颗粒粒度分布沉降分析的分辨率研究

摘要

粉体颗粒的粒度分布对获得粉体材料的特性非常重要。在众多颗粒粒度测试方法中，沉降法以方便简单、测量准确成为传统而经典的方法，其中又以光透法为最。然而因为光透沉降法中光束宽度的影响，使得分辨率有所降低，特别是在进行分段沉降或碟式离心沉降时，分辨率降低影响到测量精度，导致这两种方法不能推广使用。
　　 颗粒测量中粒度分布的分辨率一直是颗粒测量学中的空白。本文从光学分辨率引申到颗粒测量的分辨率，对分辨率的理论定义研究，最终确定两标准粒相交部分占总分布的50％作为分辨的临界。
　　 根据光透沉降法装置，建立含光束宽度的光透沉降模型，获得光透沉降法统一的光能系数矩阵。根据宽度模型，深入分析分辨率降低的原因，得出光透沉降中影响分辨率的两个因素：光束宽度和沉降高度。通过理论模拟得知光束宽度与分辨率成反比，而沉降高度与分辨率成正比。
　　 此外，研究表明光透沉降法中的宽度问题是一个反问题。借鉴与激光粒度仪中的反演过程，提出用宽度反演提高沉降法分辨率。数值模拟表明宽度反演能够有效改善分辨率，提高测量精度。
　　 在实际测量中，分段沉降对宽粒度的颗粒测量能显现出特别优势，主要体现在测量时间上。本文建立分段沉降的理论模型。提出分段沉降曲线不能自然相接是因为两条分段曲线分辨率不同。并采用三种物料进行分段沉降试验，试验结果与模拟结果一致。提出采用反演算法用于低分辨率的分布曲线，提高分辨率后再与另一高分辨率的分布曲线相接。反演结果表明该方法确实能解决分段曲线测量误差。
　　 碟式离心沉降对测量5μm以下的小颗粒可明显缩短测量时间。然而由于离心因素过大，导致多种粒度的颗粒在光束宽度内无法分辨清楚，使得碟式离心法的分辨率比自然沉降的分辨率低很多，大大减小了测量动态范围。将反演算法用于碟式离心法中，反求离心过程中含宽度的颗粒粒度信息，以提高碟式离心的分辨率。后期反演算法处理结果显示，反演算法的使用能够改善分辨率，扩大碟式离心测量范围。
　　 本文采用Chahine算法和NNPT算法用于提高粒度分布的分辨率。模拟及实验结果表明，Chahine算法可以通过预处理的方法对其进行改进。改进后的反演效果比NNPT算法的反演效果好。
　　 本文将物理理论模型与实测试验相互结合，上述结论不仅从理论上计算分析，也能从试验中得到验证。对提出的提高分辨率的方法，也能从这两方面相互证实其可行性和可靠性。