鞘流原理在圖像粒度儀器中的應用

孟慶學

摘 要：在顆粒表征領域，顆粒粒型的表征則必須通過圖像粒度儀來實現。圖像粒度儀的性能直接影響測量的準確性和重復性，將流體動力學的層流原理與圖像粒度儀相結合，按流體參數和成像系統參數設計出能形成鞘流的結構，通過計算流體力學軟件模擬對鞘流結構進行分析驗證，將儀器分為進樣系統和光路系統進行結構設計，通過原理分析和模擬計算尋找出影響性能的主要因素，并在設計過程中加以解決。

關鍵詞：層流；鞘流；圖像粒度儀

引言

鞘流是一種技術，是用一毛細管對準小孔管，顆?；鞈乙簭拿毠車姵觯瑫r與四周流出的鞘液一起流過敏感區，保證顆?；鞈乙涸谥虚g形成單個排列的顆粒流，四周被鞘液圍繞。鞘流從本質上來說就是一種形式的層流。

粒度儀是用物理的方法測試固體顆粒的大小和分布的一種儀器。根據測試原理的不同分為沉降式粒度儀、激光粒度儀、顆粒圖像分析儀等。目前主流的是激光粒度儀，但是激光粒度儀無法測量顆粒形貌，而圖像粒度儀既能測量粒徑分布，也能測量顆粒形貌，對于粒形和粒徑同樣關注的，如磨料、硅灰石和氧化鋯等行業就必須選擇圖像粒度儀?，F階段圖像粒度儀主要為靜態測試，存在測試樣品量少，代表性差，粘連顆粒多的缺點。

本文就闡述一種具備鞘流原理圖像粒度儀，從而解決靜態圖像粒度儀的缺點。

1原理分析

1.1層流形成條件

層流是流體的一種流動狀態，它作層狀的流動。表征液流慣性力與粘滯力相對大小，可用以判別流動形態的無因次數，記作Re。雷諾數的定義式為：Re=ρvd/μ式中ρ、μ為液體的密度和動力粘滯系數；v、d為流動的特征速度和特征長度。雷諾數小時，粘性效應在整個流場中起主要作用，一般管道雷諾數Re<2000為層流狀態。對于非圓截面的管道來說，雷諾數Re計算式為：Re=4vR /μ

方管的R =b/4 ，b為方管截面邊長

1.2鞘流結構設計

鞘流器是該儀器的核心部件之一，鞘流器采用石英方管，保證方孔與外壁平行度，防止因光程不同引起的圖像變形。根據進樣泵，樣品流管路和成像視野的綜合參數，鞘流方管區尺寸定義為0.5mm×0.5mm。進入毛細方管前，鞘流器內壁達到G1連續曲面，使液流管壁光滑連續，又不至于加工難度過大。毛細管與鞘流器中心孔保持同軸，通過止口結構進行保證，同時毛細管可通過細牙螺紋副調節深入到鞘流器的深度。

1.3流場分析

當孔的長度和直徑之比l/d>4時，稱為細長孔，流經細長孔的液流一般都是層流，那么液流以層流形式流入細長孔就認為理論上可形成穩定層流。通過計算流體動力學軟件對鞘流器內的流場進行模型驗證，通過分析發現，理想狀態下流線非常光滑穩定，對稱性好；當人為將樣品流和鞘液流形成偏置來模擬加工安裝誤差，分析發現，在設計誤差極限時，流線依然光滑穩定，有較好的對稱性；而當偏置到二倍設計誤差時，流線出現較大的轉折趨勢，有突變的可能，但是還能保持層流狀態。如圖所示：

2功能系統設計

2.1進樣系統

進樣系統要求進樣速度穩定，鞘液與樣品進樣速度可控，采用微量恒流泵作為進樣系統，通過微流管路和標準接頭連接鞘流器，在鞘流器末端設計廢液回收裝置，形成進樣系統，這樣的進樣設計可使管路更加簡潔，減少中間管路的壓力損失、顆粒沉積和更加便于清洗。

2.2光路系統

光路采用平行光源，鞘流器置于光源和成像鏡頭之間，光源入射角度保證與鞘流器垂直。高速工業CCD安裝到鏡頭尾部用于采集鏡頭成像的顆粒圖像如下圖所示。光路結構要保證光路的穩定，可以設計一塊獨立的光路底座，光路底座具有厚度大，面積小，與儀器底板接觸面小的特征。將光源、鞘流器、成像鏡頭和CCD安裝到光路底座上就能使光路非常穩定。

3影響系統性能的主要因素

3.1進樣流速的穩定性

微量恒流泵選擇液量準確度誤差≤1%，液量精確度重復性誤差≤0.5%，用以保證雷諾數中的v的穩定。

3.2進樣比例的控制

進樣的比例控制一方面形成穩定的鞘流，另一方面可以控制進樣濃度，既能顆粒無重疊又能有較多的顆粒，還能控制粒子運動速度和曝光時間。

3.3鞘流器形狀及精度

形狀規則和表面平滑的鞘流器可以使流線更加平滑，這樣形成的鞘流狀態更加穩定，是精度較差的鞘流器。

3.4光路系統的穩定性

光路的穩定直接影響圖像采集效果，測試中光路的變形和顫動會導致拍攝不到液流區或者圖像拖尾、離焦。

4結語

利用典型的流體運動特征輔助粒度測試，會很大程度上消除顆粒層疊造成的誤差，提高準確性，同時采集優良圖像信息的大量增加也降低了數據處理算法的難度。簡潔的進樣系統利于減少系統干擾因素，穩定的光路結構提高的系統的穩定性。所以利用優良的、穩定的原理再結合簡單可靠的結構系統，才能使儀器的性能優良，可靠性高。

參考文獻

[1]吳望一編若，《流體力學》，北京大學出版社，北京，1982。

[2]王積偉，《液壓傳動》，機械工業出版社，北京，2006.12

[3]ISO 13322-2（2006-11-01）

（作者單位：丹東百特儀器有限公司）