一、激光粒度儀的原理

       激光粒度儀是根據(jù)顆粒能使激光產(chǎn)生散射這一物理現(xiàn)象測(cè)試粒度分布的。由于激光具有很好的單色性和*的方向性，所以在沒(méi)有阻礙的無(wú)限空間中激光將會(huì)照射到無(wú)窮遠(yuǎn)的地方，并且在傳播過(guò)程中很少有發(fā)散的現(xiàn)象。如圖1所示。 

圖1  激光束在*狀態(tài)下的傳播示意圖

        米氏散射理論表明，當(dāng)光束遇到顆粒阻擋時(shí)，一部分光將發(fā)生散射現(xiàn)象，散射光的傳播方向?qū)⑴c主光束的傳播方向形成一個(gè)夾角θ，θ角的大小與顆粒的大小有關(guān)， 顆粒越大，產(chǎn)生的散射光的θ角就越小；顆粒越小，產(chǎn)生的散射光的θ角就越大。即小角度(θ)的散射光是有大顆粒引起的；大角度(θ1)的散射光是由小顆粒 引起的，如圖2所示。進(jìn)一步研究表明，散射光的強(qiáng)度代表該粒徑顆粒的數(shù)量。這樣，測(cè)量不同角度上的散射光的強(qiáng)度，就可以得到樣品的粒度分布了。

 圖2  不同粒徑的顆粒產(chǎn)生不同角度的散射光

       為了測(cè)量不同角度上的散射光的光強(qiáng)，需要運(yùn)用光學(xué)手段對(duì)散射光進(jìn)行處理。我們?cè)诠馐械倪m當(dāng)?shù)奈恢蒙戏胖靡粋€(gè)富氏透鏡，在該富氏透鏡的后焦平面上放置一組 多元光電探測(cè)器，不同角度的散射光通過(guò)富氏透鏡照射到多元光電探測(cè)器上時(shí)，光信號(hào)將被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并傳輸?shù)诫娔X中，通過(guò)軟件對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，就會(huì) 地得到粒度分布了，如圖3所示。

圖3  激光粒度儀原理示意圖  

二、水煤漿及其粒度分布特點(diǎn)

         水煤漿作為一種具有流動(dòng)性的潔凈代油燃料，具有濃度高、粒度細(xì)、流動(dòng)性好，燃燒效率高、環(huán)保節(jié)能、存儲(chǔ)安全等優(yōu)點(diǎn)。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、電站鍋爐和工 業(yè)爐窯。除電站、鋼廠、煉化等企業(yè)的大型燃燒設(shè)備外，愈來(lái)愈多的中小型鍋爐（20噸以下）也開(kāi)始燃用水煤漿?？紤]到我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)和現(xiàn)實(shí)國(guó)情，政府正大力 鼓勵(lì)水煤漿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)家計(jì)委《中國(guó)潔凈煤技術(shù)"九五"計(jì)劃和2010年發(fā)展綱要》、國(guó)家經(jīng)貿(mào)委《節(jié)約和替代燃料油"十五"規(guī)劃》和國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局 《國(guó)家環(huán)境保護(hù)"十五"計(jì)劃》中均將水煤漿技術(shù)的應(yīng)用和推廣列為重點(diǎn)，在產(chǎn)業(yè)政策方面予以傾斜。因此水煤漿的產(chǎn)銷前景非常廣闊。
         就水煤漿的粒度測(cè)試而言，有以下三個(gè)方面的特殊問(wèn)題必須解決：

1. 濃度大。在水煤漿中，煤所占的比例為65％－70％，水的比例為35％－30％，另外還有少量的添加劑。由于煤所占的比例較大，又是粘稠狀 態(tài)，而激光粒度儀又要求在低濃度（小于0.5%）狀態(tài)下進(jìn)行粒度測(cè)試，因此要求激光粒度儀的循環(huán)系統(tǒng)具有較大的容積和方便的進(jìn)水和排放功能，才能將測(cè) 試樣品的濃度控制在合理的范圍內(nèi)，使測(cè)試得以順利進(jìn)行。

2. 粒度分布寬。目前水煤漿的平均粒度一般在50um左右，小粒徑1um，大粒徑達(dá)到600um。也就是說(shuō)，水煤漿的粒度范圍在 1-600um。在這樣一個(gè)很寬粒度范圍內(nèi)，要得到的粒度分布結(jié)果，*要求激光粒度儀的量程要大于水煤漿的粒度范圍；第二光電探測(cè)器要具有很高的靈 敏度和穩(wěn)定性。只有這樣才能粒度測(cè)試的重復(fù)性和性。

3. 顆粒對(duì)光的吸收特性強(qiáng)。水煤漿的顆粒是黑色的，顆粒形狀也很復(fù)雜，對(duì)激光具有很強(qiáng)的吸收特性，而作為有效信號(hào)的散射光則相對(duì)較弱，因此需要配備大功率、高亮度的激光器，以增加有效信號(hào)，提高信噪比。

4. 需要精密自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)和長(zhǎng)壽命的激光器。激光粒度儀是一種精密的光學(xué)儀器。由于水煤漿在生產(chǎn)和使用過(guò)程中是連續(xù)進(jìn)行的，粒度測(cè)試作為質(zhì)量控制手段也需要隨生產(chǎn)過(guò)程一道連續(xù)進(jìn)行，因此必須提高儀器的自動(dòng)化程度，提高儀器的使用率，減少人工維護(hù)和調(diào)整時(shí)間，降低儀器的故障率。

三、水煤漿激光粒度儀的研制

       根據(jù)水煤漿粒度測(cè)試的特殊情況，結(jié)合多年的激光粒度儀器的制造經(jīng)驗(yàn)，國(guó)家水煤漿工程技術(shù)中心與丹東百特儀器有限公司合作，經(jīng)過(guò)一年多的刻苦攻關(guān)和成百上千 次的實(shí)驗(yàn)，終于在2002年下半年研制成功國(guó)內(nèi)*臺(tái)水煤漿的激光粒度儀。該儀器的研制成功，結(jié)束了水煤漿粒度測(cè)試依賴進(jìn)口的歷史。從此國(guó)內(nèi)水煤 漿用戶可以用上性能優(yōu)良，價(jià)格低廉、服務(wù)及時(shí)、零配件供應(yīng)充足的激光粒度儀，其綜合性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)外同類儀器的水平。

1. 大容量的、大流量的循環(huán)分散系統(tǒng)。循環(huán)分散系統(tǒng)是激光粒度儀系統(tǒng)中的一個(gè)重要的裝置，它包括蠕動(dòng)循環(huán)泵、超聲波分散器、攪拌器、測(cè)試窗組件、 水池與排放裝置等。蠕動(dòng)循環(huán)泵是一種通過(guò)對(duì)彈性的硅橡膠管的交替快速擠壓、恢復(fù)來(lái)使樣品流動(dòng)的。由于循環(huán)過(guò)程中外力不直接與顆粒接觸，所以不會(huì)對(duì)顆粒 造成任何影響。它的流量達(dá)到2000ml/分鐘，大的水煤漿顆粒也不會(huì)沉淀在管路中。超聲波分散器直接固定在容積為800ml的水池底部，配以功率 50W、頻率40KHZ的驅(qū)動(dòng)電路,僅三分鐘就會(huì)使水煤漿顆粒處于良好的分散狀態(tài)。由直流電機(jī)和特制的葉片組成的攪拌器，將使水池中的樣品時(shí)時(shí)刻刻處于均 勻懸浮狀態(tài)，輸送到儀器中的樣品均勻一致。測(cè)試窗是由石英玻璃制成，具有良好的光學(xué)特性，耐磨擦耐腐蝕，拆卸和安裝極為方便。排放裝置是由特殊設(shè)計(jì)的 控制閥和相應(yīng)的管路組成，操作方便、安全可靠、絕不漏水。

2. 拓寬儀器的測(cè)試范圍。常見(jiàn)的激光粒度儀的測(cè)試范圍一般在300um以下，隨著粉體超細(xì)化趨勢(shì)的增長(zhǎng)，激光粒度儀的測(cè)試范圍也在向超細(xì)方向發(fā) 展。而水煤漿激光粒度儀在測(cè)試范圍上的主要矛盾則恰恰相反，就是要對(duì)粗端顆粒進(jìn)行有效測(cè)量，測(cè)試上限必須大于700um。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和計(jì)算，我們?cè)O(shè) 計(jì)了大口徑長(zhǎng)焦距的富氏透鏡和回折式光學(xué)系統(tǒng)，使測(cè)試范圍達(dá)到0.68-951um，在此范圍內(nèi)的散射信號(hào)都能夠被有效接收，這樣的粒度范圍滿足水煤 漿的粒度測(cè)試需要。

3. 大功率的激光器與高靈敏度的光電探測(cè)器陣列。由于水煤漿顆粒對(duì)光的吸收特性強(qiáng)，散射信號(hào)弱，要使散射信號(hào)達(dá)到一定的強(qiáng)度并有效接收，必須提高 入射光的強(qiáng)度，提高光電探測(cè)器的靈敏度。為此我們選用了大功率半導(dǎo)體激光器，該激光器的功率是一般激光粒度儀所用激光器的5倍。同時(shí)研制成功了具有76個(gè) 光電探測(cè)器的高靈敏度的光電探測(cè)器陣列。該器件采用大規(guī)模集成電路的制造工藝，在同一個(gè)硅片上通過(guò)多次光刻而成，這樣不僅了光電探測(cè)器的靈敏度，而且 在線性范圍內(nèi)每個(gè)光電探測(cè)器的線性度一致。不僅如此，由于采用多達(dá)76個(gè)光電接收器陣列，是儀器的分辨率大大提高。

4. 精密三維自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)和長(zhǎng)壽命的激光器。激光粒度儀是一種精密的光學(xué)儀器。光電探測(cè)器的中心點(diǎn)直徑只有50um。光電探測(cè)器就分布在該中心點(diǎn) 外不同半徑的同心圓上。因此對(duì)焦系統(tǒng)稍有偏移，*的匯聚光束就將照射在靠近圓心的光電探測(cè)器上，光電探測(cè)器將處于飽和狀態(tài)，無(wú)法接收有效的散射信號(hào)。在 此狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，將產(chǎn)生錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果。為此我們研制了精密三維自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制軟件等組成。步進(jìn)電機(jī)的控制精度小于 10um，可以在電腦控制下隨時(shí)矯正焦點(diǎn)的偏差，使系統(tǒng)始終處于*狀態(tài)。激光器是激光粒度儀的關(guān)鍵部件。該器件的質(zhì)量、性能、壽命對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著至關(guān)重 要的影響。本系統(tǒng)所采用的激光器為半導(dǎo)體激光器，它的壽命是一般氦-氖激光器的4倍，并且不需要預(yù)熱，功耗低，可連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，因此大大降低了儀器的故 障率。

5. 軟件系統(tǒng)。激光粒度儀的關(guān)鍵在于如何將散射信號(hào)還原成粒度信息。這個(gè)還原過(guò)程就是軟件的運(yùn)行過(guò)程。本儀器的軟件全程采用米氏散射理論，充分考 慮顆粒的吸收特性，儀器背景、樣品濃度等因素，得到的分析數(shù)據(jù)具有很好的真實(shí)性。此外，通過(guò)該軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量過(guò)程，可直接觀察測(cè)量過(guò)程中樣品濃度、 粒度、分散狀態(tài)的變化情況。還具有結(jié)果存儲(chǔ)、查詢、比較、合并、編輯、刪除、幫助等功能。打印報(bào)告單具有中、英文六種不同的格式，內(nèi)容包括區(qū)間粒度分布數(shù) 據(jù)與直方圖、累計(jì)粒度分布數(shù)據(jù)與曲線、典型粒徑值(如D3、D10、D25、D50、D75、D84、D90、D97、D98)等等。報(bào)告單的格式、版 面、顏色、字體可以根據(jù)需要任意編輯。系統(tǒng)采用串行信號(hào)通訊方式，儀器可以與任何型號(hào)的與IBM兼容的電腦相連。

四、BT-2002型水煤漿激光粒度儀的性能指標(biāo)

1. 基本指標(biāo)與性能：
   (1) 測(cè)定范圍：1-2600微米。
        (2) 重復(fù)性誤差：  <3%（測(cè)標(biāo)樣時(shí)D50值的均方差）。
   (3) 測(cè)定時(shí)間：3分鐘/次。      
        (4) 樣品濃度(遮光率)：30%-60%。

2. 測(cè)試對(duì)象：
   (1) 各種水煤漿、各種煤粉
   (2) 各種粒度較粗的其它粉體產(chǎn)品、各種催化劑、各種化工原料與產(chǎn)品以及非金屬礦產(chǎn)品等。

3. 基本特點(diǎn)：
      (1) 采用進(jìn)口大功率半導(dǎo)體激光器，單色性好，壽命長(zhǎng)。由特殊設(shè)計(jì)的大口徑長(zhǎng)焦距富氏透鏡等組成的精密光學(xué)準(zhǔn)值系統(tǒng)，配合多達(dá)76通道多元光電接收器陣列，使測(cè)量范圍達(dá)到0.68-951微米適合水煤漿的粒度檢測(cè)與控制。
      (2) 采用精密三維自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)與控制軟件，單步調(diào)節(jié)精度僅10微米。實(shí)現(xiàn)在電腦控制下自動(dòng)完成多元光電探測(cè)器陣列中心與光束焦點(diǎn)的定位，使系統(tǒng)始終處于*狀態(tài)，進(jìn)一步提高了儀器的測(cè)量精度與性。
      (3) 采用大容量大流量蠕動(dòng)循環(huán)分散系統(tǒng)，集樣品稀釋、超聲波分散、電動(dòng)攪拌、蠕動(dòng)循環(huán)、排放清洗等功能于一體；由不銹鋼與硅橡膠管組成的循環(huán)管路，耐腐蝕，免維護(hù)；*設(shè)計(jì)的蠕動(dòng)泵使樣品僅在密閉的管路里循環(huán)流動(dòng)，不與外部任何物體接觸，決不污染、破壞樣品。
      (4) 儀器采用的成型工藝，結(jié)構(gòu)緊湊合理，外形美觀大方，使用維護(hù)方便；采用的抗干擾技術(shù)，使儀器的電氣穩(wěn)定性更好，故障率更低。

五、水煤漿激光粒度儀的應(yīng)用

       水煤漿漿料的縮分方法：用100-500毫升的燒杯，從生產(chǎn)線上取適量的樣品。如果漿料太粘稠加適量的水稀釋一下，然后用玻璃棒或小勺充分?jǐn)嚢杈鶆?，從中部取出大約1克到循環(huán)泵的試樣池中，準(zhǔn)備測(cè)試。

1. 水煤漿干樣的縮分方法：
   (1)勺取法：用小勺多點(diǎn)（至少四點(diǎn)）取樣。勺取時(shí)應(yīng)將進(jìn)入小勺中的樣品全部留用，不得抖出一部分，保留一部分。
        (2)圓錐四分法：將試樣堆成圓錐體，用薄板將其垂直切成相等的四份，將對(duì)角的兩份混合再堆成圓錐體，也按上法縮分，直到其中一份的量符合需要（一般每份1克左右）為止。      
        (3)分樣器法：將實(shí)驗(yàn)室樣品全部倒入分樣器中，經(jīng)過(guò)分樣器均分后取出其中一份，如這一份的量還多，應(yīng)再倒入分樣器中進(jìn)行縮分，直到其中一份（或幾份）的量滿足要求為止。

2. 介質(zhì)：用BT-2002型水煤漿激光粒度分布儀進(jìn)行粒度測(cè)量前要先將樣品與水在試樣池中混合配制成一定濃度的懸浮液，用于配制懸浮液的水叫做 介質(zhì)。用于水煤漿粒度測(cè)試的介質(zhì)一般用較干凈的自來(lái)水就可以了。如果自來(lái)水所含的雜質(zhì)較多，則應(yīng)經(jīng)過(guò)沉淀或過(guò)濾等凈化處理后再用。檢查自來(lái)水是否可以直接 用來(lái)做介質(zhì)的方法一是用肉眼觀察，看有無(wú)明顯的懸浮物；二是進(jìn)行背景測(cè)量，看背景框中的右端是否有連續(xù)的信號(hào)出現(xiàn)。如果上述兩點(diǎn)是肯定的，那么所用的水就 應(yīng)該進(jìn)行凈化處理了。

3. 分散劑：分散劑是指加入到介質(zhì)中的少量的能使介質(zhì)表面張力顯著降低，從而使顆粒表面得到良好潤(rùn)濕作用的物質(zhì)。水煤漿常用的分散劑有六偏磷酸 鈉、焦磷酸鈉等。分散劑的作用有二，其一可以加快"團(tuán)粒"的分解，使顆粒處于單個(gè)顆粒狀態(tài)；其二可延長(zhǎng)單個(gè)顆粒重新團(tuán)聚成"團(tuán)粒"的時(shí)間。在測(cè)量過(guò)程中應(yīng) 根據(jù)樣品的不同，選用相應(yīng)的分散劑。分散劑的用量不宜太多，一般為介質(zhì)重量的千分之二至千分之五之間，使用時(shí)將分散劑按上述比例加到介質(zhì)中，待分散劑充分 溶解后即可使用。

4. 樣品濃度：將加有分散劑的水約500ml加到循環(huán)泵試樣池中，然后加入適量待測(cè)樣品(約1克)并打開(kāi)攪拌器和超聲波分散器對(duì)樣品進(jìn)行攪拌分散 約3分鐘。配制懸浮液的關(guān)鍵是要掌握好樣品的濃度。由于水煤漿的粗細(xì)程度，比重、光學(xué)特性等都有所不同，所以對(duì)不同樣品來(lái)說(shuō)懸浮液的濃度也各不相同。一般 說(shuō)來(lái)，樣品越細(xì)，用量越少；樣品越粗，用量就越多。懸浮液的濃度終要滿足濃度測(cè)量時(shí)光能分布的要求，一般要求濃度測(cè)量是光能分布大值為20--60之 間，特殊情況應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定合適的濃度值。懸浮液的濃度太大或太小對(duì)測(cè)試都是不利的。濃度過(guò)大，顆粒間的相互作用加劇，從而影響正常的顆粒狀態(tài)；濃度過(guò) 小，樣品代表性差。這些都將對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

5. 測(cè)試：調(diào)整好樣品的濃度，就可以進(jìn)行測(cè)試了。測(cè)試時(shí)可以設(shè)定多次測(cè)試模式，測(cè)試結(jié)束后可以打印、保存測(cè)試結(jié)果。根據(jù)水煤漿及其粒度分布的特 點(diǎn)，國(guó)家水煤漿工程技術(shù)中心和丹東百特儀器有限公司合作，在一年多的時(shí)間里經(jīng)過(guò)上百次的試驗(yàn)和不斷完善，于2002年研制成功適合水煤漿粒度測(cè)試的新型的 激光粒度儀-----BT-2002型激光粒度儀。結(jié)束了水煤漿粒度測(cè)試儀器依賴進(jìn)口的歷史，為國(guó)內(nèi)水煤漿廠家提供了一種價(jià)格低、性能好，維修方便。 服務(wù)及時(shí)、另配件供應(yīng)充足的一種新型的激光粒度儀。該儀器自研制成功以來(lái)，已經(jīng)為遼寧、山東、山西、北京、云南、黑龍江等多家水煤漿企業(yè)和科研單位選用， 受到廣泛好評(píng)，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)進(jìn)一步的普及推廣，BT-2002型水煤漿激光粒度儀必將對(duì)水煤漿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。