襯膠管道流量測量傳感器技術研究

馮旭東，張回回，邢書晨

（西安石油大學，陜西西安，710065）

0 引言

在火電廠脫硫過程中，石膏漿液作為脫硫劑被循環使用，目的是使其與煙氣反復接觸吸收SO2等酸性有害氣體，但漿液是含有固體顆粒的酸性液體，這會導致循環泵在運行一段時間后會出現腐蝕和磨損，造成泵的效率下降，增加能耗[1]。因此，需要定期對循環泵的效率進行測定和評價，及時維護以降低其能耗。泵口管道中漿液的流量值是計算泵效率的重要參數，所以，準確測量出漿液的流量對評價泵的效率至關重要。但輸送漿液的連接管道均使用抗腐蝕的襯膠管道，在不影響生產的情況下選擇非接觸式超聲波流量測量方式符合現場環境要求。目前常見的超聲波流量計使用的傳感器一般由兩只組成，安裝在管道上呈一定的角度，發射傳感器被驅動產生超聲波信號，接收傳感器接收到含有流量信息的超聲波信號，再經過處理后即可得到管道中流體的流量[3-5]。但是，這類傳感器并不適合在襯膠管道上使用，針對這一問題設計了一種可用于襯膠管道流量測量的傳感器，在敏感材料、傳感器結構和工藝上進行了針對性設計，通過試驗驗證，實現了對襯膠管道流體收、發信號的功能。同時，在試驗中通過適當的阻抗匹配，可用于時差和頻差兩種測量方式，有一定的通用性。

1 傳感器的結構及工藝

超聲波傳感器主要由壓電材料、透聲聲楔、保護外殼組成。其中壓電材料為壓電陶瓷PZT-4.0 圓薄片，其直徑為20mm，厚度為2mm；透聲聲楔采用有機玻璃，保護外殼采用聚四氟乙烯材料，其結構示意圖如圖1 所示。

圖1 傳感器結構示意圖

這種結構的超聲波傳感器工作時沿厚向振動，產生的超聲波為縱波，壓電陶瓷具有很高的靈敏度以及較高的介電常數和機電耦合系數，居里溫度高以及參數的時間穩定性好[6]，而且價格低廉，易于加工，被廣泛的使用于各種超聲檢測中。透聲聲楔為聲耦合系數較高的有機玻璃材料，其對頻率在5MHz 以下超聲波衰減微弱，既滿足設計要求又便于加工，聲楔采用梯形結構，斜面角度為45°，有利于根據管徑調整傳感器的安裝位置，提高接收信號的強度。壓電陶瓷薄片為正、負接線端在同側，使用透聲性能良好的環氧樹脂可以將其與聲楔斜面緊密貼合，不僅隔絕空氣并且提高壓電陶瓷片的單向發射和吸收超聲波的效率。同時，在接線端使用硅膠對整個斜楔面進行密封，硅膠為高阻抗、高衰減的吸聲材料，可以減小背面輻射產生的干擾。傳感器的信號輸出線纜采用雙絞屏蔽線纜以增強其抗干擾能力，聲楔斜塊放入外殼后其平面與外殼平面保持一致，整個結構為密閉封裝設計，外殼內嵌磁鐵，便于在測試時吸附安裝在在碳鋼管道上。

2 傳感器的工作頻率

超聲波傳感器的壓電陶瓷本身存在固有頻率，但其受到外加電壓激勵后，將按激勵電壓的頻率產生向外輻射超聲波，該頻率就是傳感器的工作頻率。設計傳感器時應使其工作頻率與壓電陶瓷的固有頻率接近，這樣才能使材料發揮其最佳性能。工作頻率越高，聲波的穿透能力越強，但由于介質的吸收、反射等原因產生的衰減也越大。此外，對于頻差法，傳感器工作頻率的選擇與流體中固體顆粒直徑大小也密切相關。當波長接近散射顆粒直徑，超聲波經過散射后會在散射體周圍形成不同的聲場分布，通過散射回波就可得到有用的流速信息，所以波長應稍大于流體中散射顆粒的直徑較為適合。另外，管徑的尺寸也影響傳感器工作頻率的選擇，一般情況低頻多使適用于大口徑管道，高頻多適用于小口徑管道。對于測量方法而言，時差法的工作頻率不能太高而頻差法的工作頻率不能太低，按理論計算的工作頻率范圍為：0.1～1.5MHz。同時，傳感器工作頻率的選擇還要考慮與之匹配的測量電路的設計，工作頻率過高會增大測量電路的設計難度。通過理論計算和對多種壓電陶瓷材料進行實際的試驗，根據試驗結果最終選擇超聲波傳感器的工作頻率為125kHz，接近壓電陶瓷的固有頻率。

3 傳感器的溫度及阻抗特性

傳感器的溫度特性反映著其對溫度的敏感性，需要對其進行溫度性能測試并根據測試結果確定是否采用溫度補償?？紤]到傳感器的實際工作溫度在-20℃～80℃之間，因此在-40℃～100℃范圍內對傳感器的輸出進行多溫度點測試，傳感器的輸出信號基本沒有變化，溫度穩定性好，因此不需要進行溫度補償。傳感器的阻抗—頻率特性對前置電路的設計十分重要，為確?；夭ㄐ盘柕挠行Ы邮?，需要對傳感器在其工作頻率下進行電路模擬等效以便與前置測量電路進行阻抗匹配。使用NF 公司的阻抗/增益·相位綜合解析裝置ZGA5920 對傳感器進行阻抗-頻率性能測試，測試結果如圖2所示。從圖中可以看到傳感器的阻抗-頻率特性曲線，已經工作頻率上的阻抗或導納的值，由此可以仿真出的傳感器的等效電路的參數值，可推算設計前置電路匹配輸入阻抗參數。

圖2 傳感器阻抗—頻率特性曲線

4 傳感器的功能測試

將傳感器安裝在室內試驗平臺上的50mm 襯膠管道上進行功能測試，管道中的流體為石膏粉與水的混合液，主要檢測傳感器對襯膠管道適用性，試驗中可通過管道泵調節流體的流速。通過在不同流速下的測試，傳感器在襯膠管道上可以正常發射和接收信號，工作穩定。圖3 為示波器觀察到的采用時差法時經過調理后的脈沖發射信號（下）和接收信號（上）。使用頻差法時，流速在0.5m/s 以上時，通過頻譜儀可識別出接收信號與發射信號的頻率變化，滿足實際流速（1.5m/s—3m/s）的測試要求。

圖3 傳感器發射及接收波形圖

5 結論

本文針對碳鋼襯膠管道的流量測量設計了一種超聲波傳感器，在敏感元件的選擇、工作頻率選擇、結構和工藝設計、溫度性能、阻抗-頻率特性等方面進行了探索研究，并且對其進行了驗證性試驗和改進。最后，有通過室內的試驗平臺對其進行了功能測試，測試結果表明，傳感器實現了在襯膠管道中的發送和接收信號的功能，具有較好通用性，可滿足漿液循環管道流量測量的要求。