CN105092430A - 一种基于发散超声波衰减的颗粒粒度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于发散声衰减测量两相体系总颗粒浓度的测量装置，包括超声波信号发生器、前置信号处理电路、超声波发射聚焦换能器、超声波接收换能器、信号调理电路、数据采集器和中心计算机，所述超声波发射聚焦换能器和所述超声波接收换能器之间为测量区。本发明测量系统结构简单、价廉，具有能提高测量的准确度，能适用在不同的测量条件下。

Description

一种基于发散超声波衰减的颗粒粒度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及超声检测技术，特别涉及一种利用发散超声波衰减对两相流中颗粒粒度进行测量的装置及方法。

背景技术

颗粒是指在一尺寸范围内处于离散状态、具有特定形状的几何体，通常以固体形式存在，也可以是液体或气泡。电厂锅炉中的煤粉、大气中的粉尘、河流泥沙、血液中的红血球、牛奶中的蛋白质均是以颗粒状存在。两相或多相体系中颗粒的粒度大小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。

超声工业检测技术是利用超声波为信息载体来进行各种检测和测量的技术。超声工业检测通常分超声无损探伤和超声工业测量两个方面。超声工业测量，是利用待测的与介质特性和状态有关的非声学量来描述介质声学特性的超声量之间存在的关系，通过这些超声量的测定来分析介质特性、评价介质质量、并测出某些与工程有关的参量。超声波在两相系中的传播规律及衰减大小与颗粒物的粒度密切相关，所以可用作颗粒粒度的测量。

相比于采用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。目前常规的主动式超声波测量颗粒浓度方法是利用声衰减原理进行测量，在这种测量方法中，声波被假设为垂直入射的平面波，亦即入射声波抵达颗粒两相区域前没有任何声扩散效应，或者声扩散效应可以忽略，声衰减方法中接收探头在测量中必须要收到衰减后良好的信号，才能保证测量的准确度。这一假设使得以往测量方法中采用的经典声学模型得以应用，例如Epstein和Carhart，Allegra和Hawley先后发展起来的ECAH模型就可以较好地用来描述平面入射波的声波动。这种方法目前也已经得到较多的应用，但是在实际应用中还会面临不少问题，常用的超声波传感器发出声波一般采用活塞波来描述，由于传感器的尺寸有限，理论上不可能产生完全的平面波，在远场往往近似为球面声波。这样，就造成了实际波动和理论假设的差异，并且不可避免给测量带来误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于发散超声波信号测量颗粒粒度的测量装置及方法，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，为了正确描述颗粒体系中发散声的散射和衰减，通过Monte-carlo方法建立一个基于发散声波的理论模型，求得颗粒的粒度。

为解决上述技术问题，本发明一方面提供一种基于发散声衰减测量两相体系总颗粒浓度的测量装置，其中，包括超声波信号发生器、前置信号处理电路、超声波发射聚焦换能器、超声波接收换能器、信号调理电路、数据采集器和中心计算机，所述超声波发射聚焦换能器和所述超声波接收换能器之间为测量区；所述超声波信号发生器、所述前置信号处理电路和所述超声波发射聚焦换能器依次连接，所述超声波接收换能器、所述信号调理电路、所述数据采集器和所述中心计算机依次连接；

所述超声波信号发生器由操作者设定发出的超声波参数，所述前置信号处理电路对发出的信号进行放大稳定，经所述超声波发射聚焦换能器发出发散超声波，发散超声波通过所述测量区内具有的颗粒系后由所述超声波接收换能器接收，并经所述信号调理电路对信号进行放大和基本滤波，再由所述数据采集器传输给所述中心计算机处理。

上述测量装置，其中，所述前置信号处理电路设有前置功率放大电路和直流阻断器。

上述测量装置，其中，所述信号调理电路包括非反向放大器、对数放大器、低通滤波器、高通滤波器和积分电路。

另一方面，本发明还提供一种基于上述的测量装置的方法，其中，通过Monte-Carlo方法建模，描述和分析超声的波动，建立颗粒粒度和超声波衰减的关系，求得颗粒的粒度，具体建模步骤如下：

步骤1：采用Monte-carlo方法描述声波动，以声子的形式将声能量离散，通过每个声子的行为描述声波的前进、散射、吸收，当一个声子与颗粒发生散射时，通过随机数判断它是否被吸收或者是散射，通过归一化消声系数Kext和[0,1]区间服从均匀分布随机数ξ的大小比较进行判断，

(1)

消声系数Kext的计算通过下述计算得到：

(2)

其中，k为声波波数，为颗粒投影面积，Re()为取实部运算，A _n称为散射系数，通过AlexE.Hay和DouglasG.Mercer方法计算；

步骤2：声子遇到颗粒后的随机弹性散射方向散射声压分布的概率模型计算：

(3)

式中：是散射角；是颗粒表面散射声压分布函数，可以由Faran理论计算：

(4)

式中：和分别是第一类球Bessel函数和第二类球Bessel函数，k为声波波数，r为接收点距离，取颗粒半径的1000倍；是勒让德多项式，散射系数B _n由Faran理论公式计算；为确定散射方向，通过另一个[0,1]区间随机数ξ₁与声压分布函数比较；

步骤3：声衰减计算，衰减系数A：

（5）

式中：是探测器接收的声子数目；是声子样本容量；是超声发射器与探测接收器之间的距离。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：测量系统结构简单、廉价，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，测量精度较高。

附图说明

图1示出了本发明的声子传播示意图；

图2示出了本发明声衰减和颗粒粒度关系图；

图3示出了本发明测量装置系统结构图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例做进一步详细说明，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及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

本发明实施例所提供的一种基于发散超声波方法测量颗粒粒度的装置，其特点是利用发散超声波声变化来对颗粒的粒度进行准确的测量。

发散超声波测量的基本原理是其利用入射发散超声波由于受到颗粒介质的散射和吸收，其透射声强会衰减，通过基于Monte-Carlo方法的建模，可以从理论上预测衰减值，并获得该衰减和颗粒粒度大小的关系，如此一来，通过这一关系，在浓度条件已知的情况下，即可根据超声波衰减求得颗粒度大小。

本发明方法具体实施如下：

如图1所示，方框内部表示介质，小圆圈代表颗粒物，左右小方框分别代表发射器和接收器，本发明由发散超声波探头激发出超声波，按照Monte-Carlo方法，将超声波将设为离散的声子，在传播过程中，每一个声子都会有明确的去向，声子的吸收、散射、前进均可以通过随机数方式来加以判断，在具体的实施中，为了达到统计效果，声子的数目应该不小于1百万个。

接收超声换能器捕获通过测量区的声子信号，并进行统计和计算可以获得声衰减信号，这样即可建立发散声的衰减模型，并且获得衰减与颗粒粒度之间的关系式。

对应的实验中，同样可以先后测出超声发射能量和超声波通过某一颗粒度大小未知的颗粒系能量来计算实验衰减值。在浓度已知情况，根据步骤2得出的数值计算结果作衰减与颗粒直径D或半径R的函数曲线，由经步骤3得到的实验值在曲线上查到对应的D值。

本发明用于实现基于发散声方法测量颗粒浓度的装置，如图3所示，包括激励产生声波的超声波信号发生器1、对发生信号进行预处理的前置信号处理电路2（超声波发生电路）、把设定的电信号转换为声信号的超声波发射聚焦换能器3、把透过的声信号转换为电信号的超声波接收换能器4和进行信号调理的信号调理电路5，数据采集器6和进行结果处理和分析的中心计算机7。

超声波信号发生器1发出超声波经前置信号处理电路2对原始信号进行放大和调理，激发超声波发射聚焦换能器3组件内部的压电晶片产生指定频率的发散超声波，其波形特征取决于晶片几何形状，原始声波经测量区8与颗粒作用，由超声吸收、散射、前进等构成，超声波接收换能器4收到的声信号经信号调理电路5处理被数据采集器6采集后在中心计算机7上显示保存结果，并进行结果的处理。

超声波信号发生器1可设定产生的超声波参数，包括超声波的频率、超声波的幅值等，前置信号处理电路2是由前置功率放大电路和直流阻断器组成，超声波发射聚焦换能器3的作用是产生发散超声波，超声波接收换能器4是与超声波发射聚焦换能器3有同样频率的换能器，信号调理电路5包括非反向放大器、对数放大器、低通滤波器、高通滤波器、积分电路，非反向放大器用于从超声波信号中去除直流成分，并放大超声波信号，对数放大器用于将放大的声信号振幅保持稳定，积分电路用于从声信号中去除不必要的短信号，中心计算机7用于处理和显示测量结果，其安装有后续进行信号处理的软件。

从上述实施例可以看出，本发明的优势在于：

测量系统结构简单、廉价，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，并且测量精度较高。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但本发明并不限制于以上描述的具体实施例，其只是作为范例。对于本领域技术人员而言，任何等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作出的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (4)

1.一种基于发散声衰减测量两相体系总颗粒浓度的测量装置，其特征在于，包括超声波信号发生器、前置信号处理电路、超声波发射聚焦换能器、超声波接收换能器、信号调理电路、数据采集器和中心计算机，所述超声波发射聚焦换能器和所述超声波接收换能器之间为测量区；所述超声波信号发生器、所述前置信号处理电路和所述超声波发射聚焦换能器依次连接，所述超声波接收换能器、所述信号调理电路、所述数据采集器和所述中心计算机依次连接；

所述超声波信号发生器由操作者设定发出的超声波参数，所述前置信号处理电路对发出的信号进行放大稳定，经所述超声波发射聚焦换能器发出发散超声波，发散超声波通过所述测量区内具有的颗粒系后由所述超声波接收换能器接收，并经所述信号调理电路对信号进行放大和基本滤波，再由所述数据采集器传输给所述中心计算机处理。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述前置信号处理电路设有前置功率放大电路和直流阻断器。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述信号调理电路包括非反向放大器、对数放大器、低通滤波器、高通滤波器和积分电路。

4.一种基于如权利要求1至3中任意一项所述的测量装置的方法，其特征在于，通过Monte-Carlo方法建模，描述和分析超声的波动，建立颗粒粒度和超声波衰减的关系，求得颗粒的粒度，具体建模步骤如下：

步骤1：采用Monte-carlo方法描述声波动，以声子的形式将声能量离散，通过每个声子的行为描述声波的前进、散射、吸收，当一个声子与颗粒发生散射时，通过随机数判断它是否被吸收或者是散射，通过归一化消声系数Kext和[0,1]区间服从均匀分布随机数ξ的大小比较进行判断，

(1)

消声系数Kext的计算通过下述计算得到：

(2)

其中，k为声波波数，为颗粒投影面积，Re()为取实部运算，A _n称为散射系数，通过AlexE.Hay和DouglasG.Mercer方法计算；

步骤2：声子遇到颗粒后的随机弹性散射方向散射声压分布的概率模型计算：

(3)

式中：是散射角；是颗粒表面散射声压分布函数，可以由Faran理论计算：

(4)

式中：和分别是第一类球Bessel函数和第二类球Bessel函数，k为声波波数，r为接收点距离，取颗粒半径的1000倍；是勒让德多项式，散射系数B _n由Faran理论公式计算；为确定散射方向，通过另一个[0,1]区间随机数ξ₁与声压分布函数比较；

步骤3：声衰减计算，衰减系数A：

（5）

式中：是探测器接收的声子数目；是声子样本容量；是超声发射器与探测接收器之间的距离。