粉尘的粒径分布测定

粉尘的粒径分布测定

一、实验目的

1、 了解LS900激光粒度分析仪的工作原理;

2、 了解不同粉尘粒度的分布情况;

3、 掌握LS900激光粒度分析仪的基本操作;

二、实验原理

(1) 基础知识——颗粒对光的散射理论

众所周知,光是一种电磁波。它在传播过程中遇到颗粒时，将与之相互作用，其中的一部分将偏离原来的行进方向，称之为散射，如图1所示：

图1 光的散射现象示意图

当颗粒是均匀、各向同性的圆球时，可以根据Maxwell 电磁波方程严格地推算出散射光场的强度分布，称为Mie 散射理论，摘录如下：

{}21

)(cos )(cos )1(12∑∞=+++=l l l l l a b a l l l I θτθπ {}21)(cos )(cos )1(12∑∞=+++=l l

l l l b a b l l l I θτθπ

其中I a 和I b 分别表示垂直偏振光和水平偏振光的散射光强；θ表示散射角，a l 和b l 的表达式分别如下：

)ˆ`()()ˆ()(ˆ)ˆ`()()ˆ()`(ˆ)1()`1(q n q q n q n

q n q q n q n a l l l l l l l l l ϕζϕζϕϕϕϕ--=

)

ˆ`()()ˆ(`)(ˆ)ˆ()`()ˆ(`)(ˆ)`1()1(q n q q n q n q n q q n q n b l l l l l l l l l ϕζϕζϕϕϕϕ--= 此地，ω

πσ4(1ˆi n +∈∈=介)，0λωc =，r q 介λπ2=；式中，介∈为介质的介电常数，∈为散射粒子的介电常数，σ为电导率，0λ和介λ分别为真空和介质中的光波

长，r 为粒子半径，而

)(2)(21

q J q

q l l +=πϕ

)()()()1(q i q q l l χϕζ+= 其中)(2)(21q N q q l l +-

=πχ 这里)(21

q J l +和)(21

q N l +分别是第一类Bessel 函数和诺俟曼函数。

l π和l τ的表达式则为：

∑=-------=2/012)(cos )

2)((2)2)(22()1()(cos l m m l l m

l m l m l m m l m l θθπ )(cos sin 1)1(θθ

l p = )(cos cos )(cos sin )(cos cos )(cos )1(2θθθθπθ

θθπθτl l l l p d d d d =-= 其)

1(l p 为一次缔合勒让德多项式 Mie 理论是描述散射光场的严格理论，适用于经典意义上任意大小的颗粒。但是对大颗粒(λ〉〉r )，Mie 散射公式的数值计算十分复杂。通常人们认为这种情况下散射现象可以用较常见而简单的衍射公式描述。当散射粒子到观察点的距离无限远时，衍射公式可简化为Fraunhoff 衍射公式：

2

1222sin )sin (2)()(⎥⎦⎤⎢⎣⎡=θθλπθkr kr J f A r I （）。 (2) 工作原理

激光粒度仪由测量单元、样品池、计算机和打印机组成，如图2所示:

图2 LS900型激光粒度仪的结构示意图

从He-Ne 激光器发出波长为0.6328μm 的激光束，经扩束镜后会聚在针孔，针孔将滤掉所有的高阶散射光，只让空间低频的激光通过。然后激光束成为发散的光束。该光束遇到透镜后被聚焦。反射棱镜使光学系统的光轴转折90°，即，使之由水平传播变成垂直传播。当样品池内没有颗粒时，光束将被聚焦在环形光电探测器的中心，并穿过中心的小孔照到中心探测器上。当样品池内有颗粒样品时，会聚的光束将有一部分被颗粒散射到环形探测器的各探测单元以及大角探测器上。

设样品池内没有颗粒时，中心探测器接收到的光能为E 0，其他各探测单元

接收到的光能（由于象差和尘埃散射等）从里到外依次为B 1，B 2，…，B n ；样品内有待测颗粒时，变为E`0，S`1，S`2，…，S`n ；则：

00`E E E Blr -=， 称为遮光比。样品浓度越高，遮光比越大。

,i i i b s s -=

I=1,2,…,n ；称为散射光能分布，它包含了待测颗粒的粒度分布信息。

光能信号通过光电探测器转换成了相应的电流信号，送给数据采集卡。该卡将电信号放大，再进行A/D 转换后送入计算机。

根据光的散射理论和仪器的光学结构，计算机事先已计算出了仪器测量范围内各种直径粒子对应的散射光能分布，其集合组成了光能矩阵M ，即：

⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=nn n n n n m m m m m m m m m M ,......,,....................,......,,,......,,2

1222

2111211 矩阵中每一列代表一个粒径范围一个单位重量的颗粒产生的散射光能分布。因此:

⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡•⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡•n nn n n n n n w w w m m m m m m m m m s s s 212

1222211121121,......,,..................,......,,,......,, 式中w 1，w 2，…，w n 代表颗粒的重量分布。根据上式，只要已知散射光能分布

s 1,s 2,…,s n ,通过适当的数值计算手段可以计算出与之相应的粒度分布。

三、测试准备

1、仪器及用品准备

(1)仔细检查粒度仪、电脑、打印机等，看它们是否连接好，放置仪器的工作台是否牢固，并将仪器周围的杂物清理干净。

(2)向超声波分散器分散池中加大约250ml 的水。

(3) 准备好样品池，蒸馏水、取样勺、搅拌器、取样器等实验用品，装好打印纸。

2、取样与悬浮液的配置：

BT —9300H 型激光粒度仪是通过对少量样品进行粒度分布测定来表征大量粉体粒度分布的。因此要求所测的样品具有充分的代表性。取样一般分三个步骤：大量粉体（10n 千克）→实验室样品（10n 克）→测试样品（10n 毫克）。

(1) 从大堆粉体中取实验室样品应遵循的原则：

尽量从粉体包装之前的料流中多点取样；在容器中取样，应使用取样器，选择多点并在每点的不同深度取样。

★ 注意：每次取完样后都应把取样器具清洗干净，禁止用不洁净的取样器具取样。

(2) 实验室样品的缩分

勺取法：用小勺多点（至少四点）取样。每次取样都应将进入小勺中的样品全部倒进烧杯或循环池中，不得抖出一部分，保留一部分。

圆锥四分法：将试样堆成圆锥体，用薄板沿轴线将其垂直切成相等的四份，将对角的两份混合再堆成圆锥体，再用薄板沿轴线将其垂直切成相等的四份，如此循环，直到其中一份的量符合需要（一般在1 克左右）为止。

分样器法：将实验室样全部倒入分样器中，经过分样器均分后取出其中一