乳化液浓度在线测量系统冷轧线上的应用

裴 云，杨先发

（武汉钢铁股份公司设备管理部，湖北 武汉 430083）

一、引言

乳化液是油和水按一定的比例混均后的混合物。在带钢冷轧过程中，乳化液对轧辊和轧制钢板起冷却和润滑作用。乳化液浓度值是乳化液的一项重要理化指标，其大小变化直接影响轧钢的效果。如果浓度值偏低，轧辊及钢板润滑性差，支撑辊轴承容易烧损，轧制后的钢板易生锈，继而影响钢板的表面质量。如果乳化液浓度长期保持在较高的值，虽然对轧制钢板和轧机轧辊、轴承有利，但造成轧制油的大量浪费，从而导致吨钢生产成本大幅上升。因此，测量并控制乳化液浓度在目标值范围内对保证钢带质量、节约生产成本具有重要意义。

本项目对原德国乳化液浓度测量系统进行了技术改造，使其综合性能得到了提升。

二、工作原理及系统构成

乳化液的浓度测量方法通常有PH值法、光透法、比重法和超声波检测法，浓度在线测量中广泛采用超声波测量方法。超声波检测法又可根据检测信号的方式分为幅值法和声速法。该系统是以超声波声速法为测量手段，以系统集成的方式构建起来的。

1.声速法测量浓度原理

用超声波声速方法测量液体浓度已广泛应用于众多的工业领域，其基本测量原理是利用超声波在不同介质中的传播速度不同，从而建立浓度和声速之间的相关关系。

在均匀的理想流体中声波的线性波动方程可表示为

式中：p——声压；

t——时间；

x——质点在声场的位移。

由于超声波在传递过程中除了与介质有关外，还与温度有关，通过实验可知乳化液的浓度是温度和声速的函数，且具有一一对应的关系，三者的关系可写成

式中：N——乳化液浓度；

v——超声波在乳化液中的声速；

T——乳化液温度。

因此只要测得温度和声速，代入上式即可求得乳化液浓度。根据超声传感器的布置不同，可以分为单探头的反射测速和双探头的穿透测速法，其结构如图1所示。

测量声波经过定声程的测量管段l的时间为t。则测量声波的速度可以表达为v＝l/t（穿透法）或者v＝2l/t（发射法），对于既定的测量管段，长度l是固定的，因此声速的改变就直接反应在时间t，即声时上。因此公式2改写为

对于给定的测量管段和换能器，只要能够得到上述关系式，就能够根据声时和温度求得浓度。

2.系统组成

根据测量原理可知，浓度除了和声时有关外，还和乳化液的温度有关，因此为了保证测量的精度，在测量时需要保证介质的温度处于恒定。整个测量系统是以超声波测量装置为核心，由其他辅助装置共同构成的一个复杂系统。辅助装置的作用是给超声测量提供一个的稳定的测量条件。系统的组成框图如图2所示。

图2 系统组成框图

超声测量装置是整个系统的核心，该装置使用反射法测得声波在测量管段中传播所经过的时间，并将测量结果通过通信单元传给工控机。

由于声速除了和被测乳化液浓度有关外，还和介质的温度、测量管段介质的流速以及声程中其他介质的含量有关，为了保证测量结果的可靠性和精度，必须保证测量条件的稳定性。因此除了超声波测量单元外系统还需增加其他辅助装置。

温度调节装置是用来调节被测介质的温度，使其控制在标定状态下的介质温度点上下。这样就可以避免由于温度引起测量结果的波动。温度调节装置包括介质温度调节装置和环境温度调节装置。介质温度调节装置是将高温介质流经调节装置的热交换器并控制器热交换量，使其介质出口温度控制在指定的温度。环境温度调节装置是调节控制柜的环境温度，防止由于介质调节装置的散热，导致机柜内部温度过高而使各测量控制部件工作不正常。

由于测量管段中介质流过后会有少量杂质吸附在测量探头、釜壁和沉淀在釜底，时间长了会严重影响测量结果，因此必须定期进行维护清扫。由于维护工作比较频繁，因此设计采用自动清扫的方式。通过工控机的DIO板，使用软件控制气路电磁阀，接通气泵完成清扫工作。定期排空测量釜中的介质。这些都由软件控制各种电磁阀、气动阀来协调完成。

此外，测量管段的流量以控制测量是在规定的流速范围内完成。在测量管段中还通过温度变送器测量温度，以保证测量的介质温度是在指定的温度下完成。如果测量的条件不能满足要求，则要进行报警，提示用户检查温度调节系统和进流泵是否存在故障。

三、测控软件设计

在原系统的硬件基础上，根据超声测量原理重新设计了测控软件。测控软件是基于NI公司的Labview软件平台开发，具有友好的中文图形化界面。

测控软件主要由数据采集和控制输出以及人机界面组成。数据采集包括超声测量的声时数据采集、介质温度数据采集和流量数据采集。控制输出包括对清洗气动马达和汽缸的控制、排空阀和进流阀的控制等。控制软件的结构如图3所示。

图3 软件结构框图

四、温度补偿算法研究

虽然系统使用介质温度调节装置使被测乳化液的温度保持相对稳定，但由于实际输入乳化液的温度变化较大，当超出温度调节能力或调节装置失效时，乳化液的温度就出现波动。为了提高测量精度，利用已有的测温信息，测量软件增加了温度补偿功能。图4是实验测得不同温度下，不同乳化液的浓度—声时曲线。

由实验数据可知，温度对浓度测量值的影响基本上是呈线性关系。因此可以利用以下算法来进行温度补偿。

首先标定两条温度曲线T1和T2，同一个声时测量值tu对应温度T1浓度测量值为N1，对应温度T2的浓度测量值为N2，则在温度为Ti的条件下，经过温度补偿后的浓度值为

图4 不同温度下的声时—浓度曲线

将系统标定得到的温度曲线保存在电脑中，在实时测量时根据测量的声时和温度，利用上述补偿模型即可实现温度的补偿。

五、结论

通过技术改造，重新开发了系统的测控软件，摈弃了原有的德文系统和操作界面，并通过实验研究新增了温度补偿算法，增强了系统的适应性，提高的系统综合性能。新系统的投入使用可以保证平整乳化液良好的润滑和冷却性能的基础上，减少轧制油的浪费，具有良好的经济效益和社会效益。