馮旭東，張回回，邢書晨

（西安石油大學(xué)，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(huán)使用，目的是使其與煙氣反復(fù)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(huì)導(dǎo)致循環(huán)泵在運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)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(duì)循環(huán)泵的效率進(jìn)行測(cè)定和評(píng)價(jià)，及時(shí)維護(hù)以降低其能耗。泵口管道中漿液的流量值是計(jì)算泵效率的重要參數(shù)，所以，準(zhǔn)確測(cè)量出漿液的流量對(duì)評(píng)價(jià)泵的效率至關(guān)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(chǎn)的情況下選擇非接觸式超聲波流量測(cè)量方式符合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求。目前常見的超聲波流量計(jì)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(fā)射傳感器被驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生超聲波信號(hào)，接收傳感器接收到含有流量信息的超聲波信號(hào)，再經(jīng)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(duì)這一問題設(shè)計(jì)了一種可用于襯膠管道流量測(cè)量的傳感器，在敏感材料、傳感器結(jié)構(gòu)和工藝上進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對(duì)襯膠管道流體收、發(fā)信號(hào)的功能。同時(shí)，在試驗(yàn)中通過適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ?，可用于時(shí)差和頻差兩種測(cè)量方式，有一定的通用性。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)及工藝

超聲波傳感器主要由壓電材料、透聲聲楔、保護(hù)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(jī)玻璃，保護(hù)外殼采用聚四氟乙烯材料，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

這種結(jié)構(gòu)的超聲波傳感器工作時(shí)沿厚向振動(dòng)，產(chǎn)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(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)，居里溫度高以及參數(shù)的時(shí)間穩(wěn)定性好[6]，而且價(jià)格低廉，易于加工，被廣泛的使用于各種超聲檢測(cè)中。透聲聲楔為聲耦合系數(shù)較高的有機(jī)玻璃材料，其對(duì)頻率在5MHz 以下超聲波衰減微弱，既滿足設(shè)計(jì)要求又便于加工，聲楔采用梯形結(jié)構(gòu)，斜面角度為45°，有利于根據(jù)管徑調(diào)整傳感器的安裝位置，提高接收信號(hào)的強(qiáng)度。壓電陶瓷薄片為正、負(fù)接線端在同側(cè)，使用透聲性能良好的環(huán)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(fā)射和吸收超聲波的效率。同時(shí)，在接線端使用硅膠對(duì)整個(gè)斜楔面進(jìn)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(chǎn)生的干擾。傳感器的信號(hào)輸出線纜采用雙絞屏蔽線纜以增強(qiáng)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(gè)結(jié)構(gòu)為密閉封裝設(shè)計(jì)，外殼內(nèi)嵌磁鐵，便于在測(cè)試時(shí)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(lì)后，將按激勵(lì)電壓的頻率產(chǎn)生向外輻射超聲波，該頻率就是傳感器的工作頻率。設(shè)計(jì)傳感器時(shí)應(yīng)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(fā)揮其最佳性能。工作頻率越高，聲波的穿透能力越強(qiáng)，但由于介質(zhì)的吸收、反射等原因產(chǎn)生的衰減也越大。此外，對(duì)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(guān)。當(dāng)波長(zhǎng)接近散射顆粒直徑，超聲波經(jīng)過散射后會(huì)在散射體周圍形成不同的聲場(chǎng)分布，通過散射回波就可得到有用的流速信息，所以波長(zhǎng)應(yīng)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(duì)于測(cè)量方法而言，時(shí)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(jì)算的工作頻率范圍為：0.1～1.5MHz。同時(shí)，傳感器工作頻率的選擇還要考慮與之匹配的測(cè)量電路的設(shè)計(jì)，工作頻率過高會(huì)增大測(cè)量電路的設(shè)計(jì)難度。通過理論計(jì)算和對(duì)多種壓電陶瓷材料進(jìn)行實(shí)際的試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)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(duì)溫度的敏感性，需要對(duì)其進(jìn)行溫度性能測(cè)試并根據(jù)測(cè)試結(jié)果確定是否采用溫度補(bǔ)償。考慮到傳感器的實(shí)際工作溫度在-20℃～80℃之間，因此在-40℃～100℃范圍內(nèi)對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行多溫度點(diǎn)測(cè)試，傳感器的輸出信號(hào)基本沒有變化，溫度穩(wěn)定性好，因此不需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。傳感器的阻抗—頻率特性對(duì)前置電路的設(shè)計(jì)十分重要，為確?；夭ㄐ盘?hào)的有效接收，需要對(duì)傳感器在其工作頻率下進(jìn)行電路模擬等效以便與前置測(cè)量電路進(jìn)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(duì)傳感器進(jìn)行阻抗-頻率性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)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(jīng)工作頻率上的阻抗或?qū)Ъ{的值，由此可以仿真出的傳感器的等效電路的參數(shù)值，可推算設(shè)計(jì)前置電路匹配輸入阻抗參數(shù)。

圖2 傳感器阻抗—頻率特性曲線

4 傳感器的功能測(cè)試

將傳感器安裝在室內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái)上的50mm 襯膠管道上進(jìn)行功能測(cè)試，管道中的流體為石膏粉與水的混合液，主要檢測(cè)傳感器對(duì)襯膠管道適用性，試驗(yàn)中可通過管道泵調(diào)節(jié)流體的流速。通過在不同流速下的測(cè)試，傳感器在襯膠管道上可以正常發(fā)射和接收信號(hào)，工作穩(wěn)定。圖3 為示波器觀察到的采用時(shí)差法時(shí)經(jīng)過調(diào)理后的脈沖發(fā)射信號(hào)（下）和接收信號(hào)（上）。使用頻差法時(shí)，流速在0.5m/s 以上時(shí)，通過頻譜儀可識(shí)別出接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的頻率變化，滿足實(shí)際流速（1.5m/s—3m/s）的測(cè)試要求。

圖3 傳感器發(fā)射及接收波形圖

5 結(jié)論

本文針對(duì)碳鋼襯膠管道的流量測(cè)量設(shè)計(jì)了一種超聲波傳感器，在敏感元件的選擇、工作頻率選擇、結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)、溫度性能、阻抗-頻率特性等方面進(jìn)行了探索研究，并且對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)和改進(jìn)。最后，有通過室內(nèi)的試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行了功能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，傳感器實(shí)現(xiàn)了在襯膠管道中的發(fā)送和接收信號(hào)的功能，具有較好通用性，可滿足漿液循環(huán)管道流量測(cè)量的要求。