CN103983549A - 一种基于超声脉动原理测量颗粒粒径和浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超声脉动原理测量颗粒粒径和浓度的方法，入射超声波由于受到颗粒介质的散射和吸收，透射声波强度会衰减，采用聚焦超声波并且将测量区布置在超声波聚焦声束段，当颗粒粒径与超声波聚焦声束直径之比控制在0.1-20范围内，通过其中的颗粒的数目和粒径随时间变化，透射声强也会随时间起伏变化，产生声脉动效果，这种超声信号的随机脉动与在测量瞬间处于超声波聚焦声束测量区中的颗粒粒径和数目有关，测出透射超声波强度的随机变化序列并进行统计分析，就可以应用超声脉动理论求得颗粒的平均粒径和浓度。此方法可实现在线测量，可用于实验室科学研究，特别适用于工业现场的应用。

Description

一种基于超声脉动原理测量颗粒粒径和浓度的方法

技术领域

本发明涉及一种超声检测技术，特别涉及一种基于超声脉动原理测量颗粒粒径和浓度的方法。

背景技术

颗粒是指在一定尺寸范围内具有特定形状的几何体，可以是固体、液体，也可以是气体，如电厂锅炉中的煤粉、汽轮机中的液滴、大气中的粉尘、血液中的红血球、牛奶中的蛋白质等。两相体系中颗粒粒径和浓度对现代工业生产如能源、环境、材料、生物、化工等领域有极其重要的意义。生产过程中具有合适粒径和浓度的颗粒不仅可以提高生产效率，保证产品质量，还可以节约能源，减少污染排放。

超声检测技术是利用超声波来进行各种检测和测量的技术。超声波在两相体系中的传播规律与颗粒物的粒径和浓度有关，所以可用作颗粒粒径和浓度的测量。相比于其它原理的颗粒测量方法如电感应法、图像法、光散射法等测量方法，超声波具有强的穿透力，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的自动化等优点，超声波传感器价格低且耐污损，测量系统简单方便。目前常规的超声波测量颗粒浓度方法是利用声衰减谱和声发射原理进行测量。声衰减谱方法中接收换能器必须要接收到良好的多频宽带超声信号，才能保证测量的准确度，而对于大管道或高衰减介质的情况，此方法效果不佳；声发射方法不需要主动声源，但必须保证两相体系中的颗粒发射出声信号，此方法对于静止的两相体系不适用。

发明内容

本发明是针对现有超声波测量颗粒浓度方法存在的问题，提出了一种基于超声脉动原理测量颗粒粒径和浓度的方法，入射超声波由于受到颗粒介质的散射和吸收，透射声波强度会衰减，采用聚焦超声波并且将测量区布置在超声波聚焦声束段，当颗粒粒径与超声波聚焦声束直径之比控制在0.1-20范围内，通过其中的颗粒的数目和粒径随时间变化，透射声强也会随时间起伏变化，产生声脉动效果，这种超声信号的随机脉动与在测量瞬间处于超声波聚焦声束测量区中的颗粒粒径和数目有关，测出透射超声波强度的随机变化序列并进行统计分析、就可以应用超声脉动理论求得颗粒的平均粒径和浓度。

本发明的技术方案为：一种基于超声脉动原理测量颗粒粒径和浓度的方法，具体包括如下步骤：

1）、如图1 所示，用一焦距为F超声波聚焦换能器，激发出一束连续波，在距离其焦距F的位置能量聚焦到最大，焦距处的聚焦声束直径                                               ，聚焦段处的截面积为，超声波的发射和接收超声换能器距离为L,颗粒平均粒径为，颗粒的体积浓度为，超声波接收换能器记录其入射超声波强度信号为E ₀，当有颗粒通过时，在一段时间范围内记录由超声波接收换能器测量随时间脉动的透过的超声波强度信号E（t），由式获得透过超声波强度信号与入射超声波强度的比值，即声透比；

2）、接收超声换能器获得颗粒通过测量区时的信号，测量区为聚焦点前后2mm的声束通过区域，经处理得到的声透比脉动信号和代入的表达式即可以获得实验测量值，

其中声透比的期望值：

  

声透比平方期望值：

 ；

3）、根据公式，经过数值计算得到特征函数，为积分变量，是第一类贝塞尔函数，是声强在超声波聚焦声束段的分布因子，其值为；

4）、根据步骤3）得出的数值计算结果作与的函数曲线，将步骤2）所得实验测量值放入函数曲线上去查找对应的值；

5）、根据，已知超声波聚焦声束直径即可求出颗粒粒径，进一步根据公式(5)可得颗粒的体积浓度。

本发明的有益效果在于：本发明基于超声脉动原理测量颗粒粒径和浓度的方法，测量系统结构简单、廉价，方法可实现在线测量，可用于实验室科学研究，特别适用于工业现场的应用，相比于其它原理的颗粒测量方法如电感应法、图像法、光散射法等，超声波具有强的穿透力，在光学不透明介质或高浓度颗粒测试条件下，本发明的应用具有非常明显的优势。

附图说明

图1为本发明测量原理示意图；

图2为本发明声脉动信号示意图。

具体实施方式

本发明基于超声脉动原理测量颗粒粒径和浓度的方法，利用超声波脉动信号的变化来对颗粒的浓度进行准确的测量。超声波信号脉动法测量的基本原理，如图1所示，利用入射超声波E ₀，由于受到颗粒介质的散射和吸收，其透射超声波强度E（t）会衰减，当颗粒粒径与超声波聚焦声束直径之比控制在0.1-20范围内,测量区内颗粒的数目和大小是随时间变化的，透射超声波强度E（t）也随时间产生脉动，这种超声信号的随机脉动与在测量瞬间处于超声波聚焦声束测量区中的颗粒大小和数目有关，测出透射超声波强度E（t）的随机变化序列就可以应用超声脉动理论进行分析，求得颗粒的平均粒径和浓度。

声透比脉动信号采用声透比的期望值和声透比平方期望值来表示：

        (1)

    (2)

其中R（t）为声透比，即透过超声波强度信号与入射超声波强度的比值；t _s 是为采集测试时间。

声透比平方期望值与声透比期望值和声透比标准偏差存在关系,并可用公式（3）表示，

     (3) 

其中为颗粒的平均直径，为特征函数，Cv颗粒的体积浓度，L为超声波的发射和接收超声换能器距离。

其中特征函数可由公式（4）求解得到，

   (4)

其中， 为积分变量，是第一类贝塞尔函数，是声强在超声波聚焦声束段的分布因子，其值为，是超声波聚焦声束直径与颗粒粒径的比值，特征函数与存在单值关系，声透比期望值由公式（5）表示，

   (5)

可得与和的关系，即公式（6）所示：

   (6)

本发明方法具体实施如下： 

1）、如图1 所示，用一焦距为F超声波聚焦换能器，激发出一束连续波，在距离其焦距F的位置能量聚焦到最大，F指焦距，即超声波从发出到聚焦点的距离。焦距处的聚焦声束直径，聚焦段处的截面积为，超声波的发射和接收超声换能器距离为L,颗粒平均粒径为，体积浓度为，超声波接收换能器记录其入射超声波强度信号为E ₀，当有颗粒通过时，在一段时间范围内记录由超声波接收换能器测量随时间脉动的透过的超声波强度信号E（t），如图2声脉动信号示意图，由式获得透过超声波强度信号与入射超声波强度的比值，即声透比；

2）、接收超声换能器获得颗粒通过测量区时的信号，测量区为聚焦点前后2mm的声束通过区域，经处理得到的声透比脉动信号和代入的表达式即可以获得实验测量值；

3）、根据公式，经过数值计算得到特征函数， 为积分变量，是第一类贝塞尔函数，是声强在超声波聚焦声束段的分布因子；

4）、根据步骤3）得出的数值计算结果作与的函数曲线，将步骤2）所得实验测量值放入函数曲线上去查找对应的值；

5）、根据，已知超声波聚焦声束直径即可求出颗粒粒径，进一步根据公式(5)可得颗粒的体积浓度。

Claims (1)

1.一种基于超声脉动原理测量颗粒粒径和浓度的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）、如图1 所示，用一焦距为F超声波聚焦换能器，激发出一束连续波，在距离其焦距F的位置能量聚焦到最大，焦距处的聚焦声束直径                                               ，聚焦段处的截面积为，超声波的发射和接收超声换能器距离为L,颗粒平均粒径为，颗粒的体积浓度为，超声波接收换能器记录其入射超声波强度信号为E ₀，当有颗粒通过时，在一段时间范围内记录由超声波接收换能器测量随时间脉动的透过的超声波强度信号E（t），由式获得透过超声波强度信号与入射超声波强度的比值，即声透比；

2）、接收超声换能器获得颗粒通过测量区时的信号，测量区为聚焦点前后2mm的声束通过区域，经处理得到的声透比脉动信号和代入的表达式即可以获得实验测量值，

其中声透比的期望值：

  

声透比平方期望值：

    ；

3）、根据公式，经过数值计算得到特征函数， 为积分变量，是第一类贝塞尔函数，是声强在超声波聚焦声束段的分布因子，其值为；

4）、根据步骤3）得出的数值计算结果作与的函数曲线，将步骤2）所得实验测量值放入函数曲线上去查找对应的值；

5）、根据，已知超声波聚焦声束直径即可求出颗粒粒径，进一步根据公式(5)可得颗粒的体积浓度。