CN114137250B - 一种黏性流体气泡上升中速度和形变量的测量系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种黏性流体气泡上升中速度和形变量的测量系统，涉及工业生产过程在线实时测量技术领域。包括：样品池，用于容纳黏性流体；可变径注射器，安装于样品池底部，用于在黏性流体中产生气泡；两个超声发射接收换能器，设置于样品池的不同高度，用于向黏性流体中发射第一超声信号，并且接收经气泡反射的第二超声信号；上位机，分析两个超声发射接收换能器的第二超声信号的时域信息求解气泡上升的速度；构建关于气泡尺寸与反射声压的数学模型，分析两个超声发射接收换能器的第二超声信号的频域信息求解气泡的形变量。本发明通过对超声信号的时域和频域分析，即可实现对黏性流体气泡上升的速度和形变量的同时在线测量。

Description

一种黏性流体气泡上升中速度和形变量的测量系统和方法
技术领域
本发明涉及工业生产过程在线实时测量技术领域，尤其涉及一种黏性流体气泡上升中速度和形变量的测量系统和方法。
背景技术
在生物、石油化工等工业过程中经常涉及到黏性流体，如生物发酵液、原油等，由于生产要求、操作不当等因素往往会在黏性流体中引入气泡，气泡的大小、运动速度会对黏性流体的运动状态、流体质量甚至生产过程的安全性产生重要影响。因此在这些生产过程中对黏性流体中气泡的速度、形状进行在线测量对于了解黏性流体的质量、流动状态，进而对生产参数进行实时调整、实现高效生产、防止危险事故的发生有重要意义。
水中气泡运动行为在气体混合、传热等基本操作过程中普遍存在，因此受到了广泛关注，已经有大量研究报道了水中气泡的生长运动规律，而有关黏性流体中的气泡运动过程等研究关注较少。现有的对于黏性流体中的气泡生长、运动过程的研究大多局限于高速摄影法，并通过数字图像处理研究气泡在黏性流体中上升时形状及速度的变化规律或者利用电容层析成像系统对气泡进行监测（参见申请号为CN201810528828.2的发明专利）。高速摄影法利用高速相机，不仅仪器设备费用高昂，而且对应用环境的要求较高，否则会污染相机；而利用电容层析成像系统需要在多个方向上布置电容传感器，这就在无形中对测量环境提出了要求，而且后续的重建算法十分复杂。目前，利用超声方法对黏性流体气泡上升速度和形变的同时在线测量还鲜见报道，本发明原理简单、设备价格低廉、应用场景广泛。因此本发明具有重要的研究意义及发展前景。
发明内容
为了解决背景技术中提到的至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种黏性流体气泡上升中速度和形变量的测量系统和方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种黏性流体气泡上升中速度和形变量的测量系统，包括：
样品池，用于容纳黏性流体；
可变径注射器，安装于样品池底部，用于在黏性流体中产生气泡；
两个超声发射接收换能器，设置于样品池的不同高度，用于向黏性流体中发射第一超声信号，并且接收经气泡反射的第二超声信号；
上位机，分析两个超声发射接收换能器的第二超声信号的时域信息求解气泡上升的速度；构建关于气泡尺寸与反射声压的数学模型，分析两个超声发射接收换能器的第二超声信号的频域信息求解气泡的形变量。
进一步的，所述气泡上升的速度的求解方法为：计算两个超声发射接收换能器的第二超声信号的时间差；以两个超声发射接收换能器的高度差除以所述时间差即为气泡上升的速度。
进一步的，所述气泡的形变量的求解方法为：将两个超声发射接收换能器接收的第二超声信号的反射声压代入所述数学模型求得对应的两个气泡尺寸，求两个气泡尺寸的差值即可为气泡的形变量。
进一步的，所述数学模型为:
y=0.0987x+0.0135
其中，y为反射声压，x为气泡的直径。
进一步的，所述上位机还根据气泡的尺寸对气泡上升的速度进行修正，修正方法如下：
以所述高度差减去的求得的两个气泡的尺寸之差作为修正后的高度差，以所述修正后的高度差除以所述时间差即为修正后的气泡上升的速度。
进一步的，还包括脉冲发射接收器，脉冲发射接收器与两个超声发射接收换能器、上位机电性连接，为超声发射接收换能器提供第一脉冲信号以转换成第一超声信号，并接收由超声发射接收换能器的第二超声信号转换的第二脉冲信号，将所述第二脉冲信号上传至上位机。
一种黏性流体气泡上升中速度和形变量的测量方法，包括以下步骤：
S1，在黏性流体的底部产生一气泡；
S2，在黏性流体的第一高度和第二高度分别发射第一超声信号，并接收经气泡反射的第二超声信号；
S3，分析两个第二超声信号的时域信息求解气泡上升的速度；构建关于气泡尺寸与反射声压的数学模型，分析两个第二超声信号的频域信息求解气泡的形变量。
进一步的，所述气泡上升的速度的求解方法为：计算两个超声发射接收换能器的第二超声信号的时间差；以两个超声发射接收换能器的高度差除以所述时间差即为气泡上升的速度。
进一步的，所述气泡的形变量的求解方法为：将两个超声发射接收换能器接收的第二超声信号的反射声压代入所述数学模型求得对应的两个气泡尺寸，求两个气泡尺寸的差值即可为气泡的形变量。
进一步的，所述S3后还包括S4，根据气泡的尺寸对气泡上升的速度进行修正，修正方法如下：以所述高度差减去的求得的两个气泡的尺寸之差作为修正后的高度差，以所述修正后的高度差除以所述时间差即为修正后的气泡上升的速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明利用两只超声发射接收换能器分别实现一次发射和接收，通过对超声信号的时域和频域分析，即可实现对黏性流体气泡上升的速度和形变量的同时在线测量；
2、本发明通过测得的气泡尺寸对气泡上升的速度进行了修正，使得测量结果更准确。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明的两个超声发射接收换能器接收到的第二超声信号时域信息对比图。
图3为本发明的气泡形变量测量流程图。
图4为本发明的反射声压与气泡尺寸关系图。
图5为本发明的气泡上升的速度修正示意图。
图中：1、样品池；11、黏性流体；12、气泡；2、可变径注射器；3、超声发射接收换能器；4、上位机；41、数据采集卡；5、脉冲发射接收器。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1，本实施例提供一种黏性流体气泡上升中速度和形变量的测量系统，包括：
样品池1，用于容纳黏性流体11；
可变径注射器2，安装于样品池1底部，用于在黏性流体11中产生自下而上运动的气泡12；气泡12的初始尺寸可通过可变径注射器2的口径进行调整。
两个超声发射接收换能器3，设置于样品池1的不同高度，用于向黏性流体11中发射第一超声信号，并且接收经气泡11反射的第二超声信号。
上位机4，分析两个超声发射接收换能器3的第二超声信号的时域信息求解气泡上升的速度；构建关于气泡尺寸与反射声压的数学模型，分析两个超声发射接收换能器3的第二超声信号的频域信息求解气泡的形变量。
值得一提的是，上位机4不能直接分析超声信号，因此超声发射接收换能器3会将超声信号转化为电信号。
本实施例还包括脉冲发射接收器5，优选双通道脉冲发射接收器；脉冲发射接收器5与两个超声发射接收换能器3、上位机4电性连接，为超声发射接收换能器提供第一脉冲信号以转换成第一超声信号，并接收由超声发射接收换能器的第二超声信号转换的第二脉冲信号，将所述第二脉冲信号上传至上位机。
具体的，两个超声发射接收换能器3在脉冲发射接收器5两个通道的激励下分别发射脉冲信号，脉冲信号的幅值、重复频率等参数由上位机上的对应软件控制，在本发明中，两脉冲信号完全一致。以其中一个超声发射接收换能器3为例，发射的第一超声信号进入黏性流体，遇到气泡后，由于气体与黏性流体的阻抗存在一定的差异，其在气泡界面处会发生反射，反射的第二超声信号返回至超声发射接收换能器3，经由数据采集卡41同步到上位机。
由于在样品池1底部由可变径注射器2通入气体产生的气泡是由下到上运动的，所以气泡首先对样品池1下侧的超声发射接收换能器3发出的第一超声信号进行反射得到一个第二超声信号，经过一段时间，当气泡运动到上侧超声发射接收换能器3中心对应的位置处时，对样品池1上侧的换能器发出的超声发射接收换能器3进行反射得到另一个第二超声信号。如图2所示，所述气泡上升的速度的求解方法为：计算两个超声发射接收换能器的第二超声信号的时间差Δt；在已知两个超声发射接收换能器的高度差ΔL的情况下，用高度差ΔL除以所述时间差Δt即为气泡上升的速度v=ΔL/Δt。
如图3所示，于本实施例中，所述气泡的形变量的求解方法为：
利用COMSOL软件对黏性流体汽油中几种尺寸气泡(0.2cm、 0.5cm、1cm、1.5cm、2cm)对超声的反射情况进行模拟，气泡距离 超声探头的距离为10cm，如图4所示，模拟后得到反射声压与气泡 之间的理论数学模型为(y＝0.75779x+0.1039)；；而后又选取了0.6cm的气泡进行实验，得到的反射声压为0.0727V，获得的实验数据对模 拟得到的理论数学模型(y＝0.75779x+0.1039)进行修正，
Figure RE-GDA0003485578390000071
得到二者间的实际数学模型，即y＝0.1302×(y＝0.75779x+0.1039) 0.0987x+0.0135；其中，y为反射声压，x为气泡的直径。
将两个超声发射接收换能器接收的第二超声信号的反射声压代入所述实际数学模型求得对应的两个气泡尺寸，求两个气泡尺寸的差值即可为气泡的形变量。
如图5所示，在上述求解气泡上升的速度v=ΔL/Δt时，高度差ΔL为两个气泡顶点的间距，而实际气泡运动的距离应当视为两个气泡中心点的间距。因此，所述上位机还根据气泡的尺寸对气泡上升的速度进行修正，修正方法如下：
以所述高度差ΔL减去的求得的两个气泡的尺寸之差|r2-r1|作为修正后的高度差ΔL’=ΔL-|r2-r1|，以所述修正后的高度差ΔL’除以所述时间差Δt即为修正后的气泡上升的速度v’。
实施例二：
一种黏性流体气泡上升中速度和形变量的测量方法，包括以下步骤：
S1，在黏性流体的底部产生一气泡；
S2，在黏性流体的第一高度和第二高度分别发射第一超声信号，并接收经气泡反射的第二超声信号；
S3，分析两个第二超声信号的时域信息求解气泡上升的速度；构建关于气泡尺寸与反射声压的数学模型，分析两个第二超声信号的频域信息求解气泡的形变量。
所述气泡上升的速度的求解方法为：计算两个超声发射接收换能器的第二超声信号的时间差；以两个超声发射接收换能器的高度差除以所述时间差即为气泡上升的速度。
所述气泡的形变量的求解方法为：将两个超声发射接收换能器接收的第二超声信号的反射声压代入所述数学模型求得对应的两个气泡尺寸，求两个气泡尺寸的差值即可为气泡的形变量。
S4，根据气泡的尺寸对气泡上升的速度进行修正，修正方法如下：以所述高度差减去的求得的两个气泡的尺寸之差作为修正后的高度差，以所述修正后的高度差除以所述时间差即为修正后的气泡上升的速度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (3)

1.一种黏性流体气泡上升中速度和形变量的测量系统，其特征在于，包括：
样品池，用于容纳黏性流体；
可变径注射器，安装于样品池底部，用于在黏性流体中产生气泡；
两个超声发射接收换能器，设置于样品池的不同高度，用于向黏性流体中发射第一超声信号，并且接收经气泡反射的第二超声信号；
上位机，分析两个超声发射接收换能器的第二超声信号的时域信息求解气泡上升的速度；构建关于气泡尺寸与反射声压的数学模型，分析两个超声发射接收换能器的第二超声信号的频域信息求解气泡的形变量；
所述气泡上升的速度的求解方法为：计算两个超声发射接收换能器的第二超声信号的时间差；以两个超声发射接收换能器的高度差除以所述时间差即为气泡上升的速度；
所述气泡的形变量的求解方法为：将两个超声发射接收换能器接收的第二超声信号的反射声压代入所述数学模型求得对应的两个气泡尺寸，求两个气泡尺寸的差值即可为气泡的形变量；
所述数学模型为:
y=0.0987x+0.0135
其中，y为反射声压，x为气泡的直径；
所述上位机还根据气泡的尺寸对气泡上升的速度进行修正，修正方法如下：
以所述高度差减去的求得的两个气泡的尺寸之差作为修正后的高度差，以所述修正后的高度差除以所述时间差即为修正后的气泡上升的速度。
2.根据权利要求1所述的一种黏性流体气泡上升中速度和形变量的测量系统，其特征在于，还包括脉冲发射接收器，脉冲发射接收器与两个超声发射接收换能器、上位机电性连接，为超声发射接收换能器提供第一脉冲信号以转换成第一超声信号，并接收由超声发射接收换能器的第二超声信号转换的第二脉冲信号，将所述第二脉冲信号上传至上位机。
3.一种黏性流体气泡上升中速度和形变量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在黏性流体的底部产生一气泡；
S2，在黏性流体的第一高度和第二高度分别发射第一超声信号，并接收经气泡反射的第二超声信号；
S3，分析两个第二超声信号的时域信息求解气泡上升的速度；构建关于气泡尺寸与反射声压的数学模型，分析两个第二超声信号的频域信息求解气泡的形变量；
所述气泡上升的速度的求解方法为：计算两个超声发射接收换能器的第二超声信号的时间差；以两个超声发射接收换能器的高度差除以所述时间差即为气泡上升的速度；
所述气泡的形变量的求解方法为：将两个超声发射接收换能器接收的第二超声信号的反射声压代入所述数学模型求得对应的两个气泡尺寸，求两个气泡尺寸的差值即可为气泡的形变量；
所述S3后还包括S4，根据气泡的尺寸对气泡上升的速度进行修正，修正方法如下：以所述高度差减去的求得的两个气泡的尺寸之差作为修正后的高度差，以所述修正后的高度差除以所述时间差即为修正后的气泡上升的速度。
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