液體顆粒計(jì)數(shù)器及應(yīng)用

胡 增 戴圣洋 陳 建 孫吉勇 周大農(nóng)

（1.江蘇蘇凈集團(tuán)有限公司，蘇州 215122；2.蘇州蘇凈儀器自控設(shè)備有限公司，蘇州 215122）

隨著科技和現(xiàn)代工業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展，許多行業(yè)對工作介質(zhì)（氣體和液體）以及生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度（污染度）檢測提出了越來越高的要求。為了定量描述介質(zhì)的清潔程度，世界上很多國家都制定了潔凈度檢測和控制標(biāo)準(zhǔn)，將介質(zhì)中微小顆粒污染物的數(shù)量和粒徑大小作為衡量其潔凈度的重要指標(biāo)。檢測液體介質(zhì)中顆粒的方法有很多，有間接通過顆粒物質(zhì)的特征來反映液體中顆粒物的方法，也有能夠直接測定顆粒物大小的方法。液體顆粒計(jì)數(shù)器就是直接測定顆粒物大小的儀器，由于其具有自動化程度高、計(jì)數(shù)準(zhǔn)確、測量速度快、適用范圍廣、產(chǎn)品多樣化等優(yōu)點(diǎn)，得到市場的認(rèn)可。本文以液體顆粒計(jì)數(shù)器為研究重點(diǎn)，并對該類計(jì)數(shù)器的原理、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展進(jìn)行探討。

1 計(jì)數(shù)原理

光與顆粒發(fā)生作用主要分為三類，幾何光學(xué)、米氏散射和瑞利散射。當(dāng)顆粒粒徑遠(yuǎn)大于光波長時，以幾何光學(xué)為主；當(dāng)粒徑與波長相近時，以米氏散射為主；當(dāng)粒徑遠(yuǎn)小于波長時，發(fā)生的是瑞利散射。液體顆粒計(jì)數(shù)器根據(jù)光與顆粒作用的原理設(shè)計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)，將計(jì)數(shù)器分為光阻法和光散射法兩類，這兩種方法各有其特點(diǎn)和檢測范圍，目前也有將這兩種方法相結(jié)合的產(chǎn)品，來擴(kuò)展顆粒計(jì)數(shù)器的檢測范圍。

1.1 光阻法原理

光阻法液體顆粒計(jì)數(shù)器的檢測范圍從幾微米到數(shù)百微米，主要用于制藥、醫(yī)療、電廠、船舶、汽車、航空等領(lǐng)域。其原理如圖1所示，待測液體流過橫截面很小的流通池，流通池兩側(cè)裝有光學(xué)玻璃，激光器的光束通過透鏡組準(zhǔn)直，穿過流通池并被光電探測器所接收。若待測液體中沒有顆粒，則光電探測器接收到的光信號穩(wěn)定不變，輸出的電壓信號也恒定，將此恒定信號作為基準(zhǔn)電壓；若液體中有顆粒物質(zhì)，顆粒通過流通池傳感區(qū)域，將會遮擋激光，光電探測器接收到的光信號減小，產(chǎn)生一個負(fù)的脈沖電信號，如圖2所示。脈沖信號幅度與基準(zhǔn)電壓信號有如下關(guān)系：

式（1）中：E為顆粒遮擋引起的脈沖幅度；a為顆粒的有效遮擋面積（等效為球形πd2/4）；A為光電探測器的有效面積；E0是沒有顆粒時的光電探測器所產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓。因此，脈沖信號幅度對應(yīng)顆粒的大小，脈沖信號個數(shù)對應(yīng)顆粒的數(shù)量。

1.2 光散射法原理

光散射法液體顆粒計(jì)數(shù)器的檢測范圍從數(shù)十納米到十幾微米，主要用于半導(dǎo)體、電子、化學(xué)試劑等領(lǐng)域。其原理如圖3所示，待測液體流過流通池，流通池兩側(cè)裝有光學(xué)玻璃，激光器的光束通過透鏡組準(zhǔn)直，光束穿過流通池，照射在光陷阱上。若待測液體中沒有顆粒，則光電探測器接收不到光信號，若液體中有顆粒，顆粒通過流通池，與激光光束發(fā)生散射現(xiàn)象。某一個（或幾個）角度下的散射光通過透鏡收集匯聚到光電探測器上，產(chǎn)生正的電信號脈沖，脈沖信號的幅度和散射光強(qiáng)成正比。根據(jù)信號的幅度和個數(shù)可以對液體中的微小顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù)檢測。

圖2 光電二極管信號

圖1 光阻法檢測原理圖

圖3 光散射法檢測原理圖

2 典型應(yīng)用

2.1 油液污染度檢測

液壓油和潤滑油在使用過程中，由于設(shè)備的機(jī)械摩擦產(chǎn)生固體顆粒，造成油液品質(zhì)下降及設(shè)備元件磨損加劇，堵塞元件的間隙和孔口，導(dǎo)致設(shè)備性能及可靠性下降。據(jù)資料顯示，60%～70%的液壓故障是由污染引起的，因此，油液的清潔度關(guān)乎設(shè)備的工作狀態(tài)及使用壽命，對于船舶、航空、電廠等行業(yè)來說，油液的污染度監(jiān)測是非常必要的。ISO 4406和NAS 1638對液壓油的顆粒污染進(jìn)行了等級劃分，可以更直觀地判斷油液的顆粒污染度。根據(jù)這些油液標(biāo)準(zhǔn)，檢測的顆粒粒徑范圍大都在1～100μm，因此，大多數(shù)使用光阻法的液體顆粒計(jì)數(shù)器。

2.2 水質(zhì)檢測

在水廠中，顆粒計(jì)數(shù)器用于監(jiān)測水質(zhì)以及改善處理工藝，通過監(jiān)測水中顆粒，改變混凝劑與絮凝劑的投放量，優(yōu)化過濾工藝，并提高處理后的水質(zhì)。在制藥行業(yè)中，通過顆粒計(jì)數(shù)器檢測，可以判斷靜脈注射藥品和注射用水的清潔度，確保品質(zhì)與安全。靜脈注射藥品中的顆粒物質(zhì)可能會造成毛細(xì)血管堵塞、靜脈炎、肉芽腫、過敏反應(yīng)等等，各個國家的藥典都要求測量該類藥品的顆粒數(shù)，中國藥典要求光阻法顆粒計(jì)數(shù)器測量大于10μm和25μm的顆粒，GMP也要求注射類藥物的制藥廠必須使用液體顆粒計(jì)數(shù)器檢驗(yàn)產(chǎn)品。

在半導(dǎo)體電子行業(yè)中，根據(jù)最新電子級用水國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，EW-I電子級水中微粒粒徑檢測范圍為0.05～0.5μm，將光散射法液體顆粒計(jì)數(shù)器用于電子級水中微粒連續(xù)式或單次檢測計(jì)數(shù)。該行業(yè)重視水中顆粒，是因?yàn)樗械念w粒與硅片接觸由于分子間作用力極易粘附在硅片表面，難以清除，極易造成半導(dǎo)體器件缺陷和電路板失效，而且該行業(yè)所需的電子級化學(xué)試劑，也需要檢測液體中的顆粒含量。電子級水的顆粒檢測設(shè)備，目前被國外品牌所壟斷，國外一臺光散射液體顆粒計(jì)數(shù)器的價格從三四十萬到接近百萬，這很大程度上增加了半導(dǎo)體企業(yè)和研究所的負(fù)擔(dān)，影響了行業(yè)的發(fā)展。

2.3 零部件清潔度檢測

液體顆粒計(jì)數(shù)器應(yīng)用于產(chǎn)品及其零部件的顆粒污染或清潔度檢測，這種應(yīng)用主要是對于有特殊潔凈要求的行業(yè)，如醫(yī)療器械、半導(dǎo)體電子、汽車制造等等。在醫(yī)療器械行業(yè)中，輸液器具、植入性外科醫(yī)療器械由于與人體血液接觸，因此，必須要檢測其清潔度。根據(jù)該行業(yè)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，采用沖洗或長時間浸泡的方法來提取顆粒污染物，再通過測量洗脫液中的顆粒大小及其數(shù)量，計(jì)算產(chǎn)品的清潔度等級。在汽車制造行業(yè)，發(fā)動機(jī)是汽車的心臟，對于發(fā)動機(jī)內(nèi)零部件的清潔度有著嚴(yán)格的要求，拆卸、清洗發(fā)動機(jī)零部件，收集清洗液，使用光阻法液體顆粒計(jì)數(shù)器來檢測清洗液中顆粒的大小及其數(shù)量，該方法要求清洗液是單相低粘度的液體。

2.4 過濾性能測試

過濾性能的測試是液體顆粒計(jì)數(shù)器的又一重要的應(yīng)用領(lǐng)域。油液系統(tǒng)中的過濾器、過濾網(wǎng)、水處理和純水過濾的濾膜、濾紙、濾芯，都需要標(biāo)注過濾精度和過濾效率，通過檢測過濾前后液體中的顆粒數(shù)，得到過濾精度、過濾比和過濾效率。測試液壓傳動過濾器性能過程中，在過濾器試驗(yàn)系統(tǒng)中上下游都有在線液體顆粒計(jì)數(shù)器、調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)器的取樣流量，使得兩個流量偏差小于±5%，在試驗(yàn)系統(tǒng)中注入試驗(yàn)粉末，使上游達(dá)到所需污染度。試驗(yàn)1小時內(nèi)，1分鐘記錄一次計(jì)數(shù)數(shù)值。通過試驗(yàn)得到過濾器平均過濾比與顆粒尺寸的關(guān)系、過濾比與時間百分比的關(guān)系以及過濾比和濾芯壓降的關(guān)系。

3 發(fā)展現(xiàn)狀

國外研究和生產(chǎn)光學(xué)液體顆粒計(jì)數(shù)器的企業(yè)主要集中在美國、英國、德國和日本等發(fā)達(dá)國家，市場占有率較高的企業(yè)有 PMS、HACH、RION、PAMAS、Beckman Coulter 等。在國外產(chǎn)品中，光阻法的液體顆粒計(jì)數(shù)器能夠測量高粘度、高濃度的油液，也可運(yùn)用于檢測強(qiáng)腐蝕性的強(qiáng)酸與強(qiáng)堿，但國內(nèi)目前的光阻法產(chǎn)品只能用于檢測弱腐蝕性、中低粘度的液體，限制了顆粒計(jì)數(shù)器在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。國外光散射法的液體顆粒計(jì)數(shù)器占據(jù)了國內(nèi)的主要市場，已知在半導(dǎo)體行業(yè)的超純水檢測領(lǐng)域，光散射法液體顆粒計(jì)數(shù)器能夠檢測的最小顆粒粒徑為20nm，已經(jīng)達(dá)到納米級別。雖然國內(nèi)大學(xué)與企業(yè)已經(jīng)對光散射法的原理進(jìn)行了理論研究，但由于傳感器部件的光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械加工、信號處理難度大，裝配要求高，該產(chǎn)品的開發(fā)一度陷入困境。國內(nèi)目前只有江蘇蘇凈集團(tuán)能夠生產(chǎn)光散射液體顆粒計(jì)數(shù)器，能夠檢測液體中亞微米級的顆粒，已經(jīng)被應(yīng)用在過濾制造、電子制造及電子級化學(xué)品制造行業(yè)。

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及對于制造業(yè)的重視加強(qiáng)，更加精密、更加準(zhǔn)確的檢測儀器才能促進(jìn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量提升，提升我國產(chǎn)品的競爭力。隨著一些國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的變化，可以看出液體顆粒計(jì)數(shù)器已經(jīng)被越來越多的行業(yè)認(rèn)可，而且不斷提出嚴(yán)格要求，如采樣方式、檢測濃度、粒徑分辨率、計(jì)數(shù)準(zhǔn)確度等等。特別是半導(dǎo)體行業(yè)，隨著刻蝕技術(shù)的發(fā)展，2011年國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖（ITRS）要求受控制的顆粒污染尺寸是20nm甚至更小，這也對液體顆粒計(jì)數(shù)器提出了新的挑戰(zhàn)。我國液體顆粒計(jì)數(shù)技術(shù)起步較晚、技術(shù)薄弱，還需要加大投入，縮小國內(nèi)外差距。

4 結(jié)語

液體顆粒計(jì)數(shù)器操作方便、自動化程度高、計(jì)數(shù)準(zhǔn)確，在很多領(lǐng)域已經(jīng)代替了顯微鏡法。光阻法液體顆粒計(jì)數(shù)器國內(nèi)已有不少廠家生產(chǎn)，并在制藥醫(yī)療、石油化工、濾膜濾芯、電廠船舶等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。光散射法液體顆粒計(jì)數(shù)器多用于半導(dǎo)體、電子相關(guān)的行業(yè)，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高、國內(nèi)生產(chǎn)廠家少，該類產(chǎn)品與國外有著不小的差距。未來仍需要該行業(yè)的科研人員和企業(yè)研究人員共同努力，克服困難，早日打破技術(shù)壟斷，為產(chǎn)品的質(zhì)量與設(shè)備的運(yùn)行提供可靠的檢測與監(jiān)測技術(shù)。

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