[發(fā)明專利]一種變截面的粉塵擴散濃度解算系統(tǒng)及超聲檢測優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910585020.2
• 申請日: 2019-07-01
• 公開（公告）號: CN110308079B
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發(fā)明（設計）人: 婁文忠;付勝華;李楚寶;陳朝輝
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01N15/06
• 分類號: G01N15/06;G01P5/20;G01N29/44;G01N29/032;G01N15/00
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

1.一種變截面管道的粉塵擴散濃度解算系統(tǒng)，其特征在于，所述變截面管道的粉塵擴散濃度解算系統(tǒng)包括：變截面管道、第一和第二壓力表、高速攝像機、計算機、集成處理電路和超聲檢測傳感器；其中，變截面管道采用透明的材料，變截面管道包括截面直徑不同同軸連接的第一管道和第二管道，二者之間平滑連接，第一管道的截面積為A₁，第二管道的截面積為A₂；在第一管道和第二管道的內(nèi)壁分別安裝第一和第二壓力表；第一和第二壓力表分別連接至計算機；在變截面管道外設置高速攝像機，高速攝像機連接至計算機；超聲檢測傳感器設置在變截面管道的內(nèi)壁上，超聲檢測傳感器包括脈沖超聲發(fā)射換能器和脈沖超聲接收換能器，分別設置在相對的內(nèi)壁上，二者之間的距離為L；超聲檢測傳感器通過集成處理電路連接至計算機；超聲檢測傳感器感知粉塵擴散的脈沖超聲波衰減系數(shù)；粉塵在變截面管道中擴散，視為粉塵顆粒和空氣的氣-固兩相混合物作為一個整體的均勻混合物同步運動；高速攝像機透過變截面管道，拍攝粉塵擴散過程的圖像，將圖像實時傳輸至計算機，計算機通過圖像得到分別在第一和第二管道中的粉塵擴散速度v₁和v₂；通過第一和第二壓力表采集第一管道和第二管道內(nèi)的壓力p₁和p₂，實時傳輸至計算機；計算機根據(jù)伯努利流體原理和粉塵擴散的連續(xù)性進行計算，通過第一和第二管道的截面積A₁和A₂、第一和第二管道中的粉塵擴散速度v₁和v₂以及第一管道和第二管道內(nèi)的壓力p₁和p₂，實時得到粉塵擴散濃度ρ。

2.如權(quán)利要求1所述的變截面管道的粉塵擴散濃度解算系統(tǒng)，其特征在于，所述變截面管道采用透明的聚氯乙烯(PVC)硬管。

3.如權(quán)利要求1所述的變截面管道的粉塵擴散濃度解算系統(tǒng)，其特征在于，粉塵擴散濃度ρ：

其中，k為粉塵擴散摩擦系數(shù)。

4.一種如權(quán)利要求1所述的變截面管道的粉塵擴散濃度解算系統(tǒng)的濃度解算方法，其特征在于，所述濃度解算方法包括以下步驟：

1)計算機控制高速攝像機與第一和第二壓力表同步；

2)粉塵在變截面管道中擴散，視為粉塵顆粒和空氣的氣-固兩相混合物作為一個整體的均勻混合物同步運動，第一和第二管道的截面積分別為A₁和A₂；

3)高速攝像機透過變截面管道，拍攝粉塵擴散過程的圖像，將圖像實時傳輸至計算機，計算機通過圖像得到分別在第一和第二管道中的粉塵擴散速度v₁和v₂；

4)通過第一和第二壓力表采集第一管道和第二管道內(nèi)的壓力p₁和p₂，實時傳輸至計算機；

5)計算機根據(jù)伯努利流體原理和粉塵擴散的連續(xù)性進行計算，通過第一和第二管道的截面積為A₁和A₂、第一和第二管道中的粉塵擴散速度v₁和v₂以及第一管道和第二管道內(nèi)的壓力p₁和p₂，實時得到粉塵擴散濃度ρ：

其中，k為粉塵擴散摩擦系數(shù)。

5.一種如權(quán)利要求1所述的變截面管道的粉塵擴散濃度解算系統(tǒng)的超聲檢測優(yōu)化方法，其特征在于，所述超聲檢測優(yōu)化方法包括以下步驟：

1)計算機控制集成處理電路向脈沖超聲發(fā)射換能器發(fā)出脈沖電信號，脈沖超聲發(fā)射換能器接收到脈沖電信號并轉(zhuǎn)換為脈沖超聲波，并發(fā)送出脈沖超聲波；脈沖超聲波穿過空氣傳播，作為參考信號被脈沖超聲接收換能器接收，轉(zhuǎn)換為脈沖超聲模擬信號后傳輸至集成處理電路；集成處理電路經(jīng)過濾波放大并轉(zhuǎn)換成超聲數(shù)字信號后，傳輸至計算機，得到脈沖超聲波穿過空氣的參考信號的響應函數(shù)峰值Max{A_a}；

2)計算機控制高速攝像機、第一和第二壓力表以及超聲檢測傳感器同步；

3)粉塵在變截面管道中擴散，視為粉塵顆粒和空氣的氣-固兩相混合物作為一個整體的均勻混合物同步運動，第一和第二管道的截面積分別為A₁和A₂；

4)高速攝像機透過變截面管道，拍攝粉塵擴散過程的圖像，將圖像實時傳輸至計算機，計算機通過圖像得到分別在第一和第二管道中的粉塵擴散速度v₁和v₂；

5)通過第一和第二壓力表采集第一管道和第二管道內(nèi)的壓力p₁和p₂，實時傳輸至計算機；

6)計算機根據(jù)伯努利流體原理和粉塵擴散的連續(xù)性進行計算，通過第一和第二管道的截面積為A₁和A₂、第一和第二管道中的粉塵擴散速度v₁和v₂以及第一管道和第二管道內(nèi)的壓力p₁和p₂，實時得到粉塵擴散濃度ρ：

其中，k為粉塵擴散摩擦系數(shù)

7)同時，計算機控制集成處理電路在當前采樣時刻向脈沖超聲發(fā)射換能器發(fā)出脈沖電信號，脈沖超聲發(fā)射換能器接收到脈沖電信號并轉(zhuǎn)換為脈沖超聲波，并發(fā)送出脈沖超聲波；脈沖超聲波穿過粉塵傳播，脈沖衰減信號被脈沖超聲接收換能器接收，轉(zhuǎn)換為脈沖超聲模擬信號后傳輸至集成處理電路；集成處理電路經(jīng)過濾波放大并轉(zhuǎn)換成超聲數(shù)字信號后，傳輸至計算機，計算機得到脈沖超聲波穿過粉塵的脈沖衰減信號的響應函數(shù)峰值Max{A_d}；

8)根據(jù)計算機以脈沖超聲波穿過空氣的參考信號的響應函數(shù)峰值Max{A_a}作為參考，得到脈沖超聲波衰減系數(shù)測量值

9)根據(jù)粉塵透射衰減傳遞函數(shù)T滿足：

并且：

Z_a為空氣的聲阻抗，Z_a＝ρ_aV_a，Z_d為粉塵的聲阻抗，Z_d＝ρV_d，k₁為透射系數(shù)，V_d為脈沖超聲波透過粉塵顆粒的速度；

得到：

從而，根據(jù)求得的粉塵擴散濃度ρ，得到修正后的透射系數(shù)k₁。