微机化的超声液体浓度在线检测仪

　　1　引言

　　在化工、医药、粮油等生产中,有大量液态的原料、中间产物及最后产品,目前多是间隙取样,以化学滴定法或电解法作浓度分析,使操作者不了解生产的全过程,而有时在生产流程处于非正常状态将造成突发事故也不得而知,若将所得的信息实时保存及实时反馈,以使生产达最佳状态,对产品质量跟踪,提高产品质量,降低生产成本及劳动强度等有重要作用。

　　溶液的浓度与其许多物理量都有相互关系,如比重、电导率、折射率、声速等,而超声波具有耐恶劣环境,无污染,可连续遥测等优点,国内外已开始渗入到化工、医药、粮油等在线检测的若干领域[1],利用超声波在溶液中速度与浓度的相互关系,通过声时测量去推算浓度,具有非接触、实时、快速、精确、易于实现自动控制等优点[2]。

　　2　检测原理

　　各种纯液体的声速绝大多数是不同的,当两种液体混合在一起时,混合液浓度变化其声速也往往会随之变化。由文献[3]可知声波在液体中传播的平面波波动方程为:(声波沿x方向传播)

　　式中：

　　C²=1/(kρ)

　　x——传播距离

　　u(x,t)——声压

　　t——时间

　　C——声波波速

　　k——液体的绝热压缩系数

　　ρ——液体密度

　　由文献[4]可知,绝热压缩系数变化为10-6数量级,在常大气压下,其值受温度影响甚小,几乎可以忽略,但温度对密度的变化而导致声速的变化则不可忽略,通常每度将引起千分之几的声速变化[5]。实验表明,当温度一定时,声速是浓度的单调函数,当浓度一定时,声速又是温度的单调函数。当声程(L)一定时,超声波在液体中传播的声时为S=L/C,由文献[5][6]数据及实验表明,当浓度一定时密度Q(t)是温度的非线性函数,可表示为:

　　将(1)(2)式代入S=L/C利用泰勒公式进行多项式展开可得:

　　式中，a b c d e为多项式系数，多项式所取项数越多其声时精度越高,实验表明,当精确到t4项时,已达到实测要求的足够精度,因为事实上由于仪器的测声时精度为0.5ns,而et4项精度达到0.5ns,因此多项式中比t4项更高项可略去不记,图1、2分别为H2O2和C2H5OH声时与不同浓度下的温度关系曲线。由图可知二元液体声时与温度关系曲线在不同浓度下并不相交,这就为利用声时测浓度提供了可能。同时,不同种溶液其声时(或声速)与温度关系曲线一般都不相同,由于混合溶液的声速与浓度、声速与温度均成非线性关系,普通电路很难进行较好的温度修正,因此宜采用下位机由单片机控制超声波的发射、接收及声时的采集,并将声时传送到上位机计算机进行数据图形处理。利用计算机在实验室对每种液体建立若干条不同浓度溶液的声速与温度关系曲线,然后采用最小二乘法拟合多项式,将多项式系数以文件形式存入计算机代替原始曲线,仪器在实测过程中,将采集到的温度、声时送入计算机,再由计算机同已建立的曲线进行比较,搜寻出最接近的两条曲线,根据这两条曲线的浓度,用内插法计算出即刻浓度。实验表明用二次多项式拟合能十分精确地代表实测液体的声时与温度关系曲线,由式(3)也可得此结论。