Page 221 - 《应用声学》2023年第4期
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第 42 卷 第 4 期 陈俊羽等： 固液悬浮体系下超声波浓度测量技术进展 883
证明了超声衰减与浆液浓度、超声波频率存在比 但安装过程繁琐复杂且工厂在安装时必须断管、停
例关系。Stolojanu 等 [12] 在实验中发现超声信号不 产。此外对于处于静止状态的浆体进行检测会破坏
同浓度下特定粒径颗粒的浆体的不同变化趋势，证 其均匀性，且探头长时间接触浆体易遭受腐蚀。插
明了声速和衰减各适用于不同浓度范围的浆体。 入式超声波浓度计装置示意图如图2(a)所示。
Greenwood 等 [25] 通过观察超声回波信号，研究了
3.1.2 夹装式超声波浓度计
不同浓度浆体声速的误差，验证了超声衰减方法的
夹装式超声波浓度计是用两个超声波换能器
准确性。Geier等 [26] 将超声波速度和超声波衰减与
将容器包夹起来，根据一端超声波换能器发射，另
酵母和麦芽糖浓度建立联系，在减少结果误差情况
一端超声波换能器接收到的回波信号分析得出所
下实现了测定酵母和麦芽糖浓度值，取代了以往用
检测浆体的浓度值。相较于插入式超声波浓度计精
密度计和光学浊度仪相结合的测量方法。Krause
度较低，但安装过程简单；因为是非接触式，对于处
等 [27] 利用多元线性回归方法预测水溶液中麦芽糖
于稳定状态的浆体进行检测不会破坏其均匀性；且
的浓度，通过对各个温度点使用不同多元回归模
工厂在安装时无需断管、停产，可根据实际生产要
型，可以预测不同温度下的浓度。Greenwood [28] 针
求自由选择高度进行测量，是目前主要研发的超声
对大型管道中的浆料设计了带有聚焦功能的超声
换能器，提高了测量灵敏度的同时提高了信噪比。 波浓度计类型。夹装式超声波浓度计装置示意图如
之后，Greenwood [29] 利用超声衍射光栅 (Ultrasonic 图 2(b)所示。
diffraction grating, UDG)技术成功表征20 wt%聚
苯乙烯悬浮液的声衰减。
目前国外学者研究声信号与悬浮液的各个物
理参量之间的变化关系，取得了突出的成果，并且通
过改进超声换能器对低浓度的二元乃至多元悬浮
液的浓度变化过程进行了深入研究，但是针对高浓
度悬浮液的浓度变化过程研究不足，距离广泛应用
(a) ଣКरᡔܦไएᝠ (b) ܱ݃रᡔܦไएᝠ
在工业悬浮液生产监测方面还有一定的差距。
图 2 两种超声波浓度测量装置示意图
3 超声波浓度在线测量技术 Fig. 2 The diagram of two ultrasonic concentra-
tion measuring devices
在浆料生产、储存过程中，不同生产条件或环
境，往往伴随着理化反应，发生物质与能量的转移和 3.2 超声波浓度在线测量浓度计应用情况
传递，其本身就存在大量的不确定性和非线性因素。 超声波浓度计广泛应用于食品行业、造纸业、
过去，生产过程中通常采用的定时离线分析法由于 化工行业等，可测量多种参数。笔者调研使用了世
时间滞后大，根本不能满足随时获取检测数据的要 界上两款主流的超声波在线浓度测量计，并与其他
求。在线检测技术正是为了解决这类变量的实时测 浓度测量领域的仪器进行了对比。从适用性看，其
量和控制问题而逐渐发展起来的。超声波浓度在线 能满足大部分工业浆料种类；从技术性看，其能针对
检测技术具有以下优点：可直接测量浆体浓度，且无 不同的粒径和温度做出对应的补偿，且灵敏度较高，
需停止生产过程；减少不合格产品，快速识别异常状 数据精准。表1为在线测量浓度计应用的基本情况。
况减少不必要的资源消耗，使生产过程控制得更加 其中测量浓度范围会随着近年来技术、设备更新而
理想。 有所变化。
3.1 超声波浓度在线测量技术分类
4 基 于 超 声 波 浓 度 测 量 的 浆 液 混 合 过
3.1.1 插入式超声波浓度计
程监控
插入式超声波浓度计是将浓度计的探头浸入
浆体当中，通常需要在浆体容器上钻孔，然后将浓度 传感技术是工业 4.0 中最重要的技术之一 [30] 。
计固定在洞中，根据探头发射 -反射 -接收的超声波 世界正在经历第四产业革命，其中数字技术，包括
回波信号分析得出所检测浆体的浓度值，精度较高， 人工智能、机器人和物联网都被用于改进提升制造
