声速式乳化液浓度计仿真研究

　　1　引言

　　乳化液质量分数是指油在表面活性剂的作用下以极其微小的颗粒分散在水中的质量分数。如果质量分数过低,则乳化液润滑性能不良,支撑辊轴承易烧损,且轧制的钢带易生锈;而乳化液质量分数过高,势必造成轧制油的浪费,使成本增加且油的冷却效果有所下降。已有的离线测量法滞后很大,不能满足生产要求,因此实时检测与控制乳化液质量分数有重要意义。

　　2　超声波传播速度模型的建立

　　一般液体不具有剪切弹性,因而其中传播的超声波仅能在与波传播方向相一致的质点的振动方向上传播,即只能传播纵波。设超声波的传播是一个绝热过程,那么声速为

　　当液体温度变化时,声波传播速度也会改变,一般除水以外,声速随温度的升高而减小。在压力增加时,声速近似地按直线规律增加,但在测量乳化液质量分数时,液体压力变化很小,所以压力带来的声速变化可不考虑。

　　当液体是某电解质的水溶液时,超声波在其中的传播速度仍然如式(1)所示,并且溶液的可压缩性系数服从式(2)的规律。

　　假设溶解后溶液体积为溶剂和溶质体积之和,那么溶液质量分数为

　　由于所测乳化液质量分数通常为3%~10%,同时在基础油中加入了各种添加剂,这样在油的质量分数较低及油中各种添加剂作用下,油可以和水充分混合形成溶液。如果在温度t时,水和油的密度和绝热压缩系数分别为,那么乳化液的绝热压缩系为.那么,利用式(3)即可求出在温度t和质量分数N时乳化液中的超声波声速.

　　3　模型的求解结果及分析

　　根据以上模型,仿真计算出温度从20~65℃和质量分数从0~11%变化时,乳化液中的超声波传播速度.所得关于温度t和质量分数N的关系曲线如图1和图2所示,具体的温度t、质量分数N的变化对声速v的影响见表1。表1中,

　　从分析结果可知:低温时温度每变化1℃比高温时温度每变化1℃引起的声速变化要大;高温时1%的质量分数变化比低温时1%质量分数变化引起的声速变化要大。所以升高乳化液的温度t可以提高声速法测量精度。

　　4　乳化液中含杂质时的超声波声速仿真

　　乳化液中所含杂质一般是直径为1~2μm的铁粉,质量分数为(70~100)×,并且铁粉是以颗粒形状在溶液中呈悬浮状态,那么铁粉仅仅相当于一种机械性粉碎了的刚性颗粒存于乳化液中。在这种情况下声速是与该介质中没有这类颗粒时相同的,它仅仅影响声波的散射(吸收)。

　　当超声波发射和接收探头间距离为0·5 m时,用式(4)可以求解出不同铁粉颗粒直径、颗粒质量分数时造成的超声波幅度衰减率,结果如表2所示。