Electronic Science & Technology 电0子学技第4科卷 第0术2期 2017年3月电子科学技术Electronic Science & Technology 2017年第02期Vol.04 No.02 Mar.2017超声波式乳化液浓度测量技术研究黄永升，李建宇，张炜森（东南大学自动化学院，江苏南京，210096）摘 要：本文设计了一种基于超声波声速法的乳化液浓度测量系统，根据超声波在不同浓度乳化液中声速不同的特点，采用超声波传感器测量声速，同时研究了温度补偿技术，验证了基于超声波声速法的乳化液浓度在线测量方案的可行性。关键词：乳化液浓度；超声波；温度；声速；耦合关系 中图分类号：TH7 文献标识码：A 文章编号： 2095-8595(2017) 02-052-04电子科学技术 URL: http://www.china-est.com.cn DOI: 10.153/j.issn.2095-8595.2017.02.014Research on Ultrasonic Emulsion Concentration on-line Measurement TechniqueYongsheng Huang, Jianyu Li, Weisen Zhang (Southeast University, Nanjing, Jiangsu, 210096, China)Abstract: This topic design a system measuring emulsion concentration based on ultrasonic sensor, which measure the sound velocity, according to the principle of the sound velocity of different emulsion concentration, and study the influence of temperature on the measurement, to establish a coupling relationship of emulsion concentration, sound velocity and temperature, and verify the feasibility of emulsion concentration measurement based on ultrasonic sensor. Key words: Emulsion Concentration; Ultrasonic Sensor; Temperature;Sound Velocity;Coupling Relationship引言乳化液被称为煤矿支护设备的血液，它具有粘温特性好、安全、经济等优点，在全世界的煤矿生产中得到了非常广泛的应用。《煤矿安全规程》规定：煤矿生产中所使用的乳化液的质量分数应该维持在3 %～5 %之间 [1]。液压支架和支柱的工作寿命与乳化液的浓度息息相关，具体表现为：①当乳化液浓度过低时，将会导致其润滑性、防锈性和抗硬水性降低，锈蚀液压元件，使液压系统的工作寿命缩短；②当乳化液浓度过高时，乳化液的消泡能力降低，增加了对橡胶密封材料的容涨性，同时乳化油用量增加，将导致生产成本的大幅增加[2]。目前行业检测乳化液浓度的一般方法为人工检测法：折光仪法和破乳法[3]。而这两种方法均为人工取样，耗时耗力，而且不能及时准确地发现乳化液浓度的异常，难以满足煤矿生产要求。超声波测量具有实时在线的特点，能够大大降低人工成本，提高监测效率。实验表明，乳化液的浓度与乳化液的温度、压力以及超声波在乳化液中的传播速度有关[1]。这为利用超声波技术在线检测乳化液浓度提供了理论依据。· 52 ·黄永升等：超声波式乳化液浓度测量技术研究1 乳化液浓度测量原理依据声学原理，超声波在液体中的传播速度为液体弹性模量以及液体密度的函数，即超声波在液体中的传播速度与浓度、温度以及压力有关[4]，由此可得： c=f(v,T,p)上式中， c——乳化液浓度；V——超声波在乳化液中的速度；T——乳化液温度。在实际工业应用中，在乳化液中不同位置处，压力几乎可以认为是恒定的, 并且超声波声速对液体中的压力并不敏感,故可以忽略压力的作用,认为乳化液浓度仅与温度和浓度有关。对于特定种类的乳化液，可以通过预先试验标定，获得大量浓度、温度以及超声波声速的关系数据, 并且研究出温度对声速的补偿关系式, 将标定好的数据以及关系式存放在存储器芯片中。仪表工作时会自动依据实际检测过程中获取的温度和超声波的声速数据, 再利用预先标定并且储存好的拟合关系式进行线性插值，计算出乳化液的浓度[5]。分度表，根据实际测量的电阻值，通过线性插值获取所测温度。图1 对电容充放电法测温电路图1为电容充放电法测量温度的电路原理图。下面以MCU为例，介绍基于电容充放电法的温度测量原理。参考电阻和PT1000的一端都接到同一个参考电容的同一端，另一端分别接到MCU的不同的I/O口。电容一端接地，另一端接入到MCU电压比较器的一个输入端，电压比较器的另一端接MCU内部参考电源产生的参考电压Vth。首先，I/O口通过参考电阻Rref对电容充电，充电一段时间后，电容开始放电，同时MCU的计时器启动计时，当电容上的电压V下降到比较阈值Vth时，电压比较器的输出发生翻转，翻转信号触发计时器停止计时，此时计时器的值即为放电时间tref。接下来，再控制I/O口，通过热电阻Pt1000对电容C重复同样的充放电过程，可得到放电时间tsen。电容的充放电波形如图2所示。1.1 声速测量原理在一个镂空管道的一端装有超声波探头，另一端装有反射壁，管道完全浸入乳化液中。测量声速时，超声波探头发出高频脉冲超声波，超声波遇到反射壁反射回来，回波信号被超声波探头接收并进行处理，计量回波时间。假设管道的长度为L，回波时间为t，那么乳化液中超声波的声速可由下式计算： 图2 电容充放电波形1.2 温度测量原理PT1000铂电阻传感器可用于温度测量，一般认为，PT1000的电阻值与温度呈二次函数关系 [6]： Rt=R0[1+At+Bt2]在两次放电过程中，分别通过PT1000和参考电阻对同一个电容C放电，因此有如下关系： 计算PT1000的电阻值： 再根据热电阻分度表进行线性插值，即可计算出乳化液的温度。式中：Rt——PT1000在t ºC时的电阻值（Ω）；R0——PT1000在0ºC时的电阻值（Ω）；t——温度（ºC）。其中，A=3.9083×10-3/ºC，B=-5.775×10-7/ºC2。在温度测量应用中，可以通过查PT1000热电阻· 53 ·电子科学技术Electronic Science & Technology 2017年第02期2 检测系统设计乳化液，需要标定在其在不同温度下的声速数据。具体标定步骤如下：① 配置乳化液。用清水60L和乳化油配置不同浓度的乳化液，其浓度分别为0%、1%、2%、3%、4%和5%。② 变温测量。利用加热装置给乳化液加热，加热的过程要均要搅拌，以使得乳化液温度分布均衡。搅拌完成后静置3分钟开始测量，记录当前温度和传播时间。记录的温度范围为25~40摄氏度，每0.5~1摄氏度记录一次。③ 数据处理。将获取的数据进行处理，剔除异常值、对数据进行平均滤波处理，作出浓度、温度、传播时间（或声速）之间的关系图。图3 检测电路设计系统框图检测电路系统如图3所示，包括主控器MSP430F437、1MHz方波激励源、高精度时间和温度测量芯片（TDC-GP2）、START信号整形电路、回波信号调理电路和超声波换能器。TDC-GP2片内集成了高精度测时电路和高速脉冲发生器，且具有时钟控制、温度测量、停止信号使能等功能。TDC-GP2的时间测量分辨率可达65ps，使得它可以准确计量μs级别的时间。整个测量系统以高精度时间测量芯片TDC-GP2为核心，实现对乳化液中声时的测量，由于该芯片还集成了基于电容充放电方法的温度测量方案，是比较好的声速测量与温度测量的集成方案，降低了设计难度和成本。本实验采用的超声波换能器中心频率为1MHz。由方波激励源产生1MHz的超声波激励信号，经过功率放大电路，激励超声波换能器，使其产生脉冲超声波。同时，激励信号通过整形电路形成START脉冲信号，触发TDC-GP2芯片计时启动。固定在管道一端的超声波换能器发出超声波后，经过极短的时间后，超声波探头接收到回波信号，经信号调理电路产生STOP脉冲，触发TDC-GP2计时结束，即可获得声程时间t，进而计算得到声速。3.2 标定结果及温度补偿技术研究固定超声波探头的管道长度为90cm，将其完全浸入乳化液或清水中，分别在不同温度下进行测量，测量结果如图4所示。图4 声速—温度变化图从图中可以看出：① 同一温度下，超声波在乳化液中的声速随着浓度的增加而减小。② 同一浓度下，超声波在乳化液中的声速随着温度的增加而增加，当用最小二乘法拟合后，发现当用二次函数拟合时效果已经很好，因此在固定浓度下，可以用二次函数来拟合声速和温度间的关系，即 v=k0+k1*T+k2*T2式中，v表示声速，T为温度，k0、k1与k2为耦合系数。因此，对于标定好的实验数据，可以用二次函数拟合温度-声速关系式，当测量未知浓度的乳化液时，可以采用线性插值的方式来计算乳化液浓度。3 实验结果与分析3.1 预先标定根据乳化液在线检测系统原理，对于不同浓度· 54 ·黄永升等：超声波式乳化液浓度测量技术研究假设根据当前检测温度查阅标定好的数据计算出清水、0%、1%、2%、3%、4%和5%浓度的乳化液的声速分别为v0， v1，v2，v3，v4，v5。检测出的乳化液声速为vx，逐一对比vx与v0， v1，v2，v3，v4，v5的大小关系，假设有： v3 vx v4 则可由如下插值方法计算出未知乳化液的浓度： 通过预先标定出温度、声速和浓度的关系数据，根据这些标定数据，采用温度补偿技术和线性插值的方法可以实现乳化液浓度的精确测量。论文对所设计的乳化液浓度在线检测系统进行了误差验证分析，得出测量相对误差最高为3.61%，精度较高，效果比较理想，验证了基于超声波声速法的乳化液浓度在线测量技术的可行性，提高了测量的实时性，能够满足实际工业应用。而如果想要进一步提高测量精度，则需要更加详细地标定浓度、温度以及声速三种物理量间的关系，获得更加完整的数据。3.3 精度验证参考文献通过对实验数据进行二次拟合，采用线性插值的办法，对实验室环境下的浓度为0.5%、1.5%、2.5%、3.5%以及4.5%的乳化液进行验证，获得如下结果，见表1。表 1 不同浓度下超声波原理检测相对误差浓度相对误差 /%温度/°C253035403.613.223.263.573.123.022.953.082.351.981.672.011.651.121.461.762.041.1.791.96[6][5] [3] [4] [2] [1] 吕利强,李文英. 矿用乳化液浓度自动检测方法的研究[J].流体传动与控制,2009,4(35).赵四海,李文昌,李明,王法磊. 采用检测光学混浊度确定乳化液浓度方法的研究[J].煤炭学报,2011,36(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.Alf Puttmer, Peter Hauptmann, and Bernd Henning. Ultrasonic density sensor for liquids[J]. IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL,VOL. 47, NO. 1, 2000: 85-92.李昌禧, 李跃忠,王兵. 冷轧乳化液浓度在线测量仪的研究[J]. 仪表技术与传感器,2007,1.方益喜,雷开卓,屈健康,等.基于PT1000的高精度温度测量系统[J].电子设计工程,2010,18(10):79-82.0.51.52.53.54.5从表1中可以看出，超声波式乳化液浓度在线检测系统的测量误差最高为3.61%，对于工业应用来说，精度较高，效果比较理想。作者简介：黄永升（1992-），硕士，东南大学，研究方向：控制工程。E-mail: a1020096368@163.com4 总结与展望基于超声波原理的乳化液浓度在线测量技术，· 55 ·
