CN101135626A - 一种颗粒粒度和浓度测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种颗粒粒度和浓度测量方法及其装置，涉及超声测量技术领域；所要解决的是颗粒粒度和浓度测量技术问题；该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，连接脉冲波发射和接收电路的宽带发射/接收换能器组件；数据处理程序将测量信号与所设标准物质进行对比；实测的声衰减谱与按照声散射公式计算理论声衰减谱一起，构建矩阵和线性方程组并求解；用双频率衰减比值法实现对平均粒度的计算，以优化方法计算粒度分布，并根据颗粒粒度反算出颗粒浓度。本发明具有能实现完全的非接触测量的，基于超声散射衰减谱分析的，能降低测量误差的，能在线测量高浓度和高衰减的特点。

Description

一种颗粒粒度和浓度测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及超声测量技术，特别是涉及一种用于两相悬浊液或乳浊液中离散状态颗粒的粒度分布和浓度的测量技术。

背景技术

两相流颗粒测量技术是指对其中分散状颗粒的粒度分布和浓度进行测量，在许多涉及到两相流的动力、化工、医药、环保、材料、水利等领域中具有广泛应用背景。该应用的共同特点是颗粒物质需要在一种在线，非接触，无需稀释(较高浓度)的状态下进行测量。现有的颗粒测量方法例如筛分法、显微镜法、全息照相法、电感应法、沉降法和光散射法等，都很难实现上述条件的测量。

由于超声波具有很宽的频带范围，可以穿透几乎任何物质，可在有色甚至不透明的物质中传播并具有测量速度快，容易实现测量和数据处理自动化等优点，并且超声在颗粒物质中的传播机理与颗粒粒度和浓度密切相关，因此可被用作颗粒物信息载体实现颗粒物质的粒度和浓度测量。

现有的超声颗粒浓度测量方法中，采用简单经验公式或事先用样品标定，没有考虑到处于多分散分布状态的颗粒粒度不同对超声衰减量(或声速)测量带来的影响，事实上颗粒粒度及分布的不同对于超声衰减(或声速)影响非常大，忽略该影响导致所测浓度误差大，不能得到准确的测量结果，更不可能获得颗粒的粒度。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，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的，基于超声散射衰减谱分析的，能降低测量误差的，能在线测量高浓度和高衰减的颗粒粒度和浓度测量方法及其装置。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种颗粒粒度浓度测量方法，包括以下步骤：

1)反射法(或穿透)测量样品和标定物质：由(超)高频窄脉冲电信号触发宽带收/发换能器发射单个窄脉冲信号，反射后所述收/发换能器采集超声反射信号，经信号处理电路对采集的超声反射信号进行放大、模数(A/D)转换获得测量数据；

2)计算超声衰减谱，在数据处理的计算机中计算超声波通过颗粒两相体系后的理论预测衰减谱；

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{theory}}\left(f\right)=\frac{3\mathrm{\φ}}{2k^2{R}^3}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(2n+1){\left|A_n\right|}^2$

其中φ为颗粒浓度，R为颗粒半径，k为连续介质波数，A_n为n阶声散射系数。

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{meas}}\left(f\right)=\frac{1}{L}\ln \left(\frac{M_c\left(f\right)}{M_s\left(f\right)}\right)-{\mathrm{\α}}_c;$

其中M_c和M_s分别为标定物质和样品信号作傅立叶变换后幅值，L为声程，而α_c为考虑声反射，扩散效果的超声衰减修正系数；

3)采用双频超声衰减比值法在数据处理的计算机中计算平均粒度；即由步骤2)中理论公式计算并绘制不同颗粒半径R对应于二个不同频率f₁和f₂下超声衰减系数比值曲线，同时将此二种频率下测得超声衰减系数，换算成比值，过该比值作一与横坐标之平行线后，其与前面绘制曲线交点处横坐标值即对应了平均粒度(以半径表示)的求解结果；

4)计算颗粒粒度分布：在数据处理的计算机中利用上述衰减谱的理论预测计算式能构造矩阵T，矩阵的元素为不同超声频率和颗粒粒度下的超声衰减系数，同时利用实验测量的宽带超声衰减谱构成一个向量g_meas，将问题归结为线性方程组Tx＝g_meas求解，对于该线性方程组按照优化方法求解得到颗粒粒度分布；

5)根据粒度分布反算出颗粒的浓度：在数据处理的计算机中，按公式：

$R_{32}=\frac{{\∫}_{R_{\min }}^{R_{\max }}{R}^3\mathrm{dN}}{{\∫}_{R_{\min }}^{R_{\max }}{R}^2\mathrm{dN}}=\frac{\mathrm{\ΣN}{R}^3}{\mathrm{\ΣN}{R}^2}$

求得平均粒度(N为对应粒度R的颗粒粒度分布)，将R₃₂和测得超声衰减系数回代至上述声衰减预测公式，即能求出唯一的颗粒体积浓度。

进一步的，所述优化方法包括最优正则化方法、DFP方法、最速下降法和模拟退火法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种颗粒粒度浓度测量装置，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，连接脉冲波发射和接收电路的至少一个宽带发射/接收换能器组件；所述计算机数据处理程序将测量信号与所设标准物质进行对比获得实测的声衰减谱后与按照声散射公式计算理论声衰减谱一起，构建矩阵和线性方程组并求解；用双频率衰减比值法实现对平均粒度的计算，以优化方法计算粒度分布，并根据颗粒粒度反算出颗粒浓度。

进一步的，所述优化方法包括最优正则化方法、DFP方法、最速下降法和模拟退火法。

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，所述一对以上的宽带超声发射/接收换能器在样品池管道壁二侧平行排列。

进一步的，所述发射/接收换能器组件为一发一收结构，发射换能器设于样品池管道壁的一外侧，接收换能器设于样品池管道壁的对面的另一外侧。

进一步的，所述发射/接收换能器组件为自发自收结构，发射/接收换能器设于样品池管道壁的一外侧，反射板设于样品池管道壁的对面的另一外侧。

利用本发明提供的颗粒粒度浓度测量方法及其装置，由于采用基于超声散射衰减谱分析的超声换能器的非接触测量，降低对测量对象的干扰，能降低测量误差，能实现在线测量高浓度和高衰减的颗粒粒度和浓度。由于采用用双频率衰减比值方法实现对平均粒度的计算，以最优正则化反演方法，计算粒度分布，并根据粒度和分布反算出颗粒的浓度，进而降低测量误差，提高测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例的颗粒粒度浓度测量装置的一发一收装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的颗粒粒度浓度测量装置的自发自收装置的结构示意图；

图3是本发明实施例的颗粒粒度浓度测量装置的在线测量探针的结构示意图。

具体实施方式

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

本发明考虑到声衰减或速度的频谱(指其随声频率的频域曲线)与颗粒粒径密切相关，这一关系完全可以被应用到离散状态的颗粒粒度测量中；在本发明实施例中，考虑超声在颗粒介质中传播时的散射效应，计算超声波通过颗粒两相体系后的理论预测衰减谱；

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{theory}}\left(f\right)=\frac{3\mathrm{\φ}}{2k^2{R}^3}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(2n+1){\left|A_n\right|}^2$

式中：α为与超声频率f有关的超声衰减系数，φ为颗粒浓度，R为颗粒半径，k为连续介质波数，A_n为n阶声散射系数，该级数的最大阶数取值视颗粒，超声频率即精度要求而定。

将测量数据经快速傅立叶处理后计算得超声信号幅度谱和相位谱，与标准物质对比即可同时由测量超声信号计算出超声在颗粒两相体系中的衰减谱：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{meas}}\left(f\right)=\frac{1}{L}\ln \left(\frac{M_c\left(f\right)}{M_s\left(f\right)}\right)-{\mathrm{\α}}_c$

M_c和M_s分别为标定物质和样品信号作傅立叶变换后幅值，L为声程，而α_c为考虑声反射，扩散效果的超声衰减修正系数。

计算颗粒粒度分布：由公式：

$\mathrm{\α}\left(f\right)=\frac{3\mathrm{\φ}}{2k^2{R}^3}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(2n+1)|A_n{|}^2;$

计算出不同颗粒粒度(R)，不同频率(f)下超声衰减系数，并且据此构造矩阵T，

利用实验手段获得的数个频率f₁至f_m超声衰减系数构造列向量，

g_meas＝[a_meas(f₁)…a_meas(f_m)]^T，

可以写成线性方程组

Tx＝g_meas；

其中，待求解向量x表征了从R₁至R_n的不同颗粒粒度的离散相对频度分布。由于此线性方程组求解涉及病态问题且解向量必须为非负，通常不采用高斯消元法等求解。最优正则化方法具体为：重新构造一个线性方程组

(T^TT+γH)x＝T^Tg_meas

矩阵H具有如下形式

而光顺因子γ则采用对下式作最优化获得(即寻找使得该式取值最小的γmin)

$G=\frac{\left|\right|{(T^{T}T+\mathrm{\γ}{L}^{T}L)}^{-1}y\left|\right|}{\mathrm{tr}[I-T{(T^{T}T+\mathrm{\γ}{L}^{T}L)}^{-1}{T}^T]};$

式中，符号tr表示求迹运算，上标T为矩阵转置运算，上标-1指矩阵求逆。在H和γ获得后，可以用非负最小二乘法求解线性方程组，得到颗粒粒度分布；本发明除了采用最优正则化方法之外，还可用DFP(Davidon-Fletcher-Powell)方法、最速下降法(Steepest Descent method)和模拟退火法(Simulated Annealing method)等优化方法；

根据粒度分布反算出颗粒的浓度：按公式： $R_{32}=\frac{{\∫}_{R_{\min }}^{R_{\max }}{R}^3\mathrm{dN}}{{\∫}_{R_{\min }}^{R_{\max }}{R}^2\mathrm{dN}}=\frac{\mathrm{\ΣN}{R}^3}{\mathrm{\ΣN}{R}^2}$ 求得平均粒度(N为对应粒度R的颗粒粒度分布)，将R₃₂回代至公式 $\mathrm{\α}\left(f\right)=\frac{3\mathrm{\φ}}{2k^2{R}^3}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(2n+1)|A_n{|}^2$ 同时将测得超声衰减系数带入公式等号左侧，即可求出唯一的未知变量φ(即颗粒体积浓度)。

综上所述，本发明实施例的颗粒粒度和浓度测量方法，包括以下步骤：

1)反射法(或透射)测量样品和标定物质：(超)高频窄脉冲电信号触发宽带收/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，经信号处理电路对采集的多次超声反射信号进行放大、模数转换获得测量数据；

2)计算理论和实验超声衰减谱：在数据处理的计算机中利用公式计算超声波通过颗粒两相体系后的理论预测衰减谱：将测量数据经快速傅立叶处理后计算得超声信号幅度谱和相位谱，与标准物质对比即可同时由测量超声信号计算出超声在颗粒两相体系中的衰减谱：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{theory}}\left(f\right)=\frac{3\mathrm{\φ}}{2k^2{R}^3}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(2n+1)|A_n{|}^2$

φ为颗粒浓度，R为颗粒半径，k为连续介质波数，A_n为n阶声散射系数。该式子建立了超声衰减谱和颗粒粒度，浓度，以及超声频率之间联系。

将测量数据经快速傅立叶变换处理后计算得超声信号幅度谱和相位谱，与标准物质对比即可(由测得超声信号)换算出超声在颗粒两相体系中的衰减谱：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{meas}}\left(f\right)=\frac{1}{L}\ln \left(\frac{M_c\left(f\right)}{M_s\left(f\right)}\right)-{\mathrm{\α}}_c$

其中M_c和M_s分别为标定物质和样品信号作傅立叶变换后幅值，L为声程，而α_c为考虑声反射，扩散效果的超声衰减修正系数；

3)采用双频(二个频率)超声衰减比值法在数据处理的计算机中计算平均粒度；即由步骤2)中理论公式计算多个不同颗粒半径R对应于选定的二个不同频率下超声衰减系数比值α_theory(f₁，R)/α_theory(f₂，R)绘制成一条曲线(横坐标为R，纵坐标为超声衰减系数比值α_theory(f₁，R)/α_theory(f₂，R))，同时将测得频率f₁和f₂下的超声衰减系数，换算成比值α_meas(f₁)/α_meas(f₂)，过该比值作一与横坐标之平行线后，其与前面绘制曲线交点处横坐标值即对应了平均粒度(以半径表示)的求解结果。

4)计算颗粒粒度分布：在数据处理的计算机中由公式：

$\mathrm{\α}\left(f\right)=\frac{3\mathrm{\φ}}{2k^2{R}^3}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(2n+1)|A_n{|}^2;$

计算出不同颗粒粒度(R)，不同频率(f)下超声衰减系数，并且据此构造矩阵T，

利用实验手段获得的数个频率f₁至f_m超声衰减系数构造列向量，

g_meas＝[a_meas(f₁)…a_meas(f_m)]^T，

可以写成线性方程组

Tx＝g_meas；

其中，待求解向量x表征了从R₁至R_n的不同颗粒粒度的离散相对频度分布。由于此线性方程组求解涉及病态问题且解向量必须为非负，通常不采用高斯消元法等求解。最优正则化方法具体为：重新构造一个线性方程组

(T^TT+γH)x＝T^Tg_meas

矩阵H具有如下形式

而光顺因子γ则采用对下式作最优化获得(即寻找使得该式取值最小的γmin)

$G=\frac{\left|\right|{(T^{T}T+\mathrm{\γ}{L}^{T}L)}^{-1}y\left|\right|}{\mathrm{tr}[I-T{(T^{T}T+\mathrm{\γ}{L}^{T}L)}^{-1}{T}^T]};$

式中，符号tr表示求迹运算，上标T为矩阵转置运算，上标-1指矩阵求逆。在H和γ获得后，之后确定光顺参数，通过非负最小二乘方法计算得出颗粒粒度分布；本发明除了采用最优正则化方法之外，还可用DFP(Davidon-Fletcher-Powell)方法、最速下降法(Steepest Descent method)和模拟退火法(Simulated Annealingmethod)等优化方法。

5)根据粒度分布反算出颗粒的浓度：在数据处理的计算机中，按公式：

$R_{32}=\frac{{\∫}_{R_{\min }}^{R_{\max }}{R}^3\mathrm{dN}}{{\∫}_{R_{\min }}^{R_{\max }}{R}^2\mathrm{dN}}=\frac{\mathrm{\ΣN}{R}^3}{\mathrm{\ΣN}{R}^2}$

求得平均粒度，将其回代至公式

$\mathrm{\α}\left(f\right)=\frac{3\mathrm{\φ}}{2k^2{R}^3}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(2n+1){\left|A_n\right|}^2$

即可求出唯一的未知变量φ(即颗粒体积浓度)；

本发明实施例所提供的一种颗粒粒度浓度测量装置，包括进行数据处理的计算机，连接计算机的设有高速A/D转换单元和信号放大单元的信号处理电路，连接信号处理电路的脉冲波发射/接收电路，分别连接脉冲波发射和接收电路的宽带发射换能器和宽带接收换能器；如图1所示，发射换能器1设于样品池2管道壁的一外侧，接收换能器3设于样品池2管道壁的对面的另一外侧；也可采用多对超声发射/接收换能器在样品池管道壁二侧平行排列；本测量装置采用一个宽带换能器发射超声波，由脉冲信号触发的超声波通过超声换能器间的测量区，并与颗粒两相介质作用；接收换能器的电信号经放大、数模转换传输入进行数据处理的计算机，经快速傅立叶处理后计算得超声信号幅度谱和相位谱，与标准物质对比计算出超声衰减谱和速度谱。部分声能由于散射作用不能到达对面的接收换能器，为求解超声波的衰减程度，将测量声信号与某一标准物质(如纯水)进行对比。实测的超声衰减，速度谱与按照声散射公式计算理论声衰减和速度谱对比，构建矩阵和线性方程组，并求解结果。

如图2所示，本发明实施例颗粒粒度浓度测量装置的宽带超声发射/接收换能器组件也可采用自发自收的结构，即发射／接收换能器4设于样品池2’管道壁的一外侧，反射板5设于样品池2’管道壁的对面的另一外侧；采用一个发射/接收换能器4发射宽带超声波，通过待测颗粒两相介质，在对面反射板5反射后又由同样的发射/接收换能器4接收，接收换能器的电信号经放大、数模转换传输入进行数据处理的计算机，经快速傅立叶处理后计算得超声信号幅度谱和相位谱，与标准物质对比计算出超声衰减谱和速度谱。为求解超声波的衰减程度，将测量超声信号与某一标准物质(如纯水)进行对比。实测的声衰减，速度谱与按照超声散射公式计算理论超声衰减和速度谱对比，构建矩阵和线性方程组，并求解结果。

如图3所示，本发明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保护缓冲板8，保护缓冲板8外侧设宽带换能器7，并由电缆线6连接脉冲波发射/接收电路，在探头凹槽对面的另一侧设反射板9；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，为反演过程提供了丰富的频谱信息。

本发明实施例用本装置能对样品池或在线管道内颗粒两相介质的粒度和分布、浓度进行测量。在线管道测量时，颗粒粒度浓度测量装置的超声发射/接收换能器组件通过法兰连接，亦可直接附着在管道外壁上。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)

1.一种颗粒粒度和浓度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)反射法或穿透法测量样品和标定物质：由超高频窄脉冲电信号触发宽带收/发换能器发射单个窄脉冲信号，反射后所述收/发换能器采集超声反射信号，经信号处理电路对采集的超声反射信号进行放大、模数转换获得测量数据；

2)计算超声衰减谱，在数据处理的计算机中计算超声波通过颗粒两相体系后的理论预测衰减谱；

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{theory}}\left(f\right)=\frac{3\mathrm{\φ}}{{2k}^2{R}^3}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(2n+1){\left|A_n\right|}^2$

其中φ为颗粒浓度，R为颗粒半径，k为连续介质波数，A_n为n阶声散射系数；

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{meas}}\left(f\right)=\frac{1}{L}\ln \left(\frac{M_c\left(f\right)}{M_s\left(f\right)}\right)-{\mathrm{\α}}_c;$

其中M_c和M_s分别为标定物质和样品信号作傅立叶变换后幅值，L为声程，而α_c为考虑声反射，扩散效果的超声衰减修正系数；

3)采用双频超声衰减比值法在数据处理的计算机中计算平均粒度；即由步骤2)中理论公式计算并绘制不同颗粒半径R对应于二个不同频率f₁和f₂下超声衰减系数比值曲线，同时将此二种频率下测得超声衰减系数，换算成比值，过该比值作一与横坐标之平行线后，其与前面绘制曲线交点处横坐标值即对应了平均粒度(以半径表示)的求解结果；

4)计算颗粒粒度分布：在数据处理的计算机中利用上述衰减谱的理论预测计算式能构造矩阵T，矩阵的元素为不同超声频率和颗粒粒度下的超声衰减系数，同时利用实验测量的宽带超声衰减谱构成一个向量g_meas，将问题归结为线性方程组Tx＝g_meas求解，对于该线性方程组按照优化方法求解：得到颗粒粒度分布；

5)根据粒度分布反算出颗粒的浓度：在数据处理的计算机中，按公式：

$R_{32}=\frac{{\∫}_{R_{\min }}^{R_{\max }}{R}^3\mathrm{dN}}{{\∫}_{R_{\min }}^{R_{\max }}{R}^2\mathrm{dN}}=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{NR}}^3}{{\mathrm{\ΣNR}}^2}$

求得平均粒度，N为对应粒度R的颗粒粒度分布，将R₃₂和测得超声衰减系数回代至上述声衰减预测公式，即能求出唯一的颗粒体积浓度。

2.根据权利要求1所述的颗粒粒度和浓度测量方法，其特征在于，所述步骤4)中的优化方法包括最优正则化方法、DFP方法、最速下降法和模拟退火法。

3.一种颗粒粒度和浓度的测量装置，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，连接脉冲波发射和接收电路的至少一个宽带发射/接收换能器组件；所述计算机数据处理程序将测量信号与所设标准物质进行对比；实测的声衰减谱与按照声散射公式计算理论声衰减谱一起，构建矩阵和线性方程组并求解；用双频率衰减比值法实现对平均粒度的计算，以优化方法计算粒度分布，并根据颗粒粒度反算出颗粒浓度。

4.根据权利要求3所述的颗粒粒度和浓度的测量装置，其特征在于，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。

5.根据权利要求3所述的颗粒粒度和浓度的测量装置，其特征在于，所述一对以上的宽带超声发射/接收换能器在样品池管道壁二侧平行排列。

6.根据权利要求3所述的颗粒粒度和浓度的测量装置，其特征在于，所述发射/接收换能器组件为一发一收结构，发射换能器设于样品池管道壁的一外侧，接收换能器设于样品池管道壁的对面的另一外侧。

7.根据权利要求3所述的颗粒粒度和浓度的测量装置，其特征在于，所述发射/接收换能器组件为自发自收结构，发射/接收换能器设于样品池管道壁的一外侧，反射板设于样品池管道壁的对面的另一外侧。

8.根据权利要求3所述的颗粒粒度和浓度的测量装置，其特征在于，所述优化方法包括最优正则化方法、DFP方法、最速下降法和模拟退火法。

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