基于超声波声速法检测乳化液浓度的实验

颜丽娜，张铁民

（海南师范大学 物理与电子工程学院，海南 海口571158）

基于超声波声速法检测乳化液浓度的实验

颜丽娜，张铁民

（海南师范大学 物理与电子工程学院，海南 海口571158）

依据超声波在不同浓度的溶液中有不同传播速度的原理，对超声波法检测乳化液浓度的系统进行了方案设计，采用最小二乘法标定出乳化液浓度、超声波声速及温度三者之间的函数关系曲线.实验表明，采用超声波法检测乳化液浓度是可行的.

乳化液浓度；超声波法；最小二乘法

乳化液是液压系统、特别是煤矿液压支架所采用的工作介质，在液压系统中起着血液的作用.《煤矿安全规程》规定：乳化液的质量分数一般在3％～5％之间.浓度过高，会使生产成本增加，浓度过低，则乳化液润滑性能不良，影响液压设备的使用寿命.因此，乳化液浓度必须控制在合理的范围内.

传统检测乳化液浓度采用的多为折光仪法和破乳法［1］，但这2种方法不能实时、准确地检测出乳化液的浓度，操作比较繁琐.因此，采用超声波技术在线实时、准确地检测乳化液浓度将会为后续乳化液的自动配制奠定良好的基础.

1 实验部分

1.1 实验仪器

2.5 Z14SJ水浸式超声波直探头（汕头超声仪器研究所）；STC12C5052AD单片机（深圳宏晶科技有限公司）；Pt100温度传感器（测量范围：-200℃ ～850℃；允许偏差值（℃）：±（0.15+0.002），A级；热响应时间：＜30 s；最小置入深度：≥200 mm；允许电流：≤5 mA）.

1.2 测试方法

超声波法检测乳化液浓度总体方案设计图见图1.该系统主要由超声波探头、发射电路、接收电路、温度传感器及温度采集电路组成.在保持两探头之间距离L及超声波发射探头发射强度不变的前提下，测量出从发射超声波信号到接收到电脉冲信号所需要的时间t，根据式（1）则可以得到超声波在乳化液中的传播速度v.

图1 超声波声速法检测乳化液浓度总体方案设计图Fig.1 The general design of testing emulsion concentration by means of ultrasonic velocity

由于乳化液温度变化时，超声波传播速度也会随之发生改变，因此在测试乳化液浓度时，还需要用温度传感器Pt100来测试乳化液的温度，以便补偿温度变化对声速变化造成的影响.

2 乳化液浓度、超声波声速及温度三者之间的函数关系曲线标定

在实验室条件下，分别配制了质量分数为2％，5％，8％的乳化液.对于每一种配制好的含量不变的乳化液，均将其从40℃下降为20℃，并且通过搭建的超声波声速法实验平台，测量出超声波在不同浓度的乳化液中随温度变化而变化的传播时间.其中，两超声波探头距离为106.2mm，乳化液质量分数为2％，5％，8％时的温度-声时数据见表1.

采用最小二乘法，分别对质量分数为2％，5％，8％的乳化液进行温度-声速曲线的拟合.拟合曲线见图2.图中，每条曲线表示的是质量分数相同时，随着温度的升高，超声波传播速度的变化.从上到下的3条曲线表示的是乳化液质量分数分别为2％，5％，8％时超声波传播速度随温度的变化.

在图3中，每条曲线表示的是温度相同时，随着质量分数的升高，超声波传播速度的变化.从下到上的5条曲线表示的是温度分别为20，25，30，35，40℃时超声波传播速度随乳化液质量分数的变化，温度变化间隔为5℃.

从图2不难看出，当乳化液质量分数相同时，随着温度的升高，超声波在乳化液中的传播速度增加，并且当乳化液的质量分数变动时，温度高时引起的声速变化值比低温时引起的要大.实验所得的温度与超声波声速的函数曲线规律与参考文献[2-3]报道的相一致.

从图3看到，在温度一定的条件下，随着乳化液质量分数的增加，声速变小，并且乳化液在低温时温度变化引起的声速变化值比高温时要大.实验所得的乳化液浓度与超声波声速的函数曲线规律与参考文献[2-3]报道的相符.

表1 L=106.2mm，乳化液质量分数分别为2％，5％，8％时的温度-声时数据Table.1 TeMperature-transit time data（Emulsion mass fraction：2％，5％，8％；L=106.2mm）

图2 乳化液质量分数一定时声速随温度的变化曲线Fig.2 Changes of ultrasonic velocity With teMperature when emulsion mass fraction is stable

w/％图3 乳化液温度一定时声速随质量分数的变化曲线Fig.3 Changes of ultrasonic velocity with emulsionmass fraction when temperature is stable

3 结语

实验表明，采用超声波法对乳化液浓度进行检测是可行的.若进行在线检测，需要事先在实验室对乳化液试样进行标定，才能获取到乳化液浓度实时检测的经验公式.但是，标定需要较长的时间和严格的温度控制，这在现场是难以做到的.当现场乳化液的浓度-声速-温度三者之间的关系和实验室标定的关系存在差异时，需要对所有的标定曲线进行修正，以便更准确、实时地检测乳化液的浓度［4-5］.

［1］王晓丽.乳化液浓度的检测与配比[D].西安：西安科技大学，2003.

［2］王东，王兵，李昌禧，等.超声波技术检测乳化液浓度的机理与实验 [J].武汉工程职业技术学院学报，2004，16（2）：8-11.

［3］王兵.冷轧乳化液浓度在线检测技术研究 [D].武汉：华中科技大学，2005.

［4］王东，吴雨川.乳化液浓度测试系统及实验过程[J].流体传动与控制，2009（3）：20-21.

［5］吴雨川，王东，罗维平.乳化液浓度在线测试系统及实验的研究[J].武汉科技学院学报，2007，20（7）：9-10.

责任编辑：黄 澜

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