衬胶管道流量测量传感器技术研究

冯旭东，张回回，邢书晨

（西安石油大学，陕西西安，710065）

0 引言

在火电厂脱硫过程中，石膏浆液作为脱硫剂被循环使用，目的是使其与烟气反复接触吸收SO2等酸性有害气体，但浆液是含有固体颗粒的酸性液体，这会导致循环泵在运行一段时间后会出现腐蚀和磨损，造成泵的效率下降，增加能耗[1]。因此，需要定期对循环泵的效率进行测定和评价，及时维护以降低其能耗。泵口管道中浆液的流量值是计算泵效率的重要参数，所以，准确测量出浆液的流量对评价泵的效率至关重要。但输送浆液的连接管道均使用抗腐蚀的衬胶管道，在不影响生产的情况下选择非接触式超声波流量测量方式符合现场环境要求。目前常见的超声波流量计使用的传感器一般由两只组成，安装在管道上呈一定的角度，发射传感器被驱动产生超声波信号，接收传感器接收到含有流量信息的超声波信号，再经过处理后即可得到管道中流体的流量[3-5]。但是，这类传感器并不适合在衬胶管道上使用，针对这一问题设计了一种可用于衬胶管道流量测量的传感器，在敏感材料、传感器结构和工艺上进行了针对性设计，通过试验验证，实现了对衬胶管道流体收、发信号的功能。同时，在试验中通过适当的阻抗匹配，可用于时差和频差两种测量方式，有一定的通用性。

1 传感器的结构及工艺

超声波传感器主要由压电材料、透声声楔、保护外壳组成。其中压电材料为压电陶瓷PZT-4.0 圆薄片，其直径为20mm，厚度为2mm；透声声楔采用有机玻璃，保护外壳采用聚四氟乙烯材料，其结构示意图如图1 所示。

图1 传感器结构示意图

这种结构的超声波传感器工作时沿厚向振动，产生的超声波为纵波，压电陶瓷具有很高的灵敏度以及较高的介电常数和机电耦合系数，居里温度高以及参数的时间稳定性好[6]，而且价格低廉，易于加工，被广泛的使用于各种超声检测中。透声声楔为声耦合系数较高的有机玻璃材料，其对频率在5MHz 以下超声波衰减微弱，既满足设计要求又便于加工，声楔采用梯形结构，斜面角度为45°，有利于根据管径调整传感器的安装位置，提高接收信号的强度。压电陶瓷薄片为正、负接线端在同侧，使用透声性能良好的环氧树脂可以将其与声楔斜面紧密贴合，不仅隔绝空气并且提高压电陶瓷片的单向发射和吸收超声波的效率。同时，在接线端使用硅胶对整个斜楔面进行密封，硅胶为高阻抗、高衰减的吸声材料，可以减小背面辐射产生的干扰。传感器的信号输出线缆采用双绞屏蔽线缆以增强其抗干扰能力，声楔斜块放入外壳后其平面与外壳平面保持一致，整个结构为密闭封装设计，外壳内嵌磁铁，便于在测试时吸附安装在在碳钢管道上。

2 传感器的工作频率

超声波传感器的压电陶瓷本身存在固有频率，但其受到外加电压激励后，将按激励电压的频率产生向外辐射超声波，该频率就是传感器的工作频率。设计传感器时应使其工作频率与压电陶瓷的固有频率接近，这样才能使材料发挥其最佳性能。工作频率越高，声波的穿透能力越强，但由于介质的吸收、反射等原因产生的衰减也越大。此外，对于频差法，传感器工作频率的选择与流体中固体颗粒直径大小也密切相关。当波长接近散射颗粒直径，超声波经过散射后会在散射体周围形成不同的声场分布，通过散射回波就可得到有用的流速信息，所以波长应稍大于流体中散射颗粒的直径较为适合。另外，管径的尺寸也影响传感器工作频率的选择，一般情况低频多使适用于大口径管道，高频多适用于小口径管道。对于测量方法而言，时差法的工作频率不能太高而频差法的工作频率不能太低，按理论计算的工作频率范围为：0.1～1.5MHz。同时，传感器工作频率的选择还要考虑与之匹配的测量电路的设计，工作频率过高会增大测量电路的设计难度。通过理论计算和对多种压电陶瓷材料进行实际的试验，根据试验结果最终选择超声波传感器的工作频率为125kHz，接近压电陶瓷的固有频率。

3 传感器的温度及阻抗特性

传感器的温度特性反映着其对温度的敏感性，需要对其进行温度性能测试并根据测试结果确定是否采用温度补偿。考虑到传感器的实际工作温度在-20℃～80℃之间，因此在-40℃～100℃范围内对传感器的输出进行多温度点测试，传感器的输出信号基本没有变化，温度稳定性好，因此不需要进行温度补偿。传感器的阻抗—频率特性对前置电路的设计十分重要，为确保回波信号的有效接收，需要对传感器在其工作频率下进行电路模拟等效以便与前置测量电路进行阻抗匹配。使用NF 公司的阻抗/增益·相位综合解析装置ZGA5920 对传感器进行阻抗-频率性能测试，测试结果如图2所示。从图中可以看到传感器的阻抗-频率特性曲线，已经工作频率上的阻抗或导纳的值，由此可以仿真出的传感器的等效电路的参数值，可推算设计前置电路匹配输入阻抗参数。

图2 传感器阻抗—频率特性曲线

4 传感器的功能测试

将传感器安装在室内试验平台上的50mm 衬胶管道上进行功能测试，管道中的流体为石膏粉与水的混合液，主要检测传感器对衬胶管道适用性，试验中可通过管道泵调节流体的流速。通过在不同流速下的测试，传感器在衬胶管道上可以正常发射和接收信号，工作稳定。图3 为示波器观察到的采用时差法时经过调理后的脉冲发射信号（下）和接收信号（上）。使用频差法时，流速在0.5m/s 以上时，通过频谱仪可识别出接收信号与发射信号的频率变化，满足实际流速（1.5m/s—3m/s）的测试要求。

图3 传感器发射及接收波形图

5 结论

本文针对碳钢衬胶管道的流量测量设计了一种超声波传感器，在敏感元件的选择、工作频率选择、结构和工艺设计、温度性能、阻抗-频率特性等方面进行了探索研究，并且对其进行了验证性试验和改进。最后，有通过室内的试验平台对其进行了功能测试，测试结果表明，传感器实现了在衬胶管道中的发送和接收信号的功能，具有较好通用性，可满足浆液循环管道流量测量的要求。