复合管道超声波流量传感器设计

2021-08-21冯旭东杨潇楠姜雪冯毓涵

电子制作 2021年14期

冯旭东，杨潇楠，姜雪，冯毓涵

（西安石油大学，陕西西安，710065）

0 引言

火电厂使用循环的石膏浆液进行烟气脱硫处理，浆液流量是评价脱硫系统效率的重要参数，但浆液流量却不易检测，由于浆液是含有固体颗粒的腐蚀性液体，必须采用抗腐蚀的橡胶内衬复合管道输送，在不影响生产的情况下采用接触式流量计是不现实的，常见的非接触式的超声波管道流量计只能用于碳钢材料的管道，根本原因是其匹配的传感器无法适用于复合管道，本文针对适合复合管道中浆液的流量检测的传感器进行研究，设计了一种基于多普勒流量测量原理超声波传感器，采用收发一体式封装，安装简便，通过敏感元件（材料）的选取、参数设计、结构设计提高传感器对复合管道的适用性，传感器室内试验中能够在复合管道流体中采集到含有流量信息的超声波信号，与匹配检测系统可以实现对复合管道的流量检测并取得较好的效果。同时，传感器也适用于普通碳钢管道中流体的流量测量。

1 敏感元件

敏感元件是指在传感器中能够直接感受或者响应被测物理量的元件，它是传感器的核心[1]。用于流量检测的超声波传感器的敏感元件一般为压电陶瓷，压电陶瓷具有灵敏度高、温度特性好、易于加工等优点，被广泛的使用于各种超声波检测中[2]。复合管道比一般的碳钢管道多了内衬橡胶层，在传感器敏感元件的选取上要求会更为严格，本设计采用锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）中的PZT–5作为传感器敏感元件，相比其他的压电陶瓷材料，PZT–5的压电常数高，可以获得很高的发射和接收灵敏度，同时机械品质因子最低，可以获得高分辨率和很小的盲区，十分适合复合管道。

2 参数设计

复合管道中的浆液含有固体颗粒，适合采用多普勒测量方式，因此，传感器的工作频率和灵敏度这两个参数非常重要。

(1)工作频率设计

传感器工作频率设计应满足多普勒测量方式的要求，即超声波必须有散射回波，否则无法接收到回波信号[3]。按照超声波的衰减理论，只有散射衰减才能形成散射回波，而散射的形成与超声波的波长及固体颗粒的尺寸密切相关[4]。图1为散射声场示意图，图中λ为超声波波长，2a为固体颗粒直径。

图1 散射声场示意图

当λ≫ 2a时，超声波绕射前行，基本不会有散射回波。当超声波波长λ与颗粒直径 2a的比值减小到一定程度时，会逐渐形成散射声场，当λ≈2a时，会产生多种不同的散射声场，当λ<2a时，颗粒主要作为反射体，超声波会被反射，但反射过多会导致波的穿透能力降低，或只能传播到流体介质浅层界面，不能完整表征管内流速信息[5]。所以，超声波频率设计要同时考虑的散射强度和在流体中的穿透深度。综上所述，传感器的工作波长应选在λ>2a范围，同时又不能过大。依据理论计算以及试验分析，传感器的工作频率设计为640kHz。

(2)灵敏度设计

灵敏度是接收传感器的一个重要指标，实际的应用中多使用电压灵敏度。电压灵敏度指传感器的输出电压和声场里引入传感器之前这一点的自由声场电压的比，一般使用分贝来表示[6]，如式（1）所示。

3 结构设计

传感器采用发射与接收一体式结构设计，主要由敏感元件、声楔块、阻尼层、匹配阻抗、保护外壳组成。其中敏感元件采用PZT–5，其直径为20mm，厚度2mm，声楔采用有机玻璃，阻尼层为硅胶及钨粉混合物，保护外壳为铝合金材质，整体密封，其结构示意图如图2所示。这种结构设计避免了分离的传感器由于安装位置。

图2 传感器结构示意图

不合适而导致测量精度下降。声楔块为等腰梯形结构，底角的角度是33.5°，这个设计是通过理论计算和试验得到的，有效抑制了超声波在管道和流体中传播时产生较强的交互回响[7]。声楔块的两个斜面光滑平整，使用环氧树脂双组份按4：1比例混合后将两片陶瓷片分别紧密贴合在声楔块斜面上，环氧树脂作为匹配层可以使声波从PZT陶瓷片入射到声楔时的投射系数得到提高[8]。两片压电陶瓷片的正，负极在同一侧，焊接导线后连接阻抗元件以匹配检测电路。使用704硅橡胶参入定量钨粉均匀混合后作为阻尼层涂抹在整个声楔斜面上将压电陶瓷片密封固化，厚度约为2mm。硅橡胶为高阻抗、高衰减的吸声材料，可以吸收压电陶瓷片背面辐射的超声波干扰[9]。最后，将密封好压电陶瓷片的声楔斜块完整放入铝合金保护外壳，声楔斜块放入外壳后其平面与外壳平面一致，保护壳留有电缆线孔，传感器的信号输出使用TNC接头，电缆线采用双重屏蔽电缆以降低噪声对接收信号的干扰。

4 性能试验

利用室内流量试验平台对传感器的性能进行试验，通过试验检测传感器能否匹配测量电路在复合管道上有效发射和接收超声波信号以及在不同流速下的实际测量情况。试验平台主要由管道泵、质量流量计、复合管道（管道内径为50mm）、变频器、储液罐组成，流体介质使用石膏粉和水按一定比例配置模拟浆液。试验时将两只传感器分别安装在复合管道和普通管道上，管道泵驱动模拟浆液在管道中保持稳定循环，通过变频器可调节管道泵的转数以改变浆液流速，流体的实际流量值可通过质量流量计（±0.1%）测得。试验中可以监测传感器的发射和接收的信号，示波器采集到的发射信号和接收信号如图3和图4所示。试验后整理的数据如表1所示。