一种矿用外贴超声波流量换能器设计

2022-03-30王燕王晓坤任瑞敬

科学与信息化 2022年6期

王燕王晓坤任瑞敬

中煤科工集团唐山研究院有限公司河北唐山 063012

引言

煤矿的供排水系统是煤矿生产的重要系统之一，实现供排水量实时精准的数据监测不仅可以促进矿井生产的人员安全，而且大大提高供排水设备的运行效率，降低设备故障率。现代传感器技术飞速发展，检测技术被应用的越来越多，在对流量的测量中，人们的要求也越来越高，尤其在煤矿井下或选煤厂等高瓦斯、电磁干扰强或流体流态不稳定、被测介质成分复杂、腐蚀严重等场合，各种流量测量技术都有一定的局限性。超声波流量测量技术因其功耗低、体积小、可以实现介质非接触测量等特点，在矿用仪表行业流量测量中占据了很大的市场份额。

根据信号检测原理，超声波流量计可分为传播速度差法、相关法、空间滤法、多普勒法和噪声法等[1]。本设计应用速度差测流原理，即在管道上游和下游分别装两个探头A、B，液体在AB间传播的距离为定值S，超声波在静止液体中的传播速度为C，管道中流体流动速度为V，超声波顺流向和逆流向的传播时间分别为t1、t2，两者的差值：

该模拟信号通过导电片传送至转换器，并据此计算出流体流速V＇，管道中流体的流量：

超声波换能器（即超声波传感器）是超声波流量计的重要组成部分之一[2]，可以实现电能与机械能之间的能量转换[3]。

1 外观设计

本设计中超声波流量计换能器的外观设计主要遵循操作便捷、使用安全、防尘、防水、美观、性价比高等原则。整体采用前端作为超声波信号换能、后端接线的相互隔离设计。针对现场环境复杂、腐蚀性强、安全要求高的特点，换能器保护外壳材质选用具有不易生锈、耐腐蚀性、耐热性能好的不锈钢。主体传感器操作杆密封舍去了传统的密封方式，采用了“O”形圈轴向密封方式，具有密封安全、便于拆装的优点。为了达到更加良好的防尘防水效果，换能器主体结构与外壳的密封选用一种粘接性能和电绝缘性能良好的有机硅密封胶，该胶无毒，耐温范围为-60℃～150℃，在防潮、防电晕、抗振动、耐老化等方面具有良好效果[4]。另外，换能器充分考虑不同材质的折射角度关系，将匹配层面设计为45度斜面，并在探头两侧面正中位置制作标记线，方便售后安装。外观效果图如图1所示。

图1 换能器外观图

2 机械结构设计

该超声波换能器按照常规型设计耐温0℃到90℃，基本涵盖了矿用流量测量现场和大部分工业水流量测量现场。管内压力设计承压2MPa，外部潜水深度达到3m。结构上，连接采用螺纹连接，便于现场安装和维护。换能器主体结构包括压电陶瓷片、匹配层、背衬层以及保护外壳四部分组成。机械结构图如图2所示。

图2 换能器机械机构图

压电陶瓷片是实现能量转换的重要组成部分[5]，目前市面上常用的压电陶瓷材料有钛酸钡系（BaTiO-3）、锆钛酸铅二元系（简称PZT）及在二元系中添加第三种ABO3型化合物，由于锆钛酸铅（PZT）制作的超声波换能器具有灵敏度高、功率大、稳定性好等优点[6]。本设计压电陶瓷选用接收性能更好的PZT-5材质。压电陶瓷片换能片包括一个圆形的压电陶瓷片，陶瓷片两面涂有银作为正负电极，其中一面边缘处制作内外两个倒角，外侧倒角与上面电极连接，内侧倒角与下面电极连接，压电陶瓷片结构设计图如图3所示。

图3 压电陶瓷结构设计图

针对液态流体测量，检测用超声波的频率通常设定在（1～2）MHz[7]。本设计中谐振频率采用1MHz电信号，当电场作用到压电陶瓷时，压电陶瓷会出现逆压电效应，即产生与电场强度成比例的变形，引起压电陶瓷高频振动，与此同时，电能即转换为机械能；当下游探头上的压电陶瓷接收到衰减后的高频振动信号时，会发生正压电效应产生谐振，这时，机械能又转换成了电能。

考虑换能器的压电陶瓷片的声特性阻抗较大，而水等测量介质的声特性阻抗较小，如果直接接触只有很少的一部分声能透射出来，从而影响测量的灵敏度，该换能器在匹配层选用耐高温的聚芳砜材质，如安装在管外径262mm，壁厚为6mm的管道，该换能器声波传播角度及安装数据如表1所示。

表1 声波传播角度及安装数据

3 性能测试

将制作好的换能器接入唐山大方汇中仪表有限公司的LCZ-803（A）矿用隔爆兼本质安全型数字超声波转换器，该转换器为换能器提供15V工作电压和1MHZ频率信号。通过在不确定度U=0.16%（K=2）的容积法标准装置的DN80、DN100、DN200管路上进行测量并记录示值误差和重复性最大数据，试验结果如表2所示。通过测试，该换能器满足精度达到1.5级，重复性0.8%要求。