一种超声粒径分析仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种超声粒径分析仪，包括相互独立的超声波发射接收器和超声探测装置，以及用于实时监测发射和接收的超声波信号的示波器和用于数据处理的计算机，其中，所述超声探测装置、示波器、计算机分别与超声波发射接收器一一对应相接，所述超声探测装置为可浸入样品中进行测量的反射式超声探头或透射式超声探头，或可直接加在现有管道中测量流动样品的流体探测单元。本实用新型是一种无损测量，快速、可靠，无需对样品进行稀释，尤其适用于高浓度、不透明的样品。
【专利说明】 一种超声粒径分析仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及颗粒粒径测量的【技术领域】，尤其是指一种超声粒径分析仪。
【背景技术】
[0002]在许多工业部门中与细微颗粒密切相关的技术问题有待解决:如涂料中的颜色颗粒，其粒度对涂料的着色力，遮盖力，成膜能力及稳定性有着很大的影响等等。颗粒粒径的测量是其中最基本的也是最重要的一个方面。除此之外，对颗粒浓度的测量也很重要。
[0003]目前常用的颗粒粒径测量的方法有:筛选法、显微镜法、全息照相法、电感应法、沉降法和光散射法。上述测量方法中多数都需要取样进行测量，虽然光散射法可以用于在线测量并具有测量速度快，容易进行数据处理等优点。但是另一方面由于光的穿透性弱，采用光散射法测量需要控制测量的条件，尤其是被测颗粒的浓度。利用超声对颗粒进行测量，不但具有光散射法的种种优点，而且由于声波可以穿透大多数物质，可以在有色甚至是不透明的物质内进行传播，因此超声测量是一种无需稀释、快速、可靠的在线颗粒粒径分布测量技术。
[0004]人耳可听见的声波频率从20Hz到20KHz。低于20Hz的声波被称为次声波，高于20KHz的声波称为超声。超声在原理上的特征与可听见的声波相类似。它是一种机械振动波。当超声在传播的过程中遇到颗粒其能量会有损失，称为衰减。主要原因有:吸收损失，散射，粘性损失，热损失和电声损失等。不同的损失机理可以通过定义一个总的衰减系数αI来作为各种裳减的总和:
[0005]α τ = a visc+ a therm+ α intr+ α sca
[0006]而总的衰减系数S可以通过测量，计算得到:
[0007]α T = -1/1 ln(p/p0)
[0008]其中I是超声传播的距离，Ptl是初始的超声振幅，P是传播I距离后的超声振幅。而衰减系数ατ与颗粒大小和浓度的关系，已有许多模型针对不同的条件进行了描述。其中代表性的模型有:ECAH 模型(Epstein and Carhart 1953 ;Allegra and Hawley 1972)，Foldy 模型(Foldy 1945) ；Waterman and Truell 模型(Waterman and Truell 1961),Lloyd and Berry 模型(Lloyd and Berry 1967), Harker and Temple 模型(Harker andTemple 1988 ；Harker, Schofield et al.1991), Evans and Attenborough 模型(Evans andAttenborough 1997),核壳模型(Povey 1997 ；Challis, Povey et al.2005), Dukhin andGoetz 模型(Dukhin and Goetz 1996 ；Dukhin and Goetz 2OO2) ,Urick 模型(Urick 1947)和 Urick and Ament 模型(Urick and Ament 1949)。
[0009]有关利用超声来测量在悬浮液中颗粒粒径分布的专利(和设备)国外已经有很多报道了。第一篇有关应用超声来测量颗粒粒径分布的专利是由安德森和卡斯曼等人在1973年提出的。专利包括了使用两个不同频率的超声波束的技术。从那以后，出现了很多与超声相关的专利，其中包括Andersson, Kahara et al.(1983), (Riebel1987),Alba (1991),Dukhin and Goetz (2000) ；Dukhin and Goetz (2002)和Prakash, Shukla et al.(2012)。其中大多数专利在运用衰减普来测量粒径分布是和Shukla等(2012)人的方法非常相似，都采用了脉冲信号。不同的是对于信号的处理方法。而且在以上所有的专利中，利用超声来测量粒径分布都有如下的不足:
[0010]1、现有的超声硬件通常没有利用超声无损探测的优势并且通常需要采样或者增加很长的流程来测量。
[0011]2、缺乏一种模型来正确描述在不同的材料,声音频率和分散相浓度中超声的相互作用，现有的模型要么仅适用于长波段的情况，或者在低浓度的情况。
[0012]3、衰减谱的反演涉及到有多个高度非线性本地解的优化问题的求解，这类问题往往没有普通解。
[0013]4、在利用超声数据来获得颗粒粒径分布中的“不明确”问题，这是因为几种不同的颗粒粒径分布会得到相同的超声衰减谱，这一点已被广泛的报导过，这使得在某些应用中，几乎不可能得到真正的粒径分布。
[0014]此外，当超声波信号经过悬浮液时，信号会被其中的颗粒散射和反射，信号的强度也会随之被削弱。削弱的强度和超声波的波长，振幅及颗粒大小有关。通过快速傅里叶分析最终接收到的超声信号从而得到颗粒的粒径分布及体积百分比。由于超声信号处理技术门槛很高，目前只有少数国外产品(马尔文ultrasizer)。但是它的缺点很明显。超声波发射接收器和超声探测装置是一体的造成仪器过大从而只能离线测量或者需要外接管路进行在线测量。
【发明内容】
[0015]本实用新型的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提供一种高效、可靠、性能优越的超声粒径分析仪，无需对样品进行稀释，尤其适用于高浓度、不透明的样品。
[0016]为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为:一种超声粒径分析仪，包括相互独立的超声波发射接收器和超声探测装置，以及用于实时监测发射和接收的超声波信号的示波器和用于数据处理的计算机，其中，所述超声探测装置、示波器、计算机分别与超声波发射接收器一一对应相接，所述超声探测装置为可浸入样品中进行测量的反射式超声探头或透射式超声探头，或可直接加在现有管道中测量流动样品的流体探测单元。
[0017]所述反射式超声探头包括有探寻管、超声脉冲发射接收传感器以及带超声反射镜面的传感器支架，其中，所述超声脉冲发射接收传感器装于传感器支架上，其一端与探寻管连接，其另一端朝向超声反射镜面，且所述超声脉冲发射接收传感器和超声反射镜面的距离可调。
[0018]所述透射式超声探头包括有探寻管、超声脉冲发射传感器、超声脉冲接收传感器和传感器支架，其中，所述超声脉冲发射传感器和超声脉冲接收传感器分别装于传感器支架上，并相向对置，且它们之间的距离可调，所述超声脉冲发射传感器与探寻管连接。
[0019]所述流体探测单元采用透射模式，包括有样品流动单元、超声脉冲发射传感器和超声脉冲接收传感器，其中，所述样品流动单元内设有供流动样品流过的主通道，其两侧分别设有与主通道连通的两分支，所述超声脉冲发射传感器和超声脉冲接收传感器分别装于样品流动单元的两分支上，且它们之间的距离可调。
[0020]本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果:
[0021]本超声粒径分析仪是一种无损测量，快速、可靠，无需对样品进行稀释，尤其适用于高浓度、不透明的样品。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本实用新型所述超声粒径分析仪的结构示意图。
[0023]图2为本实用新型所述反射式超声探头的结构示意图。
[0024]图3为本实用新型所述透射式超声探头的结构示意图。
[0025]图4为本实用新型所述流体探测单元的结构示意图。
[0026]图5为测量二氧化钛标准样品的NIST参考数据与本超声粒径分析仪和马尔文mastersizer 3000的测试结果对比图。
[0027]图6为测量二氧化钛标准样品的本超声粒径分析仪和马尔文mastersizer3000的测试结果对比图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
[0029]如图1所示,本实施例所述的超声粒径分析仪,包括相互独立的超声波发射接收器和超声探测装置，以及用于实时监测发射和接收的超声波信号的示波器和用于数据处理的计算机，所述超声探测装置采用反射模式或透射模式，可根据需要浸入样品中进行测量或直接加在现有管道中测量。
[0030]工作时，超声波发射接收器首先发出高频(ΙΜΗζ-ΙΟΟΜΗζ)超声波信号，经过超声探测装置在悬浮液中传播，遇到颗粒后改变其强度，后又传回超声波发射接收器，此时，示波器实时监测发射和接收的超声波信号，最后这些数据传到计算机中由本系统的软件部分进行实时处理并给出超声波衰减谱，颗粒粒径分布和分散相(颗粒)的体积分数等数据。
[0031]所述的超声探测装置有三种不同的结构，以适用于各个不同的测试条件，且无需增加额外的管路。其中一种为反射式超声探头，另一种为透射式超声探头，它们都可浸入样品中进行测量。第三种是流体探测单元，它采用透射模式，具有体积小，可直接加在现有管道中。
[0032]如图2所示，所述反射式超声探头包括有探寻管101、超声脉冲发射接收传感器102以及带超声反射镜面103的传感器支架104，其中，所述超声脉冲发射接收传感器102装于传感器支架104上，其一端与探寻管101连接，其另一端朝向超声反射镜面103，且所述超声脉冲发射接收传感器102和超声反射镜面103的距离可以在一定范围内自由调节，超声脉冲信号经由探寻管101和超声脉冲发射接收传感器102与样品相互作用后，遇到超声反射镜面103返回再和样品作用并被超声脉冲发射接收传感器102接收、传递。不同长度的探寻管(2英寸到16英寸)可以插入不同深度的容器之中。
[0033]如图3所示，所述透射式超声探头包括有探寻管201、超声脉冲发射传感器202、超声脉冲接收传感器203和传感器支架204，其中，所述超声脉冲发射传感器202和超声脉冲接收传感器203分别装于传感器支架204上，并相向对置，且它们之间的距离可以在一定范围内自由调节，所述超声脉冲发射传感器202与探寻管201连接，超声脉冲信号经由探寻管201和超声脉冲发射传感器202与样品相互作用，透射过的信号由超声脉冲接收传感器203接收、传递。
[0034]如图4所示，所述流体探测单元包括有样品流动单元301、超声脉冲发射传感器302和超声脉冲接收传感器303，其中，所述样品流动单元301内设有供流动样品流过的主通道，其两侧分别设有与主通道连通的两分支，所述超声脉冲发射传感器302和超声脉冲接收传感器303分别装于样品流动单元301的两分支上，且它们之间的距离可以在一定范围内自由调节，超声脉冲信号经由超声脉冲发射传感器302和流动样品相互作用，透射过的信号由超声脉冲接收传感器303接收、传递。当流动样品流经该单元时，样品即可被测量，特别适合工业生产中的在线测量，并且为了防止泄漏，采用密封圈来密闭传感器和样品流动单元单元之间的缝隙，本流体探测单元非常紧凑，仅增加不到3英寸的样品路径长度。
[0035]现在，我们以二氧化钛标准样品为例进行说明，二氧化钛标准样品是由英国国家科学技术研究院提供(标号为8988)。该研究院并提供基于激光散射(LLS,马尔文Mastersizer 2000)和x光圆盘式离心粒度仪(XDC, Brookhaven仪器)技术的颗粒粒径分布结果。我们运用了激光散射(马尔文Mastersizer 3000)，扫描电镜(SEM)和本超声粒径分析仪对二氧化钛标准样品进行了测量，其测试结果如图5和图6所示，从图中可知，测试结果表明对于二氧化钛标准样品的测量，本超声粒径分析仪的结果与世界主流的粒度仪(马尔文Mastersizer) —致,甚至优于其结果,值得推广。
[0036]以上所述实施例子只为本实用新型较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。
【权利要求】
1.一种超声粒径分析仪，其特征在于:包括相互独立的超声波发射接收器和超声探测装置，以及用于实时监测发射和接收的超声波信号的示波器和用于数据处理的计算机，其中，所述超声探测装置、示波器、计算机分别与超声波发射接收器一一对应相接，所述超声探测装置为可浸入样品中进行测量的反射式超声探头或透射式超声探头，或可直接加在现有管道中测量流动样品的流体探测单元。
2.根据权利要求1所述的一种超声粒径分析仪，其特征在于:所述反射式超声探头包括有探寻管(101)、超声脉冲发射接收传感器(102)以及带超声反射镜面(103)的传感器支架(104)，其中，所述超声脉冲发射接收传感器(102)装于传感器支架(104)上，其一端与探寻管(101)连接，其另一端朝向超声反射镜面(103)，且所述超声脉冲发射接收传感器(102)和超声反射镜面(103)的距离可调。
3.根据权利要求1所述的一种超声粒径分析仪，其特征在于:所述透射式超声探头包括有探寻管(201)、超声脉冲发射传感器(202)、超声脉冲接收传感器(203)和传感器支架(204)，其中，所述超声脉冲发射传感器(202)和超声脉冲接收传感器(203)分别装于传感器支架(204)上，并相向对置，且它们之间的距离可调，所述超声脉冲发射传感器(202)与探寻管(201)连接。
4.根据权利要求1所述的一种超声粒径分析仪，其特征在于:所述流体探测单元采用透射模式，包括有样品流动单元(301)、超声脉冲发射传感器(302)和超声脉冲接收传感器(303)，其中，所述样品流动单元(301)内设有供流动样品流过的主通道，其两侧分别设有与主通道连通的两分支，所述超声脉冲发射传感器(302)和超声脉冲接收传感器(303)分别装于样品流动单元(301)的两分支上，且它们之间的距离可调。
【文档编号】G01N15/02GK204116176SQ201420420260
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】王学重, 阿基诺拉佛罗拉 申请人:王学重