超聲波流量傳感器

任何超聲測量方法都是根據聲傳播時間和波幅或頻率變化的分析來進行。當然，超聲測流方法也不可能例外。因此，對超聲波在物質中的傳播特點以及超聲傳感器需要有所了解.

    一、超聲波

    1.聲速

超聲波在不同媒質中傳播速度c是不一樣的.氣體在350m/s左右;液體1500m/s左右;固體5000m/s左右。表4.4列出了一些物質的聲速、密度和特性阻抗。

   注:1.cL和cT分別為無限固體介質中縱波聲速和橫波聲速；cp為板中縱波聲速；cB為棒中縱波聲速。

      2.高分子材料的聲速與頻率有關，表中為1MHz時的聲速值。

2.聲衰減

  在空氣中傳播的超聲波除了因擴散引起衰減外，由于空氣中黏滯性、熱傳導以及分子的吸收也會引起聲的衰減。衰減系數α按Kirchoff理論為

μ—黏滯系數;

κ—熱傳導系數;

γ—比熱容比;

cν—比定容熱容;

w—2πf角頻率;

ρ—密度;

c—聲速。

由式（4.5），20℃時的空氣α[m-1]為

式中f——超聲波頻率，Hz

  對于水

此處的1/α是位移幅度衰減到1/e （e為自然對數的底）的距離，如用x代表距離，則空氣

    表4.5為改變上式中的頻率求取x值所得結果。從表中所得結果看出，空氣與水相比，其聲衰減隨頻率的增大而急劇增加，即空氣（各種氣體均如此）不利于高頻聲傳播，衰減很快，如500kHz以上.實際上，會由于媒質的不均勻、雜質的存在等因素還有所變化。頻率低衰減固然小，但*的指向性會差，易受干擾。故液體中超聲頻率取1~5MHz,而氣體中取50~300kHz。當然，選擇工作頻率時，還應考慮*之間的距離（聲程）以及測量的精確度等。

3.特性阻抗與聲反射、聲折射和聲散射

    特性阻抗z表示媒質聲特性的特征值，由媒質的密度ρ和聲速c之積確定.氣體、液體與固體的特性阻抗之比約為1 : 3000 : 80000，它們的差異比較大.超聲波從一種媒質進入另一種媒質的能力取決于它們的特性阻抗.表4.6列出了不同物質正人射時的聲能反射量，即反射系數.聲的反射和折射依據斯奈爾（（Snell ）定律，即人射角αi等于反射角。αr;折射率為sinαi/c1=sinaαr/c1=sinaαt/c2=常數。如圖4.3所示。縱波從流體向固體傾斜射入（流體中只存在縱波），在固體中除縱波外，還存在橫波.分界面法線的縱波人射角為αi、反射角為αr、折射角為αt、橫波的折射角為αt′。媒質I. II中的縱波速度為c1、c2橫波的速度為c′2另外，高頻率的超聲波，如2MHz，在照射到含有氣泡和固體顆粒的液體時，會產生聲散射。）

4.*的指向性

一個*的指向性可用下式表達sinβ=1.22λ/D

式中β—指向性半角;

    λ—波長;

    D—圓形輻射面直徑。

    圖4.4所示為指向性圖.氣介*的β角一般取3°~7°，液介*一般取2°~1°可以說*的指向性均要求尖銳，以使聲能較為集中。

    二、*

    *是一種電聲轉換器件.它的核心是壓電元件，由PZT（鋯鈦酸鉛）、PVDF（聚偏氟乙烯）等壓電材料側成。表4.7a是壓電材料的物理特性。表4. 7b是壓電材料的一些物理常數。

設計壓電元件時的技術要求有以下幾點。

    ①表面應平整、無缺損、色擇均勻，無電擊痕跡。

    ②材料的厚向耦合系數要高，壓電常數d,g高，機械品質因數和介電系數大小適當。

    ③頻率高低應考慮到被測介質、管徑、儀表技術性能的要求。

    ④給出外形尺寸和電極樣式。一般來說，壓電元件均是向元件制造廠定制的。

用于測量液體流量的*，其工作頻率在0.5~5MHz. PZT壓電薄片（圓片、半圓片、方形、矩形）換能器是常用的，它的頻率由下式確定

式中kd—頻率常數，PZT約為2200；

D——厚度（應遠小于橫向尺寸）。

一個1MHz的PZT壓電圓片，直徑在10~30mm，厚約2mm；1.5MHz的直徑在15mm左右，厚約1.3mm。壓電圓片換能器有三種基本結構，如圖4.5所示。圖4.5（a）所示是兩端空氣介質的圓片換能器（適用于氣體介質），若在聲輻射面加上一個1/4波長厚度的匹配層（或稱匹配器）就可以有效地提高發射和接手效率。雙層匹配效果會更好。匹配層采用低密度、低能器，一端與液體接觸輻射聲波，另一端用于輸入（出）電信號。若前后端設置匹配層，也可以有效地提高電聲轉換效率和擴展頻帶寬度。圖4.5（c）所示是一種帶聲導體的*，適用于液體介質（尤其是高溫介質等場合）。它的一端固體（聲導體）接觸，另一端為電的輸入（出）口。這種換能器需要通過耦合介質（油脂、甘油、硅脂等）與聲導體實現聲耦合，甚至直接將他們焊在一起。圖4.6所示是幾種使用超聲流量傳感器的結構示意圖，適用于不同種類的超聲流量傳感器。*的結構設計上應慎重考慮如下幾個問題。

①足夠的靈敏度和合適的聲束指向性。

②信號波形畸變小、無雜波，對于脈沖信號前沿要陡峭為佳。

③密封性好。

④耐環境腐蝕、振動、溫度等。

⑤足夠的機械強度

⑥安裝方便等。

用于氣體的*工作頻率比較低，一般在40~200kHz。明渠超聲流量計所用的*多數在60kHz左右。*的振動模式、計算公式和結構較為復雜，對于匹配器要求也高。此類*，除壓電圓片、短圓柱換能器外，還有彎曲式、夾心式，以及管狀*，其中以夾心式換能器zui為重要，如圖4.7所示。它的前蓋板是鋁合金

或鈦合金，后蓋板通常為鋼或黃銅，中間為環形壓電元件以偶數疊合，相鄰兩片的極性相反，電極片間相關聯。三者用預應力螺桿夾緊.設計者請參閱本章所列文獻中的[4.6]和[4.7]。

三、超聲流量傳感器

    超聲流量傳感器是超聲流量計的重要組成部分，包含換能器、管道（或標準管段），以及安裝附件等。換能器質*劣、聲道尺寸（聲程、聲道角、管經、管段等）、耐壓、耐環境溫度、耐腐蝕性能對傳感器來講均十分重要.    傳感器中，超聲（或聲）換能器數目從1個到10個以上都有。在無源的流量開關中，僅用一個.通常傳感器使用1-5對換能器，甚至更多，以提高流速側盆的精確度.每一對換能器都是可逆的，即它們可以交替發射和接收聲信號.聲傳播的路線通常稱之為聲道，按幾何聲學聲道應是線狀的單聲道的形狀有Z式、V式、w式等.2-5聲道的多平行于圓管直徑等距離排列，或采用矩陣式排列，使聲道在流速剖面上呈網狀分布，如圖4.2和圖4.8所示。

 另一種選擇是取侵入式（穿透管壁的）還是非侵入式的*.侵入式的與流體直接相接觸，聲道多樣化，機械尺寸較為精確，如圖4.2所示.而且穿過流體（這里指液體）的檢測角（或稱聲道角）比非侵入式的要大約45°。這樣，對流速的變化較為靈敏。一定情況下，*所產生的聲脈沖信號前沿也可以做得很陡。為了使用方便，將侵人式傳感器設計成帶有法蘭的標準管段，并成系列化.對于水泥管，可將*置于管內壁上，常稱內置式。

    非侵入式傳感器，或稱夾緊式，用于安裝在已有管道上，亦可做成管段式.其基本的構成如圖4.9所示。超聲波通過聲楔（塑料制品或金屬材料）進入管道和液體，按照斯奈爾定律，始發的聲波為縱波，在鋼管的界面上出現橫波和縱波，僅使橫波進入液體，而將縱波全反射掉。超聲波進入液體后又變成縱波，穿越液體后，經對面的管壁、聲楔，為另一*所接收。從*1到*2的聲信號為順向;反之為逆向。非侵人式超聲流量傳感器的優點是不破壞管壁的完整性，不影響流體.若聲楔為塑料制成，角α約40°.聲波由于折射而多次改變方向，超聲信號損耗較大，并伴有形狀變化，尤其對脈沖信號。

    各種超聲流量傳感器的用途和適用范圍如下.

    （1）夾裝式傳感器 換能器在管道外安裝，適用于固定式或便攜式。換能器不接觸液體，不干擾流場、不受流體壓力的影響，特別適合封閉管道中高壓、強腐蝕和放射性液體流量的*或短時測量。

    （2）插人式傳感器 用于管壁允許打通孔的管道。可以是標準管段式的或現有管道.不少產品維修可不影響管道正常工作。

    （3）內置式傳感器 安裝于混凝土管或其管壁不允許打孔、換能器不能在管外進行安裝的管道。