超声波热量表换能器的性能提高

环球表计 20160905

  • 压电陶瓷
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  • 热量表

本文整理自8月18日北京“热计量技术深度研讨会”中科院声学所夏金东教授的发言。

国内不少热力公司在推动超声波热量表的使用，超声波热量表是利用超声波在流体中传播的物理特性实现流量计量，然后根据温度差异计算出热量。换能器是产生和接收超声波的器件，它把电能转换成声能传播到介质中，再接收超声波把声能转换成电信号，因此超声换能器的性能决定着发射声波的性能，也决定着接收声波电信号的性能，最终决定着热量表的性能。

超声波换能器的设计
超声波换能器的性能是设计出来的，在制作中实现，热力企业在应用中体现出来。超声换能器的设计包括：（1）声学指标设计；（2）制作工艺设计；（3）可靠性设计；（4）稳定性设计；（5）一致性设计。换能器设计的最终目标是在工作环境下最大程度地满足热量表系统的需求，具体来讲是在工作频率点接收换能器得到最佳信号波形，幅值高，波形稳态。

超声波热量表换能器的主要技术指标有工作频带、发射电压灵敏度、接收电压灵敏度、指向性开角、绝缘电阻、工作频率点阻抗。这些技术指标参数有些相互影响，在设计时要找到一个最佳平衡点。

压电元件是压电换能器的核心。压电元件种类很多：压电单晶、压电陶瓷、PVDF、压电复合材料、玻璃陶瓷、弛豫铁电单晶等。其中压电陶瓷具有价格低廉、压电性能优越、种类繁多、机械强度高、易于成型、工艺成熟、性能稳定等优点，目前占据压电换能器领域的支配地位。

根据目前超声波热量表换能器的工作频率，选用的压电元件主要是工作在厚度模式。换能器有三部分组成：支撑座、压电陶瓷、辐射面，看起来很简单，但仍有很多设计、工艺问题需要解决。


超声波换能器成对使用，要得到最佳的谐振波形，就需要在发射电压灵敏度曲线和接收灵敏度曲线之间找到一个最佳的频率点，这个频率点由工作频率决定，通常比工作频率稍低一些，这是换能器设计的一个重要原则！超声波换能器的设计由收发系统特性决，系统工作频率、器件工作频率、压电元件频率三者之间有一个相互关系，超声波换能器的设计是系统的设计，而不是压电片的选择。


超声波换能器的研制
设计好的超声波换能器要制造出来，实现可靠性、稳定性和批量生产的一致性是生产企业非常关注的问题，这要求在工艺上下很多功夫。

首先要选取合适的材料，最核心的就是压电功能材料的选取，压电陶瓷有很多品种，一定要选择热稳定性、压力稳定性能强的品种；非功能材料包括封装的高分子材料和金属材料的温度及压力稳定性要可靠；粘接胶的选择也很关键。

另外是工艺控制，如何保证批量生产的一致性对生产企业的质量控制非常重要。

小结：换能器研制，小器件大文章，例如要满足高温高压下的性能要求；模拟器件设计可控性差，不同于数字器件；电路和处理方法等，在热量表的问题中换能器占了很大一部分，所以说换能器装配工艺细节决定着换能器的性能成败。

超声波换能器引发的热量表问题

  1. 波形选择：发射波形往往是脉冲波，脉冲波里加载波调制，使换能器尽量选择谐振波形

  2. 频率选择

  3. 同一标准缺失

  4. 失效问题：耐温性能差、压力稳定性差、抗疲劳性能差

  5. 可靠性，稳定性，一致性：要满足热量表系统要求，可以长时间在温压下工作，互换性要增加

  6. 检验标准：需要建立热量表换能器的行业检验标准，使实验和检验有标可稽。


超声波换能器及热量表的性能提升

  • 优化换能器设计，如改进新的结构、应用新的材料、提出更高的性能指标要求、如何容易检测到第一个波。

  • 探索制作工艺、新的装配工艺，提高可靠、稳定性


小结：
1、换能器的可靠及稳定性直接影响热量表的可靠及稳定性；
2、换能器接收信号的质量影响测量精度；
3、换能器结构减少噪声；
4、传播时间测量的分辨率。



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