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激光粒度分析仪引进及应用研究

    责任编辑:杨雪 来源:

    黄委会水文局承担实施的水利部“948”项目“激光粒度分析仪引进及应用研究”(项目编号:995104),从英国引进“激光粒度分析仪” 首次应用于黄河泥沙颗粒分析,填补了激光粒度分析仪在中国水利行业使用的空白。该项目于2003年通过了水利部“948”项目办公室组织的验收和水利部国际合作与科技司组织的鉴定,鉴定结果为:成果总体上达到了国际先进水平。同年被评为黄河水利委员会科学技术进步二等奖和黄河水利委员会水文局科技进步一等奖,2004年被评为黄河水利委员会创新成果一等奖。 

  一、项目提出及来源

  ⒈ 项目提出 

  多年来,黄委水文所属七处泥沙颗分室担负着全河100余个水文站的泥沙颗粒分析任务,每年正常生产要分析多达数万个泥沙样品。传统泥沙颗粒分析方法主要有筛分析、粒径计、光电仪及吸管法等,由于受各种分析方法对粒径范围的限制,每个泥沙样品一般需要2~3种分析方法组合才能完成整样分析,同时人工操作过程繁琐、环节多,单个沙样全部分析过程需要几十分钟,费工费时、效率低、劳动强度大、人为因素影响多,各种分析方法本身之间误差很大,致使分析资料的成果质量难以保证。寻求一种泥沙分析粒径范围宽、速度快、精度高、操作简便,能及时、准确地提供高质量的泥沙颗粒分析资料的先进仪器、先进技术已是势在必行。

  ⒉ 项目来源

  水文局1998年编写了“激光粒度分析仪引进及应用研究”项目可行性研究报告并上报黄委会。经审查同意,于1999年5月上报了项目申请书,后经水利部“948”项目办公室组织专家审查,1999年12月以水利部“948”项目办公室(99)科推引字第24号--“关于‘激光粒度分析仪引进及应用研究’项目可行性研究报告”的批复,同意项目正式立项。2000年3月黄委会与水利部“948”项目办公室签订了技术合同,由水文局实施。2000年4月水利部以国科科〔2000〕6号“关于下达1999、2000年引进国际先进农业科学技术——水利项目计划的通知”和〔2000〕科推引字第13号“关于加快实施九九年度‘948’项目的通知”下发水文局,至此项目进入实施阶段。

  二、项目研发

  1.调研、考察

  水文局领导对该项目十分重视,成立了项目领导小组和项目实施小组。为了积极、稳妥地实施项目,2000年7月水文局组织了由局副总工带队,计财处和技术处参加的项目工作组,前往代理公司及仪器公司进行了实地调研、考察,对水利部“948”项目办公室指定的两家代理公司的资质、业绩和经营业务等进行了认真咨询和考察,并结合前期对英国马尔文公司、美国霍尼维尔公司及美国库尔特公司激光粒度分析仪的调研和现场测试情况,着重对英国马尔文公司的激光粒度分析仪的性能、作用等进行了实地技术调研,编写了调研报告并向局领导汇报,以确定代理公司及仪器选型。

  2.仪器引进

  根据水利部“948”项目办公室的要求,在前期调研、考察的基础上,选择中国水利电力物资有限公司为代理商,选定引进英国马尔文公司的激光粒度分析仪。成立了局总工、计财处、技术处参加的政府采购小组,与代理商及外商多次进行了代理和商务谈判,2000年7月按水利部国科科〔2000〕6号文要求按时签定了进口代理合同及商务合同。积极配合代理商办理了仪器入关、进口免税的各种手续,顺利完成了仪器海关检验、提货等过程。

  2001年1月仪器到货后,立即进行了安装调试,使仪器达到正常使用。

  3.泥沙试验室建设

  为了保证项目的实施,水文局在房源十分紧张的情况下,积极调整办公室,安排了较合适的房间作为泥沙试验室。尔后,进行了规划设计和市场调研,按照行业标准《河流泥沙颗粒分析规程》及仪器对环境条件的技术要求,装饰了防尘、防噪音的房间,供水管路畅通且装有控制完备的过滤装置,采用动力、照明、仪器三路分别供电方式,实验台及仪器安装稳定牢固,达到了泥沙颗分试验室标准化建设的要求,并通过了由水文局组织委科外局参加的实验室建设项目验收。

  4.人员培训

  根据引进国际先进农业科学技术合同书的计划,“激光粒度分析仪引进及应用研究”项目赴英技术接收团于2001年3月18日至4月2日到英国马尔文仪器公司进行了技术考察、培训学习和实验研讨活动,圆满完成任务。

  学习期间,除听取了仪器公司的技术人员对激光理论、仪器结构、性能、测量原理、软件界面设计与操作等的讲解外,同时还研讨了颗粒在光场中的物理图景,光信息处理模型与计算率定,数据处理,沙样预处理方法等问题,内容十分丰富。

  虽然学习时间很短,但受益匪浅,为下一步深入研究和开展实验工作奠定了良好的基础。

  三、成果主要内容

  1.仪器原理

  原理:光学中的夫琅霍夫衍射理论和米氏散射理论指出,光照射粒子时,衍射和散射的方向能力与光的波长和粒子尺度有关。当用单色性很强固定波长的激光作光源时,波长的影响即可消除,从而完全由粒子尺度确定光的衍射、散射方向能力。           

  图1   MS2000激光粒度仪光路系统

  按上述原理,通过设计,建立由偏振光源(激光光源)、粒子通路和检测系统构成的激光粒度分析仪光路系统(见图1)。其中:

  偏振光源由两只激光器组成,一只波长为632.8nm(红光),一只波长为466nm(蓝光)。因为激光波长越短,散射光强度越大(成四次方的反比关系),所以这次采用的激光光源使粒子的散射光强度分别为以前采用830nm激光光源的3和10倍,和传统激光粒度仪相比大大提高了检测灵敏度。

  检测系统:由扇形宽范围的前向、侧向、背向三维多元固体硅光电检测器群组、暗场光学标线和多元自动快速光路准直系统组成。其特点:①非均匀排列,检测器灵敏度随角度增大而提高。②对落出主检测器的小粒子散射光,用副检测器使接受角由40度提高到135度,从而实现了全量程直接测量各种真实粒径,分辨率大为提高的效果。

  激光粒度分析仪工作过程: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样品池,分散在液体分散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。

  样品池是一个透光的中空薄槽,外接HYDRO 2000G进样器循环系统后,循环系统输送分散在分散剂中的颗粒在透光样品池中循环。在设定的测量时间内,一个颗粒可多次循环通过样品池,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.比测试验

  项目广泛收集了黄河上、中、下游不同来沙区粗、中、细不同沙型的悬移质和床沙质,进行了大量的基础试验和应用试验,提出了一套适合黄河泥沙粒度分析的参数率定程序、方法和基础参数,建立了激光粒度分析和现有粒度分析成果之间的转换关系,解决了新旧级配资料的衔接,编写了《激光粒度分析仪操作规程》,实现了仪器操作的规范化。

  ⑴基础实验:本次引进的激光粒度分析仪首次用于黄河泥沙分析研究,对于各种技术参数必须进行大量的试验分析,以确定适合黄河泥沙的最佳取值。

  为了使选用的各种参数能适用于全黄河流域各种沙型,选用了黄河上、中、下游粗、中、细沙样,分别对分散时间、搅拌器速度、泵速、超声强度、颗粒折射率、颗粒吸收率、分散剂折射率、遮光度、测量快照次数等参数进行了大量、反复试验分析,最终找出了这些参数的最佳适用范围,为仪器推广应用打下了良好基础。

  ⑵应用实验

  取样:取样的代表性好坏是造成测量误差的根本原因,为了找到一个正确的取样方法,采用了磁力搅拌、人工搅拌、磁力搅拌配合人工搅拌等方式,在样品容器的横向、纵向不同位置进行取样,经过多次试验,发现磁力搅拌配合人工搅拌能使泥沙样品达到完全混匀状态,一旦样品混匀后,无论在样品容器的任意位置取样,所取样品都完全一致。

  分散:对于较细泥沙,絮凝处理是必不可少的。传统方法是在泥沙样品中加入适量的六偏磷酸纳,本次引进的激光粒度仪是采用超声分散进行絮凝处理,为了检验两种方法反絮凝效果是否一致,对同一样品分别用两种方法进行了试验,结果是超声方法分散效果很好。

  重复性:为了检验仪器的稳定性,选取了黄河上、中、下游粗、中、细15个样品,每个样品重复测定20次,并计算出级配均方差,可以看出样品的各粒径级均方差(%)都在1以内。

  平行性:为了检验人为取样的误差,选取了黄河上、中、下游粗、中、细15个样品,每个样品分别取样20次,并且不同的人交替取样,从计算出的级配均方差可以看出,各粒径级均方差(%)都在1以内。

  ⑶传统~激光法相关分析

  传统方法分析的泥沙颗粒级配已积累几十年的资料,为了保持资料的连续性、一致性、完整性,本次对传统、激光两种分析方法进行了对比试验,由于分析方法和物理原理的不同,分析系列泥沙颗粒级配有一定系统偏差,选用黄河上、中、下游34个水文站120个粗、中、细沙样,按沙型、分区域、进行相关分析,点绘散点图,拟合一、二、三次方程,计算系统误差和均方差,经过大量计算分析,确认了较好的回归方程。

  ⑷操作规程编写

  编写了《激光粒度分析仪操作规程》,实现了仪器操作的规范化。

  四、产生的效益

  鉴于该仪器测量范围宽、测量速度快、操作简便、自动化程度高、成果精度高等显著优势,该技术连续三年在黄河调水调沙试验、黄河小浪底水库异重流测验、黄河小北干流放淤试验、“模型黄河”研究及振动式测沙仪研制等重要治黄工作中得到成功应用,为黄河的治理开发、维持黄河健康生命提供了有利的技术支撑,取得了明显的社会效益和经济效益。

  2004年黄河第三次调水调沙是基于万家寨、三门峡、小浪底三大水库联合调度和人工扰动条件的试验,充分利用小浪底出库洪水,在下游“二级悬河”最严重和平滩流量最小的河段进行人工扰动,扩大主河槽的行洪能力。艾山水文站是这次调水调沙的反馈站,利用为该站配置的激光粒度分析仪现场随时、快速、准确地分析泥沙样品,及时地为领导决策和方案制定提供了高质量的数据和科学依据。

  2004年黄河小北干流放淤试验,水文局在小北干流小石嘴断面附近,筹建了泥沙实验室,安装了激光粒度分析,随时监测放淤闸和退水闸泥沙粒径的变化,及时提供泥沙颗粒级配资料,为全面、准确掌握放淤过程粗细沙的变化,为上级决策放淤方案提供可靠的数据,使“淤粗排细”的宏伟理想变为现实。

  激光粒度分析仪引进研发是黄河泥沙测量仪器的成功范例,已达到实用水平,黄委水文局决定,从2005年1月1日起,黄委水文系统正式全部应用激光粒度分析仪,其测量成果作为正式资料。

  五、主要完成单位和人员

  黄委会水文局

  和瑞莉 李  静 牛  占 袁东良 牛玉国

  李良年 张  成 马永来 张建中 尚  军

  初审意见

  该成果主要创新点为:(1)首次提出一套适用于测试黄河泥沙粒度分布的参数率定程序、方法和基本参数;(2)完全改变传统颗分模式,一次完成全样测量,速度快、精度高;(3)首次建立激光粒度分析和传统粒度分析成果之间的转换关系,解决了新旧级配资料的衔接;(4)首次将激光粒度分析仪引进并应用于河流泥沙粒度分析,填补了该仪器在中国乃至世界水利行业使用的空白。

  该成果解决了长期困扰河流泥沙测量中的颗粒级配测量问题,对治黄贡献极大,社会效益显著。同时,成果在国内其它流域也已得到推广应用。

  该成果经理论和应用技术类专家委员会初审,评为一等奖。


发布时间:2011年08月12日
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