颗粒粒度在线测量的多对波长消光法

　　1　引　　言

　　颗粒粒度(或者说尺寸)是表征颗粒态物质的一个重要参数。利用颗粒对光的各种散射现象可以对颗粒的粒度进行测量,而多波长消光测粒技术是其中的一种[1～3]。以往的消光测粒技术或仪器由于测量原理或设计上的限制,一般仅限于实验室使用,很难满足工业上提出的对颗粒物的粒度进行在线连续的监测要求,如对连续流动状态下的烟尘排放或管道中的含尘气体的在线监测等。为使消光测粒技术能用于在线测量,必须提出新的测量方法或对原先的实验室测量方法进行修正。

　　本文作者之一在前期已提出了2种基于消光测粒原理的在线粒度及浓度的测量方法[4～5],本文则提出另一种用多对波长消光法进行粒度测量的改进方法。被测对象是石化行业中烟气透平入口处的催化剂颗粒。

　　2　测量原理及分析

　　颗粒粒度在线监测系统的组成框图如图1所示。

　　白光光源是一直流稳压的卤素灯泡,通过导光纤维和透镜将光线准直并引入测量区。测量区是一高温高压的大管道,内有高速流动的催化剂颗粒,在测量区的两端装有两块石英玻璃,它们作为管道中的观察窗口。未被颗粒散射和吸收的部分出射光由透镜会聚,再经第二根光纤导入后续的分光光学系统进行分光并进行相关的光电信号预处理,随后由电子系统及计算机给出粒度信息。根据熟知的Lambert-Beer光透射定律,当一束强度为I0的单色平行光入射到一含有均匀悬浮颗粒的介质时,由于颗粒对入射光的散射和吸收作用,出射光强会有一定程度的衰减,出射光强I与入射光强I0之间有简单的关系

　　式中τ为浊度,L为测量区即管道的直径。当单位体积的散射介质中含有N个直径为D的球形颗粒时,浊度τ可表示为

　　一般情况下,管道中的颗粒是大小不一、具有一定尺寸分布的多分散颗粒系,设直径为Di的颗粒有Ni个,此时总的浊度τ为

　　为清楚起见,消光系数K已写成波长λ,颗粒相对于周围介质的复数折射率m及其直径D的函数形式。上式是在单一波长入射的情况下得到的,若采用含有多个波长的复合光入射,则每个波长都有一个与之对应的式(5),由此可得到一个含有M个方程(与入射波长数对应)的线性方程组

　　式中,入射光强I0和出射光强I为可测量,因此解这个方程组即可求得各个尺寸(档)Di下的颗粒数分布Ni,作归一化处理后,即为被测颗粒群(以颗粒数表示)的尺寸分布(当然,据此可进一步算出各种平均径),这就是所谓的多波长消光测粒技术[2～3]。仔细分析式(1)不难理解,式中的入射光强I0实为测量区中没有颗粒存在时的出射光强。然而,工业上所要求的是在线监测管道中连续流动的(24小时工作)的颗粒流,由于生产中不容许控制颗粒流作短暂停顿,因此,我们实际上不可能得到式(6)所需的入射光强(即没有颗粒存在时的出射光强)I0,也就是说,按常规的多波长消光方法已无法求得颗粒粒度分布。