专利名称：颗粒粒度、浓度和密度测量方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声测量技术，特别是涉及一种利用反射式超声信号对两相流(悬 浊液或乳浊液)中处于离散状态颗粒的粒度、浓度以及混合物密度进行同时测量的 方法及其装置的技术。
背景技术：
对两相流中分散状颗粒粒度和浓度进行测量，在涉及两相流动的能源、化工、 医药、环境、水利、材料等领域中具有广泛应用背景。现有颗粒测量方法如筛分法、 显微镜法、全息法、电感应法、沉降法和光散射法等，通常很难实现高浓度条件下 的快速，非接触在线测量。
超声波具有宽的频带范围，强的穿透能力，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处理的自动化等优点，超声波传感器价格 低且耐污损。
由于超声在颗粒系中的传播规律与颗粒物的粒度和浓度密切相关，可用作颗粒
粒度和浓度测量。现有的超声颗粒浓度测量方法，多采用经验公式或事先标定，未
能很好考虑多分散分布状态的颗粒物的粒度差异对声衰减、声速谱影响，严格的声
学理论模型已表明颗粒尺寸大小及分布差异对声衰减、声速影响很大，忽略该影响
导致测量方法通用性差，难以确保结果准确，也不能获得颗粒的粒度分布。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于 反射式超声信号测量和分析的，通用性强，测量结果准确的颗粒粒度、浓度和密度 测量方法及其装置。
为解决上述技术问题，本发明所提供的一种颗粒粒度、浓度和密度测量方法， 包括以下步骤
1) 采集直接反射波和透射回波由收/发换能器发射的单个窄脉冲超声波反 射后所述收/发换能器获得直接反射波和透射回波信号；
2) 获得反射系数和声学特征阻抗在数据处理的计算机中对时域信号作快速 傅立叶变换得超声幅值和相位谱，由公式
<formula>formula see original document page 6</formula>
计算获得反射系数和声学特征阻抗;
3) 获得衰减系数和声速在数据处理的计算机中由快速傅立叶变换得直接反 射波和透射回波的幅值谱并修正了声反射，透射和扩散损失后得声衰减谱；由直接 反射波和透射回波的时差可测声速<formula>formula see original document page 6</formula>
4) 计算颗粒和连续介质的两相混合物(以下简称混合物)等效密度，在数据处 理的计算机中由公式
A = A /C能直接计算混合物等效密度；
5) 计算颗粒浓度，在数据处理的计算机中由公式 — 广p, )]/[A (A - A )]能直接计算颗粒浓度；
6) 计算颗粒粒度在数据处理的计算机中按照高浓度颗粒两相体系中复波数
公
式:<formula>formula see original document page 6</formula>
式中-为颗粒浓度，i 为颗粒半径，《为绝热压縮系数，S是浓度，粒度和
物性的函数。声衰减系数和声速可按，衰减系数 or = — Im(yf)
声速 c = / Re(K)
为求解颗粒粒度分布，按照上面计算的理论声衰减系数(a^吣(/))与实验测量信号 换算得的声衰减系数a,(/)^n[M^(/)/A^(/)]/丄—A构造误差函数，
<formula>formula see original document page 7</formula>
然后按照优化方法进行优化求解得颗粒粒度分布。
进一步的，所述步骤6)中，所述优化方法包括DFP优化方法、最优正则化方 法、最速下降法和模拟退火法。
进一步的，所述步骤6)中优化方法进行优化计算，将颗粒粒度分布采用一个 函数或一组函数形式进行描述，如Rosin-Ramma函数或正态分布函数；之后可构造 不同目标函数并按照最优化的理论中的优化方法确定分布函数中待定参数，可完全 求解得颗粒粒度的分布。
进一步的，所述步骤6)中优化方法进行优化计算时，采用罚函数手段，以避 免出现非物理解情况(如参数为负数)。
进一步的，所述步骤6)中优化方法进行优化计算时，在获得求解参数后，带 入颗粒粒度分布参数函数计算颗粒粒度的频率分布和累计分布。
本发明所提供的一种颗粒粒度、浓度和密度测量装置，包括进行数据处理的计 算机(带分析软件)，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/接收电路的宽带换能器，宽带换能器设于缓冲板外侧； 装置由计算机控制，发射电路发出脉冲电信号，经触发换能器，声波部分被缓冲板 反射回来由换能器接收设为直接反射波，另一部分透射后在待测颗粒两相流中传播 并被反射板反射再由换能器接收设为透射回波，并经过信号处理电路传输给计算机
处理将信号作快速傅立叶变换获得超声幅值相位谱，换算得反射系数，声特性阻 抗，声衰减系数和声速；由测量值可计算得混合物密度(/^-Z"C)，由已知的颗粒
物和连续介质密度计算得浓度值- = [^0^—再由换能器测量 直接反射波和透射回波作频谱分析并考虑反射修正得到的声衰减谱和理论声衰减谱 的误差作为目标函数
按照优化方法进行优化，计算得颗粒粒度分布；
计算机设有用于直接显示测量结果的曲线和数据的屏幕。
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，所述宽带换能器为自发自收宽带换能器。
进一步的，所述计算机设有用于保存测量结果的硬盘；供以后分析使用。 进一步的，所述缓冲板和反射板为管道中相对的二侧壁。
进一步的，所述缓冲板设于宽带探头凹槽的一侧，所述反射板设于宽带探头凹
槽对面的另一侧；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。
利用本发明提供的颗粒粒度、浓度和密度测量方法及其装置，由于采用基于
反射式超声信号测量和分析的计算模式，可以对悬浊液或乳剂形式的颗粒物样品进
行颗粒粒度、浓度和等效密度的检测，避难了多分散分布状态的颗粒物的粒度差异
对声衰减、声速谱影响，提高了测量方法通用性，确保了测量结果的准确性，同时
可以用作含颗粒物液液，液固两相流的在线测量。
图l是本发明实施例的颗粒粒度、浓度和密度测量装置的结构示意图2是本发明实施例的颗粒粒度、浓度和密度测量过程中的多次反射信号的示
意图3是本发明实施例的颗粒粒度、浓度和密度测量探头的结构示意图。
具体实施例方式
以下结合
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。
本发明实施例的颗粒粒度、浓度和密度测量(方法)工作原理 ①反射系数和声学特征阻抗测量通过比较待测样品和标定物质的反射信号，
当分别测量区放置样品或者标定物质，在缓冲板和测量区界面间有不同反射系数。
将而这相比，有如下关系
其中，A和A分别为对样品和标定物质(如纯水)进行测试时的反射系数，厲和 處为对应超声信号的幅度；进一步换算出两相介质声学特征阻抗
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其中Z,表示颗粒和连续介质的两相体混合物(以下简称混合物)的声学特征阻 抗，Za表示壁面的声学特征阻抗。按
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即可通过测量声速直接计算混合物等效密度，利用已知的颗粒和连续相密度， 可以求解浓度
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上式中下标P指颗粒，7指连续介质(通常为液体)。由于声阻抗法可直接测得 浓度，降低声衰减谱求解粒度困难。同时反射系数可修正声衰减计算中界面反射和 透射损失。
② 衰减系数和声速测量如图1所示，换能器4发出声波部分被缓冲板5反射， 部分透过缓冲板在介质6中传播并由对面反射板7反射，再次通过介质6和缓冲板 5并被换能器4接收，这样即可得到直接反射波A和透射回波B (如图2所示)，由 快速傅立叶变换技术得直接反射波A和透射回波B的幅值谱并修正了声反射，透射 和扩散损失后得声衰减谱
","/) =+in(^4^)-"c;
Z Ms(/)
其中M^(/)为直接反射波幅值，A^(/)为透射回波幅值，L为声程，而^为考虑声 反射，扩散效果的超声衰减修正系数，可标定获取。同时，由直接反射波A和透射 回波B的时差可测声速
其中AL为声程差，而At为2波形记录时间差。
③ 采用宽带换能器，对时域信号作快速傅立叶变换得超声幅值相位谱，以中心 频率lOMHz宽带换能器为例，其在-6dB内衰减包含频率范围约5 15MHz，为反演 提供了丰富的频谱信息。
④ 按照声波动理论，高浓度颗粒两相体系中复波数公式
一 =x 州
式中角频率w-2;r/， 0为颗粒浓度，《为绝热压縮系数，S是浓度，粒度 和物性的函数。声衰减系数和声速可按，衰减系数a--Im(A:)，声速c二w/Re(0， 由复波数/f给出。通过上述公式，可以计算不同超声频率，颗粒粒度和浓度时的超 声衰减系数(声速)。
⑤ 为求解颗粒粒度分布，按照上面计算的理论声衰减系数(a^。J/))与实验测 量信号换算得的声衰减系数 柳(/)dn[A^(/)/il^(/)]/丄-^构造误差函数，<formula>formula see original document page 11</formula>
这样，可以按照最优化理论进行优化目标函数；为计算颗粒粒度分布，需要将颗粒 粒度分布采用某一或一组函数形式进行描述，可采用Rosin-Ramma函数，正态分布， 对数正态分布等；上述3种函数分布均包含一个名义尺寸参数和分布宽度参数，在 优化时称待定参数。在进行优化时，事先人为设定初始参数，这样可计算出理论超 声衰减和初始目标函数，按照最优化的理论中的Davidon-Fletcher-Powell (DFP)方 法，可以在初始参数附近唯一的确定局部最优解，为获得全局最优求解，应重新设 定初始值并最终选择目标函数最小的结果即为最终求解结果。同时，为避免出现非 物理解情况(如参数为负数)，可以采用罚函数手段。在获得求解参数后，带入颗粒 粒度分布参数函数计算颗粒粒度的频率分布和累计分布；本发明除了采用DFP (Davidon-Fletcher-Powell)方法之外，还可用最优正则化方法、最速下降法 (Steepest Descent method)禾口模拟退火法(Simulated Annealing method)等优 化方法。
本发明实施例的颗粒粒度、浓度和密度测量方法，包括以下步骤
1) 采集直接反射波和透射回波由收/发换能器发射的单个窄脉冲超声波 反射后所述收/发换能器获得直接反射波和透射回波信号；
2) 获得反射系数和声学特征阻抗在数据处理的计算机中对时域信号作快 速傅立叶变换得超声幅值相位谱，由公式
<formula>formula see original document page 11</formula>
计算获得反射系数和声学特征阻抗；
3) 获得衰减系数和声速在数据处理的计算机中由快速傅立叶变换技术得 直接反射波A和透射回波B的幅值谱并修正了声反射，透射和扩散损失后得声衰减 谱，(该修正可以通过2)中反射系数结果或用标准物质标定)，由于采用二次不同
超声波比值，消除了换能器超声发射功率不同的影响；即如
"歸(/)斗n(^4S)-"c; 丄 Ms(/)
其中MJ/)为直接反射波幅值，A^(/)为透射回波幅值，L为声程，而^为考虑声 反射，扩散效果的超声衰减修正系数，可采用超声吸收特性已知的介质(例如水)进 行标定。同时，由直接反射波A和透射回波B的时差可测声速 c = AL/Af = AL/(/s —
其中AL为声程差，而At为2波形记录时间差。
4) 计算颗粒和连续介质构成的混合物(如悬浊液)等效密度在数据处理的 计算机中由公式
A=Z"c，能直接计算混合物等效密度，其中Z,指混合物的阻抗，通过测量
标定物质和待测混合物中的超声波信号和反射系数后，按Z, =ZA
换算得(该
计算结果不受颗粒粒度的影响，且可以直接用在液液两相流中)。
5) 计算颗粒浓度在数据处理的计算机中由公式
0 = [Pp (A — A )]/[ A _ A )]能直接计算颗粒浓度，其中混合物等效密度 A由上一步得(计算结果不受颗粒粒度的影响，公式也可以直接用在液液两相流浓 度计算中)；
如果仅仅完成混合物等效密度和浓度计算，可以采用单一频率的超声换能器即可。
6) 计算颗粒粒度在数据处理的计算机中按照声波动理论，高浓度颗粒两 相体系中复波数公式(公式中浓度已经由前面获得，可以作为已知量，减少了颗粒 粒度求解中的未知数个数)
一 =* x 州 —"0)2+/ [S + -(l-州
式中-为颗粒浓度，及为颗粒半径，《为绝热压縮系数，5"是浓度，粒度和 物性的函数。声衰减系数和声速可按，衰减系数"=-Im(/tO 声速c = w/Re(/f)
为求解颗粒粒度分布，按照上面计算的理论声衰减系数(a^。"/))与实验测量信号 换算得的声衰减系数a自(/)4n[Mj(/)/Ms(/)]/丄-"e构造误差函数，
这样，可以按照最优化理论进行优化。为计算颗粒粒度分布，需要将颗粒粒度分布 采用某一或一组函数形式进行描述，可采用Rosin-Ramma函数，正态分布，对数正 态分布等；上述3种函数分布均包含一个名义尺寸参数和分布宽度参数，此参数在 优化时称待定参数，如得以确定，即可完全获得颗粒粒度的分布状况。在进行优化 时，事先人为设定初始参数，这样可计算出理论超声衰减和初始目标函数，按照最 优化的理论中的Davidon-Fletcher-Powell(DFP)方法，可以在初始参数附近唯一的 确定局部最优解，为获得全局最优求解，应重新设定初始值并最终选择目标函数最 小的结果极为最终求解结果。同时，为避免出现非物理解情况(如参数为负数)，可 以采用罚函数手段。在获得求解参数后，带入颗粒粒度分布参数函数计算颗粒粒度 的频率分布和累计分布；本发明除了采用DFP (Davidon-Fletcher-Powell)方法之 外，还可用最优正则化方法、最速下降法(Ste印est Descent method)和模拟退火 法(Simulated Annealing method)等优化方法。
如图1所示，本发明实施例所提供的一种颗粒粒度、浓度和密度测量装置，包 括进行数据处理的计算机1，连接计算机1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2，连接信号处理电路2的脉冲波发射/接收电路3，连接脉冲波 发射/接收电路的换能器4，(宽带)换能器4设于管道壁缓冲板5的外侧；装置由
计算机1控制，发射电路3发出脉冲电信号，经触发换能器4，声波部分被缓冲板5 反射回来记为直接反射波A，另一部分透射后在待测颗粒两相流6中传播并被反射 板7反射再由换能器4接收记为透射回波B，并经过信号放大单元、高速A/D转换 单元传输给计算机l处理，信号为如图2所示波形，分析后换算得反射系数，声特 性阻抗，声衰减系数和声速。由测量值可算得混合物密度A-Z,/c，由已知的颗粒 物和连续介质密度按公式- = (a — a)]/[a (pp _)]计算得浓度值。再由换能 器测量直接反射波A和透射回波B作频谱分析并考虑反射修正得到的声衰减谱和理
论声衰减谱的误差作为目标函数
"1 "'/ eo/7"
采用Davidon-Fletcher-Powell(DFP)方法进行优化，计算得颗粒粒度分布；本发明 除了采用DFP (Davidon-Fletcher-Powell)方法之外，还可用最优正则化方法、最 速下降法(Steepest Descent method)禾口模拟退火法(Simulated Annealing method) 等优化方法。
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10，保护缓冲板10外侧设宽带换能器9，并由电缆线 8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ll;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，为反演提供了丰富的频谱信息。
用本装置可以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。在线管道测量时装置通过法兰连接，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。
权利要求
1、一种颗粒粒度、浓度和密度测量方法，其特征是，包括以下步骤1) 采集直接反射波和透射回波由收/发换能器发射的单个窄脉冲超声波反射后所述收/发换能器获得直接反射波和透射回波信号；2) 获得反射系数和声学特征阻抗在数据处理的计算机中对时域信号作快速傅立叶变换得超声幅值和相位谱，由公式
2、 根据权利要求1所述的颗粒粒度、浓度和密度测量方法，其特征在于，所 述步骤6)中优化方法进行优化计算，将颗粒粒度分布采用一个函数或一组函数形 式进行描述；之后构造不同目标函数并按照最优化的理论中的优化方法确定分布函 数中待定参数，能完全求解得颗粒粒度的分布。
3、 根据权利要求2所述的颗粒粒度、浓度和密度测量方法，其特征在于，所 述步骤6)中优化方法进行优化计算时，采用罚函数手段。
4、 根据权利要求2所述的颗粒粒度、浓度和密度测量方法，其特征在于，所 述步骤6)中优化方法进行优化计算时，在获得求解参数后，带入颗粒粒度分布参 数函数计算颗粒粒度的频率分布和累计分布。
5、 根据权利要求1至4中任何一项所述的颗粒粒度、浓度和密度测量方法， 其特征在于，所述步骤6)中，所述优化方法包括DFP优化方法、最优正则化方法、 最速下降法和模拟退火法。
6、 一种颗粒粒度、浓度和密度测量装置，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/接收电路的宽带换能器，宽带换能器设于缓冲板外侧；所述装置由计 算机控制，发射电路发出脉冲电信号，经触发换能器，反射回来的直接反射波和透 射回波经过信号处理电路传输给计算机处理将信号作快速傅立叶变换获得超声幅 值相位谱，换算得反射系数，声特性阻抗，声衰减系数和声速；由测量值能计算得 混合物密度(A=4/c )，由已知的颗粒物和连续介质密度计算得浓度值—再由换能器测量直接反射波和透射回波作频谱分 析并考虑反射修正得到的声衰减谱和理论声衰减谱的误差作为目标函数<formula>formula see original document page 4</formula>按照优化方法进行优化，计算得颗粒粒度分布； 计算机设有用于直接显示测量结果的曲线和数据的屏幕。
7、 根据权利要求5所述的颗粒粒度、浓度和密度测量装置，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。
8、 根据权利要求5所述的颗粒粒度、浓度和密度测量装置，其特征在于，所述 宽带换能器为自发自收宽带换能器。
9、 根据权利要求5所述的颗粒粒度、浓度和密度测量装置，其特征在于，所述 计算机设有用于保存测量结果的硬盘。
10、 根据权利要求5所述的颗粒粒度、浓度和密度测量装置，其特征在于，所 述缓冲板和反射板为管道中相对的二侧壁。
11、 根据权利要求5所述的颗粒粒度、浓度和密度测量装置，其特征在于，所 述缓冲板设于宽带探头凹槽的一侧，所述反射板设于宽带探头凹槽对面的另一侧； 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。
全文摘要
一种颗粒粒度、浓度和密度测量方法及其装置，涉及超声测量技术领域；所要解决的是提高超声测量通用性和准确性的技术问题；该测量装置包括依次连接的计算机、信号处理电路、脉冲波发射/接收电路、宽带换能器，宽带换能器设于缓冲板外侧；所述计算机处理程序将信号作快速傅立叶变换获得超声幅值相位谱，换算得反射系数，声特性阻抗，声衰减系数和声速；由测量值能计算得混合物密度，由已知的颗粒物和连续介质密度计算得浓度值；再由直接反射波和透射回波作频谱分析得到的声衰减谱和理论声衰减谱的误差作为目标函数，按照优化方法进行优化，计算得颗粒粒度分布；本发明具有基于反射式超声信号测量和分析的，通用性强，测量结果准确的特点。
文档编号G01N15/00GK101169363SQ20071004652
公开日2008年4月30日 申请日期2007年9月27日 优先权日2007年9月27日
发明者苏明旭, 蔡小舒, 薛明华 申请人:上海理工大学