专利名称：一种液体雾化质量的检测方法
技术领域：
本发明涉及雾化质量检测方法，尤其涉及一种喷雾液体雾化质量的检测方法。
背景技术：
液体雾化技术广泛应用于化工、能源、农业、医药、消防、食品等领域，如表面喷涂、 燃油雾化、药物供给、农药喷洒、喷雾干燥等。液体的雾化特性分为空间特性和粒径特性，其中空间特性包括雾量分布方式、喷雾角、液滴飞行速度及其分布等，粒径特性包括雾粒的平均直径、特征直径、粒径分布等。评价液体雾化质量的优劣需要对雾化参数进行检测，目前雾化参数的检测方法主要分为三类机械测量法、电子测量法和光学测量法。机械测量法是传统的雾化检测方法， 包括液滴固化法、熔蜡法、沉降法和压痕法等，这些方法原理简单，但操作繁琐，信息量少， 部分方法还对装置有所限制。电子测量法包括电极法、导线法、热线法等，这些方法需要侵入喷雾场内部，数据量大，精度较差，而且粒子的运动形态对测量结果有较大影响。光学测量法是新兴的雾化检测技术，借助激光技术和计算机技术而快速发展，包括激光全息摄影法、高速摄影和高速摄像法、激光多普勒法的轴线光干涉条纹法和非轴线光干涉条纹法、激光干涉条纹光谱法、激光散射光强比法、激光多源散射光法和马尔文法等。光学测量法具有非侵入性的优点，可得到较精确和全面的雾化参数，但设备精密昂贵，且难以应用于工业监测。不同检测方法也可以相互结合，如专利CN 1012^108A公开了一种雾滴分布均勻度的检测方法，将机械测量法、照相技术、图像处理技术相结合，该方法能较全面准确地检测雾滴分布均勻度，但步骤冗长，操作繁琐。因此，寻找一种新型的快捷方便、灵敏度高且可实时在线监测雾化质量的方法具有重要的理论意义和广阔的工业应用前景。声发射检测技术是近年来新兴的一种测量手段，通过传感器接收振动信号，经过放大、采集和数学处理，获得振动源的某些性质和特征。传感器是声发射检测系统的关键部件，声发射检测中常用的传感器有声发射传感器、加速度传感器、水听器、传声器等，其中声发射传感器和加速度传感器用于测量通过固体传播的声音和振动信号。声发射检测技术具有检测灵敏有效、环保安全、不侵入流场和实时在线的特点，目前已被广泛应用于流化、搅拌、干燥、结晶、化学反应的检测以及设备监控等方面。快速傅里叶变换(FFT)可以将周期信号分解为一个个倍频分量的叠加，通过分解能将特定的频率成分提取出来而实现特定的各种需要。小波分析的特点是对信号进行变时窗分析，即对信号中的低频分量采用较宽的时窗，对高频分量采用较窄的时窗，这使得小波分析在时域和频域同时具有良好的局部分析特性。快速傅里叶变换和小波分析是常用的信号分析处理方法，在声发射信号的分析中有广泛的应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种液体雾化质量的检测方法。液体雾化质量的检测方法的步骤如下1)液体从雾化喷嘴喷出，在垂直于雾化液滴喷射方向处设置一固体挡板，固体挡板与雾化喷嘴之间距离可调节；
2)在固体挡板背面的喷雾束撞击截面区域沿径向设置一个或多个振动信号接收装置， 采集雾化液滴撞击挡板产生的振动信号；
3)选取振动信号的频率八能量万、功率谱图高频峰与低频峰面积比/ 、特征小波频段内的能量分率A、能量均方差s作为特征变量；
4)根据特征变量随液体喷射速度、液体流量或液体压力的变化趋势判断液体雾化质量，以液体喷射速度、液体流量或液体压力为横坐标，以振动信号能量A功率谱图高频峰与低频峰面积比《、特征小波频段内的能量分率&或者能量均方差s为纵坐标作图，获得雾化状态表征曲线，当振动信号能量A趋于平稳并开始缓慢上升，或者功率谱图高频峰与低频峰面积比由缓慢上升转变为迅速增大，或者特征小波频段内的能量分率&由缓慢上升转变为迅速增大，或者能量均方差s开始上升并趋于平稳时，进入使雾化液体充分破碎成小液滴，液滴粒径接近破碎极限值、液滴分布均勻的雾化状态；
5)采集不同粒径4的雾滴撞击挡板产生的振动信号，对振动信号进行小波或小波包分解获得不同粒径对应的特征频段/；，建立雾滴粒径4与振动信号不同频率分段之间的对应关系，通过计算各特征频段上的能量分率&获得雾滴的粒径分布。所述的振动信号接收装置为声发射传感器、加速度传感器或为它们的组合。所述的振动信号按频率分解为广256个频段。所述的声发射传感器的接收频率为1 kHflOO MHz，加速度传感器的接收频率为1 kHz 1 MHz0本发明与现有的方法相比具有以下优点
1)装置安装方便，表征方法简单，通过振动信号分析的手段可以获得喷雾运动的多尺度动态特征；
2)环保安全，振动信号通过液体机械碰撞产生，对环境、人体无危害；
3)适用范围广，可在高温高压等恶劣条件下长时间稳定工作，能应用于工业生产监
控；
4)反应灵敏，测量误差小，实时在线。
图1是液体雾化质量检测装置工作示意图2 (a)是实施例广3和实施例5中单个振动信号接收装置设置位置示意图； 图2 (b)是实施例4中多个振动信号接收装置设置位置示意图； 图3是实施例1、中6种典型液体雾化状态； 图4是实施例1中声发射信号能量变化曲线图； 图5是实施例2中功率谱图高频峰与低频峰面积比值变化曲线图； 图6是实施例3中声发射信号特征小波频段能量分率&变化曲线图； 图7是实施例4中声发射信号能量均方差S变化曲线图1中，雾化喷嘴1、喷雾束2、固体挡板3、振动信号接收装置4、前置放大器5、放大器 6、带信号采集装置的计算机7。
具体实施例方式实施本发明方法的检测装置，包括振动信号接收装置、信号采集装置以及信号处理装置。其中振动信号接收装置为一个或多个振动换能器；信号采集装置为一个或多个信号采集卡(A/D转化器)；信号处理装置为带处理软件的处理器。振动信号接收装置的信号输出端与信号放大装置的输入端连接，信号放大装置的输出端与信号采集装置的输入端连接，所述的信号放大装置为一个或多个信号放大器。该信号放大器可以根据实际需要选择是否使用。振动信号接收装置包括声发射传感器、加速度传感器或它们的组合。声发射传感器的接收频率范围为1 kHflOO MHz，优选为1 kHfl MHz ；加速度传感器的接收频率范围为1 kHz 1 MHz，优选为1 kHz 100 kHz ；放大装置和信号采集装置放大范围为广10000倍， 优选为广100倍。液体雾化质量的检测方法的步骤如下
1)液体从雾化喷嘴喷出，在垂直于雾化液滴喷射方向处设置一固体挡板，固体挡板与雾化喷嘴之间距离可调节；
2)在固体挡板背面的喷雾束撞击截面区域沿径向设置一个或多个振动信号接收装置， 采集雾化液滴撞击挡板产生的振动信号；
3)选取振动信号的频率八能量万、功率谱图高频峰与低频峰面积比/ 、特征小波频段内的能量分率A、能量均方差s作为特征变量；
4)根据特征变量随液体喷射速度、液体流量或液体压力的变化趋势判断液体雾化质量，以液体喷射速度、液体流量或液体压力为横坐标，以振动信号能量A功率谱图高频峰与低频峰面积比《、特征小波频段内的能量分率&或者能量均方差s为纵坐标作图，获得雾化状态表征曲线，当振动信号能量A趋于平稳并开始缓慢上升，或者功率谱图高频峰与低频峰面积比由缓慢上升转变为迅速增大，或者特征小波频段内的能量分率&由缓慢上升转变为迅速增大，或者能量均方差s开始上升并趋于平稳时，进入使雾化液体充分破碎成小液滴，液滴粒径接近破碎极限值、液滴分布均勻的雾化状态；
5)采集不同粒径4的雾滴撞击挡板产生的振动信号，对振动信号进行小波或小波包分解获得不同粒径对应的特征频段/；，建立雾滴粒径4与振动信号不同频率分段之间的对应关系，通过计算各特征频段上的能量分率&获得雾滴的粒径分布。选取振动信号能量iM乍为特征变量是指分析设置在喷雾束截面中心区域的接收装置采集到的振动信号，利用快速傅里叶变换(FFT)做频谱分析，求得振动信号的平均能量作为特征变量。功率谱图分析方法是将原始的振动信号平均分为 段，对每一段进行FFT分析然后叠加平均， 为采样频率与任一段信号所包含的功率谱点数的比值。选取特征小波频段的能量分率&作为特征变量是指，利用FFT分析振动信号的特征频率范围，对振动信号进行若干尺度的小波分解，选取包含振动信号特征频率的小波频段作为特征小波频段，计算特征小波频段内的能量分率A作为特征变量。小波分解频段数为广256。选取能量均方差S作为特征变量是指采集喷雾束截面不同径向位置的振动信号， 分别计算能量尽，再求出能量均方差s作为特征变量。
如图1所示，液体雾化质量检测装置包括固体挡板3、振动信号接收装置4、前置放大器5、放大器6、带信号采集装置的计算机7 ；工作时，液体从雾化喷嘴1喷出形成喷雾束 2，喷雾束2垂直撞击固体挡板3，产生振动信号，振动信号由贴于固体挡板3后面的振动信号接收装置4采集，振动信号依次通过前置放大器5、放大器6接入计算机7，计算机7内安装信号采集卡和相应软件。实施例1
采用如图ι所示的检测装置，雾化喷嘴内径为1 mm，设置一个声发射传感器，设置位置如图2 (a)所示。液体喷出速度变化范围为(Γ120 m· s—1，选取6个不同液体喷出速度下的典型雾化状态，用摄像法拍摄喷雾束，如图3所示。声发射传感器接收雾化液滴撞击挡板产生的声发射信号，采样频率为500 kHz。选取声发射信号能量值作为特征值，对6种典型雾化状态下采集到的声发射信号进行分析，计算其能量值仏结果如图4所示。图3中随着液体喷出速度r的增大，液体雾化质量逐渐变好，在状态4时，液体破碎比较充分，液滴粒径接近极限值，且雾束分布均勻，液体进入良好雾化状态。图4中，随着液体雾化质量逐渐变好，声发射信号能量A首先迅速减小，达到状态4时趋于平稳并开始缓慢上升。对比图3与图4，当r = 78.9 m· S—1时，声发射信号能量万开始趋于平稳并缓慢上升，液体进入良好雾化状态。因此，利用声发射信号能量值的变化可以准确检测液体雾化质量。实施例2
采用如图1所示的检测装置，检测条件与实施例1相同。对声发射信号进行功率谱分析，功率谱图在频率(Γ5 kHz处产生低频峰，在频率11(T170 kHz处产生高频峰。计算不同雾化状态下功率谱图高频峰与低频峰面积比《，结果如图5所示。图5中，随着液体雾化质量逐渐变好，功率谱图高频峰与低频峰面积比《缓慢上升，当r = 78. 9 m · s—1时，/7开始迅速增大，曲线的转折点对应于喷雾进入良好雾化状态，因此，利用声发射信号功率谱图高频峰与低频峰面积比的变化可以准确检测液体雾化质量。实施例3
采用如图1所示的检测装置，检测条件与实施例1相同。利用小波分解将声发射信号分为8个频段，如表1所示。对声发射信号进行FFT分析，对比小波分解频段，发现第二小波频段的频率范围对应于FFT分析得到的特征频率，于是选取第二小波频段的声能量分率怂作为特征变量，其随液体雾化质量的变化关系如图6所示。图6中，随着液体雾化质量逐渐变好，特征小波频段能量分率A缓慢上升，当r = 78.9 m· s—1时，TPj开始迅速增大，曲线的转折点对应于良好雾化状态，因此，利用声发射信号特征小波频段能量分率的变化可以准确检测液体雾化质量。表1声发射信号的8频段小波分解
权利要求
1.一种液体雾化质量的检测方法，其特征在于它的步骤如下1)液体从雾化喷嘴喷出，在垂直于雾化液滴喷射方向处设置一固体挡板，固体挡板与雾化喷嘴之间距离可调节；2)在固体挡板背面的喷雾束撞击截面区域沿径向设置一个或多个振动信号接收装置， 采集雾化液滴撞击挡板产生的振动信号；3)选取振动信号的频率八能量万、功率谱图高频峰与低频峰面积比/K特征小波频段内的能量分率A、能量均方差s作为特征变量；4)根据特征变量随液体喷射速度、液体流量或液体压力的变化趋势判断液体雾化质量，以液体喷射速度、液体流量或液体压力为横坐标，以振动信号能量A功率谱图高频峰与低频峰面积比《、特征小波频段内的能量分率&或者能量均方差s为纵坐标作图，获得雾化状态表征曲线，当振动信号能量A趋于平稳并开始缓慢上升，或者功率谱图高频峰与低频峰面积比由缓慢上升转变为迅速增大，或者特征小波频段内的能量分率&由缓慢上升转变为迅速增大，或者能量均方差s开始上升并趋于平稳时，进入使雾化液体充分破碎成小液滴，液滴粒径接近破碎极限值、液滴分布均勻的雾化状态；5)采集不同粒径4的雾滴撞击挡板产生的振动信号，对振动信号进行小波或小波包分解获得不同粒径对应的特征频段/；，建立雾滴粒径4与振动信号不同频率分段之间的对应关系，通过计算各特征频段上的能量分率&获得雾滴的粒径分布。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于所述的振动信号接收装置为声发射传感器、加速度传感器或为它们的组合。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于所述的振动信号按频率分解为广256 个频段。
4.根据权利要求1和2所述的检测方法，其特征在于所述的声发射传感器的接收频率为1 kHz 100 MHz，加速度传感器的接收频率为1 kHz 1 MHz0
全文摘要
本发明公开了一种液体雾化质量的检测方法，包括以下步骤1)在垂直于雾化液滴喷射方向处设置一固体挡板；2)挡板背面设置振动信号接收装置，采集雾化液滴撞击挡板或壁面产生的振动信号；3)选取振动信号的频率f、能量E、功率谱图高频峰与低频峰面积比n、特征小波频段内的能量分率RJ、能量均方差s作为特征变量；4)根据特征变量变化趋势判断液体雾化质量的变化以及确定良好的雾化状态；5)根据振动信号特征频段能量分率获得雾滴粒径分布。本发明环保安全，适用范围广，装置安装方便，操作简单，反应灵敏，测量误差小，可实现实时在线监测，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。
文档编号G01N15/02GK102262040SQ20111010647
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者何乐路, 周业丰, 唐玥祺, 孙婧元, 张擎, 楼佳明, 王靖岱, 蒋云涛, 蒋斌波, 阳永荣, 黄正梁 申请人:浙江大学