專利名稱：對離散狀態(tài)顆粒粒度分布測量的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及超聲測量技術，特別是涉及一種利用超聲多次反射信號測量處于 離散狀態(tài)顆粒的粒度分布及其濃度的技術。
背景技術：
對分散狀態(tài)顆粒的粒度大小和濃度進行測量，在涉及兩相流動的動力、化工、 醫(yī)藥、環(huán)保、水利、材料等領域中具有廣泛應用背景。與現(xiàn)有測量方法如篩分法、 顯微鏡法、全息照相法、電感應法、沉降法等比較，超聲法往往具有自動化程度高， 能進行快速且準確的測量。同時由于超聲波具有寬的頻帶范圍，強穿透能力，可在 有色甚至不透明的物質中傳播并具有測量速度快，超聲波傳感器價格低且耐污損， 特別適合作在線檢測。
現(xiàn)有的超聲法顆粒測量手段中，采用穿透式或反射式對超聲信號的測量，均需 要超聲波在待測對象中進行傳播。在對高濃度和高衰減物質的測量過程中，超聲波 的傳播聲程有限，使得測量信號存在信噪比過小缺點，甚至不能檢測到有效聲信號， 測量過程不能得以實現(xiàn)。
同時現(xiàn)有多數(shù)方法采用了單一頻率的超聲波，沒有注意到顆粒粒度和超聲譜的
關系，而超聲譜(阻抗譜，衰減譜，速度譜)和顆粒粒度關系是非常密切的。
實用新型內容
針對上述現(xiàn)有技術中存在的缺陷，本實用新型所要解決的技術問題是提供一種 能實現(xiàn)完全的非接觸測量，能對離散狀態(tài)顆粒粒度分布的測量裝置。
為了解決上述技術問題，本實用新型所提供的一種對離散狀態(tài)顆粒粒度分布的 測量裝置，包括進行數(shù)據(jù)處理的計算機，連接計算機的信號處理電路，連接信號處理電路的脈沖波發(fā)射/接收電路，連接脈沖波發(fā)射/接收電路的寬帶換能器，換能器 設于測試板外側；所述裝置由計算機控制，發(fā)射電路發(fā)出脈沖電信號，經觸發(fā)換能 器發(fā)出聲波，超聲波在測試板壁面一次以上反射后再由換能器接收，并經過信號處 理電路的信號放大、高速模數(shù)(A/D)轉換傳輸給計算機進行數(shù)據(jù)處理得到顆粒粒度分 布；計算機設有用于顯示測量結果的曲線和數(shù)據(jù)的屏幕。
進一步的，所述寬帶換能器采用窄脈沖信號激勵；脈沖信號越窄，包含的頻譜 信息就越豐富。
進一步的，所述信號處理電路設有高速A/D轉換單元和信號放大單元。 進一步的，所述寬帶換能器為自發(fā)自收寬帶換能器。
進一步的，所述計算機設有用于保存測量結果的硬盤；供以后分析使用。 進一步的，所述測試板為管道的側壁。
進一步的，所述測試板選擇其特征阻抗與顆粒樣品的特征阻抗之比大于IO，所
述測量板特征阻抗和樣品必須選擇具有很大差異的物質(如不銹鋼和水 Z鋼/Z水《30)。
進一步的，所述測試板為探頭凹槽一側的反射板，反射板外側設寬帶換能器(壓 電片)，并由電纜線連接脈沖波發(fā)射/接收電路；寬帶探頭以法蘭形式和管道連接或 插入管道中作在線檢測。
利用本實用新型提供的對離散狀態(tài)顆粒粒度分布測量的裝置，由于采用間接測
量的方法，通過對多次超聲反射信號的反射回波幅度和相位的測量，利用樣品和標
定物質的對比，計算得出顆粒樣品中復聲特性阻抗(與聲速和聲衰減有關)，并根據(jù)這
些聲特性阻抗譜再計算得出對高濃度和高衰減顆粒兩相流的顆粒粒度分布及濃度。
本實用新型提供的方法整個檢測過程中聲波不在樣品中傳播，無須穿透被測介質，
不僅實現(xiàn)了完全的非接觸測量，而且非常適合對于高濃度、高衰減樣品的檢測。

圖1是本實用新型實施例對離散狀態(tài)顆粒粒度分布測量的裝置的結構示意圖； 圖2是本實用新型實施例中多次反射信號的曲線示意圖3是本實用新型實施例中多次反射信號的譜和粒度之間關系的曲線示意圖4是本實用新型實施例中測量探頭的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖說明對本實用新型的實施例作進一步詳細描述，但本實施例并不 用于限制本實用新型，凡是采用本實用新型的相似結構及其相似變化，均應列入本 實用新型的保護范圍。
本實用新型實施例的理論模型和反演技術計算如圖1所示，換能器4發(fā)射超 聲波在板5內多次反射，對其分別在待測樣品(指由顆粒和液體連續(xù)介質構成的混 合物)和標定物質中進行測試，其反射系數(shù)有如下關系
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，A和A分別為對樣品和標定物質進行測試時的反射系數(shù)，w為反射次數(shù) (反射次數(shù)增加可以削弱測量信號誤差影響，但具體次數(shù)視裝置和信號而定)；M和 0分別為反射回波的幅度和相位，借助標定物質(如蒸餾水)換算出待測樣品中的反射
系數(shù)i s。
其中A表示壁面的聲學阻抗，4表示復數(shù)形式的含顆粒樣品的聲學特性阻抗，
有
這里W為聲波角頻率，A為樣品密度，高濃度顆粒兩相體系中復波數(shù)K按照聲 波動理論式中-為顆粒濃度，p和p'分別為連續(xù)介質和顆粒密度，f為絕熱壓縮系數(shù)， S與濃度，粒度和物性有關。
同樣復波數(shù)與聲衰減系數(shù)和聲速，K^w/c-ya， c為聲速，y為虛數(shù)單位，a為 聲衰減系數(shù)；將公式^ = "-/"中復波數(shù)按實部(與聲速￡^有關)或虛部(與衰減 a有關)分離，根據(jù)超聲衰減譜和粒度之間關系，可將測量數(shù)據(jù)和事先設想顆粒系的 理論衰減譜誤差設為目標函數(shù)進行優(yōu)化；可對設定的不同頻率計算超聲衰減系數(shù)
同樣前述測量裝置中采用寬帶換能器發(fā)射接收超聲信號，測量超聲反射
系數(shù)和復阻抗z,，由公式z,-wp"f，換算得復波數(shù)和超聲衰減系數(shù) ^c/;)(注
意該超聲衰減系數(shù)實際由測量值經換算得，故又可稱實驗測得超聲衰減系數(shù))，據(jù)此，
由理論和實驗超聲衰減譜構造如下的誤差目標函數(shù)
當該誤差越小，表明理論衰減值和實驗值吻合得越好。這樣，可以按照最優(yōu)化 理論進行優(yōu)化。為計算顆粒粒度分布，需要將顆粒粒度分布采用某一或一組函數(shù)形 式進行描述，可采用Rosin-Ramraa函數(shù)，正態(tài)分布或對數(shù)正態(tài)分布等；上述3種函 數(shù)分布均包含一個名義尺寸參數(shù)和分布寬度參數(shù)，它們在優(yōu)化時稱待定參數(shù)，如得 以確定，即可完全獲得顆粒粒度分布。在進行優(yōu)化時，事先人為設定初始參數(shù)，計 算出理論超聲衰減和初始目標函數(shù)，按照最優(yōu)化的理論中的 Davidon-Fletcher-Powell (DFP)方法，在初始參數(shù)附近唯一地確定局部最優(yōu)解，為 獲得全局最優(yōu)解，重新設定初始值并最終選擇目標函數(shù)最小的解為最終求解結果。 同時，為避免出現(xiàn)非物理解情況(如待定參數(shù)為負)，可以采用罰函數(shù)手段。在獲得 求解參數(shù)后，帶入顆粒粒度分布參數(shù)函數(shù)計算顆粒粒度分布(頻率分布和累計分布)；本實用新型除了采用DFP (Davidon-Fletcher-Powell)方法之外，還可用最速下降 法(Ste印est Descent method)禾口模擬退火法(Simulated Annealing method)等 優(yōu)化方法。
如圖1所示，本實用新型實施例所提供的一種對離散狀態(tài)顆粒粒度分布測量的 裝置，包括進行數(shù)據(jù)處理的計算機1，連接計算機1的設有高速A/D轉換單元和信 號放大單元的信號處理電路2，連接信號處理電路2的脈沖波發(fā)射/接收電路3，連 接脈沖波發(fā)射/接收電路的自發(fā)自收寬帶換能器4，為很好的觸發(fā)寬帶換能器，采用 了窄脈沖信號激勵，脈沖信號越窄，包含的頻譜信息就越豐富；寬帶換能器4設于 管道壁5的外側；裝置由計算機l控制，發(fā)射電路3發(fā)出脈沖電信號，經觸發(fā)換能 器4發(fā)出聲波，聲波在壁面5多次反射后再由換能器4接收，6為待測顆粒樣品(和 許多現(xiàn)有測量手段不同，本實用新型研究超聲波僅在測量板內傳播，不通過待測顆 粒對象，因此信號受高濃度高衰減顆粒削弱影響極小，為確保多次反射，測量板特 征阻抗應選用和樣品具有很大差異的物質，如不銹鋼和水^/^ 30，所述測試板
選擇其特征阻抗與顆粒樣品的特征阻抗之比大于10;)，并經過信號放大單元、高速 A/D轉換單元傳輸給計算機1處理，由公式
<formula>formula see original document page 7</formula>
換算得反射系數(shù)和復聲特性阻抗譜(隨頻率不同而改變頻域信號)，按照復波數(shù) 的計算公式
—。/y(H)2 + p[s+州-州；
將復波數(shù)按實部(與聲速c有關)或虛部(與衰減cc有關)分離，并根據(jù)譜和粒度
之間關系分析，將測量數(shù)據(jù)和設想粒度的理論譜的誤差設為目標函數(shù)進行優(yōu)化，經
公式K = 計算得理論超聲衰減譜，并和實驗數(shù)據(jù)換算超聲衰減譜構造目禾示函數(shù)五=
("腦j (義)-",Ae。/y (-0)2 ''=1 "rteoov'
采用DFP優(yōu)化方法，求解分布函數(shù)參數(shù)并計算得顆粒粒度分布；計算機設有用 于顯示測量結果的曲線和數(shù)據(jù)的屏幕。本實用新型除了采用DFP (Davidon-Fletcher-Powell)方法之外，還可用最速下降法(Ste印est Descent method)和模擬退火、法(Simulated Annealing method)等優(yōu)化方法。
在本實用新型實施例中，也可以對多次信號的幅度(即Ms)的對數(shù)作線性擬合
(如圖3)，并按Rs/Rc二exp(斜率s-斜率e)，計算反射系數(shù)，消除了由于換能器發(fā)射功
「1 + / 、
率變化引起的測量誤差。由Z,-Z, ^進一步計算聲特性阻抗Zs。按公式
Z,=AC，如果平均密度已知，則由C-Z"A可獲得聲速；如果聲速可測，則由
A二Z,/c換算平均密度。
如圖4所示，本實用新型另一實施例采用寬帶探頭，將測量部件做成探頭形式， 在探頭凹槽的一側設反射板7，反射板外側設寬帶換能器8，并由電纜線9連接脈沖 波發(fā)射/接收電路；寬帶探頭以法蘭形式和管道連接或插入管道中作在線檢測，對時 域信號作快速傅立葉變換得超聲幅值相位譜，以中心頻率10MHz寬帶換能器為例， 其在-6dB內衰減包含頻率范圍約5 15MHz，為反演提供了豐富的頻譜信息，此時由 于僅僅使用了單個換能器，使得裝置結構簡化。
本實用新型實施例的對離散狀態(tài)顆粒粒度分布測量的原理，包括以下步驟
1) 多次反射法測量樣品和標定物質由收/發(fā)換能器發(fā)射的單個窄脈沖信號多 次反射后所述收/發(fā)換能器采集多次超聲反射信號，對離散狀態(tài)顆粒的樣品和標定物 質進行測量；
2) 計算反射系數(shù)和聲特性阻抗在數(shù)據(jù)處理的計算機中由公式<formula>formula see original document page 9</formula>
，利用樣品和標定物質的對比，計
算出顆粒樣品中的反射系數(shù)和復聲特性阻抗(與超聲頻率有關，可換算聲速和聲衰 減)；
3)計算顆粒粒度分布、濃度在數(shù)據(jù)處理的計算機中由公式<formula>formula see original document page 9</formula>
和<formula>formula see original document page 9</formula>即根據(jù)聲特性阻抗譜、復波數(shù)計算得出對高濃度顆粒兩相流的
顆粒粒度分布及濃度；將測量數(shù)據(jù)和設想粒度的理論譜的誤差設為目標函數(shù)進行優(yōu)
化，經公式<formula>formula see original document page 9</formula>計算得理論超聲衰減譜，并和實驗數(shù)據(jù)換算得超聲衰減
譜構造目標函數(shù)<formula>formula see original document page 9</formula>按照DFP方法進行優(yōu)化確定待定參數(shù)，可以在初始參數(shù)附近得局部最優(yōu)解，為獲得 全局最優(yōu)求解，應重新設定初始值并最終選擇目標函數(shù)最小的結果極為最終求解結 果。同時，為避免出現(xiàn)非物理解情況(如參數(shù)為負數(shù))，可以釆用罰函數(shù)手段。在獲 得待定參數(shù)后，帶入顆粒粒度分布參數(shù)函數(shù)計算顆粒粒度的頻率分布和累計分布。 本實用新型除了采用DFP (Davidon-Fletcher-Powell)方法之外，還可用最速下降 法(Steepest Descent method)禾口模擬退火法(Simulated Annealing method)等 優(yōu)化方法。
4)測量結果以曲線和數(shù)據(jù)的形式直接顯示在計算機屏幕上，同時保存在硬盤 上供以后分析使用。
本實用新型所述計算機包括單板機、單片機、可編程微處理器和DSP (數(shù)字處 理芯片等。
權利要求1、一種對離散狀態(tài)顆粒粒度分布的測量裝置，其特征在于，包括進行數(shù)據(jù)處理的計算機，連接計算機的信號處理電路，連接信號處理電路的脈沖波發(fā)射/接收電路，連接脈沖波發(fā)射/接收電路的寬帶換能器，換能器設于測試板外側；所述裝置由計算機控制，發(fā)射電路發(fā)出脈沖電信號，經觸發(fā)換能器發(fā)出聲波，超聲波在測試板壁面一次以上反射后再由換能器接收，并經過信號處理電路的信號放大、高速模數(shù)轉換傳輸給計算機進行數(shù)據(jù)處理得到顆粒粒度分布；計算機設有用于顯示測量結果的曲線和數(shù)據(jù)的屏幕。
2、 根據(jù)權利要求1所述的對離散狀態(tài)顆粒粒度分布的測量裝置，其特征在于， 所述寬帶換能器采用窄脈沖信號激勵。
3、 根據(jù)權利要求1所述的對離散狀態(tài)顆粒粒度分布的測量裝置，其特征在于， 所述信號處理電路設有高速模數(shù)轉換單元和信號放大單元。
4、 根據(jù)權利要求l所述的對離散狀態(tài)顆粒粒度分布的測量裝置，其特征在于， 所述寬帶換能器為自發(fā)自收寬帶換能器。
5、 根據(jù)權利要求l所述的對離散狀態(tài)顆粒粒度分布的測量裝置，其特征在于， 所述計算機設有用于保存測量結果的硬盤。
6、 根據(jù)權利要求l所述的對離散狀態(tài)顆粒粒度分布的測量裝置，其特征在于， 所述測試板為管道的側壁。
7、 根據(jù)權利要求1所述的對離散狀態(tài)顆粒粒度分布的測量裝置，其特征在于， 所述測試板選擇其特征阻抗與顆粒樣品的特征阻抗之比大于10。
8、 根據(jù)權利要求1所述的對離散狀態(tài)顆粒粒度分布的測量裝置，其特征在于， 所述測試板為探頭凹槽一側的反射板，反射板外側設寬帶換能器，并由電纜線連接 脈沖波發(fā)射/接收電路；寬帶探頭以法蘭形式和管道連接或插入管道中作在線檢測。
專利摘要本實用新型公開一種對離散狀態(tài)顆粒粒度分布的測量裝置，涉及超聲測量技術領域；所要解決的是對離散狀態(tài)顆粒粒度分布的非接觸測量的技術問題；該測量裝置包括利用復波數(shù)、目標函數(shù)、分布函數(shù)等計算公式優(yōu)化計算顆粒粒度分布的計算機，連接計算機的信號處理電路，連接信號處理電路的脈沖波發(fā)射/接收電路，連接脈沖波發(fā)射/接收電路的寬帶換能器，換能器設于測試板外側；所述裝置由計算機控制，發(fā)射電路發(fā)出脈沖電信號，經觸發(fā)換能器發(fā)出聲波，超聲波在測試板壁面多次反射后再由換能器接收，并經過信號處理電路的信號放大、高速模數(shù)轉換傳輸給計算機處理；本實用新型具有能實現(xiàn)完全的非接觸測量，能在線測量高濃度和高衰減顆粒兩相流的特點。
文檔編號G06F19/00GK201130136SQ200720075060
公開日2008年10月8日 申請日期2007年9月27日 優(yōu)先權日2007年9月27日
發(fā)明者唐榮山, 尚志濤, 蘇明旭, 蔡小舒, 薛明華 申請人:上海理工大學