在德国克劳斯塔尔-策勒费尔德举行的DECHEMA与VDI专业组联合年会上，Walter Schäfer展示了题为“Optical Measurement Method for Monitoring Slurry Sprays”的海报。会议于2025年3月25–27日在Clausthal University of Technology（克劳斯塔尔工业大学）举行。该海报展示是颗粒测量技术专题的一部分。
https://www.fg2025.tu-clausthal.de/
为什么浆料喷雾监测如此重要？
浆料是固体颗粒悬浮于液体中形成的混合物。其颗粒浓度和颗粒粒径分布会显著影响雾化、液滴形成、传热、化学反应以及工业过程的稳定性。
这些特性在回收利用、喷雾干燥、能量转换、涂装以及其他处理非均质原料的工艺中尤为重要。然而，传统的实验室分析通常需要取样，无法即时提供运行过程中的变化信息。
因此，光学浆料喷雾监测系统有助于在雾化过程中直接识别成分变化。这有利于更快地调整工艺、更高效地利用原材料，并推动开发更具可持续性的工业过程。
单个悬浮液液滴的光学分析
所提出的测量方法分析单个悬浮液液滴散射的光。每个液滴穿过椭圆高斯激光束时都会产生一个时间分辨的光散射特征信号。
光学探测器记录这些信号。信号形状以及检测到的峰的先后顺序包含了有关液滴光学特性的信息。因此，系统能够区分半透明和不透明的悬浮液液滴。
该方法采用时移飞行时间法（Time-Shift-Time-of-Flight），简称TSTOF。这一测量原理可对喷雾中的单个液滴进行时间分辨的检测和分析。
不同浆料成分的实验研究
实验在恒定工况下使用气助式同轴喷嘴进行。这使研究人员能够研究悬浮液的变化如何影响所记录的光散射信号。
所研究的悬浮液包含三种不同的固含量：
- 5%（质量分数），
- 10%（质量分数），
- 20%（质量分数）。
此外，实验还涵盖了三种特征颗粒粒径：
- 4.0 µm，
- 9.4 µm，
- 18.7 µm。
海报中的显微图像显示了所研究悬浮液之间的明显差异。尤其是浓度较高的悬浮液颜色更深，因为它们吸收和散射了更多的光。
相对液滴率与索特平均直径
评估重点关注两个重要参数：
相对液滴率Nrel：
该参数描述喷雾中检测到的半透明液滴所占的相对比例。
索特平均直径（SMD）：
SMD表征可检测的半透明液滴部分的液滴粒径分布。
实验结果表明，这些参数与悬浮液特性之间存在密切关系。固含量越高，半透明液滴的比例越低。较小的悬浮颗粒也会增加光吸收并降低液滴透明度。
因此，在所研究的范围内，相对液滴率和SMD可以提供有关颗粒浓度和颗粒粒径变化的信息。
光学浆料喷雾测量结果
测量表明，悬浮液液滴的光学特性随浆料成分发生系统性变化。
随着固含量的增加，产生半透明光散射特征信号的液滴减少。与此同时，半透明液滴部分的可测SMD也发生了变化。
实验还表明，颗粒粒径会影响光学响应。含较小颗粒的悬浮液吸收更多的光，因此半透明液滴的比例较低。
这些结果表明，光学浆料喷雾监测系统无需对每个样品单独取样和分析，即可检测非均质液滴成分的变化。
简化的TSTOF测量装置
基于实验结果，该海报提出了一种只有一个光源和两个探测器的简化光学仪器。
这种配置减少了所需的光学和电子组件，同时也简化了信号处理，因为评估可以集中于光散射信号中特征峰的相对位置。
这样的紧凑型系统可用于监测：
- 浆料喷雾，
- 涂料喷雾，
- 含颗粒液滴，
- 非均质液体，
- 其他工业雾化过程。
因此，这种简化配置可为连续工业测量和实时过程监测提供切实可行的基础。
用于液滴分类的机器学习
机器学习方法可以进一步改进评估。经过训练的模型可以分析光散射信号的完整形状，而无需逐一计算每个物理特性。
例如，该模型可以将液滴分类为半透明或不透明。这种方法有望实现更简单的配置，仅需一个光源和一个光学探测器。
此外，AI辅助信号分析可以识别信号形状、颗粒浓度、颗粒粒径与液滴成分之间的复杂关系。不过，每种工业应用都需要合适的训练和验证数据。
工业过程监测的潜力
所介绍的测量方法为非均质喷雾的连续监测提供了一种很有前景的途径。
其主要优势包括：
- 非接触式光学测量，
- 单个悬浮液液滴分析，
- 检测浆料成分的变化，
- 可实现紧凑型传感器配置，
- 兼容统计方法和机器学习方法，
- 可集成到实时过程监测中。
未来的工作可聚焦于更多悬浮液材料、更宽的浓度范围、工业运行条件以及针对客户的校准模型。
