一种用于ADCP检定的含气微粒

一种用于adcp检定的含气微粒
技术领域
1.本发明涉及节能环保及海洋工程应用领域，具体涉及adcp检定领域。


背景技术：

2.声学多普勒剖面流速仪(adcp)是流速仪的一种，利用声学多普勒测速原理，采用矢量合成方法，测量流速的垂直剖面分布的仪器，测量一次可测得一个剖面上若干层水流速度的三维分量和绝对方向。目前国内尚缺乏针对声学多普勒剖面流速仪的检定(校准)方法，传统常采用播撒石灰粉、石英砂等固体颗粒来作为声散射体检定adcp，但结果表明这种方法存在分散不均、易团聚沉降以及污染水体等缺陷。
3.有研究者们提出使用具有独特声学特性的微纳米气泡作声散射体。微纳米气泡一般指直径小于100微米的微纳米的气泡，与常规尺寸的气泡相比，纳米气泡拥有稳定时间长、比表面积大、气液界面zeta电位高、自身增压溶解和自发产生羟基自由基等特性。研究表明气泡相较传统颗粒效果有所提升，但由于微纳米气泡较大的粒径引入了垂直上升速度，大大干扰了adcp的检定过程，造成较大的误差，而尺寸更小的纳米气泡探测到的回波信号强度明显低于微纳米级气泡的回波强度，这与理论的回波情况相吻合，再加上使用这种微纳米气泡的方法探测到回波信号的停留时间一般为3～5min，且当前的微纳米气泡发生技术无法对产出的气泡粒径及浓度进行精细化调控，不足以满足海洋工程中adcp检定的实况要求，使得这一技术一直无法得到广泛应用。


技术实现要素：

4.本发明提出一种用于adcp检定的含气微粒，本方法提出的微粒克服了传统石灰粉、石英砂等固体颗粒作为检定adcp的声散射体带来的分散不均、易团聚沉降以及污染水体等问题，克服了微纳米气泡带来的垂直速度以及纳米气泡带来的回波信号弱问题，在绿色环保的基础上使adcp在检定的过程中获得良好有效的回波信号，水跟踪和底跟踪测试效果大大提升，同时又可以根据不同型号频率的adcp通过对这种微粒的粒径和浓度进行精细化控制，可灵活满足不同型号及海洋工况下adcp的检定及海上测速要求。
5.本发明一种用于adcp检定的含气微粒，工作原理为通常状况下，微粒内部是一个或多个充满气体的腔，是某些频率声波的有效吸收体和散射体。声波在水下传播通过微粒层，由于微粒中气体的存在使其传播介质出现不连续性，导致声波发生强烈的散射。作为散射问题看来，一些经过特殊处理的微球可看成一个极易压缩的弹性球，这时在介质中除了原来的声波外，还会出现一列从自身向四周散射的散射波。adcp产生的高频率入射声波与更小的微粒，即不同尺寸的含气微粒相互作用，当入射频率等于气泡的谐振频率时，散射截面达到极大值，在相应的入射波频率下，微粒会受激共振，其散射截面将会远远大于其几何截面，从而获得良好有效的回波信号，更有利于高频adcp的检定。同时经过合理计算设计过的微球被加工制造成密度与水体基本保持一致，粒径与浓度也变得合理可控，这大大满足了adcp检定的基本要求。
6.本发明一种用于adcp检定的含气微粒提供一种用于adcp检定的含气微粒作为声散射体用于adcp检定，检定由含气微粒、激光粒度仪、adcp检定系统等在试验水池中布置完成。
7.所述的含气微粒包括微纳米气泡表面包裹一层外壳的囊泡微粒、中空微珠以及多孔微粒等。
8.进一步，所述微纳米气泡表面包裹一层外壳的囊泡微粒、中空微珠以及多孔微粒，这三种类型的微粒的密度与水接近，可以在水体中长期稳定存在。
9.进一步，所述微纳米气泡表面包裹一层外壳的微粒、中空微珠以及多孔微粒表面均经过亲水性处理，其中所述亲水性处理方法包括但不限于等离子体处理、热处理氧化、电化学法等。
10.进一步，所述微纳米气泡表面包裹一层外壳的微粒、中空微珠以及多孔微粒表面均经过静电驻极处理，驻极方法包括但不限于静电法、电晕放电法、摩擦起电法、热极化法、低能电子束轰击法等。
11.进一步，所述微纳米气泡表面包裹一层外壳的微粒中的微纳米气泡由狭小的微通道通入气体产出，在通道出口处液体湍流中包裹形成气泡，经过处理后得到一个个微纳米气泡表面裹有一层外壳的含气微粒，其中气泡粒径为0.1μm～1mm，外壳厚度为10nm～20μm，外壳材料包括但不限于聚合物、不溶性液体等。
12.进一步，所述中空玻璃微珠，其特征在于：所述玻璃微珠是一种微小，中空的圆球状粉末，其材料包括但不限于二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化镁、硅酸钠，其粒径为10μm～3mm，壁厚为500nm～3μm。
13.进一步，所述多孔微粒，其特征在于：所述的多孔微粒通过相分离的方式得到其多孔结构，材料包括但不限于二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化镁、硅酸钠，其粒径为3μm～500μm，孔径为10～500nm。
14.本方法通过制备三种不同的含气微粒，之后向水体中注入一定浓度的含气粒子，待粒子扩散均匀后，对adcp采用拖曳的方法进行水跟踪和底跟踪测试，最终完成adcp的检定。本方法经过计算设计，处理得到的含气粒子与水体密度接近，利用其可长期稳定、粒径满足与adcp入射声波发生谐振的要求、以及它独特的声学特性等优点，用以替代石灰粉石英砂等传统颗粒，同时可替代有一定声散射缺陷的普通微纳米级气泡。使用含气微粒将引起后散射强度的变化，以致adcp接收到的回波强度将有相应变化,从而绿色高效地实现其对adcp在实验室范围内的一个初步检定，这对一些海洋工程将产生巨大的应用价值。
附图说明
15.图1为以含气微粒为声散射体应用于adcp(声学多普勒剖面流速仪)
16.检定的装置结构示意图；
17.图2为本发明一种用于adcp检定的含气微粒的微纳米气泡表面包裹一层外壳的囊泡微粒示意图；
18.图3为本发明一种用于adcp检定的含气微粒的中空玻璃微珠示意图；
19.图4为本发明一种用于adcp检定的含气微粒的多孔微粒示意图。
20.其中的附图标记为：1.含气微粒；1.1微纳米气泡；1.2包裹外壳；1.3微纳米气泡表
面包裹一层外壳的囊泡微粒；1.4中空微珠；1.5多孔微粒；2.激光粒度仪；3.adcp；4.移动小船；5.绞车。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明：
22.实施例如图1所示，本发明所采用的用于adcp检定的含气微粒作为有效声散射体检定adcp的方法实施布置包括含气微粒1、激光粒度仪2、adcp3、移动小船4、绞车5等。
23.所述的含气微粒1构成了声散射粒子发生系统，向水体中输送不同浓度的声散射体，激光粒度仪2实时监测含气微粒在水体中的粒径及体积分数情况，进行粒度剖面试验，adcp3则将微粒散射回的回波信号进行输出处理，进行回波强度试验，不断调整改进，得到最佳试验条件(检测到的回波信号≥35分贝)，完成动态检定。
24.优选的，所述三种类型的含气微粒1的密度与水接近，可以在水体中长期稳定存在。
25.优选的，所述三种类型的含气微粒1表面均经过亲水性处理，其中所述亲水性处理方法包括但不限于等离子体处理、热处理氧化、电化学法等。
26.优选的，所述三种类型的含气微粒1表面均经过静电驻极处理，驻极方法包括但不限于静电法、电晕放电法、摩擦起电法、热极化法、低能电子束轰击法等。
27.实施例如图2所示，所述含气微粒1包括微纳米气泡表面包裹一层外壳的微粒1.3，它里面的微纳米气泡由狭小的微通道通入气体产出，在通道出口处液体湍流中包裹形成气泡，经过处理后得到一个个微纳米气泡表面裹有一层外壳的含气微粒。它构成了声散射粒子发生系统，向水体中输送不同浓度的声散射体，用于adcp的检定。
28.优选的，所述微纳米气泡表面裹有一层外壳的含气微粒1.3，其中气泡粒径为0.1μm～1mm，外壳厚度为10nm～20μm。
29.实施例如图3所示，所述含气微粒1包括中空微珠1.4，它构成了声散射粒子发生系统，向水体中输送不同浓度的声散射体，作用于adcp的检定。
30.优选的，所述中空微珠1.4是一种微小，中空的圆球状粉末，其材料包括但不限于二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化镁、硅酸钠，其粒径为10μm～3mm，壁厚为500nm～3μm。
31.实施例如图4所示，所述含气微粒1包括多孔微粒1.5，通过相分离的方式得到其多孔结构，它构成了声散射粒子发生系统，向水体中输送不同浓度的声散射体，作用于adcp的检定。
32.优选的，所述多孔微粒1.5材料包括但不限于二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化镁、硅酸钠，其粒径为3μm～500μm，孔径为10～500nm。

技术特征：
1.一种用于adcp检定的含气微粒，其特征在于：包括微纳米气泡表面包裹一层外壳的囊泡微粒、中空微珠或多孔微粒，三种类型的微粒的密度与水接近，可以在水体中长期稳定存在，其中囊泡微粒中的微纳米气泡由狭小的微通道通入气体产出，在通道出口处液体湍流中包裹形成气泡，经过处理后得到一个个微纳米气泡表面裹有一层外壳的含气微粒，其中气泡粒径为0.1μm～1mm，外壳厚度为10nm～20μm，外壳材料包括聚合物或不溶性液体。2.根据权利要求1所述的一种用于adcp检定的含气微粒，其特征在于：微粒表面均经过亲水性处理，其中所述亲水性处理方法为等离子体处理、热处理氧化或电化学法。3.根据权利要求1所述的一种用于adcp检定的含气微粒，其特征在于：微粒表面均经过静电驻极处理，驻极方法为静电法、电晕放电法、摩擦起电法、热极化法或低能电子束轰击法。4.根据权利要求1所述的一种用于adcp检定的含气微粒，其特征在于：中空微珠是一种微小、中空的圆球状粉末，其材料为二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化镁或硅酸钠，其粒径为10μm～3mm，壁厚为500nm～3μm。5.根据权利要求1所述的一种用于adcp检定的含气微粒，其特征在于：多孔微粒通过相分离的方式得到其多孔结构，材料为二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化镁或硅酸钠，其粒径为3μm～500μm，孔径为10～500nm。

技术总结
本发明公开了一种用于ADCP检定的含气微粒，包括微纳米气泡表面包裹一层外壳的囊泡微粒、中空微珠或多孔微粒，三种类型的微粒的密度与水接近，其中囊泡微粒中的微纳米气泡由狭小的微通道通入气体产出，在通道出口处液体湍流中包裹形成气泡，经过处理后得到一个个微纳米气泡表面裹有一层外壳的含气微粒。本方法含气粒子可长期稳定、粒径满足与ADCP入射声波发生谐振的要求、以及它独特的声学特性，可替代石灰粉石英砂等传统颗粒，同时可替代有一定声散射缺陷的普通微纳米级气泡。使用含气微粒将引起后散射强度的变化，以致ADCP接收到的回波强度将有相应变化，从而绿色高效地实现其对ADCP在实验室范围内的一个初步检定，这对一些海洋工程将产生巨大应用价值。海洋工程将产生巨大应用价值。海洋工程将产生巨大应用价值。


技术研发人员：张锋华 高浩翔 罗贤宇 蒲子昂 赵九洲 唐康康 丁玉梅 杨卫民
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/10/11