[发明专利]一种基于超声衰减谱的混合固体颗粒粒径和浓度的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声检测技术，特别涉及一种基于超声衰减谱原理测量液体或气体介质中固体混合颗粒粒径和浓度的方法。

背景技术

颗粒是指在一定尺寸范围内具有特定形状、处于分割状态的几何体，可以是固体、液体，也可以是气体，本发明针对对象为固体颗粒，如燃烧用的水煤浆中固体颗粒、化学反应中的固体结晶体等。两相体系中颗粒粒径和浓度对现代工业生产如能源、环境、材料、生物、化工等领域有极其重要的意义。生产过程中具有合适粒径和浓度的颗粒不仅可以提高生产效率，保证产品质量，还可以节约能源，减少污染排放。

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。超声波在由连续相和离散颗粒相组成的颗粒两相体系中的传播规律与颗粒物的粒径和浓度有关，所以可用作颗粒粒径和浓度的测量。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。目前常规的超声波测量颗粒浓度方法是利用声衰减谱原理进行测量，在测量过程中需要通过假设理论模型计算理论超声衰减谱，并将其和实验超声衰减谱进行吻合度比较并据此确定颗粒粒径和浓度。粒径可以用颗粒半径的方式表示，浓度用体积浓度表示。现有模型往往仅考虑了单种颗粒物测量中的建模，没有考虑到颗粒系包含有两种类型颗粒的情况，因此并不适用于有两种颗粒的混合颗粒系粒径和浓度测量，本发明通过蒙特卡罗方法建立一种混合颗粒理论模型并用于计算超声波衰减谱，结合混合颗粒两相体系的超声衰减谱测量和最优化计算，从而发明一种用超声衰减谱测量混合固体颗粒粒径和浓度方法。

发明内容

本发明是针对现有超声波测量颗粒浓度方法存在的问题，提出了一种通过蒙特卡罗方法进行混合颗粒系建模，计算理论超声衰减谱，结合混合颗粒两相体系的超声衰减谱测量和最优化计算，从而发明一种用超声衰减谱测量混合固体颗粒粒径和浓度方法。

本发明的技术方案为：一种基于超声衰减原理测量液体或气体介质中固体颗粒粒径和浓度的方法，包括如下步骤：

1)测量在测量区中有两种类型固体颗粒A和B的情况下的实验测量超声波衰减谱α(f),其中f为超声波频率；

2)计算颗粒和声波作用的消声系数K_ext；

3)判断颗粒类型：是A颗粒或是B颗粒；

利用消声系数判断声子是被吸收还是被散射；

4)计算散射的声子散射出射角θ_M1；

5)利用步骤4)的结果继续计算理论超声衰减谱；

6)根据理论超声衰减谱以及实验测量超声衰减谱构造目标函数求解颗粒粒径和体积浓度。

具体的来讲：

1)、如图1所示，在激励电路作用下超声波发射换能器T1发出一束脉冲超声波，在距离其L布置超声波接收换能器R1，超声波发射换能器到接收换能器区域为测量区。在测量区中不含颗粒情况下，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记录，信号强度为I_0e，如测量区中有两种类型固体颗粒A和B，其体积混合比为体积浓度为C_V，颗粒系整体平均半径为R，其中混合比数值已知，浓度和平均粒径为待测量，超声波信号通过颗粒两相体系时，超声波接收换能器记录超声波强度信号I_1e，对于超声脉冲波，通过快速傅里叶变换获得多个频率下信号强度谱，对应不同频率分别用式α＝ln(I_0e/I_1e)/2L计算即获得超声波衰减谱α(f),单位奈培/米，f为超声波频率；

2)、理论上，通过下述公式计算颗粒和声波作用的消声系数K_ext：

其中，k＝2πf/c为声波波数，σ＝πR²为颗粒投影面积，Re()为取实部运算，A_n为第n阶散射系数，通过Alex E.Hay和Douglas G.Mercer方法计算；对于A和B两种不同颗粒，由于其物性参数密度ρ、声速c、剪切模量μ不同，其消声系数也不相同，分别记为K_ext,A和K_ext,B；