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(jì)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(rùn)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(gè)重要參數(shù)。在軋制過(guò)程中,乳化液濃度對(duì)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(guò)低或過(guò)高并控制在合理范圍內(nèi),乳化液濃度必須隨時(shí)檢測(cè)。

1 現(xiàn)狀分析

針對(duì)乳化液濃度檢測(cè)技術(shù),目前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者進(jìn)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(guò)深入分析和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,總結(jié)如下:

(1)光透法濃度測(cè)試誤差較大,而乳化液濃度測(cè)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(cè)試。

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

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

(4)比重法原理簡(jiǎn)單,實(shí)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(shí)尤為重要),而且要不斷地配制試樣紙,即多了一個(gè)耗材成本因素。不過(guò),這種方法還可以再繼續(xù)深入研究。

2 聲速測(cè)量方法

2.1 電路原理

聲速測(cè)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(lái)測(cè)量波長(zhǎng),用計(jì)算得到聲速;相位法利用在行波場(chǎng)中發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間的相位差與二者距離之間的關(guān)系來(lái)測(cè)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(jì)時(shí)的聲時(shí)法等[8-10]。在脈沖回鳴法中,發(fā)射器發(fā)射單個(gè)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(gè)聲脈沖。如此往復(fù)下去,兩個(gè)相繼脈沖之間的時(shí)間延遲就是聲時(shí)。脈沖回波疊加法是利用單探頭脈沖反射法對(duì)低衰減材料進(jìn)行聲速測(cè)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(shí)間nΔt時(shí),則第一次發(fā)射的脈沖及其多次回波就會(huì)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(huì)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(gè)脈沖回波波形間的重合來(lái)測(cè)定聲速。

在上述方法中,除直接測(cè)量聲時(shí)法外,都對(duì)波形有較高的要求。在現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程中會(huì)發(fā)生畸變。要提高測(cè)量精度,就需要較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理方法和較大的計(jì)算量。而直接計(jì)時(shí)的聲時(shí)法通過(guò)發(fā)射和接收波直接觸發(fā)的方法,直接計(jì)算發(fā)射和接收波之間的間隔,具有電路簡(jiǎn)單,適應(yīng)性強(qiáng),精度高等優(yōu)點(diǎn)。其電路原理參見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)聲時(shí)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(cè)量電路采用了隨機(jī)多次平均測(cè)量技術(shù)。為提高聲時(shí)測(cè)量精度,主要措施有:

(1)高的反射能力和接受能力;

(2)過(guò)零電平檢測(cè);

(3)盡可能增加聲波頻率。

如果發(fā)射的瞬時(shí)和時(shí)標(biāo)同步,無(wú)論多少次測(cè)量,通過(guò)計(jì)數(shù)門(mén)的時(shí)標(biāo)個(gè)數(shù)基本上不變,精度為時(shí)標(biāo)寬度τ。采樣隨機(jī)多次測(cè)量平均方法,整數(shù)個(gè)數(shù)時(shí)標(biāo)通過(guò)計(jì)數(shù)門(mén)的計(jì)數(shù)數(shù)目不會(huì)發(fā)生誤差。誤差發(fā)生在發(fā)射和接受的瞬時(shí)的計(jì)量當(dāng)中。

假設(shè)發(fā)射的瞬時(shí)正好處在時(shí)標(biāo)的中心位置,則誤差為零;處在時(shí)標(biāo)的 x處時(shí),測(cè)量誤差為 x。發(fā)射信號(hào)和時(shí)標(biāo)不同步,是隨機(jī)的,所以發(fā)射瞬時(shí)的發(fā)生位置是隨機(jī)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(shí)的方差為τ2/12,同樣接受瞬時(shí)的方差也是τ2/12,所以一次發(fā)射接受的瞬時(shí)的方差τ2/6。N次發(fā)射接受的平均瞬時(shí)的方差τ2/ 6N,均方差為τ/ 6N。當(dāng)采用25MHz的時(shí)標(biāo)時(shí),τ為40ns,當(dāng)N=6400時(shí),均方差為0.2ns。

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

3 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

用武鋼硅鋼片廠20輥軋機(jī)乳化液進(jìn)行應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

3.1 無(wú)雜質(zhì)乳化液濃度測(cè)量

無(wú)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別記錄溫度 T-聲時(shí)t。見(jiàn)表1。降溫過(guò)程中的測(cè)量溫度、聲時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及乳化液溫度、聲時(shí)的仿真,如圖2所示。

表1 溫度-聲時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)(無(wú)雜質(zhì))

圖2 溫度——聲時(shí)曲線

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

3.2 有雜質(zhì)乳化液濃度測(cè)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(guò)程中分別記錄溫度 T-聲時(shí)t。見(jiàn)表2。降溫過(guò)程中的測(cè)量溫度、聲時(shí)實(shí)驗(yàn)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(shí)基本上不影響系統(tǒng)的溫度-聲時(shí)關(guān)系。

表2 溫度-聲時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)(有雜質(zhì))

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外液體濃度在線檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的最新發(fā)展以及乳化液潤(rùn)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(shí))法在線檢測(cè)乳化液濃度的檢測(cè)技術(shù)。通過(guò)原理研究、精度分析、模型的計(jì)算機(jī)仿真以及乳化液溫度、濃度、聲時(shí)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試效果,應(yīng)用超聲波聲速(聲時(shí))原理在線檢測(cè)乳化液濃度技術(shù)可行,信號(hào)穩(wěn)定性和重復(fù)性良好,對(duì)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(shí)實(shí)驗(yàn)曲線(含雜質(zhì))

[1] 張均東.檢測(cè)水中含油濃度的傳感器研究[J].儀表技術(shù)與傳感器,1998,(11):39-42.

[2] 張季熊.蔣明鋼.一種測(cè)量濃度的光釬傳感系統(tǒng)[J].儀器與儀表,2001,(10):9-11.

[3] 王俊杰.檢測(cè)技術(shù)與儀表[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2001.

[4] 王正良.高水基傳動(dòng)介質(zhì)質(zhì)量在線檢測(cè)與控制理論的研究[J].機(jī)床與液壓,1995,(3):138-141.

[5] 朱士明.提高聲時(shí)測(cè)量精度的過(guò)零檢測(cè)的數(shù)字平均法[J].聲學(xué)技術(shù),1990,(3):36-40.

[6] 靳海水,朱士明,殷秋方.基于局部模型網(wǎng)絡(luò)的超聲波濃度測(cè)量和在線校正[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2002,(3):232～237.

[7] 孫偉光,牟英峰.乳漿濃度在線檢測(cè)傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器,2001,(8):8-9.

[8] 靳海水.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其在超聲工業(yè)測(cè)量和過(guò)程控制中的應(yīng)用[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2002.

[9] Vladimir Ermolov,et al.Analog Pulse Compression System for Real-time Ultrasonic Non-destructive Testing[J].Ultrasonics, 1996,(3):35-39.

[10] 王 東,王 兵,劉文健.超聲波技術(shù)檢測(cè)乳化液濃度的機(jī)理與實(shí)驗(yàn),武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)[J].2004,(2):8-11.