基于Dasylab的乳化液濃度測(cè)量系統(tǒng)

王祥力，王利恒，李聯(lián)中

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)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(chǎn)及其加工行業(yè)，特別是冷軋工藝中，乳化液主要起冷卻和潤(rùn)滑的作用，濃度過(guò)高則勢(shì)必導(dǎo)致軋制油的浪費(fèi)，且增加廢液處理成本；濃度過(guò)低則起不到潤(rùn)滑作用，生產(chǎn)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(zhǔn)確測(cè)量乳化液的濃度，將其控制在一定的范圍之內(nèi)[1]。

超聲波是頻率高于2 kHz的聲波，它方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，因而被廣泛用于測(cè)厚、測(cè)距、測(cè)速、遙控和成像技術(shù)等。工業(yè)中所用的乳化液一般是水基乳化型軋制液，這種液體介質(zhì)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(hù)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(guān)的數(shù)學(xué)模型[2]。

1 工作原理與系統(tǒng)組成

1.1 工作原理

本測(cè)量系統(tǒng)是利用超聲波測(cè)速法來(lái)間接測(cè)量乳化液的濃度，超聲測(cè)速法就是根據(jù)超聲波在不同濃度的液體介質(zhì)中傳播的速度不同，進(jìn)而得出超聲波速度與液體濃度的關(guān)系，故我們最后直接利用超聲波在液體中傳播的時(shí)間，以下簡(jiǎn)稱聲時(shí)，來(lái)推算液體介質(zhì)的濃度。而超聲測(cè)速法又可分為單探頭反射法和雙探頭穿透法，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聲速測(cè)量法Fig.1 Measurement method of sound velocity

本測(cè)量系統(tǒng)采用脈沖反射法，其測(cè)量原理是從換能器發(fā)射超聲波，經(jīng)過(guò)測(cè)量管段后遇到地底后發(fā)射至換能器接收，根據(jù)聲時(shí)我們即可得出超聲波在測(cè)量介質(zhì)中傳播的速度，加之超聲波在液體介質(zhì)中傳播的速度-濃度和溫度的數(shù)學(xué)模型，我們最終可得出聲時(shí)-濃度-溫度之間的關(guān)系式，根據(jù)測(cè)量的聲時(shí)和溫度推算出乳化液的濃度。

1.2 系統(tǒng)組成

依據(jù)超聲波測(cè)乳化液濃度的測(cè)量原理，除了被測(cè)介質(zhì)濃度影響超聲波的傳播速度外，還與被測(cè)介質(zhì)的溫度有關(guān)，故為了提高測(cè)量的精度，在測(cè)量時(shí)盡可能確保乳化液的溫度不變。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以超聲波探傷儀USD 15與上位機(jī)軟件的DDE通信為系統(tǒng)的核心，由工控機(jī)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(cè)量反應(yīng)裝置等構(gòu)成。系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖Fig.2 The block diagram of system composition

整個(gè)測(cè)量任務(wù)都在測(cè)量釜中進(jìn)行，超聲波的探頭發(fā)出超聲波，在測(cè)量釜中經(jīng)過(guò)介質(zhì)到達(dá)底面后反射回來(lái)，又被探頭所接收，這一個(gè)來(lái)回傳播的時(shí)間就被稱為聲時(shí)，通過(guò)DDE通信傳回上位機(jī)處理。由圖2可知本測(cè)量系統(tǒng)主要包括控制部分、測(cè)量部分組成，而測(cè)量部分主要包括超聲測(cè)量裝置、溫度調(diào)節(jié)裝置以及樣液提取裝置。

超聲測(cè)量裝置：超聲測(cè)量主要采用德國(guó)進(jìn)口的超聲波探傷儀USD 15來(lái)完成聲時(shí)的測(cè)量，采用脈沖反射法，其探頭安裝在測(cè)量釜中，當(dāng)樣液充滿測(cè)量釜時(shí)，超聲波探傷儀便可讀出對(duì)應(yīng)的聲時(shí)數(shù)據(jù)。

溫度調(diào)節(jié)裝置：溫度調(diào)節(jié)裝置的任務(wù)就是為測(cè)量提供恒定的溫度條件，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中單獨(dú)考慮濃度對(duì)聲時(shí)的影響時(shí)，通常將介質(zhì)的溫度控制在給定的溫度點(diǎn)上下，以此來(lái)減少溫度對(duì)聲時(shí)測(cè)量的影響，再單獨(dú)考慮溫度的影響時(shí)，通過(guò)溫度調(diào)節(jié)裝置來(lái)得到不同的溫度條件，進(jìn)而得到溫度對(duì)聲時(shí)的曲線。溫度調(diào)節(jié)主要采用可調(diào)節(jié)溫度的恒溫控制箱完成，當(dāng)介質(zhì)的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)停止加溫（加溫指示燈熄滅）；當(dāng)介質(zhì)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)自動(dòng)加溫（加溫指示燈亮）。

樣液提取裝置：樣液提取裝置負(fù)責(zé)測(cè)量釜內(nèi)壁的清掃及樣液的抽取工作，程序開(kāi)始時(shí)控制動(dòng)樣液提取裝置完成清掃和提液的動(dòng)作，為后續(xù)測(cè)量做好準(zhǔn)備。

2 基于Dasylab的測(cè)控軟件設(shè)計(jì)

乳化液測(cè)控軟件是基于NI公司的DasyLab軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，它采用圖形化編程環(huán)境，通過(guò)連接函數(shù)圖標(biāo)來(lái)完成數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)、分析、統(tǒng)計(jì)、運(yùn)算、控制、觸發(fā)等各種功能，控制程序可以實(shí)現(xiàn)濃度的在線測(cè)量、報(bào)警和數(shù)據(jù)記錄，具有良好的人機(jī)交互中文圖形化界面[5]。

測(cè)控軟件主要由工控機(jī)部分的采集、控制程序和超聲波測(cè)量裝置的通信程序以及溫度調(diào)節(jié)裝置的控制程序。采集數(shù)據(jù)主要由研華多功能數(shù)據(jù)采集卡PCL-818L及相應(yīng)的溫度傳感器來(lái)完成，控制動(dòng)作由研華板卡PCL-725控制氣動(dòng)電磁閥完成，控制氣動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)清掃和上下動(dòng)作來(lái)抽取和排除樣液。控制軟件的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Software structure diagram

系統(tǒng)的主要工作過(guò)程如下：開(kāi)機(jī)啟動(dòng)，先利用上位機(jī)和USD 15的DDE通訊對(duì)USD 15進(jìn)行初始化，再啟動(dòng)Dasylab測(cè)控軟件，通過(guò)研華開(kāi)關(guān)量控制輸出板卡PCL725輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)控制電磁閥完成清掃、除液等操作，然后數(shù)據(jù)采集板卡PCL818L讀取溫度和流量數(shù)據(jù)，同時(shí)Dasylab與USD 15的DDE通信模塊獲取乳化液的聲時(shí)，最后利用Dasylab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理功能完成乳化液濃度計(jì)算及報(bào)警顯示功能[6-7]。

3 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及溫度補(bǔ)償

根據(jù)聲學(xué)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(shù)，而液體的彈性模量又與液體的溫度T和壓力P有關(guān)；在假設(shè)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(zhuǎn)換關(guān)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）?？紤]乳化液的壓力變化很小，而且壓力對(duì)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(shù)學(xué)模型，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得大量溫度、濃度和聲時(shí)之間的關(guān)系式，利用二維插值的方法得出濃度的計(jì)算式[1]。

由于在實(shí)驗(yàn)條件下，我們恒溫箱的溫度一般設(shè)定在40℃左右，故我們只需先測(cè)定T＝40℃時(shí)的3組不同濃度對(duì)應(yīng)的聲時(shí)數(shù)據(jù)，然后利用一維插值算法求出聲時(shí)和濃度之間的關(guān)系，再固定濃度，求出聲時(shí)和溫度之間的關(guān)系，最后綜合可得二維插值表達(dá)式[4]。

在T＝40℃的條件下測(cè)出3組濃度數(shù)據(jù)n1＝1%、n2＝3%、n3＝5%對(duì)應(yīng)的聲時(shí)t1、t2、t3，由拉格朗日插值可得

再使?jié)舛裙潭?，測(cè)量同一濃度在不同溫度下的聲時(shí)。濃度我們?cè)O(shè)定為n＝1%，測(cè)量T1＝20℃、T2＝30℃、T3＝40℃、T4＝50℃、T5＝60℃對(duì)應(yīng)的聲時(shí)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(shí)模型中，我們先可以方便的得出對(duì)于一定的乳化液濃度N，測(cè)量并記錄不同溫度T和對(duì)應(yīng)的聲時(shí)t如下：

式中：0≤i≤10；20≤Tj≤40，j＝0，1，…，m（m為實(shí)驗(yàn)記錄的溫度聲時(shí)的個(gè)數(shù)）

下面對(duì)于上述記錄的m組數(shù)據(jù)采用三次曲線擬合的方法得出

結(jié)合武鋼二冷軋乳化液的實(shí)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(jìn)行試驗(yàn)，得到10條聲時(shí)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(duì)應(yīng)的聲時(shí)值。在濃度為n%、溫度為T(mén)時(shí)，由于[T]≤T≤[T]+1（[T]表示不大于T的最大整數(shù)，下同），先利用線性插值法計(jì)算與10條曲線的交點(diǎn)得出其聲時(shí)值ti（T）＝ti（[T]）+[ti（[T]+1）－ti（[T]）]·（T－[T]），其中0≤i≤10，對(duì)于聲時(shí)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(jì)算式：

下面是在實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得的聲時(shí)－溫度－濃度對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如圖4所示。

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

4 實(shí)驗(yàn)研究及誤差分析

由于本試驗(yàn)中不考慮壓力對(duì)乳化液濃度的影響，而溫度變化就是干擾濃度測(cè)量的唯一因素，在上述數(shù)學(xué)模型中我們采用二維插值來(lái)計(jì)算溫度對(duì)乳化液濃度的補(bǔ)償。抽取一定的樣品，一部分用本系統(tǒng)測(cè)量，另一部分用送至樣品鑒定室標(biāo)準(zhǔn)分析儀測(cè)定，比較兩部分結(jié)果，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)分析對(duì)比%Tab.1 Data analysis contrast%

從表1中可知本系統(tǒng)測(cè)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(shè)本系統(tǒng)中濃度、溫度、聲時(shí)的測(cè)量誤差分別為σn，σT，σt，依據(jù)間接系統(tǒng)誤差傳遞理論，有以下公式：

由此可見(jiàn)乳化液濃度的測(cè)量誤差是非線性的，主要由聲時(shí)、溫度的測(cè)量誤差引起，因此為了減小濃度測(cè)量誤差，必須合理控制聲時(shí)的測(cè)量精度，對(duì)溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償，盡可能減小非線性差值計(jì)算的截?cái)嗾`差。

5 結(jié) 論

該系統(tǒng)使用超聲測(cè)速法測(cè)量乳化液濃度，通過(guò)對(duì)乳化液濃度－聲時(shí)－溫度數(shù)學(xué)模型的重新建立，在Dasylab下開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)的測(cè)控軟件，對(duì)乳化液的溫度和濃度達(dá)到了在線監(jiān)測(cè)的目的，為冷軋鋼產(chǎn)品質(zhì)量提供了可靠保證。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵在于USD 15與上位機(jī)之間的DDE通信程序及返回的聲時(shí)數(shù)據(jù)的測(cè)量精度，因此我們應(yīng)該定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，盡可能減小被測(cè)乳化液的雜質(zhì)，重點(diǎn)調(diào)試基于串口的DDE通信程序，使其穩(wěn)定正常。

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