Rozmiar jest studium rozkładu statystycznego rozmiarów zbiór elementów skończonych naturalnego materiału lub frakcjonowanej . Analiza wielkości cząstek jest zbiór operacji pozwalających określić rozkład wielkości elementów tworzących zbiór. Rozkład wielkości cząstek jest przedstawieniem w postaci tabel, liczb lub wykresów wyników eksperymentalnych analizy wielkości cząstek. Analiza wielkości ziaren wiąże się niekiedy z analizą rozkładu statystycznego kształtu ziaren, co nazywa się granulomorfią.
Termin `` wielkość ziarna '' jest również używany do jakościowego opisu średniej wielkości ziarna (na przykład skała będzie miała drobny lub gruboziarnisty rozmiar). Słowo „ wielkość ziarna” lub wyrażenie „ średni rozmiar ziaren” jest również używane jako synonim „średniej wielkości ziaren” (zostanie na przykład powiedziane, że (średni) rozmiar ziaren warstwy zwiększa się lub zmniejsza wraz z głębokością).
Odległość między daną linią D a równoległością do tego kierunku nazywana jest „średnicą Féret” ( Df ), tak więc cały rzut słojów znajduje się między tymi dwiema równoleżnikami. Jeśli obrócimy linię D wokół ziarna, znajdziemy położenie D, dla którego Df jest maksymalne, jest to egzodiametr, a minimum to średnica mezo. Stosunek pola powierzchni rzutowanej przez cząstkę do powierzchni koła o średnicy równej egzo-średnicy określa tak zwany wskaźnik kształtu ziarna.
To, co nazywamy rozmiarem ziarenka, jest w rzeczywistości jego „średnicą zastępczą” ( De ). Termin „średnica zastępcza” jest używany w odniesieniu do średnicy kuli, która zachowywałaby się identycznie podczas wybranej operacji analizy wielkości cząstek. Na przykład cząstka lamelarna (glina, kaolin, talk itp. ) Nie ma tego samego rozmiaru w zależności od tego, czy jest mierzona za pomocą analizatora wielkości cząstek w sedymentacji, czy laserowego analizatora wielkości cząstek. Dlatego zawsze konieczne jest wskazanie, wraz z rozkładem wielkości populacji ziaren, zastosowanej metody pomiaru.
Jest to najstarsza metoda i nadal jest bardzo szeroko stosowana, ponieważ jest najbardziej ekonomiczna. Polega na pomiarze masy materiału przechodzącego przez skalibrowane oczka tkaniny sitowej . Sita nakłada się zmniejszając oczka i mierzy się wagę materiału zatrzymanego na każdym sicie. Operację tę można przeprowadzić na sucho i wibrując całą kolumnę sitową dla ziaren o stosunkowo dużych rozmiarach. Kiedy populacja ziarna zawiera kilka bardzo drobnych pierwiastków, wiąże się to z podciśnieniem powietrza. Gdy wielkość ziaren jest mniejsza niż 300 μm , konieczne jest działanie pod strumieniem wody (lub alkoholu w przypadku produktów rozpuszczalnych w wodzie). Każda odmowa jest następnie suszona, a następnie ważona.
Metoda polega na pomiarze czasu sedymentacji w słupie wody, czyli szybkości opadania cząstek.
Na podstawie prawa Stokesa określa się wielkość ziarna.
Istnieją różne metody:
Waga Martina mierzy ilość materiału osadzonego na płycie w funkcji czasu. Pipetą Andreasena mierzy się stężenie substancji w zawiesinie w określonym czasie i na zadanej wysokości. Sedymentometria rentgenowska mierzy absorpcję promieniowania przez zawiesinę na określonej wysokości i w zadanym czasie zależnym od stężenia.
Zasada wirowania jest identyczna z zasadą sedymentacji, polegającą na frakcjonowaniu cząstek lub kropelek rozproszonych w cieczy nośnej (faza ciągła) zgodnie z ich różnicami w wielkości i gęstości, zgodnie z prawem Stokesa. Tutaj wartość g jest zmienna i jest obliczana na podstawie prędkości kątowej wirowania, masy próbki i odległości od środka obrotu. Jest to technika separacyjna, wirowanie umożliwia frakcjonowanie cząstek, a urządzenie optyczne umożliwia ilościowe oznaczenie różnych frakcji. To podejście jest zalecane do rozwiązywania multimodalnych systemów polidyspersyjnych . Każda oddzielona frakcja może być analizowana niezależnie od innych populacji obecnych w próbce. Różnica w stosunku do konwencjonalnej sedymentometrii polega na możliwości przyspieszenia migracji nanocząstek lub nanoobiektów i przesunięcia dolnej granicy oznaczalności do 10 nm.
Analizowaną zawiesinę lub emulsję umieszcza się bez wcześniejszego rozcieńczenia w przezroczystym pojemniku i przechodzi przez nią promieniowanie świetlne (widzialne, X, IR itp.). Główną zaletą tej techniki jest to, że umożliwia uzyskanie rozkładu wielkości cząstek niezależnego od właściwości optycznych zdyspergowanych materiałów. Zmiany gęstości optycznej w wyniku przemieszczenia frakcji są monitorowane podczas wirowania w celu określenia szybkości ich migracji i uzyskuje się rozkład wielkości cząstek ważony prędkością migracji obiektów Q (v) . Ten rozkład można przekształcić w intensywność, masę lub objętość, wówczas konieczne będzie wskazanie gęstości cząstek i lepkości cieczy nośnej, aby rozwiązać równanie Stokesa i wyodrębnić równoważną średnicę kulistą.
Przezroczyste, bezbarwne kompozycje pochłaniające promieniowanie podczerwone zawierające nanocząstki
Laserowy analizator wielkości cząstek działa na zasadzie dyfrakcji światła. Cząsteczki w zawiesinie (w wodzie lub w strumieniu powietrza) ugniatają światło emitowane przez wiązkę laserową . Rozkład przestrzenny tego światła, będący funkcją rozmiaru cząstek, jest rejestrowany przez zestaw fotodiod . Analiza tego rozkładu w płaszczyźnie ogniskowej umożliwia określenie proporcji każdej klasy wymiarowej.
Interpretacji dokonuje się za pomocą teorii Fraunhofera . Jednak ta metoda jest ograniczona z jednej strony długością fali wiązki laserowej i przezroczystością ziaren. Rzeczywiście teoria Fraunhofera zakłada, że cząstki są nieprzezroczyste, ale także znacznie większe niż długość fali światła. Dlatego opracowaliśmy nowe metody analizy zapisów przestrzennego rozkładu światła z teorii Rayleigha- Mie . W tym przypadku brane są pod uwagę dyfrakcja, załamanie, odbicie i pochłanianie światła przez ziarna. Pozwala to na wykonanie pomiarów o znacznie mniejszych wymiarach.
W tej metodzie zdjęcie ziaren jest wykonywane pod mikroskopem. Powstały obraz jest analizowany za pomocą specjalistycznego oprogramowania. Ten ostatni przechodzi do zliczania i określania rozmiaru (liczby pikseli) każdej z cząstek, a następnie kojarzy z każdą elipsą (lub kwadratem, rombem itp. ), Która określa ogólny kształt ziarna. W ten sposób uzyskuje się numeryczny i geometryczny opis zbioru ziarnistego, który umożliwia ustalenie rozkładów liczby, powierzchni i kształtu (granulomorfia). Analiza obrazu umożliwia również określenie barwy ziaren, co pozwala na wyznaczenie zróżnicowanych krzywych w zależności od rodzaju ziaren.
Najbardziej klasycznym i częstym sposobem reprezentacji rozkładów wielkości cząstek jest diagram półlogarytmiczny. Rozmiary są przedstawione na osi x w skali logarytmicznej o podstawie 10 (zwykle w µm), a współrzędne y na skali arytmetycznej od 0 do 100%.
Czasami spotykamy reprezentacje logarytmiczno-normalne (odcięta w lg i rzędna w rozkładzie normalnym Gaussa).
Istnieją również specjalne rozkłady dla rzędnych, takie jak Rosin-Rammler (1933) lub Gaudin-Schumann (1948). W tych punktach odniesienia rozkłady są zazwyczaj przedstawiane za pomocą jednej lub dwóch linii prostych. Stosowane są przy pracach związanych z separacją wielkości cząstek. Wynikają one z następującego podstawowego równania, w którym q ( x ) jest proporcją wagową cząstek przy danej średnicy. q ( x ) = axm e (- bxn )
m = n -1 i a = nb (Rosin-Rammler)
b = 0 a = ( m +1) / ( xom +1) (Gaudin-Schumann)
W meteorologii rozkład wielkości kropel deszczu według ich średnicy (D) wynika z trzech procesów, które przyczyniają się do powstawania kropel: kondensacji pary wodnej na kropli, narastania małych kropel na większych oraz zderzeń między kroplami podobny rozmiar. W zależności od czasu spędzonego w chmurze, ruchu pionowego w niej i temperatury otoczenia, będziemy więc mieć krople, które będą miały bardzo zróżnicowaną historię i rozkład średnic od kilkudziesięciu mikrometrów do kilku milimetrów . Badanie granulometrii kropel pozwala lepiej zrozumieć te zjawiska i skalibrować radary meteorologiczne .
W geologii ta analiza wielkości cząstek umożliwia zdefiniowanie różnych klas materiałów niezależnie od ich chemicznej natury. Poniższa tabela odpowiada francuskiej normie NF P18-560 stosowanej w szczególności w drogownictwie .
| Maxi | Nazwa | Mini |
|---|---|---|
| 200 mm | kamyki | 20 mm |
| 20 mm | żwir | 2 mm |
| 2 mm | grube piaski | 0,2 mm |
| 0,2 mm | drobne piaski | 20 µm |
| 20 µm | podłużnice | 2 µm |
| 2 µm | gliny |
Oto trzy inne typowe klasyfikacje:
|
|
|
Z tego wynikają również inne definicje, na przykład gleby ziarniste, które zawierają ponad 50% pierwiastków o wielkości cząstek powyżej 80 μm . Następnie są podzieleni na dwie rodziny:
W przemyśle naftowym, gdzie język angielski jest dość wszechobecny, najczęściej używane są następujące oznaczenia, wywodzące się bezpośrednio z klasyfikacji CK Wentwortha:
| skala φ | Przedział rozmiarów (metryczny) |
Przedział rozmiarów (przybliżony, w calach) |
Nazwa angielska (nazwa francuska) (zajęcia Wentworth) |
Inne nazwy |
|---|---|---|---|---|
| <−8 | > 256 mm | > 10,1 cala | Boulder (głaz) | |
| −6 do −8 | 64–256 mm | 2,5–10,1 cala | Kostka brukowa (walec) | (duży kamyk) |
| Od -5 do -6 | 32–64 mm | 1,26–2,5 cala | Bardzo gruby żwir (żwir bardzo szorstki ) | Kamyk (kamyk) |
| Od -4 do -5 | 16–32 mm | 0,63–1,26 cala | Gruby żwir (gruby żwir) | Kamyk (kamyk) |
| Od -3 do -4 | 8–16 mm | 0,31–0,63 cala | Średni żwir (średni żwir) | Kamyk (kamyk) |
| -2 do -3 | 4–8 mm | 0,157–0,31 cala | Drobny żwir (drobny żwir) | Kamyk (kamyk) |
| Od -1 do -2 | 2–4 mm | 0,079–0,157 cala | Bardzo drobny żwir (drobny żwir) | Granulat (granulat) |
| 0 do -1 | 1–2 mm | 0,039–0,079 cala | Bardzo gruby piasek (bardzo gruby piasek) | |
| 1 do 0 | 0,5–1 mm | 0,020–0,039 cala | Gruby piasek (gruby piasek) | |
| 2 do 1 | 0,25–0,5 mm | 0,010–0,020 cala | Średni piasek (średni piasek) | |
| 3 do 2 | 125–250 µm | 0,0049–0,010 cala | Drobny piasek (piasek) | |
| 4 do 3 | 62,5–125 µm | 0,0025–0,0049 cali | Bardzo drobny piasek (bardzo drobny piasek) | |
| 8 do 4 | 3,9–62,5 µm | 0,00015–0,0025 in | Muł (muł, muł) | Błoto (błoto) |
| Od 10 do 8 | 0,977–3,9 µm | 3,8 × 10-5 –0,00015 cala | Glina (glina) | Błoto (błoto) |
| 20 do 10 | 0,95–977 nm | 3,8 x 10 -8 -3,8 x 10 -5 w | Koloid (koloidowego) | Błoto (błoto) |