氣液兩相流中氣泡大小、數目和運動速度的測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種超聲檢測技術，特別涉及一種氣液兩相流中氣泡大小、數目和運 動速度的測量方法。
【背景技術】
[0002] 氣泡有多種形成機理，并廣泛存在于自然界和醫療、化工等各個領域，一般以氣液 兩相流的形式存在，這里氣體是分散相，液體是分散介質。氣泡的存在往往對醫療、化工等 領域具有很大的影響。例如，在輸液的過程中，輸液管中若有氣泡的存在，氣泡進入病人體 內就會對病人產生不利的影響，在氣泡體積大于5mL時甚至會致病人死亡。因此，對于氣液 兩相流中氣泡的檢測很有必要。
[0003] 超聲檢測技術是利用超聲波來進行各種檢測和測量的技術。超聲波在氣液兩相體 系中傳播時，其衰減程度及衰減時間與氣泡粒徑的大小和氣泡的運動速度有關，所以可用 作氣泡粒徑和運動速度的測量。相比于其它原理的顆粒測量方法如電感應法、圖像法、光散 射法等測量方法，超聲波具有強的穿透力，可在光學不透明的物質中傳播并具有測量速度 快，容易實現測量和數據的自動化等優點，超聲波換能器價格低且耐污損，測量系統簡單方 便。
[0004] 現有的氣泡檢測方法如圖像法、光散射法容易受到介質透光性的影響，對于透光 性差、甚至不透光的介質無法檢測到其中的氣泡，而超聲波具有很強的穿透力，很好的克服 了這一應用難題。另外，超聲波氣泡檢測裝置只需要安裝一對兒超聲換能器探頭在待測的 管道和容器壁面上即可，安裝方便，對管道和容器壁面是否透光，什么材質，沒有特殊要求， 便于工業在線檢測和應用，而圖像法、光散射法則對光源、相機、待測介質以及實驗安裝條 件有著嚴格的要求，因此不便于實現在線測量和工業現場應用的需要。
【發明內容】
[0005] 本發明是針對的問題，提出了一種氣液兩相流中氣泡大小、數目和運動速度的測 量方法，基于超聲衰減原理，應用超聲連續波以透射的方式，同時測量氣泡粒徑、數目和運 動速度。
[0006] 本發明的技術方案為：一種氣液兩相流中氣泡大小、數目和運動速度的測量方法， 具體包括如下步驟：
[0007] 1)、液體裝置中氣泡從下向上升，超聲波發射換能器Tl與超聲波接收換能器Rl正 對，置于液體裝置左右兩側，在激勵電路作用下一側的超聲波發射換能器Tl發出一束連續 超聲波，在另一側超聲波接收換能器Rl接收聲波信號，超聲波發射換能器到接收換能器之 間的柱形聲波區域構成了測量區；當測量區中沒有氣泡通過時，超聲波通過純介質后由超 聲波接收換能器接收并記錄，信號強度為U當測量區中有氣泡通過時，超聲接收換能器Rl 接收到的聲波信號減小，最小信號強度為I1，算得聲波衰減幅度AI= 1。-11;
[0008] 2)、根據步驟1)得到的聲波衰減幅度A I和初始聲波信號強度I。，通過下述公式 計算氣泡的粒徑d，單位mm:
[0010] 其中，D為換能器端面直徑，即聲束直徑，單位mm，
[0011]K為比例修正系數，由實驗圖像法標定獲得；
[0012] 3)、當有氣泡經過測量區時，超聲波會發生衰減，一個氣泡表現為一個聲束信號的 凹陷，即超聲接收換能器Rl接收到的聲波信號的一次衰減波動，從Ic衰減到最小信號強度 為1:后，又恢復到Ic，此時判斷氣泡離開測量區，聲波信號從Ic衰減到最小信號強度為I:再 恢復到I。所用時間為At,單位s，求得氣泡的運動速度V，單位mm/s:
[0014] 其中，氣泡經過測量區的時間At，由下式求得：
[0016] 式中，S為聲波采樣率，單位為個/秒，N為氣泡開始進入至其完全離開測量區所采 集到的聲波數據個數；
[0017] 4)、通過對連續波信號衰減次數的計數，即對應于經過測量區的氣泡個數，可獲得 一段時間內經過測量區的氣泡個數，從而實現對氣泡數目M的檢測。
[0018] 本發明的有益效果在于：本發明氣液兩相流中氣泡大小、數目和運動速度的測量 方法，測量系統結構簡單、設備成本低，可實現在線測量，可用于實驗室科學研究，特別適用 于工業現場的應用，相比于其它原理的氣泡測量方法如電容法、光電法等，超聲波具有性能 穩定、不受電路干擾、強的穿透力、可在光學不透明介質中傳播并具有測量速度快，容易實 現測量和數據的自動化等特點，具有非常明顯的優勢。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發明測量原理示意圖；
[0020] 圖2為本發明圖像法氣泡標定曲線圖；
[0021] 圖3為本發明連續超聲波衰減示意圖；
[0022] 圖4為本發明氣泡與換能器幾何關系示意圖；
[0023] 圖5為本發明無氣泡通過測量區時超聲波信號圖；
[0024] 圖6為本發明兩個氣泡先后經過測量區時聲波信號衰減圖；
[0025] 圖7為本發明一個氣泡經過測量區時聲波信號衰減圖；
[0026] 圖8為本發明標定實驗實驗裝置正面示意圖；
[0027] 圖9為本發明標定實驗實驗裝置側面示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 超聲波具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線定向傳 播等特點。超聲波在液體中傳播時，傳播過程中無明顯能量衰減，在氣液兩相流中傳播時， 由于氣體的聲阻抗比液體小很多，例如，水和空氣的特性阻抗之比大約是3560,這種聲阻 抗的差異就會導致超聲波在不同介質面上的反射，進而造成能量的損失。本發明就是基于 超聲波的衰減程度及衰減時間與氣泡粒徑的大小和氣泡的運動速度之間的關系，發明了一 種測量氣泡粒徑和運動速度的方法。具體包括如下步驟：
[0029] 1)、如圖1所示測量原理示意圖，在激勵電路作用下通道一側的超聲波發射換能 器Tl發出一束連續超聲波，在通道的另一側布置超聲波接收換能器Rl，超聲波發射換能器 到接收換能器之間的柱形聲波區域構成了測量區。當測量區中沒有氣泡通過時，忽略連續 介質聲吸收，超聲波通過純介質后由超聲波接收換能器接收并記錄，信號強度為U當測量 區中有氣泡通過時，對超聲波束產生"遮擋"作用，超聲接收換能器Rl接收到的聲波信號減 小，信號強度為I1。由此算得聲波衰減幅度Al=Iid-I1。這種氣泡對聲波的"遮擋"作用是 由于在氣液兩相流中聲波到達氣液界面時，聲波無法穿透氣泡，只能被氣泡散射和吸收所 造成的。
[0030] 2)、根據步驟1)得到的聲波衰減幅度AI和初始聲波信號強度I。，理論上通過下 述公式計算氣泡的粒徑d，單位mm:
[0032] 其中，D為換能器端面直徑，即聲束直徑，單位mm。K為比例修正系數，由圖像法標 定獲得，標定曲線如圖2所示，圖中縱坐標S為拍攝到的氣泡圖片面積和聲束截面積，K2 = 0. 4717油液中的修正系數，標定曲線為實驗做出來的，標定方法前面已介紹，K2= 0. 4717 就是圖2中標定曲線的斜率，所以K= 0. 6868。由于超聲波在液體中和氣體中的阻抗相差 很大，例如，水和空氣的特性阻抗之比約為3560,因此，對于不同的液體，比例修正系數K可 視為一個定值。
[0033]3)、根據步驟1)所述，當有氣泡經過測量區時，超聲波會發生衰減，表現為聲束信 號的凹陷。如圖3,波形a-b段為超聲發射換能器Tl發出的初始聲束信號，信號強度為I。； 對應于b點為氣泡開始進入測量區的時刻t0,此時聲波由于受到氣泡的"遮擋"開始發生 衰減，隨著氣泡的進入，氣泡對聲束的"遮擋"作用越來越大，聲波信號強度的衰減也越來越 明顯，到c點對應的時刻tl，氣泡完全進入測量區，聲波信號衰減達到最大，此時的信號強 度為I1;波形c-dl段為氣泡離開測量區的過程，到dl點對應的時刻t2,氣泡完全離開測量 區，此時測量區內沒有氣泡的影響，聲波信號強度又恢復為初始信號強度U而波形dl-e 段為上一個氣泡剛好離開到下一個氣泡開始進入的過程，聲波信號強度保持為Ic不變。當 有兩個氣泡同時出現在測量區時會產生聲波衰減信號的畸變，表現為圖3中，聲波信號