气液两相流中气泡大小、数目和运动速度的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种超声检测技术，特别涉及一种气液两相流中气泡大小、数目和运 动速度的测量方法。
【背景技术】
[0002] 气泡有多种形成机理，并广泛存在于自然界和医疗、化工等各个领域，一般以气液 两相流的形式存在，这里气体是分散相，液体是分散介质。气泡的存在往往对医疗、化工等 领域具有很大的影响。例如，在输液的过程中，输液管中若有气泡的存在，气泡进入病人体 内就会对病人产生不利的影响，在气泡体积大于5mL时甚至会致病人死亡。因此，对于气液 两相流中气泡的检测很有必要。
[0003] 超声检测技术是利用超声波来进行各种检测和测量的技术。超声波在气液两相体 系中传播时，其衰减程度及衰减时间与气泡粒径的大小和气泡的运动速度有关，所以可用 作气泡粒径和运动速度的测量。相比于其它原理的颗粒测量方法如电感应法、图像法、光散 射法等测量方法，超声波具有强的穿透力，可在光学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的自动化等优点，超声波换能器价格低且耐污损，测量系统简单方 便。
[0004] 现有的气泡检测方法如图像法、光散射法容易受到介质透光性的影响，对于透光 性差、甚至不透光的介质无法检测到其中的气泡，而超声波具有很强的穿透力，很好的克服 了这一应用难题。另外，超声波气泡检测装置只需要安装一对儿超声换能器探头在待测的 管道和容器壁面上即可，安装方便，对管道和容器壁面是否透光，什么材质，没有特殊要求， 便于工业在线检测和应用，而图像法、光散射法则对光源、相机、待测介质以及实验安装条 件有着严格的要求，因此不便于实现在线测量和工业现场应用的需要。
【发明内容】
[0005] 本发明是针对的问题，提出了一种气液两相流中气泡大小、数目和运动速度的测 量方法，基于超声衰减原理，应用超声连续波以透射的方式，同时测量气泡粒径、数目和运 动速度。
[0006] 本发明的技术方案为：一种气液两相流中气泡大小、数目和运动速度的测量方法， 具体包括如下步骤：
[0007] 1)、液体装置中气泡从下向上升，超声波发射换能器Tl与超声波接收换能器Rl正 对，置于液体装置左右两侧，在激励电路作用下一侧的超声波发射换能器Tl发出一束连续 超声波，在另一侧超声波接收换能器Rl接收声波信号，超声波发射换能器到接收换能器之 间的柱形声波区域构成了测量区；当测量区中没有气泡通过时，超声波通过纯介质后由超 声波接收换能器接收并记录，信号强度为U当测量区中有气泡通过时，超声接收换能器Rl 接收到的声波信号减小，最小信号强度为I1，算得声波衰减幅度AI= 1。-11;
[0008] 2)、根据步骤1)得到的声波衰减幅度A I和初始声波信号强度I。，通过下述公式 计算气泡的粒径d，单位mm:
[0010] 其中，D为换能器端面直径，即声束直径，单位mm，
[0011]K为比例修正系数，由实验图像法标定获得；
[0012] 3)、当有气泡经过测量区时，超声波会发生衰减，一个气泡表现为一个声束信号的 凹陷，即超声接收换能器Rl接收到的声波信号的一次衰减波动，从Ic衰减到最小信号强度 为1:后，又恢复到Ic，此时判断气泡离开测量区，声波信号从Ic衰减到最小信号强度为I:再 恢复到I。所用时间为At,单位s，求得气泡的运动速度V，单位mm/s:
[0014] 其中，气泡经过测量区的时间At，由下式求得：
[0016] 式中，S为声波采样率，单位为个/秒，N为气泡开始进入至其完全离开测量区所采 集到的声波数据个数；
[0017] 4)、通过对连续波信号衰减次数的计数，即对应于经过测量区的气泡个数，可获得 一段时间内经过测量区的气泡个数，从而实现对气泡数目M的检测。
[0018] 本发明的有益效果在于：本发明气液两相流中气泡大小、数目和运动速度的测量 方法，测量系统结构简单、设备成本低，可实现在线测量，可用于实验室科学研究，特别适用 于工业现场的应用，相比于其它原理的气泡测量方法如电容法、光电法等，超声波具有性能 稳定、不受电路干扰、强的穿透力、可在光学不透明介质中传播并具有测量速度快，容易实 现测量和数据的自动化等特点，具有非常明显的优势。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明测量原理示意图；
[0020] 图2为本发明图像法气泡标定曲线图；
[0021] 图3为本发明连续超声波衰减示意图；
[0022] 图4为本发明气泡与换能器几何关系示意图；
[0023] 图5为本发明无气泡通过测量区时超声波信号图；
[0024] 图6为本发明两个气泡先后经过测量区时声波信号衰减图；
[0025] 图7为本发明一个气泡经过测量区时声波信号衰减图；
[0026] 图8为本发明标定实验实验装置正面示意图；
[0027] 图9为本发明标定实验实验装置侧面示意图。
【具体实施方式】
[0028] 超声波具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线定向传 播等特点。超声波在液体中传播时，传播过程中无明显能量衰减，在气液两相流中传播时， 由于气体的声阻抗比液体小很多，例如，水和空气的特性阻抗之比大约是3560,这种声阻 抗的差异就会导致超声波在不同介质面上的反射，进而造成能量的损失。本发明就是基于 超声波的衰减程度及衰减时间与气泡粒径的大小和气泡的运动速度之间的关系，发明了一 种测量气泡粒径和运动速度的方法。具体包括如下步骤：
[0029] 1)、如图1所示测量原理示意图，在激励电路作用下通道一侧的超声波发射换能 器Tl发出一束连续超声波，在通道的另一侧布置超声波接收换能器Rl，超声波发射换能器 到接收换能器之间的柱形声波区域构成了测量区。当测量区中没有气泡通过时，忽略连续 介质声吸收，超声波通过纯介质后由超声波接收换能器接收并记录，信号强度为U当测量 区中有气泡通过时，对超声波束产生"遮挡"作用，超声接收换能器Rl接收到的声波信号减 小，信号强度为I1。由此算得声波衰减幅度Al=Iid-I1。这种气泡对声波的"遮挡"作用是 由于在气液两相流中声波到达气液界面时，声波无法穿透气泡，只能被气泡散射和吸收所 造成的。
[0030] 2)、根据步骤1)得到的声波衰减幅度AI和初始声波信号强度I。，理论上通过下 述公式计算气泡的粒径d，单位mm:
[0032] 其中，D为换能器端面直径，即声束直径，单位mm。K为比例修正系数，由图像法标 定获得，标定曲线如图2所示，图中纵坐标S为拍摄到的气泡图片面积和声束截面积，K2 = 0. 4717油液中的修正系数，标定曲线为实验做出来的，标定方法前面已介绍，K2= 0. 4717 就是图2中标定曲线的斜率，所以K= 0. 6868。由于超声波在液体中和气体中的阻抗相差 很大，例如，水和空气的特性阻抗之比约为3560,因此，对于不同的液体，比例修正系数K可 视为一个定值。
[0033]3)、根据步骤1)所述，当有气泡经过测量区时，超声波会发生衰减，表现为声束信 号的凹陷。如图3,波形a-b段为超声发射换能器Tl发出的初始声束信号，信号强度为I。； 对应于b点为气泡开始进入测量区的时刻t0,此时声波由于受到气泡的"遮挡"开始发生 衰减，随着气泡的进入，气泡对声束的"遮挡"作用越来越大，声波信号强度的衰减也越来越 明显，到c点对应的时刻tl，气泡完全进入测量区，声波信号衰减达到最大，此时的信号强 度为I1;波形c-dl段为气泡离开测量区的过程，到dl点对应的时刻t2,气泡完全离开测量 区，此时测量区内没有气泡的影响，声波信号强度又恢复为初始信号强度U而波形dl-e 段为上一个气泡刚好离开到下一个气泡开始进入的过程，声波信号强度保持为Ic不变。当 有两个气泡同时出现在测量区时会产生声波衰减信号的畸变，表现为图3中，声波信号