超声反射法测量悬浊液浓度分布的特性研究
1998年3月
泥沙研究
Journal of Sediment Research第1期
超声反射法测量悬浊液浓度分布的特性研究
贾春娟
(山东工业大学电力学院济南250061)
唐懋官
(武汉水利电力大学水科所武汉430072)
摘要在泥沙研究中,含沙量及其沿垂线分布的测量问题非常重要。目前基本上是采用传统的方法,费时费力,而且无法做到实时、连续测量。为了探索新的测试方法,本文报道利用超声反射法,根据声波在浑水中沿垂线传播时,不同深度、不同浓度泥沙颗粒对声波的散射信号不同这一原理,对泥沙浓度、深度及其粒径与散射强度的关系进行大量实验研究,以期能实现含沙量垂线分布的自动测试。
关键词散射强度含沙浓度粒径深度
1引言
在泥沙研究和模型实验中,测量水槽或模型上任一测点的泥沙浓度及其浓度沿垂线的分布是很有意义的。泥沙浓度的测量传统上采用取样称重法:对于泥沙浓度沿垂线分布情况呢?一般是采用虹吸法在测点处沿垂线上各点分别取样,这种方法既费时又费力,而且精确程度受人为因素影响很大,操作繁杂,不便于过程的连续实时测量。超声测沙是利用水沙两相媒质中固相颗粒对超声波的散射信号来测量的[1]。因为超声波具有一定的穿透性,为探索其在低含沙量时能进一步测量泥沙浓度沿垂线分布规律,有必要进行实验研究以寻求声学特征量与媒质的物理特性(浓度及其分布、粒径等)之间的关系[2]。
2实验原理
图1探头接收多粒子群的超声散射Probe receiving ultrasonic scatter of particles
实验原理如图1所示。探头置于水面,垂直向下发射超声波,同时接收沙粒反射和后向散射的超声波,在完成声电转换后,引入测试仪。以探头晶片中心为原点,其法线为轴建立球坐标系。假设:平面声波入射声强为I0,当声波的波长K远远大于颗粒粒径d时,固相颗粒的散射可以看作刚性不动微小粒子对平面波的散射。对于声波穿透区内中心点为R(r,0),长度为$r的任意小圆柱形区域,其多粒子群的散射声强,可以作为微小粒子对平面波在远场低频的散射,探头所接收的散射强度I s可以表示为[3]:
I s=A#N#k4B(d)I0e-2A C/r2(1)其中,A为校正系数,与探头、泥沙特性等因素有关;N为泥沙体积浓度;k为声波的传播常数;B(d)为泥沙粒径的影响因素,测量时根据实测沙样标定;A为浑水的吸收系数:A= A X+A p,而A X、A p分别为悬浮媒质(水)的吸收系数和悬浮粒子引起的附加吸收系数。
一般认为水中悬浮液的体积浓度低于018%时,可以忽略粒子间相互作用影响[4]
,作为单个微粒来处理,上式即为单个微粒的散射迭加推导出来的。从中可见,当其它条件不变时,接收声强I s 将与微粒浓度N 有函数关系,且此式仅在低浓度范围内成立。
由于声强信号无法测量,实际中利用换能器将声信号转换为电信号,并放大以便于处理。那么,电声之间转换关系如何?
资料表明,它们之间存在如下关系即I s W E [5]。由于,悬浮于水体中粒子是均匀随机分
布的,探头所接收的粒子散射信号为平稳随机信号,其均方值E 可表示为[5、6]:E =1T E U 2i (2)
其中,U i 为探头接收散射回波的电压幅值;T 为采样时间。综上所述,可以通过测试某段时间内电压的均方值,从而间接获取对应区段的含沙量。
图2 实验装置示意图Sketch of experiment device
3 实验装置及方法
3.1 测量装置
实验安装如图2所示:将换能器置于高60c m,直径20cm
的实验桶中,并且以探头刚浸入悬浊液的液面为宜。图中:
探头可以重复发射超声脉冲并接收悬浮粒子的后向散射信
号,其重复发射的间隔为3ms,并且其测试范围的大小及深度
均可调。数据通过单片机进行采集,采用标准232串行通讯
接口,将数据送入PC 机进行数据处理,同时进行图形显示与
打印。
(a) 分段测试示意图 (b) 分段采集时序图
图3 实验数据测量与处理方法示意
Sketch of testing and processing methods for experiment data
3.2 数据处理方法
超声波探头向浑水中发射声脉冲,在沿垂线向下传播过程中,遇到悬浮粒子形成反射或后向散射。由于声波在浑水中传播速度基本恒定,因此不同时间段内接收的电压幅值均方值,反映沿垂线方向不同区段悬浊液的浓度。本系统中正是通过测量某一时段电压均方值来反映相应区段悬浊液平均浓度。
分布测试正是基于上述思想,从盲区以下沿垂线均匀分为m 个段,每段为$r (如图3(a)所示)。假设超声波在水中传播速为C ,对高度为$r 的任意区段,接收的沙粒反射波均在时间
段T内,则T=2$rC(如图3(b)中所示,其中S为盲区所对应的时间)。我们研制的含沙量垂线分布测试系统中,专门设计了电压/频率(U/F)转换单元,其功能是对放大后沙粒回波进行电压/频率转换,然后在单片机控制下进行分段采集数据。单片机采集时序图如图3(b),以每次发射波为基点,在时间S后,依次在软件设定的m个闸门时间T~mT内对信号进行采集。为减小随机性,提高测量的精度,系统中实际以200次超声波发射为一次测量过程,由计算机软件控制将同一区段200次测量值进行处理,求得各区段回波电压的均方值E,作为各区段内泥沙浓度的记录值。本系统由于采用计算机采集与处理,作到能跟踪声波传播速度,一次发射过程中同时采集各段数据,使浓度分布测试严格同步,而且整个测试系统实时、快速。
4实验数据与结果
对于仅与水面接触的超声波探头,接收的任一时段电压均方值E,与其对应区段泥沙浓度、该区段距探头的距离r以及沙粒粒径a的关系,我们分别用粉煤灰、天然沙进行了大量的实验研究。
4.1散射声强均值与浓度、深度的实验研究
用所研制的装置,选用主频率为215Mhz的超声波,对探头接收电压均方值E与粒子浓度关系,特别是浓度不同时两者关系进行实验研究。数据是在实验桶内将沙样按一定浓度配制好后,搅拌均匀并对不同深度进行测量而得。其中,测试范围为水面以下3~ 1419cm,分7段(每段117cm)测试其回波电压均方值E,并且各被测区段的中心距探头的距离以r表示。
下面是两组实验结果,所选样品分别为黄河天然沙,其比重为2165g/cm3,粒径为0115mm~013mm;粉煤灰:比重为1143g/cm3,粒径为01088~01105mm,图4。
图4在不同深度时回波电压均方值E与平均浓度关系
Relationship between average voltage square and average concentration
理论上讲,探头所接收的回波电压均方值与悬浮液粒子的浓度呈一次线形关系,并随传播距离r增加而衰减。从实验结果看,这一结论在低含沙范围成立,随着浓度增高,探头由于受其分辨率所限,线性程度不断降低。至于低浓度时两者之间的转换系数,由于受测试的具体条件影响很大,包括沙样、探头特性及测试仪的放大性能等均有关,这里无法给出具体数值,但对某一实际测量,这些条件均已确定,因而其系数相对恒定。
4.2回波电压均方值与粒径关系的实验研究
图5悬浮粒子粒径与散射声强均值关系实验研究Experimental studies on relation-ship between diameter of suspend-ed particles and average voltage square
除此以外,回波电压均方值与悬浮粒子的粒径d也有关。对于这一问题,从实验的角度进行分析。为此,用不同粒径的粉煤灰作为样品,配置浓度相同的溶液,搅拌均匀后对同一测点位置进行测试研究,下面是两组实验结果,如图5。
4.3数据分析与结论
从上面两个实验,我们可以得出:其一,探头接收的沿线各段回波电压均方值与悬浊液的浓度之间存在单次递增关系,这就为用超声波反射法测量含沙量分布提供了依据;其二,电压均方值与深度、粒径等因素间存在复杂的关系,因此,如何对其进行标定是很重要的。
为此,进行了大量的实验研究,由于泥沙问题本身很复杂,在进行浓度分布测试时,很难用传统的方法实现对深度,粒径等的影响进行标定。为了解决这一问题,我们借
助于计算机快速测量处理功能,采取实时获取标准率定曲线的方法,其步骤如下:一是通过对浓度已知的悬浮液进行测试,得到不同深度时的回波电压均方值与平均浓度的对应关系,即标准率定曲线族。二是通过在实测时探头所接收到的各段电压均方值标准率定曲线比较,经过相应换算之后,得出垂线上各点的含沙量平均浓度。因此,利用所研制的含沙量垂线分布测试系统,可以实现对水槽或模型上任意点的含沙量垂线分布测试,而且,针对以上过程,专门设计了基于Windows平台的含沙量垂线分布测试软件系统,使得上述两个过程完全计算机处理,集成度高、实时性强而且结果显示形象、直观。
我们在长江水利委员会长江科学院河流所进行了实测试验,结果基本能满足实际要求,关于这部分,将另拟文叙述。
5参考文献
1唐懋官,舒乃秋.一种新的测沙法.武汉水利电力大学学报,1982,3
2贾春娟.超声反射法含沙量多点测试初探.武汉水利电力大学博士论文,1996年
3何祚镛,赵玉芳.声学理论基础.国防工业出版社
4魏荣爵,张淑仪.超声波在悬浮液(水)中的吸收.物理学报,1965,21(5)
5阎玉舜,汤建明.超声脉冲背向散射法测量悬浊液的研究.应用声学,1992,11(2)
6大规茂雄.水中K7?N ¤¨ ó N测定法.日本音响学会志31卷6号,1975
7李华.M CS-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社,1993年
Stu dy on u tilizing u ltrasonic for measu rement of sedimen t concentration distribution
Jia Chunjuan
(S handong Univer sity of Technology)
Tang M aoguan
(W uhan University of Hydrau lic and Electric Engineering) Abstract
In the course of sedimentation research,the measurement of sediment concentration and its distribution is very important.At present,most traditional m ethods are arduous and cannot measure the sediment timely and successively.In order to seek the new measurem ent method, the paper reports utilizing ultrasonic measurement.When ultrasonic w ave spreads along the depth in aqueous suspensions,the scatter intensity of sediment particles changes the depth and sediment concentration.Based on this principle,w e experimented abundantly w ith the scatter intensity versus sediment concentration,the depth in suspensions and sediment diameter for the aims to realize automatic measurement in vertical distribution of sediment concentraion.
Key words the scatter intensity,sediment concentration,sediment diameter,the depth in sus-pension
我国水力发电现状
我国可供开发利用的风力资源约2153亿KW,但开发甚少。自1986年开始建设风力发电场以来,截至1996年底,已开发利用的只有5165万KW,开发利用率0122j。
我国风能资源最丰富的地区主要在内蒙新疆和东南沿海地区,目前已成规模开发的有:
(1)内蒙自治区朱日和、商都、锡林浩特和辉腾锡勒,4个风电场,总装机约1145万KW,已与内蒙电网连通。另外,内蒙还有一些分散在各地的小规模的风电机组。
(2)新疆自治区乌鲁木齐达坂城风电场,经过多期建设,目前总装机约113万KW,是我国目前最大的风电站,已与乌市电网联通。
(3)广东省南澳风电场,自1986年以来,经过6期建设,总装机已达112万KW。
其他如辽宁大连的瓦房店、福建的平潭、甘肃玉门等,也在积极地开发。
/九五0期间水利科技工作重点
水利部提出的/九五0期间水利科技工作的重点的主要内容是:1水资源开发利用和水环境保护;o防洪抗旱与减灾;?水土保持与水流域综合治理;?灌溉与排水;?水利水电工程建设与管理;?水利信息技术;?水利产业战略决策科学;à重大装备关键技术研究。