CN102735595B - 基于连续波和猝发波测量离散状态颗粒粒度分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于连续波和猝发波测量离散状态颗粒粒度分布的方法，计算机编辑连续波和猝发波波形信号输出，经过信号发生器发出激励电信号，经功率放大电路放大后激励换能器发射超声波，在测量区中穿过被测样品被对侧接收换能器采集到，并经过信号处理电路的信号放大、高速模数转换电路模数转换后传输给计算机处理，利用穿透式变声程方法测量声衰减信号，计算得出颗粒样品中的声衰减系数，并根据这些声衰减谱再计算得出对高浓度和高衰减颗粒的颗粒粒度分布及浓度，测量信号清晰。实现对处于离散状态颗粒粒度分布的快速测量。

Description

基于连续波和猝发波测量离散状态颗粒粒度分布的方法

技术领域

本发明涉及一种超声测量技术，特别涉及一种基于连续波和猝发波测量离散状态颗粒粒度分布的方法。

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脉冲激励方式的超声波，在高浓度和高衰减情况下很难得到有效的信号，而连续波和猝发波激励下的超声波换能器能发出具有足够大的声强超声信号用于高浓度样品颗粒粒度测量。

发明内容

本发明是针对超声波对高浓度和高衰减物质的测量存在的问题，提出了一种基于连续波和猝发波测量离散状态颗粒粒度分布的方法，采用连续波或者猝发波激励换能器，利用穿透式变声程方法测量声衰减信号，计算得出颗粒样品中的声衰减系数，并根据这些声衰减谱再计算得出对高浓度和高衰减颗粒的颗粒粒度分布及浓度，测量信号清晰。

本发明的技术方案为：一种基于连续波和猝发波测量离散状态颗粒粒度分布的方法，具体包括如下步骤：

1）生成换能器激励电信号：多频率连续波或猝发波生成：计算机编辑所需频率的连续波和猝发波，编辑完成后，将波形指令送入到可编程信号发生器，并控制信号发生器以扫频方式输出连续波或者猝发波信号，由功率放大电路对信号进行功率放大，生成激励电信号；

2）穿透法测量样品：步骤1）生成的换能器激励电信号作用于发射换能器上，由发射换能器发射的一系列超声波信号在测量区中穿过被测样品被对侧接收换能器采集到，并经过信号处理电路的信号放大、高速模数转换电路模数转换后传输给计算机处理；

3）多次测量数据采集：通过改变换能器之间的距离来采集多组声衰减信号，对离散状态颗粒的样品进行测量；

4）计算声衰减系数：在数据处理的计算机中由公式计算：

                                                  和 ，利用样品和标定物质的对比，计算得出颗粒样品中的不同频率的声幅值X（f）和声衰减系数a，这里的I _O 和I分别是样品和标定物质在声程为L所采集到的声幅值； 

5）计算颗粒粒度分布、浓度：在数据处理的计算机中由公式计算：

，式中：R是颗粒半径，为连续相波数，为压缩波散射系数，为颗粒相体积浓度，即根据声特性衰减谱的计算得出对高浓度颗粒两相流的颗粒粒度分布及浓度； 

6）数据优化：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，构造目标函数：

，其中为系数矩阵；为离散化的颗粒尺寸频度分布；为不同频率下声衰减构成的向量；

采用非负最小二乘法优化算法，求解分布函数参数并计算得颗粒粒度分布；

7）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。

所述步骤6）数据优化，为了减小因测量量G带来的误差影响，引入光滑因子和光顺矩阵，将目标函数方程组改为：

，为系数矩阵的转置，光滑因子的大小采用基于Twomey算法的修正，PLMNNLS算法，即局部阻尼非负最小二乘法进行寻优选取最佳值。

所述发射和接收换能器选用浸入式宽带超声换能器，宽带换能器以法兰形式和管道连接或插入管道中作在线检测。

所述计算机可选用单板机、单片机、可编程微处理器和DSP数字处理芯片。

所述所述测量区为管道的一段，发射和接收两个换能器固定在管道两侧。

本发明的有益效果在于：本发明基于连续波和猝发波测量离散状态颗粒粒度分布的方法，声波在样品中传播，穿透被测介质，不仅能够实现了声波与颗粒物的充分接触，而且非常适合对于高浓度、高衰减样品的检测，测量速度快。

附图说明

图1为本发明基于连续波和猝发波测量离散状态颗粒粒度分布装置的结构示意图；

图2为本发明基于连续波和猝发波测量离散状态颗粒粒度分布的方法实施例中扫频输出猝发波激励信号波形图；

图3为本发明基于连续波和猝发波测量离散状态颗粒粒度分布的方法实施例中扫频输出的连续波信号的声衰减谱示意图；

图4为本发明测试装置中测量换能器的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示基于连续波和猝发波测量离散状态颗粒粒度分布装置的结构示意图，计算机１编辑连续波和猝发波波形信号输出，波形信号经过信号发生器２发出激励电信号，经功率放大电路３放大，触发发射换能器４发出声波，超声波经过测量区中的待测样品５衰减后由接收换能器６接收，并经过信号处理电路７的信号放大、高速模数转换电路８模数转换后传输给计算机处理。所述测量区为管道的一段，发射和接收两个换能器分别固定在管道两侧，由于发射换能器４采用连续波或者猝发波进行激励，既可以保证较宽的频谱又能保证激励出声强较强的声波，因此在高浓度高衰减颗粒样品５中仍然可以得到较高的声信号幅值。

发射换能器４发射超声波穿过测量区，被对侧接收换能器６接收，对待测样品５（指由颗粒和液体连续介质构成的混合物）进行测试，其声衰减系数有如下关系：

,其中，为声衰减系数，分别为对样品５进行测试时的接收端在不同声程所采集到的声幅值。这样就能计算出样品的声衰减系数。

高浓度颗粒两相体系中声衰减系数与浓度和粒度的关系：

；式中：R是颗粒半径，为连续相波数。

；式中：  为颗粒相体积浓度，为压缩波散射系数，为悬浊液中的复波数。同样复波数与声衰减系数和声速，其中 角频率，j为虚数单位, ,为声衰减系数和声速。

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；将不同频率的声衰减方程可改写成如下形式： ，这里称为系数矩阵；为离散化的颗粒尺寸频度分布；为不同频率下声衰减构成的向量。

采用非负最小二乘法(NNLS算法)让线性方程组满足下面条件：

。

为了减小因测量量G带来的误差影响，需要引入光滑因子和光顺矩阵，可以将方程组改写为：

，式中，为系数矩阵的转置。

光滑因子的大小对于线性方程的解是影响很大，采用一种基于Twomey算法的修正，PLMNNLS算法，即局部阻尼非负最小二乘法进行寻优选取最佳值。通过设定合理的系数矩阵，可以得到颗粒相的粒度分布和浓度。

　　图２为扫频输出猝发波激励信号波形图；图3为扫频输出的连续波信号的声衰减谱示意图。

如图4所示采用的宽带换能器结构示意图，换能器选用浸入式宽带超声换能器。１０为保护罩，１１为宽带换能器，１２为电线。宽带换能器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。

本发明实施例的对离散状态颗粒粒度分布测量的方法，包括以下步骤：

1）生成换能器激励电信号：多频率连续波或猝发波生成：利用计算机1编辑所需频率的连续波和猝发波，编辑完成后，将波形指令送入到可编程信号发生器2，并控制信号发生器2以扫频方式输出连续波或者猝发波信号，由功率放大电路3对信号进行功率放大，生成激励电信号；

2）穿透法测量样品：步骤1）生成的换能器激励电信号作用于发射换能器4上，由宽带发射换能器4发射的一系列超声波信号在测量区中穿过被测样品5被对侧接收换能器6采集到，并经过信号处理电路７的信号放大、高速模数转换电路８模数转换后传输给计算机处理；

3）多次测量数据采集：通过改变换能器之间的距离来采集多组声衰减信号，对离散状态颗粒的样品进行测量；

4）计算声衰减系数：在数据处理的计算机中由公式：

   和 ，利用样品和标定物质的对比，计算得出颗粒样品中的不同频率的声幅值X（f）和声衰减系数a，这里的I _O 和I分别是样品和标定物质在声程为L所采集到的声幅值； 

4）计算颗粒粒度分布、浓度：在数据处理的计算机中由公式：

；

即根据声特性衰减谱的计算得出对高浓度颗粒两相流的颗粒粒度分布及浓度；假设颗粒粒度分布符合用Rosin-Ramma函数、正态分布、对数正态分布等，构造目标函数：

；

采用非负最小二乘法优化算法，为了在实际计算中减小误差，需要引入光滑因子和光顺矩阵。光滑因子对线性方程组的求解影响很大，可以根据一种基于Twomey算法的修正，PLMNNLS算法，即局部阻尼非负最小二乘法来选取合适的光滑因子。然后通过选择合适的系数矩阵，就可以得到颗粒粒度分布。

5）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。

本发明所述计算机可选用单板机、单片机、可编程微处理器和DSP数字处理芯片等。

Claims (1)

1.一种基于连续波和猝发波测量离散状态颗粒粒度分布的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）生成换能器激励电信号：多频率扫频连续波生成：计算机编辑所需频率的连续波，编辑完成后，将波形指令送入到信号发生器，并控制信号发生器以快速扫频方式输出连续波信号，由功率放大电路对信号进行功率放大，生成激励电信号；猝发波生成：对信号发生器进行编程控制，输出所需频率的猝发波形，由功率放大电路对波形信号进行功率放大，生成可用于激励换能器的电信号；

2）穿透法测量样品：步骤1）生成的换能器激励电信号作用于发射换能器上，由发射换能器发射的一系列超声波信号在测量区中穿过被测样品被对侧接收换能器采集到，并经过信号处理电路的信号放大、高速模数转换电路模数转换后传输给计算机处理；

3）多次测量数据采集：通过改变换能器之间的距离来采集多组声衰减信号，对离散状态颗粒的样品进行测量；

4）计算声衰减系数：在数据处理的计算机中由公式计算：

和利用样品和标定物质的对比，计算得出颗粒样品中的不同频率的声幅值X（f）和声衰减系数a，这里的I_O和I分别是样品和标定物质在声程为L所采集到的声幅值；

5）计算颗粒粒度分布、浓度：在数据处理的计算机中由公式计算：

式中：R是颗粒半径，k_c为连续相波数，A_n为压缩波散射系数，φ为颗粒相体积浓度，即根据声特性衰减谱的计算得出对高浓度颗粒两相流的颗粒粒度分布及浓度；

6）数据处理：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，构造目标函数：

$\left\{\begin{array}{c}\left|\right|\mathrm{AF}-G\left|\right|=\min \\ F\≥0\end{array}\right.,$ 其中A为系数矩阵；F为离散化的颗粒尺寸频度分布；G为不同频率下声衰减构成的向量；

为了减小因测量量G带来的误差影响，引入光滑因子r和光顺矩阵H，将目标函数方程组改为：

$\left\{\begin{array}{c}\left|\right|(A^{\′}A+\mathrm{rH})F-A^{\′}G\left|\right|=\min \\ F\≥0\end{array}\right.,$ A′为系数矩阵的转置，光滑因子γ的大小采用基于Twomey算法的修正，PLMNNLS算法，即局部阻尼非负最小二乘法进行寻优选取最佳值，求解分布函数参数并计算得颗粒粒度分布；

7）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。