CN1542447A - 液固两相流浓度超声测试方法 - Google Patents

Abstract

液固两相流浓度超声测试方法是一种两相流测试的方法，测量方法为：a)采用固定间隔的两平行板，间隔距离为L＝100mm左右；超声探头置于平行板一侧，使超声波在平行板两侧间来回反射，以获取多次回收，平行板间的介质为被测两相流介质；b)在同一发射波下，测得第1次、第2次直至第n次回波；c)分别计算得第1次至第n次回波的包络的面积A1和第2次至第n次回波的包络的面积A2；d)通过公式计算获得衰减系数α=（1/2L）ln(A₁/A₂)式中L为传感器的声程值；e)通过实验室配制不同浓度的标准样本，测出相应的衰减系数α值，标定出衰减系数α值与被测标准样本浓度的关系曲线。

Description

液固两相流浓度超声测试方法

                           技术领域

本发明是一种两相流测试的方法，属于超声波测试的技术领域。

                           背景技术

液固两相流的测定问题，在火力发电厂的粉媒灰输送、水煤浆炉的水煤浆输送，在造纸生产过程中纸浆浓度控制，以及大江大河中泥沙含量测定等都有重要应用背景。

传统上的测定方法主要采用取样称重法，但操作过程复杂、效率低，不便于过程的连续、实时控制。为了寻求这种变革，过去很多学者在液固两相流测定上作了大量的工作。研制了各种测量仪器，诸如同位素测定仪，振动式两相流密度计，光电测试仪等。但是，这些产品在很多应用场合都有其局限性。

在脉冲超声波测试技术领域，国内外现有用于两相流浓度的主要测量方法及问题为：

①移板法：传感器移动距离难以控制，移动前后平行度难以控制。

②单幅值法：电路漂移无法自动校除，探头污染带来的误差无法自动校除，发射强度变化带来的误差无法自动校除。

③双幅值比值法：灵敏度相对较低。

                         发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种具有很好的环保性能、更好的稳定性和较宽的测量范围，并且体积小、造价低，可形成便携式产品的液固两相流浓度超声测试方法，

技术方案：本发明的测量方法为：

①采用固定间隔的两平行板，间隔距离为L＝80～120mm；超声探头置于平行板一侧，使超声波在平行板两侧间来回反射(即多次脉冲反射法)，以获取多次回波，平行板间的介质为被测两相流介质；

②在同一发射波下，测得第1次、第2次、直至第n次回波(n回波为最后一次回波，理论上各次回波呈指数衰减规律)；

③分别计算得第1次至第n次回波的包络的面积A1和第2次至第n次回波的包络的面积A2；

④通过公式计算获得衰减系数

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2L}\ln \left(\frac{A_1}{A_2}\right)$

式中L为传感器的声程值；

⑤通过实验室配制不同浓度的标准样本，测出相应的衰减系数α值，标定出衰减系数α值与被测标准样本浓度的关系曲线。实际测量时，在测得衰减系数α值后，由仪器内部微处理器(CPU)根据实验所标定的曲线，算出被测介质的浓度值。

有益效果：本装置采用脉冲超声技术，利用脉冲超声在两相流介质传播中，随介质密度不同而衰减不同的原理进行介质浓度的测量，从而很好的解决了两相流浓度的测量问题。本方法具有体积小，无污染，能够校除诸如发射强度不稳、输入通道等效增益不稳、探头污染等带来的误差，此外还具有更高的灵敏度。

与其他方法相比

①比同位素法具有很好的环保性能；

②比振动法有更好的稳定性，并且体积小、造价低，可形成便携式产品；

③比光电法有更好的稳定性，和较宽的测量范围。

2.在测量方法的算法上比(仅针对超声波法而言)

①移板法：传感器移动距离难以控制，移动前后平行度难以控制。

②单幅值法：电路漂移无法自动校除，探头污染带来的误差无法自动校除，发射强度变化带来的误差无法自动校除。

③双幅值比值法：灵敏度相对较低。

综上，本方法具有体积小，无污染，能够校除诸如发射强度不稳、输入通道等效增益不稳、探头污染等带来的误差，此外还具有更高的灵敏度。

                          附图说明

图1是本发明的回波脉冲序列示意图。其中横轴为传播距离x(2L)，纵轴为回波脉冲。

图2是本发明的一阶逼近后的包络面积示意图。

                      具体实施方式

本发明的测量方法为：

①用固定间隔的两平行板，间隔距离为L＝100mm左右；超声探头置于平行板一侧，使超声波在平行板两侧间来回反射(即多次脉冲反射法)，以获取多次回收，平行板间的介质为被测两相流介质；

②在同一发射波下，测得第1次、第2次直至第n次回波(n回波为最后一次回波，理论上各次回波呈指数衰减规律)；

③分别计算得第1次至第n次回波的包络的面积A1和第2次至第n次回波的包络的面积A2；

④通过公式计算获得衰减系数

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2L}\ln \left(\frac{A_1}{A_2}\right)$

式中L为传感器的声程值；

⑤通过实验室配制不同浓度的标准样本，测出相应的衰减系数α值，标定出衰减系数α值与被测标准样本浓度的关系曲线。实际测量时，在测得衰减系数α值后，由仪器内部微处理器(CPU)根据实验所标定的曲线，算出被测介质的浓度值。

当声波为脉冲超声波，介质为各向同性的连续介质，并保证发射超声波的晶片与其间隔为L(声程)的反射面相平行，则采用多次脉冲反射法，可得图1结果。当反射过程为全反射时(否则应给予适当修正)，第i个回波声压可表示为

               v_pi＝v_poexp(-2iLα)                  (1)

从图1不难看出，吸收系数α决定着回波脉冲所包络的面积，其面积A与吸收系数α有下式关系

$A=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{V}_{\mathrm{pt}}\exp (-\mathrm{\αx})\mathrm{dx}=\frac{V_{\mathrm{pi}}}{\mathrm{\α}}---\left(2\right)$

上式的积分面积是从第一次回波算起得的，原因是V_po难以检测。从原理上说，当发射电路得电脉冲不变，则通过测量面积A就可求得吸收系数α。然而大多数超声发射电路得发射强度都不是很稳定，另外探头性能得不稳定等也都会影响V_po的稳定性，从而影响V_pi的稳定性。此外，接收通道的总等效增益的不稳定也会影响这一测试方法的精度。为了解决这一问题，我们提出了相对量测试法一“面积比值法”即利用

于是得到 $\mathrm{\α}=\frac{1}{2L}\ln \left(\frac{A_1}{A_2}\right)---\left(4\right)$ 式中A₁为第一回波脉冲以后所包络的面积，A₂为第二回波脉冲以后所包络的面积。上式即为声吸收系数“面积比值”测定法的基本关系式。不难证明，这一测量方法发射强度V_po以及整个接收通道的等效增益发生变化时，A₁和A₂的比值不变，也即α值测量结果不受影响。

在实际的面积测量上，是采用矩形面积来一阶逼近衰减波形所包络的面积，如图2所示。虽然采用了一阶逼近，但是A₁与A₂的比值却于一阶逼近后的A₁′和A₂′的比值保持不变，即

$\frac{A_1}{A_2}=\frac{A_1^{\′}}{A_2^{\′}}---\left(5\right)$

进而(4)式可以演化成

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2L}\ln \left(\frac{\underset{i=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{pi}}}{\underset{i=2}{\mathrm{\Σ}}{V}_{\mathrm{pi}}}\right)---\left(6\right)$

对吸收系数，不论利用哪种检测方法，当对精度提出的要求较高时，都会受到超声发射、接收以及各种干扰因素的影响。采用“面积比值法”，即将衰减曲线的整个面积与部分面积相比求得α值的核心思想是：当在任一发射中的整个衰减曲线产生影响时(此时几何形状不变)，但本身的比值不变，从而所求得的α值，排除了各种因素的干扰，提高了测量精度。

与传统采集装置相比，脉冲回波序列信号的采集则存在三个突出的问题：(1)脉冲宽度窄；(2)脉冲间隔窄；(3)严格同步。鉴于这种情况，我们设计了高速度的程控峰值保持器，并在软件结构设计上，使采集程序严格同步于外部脉冲信号。这样当MPU每取到一个回波幅值后，对峰值保持器清零，以便后一脉冲能够继续被保持，达到对同一发射波下的一串脉冲序列信号的采集。

Claims (2)

1、一种液固两相流浓度超声测试方法，其特征在于测量方法为：

a)、采用固定间隔的两平行板，间隔距离为L＝80～120mm左右；超声探头置于平行板一侧，使超声波在平行板两侧间来回反射，以获取多次回收，平行板间的介质为被测两相流介质；

b)、在同一发射波下，测得第1次、第2次直至第n次回波；

c)、分别计算得第1次至第n次回波的包络的面积A1和第2次至第n次回波的包络的面积A2；

d)、通过公式计算获得衰减系数

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2L}\ln \left(\frac{A_1}{A_2}\right)$

式中L为传感器的声程值；

e)、通过实验室配制不同浓度的标准样本，测出相应的衰减系数α值，标定出衰减系数α值与被测标准样本浓度的关系曲线。

2、根据权利要求1所述的液固两相流浓度超声测试方法，其特征在于实际测量时，在测得衰减系数α值后，由仪器内部微处理器(CPU)根据实验所标定的曲线，算出被测介质的浓度值。