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第 38 卷 第 3 期 周胜友等： 超声波多次回波反射法测量油料密度技术研究 393

Z s (1 + R)
0 引言 ρ = c (1 − R) , (3)
其中，R 表示分界面2 处超声波反射系数，Z l 表示油
密度是油料重要的理化指标之一，密度的准确
料的声阻抗，Z s 表示不锈钢的声阻抗。R 越大表示
测量不仅与油料的生产、管道运输、雾化性能相关， 反射的声波越多，透射的声波越少。当Z l 和Z s 数值
而且在油料交易过程中，如果密度测量不准确将造
接近时，反射声波和透射声波一样多；Z s 远大于 Z l
成巨大的经济损失。油料的密度测量方法可以分为
时，大多数的声波反射回不锈钢中，并在不锈钢中
静态法和动态法 [1] ，其中静态法有比重瓶法和浮子 多次往返传播 [8] 。为了同时测量出油料的声速和声
式，动态法包括 U 形振动管法、射线法和超声波法 阻抗，既需要超声波透射过不锈钢在油料中传播后
等。静态法精度高，成本低，结构简单，但测量过程 反射回超声探头 B 用来测声速，又需要在不锈钢中
需要取样到实验室完成，容易受到人为因素的影响， 形成多次反射回波用来测声阻抗。但是在实际测量
对操作员提出了较高要求，使其应用环境受到制约。 中，不锈钢的声阻抗为 44.89 × 10 kg·m −2 ·s −1 ，油
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与静态法相比，动态法耗时短，操作方便，能够实 料的声阻抗在 1 × 10 kg·m −2 ·s −1 左右。由于不锈
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时在线检测密度随时间及温度的变化关系，其中超 钢和油料声阻抗的差异，由式(2)可知界面2 处的声
声波液体密度测量具有无损检测、快速响应、在线 波几乎全反射，透射到油料中的超声波在油料中传
实时和非侵入式等特点，与现有的密度测量方法相 播反射回超声探头 B 的回波很难检测到。因此，需
比操作简单，并能够检测高浓度和不透明液体的密 要寻找一种和油料声阻抗接近的介质用作探头的
度 [2−3] 。从测量原理上，超声波检测液体密度分为 匹配层，使超声探头 A发射的超声波透射大于反射，
声速法、声阻抗法和声衰减法 [4] 。声速法主要应用 透射波经油料传播后反射回超声探头 A。聚苯乙烯
于单一组分液体密度检测，需要预先知道密度随温 的声阻抗为1.5 × 10 kg·m −2 ·s −1 ，其声阻抗与油料
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度变化关系，测量不同类别的液体时需要重新标定 声阻抗接近，是超声探头A的匹配层的理想选择。
和建立密度随温度变化关系 [5−6] 。声衰减法测量误
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差大，在声速法和声阻抗法都不能满足应用要求的
Z ϕ s/ρ ϕ s ϕ c s Z l/ρ lc l Z s/ρ sc s
情况下使用。针对声速法和声衰减法的不足，本文 A 0
采用声阻抗法，通过同时测量油料的声速和声阻抗， ᡔ a  A 1 ᡔ
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来测量油料密度。 ଊ A m ଊ
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1 测量原理 ႍ ႍ
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1 2
L  L  L 
声阻抗法又称反射系数法，其原理是通过同时
测量液体的声阻抗和声速，进而求出液体的密度，将 图 1 油料密度测量原理
介质声学特性阻抗定义为 [7] Fig. 1 Oil density measurement principle

Z = ρc, (1) 1.1 检测系统组成
其中，Z 表示介质的声阻抗，c 表示超声波在介质中 图 2 为油料密度测量实验装置示意图，测量装
的传播速度，ρ 表示介质的密度。根据式 (1) 可以将 置主要包括 CTS-8077PR 脉冲发射接收仪、温控系
油料密度测量原理表示为如图 1 所示，当超声纵波 统、超声探头及数字示波器。测量时 CTS-8077PR
垂直入射到不锈钢和油料形成的界面 2 时，由于两 以 100 Hz 的重复频率发射脉冲激发宽频超声探头
种介质声阻抗的差异，超声波在界面 2 处发生反射 (TOFD 5 MHz 6 mm)产生超声波，将CTS-8077PR
和透射，反射和透射声波的能量由两种介质声阻抗 脉冲发射接收仪输出端的信号接到数字示波器的
的差异决定。将反射声波的大小用反射系数来表示， 输入端，超声回波信号经过数字示波器的显示、放
反射系数R 由式(2)给出 [7] 大、滤波后上传给计算机数据处理系统；温度控制
系统将检测到的油料温度上传给计算机，计算机根
Z l − Z s
R = . (2)
Z l + Z s 据预设的温度对温控系统的工作进行控制，以实现
由式(1)和式(2)可将油料密度表示为 对油料温度的精确控制，从而实现检测油料在不同