基于體橫波傳感器的新型低功耗超聲波流量計(jì)探頭設(shè)計(jì)與研究

王洪亮，顧永偉，翟松茂

（1.常州工學(xué)院 航空與機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州213032；2.上海ABB工程有限公司，上海201319；3.寧波巨神制泵實(shí)業(yè)有限公司，浙江 寧波315137）

0 引言

超聲波流量計(jì)因具有非接觸式、易安裝和無(wú)壓損等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在能源、化工、環(huán)保和給排水等諸多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。超聲波探頭是超聲流量計(jì)的關(guān)鍵部件之一，其探頭的信噪比和性能優(yōu)劣，直接影響了流量計(jì)的計(jì)量精度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)采用折射法的超聲波流量計(jì)進(jìn)行了大量的研究工作[1-8]，但折射法超聲波流量計(jì)已漸漸不能滿足高計(jì)量精度和高溫介質(zhì)的技術(shù)需求。

本文通過(guò)改變超聲探頭的橫波產(chǎn)生方式，來(lái)達(dá)到提高透射超聲波能量的目的，進(jìn)而提高了超聲信號(hào)的信噪比，同時(shí)提高了的傳感器的靈敏度，有利于提高超聲流量計(jì)的計(jì)量精度。體橫波在無(wú)損探傷等工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用已不少見(jiàn)[9-12]，有些公司也已經(jīng)推出部分商業(yè)化產(chǎn)品，但將體橫波用于超聲流量計(jì)的設(shè)計(jì)鮮有研究。

1 探頭能量損失分析

傳統(tǒng)的折射法超聲波流量計(jì)的探頭主要利用折射法產(chǎn)生橫波，而橫波的產(chǎn)生主要依賴于探頭聲楔塊與金屬管材之間的聲速差異。根據(jù)Snell折射定律，當(dāng)入射角大于縱波臨界角時(shí)，縱波不可能存在，僅存在橫波。以鋼管為例，臨界入射角約為25°。在臨界角附近，容易形成板波或者爬波，因此楔塊的入射角都會(huì)選擇明顯大于此臨界角，比如45°，以避免形成其它波，造成能量損失。同時(shí)該角度又不能過(guò)大，因?yàn)闀r(shí)差法需要聲程與流速方向成一角度，這樣聲程在流速方向上會(huì)有一個(gè)恰當(dāng)?shù)耐队伴L(zhǎng)度，以便于測(cè)得超聲波在流體中順流和逆流產(chǎn)生的時(shí)間差。這兩者之間存在一個(gè)權(quán)衡，因此入射角僅有一個(gè)不大的范圍可供選擇。

采用折射法探頭進(jìn)行測(cè)量過(guò)程中會(huì)損失很多能量。主要的原因在于：低聲速的楔塊往往意味著其聲阻抗較低，一般僅有3.5 MRayl左右，而壓電片聲阻抗通常在16 MRayl～26 MRayl之間，鋼管的橫波聲阻抗也在19 MRayl～30MRayl之間，構(gòu)成了高-低-高的阻抗結(jié)構(gòu)，形成了明顯的聲阻抗不匹配，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致聲波能量透過(guò)效率大大降低；波型轉(zhuǎn)換必定會(huì)損失能量；探頭設(shè)計(jì)中一般都會(huì)盡量選擇透射率較高的角度，但存在波型轉(zhuǎn)換要求，較強(qiáng)地限制了可選范圍，實(shí)際中仍會(huì)有相當(dāng)多的應(yīng)用受此限制，造成的常見(jiàn)負(fù)面影響是相當(dāng)一部分能量沿著管壁表面?zhèn)鞑?，并逐漸耗散掉。

從能量角度來(lái)看，體橫波探頭的聲波傳播過(guò)程避免了上述缺點(diǎn)。體橫波探頭可以通過(guò)厚度切變模式來(lái)直接激勵(lì)出橫波，沒(méi)有波型轉(zhuǎn)換的過(guò)程，故可直接選用鋼或者鋁作為體橫波探頭的楔塊材料，其楔塊材料的阻抗也更接近管材，由聲阻抗差異導(dǎo)致的能量損失可以降到最低，并可以提高超聲信號(hào)的信噪比與測(cè)量精度，拓寬探頭的工作溫度范圍，入射角度的選擇也可以更寬。

2 試驗(yàn)研究

在常見(jiàn)的4寸不銹鋼管上，以常用的單聲程安裝方式對(duì)1 MHz的折射法橫波傳感器進(jìn)行測(cè)試，如圖1所示。先在不銹鋼管道上用1 MHz CRS折射法探頭進(jìn)行試驗(yàn)，其管道內(nèi)徑為DN100 mm，壁厚為4.5 mm。

圖1 1MHz CRS折射法探頭

采用信號(hào)發(fā)生器Agilent 33220A，激勵(lì)設(shè)定見(jiàn)表1。

表1 信號(hào)發(fā)生器激勵(lì)設(shè)定

安裝方式為單聲程，采用Z法安裝，傳感器間距為51 mm，回波信號(hào)用示波器顯示，如圖2所示，回波信號(hào)的幅值約為87 mV。

圖2 1MHz CRS折射法回波信號(hào)幅值

全新設(shè)計(jì)的UTX系列流量計(jì)體橫波探頭見(jiàn)圖3，信號(hào)發(fā)生器激勵(lì)設(shè)定見(jiàn)表2。

表2 信號(hào)發(fā)生器激勵(lì)設(shè)定

圖3 UTX橫波探頭

將體橫波探頭在圓柱形不銹鋼的試塊上進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)聲速的判斷，確定發(fā)出的為體橫波信號(hào)，橫波信號(hào)由不銹鋼圓柱底部反射回來(lái)。

此不銹鋼圓柱體的高度為37.5 mm，鋼中橫波聲速約為3 230 m/s，因此連續(xù)兩次反射波之間時(shí)間間隔的計(jì)算值約為37.5×2/3.23=23.2μs。UTX體橫波探頭在鋼塊中的回波信號(hào)幅值如圖4，圖中第一個(gè)豎線處的波離始波的時(shí)間間隔Δt同樣為21μs，因此為橫波，比較接近計(jì)算值。

圖4 UTX體橫波探頭在鋼塊中的回波信號(hào)幅值

第二個(gè)豎線處的波本應(yīng)比第一個(gè)小，但其中有縱波的成分疊加，因此反而在幅值上超過(guò)了第一個(gè)波。這兩個(gè)波之間也有一個(gè)波存在，時(shí)間差不多位于兩者中間，這個(gè)波就是縱波。圖中第一個(gè)豎線對(duì)應(yīng)第一反射回波，幅值約為80 mV。

將CRS探頭（傳統(tǒng)的靠折射產(chǎn)生橫波的探頭）在標(biāo)準(zhǔn)65 mm高的碳鋼試塊（無(wú)損探傷用CSK-IA）的一側(cè)圓弧面上做反射測(cè)試。

其后又用CRS在標(biāo)準(zhǔn)碳鋼試塊上測(cè)試，因此連續(xù)兩次反射波之間時(shí)間間隔的計(jì)算值約為65×2/3.23=40.25μs。圖5為CRS探頭在標(biāo)準(zhǔn)碳鋼試塊的反射波傳播時(shí)間差，其實(shí)測(cè)值為39μs，此波為普通斜探頭在鋼中激勵(lì)出來(lái)的橫波，圖6顯示此橫波幅值約為28 mV。

圖5 CRS探頭在標(biāo)準(zhǔn)碳鋼試塊的反射波傳播時(shí)間差Δt

圖6 CRS探頭在標(biāo)準(zhǔn)碳鋼試塊的回波信號(hào)幅值

從鋼塊上的反射信號(hào)來(lái)看，兩種探頭反射信號(hào)的位置都略有偏差，這是由反射波波包中極大值位置的偏移導(dǎo)致的，在實(shí)際應(yīng)用中，可以借助儀表變送器中的軟件算法排除掉。

CRS探頭的晶片尺寸為20 mm×20 mm，130 mm的傳播距離對(duì)應(yīng)28 mV的信號(hào)強(qiáng)度，而橫波探頭UTX的晶片尺寸僅為8 mm×3 mm，75 mm的傳播距離對(duì)應(yīng)80 mV的信號(hào)強(qiáng)度。若UTX橫波傳播路徑長(zhǎng)度與CRS相同，信號(hào)強(qiáng)度將下降到40 mV左右。在發(fā)射孔徑相差16倍的前提下，UTX的反射信號(hào)反而比CRS的反射信號(hào)要強(qiáng)。

根據(jù)在鋼試塊上的測(cè)試結(jié)果，可以進(jìn)一步推測(cè)：若將UTX探頭用Z法同樣安裝在4寸不銹鋼管道上，信號(hào)會(huì)超過(guò)87 mV（CRS探頭在4寸管道上的測(cè)試結(jié)果）。

3 結(jié)論

基于體橫波傳感器對(duì)新型低功耗超聲波流量計(jì)探頭進(jìn)行了深入的研究與試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

（1）體橫波探頭由于其產(chǎn)生過(guò)程不依靠波型轉(zhuǎn)換，因此在波型轉(zhuǎn)換方面可以避免能量損失，從而在入射和接收兩個(gè)環(huán)節(jié)都可以節(jié)約因波形轉(zhuǎn)換造成的能量損失。

（2）體橫波探頭可以在楔塊材料的選擇上有更大的空間，可以直接選用鋼或者鋁作為楔塊，因其聲阻抗接近管壁材料，從而進(jìn)一步避免能量損失，能有效提高超聲信號(hào)的信噪比與測(cè)量精度，并能大大拓展探頭的工作溫度范圍。

（3）傳統(tǒng)折射法超聲波流量計(jì)探頭的入射角度過(guò)于狹窄，而采用體橫波的探頭入射角有更大的設(shè)計(jì)自由度。

（4）通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)體橫波探頭在產(chǎn)生橫波時(shí)無(wú)法避免縱波的產(chǎn)生，因此存在雜波的干擾，同時(shí)縱波的聲速接近橫波的兩倍，很可能導(dǎo)致兩者在縱波的偶數(shù)周期內(nèi)重疊，對(duì)信號(hào)處理帶來(lái)難度。后續(xù)需要對(duì)采用體橫波激勵(lì)的信號(hào)處理進(jìn)行大量的試驗(yàn)和研究。后續(xù)試驗(yàn)也將在改進(jìn)體橫波探頭及配套夾具設(shè)計(jì)完畢后進(jìn)行，并在后續(xù)試驗(yàn)中將進(jìn)行聲阻抗的匹配、臨界入射角的最佳選擇，探頭材料選擇（塑料、陶瓷及金屬）等問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步研究，并拓展到基于體橫波傳感器的高溫探頭研發(fā)。