專利名稱：干燥顆粒粒度分布測試設備和方法
技術領域：
本發明涉及干燥顆粒粒度(particle-size)分布測試設備，其中如粉末成分、顆粒成分，或這些成分的混合物的所謂粉末和顆粒成分被用作試樣，并且其在用承載氣體如空氣使試樣流動時測試試樣的粒度分布，更具體的是，涉及一種在進入流槽(f1ow cell)前把顆粒成分分散成為初級顆粒狀態的設備和方法。
這種干燥粉末和顆粒成分有時會被即使在干燥狀態也作用在粉末和顆粒成分中的靜電力、范德瓦爾斯力(Van der Waals force)、磁力，或類似的力所聚集，因此粉末和顆粒成分不是形成為其中粉末和顆粒成分相互完全分開的所謂的初級顆粒，而是由所謂的二級顆粒(幾個初級顆粒聚集于其中)或三級顆粒(幾個二級顆粒聚集于其中)形成。當這種不僅包括初級顆粒而且包括二級和三級顆粒的粉末和顆粒成分作為試樣供給到流槽中，然后在用光照射試樣同時進行測試時，這就不可能獲得粉末和顆粒成分的真正粒度分布。
因此，傳統干燥顆粒粒度分布測試設備為解決上述問題而采取以下的結構。當被用作試樣的粉末和顆粒成分從裝料口向下供給到流槽中時，可將壓縮空氣噴射到試樣裝料口的外周邊中，在那里試樣被分散，因此試樣中的二級和三級顆粒被分散從而盡可能把它們變成初級顆粒。
但是，在傳統干燥顆粒粒度分布測試設備的試樣分散方法中，很難把聚集的或粘結的粉末和顆粒成分完全分散成為初級顆粒，因為分散只進行一次。特別的，當高密度的試樣被裝料或當顆粒尺寸小于1μm的所謂亞微米粉末和顆粒成分被作為試樣裝料時，就會出現以下缺點，即只有達到對應于二級顆粒狀態的1μm的顆粒尺寸的顆粒能夠被分散。
因此，現有技術需要提供有效和經濟的流體分散裝置，來把顆粒基本上分散成為其初級顆粒狀態。
本發明的目的在于提供一種干燥顆粒粒度分布測試設備，其中在空氣分散領域內通常被認為具有1μm的分散極限的粉末和顆粒試樣能夠被分散成亞微米顆粒尺寸的精細初級顆粒狀態，然后其可精確地進行所需的顆粒粒度分散測試。
為實現以上目的，提供一種干燥顆粒粒度分布測試設備，其中粉末和顆粒試樣被供給到其中有氣體流動的流槽中，流槽被激光束照射，顆粒粒度分布在探測由試樣產生的散射光和/或衍射光輸出的基礎上測定，尚未供給到流槽中的試樣接受達到臨界壓力和亞音速的初次分散流的初次分散，然后試樣接受方向不同于初次分散流，且同樣達到臨界壓力和亞音速的二次分散流的二次分散。
在干燥顆粒粒度分布測試裝置中，即使由初次分散流進行的初次分散沒有使粉末和顆粒成分完全變成作為分散目的的初級顆粒狀態，所述成分還要接受與初次分散流方向不同的二次分散流的二次分散，因此所有粉末和顆粒成分變成初級顆粒狀態。
二次分散流可沿試樣的下落方向相對于流動軸線形成向前夾角，或垂直于試樣下落方向軸線。而且，在試樣接受二次分散后進入測試試樣槽中時，可相對于試樣流形成鞘流。
本發明提供一種流體分散裝置，其具有用于沿流動軸線朝向試樣槽中引入顆粒或粉末試樣的第一導管或流動路徑。第二導管或流動路徑引入第一周邊流動氣體，以與試樣流軸線成一定角度形成第一收斂力矢量，其中第一周邊流動氣體與顆粒或粉末試樣的接觸產生用于把顆粒試樣分散成為初級顆粒狀態的第一紊流區域。第三導管或流動路徑，位于第二導管或流動路徑下游，引入第二流動氣體以與試樣流軸線成一定角度形成第二力矢量，其中第二流氣體與顆粒或粉末試樣的接觸產生用于進一步分散顆粒或粉末試樣來增強形成初級顆粒狀態的能力的第二紊流區域。
最后，第四導管可吸入空氣作為當試樣進入試樣測試槽中時圍繞試樣的鞘流，以確保一種可重復和可循環的流動狀態。
本發明提供的方法包括沿流動軸線朝向試樣槽引入顆粒和粉末試樣的步驟。第一周邊流動氣體沿與流動軸線成第一收斂角的角度被導向，以便與試樣接觸并產生第一紊流區域以分散試樣。第二流動氣體被引導到第一流動氣體的下游，以便與試樣接觸并產生第二紊流區域以進一步分散試樣，從而確保在進入試樣流槽之前產生初級顆粒狀態。鞘流可形成于試樣的周圍以穩定試樣流槽中試樣的測試狀態。
具體實施例方式
以下的描述用來使本領域普通技術人員能夠制造和應用本發明，并且說明發明者認為能夠最好地實施本發明的實施例。但是，對于本領域普通技術人員來說各種改變仍然是顯而易見的，因為本發明的基本原理在此已詳細說明，尤其是用來提供一種改進的用于粉末和顆粒成分(以下統稱為“顆粒試樣”)的分散裝置和方法。
以下將參照附圖詳細描述本發明。

圖1和2展示了本發明的一個實施例。圖1示意地展示了本發明干燥顆粒粒度分布測試設備的示意結構，圖2以放大的方式示出了主要部分的結構。
圖1中，測試部分1按照以下方式構成。管狀槽或測試試樣槽2豎直設置。光學窗口3和4分別形成于流槽的相對側面上。激光源7照射流入到流槽2中的粉末和/或顆粒成分5。激光束6產生于光學窗口中的一個的外部，例如光學窗口3，從而與另一光學窗口4相對。光輻射探測部分8接收用穿過另一光學窗口4的激光束6照射試樣5而產生的任何散射和/或衍射光。
標號9表示試樣噴射器或流體分散裝置，其被用作設置在試樣流槽2上面的試樣引入部分，且其包括用來為試樣供給流動路徑的漏斗形的部分10或第一導管。與流槽2相通的試樣引導部分11連續地設置在漏斗形部分10的下面。引導壓縮氣體如空氣(將在下面描述)進入試樣引導部分11的氣體流動路徑12形成于漏斗型部分10下表面側。試樣引導部分11插入地連接到流槽2上部。
在引導部分的下端部，設置有分隔部分13，其延伸到光學窗口3和4上端的附近。標號14表示矯直導流葉片(straightening guide vanes)，其圍繞插入地連接到流槽2上的試樣引導部分11設置，從而平行于分隔部分13，并且外部空氣15通過其吸入，因此由吸入的外部空氣15在流槽2內形成鞘流(sleath flow)16，以提供經過試樣槽2的可循環流環境。
標號17表示壓縮空氣供給路徑，其中通過該壓縮空氣供給路徑，具有例如1到3個大氣壓的壓縮空氣18供給到噴射器9和試樣引導部分11中。該流動路徑的上游側連接到壓縮空氣源(未示出)上，并包括壓力調節閥19，如數字閥調節器。該空氣路徑在壓力調節閥19的下游位置分叉成兩個獨立的氣流路徑17a和17b。壓縮空氣供給路徑中的一條或路徑17a的下游端連通地連接到噴射器9的側部，另一壓縮空氣供給路徑17b的下游端連通地連接到試樣引導部分11的側部。兩條路徑都被構造成分別向噴射器9和試樣引導部分11中提供壓縮空氣18a和18b。
在本實施例中，如圖2所示，供給到噴射器9中的壓縮空氣18a從位于壓縮空氣供給路徑17a的最下游端的氣孔或噴嘴17a’水平地吹入到噴射器9中，從而垂直于落入到噴射器9中試樣5的流動軸線或下落方向。通過對照，供給到試樣引導部分11中的壓縮空氣18b從位于壓縮空氣供給路徑17b的最下游端的氣孔或噴嘴17b’向下傾斜地吹入到試樣引導部分11中，從而相對于試樣5的下落方向或軸線形成向前夾角(forward angle)。特別的，氣孔17b’位置設置成應當能夠使壓縮空氣18b在如下位置吹到試樣5上，在該位置上壓縮空氣18a施加到試樣5上的分散力矢量最大，即壓縮空氣18a產生的外周邊流也在該點上收斂(converge)。
標號20表示試樣回收流動路徑，其形成于流槽2的下端側，并包括吸入裝置21。標號22表示設置在噴射器9上方的漏斗，其用于把從試樣供給部分(在下文描述)下落的試樣5引導到噴射器9中。
標號23表示設置在漏斗22上面的試樣供給部分，其由例如槽24和線性喂料器25構成。由控制器26控制的線性喂料器25發生振動。振動被傳遞到槽24上從而引起位于槽上表面的試樣5沿如箭頭27所示的流動軸線從形成于槽24一端的試樣下落孔24a下落。
標號28表示計算和控制部分，其由例如個人計算機構成，并且控制整個設備。而且，計算和控制部分能夠在從測試部分1輸出的輸出信號的基礎上，通過應用根據夫瑯和費解析理論(Fraunhofer analytic theory)或Mie散射理論的算術表達式來計算試樣5的粒度分布，并且能夠在顯示設備28a上顯示計算和類似的結果，能夠把計算等類似結果存儲到設置在設備中的存儲部分，或與設備可分離地連接的存儲卡或存儲盤中。
在上述的干燥顆粒粒度分布測試設備中，首先，在試樣5沒有供給到流槽2中的狀態時，流槽2被來自激光源7的激光束6照射，所謂的空白測試用來測試此時入射到光輻射探測部分8上的光的強度，從而獲得用于建立參考值的空白值。
空白測試后，開始進行試樣5的粒度分布的測試。首先，操作吸入裝置21，具有預定壓力的壓縮空氣18通過壓縮空氣供給路徑17吹入。壓縮空氣18的一部分作為壓縮空氣18a通過第一壓縮空氣供給路徑17a吹入到流體分散裝置或噴射器9中，壓縮空氣的另一部分作為壓縮空氣18b通過第二壓縮空氣供給路徑17b吹入到試樣引導部分11中。
在試樣引導部分11中，產生由吸入部分21引起的空氣流29，并且圍繞空氣流29周圍并以空氣流29為中心產生由壓縮空氣18a引起并達到臨界壓力和亞音速的周邊流(初次分散流)30，從而在第一紊流區產生力矢量。當在這種狀態下，由干燥粉末和顆粒成分構成的試樣5如流動軸線箭頭27所示從試樣供給部分23下落時，通過在收斂初次分散流30與試樣5流之間的差異沿流動軸線27產生紊流，由此試樣5受到初次分散。術語“臨界壓力”是指需要達到331米/秒速度的壓力，術語“亞音速”是指近似等于但不超過331米/秒的速度。空氣中的聲波速度(Cs)由公式Cs＝331+0.6t來表示，其中t是溫度。
在試樣5的初次分散中，含在其中尚未達到初級顆粒狀態的粉末和顆粒成分保持在二次顆粒狀態。然后，在點11a上，第一周邊流30收斂并且分散力是最大的，因此已經受到初次分散的試樣5受到由壓縮空氣18b引起的側面沖擊流(二次分散流)31的二次分散，其中壓縮空氣18b經壓縮空氣供給路徑17b通過噴嘴以針尖方式吹進試樣引導部分11。壓縮空氣18b也達到臨界壓力和亞音速，并相對于試樣5的下落方向具有向前夾角。為了取樣的目的，在經過開始的初次分散后仍沒有變成初級顆粒狀態的粉末和顆粒成分，被二次分散完全分散成為初級顆粒狀態。因此，在試樣5供給到流槽2之前，試樣5處于初級顆粒狀態。
經過兩次分散處理，即初次分散和二次分散的試樣5會落入設置在流體分散裝置9下側的流槽2中，同時保持初級顆粒狀態。當試樣進入流槽2中時，鞘氣體(sheath gas)會將其圍繞。下落的試樣5被激光束6照射，從而產生散射光和衍射光。第二引導路徑17a可包括具有多個噴嘴開口的環形壓力通氣口(plenum)。
散射光和衍射光通過光輻射探測部分8被探測。光輻射探測部分8輸出相應于顆粒尺寸的散射/衍射光強度信號。該信號提供到作為計算和控制裝置的個人計算機28上。個人計算機28通過采用根據Fraunhofer解析理論或Mie散射理論的算術表達式計算粒度分布，從而獲得試樣5的粒度分布。測試結果顯示在個人計算機28的顯示設備28a上，并且存儲到例如個人計算機28的存儲器中。經過測試的試樣5收集在吸入裝置21中。
如上所述，在本發明的干燥顆粒粒度分布測試設備中，尚未供給到流槽2中的試樣5受到達到臨界壓力和亞音速的豎直初次分散流30的初次分散，然后，經過初次分散的試樣5隨后受到二次分散流31的二次分散，其中二次分散流31在方向上不同于(在本實施例中，水平方向)初次分散流30，其也達到臨界壓力和亞音速。即使將被測試的試樣5在初始時并不完全是初級顆粒狀態，該試樣在通過噴射器9后可被分散流30和31分散兩次，因而所有的粉末和顆粒成分變成初級顆粒狀態，從而可精確地進行所需的測試。因此，通常在空氣分散領域內公知的具有1μm的分散極限的粉末和顆粒試樣可被分散成精細顆粒或亞微米顆粒的狀態。
在上述實施例中，作用于試樣5上的二次分散流31這樣設置，即能夠使其相對于試樣5的下落方向形成向前夾角。或者，如圖3所示，二次分散流可垂直于下落方向，即水平引入試樣引導部分11中。在相對于受到二次分散的試樣5流形成鞘流16時，大氣15可象在本實施例中那樣被用作鞘流源。或者，如圖3所示，壓縮空氣14A，或另一種氣體如氮氣，可被用作鞘流源。
用于產生二次分散流31并且達到臨界壓力和亞音速的壓縮空氣18b的吹入口17b’，還可以形成在試樣引導部分11中圍繞外周邊流30的收斂點11a的多個位置中的每一個位置中。
根據本發明的顆粒粒度分布測試設備和方法，在干燥顆粒粒度測試設備中，其中粉末和顆粒試樣供給到氣流通過其中的流槽中，流槽被激光束照射，試樣顆粒粒度分布在探測由試樣引起的散射光和/或衍射光輸出的基礎上測定。該試樣在供給到流槽之前受到達到臨界壓力和亞音速的初次分散流的初次分散，然后該試樣受到與初次分散流方向不同的二次分散流的二次分散，其中二次分散流也達到臨界壓力和亞音速。因此，通常在空氣分散領域內熟知的具有1μm的分散極限的粉末和顆粒試樣可被分散成精細顆粒或亞微米顆粒的狀態，因此其可精確地進行所需的粒度分布測試。
對于本領域的普通技術人員來說，在不離開本發明范圍和精神的前提下，可對前述的優選實施例進行各種改變和修改。因此，應該理解的是，在所附的權利要求的范圍內，本發明都可被實施，而不限于這里的特定描述。
權利要求
1.一種干燥顆粒粒度分布測試設備，在所述設備中粉末和顆粒試樣供給到其中有空氣流動的流槽內，所述流槽用激光束照射，在探測由試樣引起的散射光和/或衍射光輸出的基礎上測定試樣粒度分布，其特征在于，在試樣尚未供給到流槽時，其改進包括初次分散構件，用于通過達到臨界壓力和亞音速的初次分散流而提供分散，并且所述試樣受到初次分散流的初次分散；二次分散構件，用于通過其方向不同于初次分散流且達到臨界壓力和亞音速的二次分散流來提供分散，其中所述粉末和顆粒試樣在被引導進入流槽之前被分散成為初級尺寸。
2.根據權利要求1所述的干燥顆粒粒度分布測試設備，其特征在于，所述二次分散流相對于試樣流軸線形成向前夾角。
3.根據權利要求2所述的干燥顆粒粒度分布測試設備，其特征在于，還包括鞘流裝置，用于在分散的試樣進入流槽時引導其進入鞘流路徑。
4.根據權利要求1所述的干燥顆粒粒度分布測試設備，其特征在于，所述二次分散流垂直于所述試樣流軸線。
5.根據權利要求4所述的干燥顆粒粒度分布測試設備，其特征在于，還包括鞘流裝置，用于在分散的試樣進入流槽時引導其進入鞘流路徑。
6.根據權利要求1所述的干燥顆粒粒度分布測試設備，其特征在于，還包括鞘流裝置，用于在分散的試樣進入流槽時引導其進入鞘流路徑。
7.在用于測試引入到測試流槽中的試樣的干燥顆粒粒度分布測試設備中，流體分散裝置的改進，包括第一導管，用于沿流動軸線引入顆粒試樣；第二導管，用于引入第一周邊流動氣體，從而與第一導管流動軸線成一角度產生第一收斂力矢量，以便產生用于把顆粒試樣分散成為初級顆粒狀態的第一紊流區域；第三導管，位于第二導管下游，用于引入第二流動氣體，以便產生第二力矢量以與第一力矢量的收斂區域交叉，從而在把初級顆粒引入測試流槽中之前，提供顆粒試樣的二次分散以進一步把顆粒分散成為基本上初級顆粒狀態。
8.根據權利要求7所述的干燥顆粒粒度測試設備，其特征在于，所述第一導管連接到用于盛放顆粒試樣的振動裝置。
9.根據權利要求7所述的干燥顆粒粒度測試設備，其特征在于，所述第二導管包括具有多個噴嘴開口的環形壓力通氣口，用于把第一周邊流氣體引導到收斂點。
10.根據權利要求9所述的干燥顆粒粒度測試設備，其特征在于，所述第三導管引導第二流動氣體基本上垂直于所述流動軸線。
11.根據權利要求10所述的干燥顆粒粒度測試設備，其特征在于，所述第三導管具有單個噴嘴開口，用于引導第二流動氣體。
12.根據權利要求11所述的干燥顆粒粒度測試設備，其特征在于，還包括第四環形導管，用于圍繞第一導管流動軸線向測試流槽中提供吸入的第三氣流。
13.一種在把干燥顆粒試樣引入到測試流槽之前將其分散的方法，其包括以下步驟沿流動軸線引入顆粒試樣；引導第一周邊流氣體以與所述流動軸線成一角度產生第一收斂力矢量，從而產生用于把顆粒試樣分散成為初級顆粒狀態的第一紊流區域；引導第二流動氣體以產生第二力矢量，以與第一力矢量的收斂區域交叉來提供顆粒試樣的二次分散，從而在把初級顆粒引入到測試流槽之前進一步把顆粒分散成為基本上初級顆粒狀態。
14.根據權利要求13所述的分散干燥顆粒試樣的方法，其特征在于，還包括在分散的顆粒試樣通過測試流槽時引導第三流動氣體以鞘式包覆分散的顆粒試樣。
15.一種用于測試顆粒試樣的干燥顆粒粒度分布測試設備，其包括承載氣體源，用于承載顆粒試樣通過所述設備；第一導管，用于沿流動軸線引導顆粒試樣；第二導管，其用于引入第一周邊流動氣體以與第一導管流動軸線成一角度產生第一收斂力矢量，從而產生第一紊流區域以把顆粒試樣分散成為初級顆粒狀態；第三導管，位于第二導管下游，用于引入第二流動氣體來產生第二力矢量以與第一力矢量的收斂區域交叉，從而提供顆粒試樣的二次分散以進一步把顆粒分散成為基本上初級顆粒狀態；測試流槽，用于接受呈分散初級顆粒狀態的試樣；測試裝置，用于照射測試流槽并探測散射光和/或衍射光且提供相應輸出信號；以及控制裝置，用于處理輸出信號以測試顆粒試樣粒度分布。
16.根據權利要求15所述的干燥顆粒粒度分布測試的設備，其特征在于，還包括鞘流裝置，用于在分散顆粒試樣進入測試流槽中時，引導分散顆粒試樣進入鞘流路徑。
17.根據權利要求16所述的干燥顆粒粒度分布測試設備，其特征在于，所述第一導管連接到用于盛放顆粒試樣的振動裝置上。
18.根據權利要求17所述的干燥顆粒粒度分布測試設備，其特征在于，所述第二導管包括具有多個噴嘴開口的環形壓力通氣口，以把第一周邊流動氣體引導到收斂點。
19.根據權利要求18所述的干燥顆粒粒度分布測試設備，其特征在于，所述第三導管引導第二流動氣體基本上垂直于所述流動軸線。
20.根據權利要求15所述的干燥顆粒粒度分布測試設備，其特征在于，還包括第四環形導管，用于圍繞第一導管流動軸線向測試流槽中提供吸入的第三氣流。
全文摘要
一種用于粉末和顆粒試樣的干燥顆粒粒度分布測試設備和方法，其中粉末和顆粒試樣通常具有1μm的分散極限，并且該試樣被分散成精細顆粒狀態或亞微米顆粒尺寸，然后其可被精確測試。該試樣受到達到臨界壓力和亞音速的初次分散流的初次分散，然后試樣接受與初次分散流方向不同且達到臨界壓力和亞音速的二次分散流的二次分散。分散的初級尺寸粉末和顆粒試樣供給到其中有氣體流過的流槽中，流槽(2)用激光束(6)照射，試樣的顆粒粒度分布在探測由試樣引起的散射光和/或衍射光的基礎上測定。
文檔編號G01N15/00GK1424569SQ0215671
公開日2003年6月18日 申請日期2002年12月12日 優先權日2001年12月12日
發明者山口哲司 申請人:株式會社堀場制作所