产生的光束处。光纤耦合器38被设计成能接收来自激光器14的光束，并使该光束耦合到图1和2中由标号40所示的光缆40。光缆40又设计成能将来自光源部分10的激光器14的光束发送到本发明粒径测量仪的探头部分12。为此要使光缆40有足够的长度，正如参照图1和2即理解的那样：以使其能从光源部分10延伸到探头部分12。用作本发明粒径测量仪内的光纤耦合器38可选取适用于上述要求并可从市场上购得的任何传统型光纤耦合器。作为举例（而不局限于此），这样一种市场上可买到又已肯定适于用作本发明粒径测量仪的光纤耦合器38的是由Newport    Research出售的F915型光纤耦合器。

正如前面已提到，图1中所描述的光源14也可采取半导体激光器形式，同时并未脱离本发明的本质。为此，可参考本文的附图1a，图中，我们可看到所描绘的光源部分10′是用由标号98所示的二极管激光器作为光源的。这样，不用说，二极管激光器98可代替（前面在关于图1所示光源部分10的结构特征的说明中已参照的）图1所示的氦氖气体激光器14，而完全起到作为根据本发明构成的粒径测量仪的光源14的相同作用。因此，再来看附图1a，根据图1a所示的光源部分10′的结构特点，从二极管激光器98发出的激光被球面透镜（图1a中用标号100表示）所接收。由球面透镜100发出的激光被传送到由图1a中的标号102所示的梯度折射率透镜，此后又传到棒状透镜（rod    lens），该棒状透镜在图1a中用标号104标识，（我们可找到）。该激光在离开棒状透镜104后，便要让其通过单模光纤传输，（后者在图1a中由标号106表示），送到本发明的粒径测量仪的探头部分12，这个传输方式类似于前面关于方法讨论中已描述的方式：由氦氖气体激光器所产生的光，即图1中的光源14是通过光缆40将光发送到本发明的粒径测量仪的探头部分12的。

下面在继续说明本发明的粒径测量仪的结构特点时，注意力将集中到它的探头部分12的结构特点上。为此将详细地参考图2。这样，正如参照图2可知：探头部分包括一个镜片外壳，该外壳在图2中普通用标号42来表示。根据本发明的最佳实施方式，该镜片外壳42最好呈现为管状部件，即管式部件，其一端44，如图2中所见那样是螺纹端，其作用尚待说明。光缆40是通过镜片外壳42的该螺纹端而使其进入探头部分12的，至于光缆40前面已读到，借助于光缆40使位于本发明粒径测量仪的光源部分10的激光器14产生的光束从光源部分10发送到探头部分12。

镜片外壳42的另一端被设计成封闭的。这是通过应用先有技术中通常称之为“冰塞”（freezeplug）的部件来完成的，（在图2中冰塞由标号46表示）。由于诸如带有图2中的标号46的冰塞的结构特征和操作方式均是众所周知的，故为了要了解本发明是无需在此详述冰塞的。只需作如下说明就够了：冰塞46包括由图2中标号48所示的第一部件，该部件被加工成所需尺寸，使其直径大于镜片外壳42的内径，从而将第一部件48以图2所描绘的方式与镜片外壳42的开口端邻接固定时，第一部件48能有效地封闭镜片外壳42的另一开口端。冰塞46还包括一个在图2中所见的第二部件50。与第一部件48相反，第二部件50被加工成的所需尺寸是使其直径小于镜片外壳42的内径（如在参照图2所见到的其右侧端的尺寸那样）以使第二部件50能以图2所描绘的形式插入镜片外壳42内。插入在第一部件48和第二部件50之间的是一种尺寸适宜的可压缩材料的本体，（该部分在图2中用标号52表示），一旦借助螺纹夹持器54和螺母56之间的压紧过程，便会在第一部件48和第二部件50之间引起压缩，从而实现可压缩物体52和镜片外壳42的内壁之间的密封。

参考附图2还可见到：光缆40在穿过光学镜片外壳42的螺纹端44而进入其内后，实际上是在通过镜片外壳42的整个长度延伸。参照图2很易理解：从图2看来光缆40的右端同一个光纤耦合器配合联系，后者在图2中用标号60表示。光纤耦合器60被设计成当来自激光器14通过光缆40传送的光束到达置于探头部分12范围内的光缆40的末端时，能使光束由此射出。正如另一端，即置于光源部分10范围内的光缆40的末端的光纤耦合器38被耦合的情况一样，任何适用于上述情况并在市场上可买到的传统型光纤耦合器均可选作为本发明粒径测量仪内的光纤耦合器。再者，作为举例（并不局限于此），现已肯定适用于本发明粒径测量仪内的一种市场上可买到的光纤耦合器是Seiko仪器公司出售的SF-1A型光纤耦合器。

来自光缆40的激光束通过光纤耦合器60去耦后，一旦从光缆40出射便被空间滤光和平行校正。之所以需要平行校正，是因为离开光缆40的激光束呈圆锥形。因此，就光线形式而论，有必要进行改变即将光缆40的出射光线会聚成平行校正后的彼此平行的光线，这点将在下面的讨论中变得更清楚。为此，置于光纤耦合器60周围的是一个校正器的外壳，该外壳在图2中以标号62表示。紧接着平行校正，激光束在第一聚焦装置上聚焦，该聚焦装置在图2中用标号64表示。根据本发明的这个最佳实施方式，第一聚焦装置64最好包括一个特别校正过的透镜-本领域的技术人员通称它为消色差透镜。

为了正确操作本发明的粒径测量仪，应将透镜64置于离开光缆40射出激光束的端部一定距离，这一点是重要的。更确切地说，根据本发明的最佳实施方式，应将透镜64置于离开光缆该端部一个焦距长度的地方。透镜64还被设计成能安装在第一透镜架/穿板装置（lensholder/bulkhead    means）内，该装置在图2中用标号66示出。进一步参照图2可知：前面已提及的校正器外壳62，按本发明所图示的实施例，本身又借助螺纹连接而被固定在相对于第一透镜架/穿板装置66的应有位置。为此，校正器外壳62和第一透镜架/穿板装置66各自均配备有许多经适当选择的螺纹数，以使它们互相配合地实现前已描述的其间的螺纹接合。最后，在参照图2中的图解说明时，显而易见：第一透镜架/穿板装置66是置于镜片外壳42的范围内，以便能在镜片外壳42范围内、其两端中间的一点上，安置一块穿板。根据附图2中所示的探头部分12的该实施例的结构特征，为有助于在镜片外壳42范围内插入第一镜透架/穿板装置66和确定正确的对齐关系，最好采用密封圈-图2可见的其中之一在67处。

为确保包含本发明的要点的粒径测量仪的良好工作状态，重要的一点是保持透镜64的干净，即不允许在其前表面（也就是图2看时的透镜64的左端），积有污染物。因此，根据本发明的最佳实施方式，最好让清洗空气流过上面提到的透镜64的前面。为此，已在第一透镜架/穿板装置66内适当地形成一个通道装置，（该装置在图2中由标号68表示），使清洗空气流过该通道。通道装置68本身又以适宜方式操作地连到一个清洗空气供应管，该供气管在图3和4中为58，供气管58又被设计成能连接（以一定的流体流动量、适用于上述目的的）清洗空气供应源。虽然根据本发明的最佳实施方式，用作清洗的流体最好是空气，但也能用其他类型的清洗流体，只要为用于这方面而选的流体具有和夹带粒子的待测流体相同的折射率。要不然，当清洗流体的折射率不同于夹带待测粒子的流体的折射率时，则通过本发明的粒径测量仪所得到的粒子测值的精度会受到有害影响。

再参照附图2可见：除了前述通道装置68外，第一透镜架/穿板装置66内也形成有一个孔，该孔可在图2的70处见到。孔70是用来实现两种功能。首先，孔70起到一个用作流过透镜64镜面的清洗流体的出口作用。其次，孔70是适当地与透镜64对中的，以使校正后的光束可在穿过孔70的方式下，通过透镜64聚焦，（此目的待述）。就孔70的尺寸而论，其尺寸是相对于激光束的直径而定的。更确切地说，孔70的直径最好稍小于激光束的直径，以使来自透镜64的光束的外侧干涉条效（the    outer    fringes）不通过孔70，（即受到限制）。

再继续说明本发明粒径测量仪的探头部分12的结构特点，正如参照附图2时所见：探头部分12包括一个第二透镜架/穿板装置，该装置在图2中用标号72表示。象前面已述的第一透镜架/穿板装置66一样，第二透镜架/穿板装置72被设计成置于镜片外壳42的范围内，以便通过第二透镜架/穿板装置72同时安置一块穿板。为此，根据附图2所示探头部分12的结构特点，最好采用密封圈（其中之一可在图2的73处见到），以有助于在确立正确的对中的同时将第二透镜架/穿板装置72插入光学镜片外壳42内。为将第二透镜架/穿板装置72以及第一透镜架/穿板装置66固定在镜片外壳42内的应有位置，可采用任何合适的传统型夹持装置（图中未示）。如参考附图2可见的那样，如此安置在镜片外壳42内的第二透镜架/穿板装置72是离开第一透镜架/穿板装置66一个适当间距的，以使其相距一个预定距离。为说明本文提出的本发明的粒经测量仪起见，将镜片壳42上形成的开口，即存在于第一透镜架/穿板装置66和第二透镜架/穿板装置72之间的空间，称之为“取样通道”，并为便于对它进行讨论时的识别，在图2中用标号74表示取样通道。为从镜片外壳42的里面来密封取样通道74，最好将图2中所见的一块密封板76固定到第一透镜架/穿板装置66和第二透镜架/穿板装置72，这可通过采用任何合适的传统型固定方法（例如通过焊接）来固定。

第二透镜架/穿板装置72，正如其名称所表明它被设计成能支承第二聚焦装置（该聚焦装置在图2中是用标号78标出）。根据本发明的最佳实施方式，第二聚焦装置78最好包括一个本领域技术人员称之为消色差透镜的专用校正透镜。由于尚待说明的一些理由，人们有意地将消色差透镜78的尺寸做得大于透镜64的尺寸。

正如本文前面已提及的透镜64的情况一样，从确保（包含本发明主题的）粒径测量仪的良好工作状态的观点出发，保持透镜78的干净同样是重要的，也就是说，不允许污染物积聚在其前表面-即，参考图2时所见的透镜78的右侧。因此，根据本发明的最佳实施方式，最好使清洗空气流过透镜78所述前表面。为此，在第二透镜架/穿板装置72内，已相应地设置有一个通道;（该通道在图2中已用标号79标出），使清洗空气通过该通道而流动。通道79又以流体流动的操作方式被有效地连接到一个适用于上述用途的清洗空气供应源。同样此处要注意的是：根据本发明的这个最佳实施方式，虽然最好采用空气作为清洗流体，但也可采用为此目的的其他类型流体，只要用于这方面的所选流体具有和夹带待测粒子的流体同样的折射率即可。否则，若清洗流体的折射率与夹带待测粒子流体的折射率不同时，则通过本发明的粒径测量仪所得到的粒子测值的精度会受到损害。

进一步论及第二透镜架/穿板装置72，按其结构特点，正如图2所示那样，它具有一个孔80（图2可见），该孔在其内是这样构成的，以使第二透镜架/穿板装置72内的孔80对准前面已述的第一透镜架/穿板装置66所相应提供的孔70，但置于取样通道74的相反侧（孔80与孔70分别置于取样通道74的相对的两侧）。并故意让孔80的尺寸大于孔70。这样做的根本原因是因孔70射出的光束穿过取样通道74后要被聚束。在穿过取样通道74的过程中，由于集中地包含该光束的光线碰到（存在于取样通道74这部分流体中的）粒子而呈散射形式，（对此，后面还要更全面地描述）。因此要将孔80的尺寸定得足以保证能将（由于碰击存在于该段取样通道74内的粒子而）被散射的光线均捕获于孔80中，并随之将通过孔80捕获的光传送到第二聚焦装置，即消色差透镜78。总之，根据本发明的最佳实施方式，要让孔80大于孔70。这是为补偿以下情况所必需：离开孔70的光线是散射的，而当这同样的光线到达孔80时，至少已被散射掉一些。关于这一点，孔80的正确尺寸是随光线被散射的程度而变的，而后者又是（由于被光线碰到而引起光线散射的）粒子大小的一个函数，而对较小程度的散射，孔80的正确尺寸被加工成体现采样通道74的尺寸的一个函数。最后，要提及的是：孔80完成了另一功能，即用作流过透镜78表面的清洗流体的一个出口。

在穿过取样通道74以后并由孔80接收的散射光，接着被传送至透镜78。透镜78被设计成收能接收该散射光并使该散射光聚焦在一个检测装置上，该检测器在图2中由标号82表示，对该检测器后面还会进一步论述。前面已提到过，透镜78被故意加工成大于透镜64。其原因基本上与孔80要大于孔70的理由相同。也就是说，通过透镜64聚焦的光线是还未遭到散射的光线，而由透镜78接收的光线则是在穿过取样通道74的过程中受到散射影响的光线。

参照附图2和5会更好了解，根据本发明的最佳实施方式，检测装置82最好采取环状样部件。环状部件82被加工成许多弧形环段，（其目的尚待描述），每段弧形环在图2和5中均用相同的标号84来表示。此外，环状部件82的中央有一个光端（optical    port）-穿过图2和5中所见到的86处而形成。

根据本发明图2所示的实施例，由其标号88所识别的检测器支架/穿板装置被用来实现环状部件82在镜片外壳42内的正确定位。为此，象前面已描述过的第一透镜架/穿板装置66和第二透镜架/穿板装置72一样，检测器支架/穿板装置88也执行双重功能。即，检测器支架/穿孔装置88用作状环状部件82固定在镜片外壳42内的应有位置的固定装置，而且检测器支架/穿板装置88还用来将一块镜片外壳42内的穿板安置在沿其长度、相隔一定距离的地方，以使（从图2看时）环状部件82位于更接近于与镜片外壳42的右侧相对的左侧。环状部件82相对于透镜78所定的正确位置是透镜78的焦距的一个函数，而透镜78的焦距又是粒径大小的一个函数，该粒径值最好通过粒径测量仪（正是本发明的主题）去测得。也就是说，透镜78的焦距（其本身规定了环状部件82的位置应离透镜78多远）确定了能利用环状部件82起作用的粒径范围。此外，在不同弧形环的段与段之间提供有径向间距，即，给环状部件82装备的弧形环84之间的径向间距是（想要利用根据本发明构成的）粒径测量仪测得的粒径值的一个函数。总之，此外欲力图达到的目的是要使环状部件82与透镜78相距的距离将确保存的在于环状部件82的各环84之间的径向间隔，对（想用本发明的粒径测量仪去测得其大小的）粒子大小来说，是个正确的间距。

存有于环状部件82的每个径向环84上的光的能量是（使激光器14所产生的光线在穿过取样通道74时引起散射的）粒子大小的一个函数。为此，光束穿过取样通道74的散射效应是使较大尺寸的粒子在位于较接近环状部件82中心，即接近环状部件82的检测器中心86的环84内产生较强的光强。反之亦然，即在离环状部件82的中心甚远，即离环状部件82的检测器中心86甚远处的环84内，则是越小的粒子产生越强的光。因此，就有可能通过在环状部件82的不同径向环84处所观测到的光强去对粒子大小作出测定。

根据本发明的最佳实施方式，确定粒子大小的这类测定是在某一位置上，而不是在本发明的粒径测量仪本身的探头部分12范围内实现的。为此，环状部件82的每个径向环84以及光端，即检测器中央86都有与其相配的多根光缆，（在图2中的90处可见）。正如本领域的技术人员所熟知的;这些光缆90的每一根被设计成能起到以简单方式去传导光的作用。光缆90的每一组是同一个已知的径向环（84）及光端，即环状部件82的检测器中央86相关联的，其另一端被连接到单独的光电二极管，光电二极管在图6中用标号92表示。也就是说，每个环84及光端，即环形部件82的检测器中央86，是通过许多光缆90而连接到独立的光电二极管92。旨在使这些光电二极管92的每一个对下述光来说能起到一个未扰动焦点的作用，所述光是指特定径向环84及光端，即，环状部件82的探测器中央86处所见到的光，（而各光电二极管92是通过光缆90中的一个特定组被连到特定径向环84及光端的）。每一个光电二极管（92）还用来产生已知形式的电流，该电流正比于在特定径向环84及光端，即环状部件82的探测器中央86处，所见到的光，而各光电二极管92是通过光缆90中的一个特定组连到环状部件82的检测器中央86的。这个电流又可根据（想要采用构成本发明内容的）粒径测量仪的具体的应用特点，使其有各种不同的使用法，对此本文后面还要论述。

再参见图6，根据该图所描绘的实施例，光电二极管92是通过采用一个电缆/二极管支架而被适当地固定在应有位置的，后者在图6中用标号93表示。再者，根据本发明的最佳实施方式，正如图6所示：光电二极管92又依次同一块SA-100放大器板（图6中95）和一个20-脚连接器（图6中用标号97表示）相互配合联系。这样，由光电二极管92产生的信号，经放大后，被设计成要从20脚连接器97馈送给任何适于如下情况的位置：在这些位置上，想要利用通过根据本发明构成的粒径测量仪所得到的与粒径有关的信息。

由于采用使散射光线被聚焦在（诸如环状部件82的）环状部件上而不是直接聚焦在光电二极管上，结果获得了若干特殊优点。其一个优点是由这样一个事实产生的，即包括诸如检测器82的检测装置的光纤检测器，而光缆90被连到该检测器，这比为让散射光直接聚焦在光电二极管时提供所需部件的成本要低。更具体地说，这里所述成本涉及到：为产生通过环状部件82和光缆90可产生的、与引起散射光线的粒径有关的相同信息时，所需提供的光电二极管的数目。由于采用了诸如图2所示、以检测器82和光缆90的方式构成的光纤检测器而得到的另一个好处是：这种光纤检测器可在本发明的粒径测量仪的镜片部分和电气部分之间建立起一道屏蔽。正由于本发明的粒径测量仪的镜片部分和电气部分的这种隔离作用，才使本发明的这种粒径测量仪可能用在如下应用场合，即夹带待测粒子的流体介质的特性使其若使用的粒径测量仪是根据本发明所构成的粒径测量仪，但其镜片部分和电气部分未被隔离的话就会产生危险的场合。

为全面说明本发明粒径测量仪的探头部分12的结构特点，按图2所示实施例的探头部分12来说，在其镜片外壳42的螺纹端44上有一个与其相配的安装法兰，该法兰在图2中由标号94表示。正如图2所示，安装法兰94最好是内螺纹，以使其能同镜片外壳42的螺纹端44进行螺纹接合，从而将安装法兰94固定到镜片外壳42。再说，通过利用安装法兰94，使本发明的粒径测量仪的探头部分12如此配置成为可能：以使探头部分12所包含的取样通道74能相对于如下的流体介质流而适当地安置，在这种流体介质中夹带着（最好通过采用本发明的粒径测量仪来测得其大小的）粒子。因此，在那些无需考虑由于探头部分12存在于流体介质流中会引起探头部分12的磨损的应用场合下，可将本发明的粒径测量仪的探头部分12持久地置于夹带着待测粒子的流体介质流中。这可通过固定安装法兰94，从而通过采用任何传统型固定装置（图中未示），例如一般螺纹夹持器（图中未示），将探头部分12固定到一个合适的支承部件（图中未示）来实现，而所述螺纹夹持器被置于图2中的开孔96内，为此，安装法兰94要配备此孔。对于那些要考虑对本发明的粒径测量仪的探头部分12的磨损因素和/或如下应用场合，即由于夹带粒子的流体介质流的宽度足以大到最好要在不同位置上对粒子进行测量，即能把探头部分12的镜片外壳42所包含的取样通道74设置在该介质流的不同点上时，则有必要使本发明粒径测量仪中的探头部分12采取周期地插入流体流和又从其内缩回的工作方式。适用于实现探头部分12的这种插入和缩回，（从而利用本发明粒径测量仪设法获得对夹带粒子的流体介质流中的取样通道74的测量值）的一种机构构成了名称为“用于原位粒径测量仪的固定和往返运动组件”，序号为（C860010）的普通转证待批美国专利申请的主题，当时该申请是与本申请均以Mark    P.Eramo和John    M.Holmes的名义同时提交（美国专利与商标局）的。

现对构成本发明主题的粒径测量仪的操作方式进行说明。为此，将仔细地参考图1、2和6。根据本发明粒径测量仪的操作方式，光从氦氖激光器14发出，通过光缆40（该光缆来自根据本发明所构成的粒径测量仪的光源部分10），被传送到该仪器的探头部分12。在探头部分12的范围内，从光缆40射出的光被空间滤光和校正。然后使校正后的光束横穿取样通道74。在横穿取样通道74的过程中，由于光碰到存在于取样通道74内的粒子而被散射。该散射光又通过透镜78会聚而使其聚焦在检测器82上。从检测器82来看的光强分布足以代表（由于碰撞而）使光被散射的粒子的大小。检测器82是使光能最适于聚在径向环84以及光端（即环状部件82的检测器中心86）处，此处对应于极限粒径值。从检测器82来的光被传送到多个光电二极管92，每个光电二极管用来产生代表（已被特定的光电二极管92所接受的）光强的电流，从该光电二极管发出该电流。从光电二极管92发出的这些电流，可以各种不同的方式加以利用。在这方面的实例（但不局限于此）如：这些电流可以信号的方式起作用，将其馈送到各种不同的装置，而这些装置本身又能对由此接收到的信号进行进一步的处理和/或分析。关于此，正如本文前面已提到的那样，可通过检测器82看到的光分布去推断存在于取样通道74内的粒子的粒径分布。另一方面，存在于取样通道74内的粒子的容积密度可通过观测到的粒子密度与观测到的光传输的拟合法来计算。对此，假设观测到的光传输是按照下列方程：T＝e^{-L∫C（λD）N（D）dD}，式中L为通道长，C为消光有效截面，λ为波长，D为微粒直径（droplet diameter）和N为粒径分布。此外，对上面提出的方程来说，微粒大小分布是利用对大粒子的夫琅荷费衍射理论和对小粒子的MIE散射理论，通过强度分布的重叠合法来计算的。

本发明粒径测量仪的一个特别适用的应用场合就是涉及对已经球磨机粉碎的煤粉粒子进行粒径测量的应用。更确切地说，本发明的粒径测量仪可同如下类型的球磨机相配合，这种球磨机被设计成要用于实现煤的粉碎，以便能根据利用本发明的粒径测量仪所获得的粒径测量值而对该球磨机的整个操作过程进行控制。利用根据本发明所构成的粒径测量仪去对球磨机的整个操作过程进行的这种控制的控制方式构成了序号为C850920的普通转让、待批美国专利申请的主题，该申请名称为“固体粉粒控制系统”，当时以George    F.Shulof和Michael    J.DiMonte的名义，与本申请同时递交。

因此，根据本发明，可提供一种能用来测得存在于某种流体物质中的粒子大小的新颖改进型测量仪。此外，本发明的粒径测量仪使得利用它去迅速地获得粒径的精确测量值成为可能。而且，根据本发明所提供的粒径测量仪使得通过使用它去对存在于某种流体物质中的粒子大小进行就地测量成为可能。再者，本发明的粒径测量仪能实现对存在于流体物质中的粒子的粒径分布进行就地测量。还有，根据本发明的粒径测量仪能在对存在于某种流体物质中的粒子的容积密度进行就地测量的同时，对存在于该流体物质中的粒子的粒径分布进行就地测量。本发明的粒径测量仪使得通过使用它去足够及时地产生与粒径相关的信息成为可能，从而可根据由该粒径测量结果导出的信息，对某个生产过程的全过程进行控制。此外，根据本发明，现已提供的粒径测量仪在制造和操作方面是比较简单的，而且装备也较便宜。

虽然本文仅图示和描述了本发明的一个实施例，但会体会到：该实施例的种种改型（前面已提及一些改型），仍可能由本领域的技术人员容易地作出。因此，我们力图通过所附权利要求书去包罗本文提及的一些改型以及落在本发明的精神实质和范围内的所有其它改型。

Claims (17)

1、用于获得(存在于某种流体物质中的)粒子大小的测量结果的粒径测量仪，其特征在于包括：

a.一个探头部分，其内形成有一个聚样通道，包含待测粒子的流动物质流过该通道；

b.一个光源，能用于产生包括多根单独光线的一束光；

c.与所述光源光学耦合的光传输装置，所述光传输装置能传输来自所述光源的光束；

d.第一聚焦装置，该装置安装在所述探头部分内，被置于所述取样通道的一个侧面上，所述第一聚焦装置被光学耦合到所述光传输装置，以便从那里接收光束，所述第一聚焦装置为如此聚集穿过所述取样通道的光束而起作用，以致当该光束穿过所述取样通道时，包含在所述取样通道内的流体物质中的粒子能够引起该光束的各光线的散射；

e.第二聚焦装置，该装置安装在所述探头部分内，被置于所述取样通道的另一侧面上并与所述第一聚焦装置对齐，所述第二聚焦装置能捕获在其穿过所述取样通道过程中被散射了的光线；和

f.检测装置，该装置被光学耦合到所述第二聚焦装置，用以接收来自第二聚焦装置的散射的和校正光线，所述检测装置能根据所接收的散射光线光强而产生与(光线穿过所述取样通道时，引起其散射的)粒子大小有关的信号。

2、如权利要求1所述的粒径测量仪，特征在于其中所述光源包括一个激光器。

3、如权利要求2所述的粒径测量仪，特征在于其中所述激光器包括一个氦氖激光器。

4、如权利要求2所述的粒径测量仪，特征在于其中所述激光器包括一个半导体激光器。

5、如权利要求2所述的粒径测量仪，特征在于其中所述光传输装置包括一根光缆。

6、如权利要求5所述的粒径测量仪，特征在于其中所述第一聚焦装置包括一个第一消色差透镜。

7、如权利要求6所述的粒径测量仪，特征在于其中所述第一聚焦装置还包括一个第一透镜支承装置，以将所述第一消色差透镜安装固定在所述探头部分内，所述第一透镜支承装置具有一个在其内形成的，通过光束的第一孔。

8、如权利要求7所述的粒径测量仪，特征在于其中所述第二聚焦装置包括一个第二消色差透镜。

9、如权利要求8所述的粒径测量仪，特征在于其中所述第二聚焦装置进一步包括一个用以将所述第二消色差透镜安装固定在所述探头部分的第二透镜支承装置，所述第二透镜支承装置具有一个在其内形成的用以接收散射光线的第二孔。

10、如权利要求9所述的粒径测量仪，特征在于其中所述第二消色差透镜比所述第一消色差透镜要大。

11、如权利要求10所述的粒径测量仪，特征在于其中所述第二孔要比所述第一孔大。

12、如权利要求11所述的粒径测量仪，特征在于其中所述检测装置包括一个其内形成有多个径向环的环状部件。

13、如权利要求12所述的粒径测量仪，特征在于其中所述检测装置也包括多组光缆，所述光缆组的每一个被光学耦合到所述环状部件的所述多个径向环之一。

14、如权利要求13所述的粒径测量仪，特征在于其中所述检测装置进一步包括多个光电二极管，所述多个光电二极管之每一个被光学耦合到所述多个光缆组之一。

15、对存在于流体物质中的粒子进行测量的方法，特征在于包括如下步骤：

a.产生包含许多单独光线的一束光;

b.对穿过包含待测粒子的流体物质（因该流体物质中的粒子而引起光束的多光线散射）的光束进行聚焦;

c.接收该散射光线;

d.将该散射光线聚焦到一个检测器上;及

e.产生根据该散射光线的光强（其对应于引起光线散射的粒子大小）的信号。

16、如权利要求15所述的对存在于流体物质中的粒子进行测量的方法，特征在于其中的光束是由氦氖激光器产生的。

17、如权利要求15所述的对存在于流体物质中的粒子进行测量的方法，特征在于其中的光束是由半导体激光器产生的。

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