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激光粒度儀的原理及關(guān)鍵技術(shù)

發(fā)布日期: 2021-03-23
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  顆粒的粒度粒形是決定物料性能的重要參數(shù)之一,食品、醫(yī)藥、化工等眾多行業(yè)對顆粒的粒度粒形都有著嚴(yán)格的要求。顆粒的種類繁多,形狀各異,無法用簡單的三維尺寸描述顆粒的大小及形狀,常用的粒度分布檢測方法包括沉降法、電阻法、篩分法、圖像法和激光法等,其中激光粒度儀以激光作為探測光源,具有測量范圍寬、速度快、非接觸在線測量、重復(fù)性好等一系列優(yōu)點,在粉體和醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
 
  1激光粒度儀的測量原理
 
  采用光散射原理,測量顆粒的尺寸及其分布,可實現(xiàn)從亞微米到微米測量范圍的全覆蓋。
 
  激光粒度儀的結(jié)構(gòu)原理
 
  當(dāng)顆粒之間的距離遠(yuǎn)大于顆粒直徑,或顆粒在空間位置呈現(xiàn)無規(guī)則排列時,各顆粒的散射光彼此獨立,不因散射相互抵消,此時的散射稱為不相關(guān)散射。當(dāng)顆粒濃度足夠小時,每個顆粒產(chǎn)生多重散射的幾率幾乎為零,此時的散射稱為單散射。顆粒對激光的散射分為Rayleigh散射、衍射散射和Mie散射。
 
  靜態(tài)散射和動態(tài)散射是常用的兩種光散射法,各有自己的特點和應(yīng)用范圍。靜態(tài)光散射法不適合測量直徑在亞微米及以下的顆粒,會發(fā)生多重衍射,而使測量結(jié)果的性明顯降低。動態(tài)光散射法由于采用光子相關(guān)光譜理論,所以只能測出顆粒的統(tǒng)計平均粒徑。大顆粒的散射角較小,小顆粒的散射角較大。儀器接收的散射角越大,則儀器的測量下限就越低。
 
  2激光粒度儀的關(guān)鍵技術(shù)
 
  ISO13320是對激光粒度儀的基本要求,正確地應(yīng)用激光粒度儀測試出樣品的粒度及其分布,應(yīng)重點關(guān)注3個關(guān)鍵技術(shù)。
 
  2.1光子對中技術(shù)
 
  對中是指激光束的焦點通過光電探測陣列的圓心。在測量中只有的對中,才能得到正確的測試數(shù)據(jù)。使用三維自動對中系統(tǒng)是關(guān)鍵技術(shù)之一,在絲杠步進(jìn)電機(jī)的基礎(chǔ)上采用壓電陶瓷微動元件作為運(yùn)動控制部件,可以大大提高對中系統(tǒng)的度;傳動機(jī)構(gòu)使用消隙滑軌,可以大大增加中系統(tǒng)的穩(wěn)定性等。
 
  圖片
 
  2.2激光檢測器的優(yōu)化設(shè)計及儀器校準(zhǔn)技術(shù)
 
  在優(yōu)化設(shè)計激光光源及檢測器的基礎(chǔ)上,進(jìn)行嚴(yán)格的儀器校準(zhǔn)。儀器校準(zhǔn)不僅是通過測量國家計量認(rèn)證過的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來校正儀器的度,同時還要考慮如何儀器的光學(xué)基準(zhǔn)穩(wěn)定;減少外界條件對測量的影響;儀器測量的重復(fù)性;儀器測量的相對誤差;儀器的分辨率等。
 
  2.3樣品的分散技術(shù)
 
  激光粒度檢測儀的測量結(jié)果要真實地反映實際物料的粒度大小和粒度分布,必須重點解決以下幾個問題:(1)如何在樣品庫或流水線上取到典型樣品,大限度地減少取樣誤差;(2)如何將取到的典型樣品分散到理想的測量狀態(tài);(3)如何運(yùn)用的光學(xué)檢測系統(tǒng)實現(xiàn)測量。
 
  圖片
 
  通常情況下,被測樣品中所包含的粒子數(shù)目在一百萬個以上才能取樣誤差小于1%。鑒于各種樣品的密度差異較大,粒子的粒徑大小及分布不盡相同,檢測儀器(包括進(jìn)樣模塊和分散模塊)必須要具備足夠的樣品處理能力。
 
  分散介質(zhì)的選擇
 
  分散介質(zhì)的選擇依據(jù)是無腐蝕性、無毒性、對粉體浸潤、成本低。通用的介質(zhì)有乙醇、甘油、水等。
 
  分散時間的影響
 
  用不加任何表面活性劑的純水作介質(zhì),用超聲波分散器分散3種相同濃度的溶液樣品,經(jīng)過不同時間后,進(jìn)行樣品測定。實驗結(jié)果表明:分散時間過長,會引起樣品破碎;在不引起樣品破碎的情況下,分散時間越長,測試效果越好。
 
  分散劑種類及濃度的影響
 
  使用多的是表面活性劑,包括陽離子、陰離子、兩性和特殊類型表面活性劑等。粉體顆粒在水中帶正電或負(fù)電,如果加入的表面活性劑帶有同種電荷,利用電荷之間的排斥作用就實現(xiàn)了粉體顆粒的分散。
 
  分散劑的濃度也會影響分散效果,若濃度過高,會導(dǎo)致樣品溶液產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象,造成顆粒測量結(jié)果偏高。
 
  粉體溶液濃度的影響
 
  若粉體樣品溶液的濃度過大,由于粒子團(tuán)聚及多次散射的作用,測量的粒度分布曲線峰值較寬,粒徑偏大,測量誤差較大;若濃度較小,則分布曲線峰值也較窄,粒子直徑較小。
 
  當(dāng)樣品液的濃度過小時,一定量樣品中的粒子數(shù)太少,會產(chǎn)生較大的取樣偏差和測量的隨機(jī)誤差,所以要求粉體試樣的濃度不能過小,必須控制測量濃度的下限。
 
  粉體試樣溶液溫度的影響
 
  溫度較低時,粒子易于聚集,測量誤差較大,隨著溫度的升高,粒子的粒度逐漸變小,溫度升高促進(jìn)粒子的分散,但當(dāng)溫度高于35℃時,粒度測試數(shù)據(jù)不再顯著減小。因此20-35℃范圍是待測粉體試樣溶液的溫度。
 
  在藥品研發(fā)及生產(chǎn)領(lǐng)域,很多原、輔料及產(chǎn)品都是以粉體形態(tài)存在的,尤其是吸入制劑領(lǐng)域,粒度分布作為粉體重要性質(zhì)之一,對于產(chǎn)品的質(zhì)量和性能起著至關(guān)重要的作用。而由于產(chǎn)品的粒徑很小,沉降法、電阻法和篩分法均不適用于幾何粒徑的檢測,采用激光粒度儀可較為的檢測幾何粒徑,因此了解激光粒度儀的原理和關(guān)鍵技術(shù)對于激光粒度儀的研發(fā)及其在醫(yī)藥和粉體領(lǐng)域應(yīng)用具有重要的意義。
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