CN102830049A

CN102830049A - 多相流体颗粒粒度超声阵列微纳检测方法

Info

Publication number: CN102830049A
Application number: CN2012103222283A
Authority: CN
Inventors: 徐春广; 阎红娟; 肖定国; 李喜朋; 杨柳; 刘钊
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2012-12-19

Abstract

本发明目的是提供一种多相流体颗粒粒度超声阵列微纳检测方法，用于检测悬浮液中颗粒粒度大小等。本发明的多相流体颗粒粒度超声阵列微纳检测方法包括：对不同颗粒粒度的多相流体进行标定，确定多相流体声衰减系数与颗粒粒度之间的关系。将超声波束垂直入射到待测多相流体中，超声波换能器阵列接收来自于多相流内部的反射或透射超声波。根据衰减系数与悬浮液颗粒粒径之间的关系，确定平均颗粒粒度大小。

Description

多相流体颗粒粒度超声阵列微纳检测方法

一、技术领域

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及多相流悬浮液和超声波检测，是一种使用超声阵列检测多相流体颗粒粒度等方法。

二、背景技术

多相流体颗粒粒度超声阵列微纳检测方法是一种使用超声阵列检测多相流体颗粒粒度的无损检测技术，它利用高频超声波和被测多相流体颗粒相互作用，获取多相流体中颗粒粒度参数，在航空航天、工业机械和生物医学等多方领域都有广泛的应用。

多相流体的颗粒粒度在许多行业中起着主要作用，如石油钻井时泥浆颗粒的粒度和浓度以及油水气三相流体中水、气含量，河流泥沙的含量，选矿和洗煤时矿浆和煤浆的浓度，因此对多相流特性的检测具有重要的现实意义。

多相流体颗粒粒度超声阵列微纳检测方法使用频段为0.1MHz-100MHz的超声波，使用超声阵列测量多相流颗粒粒度等。因为超声波的频率越高，分辨率越高，但穿透能力就越差，射入物体后引起的散射效应也就越严重，由此导致接收信号减弱，因此检测时需合理选择相应频率的换能器。通过计算各频率换能器发射的超声波入射到被测多相流体中声场的变化，有效调整换能器阵列的相对位置，获得多相流体的声衰减系数，从而得到多相流体中颗粒粒度大小。

美国Epstein和Carhart教授推导出热损失对声衰减的影响，Allegra和Hawley发展了该模型，综合考虑了各种声衰减因素的影响，建立了ECAH模型。国内上海理工大学颗粒与多相流测量技术研究所蔡小舒教授、苏明旭副教授等发展了ECAH模型，采用单收单发测量声衰减系数与颗粒粒度之间的关系。目前尚未检索到相关专利或文献使用超声阵列检测多相流体颗粒粒度。

三、发明内容

本发明目的是提供一种多相流体颗粒粒度超声阵列微纳检测方法，用于检测多相流体颗粒粒度。

本发明的多相流体颗粒粒度超声阵列检测方法包括：对不同颗粒粒度的多相流体进行标定，确定多相流体声衰减系数与颗粒粒度之间的关系。将超声波束垂直入射到待测多相流体中，超声波换能器阵列接收来自于多相流内部的反射或透射超声波信号。根据衰减系数与悬浮液颗粒粒径之间的关系，确定平均颗粒粒度大小。

四、附图说明

图1多相流体超声阵列检测装置示意图。

图2多相流体超声换能器阵列示意图。

五、具体实施方式

根据多相流颗粒粒度参数选择相应的超声波换能器，将换能器安装在多相流体超声阵列检测装置上，所有可用于更换的超声换能器均为水浸式换能器。多相流体位于样品池内。图1为检测装置示意图，各部分为：样品池、高频超声波换能器、高频超声收发卡、数据处理装置等。图2为多相流体超声换能器阵列示意图。

声波在介质中传播时，其强度随传播距离的增加而逐渐减弱的现象。按照引起声强衰减的不同原因，可把声波衰减分为三种主要类型：吸收衰减、散射衰减和扩散衰减。前两类衰减取决于介质的特性，而后一类则由声源的特性而引起。

声学理论证明，吸收衰减和散射衰减都遵从指数衰减规律。对沿x方向传播的平面波而言，由于不需要计及扩散衰减，则声压随距离x的变化，由下式表示：

P＝P₀e^-αx （1）

式中：α——声衰减系数，单位为Np/m；x——传播距离吸收衰减的机制比较复杂，涉及介质的粘滞性、热传导及各种驰豫过程。

单相介质中的声衰减系数较为普遍的表达式为：

α = \frac{ω^{2}}{2 ρ c^{3}} [\frac{4}{3} η^{'} + τ (\frac{1}{c_{v}} - \frac{1}{c_{p}}) + Σ_{i = 1}^{n} \frac{η_{i}^{n}}{1 + ω^{2} t_{i}^{2}}] - - - (2)

式中：ρ——流体密度；

c——声波在流体中传播的速度；

ω——圆频率；

η'——介质的切变粘滞系数；

τ——导热系数；

c_v——定容比热；

c_p——定压比热；

——第i种弛豫过程所引起的低频容变粘滞系数；

t_i——第i种弛豫过程的弛豫时间。

Claims

1.一种多相流体颗粒粒度超声阵列微纳检测方法，其特征在于：该方法使用超声阵列检测多相流体颗粒粒度大小。使用检测装置标定超声波衰减系数与颗粒粒度之间的关系，将超声波垂入射到被测多相流体中，由超声阵列接收经过多相流体透射或反射的超声波信号。

2.根据权利要求1所述的多相流体颗粒度超声阵列微纳检测方法，其特征在于：超声阵列由16个高频超声换能器组成环形阵列，其中一个换能器发射超声波信号，其余15个换能器形成接收阵列，高频超声波换能器频率为0.1MHz-100MHz。

3.根据权利要求1所述的多相流体颗粒粒度超声阵列检测方法，其特征在于：超声波随着传播距离的增加而逐渐减弱，引起多相流体声波衰减的原因有波束扩散、晶粒散射、介质吸收、黏性损失和热损失等因素。

4.根据权利要求1所述的多相流颗粒粒度超声阵列检测方法，其特征在于：声波传播过程中不同频率的超声波衰减系数随颗粒粒度变化规律不同，利用衰减系数与颗粒粒度之间的关系计算颗粒粒度。

5.根据权利要求4所述的多相流体中衰减系数的检测方法，其特征在于：一个换能器发射超声波信号，其余15个换能器形成一个接收阵列，接收经过多相流体的透射或反射超声波信号，通过对每个换能器所测信号幅值测试，获取相应的衰减系数。

6.根据权利要求2所述的超声阵列所用换能器频率，其特征在于：该方法可检测与声波波长数量级相等的颗粒粒径，最小可检测的平均颗粒粒径为50nm。