一種超聲粒徑分析儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種超聲粒徑分析儀，包括相互獨(dú)立的超聲波發(fā)射接收器和超聲探測(cè)裝置，以及用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)射和接收的超聲波信號(hào)的示波器和用于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)，其中，所述超聲探測(cè)裝置、示波器、計(jì)算機(jī)分別與超聲波發(fā)射接收器一一對(duì)應(yīng)相接，所述超聲探測(cè)裝置為可浸入樣品中進(jìn)行測(cè)量的反射式超聲探頭或透射式超聲探頭，或可直接加在現(xiàn)有管道中測(cè)量流動(dòng)樣品的流體探測(cè)單元。本實(shí)用新型是一種無損測(cè)量，快速、可靠，無需對(duì)樣品進(jìn)行稀釋，尤其適用于高濃度、不透明的樣品。
【專利說明】 一種超聲粒徑分析儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及顆粒粒徑測(cè)量的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是指一種超聲粒徑分析儀。

【背景技術(shù)】
[0002]在許多工業(yè)部門中與細(xì)微顆粒密切相關(guān)的技術(shù)問題有待解決:如涂料中的顏色顆粒，其粒度對(duì)涂料的著色力，遮蓋力，成膜能力及穩(wěn)定性有著很大的影響等等。顆粒粒徑的測(cè)量是其中最基本的也是最重要的一個(gè)方面。除此之外，對(duì)顆粒濃度的測(cè)量也很重要。
[0003]目前常用的顆粒粒徑測(cè)量的方法有:篩選法、顯微鏡法、全息照相法、電感應(yīng)法、沉降法和光散射法。上述測(cè)量方法中多數(shù)都需要取樣進(jìn)行測(cè)量，雖然光散射法可以用于在線測(cè)量并具有測(cè)量速度快，容易進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等優(yōu)點(diǎn)。但是另一方面由于光的穿透性弱，采用光散射法測(cè)量需要控制測(cè)量的條件，尤其是被測(cè)顆粒的濃度。利用超聲對(duì)顆粒進(jìn)行測(cè)量，不但具有光散射法的種種優(yōu)點(diǎn)，而且由于聲波可以穿透大多數(shù)物質(zhì)，可以在有色甚至是不透明的物質(zhì)內(nèi)進(jìn)行傳播，因此超聲測(cè)量是一種無需稀釋、快速、可靠的在線顆粒粒徑分布測(cè)量技術(shù)。
[0004]人耳可聽見的聲波頻率從20Hz到20KHz。低于20Hz的聲波被稱為次聲波，高于20KHz的聲波稱為超聲。超聲在原理上的特征與可聽見的聲波相類似。它是一種機(jī)械振動(dòng)波。當(dāng)超聲在傳播的過程中遇到顆粒其能量會(huì)有損失，稱為衰減。主要原因有:吸收損失，散射，粘性損失，熱損失和電聲損失等。不同的損失機(jī)理可以通過定義一個(gè)總的衰減系數(shù)αI來作為各種裳減的總和:
[0005]α τ = a visc+ a therm+ α intr+ α sca
[0006]而總的衰減系數(shù)S可以通過測(cè)量，計(jì)算得到:
[0007]α T = -1/1 ln(p/p0)
[0008]其中I是超聲傳播的距離，Ptl是初始的超聲振幅，P是傳播I距離后的超聲振幅。而衰減系數(shù)ατ與顆粒大小和濃度的關(guān)系，已有許多模型針對(duì)不同的條件進(jìn)行了描述。其中代表性的模型有:ECAH 模型(Epstein and Carhart 1953 ;Allegra and Hawley 1972)，F(xiàn)oldy 模型(Foldy 1945) ；Waterman and Truell 模型(Waterman and Truell 1961),Lloyd and Berry 模型(Lloyd and Berry 1967), Harker and Temple 模型(Harker andTemple 1988 ；Harker, Schofield et al.1991), Evans and Attenborough 模型(Evans andAttenborough 1997),核殼模型(Povey 1997 ；Challis, Povey et al.2005), Dukhin andGoetz 模型(Dukhin and Goetz 1996 ；Dukhin and Goetz 2OO2) ,Urick 模型(Urick 1947)和 Urick and Ament 模型(Urick and Ament 1949)。
[0009]有關(guān)利用超聲來測(cè)量在懸浮液中顆粒粒徑分布的專利(和設(shè)備)國(guó)外已經(jīng)有很多報(bào)道了。第一篇有關(guān)應(yīng)用超聲來測(cè)量顆粒粒徑分布的專利是由安德森和卡斯曼等人在1973年提出的。專利包括了使用兩個(gè)不同頻率的超聲波束的技術(shù)。從那以后，出現(xiàn)了很多與超聲相關(guān)的專利，其中包括Andersson, Kahara et al.(1983), (Riebel1987),Alba (1991),Dukhin and Goetz (2000) ；Dukhin and Goetz (2002)和Prakash, Shukla et al.(2012)。其中大多數(shù)專利在運(yùn)用衰減普來測(cè)量粒徑分布是和Shukla等(2012)人的方法非常相似，都采用了脈沖信號(hào)。不同的是對(duì)于信號(hào)的處理方法。而且在以上所有的專利中，利用超聲來測(cè)量粒徑分布都有如下的不足:
[0010]1、現(xiàn)有的超聲硬件通常沒有利用超聲無損探測(cè)的優(yōu)勢(shì)并且通常需要采樣或者增加很長(zhǎng)的流程來測(cè)量。
[0011]2、缺乏一種模型來正確描述在不同的材料,聲音頻率和分散相濃度中超聲的相互作用，現(xiàn)有的模型要么僅適用于長(zhǎng)波段的情況，或者在低濃度的情況。
[0012]3、衰減譜的反演涉及到有多個(gè)高度非線性本地解的優(yōu)化問題的求解，這類問題往往沒有普通解。
[0013]4、在利用超聲數(shù)據(jù)來獲得顆粒粒徑分布中的“不明確”問題，這是因?yàn)閹追N不同的顆粒粒徑分布會(huì)得到相同的超聲衰減譜，這一點(diǎn)已被廣泛的報(bào)導(dǎo)過，這使得在某些應(yīng)用中，幾乎不可能得到真正的粒徑分布。
[0014]此外，當(dāng)超聲波信號(hào)經(jīng)過懸浮液時(shí)，信號(hào)會(huì)被其中的顆粒散射和反射，信號(hào)的強(qiáng)度也會(huì)隨之被削弱。削弱的強(qiáng)度和超聲波的波長(zhǎng)，振幅及顆粒大小有關(guān)。通過快速傅里葉分析最終接收到的超聲信號(hào)從而得到顆粒的粒徑分布及體積百分比。由于超聲信號(hào)處理技術(shù)門檻很高，目前只有少數(shù)國(guó)外產(chǎn)品(馬爾文ultrasizer)。但是它的缺點(diǎn)很明顯。超聲波發(fā)射接收器和超聲探測(cè)裝置是一體的造成儀器過大從而只能離線測(cè)量或者需要外接管路進(jìn)行在線測(cè)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺陷，提供一種高效、可靠、性能優(yōu)越的超聲粒徑分析儀，無需對(duì)樣品進(jìn)行稀釋，尤其適用于高濃度、不透明的樣品。
[0016]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所提供的技術(shù)方案為:一種超聲粒徑分析儀，包括相互獨(dú)立的超聲波發(fā)射接收器和超聲探測(cè)裝置，以及用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)射和接收的超聲波信號(hào)的示波器和用于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)，其中，所述超聲探測(cè)裝置、示波器、計(jì)算機(jī)分別與超聲波發(fā)射接收器一一對(duì)應(yīng)相接，所述超聲探測(cè)裝置為可浸入樣品中進(jìn)行測(cè)量的反射式超聲探頭或透射式超聲探頭，或可直接加在現(xiàn)有管道中測(cè)量流動(dòng)樣品的流體探測(cè)單元。
[0017]所述反射式超聲探頭包括有探尋管、超聲脈沖發(fā)射接收傳感器以及帶超聲反射鏡面的傳感器支架，其中，所述超聲脈沖發(fā)射接收傳感器裝于傳感器支架上，其一端與探尋管連接，其另一端朝向超聲反射鏡面，且所述超聲脈沖發(fā)射接收傳感器和超聲反射鏡面的距離可調(diào)。
[0018]所述透射式超聲探頭包括有探尋管、超聲脈沖發(fā)射傳感器、超聲脈沖接收傳感器和傳感器支架，其中，所述超聲脈沖發(fā)射傳感器和超聲脈沖接收傳感器分別裝于傳感器支架上，并相向?qū)χ?，且它們之間的距離可調(diào)，所述超聲脈沖發(fā)射傳感器與探尋管連接。
[0019]所述流體探測(cè)單元采用透射模式，包括有樣品流動(dòng)單元、超聲脈沖發(fā)射傳感器和超聲脈沖接收傳感器，其中，所述樣品流動(dòng)單元內(nèi)設(shè)有供流動(dòng)樣品流過的主通道，其兩側(cè)分別設(shè)有與主通道連通的兩分支，所述超聲脈沖發(fā)射傳感器和超聲脈沖接收傳感器分別裝于樣品流動(dòng)單元的兩分支上，且它們之間的距離可調(diào)。
[0020]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果:
[0021]本超聲粒徑分析儀是一種無損測(cè)量，快速、可靠，無需對(duì)樣品進(jìn)行稀釋，尤其適用于高濃度、不透明的樣品。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本實(shí)用新型所述超聲粒徑分析儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2為本實(shí)用新型所述反射式超聲探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖3為本實(shí)用新型所述透射式超聲探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖4為本實(shí)用新型所述流體探測(cè)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖5為測(cè)量二氧化鈦標(biāo)準(zhǔn)樣品的NIST參考數(shù)據(jù)與本超聲粒徑分析儀和馬爾文mastersizer 3000的測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖。
[0027]圖6為測(cè)量二氧化鈦標(biāo)準(zhǔn)樣品的本超聲粒徑分析儀和馬爾文mastersizer3000的測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0029]如圖1所示,本實(shí)施例所述的超聲粒徑分析儀,包括相互獨(dú)立的超聲波發(fā)射接收器和超聲探測(cè)裝置，以及用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)射和接收的超聲波信號(hào)的示波器和用于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)，所述超聲探測(cè)裝置采用反射模式或透射模式，可根據(jù)需要浸入樣品中進(jìn)行測(cè)量或直接加在現(xiàn)有管道中測(cè)量。
[0030]工作時(shí)，超聲波發(fā)射接收器首先發(fā)出高頻(ΙΜΗζ-ΙΟΟΜΗζ)超聲波信號(hào)，經(jīng)過超聲探測(cè)裝置在懸浮液中傳播，遇到顆粒后改變其強(qiáng)度，后又傳回超聲波發(fā)射接收器，此時(shí)，示波器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)射和接收的超聲波信號(hào)，最后這些數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)中由本系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并給出超聲波衰減譜，顆粒粒徑分布和分散相(顆粒)的體積分?jǐn)?shù)等數(shù)據(jù)。
[0031]所述的超聲探測(cè)裝置有三種不同的結(jié)構(gòu)，以適用于各個(gè)不同的測(cè)試條件，且無需增加額外的管路。其中一種為反射式超聲探頭，另一種為透射式超聲探頭，它們都可浸入樣品中進(jìn)行測(cè)量。第三種是流體探測(cè)單元，它采用透射模式，具有體積小，可直接加在現(xiàn)有管道中。
[0032]如圖2所示，所述反射式超聲探頭包括有探尋管101、超聲脈沖發(fā)射接收傳感器102以及帶超聲反射鏡面103的傳感器支架104，其中，所述超聲脈沖發(fā)射接收傳感器102裝于傳感器支架104上，其一端與探尋管101連接，其另一端朝向超聲反射鏡面103，且所述超聲脈沖發(fā)射接收傳感器102和超聲反射鏡面103的距離可以在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，超聲脈沖信號(hào)經(jīng)由探尋管101和超聲脈沖發(fā)射接收傳感器102與樣品相互作用后，遇到超聲反射鏡面103返回再和樣品作用并被超聲脈沖發(fā)射接收傳感器102接收、傳遞。不同長(zhǎng)度的探尋管(2英寸到16英寸)可以插入不同深度的容器之中。
[0033]如圖3所示，所述透射式超聲探頭包括有探尋管201、超聲脈沖發(fā)射傳感器202、超聲脈沖接收傳感器203和傳感器支架204，其中，所述超聲脈沖發(fā)射傳感器202和超聲脈沖接收傳感器203分別裝于傳感器支架204上，并相向?qū)χ?，且它們之間的距離可以在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，所述超聲脈沖發(fā)射傳感器202與探尋管201連接，超聲脈沖信號(hào)經(jīng)由探尋管201和超聲脈沖發(fā)射傳感器202與樣品相互作用，透射過的信號(hào)由超聲脈沖接收傳感器203接收、傳遞。
[0034]如圖4所示，所述流體探測(cè)單元包括有樣品流動(dòng)單元301、超聲脈沖發(fā)射傳感器302和超聲脈沖接收傳感器303，其中，所述樣品流動(dòng)單元301內(nèi)設(shè)有供流動(dòng)樣品流過的主通道，其兩側(cè)分別設(shè)有與主通道連通的兩分支，所述超聲脈沖發(fā)射傳感器302和超聲脈沖接收傳感器303分別裝于樣品流動(dòng)單元301的兩分支上，且它們之間的距離可以在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，超聲脈沖信號(hào)經(jīng)由超聲脈沖發(fā)射傳感器302和流動(dòng)樣品相互作用，透射過的信號(hào)由超聲脈沖接收傳感器303接收、傳遞。當(dāng)流動(dòng)樣品流經(jīng)該單元時(shí)，樣品即可被測(cè)量，特別適合工業(yè)生產(chǎn)中的在線測(cè)量，并且為了防止泄漏，采用密封圈來密閉傳感器和樣品流動(dòng)單元單元之間的縫隙，本流體探測(cè)單元非常緊湊，僅增加不到3英寸的樣品路徑長(zhǎng)度。
[0035]現(xiàn)在，我們以二氧化鈦標(biāo)準(zhǔn)樣品為例進(jìn)行說明，二氧化鈦標(biāo)準(zhǔn)樣品是由英國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究院提供(標(biāo)號(hào)為8988)。該研究院并提供基于激光散射(LLS,馬爾文Mastersizer 2000)和x光圓盤式離心粒度儀(XDC, Brookhaven儀器)技術(shù)的顆粒粒徑分布結(jié)果。我們運(yùn)用了激光散射(馬爾文Mastersizer 3000)，掃描電鏡(SEM)和本超聲粒徑分析儀對(duì)二氧化鈦標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行了測(cè)量，其測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示，從圖中可知，測(cè)試結(jié)果表明對(duì)于二氧化鈦標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)量，本超聲粒徑分析儀的結(jié)果與世界主流的粒度儀(馬爾文Mastersizer) —致,甚至優(yōu)于其結(jié)果,值得推廣。
[0036]以上所述實(shí)施例子只為本實(shí)用新型較佳實(shí)施例，并非以此限制本實(shí)用新型的實(shí)施范圍，故凡依本實(shí)用新型之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種超聲粒徑分析儀，其特征在于:包括相互獨(dú)立的超聲波發(fā)射接收器和超聲探測(cè)裝置，以及用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)射和接收的超聲波信號(hào)的示波器和用于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)，其中，所述超聲探測(cè)裝置、示波器、計(jì)算機(jī)分別與超聲波發(fā)射接收器一一對(duì)應(yīng)相接，所述超聲探測(cè)裝置為可浸入樣品中進(jìn)行測(cè)量的反射式超聲探頭或透射式超聲探頭，或可直接加在現(xiàn)有管道中測(cè)量流動(dòng)樣品的流體探測(cè)單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲粒徑分析儀，其特征在于:所述反射式超聲探頭包括有探尋管(101)、超聲脈沖發(fā)射接收傳感器(102)以及帶超聲反射鏡面(103)的傳感器支架(104)，其中，所述超聲脈沖發(fā)射接收傳感器(102)裝于傳感器支架(104)上，其一端與探尋管(101)連接，其另一端朝向超聲反射鏡面(103)，且所述超聲脈沖發(fā)射接收傳感器(102)和超聲反射鏡面(103)的距離可調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲粒徑分析儀，其特征在于:所述透射式超聲探頭包括有探尋管(201)、超聲脈沖發(fā)射傳感器(202)、超聲脈沖接收傳感器(203)和傳感器支架(204)，其中，所述超聲脈沖發(fā)射傳感器(202)和超聲脈沖接收傳感器(203)分別裝于傳感器支架(204)上，并相向?qū)χ?，且它們之間的距離可調(diào)，所述超聲脈沖發(fā)射傳感器(202)與探尋管(201)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲粒徑分析儀，其特征在于:所述流體探測(cè)單元采用透射模式，包括有樣品流動(dòng)單元(301)、超聲脈沖發(fā)射傳感器(302)和超聲脈沖接收傳感器(303)，其中，所述樣品流動(dòng)單元(301)內(nèi)設(shè)有供流動(dòng)樣品流過的主通道，其兩側(cè)分別設(shè)有與主通道連通的兩分支，所述超聲脈沖發(fā)射傳感器(302)和超聲脈沖接收傳感器(303)分別裝于樣品流動(dòng)單元(301)的兩分支上，且它們之間的距離可調(diào)。
【文檔編號(hào)】G01N15/02GK204116176SQ201420420260
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】王學(xué)重, 阿基諾拉佛羅拉 申請(qǐng)人:王學(xué)重