專利名稱：液固兩相流濃度超聲測試方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明是一種兩相流測試的方法，屬于超聲波測試的技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
液固兩相流的測定問題，在火力發(fā)電廠的粉媒灰輸送、水煤漿爐的水煤漿輸送，在造紙生產(chǎn)過程中紙漿濃度控制，以及大江大河中泥沙含量測定等都有重要應用背景。
傳統(tǒng)上的測定方法主要采用取樣稱重法，但操作過程復雜、效率低，不便于過程的連續(xù)、實時控制。為了尋求這種變革，過去很多學者在液固兩相流測定上作了大量的工作。研制了各種測量儀器，諸如同位素測定儀，振動式兩相流密度計，光電測試儀等。但是，這些產(chǎn)品在很多應用場合都有其局限性。
在脈沖超聲波測試技術(shù)領域，國內(nèi)外現(xiàn)有用于兩相流濃度的主要測量方法及問題為①移板法傳感器移動距離難以控制，移動前后平行度難以控制。
②單幅值法電路漂移無法自動校除，探頭污染帶來的誤差無法自動校除，發(fā)射強度變化帶來的誤差無法自動校除。
③雙幅值比值法靈敏度相對較低。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種具有很好的環(huán)保性能、更好的穩(wěn)定性和較寬的測量范圍，并且體積小、造價低，可形成便攜式產(chǎn)品的液固兩相流濃度超聲測試方法，技術(shù)方案本發(fā)明的測量方法為①采用固定間隔的兩平行板，間隔距離為L＝80～120mm；超聲探頭置于平行板一側(cè)，使超聲波在平行板兩側(cè)間來回反射(即多次脈沖反射法)，以獲取多次回波，平行板間的介質(zhì)為被測兩相流介質(zhì)；
②在同一發(fā)射波下，測得第1次、第2次、直至第n次回波(n回波為最后一次回波，理論上各次回波呈指數(shù)衰減規(guī)律)；③分別計算得第1次至第n次回波的包絡的面積A1和第2次至第n次回波的包絡的面積A2；④通過公式計算獲得衰減系數(shù)α=12Lln(A1A2)]]>式中L為傳感器的聲程值；⑤通過實驗室配制不同濃度的標準樣本，測出相應的衰減系數(shù)α值，標定出衰減系數(shù)α值與被測標準樣本濃度的關(guān)系曲線。實際測量時，在測得衰減系數(shù)α值后，由儀器內(nèi)部微處理器(CPU)根據(jù)實驗所標定的曲線，算出被測介質(zhì)的濃度值。
有益效果本裝置采用脈沖超聲技術(shù)，利用脈沖超聲在兩相流介質(zhì)傳播中，隨介質(zhì)密度不同而衰減不同的原理進行介質(zhì)濃度的測量，從而很好的解決了兩相流濃度的測量問題。本方法具有體積小，無污染，能夠校除諸如發(fā)射強度不穩(wěn)、輸入通道等效增益不穩(wěn)、探頭污染等帶來的誤差，此外還具有更高的靈敏度。
與其他方法相比①比同位素法具有很好的環(huán)保性能；②比振動法有更好的穩(wěn)定性，并且體積小、造價低，可形成便攜式產(chǎn)品；③比光電法有更好的穩(wěn)定性，和較寬的測量范圍。
2.在測量方法的算法上比(僅針對超聲波法而言)①移板法傳感器移動距離難以控制，移動前后平行度難以控制。
②單幅值法電路漂移無法自動校除，探頭污染帶來的誤差無法自動校除，發(fā)射強度變化帶來的誤差無法自動校除。
③雙幅值比值法靈敏度相對較低。
綜上，本方法具有體積小，無污染，能夠校除諸如發(fā)射強度不穩(wěn)、輸入通道等效增益不穩(wěn)、探頭污染等帶來的誤差，此外還具有更高的靈敏度。


圖1是本發(fā)明的回波脈沖序列示意圖。其中橫軸為傳播距離x(2L)，縱軸為回波脈沖。
圖2是本發(fā)明的一階逼近后的包絡面積示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的測量方法為①用固定間隔的兩平行板，間隔距離為L＝100mm左右；超聲探頭置于平行板一側(cè)，使超聲波在平行板兩側(cè)間來回反射(即多次脈沖反射法)，以獲取多次回收，平行板間的介質(zhì)為被測兩相流介質(zhì)；②在同一發(fā)射波下，測得第1次、第2次直至第n次回波(n回波為最后一次回波，理論上各次回波呈指數(shù)衰減規(guī)律)；③分別計算得第1次至第n次回波的包絡的面積A1和第2次至第n次回波的包絡的面積A2；④通過公式計算獲得衰減系數(shù)α=12Lln(A1A2)]]>式中L為傳感器的聲程值；⑤通過實驗室配制不同濃度的標準樣本，測出相應的衰減系數(shù)α值，標定出衰減系數(shù)α值與被測標準樣本濃度的關(guān)系曲線。實際測量時，在測得衰減系數(shù)α值后，由儀器內(nèi)部微處理器(CPU)根據(jù)實驗所標定的曲線，算出被測介質(zhì)的濃度值。
當聲波為脈沖超聲波，介質(zhì)為各向同性的連續(xù)介質(zhì)，并保證發(fā)射超聲波的晶片與其間隔為L(聲程)的反射面相平行，則采用多次脈沖反射法，可得圖1結(jié)果。當反射過程為全反射時(否則應給予適當修正)，第i個回波聲壓可表示為vpi＝vpoexp(-2iLα) (1)從圖1不難看出，吸收系數(shù)α決定著回波脈沖所包絡的面積，其面積A與吸收系數(shù)α有下式關(guān)系A=∫0∞Vptexp(-αx)dx=Vpiα---(2)]]>上式的積分面積是從第一次回波算起得的，原因是Vpo難以檢測。從原理上說，當發(fā)射電路得電脈沖不變，則通過測量面積A就可求得吸收系數(shù)α。然而大多數(shù)超聲發(fā)射電路得發(fā)射強度都不是很穩(wěn)定，另外探頭性能得不穩(wěn)定等也都會影響Vpo的穩(wěn)定性，從而影響Vpi的穩(wěn)定性。此外，接收通道的總等效增益的不穩(wěn)定也會影響這一測試方法的精度。為了解決這一問題，我們提出了相對量測試法一“面積比值法”即利用 于是得到α=12Lln(A1A2)---(4)]]>式中A1為第一回波脈沖以后所包絡的面積，A2為第二回波脈沖以后所包絡的面積。上式即為聲吸收系數(shù)“面積比值”測定法的基本關(guān)系式。不難證明，這一測量方法發(fā)射強度Vpo以及整個接收通道的等效增益發(fā)生變化時，A1和A2的比值不變，也即α值測量結(jié)果不受影響。
在實際的面積測量上，是采用矩形面積來一階逼近衰減波形所包絡的面積，如圖2所示。雖然采用了一階逼近，但是A1與A2的比值卻于一階逼近后的A1′和A2′的比值保持不變，即A1A2=A1′A2′---(5)]]>進而(4)式可以演化成α=12Lln(Σi=1∞VpiΣi=2Vpi)---(6)]]>對吸收系數(shù)，不論利用哪種檢測方法，當對精度提出的要求較高時，都會受到超聲發(fā)射、接收以及各種干擾因素的影響。采用“面積比值法”，即將衰減曲線的整個面積與部分面積相比求得α值的核心思想是當在任一發(fā)射中的整個衰減曲線產(chǎn)生影響時(此時幾何形狀不變)，但本身的比值不變，從而所求得的α值，排除了各種因素的干擾，提高了測量精度。
與傳統(tǒng)采集裝置相比，脈沖回波序列信號的采集則存在三個突出的問題(1)脈沖寬度窄；(2)脈沖間隔窄；(3)嚴格同步。鑒于這種情況，我們設計了高速度的程控峰值保持器，并在軟件結(jié)構(gòu)設計上，使采集程序嚴格同步于外部脈沖信號。這樣當MPU每取到一個回波幅值后，對峰值保持器清零，以便后一脈沖能夠繼續(xù)被保持，達到對同一發(fā)射波下的一串脈沖序列信號的采集。
權(quán)利要求
1.一種液固兩相流濃度超聲測試方法，其特征在于測量方法為a)、采用固定間隔的兩平行板，間隔距離為L＝80～120mm左右；超聲探頭置于平行板一側(cè)，使超聲波在平行板兩側(cè)間來回反射，以獲取多次回收，平行板間的介質(zhì)為被測兩相流介質(zhì)；b)、在同一發(fā)射波下，測得第1次、第2次直至第n次回波；c)、分別計算得第1次至第n次回波的包絡的面積A1和第2次至第n次回波的包絡的面積A2；d)、通過公式計算獲得衰減系數(shù)α=12Lln(A1A2)]]>式中L為傳感器的聲程值；e)、通過實驗室配制不同濃度的標準樣本，測出相應的衰減系數(shù)α值，標定出衰減系數(shù)α值與被測標準樣本濃度的關(guān)系曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液固兩相流濃度超聲測試方法，其特征在于實際測量時，在測得衰減系數(shù)α值后，由儀器內(nèi)部微處理器(CPU)根據(jù)實驗所標定的曲線，算出被測介質(zhì)的濃度值。
全文摘要
液固兩相流濃度超聲測試方法是一種兩相流測試的方法，測量方法為a)采用固定間隔的兩平行板，間隔距離為L＝100mm左右；超聲探頭置于平行板一側(cè)，使超聲波在平行板兩側(cè)間來回反射，以獲取多次回收，平行板間的介質(zhì)為被測兩相流介質(zhì)；b)在同一發(fā)射波下，測得第1次、第2次直至第n次回波；c)分別計算得第1次至第n次回波的包絡的面積A1和第2次至第n次回波的包絡的面積A2；d)通過公式計算獲得衰減系數(shù)α=(1/2L)ln(A
文檔編號G01N29/02GK1542447SQ20031010621
公開日2004年11月3日 申請日期2003年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月6日
發(fā)明者方彥軍, 曹國華, 常健 申請人:南京師范大學