亞微米液體顆粒計(jì)數(shù)器在水處理濾芯中的應(yīng)用

胡增+孫吉勇+陳建+梁鳳飛

摘 要：文章介紹了光學(xué)液體顆粒計(jì)數(shù)器的工作原理，研究了一種基于光學(xué)散射原理的亞微米液體顆粒計(jì)數(shù)器，設(shè)計(jì)分析了傳感器的光學(xué)結(jié)構(gòu)。首次研制出了一臺(tái)最小檢測(cè)粒徑為0.5微米的商用化液體顆粒計(jì)數(shù)器。利用研制出的顆粒計(jì)數(shù)器對(duì)最小濾除粒徑為0.5微米的濾芯的過(guò)濾效率進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，一個(gè)濾芯對(duì)0.5微米以上顆粒的過(guò)濾效率為45%，另一個(gè)濾芯的過(guò)濾效率為8%。開(kāi)發(fā)的亞微米液體顆粒計(jì)數(shù)器為水處理濾芯的性能檢測(cè)提供了一種高性價(jià)比的解決方案。

關(guān)鍵詞：液體顆粒計(jì)數(shù)器；亞微米；濾芯；光散射

中圖分類號(hào)：TN29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(xué)液體顆粒計(jì)數(shù)器

液體顆粒計(jì)數(shù)器是一種用于測(cè)量液體中微小顆粒的大小和數(shù)量分布的儀器。它在制藥、醫(yī)療器械、油液清潔度測(cè)量、半導(dǎo)體制造和過(guò)濾器檢測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。光學(xué)液體顆粒計(jì)數(shù)器是目前使用最廣泛的顆粒計(jì)數(shù)檢測(cè)方法。它是利用光的散射原理。

當(dāng)一束光入射到微小顆粒的表面會(huì)分成兩部分：一部分光透過(guò)粒子之后沿著原來(lái)的方向繼續(xù)前進(jìn)，稱為透射光。另一部分為粒子產(chǎn)生的散射光。如果忽略微小顆粒對(duì)光的吸收，根據(jù)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(qiáng)分布與粒子的大小有關(guān)；根據(jù)簡(jiǎn)單的幾何光學(xué)近似，當(dāng)粒子越大，散射光越強(qiáng)，透射光越弱。根據(jù)透射光和散射光的光強(qiáng)變化可以對(duì)粒子的大小進(jìn)行檢測(cè)。

利用透射光減小的幅度對(duì)粒子大小進(jìn)行檢測(cè)的方法稱為光阻法，又稱為消光法，其檢測(cè)原理如圖1所示。相對(duì)于透射光強(qiáng)本身而言，微粒引起透射光強(qiáng)減小的幅度非常小，微粒的信息被淹沒(méi)在強(qiáng)大的背景光之中。光阻法只能測(cè)量比較大的粒子，其最小檢測(cè)粒徑通常在1微米以上。對(duì)于檢測(cè)粒徑小于1微米的亞微米液體顆粒計(jì)數(shù)器，采用散射光作為檢測(cè)信號(hào)。利用散射光作為檢測(cè)信號(hào)，可以降低背景光強(qiáng)的影響，提高信噪比。

基于光阻法的液體顆粒計(jì)數(shù)器，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品在銷售。但是，基于散射光結(jié)構(gòu)的亞微米液體顆粒計(jì)數(shù)器，在此之前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟的商業(yè)化產(chǎn)品銷售。

2 光散射亞微米液體顆粒計(jì)數(shù)器

粒子產(chǎn)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(cè)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(cè)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(cè)向散射光或前向散射光作為檢測(cè)信號(hào)。本文采用前向散射光作為粒子的檢測(cè)信號(hào)，其傳感器的結(jié)構(gòu)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(cè)透鏡組2和光電探測(cè)器。

照明透鏡組1對(duì)激光器發(fā)出的光進(jìn)行整形和匯聚。它包含一個(gè)準(zhǔn)直透鏡和一個(gè)平凸柱面鏡，其工作原理如圖3所示。準(zhǔn)直透鏡先將激光器發(fā)出的光準(zhǔn)直為平行光，平凸柱面鏡再將平行光匯聚為一個(gè)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(gè)液體通道，液體通道的兩側(cè)裝有透明光學(xué)窗口。激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)透鏡組1之后，穿過(guò)第一個(gè)光學(xué)窗口，聚焦在液體通道的中間位置，光線通過(guò)第二個(gè)光學(xué)窗口之后，被光陷阱所吸收。此時(shí)，探測(cè)器接收不到光。當(dāng)待測(cè)液體的微小顆粒經(jīng)過(guò)流通池的液體通道時(shí)，被入射光照射，產(chǎn)生散射光。

檢測(cè)透鏡組2將散射光收集和匯聚到光電探測(cè)器的表面。為了測(cè)量出微小顆粒產(chǎn)生的光散射信號(hào)，應(yīng)該盡可能的增大散射光的收集效率，選用大數(shù)值孔徑的匯聚透鏡。本文中選用三片凸透鏡組成檢測(cè)透鏡組2，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，探測(cè)器輸出的微弱電流信號(hào)通過(guò)光電檢測(cè)電路進(jìn)行放大和處理；輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的幅度和散射光強(qiáng)成正比。根據(jù)信號(hào)的幅度和個(gè)數(shù)可以對(duì)液體中的微小顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù)檢測(cè)。

根據(jù)上面設(shè)計(jì)的亞微米液體顆粒計(jì)數(shù)傳感器，再結(jié)合相應(yīng)的軟件、電路、機(jī)械和液路系統(tǒng)，可以開(kāi)發(fā)出完整的亞微米液體顆粒計(jì)數(shù)器系統(tǒng)。圖5是實(shí)際開(kāi)發(fā)出一臺(tái)最小檢測(cè)粒徑為0.5微米的亞微米液體顆粒計(jì)數(shù)器。其檢測(cè)粒徑范圍是0.5至20微米。一共有8個(gè)檢測(cè)通道。在檢測(cè)范圍內(nèi)，可以任意設(shè)置每個(gè)通道的檢測(cè)粒徑。待測(cè)樣品裝在燒杯或采樣瓶中，放入檢測(cè)室，點(diǎn)擊觸摸顯示屏上的測(cè)試按鈕，儀器就自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在操作界面上，也可以通過(guò)打印機(jī)進(jìn)行輸出。endprint

3 濾芯過(guò)濾效率檢測(cè)

濾芯在水處理當(dāng)中有著廣泛的應(yīng)用，用于濾除水中的各種雜質(zhì)。國(guó)內(nèi)濾芯生產(chǎn)企業(yè)非常多，市場(chǎng)很大。為了判斷濾芯的過(guò)濾效果，生產(chǎn)廠家需要測(cè)量水通過(guò)濾芯前后其所含顆粒物的數(shù)量；根據(jù)濾芯前后水中顆粒物的變化來(lái)判斷濾芯的過(guò)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(duì)于最小濾除粒徑為0.5微米的濾芯，生產(chǎn)廠家需要檢測(cè)水通過(guò)濾芯前后，其所含0.5微米以上的顆粒物數(shù)量的變化情況。此前，國(guó)內(nèi)沒(méi)有成熟的可以檢測(cè)到1微米以下的亞微米液體顆粒計(jì)數(shù)器產(chǎn)品。只有美國(guó)和日本的少數(shù)幾家公司掌握了亞微米液體顆粒計(jì)數(shù)器檢測(cè)技術(shù)。國(guó)外公司憑借他們?cè)谠擃I(lǐng)域的壟斷地位，其產(chǎn)品的售價(jià)相當(dāng)昂貴，通常在十幾萬(wàn)、甚至幾十萬(wàn)以上。國(guó)內(nèi)的很多水處理濾芯廠家，由于利潤(rùn)相對(duì)較低，無(wú)力購(gòu)買如此昂貴的設(shè)備，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量得不到充分的保障。有少數(shù)廠家選用國(guó)內(nèi)相對(duì)比較便宜的光阻法液體顆粒計(jì)數(shù)器檢測(cè)濾芯的過(guò)濾效率，但是，由于光阻法液體顆粒計(jì)數(shù)器的最小檢測(cè)粒徑通常在2微米以上，并不能準(zhǔn)確的測(cè)量出濾芯對(duì)亞微米顆粒的濾除效果。

本文所研制的亞微米液體顆粒計(jì)數(shù)器最小檢測(cè)粒徑0.5微米，其價(jià)格不到國(guó)外同類產(chǎn)品的一半；為國(guó)內(nèi)的水處理濾芯廠家提供了一種高性價(jià)比的過(guò)濾效率測(cè)試手段。

我們選取了兩只標(biāo)稱最小濾除粒徑為0.5微米的熔噴濾芯，分別標(biāo)記為濾芯1和濾芯2。它們由國(guó)內(nèi)兩個(gè)不同企業(yè)所生產(chǎn)。搭建如圖6所示的濾芯過(guò)濾效果檢測(cè)裝置。水箱中的水在水泵的抽取下通過(guò)濾芯之后再回到水箱；水箱中的水為自來(lái)水。利用亞微米顆粒計(jì)數(shù)器測(cè)量自來(lái)水中大于0.5微米的顆粒數(shù)，5組測(cè)試數(shù)據(jù)如表1中的第二行數(shù)據(jù)所示，每毫升水中大于0.5微米的顆粒數(shù)為11000多個(gè)。將濾芯1裝入測(cè)試裝置，水泵工作15分鐘之后測(cè)試水中的顆粒物數(shù)量。5組測(cè)試結(jié)果如表1中的第三行數(shù)據(jù)所示，每毫升水中大于0.5微米的顆粒數(shù)為6400多個(gè)。更換濾芯2，同時(shí)更換新自來(lái)水，水泵工作15分鐘之后測(cè)試水中顆粒數(shù)，5組測(cè)試結(jié)果如表1中的第四行數(shù)據(jù)所示，每毫升水中大于0.5微米的顆粒數(shù)為10000多顆。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，濾芯1對(duì)0.5微米以上顆粒的濾除效率為45%；濾芯2對(duì)0.5微米以上顆粒的濾芯效率只有8%。濾芯2對(duì)于0.5微米的顆粒幾乎沒(méi)有過(guò)濾效率。通過(guò)亞微米液體顆粒計(jì)數(shù)器可以非常方便的測(cè)量出兩種濾芯的過(guò)濾效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了一種基于光散射原理的亞微米液體顆粒計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)和工作原理，開(kāi)發(fā)了一臺(tái)商用化的亞微米液體顆粒計(jì)數(shù)器，最小檢測(cè)粒徑為0.5微米。用該顆粒計(jì)數(shù)器測(cè)試了兩個(gè)濾芯樣品的過(guò)濾效率。一個(gè)濾芯對(duì)0.5微米顆粒的過(guò)濾效率為45%，另一個(gè)濾芯的過(guò)濾效率只有8%。新開(kāi)發(fā)的亞微米液體顆粒數(shù)計(jì)數(shù)器為水處理濾芯的過(guò)濾效率檢測(cè)提供了一個(gè)高性價(jià)比的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜巍.水中微小顆粒在線測(cè)量方法研究[D].上海：上海大學(xué)，2005.

[2]黃廷磊.潔凈介質(zhì)中顆粒污染物的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)研究[D].上海：上海理工大學(xué)，2000.

[3]M.I. Mishchenko， L.D.Travis， and A.A. Lacis. Scattering. absorption，and emission of light by small particles [M]. Cambridge： Cambridge university press， 2002：68-82.endprint