亚微米液体颗粒计数器在水处理滤芯中的应用

胡增+孙吉勇+陈建+梁凤飞

摘 要：文章介绍了光学液体颗粒计数器的工作原理，研究了一种基于光学散射原理的亚微米液体颗粒计数器，设计分析了传感器的光学结构。首次研制出了一台最小检测粒径为0.5微米的商用化液体颗粒计数器。利用研制出的颗粒计数器对最小滤除粒径为0.5微米的滤芯的过滤效率进行了测试。测试结果显示，一个滤芯对0.5微米以上颗粒的过滤效率为45%，另一个滤芯的过滤效率为8%。开发的亚微米液体颗粒计数器为水处理滤芯的性能检测提供了一种高性价比的解决方案。

关键词：液体颗粒计数器；亚微米；滤芯；光散射

中图分类号：TN29 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）03-0136-03

Abstract： This paper introduces the working principle of the optical liquid particle counter， studies a sub-micron liquid particle counter based on the optical scattering principle， and designs and analyzes the optical structure of the sensor. A commercial liquid particle counter with a minimum diameter of 0.5 μm was developed for the first time. The filtration efficiency of the filter element with the minimum diameter of 0.5 micron was tested by using the developed particle counter. The test results show that the filtration efficiency of one filter element is 45 and that of the other is 8%. The developed sub-micron liquid particle counter provides a high performance-price ratio solution for testing the performance of water treatment filter.

Keywords： liquid particle counter； submicron； filter； light scattering

1 光学液体颗粒计数器

液体颗粒计数器是一种用于测量液体中微小颗粒的大小和数量分布的仪器。它在制药、医疗器械、油液清洁度测量、半导体制造和过滤器检测等领域有着广泛的应用。光学液体颗粒计数器是目前使用最广泛的颗粒计数检测方法。它是利用光的散射原理。

当一束光入射到微小颗粒的表面会分成两部分：一部分光透过粒子之后沿着原来的方向继续前进，称为透射光。另一部分为粒子产生的散射光。如果忽略微小颗粒對光的吸收，根据能量守恒，透射光与散射光之和等于入射光。透射光和散射光的光强分布与粒子的大小有关；根据简单的几何光学近似，当粒子越大，散射光越强，透射光越弱。根据透射光和散射光的光强变化可以对粒子的大小进行检测。

利用透射光减小的幅度对粒子大小进行检测的方法称为光阻法，又称为消光法，其检测原理如图1所示。相对于透射光强本身而言，微粒引起透射光强减小的幅度非常小，微粒的信息被淹没在强大的背景光之中。光阻法只能测量比较大的粒子，其最小检测粒径通常在1微米以上。对于检测粒径小于1微米的亚微米液体颗粒计数器，采用散射光作为检测信号。利用散射光作为检测信号，可以降低背景光强的影响，提高信噪比。

基于光阻法的液体颗粒计数器，结构相对简单，国内已经有成熟的产品在销售。但是，基于散射光结构的亚微米液体颗粒计数器，在此之前，国内还没有成熟的商业化产品销售。

2 光散射亚微米液体颗粒计数器

粒子产生的散射光是全空间传播的。按照其传播方向，可以分为前向散射、侧向散射和后向散射。沿入射光方向传播的散射光称为前向散射光，与入射光方向垂直传播的散射光是侧向散射光，沿入射光传播方向相反的是后向散射光。通常采用侧向散射光或前向散射光作为检测信号。本文采用前向散射光作为粒子的检测信号，其传感器的结构原理如图2所示。传感器主要包括激光器、照明透镜组1、流通池、检测透镜组2和光电探测器。

照明透镜组1对激光器发出的光进行整形和汇聚。它包含一个准直透镜和一个平凸柱面镜，其工作原理如图3所示。准直透镜先将激光器发出的光准直为平行光，平凸柱面镜再将平行光汇聚为一个线光斑，平凸柱面镜的焦平面位于流通池的中间位置。

如图2所示，流通池的中间有一个液体通道，液体通道的两侧装有透明光学窗口。激光器发出的光经过透镜组1之后，穿过第一个光学窗口，聚焦在液体通道的中间位置，光线通过第二个光学窗口之后，被光陷阱所吸收。此时，探测器接收不到光。当待测液体的微小颗粒经过流通池的液体通道时，被入射光照射，产生散射光。

检测透镜组2将散射光收集和汇聚到光电探测器的表面。为了测量出微小颗粒产生的光散射信号，应该尽可能的增大散射光的收集效率，选用大数值孔径的汇聚透镜。本文中选用三片凸透镜组成检测透镜组2，其结构如图4所示。

光电探测器将光信号转变为电信号，探测器输出的微弱电流信号通过光电检测电路进行放大和处理；输出一个脉冲信号，脉冲信号的幅度和散射光强成正比。根据信号的幅度和个数可以对液体中的微小颗粒进行计数检测。

根据上面设计的亚微米液体颗粒计数传感器，再结合相应的软件、电路、机械和液路系统，可以开发出完整的亚微米液体颗粒计数器系统。图5是实际开发出一台最小检测粒径为0.5微米的亚微米液体颗粒计数器。其检测粒径范围是0.5至20微米。一共有8个检测通道。在检测范围内，可以任意设置每个通道的检测粒径。待测样品装在烧杯或采样瓶中，放入检测室，点击触摸显示屏上的测试按钮，仪器就自动进行检测。检测数据结果显示在操作界面上，也可以通过打印机进行输出。endprint

3 滤芯过滤效率检测

滤芯在水处理当中有着广泛的应用，用于滤除水中的各种杂质。国内滤芯生产企业非常多，市场很大。为了判断滤芯的过滤效果，生产厂家需要测量水通过滤芯前后其所含颗粒物的数量；根据滤芯前后水中颗粒物的变化来判断滤芯的过滤效果。很多用于超纯水制备的滤芯，其最小去除粒径都是在1微米以下。对于最小滤除粒径为0.5微米的滤芯，生产厂家需要检测水通过滤芯前后，其所含0.5微米以上的颗粒物数量的变化情况。此前，国内没有成熟的可以检测到1微米以下的亚微米液体颗粒计数器产品。只有美国和日本的少数几家公司掌握了亚微米液体颗粒计数器检测技术。国外公司凭借他们在该领域的垄断地位，其产品的售价相当昂贵，通常在十几万、甚至几十万以上。国内的很多水处理滤芯厂家，由于利润相对较低，无力购买如此昂贵的设备，导致产品质量得不到充分的保障。有少数厂家选用国内相对比较便宜的光阻法液体颗粒计数器检测滤芯的过滤效率，但是，由于光阻法液体颗粒计数器的最小检测粒径通常在2微米以上，并不能准确的测量出滤芯对亚微米颗粒的滤除效果。

本文所研制的亚微米液体颗粒计数器最小检测粒径0.5微米，其价格不到国外同类产品的一半；为国内的水处理滤芯厂家提供了一种高性价比的过滤效率测试手段。

我们选取了两只标称最小滤除粒径为0.5微米的熔喷滤芯，分别标记为滤芯1和滤芯2。它们由国内两个不同企业所生产。搭建如图6所示的滤芯过滤效果检测装置。水箱中的水在水泵的抽取下通过滤芯之后再回到水箱；水箱中的水为自来水。利用亚微米颗粒计数器测量自来水中大于0.5微米的颗粒数，5组测试数据如表1中的第二行数据所示，每毫升水中大于0.5微米的颗粒数为11000多个。将滤芯1装入测试装置，水泵工作15分钟之后测试水中的颗粒物数量。5组测试结果如表1中的第三行数据所示，每毫升水中大于0.5微米的颗粒数为6400多个。更换滤芯2，同时更换新自来水，水泵工作15分钟之后测试水中颗粒数，5组测试结果如表1中的第四行数据所示，每毫升水中大于0.5微米的颗粒数为10000多颗。通过测试结果可以看出，滤芯1对0.5微米以上颗粒的滤除效率为45%；滤芯2对0.5微米以上颗粒的滤芯效率只有8%。滤芯2对于0.5微米的颗粒几乎没有过滤效率。通过亚微米液体颗粒计数器可以非常方便的测量出两种滤芯的过滤效率。

4 结束语

本文分析了一种基于光散射原理的亚微米液体颗粒计数器的结构和工作原理，开发了一台商用化的亚微米液体颗粒计数器，最小检测粒径为0.5微米。用该颗粒计数器测试了两个滤芯样品的过滤效率。一个滤芯对0.5微米颗粒的过滤效率为45%，另一个滤芯的过滤效率只有8%。新开发的亚微米液体颗粒数计数器为水处理滤芯的过滤效率检测提供了一个高性价比的解决方案。

参考文献：

[1]杜巍.水中微小颗粒在线测量方法研究[D].上海：上海大学，2005.

[2]黄廷磊.洁净介质中颗粒污染物的光学检测技术研究[D].上海：上海理工大學，2000.

[3]M.I. Mishchenko， L.D.Travis， and A.A. Lacis. Scattering. absorption，and emission of light by small particles [M]. Cambridge： Cambridge university press， 2002：68-82.endprint