用声学方法测量气液混相物质中的含气量

    引 言

    早期测量气液混相物质中含气量的方法[1],其精度都比较低,且设备简陋。用同位素(C射线)来测量气液混相物质的浓度,只能测量沿射线的平均掺气浓度,而且对放射性污染的防护,限制了它的广泛应用。其它测量方法,如电测法、光学法、微波法、热学法等,也有不同程度的缺陷。本文利用超声波测量,这种方法具有无接触测量的特点,通过对气水、气白油混相介质声学性质的研究,找出声学量与含气量间的关系。

    1 实验原理

    在气液混相物质中,声波衰减的主要原因是气泡具有散射和吸收声波的能力。

    散射现象[2]的产生是当超声波在混相物质中传播时,一部分超声波将被气泡散射开来,不再沿原来的方向前进,仅有余下的一部分是沿原来的方向前进的,这就形成了散射衰减。散射衰减对超声波作用的大小,随气泡的平均直径D与波长K的关系而变化,其散射规律可分为三种不同的情况:(a)当KmD时,即在瑞利散射范围内,asWD3f4;(b)当KUD时,即在任意相位(随机的)散射范围内,asWDf2;(c)当KnD时,即在扩散范围内,asW1D.其中,as为散射衰减系数。

    小气泡具有吸收声波的能力[3],其原因是:小气泡在形变过程中发生热传导损耗及液体对气泡面振动产生粘滞阻力,即小气泡在振动过程中把部分入射波的能量变成液体分子的无规则热运动。当超声波频率等于气泡的共振频率时,气泡处于共振状态,气泡对声波衰减最强。超声波穿过气泡群时,衰减系数取决于气泡半径的概率分布。当最大概率半径所对应的气泡固有频率与入射波的频率相近时,大部分气泡处于共振状态。声波在其中传播时,衰减也最强。除了气泡对超声波的散射和吸收外,液相物质也会对超声波产生与声波频率平方成正比的热传导吸收和粘滞吸收。

    测量声衰减的绝对值比较繁琐,在实际应用中往往只测量声波的透射损失TL.即:

    式中,A0为水中不含有气泡时接收探头所接收到信号的幅值;AT为声波通过气液混相介质后接收到的信号幅值。TL值反映的仅是气体渗入液体中而引起的声波衰减情况,它是总衰减中的一部分。声速由声程和声时求得。

    2 实验装置

    实验装置由供气、气液混合、测量三部分构成,如图1所示。

    供气部分由J2126 1型气源提供,调整电机的转速可以改变气源的出气量。由于加负载后,气压并不稳定,所以外加一个缓冲罐。气液混合部分由玻璃槽和气槽组成,在气槽顶部的铝板上钻有93个直径为1 mm的小孔。气槽的侧面装有6个直径为8mm的进气孔。通气后,空气由气槽上面的小孔穿过玻璃槽中的液体形成气泡气液混相物质。