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第 37 卷 第 6 期 夏多兵等： 非侵入式超声波浆料浓度测量技术研究 847

根据上述实验数据，拟合出特定粒径范围内体
积百分浓度与衰减值的函数，即

2
Vol = −14.21α + 35.76α + 1.79, (4)
式(4)中，Vol表示浆料的体积百分浓度，α表示声衰
减值。将该浓度求解方程编入特定程序中，对已知
粒径的浆料可以直接开展测量，而对未知粒径的浆
料需要选取特定的浆料浓度及对应衰减值进行校
准，从而有效测量浆料浓度。

图 9 测量段
5 现场实时测量
Fig. 9 Measurement section
为验证浓度求解方程的准确性，在图 8 所示某
方便安装，换能器采用螺纹固定，管段采用螺栓连
公司循环流动设备上对粒径为 10 µm、74 µm 的石
接；自主设计、编写程序的集成电路板，集超声信号
英砂浆料进行实时在线测量。实测过程中，搅拌箱
发射、接收、分析、显示为一体，可实时显示测量浓
内搅拌器保持常速旋转，对颗粒进行有效分散。同
度。由于该设备不同测量段的浆料浓度可能与实际
时为减轻流动/扰动的流体对超声波传播的动态影
混合的浆料浓度有一定偏差，因此在测量管附近采
响，测量段采用与实验室分析完全一致的尺寸和结
用取样法进行验证，可有效减少由测量位置的特殊
构，其安装在竖直管道的中部尽量避免距离弯管过
性而引起的误差。取样法首先对取出的样品进行称
近而产生流动状态不稳定的影响；浆料流动方向是
重，静置沉淀 12 h 后倒去上层清水，然后把沉淀物
自下而上的，保证了测量段内浆料充盈，没有夹杂空
送进马弗炉内干燥处理，再次称重后计算体积百分
气；通过将流速控制在一定范围内，在水平段的观测
浓度。对测量值以及取样值进行平均后计算偏差，
窗中未发现明显的气泡或者扰流，测量段浆料处于
对比实验结果如表2、表3 所示。
相对稳定的流动状态。实测中以3%为间隔，根据初
表 2 和 表 3 中 分 别 对 比 了 粒 径 为 10 µm 和
始水量计算并添加各个浓度对应的物料质量，依次
提高浆料浓度。通过红外测温仪间断测量浆料温度， 74 µm 石英砂浆料的混合值、测量值和取样值，
发现温度在 30 C∼35 C内波动，根据式 (3) 计算的
◦
◦
超声衰减值为 0.0148∼0.0178 dB/cm，相对浓度变 表 2 10 µm 石英砂浆料结果对比
化造成的衰减影响可忽略不计。为在实际工程中得 Table 2 The results comparison of 10 µm
到良好应用，对测量装置做了改进，如图 9 所示。测 quartz sand slurry
量装置只需外接 24 V 交流电源即可正常工作，为
混合值/% 3.00 6.00 9.00 12.00 15.00 18.00 21.00
1
测量值/% 2.98 6.12 9.24 11.87 14.95 18.13 20.89
2 取样值/% 3.06 5.97 8.96 12.05 15.11 17.98 21.21
偏差/% 2.68 2.45 3.03 1.85 1.07 0.82 1.53
3
4
5
6 表 3 74 µm 石英砂浆料结果对比
Table 3 The results comparison of 74 µm
7
8
quartz sand slurry
9
混合值/% 3.00 6.00 9.00 12.00 15.00 18.00 21.00
1. ଵત٨ 2. ଵતኸ 3. ႃ᡹नТ 4. ԫᮠ٨ 5. ࠛएᝠ
6. ฾᧚඀ 7. ื᧚ᝠ 8. ԩನ԰ 9. ᇓҧด 测量值/% 3.05 6.14 8.95 12.21 15.13 17.89 21.17
取样值/% 2.97 5.94 9.03 12.13 15.04 18.12 20.88
图 8 循环装置
Fig. 8 Circulating device 偏差/% 2.62 3.25 0.89 0.66 0.59 1.28 1.18