超聲非接觸式水煤漿粒度表征的研究

第31卷增刊中國電機工程學(xué)報Vol 31 Supplement Dec 31, 20112011年12月31日Proceedings of the CSEEC2011 Chin. Soc. for Elec Eng. 181編號:0258-8013(2011)S018106中圖分類(lèi)號:TK31文獻標志碼:A學(xué)科分類(lèi)號:47020超聲非接觸式水煤漿粒度表征的研究呼劍,蘇明旭,蔡小舒(上海理工大學(xué)顆粒與兩相流測量研究所,上海市楊浦區20009Characterization of Particle Size Distribution of Coal-waterSlurries With Non-destructive Ultrasonic MethodHU Jian, SU Mingxu, CAI Xiaoshu(nstitute of Particle Two-Phase Flow Measurement, University of Shanghai for Science Technology,Yangpu District, Shanghai 200093, China)ABSTRACT: For studying the on-line measurement of particle號處理方法:基于超聲衰減系數的指數擬合譜。由該方法得size distribution(PSD)in coal-water slurries, theoretical and到的非接觸式測量結果與接觸式測量結果基本吻合,將測量experimental investigations were implemented based on結果與光學(xué)顯微鏡測量結果進(jìn)行比較證實(shí)了非接觸式超聲ultrasonic attenuation spectrum approach (UAS. ECAH and衰減譜法粒度表征技術(shù)的可行性multiple scattering models were combinedtransmission process in highly concentrated slurries, and then關(guān)鍵詞:超聲;水煤漿;非接觸測量;粒度分布;衰減譜血 he inverse algorithm of particle size distributions was put0引言forward using optimum regularization technique (ORT). Inexperiment, a couple of 5MHz broad-frequency ultrasonic水煤漿作為一種代油潔凈燃料,已越來(lái)越受到transducers were employed in the destructive and non重視。水煤漿粒度對最大制漿濃度及煤漿的流變特tructive testing(NDT), in which an novel data processing性以及燃燒過(guò)程均有重要影響,因此在線(xiàn)監測水煤hod based on exponential fit was developed in NDT.The漿粒度分布對水煤漿制備質(zhì)量監控十分重要。目measurement and analysis illustrate that the destructive method前,測量水煤漿粒度分布的主要方法包括顯微鏡觀(guān)can be completely replaced by NDT: Moreover, the UAs察、激光粒度儀分析等,但是這些方法都是離線(xiàn)取approach has revealed a good consistence with optical樣測量,不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測的要求。microscope analysis, which indicates that the measured PSD ofcoal-water slurries by UAS is feasible and reliable超聲波衰減譜法粒度表征技術(shù)具有測量系統結構簡(jiǎn)單、可實(shí)現非接觸式快速在線(xiàn)測量以及可測KEY WORDS: ultrasound: water-coal slurries; non-量濃度高1。等優(yōu)點(diǎn),得到了越來(lái)越多的關(guān)注912destructive testing (NDT); particle size distribution(PSD)本文研究了采用超聲波衰減譜法粒度表征技術(shù)非接觸式測量水媒漿粒度分布。摘要:為研究在線(xiàn)監測水煤漿粒度分布,進(jìn)行了基于超聲衰減譜法的理論與實(shí)驗研究,將BCAH模型疊加復散射效應1超聲衰減譜法測量原理描述超聲波在高濃度漿料中的傳播,得出聲衰減計算方法,11ECAH模型與復散射模型結合最優(yōu)正則化算法進(jìn)行粒度分布的反演計算實(shí)驗研究中超聲衰減譜法是利用超聲波在通過(guò)含有顆粒使用一對中心頻率為5MHz的寬頻超聲換能器進(jìn)行了接觸的連續介質(zhì)時(shí)所引起的依賴(lài)頻率變化的衰減譜來(lái)式和非接觸式測量,發(fā)展了一種用于非接觸式測量的超聲信測量顆粒粒度。 Epstein, Carhart, Allegra和 Hawley基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(08360,5107600上海市等人1314通過(guò)對聲衰減機制的理論研究建立了聲科委國際合作項目(09520709400)。衰減理論模型——ECAH模型。在測量高濃度水煤Project Supported by National Natural Science Foundation of China(50836003, 51076106): Shanghai International Cooperation Program漿時(shí),由于離散相濃度很高,超聲在通過(guò)水煤漿時(shí)(09520709400)必然會(huì )產(chǎn)生復散射效應,因此在應用ECAH模型中國電機工程學(xué)報第31卷時(shí)需考慮復散射效應的修正。均有關(guān),隨著(zhù)顆粒濃度的增加,d項會(huì )明顯增加。ECAH模型中的顆粒群聲衰減系數與顆粒數目但與此同時(shí),由于更高階的An項互相乘積或者自濃度成正比,即單個(gè)顆粒的聲衰減與單位體積內顆身平方數值非常小,因此復散射的影響很大程度上粒數目的乘積即為顆粒群聲衰減系數:依賴(lài)于顆粒與連續相間的物性參數差異,它與波動(dòng)、顆粒以及連續相的作用是密切相關(guān)的。a,=2k2R3(2n+1)A12反演計算式中:a為顆粒群聲衰減系數;為顆粒群體積濃粒度分布結果需要通過(guò)反演計算得到,其基本度;k為波數;R為顆粒半徑;A為n階散射系數思想是釆用理論模型預測出依賴(lài)于聲頻率和顆粒矩陣。如果進(jìn)一步考慮到液相本身的吸收,可以給粒徑變化的超聲衰減譜,并將其與實(shí)驗中的實(shí)測超出聲波通過(guò)液固兩相介質(zhì)時(shí)總的聲衰減系數為聲衰減譜進(jìn)行比較。例如,定義二者誤差的平方和a =a+(1-p)ae(2) (the sum of the square of the difference, SSD)%式中:ar為總聲衰減系數;a為液相聲衰減系數。es=∑a1()-aB)2按照 P.C. Waterman等人對隨機介質(zhì)中的波動(dòng)理式中;下角標T和E分別代表理論值和實(shí)測值;論研究,考慮前向散射場(chǎng)的波動(dòng)散射,可得顆粒兩表示不同的頻率。顯然該值越小,則表明實(shí)際的顆相介質(zhì)的復波數表達式(該式同樣可由Lody的波粒系與理論值越吻合?？梢圆捎没谧钚《俗顑?yōu)動(dòng)理論推導得出)化方法來(lái)處理這一問(wèn)題。(2n+1)A實(shí)際測量中均采用多頻率測量,因此可將公式j(luò )kR(6)進(jìn)一步離散化,改寫(xiě)為矩陣形式:式中A即為復波數,根據其定義AF=GK=/c2(a)+ja2()(4)式中;A為系數矩陣(其中任意元素通過(guò)假設的粒度式中c表示兩相介質(zhì)中的聲速。分布和濃度由模型計算);F為離散化的顆粒尺寸頻考慮高濃度時(shí)顆粒間相互散射的復散射效應,度分布,是待求值:G為實(shí)際測量所得到的不同頻可得率下的超聲衰減系數構成的向量。式(8是高度病態(tài)方程組,條件數很高,不能按ky=+E2-(2P(5)矩陣求逆直接求解,因此實(shí)際反演中需要結合最優(yōu)2Tn0B(0)2兀n0B(x)正則化反演算法( optimum regularization technique,式中:B(0)和B(π)為前向和后向散射振幅:ORT進(jìn)行求解1同時(shí)考慮到復散射條件下濃度對no=34πR2是指單位體積內的散射顆粒數。將上式進(jìn)行一系列的推導和論證,可得到各階散射系數聲衰減的復雜影響,因此本文均通過(guò)事先配置的方An為簡(jiǎn)便起見(jiàn)此處僅給出考慮了零階和一階散射式確定樣品濃度,之后由式(8)求解顆粒尺寸分布。系數(即A和A1)的表達式:2實(shí)驗方法及數據處理1+(4+34+34)2.1實(shí)驗準備實(shí)驗樣品是原始質(zhì)量濃度為65%的水煤漿。為kR°(44+5A142)使超聲理論和實(shí)驗觀(guān)測結果盡可能一致,實(shí)驗樣品應均勻分散且不含氣泡(氣泡會(huì )造成額外的聲衰kF(4+到+34+214)(減,在進(jìn)行接觸式測量時(shí)應盡量避兔氣泡附著(zhù)在換542能器表面。實(shí)驗中加純水配置了質(zhì)量濃度分別為式(6)等號右端第1行為單散射項,第2行為65%(原漿)、60%、55、50%45%、40%35%Waterman和 Truell給出的復散射修正,第3行為的樣品。Lloyd Berry給出的復散射額外修正。22實(shí)驗裝置由式(6可見(jiàn),聲衰減與顆粒系中的粒度和濃度實(shí)驗測量系統見(jiàn)圖1,主要包括:水浸式寬頻增刊呼劍等:超聲非接觸式水煤漿粒度表征的研究直探頭一對( Panametrics-NDT,中心標稱(chēng)頻率5MHz)、脈沖超聲發(fā)射接收儀( Panametrics5800R佛選最高超聲激勵頻率40MHz)、雙通道高速8位AD卡(N公司PC1114型,最高樣率為250M,單通道存儲容量為8MB)、計算機數據處理系統。測量區超聲探頭圖3FFT變換得到的超聲頻譜計算機數據采集射接收儀Fig 3 Ultrasonic frequency spectrum obtained y FFT inconcentrations圖1測量系統示意圖在通過(guò)水煤漿后,高頻信號成分被嚴重衰減。另外,1 Sketch map of the measurement system從圖中可以看出,隨著(zhù)頻率的升高,不同頻率超聲23測量方法信號的衰減也明顯增加,而在低于2MHz的范圍內23.1信號獲得超聲信號無(wú)法很好分辨,因此在進(jìn)行衰減譜測量時(shí)聲衰減系數的測量需通過(guò)比較法獲得。將窄脈使用的有效超聲衰減譜起始頻率為1.953MH沖超聲時(shí)域信號做快速傅里葉變換( fast fourier按照公式(9)計算得到不同濃度下的超聲衰減transform,FT)獲得寬頻域內的超聲頻域信號。再譜(見(jiàn)圖4近似呈線(xiàn)性變化。由下式計算得到超聲衰減系數In(A/A,)日120L式中:A為不同濃度時(shí)接收到的聲波頻率幅值:A為參考樣品(水)的聲波頻率幅值;a對實(shí)驗中多個(gè)頻率下的超聲信號幅值做線(xiàn)性回歸獲得,從而得到5202.53.03.54.0超聲衰減譜。分別進(jìn)行了接觸式和非接觸式測量實(shí)驗。在接圖4不同濃度下的實(shí)測水煤漿超聲衰減諧觸式測量中超聲換能器表面直接與水煤漿接觸,在Fig 4 Measured ultrasonic attenuation spectrum in非接觸式測量中超聲換能器安裝在水煤漿管道外,different concentrations不與水煤漿直接接觸233非接觸式測量23,2接觸式測量圖5是非接觸式測量段的剖面示意圖,非接圖2所示是接觸式測量質(zhì)量濃度為35%的水煤觸式測量段的中部是一段外徑為2500mm的完整漿超聲時(shí)域信號,圖3是經(jīng)FFT變換后得到的頻有機玻璃圓管,設計了一段阻抗匹配套套裝在有譜信號,從圖中可見(jiàn)透射信號中心頻率在2MHz附機玻璃圓管上,超聲換能器插入到阻抗匹配套中,近,而換能器發(fā)射中心頻率為5MHz,這說(shuō)明超聲在換能器傳播路徑上的所有連接處都使用丙醇進(jìn)行聲耦合利用非接觸式方法測量質(zhì)量濃度為35%的水煤漿得到如圖6所示的超聲信號。由圖中可以看出信號非常雜亂,在進(jìn)行數據處理時(shí)消除干擾信號并獲得有效超聲信號是本研究的重點(diǎn)。將非接觸式測得的超聲信號進(jìn)行傅里葉變換108000011000得到各個(gè)濃度下的超聲波頻譜(見(jiàn)圖7)。從圖中可數據點(diǎn)圖2接觸式測得的超聲信號以發(fā)現,與接觸式測量信號不同,非接觸式測量的Fig 2 Ultrasonic signal measured信號不隨頻率增加連續變化,而是存在一些極大值by destructive met和極小值。在某些頻率,透射信號很強且明顯隨濃中國電機工程學(xué)報式中:下角標c表示匹配層( couple);下角標b表示阻抗層( block);下角標p表示管壁(pjpe);下角標s表示漿料(sury);△a表示其他形式的微小衰減量。實(shí)際需要求得的就是a4即在某個(gè)頻率下隨漿料濃度變化的衰減系數。因此公式(10)可改寫(xiě)成a=a,+圖5非接觸式測量段剖面圖Fig5 Profile of non-destructive testing (NDT)其中a'就是其他形式衰減之和,此值只與非接觸式measurement section測量段結構有關(guān),在實(shí)際測量中可以通過(guò)測量參考樣品(水)來(lái)獲得該值,然后通過(guò)比較法消去根據式(9)可以得到實(shí)測超聲信號的衰減譜,但是非接觸式測量結果若直接以譜的形式給出則無(wú)法正確表示超聲衰減,這是由于某些頻率下的信號幅值非常小,會(huì )產(chǎn)生很大誤差。為獲得有效的超聲衰減譜,提出了一種新的非接觸式測量數據處理方60006100620063006400數據點(diǎn)法一“基于超聲衰減系數的指數擬合衰減譜”。圖8是略去信號幅值非常小頻率點(diǎn)信號后其他頻率的圖6非接觸式測得的超聲時(shí)域信號超聲衰減系數。由圖可見(jiàn),衰減系數大致呈指數Fig6 Measured Ultrasonic signal by NDT變化。高基圖7不同濃度下非接觸式超聲信號的FFT變換結果圖8不同濃度下水煤漿實(shí)測超聲衰減系數Fig7 Ultrasonic frequency spectrum converted by FFtFlg.8 Measured ultrasonic attenuation coefficients ofin different concentrationswater coal slurries in different concentrations度發(fā)生變化,而在另一些頻率,透射信號強度幾乎與濃度無(wú)關(guān)將實(shí)測衰減點(diǎn)進(jìn)行指數歸一化處理,得到各個(gè)濃度下超聲衰減譜的指數趨勢線(xiàn)(見(jiàn)圖9)。與圖4觀(guān)察圖5可知,當發(fā)射換能器發(fā)射出一列脈沖的接觸式測量信號比較可見(jiàn)二者比較相近,在頻率超聲波時(shí),超聲會(huì )通過(guò)阻抗層、管壁、漿料、管壁、低于2MH的范圍內超聲信號不隨水煤漿濃度變阻抗層,然后到達接收換能器在這一傳播過(guò)程中,化而變化,化而變化,在頻率高于2MH后,衰減越來(lái)越明顯。換能器與阻抗層間的耦合、阻抗層與管壁的耦合、24實(shí)驗結果與討論環(huán)狀阻抗塊(與管壁接觸的表面和圓形管壁對超聲241接觸式測量結果的散射作用、以及朗姆波(在管壁中傳播的超聲波小等都會(huì )干擾信號。利用ECAH模型,考慮到復散射效應影響,結合最優(yōu)正則化算法,將實(shí)測超聲衰減譜進(jìn)行反演計非按觸測量中總超聲衰減系數a可分解成各算,得到了各個(gè)濃度下的水煤漿顆粒粒度分布(見(jiàn)個(gè)超聲衰減系數之和圖10)。從圖中可知測得的粒度主要分布在5-15ma,=aal+abI+ac2 +apI +a+之間,且各個(gè)濃度下的測量結果都比較接近,只有十.,+a2+a4+△a(10)質(zhì)量濃度60%的水煤漿粒度分布較寬在5-20m增刊呼劍等:超聲非接觸式水煤漿粒度表征的研究一50H55/MHz圖12水煤漿顆粒的光學(xué)顯微鏡照片(100倍圖9基于超聲衰減系數的擬合衰減譜Fig 12 Photograph of water-coal particles shot by LMFig 9 Fitting UAS based on ultrasonic attenuation邊長(cháng)為58615μm。顆粒的粒度大約在3~25m之coefficients間,此結果與超聲法測得結果相近。圖12是光學(xué)顯微鏡測量結果與接觸法和非接觸法測量結果的匯總受60表1超聲法和光學(xué)顯微鏡的測量結果比較Tab. 1 Measuring results comparison betweenultrasonic and light microscope (Lm)質(zhì)量方法分數%Dso Doo D43顆粒粒度/mLM469129117.061.52圖10接觸式測得的顆粒粒度累積曲線(xiàn)356.0696913.7311.5912.19Fig. 10 PSD curve measured by destructive method40525848121210321102242非接觸式測量結果5.258881292109211.63將非接觸式測量測得的擬合超聲衰減譜進(jìn)行5258.4812.1210.321102接觸式超聲反演計算,得到了如圖11所示測量結果,其中質(zhì)5658.8813.3311.111.82量濃度65%原漿的測量結果偏大。分析其原因應該556.0610.114.14120812826068611.7116.9714.2315.04是透射信號造成的衰減譜測量偏差。655659291313116412494060610.1013.73115912.193.6310.84非接觸式503637.67129211.0112.065564610.101454124013.1665%6513331616185816701691與光學(xué)顯微鏡測量結果比較發(fā)現,超聲法測得的粒度分布較窄,其原因可能是水煤漿顆粒的非球顆粒粒度m形幾何特征和測量狀態(tài)的不同(在超聲測量是以均圖11非接觸式測得的顆粒粒度累積曲線(xiàn)勻懸浮的形式,而在光學(xué)顯微鏡中則是以重心最低Fig 11 PSD curve measured by NDT比較圖10和圖可知在大部分濃度下二者的的平躺狀態(tài)觀(guān)測顆粒二維特征,同時(shí)超聲法反演過(guò)程中為增加病態(tài)方程的求解穩定性,約束因子的增測量結果吻合較好。這意味著(zhù)完全可以用非接觸測大減小了得到的粒度分布范圍。量方法在線(xiàn)測量水煤漿的粒度。由于在接觸式測量中換能器直接與流動(dòng)的水煤漿接觸很容易損壞,無(wú)3結論法應用于生產(chǎn)實(shí)際。而非接觸測量中超聲換能器不本實(shí)驗研究中,使用一對中心頻率為5MHz的與水煤漿接觸,不易損壞,可以用于生產(chǎn)實(shí)際中。寬帶超聲換能器進(jìn)行超聲波的發(fā)射接收,對多個(gè)濃243超聲法與光學(xué)顯微鏡測量結果對比度下的水煤漿進(jìn)行了粒度表征,利用考慮了復散射圖12是利用光學(xué)顯微鏡拍攝得到的水煤漿顆效應修正的ECAH模型對超聲的衰減過(guò)程進(jìn)行描粒圖像,放大倍數為100倍,圖中每個(gè)方格的相對述,并結合最優(yōu)正則化算法得到了比較可信的測量186中國電機工程學(xué)報第31結果。從該研究得到如下結論。[9]蔡小舒,蘇明旭,沈建琪,等.顆粒粒度測量技術(shù)及應1)鑒于非接觸式測量數據的信噪比較小,提用M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010:171-215.出的“基于衰減系數的指數擬合衰減譜”數據處理Cai Xiaoshu, Su Mingxu, Shen Jiangqi, et alMeasurement techniques for particle size and applications方法在對高濃度水煤漿的測量實(shí)驗中可以獲得較IM]. Beijing: Chemical Industry Press, 2010: 171-215(in好的測量結果,并與接觸式測量結果吻合。但在質(zhì)Chinese)量濃度大于55%以后非接觸式測量結果誤差增大。[l0 Wang x Z, Liu Lande, Rui f l,etal. Online2)接觸式和非接觸式超聲測量水煤漿的結果characterisation of nanoparticle suspensions using與光學(xué)顯微鏡粒度圖像分析儀的測量結果基本dynamic light scattering, ultrasound spectroscopy andprocess tomography[]. Chemical Engineering Research致,但超聲法測得的粒度分布略窄。and Design,2009(87):874884.3)非接觸式超聲測量高濃度水煤漿是可行的。[]{ u Jian, Su Mingxu, Cai Xiaoshu,etal. A broad該方法可以簡(jiǎn)化在線(xiàn)測量裝置和減少被測對象對frequency ultrasonic attenuation spectrum investigation超聲探頭的損害。method for ultrasonic process tomography[C]/6th WorldCongress on Processing Tomograph, Beijing, 2010.參考文獻[12]呼劍,蘇明旭,蔡小舒,等.高頻寬帶超聲衰減譜表征納米顆粒的方法[化工學(xué)報,2010,61(1):2985-2991[〕薛明華,蘇明旭,蔡小舒,超聲波多次回波反射法測量Hu Jian, Su Mingxu, Cai Xiaoshu, et al. High-frequency兩相流密度實(shí)驗研究[工程熱物理學(xué)報,2008,29(8):ultrasonic attenuation spectrum method for measuring1343-1346.nanoparticle size distribution[J]. 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