聲速法在檢測乳化液濃度中的應(yīng)用

劉文健 王 東 陸全龍 王 兵 靳海水

(1.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢:430080;2.華中科技大學(xué) 湖北 武漢:430073; 3.同濟大學(xué) 上海:200092)

0 引言

冷軋乳化液是由軋制油和水按一定比例配制而成。軋制油具有良好的冷卻潤滑性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及良好的防銹性能,它是以礦物油為基礎(chǔ),并加入各種添加劑,礦物油含有芳烴基,添加劑中有防銹劑、乳化劑、消泡劑、油性劑、氮抗氧化劑等。乳化液濃度是其理化指標(biāo)中的一個重要參數(shù)。在軋制過程中,乳化液濃度對壓下率、能耗、帶厚、軋輥磨損及帶鋼表面狀態(tài)、軋制速度等均有極大影響。因此,為避免乳化液濃度過低或過高并控制在合理范圍內(nèi),乳化液濃度必須隨時檢測。

1 現(xiàn)狀分析

針對乳化液濃度檢測技術(shù),目前國內(nèi)外研究機構(gòu)和學(xué)者進行了光透法[1-3]、超聲波衰減法[4]、超聲波聲速法[5-6]、比重法[7]等各種方法的研究和探討。

經(jīng)過深入分析和實驗室測試,總結(jié)如下:

(1)光透法濃度測試誤差較大,而乳化液濃度測試精度要求在±0.2%以內(nèi),因此,光透法不適合乳化液濃度測試。

(2)超聲波衰減法在液體濃度8%以上時非線性因素太強,測試誤差較大,同時,信號重復(fù)穩(wěn)定性也不太好。

(3)超聲波聲速法測量液體濃度精度較高,信號穩(wěn)定重復(fù)性良好,比較適合乳化液濃度的在線檢測。

(4)比重法原理簡單,實現(xiàn)也比較容易,但該法忽略了乳化液雜質(zhì)成份的重量(乳化液污染嚴(yán)重時尤為重要),而且要不斷地配制試樣紙,即多了一個耗材成本因素。不過,這種方法還可以再繼續(xù)深入研究。

2 聲速測量方法

2.1 電路原理

聲速測量的主要方法有共振干涉法,相位法和脈沖法等。共振干涉法是指利用壓電超聲換能器輻射阻抗率與換能器與反射板之間的距離的依賴關(guān)系來測量波長,用計算得到聲速;相位法利用在行波場中發(fā)射信號與接收信號之間的相位差與二者距離之間的關(guān)系來測定聲速,上述兩種方法通常使用連續(xù)正弦波。

脈沖方法可分為脈沖回鳴法,脈沖回波疊加法,脈沖回波重合法和直接計時的聲時法等[8-10]。在脈沖回鳴法中,發(fā)射器發(fā)射單個脈沖,經(jīng)在媒質(zhì)中傳播后被接收器所接收。經(jīng)整形放大后成為具有很陡前沿的脈沖,用于再觸發(fā)發(fā)射器發(fā)射第二個聲脈沖。如此往復(fù)下去,兩個相繼脈沖之間的時間延遲就是聲時。脈沖回波疊加法是利用單探頭脈沖反射法對低衰減材料進行聲速測量的方法。原理是:當(dāng)發(fā)生脈沖重復(fù)周期 T近似等于聲波在平行平面試樣中往返n次(n≥2,正整數(shù))所需的傳播時間nΔt時,則第一次發(fā)射的脈沖及其多次回波就會與第二次發(fā)射脈沖及其回波在換能器表面疊加。精密調(diào)節(jié)脈沖重復(fù)周期 T使得T=nΔt,相應(yīng)的回波會同相位疊加,出現(xiàn)最大值。脈沖回波重合法的原理是利用同一次發(fā)射聲脈沖的兩個脈沖回波波形間的重合來測定聲速。

在上述方法中,除直接測量聲時法外,都對波形有較高的要求。在現(xiàn)場使用中,如果溶液中含有雜質(zhì)或受到其它噪聲源的污染,則波在傳播過程中會發(fā)生畸變。要提高測量精度,就需要較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理方法和較大的計算量。而直接計時的聲時法通過發(fā)射和接收波直接觸發(fā)的方法,直接計算發(fā)射和接收波之間的間隔,具有電路簡單,適應(yīng)性強,精度高等優(yōu)點。其電路原理參見圖1。

圖1 測聲時電路原理圖

2.2 精度分析

超聲發(fā)射和接收都使用壓電晶體,波形為窄脈沖。測量電路采用了隨機多次平均測量技術(shù)。為提高聲時測量精度,主要措施有:

(1)高的反射能力和接受能力;

(2)過零電平檢測;

(3)盡可能增加聲波頻率。

如果發(fā)射的瞬時和時標(biāo)同步,無論多少次測量,通過計數(shù)門的時標(biāo)個數(shù)基本上不變,精度為時標(biāo)寬度τ。采樣隨機多次測量平均方法,整數(shù)個數(shù)時標(biāo)通過計數(shù)門的計數(shù)數(shù)目不會發(fā)生誤差。誤差發(fā)生在發(fā)射和接受的瞬時的計量當(dāng)中。

假設(shè)發(fā)射的瞬時正好處在時標(biāo)的中心位置,則誤差為零;處在時標(biāo)的 x處時,測量誤差為 x。發(fā)射信號和時標(biāo)不同步,是隨機的,所以發(fā)射瞬時的發(fā)生位置是隨機的。假設(shè)發(fā)射位置均勻分布于-τ/2到τ/2之間,則初始瞬時的方差為τ2/12,同樣接受瞬時的方差也是τ2/12,所以一次發(fā)射接受的瞬時的方差τ2/6。N次發(fā)射接受的平均瞬時的方差τ2/ 6N,均方差為τ/ 6N。當(dāng)采用25MHz的時標(biāo)時,τ為40ns,當(dāng)N=6400時,均方差為0.2ns。

可見,采用隨機多次測量平均方法(0.2ns)比用直接測量方法精度(40ns)高的多。

3 應(yīng)用實驗

用武鋼硅鋼片廠20輥軋機乳化液進行應(yīng)用實驗。

3.1 無雜質(zhì)乳化液濃度測量

無雜質(zhì)乳化液(軋制前)濃度分別為:0%、4%和8%。先將溫度升到40℃,然后等待其降溫到20℃左右,實驗過程中分別記錄溫度 T-聲時t。見表1。降溫過程中的測量溫度、聲時實驗結(jié)果及乳化液溫度、聲時的仿真,如圖2所示。

表1 溫度-聲時測量數(shù)據(jù)(無雜質(zhì))

圖2 溫度——聲時曲線

圖2中所示,帶點曲線為溫度-聲時的仿真曲線,另一條為根據(jù)實驗數(shù)據(jù)所繪曲線,可以看出:(1)仿真結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)基本吻合;(2)相同溫度時,濃度的升高和測得的聲時值基本上呈線性關(guān)系;(3)溫度高時,濃度的變化對聲時影響大,因此測量靈敏度高。

3.2 有雜質(zhì)乳化液濃度測量

有雜質(zhì)乳化液(軋制后)濃度分別為:5%、3.2%和1.6%。同樣,先將溫度升到40℃,然后等待其降溫到20℃左右,這過程中分別記錄溫度 T-聲時t。見表2。降溫過程中的測量溫度、聲時實驗結(jié)果(含0%),如圖3所示。結(jié)果表明,當(dāng)乳化液含雜質(zhì)時基本上不影響系統(tǒng)的溫度-聲時關(guān)系。

表2 溫度-聲時測量數(shù)據(jù)(有雜質(zhì))

4 結(jié)語

根據(jù)國內(nèi)外液體濃度在線檢測技術(shù)領(lǐng)域的最新發(fā)展以及乳化液潤滑系統(tǒng)的生產(chǎn)條件,結(jié)合超聲波技術(shù)的特性,確定并研究了用超聲波聲速(聲時)法在線檢測乳化液濃度的檢測技術(shù)。通過原理研究、精度分析、模型的計算機仿真以及乳化液溫度、濃度、聲時的實驗測試效果,應(yīng)用超聲波聲速(聲時)原理在線檢測乳化液濃度技術(shù)可行,信號穩(wěn)定性和重復(fù)性良好,對軋制環(huán)境要求不高,可投入冷軋工業(yè)的應(yīng)用。

圖3 溫度-聲時實驗曲線(含雜質(zhì))

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