鞘流原理在圖像粒度儀器中的應用

孟慶學

摘 要：在顆粒表征領域，顆粒粒型的表征則必須通過圖像粒度儀來實現(xiàn)。圖像粒度儀的性能直接影響測量的準確性和重復性，將流體動力學的層流原理與圖像粒度儀相結(jié)合，按流體參數(shù)和成像系統(tǒng)參數(shù)設計出能形成鞘流的結(jié)構(gòu)，通過計算流體力學軟件模擬對鞘流結(jié)構(gòu)進行分析驗證，將儀器分為進樣系統(tǒng)和光路系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設計，通過原理分析和模擬計算尋找出影響性能的主要因素，并在設計過程中加以解決。

關鍵詞：層流；鞘流；圖像粒度儀

引言

鞘流是一種技術(shù)，是用一毛細管對準小孔管，顆?；鞈乙簭拿毠車姵?，同時與四周流出的鞘液一起流過敏感區(qū)，保證顆?；鞈乙涸谥虚g形成單個排列的顆粒流，四周被鞘液圍繞。鞘流從本質(zhì)上來說就是一種形式的層流。

粒度儀是用物理的方法測試固體顆粒的大小和分布的一種儀器。根據(jù)測試原理的不同分為沉降式粒度儀、激光粒度儀、顆粒圖像分析儀等。目前主流的是激光粒度儀，但是激光粒度儀無法測量顆粒形貌，而圖像粒度儀既能測量粒徑分布，也能測量顆粒形貌，對于粒形和粒徑同樣關注的，如磨料、硅灰石和氧化鋯等行業(yè)就必須選擇圖像粒度儀?，F(xiàn)階段圖像粒度儀主要為靜態(tài)測試，存在測試樣品量少，代表性差，粘連顆粒多的缺點。

本文就闡述一種具備鞘流原理圖像粒度儀，從而解決靜態(tài)圖像粒度儀的缺點。

1原理分析

1.1層流形成條件

層流是流體的一種流動狀態(tài)，它作層狀的流動。表征液流慣性力與粘滯力相對大小，可用以判別流動形態(tài)的無因次數(shù)，記作Re。雷諾數(shù)的定義式為：Re=ρvd/μ式中ρ、μ為液體的密度和動力粘滯系數(shù)；v、d為流動的特征速度和特征長度。雷諾數(shù)小時，粘性效應在整個流場中起主要作用，一般管道雷諾數(shù)Re<2000為層流狀態(tài)。對于非圓截面的管道來說，雷諾數(shù)Re計算式為：Re=4vR /μ

方管的R =b/4 ，b為方管截面邊長

1.2鞘流結(jié)構(gòu)設計

鞘流器是該儀器的核心部件之一，鞘流器采用石英方管，保證方孔與外壁平行度，防止因光程不同引起的圖像變形。根據(jù)進樣泵，樣品流管路和成像視野的綜合參數(shù)，鞘流方管區(qū)尺寸定義為0.5mm×0.5mm。進入毛細方管前，鞘流器內(nèi)壁達到G1連續(xù)曲面，使液流管壁光滑連續(xù)，又不至于加工難度過大。毛細管與鞘流器中心孔保持同軸，通過止口結(jié)構(gòu)進行保證，同時毛細管可通過細牙螺紋副調(diào)節(jié)深入到鞘流器的深度。

1.3流場分析

當孔的長度和直徑之比l/d>4時，稱為細長孔，流經(jīng)細長孔的液流一般都是層流，那么液流以層流形式流入細長孔就認為理論上可形成穩(wěn)定層流。通過計算流體動力學軟件對鞘流器內(nèi)的流場進行模型驗證，通過分析發(fā)現(xiàn)，理想狀態(tài)下流線非常光滑穩(wěn)定，對稱性好；當人為將樣品流和鞘液流形成偏置來模擬加工安裝誤差，分析發(fā)現(xiàn)，在設計誤差極限時，流線依然光滑穩(wěn)定，有較好的對稱性；而當偏置到二倍設計誤差時，流線出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)折趨勢，有突變的可能，但是還能保持層流狀態(tài)。如圖所示：

2功能系統(tǒng)設計

2.1進樣系統(tǒng)

進樣系統(tǒng)要求進樣速度穩(wěn)定，鞘液與樣品進樣速度可控，采用微量恒流泵作為進樣系統(tǒng)，通過微流管路和標準接頭連接鞘流器，在鞘流器末端設計廢液回收裝置，形成進樣系統(tǒng)，這樣的進樣設計可使管路更加簡潔，減少中間管路的壓力損失、顆粒沉積和更加便于清洗。

2.2光路系統(tǒng)

光路采用平行光源，鞘流器置于光源和成像鏡頭之間，光源入射角度保證與鞘流器垂直。高速工業(yè)CCD安裝到鏡頭尾部用于采集鏡頭成像的顆粒圖像如下圖所示。光路結(jié)構(gòu)要保證光路的穩(wěn)定，可以設計一塊獨立的光路底座，光路底座具有厚度大，面積小，與儀器底板接觸面小的特征。將光源、鞘流器、成像鏡頭和CCD安裝到光路底座上就能使光路非常穩(wěn)定。

3影響系統(tǒng)性能的主要因素

3.1進樣流速的穩(wěn)定性

微量恒流泵選擇液量準確度誤差≤1%，液量精確度重復性誤差≤0.5%，用以保證雷諾數(shù)中的v的穩(wěn)定。

3.2進樣比例的控制

進樣的比例控制一方面形成穩(wěn)定的鞘流，另一方面可以控制進樣濃度，既能顆粒無重疊又能有較多的顆粒，還能控制粒子運動速度和曝光時間。

3.3鞘流器形狀及精度

形狀規(guī)則和表面平滑的鞘流器可以使流線更加平滑，這樣形成的鞘流狀態(tài)更加穩(wěn)定，是精度較差的鞘流器。

3.4光路系統(tǒng)的穩(wěn)定性

光路的穩(wěn)定直接影響圖像采集效果，測試中光路的變形和顫動會導致拍攝不到液流區(qū)或者圖像拖尾、離焦。

4結(jié)語

利用典型的流體運動特征輔助粒度測試，會很大程度上消除顆粒層疊造成的誤差，提高準確性，同時采集優(yōu)良圖像信息的大量增加也降低了數(shù)據(jù)處理算法的難度。簡潔的進樣系統(tǒng)利于減少系統(tǒng)干擾因素，穩(wěn)定的光路結(jié)構(gòu)提高的系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以利用優(yōu)良的、穩(wěn)定的原理再結(jié)合簡單可靠的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，才能使儀器的性能優(yōu)良，可靠性高。

參考文獻

[1]吳望一編若，《流體力學》，北京大學出版社，北京，1982。

[2]王積偉，《液壓傳動》，機械工業(yè)出版社，北京，2006.12

[3]ISO 13322-2（2006-11-01）

（作者單位：丹東百特儀器有限公司）