激光粒度分析仪在黄河泥沙粒度分析中的应用

激光粒度分析仪在黄河泥沙粒度分析中的应用

2000年，黄河水利委员会水文局从英国马尔文仪有限公司购买了ms2000个激光粒度分析仪，并开始了沉积物颗粒分析中心实验室。随后开展了激光粒度分析仪应用于黄河泥沙颗粒分析的实验研究。本文主要报告我们针对黄河泥沙进行的基础参数确定实验、泥沙粒度分析应用实验、激光法与传统法泥沙粒度分析相关关系研究的方法与成果。1malpear仪器衍射和散射经典理论指出,光在传播中,波前受到与波长尺度相当的隙孔或颗粒的限制,以受限波前处各元波为源的发射在空间干涉而产生衍射和散射,衍射和散射的光能的空间(角度)分布与光波波长和隙孔或颗粒的尺度有关。用激光做光源,光为波长一定的单色光后,衍射和散射光能的空间(角度)分布就只与粒径有关。对颗粒群的衍射和散射,各颗粒级的多少决定着对应各特定角处获取的光能量的大小,各特定角光能量在总光能量中的比例,应反映着各颗粒级的分布丰度。按照这一思路可建立表征颗粒级丰度与各特定角处获取的光能量的数学物理模型,进而研制仪器,测量光能,由特定角度测得的光能与总光能的比较推出颗粒群相应粒径级的丰度比例量。Malvern仪器公司M2000型激光粒度分析仪的原理结构示于图1。它由主机、供样器组件、计算机三部分集成件组成。主机的主要部件包括一只波长λ=632.8nm(红光),一只波长λ=466nm(蓝光)的激光器(光源),透光试样槽(样品盒),光路光具(光学透镜等),光信号接收与光电转换器,光路系统监控器等。主机工作的大致过程是,激光器发出的单色光,经光路变换为平面波的平行光,射向光路中间的透光试样槽(样品盒),分散在介质中的大小不同颗粒遇光发生不同角度的衍射、散射,衍射、散射后产生的光投向布置在不同方向的分立的光信息接收与光电转换器,光电转换器将衍射、散射转换的信息传给微计算机进行处理,转化成粒子的分布信息。供样器组件的作用就是将样品分散混匀充分并传送至主机。典型(标识为Hydro2000G)的湿法供样器,主要部件包括试样池,试样泵,螺旋浆搅拌器,超声分散器,连接管路等。在试样泵的驱动下,循环系统输送分散在液体(水)分散剂中的颗粒(泥沙)在透光试样槽循环。在设定的分析时间内,一个颗粒可多次循环通过透光试样槽,加之激光器和光信号接收与光电转换器可以每秒千多次的频率发射和接受,因此同一颗粒可很多次的得到测量分析。2颗粒的平均粒径di3激光粒度分析仪测出的是颗粒迎光方位的特征尺度(投影粒径)。由于许多颗粒和同一颗粒的不同方位态在激光粒度分析仪透光试样槽中的复杂分布与不停运动,加之频率极高的信号采样快照,使得光信号接收与光电转换器中的各光电检测器,在分析时段收到的是一个窄带特征尺度的混合平均。这与实际测量不规则大颗粒体时常用多方位的线度平均表征其体积当量等效球径的方法在概念上是一致的。因此,激光粒度分析仪测出的窄带特征尺度的混合平均也就是颗粒体积当量等效球径D,由此颗粒的体积用V=πD3/6计算。Malvern仪器公司激光粒度分析仪测量成果通常表达为某粒径级体积占样本颗粒群体积的百分数或小于某粒径部分体积占样本颗粒群体积的百分数,可用分布曲线或数表描述。与水文泥沙界通常用某粒径级的颗粒质量占样本总质量的比例的描述相比,在物质(泥沙)密度确定时是一致的。事实上,对具体区域和一般工程,总是将泥沙密度取确定值的。样本颗粒群平均粒径一般用D(4,3)表达,其定义为D(4,3)=∑Di4/∑Di3。定义可以看作为D(4,3)=∑(Di3*Di)/∑Di3,式中Di是样本中的某粒径,Di3表征某粒径体积(V=πD3/6)或在密度一定时的质量,因此D(4,3)反映的是样本体积或质量加权的平均粒径。实际上Di3/∑Di3表达某粒径级的颗粒体积占样本总体积或某粒径级的颗粒质量占样本总质量比例的丰度级配,当级配ΔPi用百分数给出时,就与我国规范中计算平均粒径的公式DPJ=∑ΔPi*Di/100一致。另外,还有D(3,2)=∑Di3/∑Di2,是样本投影面积加权的平均粒径,也称为索尔特平均粒径。3颗粒分析实验本次试验收集到黄河干支流34个主要控制站悬移质及河床质泥沙样品120组,总的看,收集到的泥沙样品具有广泛的代表性。鉴于黄河流域上、中、下游地域较广,来水来沙区域不尽相同,各区域泥沙粒径分布范围不一致,为了进一步实验时具有区域代表性,特将各区域的沙样按粒径分布情况分为相对粗、中、细类型。将同一泥沙样品,一分为二,一份送中心实验室用激光粒度分析仪进行颗粒分析实验,另一份试样,由各测区实验室用传统法进行颗粒分析实验。传统法分析的具体方法是,过63μm筛后,筛上部分用筛析法分析,筛下小于63μm部分分别用光电仪或吸管法分析,以两者分析结果计算全样颗粒级配。筛析法、光电法和吸管法的操作技术,均按《河流泥沙颗粒分析规程》的有关规定进行。根据激光法分析的结果,在120个沙样中,最大粒径达250μm、500μm、1000μm的分别有109个、10个、5个沙样,D50最大67μm,最小4μm。图2汇总了激光法测量的样品粒度曲线,可概览样品的粒度分布总况。4沉积物颗粒分析基础实验4.1大颗粒及悬浮液的测量参数的调节Malvern仪器公司激光粒度分析仪在应用湿法供样器分析物质的颗粒级配时,需要通过实验确定的基础参数有分散时间、超声强度、搅拌器速度、泵速、遮光度、测量“快照”次数(测量时间)、颗粒折射率、颗粒吸收率、分散剂折射率等,以上前六项为测量参数,后三项为模型计算参数。Malvern仪器公司激光粒度分析仪广泛地应用于化工、地质、医药、食品、磨料等领域,因此该仪器中影响测量结果的参数设置范围非常宽。针对黄河泥沙这一特定的物质,必须通过实验将这些参数的最佳适用范围确定出来,这对确保黄河泥沙颗粒级配的准确测量,提高一致性,满足工程实际应用的精度是至关重要的。保证一定的分散时间、超声强度、搅拌器速度及泵速,其目的是防止颗粒胶结与沉淀,以使在试样池中保持均匀分散的悬浮颗粒,然后将所有粒度的颗粒输送至透光试样槽(样品盒)测量。大颗粒和密度明显高于悬浮液的颗粒必须以足够高的速度流过导管和透光试样槽,以防止最大的颗粒沉淀下来。同时有必要使最大的颗粒与较小颗粒以近似相同的速度穿过透光试样槽,以使速度偏移量的作用不会影响最终结果。对这几个参数的调节,可通过装有专用软件的计算机的显示导引操作指示供样器执行。分散时间的单位是分钟,范围从0开始,未设上限;超声强度的单位是指标数,范围0～100;搅拌器速度及泵速的单位是转/分,范围分别为0～1000和0～2500。分散时间指的是快照前的时间,这段时间设置的超声强度、搅拌器速度及泵速等促使颗粒群样本充分分散而并不进行快照摄取信息。设置的分散时间结束后,开始执行快照测量,在快照测量时间内,设置的超声强度、搅拌器速度及泵速等仍在运转。遮光度是对任一时刻光束中样品数量的度量,是分散在介质中的欲分析颗粒的投影面积浓度,其度量单位是百分数,通常范围为10～20,样品颗粒群较细时,也可小于10,反之可大于20。如果该值太高,则可能出现颗粒层叠的多重散射甚或不透光而无法测量;如果太低,则检测不到足够的信号,精度就会受到影响。调节的方法是在分散介质中逐渐加入分析试验样品,边加试样边观察计算机屏幕由软件给出的显示标志,待浓度标志指示到合适的百分数范围,方可进行有效的粒度测量。“快照”是对所有检测器收到的衍射、散射强度光线的同步高频抽样测量,其度量单位是次数。每次快照冻结了特定时间点的测量值,一次完整的测量就是由大量快照的能量汇合而成的。理想的次数取决于粒度分布的宽度,粒度分布宽的样品需要大量快照以确保数据中包含大颗粒的代表。快照每毫秒摄取一次,在1秒钟测量时间内快照1000次,且设置步长为1秒分档。因此快照次数是由测量时间决定的,在装有专用软件的计算机里,可以设置测量时间,从而确定快照次数。每一个设置的测量时间内完成确定的快照次数后,装有专用软件的计算机输出一次粒度分析成果。以上各参数确定后,由快照会得到被分析物质颗粒衍射、散射的粒度信息系列数据,后面的作业就是将测量的系列数据输入依据光学衍射、散射理论建立的数理计算模型,这时颗粒折射率、颗粒吸收率及分散剂折射率的数值就须确定。对于特定物态的纯物质,折射率、吸收率已经光学物理实验测出,可由专门手册查阅,而对于河流泥沙这样的混合物,只能在主要成分(SiO2)折射率、吸收率的基础上经反复实验选择确定。粉未状或很碎的物质的折射率是复数,包括实数部分和虚数部分,实数部分是指成块物质的实际折射率,虚数部分与吸收率相关。泥沙或细泥沙的折射率应是复数。4.2实验参数的确定基础参数确定实验按照分散时间→超声强度→搅拌器速度→泵速→测量快照次数(测量时间)→遮光度(以上为测量参数部分,以下为计算参数部分)→颗粒折射率→颗粒吸收率→分散剂折射率的顺序依次进行。首选分散时间,是因为这一参数始终为一变量,贯穿于所有测量参数确定的过程中。进行分散时间参数实验时,其他参数按Malvern仪器公司工程师推荐的经验值设置,分散时间按分钟分档进行测量,以确定合适值。进行其他各测量参数实验时,己实验取得最佳值的参数按此值设置,尚未进行实验的参数仍按Malvern仪器公司工程师推荐的经验值设置,本测量参数做为变量,分若干档进行实验测量,以确定合适值。可见按上述顺序,后一参数的确定,总是建立在前一参数选定为最佳值的基础上的,全部实验完成后,就筛选出匹配的一套参数。具体实验并确定参数的方法是,仪器调整到工作状态后,将泥沙试样加入供样器试样池,设定待试参数外的其他参数,依次调整待试参数,输出各次粒度分析成果,比较级配曲线图和特定粒径的级配数值,直至后次的成果与前次相比曲线重合、数据趋于稳定、Φ分级各粒级的体积级配百分数的最大差值小于1。在各测量参数都确定为较理想的状态下产生的原始试验数据,输入计算模型后,每改变一组折射率、吸收率的值,测量软件即计算产生出一组新的数据,并以新产生的系列数据给出拟合图形及与原始测量图形吻合程度的残差。这是一个反复试错的过程,最终以图形稳定、与原始测量图形吻合、残差较小确定出折射率、吸收率的合适值。通过对16个样品的试错计算和数据统计,最终确定黄河泥沙折射率为1.6、吸收率为1.5。对黄河泥沙颗粒分析而言,水作为分散剂既符合实际,又最廉价。水的折射率1.33是确定的。4.3颗粒形态及粒度特性激光粒度分析仪应用于黄河泥沙颗粒分析的实验研究中,我们选取流域各地各站粗、中、细沙型共16个代表试样进行基础参数确定实验,成果汇总如表1。表中站名及编号是采集沙样单位的原编号,最大最小值是实验成果收敛,曲线重合、数据趋于稳定、特定粒径的体积级配百分数的最大差值小于1的有效限值,合适值给出应选范围,最佳值则是确定值。一般进行黄河泥沙粒度分析时应取最佳值。通过泥沙粒度分析基础测量参数确定实验,得出如下一些认识:①分散时间:分散时间不宜过短,但也不宜过长而降低工作效率。大体说来,试样粒径范围较宽时,分散时间应长些;②超声激击:超声激击对沙样有较好的分散作用,但强度不宜大,时间持续不宜长,否则使颗粒产生细化趋势,且无谓地产生噪声干扰。传统沉降法进行泥沙颗粒分析时,常用化学分散剂(如六酸偏磷钠等)分散颗粒的胶结状,经我们对比实验,表明对黄河泥沙来说,超声激击作用完全可以替代化学分散剂,并优于化学分散剂的应用效果;③搅拌器速度:搅拌器速度的大小对粗沙影响较大,对中沙影响次之且有明显的稳定界限,对细沙无大影响;当搅拌器速度较小(如200转/分)时,粗沙中的较大粒子未被搅起,产生沉淀,因此造成测量结果偏细。如华县5沙样,对31μm粒径级,在200转/分和400转/分的搅拌速度下产生的粒径百分数的差达27.6;④泵速:泵速的大小对粗、中、细沙影响都较大。因黄河泥沙颗粒的密度较大,粒径范围较宽,当泵速大于2000转/分时,测量数据才较稳定;⑤测量快照次数:测量快照次数的变化对粗、中、细沙影响均不大,说明黄河泥沙是单模的,其基本粒度特性可以用较少的快照捕获到;⑥遮光度:遮光度的变化对粗、中、细沙影响均较大。因为黄河泥沙粒径分布较宽,因此需要较大的遮光度。对粒径分布很宽的试样,也可超出建议正常范围的上限20,否则可能会造成细小颗粒信息丢失而使级配结果偏粗;⑦折射率、吸收率:进行粒度分析的物质的折射率、吸收率及分散介质的折射率对成果精度影响很灵敏,当进行粒度分析的物质及分散介质改变时,应相应改变或实验确定这些参数。4.4充填材料的重复稳定性试验确定了基础参数后,以这些参数为设置条件,进行了单样重复稳定性实验。在黄河水利委员会五个水文水资源局提供的测站沙样中,分别取粗、中、细试样各一个(考虑到各局辖区应有代表性,粗中细的划分仅是本辖区的相对粗中细,而非全河比较意义上的粗中细)共15个试样,对每个试样做重复性试验。具体作法是,单个试样重复做20次粒度分析,取得20个结果资料,以20为样本容量统计计算Φ分级各粒级的均值和均方差。15个试样重复稳定性试验成果误差统计见表2,表列均方差值远远小于《河流泥沙颗粒分析规程》规定的重复稳定性试验同粒径级丰度累积级配百分数的均方差不超过3.5的指标,表明激光粒度分析仪粒度分析的重复稳定性精度很高。表2还列出了同一母样传统法粒度分析重复稳定性实验各粒级的最大均方差,与激光法对比,其结果传统法的平均最大均方差是激光法的6倍,显而易见,激光法的重复测量精度远远高于传统法。4.5激光法粒度分析的可行性激光法粒度分析是一种有明显优势的现代粒度分析方法,但是黄河及其他河流已用传统法进行了数十年的粒度分析,积累了大量的资料,为了探讨激光法与传统法的相关关系,使两者有效衔接,对所收集的泥沙样品,我们一方面安排各水文水资源局粒度分析实验室进行传统法粒度分析,一方面在粒度分析中心实验室,在基础试验和应用试验完成的基础上,用激光粒度分析仪输入确定的基础参数进行了粒度分析。粒度分析的这批数据,为下一步研究两种方法之间的相关关系奠定了基础。5激光法与传统法的沉积物粒度分析相关研究5.1常用3倍均方差法黄河泥沙颗粒级配分析应用过许多方法,粗颗粒的级筛分析法与细颗粒的沉降分选沉速反算法是最常用的传统方法。当我们企图用激光粒度分析仪替代传统法作新一代泥沙颗粒级配分析的主流方法时,探讨他们对相同样本的级配关系,使资料系列衔接起来,成为本次实验研究的重要任务。具体方法是,①将激光法测量级配值系列定义为Y,传统法测量级配值系列定义为X,在X、Y正交坐标系作多项式的趋势线并求出回归方程和相关指数R2值。②将回归方程看作为消除了误差的变换关系,将从回归关系推算的级配值看作标准值,计算系列各激光法测量值对回归方程值的绝对误差,统计系列绝对误差的均方差(或曰统计标准差)作随机误差S,用误差系列代数和的均值作系统误差。③用通用公式y=Y±3S的计算值作相应拟合方程曲线的绝对误差限的外包线,剔除外包线之外的数据对(点)。重复1～3各步骤,……,直止外包线之外无数据对(点),使有效的数据对(点),对自己拟合的方程曲线,封闭于±3S区间。我们知道,对于正态随机变量,有所谓“3倍均方差(3S)准则”,即以均值为中心,落在±3S区间内的分布概率达0.9974,也就是说落在+3S区间外的分布几乎是不可能的事。在这里我们用了这个准则,把用于相关分析的数据对(点)看作正态随机变量,把回归方程曲线看作均值中心,用±3S对数据对(点)进行“过滤”。激光、传统法泥沙颗粒级配成果的样品来自同一母本,在忽略分样误差时,应有共同的真值,这是相关分析的根据。但是,由于两种粒度分析方法原理不同,更由于操作技术的差异,相互之间会出现系统误差和随机误差,回归方程曲线只是按照“最小二乘法”原理,把正交坐标系中呈一定宽度的带状分布的数据对(点)整合成最佳对应关系。由此不难理解,究竟怎样选择数据对(点)系列和优化回归方程是需要反复探索的过程。经过探索筛选,我们认为以116个沙样、796个数据对(点)为资料,建立传统→激光法全部样品累积级配百分数、分粗中细沙型累积级配百分数的,经过y=Y±3S外包线过滤的,二次多项式回归方程曲线的相关关系是合适的。5.2与传统法d0的相关在探讨不同粗细沙样激光～传统两种方法测量级配的相关关系前,有必要将其先行分类,在此称之为沙型界定。沙型界定常用方法是,将沙样按粒径分为D>45μm,45μm>D>15μm,D<15μm三个区间,分别称粗、中、细沙,求出各粒径区间级配的百分数,以含量最多即级配百分数最大的区间代表样品的粗细,样品相应称为粗型沙,中型沙,细型沙,或粗沙,中沙,细沙。但是这种界定方法操作繁难,实用性较差,故采用以D50值为判断标准的方法,即D50≥40μm为粗型沙,40μm>D50>15μm为中型沙,D50≤15μm为细型沙。先以激光粒度分析仪的成果,用常用方法对116个沙样进行沙型界定,其粗、中、细型沙样分别为19、22、75。在常用方法进行沙型界定的各沙型范围,再用D50值为判断标准的方法进行同型界定,对应的粗、中、细型沙样分别为16、22、61。后法对前法界定同型沙的符合度分别为:粗型沙16/19=84%:中型沙22/22=100%:细型沙61/75=81%。可见两种沙型界定法是高度一致的。从应用考虑,D50值为判断标准的方法最方便,故将此法作为基本界定法,按此法确定116个沙样中粗、中、细型沙样分别为16、39、61。为了互换研究的需要,在激光粒度分析仪和传统法分析的级配成果曲线图求出各沙样的D50,建立两种分析方法D50的相关,从而确定与激光法D50沙型界定粒径范围相应的传统法的D50的粒径范围。由传统法D50为Y激光法D50为X高度相关(R2=0.9793)确定的二次方程Y=-0.0049X2+1.2438X-3.5011求得X分别为15μm和40μm时,Y对应为14.05μm和38.41μm,也就是说激光法D50≥40μm为粗型沙,40μm>D50>15μm为中型沙,D50≤15μm为细型沙,与传统法D50≥38.41μm为粗型沙,38.41μm>D50>14.05μm为中型沙,D50≤14.05μm为细型沙是相应的。由于两种方法的沙型分界值(15和14.05,40和38.41)很接近,为统一起见,我们约定,无论激光法或传统法D50≥40μm为粗型沙,40μm>D50>15μm为中型沙,D50≤15μm为细型沙。5.3u3000第二、3.4.3年粗、中、细沙型反方程函数在上述研究工作的基础上,我们获得了全部样品累积级配百分数、分粗中细沙型累积级配百分数的,经过y=Y±3S外包线过滤的,二次多项式回归方程曲线的相关关系,成果汇总见表3。表3的上部分是以传统法的测量级配值作为自变量X,以激光法的测量级配值作为倚变量Y的相关分析结果,下部分是以激光法的测量级配值作为自变量X,以传统法的测量级配值作为倚变量Y的结果,后者由前者经数学反演推导而得出,推演过程如下。我们知道,二次方程ax2+bx+c=0ax2+bx+c=0的求根公式为x=−b/(2a)±(b2−4ac)1/2/(2a)x=-b/(2a)±(b2-4ac)1/2/(2a)将二次函数y=ax2+bx+cy=ax2+bx+c改写为二次方程的形式ax2+bx+(c−y)=0ax2+bx+(c-y)=0则由求根公式得到的下式是二次方程函数的反方程函数解x=−b/(2a)±[b2−4a(c−y)]1/2/(2a)x=-b/(2a)±[b2-4a(c-y)]1/2/(2a)由这些概念,将二次方程函数和其反方程函数解写为正反共轭方程函数的形式Y=aX2+bX+cY=−b/(2a)±[b2−4a(c−X)]1/2/(2a)Y=aX2+bX+cY=-b/(2a)±[b2-4a(c-X)]1/2/(2a)对于激光法为Y,传统法为X,116个沙样,762数据对的全部实验泥沙,拟合的二次方程函数Y2=0.0031X2+0.6128X+6.8264Y2=0.0031X2+0.6128X+6.8264其传统法为Yf,激光法为X的反方程函数为(在有±根式的两支中,取合理的+支)Y2f=−0.6128/(2*0.0031)+[(0.6128)2−4*0.0031*(6.8264−X)]1/2/(2*0.0031)=−98.8387+[0.3755−0.0124*(6.8264−X)]1/2/0.0062Y2f=-0.6128/(2*0.0031)+[(0.6128)2-4*0.0031*(6.8264-X)]1/2/(2*0.0031)=-98.8387+[0.3755-0.0124*(6.8264-X)]1/2/0.0062同样,可以推出粗、中、细沙型的反方程函数。将由传统法(X)换算到激光法(Y)的四个二次多项式方程曲线绘在一起可看出有一些系统偏差,因此为了获得更好的换算结果,应用换算方程前,还是应该按照D50指标确定沙型,从而选择合适的公式。5.4传统法激光法增加量的影响因为《河流泥沙颗粒分析规程》规定的粒径Φ分级是不连续的,故从拟合方程曲线关系由传统法(激光法)级配推求激光法(传统法)级配时,要很好处理“边缘”问题。具体说明如下。①始点X=0,Y=0;终点X=100%,Y=100%,在级配0～100%范围,两者一一对应,可直接用拟合方程换算,并且两者0与0,100%与100%对应于相同的粒径级(图3)。②若终点X=100%,Y<100%,这时使Y增加规定的一个粒径