超聲波多次回波反射法測量油料密度技術研究?

周勝友 熊 剛 史永剛

(1陸軍勤務學院油料系 重慶 401331)

(2陸軍勤務學院大型儀器裝備管理中心 重慶 401331)

0 引言

密度是油料重要的理化指標之一，密度的準確測量不僅與油料的生產、管道運輸、霧化性能相關，而且在油料交易過程中，如果密度測量不準確將造成巨大的經濟損失。油料的密度測量方法可以分為靜態法和動態法[1]，其中靜態法有比重瓶法和浮子式，動態法包括U形振動管法、射線法和超聲波法等。靜態法精度高，成本低，結構簡單，但測量過程需要取樣到實驗室完成，容易受到人為因素的影響，對操作員提出了較高要求，使其應用環境受到制約。與靜態法相比，動態法耗時短，操作方便，能夠實時在線檢測密度隨時間及溫度的變化關系，其中超聲波液體密度測量具有無損檢測、快速響應、在線實時和非侵入式等特點，與現有的密度測量方法相比操作簡單，并能夠檢測高濃度和不透明液體的密度[2?3]。從測量原理上，超聲波檢測液體密度分為聲速法、聲阻抗法和聲衰減法[4]。聲速法主要應用于單一組分液體密度檢測，需要預先知道密度隨溫度變化關系，測量不同類別的液體時需要重新標定和建立密度隨溫度變化關系[5?6]。聲衰減法測量誤差大，在聲速法和聲阻抗法都不能滿足應用要求的情況下使用。針對聲速法和聲衰減法的不足，本文采用聲阻抗法，通過同時測量油料的聲速和聲阻抗，來測量油料密度。

1 測量原理

聲阻抗法又稱反射系數法，其原理是通過同時測量液體的聲阻抗和聲速，進而求出液體的密度，將介質聲學特性阻抗定義為[7]

其中，Z表示介質的聲阻抗，c表示超聲波在介質中的傳播速度，ρ表示介質的密度。根據式(1)可以將油料密度測量原理表示為如圖1所示，當超聲縱波垂直入射到不銹鋼和油料形成的界面2時，由于兩種介質聲阻抗的差異，超聲波在界面2處發生反射和透射，反射和透射聲波的能量由兩種介質聲阻抗的差異決定。將反射聲波的大小用反射系數來表示，反射系數R由式(2)給出[7]

由式(1)和式(2)可將油料密度表示為

其中，R表示分界面2處超聲波反射系數，Zl表示油料的聲阻抗，Zs表示不銹鋼的聲阻抗。R越大表示反射的聲波越多，透射的聲波越少。當Zl和Zs數值接近時，反射聲波和透射聲波一樣多；Zs遠大于Zl時，大多數的聲波反射回不銹鋼中，并在不銹鋼中多次往返傳播[8]。為了同時測量出油料的聲速和聲阻抗，既需要超聲波透射過不銹鋼在油料中傳播后反射回超聲探頭B用來測聲速，又需要在不銹鋼中形成多次反射回波用來測聲阻抗。但是在實際測量中，不銹鋼的聲阻抗為44.89×106kg·m?2·s?1，油料的聲阻抗在1×106kg·m?2·s?1左右。由于不銹鋼和油料聲阻抗的差異，由式(2)可知界面2處的聲波幾乎全反射，透射到油料中的超聲波在油料中傳播反射回超聲探頭B的回波很難檢測到。因此，需要尋找一種和油料聲阻抗接近的介質用作探頭的匹配層，使超聲探頭A發射的超聲波透射大于反射，透射波經油料傳播后反射回超聲探頭A。聚苯乙烯的聲阻抗為1.5×106kg·m?2·s?1，其聲阻抗與油料聲阻抗接近，是超聲探頭A的匹配層的理想選擇。

圖1 油料密度測量原理Fig.1 Oil density measurement principle

1.1 檢測系統組成

圖2為油料密度測量實驗裝置示意圖，測量裝置主要包括CTS-8077PR脈沖發射接收儀、溫控系統、超聲探頭及數字示波器。測量時CTS-8077PR以100 Hz的重復頻率發射脈沖激發寬頻超聲探頭(TOFD 5 MHz 6 mm)產生超聲波，將CTS-8077PR脈沖發射接收儀輸出端的信號接到數字示波器的輸入端，超聲回波信號經過數字示波器的顯示、放大、濾波后上傳給計算機數據處理系統；溫度控制系統將檢測到的油料溫度上傳給計算機，計算機根據預設的溫度對溫控系統的工作進行控制，以實現對油料溫度的精確控制，從而實現檢測油料在不同溫度下的聲學參數。數據處理系統根據采集到的油料溫度，超聲回波信號的幅值及傳播時間等參數，計算出油料的聲速和聲阻抗，從而獲得油料的密度。

圖2 檢測系統示意圖Fig.2 Detection system schematic

1.2 聲速測量

如圖1所示，當超聲波垂直入射到聚苯乙烯和油料界面1時，由于聚苯乙烯和油料聲阻抗的不同，入射聲波a0將在聚苯乙烯和油料界面處發生反射和透射現象；界面1處的反射回波由超聲探頭A接收，記為a1，透射聲波在油料中傳播到不銹鋼界面2后反射回超聲探頭A，記為a2。

圖3為超聲波在聚苯乙烯和油料界面1的反射回波a1和在油料中傳播到不銹鋼界面2反射的回波a2，由圖可知a1和a2的相位變化了180?，這是由于超聲波從波密介質傳播到波疏介質，再從波疏介質傳播到波密介質導致的相位變化。由回波信號a1、a2可以計算出油料的聲速：

式(4)中，L2表示油料聲程，t1表示a1的傳播時間，t2表示a2的傳播時間。超聲傳播時間估計的兩種最基本的方法是互相關法和相位法。其中互相關法可以很好地估計時間差。在數學上互相關函數被定義為

圖3 聲速測量示意圖Fig.3 Sound velocity measurement diagram

式(5)中，x(τ)是互相關函數，a1(t)和a2(t)分別表示兩個時變信號。若兩個信號的相關性程度越高，則求解后的相關函數最大值越大，其最大值對應的τ反映了兩個信號的時間差[9]。本文中超聲傳播時間差采用互相關函數來計算，其實現原理如圖4所示。將兩路信號a1(t)和a2(t)進行傅里葉變換，變換后在頻域相乘，再將相乘后的信號進行傅里葉逆變換成時域信號。時域信號中幅值最大點對應的時間即為兩路信號a1(t)和a2(t)的時間差。具體實現過程如圖4所示。

圖4 相關器的實現原理Fig.4 Structure diagram of correlator

1.3 聲阻抗測量

由式(3)得，不銹鋼的聲阻抗為已知值，只需求出不銹鋼和油料界面2的反射系數，即可計算出油料的聲阻抗。本文采用超聲波在不銹鋼內的多次反射回波來計算反射系數。由式(3)油料的聲阻抗可表示為

為了準確獲得反射系數R，應避免超聲波在不銹鋼內多次傳播造成的衰減。所以，不銹鋼寬度L3應小于測量池寬度L2，本文中L2取20 mm，L3取9 mm。對第m個和第n個回波，其幅值可分別表示為[10]

其中，A0表示不銹鋼中起始聲波的幅值，αP為不銹鋼的聲衰減系數。將各次回波的幅值取對數后作為因變量與回波次數做線性擬合，得此擬合直線的斜率K。將式(7)和式(8)取對數后相減并經整理，即可得到前述擬合直線的斜率K為

如以純水作為參照，并記由純水實驗得到的擬合直線斜率為Kw，由式(9)可得

其中，Rw是不銹鋼與純水界面的反射系數，根據純水和不銹鋼的已知參數(聲阻抗)，再根據式(10)，就可以確定Rw，因此油料的聲反射系數可以表示為

式(11)表明，測出油料斜率K和純水斜率Kw便可求出油料的反射系數R。再根據式(6)便可以求出油料的聲阻抗[11]。

超聲波在不銹鋼和油料界面2處的多次回波信號如圖5所示。可以清楚地看到7次回波信號，并且各回波信號的幅值是逐漸減小的，選取前7個回波信號，對每個回波信號進行快速傅里葉變換，取探頭中心頻率下的幅值代入式(9)中。圖6為回波次數與回波幅值對數值關系圖，從圖中可以看出擬合曲線的相關系數R2=0.998，表明多次回波擬合有利于減小隨機誤差。

圖5 界面2處超聲多次回波信號Fig.5 Ultrasonic echo signals at two interfaces amplitude

圖6 回波次數與回波幅值對數值關系Fig.6 Logarithmic relationship diagram of echo number and echo

2 數據處理與分析

選取來自不同廠家的8種油料作為實驗樣品，其中0#柴油4種，3#噴氣燃料2種，90#汽油2種。實驗研究了6種油料在不同溫度下的聲速變化規律，溫度范圍為15?C～60?C，溫度測量間隔為5?C，對同一油料在每個溫度下重復測量5次后取平均值作為實驗結果。實驗結果如圖7所示，圖中4號、5號為90#汽油，1號、6號為3#噴氣燃料，2號、3號為0#柴油。由圖7可知不同牌號油料隨溫度的升高，其聲速近似線性下降；在同一溫度下柴油的聲速大于噴氣燃料和汽油。

圖7 不同溫度下油料的聲速曲線Fig.7 Sound velocity curve of oil at different temperatures

表1給出了20?C條件下，中心頻率5 MHz探頭的實驗測量結果。純水聲阻抗取1.478 kg·m?2·s?1，每次實驗均重復測量5次后取平均值。由實驗結果可知，測量最大誤為1.2%；0#柴油的測量結果比90#汽油和3#噴氣燃料準確度高，可能是由于不同牌號的物質組成成分不同；隨著油料密度的增加，其聲速和聲阻抗相應的增大。在測量過程中發現，溫度對聲阻抗和聲速的測量結果有明顯的影響。在式(2)中，把不銹鋼聲阻抗看成特定溫度下的常數，但是當溫度變化時不銹鋼聲阻抗也相應的改變，給測量結果帶來了不確定的影響，所以測量過程中應減小測量單元溫度的變化。8種不同密度的油料的超聲測量結果如圖8所示，由圖可知超聲密度測量結果與參考密度直線吻合較好，密度測量達到了較高的精度。

表1 不同密度的油料測量結果Table 1 Oil measurement results of different density

圖8 超聲測量結果與密度計結果比較Fig.8 Comparison of ultrasonic measurement results with densitometer results

3 結論

本文利用超聲波在不銹鋼內的多次反射回波計算出油料的聲阻抗，并以超聲波在聚苯乙烯和油料中傳播的回波計算出油料的聲速，通過對油料聲阻抗和聲速的測量計算出油料的密度。采用5 MHz的超聲探頭測量8種油料的聲速和聲阻抗，測量結果表明油料的聲速隨溫度的增加近似線性的下降，密度測量結果最大誤差為1.2%，該方法可用于測量油料的密度。該方法能夠同時測量油料的聲阻抗和聲速，測量不同類別的液體時不需要重新標定，具有結構簡單、在線實時、快速準確及非侵入式測量的特點，還可以動態監測油料的密度。