侧向光散射式颗粒计数技术的研究

　　1　引　言

　　随着科技的发展,对液体介质中颗粒状污染物的检测变得越来越重要。例如在液压系统中设备的工作可靠性与油质的污染状况有密切关系。据资料统计,液压系统的故障约有70%是由于污染引起的,由固体颗粒污染物引起的液压系统故障占总污染故障的60%～70%[1]。又如在微电子工业和制药业中,对介质的洁净度均有严格要求,中国药典和英、美等国的药典也都规定了大剂量输液和小针剂注射液中每单位容积中的颗粒状杂质的数量上限。为了检测洁净介质中的颗粒状杂质,世界上少数发达国家已设计出基于多种工作原理的颗粒计数器,其中基于光散射法的光学颗粒计数器(OPC),因其测量速度快、对被测介质无干扰、适用范围广、自动化程度高等优点而被广泛采用[2,3],而且国际标准化组织、美国医药局等均制订了相应的OPC检测标准。迄今为止,我国一些企业已能生产用于气体介质的光学颗粒计数器,但对液体介质中的颗粒状污染物检测主要还是依赖于进口设备。为满足日益增长的工业需求,设计了一套光学颗粒计数装置,主要对液体介质中的颗粒状污染物进行监测。经过实验验证,该计数装置能够分辨较小粒径的颗粒,本文给出了这种颗粒计数装置的测量原理和方法。

　　2　光散射式颗粒计数的原理

　　由米氏理论知当一束波长为λ,光强为I0的单色平面波照射到单个球形颗粒时,其散射光的光强分布为[4,5]

　　式中r为散射颗粒与观测点的距离,为入射光振动面与散射面的夹角,强度函数i1(θ),i2(θ)为[5]

　　其中,米氏系数al,bl为折射率n和无因次参数a(a=πD/λ)的函数,可以用半整数阶Bessel函数和第二类Hankel函数表示;πl和τl与散射角θ有关,可以用cosθ的Legendre和一阶缔合Leglandre函数表示,详细表达及计算方法见文献[6～8]。由式(2)可知,强度函数i1,i2是a,n,θ的函数。

　　实际应用中,各种光散射式颗粒计数装置都是采集散射光在某一空间范围内的光通量,并由米氏理论建立起光通量与粒径(F-D)之间的关系。对于异轴采光结构的光学颗粒计数器,采光结构如图1所示,图中θ1,θ2所夹的范围即为采光角,其F-D关系为[9]

　　显然,对于给定的入射光波长,光通量F是颗粒直径D,颗粒相对于液体介质的折射率n和采光角θ的函数,即F=f(D,n,θ)。当n,θ,I0一定时,F只是粒径D的函数。由光电检测器将单个颗粒的散射光能信号转化为一个电脉冲信号,该电脉冲信号的幅值反映了颗粒的粒径大小,只要使测量区内在任一瞬间仅有一个颗粒流过,根据脉冲信号的个数就可计算出颗粒的具体数量。