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        超聲多次回波反射法測量硅油粘度實驗研究

        2013-04-26 09:33:42翟靈慧蘇明旭蔡小舒吉肖
        計測技術(shù) 2013年2期
        關(guān)鍵詞:反射系數(shù)橫波硅油

        翟靈慧,蘇明旭,蔡小舒,吉肖

        (上海理工大學(xué)顆粒與兩相流測量研究所,上海200093)

        粘度作為流體熱物性數(shù)據(jù)的重要參數(shù)之一,在許多工業(yè)部門和科學(xué)研究領(lǐng)域中都具有重要意義,特別是在石油化工、醫(yī)藥、粘合劑、食品等行業(yè),粘度的準(zhǔn)確測量可有效地控制生產(chǎn)過程及產(chǎn)品品質(zhì)[1-3]。在高性能流量計中,通過檢測液體的粘度和密度求得液體的雷諾數(shù)后進(jìn)行相關(guān)補償,以獲得更準(zhǔn)確的流量計量。

        傳統(tǒng)的粘度測量有毛細(xì)管法、旋轉(zhuǎn)法及振動法等,但是這些方法往往都要與被測介質(zhì)直接接觸,測量周期長,需要采樣等,不太適合在線測量[4]。超聲測量粘度由于具有非接觸,測量周期短,無需采樣等特點,適合在線測量。Mason[5]首先使用超聲橫波多次反射法來測量液體在不同頻率下的粘彈性。粘彈性與液體的粘度和使用的超聲橫波頻率有關(guān)。彈性能讓橫波在液體中傳播,但也只能傳播極小的距離,一般就幾個微米[6]。因為有著非常高的粘性損失,所以直接測量液體中橫波的傳播特征量是不可能的[7]。本文從橫波復(fù)反射系數(shù)出發(fā),推導(dǎo)出在考慮液體彈性和不考慮液體彈性兩種模型下的粘度計算公式,采用超聲多次回波反射法對硅油粘度進(jìn)行了測量,分析其隨溫度變化的關(guān)系。

        1 測量原理

        平面剪切波入射至匹配層與液體界面時,由于匹配層和液體剪切阻抗的差異,會導(dǎo)致橫波的反射。反射系數(shù)表示反射波能量與入射波總能量的比值,其復(fù)數(shù)形式可寫為:

        式中,r和θ分別為復(fù)反射系數(shù)R*的幅值和相位,j=為虛數(shù)單位,與Zs分別是待測液體和匹配層(固體)的剪切阻抗,由于聲波在固體中的衰減與液體中相比非常小,可以認(rèn)為固體的聲阻抗為實數(shù),即Zs=ρsCs,ρs與Cs分別是固體的密度和固體中的橫波傳播速度。液體的聲阻抗可以寫作如下形式:

        式中:Rl是聲阻,Xl是聲抗。已知粘彈性介質(zhì)中一維波動方程為[8]:

        波動方程 (3)的解為:μ(x,t)=μ0exp(jωt-Гx),其中ω為剪切波的角頻率,Г是復(fù)波數(shù),液體中剪切阻抗和復(fù)剪切模量的關(guān)系如下[9]:

        式中:ρl是液體粘度,G*稱復(fù)剪切模量,定義為

        式中:實部G'為彈性模量;虛部G″=ωη為粘性模量。

        考慮超聲橫波從固體介質(zhì)入射到液體,如圖1所示,可以給出如下關(guān)系[10]:

        聯(lián)立公式 (2)(4)(5)(6),可得,

        對于純粘性液體 (即G'=0),Rl=Xl,液體粘度公式為

        下文中將公式 (7)稱為計算液體粘度的完整模型,而 (8)看作簡化模型。通過測量液體密度、反射系數(shù)的幅值r與相位θ,即可由上述模型求得液體粘度值。

        2 實驗裝置和方法

        圖1 橫波在固液界面處垂直入射示意圖

        圖2為實驗裝置圖,測量裝置主要包括PR-5800型超聲脈沖發(fā)射接收儀,高速信號采集卡以及計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。測量信號經(jīng)過硬件濾波并放大后,由高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號模數(shù)轉(zhuǎn)換和采集,并送入計算機進(jìn)行處理。實驗使用傳感器為美國Panametrics公司生產(chǎn)的V154-RB水浸超聲橫波換能器,其中心頻率為2.25 MHz。另外,實驗中還使用上海圖新電子科技有限公司的EDS-300數(shù)顯密度計測量液體密度,上海尼潤智能科技有限公司生產(chǎn)的SNB-1型旋轉(zhuǎn)式粘度計用于粘度值的對比測量,使用寧波新芝生物科技股份有限公司提供的DC-0520低溫恒溫槽調(diào)節(jié)溫度變化,同時自行設(shè)計了外循環(huán)恒溫測量裝置,分別如圖3中(a),(b),(c),(d)所示。實驗使用的固體匹配層為石英玻璃 (其剪切阻抗Zs=8.25×106kg·m-2·s-1),并采用特殊的橫波耦合劑。

        圖2 實驗系統(tǒng)示意圖

        3 實驗數(shù)據(jù)與分析

        以三種不同規(guī)格的國產(chǎn)硅油為樣品,這里分別稱為1號硅油,2號硅油和3號硅油。試驗對3號硅油在20,25,30,40,50℃五個溫度點時的橫波信號以及3種硅油在25℃時的橫波信號進(jìn)行測量與分析。三種硅油樣品25℃的粘度計粘度值和以及密度計所測密度值如表1所示。

        圖3 外循環(huán)恒溫測量裝置示意圖

        表1 25℃時三種硅油的粘度和密度值

        圖4給出了超聲橫波在石英玻璃/3號硅油界面的多次反射回波,可以清楚地看到6次回波,對每次回波作快速傅里葉變換 (FFT),并獲得頻域上的幅值。

        圖4 多次反射回波信號

        圖5是對幅值取對數(shù)后與回波次數(shù)做線性擬合,可得到直線斜率k=0.524,反映了橫波在界面上的反射和匹配層吸收導(dǎo)致的聲能損失。圖5中線性擬合的相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.994,可見采用多次回波擬合的方法可以很好地抵消發(fā)射儀不穩(wěn)定性和信號本身的隨機誤差影響??紤]第M個和第N個回波,有如下關(guān)系式[11]:

        式中:A0為原始聲壓幅值;AN表示第N次回波幅值;α表示石英玻璃中的聲吸收系數(shù);D表示匹配層厚度;r表示石英玻璃與待測液體間的復(fù)反射系數(shù)幅值。

        將上兩式取對數(shù)并相減可得

        圖5 回波次數(shù)與回波幅值對數(shù)值關(guān)系圖

        式 (11)中等號左邊一項即為圖5處理所得擬合斜率k。以空氣作為參照物,可以得到

        式中:下標(biāo)air代表參照物空氣。一般情況下,認(rèn)為石英玻璃/空氣界面是全反射,即rair=1,再根據(jù)樣品斜率k、空氣斜率kair,就可以確定待測樣品的反射系數(shù)幅值r。

        相位角θ可以通過公式 (3)來計算[12],即

        式中:ΔtN是液體中第N次回波與參照物空氣中第N次回波的時間差。

        圖6、圖7分別為3號硅油所測反射系數(shù)幅值與相位角隨溫度的變化曲線。從圖中可見,超聲橫波換能器在石英玻璃/硅油界面發(fā)生反射后的反射系數(shù)幅值隨溫度升高,而相位角隨溫度降低。

        圖6 幅值隨溫度變化曲線

        圖7 相位角隨溫度變化曲線

        圖8為兩種模型下測得的粘度值與旋轉(zhuǎn)粘度計所測結(jié)果的對比??梢钥闯觯暦ê蚐NB-1型旋轉(zhuǎn)粘度計測得的粘度值都隨溫度的升高而降低,這與液體粘度隨溫度變化的特性相符合。由于高頻率超聲下硅油的弛豫現(xiàn)象,簡化模型測得超聲粘度值與考慮了相位角變化的完整模型結(jié)果有一定差別,隨著溫度增加樣品粘度減小,同時弛豫效應(yīng)減弱,二者差別也減小。超聲法結(jié)果與旋轉(zhuǎn)粘度計比較,趨勢一致,但數(shù)值上存在一定偏差,對于完整模型該相對偏差小于20%。

        圖9為三種不同規(guī)格硅油樣品在25℃時測量結(jié)果的對比,可以看出,三種不同規(guī)格的樣品被很好地區(qū)分,完整模型測量值和簡化模型測量值相比,與旋轉(zhuǎn)粘度計更為接近,而且可以看出隨著粘度本身的增大,不同模型和方法間的相對偏差減小。由于超聲法和旋轉(zhuǎn)粘度計在測量原理上的差異性,上述偏差可以理解,由于它們給出的溫度變化趨勢一致,表明經(jīng)過標(biāo)定,超聲橫波反射法可以準(zhǔn)確地測出液體粘度值。又由于超聲波測量的非接觸特性,可以實現(xiàn)實時在線測量。

        圖8 簡化模型、完整模型和SNB-1型粘度計結(jié)果對比

        4 結(jié)論

        圖9 三種硅油的粘度測量結(jié)果對比

        用超聲橫波多次回波反射法測量了三種硅油的粘度值,通過未考慮液體彈性的簡化模型和完整模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,獲得粘度值隨溫度的變化曲線。結(jié)果表明,兩種模型下所測得硅油粘度值均隨溫度的升高而減小,這符合液體粘度的溫度變化特性。將兩種模型測得硅油粘度數(shù)值與SNB-1型旋轉(zhuǎn)粘度計相比,完整模型所測得的結(jié)果偏差更小,可在經(jīng)過標(biāo)定后實現(xiàn)在線測量。考慮到采用超聲多次回波反射法還具有結(jié)構(gòu)簡單、非侵入式測量以及不受超聲發(fā)射功率變化影響等特點,可實現(xiàn)化工過程中單一液體和混合液體粘度的實時監(jiān)測。

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