CN201063015Y - 透过率脉动法颗粒测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种透过率脉动法颗粒测量装置，窄光束照射到流过的颗粒产生透过率脉动信号，通过光电探测器检测，采用模拟电路处理信号，降低了对数据采集速度、数据采集量、储存量、处理量等方面的要求，缩短了数据处理时间，可实现实时测量。加入了参考光探测用于获得入射光强度变化信息，参考光探测起到校正作用，可避免光源不稳定对测量结果的干扰影响。可实现同时对颗粒平均粒径和浓度进行测试。对颗粒粒径与光束截面大小没有Gregory方法的限制，可测颗粒粒径范围大。本实用新型可用于科学研究、化工能源的生产与过程控制、环境保护、水质检测等涉及颗粒测量的多个领域。

Description

透过率脉动法颗粒测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种可同时测量颗粒平均粒径和浓度的测量装置，特别涉及一种透过率脉动法颗粒测量装置，属于测量技术领域。可用于科学研究、化工能源的生产与过程控制、环境保护、水质检测等涉及颗粒测量的很多领域。

背景技术

在大多数光学颗粒测量技术中，一般都对在一定时间范围内测量得到的光信号取平均，目的是消除一些偶然因素带来的信号波动。这些信号波动的来源各不相同，有些与被测颗粒无关，如光电器件的固有噪声；而有些则是颗粒本身某种特性对外界提供的信息，如由于测量区内不同时刻颗粒数量及其粒度分布变化引起的透射光信号的脉动。对于前者，测量时必须设法消除；而对于后者，如果能建立起适当的理论描述体系，则有可能从这种信号脉动中获取有关颗粒的信息，消光脉动法就是利用这种信息测量颗粒粒径和浓度的一种光学方法。

1985年Gregory首次提出了透过率脉动法，可同时测量颗粒的平均粒径和浓度(J.Gregory，Turbidity Fluctuations in Flowing Suspensions，Journal of Colloid andInterface Science，Vol.105，No.2，1985：357-371)。用一束窄激光照射样品，测量原理见图1。激光束直径为D_B，相应的光照截面为 $A_M=\mathrm{\π}{D}_B^2/4,$ 颗粒平均粒径为D_P，样品区光学照射厚度为L。用光强度为I₀的入射光照射，在一段比较长的时间范围{0，t_s}内测量透射光信号I(t)，I(t)随时间脉动。可计算得到透过率T(t)＝I(t)/I₀的平均值e{T}及其标准偏差σ_T。

$e\left\{T\right\}=\frac{1}{t_s}{\∫}_0^{t_s}T\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

${\mathrm{\σ}}_T^2=\frac{1}{t_s}{\∫}_0^{t_s}{[T\left(t\right)-e\{T\left\}\right]}^2\mathrm{dt}---\left(2\right)$

由Gregory的透过率脉动法模型可得到颗粒的平均粒径D_P和体积浓度C_V：

$D_P=\frac{D_B}{\sqrt{-\ln e\left\{T\right\}}}\ln [\frac{{\mathrm{\σ}}_T}{e\left\{T\right\}}+\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_T}{e\left\{T\right\}}\right)}^2+1}]---\left(3\right)$

$C_V=\frac{{2D}_P}{3L}\ln e\left\{T\right\}---\left(4\right)$

在Gregory方法中，要求光束直径比较小以便有足够的信号脉动幅度得到透过率标准偏差，但同时要求光束直径远比颗粒粒径大。这限制了颗粒粒径的测量范围和准确度。

其次，目前采用透过率脉动法在信号采集方面主要以采集透射光信号序列为主，信号处理由计算机完成。这要求较高的数据采集卡(A/D卡)采样速率、较大的计算机储存资源和一定的CPU处理时间，对实时测量不利。

发明内容

本实用新型目的是在Gregory的颗粒测量技术基础上，延拓颗粒粒径的测量范围，并且解决Gregory方法数据处理困难、测量准确度不高等问题。其次，采用模拟处理电路替代计算机信号处理，降低对数据采集卡的要求、节省信号处理时间，实现快速、实时测量。实现对颗粒粒度和浓度的在线、实时监测。

本实用新型的技术方案是，一种透过率脉动法颗粒测量装置，其特点是，它由测量区、获得入射光强度的参考光探测器、产生光束线度范围在10微米到1.5毫米之间的窄光束产生器、入射光信号探测器和与其连接的信号处理装置构成，入射光信号探测器和参考光探测器采用光电探测器。

所述的窄光束产生器由产生平行光束的激光器、扩束器、凸透镜或透镜组构成，由激光器发射出的宽光束经扩束器后，通过凸透镜或透镜组会聚，在焦点附近的瑞利区得到窄光束。

所述的窄光束产生器由产生平行光束的激光器和在光信号发射端和光信号接收端设置的光阑或光导纤维构成，通过激光器发射出的宽光束在传播方向上设置的光阑或光导纤维得到窄光束。

所述的窄光束产生器由产生平行光束的激光器和微元信号探测器构成，所述的微元光电探测器由微小受光面积的由硅光薄膜材料制成的光电探测单元构成。

所述的窄光束产生器中的光阑的孔形状为矩形孔或圆孔，光导纤维受光面的形状为圆形孔，微元信号探测器的受光面形状为圆形或多边形的形状。

所述的信号处理装置包括模拟信号处理器和信号后续处理器，所述的模拟信号处理器由放大器、低通滤波器、高通滤波器、RMS处理器和A/D卡组成，透射光探测器检测到的透射光脉动信号通过放大器放大，一路经低通滤波器得到透射光平均值e{I}表示为S1的信号，另一路直接经RMS处理器得到表示为S2’的透射光脉动信号平方的平均值 $e\left\{I^2\right\}=e{\left\{I\right\}}^2+{\mathrm{\σ}}_I^2$ 或通过高通滤波器后再经RMS处理器得到表示为S2的透射光脉动信号标准偏差平方值σ_I ²，参考光探测器输出经另一放大器放大后得到表为S0的入射光信号I₀；所述的信号后续处理器包括加法器、乘法器、除法器、对数放大器，由模拟信号处理器得到的S0、S1、S2、S2’信号通过加法器、乘法器、除法器、对数放大器运算得到最后S3输出lne{T}、S4输出lne{T²}/lne{T}进入数据采集A/D卡。

本实用新型的有益效果：测量装置简单、价廉，可实现在线监测。由于采用模拟电路信号处理模块，降低了对数据采集速度、数据采集量、数据储存量和数据处理量等方面的要求，大大缩短了数据处理时间，可实现实时测量。在模拟信号处理电路中，加入了参考光探测用于获得入射光强度变化信息，参考光探测起到了校正作用，可有效避免光源不稳定对测量结果的干扰影响。可实现同时对颗粒的多参数(颗粒平均粒径和浓度)进行测试。对颗粒粒径与光束截面大小没有Gregory方法的限制，可测颗粒粒径范围大。可用于科学研究、化工能源的生产与过程控制、环境保护、水质检测等涉及颗粒测量的多个领域。

技术原理：

本实用新型是基于Gregory方法建立新的数据处理模型，与Gregory方法不同，本实用新型中透过率脉动信号采用透过率平均值e{T}和透过率平方平均值e{T²}来表达。

$e\left\{T^2\right\}=\frac{1}{t_s}{\∫}_0^{t_s}{T}^2\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(5\right)$

透过率平均值e{T}由

$\ln e\left\{T\right\}=-\frac{1.5L}{D_P}{C}_V---\left(6\right)$

表示，

透过率平方平均值e{T²}与透过率标准偏差σ_T存在关系 $e\left\{T^2\right\}=e{\left\{T\right\}}^2+{\mathrm{\σ}}_T^2,$ 并可由

$\ln e\left\{T^2\right\}=-\frac{1.5L}{D_P}{C}_V[2-\mathrm{\χ}\left(\mathrm{\Λ}\right)]---\left(7\right)$

表示。其中特征函数χ(Λ)可由

$\mathrm{\χ}\left(\mathrm{\Λ}\right)=\underset{0}{\overset{+\∞}{\∫}}{F}_S\·\frac{2J_1^2\left(u\right)}{u}\mathrm{du}---\left(8\right)$

求解得到。F_S是光束光强在截面上的分布因子，也适用于圆形高斯光束、圆形均匀光束、矩形光束和多边形光束等。对于高斯光束F_S为

对于光强均匀分布的圆形光束F_S为[2J₁(uΛ)/uΛ]²。Λ＝D_B/D_P是光束直径与颗粒粒径的比值。特征函数χ(Λ)与Λ＝D_B/D_P存在单值关系，

通过数据处理模型公式(6)和(7)结合可得χ(Λ)与e{T}和e{T²}的关系：

$\mathrm{\χ}\left(\mathrm{\Λ}\right)=2-\frac{\ln e\left\{T^2\right\}}{\ln e\left\{T\right\}}---\left(9\right)$

实际测试中，由测量得到的透过率脉动信号可采用模拟电路方法得到，代入公式(9)可得到χ(Λ)的测试数值。χ(Λ)可对公式(8)作数值计算得到，图7是χ(Λ)的数值计算结果。由测试得到的χ(Λ)数值可在曲线上查到对应的Λ值，结合光束直径D_B即可求出颗粒粒径D_P，并通过公式(6)或(7)可计算得到颗粒体积浓度C_V。

当光束直径远大于颗粒粒径(Λ≥3)时，标准偏差远小于透过率平均值。因此，存在 $\mathrm{\χ}\left(\mathrm{\Λ}\right)\≈-\frac{1}{\ln e\left\{T\right\}}\frac{{\mathrm{\σ}}_T^2}{e{\left\{T\right\}}^2}$ 且在数值上χ(Λ)逼近Λ^-2。由此可得

$D_P=D_B\sqrt{\frac{1}{-\ln e\left\{T\right\}}}\·\frac{{\mathrm{\σ}}_T}{e\left\{T\right\}}---\left(10\right)$

同理，在标准偏差远小于透过率平均值时公式(3)中的 $\ln [\frac{{\mathrm{\σ}}_T}{e\left\{T\right\}}+\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_T}{e\left\{T\right\}}\right)}^2+1}]\≈\frac{{\mathrm{\σ}}_T}{e\left\{T\right\}},$ 由此得到公式(3)的近似式与公式(10)一致。这表示：Gregory方法是本实用新型理论模型中光束直径远大于颗粒粒径时的特殊情况。

本实用新型所用的理论模型对光束直径与颗粒粒径的关系没有Gregory方法中的限制。因此，可测量颗粒粒径范围要宽得多。其次，Gregory方法要求光束截面内的光强均匀分布，而本模型中对光束截面强度因子可灵活掌握，譬如可取高斯光束照射颗粒系。此外，从χ(Λ)曲线可发现，在Λ≈1附近χ(Λ)具有较大的斜率绝对值，说明在这范围透过率脉动方法具有较高的测量精度，而Gregory适用的区域测量精度明显偏低。

附图说明

图1透过率起伏法测量原理图；

图2模拟信号处理***；

图3信号后续处理***；

图4本实用新型测量装置实施例1示意图；

图5本实用新型测量装置实施例2示意图；

图6本实用新型测量装置实施例3示意图；

图7圆形均匀光束情况下的χ(Λ)的曲线图。

具体实施方式

一种透过率脉动法颗的参考光粒测量装置，其特点是，它由测量区、获得入射光强度的参考光探测器、产生光束线度范围在10微米到1.5毫米之间的窄光束产生器、光电信号探测器和与其连接的信号处理装置构成。装置中的参考光探测器用于监视入射光强度的波动，避免对测试结果干扰。在调试阶段测量区中无颗粒时，同时测量透射光信号和参考光信号，调整参考光信号的放大倍数使透射光信号和参考光信号相等。

本实用新型测量装置实施例1：

由图4所示，所述的窄光束产生器由产生平行光束的激光器19、扩束器22、凸透镜或透镜组23构成。由激光器19发射出的光束经分束器20和扩束器22后，通过凸透镜或透镜组23会聚，在焦点附近的瑞利区得到窄光束。窄光束通过测量区2后的透射光经接收透镜24后由光电探测器3接收。分束器20和参考光探测器21用于监视入射光强度的波动。

本实用新型测量装置实施例2：

由图5所示，它包括激光器19、分束器20、参考光探测器21、扩束器22。本实施例中的窄光束产生器由在光信号发射端和光信号接收端设置的光阑或光导纤维构成。通过激光器发射出的宽光束在传播方向上设置的光阑或光导纤维得到窄光束。光阑设置为前方光阑25和后方光阑26，两者可任选一或组合使用。激光器19发射出的宽光束经前方光阑25成窄光束通过测量区2后的透射光由光电探测器3接收或激光器19发射出的宽光束经通过测量区2后的透射光经后方光阑26由光电探测器3接收。

本实用新型测量装置实施例3：

由图6所示，它包括激光器19、分束器20、参考光探测器21、扩束器22、测量区2和光电探测器3。特点是，本实施例中所述的窄光束产生器由激光器19、分束器20、扩束器22和置于透射光探测器3前的采用微孔光阑或光导纤维的窄光束引导器27组成或是由产生平行光束的激光器和微元信号探测器构成，所述的微元光电探测器由微小受光面积的由硅光薄膜材料制成的光电探测单元构成。

由图2、图3所示，信号处理装置包括模拟信号处理器和信号后续处理器。

所述的模拟信号处理器由放大器、低通滤波器、高通滤波器和方均根RMS处理器组成，透射光探测器3检测到的透射光脉动信号通过放大器4放大，一路经低通滤波器5得到透射光平均值e{I}表示为S1的信号，另一路直接经方均根RMS处理器7(跨接高通滤波器6的输入与输出端)得到表示为S2’的透射光脉动信号平方的平均值 $e\left\{I^2\right\}=e{\left\{I\right\}}^2+{\mathrm{\σ}}_I^2$ 或通过高通滤波器6后再经RMS处理器7得到表不为S2的透射光脉动信号标准偏差平方值σ_I ²，参考光探测器8输出经另一放大器9放大后得到表为S0的入射光信号I₀。

所述的信号后续处理器包括加法器、乘法器、除法器、对数放大器。由模拟信号处理器得到的S0、S1、S2、S2’信号通过加法器、乘法器、除法器、对数放大器运算得到最后S3输出lne{T}、S4输出lne{T²}/lne{T}进入数据采集卡(A/D卡)。具体地说：S0和S1经除法器11得到透过率平均值e{T}，再由乘法器13得到透过率平均值的平方e{T}²；S0经乘法器12得到入射光强度平方，再与S2经除法器14得到透过率的标准偏差σ_T ²；由乘法器13输出的透过率平均值的平方e{T}²与除法器14输出的透过率的标准偏差σ_T ²经加法器15得到透过率平方的平均值e{T²}，再经过对数放大器16得到lne{T²}。除法器11得到透过率平均值e{T}经对数放大器17得到lne{T}表示为S3。对数放大器16和17输出的lne{T²}和lne{T}经除法器18得到lne{T²}/lne{T}表示为S4。信号S3和S4经数据采集卡送计算机处理可得颗粒平均粒径和浓度。

当输入的信号为S2’时，除法器14输出的信号是透过率平方的平均值e{T²}，将e{T²}直接送对数放大器16得到lne{T²}。因此，乘法器13和加法器15可省去。

实际测试中，结合图2、图3作一说明：

1)透射光探测器3测量得到透射光脉动信号经信号放大器4预放大后，一路送入低通滤波器5得到透射光平均值e{I}表示为S1，另一路经高通滤波器6滤波后送入RMS处理器7(如AD536芯片模块)得到透射光脉动信号的表示为S2的标准偏差平方值σ_I ²或不经高通滤波器6而直接送入RMS处理器7得到表示为S2’的透射光脉动信号平方的平均值 $e\left\{I^2\right\}=e{\left\{I\right\}}^2+{\mathrm{\σ}}_I^2;$

2)通过参考光探测器8采集入射光信号I₀，经放大器9放大后的信号表为S0并结合上述得到的二路信号S1、S2或S2’经模拟信号处理模块后由A/D卡10采集送计算机处理，得到特征信号e{T}＝e{I}/I₀和e{T²}＝e{T}²+(σ_I/I₀)²；

3)由图3所示，上述1)和2)步骤得到的S0 S1、S2或S2’通过由加法器15、乘法器12、13除法器11、14、18对数放大器16、17组成的信号后续处理器的运算处理，最后S3输出lne{T}、S4输出lne{T²}/lne{T}进入A/D卡10。

当采用图2的信号处理电路时，S1输出e{I}，S2输出σ_I ²(采用高通滤波器的形式)，S0输出入射光强度I₀。则可得

$e\left\{T\right\}=\frac{e\left\{I\right\}}{I_0}$

$e\left\{T^2\right\}=e{\left\{T\right\}}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_I}{I_0}\right)}^2---\left(11\right)$

当采用图2的信号处理电路、并不使用高通滤波器时，S2’输出e{I²}。公式(11)为

$e\left\{T\right\}=\frac{e\left\{I\right\}}{I_0}$

$e\left\{T^2\right\}=\frac{e\left\{I^2\right\}}{I_0^2}---\left(12\right)$

当采用图3的后续处理电路时，输出的二路信号即是lne{T}和lne{T²}/lne{T}。

代入公式(9)可得到函数χ(Λ)的数值，χ(Λ)可对公式(8)作数值计算得到，图7是χ(Λ)的数值计算结果。由本装置测试得到的χ(Λ)数值可在曲线上查到对应的Λ值，结合光束直径D_B即可求出颗粒粒径D_P，并通过公式(6)或(7)可计算得到颗粒体积浓度C_V。

Claims (6)

1.一种透过率脉动法颗粒测量装置，其特征在于，它由测量区、获得入射光强度的参考光探测器、产生光束线度范围在10微米到1.5毫米之间的窄光束产生器、光电探测器和与其连接的信号处理装置构成。

2.根据权利要求1所述的透过率脉动法颗粒测量装置，其特征在于，所述的窄光束产生器由产生平行光束的激光器、分束器、扩束器、凸透镜或透镜组构成，由激光器发射出的宽光束经扩束器后，通过凸透镜或透镜组会聚，在焦点附近的瑞利区得到窄光束。

3.根据权利要求1所述的透过率脉动法颗粒测量装置，其特征在于，所述的窄光束产生器由产生平行光束的激光器和在光信号发射端和光信号接收端设置的光阑或光导纤维构成，通过激光器发射出的宽光束在传播方向上设置的光阑或光导纤维得到窄光束。

4.根据权利要求1所述的透过率脉动法颗粒测量装置，其特征在于，所述的窄光束产生器由产生平行光束的激光器和微元信号探测器构成，所述的微元光电探测器由微小受光面积的由硅光薄膜材料制成的光电探测单元构成。

5.根据权利要求3、4所述的透过率脉动法颗粒测量装置，其特征在于，所述的窄光束产生器中的光阑形状为矩形孔或圆孔，光导纤维受光面的形状为圆形孔，微元信号探测器的受光面形状为圆形或多边形的形状。

6.根据权利要求1所述的透过率脉动法颗粒测量装置，所述的信号处理装置包括模拟信号处理器和信号后续处理器，所述的模拟信号处理器由放大器、低通滤波器、高通滤波器、RMS方均根处理器组成，透射光探测器检测到的透射光脉动信号通过放大器放大，一路经低通滤波器得到透射光平均值e{I}表示为S1的信号，另一路直接经方均根RMS处理器得到表示为S2’的透射光脉动信号平方的平均值 $e\left\{I^2\right\}=e{\left\{I\right\}}^2+{\mathrm{\σ}}_I^2$ 或通过高通滤波器再经方均根RMS处理器得到表示为S2的透射光脉动信号标准偏差平方值σ_I ²，参考光探测器输出经另一放大器放大后得到表为S0的入射光信号I₀；所述的信号后续处理器包括加法器、乘法器、除法器、对数放大器，由模拟信号处理器得到的S0、S1、S2、S2’信号通过加法器、乘法器、除法器、对数放大器运算得到最后S3输出lne{T}、S4输出lne{T²}/lne{T}进入数据采集A/D卡。

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