固体颗粒污染的测量

固体颗粒污染的测量

摘要:本文介绍了目前国内使用的各种液体颗粒计数器的主要类型。并简要分析了液体颗粒计数器的工作原理、性能参数和日常维护方法。

关键词:液体颗粒计数器工作原理

一、引言

随着流体污染检测技术的飞速发展，液体颗粒计数器由于计数速度快、准确度高、重复性好、操作简便且结果不受人为因素的影响，既可以在线用于现场工作，又可以离线用于实验室分析，因此在流体颗粒污染分析中获得了广泛应用，已成为当前流体污染控制技术领域不可或缺的关键性设备，本文简单介绍了目前国内使用比较普遍的液体颗粒计数器的类型和工作原理，大致分析了各种设备的性能参数和最佳使用条件。结合作者的使用经验，总结了一些液体颗粒计数器的维护方法，给使用者提供一些建议。

二、液体颗粒计数器的主要类型

按照工作方式分类，目前液体颗粒计数器主要分为台式、便携式和在线式三种。

（1）台式

实验室分析仪器，一般由颗粒传感器、自动瓶取样器和数据分析器三部分组成，采用离线瓶式取样方式工作，即将待分析的液样采用洁净的取样容器从现场采样后，送到实验室中进行颗粒污染度检测。其结构最为复杂，功能最全，测量准确度最高，对工作环境的温湿度、空气洁净度和电磁干扰有一定的要求，因此价格较高。这种检测方式由于必须采样送到实验室中才能进行分析，因此数据实时性差，容易因采样容器、采样过程等环节引入二次污染，造成测量误差，但另一方面，由于检测人员可以方便观察待检测的液样，因此也可以防止因水、气泡、大颗粒等造成的测量数据异常，国内部分常用的台式仪器如图1所示。

图1 台式液体颗粒计数器

（2）便携式

非固定在线式检测仪器，主要针对经常需要变换场所的现场在线检测设计。一般也由颗粒传感器、在线取样系统和数据分析器三部分组成，但功能较少，结构更为紧凑，设计为一体，便于携带。其取样系统一般采用计量泵，检测体积依靠计量泵的流量和测试时间保证，

易受到系统压力和流量波动的影响，因此测量准确度相对台式要差。这种仪器对工作环境要求较低，价格适中。主要采用在线方式工作，可以克服因采样带来二次污染的影响，数据报告及时，但无法方便观察到待检测的液样，检测结果受到水、气泡、大颗粒等影响时很难及时排除，尤其颗粒传感器堵塞时，拆卸不便，维护更难，国内部分常用的便携式仪器如图2所示。

图2 便携式液体颗粒计数器

（3）在线式

固定在线检测仪器。该类仪器通常称为现场污染监测仪，直接安装在液压系统上，不是真正意义上的自动颗粒计数器，无法将颗粒一个个数出来，仅能根据一定的检测结果进行估测或补偿修正。其结构最为简单，一般无独立的计量泵在线取样系统，取样流量极易受系统压力和流量波动的影响；同时，其颗粒传感器和分析器也做了简化设计，因此测量准确度最差，检测误差约为1个污染度等级。该类仪器对工作环境无要求，价格便宜，功能单一，大多无法直接显示颗粒尺寸分布数据，有些甚至仅仅显示颗粒污染度等级，因此一般作为在线趋势监测使用，检测数据不宜作为是否合格的判据，国内部分常用的在线式仪器如图3所示。

图3 在线式液体颗粒计数器

按照采用的工作原理分类，目前在流体污染控制行业常用的液体颗粒计数器主要分为遮光型、光散射型、滤网堵塞型、电阻型和图像分析型等五种。

（1）遮光型

当含有颗粒的液样通过传感器的光束时，一部分光被颗粒遮挡，引起光强度的变化，而被遮挡的光量与颗粒的大小成正比，因此，通过测量颗粒通过传感器时遮挡的光的强度和频率，可以得到颗粒的大小和数量。该类仪器是一种严格意义上的液体自动颗粒计数器，可将

液样中的固体颗粒逐个计数并记录下来。其测量下限为1μm，测量上限依据传感器的结构可以达到毫米级，尤其对（1～100）μm之间的颗粒，具有非常高的测量精度，正好与污染度等级的颗粒尺寸范围相对应。另外，它可通过测量少量的液样，在几分钟内迅速得到结果，测量速度快，同时对颗粒浓度要求低，液样中仅有百万分之一即可检测出来，因此，该类仪器已成为目前液体颗粒污染分析中应用最广泛的仪器。但是，该类仪器的应用也有局限性，其要求测量的液体是半透明的和均质的，任何形成光学界面的成份，例如乳化液、两相液体、液体混合物、游离水和空气等，都将被当作颗粒记录下来。

（2）光散射型

当光束射向悬浮在液体中的颗粒时，如图4所示，一部分光被吸收，而另一部分光被散射。被散射的光包括入射光束中被衍射、折射和反射的部分。通过测定散射光强随散射角的变化，可以确定颗粒的尺寸及其分布。没有被反射或散射的光束被光阑阻挡并吸收，当液体中无颗粒时，光束完全被光阑阻挡并吸收。该原理最大的优点是测量下限较低，可达0.1μm，但是限于检测器的安装数量，其测量上限一般较低，仅为25μm，测量范围较窄。若扩大其测量范围，必须增加检测器的数量，因此测量范围大的仪器，体积庞大，结构复杂，价格昂贵。

图4 光散射物理原理图

该类仪器多用在要求检测1μm以下颗粒的工业领域，如电子、医药、空气净化等行业的高纯净水清洗控制、洁净间空气清洁度检测等，测量的介质多为空气和水基液体。近年来，随着流体污染控制技术的发展，光散射液体颗粒计数器在油液颗粒污染和过滤性能检测技术领域也逐步获得应用。

研究表明，该类仪器对颗粒的折射率比较敏感，对于校准采用的二氧化硅和聚苯乙烯乳胶颗粒具有非常好的测量一致性，但是在检测实际液压系统的油样时，尤其是润滑油样，由于含有炭黑、磨损金属等或黑或亮的颗粒存在，其检测结果要比实际颗粒数量少一倍左右。

另外，国内粒度分析行业大量使用的激光粒度分析仪，虽然采用的也是光散射原理，也可用于检测液样中颗粒的尺寸分布，但是该仪器仅能从总量上分析，进而测定出各种尺寸颗

粒所占的百分比，无法对被测试液样中不同尺寸的颗粒逐个计数，同时要求被测液样中颗粒浓度不能太低，因此不适用于流体污染控制行业颗粒污染度的检测。

（3）滤网堵塞型

当被测液样通过滤网时，液样中的颗粒被滤网拦截，使滤网逐渐堵塞。若滤网两端的压差一定，则通过滤网的流量随着滤网堵塞而逐渐减小；若通过滤网的流量一定，则滤网两端的压差逐渐增大，而流量或压差的变化与液样的污染程度有关。因此，通过检测与流量或压差有关的参数，可以半定量地确定液样的颗粒污染度。其系统结构和工作原理如图5所示。目前，可供选择的标准滤网有5μm、10μm和15μm三种。

图5 滤网堵塞法工作原理图

该类仪器不是严格意义上的液体自动颗粒计数器，无法对颗粒真实计数，仅能根据检测的参数，与校准时采用的标准颗粒的尺寸分布进行比较，进而估算出被测液样的颗粒尺寸分布，因此，该类仪器在检测实际流体系统的液样时，由于被测液样与标准颗粒的尺寸分布往往不同，检测结果的误差较大，尤其是大颗粒。使用经验表明，该类仪器每次使用后，滤网必须反向冲洗干净，才能保证检测结果的重复性。但是，该原理检测速度快，无须对液样稀释，且结果不受游离水、空气、两相液体等影响，因此在检测含水油样、乳化液等时，具有一定的优势。

（4）电阻型

当悬浮在导电液体中的颗粒通过一尺寸已知的小孔管时，取代相同体积的导电液体，在恒电流设计的电路中导致小孔管内外两电极间电阻发生瞬时变化，产生电压脉冲，因此，通过检测脉冲信号的大小和次数即可得到颗粒的大小和数量。该测量原理又称为小孔电阻原理或库尔特原理。其工作原理如图6所示。根据采用不同的小孔孔径，该类仪器目前可测量的颗粒尺寸范围为0.4～1200μm。