一種礦用外貼超聲波流量換能器設計

王燕 王曉坤 任瑞敬

中煤科工集團唐山研究院有限公司 河北 唐山 063012

引言

煤礦的供排水系統是煤礦生產的重要系統之一，實現供排水量實時精準的數據監測不僅可以促進礦井生產的人員安全，而且大大提高供排水設備的運行效率，降低設備故障率?，F代傳感器技術飛速發展，檢測技術被應用的越來越多，在對流量的測量中，人們的要求也越來越高，尤其在煤礦井下或選煤廠等高瓦斯、電磁干擾強或流體流態不穩定、被測介質成分復雜、腐蝕嚴重等場合，各種流量測量技術都有一定的局限性。超聲波流量測量技術因其功耗低、體積小、可以實現介質非接觸測量等特點，在礦用儀表行業流量測量中占據了很大的市場份額。

根據信號檢測原理，超聲波流量計可分為傳播速度差法、相關法、空間濾法、多普勒法和噪聲法等[1]。本設計應用速度差測流原理，即在管道上游和下游分別裝兩個探頭A、B，液體在AB間傳播的距離為定值S，超聲波在靜止液體中的傳播速度為C，管道中流體流動速度為V，超聲波順流向和逆流向的傳播時間分別為t1、t2，兩者的差值：

該模擬信號通過導電片傳送至轉換器，并據此計算出流體流速V＇，管道中流體的流量：

超聲波換能器（即超聲波傳感器）是超聲波流量計的重要組成部分之一[2]，可以實現電能與機械能之間的能量轉換[3]。

1 外觀設計

本設計中超聲波流量計換能器的外觀設計主要遵循操作便捷、使用安全、防塵、防水、美觀、性價比高等原則。整體采用前端作為超聲波信號換能、后端接線的相互隔離設計。針對現場環境復雜、腐蝕性強、安全要求高的特點，換能器保護外殼材質選用具有不易生銹、耐腐蝕性、耐熱性能好的不銹鋼。主體傳感器操作桿密封舍去了傳統的密封方式，采用了“O”形圈軸向密封方式，具有密封安全、便于拆裝的優點。為了達到更加良好的防塵防水效果，換能器主體結構與外殼的密封選用一種粘接性能和電絕緣性能良好的有機硅密封膠，該膠無毒，耐溫范圍為-60℃～150℃，在防潮、防電暈、抗振動、耐老化等方面具有良好效果[4]。另外，換能器充分考慮不同材質的折射角度關系，將匹配層面設計為45度斜面，并在探頭兩側面正中位置制作標記線，方便售后安裝。外觀效果圖如圖1所示。

圖1 換能器外觀圖

2 機械結構設計

該超聲波換能器按照常規型設計耐溫0℃到90℃，基本涵蓋了礦用流量測量現場和大部分工業水流量測量現場。管內壓力設計承壓2MPa，外部潛水深度達到3m。結構上，連接采用螺紋連接，便于現場安裝和維護。換能器主體結構包括壓電陶瓷片、匹配層、背襯層以及保護外殼四部分組成。機械結構圖如圖2所示。

圖2 換能器機械機構圖

壓電陶瓷片是實現能量轉換的重要組成部分[5]，目前市面上常用的壓電陶瓷材料有鈦酸鋇系（BaTiO-3）、鋯鈦酸鉛二元系（簡稱PZT）及在二元系中添加第三種ABO3型化合物，由于鋯鈦酸鉛（PZT）制作的超聲波換能器具有靈敏度高、功率大、穩定性好等優點[6]。本設計壓電陶瓷選用接收性能更好的PZT-5材質。壓電陶瓷片換能片包括一個圓形的壓電陶瓷片，陶瓷片兩面涂有銀作為正負電極，其中一面邊緣處制作內外兩個倒角，外側倒角與上面電極連接，內側倒角與下面電極連接，壓電陶瓷片結構設計圖如圖3所示。

圖3 壓電陶瓷結構設計圖

針對液態流體測量，檢測用超聲波的頻率通常設定在（1～2）MHz[7]。本設計中諧振頻率采用1MHz電信號，當電場作用到壓電陶瓷時，壓電陶瓷會出現逆壓電效應，即產生與電場強度成比例的變形，引起壓電陶瓷高頻振動，與此同時，電能即轉換為機械能；當下游探頭上的壓電陶瓷接收到衰減后的高頻振動信號時，會發生正壓電效應產生諧振，這時，機械能又轉換成了電能。

考慮換能器的壓電陶瓷片的聲特性阻抗較大，而水等測量介質的聲特性阻抗較小，如果直接接觸只有很少的一部分聲能透射出來，從而影響測量的靈敏度，該換能器在匹配層選用耐高溫的聚芳砜材質，如安裝在管外徑262mm，壁厚為6mm的管道，該換能器聲波傳播角度及安裝數據如表1所示。

表1 聲波傳播角度及安裝數據

3 性能測試

將制作好的換能器接入唐山大方匯中儀表有限公司的LCZ-803（A）礦用隔爆兼本質安全型數字超聲波轉換器，該轉換器為換能器提供15V工作電壓和1MHZ頻率信號。通過在不確定度U=0.16%（K=2）的容積法標準裝置的DN80、DN100、DN200管路上進行測量并記錄示值誤差和重復性最大數據，試驗結果如表2所示。通過測試，該換能器滿足精度達到1.5級，重復性0.8%要求。

表2 精度試驗結果

4 結束語

本文設計了一種礦用外貼超聲波流量換能器，該換能器能夠防塵、防水、耐腐蝕、達到礦用本質安全型要求，適用于煤礦井下、選煤廠及化工IB類防爆場所。經不確定度U=0.16%（K=2）的容積法標準裝置測試和工業試驗驗證，該超聲波流量換能器耐高溫、高壓、靈敏度高、精度達到1.5級，重復性0.8%。