声阻抗(符号 Z)是超声密度计能在不用放射源的前提下测出浆液密度的物理基础。本文讲清定义、单位、读数是怎么来的,以及大多数文章不写的那部分——这个方法在什么条件下会失准。
定义与公式
特性声阻抗等于介质密度与其中声速的乘积:
Z = ρ × c
其中 ρ 为密度(kg/m³),c 为该介质中的声速(m/s)。它是介质本身的属性,不是仪表的属性——这也是为什么声阻抗读数可以在不同安装之间迁移,而原始传感器电压不行。
单位
- 国际单位:帕·秒/米(Pa·s/m),等价于 kg/(m²·s)。
- 瑞利(rayl):1 rayl = 1 Pa·s/m。工程数值很大,常用兆瑞利(MRayl)。
| 介质 | Z 参考值(MRayl) |
|---|---|
| 空气 | 0.0004 |
| 水(20 ℃) | 1.48 |
| 典型矿浆 | 1.6 – 2.6 |
| 石英 | 15 |
| 不锈钢 | 45 |
这张表说明两件事。水和浆液挨得很近,仪表必须把这点差别分辨清楚——这是工程难点所在。而空气与水差了四个数量级,所以夹带气泡的影响才这么大:很小的含气率对 Z 的扰动,可能超过一次可观的固含量变化。
读数是怎么来的
在已知参考介质与浆液的界面上,超声脉冲被反射的比例取决于界面两侧的阻抗失配:
R = (Z₂ − Z₁) / (Z₂ + Z₁)
测出这个反射比例即可得到浆液的 Z,再结合实测声速解算密度 ρ。因为读的是介质属性而非放射性计数,声阻抗式密度计(如 PS7000)不需要放射源、不需要许可证,报废时也没有处置问题。
PS7000 采用单探头自发自收,线性调频(Chirp)激励。一个实际后果是:测量发生在单侧界面而非穿透整个管径,因此管径不像对射式那样构成限制,标准适用范围 DN50 ~ DN1000。
为什么适合浆液
载液与悬浮固体之间阻抗差异大,因此整体 Z 与固含量强相关。这使该方法很适合矿浆、脱硫石灰石浆与石膏浆、洗煤重介、尾矿——也正是历史上默认用核子密度计的那些场合。
什么情况下读数会劣化
把这部分讲明白,比再列一遍规格表有用:
- 夹带气泡。首要误差源,原因见上表。气泡会让固含量读数虚高。能同时输出含气指数的仪表,可以让你看见这件事,而不是靠猜。
- 探头面结垢。垢层或泥饼夹在参考介质与浆液之间,会使界面反射产生偏差。这更多是安装位置问题而非仪表问题——所以探头面必须有流体冲刷。
- 温度。常温附近水中声速约 3 m/s/℃,温度必须实测并补偿,不能默认。
- 沉降与分层。如果测点处固体已经沉降,仪表读到的是它面前那一层,不是管道平均值。低流速水平管段是典型陷阱,通常改到上行立管解决。
常见混淆
声阻抗不等于声衰减。前者基于反射,后者衡量介质沿传播路径吸收与散射掉多少能量。两种测量、两种失效方式——参见声衰减系数与 PS7000 与 PS7010 对比。
声阻抗也不等于单测声速。时差法测 c,再用标定好的声速—浓度曲线反推浓度。这在洁净二元溶液上很好用,在浆液上不行,因为曲线不单调。
「非侵入式」不是「非接触」。PS7000 探头面接液,与管道内壁齐平安装,不伸入流道、不构成阻挡、流道内没有磨损面——但探头确实接触介质。