復(fù)合管道超聲波流量傳感器設(shè)計(jì)

馮旭東，楊瀟楠，姜雪，馮毓涵

（西安石油大學(xué)，陜西西安，710065）

0 引言

火電廠使用循環(huán)的石膏漿液進(jìn)行煙氣脫硫處理，漿液流量是評(píng)價(jià)脫硫系統(tǒng)效率的重要參數(shù)，但漿液流量卻不易檢測(cè)，由于漿液是含有固體顆粒的腐蝕性液體，必須采用抗腐蝕的橡膠內(nèi)襯復(fù)合管道輸送，在不影響生產(chǎn)的情況下采用接觸式流量計(jì)是不現(xiàn)實(shí)的，常見(jiàn)的非接觸式的超聲波管道流量計(jì)只能用于碳鋼材料的管道，根本原因是其匹配的傳感器無(wú)法適用于復(fù)合管道，本文針對(duì)適合復(fù)合管道中漿液的流量檢測(cè)的傳感器進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種基于多普勒流量測(cè)量原理超聲波傳感器，采用收發(fā)一體式封裝，安裝簡(jiǎn)便，通過(guò)敏感元件（材料）的選取、參數(shù)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高傳感器對(duì)復(fù)合管道的適用性，傳感器室內(nèi)試驗(yàn)中能夠在復(fù)合管道流體中采集到含有流量信息的超聲波信號(hào)，與匹配檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合管道的流量檢測(cè)并取得較好的效果。同時(shí)，傳感器也適用于普通碳鋼管道中流體的流量測(cè)量。

1 敏感元件

敏感元件是指在傳感器中能夠直接感受或者響應(yīng)被測(cè)物理量的元件，它是傳感器的核心[1]。用于流量檢測(cè)的超聲波傳感器的敏感元件一般為壓電陶瓷，壓電陶瓷具有靈敏度高、溫度特性好、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的使用于各種超聲波檢測(cè)中[2]。復(fù)合管道比一般的碳鋼管道多了內(nèi)襯橡膠層，在傳感器敏感元件的選取上要求會(huì)更為嚴(yán)格，本設(shè)計(jì)采用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）中的PZT–5作為傳感器敏感元件，相比其他的壓電陶瓷材料，PZT–5的壓電常數(shù)高，可以獲得很高的發(fā)射和接收靈敏度，同時(shí)機(jī)械品質(zhì)因子最低，可以獲得高分辨率和很小的盲區(qū)，十分適合復(fù)合管道。

2 參數(shù)設(shè)計(jì)

復(fù)合管道中的漿液含有固體顆粒，適合采用多普勒測(cè)量方式，因此，傳感器的工作頻率和靈敏度這兩個(gè)參數(shù)非常重要。

(1)工作頻率設(shè)計(jì)

傳感器工作頻率設(shè)計(jì)應(yīng)滿足多普勒測(cè)量方式的要求，即超聲波必須有散射回波，否則無(wú)法接收到回波信號(hào)[3]。按照超聲波的衰減理論，只有散射衰減才能形成散射回波，而散射的形成與超聲波的波長(zhǎng)及固體顆粒的尺寸密切相關(guān)[4]。圖1為散射聲場(chǎng)示意圖，圖中λ為超聲波波長(zhǎng)，2a為固體顆粒直徑。

圖1 散射聲場(chǎng)示意圖

當(dāng)λ? 2a時(shí)，超聲波繞射前行，基本不會(huì)有散射回波。當(dāng)超聲波波長(zhǎng)λ與顆粒直徑 2a的比值減小到一定程度時(shí)，會(huì)逐漸形成散射聲場(chǎng)，當(dāng)λ≈2a時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多種不同的散射聲場(chǎng)，當(dāng)λ<2a時(shí)，顆粒主要作為反射體，超聲波會(huì)被反射，但反射過(guò)多會(huì)導(dǎo)致波的穿透能力降低，或只能傳播到流體介質(zhì)淺層界面，不能完整表征管內(nèi)流速信息[5]。所以，超聲波頻率設(shè)計(jì)要同時(shí)考慮的散射強(qiáng)度和在流體中的穿透深度。綜上所述，傳感器的工作波長(zhǎng)應(yīng)選在λ>2a范圍，同時(shí)又不能過(guò)大。依據(jù)理論計(jì)算以及試驗(yàn)分析，傳感器的工作頻率設(shè)計(jì)為640kHz。

(2)靈敏度設(shè)計(jì)

靈敏度是接收傳感器的一個(gè)重要指標(biāo)，實(shí)際的應(yīng)用中多使用電壓靈敏度。電壓靈敏度指?jìng)鞲衅鞯妮敵鲭妷汉吐晥?chǎng)里引入傳感器之前這一點(diǎn)的自由聲場(chǎng)電壓的比，一般使用分貝來(lái)表示[6]，如式（1）所示。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器采用發(fā)射與接收一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由敏感元件、聲楔塊、阻尼層、匹配阻抗、保護(hù)外殼組成。其中敏感元件采用PZT–5，其直徑為20mm，厚度2mm，聲楔采用有機(jī)玻璃，阻尼層為硅膠及鎢粉混合物，保護(hù)外殼為鋁合金材質(zhì)，整體密封，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免了分離的傳感器由于安裝位置。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

不合適而導(dǎo)致測(cè)量精度下降。聲楔塊為等腰梯形結(jié)構(gòu)，底角的角度是33.5°，這個(gè)設(shè)計(jì)是通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)得到的，有效抑制了超聲波在管道和流體中傳播時(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)的交互回響[7]。聲楔塊的兩個(gè)斜面光滑平整，使用環(huán)氧樹(shù)脂雙組份按4：1比例混合后將兩片陶瓷片分別緊密貼合在聲楔塊斜面上，環(huán)氧樹(shù)脂作為匹配層可以使聲波從PZT陶瓷片入射到聲楔時(shí)的投射系數(shù)得到提高[8]。兩片壓電陶瓷片的正，負(fù)極在同一側(cè)，焊接導(dǎo)線后連接阻抗元件以匹配檢測(cè)電路。使用704硅橡膠參入定量鎢粉均勻混合后作為阻尼層涂抹在整個(gè)聲楔斜面上將壓電陶瓷片密封固化，厚度約為2mm。硅橡膠為高阻抗、高衰減的吸聲材料，可以吸收壓電陶瓷片背面輻射的超聲波干擾[9]。最后，將密封好壓電陶瓷片的聲楔斜塊完整放入鋁合金保護(hù)外殼，聲楔斜塊放入外殼后其平面與外殼平面一致，保護(hù)殼留有電纜線孔，傳感器的信號(hào)輸出使用TNC接頭，電纜線采用雙重屏蔽電纜以降低噪聲對(duì)接收信號(hào)的干擾。

4 性能試驗(yàn)

利用室內(nèi)流量試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)傳感器的性能進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)傳感器能否匹配測(cè)量電路在復(fù)合管道上有效發(fā)射和接收超聲波信號(hào)以及在不同流速下的實(shí)際測(cè)量情況。試驗(yàn)平臺(tái)主要由管道泵、質(zhì)量流量計(jì)、復(fù)合管道（管道內(nèi)徑為50mm）、變頻器、儲(chǔ)液罐組成，流體介質(zhì)使用石膏粉和水按一定比例配置模擬漿液。試驗(yàn)時(shí)將兩只傳感器分別安裝在復(fù)合管道和普通管道上，管道泵驅(qū)動(dòng)模擬漿液在管道中保持穩(wěn)定循環(huán)，通過(guò)變頻器可調(diào)節(jié)管道泵的轉(zhuǎn)數(shù)以改變漿液流速，流體的實(shí)際流量值可通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)（±0.1%）測(cè)得。試驗(yàn)中可以監(jiān)測(cè)傳感器的發(fā)射和接收的信號(hào)，示波器采集到的發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)如圖3和圖4所示。試驗(yàn)后整理的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 三種流量的測(cè)量值及誤差

圖4 傳感器接收信號(hào)波形圖

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試驗(yàn)表明：傳感器能夠與匹配檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合管道的流量檢測(cè)，總體誤差低于5%，隨著流量的增加，檢測(cè)精度有所提高，而實(shí)際流量要高于試驗(yàn)時(shí)流量，因此，傳感器不僅可以滿足實(shí)際要求，適用性也更為廣泛。

5 結(jié)論

本文對(duì)復(fù)合管道的流量檢測(cè)傳感器技術(shù)進(jìn)行了研究，基于超聲波多普勒測(cè)量方法對(duì)傳感器的敏感元件、關(guān)鍵參數(shù)、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了探索性設(shè)計(jì)，取得了較好的試驗(yàn)效果，驗(yàn)證了技術(shù)可行性，對(duì)超聲技術(shù)在復(fù)合管道流量檢測(cè)中的應(yīng)用具有參考價(jià)值。