CN112098280A - 一种超声波测量悬浮液浓度和粒径的装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及浓度和粒径测量技术领域，具体涉及一种超声波测量悬浮液浓度和粒径的装置及其使用方法，包括：包括超声波信号发射接收器、换能器、样品测量区部分、示波器及PC上位机，超声波信号发射接收器产生脉冲信号，激励换能器发出相应中心频率的超声波信号，超声波信号通过待测悬浮液后接触反射板，反射的声波信号由换能器接收，换能器将声信号转为电信号通过信号发射接收器将滤波放大，由示波器显示多次的回波信号，PC上位机接收采集的回波信号幅值以及回波时间间隔，分析声衰减系数对应的矩阵预测悬浮液体积浓度和颗粒的粒径。本发明利用悬浮液检测系统，非接触式的无损检测，保证检测液体的完整性，根据声衰减量反演悬浮液中的颗粒粒径，实现悬浮液的浓度和粒径测量更加便捷，实用性更强。
Description
技术领域
本发明涉及浓度和粒径测量技术领域，具体涉及一种超声波测量悬浮液浓度和粒径的装 置及其使用方法。
背景技术
在自然界、工业生产和日常生活等方面，广泛存在着与悬浮液相关的问题，悬浮液是指 在某些混合物中，固体颗粒没有溶解，只是分散在溶液中，当混合溶液停止震荡时，颗粒发 生沉淀形成的不均匀混合物，悬浮液中的固体颗粒的粒径为10-3～10-4cm。为了解释、控制和 优化许多工业过程，掌握正确的粒度信息是非常重要的。近几十年以来，基于激光衍射、动 态光散射、图像分析和声衰减谱等不同原理，人们开发了许多颗粒分级技术。其中，超声技 术是一种对环境友好、无创、外用的技术，在医学、工业和科学领域都得到了广泛的应用。 超声法可以探测光学不透明的材料，穿透管道和存储容器的光学不透明壁，在闭环意义上对 复杂的制造过程进行持续监视和最终控制。
超声波与悬浮液的关系从以下几方面分析。第一，根据超声波的传播特性分析，声波的 相位速度和衰减在同一频带上，对于分子尺度弛豫有很强的敏感度，因此超声波可以用来描 述超声波与悬浮液的相互作用关系。第二，根据超声波的散射特性分析，超声波散射与光散 射有许多相似之处，电磁散射理论与声学散射理论在形式上也非常相似，两种散射理论某些 方面可以说是相辅相成。虽然光散射和超声散射可以被视为互补技术，但超声的优势在于可 以穿透光学不透明的混合物，超声通常可以提供更的有用信息，意味着可以测量比光学方法 更高的浓度(例如，40％体积浓度)，这一点也是超声测量技术应用在各领域的重要原因。
悬浮颗粒对声波传播速度的影响很大程度上取决于流体粘度、颗粒和流体密度以及可压 缩性等材料属性。因此，只有在少数特殊情况下，才能将声速的测量应用于粒度和浓度的测 量，通常是以声衰减系数应用于粒度和浓度的测量。以声衰减系数为基础的超声法颗粒测量 技术，有很好的发展前景。
因此，需要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种更加便捷、实用性更强的悬浮液浓度和粒径的装置 及其使用方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种超声波测量悬浮液浓度和粒径的装置及其使用方 法。
本发明的技术方案为：
包括超声波信号发射接收器、与超声波信号发射接收器匹配产生相应的超声波信号的换 能器、样品测量区部分、数据采集及PC上位机处理部分；
样品测量区部分包括搅拌器固定杆、电动搅拌器、烧杯、恒温箱、换能器固定器、反射 板底座板和反射板，所述搅拌器固定杆竖直固定于恒温箱的顶部中间位置，所述电动搅拌器 固定联接于搅拌器固定杆的下端；
所述数据采集及PC上位机处理部分包括示波器和PC上位机，所述示波器与超声波信号 发生器连接，PC上位机与示波器连接。
作为优选：所述的换能器固定器通过螺栓固定在反射板底座板上，所述换能器发射面板 和反射板平行且位于同一个铅垂线上，反射板水平放置于装有待测悬浮液的烧杯内底面，所 述烧杯放置于恒温箱内的底面之上。
作为优选：所述的反射板采用表面光滑的不锈钢镜面面板，所述超声波信号选择周期可 控的脉冲波。
作为优选：所述换能器包括探头；所述探头放置于换能器发射面板中，探头采用中心频 率为5MHZ和10MHZ的可将电能和声能相互转换的水浸式探头，所述探头外壳表面设置阻 抗与水匹配的防磨层材质，所述换能器的探头采用非聚焦式探头，所述换能器采用自发自收 模式。
作为优选：所述反射板底座板上设计一个凸形卡槽，换能器基座底部设计一个凹形卡槽， 两个凹凸卡槽镶嵌在一起，并用螺栓固定位置。
本发明还提供一种超声波测量悬浮液浓度和粒径的装置的超声波测量悬浮液浓度和粒径 的装置的使用方法是按以下步骤进行：
步骤一，测量前设置恒温箱中的水温为设定温度；
步骤二，在烧杯中配置所需的体积分数和颗粒粒径小于100微米的悬浮液，并用电动搅 拌器将悬浮液搅拌均匀；
步骤三，根据所需的声程，用螺栓固定换能器固定器的位置，将换能器放置于换能器固 定器中，所述探头和反射板平行且位于同一个铅垂线上；
步骤四，将换能器固定器、换能器、反射板底座板、反射板放置烧杯中，使反射板底座 板呈竖直状，将烧杯放置恒温箱中；
步骤五，将换能器和超声波信号发射接收器连接，超声波信号发射接收器和示波器相连， 示波器和PC上位机连接，并打开开关；
步骤六，用超声波信号发射接收器产生脉冲信号，激励换能器发出相应中心频率的超声 波信号，超声波信号通过待测悬浮液后接触反射板，反射的声波信号由换能器接收，换能器 将声信号转为电信号通过信号发射接收器将滤波放大，由示波器显示回波信号；
步骤七，通过PC上位机接收采集的回波信号幅值以及回波时间间隔，计算最佳声程以及 声衰减系数，并分析声衰减系数对应的矩阵预测悬浮液体积浓度和颗粒的粒径。
作为优选：测量前设置恒温箱中的水温为25度；
作为优选：所述信号发射接收器调节回波信号增益并传输给示波器，所述示波器把电信 号转为可视的波形，显示获取的回拨信号、回波信号的间隔时间以及回波信号的参数值，并 输给PC上位机，所述PC上位机把示波器传输的回波信号进行放大，处理数据、分析悬浮液 在不同条件下声波通过悬浮液的声衰减系数值和声速的变化。
作为优选：所述PC上位机对采集的数据进行处理，形成声衰减系数与体积分数、颗粒粒 径对应的矩阵，通过矩阵在最佳声程的基础上获得悬浮液的体积分数以及颗粒粒径；
声衰减系数计算公式如下：：
式中Li为当次测量的探头到反射板之间的距离，Li+1为经调整后的探头到反射板之间的 距离，Bi+1、Bi是与Li+1、Li对应的回波幅值，α的单位为Np/m(奈培/米)。
作为优选：在单一超声频率、单一粒径、单一体积分数、不同声程下，设置有x组声程， 将不同声程和获取对应的回波信号幅值，通过声衰减系数计算公式得到
组声衰减系数，为 了避免声衰减极端值的影响，去掉最高值和最低值，再求得声衰减系数的平均值；通过单一 改变体积分数或颗粒粒径，建立声衰减系数和体积分数、粒径的矩阵。
作为优选：声波穿过待测悬浮液，要考虑连续相和分散相的密度差异、悬浮液固有吸收 等因素，以及获取最佳回波信号和精确的回波幅值，因此需要获得最佳声程，最佳声程由平 均声速来确定，声速计算公式表示：
式中L是探头到反射板之间的距离，Δt是两次回波时间间隔；
根据不同声程测量到的声速值与平均声速值作对比，将最接近于平均声速值的声速值所 对应的声程作为最佳声程，再选取最靠近最佳声程的一组声程和回波幅值数据计算声衰减系 数，通过声衰减系数和体积分数、粒径的矩阵预测此次待测悬浮液的体积分数和粒径。
作为优选：通过大量的配置悬浮液实验获得，当颗粒粒径达到100微米时，配置悬浮液 由于颗粒沉降现象，在数秒内分层明显，若用作声衰减系数的测量，会带来较大误差的实验 结果。通过颗粒与纯水配置悬浮液，待测量颗粒粒径要小于100微米，才能保证悬浮液中颗 粒的分散分布。
本发明一种超声波测量悬浮液浓度和粒径的装置及其使用方法的技术优势为：非接触式 的无损检测，保证待检测悬浮液的完整性，不损伤检测装置的构建，在测量环境达不到其他 测量技术的要求时，尤其是光学方法不能应用场合，超声法测量悬浮液浓度和粒径方法的优 势就更加明显，通过不同声波频率、不同声程得到的不同体积浓度和不同颗粒粒径悬浮液的 声衰减变化以及声速变化，对比基于低浓度悬浮液声衰减数学模型的超声测粒仪器，本装置 测量悬浮液更加便捷，实用性更强。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明换能器发射面板结构示意图；
图3是本发明电动搅拌器结构示意图；
图4是本发明声衰减系数和体积分数、粒径的矩阵示意图。
图中：1、换能器固定器；2、反射板底座板；3、反射板；4、电动搅拌器；5、烧杯；6、 恒温箱；7、超声波信号发射接收器；8、示波器；9、PC上位机；10、换能器；11、螺栓； 12、探头；13、搅拌器固定杆；41、电池；42、马达；43、减速电机；44、搅拌风扇叶。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
如图1至图3所示，本发明提供的一种超声波测量悬浮液浓度和粒径的装置及其使用方 法，包括：包括超声波信号发射接收器7、与超声波信号发射接收器7匹配产生相应的超声 波信号的换能器10、样品测量区部分、数据采集及PC上位机处理部分，所述的超声波信号 发射接收器7将正常供应的220V电压电信号转换为高频率交流电信号，与换能器10匹配使 其产生相应的超声波，所述超声波信号发生器7根据测量情景而产生特定频率信号或正弦波 信号或脉冲信号。
样品测量区部分包括搅拌器固定杆13、电动搅拌器4、盛放待测悬浮液的烧杯5、恒温 箱6、换能器固定器1、反射板底座板2和反射板3，所述搅拌器固定杆13竖直固定于恒温箱6的顶部中间位置，所述电动搅拌器4固定联接于搅拌器固定杆13的下端，所述数据采集及PC上位机处理部分包括示波器8和PC上位机9，所述示波器8与超声波信号发生器7连 接，PC上位机9与示波器8连接，所述的电动搅拌器4将悬浮液搅拌均匀，所述的恒温箱6 保证待测悬浮液温度稳定，所述的反射板底座板2是为了确定声程，获得最佳回波信号，所 述的反射板3采用表面光滑的不锈钢镜面面板，是由于不锈钢板的声波透射率低于有机玻璃 板的透射率，所述换能器10发射面板和反射板3平行且位于同一个铅垂线上，反射板3水平 放置于装有待测悬浮液的烧杯5内底面，所述烧杯5置于恒温箱6底部。
所述超声波信号选择周期可控的脉冲波，可根据实际情况调试信号周期与采集回波信号 各项参数的关系，避免出现初始信号频率过高，导致回波信号重叠情况。
换能器10包括探头12；所述探头12放置于换能器10发射面板中，探头12采用中心频 率为5MHZ和10MHZ的可将电能和声能相互转换的水浸式探头12，与水耦合程度较好，所述探头12外壳表面设置阻抗与水匹配的防磨层材质，所述水浸式探头12放置于换能器10发射面板中，避免阻抗不匹配带来的误差，水浸式探头12带有在声学特性上与水匹配的1/4波长的层，增强声能的输出，所述换能器10采用自发自收模式，所述换能器10的探头12采用应用便捷的非聚焦式探头，获得最佳回波信号，从而获得精确地回波幅值，最大程度上保证数据的准确度，通过多次试验确定最佳声程位置。
所述反射板底座板2上设计一个凸形卡槽，换能器10基座底部设计一个凹形卡槽，两个 凹凸卡槽镶嵌在一起，方便调节换能器10发射面板和发射板3之间的距离，并用螺栓11固 定位置，换能器10发射面板和反射板3之间的距离灵活变动，可实现变声程测量声速和回波 幅值。
实施例1：本实施例1种超声波测量悬浮液浓度和粒径的装置，采用一个恒温箱6作为 样品测量场所，恒温箱6保证待测悬浮液温度的稳定，换能器固定器1和反射板底座板2通 过凹凸型卡槽镶嵌在一起，用螺栓11固定，换能器10放置换能器固定器1中，反射板3放置烧杯5中，使反射板底座板2呈竖直状，烧杯5放置恒温箱6中，换能器10和超声波信号 发射接收器7连接，超声波信号发射接收器7和示波器8相连，示波器8和PC上位机9连 接。
提供一种超声波测量悬浮液浓度和粒径的装置的超声波测量悬浮液浓度和粒径的装置的 使用方法是按以下步骤进行：
步骤一，测量前设置恒温箱6中的水温为设定温度；
步骤二，在烧杯5中配置所需的体积分数和颗粒粒径小于100微米的悬浮液，并用电动 搅拌器4将悬浮液搅拌均匀；
步骤三，根据所需的声程，用螺栓11固定换能器固定器1的位置，将换能器10放置于 换能器固定器1中，所述探头12和反射板3平行且位于同一个铅垂线上；
步骤四，将换能器固定器1、换能器10、反射板底座板2、反射板3放置烧杯5中，使反射板底座板2呈竖直状，将烧杯5放置恒温箱6中；
步骤五，将换能器10和超声波信号发射接收器7连接，超声波信号发射接收器7和示波 器8相连，示波器8和PC上位机9连接，并打开开关；
步骤六，用超声波信号发射接收器7产生脉冲信号，激励换能器10发出相应中心频率的 超声波信号，超声波信号通过待测悬浮液后接触反射板3，反射的声波信号由换能器10接收， 换能器10将声信号转为电信号通过信号发射接收器7将滤波放大，由示波器8显示回波信号；
步骤七，通过PC上位机9接收采集的回波信号幅值以及回波时间间隔，计算最佳声程以 及声衰减系数，并分析衰减系数对应的矩阵预测悬浮液体积浓度和颗粒的粒径。
所述信号发射接收器7调节回波信号增益并传输给示波器8，所述示波器8把电信号转 为可视的波形，显示获取的回波信号、回波信号的间隔时间以及回波信号的参数值，并输给 PC上位机9，所述PC上位机9处理数据、分析悬浮液在不同条件下声波通过悬浮液的声衰 减系数值和声速的变化，把示波器8传输的回波信号进行放大，然后再传输给示波器8，示 波器8自动测量获得回波信号相应参数值。
所述PC上位机9对采集的数据进行处理，形成声衰减系数与体积分数、颗粒粒径对应的 矩阵，通过矩阵在最佳声程的基础上获得悬浮液的体积分数以及颗粒粒径；
声衰减系数计算公式如下：
式中Li为当次测量的探头(12)到反射板(3)之间的距离，Li+1为经调整后的探头12到反射板3之间的距离，Bi+1、Bi是与Li+1、Li对应的回波幅值，α的单位为Np/m(奈培/米)；
在单一超声频率、单一粒径、单一体积分数、不同声程下，设置有x组声程，将不同声 程和获取对应的回波信号幅值，通过声衰减系数计算公式得到
组声衰减系数，为了避免声 衰减极端值的影响，去掉最高值和最低值，再求得声衰减系数的平均值，通过单一改变体积 分数或颗粒粒径，建立声衰减系数和体积分数、粒径的矩阵。
声波穿过待测悬浮液，要考虑连续相和分散相的密度差异、悬浮液固有吸收等因素，以 及获取最佳回波信号和精确的回波幅值，因此需要获得最佳声程，最佳声程由平均声速来确 定；
声速计算公式表示：
式中L是探头12到反射板3之间的距离，Δt是两次回波时间间隔；
根据不同声程和不同体积分数测量到的声速值与平均声速值作对比，将最接近于平均声 速值的声速值所对应的声程作为最佳声程，再选取最靠近最佳声程的一组声程和回波幅值数 据计算声衰减系数，通过声衰减系数和体积分数、粒径的矩阵预测此次待测悬浮液的体积分 数和粒径。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不 限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导 出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种超声波测量悬浮液浓度和粒径的装置，其特征在于：包括超声波信号发射接收器(7)、与超声波信号发射接收器(7)匹配产生相应的超声波信号的换能器(10)、样品测量区部分、数据采集及PC上位机处理部分；
样品测量区部分包括搅拌器固定杆(13)、电动搅拌器(4)、烧杯(5)、恒温箱(6)、换能器固定器(1)、反射板底座板(2)和反射板(3)；所述搅拌器固定杆(13)竖直固定于恒温箱(6)的顶部中间位置，所述电动搅拌器(4)固定联接于搅拌器固定杆(13)的下端；
所述数据采集及PC上位机处理部分包括示波器(8)和PC上位机(9)，所述示波器(8)与超声波信号发生器(7)连接，PC上位机(9)与示波器(8)连接。
2.如权利要求1所述的一种超声波测量悬浮液浓度和粒径的装置，其特征在于：所述的换能器固定器(1)通过螺栓(11)固定在反射板底座板(2)上，所述换能器(10)发射面板和反射板(3)平行且位于同一个铅垂线上，反射板(3)水平放置于装有待测悬浮液的烧杯(5)内底面，所述烧杯(5)放置于恒温箱(6)内的底面之上。
3.如权利要求1所述的一种超声波测量悬浮液浓度和粒径的装置，其特征在于：所述的反射板(3)采用表面光滑的不锈钢镜面面板，所述超声波信号选择周期可控的脉冲波。
4.如权利要求1所述的一种超声波测量悬浮液浓度和粒径的装置，其特征在于：所述换能器(10)包括探头(12)；所述探头(12)放置于换能器(10)发射面板中，探头(12)采用中心频率为5MHZ和10MHZ的可将电能和声能相互转换的水浸式探头(12)，所述探头(12)外壳表面设置阻抗与水匹配的防磨层材质，所述换能器(10)的探头(12)采用非聚焦式探头(12)，所述换能器(10)采用自发自收模式。
5.如权利要求1所述的一种超声波测量悬浮液浓度和粒径的装置，其特征在于：所述反射板底座板(2)上设计一个凸形卡槽，换能器(10)基座底部设计一个凹形卡槽，两个凹凸卡槽镶嵌在一起，并用螺栓(11)固定位置。
6.利用权利要求1-5任意一项所述的一种超声波测量悬浮液浓度和粒径的装置的超声波测量悬浮液浓度和粒径的装置的使用方法，其特征在于：超声波测量悬浮液浓度和粒径的装置的使用方法是按以下步骤进行：
步骤一，测量前设置恒温箱(6)中的水温为设定温度；
步骤二，在烧杯(5)中配置所需的体积分数和颗粒粒径小于100微米的悬浮液，并用电动搅拌器(4)将悬浮液搅拌均匀；
步骤三，根据所需的声程，用螺栓(11)固定换能器固定器(1)的位置，将换能器(10)放置于换能器固定器(1)中，所述探头(12)和反射板(3)平行且位于同一个铅垂线上；
步骤四，将换能器固定器(1)、换能器(10)、反射板底座板(2)、反射板(3)放置烧杯(5)中，使反射板底座板(2)呈竖直状，将烧杯(5)放置恒温箱(6)中；
步骤五，将换能器(10)和超声波信号发射接收器(7)连接，超声波信号发射接收器(7)和示波器(8)相连，示波器(8)和PC上位机(9)连接，并打开开关；
步骤六，用超声波信号发射接收器(7)产生脉冲信号，激励换能器(10)发出相应中心频率的超声波信号，超声波信号通过待测悬浮液后接触反射板(3)，反射的声波信号由换能器(10)接收，换能器(10)将声信号转为电信号通过信号发射接收器(7)将滤波放大，由示波器(8)显示回波信号；
步骤七，通过PC上位机(9)接收采集的回波信号幅值以及回波时间间隔，计算最佳声程以及声衰减系数，并分析声衰减系数对应的矩阵预测悬浮液体积浓度和颗粒的粒径。
7.如权利要求6所述的一种超声波测量悬浮液浓度和粒径的装置的使用方法，其特征在于：所述信号发射接收器(7)调节回波信号增益并传输给示波器(8)，所述示波器(8)把电信号转为可视的波形，显示获取的回拨信号、回波信号的间隔时间以及回波信号的参数值，并输给PC上位机(9)，所述PC上位机(9)处理数据、分析悬浮液在不同条件下声波通过悬浮液的声衰减系数值和声速的变化。
8.如权利要求6所述的一种超声波测量悬浮液浓度和粒径的使用方法，其特征在于：所述PC上位机(9)对采集的数据进行处理，形成声衰减系数与体积分数、颗粒粒径对应的矩阵，通过矩阵在最佳声程的基础上获得悬浮液的体积分数以及颗粒粒径；
声衰减系数计算公式如下：
式中Li为当次测量的探头(12)到反射板(3)之间的距离，Li+1为经调整后的探头(12)到反射板(3)之间的距离，Bi+1、Bi是与Li+1、Li对应的回波幅值，α的单位为Np/m(奈培/米)。
9.如权利要求6所述的一种超声波测量悬浮液浓度和粒径的使用方法，其特征在于：在单一超声频率、单一粒径、单一体积分数、不同声程下，设置有x组声程，将不同声程和获取对应的回波信号幅值，通过声衰减系数计算公式得到
组声衰减系数，为了避免声衰减极端值的影响，去掉最高值和最低值，再求得声衰减系数的平均值，通过单一改变体积分数或颗粒粒径，建立声衰减系数和体积分数、粒径的矩阵。
10.如权利要求6所述的一种超声波测量悬浮液浓度和粒径的使用方法，其特征在于：声波穿过待测悬浮液，要考虑连续相和分散相的密度差异、悬浮液固有吸收等因素，以及获取最佳回波信号和精确的回波幅值，因此需要获得最佳声程，最佳声程由平均声速来确定；
声速计算公式表示：
式中L是探头(12)到反射板(3)之间的距离，Δt是两次回波时间间隔；
根据不同声程测量到的声速值与平均声速值作对比，将最接近于平均声速值的声速值所对应的声程作为最佳声程，再选取最靠近最佳声程的一组声程和回波幅值数据计算声衰减系数，通过声衰减系数和体积分数、粒径的矩阵预测此次待测悬浮液的体积分数和粒径。
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