光脈動(dòng)譜法測量顆粒的粒徑濃度

1、 光脈動(dòng)譜法測量顆粒的粒徑與濃度摘要近年來，在線測量顆粒的粒徑和濃度的研究，在國內(nèi)外一直很火熱，而且這些研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。通過在線測量，就可以對直吹式制粉系統(tǒng)中的煤粉運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測，其次，液體物化在工業(yè)生產(chǎn)過程中十分的普遍，研究兩相流中的顆粒粒徑與濃度的分布，對工業(yè)生產(chǎn)流程十分的重要。在該文中簡要介紹光脈動(dòng)譜法的研究背景、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、以及在論述光脈動(dòng)譜法中涉及到的一些基本的知識。例如，光散射的幾個(gè)基本概念，Mie理論等。其次，論述了一種精確的測量消光系數(shù)的方法-利用消光曲線的擬合。最后對光脈動(dòng)譜法的基本原理、應(yīng)用條件、以及與傳統(tǒng)測量顆粒粒徑與濃度的方法進(jìn)行比較，突出顯示了光脈動(dòng)譜法

2、測量范圍廣、簡單、可靠的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：曲線擬合，消光法，光脈動(dòng)法，光脈動(dòng)譜法清華大學(xué)2012屆畢業(yè)論文 ThelightpulsespectrummethodformeasuringthesizeandconcentrationoftheparticlessummaryInrecentyears,theonlinemeasurementparticlessizeandconcentrationofthestudy,inthedomesticandinternationalhasbeenveryhot.Andtheseresearchisverysignificant.Throughtheonl

3、inemeasurement,wecantodirectblowingpulverizingsystemofpulverizedcoaloperationalstatusdetection,Second,chemicalliquidinindustrialproductionprocessisverypopular.Studyofthetwophaseflowparticlesizeandconcentrationdistribution,Onindustrialproductionprocessisveryimportant.Intheessaybrieflyintroducedthelig

4、htpulsespectrummethodresearchbackground,thedomesticandforeigndevelopmentpresentsituation,anddiscussedinthelightpulsespectrummethodinvolvedwithsomebasicknowledge.Forexample,lightscattering,severalbasicconcept,Mietheory.Second,discussesanaccuratemeasurementofextinctioncoefficientmethod,usingtheextinct

5、ionofcurvefitting.Thelastofthelightpulsespectrummethodbasicprinciple,applicationconditions,andthetraditionalmeasuringmethodofparticlesizeandconcentration,comparedtohighlightthelightpulsespectrummethodformeasuringrange,simpleandreliableadvantage.Keywords:thecurvefitting,extinctionmethodoflight,pulsel

6、ight,pulsespectrummethod清華大學(xué)2012屆畢業(yè)論文目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 1緒論1 HYPERLINK l bookmark10 1.1研究背景1 HYPERLINK l bookmark12 1.2國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀2 HYPERLINK l bookmark14 1.3傳統(tǒng)測量顆粒粒徑與濃度的方法、特點(diǎn)31.3.1篩分法31.3.2顯微鏡方法31.3.3沉降法31.3.4庫爾特法41.3.5光學(xué)測量方法5 HYPERLINK l bookmark16 1.4本課題研究的目的與意義6 HYPERLINK l bookm

7、ark18 1.5論文的主要內(nèi)容及工作7 HYPERLINK l bookmark20 2光脈動(dòng)譜法測量中運(yùn)用的一些基本概念8 HYPERLINK l bookmark22 2.1顆粒粒徑的當(dāng)量表示82.1.1顆粒群的粒度分布10 HYPERLINK l bookmark24 2.2光散射的幾個(gè)基本概念10 HYPERLINK l bookmark26 2.3Mie理論簡介12 HYPERLINK l bookmark28 2.4消光系數(shù)曲線13 HYPERLINK l bookmark30 2.4.1消光系數(shù)曲線的特點(diǎn)及目前算法的不足142.4.2擬合消光系數(shù)曲線15 HYPERLINK l

8、 bookmark32 2.5透射光信號與顆粒數(shù)之間的關(guān)系17 HYPERLINK l bookmark34 2.6小結(jié)18 HYPERLINK l bookmark36 3測量顆粒粒徑與尺寸的基本原理及比較19 HYPERLINK l bookmark38 3.1消光法原理19 HYPERLINK l bookmark46 3.2光脈動(dòng)法理論213.3光脈動(dòng)譜法原理24 HYPERLINK l bookmark52 3.4三種測量方法的比較27 HYPERLINK l bookmark54 3.5小結(jié)27 HYPERLINK l bookmark56 4光脈動(dòng)譜法若干問題的討論28第I頁共I

9、I頁TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark58 4.1限制粒徑和濃度量程的因素28 HYPERLINK l bookmark60 4.1.1影響粒徑測量上限的因素28 HYPERLINK l bookmark62 4.1.2影響粒徑測量下限的因素28 HYPERLINK l bookmark64 4.1.3決定濃度測量下限的因素284.1.4決定濃度測量上限的因素29 HYPERLINK l bookmark66 4.2消光系數(shù)對測量誤差的影響29 HYPERLINK l bookmark68 4.3光脈動(dòng)譜法的測量裝置29 HYPERLINK l bookmar

10、k70 5結(jié)論33參考文獻(xiàn)34 HYPERLINK l bookmark72 致謝33第II頁共II頁清華大學(xué)2012屆畢業(yè)論文第 頁共37頁1緒論近年來，在線測量顆粒的粒徑和濃度的研究，在國內(nèi)外一直很火熱，而且這些研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。首先，通過在線測量，就可以對直吹式制粉系統(tǒng)中的煤粉運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測，這樣就解決了，目前國內(nèi)外的電廠均是在機(jī)組停機(jī)時(shí)，通過測量空載（沒有煤粉）時(shí)煤粉管的空氣流量，在對各煤粉管調(diào)整，達(dá)到減小各煤粉管中煤粉流量的不一致性的問題。而實(shí)際上，有煤粉和沒有煤粉，煤粉管內(nèi)的流動(dòng)狀況是不一樣的，也就是說單向氣流不能如實(shí)反映煤粉兩相流的流動(dòng)狀態(tài)的問題。其次，液體物化在工業(yè)生產(chǎn)

11、過程中十分的普遍，研究兩相流中的顆粒粒徑與濃度的分布，對工業(yè)生產(chǎn)流程十分的重要。和傳統(tǒng)的測量方法相比，光學(xué)測量方法有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，（1）測量速度快，精度高，單量程范圍大（可達(dá)到傳統(tǒng)測量方法的1000倍以上）（2）接觸的光信號只與顆粒的大小有關(guān)，與顆粒的化學(xué)性質(zhì)無關(guān)，適用范圍很廣（3）不接觸樣品，適用于氣固、液固、氣液兩相流中的顆粒測量（4）測量的過程中自動(dòng)化程度高，不受人為的因素干擾，準(zhǔn)確可靠，有利于實(shí)現(xiàn)工廠的在線測量。目前，基于光散射原理研制的顆粒測量儀器中，以衍射散射法和消光計(jì)數(shù)法在運(yùn)用上最為廣泛。但由于它們固有的局限性，在一些領(lǐng)域應(yīng)用仍然受到限制，光脈動(dòng)譜法利用顆粒透射光信號的穩(wěn)態(tài)和脈動(dòng)信

12、息得出顆粒系粒度與濃度。既繼承了消光法簡單可靠的優(yōu)勢，又突破了計(jì)數(shù)法的局限性，如嚴(yán)格的濃度限制。而且更為重要的是該方法裝置簡單，其粒度測量范圍基本覆蓋了常規(guī)粉體材料的粒度范圍。這使得該方法在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中具有很好的在線檢測的應(yīng)用前景。鑒于國內(nèi)對該方法研究不多，在該文中簡要介紹光脈動(dòng)譜法的研究背景、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、基本原理、應(yīng)用條件、以及與傳統(tǒng)測量顆粒粒徑與濃度的方法進(jìn)行比較，光脈動(dòng)譜法測量范圍廣、簡單、可靠的優(yōu)勢。1.1研究背景由于近年來強(qiáng)調(diào)保護(hù)環(huán)境，防止有害氣體的排放，對于汽車和電站鍋爐有害氣體排放有著越來越嚴(yán)格的要求。例如在煤粉燃燒的過程中1,如果煤粉濃度較高，在燃燒的過程中，煤粉火焰較長

13、，容易產(chǎn)生CO，還可能造成水冷壁結(jié)渣等情況，當(dāng)煤粉濃度較低時(shí)，容易產(chǎn)生較多的氮化物。需要對燃煤電廠的燃燒進(jìn)行優(yōu)化，以提高燃燒效率、減小有害氣體的排放、降低灰塵并減少制粉系統(tǒng)的能耗。所以測量顆粒粒徑與濃度顯得尤為重要。又例如，在水處理領(lǐng)域，在很多的情況下，需要對水中的顆粒進(jìn)行檢測。比如，在研究水中膠體顆粒的混凝機(jī)理。液體霧化在工業(yè)生產(chǎn)中也十分的普遍，霧化粒子的尺寸對工業(yè)的生產(chǎn)至關(guān)重要，例如在在大型電站鍋爐燃燒器中，當(dāng)燃油投入使用時(shí)，油噴嘴霧化的效果就會(huì)直接影響燃燒的穩(wěn)定性和燃燒的效率；在內(nèi)燃機(jī)中，噴嘴霧化的效果也會(huì)影響到燃燒的特性和排放的水平。所以，對于噴嘴霧化的研究具有現(xiàn)實(shí)意義，因此，對于顆粒

14、粒徑和濃度的測量顯得尤為重要，本文通過對消光法原理、光脈動(dòng)法原理、光脈動(dòng)譜法原理測量顆粒的粒徑與濃度的區(qū)別和聯(lián)系，展示了光脈動(dòng)譜法的優(yōu)勢，它可以測量顆粒粒徑不是單一分部的顆粒的濃度與粒度。具有較高的實(shí)時(shí)性，較廣闊的應(yīng)用范圍。1.2國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀俄國學(xué)者K.S.Shifrin等人，在上世70年代。首先提出了，應(yīng)用顆粒系透射光信號脈動(dòng)，分析顆粒系平均粒度與濃度數(shù)據(jù)處理算法。該方法不僅通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而且也有關(guān)于粒徑計(jì)算誤差的詳盡理論估算。此后英國學(xué)者J.Gregory也為光脈動(dòng)法作了開拓性的工作和貢獻(xiàn)，他提出的方法計(jì)算時(shí)無須預(yù)知消光系數(shù)，可不加修正地應(yīng)用于粒徑在10卩m以下的小顆粒，不過要求預(yù)知體

15、積濃度C，適用于離線測量或控制體積濃度的在v線監(jiān)測。更為重要的是Gregory設(shè)計(jì)了一套通用性很強(qiáng)的顆粒監(jiān)測裝置，為光脈動(dòng)法走向?qū)嶋H應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)90年代中期，德國的B.Wessely、J.Altmann、S.Ripperger等人以Gregory的分析方法為基礎(chǔ)，進(jìn)一步提出了毋須預(yù)知體積濃度計(jì)算c與N的方法。不過由于直v接計(jì)算給出的是消光截面a，故要最終算得粒徑須先得到消光系數(shù)K，若測量對象extext含有粒徑在10卩m以下的小顆粒，光脈動(dòng)法須與多波長法結(jié)合以提供足夠信息。此外Wessely等人對邊緣效應(yīng)、重疊效應(yīng)與多分散度等，影響透射光信號脈動(dòng)的因素，也作了較為全面的討論與估計(jì)。

16、液固兩相中顆粒的測量方面,80年代初E.I.Afonin就開始用此方法檢測海水中的微米級有機(jī)物顆粒，測算結(jié)果與衍射散射法基本一致，日本的松井佳彥、丹保憲仁等人將光脈動(dòng)法應(yīng)用于水處理中懸浮液絮凝過程的監(jiān)測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與顯微照相一致。早期的應(yīng)用大多集中于液固兩相中顆粒的測量，1998年上海理工大學(xué)蔡小舒、吳偉亮等人開始將光脈動(dòng)法應(yīng)用于電站煤粉的在線監(jiān)測2,3，并研制成功了一套可以應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場，同時(shí)檢測煤粉粒度濃度和速度的裝置4，在氣固兩相流中顆粒的在線測量方面開展了頗為成功的研究工作，雖然大多數(shù)消光脈動(dòng)法的研究者在方法的原理上都類似，而且總體來看數(shù)據(jù)的分析方法可分為兩類，（1）基于信號標(biāo)準(zhǔn)偏差；（

17、2）基于表觀濁度，但按測量對象實(shí)際狀況各自的數(shù)據(jù)處理算法卻不盡相同。1.3傳統(tǒng)測量顆粒粒徑與濃度的方法、特點(diǎn)5現(xiàn)有的顆粒測量技術(shù)非常多，不下百種，要在一篇文章中對這些技術(shù)進(jìn)行綜述是不可能的，也沒有必要。下面僅對一些常見測試方法的測量原理作簡要介紹。常見的顆粒測試技術(shù)有篩分法、顯微鏡法、沉降法、庫爾特法（電感應(yīng)法）和光學(xué)測量等方法。其中光學(xué)測量法又分為：激光衍射散射法、動(dòng)態(tài)光散射法、多波長消光法、激光相位多普勒測量法和光脈動(dòng)法。1.3.1篩分法是一種最原始的測量方法，篩子常用“目”來表示篩孔的大小，“目”是每英寸長度內(nèi)編制的數(shù)字。篩分法有不同的篩系，每個(gè)篩系由不同分辨率的篩組成，用不同目的篩子對

18、顆粒進(jìn)行篩分，就可以獲得粒徑的大小。篩分法由于原理簡單測量方便，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和研究工作中，它的缺點(diǎn)是，只能測量一定范疇的顆粒粒徑，測量精度低，比較費(fèi)時(shí)。它測粒徑的范圍一般是20卩m-125卩加。1.3.2顯微鏡方法是借助于顯微鏡或者電子顯微鏡，將顆粒放大后，直接測量其影像實(shí)現(xiàn)對顆粒的測量，這種技術(shù)提供了最直觀的影像，是目前為止能夠直接觀察顆粒的形狀和大小的最好方法。而且，顯微鏡測量顆粒的形狀和分布的靈敏度，要比其他方法好很多，但是顯微鏡能過觀察到的顆粒式樣非常有限，要從試樣中得到顆粒的總體分布，對試樣的選取就相當(dāng)?shù)目量?。顯微鏡的測量缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜，測量量程范圍小，重復(fù)性差。1.3.3

19、沉降法沉降法是根據(jù)固體顆粒在液體中的沉降規(guī)律來實(shí)現(xiàn)顆粒測量。它是以斯托克斯（Stokes）原理為依據(jù)，認(rèn)為顆粒在液體中的沉降時(shí)間與顆粒直徑的平方成反比，=104U8nLI60gt(pP(1.1)（1.1）式中耳為粘滯系數(shù)，L為沉降距離，g為重力加速度.t為沉降時(shí)間，p,p分別為顆粒和液體的密度。測量時(shí)將分散好的顆粒倒入沉降導(dǎo)管，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，最早到達(dá)沉降導(dǎo)管底部是粒徑最大的顆粒，這樣根據(jù)顆粒的沉降時(shí)間，結(jié)合斯托克斯原理，就可求出相應(yīng)的粒徑太小。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能得出較詳細(xì)的粒度分布，重復(fù)性好，特別適合于一些粒徑分布廣的顆粒樣本。缺點(diǎn)是測量時(shí)間長（30min），手工記錄和處理數(shù)據(jù)比較煩瑣，而且不

20、適用于測量太小和太大的顆粒，因?yàn)楫?dāng)粒徑小于2卩m時(shí)，顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)影響比較明顯，這種情況下的沉降時(shí)間已經(jīng)和顆粒的微觀運(yùn)動(dòng)有關(guān)；太大的顆粒情況己不符合斯托克斯原理，也無法用沉降法測量。1.3.4庫爾特法庫爾特法（也稱電感應(yīng)法）是把顆粒分散在電解液里，將兩個(gè)電極分別插入此電解液中，位于小孔兩側(cè)，電路的外電阻充分大可以保持電流恒定。在循環(huán)水泵的作用下，顆粒隨電解液逐個(gè)通過小孔，每個(gè)顆粒通過小孔時(shí)產(chǎn)生的電阻率變化表現(xiàn)為一個(gè)與它成正比的電壓脈沖，電阻率變化R在一定條件下基本上與顆粒體積成正比，R=18P/（3兀D4）d3（1.2）-0-式中D為小孔直徑，d為顆粒粒徑，p為電解液密度。通過分析電壓脈沖信號

21、就可得出0庫爾特法測顆粒的粒徑。其示意圖如圖1.3.4所示。小。如果顆粒和電解液的密度相同，顆粒不會(huì)發(fā)生沉降，那么測量上限在理論上可以隨著小孔直徑的增大而無限增大。這種測量方法的優(yōu)點(diǎn)是測量精度高，常用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的血細(xì)胞測量。但是只能逐個(gè)測量顆粒，單量程測量范圍窄，小孔管容易堵塞，當(dāng)多個(gè)小顆粒同時(shí)通過小孔時(shí)，有可能被誤認(rèn)為是單個(gè)大顆粒經(jīng)過，相同粒徑的顆粒從不同的位置通過小孔時(shí)，產(chǎn)生的電壓脈沖也是不同的，這些都是庫爾特法測量中應(yīng)該注意的一些問題。1.3.5光學(xué)測量方法和傳統(tǒng)粒徑測量方法相比，光學(xué)顆粒測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)非常突出：（1）測量速度快，單量程范圍大（可達(dá)1000倍以上），精度高；（2）測量

22、過程自動(dòng)化程度高.不受人為因素干擾，準(zhǔn)確可靠，有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的在線測量；（3）接收的光信號只和顆粒的大小有關(guān)，與顆粒的化學(xué)性質(zhì)無關(guān)，適用性很廣：（4）不接觸樣品，適用于氣固、氣液、液固兩相流中的顆粒測量。所以光學(xué)顆粒測量技術(shù)將在工業(yè)測量和研究工作中擔(dān)任越來越重要的角色。下面簡單介紹幾種常見光學(xué)顆粒測量儀器的原理。動(dòng)態(tài)光散射法：懸浮在液體中的細(xì)微顆粒存在無規(guī)則運(yùn)動(dòng)（布朗運(yùn)動(dòng)）.當(dāng)光照射到顆粒上時(shí)，每個(gè)顆粒在不同方向上的散射光的相位都不同，所有顆粒散射光強(qiáng)的總和具有一定的波動(dòng)性，這在頻域上表現(xiàn)為散射光相對于入射光有一微小的頻移，通過測量散射光的起伏變化或測出散射光的微小頻移，就可以獲得顆粒的相

23、關(guān)動(dòng)態(tài)參數(shù)（平移擴(kuò)散系數(shù)和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散系數(shù)），進(jìn)而得到顆粒粒徑。動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)是目前測量超細(xì)顆粒最快速、最有效的方法。這種方法可測量到粒徑小于1m的顆粒。激光相位多普勒測量儀：激光相位多普勒測量儀（PDA）的原理是激光照射到運(yùn)動(dòng)顆粒上時(shí)發(fā)生散射，通過分析接收光的相位變化，得到顆粒粒徑信息。如圖下圖1.3.5所示，隨著兩個(gè)光探測器位置的變化，兩束相交光束的散射光光程也不同。當(dāng)顆粒剛好穿過兩光束的交叉位置時(shí)，兩個(gè)光探測器接收同頻率的多普勒信號，但是由于探測器的位置不同，所接收的信號具有不同的相位。因此，如果在圓周方向布置幾個(gè)光探測器，根據(jù)接收信號的相位差，結(jié)合下式：=md卩（1.3）1九11其中0為多

24、普勒猝發(fā)相位，九為入射激光波長.m為入射激光的折射率，d為顆粒粒徑，11B為幾何光學(xué)參數(shù)，和探測器的位置，散射方式有關(guān)，就可求出顆粒的粒徑。激光相位1多普勒法測量顆粒粒徑有著很高的精確度（誤差在5%以內(nèi)）可測量速度和粒徑等多種參數(shù)，而且能對某種非球形顆粒進(jìn)行測量，其測量范圍約為：2卩m2000卩m。但是該類儀器操作調(diào)整復(fù)雜，對環(huán)境要求苛刻，價(jià)格昂貴，不適用于工業(yè)現(xiàn)場的在線監(jiān)測7。圖1.3.5激光相位多普勒法示意圖1.4本課題研究的目的與意義現(xiàn)有的光脈動(dòng)法顆粒測量技術(shù)中對于消光系數(shù)的處理過于簡化，通常是近似取常數(shù)，這種簡化處理造成無法測量小粒徑顆粒。本文提出曲線擬合的方法，求出消光系數(shù)的分段表達(dá)

25、式，不僅大大地提高了測量小粒徑顆粒的測量精度，也為進(jìn)一步完善光脈動(dòng)譜法顆粒測量技術(shù)提供了一個(gè)有效的途徑。液體霧化在工業(yè)生產(chǎn)過程中非常普遍，霧化粒子尺寸的分布特性對工業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。例如在大型電站鍋爐燃燒器中，當(dāng)燃油投入使用時(shí)，油噴嘴霧化的效果將直接影響到燃燒的穩(wěn)定性和燃燒的效率；在內(nèi)燃機(jī)中，噴嘴霧化的效果也將直接影響到燃燒的特性和排放水平。因此提出光脈動(dòng)譜法測量顆粒的粒徑、濃度對了解噴嘴霧化特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前國內(nèi)對噴嘴霧化特性的實(shí)驗(yàn)研究主要是采用光學(xué)測量儀器來進(jìn)行，常用的測量方法有激光相位多普勒測量儀8和激光衍射散射法9。使用激光相位多普勒測量儀，測量氣液兩相流顆粒粒徑時(shí)雖然具有較高

26、的測量精度，但是此設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜，光路調(diào)整非常麻煩；而且這種方法在測量封閉空間中的顆粒時(shí)有著諸多不便。使用激光衍射散射法也存在光路調(diào)整困難的問題，而且通常情況下光耙的體積比較龐大，在安裝儀器和調(diào)試時(shí)也有很多缺點(diǎn)。而光脈動(dòng)譜法顆粒測量技術(shù)是一種新型的光學(xué)測試技術(shù)，該儀器具有設(shè)備簡單，體積小，安裝非常方便，測量精度較高等優(yōu)點(diǎn)，可用于測量開放空間和封閉空間的氣液兩相流液相顆粒粒徑。對光脈動(dòng)譜法顆粒測試技術(shù)的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。粉體的粒度與濃度監(jiān)測在動(dòng)力工業(yè)中有十分重要的意義10,它的一項(xiàng)較為突出的應(yīng)用是電廠煤粉的監(jiān)測。在常規(guī)燃煤電廠中，煤粉過粗會(huì)延遲著火，降低燃燒穩(wěn)定性和燃盡率，嚴(yán)重者還

27、會(huì)導(dǎo)致高溫腐蝕和結(jié)焦；煤粉過細(xì)則造成磨煤機(jī)的電耗過高。由于目前缺乏高效的監(jiān)測手段，煤粉細(xì)度往往不能及時(shí)控制，可能會(huì)對電廠運(yùn)行造成很大影響，所以光脈動(dòng)譜法測量顆粒的粒徑與濃度，對于減少有害氣體的排放，保護(hù)環(huán)境，提高人們生活的環(huán)境質(zhì)量，有重大的意義。1.5論文的主要內(nèi)容及工作1查找文獻(xiàn)，確定消光法，光脈動(dòng)法，光脈動(dòng)譜法在國內(nèi)外的應(yīng)用，以及他們應(yīng)用的范圍。2以學(xué)習(xí)消光法測量顆粒的粒徑與濃度為基礎(chǔ)，研究光脈動(dòng)法的基本原理，進(jìn)而研究光脈動(dòng)譜法的基本原理，通過比較，找出他們中的區(qū)別與聯(lián)系3了解光脈動(dòng)譜法測量顆粒的粒徑濃度的測量裝置，以及用該裝置測量速度的原理清華大學(xué)2012屆畢業(yè)論文清華大學(xué)2012屆畢業(yè)

28、論文第 頁共37頁第 頁共37頁2光脈動(dòng)譜法測量中運(yùn)用的一些基本概念2.1顆粒粒徑的當(dāng)量表示通常情況下，不同形狀的顆粒需要用不同的方法來表示其粒徑。形狀十分規(guī)則的顆粒只需用一個(gè)尺寸來表示，如球形顆粒用直徑來表示，正方體顆?？梢杂眠呴L表示；有些顆粒需要用多個(gè)尺寸來表示，如圓錐體顆?？梢杂玫酌嬷睆胶透叨葋肀硎?，長方體顆粒可用長、寬、高來表示。但是對于形狀不規(guī)則的顆粒，卻無法很明確地規(guī)定用什么尺寸來表示，而且自然界中的絕大多數(shù)顆粒都是以無規(guī)則的形態(tài)存在.所以如何表示顆粒粒徑大小成為顆粒測量領(lǐng)域中一個(gè)首先要明確的問題。在顆粒測量中，常用“等效直徑”來表示顆粒大小。它并非現(xiàn)實(shí)的虛擬的數(shù)值。其定義是：當(dāng)被

29、測顆粒表現(xiàn)出的某種物理特性和某一直徑的同質(zhì)球體最相近時(shí)，則把該球體的直徑作為被測顆粒的等效直徑。由于不同的測量儀器基于的原理不一樣，所以采用不同的測量儀器得到的等效直徑，相互之間是不具有可比性的。例如，顯微鏡法中用顆粒投影的最大寬度代表顆粒的大小，沉降法中用沉降速度來度量顆粒的大小，庫爾特法用顆粒在電解液中引起的電阻變化值來表示顆粒大小，而激光衍射測量法中則用衍射光斑的大小來衡量粒徑大小11，在現(xiàn)有的顆粒粒徑的表示方法中，常用一些簡單的等效尺寸來近似地表示單個(gè)顆粒大小。這些等效尺寸的定義也是比較復(fù)雜的，大體可分為三類：以球的直徑為比較對象，即與顆粒有相同某一性質(zhì)或特性的球的直徑。以圓的直徑為比

30、較對象，即與顆粒投影輪廓有相同某一性質(zhì)(面積或周長)的圓的直徑。統(tǒng)計(jì)直徑，如Feret直徑，Martin直徑，是對顆粒的投影輪廓按一定方向測量的線度。具體的顆粒粒徑表示方法的定義見表2-1，圖2.1為Martin直徑，F(xiàn)eret直徑和投影面積直徑等三種常見等效直徑的示意圖。同時(shí)，由于被測試樣中的每個(gè)顆粒的粒徑不可能完全一樣，所以需要從統(tǒng)計(jì)學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)求出被測顆粒的平均粒徑。常采用的三種統(tǒng)計(jì)平均算法如表2-2所示。具體選用哪種方法并沒有一定的規(guī)律而言，應(yīng)該綜合考慮測量方法原理和顆粒的物理特性來決定。圖2.1顆粒的Martin直徑，投影直徑和Feret直徑表2.1顆粒粒度的定義符號名稱定義dvdsd

31、fdstkdAdPAdMdFdRd32體積直徑面積直徑自由降落直徑Stoke直徑篩分直徑投影面積直徑Martin直徑Feret直徑展開直徑體積面積平均徑與顆粒具有相同體積的圓球直徑與顆粒具有相同面積的圓球直徑與顆粒密度相同的球體，在密度和粘度相同的流體中，與顆粒具有相同的沉淀速度的顆粒料粒徑。層流區(qū)（Re0.2）顆粒的自由降落直徑顆粒可以通過的最小方篩孔的寬度與顆粒輪廓具有相同的投影面積的圓的直徑顆粒投影外形的平均弦長與顆粒投影外形相切的一對平行線之間的距離平均值通過顆粒重心的平均弦長全部顆粒的體積除以總表面積表2.2常用的顆粒平均值徑表示方法統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算公式代表的意義算數(shù)平均值1_dnl與長

32、度有關(guān)的度量幾何平均值1(nd)ni與面積有關(guān)的度量調(diào)諧平均值1v1()-1ndi表示其沉降阻力的特征雖然顆粒的粒徑有很多表示方法，但在本文光脈動(dòng)譜法測量顆粒的粒徑與濃度方面，我們僅把測量的顆?？闯墒且?guī)則的球型。這樣計(jì)算簡單、方便。2.1.1顆粒群的粒度分布顆粒群是由許多顆粒組成的。如果組成顆粒群的所有顆粒具有相同或相近的粒徑，則稱該顆粒群為單分散的。當(dāng)顆粒群有大小不一的顆粒組成時(shí)，則稱為多分散的。實(shí)際顆粒群的顆粒粒徑分布嚴(yán)格講是不連續(xù)的。但當(dāng)測量的數(shù)目很大時(shí)可以認(rèn)為是連續(xù)的。由大小不同的顆粒組成的多分散系的尺寸分布有單峰分布和多峰分布12兩種。如圖2.2所示表達(dá)顆粒群粒度分布的方法有多種，根

33、據(jù)物理意義分為兩類：顆粒數(shù)分布和顆粒體積分布。顆粒數(shù)分布N（D）和體積分布V（D）的關(guān)系是(2.1)由于顆粒體積是直徑的3次方，故少量大顆粒對體積分布產(chǎn)生很大影響.圖2.2單峰和多峰分布的顆粒系2.2光散射的幾個(gè)基本概念光在均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的，在兩種均勻介質(zhì)的界面會(huì)發(fā)生折射和反射。當(dāng)光線通過非均勻介質(zhì)時(shí)，部分光會(huì)偏離原來的傳播方向，散射到其他的地方去，這種現(xiàn)象稱為光的散射現(xiàn)象13。光的實(shí)質(zhì)是電磁波.當(dāng)電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)分子被極化而產(chǎn)生偶極子，振蕩的偶極子又發(fā)出新的電磁波，所以在介質(zhì)中傳播的光，實(shí)質(zhì)上是原光波與振蕩偶極子產(chǎn)生的次波的疊加結(jié)果。當(dāng)介質(zhì)均勻時(shí)，偶極子發(fā)出的頻率與入射光相

34、同，并且次波間有一定的相位關(guān)系，它們是相干的。計(jì)算表明，光線在非折射方向上相互抵消的，所以認(rèn)為均勻介質(zhì)不能產(chǎn)生光的散射現(xiàn)象。而當(dāng)介質(zhì)不均勻時(shí)，上述相干關(guān)系被破壞，總的效應(yīng)是部分光偏離其原來的傳播方向，發(fā)生散射。在一均勻介質(zhì)中混入波長量級的雜亂分布的顆粒物質(zhì)，它們的折射率與周圍介質(zhì)不同，當(dāng)光通過這種含有顆粒物質(zhì)的介質(zhì)時(shí)發(fā)生的光散射稱為亨達(dá)爾散射，利用亨達(dá)爾散射可以測量顆粒粒徑1114。以下是幾個(gè)描述顆粒光散射現(xiàn)象的物理概念。不相關(guān)散射：在介質(zhì)中混雜著顆粒物質(zhì)，當(dāng)顆粒間的距離足夠大，以致于一個(gè)顆粒的散射不因其它顆粒的存在而受影響時(shí)，即顆粒散射的光波就不會(huì)進(jìn)一步發(fā)生散射，這時(shí)的散射稱為不相關(guān)散射。嚴(yán)

35、格講顆粒群對來自同一入射光在相同方向上的散射光的相位是相干的，但是由于小顆粒極其微小的位移或極其微小的散射角度變化可全然改變其相位差，而大量無規(guī)則雜亂分布的小顆粒散射的凈效應(yīng)是各單個(gè)顆粒散射光強(qiáng)的相加，所以可不必考慮其相位。M.Kerker指出，當(dāng)顆粒群中顆粒之間的距離大于顆粒直徑的三倍以上時(shí)，其光散射即可認(rèn)為是不相關(guān)散射15。在工業(yè)過程和實(shí)際生活中所遇到的大多數(shù)顆粒群光散射問題中，顆粒之間的距離都遠(yuǎn)大于3倍的顆粒粒徑，即使是非常濃的霧，其顆粒之間的距離也是顆粒粒徑的20倍以上，完全可以被當(dāng)作不相關(guān)散射處理。不相關(guān)散射大大簡化了數(shù)學(xué)處理，因?yàn)轭w粒間的散射光相互間無關(guān)，只要將各個(gè)顆粒的散射光強(qiáng)簡

36、單相加就可得到總散射效應(yīng)，而無需考慮它們之間的相干性。在所研究的顆粒系中，當(dāng)所有顆粒都暴露在原始入射光強(qiáng)下時(shí)所發(fā)生的散射稱為單散射，即不存在顆粒對散射光的再次散射。與單散射對應(yīng)的是復(fù)散射，它是指在所研究的顆粒系中，部分顆粒不處在原始光強(qiáng)下，它們對其它顆粒的散射光再次發(fā)生散射，使原始入射光線通過介質(zhì)時(shí)發(fā)生多次散射。在不相關(guān)單散射條件下，同樣特性的M個(gè)顆粒產(chǎn)生的散射光強(qiáng)等于單個(gè)顆粒散射光強(qiáng)的M倍。當(dāng)散射為不相關(guān)單散射時(shí)，它在數(shù)學(xué)上的處理就變得十分簡單僅需對單個(gè)顆粒計(jì)算其散射光強(qiáng)分布，而在這方面已有相當(dāng)成熟的理論可供參考11。在光脈動(dòng)譜法中，我們是假定光散射發(fā)生的是不相關(guān)散射，而且是在單散射的情況下

37、論述光脈動(dòng)譜方法的基本原理。2.3Mie理論簡介人類對光本質(zhì)的認(rèn)識經(jīng)歷了一個(gè)漫長的歷史過程。直到麥克斯韋發(fā)表了電磁場理論，才真正揭示了光的本質(zhì)13。但要求出麥克斯韋方程組在任意介質(zhì)中的精確數(shù)學(xué)解卻不容易，一般僅能給出在特殊條件下具有規(guī)則形狀顆粒的解析解。Mie理論是平面電磁波入射到球形顆粒這種特殊情況下麥克斯韋方程組的解析解，是由Mie在1908年推導(dǎo)得出的。即使在這種最簡單的條件下，它的推導(dǎo)和計(jì)算還是非常復(fù)雜的。前人的研究表明消光系數(shù)是入射光波長、顆粒折射率和顆粒粒徑的函數(shù)1216。圖2.3不同折射率下顆粒消光系數(shù)曲線圖2.3所示，根據(jù)前人的研究工作，編制計(jì)算程序求出不同顆粒介質(zhì)時(shí)消光系數(shù)和

38、顆粒相對粒徑值，并繪成圖表，圖中只給出單一波長的入射光的情況。其中為了表述方便，m是折射率，并引入了顆粒相對粒徑，它是表示顆粒粒徑大小的無量綱數(shù)：冗Da=P九（2.2）從圖中可以看出，消光系數(shù)為粒徑的多值函數(shù)；當(dāng)粒徑增大時(shí)，值逐漸趨向于2。這意味著大顆粒的消光等于其投影面積在單位時(shí)間內(nèi)遮擋光能的兩倍，這就是著名的消光佯謬。可以這樣來解釋這個(gè)結(jié)果：假設(shè)入射光波的光強(qiáng)為I,顆粒在垂直于光波傳播方向上的投影面積為Sp。，那么在S面積中的單位時(shí)間總能量為1*Sp。要么被散射掉，要么被吸收；而在顆粒后面的陰影區(qū)中，應(yīng)該有一個(gè)實(shí)際上沒有波存在的區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域中，顆粒散射波恰好等于入射波的振幅，而相位相差

39、兀，它在單位時(shí)間內(nèi)的能量也等于1*Sp。因此，大顆粒的消光系數(shù)等于2。2.4消光系數(shù)散射截面是一個(gè)散射顆粒單位時(shí)間內(nèi)散射的全部光能E與入射光強(qiáng)I之比，即:SseaEsca0(2.3)即在入射光強(qiáng)I下，單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)顆粒散射的光能E。為光線在S面積上單位時(shí)0seasea間所傳輸?shù)哪芰俊Ｔ冢?.3）式基礎(chǔ)上，進(jìn)一步定義一個(gè)無量綱的量散射系數(shù)k，sea它等于散射截面與顆粒在光線方向上投影面積S之比，即：kseasseasea(2.4)顯然，散射系數(shù)還等于顆粒在單位時(shí)間內(nèi)散射的光能與入射到其投影面積s上光能的比p值。依照定義散射截面和散射系數(shù)同樣的方法，可以定義反映顆粒對光吸收特性和消光特性的物理量一

40、消光截面、消光系數(shù),如下：消光截面:SextEextI0(2.5)消光系數(shù):(2.6)SEKext=extextSISp0p并且，消光截面是散射截面與吸收截面的加和，消光系數(shù)是散射系數(shù)與吸收系數(shù)的和，對于具有吸收能力的顆粒，除了對光線的散射外，還有部分光能被吸收轉(zhuǎn)化成其他形式的能量。無論是由于顆粒對光的散射還是吸收，它的總效果是使透過介質(zhì)后強(qiáng)度減弱，這種現(xiàn)象稱為消光。按能量守恒定律，消光耗散的總能量應(yīng)為散射光能與吸收光能之和。2.4.1消光系數(shù)曲線的特點(diǎn)及目前算法的不足光和顆粒的相互作用可以用經(jīng)典的米氏(Mie)散射理論來描述。前人在理論方面作過了很多研究工作，已經(jīng)得出了Mie散射理論的數(shù)值解

41、。從圖1可以看出，消光系數(shù)曲線具有如下的幾個(gè)特點(diǎn)。它是一個(gè)振蕩曲線。當(dāng)固定時(shí)，不同的m對應(yīng)著不同的消光系數(shù)K。ext取不同的折射率m時(shí)，曲線的總體變化趨勢相似。隨著顆粒粒徑的增大，消光系數(shù)k從大于2的方向單向逐漸趨向于2。ext當(dāng)顆粒粒徑a較小時(shí)，消光系數(shù)k振幅的變化非常明顯，隨著a的增大，ext變化逐漸變小。消光系數(shù)曲線比較復(fù)雜，以前在光脈動(dòng)法顆粒粒徑測量技術(shù)中常用的簡化處理方法是：認(rèn)為測量過程和被測顆粒的折射率無關(guān)，消光系數(shù)近似取2。這種近似取法雖然大大簡化了計(jì)算過程，但是存在著以下不足：(1)精度不夠。消光系數(shù)是在k2的方向單向逼近到2。如果取k=2，必然使總extext體的取值略微偏小

42、。誤差分析表明只有當(dāng)a200時(shí)，才能取k=2,誤差控制在土5%ext以內(nèi)。(2)適用范圍太窄。如果被測顆粒粒徑a200時(shí)，則不能取k=2,否則將造成測量ext誤差過大。2.4.2擬合消光系數(shù)曲線17可以用分段最小二乘法擬合消光系數(shù)曲線，對每一段曲線分別給出一個(gè)具體的函數(shù)表達(dá)式，既可編制成計(jì)算機(jī)程序直接使用，也可做成動(dòng)態(tài)鏈接庫文件，由其它程序調(diào)用。通過擬合結(jié)果公式求解消光系數(shù)，為光脈動(dòng)譜法顆粒粒徑測量帶來了極大的方便。下面將以水相對于空氣折射率m=1.33為例，具體說明用最小二乘法擬合消光系數(shù)曲線的過程。消光系數(shù)曲線在局部有一些階躍點(diǎn)，為了方便擬合先對消光系數(shù)曲線進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓饣幚?，然后在此基礎(chǔ)

43、上進(jìn)行最小二乘法擬合。曲線擬合最小二乘法(LeastSquareMethod)是指對給定的一組數(shù)據(jù)(x,y)(i=0,1,2,.,m)中找到一個(gè)函數(shù)y=S*(x)，使誤差平方和ii|3lb=X52=2ii=0(2.7)2=minS(x疋屮.考慮到消光系數(shù)曲線在較小時(shí)衰減幅度很大，隨著a的增大，衰減幅度逐漸變少,如果只用一個(gè)函數(shù)表達(dá)式很難照顧到整條曲線的變化，所以采用分段擬合。具體的分段思路如下：根據(jù)波的幅值我們可以看出第一個(gè)波幅值大，有著驟升驟降的特點(diǎn)，所以可以單獨(dú)分成一段來擬合。為了簡化擬合過程，以a=6.5為分界點(diǎn)把第一波再分成兩段，每段均用一個(gè)多項(xiàng)式來擬合。第二、三個(gè)波的降幅變化比較協(xié)調(diào)

44、，可以用一個(gè)指數(shù)函數(shù)來表達(dá)其波峰的變化趨勢，所以把12a30分為一段。同理我們還可以分段：28a100、100a200。上述的只是預(yù)分段，具體分段界限在最小二乘法擬合計(jì)算過程根據(jù)擬合的結(jié)果再進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。本文最后擬合的結(jié)果如表1所示：清華大學(xué)2012屆畢業(yè)論文清華大學(xué)2012屆畢業(yè)論文分段區(qū)間第 頁共37頁第 頁共37頁0-6565-llIL-28100表1消光系數(shù)曲線(m=1.33)最小二乘法擬合結(jié)果擬合出的函數(shù)表達(dá)式32kfflt=-0.0456*30080a100區(qū)間的分段擬合效果及其誤差分析如下圖所示。從圖中我們可以看出使，用擬合出的函數(shù)來求解消光系數(shù)，其相對誤差在土2%之內(nèi)，比取k

45、ext=2時(shí)的相對誤差要小得多，在光學(xué)工程測量的誤差允許范圍之內(nèi)。所以在光脈動(dòng)譜法顆粒粒徑測量法中可以使用，這里S(x)=(x)+(x)+.+(x)(nm)(2.8)0011nn在最小二乘法曲線擬合過程中，如何選取有效的基函數(shù)是非常關(guān)鍵的。從圖1可以看出，對于同一種介質(zhì)，即折射率m固定的情況下，消光系數(shù)曲線既有指數(shù)函數(shù)又有三角函數(shù)的變化趨勢，消光系數(shù)的表達(dá)式是一個(gè)指數(shù)函數(shù)和一個(gè)三角函數(shù)疊加的結(jié)果。故本文采用與消光系數(shù)曲線有著類似變化趨勢的f(x)=e-xsin(x)函數(shù)為基本形，引入待定系數(shù)構(gòu)成基函數(shù)f(x)=AeBx2+ex+dsin(Ex+F)+G，用最小二乘法對消光系數(shù)曲線進(jìn)行擬合，求出

46、待定系數(shù)的值。使用曲線擬合出的函數(shù)關(guān)系式來求解消光系數(shù)。圖1消光系數(shù)曲線示意圖圖2近似取消光系數(shù)為2時(shí)誤差分析rh-一明時(shí)#亀片片vt.-rrrW3T；tf圖380a100之間的曲線擬合圖480a100擬合函數(shù)的誤差分析表2兩種消光系數(shù)曲線表達(dá)式誤差的分析akextK(a)取k=2的相對誤差ext取k=K(a)的相對誤差exta=73.74753.8163-46.63%1.84%a=83.31883.3384-39.74%0.59%a=92.77062.7181-27.81%-1.89%a=102.19992.16-9.08%-1.81%a=111.81.868711.11%3.82%可見在a

47、較小時(shí)，如果簡單地取k=2,將會(huì)引起非常大的誤差。因此，通過最小ext二乘法擬合的方法，可以有效地減小誤差。但在實(shí)際的應(yīng)用中，a比較大，所以在光脈動(dòng)譜法中，我們近似的取k=2。ext2.5透射光信號與顆粒數(shù)之間的關(guān)系當(dāng)光束穿越含有顆粒的透明介質(zhì)時(shí)，根據(jù)其穿越空間內(nèi)的顆粒數(shù)的多少，其透射光信號也表現(xiàn)出不同的特性。被照亮體積中包含的顆粒數(shù)主要有以下三種情況：1光束照亮體積內(nèi)含有極少量的顆粒，即，例如比較稀的多相流情況。在這種情況下，透射光強(qiáng)為含有負(fù)脈沖的信號，它屬于顆粒計(jì)數(shù)器的研究范疇。2光束照亮體積內(nèi)含有過多的顆粒，以至于顆粒數(shù)的絕對變化量對其平均值來說為一很小的量，此時(shí)透射光強(qiáng)表現(xiàn)為一個(gè)被削弱

48、了的，相對平穩(wěn)的信號。這種情況對應(yīng)于多相流的濃度很高或在光束橫截面的單位投影面積中的顆粒數(shù)很多，一般認(rèn)為此時(shí)已進(jìn)入光的復(fù)散射范圍，它的數(shù)學(xué)規(guī)律非常復(fù)雜，雖然有不少學(xué)者對此進(jìn)行了研究，但真正實(shí)用尚有不少困難。利用這種情況下的透射光信號來研究顆粒系統(tǒng)的性質(zhì)，在數(shù)學(xué)建模上存在一定的難度。3第三種情況介于上述兩者之間，在光束中含有適當(dāng)多的顆粒，即由顆粒數(shù)的絕對變化引起的透射光強(qiáng)起伏變化是比較明顯的.同時(shí)所發(fā)生的散射現(xiàn)象還可用光單散射理論來描述。在這種情況下，如果能建立起顆粒數(shù)變化同透射光信號起伏變化之間的關(guān)系，就能夠通過透射光信號的變化來反演出顆粒的粒徑。光脈動(dòng)測量顆粒粒徑就是基于這種情況光脈動(dòng)譜法也

49、是如此。下圖示意性地表示了上述三種情況和相對應(yīng)的透射光強(qiáng)信號。圖2.5測量區(qū)域內(nèi)顆粒的多少對透射光信號的影響示意圖2.6小結(jié)在研究光脈動(dòng)譜法理論中，我們首先要對顆粒的粒徑大小有一個(gè)大概認(rèn)識，對于單分散系顆粒系與多分散系的概念有所了解，同時(shí)對于不相關(guān)散射、單散射應(yīng)用的條件要明確。而在研究的過程中對消光系數(shù)、Mie理論、透射光信號與顆粒數(shù)之間的關(guān)系也要有所把握。這些都是研究光脈動(dòng)譜法理論的條件。對于應(yīng)用擬合消光系數(shù)可以使計(jì)算的結(jié)果更加準(zhǔn)確。這是當(dāng)a很小的時(shí)候，我們不能取消光系數(shù)的值為2,必須采用曲線擬合的方式來求解消光系數(shù)，這樣才不會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。清華大學(xué)2012屆畢業(yè)論文清華大學(xué)2012屆畢業(yè)

50、論文第 頁共37頁第 頁共37頁3測量顆粒粒徑與尺寸的基本原理及比較3.1消光法原理消光法的基本原理是：當(dāng)光束穿過一含有顆粒的介質(zhì)時(shí)，由于受到顆粒的散射和吸收，使得穿過介質(zhì)后的透射光的強(qiáng)度受到衰減，其衰減程度以濁度或消光表示，與顆粒的大小和數(shù)量（濃度）相關(guān)，這就為顆粒的測量提供了一個(gè)尺度，這也是消光法或濁度法名稱的由來。與其他光散射法顯著不同的是，消光法測量時(shí)所接收的不是顆粒的散射光，而是非散射光（透射光），光源大都采用白光而不是單色光，此外，除顆粒粒徑外，消光法還能同時(shí)測量顆粒系的濃度，與其它散射方法相比，這是它的一個(gè)突出的特點(diǎn)。其測量范圍相對較寬，下限為數(shù)十個(gè)納米，上限約為10um左右。當(dāng)

51、一束平行單色光照射到被測顆粒時(shí)，由于顆粒對光的散射和吸收，透射光的光強(qiáng)會(huì)減弱，通常情況下，測量光束的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒的尺寸，因而測量區(qū)內(nèi)粒子的數(shù)目很多，處于流動(dòng)狀態(tài)的顆粒群，可以近似的被認(rèn)為顆粒數(shù)目是平穩(wěn)的，不隨時(shí)間變化。如圖3.1所示消光法測量顆粒原理。圖3.1（a）消光法測量原理（b）測量區(qū)示意圖（c）透射光信號根據(jù)Lambert-Beer定律ln（ill）=-tL=-NCL=兀LND2K（九,m,D）（3-1）04extI是透射信號光強(qiáng)，10是背景光強(qiáng)，t是濁度，濁度是描述顆粒群總體的消光特性的一個(gè)物理量。濁度T與入射光在介質(zhì)中的光程L的乘積稱為光學(xué)厚度，光學(xué)厚度是表征顆粒群復(fù)散射程度的

52、一個(gè)度量。一般而言，在工程上當(dāng)光學(xué)厚度小于0.1時(shí)，可以忽略顆粒群的復(fù)散射。N是單位體積顆粒濃度，L是測量光束在測量體內(nèi)的行程，C是消光截面積，D是顆粒粒徑，k是消光系數(shù)。ext在最簡單的情況下，若單位體積的散射介質(zhì)中有N個(gè)直徑為D的球形顆粒，且各個(gè)顆粒的光散射滿足不相關(guān)的單散射，由N個(gè)顆粒作為散射中心的集合體的散射效應(yīng)將是單個(gè)顆粒散射效應(yīng)的N倍，即總的濁度為：t=NKbext(3.2)兀D2KN4ext式中b為顆粒的迎光面積，K為消光系數(shù)。按Mie理論，其表達(dá)式為:extKext2zE(2n+1)Re(aa2n-1(3.3)式中：q啟，為無因次尺寸參數(shù)，a,b，為Mie系數(shù)。k的計(jì)算十分復(fù)雜

53、，國內(nèi)九nnext外已有多人編SUT專門的計(jì)算程序。在實(shí)際情況下，被測量的顆粒大多不是單分散系，而是具有一定尺寸分布范圍的多分散顆粒系，此時(shí)，該介質(zhì)的濁度為：t-fN（D）D2KdD（3.4）4exta式中，a和b分別是顆粒尺寸分布的下限和上限，n（d）是以顆粒數(shù)計(jì)的尺寸分布函數(shù),由（3.1）式可知，入射光的衰減中包含有顆粒尺寸和濃度（顆粒數(shù)）的信息，從而為它們的測量提供了一個(gè)尺度。為此消光法可歸結(jié)為：測得入射光和透射光的強(qiáng)度，i和i或其比值，知道入射光0的波長九，光程L和被測顆粒折射率m后，就可得到顆粒的尺寸分布函數(shù)N（D）及濃度，此時(shí)體積濃度可表示為：C-pND3（3.5）v6乘以顆粒的密

54、度后即得重量濃度C:m將（3.5）和（3.6）代入3.1中則I3LKC（37）ln=m（37丿I10丿2PD32應(yīng)用單波長法通常的測量方法是：1）在試樣制備時(shí)，先根據(jù)樣品的重量得到其濃度，從而根據(jù)消光值I/的測量（利0用（3.7）式）求得被測顆粒群的平均直徑；2）可采用化學(xué)滴定法確定樣品中顆粒的濃度，從而根據(jù)消光值I：的測量求得被測0顆粒群的平均直徑。還有很多種測量方法例如雙波長法，多波長法等，在這里就不一一贅述了。根據(jù)消光法測量顆粒原理（3.1）式中N和D是位置的被測參數(shù)。再測得背景光強(qiáng)和透射信號光后，反演算法可求N和D18。3.2光脈動(dòng)法理論當(dāng)顆粒不受人為因素隨機(jī)分布在空間時(shí)，在某一體積內(nèi)

55、的顆粒數(shù)量可以作為隨機(jī)變量處理，并服從一定的數(shù)學(xué)分布規(guī)律。當(dāng)光束在不同空間位置穿越含有這種顆粒的透明介質(zhì)時(shí)，散射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)都是顆粒數(shù)隨機(jī)變量、顆粒粒徑的函數(shù)。如果能找出它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，就可利用散射光和透射光強(qiáng)度的隨機(jī)變化反演求取顆粒粒徑。光脈動(dòng)法是利用透射光強(qiáng)隨機(jī)變化規(guī)律結(jié)合光散射理論來測量顆粒粒徑的方法，其工作原理如下：利用平行光束穿越含有顆粒的介質(zhì)區(qū)域，由于顆粒的宏觀運(yùn)動(dòng)，光束照亮體積內(nèi)不同時(shí)刻的顆粒數(shù)也是不同的，因此透射光信號是隨時(shí)間變化的。如果顆粒的宏觀運(yùn)動(dòng)是定常的，把光束照亮體積內(nèi)不同時(shí)刻的顆粒數(shù)量作為隨機(jī)事件，則這一隨機(jī)過程是平穩(wěn)的。按各態(tài)經(jīng)歷隨機(jī)過程的特性，顆粒數(shù)隨機(jī)變量

56、在一確定體積內(nèi)，在時(shí)域上的數(shù)字特征可以代表其在整個(gè)空間的總集數(shù)字特征，建立了顆粒粒徑和透射光強(qiáng)之間的關(guān)系后，就能求出顆粒粒徑的濃度19。光脈動(dòng)法測量顆粒裝置示意圖如下圖3.2光束顆粒光電管計(jì)算機(jī)透鏡圖3.2光脈動(dòng)譜法測量顆粒粒徑示意圖將（3.1）改寫成ln(I!I)=-0兀uD2K(九,m,D)4Aext式中u=NAL是測量體內(nèi)的顆粒數(shù)，在被測顆粒處于流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，當(dāng)V減小到一定程度,顆粒再測量體中的流動(dòng)不屬于定長穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，流過測量體中的顆粒不能認(rèn)為是保持不變的，而是隨時(shí)間呈隨機(jī)性變化，所以透射信號光強(qiáng)I出現(xiàn)隨機(jī)脈動(dòng)。如果A減小到稍大于顆粒系的粒徑，則脈動(dòng)有很大的變化如圖3.2.1光脈動(dòng)法測量原

57、理。ooooooOIII扎虹hM1J4*atiklUJMlL.111i-hn-.-i.i4*亠匚.iii.丄J11t薩敘林恤沖原始信昂0-100Hz】00-500Hz504】500Hz】500-3000Hz3000-6000Hz600Q-13500Hz_050100020003000斗0005000時(shí)間序列點(diǎn)圖3.3透射光信號的頻率構(gòu)成將測得的I的時(shí)間序列，經(jīng)過快速的傅里葉變換處理，就會(huì)得到信號的功率譜和頻i率譜。如圖（3.4）是對圖（3,3）的原始信號進(jìn)行快速傅里葉變換處理的結(jié)果。f!kHz圖3.4FFT處理后得到的功率譜從圖（3.4）中還可以看出。大部分信號的功率處于2000Hz以下，由（

58、3.1）式和（3.20）式可知，所有頻率下功率譜的積分對應(yīng)的是所有顆粒的總濁度，不同波段下的功率譜積分對應(yīng)的是相應(yīng)顆粒度區(qū)間顆粒的濁度。由這樣的關(guān)系可以推出各個(gè)粒子區(qū)間對應(yīng)的透射光強(qiáng)的平均值I。對圖（4.3）的各個(gè)波段進(jìn)行處理，求得他們的標(biāo)準(zhǔn)差（i）irmsi和均值I，就可由（3.18）式和（3.21）式求出個(gè)粒度區(qū)間的顆粒濃度n和顆?？倽舛萒OC o 1-5 h ziiN,顆粒的粒度分布可由式（3.22）決定(3.23)N(D)N*(D)=iin工N(D)ii-1各個(gè)子區(qū)間的平均粒度d則由（3.21）式確定。i因?yàn)樵谏鲜龇椒ㄖ胁捎昧俗V分析方法結(jié)合脈動(dòng)法得到顆粒的粒度分布，因此，將上述方法稱為

59、光脈動(dòng)譜法。3.4三種測量方法的比較應(yīng)用的條件不同：消光法應(yīng)用在測量光束的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒的尺寸，因而測量區(qū)內(nèi)粒子的數(shù)目很多，處于流動(dòng)狀態(tài)的顆粒群，可以近似的被認(rèn)為顆粒數(shù)目是平穩(wěn)的，不隨時(shí)間變化。光脈動(dòng)法和光脈動(dòng)譜法應(yīng)用在測量光束直徑小，測量區(qū)長度很小，被測粒子的數(shù)目變化對整個(gè)顆粒系的影響很大的情況下。光脈動(dòng)譜法不同于前兩種方法還在于，光脈動(dòng)譜法不僅應(yīng)用在被測顆粒數(shù)目變化的情況下，同時(shí)通過測量體的顆粒大小的也變化。測量顆粒的類型不同：光脈動(dòng)法只能測量單分散系粒子，即粒子的粒徑大小基本一致的粒子；光脈動(dòng)譜法可以測量多分散系粒子即粒子的粒徑大小不一致的粒子。它還可以測量粒子的濃度分布。消光法即可測

60、量單分散顆粒系也可以測量多分散顆粒系。3.5小結(jié)本小結(jié)意在講述光脈動(dòng)譜法測量顆粒的粒徑、濃度的基本原理。鑒于消光法與光脈動(dòng)法是光脈動(dòng)譜法的基礎(chǔ)，而且光脈動(dòng)譜法只是消光法與光脈動(dòng)譜法應(yīng)用條件下的拓展，所以通過論述消光法與光脈動(dòng)法基本原理，進(jìn)而說明光脈動(dòng)譜法的基本原理。最后對三種測量顆粒粒徑與濃度的方法進(jìn)行多方面的比較。4光脈動(dòng)譜法若干問題的討論4.1限制粒徑和濃度量程的因素鑒于國內(nèi)在透射光脈動(dòng)方面進(jìn)行的研究尚少，該文將對該方法運(yùn)用中的若干問題進(jìn)行討論。4.1.1影響粒徑測量上限的因素（1）有效消光系數(shù)的變化：在粒徑計(jì)算時(shí)，消光系數(shù)是一個(gè)很重要的參數(shù)。根據(jù)Mie理論，當(dāng)無量綱量a且200時(shí)，可以將