乳化液濃度在線測量系統(tǒng)冷軋線上的應(yīng)用

裴 云，楊先發(fā)

（武漢鋼鐵股份公司設(shè)備管理部，湖北 武漢 430083）

一、引言

乳化液是油和水按一定的比例混均后的混合物。在帶鋼冷軋過程中，乳化液對軋輥和軋制鋼板起冷卻和潤滑作用。乳化液濃度值是乳化液的一項(xiàng)重要理化指標(biāo)，其大小變化直接影響軋鋼的效果。如果濃度值偏低，軋輥及鋼板潤滑性差，支撐輥軸承容易燒損，軋制后的鋼板易生銹，繼而影響鋼板的表面質(zhì)量。如果乳化液濃度長期保持在較高的值，雖然對軋制鋼板和軋機(jī)軋輥、軸承有利，但造成軋制油的大量浪費(fèi)，從而導(dǎo)致噸鋼生產(chǎn)成本大幅上升。因此，測量并控制乳化液濃度在目標(biāo)值范圍內(nèi)對保證鋼帶質(zhì)量、節(jié)約生產(chǎn)成本具有重要意義。

本項(xiàng)目對原德國乳化液濃度測量系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造，使其綜合性能得到了提升。

二、工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成

乳化液的濃度測量方法通常有PH值法、光透法、比重法和超聲波檢測法，濃度在線測量中廣泛采用超聲波測量方法。超聲波檢測法又可根據(jù)檢測信號的方式分為幅值法和聲速法。該系統(tǒng)是以超聲波聲速法為測量手段，以系統(tǒng)集成的方式構(gòu)建起來的。

1.聲速法測量濃度原理

用超聲波聲速方法測量液體濃度已廣泛應(yīng)用于眾多的工業(yè)領(lǐng)域，其基本測量原理是利用超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同，從而建立濃度和聲速之間的相關(guān)關(guān)系。

在均勻的理想流體中聲波的線性波動方程可表示為

式中：p——聲壓；

t——時間；

x——質(zhì)點(diǎn)在聲場的位移。

由于超聲波在傳遞過程中除了與介質(zhì)有關(guān)外，還與溫度有關(guān)，通過實(shí)驗(yàn)可知乳化液的濃度是溫度和聲速的函數(shù)，且具有一一對應(yīng)的關(guān)系，三者的關(guān)系可寫成

式中：N——乳化液濃度；

v——超聲波在乳化液中的聲速；

T——乳化液溫度。

因此只要測得溫度和聲速，代入上式即可求得乳化液濃度。根據(jù)超聲傳感器的布置不同，可以分為單探頭的反射測速和雙探頭的穿透測速法，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

測量聲波經(jīng)過定聲程的測量管段l的時間為t。則測量聲波的速度可以表達(dá)為v＝l/t（穿透法）或者v＝2l/t（發(fā)射法），對于既定的測量管段，長度l是固定的，因此聲速的改變就直接反應(yīng)在時間t，即聲時上。因此公式2改寫為

對于給定的測量管段和換能器，只要能夠得到上述關(guān)系式，就能夠根據(jù)聲時和溫度求得濃度。

2.系統(tǒng)組成

根據(jù)測量原理可知，濃度除了和聲時有關(guān)外，還和乳化液的溫度有關(guān)，因此為了保證測量的精度，在測量時需要保證介質(zhì)的溫度處于恒定。整個測量系統(tǒng)是以超聲波測量裝置為核心，由其他輔助裝置共同構(gòu)成的一個復(fù)雜系統(tǒng)。輔助裝置的作用是給超聲測量提供一個的穩(wěn)定的測量條件。系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

超聲測量裝置是整個系統(tǒng)的核心，該裝置使用反射法測得聲波在測量管段中傳播所經(jīng)過的時間，并將測量結(jié)果通過通信單元傳給工控機(jī)。

由于聲速除了和被測乳化液濃度有關(guān)外，還和介質(zhì)的溫度、測量管段介質(zhì)的流速以及聲程中其他介質(zhì)的含量有關(guān)，為了保證測量結(jié)果的可靠性和精度，必須保證測量條件的穩(wěn)定性。因此除了超聲波測量單元外系統(tǒng)還需增加其他輔助裝置。

溫度調(diào)節(jié)裝置是用來調(diào)節(jié)被測介質(zhì)的溫度，使其控制在標(biāo)定狀態(tài)下的介質(zhì)溫度點(diǎn)上下。這樣就可以避免由于溫度引起測量結(jié)果的波動。溫度調(diào)節(jié)裝置包括介質(zhì)溫度調(diào)節(jié)裝置和環(huán)境溫度調(diào)節(jié)裝置。介質(zhì)溫度調(diào)節(jié)裝置是將高溫介質(zhì)流經(jīng)調(diào)節(jié)裝置的熱交換器并控制器熱交換量，使其介質(zhì)出口溫度控制在指定的溫度。環(huán)境溫度調(diào)節(jié)裝置是調(diào)節(jié)控制柜的環(huán)境溫度，防止由于介質(zhì)調(diào)節(jié)裝置的散熱，導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)部溫度過高而使各測量控制部件工作不正常。

由于測量管段中介質(zhì)流過后會有少量雜質(zhì)吸附在測量探頭、釜壁和沉淀在釜底，時間長了會嚴(yán)重影響測量結(jié)果，因此必須定期進(jìn)行維護(hù)清掃。由于維護(hù)工作比較頻繁，因此設(shè)計采用自動清掃的方式。通過工控機(jī)的DIO板，使用軟件控制氣路電磁閥，接通氣泵完成清掃工作。定期排空測量釜中的介質(zhì)。這些都由軟件控制各種電磁閥、氣動閥來協(xié)調(diào)完成。

此外，測量管段的流量以控制測量是在規(guī)定的流速范圍內(nèi)完成。在測量管段中還通過溫度變送器測量溫度，以保證測量的介質(zhì)溫度是在指定的溫度下完成。如果測量的條件不能滿足要求，則要進(jìn)行報警，提示用戶檢查溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和進(jìn)流泵是否存在故障。

三、測控軟件設(shè)計

在原系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)上，根據(jù)超聲測量原理重新設(shè)計了測控軟件。測控軟件是基于NI公司的Labview軟件平臺開發(fā)，具有友好的中文圖形化界面。

測控軟件主要由數(shù)據(jù)采集和控制輸出以及人機(jī)界面組成。數(shù)據(jù)采集包括超聲測量的聲時數(shù)據(jù)采集、介質(zhì)溫度數(shù)據(jù)采集和流量數(shù)據(jù)采集。控制輸出包括對清洗氣動馬達(dá)和汽缸的控制、排空閥和進(jìn)流閥的控制等。控制軟件的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)框圖

四、溫度補(bǔ)償算法研究

雖然系統(tǒng)使用介質(zhì)溫度調(diào)節(jié)裝置使被測乳化液的溫度保持相對穩(wěn)定，但由于實(shí)際輸入乳化液的溫度變化較大，當(dāng)超出溫度調(diào)節(jié)能力或調(diào)節(jié)裝置失效時，乳化液的溫度就出現(xiàn)波動。為了提高測量精度，利用已有的測溫信息，測量軟件增加了溫度補(bǔ)償功能。圖4是實(shí)驗(yàn)測得不同溫度下，不同乳化液的濃度—聲時曲線。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，溫度對濃度測量值的影響基本上是呈線性關(guān)系。因此可以利用以下算法來進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

首先標(biāo)定兩條溫度曲線T1和T2，同一個聲時測量值tu對應(yīng)溫度T1濃度測量值為N1，對應(yīng)溫度T2的濃度測量值為N2，則在溫度為Ti的條件下，經(jīng)過溫度補(bǔ)償后的濃度值為

圖4 不同溫度下的聲時—濃度曲線

將系統(tǒng)標(biāo)定得到的溫度曲線保存在電腦中，在實(shí)時測量時根據(jù)測量的聲時和溫度，利用上述補(bǔ)償模型即可實(shí)現(xiàn)溫度的補(bǔ)償。

五、結(jié)論

通過技術(shù)改造，重新開發(fā)了系統(tǒng)的測控軟件，擯棄了原有的德文系統(tǒng)和操作界面，并通過實(shí)驗(yàn)研究新增了溫度補(bǔ)償算法，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性，提高的系統(tǒng)綜合性能。新系統(tǒng)的投入使用可以保證平整乳化液良好的潤滑和冷卻性能的基礎(chǔ)上，減少軋制油的浪費(fèi)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。