[发明专利]多组分固液两相混合物组分浓度的超声检测系统和方法

说明书

技术领域

本发明属于超声检测领域，更具体地，涉及多组分固液两相混合物组 分浓度的超声检测系统和方法。

背景技术

多组分固液两相混合物具有组分多样、固含量高、颗粒粒径小和一定 流动性等特点，在建筑、食品、制药和航空航天等领域应用广泛。组分含 量是反映产品生产状态和质量的重要评价指标，研究组分含量的测量方法 是保障产品质量和生产效率的重要内容之一。

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。相比于其 它原理的测量方法如电感应法、图像法、光散射法等，超声波具有强的穿 透力，在光学不透明介质或高浓度颗粒测试条件下，超声检查技术具有明 显的优势。超声信号中蕴含着丰富的反映物质组成、结构和性质的信息， 使用合适的超声测量装置并在稳定的测试条件下，可通过测得该浓度对应 下的超声信号来获得悬浮液的浓度信息。

专利CN104849183A公开了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，该方法需要通过超声传播理论模型获得理论超声衰减谱， 但由于现有理论模型往往仅考虑了两组分的建模，没有考虑到包含有多种 组分的情况，因此并不适用于多组分固液两相混合物组分的浓度测量。专 利CN103278561B公开了一种通用型超声波液体浓度检测装置，该装置利用 超声波在不同的介质中传播的声速不同，根据已知的声程对被测液体中声 时进行测量。声速测量对溶液组分较为敏感，对多组分固液两相混合敏感 程度较低，难以分辨出不同固相组分的浓度。

多元溶液浓度检测逐步发展，通过借助多元回归等方法，已有成功利 用超声检测技术测量多元溶液组分浓度的报道。但由于多组分固液混合物 比多元溶液具有更加复杂的超声传播机理，造成多组分悬浮液浓度检测困 难重重，目前国内外对多组分悬浮液浓度的超声检测方法还未报到。而在 实际工业生产中，较多固液混合物都是复杂的多组分体系。对于多组分固 液两相混合物，由于多组分悬浮液的物化特性与超声特性之间存在着复杂 的函数关系，且超声信号中的重要信息容易被掩盖，使得超声信号与待测 物质特性之间的定量关系难以直接建立。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超声检测系 统和方法，其中结合多组分固液两相混合物组分浓度检测特点，相应设计 了适用于多组分固液两相混合物组分浓度的超声检测系统和方法，并通过 对其关键组件如反射板与缓冲块结构参数的研究和设计，以实现超声信号 的有效获取，并利用超声信号实现多组分固液两相混合物组分浓度的快速 在线测量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了多组分固液两相混 合物组分浓度的超声检测系统，其包括依次相连的超声换能器、脉冲发生 接收仪、数据采集系统和数据处理系统，其中，超声换能器固连有缓冲块， 所述缓冲块的下方设置有反射板，该缓冲块的下表面与反射板的上表面平 行，并且该缓冲块与反射板之间的区域作为测试区域。

作为进一步优选的，所述反射板的上表面为平面，下表面为圆锥形， 该圆锥形的圆锥角度为θ，并满足下式要求：

式中：D为缓冲块的直径，L₂为缓冲块的下表面到反射板上表面的距 离。

作为进一步优选的，缓冲块下表面到反射板上表面的距离为L₂，满足 下述条件：

其中，L₁为缓冲块的厚度；C₁为超声波在缓冲块中的传播速度；C₂为 超声波在测量混合物中的传播速度；T₁为缓冲块反射超声信号的衰减周期， T₂为反射板反射超声信号的衰减周期；k为缓冲块反射超声信号的次数。

作为进一步优选的，所述缓冲块由容器的壁面代替，反射板也由容器 的壁面代替，两壁面间为测量区域，且两壁面相互平行。

作为进一步优选的，所述超声换能器采用宽带平面超声换能器，中心 频率为2.25MHz。

作为进一步优选的，所述缓冲块采用有机玻璃PMMA制成。

作为进一步优选的，所述反射板由声阻抗远大于待测介质的材料制成， 优选由铝材或不锈钢制成。

按照本发明的另一方面，提供了一种多组分固液两相混合物组分浓度 的超声快速检测方法，包括如下步骤：

(1)配置多个已知组分浓度的多组分固液两相混合物作为训练样本；

(2)由所述的检测系统测量步骤(1)中各个训练样本的超声信号， 根据各个训练样本的超声信号提取各个训练样本的超声特征变量；