超声波多次回波反射法测量油料密度技术研究∗

周胜友 熊 刚 史永刚

(1陆军勤务学院油料系 重庆 401331)

(2陆军勤务学院大型仪器装备管理中心 重庆 401331)

0 引言

密度是油料重要的理化指标之一，密度的准确测量不仅与油料的生产、管道运输、雾化性能相关，而且在油料交易过程中，如果密度测量不准确将造成巨大的经济损失。油料的密度测量方法可以分为静态法和动态法[1]，其中静态法有比重瓶法和浮子式，动态法包括U形振动管法、射线法和超声波法等。静态法精度高，成本低，结构简单，但测量过程需要取样到实验室完成，容易受到人为因素的影响，对操作员提出了较高要求，使其应用环境受到制约。与静态法相比，动态法耗时短，操作方便，能够实时在线检测密度随时间及温度的变化关系，其中超声波液体密度测量具有无损检测、快速响应、在线实时和非侵入式等特点，与现有的密度测量方法相比操作简单，并能够检测高浓度和不透明液体的密度[2−3]。从测量原理上，超声波检测液体密度分为声速法、声阻抗法和声衰减法[4]。声速法主要应用于单一组分液体密度检测，需要预先知道密度随温度变化关系，测量不同类别的液体时需要重新标定和建立密度随温度变化关系[5−6]。声衰减法测量误差大，在声速法和声阻抗法都不能满足应用要求的情况下使用。针对声速法和声衰减法的不足，本文采用声阻抗法，通过同时测量油料的声速和声阻抗，来测量油料密度。

1 测量原理

声阻抗法又称反射系数法，其原理是通过同时测量液体的声阻抗和声速，进而求出液体的密度，将介质声学特性阻抗定义为[7]

其中，Z表示介质的声阻抗，c表示超声波在介质中的传播速度，ρ表示介质的密度。根据式(1)可以将油料密度测量原理表示为如图1所示，当超声纵波垂直入射到不锈钢和油料形成的界面2时，由于两种介质声阻抗的差异，超声波在界面2处发生反射和透射，反射和透射声波的能量由两种介质声阻抗的差异决定。将反射声波的大小用反射系数来表示，反射系数R由式(2)给出[7]

由式(1)和式(2)可将油料密度表示为

其中，R表示分界面2处超声波反射系数，Zl表示油料的声阻抗，Zs表示不锈钢的声阻抗。R越大表示反射的声波越多，透射的声波越少。当Zl和Zs数值接近时，反射声波和透射声波一样多；Zs远大于Zl时，大多数的声波反射回不锈钢中，并在不锈钢中多次往返传播[8]。为了同时测量出油料的声速和声阻抗，既需要超声波透射过不锈钢在油料中传播后反射回超声探头B用来测声速，又需要在不锈钢中形成多次反射回波用来测声阻抗。但是在实际测量中，不锈钢的声阻抗为44.89×106kg·m−2·s−1，油料的声阻抗在1×106kg·m−2·s−1左右。由于不锈钢和油料声阻抗的差异，由式(2)可知界面2处的声波几乎全反射，透射到油料中的超声波在油料中传播反射回超声探头B的回波很难检测到。因此，需要寻找一种和油料声阻抗接近的介质用作探头的匹配层，使超声探头A发射的超声波透射大于反射，透射波经油料传播后反射回超声探头A。聚苯乙烯的声阻抗为1.5×106kg·m−2·s−1，其声阻抗与油料声阻抗接近，是超声探头A的匹配层的理想选择。

图1 油料密度测量原理Fig.1 Oil density measurement principle

1.1 检测系统组成

图2为油料密度测量实验装置示意图，测量装置主要包括CTS-8077PR脉冲发射接收仪、温控系统、超声探头及数字示波器。测量时CTS-8077PR以100 Hz的重复频率发射脉冲激发宽频超声探头(TOFD 5 MHz 6 mm)产生超声波，将CTS-8077PR脉冲发射接收仪输出端的信号接到数字示波器的输入端，超声回波信号经过数字示波器的显示、放大、滤波后上传给计算机数据处理系统；温度控制系统将检测到的油料温度上传给计算机，计算机根据预设的温度对温控系统的工作进行控制，以实现对油料温度的精确控制，从而实现检测油料在不同温度下的声学参数。数据处理系统根据采集到的油料温度，超声回波信号的幅值及传播时间等参数，计算出油料的声速和声阻抗，从而获得油料的密度。

图2 检测系统示意图Fig.2 Detection system schematic

1.2 声速测量

如图1所示，当超声波垂直入射到聚苯乙烯和油料界面1时，由于聚苯乙烯和油料声阻抗的不同，入射声波a0将在聚苯乙烯和油料界面处发生反射和透射现象；界面1处的反射回波由超声探头A接收，记为a1，透射声波在油料中传播到不锈钢界面2后反射回超声探头A，记为a2。

图3为超声波在聚苯乙烯和油料界面1的反射回波a1和在油料中传播到不锈钢界面2反射的回波a2，由图可知a1和a2的相位变化了180◦，这是由于超声波从波密介质传播到波疏介质，再从波疏介质传播到波密介质导致的相位变化。由回波信号a1、a2可以计算出油料的声速：

式(4)中，L2表示油料声程，t1表示a1的传播时间，t2表示a2的传播时间。超声传播时间估计的两种最基本的方法是互相关法和相位法。其中互相关法可以很好地估计时间差。在数学上互相关函数被定义为

图3 声速测量示意图Fig.3 Sound velocity measurement diagram

式(5)中，x(τ)是互相关函数，a1(t)和a2(t)分别表示两个时变信号。若两个信号的相关性程度越高，则求解后的相关函数最大值越大，其最大值对应的τ反映了两个信号的时间差[9]。本文中超声传播时间差采用互相关函数来计算，其实现原理如图4所示。将两路信号a1(t)和a2(t)进行傅里叶变换，变换后在频域相乘，再将相乘后的信号进行傅里叶逆变换成时域信号。时域信号中幅值最大点对应的时间即为两路信号a1(t)和a2(t)的时间差。具体实现过程如图4所示。

图4 相关器的实现原理Fig.4 Structure diagram of correlator

1.3 声阻抗测量

由式(3)得，不锈钢的声阻抗为已知值，只需求出不锈钢和油料界面2的反射系数，即可计算出油料的声阻抗。本文采用超声波在不锈钢内的多次反射回波来计算反射系数。由式(3)油料的声阻抗可表示为

为了准确获得反射系数R，应避免超声波在不锈钢内多次传播造成的衰减。所以，不锈钢宽度L3应小于测量池宽度L2，本文中L2取20 mm，L3取9 mm。对第m个和第n个回波，其幅值可分别表示为[10]

其中，A0表示不锈钢中起始声波的幅值，αP为不锈钢的声衰减系数。将各次回波的幅值取对数后作为因变量与回波次数做线性拟合，得此拟合直线的斜率K。将式(7)和式(8)取对数后相减并经整理，即可得到前述拟合直线的斜率K为

如以纯水作为参照，并记由纯水实验得到的拟合直线斜率为Kw，由式(9)可得

其中，Rw是不锈钢与纯水界面的反射系数，根据纯水和不锈钢的已知参数(声阻抗)，再根据式(10)，就可以确定Rw，因此油料的声反射系数可以表示为

式(11)表明，测出油料斜率K和纯水斜率Kw便可求出油料的反射系数R。再根据式(6)便可以求出油料的声阻抗[11]。

超声波在不锈钢和油料界面2处的多次回波信号如图5所示。可以清楚地看到7次回波信号，并且各回波信号的幅值是逐渐减小的，选取前7个回波信号，对每个回波信号进行快速傅里叶变换，取探头中心频率下的幅值代入式(9)中。图6为回波次数与回波幅值对数值关系图，从图中可以看出拟合曲线的相关系数R2=0.998，表明多次回波拟合有利于减小随机误差。

图5 界面2处超声多次回波信号Fig.5 Ultrasonic echo signals at two interfaces amplitude

图6 回波次数与回波幅值对数值关系Fig.6 Logarithmic relationship diagram of echo number and echo

2 数据处理与分析

选取来自不同厂家的8种油料作为实验样品，其中0#柴油4种，3#喷气燃料2种，90#汽油2种。实验研究了6种油料在不同温度下的声速变化规律，温度范围为15◦C∼60◦C，温度测量间隔为5◦C，对同一油料在每个温度下重复测量5次后取平均值作为实验结果。实验结果如图7所示，图中4号、5号为90#汽油，1号、6号为3#喷气燃料，2号、3号为0#柴油。由图7可知不同牌号油料随温度的升高，其声速近似线性下降；在同一温度下柴油的声速大于喷气燃料和汽油。

图7 不同温度下油料的声速曲线Fig.7 Sound velocity curve of oil at different temperatures

表1给出了20◦C条件下，中心频率5 MHz探头的实验测量结果。纯水声阻抗取1.478 kg·m−2·s−1，每次实验均重复测量5次后取平均值。由实验结果可知，测量最大误为1.2%；0#柴油的测量结果比90#汽油和3#喷气燃料准确度高，可能是由于不同牌号的物质组成成分不同；随着油料密度的增加，其声速和声阻抗相应的增大。在测量过程中发现，温度对声阻抗和声速的测量结果有明显的影响。在式(2)中，把不锈钢声阻抗看成特定温度下的常数，但是当温度变化时不锈钢声阻抗也相应的改变，给测量结果带来了不确定的影响，所以测量过程中应减小测量单元温度的变化。8种不同密度的油料的超声测量结果如图8所示，由图可知超声密度测量结果与参考密度直线吻合较好，密度测量达到了较高的精度。

表1 不同密度的油料测量结果Table 1 Oil measurement results of different density

图8 超声测量结果与密度计结果比较Fig.8 Comparison of ultrasonic measurement results with densitometer results

3 结论

本文利用超声波在不锈钢内的多次反射回波计算出油料的声阻抗，并以超声波在聚苯乙烯和油料中传播的回波计算出油料的声速，通过对油料声阻抗和声速的测量计算出油料的密度。采用5 MHz的超声探头测量8种油料的声速和声阻抗，测量结果表明油料的声速随温度的增加近似线性的下降，密度测量结果最大误差为1.2%，该方法可用于测量油料的密度。该方法能够同时测量油料的声阻抗和声速，测量不同类别的液体时不需要重新标定，具有结构简单、在线实时、快速准确及非侵入式测量的特点，还可以动态监测油料的密度。