編者按：SARI疫情無疑是當(dāng)前最牽動(dòng)人心的事件，肆虐的疫情對(duì)新冠病毒快速檢測(cè)、肺部用藥、醫(yī)療方案等方面的研究提出了越來越高的要求。而“粒度”作為重要的顆粒物理參數(shù)對(duì)于這些研究也有重要意義。例如，2019-nCoV病毒就屬于納米顆粒，而呼吸道不同位置的用藥對(duì)粒度也有不同要求。因此在醫(yī)藥領(lǐng)域，顆粒在線測(cè)量還有巨大的潛力空間待科學(xué)家們挖掘。因此，91儀器信息網(wǎng)特約上海理工大學(xué)蔡小舒教授為廣大網(wǎng)友暢敘顆粒在線測(cè)量技術(shù)的脈絡(luò)。雖不能直接為抗疫一線帶來助益，但在家隔離的諸位仁人志士若能有緣讀到，或?qū)?duì)未來醫(yī)學(xué)等的發(fā)展和顆粒檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用帶來更多的思考和契機(jī)。

在今天的文章中，蔡老師重點(diǎn)介紹了光散射在線測(cè)量方法（正文如下）：

顆粒，包括固體顆粒、液體顆粒（如噴霧液滴、水中的油滴等）和氣體顆粒（如液體中的氣泡，氣體中懸浮的氣泡等）在動(dòng)力、化工、材料、醫(yī)藥、冶金等各行各業(yè)中廣泛存在。據(jù)有文獻(xiàn)報(bào)道，80%以上的產(chǎn)品與顆粒有關(guān)。

顆粒的粒度是描述顆粒最重要的物理參數(shù)，不同的應(yīng)用對(duì)于顆粒粒度的要求是不同的。如在藥用呼吸道疾病治療中用的鼻噴劑及噴霧劑，就需要控制藥物霧滴的大小來達(dá)到霧滴沉積到呼吸道具體需要藥物治療部位的目的，這才能保證藥液的效果。對(duì)于需要肺部用藥，藥液霧滴粒度應(yīng)比較很小，才能隨吸入的空氣流動(dòng)到達(dá)肺部。大一些的藥液液滴會(huì)沉積在支氣管或氣管里，達(dá)不到肺部用藥的目的。而對(duì)于喉部或氣管的疾病，液滴的粒度就必須比較大，讓它們能在喉部或氣管里沉積。對(duì)于支氣管部位的疾病，其霧滴的粒度就要介于2者之間。這就需要對(duì)鼻噴劑的噴嘴進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，以保證霧滴的粒度可以滿足治療不同疾病的需要。

在工業(yè)生產(chǎn)等中，經(jīng)常遇到需要對(duì)顆粒進(jìn)行在線檢測(cè)要求，如顆粒的制備、霧化、管道輸運(yùn)等過程中。對(duì)顆粒粒度進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，然后將檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)送到控制系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和控制，不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，還可以提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。如在燃燒過程中，在線實(shí)時(shí)檢測(cè)燃料粒度可以提高燃燒效率，降低污染物的產(chǎn)生。磨料生產(chǎn)中在線檢測(cè)磨料粒度并反饋控制，可以極大提高磨料的質(zhì)量。這樣的例子可以在許許多多的場(chǎng)合找到。

目前已有許多顆粒粒度測(cè)量?jī)x器能對(duì)從數(shù)納米到數(shù)千微米的顆粒進(jìn)行測(cè)量，但這些儀器基本上是用于實(shí)驗(yàn)室分析，并不能用于在線測(cè)量。顆粒在線測(cè)量的特點(diǎn)是：

1. 測(cè)量環(huán)境復(fù)雜，條件惡劣，如可能有高溫、高壓、高濕、工作環(huán)境溫度變化大、存在振動(dòng)、顆粒流動(dòng)速度快、信號(hào)發(fā)射和接收部分的污染等，還必須考慮測(cè)量裝置的磨損等；

2. 測(cè)量要求高，測(cè)量時(shí)間要短，實(shí)時(shí)性好，不能因?yàn)閮x器問題影響生產(chǎn)過程等；

3. 測(cè)量對(duì)象要求不同，如高濃度及濃度變化大、被測(cè)材料不同、粒度范圍不同、或粒度范圍變化大等；

4. 希望在線測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、抗干擾、易安裝、易維護(hù)或免維護(hù)等。

5. 不僅測(cè)量顆粒粒度及分布，還經(jīng)常希望得到顆粒的濃度，流量、形貌等參數(shù)，甚至成分參數(shù)。

在線測(cè)量按照取樣方式可以分成直接在線測(cè)量（in-line）和取樣在線測(cè)量（on-line）2類。在直接在線測(cè)量（in-line）方法中，測(cè)量裝置不對(duì)被測(cè)顆粒進(jìn)行取樣，被測(cè)顆粒直接流過測(cè)量區(qū)進(jìn)行測(cè)量。在這類測(cè)量方法中，由于不能對(duì)被測(cè)顆粒的濃度進(jìn)行調(diào)整來滿足測(cè)量方法的需要，并且用戶對(duì)顆粒在線測(cè)量的要求和測(cè)量對(duì)象及環(huán)境等的不同，儀器的通用性差，必須精心考慮設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)來滿足測(cè)量的要求。因此，這類在線測(cè)量?jī)x器一般都是個(gè)性化的儀器，需要根據(jù)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)要求來設(shè)計(jì)研制。而對(duì)于取樣在線測(cè)量（on-line）中，由于連續(xù)取出的顆粒樣品可以根據(jù)測(cè)量裝置對(duì)于顆粒濃度的要求進(jìn)行稀釋調(diào)整，同時(shí)可以對(duì)其中的團(tuán)聚顆粒采取分散措施，大都可以設(shè)計(jì)生產(chǎn)相對(duì)通用的在線測(cè)量?jī)x器。

目前常用的在線顆粒粒度測(cè)量?jī)x器的基本測(cè)量原理有光散射，超聲，圖像等。其中光散射大都用于氣固或氣液顆粒的在線測(cè)量，而超聲則用于液體中顆粒的在線測(cè)量，圖像法既可以用于氣固、氣液顆粒的測(cè)量，也可以用于液固、液液顆粒的測(cè)量。下面先重點(diǎn)介紹光散射在線測(cè)量方法：

光散射在線測(cè)量方法

光散射的基本原理是當(dāng)一束激光入射到顆粒時(shí)，顆粒會(huì)向整個(gè)空間散射入射光，如圖是激光入射到有顆粒的水中，顆粒向各個(gè)方向散射入射激光的照片。

根據(jù)測(cè)量顆粒散射光原理的不同，可以把光散射顆粒在線測(cè)量方法分成幾類：前向靜態(tài)光散射法，側(cè)向光散射法，后向光散射法，消光法，光脈動(dòng)法等。在實(shí)際應(yīng)用中針對(duì)不同的測(cè)量對(duì)象，須采用不同的測(cè)量方法。

前向靜態(tài)光散射法：這與常用的激光粒度儀的測(cè)量原理一樣，一束激光從被測(cè)顆粒一端入射，在透射端安裝接收散射光信號(hào)的探測(cè)器，對(duì)測(cè)量得到的該功能散射信號(hào)進(jìn)行分析反演計(jì)算，最終得到顆粒的粒度分布和平均粒徑等參數(shù)。國(guó)內(nèi)外一些顆粒儀器測(cè)量公司都有基于該原理的激光在線測(cè)量?jī)x。該類儀器的特點(diǎn)是：顆粒粒度測(cè)量范圍大，可以從亞微米到數(shù)百微米，測(cè)量速度快，一般采用連續(xù)取樣方式（on-line）實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量。但儀器復(fù)雜，安裝使用要求高，無法識(shí)別顆粒是否團(tuán)聚，而團(tuán)聚顆粒會(huì)造成較大的測(cè)量偏差。為防止環(huán)境振動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響，除在儀器結(jié)構(gòu)上采取措施外，在安裝結(jié)構(gòu)上也要采取措施，盡量保證儀器運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定。為防止被測(cè)顆粒對(duì)激光器和接收透鏡表面的污染，須設(shè)置無油無水的壓縮空氣保護(hù)（俗稱掃氣或氣簾）光學(xué)元件表面。

基于該原理的在線激光粒度測(cè)量?jī)x器可用于管內(nèi)粉體顆粒的粒度在線測(cè)量和噴霧液滴測(cè)量。在在線測(cè)量管內(nèi)粉體粒度時(shí)，由于顆粒濃度較高，都配有連續(xù)取樣系統(tǒng)，將被測(cè)顆粒樣品連續(xù)從管道中去除，送到儀器的測(cè)量區(qū)。下圖是安裝在現(xiàn)場(chǎng)的激光顆粒粒度在線測(cè)量?jī)x以及儀器輸出的在線測(cè)量結(jié)果。根據(jù)需要，軟件可以輸出實(shí)時(shí)的顆粒粒度分布，以及D50等隨時(shí)間變化的曲線。為防止取樣出來的顆粒發(fā)生團(tuán)聚，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，在取樣系統(tǒng)中應(yīng)布置使顆粒分散的氣流，以盡可能保證進(jìn)入測(cè)量區(qū)的顆粒處于分散良好的狀態(tài)。

消光法：當(dāng)激光入射到被測(cè)顆粒時(shí)，部分入射光被顆粒散射，偏離原入射方向，部分被顆粒吸收，其余部分則透射到另一側(cè)。透射光強(qiáng)由于消光作用而衰減，其衰減程度含有被測(cè)顆粒的粒度信息和濃度信息。當(dāng)采用多個(gè)不同波長(zhǎng)的激光入射，顆粒對(duì)不同波長(zhǎng)光的散射作用不同，透射光強(qiáng)的衰減也不同。根據(jù)多波長(zhǎng)消光法的理論模型，由測(cè)得的不同波長(zhǎng)的透射光強(qiáng)的衰減，可以反演計(jì)算得到被測(cè)顆粒的粒度和濃度。

該方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)振動(dòng)不敏感，但粒度測(cè)量范圍較小，合適的測(cè)量范圍是大約0.05微米到5微米左右。對(duì)于濃度不高的測(cè)量對(duì)象，發(fā)射和接收可以直接安裝在管道2側(cè)。在管道上開設(shè)裝有石英玻璃的透明測(cè)量窗，激光束從1側(cè)從測(cè)量窗入射，在另一側(cè)測(cè)量窗外布置光接收器件和信號(hào)放大電路等。為防止顆粒污染測(cè)量窗口，同樣需要設(shè)置無油無水的壓縮空氣進(jìn)行保護(hù)。下圖是消光法測(cè)量原理的示意圖和測(cè)量裝置安裝在工業(yè)管道上在線測(cè)量顆粒粒度和濃度，以及煙道上在線測(cè)量煙塵的濃度。

由于消光法的光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以做成探針形式，用于濃度相對(duì)較高的顆粒在線測(cè)量。下圖是用于汽輪機(jī)內(nèi)濕蒸汽水滴粒度和濃度測(cè)量的探針系統(tǒng)。在探針端部的矩形窗口就是測(cè)量區(qū)。含有細(xì)微水滴的蒸汽高速流過該測(cè)量區(qū)，儀器就可以測(cè)得水滴的大小和濃度，進(jìn)而得到蒸汽的濕度。

光脈動(dòng)法：在消光法測(cè)量中，測(cè)量光束的直徑遠(yuǎn)大于被測(cè)顆粒的粒度，在測(cè)量區(qū)中顆粒數(shù)目巨大，透射光強(qiáng)的變化僅與測(cè)量區(qū)中的顆粒濃度變化有關(guān)，與顆粒粒度無關(guān)。但將測(cè)量光束減小到與被測(cè)顆粒粒度同一數(shù)量級(jí)時(shí)，且測(cè)量區(qū)長(zhǎng)度較小時(shí)，透射光強(qiáng)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)變化，這種隨機(jī)變化是由于在測(cè)量區(qū)內(nèi)顆粒數(shù)目和大小隨時(shí)間變化造成的。分析這種隨機(jī)變化的信號(hào)，根據(jù)光脈動(dòng)原理，可以得到顆粒的平均粒度和濃度。如果對(duì)隨機(jī)信號(hào)用FFT或小波變換的方法分析脈動(dòng)頻率，并進(jìn)一步采用相關(guān)法原理，不僅可以得到顆粒的粒度，還可以得到顆粒的速度，還可能可以得到顆粒的粒度分布。下圖是光脈動(dòng)法的原理示意圖和透射脈動(dòng)光強(qiáng)信號(hào)。

這種測(cè)量方法的最大特點(diǎn)是測(cè)量原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，粒度測(cè)量范圍可根據(jù)測(cè)量對(duì)象的大小，通過改變光束直徑來調(diào)整，可以在10－數(shù)千微米之間。

根據(jù)該原理可以在線測(cè)量粉體顆粒的粒度和濃度。如果間隔一定距離布置1對(duì)測(cè)量光束，還可以同時(shí)測(cè)量顆粒速度，進(jìn)而得到顆粒的流量。下圖是安裝在現(xiàn)場(chǎng)的基于該原理的顆粒粒度在線測(cè)量裝置。

消光起伏相關(guān)光譜法: 與消光法和光脈動(dòng)法不同，在該測(cè)量方法中，光束的直徑小于被測(cè)顆粒的粒徑，其透射光強(qiáng)不再是如消光法那樣是平穩(wěn)的，也不是如光脈動(dòng)法那樣是連續(xù)的高頻脈動(dòng)信號(hào)，而是如下圖所示，成不連續(xù)的脈動(dòng)信號(hào)。當(dāng)顆粒通過測(cè)量光束時(shí)，由于顆粒尺寸大于測(cè)量光束的直徑，入射激光被完全遮擋住，透射光強(qiáng)為零。當(dāng)沒有顆粒通過測(cè)量光束時(shí)，透射光強(qiáng)為1。采用消光起伏相關(guān)光譜法的模型對(duì)測(cè)得的時(shí)間序列信號(hào)進(jìn)行分析，同樣可以得到被測(cè)顆粒的粒度分布。

后向散射法：對(duì)于高濃度懸浮液、乳劑等，光無法透射過被測(cè)顆粒，散射光也會(huì)被顆粒所吸收或散射，但會(huì)產(chǎn)生后向散射。顆粒濃度越高，這種后向散射光的強(qiáng)度也越高，且與顆粒的粒度有關(guān)。根據(jù)該原理，可以采用后向散射方法進(jìn)行高濃度液液或液氣顆粒體系，如懸乳劑、高濃度微氣泡等的在線測(cè)量。該測(cè)量方法的特點(diǎn)是濃度測(cè)量測(cè)量范圍大，可以到體積濃度百分之幾十，而粒度測(cè)量范圍較小，從亞微米到數(shù)微米。經(jīng)過標(biāo)定，還可以測(cè)量顆粒的濃度。

合適的光路設(shè)計(jì)還可以用于氣固顆粒的在線測(cè)量，以及測(cè)量氣、液、固3相流動(dòng)中的顆粒相和氣泡項(xiàng)的顆粒粒度和濃度。

后向散射法測(cè)量可以做成結(jié)構(gòu)非常緊湊的光纖探針形式，帶尾纖的激光器發(fā)出的激光經(jīng)光纖入射到被測(cè)顆粒，其后向散射光被同一根光纖接收，也可以是另一根光纖接收，然后由光纖另一端的光電探測(cè)器將后向散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行反演計(jì)算處理，最后得到顆粒的粒度。下圖是后向散射測(cè)量的原理示意圖和后向散射探針。該探針可以插入如懸乳液等高濃度顆粒兩相流中進(jìn)行在線測(cè)量。

作者簡(jiǎn)介：

蔡小舒教授研究領(lǐng)域涉及到顆粒測(cè)量、兩相流在線測(cè)量、燃燒檢測(cè)診斷、排放和環(huán)境監(jiān)測(cè)、湍流等，近年來開始涉足生命科學(xué)的測(cè)量研究。先后承擔(dān)了國(guó)家兩機(jī)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、儀器重大專項(xiàng)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、科技部和上海市項(xiàng)目等縱向項(xiàng)目，國(guó)際合作項(xiàng)目以及企業(yè)委托項(xiàng)目。

先后任中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)、中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)、中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)、中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)、上海顆粒學(xué)會(huì)等學(xué)術(shù)組織的理事長(zhǎng)、副理事長(zhǎng)、常務(wù)理事、理事等，是《Proceedings of IMechE Part A: Journal of Power and Energy》、《Particuology》、《KONA Powder and Particle Journal》、《Frontiers in Energy》等SCI刊物和一些國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)刊物的編委，多個(gè)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議的名譽(yù)主席，主席等。

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