本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種測(cè)量顆粒球形度的系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種采用激光粒度儀同時(shí)測(cè)量激光散射粒度分布與顆粒斯托克斯沉降等效粒度分布，從而導(dǎo)出顆粒的球形度的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

顆粒的形狀參數(shù)是顆粒幾何參數(shù)中最為重要的參數(shù)，在眾多領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的測(cè)量顆粒形狀參數(shù)的方法有很多，例如，激光散射法、沉降法、直接觀察法、篩分法等。

顆粒球形度是表征顆粒形狀對(duì)球形形狀偏離程度的重要幾何參數(shù)，它直接影響顆粒的流動(dòng)性，化學(xué)反應(yīng)速度，堆積密度等，因此受到廣泛關(guān)注。顆粒球形度測(cè)量與表征目前只有顆粒圖像分析法，但是，圖像法是二維測(cè)量法，它不可能表征三維的概念。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明充分利用了激光粒度儀的優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)造了一種全新的測(cè)量方法，可以快速簡(jiǎn)便測(cè)量顆粒球形度，具有極大的實(shí)用價(jià)值。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

本發(fā)明的第一方面，一種使用激光粒度儀測(cè)量顆粒球形度的系統(tǒng)，其特征在于，該測(cè)量系統(tǒng)包括：

激光器，其發(fā)射用于對(duì)被測(cè)顆粒進(jìn)行照射的激光束；

傅里葉透鏡，用于會(huì)聚光束；

樣品池，用于容納介質(zhì)和被測(cè)顆粒；

光闌，用于限制光束，具有光闌孔；

陣列光電探測(cè)器，用于接收經(jīng)過(guò)樣品池的散射光；

顆粒濃度探測(cè)器，用于記錄顆粒的濃度變化。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，光束應(yīng)該用光闌進(jìn)行限制,但不得關(guān)閉，所述光闌靠近在樣品池上位于陣列光電探測(cè)器方向的一側(cè)；所述的光闌孔形狀為狹縫孔或者圓形孔，所述狹縫孔的寬度或圓形孔的孔徑可實(shí)現(xiàn)大小調(diào)節(jié)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的陣列光電探測(cè)器的中心有一個(gè)直徑約50至200微米的透光圓孔。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，為了方便控制樣品池中顆粒的運(yùn)動(dòng)，所述樣品池一端還依次連接有循環(huán)泵和循環(huán)閥門，循環(huán)閥門的另一端與樣品池連接。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述樣品池可以置于傅里葉透鏡之前或者傅里葉透鏡之后，所述樣品池和傅里葉透鏡均置于陣列光電探測(cè)器之前。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述激光器、樣品池、傅里葉透鏡、陣列光電探測(cè)器以及顆粒濃度探測(cè)器在光路方向上同軸設(shè)置。

作為本發(fā)明的另一方面，一種使用激光粒度儀測(cè)量顆粒球形度的方法，該方法的具體步驟為：

1）使用激光粒度儀測(cè)量激光衍射或者散射的整體粒度分布，此時(shí)，樣品池中的被測(cè)顆粒處于靜止或循環(huán)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，光闌處于完全開(kāi)放狀態(tài)，測(cè)得粒徑為dl。

2）當(dāng)步驟1中的被測(cè)顆粒為靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，直接進(jìn)行步驟3；當(dāng)步驟1中的被測(cè)顆粒為循環(huán)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，停止循環(huán)運(yùn)動(dòng)后進(jìn)行步驟3。

3）樣品池內(nèi)顆粒在重力作用下下沉，做自由沉降運(yùn)動(dòng)，調(diào)整光闌孔的大小，激光粒度儀利用光電探測(cè)器陣列中心孔透過(guò)的光能信息到達(dá)濃度探頭，連續(xù)記錄顆粒的濃度隨時(shí)間的變化，從而測(cè)得沉降法的斯托克斯粒度分布，沉降法測(cè)得的斯托克斯粒徑為ds。

4）顆粒球形度為Q= ds/dl，對(duì)兩種不同的粒度測(cè)試方法獲得的兩種粒度分布進(jìn)行分析比較，根據(jù)兩種粒度分布可以得到一系列的特征粒徑 ds_(i)和dl_(i)，對(duì)于對(duì)應(yīng)的特征粒徑應(yīng)用球形度公式即可以得到一系列顆粒球形度Q_(i)= ds_(i)/dl_(i)，其中所述的i表示第i個(gè)特征粒徑的序號(hào)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，根據(jù)各種顆粒的體積百分比計(jì)算顆粒群的平均球形度Q=∑Q_(i)?V_(i)， 其中V_(i)是粒度為d_(i)的顆粒體積百分比。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，以顆粒粒徑d/μm為橫坐標(biāo)，V%表示縱坐標(biāo)，可以根據(jù)測(cè)定的一系列的d/μm和V%值，得到兩條顆粒累積分布曲線圖。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的使樣品池的顆粒停止循環(huán)運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)關(guān)閉循環(huán)泵，切斷循環(huán)閥門的方式實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明達(dá)到的技術(shù)效果為：本發(fā)明突破了圖像法測(cè)定球形度的老問(wèn)題，創(chuàng)造性地提出了用兩種粒度分析結(jié)果表征球形度的新思路，具體解決了用激光粒度儀同時(shí)獲得兩種不同原理的粒度分布結(jié)果的方法，大大擴(kuò)展了激光粒度儀的使用領(lǐng)域，具有明顯的創(chuàng)新性。測(cè)試結(jié)果表明本發(fā)明測(cè)得球形度與圖像法具有良好的正相關(guān)。可以用于顆粒球形度的測(cè)試與表征。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單實(shí)用，具有廣泛實(shí)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1為激光粒度儀測(cè)球形度的示意圖。

圖2為顆粒累積分布圖。

1.傅里葉透鏡，2.激光束，3.樣品池，4.陣列光電探測(cè)器，5.顆粒濃度探測(cè)器，6.光闌，7.循環(huán)泵，8.循環(huán)閥門，9.激光器，ds為沉降法測(cè)的粒徑，dl為激光散射或衍射法測(cè)得的粒徑，d/μm為粒徑統(tǒng)稱，V%為顆粒的體積百分比。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明的第一個(gè)方面，如圖1所示，

本發(fā)明提供的一種使用激光粒度儀測(cè)量顆粒球形度的系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)包括：用于發(fā)射激光的激光器；傅里葉透鏡，用于會(huì)聚光束；

樣品池3，用于容納介質(zhì)和被測(cè)顆粒；

優(yōu)選的，樣品池3一端依次連接有循環(huán)泵7和循環(huán)閥門8，循環(huán)閥門8的另一端與樣品池3連接，用于控制樣品池3中懸濁液的流動(dòng)，循環(huán)泵7和循環(huán)閥門8協(xié)作用于控制樣品池3中介質(zhì)和被測(cè)樣品顆粒的流動(dòng)。所述的懸濁液即為介質(zhì)和被測(cè)顆粒形成的液體。

光闌6，其用于限制光束，光闌6靠近在樣品池3上位于陣列光電探測(cè)器4方向的一側(cè)，所述的光闌孔形狀為狹縫孔或者圓形孔，狹縫孔的寬度或圓形孔的孔徑可實(shí)現(xiàn)大小調(diào)節(jié)。光闌位于樣品池的一側(cè)，所所的樣品池的一側(cè)指的是靠近陣列光電探測(cè)器4方向的一側(cè)；光闌用于限制光束，但是不能關(guān)閉。光闌可以緊貼樣品池，也可以與樣品池之間有細(xì)小的縫隙，當(dāng)移動(dòng)樣品池的位置時(shí)，光闌也跟隨樣品池一起移動(dòng)。

陣列光電探測(cè)器4，用于接收經(jīng)過(guò)樣品池的散射光，陣列光電探測(cè)器的中心有一個(gè)透光圓孔直徑約50至200微米，用于接收散射光。

顆粒濃度探測(cè)器5可以為一獨(dú)立的光電探測(cè)器，散射光通過(guò)陣列光電探測(cè)器4中心的透光圓孔照射到顆粒濃度探測(cè)器5，用于測(cè)量顆粒的濃度。

另外，樣品池3可以置于傅里葉透鏡1之前，也可以置于傅里葉透鏡1之后，但是樣品池3與傅里葉透鏡1都在陣列光電探測(cè)器4之前。

實(shí)施時(shí)，激光器9發(fā)射激光束2，經(jīng)過(guò)傅里葉透鏡之后為會(huì)聚光路，經(jīng)過(guò)樣品池3，樣品池3中具有流動(dòng)介質(zhì)和被測(cè)顆粒；最后照射到陣列光電探測(cè)器4上，陣列光電探測(cè)器4的中心有一個(gè)透光圓孔直徑約50至200微米，用于接收散射光，散射光經(jīng)過(guò)陣列光電探測(cè)器中心的透光圓孔照射到顆粒濃度探測(cè)器5上。此時(shí)光闌6處于完全打開(kāi)狀態(tài)，樣品池3中的被測(cè)顆粒處于靜止或者循環(huán)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，激光粒度儀記錄顆粒的整體粒度分布，測(cè)得粒徑大小。此時(shí)，樣品池中的被測(cè)顆?？梢蕴幱谘h(huán)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也可以處于靜止?fàn)顟B(tài)，可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量情況來(lái)決定。

沉降法測(cè)量時(shí)，若樣品池中顆粒循環(huán)運(yùn)動(dòng)，則使樣品池3的顆粒停止循環(huán)運(yùn)動(dòng)，樣品池3中的顆粒做自由沉降運(yùn)動(dòng)，調(diào)整光闌6狹縫或孔的大小，使狹縫或孔以中心為軸減小，激光粒度儀利用光電探測(cè)器陣列4中心孔透過(guò)的光能信息到達(dá)濃度探頭，連續(xù)記錄顆粒的濃度隨時(shí)間的變化，從而測(cè)得沉降法的斯托克斯粒度分布，測(cè)得沉降法的斯托克斯粒徑，測(cè)量步驟與光透法沉降粒度分析步驟相同。

優(yōu)選的，可以通過(guò)關(guān)閉循環(huán)泵7，切斷循環(huán)閥門8的方式使樣品池3的顆粒停止循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

作為本發(fā)明的另一方面，一種使用激光粒度儀測(cè)量顆粒球形度的方法，采用上述所述的使用激光粒度儀測(cè)量顆粒球形度的系統(tǒng)，激光粒度儀同時(shí)測(cè)量激光散射粒度分布與顆粒斯托克斯沉降等效粒度分布，從而導(dǎo)出顆粒的球形度。我們首先定義顆粒的球形度Q= ds/dl（公式1），其中ds是沉降法測(cè)得的斯托克斯粒徑，dl是激光散射或衍射法測(cè)得的粒徑。公式的具體含義為：顆粒球形度Q等于沉降法測(cè)得的斯托克斯粒徑ds與激光散射或衍射法測(cè)得的粒徑dl的比值。

定義的基本依據(jù)是：當(dāng)顆粒為球形時(shí)，沉降阻力最小ds= dl故球形度等于1；當(dāng)顆粒形狀偏離球形時(shí)，顆粒下沉阻力增大，沉降速度減慢，ds小于 dl，故Q值小于1；顆粒偏離球形愈大，下沉阻力越大，沉降速度越慢，Q=ds/dl越小。

具體的測(cè)量步驟為：

1）按照激光粒度儀的使用步驟測(cè)量激光衍射或者散射的整體粒度分布，此時(shí)，樣品池3中具有靜止或不斷循環(huán)運(yùn)動(dòng)的已知粘度系數(shù)μ（Pa s）和密度ρ_f（kg/m³）的沉降介質(zhì)和已知密度ρ_P（kg/m³）的被測(cè)顆粒，光闌6處于完全開(kāi)放狀態(tài)，測(cè)得粒徑為dl。

2）當(dāng)步驟1中的被測(cè)顆粒為靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，直接進(jìn)行步驟3；當(dāng)步驟1中的被測(cè)顆粒為循環(huán)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，停止循環(huán)運(yùn)動(dòng)后進(jìn)行步驟3。

3）樣品池內(nèi)顆粒在重力作用下下沉，做自由沉降運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)光闌6的位置，調(diào)整光闌孔的大小，激光粒度儀利用光電探測(cè)器陣列中心孔透過(guò)的光能信息到達(dá)濃度探頭，連續(xù)記錄顆粒的濃度隨時(shí)間的變化，從而測(cè)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計(jì)算顆粒大小，沉降法測(cè)得的斯托克斯粒徑為ds，測(cè)量步驟與光透法測(cè)量沉降粒徑方法相同。

4）顆粒球形度為Q= ds/dl，對(duì)兩種不同的粒度測(cè)試方法獲得的粒徑進(jìn)行分析比較，根據(jù)兩種粒度分布可以得到一系列的特征粒徑 ds_(i)和dl_(i)，對(duì)于對(duì)應(yīng)的特征粒徑應(yīng)用球形度公式即可以得到一系列顆粒球形度Q_（i）= ds_(i)/dl_(i)，其中所述的i表示第i個(gè)特征粒徑的序號(hào)，序號(hào)相同即顆粒累積體積百分比相同。所述的對(duì)應(yīng)的特征粒徑，指的是顆粒體積百分比相同的特征粒徑。根據(jù)濃度曲線可以計(jì)算顆粒含量。

如圖2所示，激光法和沉降法都獲得一系列的特征粒徑，如d₍₁₀₎、d₍₅₀₎、d₍₉₀₎等，根據(jù)以上定義的球形度，可以獲得整個(gè)顆粒群的球形度分布，例如，Q₍₁₀₎= ds₍₁₀₎/dl₍₁₀₎、Q₍₅₀₎= ds₍₅₀₎/dl₍₅₀₎、Q₍₉₀₎= ds₍₉₀₎/dl₍₉₀₎和顆粒群的球形度統(tǒng)計(jì)平均值。

顆粒群的整體球形度應(yīng)等于Q=∑Q_(i)?V_(i)，其中V_(i)為粒度為d_(i)的顆粒的體積百分比。

測(cè)試結(jié)果表明，本發(fā)明測(cè)得球形度與圖像法具有良好的正相關(guān)?？梢杂糜陬w粒球形度的測(cè)試與表征。

如圖2所示，橫坐標(biāo)為粒徑d/μm，縱坐標(biāo)為顆粒的體積百分比V%，ds為沉降法測(cè)得的粒徑，dl為激光散射或衍射法測(cè)得的粒徑。

本例是一種非球形顆粒，沉降法的各個(gè)特征粒徑都小于激光法，根據(jù)公式1: Q=ds/dl可以計(jì)算各個(gè)特征點(diǎn)的球形度。

對(duì)于球形度很好的顆粒，這兩條累積分布曲線是吻合的。

以上所述實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，并不限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，對(duì)本發(fā)明的修改或替換，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。