鞘流原理在图像粒度仪器中的应用

孟庆学

摘 要：在颗粒表征领域，颗粒粒型的表征则必须通过图像粒度仪来实现。图像粒度仪的性能直接影响测量的准确性和重复性，将流体动力学的层流原理与图像粒度仪相结合，按流体参数和成像系统参数设计出能形成鞘流的结构，通过计算流体力学软件模拟对鞘流结构进行分析验证，将仪器分为进样系统和光路系统进行结构设计，通过原理分析和模拟计算寻找出影响性能的主要因素，并在设计过程中加以解决。

关键词：层流；鞘流；图像粒度仪

引言

鞘流是一种技术，是用一毛细管对准小孔管，颗粒混悬液从毛细管喷出，同时与四周流出的鞘液一起流过敏感区，保证颗粒混悬液在中间形成单个排列的颗粒流，四周被鞘液围绕。鞘流从本质上来说就是一种形式的层流。

粒度仪是用物理的方法测试固体颗粒的大小和分布的一种仪器。根据测试原理的不同分为沉降式粒度仪、激光粒度仪、颗粒图像分析仪等。目前主流的是激光粒度仪，但是激光粒度仪无法测量颗粒形貌，而图像粒度仪既能测量粒径分布，也能测量颗粒形貌，对于粒形和粒径同样关注的，如磨料、硅灰石和氧化锆等行业就必须选择图像粒度仪。现阶段图像粒度仪主要为静态测试，存在测试样品量少，代表性差，粘连颗粒多的缺点。

本文就阐述一种具备鞘流原理图像粒度仪，从而解决静态图像粒度仪的缺点。

1原理分析

1.1层流形成条件

层流是流体的一种流动状态，它作层状的流动。表征液流惯性力与粘滞力相对大小，可用以判别流动形态的无因次数，记作Re。雷诺数的定义式为：Re=ρvd/μ式中ρ、μ为液体的密度和动力粘滞系数；v、d为流动的特征速度和特征长度。雷诺数小时，粘性效应在整个流场中起主要作用，一般管道雷诺数Re<2000为层流状态。对于非圆截面的管道来说，雷诺数Re计算式为：Re=4vR /μ

方管的R =b/4 ，b为方管截面边长

1.2鞘流结构设计

鞘流器是该仪器的核心部件之一，鞘流器采用石英方管，保证方孔与外壁平行度，防止因光程不同引起的图像变形。根据进样泵，样品流管路和成像视野的综合参数，鞘流方管区尺寸定义为0.5mm×0.5mm。进入毛细方管前，鞘流器内壁达到G1连续曲面，使液流管壁光滑连续，又不至于加工难度过大。毛细管与鞘流器中心孔保持同轴，通过止口结构进行保证，同时毛细管可通过细牙螺纹副调节深入到鞘流器的深度。

1.3流场分析

当孔的长度和直径之比l/d>4时，称为细长孔，流经细长孔的液流一般都是层流，那么液流以层流形式流入细长孔就认为理论上可形成稳定层流。通过计算流体动力学软件对鞘流器内的流场进行模型验证，通过分析发现，理想状态下流线非常光滑稳定，对称性好；当人为将样品流和鞘液流形成偏置来模拟加工安装误差，分析发现，在设计误差极限时，流线依然光滑稳定，有较好的对称性；而当偏置到二倍设计误差时，流线出现较大的转折趋势，有突变的可能，但是还能保持层流状态。如图所示：

2功能系统设计

2.1进样系统

进样系统要求进样速度稳定，鞘液与样品进样速度可控，采用微量恒流泵作为进样系统，通过微流管路和标准接头连接鞘流器，在鞘流器末端设计废液回收装置，形成进样系统，这样的进样设计可使管路更加简洁，减少中间管路的压力损失、颗粒沉积和更加便于清洗。

2.2光路系统

光路采用平行光源，鞘流器置于光源和成像镜头之间，光源入射角度保证与鞘流器垂直。高速工业CCD安装到镜头尾部用于采集镜头成像的颗粒图像如下图所示。光路结构要保证光路的稳定，可以設计一块独立的光路底座，光路底座具有厚度大，面积小，与仪器底板接触面小的特征。将光源、鞘流器、成像镜头和CCD安装到光路底座上就能使光路非常稳定。

3影响系统性能的主要因素

3.1进样流速的稳定性

微量恒流泵选择液量准确度误差≤1%，液量精确度重复性误差≤0.5%，用以保证雷诺数中的v的稳定。

3.2进样比例的控制

进样的比例控制一方面形成稳定的鞘流，另一方面可以控制进样浓度，既能颗粒无重叠又能有较多的颗粒，还能控制粒子运动速度和曝光时间。

3.3鞘流器形状及精度

形状规则和表面平滑的鞘流器可以使流线更加平滑，这样形成的鞘流状态更加稳定，是精度较差的鞘流器。

3.4光路系统的稳定性

光路的稳定直接影响图像采集效果，测试中光路的变形和颤动会导致拍摄不到液流区或者图像拖尾、离焦。

4结语

利用典型的流体运动特征辅助粒度测试，会很大程度上消除颗粒层叠造成的误差，提高准确性，同时采集优良图像信息的大量增加也降低了数据处理算法的难度。简洁的进样系统利于减少系统干扰因素，稳定的光路结构提高的系统的稳定性。所以利用优良的、稳定的原理再结合简单可靠的结构系统，才能使仪器的性能优良，可靠性高。

参考文献

[1]吴望一编若，《流体力学》，北京大学出版社，北京，1982。

[2]王积伟，《液压传动》，机械工业出版社，北京，2006.12

[3]ISO 13322-2（2006-11-01）

（作者单位：丹东百特仪器有限公司）