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通过测量超声波在不锈钢壁内多次反射回波信号来确定乙醇溶液的声阻抗值,测量从反射板壁面反射回来的二次回波时差来确定溶液中的声速。测得的回波信号经快速傅里叶变换(FVT)处理,得到某一特定频率下的振幅值,将这一系列振幅值在对数坐标下作数据拟合,由拟合斜率值并结合多次反射理论求得溶液的密度。运用该方法对不同浓度的乙醇溶液进行了实验研究,结果与理论配比值较为吻合。超声波多次回波反射法具有测量装置简单、非侵入式测量、可实时处理数据等优点,可用于需作在线测量的各种工业过程。
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第
24
卷第
7
期
2011
年
7
月
传感技术学报
Vo
l. 24
No.7
July 2011
CHINESE
JOURNAL
OF
SENSORS
AND
ACTUATORS
Measurement
of
the Density
of
the Ethanol Solutions Using Multiple
Reflections
of
Ultrasonic Waves *
五
4NGXu
α
n
,
SU Mingxu ,
CAI
Xiaoshu * ,
WU
Ji
α
n
( University
of
Shanghai for
Scie
时
eα
nd
Technology , Shanghai
2
∞。
93
,
China)
Abstract:
The acoustic impedance of the ethanol solution was detected hy the multiple echoes reflected from the
steel wal
l.
The velocity of sound in the solution was determined hy the time-of-flight hetween the first echo reflected
from the wall-liquid interface and the second echo which transmitted through the sample and reflected from the
opposite wal
l. The amplitude
at
a certain frequency can
he
ohtained hy the
fast
Fourier transform of
each
echo. Then
the density of the ethanol solution
can
he
calculated using the multiple reflections of ultrasonic waves though the
regress analysis of amplitude values.
Th
e density values of the ethanol solutions in different concentrations are in
good agreement with the given
values.
白lÌ
s
method using multiple reflections of ultrasonic waves has the advantages
of simple experimental devices
, non-invasive and real-time measurements , which can he developed in process control
in many industrial applications.
Key
words:
ultrasound ; multiple reflections of ultrasonic waves; acoustic impedance; density
EEACC:7320
岛'1
;
7320
Q
;7210G
doi:
10.
3969/j.
issn.
1004-1699.2011.07.001
超声波多次回波反射法测量乙醇溶液密度研究*
杨璇,苏明旭,蔡小舒\吴健
(上海理工大学颗粒与两相流测量技术研究所,上海
2
∞
093)
摘
要:通过测量超声波在不锈钢壁内多次反射回披信号来确定乙醇溶液的声阻抗值,测量从反射板壁面反射回来的二次
回波时差来确定溶液中的声速。测得的回波信号经快速傅里叶变换
(F
Ff)处理,得到某一特定频率下的振幅值,将这一系列
振幅值在对数坐标下作数据拟合,由拟合斜率值并结合多次反射理论求得溶液的密度。运用该方法对不同浓度的乙醇溶液
进行了实验研究,结果与理论配比值较为吻合。超声波多次回波反射法具有测量装置简单、非侵入式测量、可实时处理数据
等优点,可用于需作在线测量的各种工业过程。
关键词:超声;多次回波反射法;声阻抗;密度
中图分类号:创
22.4;T
K3
1
文献标识码
:A
文章编号
:1004-1699(2011)07-0937-04
对医药化工等许多行业而言,在线测量和控制产
品的密度非常重要。目前已有很多方法和仪器可以
用来测量溶液的密度,但是却很难实现在线的实时监
测和反馈。超声波具有很强的穿透性,适用于非侵人
式测量,已在在线测量溶液的密度上得到了应用
[1]O
但传统的超声测量仪器通常采用测量超声衰减值或
声速的方法,以标定的方式来确定超声衰减或声速与
密度的关系
[2]
建立起诸如
Taylor
级数展开式或者改
进的
Urick
公式等关系式
[3]
。这种声学特征量标定
1
方法的局限性在于当测量样品改变时,声学特征量与
密度的标定关系要随之改变;而且随着密度的变化,
常会出现声学特征量对密度的不敏感区域
[4];
此外当
实际测量温度与标定温度不相同时,此种测量方法将
会出现误差
[5}
限制了此方法的测量范围。
针对以上超声
i
衰减或声速标定方法的不足之
处,本文提出利用超声多次回波反射法来测量超声
波的声速和阻抗值,再根据相应的声波动理论来获
得溶液的密度。此测量方法在测量过程中不需要做
任何标定且为非接触式测量,是一种新颖的在线测
量溶液密度的方法。
项目来源:自然科学基金项目
(50706029
,
50836
∞
3
,
51076106)
;上海市科委项目(
105405010
∞)
收稿日期
:2010-12-22
修改日期
:2011-02-28
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