基于Dasylab的乳化液濃度測量系統

王祥力，王利恒，李聯中

（武漢工程大學 電氣信息學院，湖北 武漢 430205）

乳化液是一種高性能的半合成金屬加工液，特別適用于鋁金屬及其合金的加工。

在鋼鐵生產及其加工行業，特別是冷軋工藝中，乳化液主要起冷卻和潤滑的作用，濃度過高則勢必導致軋制油的浪費，且增加廢液處理成本；濃度過低則起不到潤滑作用，生產的帶鋼的防銹性能下降，因而乳化液的濃度最終影響冷軋鋼成品的性能，必須準確測量乳化液的濃度，將其控制在一定的范圍之內[1]。

超聲波是頻率高于2 kHz的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，因而被廣泛用于測厚、測距、測速、遙控和成像技術等。工業中所用的乳化液一般是水基乳化型軋制液，這種液體介質主要成分是水，還含有少量的精制礦物油、表面活性劑以及防護劑，為了便于分析和比較，我們將乳化液看成是乳化油和水混合而成的均勻溶液，建立超聲波在乳化液中傳播的速度與其濃度和溫度有關的數學模型[2]。

1 工作原理與系統組成

1.1 工作原理

本測量系統是利用超聲波測速法來間接測量乳化液的濃度，超聲測速法就是根據超聲波在不同濃度的液體介質中傳播的速度不同，進而得出超聲波速度與液體濃度的關系，故我們最后直接利用超聲波在液體中傳播的時間，以下簡稱聲時，來推算液體介質的濃度。而超聲測速法又可分為單探頭反射法和雙探頭穿透法，其結構如圖1所示。

圖1 聲速測量法Fig.1 Measurement method of sound velocity

本測量系統采用脈沖反射法，其測量原理是從換能器發射超聲波，經過測量管段后遇到地底后發射至換能器接收，根據聲時我們即可得出超聲波在測量介質中傳播的速度，加之超聲波在液體介質中傳播的速度-濃度和溫度的數學模型，我們最終可得出聲時-濃度-溫度之間的關系式，根據測量的聲時和溫度推算出乳化液的濃度。

1.2 系統組成

依據超聲波測乳化液濃度的測量原理，除了被測介質濃度影響超聲波的傳播速度外，還與被測介質的溫度有關，故為了提高測量的精度，在測量時盡可能確保乳化液的溫度不變。本設計系統以超聲波探傷儀USD 15與上位機軟件的DDE通信為系統的核心，由工控機的PCI插槽上安置的研華板卡PCL-818L、PCL-725、PCL-726以及超聲波探傷儀USD15與測量反應裝置等構成。系統的組成框圖如圖2所示。

圖2 系統組成框圖Fig.2 The block diagram of system composition

整個測量任務都在測量釜中進行，超聲波的探頭發出超聲波，在測量釜中經過介質到達底面后反射回來，又被探頭所接收，這一個來回傳播的時間就被稱為聲時，通過DDE通信傳回上位機處理。由圖2可知本測量系統主要包括控制部分、測量部分組成，而測量部分主要包括超聲測量裝置、溫度調節裝置以及樣液提取裝置。

超聲測量裝置：超聲測量主要采用德國進口的超聲波探傷儀USD 15來完成聲時的測量，采用脈沖反射法，其探頭安裝在測量釜中，當樣液充滿測量釜時，超聲波探傷儀便可讀出對應的聲時數據。

溫度調節裝置：溫度調節裝置的任務就是為測量提供恒定的溫度條件，在實驗過程中單獨考慮濃度對聲時的影響時，通常將介質的溫度控制在給定的溫度點上下，以此來減少溫度對聲時測量的影響，再單獨考慮溫度的影響時，通過溫度調節裝置來得到不同的溫度條件，進而得到溫度對聲時的曲線。溫度調節主要采用可調節溫度的恒溫控制箱完成，當介質的溫度達到設定值時，自動停止加溫（加溫指示燈熄滅）；當介質溫度低于設定溫度時自動加溫（加溫指示燈亮）。

樣液提取裝置：樣液提取裝置負責測量釜內壁的清掃及樣液的抽取工作，程序開始時控制動樣液提取裝置完成清掃和提液的動作，為后續測量做好準備。

2 基于Dasylab的測控軟件設計

乳化液測控軟件是基于NI公司的DasyLab軟件平臺開發，它采用圖形化編程環境，通過連接函數圖標來完成數據采集、顯示、存儲、分析、統計、運算、控制、觸發等各種功能，控制程序可以實現濃度的在線測量、報警和數據記錄，具有良好的人機交互中文圖形化界面[5]。

測控軟件主要由工控機部分的采集、控制程序和超聲波測量裝置的通信程序以及溫度調節裝置的控制程序。采集數據主要由研華多功能數據采集卡PCL-818L及相應的溫度傳感器來完成，控制動作由研華板卡PCL-725控制氣動電磁閥完成，控制氣動馬達旋轉清掃和上下動作來抽取和排除樣液。控制軟件的結構框圖如圖3所示。

圖3 軟件結構框圖Fig.3 Software structure diagram

系統的主要工作過程如下：開機啟動，先利用上位機和USD 15的DDE通訊對USD 15進行初始化，再啟動Dasylab測控軟件，通過研華開關量控制輸出板卡PCL725輸出開關信號控制電磁閥完成清掃、除液等操作，然后數據采集板卡PCL818L讀取溫度和流量數據，同時Dasylab與USD 15的DDE通信模塊獲取乳化液的聲時，最后利用Dasylab強大的數據分析和處理功能完成乳化液濃度計算及報警顯示功能[6-7]。

3 系統數學模型及溫度補償

根據聲學原理，超聲波在液體中傳播的速度是與液體的彈性模量和密度的函數，而液體的彈性模量又與液體的溫度T和壓力P有關；在假設油和水均勻混合的前提下，密度ρ和濃度N又存在一定的轉換關系，由此我們可知超聲波在乳化液中傳播的速度c=f（N，T，P）。考慮乳化液的壓力變化很小，而且壓力對聲速的影響也很小，故可以忽略壓力的作用。為此我們可以得到c=f（N，T）的數學模型，再通過實驗測得大量溫度、濃度和聲時之間的關系式，利用二維插值的方法得出濃度的計算式[1]。

由于在實驗條件下，我們恒溫箱的溫度一般設定在40℃左右，故我們只需先測定T＝40℃時的3組不同濃度對應的聲時數據，然后利用一維插值算法求出聲時和濃度之間的關系，再固定濃度，求出聲時和溫度之間的關系，最后綜合可得二維插值表達式[4]。

在T＝40℃的條件下測出3組濃度數據n1＝1%、n2＝3%、n3＝5%對應的聲時t1、t2、t3，由拉格朗日插值可得

再使濃度固定，測量同一濃度在不同溫度下的聲時。濃度我們設定為n＝1%，測量T1＝20℃、T2＝30℃、T3＝40℃、T4＝50℃、T5＝60℃對應的聲時t11、t12、t13、t14、t15，再次利用一維拉格朗日插值得到

在乳化液的濃度—溫度—聲時模型中，我們先可以方便的得出對于一定的乳化液濃度N，測量并記錄不同溫度T和對應的聲時t如下：

式中：0≤i≤10；20≤Tj≤40，j＝0，1，…，m（m為實驗記錄的溫度聲時的個數）

下面對于上述記錄的m組數據采用三次曲線擬合的方法得出

結合武鋼二冷軋乳化液的實際情況，一般濃度大概在1.5%左右，因此分別配置濃度為0%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%的10組乳化液進行試驗，得到10條聲時和溫度之間的3次曲線，將其離散化，得到10組等溫度間隔的各濃度對應的聲時值。在濃度為n%、溫度為T時，由于[T]≤T≤[T]+1（[T]表示不大于T的最大整數，下同），先利用線性插值法計算與10條曲線的交點得出其聲時值ti（T）＝ti（[T]）+[ti（[T]+1）－ti（[T]）]·（T－[T]），其中0≤i≤10，對于聲時介于tn（T）和tn+1（T）之間（0≤n≤i－1）的乳化液再次利用線性插值，有如下計算式：

下面是在實驗條件下測得的聲時－溫度－濃度對應的關系，如圖4所示。

圖4 不同溫度下的聲時-濃度曲線Fig.4 Under different temperatures the sound time-concentration curve

4 實驗研究及誤差分析

由于本試驗中不考慮壓力對乳化液濃度的影響，而溫度變化就是干擾濃度測量的唯一因素，在上述數學模型中我們采用二維插值來計算溫度對乳化液濃度的補償。抽取一定的樣品，一部分用本系統測量，另一部分用送至樣品鑒定室標準分析儀測定，比較兩部分結果，如表1所示。

表1 數據分析對比%Tab.1 Data analysis contrast%

從表1中可知本系統測量偏差分別為－0.08%、0.03%、0.06%、－0.15%、－0.1%、－0.05%，最大偏差為0.15%，能滿足要求。

設本系統中濃度、溫度、聲時的測量誤差分別為σn，σT，σt，依據間接系統誤差傳遞理論，有以下公式：

由此可見乳化液濃度的測量誤差是非線性的，主要由聲時、溫度的測量誤差引起，因此為了減小濃度測量誤差，必須合理控制聲時的測量精度，對溫度誤差進行補償，盡可能減小非線性差值計算的截斷誤差。

5 結 論

該系統使用超聲測速法測量乳化液濃度，通過對乳化液濃度－聲時－溫度數學模型的重新建立，在Dasylab下開發了系統的測控軟件，對乳化液的溫度和濃度達到了在線監測的目的，為冷軋鋼產品質量提供了可靠保證。在本系統設計中的關鍵在于USD 15與上位機之間的DDE通信程序及返回的聲時數據的測量精度，因此我們應該定期對設備進行維護，盡可能減小被測乳化液的雜質，重點調試基于串口的DDE通信程序，使其穩定正常。

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