乳化液濃度在線測量系統(tǒng)冷軋線上的應用

裴 云，楊先發(fā)

（武漢鋼鐵股份公司設備管理部，湖北 武漢 430083）

一、引言

乳化液是油和水按一定的比例混均后的混合物。在帶鋼冷軋過程中，乳化液對軋輥和軋制鋼板起冷卻和潤滑作用。乳化液濃度值是乳化液的一項重要理化指標，其大小變化直接影響軋鋼的效果。如果濃度值偏低，軋輥及鋼板潤滑性差，支撐輥軸承容易燒損，軋制后的鋼板易生銹，繼而影響鋼板的表面質量。如果乳化液濃度長期保持在較高的值，雖然對軋制鋼板和軋機軋輥、軸承有利，但造成軋制油的大量浪費，從而導致噸鋼生產成本大幅上升。因此，測量并控制乳化液濃度在目標值范圍內對保證鋼帶質量、節(jié)約生產成本具有重要意義。

本項目對原德國乳化液濃度測量系統(tǒng)進行了技術改造，使其綜合性能得到了提升。

二、工作原理及系統(tǒng)構成

乳化液的濃度測量方法通常有PH值法、光透法、比重法和超聲波檢測法，濃度在線測量中廣泛采用超聲波測量方法。超聲波檢測法又可根據檢測信號的方式分為幅值法和聲速法。該系統(tǒng)是以超聲波聲速法為測量手段，以系統(tǒng)集成的方式構建起來的。

1.聲速法測量濃度原理

用超聲波聲速方法測量液體濃度已廣泛應用于眾多的工業(yè)領域，其基本測量原理是利用超聲波在不同介質中的傳播速度不同，從而建立濃度和聲速之間的相關關系。

在均勻的理想流體中聲波的線性波動方程可表示為

式中：p——聲壓；

t——時間；

x——質點在聲場的位移。

由于超聲波在傳遞過程中除了與介質有關外，還與溫度有關，通過實驗可知乳化液的濃度是溫度和聲速的函數，且具有一一對應的關系，三者的關系可寫成

式中：N——乳化液濃度；

v——超聲波在乳化液中的聲速；

T——乳化液溫度。

因此只要測得溫度和聲速，代入上式即可求得乳化液濃度。根據超聲傳感器的布置不同，可以分為單探頭的反射測速和雙探頭的穿透測速法，其結構如圖1所示。

測量聲波經過定聲程的測量管段l的時間為t。則測量聲波的速度可以表達為v＝l/t（穿透法）或者v＝2l/t（發(fā)射法），對于既定的測量管段，長度l是固定的，因此聲速的改變就直接反應在時間t，即聲時上。因此公式2改寫為

對于給定的測量管段和換能器，只要能夠得到上述關系式，就能夠根據聲時和溫度求得濃度。

2.系統(tǒng)組成

根據測量原理可知，濃度除了和聲時有關外，還和乳化液的溫度有關，因此為了保證測量的精度，在測量時需要保證介質的溫度處于恒定。整個測量系統(tǒng)是以超聲波測量裝置為核心，由其他輔助裝置共同構成的一個復雜系統(tǒng)。輔助裝置的作用是給超聲測量提供一個的穩(wěn)定的測量條件。系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

超聲測量裝置是整個系統(tǒng)的核心，該裝置使用反射法測得聲波在測量管段中傳播所經過的時間，并將測量結果通過通信單元傳給工控機。

由于聲速除了和被測乳化液濃度有關外，還和介質的溫度、測量管段介質的流速以及聲程中其他介質的含量有關，為了保證測量結果的可靠性和精度，必須保證測量條件的穩(wěn)定性。因此除了超聲波測量單元外系統(tǒng)還需增加其他輔助裝置。

溫度調節(jié)裝置是用來調節(jié)被測介質的溫度，使其控制在標定狀態(tài)下的介質溫度點上下。這樣就可以避免由于溫度引起測量結果的波動。溫度調節(jié)裝置包括介質溫度調節(jié)裝置和環(huán)境溫度調節(jié)裝置。介質溫度調節(jié)裝置是將高溫介質流經調節(jié)裝置的熱交換器并控制器熱交換量，使其介質出口溫度控制在指定的溫度。環(huán)境溫度調節(jié)裝置是調節(jié)控制柜的環(huán)境溫度，防止由于介質調節(jié)裝置的散熱，導致機柜內部溫度過高而使各測量控制部件工作不正常。

由于測量管段中介質流過后會有少量雜質吸附在測量探頭、釜壁和沉淀在釜底，時間長了會嚴重影響測量結果，因此必須定期進行維護清掃。由于維護工作比較頻繁，因此設計采用自動清掃的方式。通過工控機的DIO板，使用軟件控制氣路電磁閥，接通氣泵完成清掃工作。定期排空測量釜中的介質。這些都由軟件控制各種電磁閥、氣動閥來協調完成。

此外，測量管段的流量以控制測量是在規(guī)定的流速范圍內完成。在測量管段中還通過溫度變送器測量溫度，以保證測量的介質溫度是在指定的溫度下完成。如果測量的條件不能滿足要求，則要進行報警，提示用戶檢查溫度調節(jié)系統(tǒng)和進流泵是否存在故障。

三、測控軟件設計

在原系統(tǒng)的硬件基礎上，根據超聲測量原理重新設計了測控軟件。測控軟件是基于NI公司的Labview軟件平臺開發(fā)，具有友好的中文圖形化界面。

測控軟件主要由數據采集和控制輸出以及人機界面組成。數據采集包括超聲測量的聲時數據采集、介質溫度數據采集和流量數據采集。控制輸出包括對清洗氣動馬達和汽缸的控制、排空閥和進流閥的控制等。控制軟件的結構如圖3所示。

圖3 軟件結構框圖

四、溫度補償算法研究

雖然系統(tǒng)使用介質溫度調節(jié)裝置使被測乳化液的溫度保持相對穩(wěn)定，但由于實際輸入乳化液的溫度變化較大，當超出溫度調節(jié)能力或調節(jié)裝置失效時，乳化液的溫度就出現波動。為了提高測量精度，利用已有的測溫信息，測量軟件增加了溫度補償功能。圖4是實驗測得不同溫度下，不同乳化液的濃度—聲時曲線。

由實驗數據可知，溫度對濃度測量值的影響基本上是呈線性關系。因此可以利用以下算法來進行溫度補償。

首先標定兩條溫度曲線T1和T2，同一個聲時測量值tu對應溫度T1濃度測量值為N1，對應溫度T2的濃度測量值為N2，則在溫度為Ti的條件下，經過溫度補償后的濃度值為

圖4 不同溫度下的聲時—濃度曲線

將系統(tǒng)標定得到的溫度曲線保存在電腦中，在實時測量時根據測量的聲時和溫度，利用上述補償模型即可實現溫度的補償。

五、結論

通過技術改造，重新開發(fā)了系統(tǒng)的測控軟件，擯棄了原有的德文系統(tǒng)和操作界面，并通過實驗研究新增了溫度補償算法，增強了系統(tǒng)的適應性，提高的系統(tǒng)綜合性能。新系統(tǒng)的投入使用可以保證平整乳化液良好的潤滑和冷卻性能的基礎上，減少軋制油的浪費，具有良好的經濟效益和社會效益。