亞微米液體顆粒計數器在水處理濾芯中的應用

胡增+孫吉勇+陳建+梁鳳飛

摘 要：文章介紹了光學液體顆粒計數器的工作原理，研究了一種基于光學散射原理的亞微米液體顆粒計數器，設計分析了傳感器的光學結構。首次研制出了一臺最小檢測粒徑為0.5微米的商用化液體顆粒計數器。利用研制出的顆粒計數器對最小濾除粒徑為0.5微米的濾芯的過濾效率進行了測試。測試結果顯示，一個濾芯對0.5微米以上顆粒的過濾效率為45%，另一個濾芯的過濾效率為8%。開發的亞微米液體顆粒計數器為水處理濾芯的性能檢測提供了一種高性價比的解決方案。

關鍵詞：液體顆粒計數器；亞微米；濾芯；光散射

中圖分類號：TN29 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）03-0136-03

Abstract： This paper introduces the working principle of the optical liquid particle counter， studies a sub-micron liquid particle counter based on the optical scattering principle， and designs and analyzes the optical structure of the sensor. A commercial liquid particle counter with a minimum diameter of 0.5 μm was developed for the first time. The filtration efficiency of the filter element with the minimum diameter of 0.5 micron was tested by using the developed particle counter. The test results show that the filtration efficiency of one filter element is 45 and that of the other is 8%. The developed sub-micron liquid particle counter provides a high performance-price ratio solution for testing the performance of water treatment filter.

Keywords： liquid particle counter； submicron； filter； light scattering

1 光學液體顆粒計數器

液體顆粒計數器是一種用于測量液體中微小顆粒的大小和數量分布的儀器。它在制藥、醫療器械、油液清潔度測量、半導體制造和過濾器檢測等領域有著廣泛的應用。光學液體顆粒計數器是目前使用最廣泛的顆粒計數檢測方法。它是利用光的散射原理。

當一束光入射到微小顆粒的表面會分成兩部分：一部分光透過粒子之后沿著原來的方向繼續前進，稱為透射光。另一部分為粒子產生的散射光。如果忽略微小顆粒對光的吸收，根據能量守恒，透射光與散射光之和等于入射光。透射光和散射光的光強分布與粒子的大小有關；根據簡單的幾何光學近似，當粒子越大，散射光越強，透射光越弱。根據透射光和散射光的光強變化可以對粒子的大小進行檢測。

利用透射光減小的幅度對粒子大小進行檢測的方法稱為光阻法，又稱為消光法，其檢測原理如圖1所示。相對于透射光強本身而言，微粒引起透射光強減小的幅度非常小，微粒的信息被淹沒在強大的背景光之中。光阻法只能測量比較大的粒子，其最小檢測粒徑通常在1微米以上。對于檢測粒徑小于1微米的亞微米液體顆粒計數器，采用散射光作為檢測信號。利用散射光作為檢測信號，可以降低背景光強的影響，提高信噪比。

基于光阻法的液體顆粒計數器，結構相對簡單，國內已經有成熟的產品在銷售。但是，基于散射光結構的亞微米液體顆粒計數器，在此之前，國內還沒有成熟的商業化產品銷售。

2 光散射亞微米液體顆粒計數器

粒子產生的散射光是全空間傳播的。按照其傳播方向，可以分為前向散射、側向散射和后向散射。沿入射光方向傳播的散射光稱為前向散射光，與入射光方向垂直傳播的散射光是側向散射光，沿入射光傳播方向相反的是后向散射光。通常采用側向散射光或前向散射光作為檢測信號。本文采用前向散射光作為粒子的檢測信號，其傳感器的結構原理如圖2所示。傳感器主要包括激光器、照明透鏡組1、流通池、檢測透鏡組2和光電探測器。

照明透鏡組1對激光器發出的光進行整形和匯聚。它包含一個準直透鏡和一個平凸柱面鏡，其工作原理如圖3所示。準直透鏡先將激光器發出的光準直為平行光，平凸柱面鏡再將平行光匯聚為一個線光斑，平凸柱面鏡的焦平面位于流通池的中間位置。

如圖2所示，流通池的中間有一個液體通道，液體通道的兩側裝有透明光學窗口。激光器發出的光經過透鏡組1之后，穿過第一個光學窗口，聚焦在液體通道的中間位置，光線通過第二個光學窗口之后，被光陷阱所吸收。此時，探測器接收不到光。當待測液體的微小顆粒經過流通池的液體通道時，被入射光照射，產生散射光。

檢測透鏡組2將散射光收集和匯聚到光電探測器的表面。為了測量出微小顆粒產生的光散射信號，應該盡可能的增大散射光的收集效率，選用大數值孔徑的匯聚透鏡。本文中選用三片凸透鏡組成檢測透鏡組2，其結構如圖4所示。

光電探測器將光信號轉變為電信號，探測器輸出的微弱電流信號通過光電檢測電路進行放大和處理；輸出一個脈沖信號，脈沖信號的幅度和散射光強成正比。根據信號的幅度和個數可以對液體中的微小顆粒進行計數檢測。

根據上面設計的亞微米液體顆粒計數傳感器，再結合相應的軟件、電路、機械和液路系統，可以開發出完整的亞微米液體顆粒計數器系統。圖5是實際開發出一臺最小檢測粒徑為0.5微米的亞微米液體顆粒計數器。其檢測粒徑范圍是0.5至20微米。一共有8個檢測通道。在檢測范圍內，可以任意設置每個通道的檢測粒徑。待測樣品裝在燒杯或采樣瓶中，放入檢測室，點擊觸摸顯示屏上的測試按鈕，儀器就自動進行檢測。檢測數據結果顯示在操作界面上，也可以通過打印機進行輸出。endprint

3 濾芯過濾效率檢測

濾芯在水處理當中有著廣泛的應用，用于濾除水中的各種雜質。國內濾芯生產企業非常多，市場很大。為了判斷濾芯的過濾效果，生產廠家需要測量水通過濾芯前后其所含顆粒物的數量；根據濾芯前后水中顆粒物的變化來判斷濾芯的過濾效果。很多用于超純水制備的濾芯，其最小去除粒徑都是在1微米以下。對于最小濾除粒徑為0.5微米的濾芯，生產廠家需要檢測水通過濾芯前后，其所含0.5微米以上的顆粒物數量的變化情況。此前，國內沒有成熟的可以檢測到1微米以下的亞微米液體顆粒計數器產品。只有美國和日本的少數幾家公司掌握了亞微米液體顆粒計數器檢測技術。國外公司憑借他們在該領域的壟斷地位，其產品的售價相當昂貴，通常在十幾萬、甚至幾十萬以上。國內的很多水處理濾芯廠家，由于利潤相對較低，無力購買如此昂貴的設備，導致產品質量得不到充分的保障。有少數廠家選用國內相對比較便宜的光阻法液體顆粒計數器檢測濾芯的過濾效率，但是，由于光阻法液體顆粒計數器的最小檢測粒徑通常在2微米以上，并不能準確的測量出濾芯對亞微米顆粒的濾除效果。

本文所研制的亞微米液體顆粒計數器最小檢測粒徑0.5微米，其價格不到國外同類產品的一半；為國內的水處理濾芯廠家提供了一種高性價比的過濾效率測試手段。

我們選取了兩只標稱最小濾除粒徑為0.5微米的熔噴濾芯，分別標記為濾芯1和濾芯2。它們由國內兩個不同企業所生產。搭建如圖6所示的濾芯過濾效果檢測裝置。水箱中的水在水泵的抽取下通過濾芯之后再回到水箱；水箱中的水為自來水。利用亞微米顆粒計數器測量自來水中大于0.5微米的顆粒數，5組測試數據如表1中的第二行數據所示，每毫升水中大于0.5微米的顆粒數為11000多個。將濾芯1裝入測試裝置，水泵工作15分鐘之后測試水中的顆粒物數量。5組測試結果如表1中的第三行數據所示，每毫升水中大于0.5微米的顆粒數為6400多個。更換濾芯2，同時更換新自來水，水泵工作15分鐘之后測試水中顆粒數，5組測試結果如表1中的第四行數據所示，每毫升水中大于0.5微米的顆粒數為10000多顆。通過測試結果可以看出，濾芯1對0.5微米以上顆粒的濾除效率為45%；濾芯2對0.5微米以上顆粒的濾芯效率只有8%。濾芯2對于0.5微米的顆粒幾乎沒有過濾效率。通過亞微米液體顆粒計數器可以非常方便的測量出兩種濾芯的過濾效率。

4 結束語

本文分析了一種基于光散射原理的亞微米液體顆粒計數器的結構和工作原理，開發了一臺商用化的亞微米液體顆粒計數器，最小檢測粒徑為0.5微米。用該顆粒計數器測試了兩個濾芯樣品的過濾效率。一個濾芯對0.5微米顆粒的過濾效率為45%，另一個濾芯的過濾效率只有8%。新開發的亞微米液體顆粒數計數器為水處理濾芯的過濾效率檢測提供了一個高性價比的解決方案。

參考文獻：

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