基于超聲波聲速法檢測(cè)乳化液濃度的實(shí)驗(yàn)

顏麗娜，張鐵民

（海南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，海南 ?？?71158）

基于超聲波聲速法檢測(cè)乳化液濃度的實(shí)驗(yàn)

顏麗娜，張鐵民

（海南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，海南 ?？?71158）

依據(jù)超聲波在不同濃度的溶液中有不同傳播速度的原理，對(duì)超聲波法檢測(cè)乳化液濃度的系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，采用最小二乘法標(biāo)定出乳化液濃度、超聲波聲速及溫度三者之間的函數(shù)關(guān)系曲線.實(shí)驗(yàn)表明，采用超聲波法檢測(cè)乳化液濃度是可行的.

乳化液濃度；超聲波法；最小二乘法

乳化液是液壓系統(tǒng)、特別是煤礦液壓支架所采用的工作介質(zhì)，在液壓系統(tǒng)中起著血液的作用.《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：乳化液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在3％～5％之間.濃度過(guò)高，會(huì)使生產(chǎn)成本增加，濃度過(guò)低，則乳化液潤(rùn)滑性能不良，影響液壓設(shè)備的使用壽命.因此，乳化液濃度必須控制在合理的范圍內(nèi).

傳統(tǒng)檢測(cè)乳化液濃度采用的多為折光儀法和破乳法［1］，但這2種方法不能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)出乳化液的濃度，操作比較繁瑣.因此，采用超聲波技術(shù)在線實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)乳化液濃度將會(huì)為后續(xù)乳化液的自動(dòng)配制奠定良好的基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

2.5 Z14SJ水浸式超聲波直探頭（汕頭超聲儀器研究所）；STC12C5052AD單片機(jī)（深圳宏晶科技有限公司）；Pt100溫度傳感器（測(cè)量范圍：-200℃ ～850℃；允許偏差值（℃）：±（0.15+0.002），A級(jí)；熱響應(yīng)時(shí)間：＜30 s；最小置入深度：≥200 mm；允許電流：≤5 mA）.

1.2 測(cè)試方法

超聲波法檢測(cè)乳化液濃度總體方案設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1.該系統(tǒng)主要由超聲波探頭、發(fā)射電路、接收電路、溫度傳感器及溫度采集電路組成.在保持兩探頭之間距離L及超聲波發(fā)射探頭發(fā)射強(qiáng)度不變的前提下，測(cè)量出從發(fā)射超聲波信號(hào)到接收到電脈沖信號(hào)所需要的時(shí)間t，根據(jù)式（1）則可以得到超聲波在乳化液中的傳播速度v.

圖1 超聲波聲速法檢測(cè)乳化液濃度總體方案設(shè)計(jì)圖Fig.1 The general design of testing emulsion concentration by means of ultrasonic velocity

由于乳化液溫度變化時(shí)，超聲波傳播速度也會(huì)隨之發(fā)生改變，因此在測(cè)試乳化液濃度時(shí)，還需要用溫度傳感器Pt100來(lái)測(cè)試乳化液的溫度，以便補(bǔ)償溫度變化對(duì)聲速變化造成的影響.

2 乳化液濃度、超聲波聲速及溫度三者之間的函數(shù)關(guān)系曲線標(biāo)定

在實(shí)驗(yàn)室條件下，分別配制了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％，5％，8％的乳化液.對(duì)于每一種配制好的含量不變的乳化液，均將其從40℃下降為20℃，并且通過(guò)搭建的超聲波聲速法實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量出超聲波在不同濃度的乳化液中隨溫度變化而變化的傳播時(shí)間.其中，兩超聲波探頭距離為106.2mm，乳化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％，5％，8％時(shí)的溫度-聲時(shí)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

采用最小二乘法，分別對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％，5％，8％的乳化液進(jìn)行溫度-聲速曲線的擬合.擬合曲線見(jiàn)圖2.圖中，每條曲線表示的是質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，隨著溫度的升高，超聲波傳播速度的變化.從上到下的3條曲線表示的是乳化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2％，5％，8％時(shí)超聲波傳播速度隨溫度的變化.

在圖3中，每條曲線表示的是溫度相同時(shí)，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，超聲波傳播速度的變化.從下到上的5條曲線表示的是溫度分別為20，25，30，35，40℃時(shí)超聲波傳播速度隨乳化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，溫度變化間隔為5℃.

從圖2不難看出，當(dāng)乳化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，隨著溫度的升高，超聲波在乳化液中的傳播速度增加，并且當(dāng)乳化液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變動(dòng)時(shí)，溫度高時(shí)引起的聲速變化值比低溫時(shí)引起的要大.實(shí)驗(yàn)所得的溫度與超聲波聲速的函數(shù)曲線規(guī)律與參考文獻(xiàn)[2-3]報(bào)道的相一致.

從圖3看到，在溫度一定的條件下，隨著乳化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，聲速變小，并且乳化液在低溫時(shí)溫度變化引起的聲速變化值比高溫時(shí)要大.實(shí)驗(yàn)所得的乳化液濃度與超聲波聲速的函數(shù)曲線規(guī)律與參考文獻(xiàn)[2-3]報(bào)道的相符.

表1 L=106.2mm，乳化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2％，5％，8％時(shí)的溫度-聲時(shí)數(shù)據(jù)Table.1 TeMperature-transit time data（Emulsion mass fraction：2％，5％，8％；L=106.2mm）

圖2 乳化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)聲速隨溫度的變化曲線Fig.2 Changes of ultrasonic velocity With teMperature when emulsion mass fraction is stable

w/％圖3 乳化液溫度一定時(shí)聲速隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線Fig.3 Changes of ultrasonic velocity with emulsionmass fraction when temperature is stable

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)表明，采用超聲波法對(duì)乳化液濃度進(jìn)行檢測(cè)是可行的.若進(jìn)行在線檢測(cè)，需要事先在實(shí)驗(yàn)室對(duì)乳化液試樣進(jìn)行標(biāo)定，才能獲取到乳化液濃度實(shí)時(shí)檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn)公式.但是，標(biāo)定需要較長(zhǎng)的時(shí)間和嚴(yán)格的溫度控制，這在現(xiàn)場(chǎng)是難以做到的.當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)乳化液的濃度-聲速-溫度三者之間的關(guān)系和實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的關(guān)系存在差異時(shí)，需要對(duì)所有的標(biāo)定曲線進(jìn)行修正，以便更準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)乳化液的濃度［4-5］.

［1］王曉麗.乳化液濃度的檢測(cè)與配比[D].西安：西安科技大學(xué)，2003.

［2］王東，王兵，李昌禧，等.超聲波技術(shù)檢測(cè)乳化液濃度的機(jī)理與實(shí)驗(yàn) [J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，16（2）：8-11.

［3］王兵.冷軋乳化液濃度在線檢測(cè)技術(shù)研究 [D].武漢：華中科技大學(xué)，2005.

［4］王東，吳雨川.乳化液濃度測(cè)試系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程[J].流體傳動(dòng)與控制，2009（3）：20-21.

［5］吳雨川，王東，羅維平.乳化液濃度在線測(cè)試系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)的研究[J].武漢科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，20（7）：9-10.

責(zé)任編輯：黃 瀾

Experiment Research on Testing Emulsion Concentration Based on the Method of Ultrasonic Velocity

YAN Lina，ZHANG TieMin
（College of Physics and Electronic Engineering，Hainan Normal University，Haikou 571158，China）

According to the principle that ultrasonic velocity in liquid is different at different concentration of liquid，this paper puts forward the general scheme of systeMtesting emulsion concentration.Meanwhile，on the basis of this，the function curves among the concentration of emulsion，ultrasonic velocity and temperature are calibrated via least square method.The experiment demonstrates that the method which is adopted to test the emulsion concentration is feasible.

emulsion concentration；the method of ultrasonic velocity；least square method

TP 274.5 3

A

1674-4942（2010）01-0033-03

2009-10-16