由 衰減最大值點c到初始聲波信號dl的恢復過程中，在其還未恢復到初始聲波信號水平dl 的時候就開始進入下一個衰減，在對采集到的數據進行處理分析的時候我們可以剔除這樣 的"壞數據"，以排除兩個或多個氣泡同時出現在測量區時對測量的干擾。如圖4所示，氣泡 開始進入測量區到剛好完全離開測量區所經過的路程為D+d，所用時間At=t2_t。，由此 可求得氣泡的運動速度V，單位mm/s:
[0035] 其中，氣泡經過測量區的時間At，單位s，由下式求得：
[0037] 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，單位（個）。
[0038] 4)、根據步驟3)所述，當測量區內沒有氣泡經過時，表現為圖3所示的a-b和dl-e 段，若有一個氣泡經過測量區，就會形成圖3所示波形b-dl段的"凹陷"，即聲波信號的衰 減，由此本發明通過對連續波信號衰減次數的計數，就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。
[0039] 首先，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R1，超聲波發射換能器到接收換能器之間的柱形區 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，超聲波接收換能器接收到的聲波信號如圖5所示，表現 為信號強度恒定不變的平整波形，此時信號強度Ic= 2. 139 ;當測量區中有氣泡通過時，將 會對超聲波束產生"遮擋"作用，使超聲接收換能器Rl接收到的聲波信號減小，如圖7,為一 個氣泡經過測量區時，聲波信號由于氣泡的"遮擋"，進而衰減形成的凹陷，凹陷處的信號強 度I1= 1. 333。由此算得聲波衰減幅度AI=I^I1= 〇. 806。這種氣泡對聲波的"遮擋" 作用是由于超聲波在氣液兩相流中傳播時，氣體的聲阻抗比液體小很多，例如，水和空氣 的特性阻抗之比約為3560,該聲阻抗導致超聲波在不同介質面上的反射，進而造成前向能 量的衰減。
[0040] 然后，將得到的聲波衰減幅度aI= 〇. 806和初始聲波信號強度I。= 2. 139,理論 上，通過下述公式計算氣泡的粒徑d，單位mm:
[0042] 其中，D為換能器端面直徑，即聲束直徑，其值為15,單位mm。K為比例修正系數， 由圖像法標定獲得，其值為〇. 6868,標定曲線如圖2所示。
[0043] 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6、圖7 所示。圖5為超聲發射換能器Tl發出初始聲束信號，信號強度為I。= 2. 139 ;圖7中橫坐 標為采樣點數，點750000處對應于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，到點872500處對應的時刻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I1= 1. 333 ;點872500到點970000段為氣泡離開測量區的過 程，到點970000處對應的時刻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。如圖4所示，氣泡開始進入測量區算起到剛好完全離 開測量區經過路程為D+d，所用時間At=t2-t。，因此可求得氣泡的運動速度V，單位_/ s：
[0045] 其中，氣泡經過測量區的時間At= 0. 22,單位s，由下式求得：
[0047] 式中，S= 1000000為采樣率，單位（個/秒），物理意義為每秒采集到的聲波信號 數據點個數，N= 970000-750000 = 220000,為氣泡開始進入到剛好完全離開測量區所采 集到的數據點個數。
[0048] 當測量區內沒有氣泡經過時，表現為圖5所示的信號強度不變的平整聲束，當有 一個氣泡經過測量區，就會形成圖7所示的聲束信號的一個凹陷，當有兩個氣泡依次經過 測量區時，便會形成圖6所示的聲束信號的兩個凹陷。因此，聲束信號的凹陷個數對應于經 過測量區的氣泡個數，本發明通過對連續聲波信號凹陷個數，即聲波衰減次數的計數，就可 得到一段時間內經過測量區的氣泡個數，從而實驗對氣泡數目M的檢測。
[0049] 如圖8、9所示標定實驗實驗裝置正面和側面示意圖，使用型號為SPLab02的申辰 蠕動栗壓縮氣體注入樣品池內的油中產生氣泡，通過控制氣管出口直徑的大小來控制油 中氣泡的大小，通過調節栗的流速使樣品池中產生獨立均勻的氣泡。如圖中所示，在樣品 池的左右兩側相對的位置布置有超聲發射和接收換能器，來發射和接收超聲波信號，并由 NI-5133采集卡采集聲波信號數據并保存；同時，在樣品池前后兩側與超聲換能器同高度 的地方，相對布置有光源和IDS3250CP相機，拍攝并保存經過測量區的氣泡，送至計算機進 行處理分析。對于經過測量區的一個氣泡，同時保存了由IDS3250CP相機拍攝到的氣泡圖 片和NI-5133采集到的聲波衰減信號，由得到的聲波信號IpI1和拍攝到的氣泡圖片面積大 小，及聲束截面積，繪制出如圖2所示標定曲線。其中，K2為標定曲線的斜率，K為 上式中的比例修正系數
【主權項】
1. 一種氣液兩相流中氣泡大小、數目和運動速度的測量方法，其特征在于，具體包括如 下步驟： 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; 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。，通過下述公式計算 氣泡的粒徑d，單位mm: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，由實驗圖像法標定獲得； 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I<：，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Ii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:其中，氣泡經過測量區的時間At，由下式求得：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； 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。
【專利摘要】本發明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，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,進而造成能量的損失，通過檢測超聲波的衰減程度及衰減時間，來確定氣泡粒徑的大小和氣泡的運動速度，可獲得一段時間內經過測量區的氣泡個數。本發明測量系統結構簡單、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。
【IPC分類】G01D21/02
【公開號】CN105222833
【申請號】CN201510700901
【發明人】李潭, 蘇明旭, 時文龍
【申請人】上海理工大學
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年10月26日