一種固液兩相混合物均勻性的超聲在線檢測(cè)方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種固液兩相混合物均勻性的超聲在線檢測(cè)方法及系統(tǒng)，在待測(cè)混合物的相對(duì)兩側(cè)分別布置帶有第一阻尼塊的第一超聲傳感器和帶有第二阻尼塊的第二超聲傳感器；檢測(cè)過程如下：(1)第一超聲傳感器和第二超聲傳感器均處于自發(fā)自收模式，接收各自發(fā)射出的超聲波信號(hào)反射回來的回波信號(hào)；(2)對(duì)第一超聲傳感器和第二超聲傳感器接收到的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，通過計(jì)算與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的差異來判斷待測(cè)混合物的均勻性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠進(jìn)行快速、定量、在線檢測(cè)，能實(shí)現(xiàn)非接觸式在線檢測(cè)；檢測(cè)過程中傳感器不需要移動(dòng)、調(diào)整位置，具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境；對(duì)人體無害，且不會(huì)產(chǎn)生附加的不利影響。
【專利說明】
一種固液兩相混合物均勻性的超聲在線檢測(cè)方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于工業(yè)混合物混合過程檢測(cè)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種固液兩相混合物 均勻性的超聲在線檢測(cè)方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 固液兩相混合物在建筑、食品、制藥和航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如藥漿、混凝土、 固體推進(jìn)劑等。對(duì)制藥企業(yè)來說，藥漿的均勻性好壞將直接影響到成品藥的藥效，部分有副 作用成分的均勻性更為重要。對(duì)于固體推進(jìn)劑，均勻性直接影響固體推進(jìn)劑的加工性能、力 學(xué)性能和燃燒性能，進(jìn)而影響火箭或者導(dǎo)彈的推力穩(wěn)定性。
[0003] 對(duì)固液兩相混合物均勻性的檢測(cè)，目前大多數(shù)是在固液兩相混合物的不同部位取 樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)分析，通過料漿的某項(xiàng)性能(如燃燒性能)或物理屬性(如樣品的密度)來 間接評(píng)判混合效果，時(shí)效性極差，也無法提供精確有效的信息，無法對(duì)固液兩相混合物在制 備過程中產(chǎn)生的質(zhì)量問題進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。近年來，在線檢測(cè)技術(shù)得到廣泛關(guān)注。在線檢測(cè)技 術(shù)在待測(cè)固液兩相混合物中加入紅外/可見光、γ射線、電磁和激光等激勵(lì)信號(hào)，通過捕捉 這類信號(hào)經(jīng)過檢測(cè)區(qū)域?qū)е碌淖兓M(jìn)而表征待測(cè)固液兩相混合物的特性。具有代表性的在 線非接觸式檢測(cè)技術(shù)包括光學(xué)檢測(cè)技術(shù)、放射線衰減檢測(cè)技術(shù)、近紅外分析技術(shù)(NIR)、工 業(yè)層析成像檢測(cè)（ΙΡΤ)和電容檢測(cè)技術(shù)等。在工業(yè)生產(chǎn)中，有大量的固液兩相混合物呈現(xiàn)光 不透明性，這使光學(xué)檢測(cè)技術(shù)和近紅外分析技術(shù)的應(yīng)用受到限制。電容法具有安全可靠、成 本低、非侵入和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但電容傳感器存在檢測(cè)場(chǎng)靈敏度分布不均勻問題，也不適用 于具有導(dǎo)電性的固液兩相混合物的檢測(cè)。放射線因?qū)θ梭w有危害且使用不便等因素，一般 不用于普通的工業(yè)環(huán)境。工業(yè)層析成像(如電阻層析成像和電阻抗層析成像)技術(shù)能夠獲取 全面的斷面信息，在過程監(jiān)控和參數(shù)檢測(cè)研究中得到了應(yīng)用，但工業(yè)層析成像技術(shù)成本較 高、技術(shù)復(fù)雜且對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求嚴(yán)格，使其難以推廣使用。
[0004] 由于缺乏合適的固液兩相混合物均勻性在線檢測(cè)技術(shù)，無法實(shí)時(shí)獲得其均勻性信 息。當(dāng)前為保證固液兩相混合物的均勻性，業(yè)內(nèi)普遍采用延長(zhǎng)制備時(shí)間的方法來確保最終 固液兩相混合物均勻，但這樣做往往是大大降低了生產(chǎn)效率，而最后的固液兩相混合物的 均勻性也得不到保證。同時(shí)隨著連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，固液兩相混合物均勻性的在線檢測(cè) 已成為其必不可少的環(huán)節(jié)。在現(xiàn)有生產(chǎn)工藝和未來新技術(shù)發(fā)展的大背景下，迫切需要固液 兩相混合物的均勻性檢測(cè)的新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中固液兩相混合物均勻性檢測(cè)的缺陷，本發(fā)明提供一種固液兩 相混合物均勻性的超聲檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)固液兩相混合物均勻性的快速、定量和在線檢測(cè)。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種固液兩相混合物均勻性的超聲檢測(cè)方法， 該方法包括，在待測(cè)固液兩相混合物的相對(duì)兩側(cè)分別布置帶有第一阻尼塊的第一超聲傳感 器和帶有第二阻尼塊的第二超聲傳感器，第一超聲傳感器和第二超聲傳感器相向布置;第 一阻尼塊和第二阻尼塊平行設(shè)置，且位于第一超聲傳感器和第二超聲傳感器之間；第一阻 尼塊和第二阻尼塊的聲阻抗均大于待測(cè)固液兩相混合物的聲阻抗；
[0007] 檢測(cè)過程如下：
[0008] (1)第一超聲傳感器發(fā)出的超聲波依次穿過第一阻尼塊、待測(cè)固液兩相混合物，第 一阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面以及第二阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界 面反射的超聲波被第一超聲傳感器接收;第二超聲傳感器發(fā)出的超聲波穿過第二阻尼塊并 被第二阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面反射，然后被第二超聲傳感器接收；
[0009] (2)對(duì)第一超聲傳感器和第二超聲傳感器在步驟（1)中接收到的三個(gè)超聲波信號(hào) 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，通過計(jì)算與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的差異來判斷待測(cè)固液兩相混合物的均勻性。
[0010] 進(jìn)一步地，步驟(2)中，記錄第一超聲傳感器接收的由第一超聲傳感器發(fā)射后經(jīng)第 一阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面反射回的第一個(gè)回波信號(hào)的最大幅值pn、第一超 聲傳感器接收的由第一超聲傳感器發(fā)射后經(jīng)第二阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面 反射回的第一個(gè)回波信號(hào)最大幅值p r2、第二超聲傳感器接收的由第二超聲傳感器發(fā)射后經(jīng) 第二阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面反射回的第一個(gè)回波信號(hào)的最大幅值p r3,共三 個(gè)回波信號(hào)；
[0011]檢測(cè)上述三個(gè)回波信號(hào)在均勻混合狀態(tài)下各自對(duì)應(yīng)的幅值為％，其中k=l、2、3; 以上述三個(gè)回波信號(hào)在完全沉積時(shí)各自對(duì)應(yīng)的幅值psk與i之間的絕對(duì)差值|-El為 標(biāo)定值，并將IA* -II映射到[0 ·0，1 · 0]區(qū)間，如果I- %|>|/? - il，則令 I (&--&)/d -瓦D1= 1，由此得到待測(cè)固液兩相混合物的均勻性表達(dá)式為
[0013] 其中，Homj代表第一超聲傳感器和第二超聲傳感器之間的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)待測(cè)固液兩 相混合物的均勾度，其范圍是〇~1;當(dāng)待測(cè)固液兩相混合物完全沉積時(shí)，Homj = 0;當(dāng)待測(cè)固 液兩相混合物混合均勾時(shí)，Homj = 1。
[0014] 進(jìn)一步地，第一超聲傳感器和第二超聲傳感器組成檢測(cè)對(duì)，多個(gè)該檢測(cè)對(duì)設(shè)于待 測(cè)固液兩相混合物的不同位置，檢測(cè)不同位置的均勻性，則待測(cè)固液兩相混合物的均勻性 表達(dá)式為：
[0016]其中，Μ是總的檢測(cè)對(duì)數(shù)量，j = 1、2、3、…、Μ，k= 1、2、3;第j對(duì)傳感器的回波信號(hào)prk 表示為Puk;Hom為待測(cè)固液兩相混合物的平均混合均勻度，其范圍為0~1;當(dāng)待測(cè)固液兩相 混合物完全沉積時(shí)，Hom = 0;當(dāng)待測(cè)固液兩相混合物混合均勾時(shí)，Hom=l。
[0017] 進(jìn)一步地，第一超聲傳感器與第一阻尼塊通過耦合劑連接，第二超聲傳感器與第 二阻尼塊通過耦合劑連接。
[0018]本發(fā)明還提供了一種固液兩相混合物均勻性的超聲在線檢測(cè)系統(tǒng)，其包括:信號(hào) 采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、在待測(cè)固液兩相混合物的相對(duì)兩側(cè)分別布置的帶有第一阻尼塊 的第一超聲傳感器和帶有第二阻尼塊的第二超聲傳感器;第一超聲傳感器和第二超聲傳感 器相向布置;第一阻尼塊和第二阻尼塊平行設(shè)置，且位于第一超聲傳感器和第二超聲傳感 器之間;第一阻尼塊和第二阻尼塊的聲阻抗均大于待測(cè)固液兩相混合物的聲阻抗；
[0019] 第一超聲傳感器用于發(fā)射超聲波，并接收自身發(fā)出的超聲波分別由第一阻尼塊和 第二阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物的兩個(gè)界面反射回的信號(hào);第二超聲傳感器用于發(fā) 射超聲波，并接收自身發(fā)出的超聲波在第二阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物的界面反射 回的超聲波信號(hào)；
[0020] 第一超聲傳感器和第二超聲傳感器接收到的超聲波信號(hào)上傳至信號(hào)采集系統(tǒng)，經(jīng) 信號(hào)采集系統(tǒng)處理為數(shù)據(jù)信息后，上傳至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
[0021 ]進(jìn)一步地，信號(hào)采集系統(tǒng)包括信號(hào)采集模塊，用于采集第一超聲傳感器接收的由 第一超聲傳感器發(fā)射后經(jīng)第一阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面反射回的第一個(gè)回 波信號(hào)的最大幅值pn、第一超聲傳感器接收的由第一超聲傳感器發(fā)射后經(jīng)第二阻尼塊對(duì)應(yīng) 的待測(cè)固液兩相混合物界面反射回的第一個(gè)回波信號(hào)最大幅值p r2、第二超聲傳感器接收的 由第二超聲傳感器發(fā)射后經(jīng)第二阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面反射回的第一個(gè) 回波信號(hào)的最大幅值Pr3，共三個(gè)回波信號(hào)；
[0022]信號(hào)采集模塊還用于采集上述三個(gè)回波信號(hào)在均勻混合狀態(tài)下各自對(duì)應(yīng)的幅值 瓦7，以及用于采集上述三個(gè)回波信號(hào)在完全沉積時(shí)各自對(duì)應(yīng)的幅值Psk，其中k= 1、2、3;信 號(hào)采集模塊將采集到的上述信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)并上傳給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng);數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括數(shù) 據(jù)處理模塊，用于將p Sk與:瓦^之間的絕對(duì)差值|凡?_ |作為標(biāo)定值，并將1^ 1映射 至 ij [ ο. 0，1. 0 ]區(qū)間，如果 | -瓦；| > 1-瓦；|，則令 | 〇A - ；^) / (-巧）| = 1，由此 得到待測(cè)固液兩相混合物的均勻性表達(dá)式為
[0024] 其中，Horn」代表第一超聲傳感器和第二超聲傳感器之間的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)待測(cè)固液兩 相混合物的均勾度，其范圍是〇~1;當(dāng)待測(cè)固液兩相混合物完全沉積時(shí)，Homj = 0;當(dāng)待測(cè)固 液兩相混合物混合均勾時(shí)，Homj = 1。
[0025] 進(jìn)一步地，第一超聲傳感器和第二超聲傳感器組成檢測(cè)對(duì)，多個(gè)該檢測(cè)對(duì)設(shè)于待 測(cè)固液兩相混合物的不同位置，用于檢測(cè)不同位置的均勻性;信號(hào)采集模塊用于采集來自 多個(gè)該檢測(cè)對(duì)的信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)處理模塊;數(shù)據(jù)處理模塊用于處理得到的 數(shù)據(jù)并得出待測(cè)固液兩相混合物的均勻性結(jié)果，待測(cè)固液兩相混合物的均勻性的表達(dá)式 為：
[0027]其中，Μ是總的檢測(cè)對(duì)數(shù)量，j = 1、2、3、…、Μ，k= 1、2、3;第j對(duì)傳感器的回波信號(hào)prk 表示為Puk;Hom為待測(cè)固液兩相混合物的平均混合均勻度，其范圍為0~1;當(dāng)待測(cè)固液兩相 混合物完全沉積時(shí)，Hom = 0;當(dāng)待測(cè)固液兩相混合物混合均勾時(shí)，Hom=l。
[0028] 進(jìn)一步地，第一超聲傳感器與第一阻尼塊通過耦合劑連接，第二超聲傳感器與第 二阻尼塊通過耦合劑連接。
[0029] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，檢測(cè)方法及系統(tǒng) 簡(jiǎn)單，能夠進(jìn)行快速、定量、在線檢測(cè)，同時(shí)檢測(cè)對(duì)象廣泛，能夠穿透金屬、塑料等材料，適合 阻光媒質(zhì)的檢測(cè)，能實(shí)現(xiàn)非接觸式在線檢測(cè);檢測(cè)過程中傳感器不需要移動(dòng)、調(diào)整位置，具 有較好的穩(wěn)定性和可靠性，適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境;易于實(shí)現(xiàn)、成本較低和響應(yīng)快;對(duì)人體 無害，且不會(huì)對(duì)工業(yè)過程產(chǎn)生附加的不利影響。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例的檢測(cè)系統(tǒng)示意圖；
[0031] 圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例的檢測(cè)原理圖。
[0032] 在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：
[0033] 1-第一超聲傳感器，2-第一阻尼塊，3-第二阻尼塊，4-第二超聲傳感器，5-第二脈 沖發(fā)生接收器，6-數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，7-信號(hào)采集系統(tǒng)，8-第一脈沖發(fā)生接收器
【具體實(shí)施方式】
[0034]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0035] 請(qǐng)參照?qǐng)D1，檢測(cè)系統(tǒng)由第一超聲傳感器1、第一阻尼塊2、第二阻尼塊3、第二超聲 傳感器4、第二脈沖發(fā)生接收器5、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)6、信號(hào)采集系統(tǒng)7和第一脈沖發(fā)生接收器8 組成。第一脈沖發(fā)生接收器8和第二脈沖發(fā)生接收器5均處于發(fā)射-接收模式。第一超聲傳感 器1通過耦合劑與第一阻尼塊2黏接在一起，第二超聲傳感器4通過耦合劑與第二阻尼塊3黏 接在一起，第一阻尼塊2、第二阻尼塊3相互平行且位于第一超聲傳感器1和第二超聲傳感器 4之間，第一超聲傳感器1、第二超聲傳感器4相向布置。待測(cè)固液兩相混合物置于第一阻尼 塊2、第二阻尼塊3之間。該布置方式為非侵入式的檢測(cè)方式，可用于監(jiān)控管道或者攪拌槽中 固液兩相混合物均勻性，且不干擾混合過程。
[0036] 在選取第一阻尼塊和第二阻尼塊的制造材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)使第一阻尼塊和第二阻尼塊 的聲阻抗均大于待測(cè)固液兩相混合物的聲阻抗，通?？梢赃x擇有機(jī)玻璃等材料。
[0037] 檢測(cè)的基本過程如下：
[0038] (1)第一脈沖發(fā)生接收器8按一定的重復(fù)頻率(如100Hz)發(fā)射脈沖，經(jīng)第一脈沖發(fā) 生接收器8的發(fā)射端T/R將電脈沖信號(hào)送入第一超聲傳感器1中，第一超聲傳感器1發(fā)出超聲 波;第一超聲傳感器1發(fā)出的超聲波依次穿過第一阻尼塊2、待測(cè)固液兩相混合物和第二阻 尼塊3,第一阻尼塊2對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面以及第二阻尼塊3對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩 相混合物界面反射的超聲波被第一超聲傳感器1接收；
[0039]第二脈沖發(fā)生接收器5按與第一脈沖發(fā)生接收器相同的頻率發(fā)射脈沖，并通過同 步信號(hào)保證兩個(gè)脈沖發(fā)生接收器的觸發(fā)時(shí)間相同。經(jīng)第二脈沖發(fā)生接收器5的發(fā)射端T/R將 電脈沖信號(hào)送入第二超聲傳感器4中，第二超聲傳感器4產(chǎn)生超聲波;第二超聲傳感器4發(fā)出 的超聲波經(jīng)第二阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面反射，反射的超聲波被第二超聲傳 感器4接收。
[0040] (2)第一超聲傳感器1、第二超聲傳感器4在步驟（1)中接收到的上述三個(gè)超聲波信 號(hào)分別經(jīng)第一脈沖發(fā)生接收器8、第二脈沖發(fā)生接收器5增益調(diào)節(jié)后送入信號(hào)采集系統(tǒng)6;信 號(hào)采集系統(tǒng)6包括信號(hào)采集模塊，用于將信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理成為數(shù)據(jù)后，傳輸至數(shù)據(jù)處理 系統(tǒng)7,數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7包括數(shù)據(jù)處理模塊，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。
[0041] 圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例的檢測(cè)原理圖，顯示了超聲信號(hào)在待測(cè)固液兩相混合物 中的傳播過程。首先將檢測(cè)區(qū)域(兩個(gè)超聲傳感器之間的待測(cè)固液兩相混合物)按照濃度差 異劃分為q層。圖2中1、α、ζ和分別代表了厚度、超聲衰減系數(shù)、聲阻抗和待測(cè)固液兩相混 合物的體積濃度，下標(biāo)c、g分別代表了第一阻尼塊2和第二阻尼塊3，以1 = 1、2、一、(1)為固液 兩相混合物的層號(hào)，L是檢測(cè)區(qū)域的總厚度。
[0042] (1)記錄的超聲回波信號(hào)?^與固液兩相混合物濃度的關(guān)系
[0043]超聲回波信號(hào)由待測(cè)固液兩相混合物的超聲衰減系數(shù)和界面反射決定。第一超聲 傳感器1接收的由第一超聲傳感器1發(fā)射后經(jīng)第一阻尼塊2對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面 反射回的第一個(gè)回波信號(hào)的最大幅值Prl (標(biāo)量)為：
[0045] 其中，P(3為第一超聲傳感器1的發(fā)射波峰值，Ru為第一阻尼塊2對(duì)應(yīng)的第1層待測(cè)固 液兩相混合物界面的反射系數(shù)，由于第一阻尼塊2的聲阻抗z。大于其對(duì)應(yīng)側(cè)的待測(cè)固液兩 相混合物的聲阻抗 Z1，即Zc>Zl。對(duì)于一個(gè)已經(jīng)確定的檢測(cè)系統(tǒng)，^和及，20^為常數(shù)，由上式 可知，隨著Z1增大，prl單調(diào)地減小。由于第一阻尼塊2對(duì)應(yīng)的第1層待測(cè)固液兩相混合物的濃 度豹與聲阻抗21成正相關(guān)，因此結(jié)合上述公式可知fl與prl成反相關(guān)。
[0046] 同理可得，第二阻尼塊3對(duì)應(yīng)的第q層待測(cè)固液兩相混合物％，和第二超聲傳感器4 接收的由第二超聲傳感器4發(fā)射后經(jīng)第二阻尼塊3對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面反射回 的第一個(gè)回波信號(hào)的最大幅值p r3(標(biāo)量)成反相關(guān)，隨著增大，pr3單調(diào)地減小，圖2中的 pe'是第二超聲傳感器4的發(fā)射波峰值。
[0047] 從以上分析可知，prdPpr3能夠分別反映第一阻尼塊2和第二阻尼塊3各自對(duì)應(yīng)相 臨處的待測(cè)固液兩相混合物的濃度。
[0048] (2)記錄的超聲回波信號(hào)pr2與固液兩相混合物濃度的關(guān)系
[0049]第一超聲傳感器1接收的由第一超聲傳感器1發(fā)射后經(jīng)第二阻尼塊3對(duì)應(yīng)的待測(cè)固 液兩相混合物界面反射回的第一個(gè)回波信號(hào)最大幅值pr2(標(biāo)量)為：
[0051 ]其中，Tcl表示超聲波從第一阻尼塊到達(dá)待測(cè)固液兩相混合物時(shí)的透射系數(shù);Tlc表 示超聲波從待測(cè)固液兩相混合物到達(dá)第一阻尼塊時(shí)的透射系數(shù);Τ1(1+υ表示超聲波從第i層 待測(cè)固液兩相混合物到達(dá)i+?層待測(cè)固液兩相混合物時(shí)的透射系數(shù)，T( 1+m表示超聲波從i+ 1層待測(cè)固液兩相混合物到達(dá)i層待測(cè)固液兩相混合物時(shí)的透射系數(shù)，Rqg為第二阻尼塊3對(duì) 應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面的反射系數(shù)。在上式中，右邊的第一項(xiàng)是常數(shù)，pr2主 要由待測(cè)固液兩相混合物引起的衰減(右式中第二項(xiàng))和界面反射(右式中第三項(xiàng))決定。
[0052] 均勻固液兩相混合物體積濃度朽與其超聲衰減系數(shù)as的關(guān)系可以通過間接式脈 沖回波法獲得。在一定濃度范圍內(nèi)，均勻固液兩相混合物中衰減系數(shù)a s線性地決定于體積 濃度外。因此從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，當(dāng)環(huán)境溫度、顆粒粒徑和脈沖頻率等其他變量是常數(shù) 時(shí)，在一定濃度范圍內(nèi)，均勻固液兩相混合物中的超聲衰減系數(shù)a s與濃度於的關(guān)系可以定 性地表達(dá)為：
[0053] as = }ψχ + δ
[0054] 其中，系數(shù)δ和γ是與固液兩相混合物濃度無關(guān)、但取決于顆粒粒徑等因素的常 量。
[0055] 在濃度為外的均勻固液兩相混合物中，超聲信號(hào)在傳輸距離1后的信號(hào)衰減因子 為+說。對(duì)于非均勻固液兩相混合物，固液兩相混合物的衰減(此處暫時(shí)不考慮界面 反射)可以表達(dá)為局部衰減之和，因此： <i q
[0056] Ζ α,./,. = Z 0代./, + ?7,) = (;_ + d')L t-l, i-l
[0057] 其中，=#，歹為檢測(cè)區(qū)域的平均體積濃度。因此，固液兩相混合物的超 聲衰減系數(shù)(此處暫時(shí)不考慮界面反射)主要決定于平均濃度尹，并與平均濃度廬成正比。 [0058]不均勻固液兩相混合物中聲阻抗的差異將引起信號(hào)的反射和透射，導(dǎo)致超聲波能 量的衰減。待測(cè)固液兩相混合物總的透射系數(shù)T sus可表達(dá)為：
[0000]由上式可知，當(dāng)Zi+i/zi〈l時(shí)，Ti(i+i)*T(i+i)i項(xiàng)將隨著Zi+i/zi的增大而增大；當(dāng)Zi+i/zi >1時(shí)，Ti(i+1)*T(i+1)i項(xiàng)將隨著Zi+1/ Zi的增大而減??；當(dāng)Zi+1/Zi= 1時(shí)，Ti(i+1)*T(i+1)i項(xiàng)為最大值 1。這說明，T1(1+1)*T(1+m隨著檢測(cè)區(qū)內(nèi)聲阻差異(或濃度差異）的減小而增大。T sus隨著固液 兩相混合物逐漸均勻而不斷增大，當(dāng)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)固液兩相混合物達(dá)到完全均勻時(shí)，Tsus達(dá)到 最大值1。
[0061 ] 同理可得：
[0064] Zl/Zc〈l時(shí)，Tcl*TlcM著Z1 (或待測(cè)固液兩相混合物濃度識(shí)1)增大而增大;Zq/Zg、Rqg隨 著zq(或待測(cè)固液兩相混合物濃度灼)增大而減小。因此，在混合過程中，Tcl*Tlc、R qg和Tsus均 隨著待測(cè)固液兩相混合物均勻性的提高而增大。綜合以上分析可知，pr2包含了檢測(cè)區(qū)域內(nèi) 的平均濃度信息和濃度分布信息。
[0065] 固液兩相混合物均勻性是衡量局部濃度與平均濃度差異的指標(biāo)。根據(jù)上述分析可 知，回波信號(hào)的幅值與固液兩相混合物濃度相關(guān)，因此，固液兩相混合物的均勻性可以通過 回波信號(hào)幅值的差異進(jìn)行表達(dá)。
[0066] 所以，可以在檢測(cè)步驟⑵中，將前面記錄的三個(gè)回波信號(hào)prk(k=l、2、3)與均勻混 合狀態(tài)下各自對(duì)應(yīng)的回波幅值? (^=1、2、3)的絕對(duì)差值之和用于反 映固液兩相混合物濃度與均勻時(shí)濃度的差異，進(jìn)而反映固液兩相混合物的混合均勻性。
[0067] 但是，由于三個(gè)回波幅值prl、pr2和pr3有較大差異，需要進(jìn)行歸一化處理。記錄上述 三個(gè)回波信號(hào)在完全沉積時(shí)各自對(duì)應(yīng)的幅值Psk，以pSk與?之間的絕對(duì)差值| |為 標(biāo)定值，將I心-I映射到[0 · 0，1 · 0 ]區(qū)間。如果IA - Ε |>| Α H，則令 1(? -瓦[)/(心-^?=1 因此，固液兩相混合物的均勻性可表達(dá)為：
[0069] 其中，Homj代表第一超聲傳感器和第二超聲傳感器之間的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)待測(cè)固液兩 相混合物的均勻度，其范圍是〇~1。對(duì)于一個(gè)完全沉積的混合系統(tǒng)，Horn」=0。通過混合，顆 粒分布均勻性不斷提高，超聲回波信號(hào)與均勻固液兩相混合物回波信號(hào)幅值的差異逐漸減 小，Horn」逐漸增大。當(dāng)固液兩相混合物完全均勻時(shí)，Homj = 1。
[0070] 在第二實(shí)施例中（未圖示），第一超聲傳感器和第二超聲傳感器組成檢測(cè)對(duì)，多個(gè) 該檢測(cè)對(duì)設(shè)于待測(cè)固液兩相混合物的不同位置，檢測(cè)不同位置的均勻性，采用多對(duì)超聲傳 感器同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，能夠更加全面地衡量固液兩相混合物均勻性。此時(shí)，Horn」代表第j對(duì)傳 感器檢測(cè)區(qū)域內(nèi)固液兩相混合物的均勻度，它的范圍是〇~1，而多個(gè)傳感器檢測(cè)的最終均 勻件結(jié)果可以衷達(dá)為：
[0072]其中，Μ是總的檢測(cè)對(duì)數(shù)量，j = 1、2、3、…、Μ，k= 1、2、3;第j對(duì)傳感器的回波信號(hào)幅 值Prk表示為Prjk; Horn為待測(cè)固液兩相混合物的平均混合均勾度，其范圍為0~1 ;當(dāng)待測(cè)固液 兩相混合物完全沉積時(shí)，Hom = 0;當(dāng)待測(cè)固液兩相混合物混合均勻時(shí)，Hom= 1。
[0073]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制 本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本 發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種固液兩相混合物均勻性的超聲在線檢測(cè)方法，其特征在于，在待測(cè)固液兩相混 合物的相對(duì)兩側(cè)分別布置帶有第一阻尼塊的第一超聲傳感器和帶有第二阻尼塊的第二超 聲傳感器，第一超聲傳感器和第二超聲傳感器相向布置;第一阻尼塊和第二阻尼塊平行設(shè) 置，且位于第一超聲傳感器和第二超聲傳感器之間；第一阻尼塊和第二阻尼塊的聲阻抗均 大于待測(cè)固液兩相混合物的聲阻抗； 檢測(cè)過程如下： (1) 第一超聲傳感器發(fā)出的超聲波依次穿過第一阻尼塊、待測(cè)固液兩相混合物，第一阻 尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面以及第二阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面反 射的超聲波被第一超聲傳感器接收;第二超聲傳感器發(fā)出的超聲波穿過第二阻尼塊并被第 二阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面反射，然后被第二超聲傳感器接收； (2) 對(duì)第一超聲傳感器和第二超聲傳感器在步驟（1)中接收到的三個(gè)超聲波信號(hào)進(jìn)行 數(shù)據(jù)分析和處理，通過計(jì)算與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的差異來判斷待測(cè)固液兩相混合物的均勻性。2. 如權(quán)利要求1所述的超聲在線檢測(cè)方法，其特征在于:步驟(2)中，記錄第一超聲傳感 器接收的由第一超聲傳感器發(fā)射后經(jīng)第一阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面反射回 的第一個(gè)回波信號(hào)的最大幅值 Prl、第一超聲傳感器接收的由第一超聲傳感器發(fā)射后經(jīng)第二 阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面反射回的第一個(gè)回波信號(hào)最大幅值p r2、第二超聲傳 感器接收的由第二超聲傳感器發(fā)射后經(jīng)第二阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面反射 回的第一個(gè)回波信號(hào)的最大幅值p r3,共三個(gè)回波信號(hào)； 檢測(cè)上述三個(gè)回波信號(hào)在均勻混合狀態(tài)下各自對(duì)應(yīng)的幅值為;^，其中k=l、2、3;以上述 三個(gè)回波信號(hào)在完全沉積時(shí)各自對(duì)應(yīng)的幅值Psk與％之間的絕對(duì)差值I-I為標(biāo)定值， 并將IEI 映射到[〇 · 〇，1 · 〇 ]區(qū)間，如果IA* - E |>| & -瓦71，則令I(lǐng) (? -[) / (A「副=1， 由此得到待測(cè)固液兩相混合物的均勻性表達(dá)式為其中，Homj代表第一超聲傳感器和第二超聲傳感器之間的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)待測(cè)固液兩相混 合物的均勾度，其范圍是〇~1;當(dāng)待測(cè)固液兩相混合物完全沉積時(shí)，Hornj = 0;當(dāng)待測(cè)固液兩 相混合物混合均勾時(shí)，Homj = 1。3. 如權(quán)利要求2所述的超聲在線檢測(cè)方法，其特征在于:第一超聲傳感器和第二超聲傳 感器組成檢測(cè)對(duì)，多個(gè)該檢測(cè)對(duì)設(shè)于待測(cè)固液兩相混合物的不同位置，檢測(cè)不同位置的均 勻性，則待測(cè)固液兩相混合物的均勻性表達(dá)式為其中，M是總的檢測(cè)對(duì)數(shù)量，j = 1、2、3、…、M，k = 1、2、3;第j對(duì)傳感器的回波信號(hào)prk表示 為Puk;H〇m為待測(cè)固液兩相混合物的平均混合均勻度，其范圍為0~1;當(dāng)待測(cè)固液兩相混合 物完全沉積時(shí)，Hom = O;當(dāng)待測(cè)固液兩相混合物混合均勾時(shí)，Hom=I。4. 如權(quán)利要求1~3所述的超聲在線檢測(cè)方法，其特征在于：第一超聲傳感器與第一阻 尼塊通過耦合劑連接，第二超聲傳感器與第二阻尼塊通過耦合劑連接。5. -種固液兩相混合物均勻性的超聲在線檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括：信號(hào)采集系 統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、在待測(cè)固液兩相混合物的相對(duì)兩側(cè)分別布置的帶有第一阻尼塊的第一 超聲傳感器和帶有第二阻尼塊的第二超聲傳感器;第一超聲傳感器和第二超聲傳感器相向 布置;第一阻尼塊和第二阻尼塊平行設(shè)置，且位于第一超聲傳感器和第二超聲傳感器之間； 第一阻尼塊和第二阻尼塊的聲阻抗均大于待測(cè)固液兩相混合物的聲阻抗； 第一超聲傳感器用于發(fā)射超聲波，并接收自身發(fā)出的超聲波分別由第一阻尼塊和第二 阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物的兩個(gè)界面反射回的信號(hào);第二超聲傳感器用于發(fā)射超 聲波，并接收自身發(fā)出的超聲波在第二阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物的界面反射回的 超聲波信號(hào)； 第一超聲傳感器和第二超聲傳感器接收到的超聲波信號(hào)上傳至信號(hào)采集系統(tǒng)，經(jīng)信號(hào) 采集系統(tǒng)處理為數(shù)據(jù)信息后，上傳至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。6. 如權(quán)利要求5所述的超聲在線檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于： 所述信號(hào)采集系統(tǒng)包括信號(hào)采集模塊，用于采集第一超聲傳感器接收的由第一超聲傳 感器發(fā)射后經(jīng)第一阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面反射回的第一個(gè)回波信號(hào)的最 大幅值pn、第一超聲傳感器接收的由第一超聲傳感器發(fā)射后經(jīng)第二阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液 兩相混合物界面反射回的第一個(gè)回波信號(hào)最大幅值p r2、第二超聲傳感器接收的由第二超聲 傳感器發(fā)射后經(jīng)第二阻尼塊對(duì)應(yīng)的待測(cè)固液兩相混合物界面反射回的第一個(gè)回波信號(hào)的 最大幅值p r3,共三個(gè)回波信號(hào);信號(hào)采集模塊還用于采集上述三個(gè)回波信號(hào)在均勻混合狀 態(tài)下各自對(duì)應(yīng)的幅值瓦「，以及用于采集上述三個(gè)回波信號(hào)在完全沉積時(shí)各自對(duì)應(yīng)的幅值 Psk，其中k=l、2、3;所述信號(hào)采集系統(tǒng)將采集到的上述信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)并上傳給數(shù)據(jù)處理 系統(tǒng)； 所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理模塊，用于將Psk與&之間的絕對(duì)差值I i?# -%|作 為標(biāo)定值，并將IA* -瓦Tl映射到[〇 · 〇，1 · 〇 ]區(qū)間，如果I A.a--巧M A -巧I，則令 I (仏-I) / (化-巧）|二1 .，.由此得到待測(cè)固液兩相混合物的均勻性表達(dá)式為其中，Homj代表第一超聲傳感器和第二超聲傳感器之間的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)待測(cè)固液兩相混 合物的均勾度，其范圍是0~1;當(dāng)待測(cè)固液兩相混合物完全沉積時(shí)，Hornj = 0;當(dāng)待測(cè)固液兩 相混合物混合均勾時(shí)，Homj = 1。7. 如權(quán)利要求6所述的超聲在線檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:第一超聲傳感器和第二超聲傳 感器組成檢測(cè)對(duì)，多個(gè)該檢測(cè)對(duì)設(shè)于待測(cè)固液兩相混合物的不同位置，用于檢測(cè)不同位置 的均勻性;信號(hào)采集模塊用于采集來自多個(gè)該檢測(cè)對(duì)的信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)處 理模塊;數(shù)據(jù)處理模塊用于處理得到的數(shù)據(jù)并得出待測(cè)固液兩相混合物的均勻性結(jié)果，待 測(cè)固液兩相混合物的均勻性的表達(dá)式為：其中，M是總的檢測(cè)對(duì)數(shù)量，j = I、2、3、…、M，k = I、2、3;第j對(duì)傳感器的回波信號(hào)prk表示 為Puk;H〇m為待測(cè)固液兩相混合物的平均混合均勻度，其范圍為O~1;當(dāng)待測(cè)固液兩相混合 物完全沉積時(shí)，Hom = O;當(dāng)待測(cè)固液兩相混合物混合均勾時(shí)，Hom=I。8.如權(quán)利要求5~7所述的超聲在線檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：第一超聲傳感器與第一阻 尼塊通過耦合劑連接，第二超聲傳感器與第二阻尼塊通過耦合劑連接。
【文檔編號(hào)】G01N29/02GK106018548SQ201610345221
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月23日
【發(fā)明人】詹小斌, 楊屹立, 李錫文, 梁建, 何宇, 沈?qū)毦? 孫志斌, 史鐵林
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)