测量颗粒物的尺寸分布有多种测量方法

Laser
Figure 1: Basic Optics for TOT Method
运用TOT 方法和动态形状分析来测量 油基液体中颗粒物浓度、尺寸和形状
1． 简介
测量颗粒物的尺寸分布有多种测量方法，专用于测量大于1微米的技术，例如筛选法，光学显微镜法，激光衍射法，沉降法，电子光学记数法等等分析方法都能被应用。

每一种方法都有它的优缺点。

区域记数法可以提供很高的分辨率，但不能用来测量空气微粒和显微镜玻片上的微粒。

衍射仪器可以简单快速得到结果，并具有较好的重复性，但分辨率较差。

采用沉降法的仪器可以得到精确的分辨率，但分布广的范围内，测量时间太长。

显微镜法提供了颗粒物重要的形状信息，但速度较慢，特别是分布广的时候。

筛选法仪器价格较便宜，但只能提供低分辨率的尺寸分布信息，同时要求操作者有熟练的技巧，并且仪器需长期的维护。

作为一项技术，TOT 方法15年前被推出，并将上述优点融合在一起。

TOT 技术的直接测量是在高分辨率的情况下对单一颗粒的基础上取得的。

被测颗粒物的直径，由脉冲的宽度决定，这意味着仪器不需要标定，测量结果和微粒的光学属性无关。

尽管TOT 在测量颗粒物尺寸和浓度时是一快速、可靠、精确的技术，仍然需要一个假设前提：微粒是球状的。

假设基于测量参数的类型：直径。

当然在许多应用中，球状微粒是不现实的。

在这些应用中，TOT 技术能够给出近似的结果，例如外形比率、形状、面积、周长等。

为了得到上述数据，TOT 技术集成了应用CCD 成像和同步闪光原理的动态外形分析技术（DSA ）。

在各种应用中的各相微粒的尺寸、形状、浓度测量中，多年的开发经验使我们具有了强大的分析工具。

这个资料介绍了TOT 技术的原理和DSA 联用技术的强大的应用功能。

同时，作为对于含油基体中的微粒浓度、尺寸、外形的强大的分析技术，它的应用实例也被论述到。

2． TOT 基本原理
图1显示了TOT 技术需要的基本的光学器件。

一个聚焦的HeNe 激光束，波长等于632.8nm ，通过一个楔形棱镜，光束将偏离光轴θd 角度。

楔形棱镜以角频率ω=2πv 的速度旋转。

采用焦距为F 的透镜时，透镜将光束聚焦到1.2微米的监测点上（直径为1/e 2）。

旋转、聚焦、偏离光轴的光束在空间中作直径为D 的圆形循环扫描，这里简单的假设这时，D>>d p (微粒直径)。

对于光束来讲，在各种测量中，具有代表性的微粒是：流动的或被搅拌的液体中的；光栅扫描的显微镜滑片上的；流动的空气中的；或者在气体或液体中简单的沉淀的。

光敏二极管直接放置在微粒背后，与光轴垂直正交。

Figure 2 : Beam - Particle Interaction,
Ideal Case
a b c d e
I
Figure 3 : Pulse Shape for Off-Center
Interaction
Fig. 1 - Basic optics needed for the TOT technique.
在光路通过颗粒物时，光敏二极管的信号是很低的。

理想的图形如图2所示。

通过测量脉冲宽度∆τ和正切斜率的乘积, V T= ωF tanθd，得到了光通过时颗粒物的长度。

等于颗粒物尺寸的长度是TOT技术的最简单的应用之一：计算来自于原始数据的颗粒物尺寸。

Fig. 2 - Beam – particle interaction in an ideal case
通过改变焦距的长度、偏转角、旋转频率，此项技术容易适用于不同的尺寸范围。

实际使用中，光和微粒的交互像微粒尺寸本身一样远不是理想的。

这样，下面描述了一些非理想的交互作用。

2．1偏心的交互作用
图3显示了在循环光路和微粒之间的一种典型偏心的交互作用：光路从弦通过。

如果这样一个脉冲被允许，那么粒径最终的尺寸分布将被放大，同时降低了颗粒物平均尺寸的大小。

Fig. 3 – Off-center interaction between beam and particle
通过微粒直径和弦的路线的脉冲形状显示在图3中。

通过直径的路线具有更快的上升和下降时间（高度的完全斜坡）。

理想的情况下，最小的上升与下降时间由监测点尺寸和V T设置的。

对于比最小时间大得多的上升和下降时间的脉冲被认为无效，这样，对最终的尺寸分布没有任何影响。

如果标准太严格，那么许多经过的路线将被排除，统计错误太高，然而，分布宽度更精确，得
Figure 4 : Out of Focus Particles 到高分辨率的多重峰值分布。

如果标准太宽松，统计错误低，但分布被人为放宽，这样降低了分辨率。

为了测试原理的限度，严格设置排除弦的标准。

这样，得到了对于单分散性的样品测量的标准的背离度，±2.5%。

这显示了对于分辨波峰群的能力是很高的。

尽管在许多令人感兴趣的实际应用中没有必要。

2．2超出焦点外的微粒
图4显示了放大、聚焦的光路示意图。

光路的腰部半径w 0 是μ (当 F = 1.6cm), 并且半径w(z)中的距离 z 由附录[3]给出:
Fig. 4 - Expanded view of the focused beam
当微粒不在焦点时，脉冲显得很大并带有模糊的边。

另外，在光路上每单位面积的亮度比腰部小得多。

作为结果的脉冲，对在腰部和在w(z)处，都将显示出来。

但在w(z)处的脉冲，比在腰部的脉冲有更小的振幅、更大的宽度、更长的上升/下降的时间。

如果上升/下降时间不等或不足够短，那将会和来自弦的脉冲一样被排除。

另外，通过与正常振幅脉冲宽度的对比，这样就有另一个排除的标准。

特别是，一个可以接受的另外的脉冲将会被排除，除非它通过了正常的振幅标准。

这样，排除超出焦点外的颗粒物成为可能。

2．3光路直径和小颗粒物的限度
当聚焦的光路直径μm, F = 1.6 cm)不再比微粒尺寸小，脉冲的形状不再理想：开始和拖尾的边缘是圆形的。

因为光路具有高斯分布的特征，那么相对于微粒尺寸对测量脉冲去卷积产生一个脉冲并不难。

那么，μm 的微粒同样可以被确定，并具有很好的一致性。

如果仅仅是用来描述，那么结果最小可以到0.1μm 。

通过减少波长和监测点尺寸，原理上可以测量到0.3 μm 左右。

更低的微粒限度由光路的分歧决定。

对于当前的配置，用HeNe 激光器，是μm 。

由去卷积得到的尺寸精度，特别是小于10μm 的微粒，主要依赖于聚焦光束的直径。

基于这个理由，光路必须保持干净。

另外，监测点尺寸的增加和作为最终结果的微粒的尺寸也应被考虑。

紧急情况时，在较低的尺寸范围内，相对于由廉价的、普通的、塑料检测池产生的更大一些的监测点尺寸，采用高质量的石英检测池在原理上可以减少监测点的尺寸限制。

然而，重复性和分辨率
⎪
⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅+⋅=22001)(w z w z w πλ
Figure 5: Curvature Limitations and Large
Particles ⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-
+⋅=R R V V T R θcos 2112并不受到影响。

如果它们仅是简单的关心，那么推荐使用任意的塑料检测池。

2．4循环回路直径和大颗粒物
光回路的直径是由 D = 2 F tan θd. （θd = 40）和F = 3.15cm, D 是。

只要微粒直径d p 比D 小得多，当经过微粒时，回路的曲率将能被忽略。

图5显示了当D 并不比d p 大很多时的光路的实际的路径。

Fig. 5 – Curvature limitations and large particles
弧S 总是比微粒直径大得多。

脉冲宽度来自于弧的长度，不是微粒的直径。

两者之间的相关性如下：
d p / D = sin (S / D)
等式是用来校正差异的。

在最差的情况下，(θd = 40, F = 3.15cm, d p = 3,600μm), 弧S 比d p 大17%。

对于其它所有的配置，差异更小。

在其它情况下更容易补偿。

在大多数通常的情况下，补偿小于几个百分点。

2．5微粒的运动
图6显示了光路上的交互作用的4个位置，在那儿微粒对光轴以垂直正交的速率V ⊥运动。

在所有四种情况下，被测量的脉冲的宽度是相对应于距离X 来讲的，X 是和微粒实际直径d p 相关的。

光路的外观速度，V R ，来自于正切速率和V ⊥的矢量和。

由下列等式给出：
这儿R ≡ V T / V ⊥ ，θ 是 x 轴心到微粒中心的角。

微粒看上去尺寸是 x =∆τV R ；然而，微粒
直径是d P = ∆τV T 。

假定微粒和光路在超过2π 弧度的任何位置上的交互作用近似相等，上面的等式能够带入下面的结果：
V
Figure 6: Effect of Particle Motion
⎪⎭
⎫ ⎝⎛
+≅
-
21121R R x
σ
2
/1211⎪
⎭⎫ ⎝
⎛
+⋅≅-
R d x p 0
48w M ⋅=Φλ
这里x 是平均数， σ/(x-bar)是相对的标准背离度。

只要速率被设置到1/5或者小于正切速率 (R ≥5)，平均数在真实直径的2%以内，相对标准背离度在10% 或更小。

Fig. 6 – The effect of particle motion
2．6浓度测量
检测的最低限制是一个颗粒物。

这样TOT 方法可以比沉降、分子筛、流动分选等方法有能力测量低得多的浓度。

检测的上限是避免微粒的交迭，交迭会导致更大的外观尺寸。

在直角的平行六面体型的容器中仅仅一个微粒也是可以的。

既然微粒不能够比单独的d p 更接近，容器的两边被设置到两倍的微粒直径。

更长尺寸被设置到4z, 这儿 z 由微粒直径的标准d p = 2 w(z)决定。

这个光学上被定义的量有如下相关性，当 d p /2w 0 >> 1：
这里ΦM 是最大的理论上的分数量。

这样，对于大于5μm 的微粒的直径，在水中原理上的限制是 (λ=λ0/ n) 1.7% v/v.。

牛奶中2μm 的大颗粒的测量用特殊设计的流量池， 0.42% v/v, 相应的微粒为 10+9 个/cc 。

测量池中路径的长度为1mm ，可以测量乳状的可视样品。

标准路径是10mm 。

像这样的高浓度测量，对于弗琅荷费谱线是不可能的，因为不像TOT 技术一样，它不是聚焦的。

2．7非球型的微粒
当光路探测一个非球型的微粒时，大部分的光路和微粒的交互作用是不对称的脉冲，并且被排除。

考虑极端的例子，一个长条形微粒以随机的方向通过循环光路，垂直于条形微粒的交互作用将会有一个可接受脉冲，这个记录便会被作为微粒的尺寸宽度记录下来。

但这里沿着微粒的长度只有很少的可以接受的交互作用，被提供的长度是小于光路直径的。

结果，在这个极端的例子中，外观上的尺寸分布正好有利的接近了条状物的宽度，相对于微粒的长度来讲是第二种模式。

这样可能引起关于TOT 技术不适合于检测高度的非球型微粒的争
论。

这种争论是正确的，但是其它任何非图象型的设备都存在这样的问题，尺寸总是微粒外形的一种属性。

对于球形微粒，TOT技术是可以接受的，对于高度不规则的微粒，通过图象分析来确定其属性。

在这样的情况下，用TOT技术测得的结果来描述微粒的尺寸分布就不充分了。

3．动态外形分布
令人感兴趣的是，TOT光学上设计的简单性也可以在相对激光束的某一角度插入一光学器件得到图象。

一个同步闪烁器和一个CCD摄像头可以得到从2 μm到3,600 μm的两维的视频图象。

这些图象不仅仅得到微粒的尺寸而且可以检查联结体、污点、沉淀物等状态，以及上述所有微粒外形。

分析视频图象的像素结构，微粒的外形能够用一些参数来定义。

图9显示了最重要的外形参数之一，平均直径：
Fig. 9 –A particle’s set of Feret diameters
基于弗来特直径和视频图像的像素结构，其它许多外形参数能被计算出来，例如表1的解释。

通过使用关键性的形状过滤器，这些特殊的参数提供了在一个大的模型内描述基于微粒外形的可能性。

这将最终导致用球形微粒的尺寸来代替条状微粒，这样对于常规的微粒分析仪不能分析的更特殊和更困难的分析应用都成为可能。

Table 1 –外形参数一览
外形参数定义
实际面积 (A) 对象像素数量的总和
周长 (P) 外部轮廓长度
外形比率 (AR) 最小平均直径 /最大平均直径
外形因子 (SF) [A * 4π] / P2
精确长度(SL) [P + (P2 - 16A)1/2] / 4
精确宽度 (SW) [P - (P2 - 16A)1/2] / 4
卷曲指数 1 – [ (maximum FD) / SL]
计算容量[π/6] * [average FD]3
4．测量举例
TOT技术用在解决常规的和复杂的微粒尺寸问题已有10年左右的时间。

作为一项分析技术，对于含油液体模型，和DSA联用时证明了其价值。

下面的一些例子来说明其在实际应用中的能力。

4．1用脉冲外形来区别：在线测量水中油
许多单个微粒计数器通过测量电脉冲的高度并与由标准物质产生的脉冲相比较得到微粒的尺寸。

在TOT方法中，脉冲的宽度决定了微粒的尺寸；因此不需要标定。

然而在决定脉冲是否被加工中，脉冲外形的确扮演了这样一个角色。

不对称的脉冲，如带有很长的上升/下降时间的脉冲，振幅较小的脉冲等，考虑到高度不规则外形的、弦的、超出焦点外的脉冲等情况，通常是被排除的。

在特殊的情况下，由于有预先的了解，不对称脉冲被用来区别两种不同的微粒。

在处理了沙颗粒的背景之后，这种能力用来被区别海水中油滴微粒的尺寸分布。

图7显示了两个脉冲。

多数规则脉冲是海水中不透明的油滴，这些油滴是在大部分的油滴已通过储水池和水力分离器分离出来后剩下的。

少部分的规则脉冲是典型的沙粒的脉冲。

沙粒的脉冲形状被认为是来自于内部的并不存在的黑的、有强的吸收能力的油滴的反射。

既然脉冲宽度大致相等，它将不可能仅按照尺寸区别沙粒和油。

不透明率用上升和下降的时间比来定义。

在相同尺寸时，在不透明的油滴被设置成比沙粒更高的不透明率，并且可以建立一个极限来作为微粒尺寸的特征点。

对于不透明率超过了极限的脉冲是相对油滴来说的，并且这些脉冲在进一步处理后决定微粒的尺寸。

Fig. 7 – Typical pulse shapes for oil and sand particles
图8显示了包含在带有20μm的尖状沙粒的盐水中的油滴中，两种不同加权尺寸分布的覆盖
图。

在所有的脉冲中，20 m处有强波峰的的分布标有“标准”字样。

通过不透明率极限标准的设置，不带有波峰的分布被标有“特殊”字样。

沙粒没有波峰痕迹是显然的。

这些测量通过试验室仪器和被指定的在线流量仪器验证了，结果等同于这儿显示的。

Fig. 8 – Volume weighted size distributions of oil and sand
用这些算法，特殊的水中油分析仪已经被开发出来，型号ALADDIN。

阿拉丁被用在海面平台上的在线单元，用在排进海里的轮船的舱底水的在线监测，或在线监测由工业、炼油产生的排进环境中的油性水。

基于上面提到的TOT方法，阿拉丁产生一个计算值和在过程水中的所有液滴的尺寸分布。

油滴的尺寸分布和微粒计算数据能联合起来提供精确的、实时的、在线的油浓度的数据。

油滴的D mean能用来作独立过程的效率和凝结配料的最优化的诊断工具。

原始数据可以被用来作简单过滤器的过程效率监测。

系统被设计用来在海上油平台上操作，被放进一个防爆盒里，防爆等级1区。

系统盒集成了一套气动阀来完成全部的独立的操作。

计算机控制系统在安全区域，供用户监测，操作，远距离对系统进行诊断。

典型的循环时间是10分钟，包括高压喷射清洗系统（对已产生的水流自动操作时进行诊断），测量池填装物，并进行广泛的测量。

计算机控制系统管理操作顺序和数据处理、输出数据到显示屏VDU，打印机或者直接到工厂控制系统。

4．2与TOT联用的DSA
在更大的模型里区分不同的微粒的另一种方法是用DSA技术和TOT技术联用。

作为另一种方法举例说明，例如油基流体中的水成分的分析。

在油基液体中，水作为高透明度和球型的微粒。

这些微粒相对于其它微粒如碳酸钙，显示了很大的对比度。

为了从其它液滴中鉴别水滴，需要用到外形比率接近1.0、外形因子小于0.6的关键性的过滤器。

图9显示了一个平均直径的函数加权尺寸分布。

正确的曲线图表显示了水滴的尺寸分布的结果。

另外，TOT测量也显示了微粒浓度分布的结果。

简单的计算在整个油基模型中得到了水的浓度。

Average Feret diameter in microns
Average Feret diameter in microns
Fig. 9 – Volume weighted size distribution of particles in drilling fluid.
Top: all particles, bottom: water drops (AR > 0.9, SF < 0.6)
5．概要
TOT方法代表了下列优势的综合：
➢对单个微粒的测量的高分辨率
➢迅速直接的数据分析
➢可以在很广的一个分析范围内的操作
➢用途广泛，可以在液体、气体，甚至在透明的固体中
➢容易和图象分析联用，进行尺寸和外形分析
运用脉冲形状、高度、宽度的独特的能力来确定精确度，将一种微粒从另一种中分开，判断微粒尺寸和浓度，TOT技术可以解决一些困难的、实际应用中的、令人感兴趣的微粒尺寸的问题。

TOT和DSA甚至可以以前颗粒物尺寸或记数不可能的应用。