[發明專利]一種基于超聲脈動原理測量顆粒粒徑和濃度的方法

在審

• 申請號: 201410238152.5
• 申請日: 2014-05-30
• 公開（公告）號: CN103983549A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 蘇明旭;李永明;蔡小舒;袁安利
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02;G01N15/06
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 吳寶根

技術領域

本發明涉及一種超聲檢測技術，特別涉及一種基于超聲脈動原理測量顆粒粒徑和濃度的方法。

背景技術

顆粒是指在一定尺寸范圍內具有特定形狀的幾何體，可以是固體、液體，也可以是氣體，如電廠鍋爐中的煤粉、汽輪機中的液滴、大氣中的粉塵、血液中的紅血球、牛奶中的蛋白質等。兩相體系中顆粒粒徑和濃度對現代工業生產如能源、環境、材料、生物、化工等領域有極其重要的意義。生產過程中具有合適粒徑和濃度的顆粒不僅可以提高生產效率，保證產品質量，還可以節約能源，減少污染排放。

超聲檢測技術是利用超聲波來進行各種檢測和測量的技術。超聲波在兩相體系中的傳播規律與顆粒物的粒徑和濃度有關，所以可用作顆粒粒徑和濃度的測量。相比于其它原理的顆粒測量方法如電感應法、圖像法、光散射法等測量方法，超聲波具有強的穿透力，可在有色甚至不透明的物質中傳播并具有測量速度快，容易實現測量和數據的自動化等優點，超聲波傳感器價格低且耐污損，測量系統簡單方便。目前常規的超聲波測量顆粒濃度方法是利用聲衰減譜和聲發射原理進行測量。聲衰減譜方法中接收換能器必須要接收到良好的多頻寬帶超聲信號，才能保證測量的準確度，而對于大管道或高衰減介質的情況，此方法效果不佳；聲發射方法不需要主動聲源，但必須保證兩相體系中的顆粒發射出聲信號，此方法對于靜止的兩相體系不適用。

發明內容

本發明是針對現有超聲波測量顆粒濃度方法存在的問題，提出了一種基于超聲脈動原理測量顆粒粒徑和濃度的方法，入射超聲波由于受到顆粒介質的散射和吸收，透射聲波強度會衰減，采用聚焦超聲波并且將測量區布置在超聲波聚焦聲束段，當顆粒粒徑與超聲波聚焦聲束直徑之比控制在0.1-20范圍內，通過其中的顆粒的數目和粒徑隨時間變化，透射聲強也會隨時間起伏變化，產生聲脈動效果，這種超聲信號的隨機脈動與在測量瞬間處于超聲波聚焦聲束測量區中的顆粒粒徑和數目有關，測出透射超聲波強度的隨機變化序列并進行統計分析、就可以應用超聲脈動理論求得顆粒的平均粒徑和濃度。

本發明的技術方案為：一種基于超聲脈動原理測量顆粒粒徑和濃度的方法，具體包括如下步驟：

1）、如圖1?所示，用一焦距為F超聲波聚焦換能器，激發出一束連續波，在距離其焦距F的位置能量聚焦到最大，焦距處的聚焦聲束直徑???????????????????????????????????????????????，聚焦段處的截面積為，超聲波的發射和接收超聲換能器距離為L,顆粒平均粒徑為，顆粒的體積濃度為，超聲波接收換能器記錄其入射超聲波強度信號為E₀，當有顆粒通過時，在一段時間范圍內記錄由超聲波接收換能器測量隨時間脈動的透過的超聲波強度信號E（t），由式獲得透過超聲波強度信號與入射超聲波強度的比值，即聲透比；

2）、接收超聲換能器獲得顆粒通過測量區時的信號，測量區為聚焦點前后2mm的聲束通過區域，經處理得到的聲透比脈動信號和代入的表達式即可以獲得實驗測量值，

其中聲透比的期望值：

??

聲透比平方期望值：

?；

3）、根據公式，經過數值計算得到特征函數，為積分變量，是第一類貝塞爾函數，是聲強在超聲波聚焦聲束段的分布因子，其值為；

4）、根據步驟3）得出的數值計算結果作與的函數曲線，將步驟2）所得實驗測量值放入函數曲線上去查找對應的值；

5）、根據，已知超聲波聚焦聲束直徑即可求出顆粒粒徑，進一步根據公式(5)可得顆粒的體積濃度。

本發明的有益效果在于：本發明基于超聲脈動原理測量顆粒粒徑和濃度的方法，測量系統結構簡單、廉價，方法可實現在線測量，可用于實驗室科學研究，特別適用于工業現場的應用，相比于其它原理的顆粒測量方法如電感應法、圖像法、光散射法等，超聲波具有強的穿透力，在光學不透明介質或高濃度顆粒測試條件下，本發明的應用具有非常明顯的優勢。

附圖說明

圖1為本發明測量原理示意圖；

圖2為本發明聲脈動信號示意圖。

具體實施方式