顆粒粒度、濃度和密度測量裝置的製作方法
2023-10-27 08:57:37 2
專利名稱：顆粒粒度、濃度和密度測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及超聲測量技術，特別是涉及一種利用反射式超聲信號對兩相流 (懸濁液或乳濁液)中處於離散狀態顆粒的粒度、濃度以及混合物密度進行同時測 量的裝置的技術。
技術背景對兩相流中分散狀顆粒粒度和濃度進行測量，在涉及兩相流動的能源、化工、 醫藥、環境、水利、材料等領域中具有廣泛應用背景。現有顆粒測量方法如篩分法、 顯微鏡法、全息法、電感應法、沉降法和光散射法等，通常很難實現高濃度條件下 的快速，非接觸在線測量。超聲波具有寬的頻帶範圍，強的穿透能力，可在有色甚至不透明的物質中傳播 並具有測量速度快，容易實現測量和數據處理的自動化等優點，超聲波傳感器價格 低且耐汙損。由於超聲在顆粒系中的傳播規律與顆粒物的粒度和濃度密切相關，可用作顆粒粒度和濃度測量。現有的超聲顆粒濃度測量方法，多採用經驗公式或事先標定，未能很好考慮多分散分布狀態的顆粒物的粒度差異對聲衰減、聲速譜影響，嚴格的聲學理論模型已表明顆粒尺寸大小及分布差異對聲衰減、聲速影響很大，忽略該影響導致測量方法通用性差，難以確保結果準確，也不能獲得顆粒的粒度分布。 實用新型內容針對上述現有技術中存在的缺陷，本實用新型所要解決的技術問題是提供一種 基於反射式超聲信號測量和分析的，通用性強，測量結果準確的顆粒粒度、濃度和 密度測量裝置。本實用新型所提供的一種顆粒粒度、濃度和密度測量裝置，包括進行數據處理 的計算機(帶分析軟體)，連接計算機的信號處理電路，連接信號處理電路的脈衝波 發射/接收電路，連接脈衝波發射/接收電路的寬帶換能器，寬帶換能器設於緩衝板 外側；裝置由計算機控制，發射電路發出脈衝電信號，經觸發換能器，聲波部分被 緩衝板反射回來由換能器接收設為直接反射波，另一部分透射後在待測顆粒兩相流 中傳播並被反射板反射再由換能器接收設為透射回波，並經過信號處理電路傳輸給 計算機處理；所述計算機為能進行將信號根據設定公式計算得混合物密度、由已知 的顆粒物和連續介質密度計算得濃度值、由直接反射波和透射回波計算得顆粒粒度 分布的計算機；計算機設有用於直接顯示測量結果的曲線和數據的屏幕。進一步的，所述信號處理電路設有高速A/D轉換單元和信號放大單元。進一步的，所述寬帶換能器為自發自收寬帶換能器。進一步的，所述計算機設有用於保存測量結果的硬碟；供以後分析使用。進一步的，所述緩衝板和反射板為管道中相對的二側壁。進一步的，所述緩衝板設於寬帶探頭凹槽的一側，所述反射板設於寬帶探頭凹槽對面的另一側；寬帶探頭以法蘭形式和管道連接或插入管道中作在線檢測。利用本實用新型提供的顆粒粒度、濃度和密度測量裝置，由於採用基於反射式超聲信號測量和分析的計算模式，可以對懸濁液或乳劑形式的顆粒物樣品進行顆粒粒度、濃度和等效密度的檢測，避難了多分散分布狀態的顆粒物的粒度差異對聲衰減、聲速譜影響，提高了測量方法通用性，確保了測量結果的準確性，同時可以用作含顆粒物液液，液固兩相流的在線測量。
圖1是本實用新型實施例的顆粒粒度、濃度和密度測量裝置的結構示意圖； 圖2是本實用新型實施例的顆粒粒度、濃度和密度測量過程中的多次反射信號 的示意圖；圖3是本實用新型實施例的顆粒粒度、濃度和密度測量探頭的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖說明對本實用新型的實施例作進一步詳細描述，但本實施例並不 用於限制本實用新型，凡是採用本實用新型的相似結構及其相似變化，均應列入本 實用新型的保護範圍。本實用新型實施例的顆粒粒度、濃度和密度測量工作原理①反射係數和聲學特徵阻抗測量通過比較待測樣品和標定物質的反射信號， 當分別測量區放置樣品或者標定物質，在緩衝板和測量區界面間有不同反射係數。 將而這相比，有如下關係其中，凡和&分別為對樣品和標定物質(如純水)進行測試時的反射係數，厲和 厲為對應超聲信號的幅度；進一步換算出兩相介質聲學特徵阻抗其中Z,表示顆粒和連續介質的兩相體混合物(以下簡稱混合物)的聲學特徵阻 抗，A表示壁面的聲學特徵阻抗。按A = 4 / c即可通過測量聲速直接計算混合物等效密度，利用己知的顆粒和連續相密度， 可以求解濃度A )—上式中下標p指顆粒，7指連續介質(通常為液體)。由於聲阻抗法可直接測得 濃度，降低聲衰減譜求解粒度困難。同時反射係數可修正聲衰減計算中界面反射和 透射損失。②衰減係數和聲速測量如圖1所示，換能器4發出聲波部分被緩衝板5反射，部分透過緩衝板在介質6中傳播並由對面反射板7反射，再次通過介質6和緩衝板 5並被換能器4接收，這樣即可得到直接反射波A和透射回波B (如圖2所示)，由 快速傅立葉變換技術得直接反射波A和透射回波B的幅值譜並修正了聲反射，透射 和擴散損失後得聲衰減譜"畫(/)^4in(^4S)—"JZ Ms(/)其中M,(/)為直接反射波幅值，MJ/)為透射回波幅值，L為聲程，而^為考慮聲反射，擴散效果的超聲衰減修正係數，可標定獲取。同時，由直接反射波A和透射 回波B的時差可測聲速其中AL為聲程差，而At為2波形記錄時間差。③ 採用寬帶換能器，對時域信號作快速傅立葉變換得超聲幅值相位譜，以中心 頻率10MHz寬帶換能器為例，其在-6dB內衰減包含頻率範圍約5 15MHz，為反演 提供了豐富的頻譜信息。④ 按照聲波動理論，高濃度顆粒兩相體系中復波數公式 = * x MAI-- + + 州 —a -)2+P,(l-州式中角頻率c;-2;r/， -為顆粒濃度，《為絕熱壓縮係數，S是濃度，粒度和物性的函數。聲衰減係數和聲速可按，衰減係數"=-Im(A:)，聲速c-w/Re(x")，由復波數K給出。通過上述公式，可以計算不同超聲頻率，顆粒粒度和濃度時的超聲衰減係數(聲速)。⑤ 為求解顆粒粒度分布，按照上面計算的理論聲衰減係數(a^。"/))與實驗測 量信號換算得的聲衰減係數"，(/)^n[M"/)/Ms(/)]"-A構造誤差函數，formula see original document page 7這樣，可以按照最優化理論進行優化目標函數；為計算顆粒粒度分布，需要將顆粒 粒度分布採用某一或一組函數形式進行描述，可採用Rosin-Ramma函數，正態分布， 對數正態分布等；上述3種函數分布均包含一個名義尺寸參數和分布寬度參數，在 優化時稱待定參數。在進行優化時，事先人為設定初始參數，這樣可計算出理論超 聲衰減和初始目標函數，按照最優化的理論中的Davidon-Fletcher-Powell(DFP)方 法，可以在初始參數附近唯一的確定局部最優解，為獲得全局最優求解，應重新設 定初始值並最終選擇目標函數最小的結果即為最終求解結果。同時，為避免出現非 物理解情況(如參數為負數)，可以採用罰函數手段。在獲得求解參數後，帶入顆粒 粒度分布參數函數計算顆粒粒度的頻率分布和累計分布。本實用新型除了採用DFP (Davidon-Fletcher-Powell)方法之夕卜，還可用最速下降法(Ste印est Descent method)和模擬退火法(Simulated Annealing method)等優化方法。 本實用新型實施例的顆粒粒度、濃度和密度測量原理，包括以下步驟1) 採集直接反射波和透射回波由收/發換能器發射的單個窄脈衝超聲波 反射後所述收/發換能器獲得直接反射波和透射回波信號；2) 獲得反射係數和聲學特徵阻抗在數據處理的計算機中對時域信號作快速傅立葉變換得超聲幅值相位譜，由公式計算獲得反射係數和聲學特徵阻抗;3) 獲得衰減係數和聲速在數據處理的計算機中由快速傅立葉變換技術得 直接反射波A和透射回波B的幅值譜並修正了聲反射，透射和擴散損失後得聲衰減 譜，(該修正可以通過2)中反射係數結果或用標準物質標定)，由於採用二次不同 超聲波比值，消除了換能器超聲發射功率不同的影響；即如formula see original document page 8其中mj/)為直接反射波幅值，m^(/)為透射回波幅值，l為聲程，而^為考慮聲 反射，擴散效果的超聲衰減修正係數，可採用超聲吸收特性已知的介質(例如水)進 行標定。同時，由直接反射波a和透射回波b的時差可測聲速其中al為聲程差，而厶t為2波形記錄時間差。4) 計算顆粒和連續介質構成的混合物(如懸濁液)等效密度在數據處理的 計算機中由公式A=Zs/c，能直接計算混合物等效密度，其中Z,指混合物的阻抗，通過測量標定物質和待測混合物中的超聲波信號和反射係數後，按Zc =ZA1 —凡換算得(該計算結果不受顆粒粒度的影響，且可以直接用在液液兩相流中)。5) 計算顆粒濃度在數據處理的計算機中由公式formula see original document page 8能直接計算顆粒濃度，其中混合物等效密度 A由上一步得(計算結果不受顆粒粒度的影響，公式也可以直接用在液液兩相流濃度計算中)；如果僅僅完成混合物等效密度和濃度計算，可以採用單一頻率的超聲換能器即可。6) 計算顆粒粒度在數據處理的計算機中按照聲波動理論，高濃度顆粒兩 相體系中復波數公式(公式中濃度己經由前面獲得，可以作為已知量，減少了顆粒 粒度求解中的未知數個數)formula see original document page 8式中-為顆粒濃度，及為顆粒半徑，《為絕熱壓縮係數，^是濃度，粒度和物性的函數。聲衰減係數和聲速可按，衰減係數a = -Im(<) 聲速c = <y/Re(X)為求解顆粒粒度分布，按照上面計算的理論聲衰減係數("^。，(/))與實驗測量信號 換算得的聲衰減係數a麗(/)"n[MJ/)/Ms(/)]/Z:-ac構造誤差函數，這樣，可以按照最優化理論進行優化。為計算顆粒粒度分布，需要將顆粒粒度分布 採用某一或一組函數形式進行描述，可採用Rosin-Ramma函數，正態分布，對數正 態分布等；上述3種函數分布均包含一個名義尺寸參數和分布寬度參數，此參數在 優化時稱待定參數，如得以確定，即可完全獲得顆粒粒度的分布狀況。在進行優化 時，事先人為設定初始參數，這樣可計算出理論超聲衰減和初始目標函數，按照最 優化的理論中的Davidon-Fletcher-Powell (DFP)方法，可以在初始參數附近唯一的 確定局部最優解，為獲得全局最優求解，應重新設定初始值並最終選擇目標函數最 小的結果極為最終求解結果。同時，為避免出現非物理解情況(如參數為負數)，可 以採用罰函數手段。在獲得求解參數後，帶入顆粒粒度分布參數函數計算顆粒粒度 的頻率分布和累計分布。本實用新型除了採用DFP (Davidon-Fletcher-Powell)方 法之外，還可用最速下降法(Ste印est Descent method)和模擬退火法(Simulated Annealing method)等優化方法。如圖1所示，本實用新型實施例所提供的一種顆粒粒度、濃度和密度測量裝置， 包括進行數據處理的計算機1，連接計算機1的設有高速A/D轉換單元和信號放大 單元的信號處理電路2，連接信號處理電路2的脈衝波發射/接收電路3，連接脈衝 波發射/接收電路的換能器4，(寬帶)換能器4設於管道壁緩衝板5的外側；裝置 由計算機l控制，發射電路3發出脈衝電信號，經觸發換能器4，聲波部分被緩衝板5反射回來記為直接反射波A，另一部分透射後在待測顆粒兩相流6中傳播並被 反射板7反射再由換能器4接收記為透射回波B，並經過信號放大單元、高速A/D 轉換單元傳輸給計算機1處理，信號為如圖2所示波形，分析後換算得反射係數， 聲特性阻抗，聲衰減係數和聲速。由測量值可算得混合物密度^=^〃，由已知的顆粒物和連續介質密度按公式-二[/7"A-A)]/[A(/^-A)]計算得濃度值。再由 換能器測量直接反射波A和透射回波B作頻譜分析並考慮反射修正得到的聲衰減譜 和理論聲衰減譜的誤差作為目標函數formula see original document page 102採用Davidon-Fletcher-Powell (DFP)方法進行優化，計算得顆粒粒度分布。本實用 新型除了採用DFP (Davidon-Fletcher-Powell)方法之外，還可用最速下降法 (Steepest Descent method)禾口模擬退火法(Simulated Annealing method)等優 化方法。如圖3所示，本實用新型另一實施例採用寬帶探頭，將測量部件做成探頭形式， 在探頭凹槽的一側設保護緩衝板10，保護緩衝板10外側設寬帶換能器9，並由電纜 線8連接脈衝波發射/接收電路；在探頭凹槽對面的另一側設反射板11;寬帶探頭 以法蘭形式和管道連接或插入管道中作在線檢測，對時域信號作快速傅立葉變換得 超聲幅值相位譜，為反演提供了豐富的頻譜信息。用本裝置可以對樣品池或在線管道內顆粒兩相介質的粒度和分布、濃度進行測 量。在線管道測量時裝置通過法蘭連接，亦可直接附著在管道外壁上。測量結果以 曲線和數據的形式直接顯示在計算機屏幕上，同時保存在硬碟上供以後分析使用。本實用新型所述計算機包括單板機、單片機、可編程微處理器和DSP (數字處 理晶片等。
權利要求1、一種顆粒粒度、濃度和密度測量裝置，其特徵在於，包括進行數據處理的計算機，連接計算機的信號處理電路，連接信號處理電路的脈衝波發射/接收電路，連接脈衝波發射/接收電路的寬帶換能器，寬帶換能器設於緩衝板外側；所述裝置由計算機控制，發射電路發出脈衝電信號，經觸發換能器，反射回來的直接反射波和透射回波經過信號處理電路傳輸給計算機進行處理，所述計算機為能進行將信號根據設定公式計算得混合物密度、由已知的顆粒物和連續介質密度計算得濃度值、由直接反射波和透射回波計算得顆粒粒度分布的計算機；計算機設有用於直接顯示測量結果的曲線和數據的屏幕。
2、 根據權利要求1所述的顆粒粒度、濃度和密度測量裝置，其特徵在於，所述 信號處理電路設有高速A/D轉換單元和信號放大單元。
3、 根據權利要求1所述的顆粒粒度、濃度和密度測量裝置，其特徵在於，所述 寬帶換能器為自發自收寬帶換能器。
4、 根據權利要求1所述的顆粒粒度、濃度和密度測量裝置，其特徵在於，所述 計算機設有用於保存測量結果的硬碟。
5、 根據權利要求1所述的顆粒粒度、濃度和密度測量裝置，其特徵在於，所述 緩衝板和反射板為管道中相對的二側壁。
6、 根據權利要求1所述的顆粒粒度、濃度和密度測量裝置，其特徵在於，所述 緩衝板設於寬帶探頭凹槽的一側，所述反射板設於寬帶探頭凹槽對面的另一側；寬 帶探頭以法蘭形式和管道連接或插入管道中作在線檢測。
專利摘要一種顆粒粒度、濃度和密度測量裝置，涉及超聲測量技術領域；所要解決的是提高超聲測量通用性和準確性的技術問題；該測量裝置包括依次連接的計算機、信號處理電路、脈衝波發射/接收電路、寬帶換能器，寬帶換能器設於緩衝板外側；裝置由計算機控制，發射電路發出脈衝電信號，經觸發換能器，反回的直接反射波和透射回波經過信號處理電路傳輸給計算機進行處理；計算機為能進行將信號根據設定公式計算得混合物密度、由已知的顆粒物和連續介質密度計算得濃度值、由直接反射波和透射回波計算得顆粒粒度分布的計算機；計算機設有用於顯示測量結果的曲線和數據的屏幕。本實用新型具有基於反射式超聲信號測量和分析的，通用性強，測量結果準確的特點。
文檔編號G01N15/00GK201096703SQ20072007506
公開日2008年8月6日 申請日期2007年9月27日 優先權日2007年9月27日
發明者蘇明旭, 蔡小舒, 薛明華 申請人:上海理工大學