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激光泥沙颗粒分析仪的比测试验分析
激光泥沙颗粒分析仪的比测试验分析 王真祥? 朱巧云 (长江水利委员会 长江口水文水资源勘测局) 摘要:介绍了激光泥沙颗粒分析仪的基本原理及操作流程,通过对实测泥沙样品的对比分析,论证了使用激光颗分仪进行河流泥沙颗粒分析的适用性,并得出了一些有益的结论。
关键词:激光技术; 颗粒分析; 平行试验1 仪器原理简介 激光技术应用于颗粒分析的基本原理是Furanhofer衍射和MIE散射理论,该理论表明[1]。照射微粒的平行激光束在以一特定角度发生衍射和散射时,将散射掉大部分能量,对于较小的颗粒,这种角度较大;而对于较大的颗粒,这种角度较小。通过录不同角度时的散射情况,采用特定的方法来对散射加以计算,就可以获得颗料的面积和体积,而由面积和体积即可得到颗粒的直径大小。图1为激光颗粒分析仪的光学布局的示意图解[1]。
图1 激光颗粒分析仪的工作原理示意图
Fig.1 Sketch map of principles and operational flow of laser-beam instrument
2 散射原理的几何定义及散射检测的光学图解Fig.2 Sketch map of geometric definition of laser-beam dispersion principle and laser-beam dispersion examining ? 图1所示,激光颗粒分析仪的测量过程为:由激光源产生的激光通过光路形成平行的激光束后照射到颗粒上,由于颗粒的遮挡,激光便改变传播方向(即发生衍射和散射现象),颗粒的衍射及散射由一聚焦的接收透镜来检测,在此聚焦面上放置有特别构造的由32个圆环组成的检测器(中心有一让未被散射的直线光束通过的小孔),每一圆环都能对应地测量出其特定小角度范围内的散射。为便于用数学的手段来解决颗粒级配的分布问题,圆环的半径被分布成按对数级增大以便使每一半径都是最大半径的恒定倍数。圆环检测器后面的光电二极管 用来测量激光束的传播时间t,t被用来校正光学背景散射(即给出激光束变细小的测量值)。 散射原理的几何定义、散射函数的数学表达式及激光散射检测的几何光学图解[1]可示意图2。 散射函数s(Ψ)为散射激光强度,Φi为入射激光强度,△r为未散射激光通过的直结距离,Ψ为散射角,△Ω为衍射面积。 激光颗粒分析仪原始记录的是由圆环检测器测出的散射能量分布,信号扫描可以 计算机计算处理的数学表达式为 V(αj )=NAi×αj nj)=NAi/α2i
式中Ei为实测能量值,KIJ为颗粒I在环J的检测值,NA为面积分布,a为颗粒大小,V(αj)为体积分布,n(αj)为粒径分布。2 泥沙样品情况介绍 试验分析采用的泥沙样品,均为长江下游入海口河段的徐六泾水文站附近所取的悬移质水样,取样的断面宽为6km,垂线水深为3~60m,测点相对水深分别为0.0H、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、1.0H(H为垂线水深)[2];取样时间包含涨潮、落潮时段,采样器为专用横式采样器;所取试样体积为2 000ml,沙样的浓度为0.10~3.00kg /m3,粒径变幅为0.003~0.3mm,水样含盐度均小于0.05‰。3 比测方法与内容 ④ 级配计算 激光颗粒分析仪由于有电脑直接控制,其输出值即为样品的级配结果;移液管分析的沙样,经烘干、称重并进行反凝值改正后,求出各点试样的级配值[2]。 4 比测结果4.1 精密度 Table 1 Precision results
粒级/mm 0.1 0.05 0.025 0.010 0.005 0.003 中值粒径
级配平均值 100 100 99.5 83.7 55.4 28.5 5.16 标准偏差 0 0 ±0.04 ±0.41 ±0.51 ±0.23 ±4.77 精密度/% 0 0 ±0.04 ±0.49 ±0.92 ±0.798 ±0.93
说明:平均值 ;标准偏差 ;精密度=标准偏差/ ×100% ?
从表1可以看出,激光颗粒分析仪测试泥沙试样的重现性很好,中值粒径d50及各粒级分布的精密度均小于±1%。 4.2 准确度 比测试验共分析了35份悬移质沙样,根据分析所得到的级配成果,逐点分别计算移液管和激光仪所分析级配的平均粒径、中值粒径、最大粒径、相对误差及沙样浓度等,统计结果见表2。
表
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