利用颗粒布朗运动的粒度测量方法

　　0　引　　言

　　目前我国用于分析颗粒粒度的方法和仪器种类很多,如各种沉降、激光衍射、激光散射、光子相关、库尔特、筛分等。对各类仪器应用情况研究发现,它们对同一样品进行检测,由于方法不同及对样品处理技术的局限性,其检测结果存在相当大的差异。这一事实已为颗粒学会组织的全国联测结果所证实。这是一个引起颗粒测试技术界普遍关注的问题。本文就是基于上述情况提出的一项新课题。希望找到一种人们可以直观感觉到的、更加准确和信赖的粒度测量方法。

　　粒径在3μm以上的颗粒粒度测量是否准确,人们通过显微镜可以直观地进行一些校验。而3μm以下,特别是人们很关心的1μm至0·1μm这一尺寸段,目前还无较理想的测试方法。这一尺寸段人们难于用光学显微镜看它们的轮廓,无法用较直观的方法去校验那些高效粒度测量仪器的测量结果。我们注意这样一个事实:1μm左右的颗粒在显微镜上虽然轮廓模糊不清,但可以看到它们存在。本文以这一客观现实和颗粒布朗运动的某些规律为基础,提出了两种超细微粒粒度测量方法:基于颗粒位移的中心轨迹和基于颗粒运动速度的光缝法。

　　1　理论依据

　　人们早在19世纪就观察到了悬浮于介质(气体或液体)中的微小颗粒与介质分子相互作用产生的运动(布朗运动)。科学家对颗粒布朗运动的研究还揭示了布朗运动的某些统计性规律。如在特定的环境下,由布朗运动引起的在t秒间隔内微粒平均位移平方可用下式表示:

式中,L是一个考虑介质分子平均自由路径的参数。

　　考虑到在特定的环境下,(2)式中的CC、K、T、u是已知的常数,可用系数C统一表示环境的参数

　　由(6)式我们可知,在特定环境下,只要测得t时间间隔内作布朗运动颗粒的位移平方均值△S2,就可求得该颗粒直径大小。这就是本文获取颗粒粒度信息传感器设计的依据。

　　2　颗粒位置信息的获取方法

　　通过物象光学系统观察颗粒的布朗运动是获取颗粒位置信息最直接和准确的方法。然而使用显微镜观察布朗颗粒,存在两个很难克服的困难:1)颗粒太小(直径1μm或比1μm小),由于衍射现象轮廓不清楚。2)颗粒在介质中作布朗运动,偏离对定物面的情况是难免的,这也使颗粒的显微图象模糊不清。显然,想直接通过常规的显微镜观察布朗颗粒的几何轮廓获得准确的颗粒粒度信息是太困难了,针对上述情况,这里提出一种基于测定颗粒中心位置获得颗粒位移信息的方法———颗粒中心轨迹法。

　　如图1所示:这是一组布朗颗粒在TV显微镜中显现的图象,图1(a)是3个小颗粒的理想图象,图1(b)和图1(c)是3个颗粒由于粒径小或布朗运动造成的离焦产生的模糊图象。这一现象完全符合惠更斯-菲涅耳原理,是使用光学显微镜观察超细微粒是不可避免的。值得注意的是这3个微粒,不管其图象是否清晰,他们各自的轮廓中心始终具有其位置的唯一代表性。也就是说:测出这些微粒中心位置的变化情况就可计算微粒的布朗运动位移和粒子直径。具体实现方案如图2所示。