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844 2018 年 11 月

测量的衰减信号可以得到相应的浆料体积百分浓
1 引言
度 [11] 。
浆料广泛存在于工业中的各个领域，其浓度高 超声衰减定义为
低会影响相关医药产品质量、食品保质期、能源利 1 P
α = − ln , (1)
用效率以及装置使用寿命等，高效、精准地测量管 L P 0
内的浆料浓度是现代工程应用中必不可少的环节。 式(1) 中，P 0 表示初始声压，P 表示传播了距离 L 后
目前已有较多方法得到发展和应用，如动态光散射 的声压。根据声电转换关系，声压与换能器测量浆
法 [1] 、多波长消光法 [2] 和图像法 [3−6] 等，但是上 料和水中电信号幅值V 、幅值V 0 成比例，则有
述方法都存在着不足，即对于高浓度浆料不宜直接 1 V
α = − ln . (2)
测量而需要预先稀释，且很多情况下不恰当的稀释 L V 0
过程会额外引入误差或使得待测样品缺乏代表性。 已有研究表明超声衰减与浆料的颗粒浓度、粒
由于超声波穿透性较强，利用超声法对浓度相对较 径以及温度相关，而超声波实时在线测量可以作为
高 [7] 的浆料进行测量较为合适。 优先手段以降低取样法测量浆料浓度的依赖性 [12] 。
超声法浓度测量广泛用于矿浆、煤浆、灰浆、纸 对于一定温度下给定粒径的浆料，在测量过程中保
浆、污泥、泥沙等各种工业浆料浓度 [8] 。常见的测量 持颗粒形态不变、分散均匀，且在测量段为稳定的
方式为侵入式，即对浆料运输管道进行切割和焊接， 流动状态，则声衰减的变化主要受浓度的影响，可以
将换能器置于管内进行固定和密封处理，安装步骤 通过实验方法，实验数据分析并总结出工程上适用
复杂，安全可靠性低。而非侵入式在管内测量超声
的经验公式，具有针对性强、易操作的优势。
波透射信号时，可以有效避免流动浆料对换能器的
磨损，无需定期更换换能器，同时无孔壁面也保证了
3 实验装置与过程
生产的安全性。目前已有一些研究从实验角度研究
透射/反射声信号与被测介质特性，如中国科学院 3.1 实验装置
张叔英等 [9] 对高浓度悬浮泥沙进行了声学信号观 实验装置主要由一对中心频率为 200 kHz 的
测，纪晓明等 [10] 通过选取合适的缓冲层材料 (即恰 超声换能器、NI-5133 信号采集卡、有机玻璃圆管、
当的阻抗差) 获得了信噪比较好的反射声信号。为
CH1006 超级恒温槽、电子天平、搅拌器、超声讯
此，本文研究一种基于非侵入式超声衰减法测量石
号信号发生器和计算机组成，如图 1 所示。实验中
英砂浆料浓度的方法，并与取样法进行对比。
采用 OLYMPUS 5077 型讯号发生器用以激励超声
换能器，其最大发射功率为 500 mW，其功率等级
2 超声测量原理
相比于常规超声波处理设备 (功率可至 100 W 甚至
当超声透射信号通过浆料时，超声波和颗粒的 1000 W) 较低，对被测对象本身影响也相对较小，基
相互作用会使透射的信号强度减弱。通过分析在线 本不会改变颗粒形态。

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图 1 装置示意图
Fig. 1 Device schematic diagram