CN201130136Y - 对离散状态颗粒粒度分布测量的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种对离散状态颗粒粒度分布的测量装置，涉及超声测量技术领域；所要解决的是对离散状态颗粒粒度分布的非接触测量的技术问题；该测量装置包括利用复波数、目标函数、分布函数等计算公式优化计算颗粒粒度分布的计算机，连接计算机的信号处理电路，连接信号处理电路的脉冲波发射/接收电路，连接脉冲波发射/接收电路的宽带换能器，换能器设于测试板外侧；所述装置由计算机控制，发射电路发出脉冲电信号，经触发换能器发出声波，超声波在测试板壁面多次反射后再由换能器接收，并经过信号处理电路的信号放大、高速模数转换传输给计算机处理；本实用新型具有能实现完全的非接触测量，能在线测量高浓度和高衰减颗粒两相流的特点。

Description

对离散状态颗粒粒度分布测量的装置

技术领域

本实用新型涉及超声测量技术，特别是涉及一种利用超声多次反射信号测量处于离散状态颗粒的粒度分布及其浓度的技术。

背景技术

对分散状态颗粒的粒度大小和浓度进行测量，在涉及两相流动的动力、化工、医药、环保、水利、材料等领域中具有广泛应用背景。与现有测量方法如筛分法、显微镜法、全息照相法、电感应法、沉降法等比较，超声法往往具有自动化程度高，能进行快速且准确的测量。同时由于超声波具有宽的频带范围，强穿透能力，可在有色甚至不透明的物质中传播并具有测量速度快，超声波传感器价格低且耐污损，特别适合作在线检测。

现有的超声法颗粒测量手段中，采用穿透式或反射式对超声信号的测量，均需要超声波在待测对象中进行传播。在对高浓度和高衰减物质的测量过程中，超声波的传播声程有限，使得测量信号存在信噪比过小缺点，甚至不能检测到有效声信号，测量过程不能得以实现。

同时现有多数方法采用了单一频率的超声波，没有注意到颗粒粒度和超声谱的关系，而超声谱(阻抗谱，衰减谱，速度谱)和颗粒粒度关系是非常密切的。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能实现完全的非接触测量，能对离散状态颗粒粒度分布的测量装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型所提供的一种对离散状态颗粒粒度分布的测量装置，包括进行数据处理的计算机，连接计算机的信号处理电路，连接信号处理电路的脉冲波发射/接收电路，连接脉冲波发射/接收电路的宽带换能器，换能器设于测试板外侧；所述装置由计算机控制，发射电路发出脉冲电信号，经触发换能器发出声波，超声波在测试板壁面一次以上反射后再由换能器接收，并经过信号处理电路的信号放大、高速模数(A/D)转换传输给计算机进行数据处理得到颗粒粒度分布；计算机设有用于显示测量结果的曲线和数据的屏幕。

进一步的，所述宽带换能器采用窄脉冲信号激励；脉冲信号越窄，包含的频谱信息就越丰富。

进一步的，所述信号处理电路设有高速A/D转换单元和信号放大单元。

进一步的，所述宽带换能器为自发自收宽带换能器。

进一步的，所述计算机设有用于保存测量结果的硬盘；供以后分析使用。

进一步的，所述测试板为管道的侧壁。

进一步的，所述测试板选择其特征阻抗与颗粒样品的特征阻抗之比大于10，所述测量板特征阻抗和样品必须选择具有很大差异的物质(如不锈钢和水Z_钢/Z_水≈30)。

进一步的，所述测试板为探头凹槽一侧的反射板，反射板外侧设宽带换能器(压电片)，并由电缆线连接脉冲波发射/接收电路；宽带探头以法兰形式和管道连接或插入管道中作在线检测。

利用本实用新型提供的对离散状态颗粒粒度分布测量的装置，由于采用间接测量的方法，通过对多次超声反射信号的反射回波幅度和相位的测量，利用样品和标定物质的对比，计算得出颗粒样品中复声特性阻抗(与声速和声衰减有关)，并根据这些声特性阻抗谱再计算得出对高浓度和高衰减颗粒两相流的颗粒粒度分布及浓度。本实用新型提供的方法整个检测过程中声波不在样品中传播，无须穿透被测介质，不仅实现了完全的非接触测量，而且非常适合对于高浓度、高衰减样品的检测。

附图说明

图1是本实用新型实施例对离散状态颗粒粒度分布测量的装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中多次反射信号的曲线示意图；

图3是本实用新型实施例中多次反射信号的谱和粒度之间关系的曲线示意图；

图4是本实用新型实施例中测量探头的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本实用新型的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本实用新型，凡是采用本实用新型的相似结构及其相似变化，均应列入本实用新型的保护范围。

本实用新型实施例的理论模型和反演技术计算：如图1所示，换能器4发射超声波在板5内多次反射，对其分别在待测样品(指由颗粒和液体连续介质构成的混合物)和标定物质中进行测试，其反射系数有如下关系：

${\left(\frac{R_s}{R_c}\right)}^n=\frac{M_s}{M_c}\exp \left[i({\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{\θ}}_c)\right]$

其中，R_s和R_c分别为对样品和标定物质进行测试时的反射系数，n为反射次数(反射次数增加可以削弱测量信号误差影响，但具体次数视装置和信号而定)；M和θ分别为反射回波的幅度和相位，借助标定物质(如蒸馏水)换算出待测样品中的反射系数R_s。

$Z_s=Z_b\left(\frac{1+R_s}{1-R_s}\right)$

其中Z_b表示壁面的声学阻抗，Z_s表示复数形式的含颗粒样品的声学特性阻抗，有：

κ＝Z_s/ωρ_s

这里ω为声波角频率，ρ_s为样品密度，高浓度颗粒两相体系中复波数κ按照声波动理论：

${\mathrm{\κ}}^2={\mathrm{\ω}}^2{k}_a^{*}\×\frac{\mathrm{\ρ}[{\mathrm{\ρ}}^{\′}(1-\mathrm{\φ}+\mathrm{\φS})+\mathrm{\ρS}(1-\mathrm{\φ})]}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}{(1-\mathrm{\φ})}^2+\mathrm{\ρ}[S+\mathrm{\φ}(1-\mathrm{\φ})]}$

式中：φ为颗粒浓度，ρ和ρ′分别为连续介质和颗粒密度，k_a ^*为绝热压缩系数，S与浓度，粒度和物性有关。

同样复波数与声衰减系数和声速，κ＝ω/c-jα，c为声速，j为虚数单位，α为声衰减系数；将公式：κ＝ω/c-jα中复波数按实部(与声速c有关)或虚部(与衰减α有关)分离，根据超声衰减谱和粒度之间关系，可将测量数据和事先设想颗粒系的理论衰减谱误差设为目标函数进行优化；可对设定的不同频率计算超声衰减系数α_theory(f_i)，同样前述测量装置中采用宽带换能器发射接收超声信号，测量超声反射系数和复阻抗Z_s，由公式Z_s＝ωρ_s/κ，换算得复波数和超声衰减系数α_meas(f_i)(注意该超声衰减系数实际由测量值经换算得，故又可称实验测得超声衰减系数)，据此，由理论和实验超声衰减谱构造如下的误差目标函数：

$E=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N_f}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{meas}}\left(f_i\right)-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{theory}}\left(f_i\right)}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{theory},i}}\right)}^2}{N_f}};$

当该误差越小，表明理论衰减值和实验值吻合得越好。这样，可以按照最优化理论进行优化。为计算颗粒粒度分布，需要将颗粒粒度分布采用某一或一组函数形式进行描述，可采用Rosin-Ramma函数，正态分布或对数正态分布等；上述3种函数分布均包含一个名义尺寸参数和分布宽度参数，它们在优化时称待定参数，如得以确定，即可完全获得颗粒粒度分布。在进行优化时，事先人为设定初始参数，计算出理论超声衰减和初始目标函数，按照最优化的理论中的Davidon-Fletcher-Powell(DFP)方法，在初始参数附近唯一地确定局部最优解，为获得全局最优解，重新设定初始值并最终选择目标函数最小的解为最终求解结果。同时，为避免出现非物理解情况(如待定参数为负)，可以采用罚函数手段。在获得求解参数后，带入颗粒粒度分布参数函数计算颗粒粒度分布(频率分布和累计分布)；本实用新型除了采用DFP(Davidon-Fletcher-Powell)方法之外，还可用最速下降法(Steepest Descent method)和模拟退火法(Simulated Annealing method)等优化方法。

如图1所示，本实用新型实施例所提供的一种对离散状态颗粒粒度分布测量的装置，包括进行数据处理的计算机1，连接计算机1的设有高速A/D转换单元和信号放大单元的信号处理电路2，连接信号处理电路2的脉冲波发射/接收电路3，连接脉冲波发射/接收电路的自发自收宽带换能器4，为很好的触发宽带换能器，采用了窄脉冲信号激励，脉冲信号越窄，包含的频谱信息就越丰富；宽带换能器4设于管道壁5的外侧；装置由计算机1控制，发射电路3发出脉冲电信号，经触发换能器4发出声波，声波在壁面5多次反射后再由换能器4接收，6为待测颗粒样品(和许多现有测量手段不同，本实用新型研究超声波仅在测量板内传播，不通过待测颗粒对象，因此信号受高浓度高衰减颗粒削弱影响极小，为确保多次反射，测量板特征阻抗应选用和样品具有很大差异的物质，如不锈钢和水Z_钢/Z_水≈30，所述测试板选择其特征阻抗与颗粒样品的特征阻抗之比大于10；)，并经过信号放大单元、高速A/D转换单元传输给计算机1处理，由公式：

${\left(\frac{R_s}{R_c}\right)}^n=\frac{M_s}{M_c}\exp \left[i({\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{\θ}}_c)\right],$ $Z_s=Z_b\left(\frac{1+R_s}{1-R_s}\right)$ 和κ＝Z_s/ωρ_s；

换算得反射系数和复声特性阻抗谱(随频率不同而改变频域信号)，按照复波数的计算公式：

${\mathrm{\κ}}^2={\mathrm{\ω}}^2{k}_a^{*}\×\frac{\mathrm{\ρ}[{\mathrm{\ρ}}^{\′}(1-\mathrm{\φ}+\mathrm{\φS})+\mathrm{\ρS}(1-\mathrm{\φ})]}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}{(1-\mathrm{\φ})}^2+\mathrm{\ρ}[S+\mathrm{\φ}(1-\mathrm{\φ})]};$

将复波数按实部(与声速c有关)或虚部(与衰减α有关)分离，并根据谱和粒度之间关系分析，将测量数据和设想粒度的理论谱的误差设为目标函数进行优化，经公式：κ＝ω/c-jα；计算得理论超声衰减谱，并和实验数据换算超声衰减谱构造目标函数： $E=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N_f}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{meas}}\left(f_i\right)-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{theory}}\left(f_i\right)}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{theory},i}}\right)}^2}{N_f}};$

采用DFP优化方法，求解分布函数参数并计算得颗粒粒度分布；计算机设有用于显示测量结果的曲线和数据的屏幕。本实用新型除了采用DFP(Davidon-Fletcher-Powell)方法之外，还可用最速下降法(Steepest Descentmethod)和模拟退火法(Simulated Annealing method)等优化方法。

在本实用新型实施例中，也可以对多次信号的幅度(即M_S)的对数作线性拟合(如图3)，并按R_S/R_c＝exp(斜率_S-斜率_c)，计算反射系数，消除了由于换能器发射功率变化引起的测量误差。由 $Z_s=Z_b\left(\frac{1+R_s}{1-R_s}\right)$ 进一步计算声特性阻抗Z_s。按公式Z_s＝ρ_sc，如果平均密度已知，则由c＝Z_s/ρ_s可获得声速；如果声速可测，则由ρ_s＝Z_s/c换算平均密度。

如图4所示，本实用新型另一实施例采用宽带探头，将测量部件做成探头形式，在探头凹槽的一侧设反射板7，反射板外侧设宽带换能器8，并由电缆线9连接脉冲波发射/接收电路；宽带探头以法兰形式和管道连接或插入管道中作在线检测，对时域信号作快速傅立叶变换得超声幅值相位谱，以中心频率10MHz宽带换能器为例，其在-6dB内衰减包含频率范围约5～15MHz，为反演提供了丰富的频谱信息，此时由于仅仅使用了单个换能器，使得装置结构简化。

本实用新型实施例的对离散状态颗粒粒度分布测量的原理，包括以下步骤：

1)多次反射法测量样品和标定物质：由收/发换能器发射的单个窄脉冲信号多次反射后所述收/发换能器采集多次超声反射信号，对离散状态颗粒的样品和标定物质进行测量；

2)计算反射系数和声特性阻抗：在数据处理的计算机中由公式：

${\left(\frac{R_s}{R_c}\right)}^n=\frac{M_s}{M_c}\exp \left[i({\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{\θ}}_c)\right]$ 和 $Z_s=Z_b\left(\frac{1+R_s}{1-R_s}\right),$ 利用样品和标定物质的对比，计算出颗粒样品中的反射系数和复声特性阻抗(与超声频率有关，可换算声速和声衰减)；

3)计算颗粒粒度分布、浓度：在数据处理的计算机中由公式：

${\mathrm{\κ}}^2={\mathrm{\ω}}^2{k}_a^{*}\×\frac{\mathrm{\ρ}[{\mathrm{\ρ}}^{\′}(1-\mathrm{\φ}+\mathrm{\φS})+\mathrm{\ρS}(1-\mathrm{\φ})]}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}{(1-\mathrm{\φ})}^2+\mathrm{\ρ}[S+\mathrm{\φ}(1-\mathrm{\φ})]}$

和κ＝ω/c-jα；即根据声特性阻抗谱、复波数计算得出对高浓度颗粒两相流的颗粒粒度分布及浓度；将测量数据和设想粒度的理论谱的误差设为目标函数进行优化，经公式：κ＝ω/c-jα；计算得理论超声衰减谱，并和实验数据换算得超声衰减谱构造目标函数： $E=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N_f}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{meas}}\left(f_i\right)-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{theory}}\left(f_i\right)}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{theory},i}}\right)}^2}{N_f}};$

按照DFP方法进行优化确定待定参数，可以在初始参数附近得局部最优解，为获得全局最优求解，应重新设定初始值并最终选择目标函数最小的结果极为最终求解结果。同时，为避免出现非物理解情况(如参数为负数)，可以采用罚函数手段。在获得待定参数后，带入颗粒粒度分布参数函数计算颗粒粒度的频率分布和累计分布。本实用新型除了采用DFP(Davidon-Fletcher-Powell)方法之外，还可用最速下降法(Steepest Descent method)和模拟退火法(Simulated Annealing method)等优化方法。

4)测量结果以曲线和数据的形式直接显示在计算机屏幕上，同时保存在硬盘上供以后分析使用。

本实用新型所述计算机包括单板机、单片机、可编程微处理器和DSP(数字处理芯片等。

Claims (8)

1、一种对离散状态颗粒粒度分布的测量装置，其特征在于，包括进行数据处理的计算机，连接计算机的信号处理电路，连接信号处理电路的脉冲波发射/接收电路，连接脉冲波发射/接收电路的宽带换能器，换能器设于测试板外侧；

所述装置由计算机控制，发射电路发出脉冲电信号，经触发换能器发出声波，超声波在测试板壁面一次以上反射后再由换能器接收，并经过信号处理电路的信号放大、高速模数转换传输给计算机进行数据处理得到颗粒粒度分布；

计算机设有用于显示测量结果的曲线和数据的屏幕。

2、根据权利要求1所述的对离散状态颗粒粒度分布的测量装置，其特征在于，所述宽带换能器采用窄脉冲信号激励。

3、根据权利要求1所述的对离散状态颗粒粒度分布的测量装置，其特征在于，所述信号处理电路设有高速模数转换单元和信号放大单元。

4、根据权利要求1所述的对离散状态颗粒粒度分布的测量装置，其特征在于，所述宽带换能器为自发自收宽带换能器。

5、根据权利要求1所述的对离散状态颗粒粒度分布的测量装置，其特征在于，所述计算机设有用于保存测量结果的硬盘。

6、根据权利要求1所述的对离散状态颗粒粒度分布的测量装置，其特征在于，所述测试板为管道的侧壁。

7、根据权利要求1所述的对离散状态颗粒粒度分布的测量装置，其特征在于，所述测试板选择其特征阻抗与颗粒样品的特征阻抗之比大于10。

8、根据权利要求1所述的对离散状态颗粒粒度分布的测量装置，其特征在于，所述测试板为探头凹槽一侧的反射板，反射板外侧设宽带换能器，并由电缆线连接脉冲波发射/接收电路；宽带探头以法兰形式和管道连接或插入管道中作在线检测。

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