超声非接触式水煤浆粒度表征的研究

第31卷增刊中国电机工程学报Vol 31 Supplement Dec 31, 20112011年12月31日Proceedings of the CSEEC2011 Chin. Soc. for Elec Eng. 181编号:0258-8013(2011)S018106中图分类号:TK31文献标志码:A学科分类号:47020超声非接触式水煤浆粒度表征的研究呼剑,苏明旭,蔡小舒(上海理工大学颗粒与两相流测量研究所,上海市杨浦区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号处理方法:基于超声衰减系数的指数拟合谱。由该方法得size distribution(PSD)in coal-water slurries, theoretical and到的非接触式测量结果与接触式测量结果基本吻合,将测量experimental investigations were implemented based on结果与光学显微镜测量结果进行比较证实了非接触式超声ultrasonic attenuation spectrum approach (UAS. ECAH and衰减谱法粒度表征技术的可行性multiple scattering models were combinedtransmission process in highly concentrated slurries, and then关键词:超声;水煤浆;非接触测量;粒度分布;衰减谱血 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水煤浆作为一种代油洁净燃料,已越来越受到transducers were employed in the destructive and non重视。水煤浆粒度对最大制浆浓度及煤浆的流变特tructive testing(NDT), in which an novel data processing性以及燃烧过程均有重要影响,因此在线监测水煤hod based on exponential fit was developed in NDT.The浆粒度分布对水煤浆制备质量监控十分重要。目measurement and analysis illustrate that the destructive method前,测量水煤浆粒度分布的主要方法包括显微镜观can be completely replaced by NDT: Moreover, the UAs察、激光粒度仪分析等,但是这些方法都是离线取approach has revealed a good consistence with optical样测量,不能满足实时在线监测的要求。microscope analysis, which indicates that the measured PSD ofcoal-water slurries by UAS is feasible and reliable超声波衰减谱法粒度表征技术具有测量系统结构简单、可实现非接触式快速在线测量以及可测KEY WORDS: ultrasound: water-coal slurries; non-量浓度高1。等优点,得到了越来越多的关注912destructive testing (NDT); particle size distribution(PSD)本文研究了采用超声波衰减谱法粒度表征技术非接触式测量水媒浆粒度分布。摘要:为研究在线监测水煤浆粒度分布,进行了基于超声衰减谱法的理论与实验研究,将BCAH模型叠加复散射效应1超声衰减谱法测量原理描述超声波在高浓度浆料中的传播,得出声衰减计算方法,11ECAH模型与复散射模型结合最优正则化算法进行粒度分布的反演计算实验研究中超声衰减谱法是利用超声波在通过含有颗粒使用一对中心频率为5MHz的宽频超声换能器进行了接触的连续介质时所引起的依赖频率变化的衰减谱来式和非接触式测量,发展了一种用于非接触式测量的超声信测量颗粒粒度。 Epstein, Carhart, Allegra和 Hawley基金项目:国家自然科学基金项目(08360,5107600上海市等人1314通过对声衰减机制的理论研究建立了声科委国际合作项目(09520709400)。衰减理论模型——ECAH模型。在测量高浓度水煤Project Supported by National Natural Science Foundation of China(50836003, 51076106): Shanghai International Cooperation Program浆时,由于离散相浓度很高,超声在通过水煤浆时(09520709400)必然会产生复散射效应,因此在应用ECAH模型中国电机工程学报第31卷时需考虑复散射效应的修正。均有关,随着颗粒浓度的增加,d项会明显增加。ECAH模型中的颗粒群声衰减系数与颗粒数目但与此同时,由于更高阶的An项互相乘积或者自浓度成正比,即单个颗粒的声衰减与单位体积内颗身平方数值非常小,因此复散射的影响很大程度上粒数目的乘积即为颗粒群声衰减系数:依赖于颗粒与连续相间的物性参数差异,它与波动、颗粒以及连续相的作用是密切相关的。a,=2k2R3(2n+1)A12反演计算式中:a为颗粒群声衰减系数;为颗粒群体积浓粒度分布结果需要通过反演计算得到,其基本度;k为波数;R为颗粒半径;A为n阶散射系数思想是釆用理论模型预测出依赖于声频率和颗粒矩阵。如果进一步考虑到液相本身的吸收,可以给粒径变化的超声衰减谱,并将其与实验中的实测超出声波通过液固两相介质时总的声衰减系数为声衰减谱进行比较。例如,定义二者误差的平方和a =a+(1-p)ae(2) (the sum of the square of the difference, SSD)%式中:ar为总声衰减系数;a为液相声衰减系数。es=∑a1()-aB)2按照 P.C. Waterman等人对随机介质中的波动理式中;下角标T和E分别代表理论值和实测值;论研究,考虑前向散射场的波动散射,可得颗粒两表示不同的频率。显然该值越小,则表明实际的颗相介质的复波数表达式(该式同样可由Lody的波粒系与理论值越吻合。可以采用基于最小二乘最优动理论推导得出)化方法来处理这一问题。(2n+1)A实际测量中均采用多频率测量,因此可将公式jkR(6)进一步离散化,改写为矩阵形式:式中A即为复波数,根据其定义AF=GK=/c2(a)+ja2()(4)式中;A为系数矩阵(其中任意元素通过假设的粒度式中c表示两相介质中的声速。分布和浓度由模型计算);F为离散化的颗粒尺寸频考虑高浓度时颗粒间相互散射的复散射效应,度分布,是待求值:G为实际测量所得到的不同频可得率下的超声衰减系数构成的向量。式(8是高度病态方程组,条件数很高,不能按ky=+E2-(2P(5)矩阵求逆直接求解,因此实际反演中需要结合最优2Tn0B(0)2兀n0B(x)正则化反演算法( optimum regularization technique,式中:B(0)和B(π)为前向和后向散射振幅:ORT进行求解1同时考虑到复散射条件下浓度对no=34πR2是指单位体积内的散射颗粒数。将上式进行一系列的推导和论证,可得到各阶散射系数声衰减的复杂影响,因此本文均通过事先配置的方An为简便起见此处仅给出考虑了零阶和一阶散射式确定样品浓度,之后由式(8)求解颗粒尺寸分布。系数(即A和A1)的表达式:2实验方法及数据处理1+(4+34+34)2.1实验准备实验样品是原始质量浓度为65%的水煤浆。为kR°(44+5A142)使超声理论和实验观测结果尽可能一致,实验样品应均匀分散且不含气泡(气泡会造成额外的声衰kF(4+到+34+214)(减,在进行接触式测量时应尽量避兔气泡附着在换542能器表面。实验中加纯水配置了质量浓度分别为式(6)等号右端第1行为单散射项,第2行为65%(原浆)、60%、55、50%45%、40%35%Waterman和 Truell给出的复散射修正,第3行为的样品。Lloyd Berry给出的复散射额外修正。22实验装置由式(6可见,声衰减与颗粒系中的粒度和浓度实验测量系统见图1,主要包括:水浸式宽频增刊呼剑等:超声非接触式水煤浆粒度表征的研究直探头一对( Panametrics-NDT,中心标称频率5MHz)、脉冲超声发射接收仪( Panametrics5800R佛选最高超声激励频率40MHz)、双通道高速8位AD卡(N公司PC1114型,最高样率为250M,单通道存储容量为8MB)、计算机数据处理系统。测量区超声探头图3FFT变换得到的超声频谱计算机数据采集射接收仪Fig 3 Ultrasonic frequency spectrum obtained y FFT inconcentrations图1测量系统示意图在通过水煤浆后,高频信号成分被严重衰减。另外,1 Sketch map of the measurement system从图中可以看出,随着频率的升高,不同频率超声23测量方法信号的衰减也明显增加,而在低于2MHz的范围内23.1信号获得超声信号无法很好分辨,因此在进行衰减谱测量时声衰减系数的测量需通过比较法获得。将窄脉使用的有效超声衰减谱起始频率为1.953MH冲超声时域信号做快速傅里叶变换( fast fourier按照公式(9)计算得到不同浓度下的超声衰减transform,FT)获得宽频域内的超声频域信号。再谱(见图4近似呈线性变化。由下式计算得到超声衰减系数In(A/A,)日120L式中:A为不同浓度时接收到的声波频率幅值:A为参考样品(水)的声波频率幅值;a对实验中多个频率下的超声信号幅值做线性回归获得,从而得到5202.53.03.54.0超声衰减谱。分别进行了接触式和非接触式测量实验。在接图4不同浓度下的实测水煤浆超声衰减谐触式测量中超声换能器表面直接与水煤浆接触,在Fig 4 Measured ultrasonic attenuation spectrum in非接触式测量中超声换能器安装在水煤浆管道外,different concentrations不与水煤浆直接接触233非接触式测量23,2接触式测量图5是非接触式测量段的剖面示意图,非接图2所示是接触式测量质量浓度为35%的水煤触式测量段的中部是一段外径为2500mm的完整浆超声时域信号,图3是经FFT变换后得到的频有机玻璃圆管,设计了一段阻抗匹配套套装在有谱信号,从图中可见透射信号中心频率在2MHz附机玻璃圆管上,超声换能器插入到阻抗匹配套中,近,而换能器发射中心频率为5MHz,这说明超声在换能器传播路径上的所有连接处都使用丙醇进行声耦合利用非接触式方法测量质量浓度为35%的水煤浆得到如图6所示的超声信号。由图中可以看出信号非常杂乱,在进行数据处理时消除干扰信号并获得有效超声信号是本研究的重点。将非接触式测得的超声信号进行傅里叶变换108000011000得到各个浓度下的超声波频谱(见图7)。从图中可数据点图2接触式测得的超声信号以发现,与接触式测量信号不同,非接触式测量的Fig 2 Ultrasonic signal measured信号不随频率增加连续变化,而是存在一些极大值by destructive met和极小值。在某些频率,透射信号很强且明显随浓中国电机工程学报式中:下角标c表示匹配层( couple);下角标b表示阻抗层( block);下角标p表示管壁(pjpe);下角标s表示浆料(sury);△a表示其他形式的微小衰减量。实际需要求得的就是a4即在某个频率下随浆料浓度变化的衰减系数。因此公式(10)可改写成a=a,+图5非接触式测量段剖面图Fig5 Profile of non-destructive testing (NDT)其中a'就是其他形式衰减之和,此值只与非接触式measurement section测量段结构有关,在实际测量中可以通过测量参考样品(水)来获得该值,然后通过比较法消去根据式(9)可以得到实测超声信号的衰减谱,但是非接触式测量结果若直接以谱的形式给出则无法正确表示超声衰减,这是由于某些频率下的信号幅值非常小,会产生很大误差。为获得有效的超声衰减谱,提出了一种新的非接触式测量数据处理方60006100620063006400数据点法一“基于超声衰减系数的指数拟合衰减谱”。图8是略去信号幅值非常小频率点信号后其他频率的图6非接触式测得的超声时域信号超声衰减系数。由图可见,衰减系数大致呈指数Fig6 Measured Ultrasonic signal by NDT变化。高基图7不同浓度下非接触式超声信号的FFT变换结果图8不同浓度下水煤浆实测超声衰减系数Fig7 Ultrasonic frequency spectrum converted by FFtFlg.8 Measured ultrasonic attenuation coefficients ofin different concentrationswater coal slurries in different concentrations度发生变化,而在另一些频率,透射信号强度几乎与浓度无关将实测衰减点进行指数归一化处理,得到各个浓度下超声衰减谱的指数趋势线(见图9)。与图4观察图5可知,当发射换能器发射出一列脉冲的接触式测量信号比较可见二者比较相近,在频率超声波时,超声会通过阻抗层、管壁、浆料、管壁、低于2MH的范围内超声信号不随水煤浆浓度变阻抗层,然后到达接收换能器在这一传播过程中,化而变化,化而变化,在频率高于2MH后,衰减越来越明显。换能器与阻抗层间的耦合、阻抗层与管壁的耦合、24实验结果与讨论环状阻抗块(与管壁接触的表面和圆形管壁对超声241接触式测量结果的散射作用、以及朗姆波(在管壁中传播的超声波小等都会干扰信号。利用ECAH模型,考虑到复散射效应影响,结合最优正则化算法,将实测超声衰减谱进行反演计非按触测量中总超声衰减系数a可分解成各算,得到了各个浓度下的水煤浆颗粒粒度分布(见个超声衰减系数之和图10)。从图中可知测得的粒度主要分布在5-15ma,=aal+abI+ac2 +apI +a+之间,且各个浓度下的测量结果都比较接近,只有十.,+a2+a4+△a(10)质量浓度60%的水煤浆粒度分布较宽在5-20m增刊呼剑等:超声非接触式水煤浆粒度表征的研究一50H55/MHz图12水煤浆颗粒的光学显微镜照片(100倍图9基于超声衰减系数的拟合衰减谱Fig 12 Photograph of water-coal particles shot by LMFig 9 Fitting UAS based on ultrasonic attenuation边长为58615μm。颗粒的粒度大约在3~25m之coefficients间,此结果与超声法测得结果相近。图12是光学显微镜测量结果与接触法和非接触法测量结果的汇总受60表1超声法和光学显微镜的测量结果比较Tab. 1 Measuring results comparison betweenultrasonic and light microscope (Lm)质量方法分数%Dso Doo D43颗粒粒度/mLM469129117.061.52图10接触式测得的颗粒粒度累积曲线356.0696913.7311.5912.19Fig. 10 PSD curve measured by destructive method40525848121210321102242非接触式测量结果5.258881292109211.63将非接触式测量测得的拟合超声衰减谱进行5258.4812.1210.321102接触式超声反演计算,得到了如图11所示测量结果,其中质5658.8813.3311.111.82量浓度65%原浆的测量结果偏大。分析其原因应该556.0610.114.14120812826068611.7116.9714.2315.04是透射信号造成的衰减谱测量偏差。655659291313116412494060610.1013.73115912.193.6310.84非接触式503637.67129211.0112.065564610.101454124013.1665%6513331616185816701691与光学显微镜测量结果比较发现,超声法测得的粒度分布较窄,其原因可能是水煤浆颗粒的非球颗粒粒度m形几何特征和测量状态的不同(在超声测量是以均图11非接触式测得的颗粒粒度累积曲线匀悬浮的形式,而在光学显微镜中则是以重心最低Fig 11 PSD curve measured by NDT比较图10和图可知在大部分浓度下二者的的平躺状态观测颗粒二维特征,同时超声法反演过程中为增加病态方程的求解稳定性,约束因子的增测量结果吻合较好。这意味着完全可以用非接触测大减小了得到的粒度分布范围。量方法在线测量水煤浆的粒度。由于在接触式测量中换能器直接与流动的水煤浆接触很容易损坏,无3结论法应用于生产实际。而非接触测量中超声换能器不本实验研究中,使用一对中心频率为5MHz的与水煤浆接触,不易损坏,可以用于生产实际中。宽带超声换能器进行超声波的发射接收,对多个浓243超声法与光学显微镜测量结果对比度下的水煤浆进行了粒度表征,利用考虑了复散射图12是利用光学显微镜拍摄得到的水煤浆颗效应修正的ECAH模型对超声的衰减过程进行描粒图像,放大倍数为100倍,图中每个方格的相对述,并结合最优正则化算法得到了比较可信的测量186中国电机工程学报第31结果。从该研究得到如下结论。[9]蔡小舒,苏明旭,沈建琪,等.颗粒粒度测量技术及应1)鉴于非接触式测量数据的信噪比较小,提用M]北京:化学工业出版社,2010:171-215.出的“基于衰减系数的指数拟合衰减谱”数据处理Cai Xiaoshu, Su Mingxu, Shen Jiangqi, et alMeasurement techniques for particle size and applications方法在对高浓度水煤浆的测量实验中可以获得较IM]. Beijing: Chemical Industry Press, 2010: 171-215(in好的测量结果,并与接触式测量结果吻合。但在质Chinese)量浓度大于55%以后非接触式测量结果误差增大。[l0 Wang x Z, Liu Lande, Rui f l,etal. Online2)接触式和非接触式超声测量水煤浆的结果characterisation of nanoparticle suspensions using与光学显微镜粒度图像分析仪的测量结果基本dynamic light scattering, ultrasound spectroscopy andprocess tomography[]. Chemical Engineering Research致,但超声法测得的粒度分布略窄。and Design,2009(87):874884.3)非接触式超声测量高浓度水煤浆是可行的。[]{ u Jian, Su Mingxu, Cai Xiaoshu,etal. A broad该方法可以简化在线测量装置和减少被测对象对frequency ultrasonic attenuation spectrum investigation超声探头的损害。method for ultrasonic process tomography[C]/6th WorldCongress on Processing Tomograph, Beijing, 2010.参考文献[12]呼剑,苏明旭,蔡小舒,等.高频宽带超声衰减谱表征纳米颗粒的方法[化工学报,2010,61(1):2985-2991[〕薛明华,苏明旭,蔡小舒,超声波多次回波反射法测量Hu Jian, Su Mingxu, Cai Xiaoshu, et al. High-frequency两相流密度实验研究[工程热物理学报,2008,29(8):ultrasonic attenuation spectrum method for measuring1343-1346.nanoparticle size distribution[J]. CIESC Joumal, 2010Xue Minghua, Su Mingxu, Cai Xiaoshu. 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Langmuir, 2002(18)的研究,本文通讯作者;405-412蔡小舒(1955,男,博士,教授,博士[18] Tomohiro Sakurai Mori and Junichiro Tsubaki生导师,主要从事颗粒测量、两相流在线Takamasa. A new slurry evaluation technique by using测量、光谱在线检测及应用、排放和环境ultrasonic attenuation[J]. Advanced Powder Technol监测等研究2006,17(5):531-541.(责任编辑车德竞)