超聲水流量檢測(cè)換能器使用特性及評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

姚 靈， 王讓定， 左富強(qiáng)， 王欣欣

（1.寧波水表股份有限公司，浙江寧波315032；2.寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江寧波 315211）

超聲水流量檢測(cè)換能器使用特性及評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

姚 靈1，2， 王讓定2， 左富強(qiáng)1， 王欣欣1

（1.寧波水表股份有限公司，浙江寧波315032；2.寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江寧波 315211）

超聲水流量檢測(cè)換能器的評(píng)價(jià)指標(biāo)是反映其使用特性的一個(gè)重要方面。對(duì)換能器評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)指標(biāo)試驗(yàn)方法及試驗(yàn)裝置等進(jìn)行了系統(tǒng)研究；采用自主研發(fā)的全性能試驗(yàn)裝置對(duì)超聲水流量檢測(cè)換能器進(jìn)行了性能和影響量試驗(yàn)，為換能器的篩選、配對(duì)和質(zhì)量控制提供了有效的方法和手段。

計(jì)量學(xué)；超聲時(shí)差測(cè)量法；超聲水流量檢測(cè)換能器；檢測(cè)換能器性能試驗(yàn)

1 引 言

超聲水流量檢測(cè)換能器是超聲水表、超聲熱量表及超聲流量計(jì)等產(chǎn)品的關(guān)鍵核心部件，也是超聲水流量傳感器的重要組成部分。它決定著超聲流量儀表的測(cè)量準(zhǔn)確性與長期工作的可靠性。因此，它在這類儀表中的重要性是不言而喻的［1］。

隨著超聲水流量儀表應(yīng)用面的拓展及普及率的上升，超聲水流量檢測(cè)換能器特性評(píng)價(jià)與試驗(yàn)方法無據(jù)可依或依據(jù)不充分的矛盾日見突出［2，3］。因此，系統(tǒng)開展超聲水流量換能器使用特性、評(píng)價(jià)指標(biāo)及試驗(yàn)方法等的研究與實(shí)踐，是確保超聲流量儀表產(chǎn)品準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠工作的基本保證，也是該類產(chǎn)品能否健康持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

2 換能器結(jié)構(gòu)及原理

超聲水流量檢測(cè)換能器通常采用圓薄片厚度振動(dòng)模式工作，其結(jié)構(gòu)通常被設(shè)計(jì)成圖1所示形式［4］。由于大多數(shù)超聲流量傳感器均工作于時(shí)差法測(cè)量原理，因此，一個(gè)換能器需同時(shí)兼?zhèn)浒l(fā)射和接收功能。超聲時(shí)差法流量儀表的正、逆向傳播時(shí)間t1－2、t2－1及時(shí)間差Δt與被測(cè)管道內(nèi)平均流速之間的關(guān)系如下［5］：式中，D為測(cè)量管直徑，v為測(cè)量管內(nèi)被測(cè)流體平均速度，φ為換能器連線（即超聲波傳播方向）與測(cè)量管軸線之間夾角，t1－2為超聲波正向傳播時(shí)間，t2－1為超聲波逆向傳播時(shí)間，Δt為超聲波正、逆向傳播時(shí)間差。

圖1 換能器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)發(fā)射電路對(duì)換能器1實(shí)施一定頻率的脈沖波激勵(lì)時(shí)，換能器1就會(huì)向換能器2發(fā)射超聲波束，同時(shí)在時(shí)點(diǎn)start處打開高精度計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)；換能器2接收到超聲波信號(hào)后在規(guī)定的信號(hào)時(shí)點(diǎn)stop處關(guān)閉計(jì)時(shí)器；超聲波從激勵(lì)至接收的這段傳播時(shí)間稱為正向傳播時(shí)間，反之則稱為逆向傳播時(shí)間。換能器超聲發(fā)射至接收的時(shí)間序列見圖2［6］。

圖2 超聲換能器發(fā)射接收時(shí)序示意圖

3 換能器使用特性

超聲換能器的主要作用是起到“電-聲”和“聲-電”轉(zhuǎn)換，并保證每次轉(zhuǎn)換過程的一致和穩(wěn)定。從實(shí)際使用情況看，更應(yīng)關(guān)注換能器的綜合使用特性［7］。

3.1 傳播時(shí)間及時(shí)間差的穩(wěn)定性

傳播時(shí)間t1－2及t2－1可由下式獲得

式中，c為超聲波在被測(cè)介質(zhì)中的傳播速度。正向與逆向傳播時(shí)間差

在聲速恒定（即溫度不變）、測(cè)量管幾何尺寸不變條件下，傳播時(shí)間和時(shí)間差均為管道內(nèi)流體平均流速v的函數(shù)，它們能間接反映出管內(nèi)流速乃至流量、累計(jì)流量的數(shù)值。因此，在規(guī)定時(shí)間段內(nèi)測(cè)量一組換能器的傳播時(shí)間及時(shí)間差的變化量就能綜合判別出超聲換能器實(shí)際工作的穩(wěn)定性及可靠性。

3.2 頻率與幅值的穩(wěn)定性

任何由壓電元件構(gòu)成的超聲換能器均有自身諧振頻率，當(dāng)換能器工作于諧振頻率時(shí)，可以取得最好的發(fā)射及接收效果，諧振頻率由下式給出：

式中，f為壓電元件中心頻率（即諧振頻率），kd為壓電元件材料的頻率常數(shù)，d為壓電元件厚度。

當(dāng)壓電元件的幾何尺寸和材料確定后，其中心頻率就基本恒定；當(dāng)換能器和測(cè)量管的幾何尺寸、阻抗匹配材料特性、發(fā)射激勵(lì)信號(hào)強(qiáng)度及頻率、以及工作環(huán)境溫、濕度等均不變時(shí)，接收換能器的輸出幅值也會(huì)基本保持不變。

頻率與幅值特性指標(biāo)不能隨時(shí)間發(fā)生變化，即換能器的“時(shí)漂”要足夠小。這些指標(biāo)是決定超聲波傳播時(shí)間一致與穩(wěn)定的決定因素。

3.3 耐環(huán)境影響特性

換能器工作時(shí)會(huì)受到環(huán)境條件的影響，如氣候環(huán)境的溫度、濕度變化等，機(jī)械環(huán)境的振動(dòng)、沖擊等，電磁環(huán)境的靜電放電、電脈沖群、靜磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)等影響。尤其是溫度和濕度變化非常容易引起被測(cè)介質(zhì)、壓電元件材料、阻抗匹配材料以及金屬材料等的特性變化，產(chǎn)生所謂的“溫漂”與“濕漂”。因此，換能器能否承受環(huán)境條件變化的影響，是決定換能器長期工作可靠性的重要指標(biāo)。

4 換能器評(píng)價(jià)指標(biāo)

為保證換能器裝入整機(jī)后能正常開展工作，必須對(duì)換能器的使用特性規(guī)定相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.1 工作頻率

換能器工作頻率是其固有諧振頻率。通常收發(fā)換能器工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，因此，其工作頻率就是它的串聯(lián)諧振頻率。串聯(lián)諧振頻率見下式：

式中，F(xiàn)s為串聯(lián)諧振頻率，L1為壓電元件的動(dòng)態(tài)電感，C1為壓電元件的動(dòng)態(tài)電容。

加工組裝后的換能器中心頻率會(huì)發(fā)生偏移，因此，實(shí)際使用時(shí)可以允許其有一定的公差Δf，即在Fs±Δf范圍內(nèi)工作。

4.2 輸出幅值

輸出幅值指的是超聲接收換能器電負(fù)載上所測(cè)得的接收信號(hào)電壓值，用Up－p（F）表示，當(dāng)工作頻率F恒定時(shí)，幅值也相對(duì)恒定。換能器工作時(shí)會(huì)受到各種因素影響（如阻抗匹配、安裝位置等），使接收到的電壓幅值發(fā)生一定變化，但在允許范圍±ΔU內(nèi)變化，即在Up－p（F）±ΔU時(shí)，換能器應(yīng)能正常工作。

4.3 傳播時(shí)間的重復(fù)性

傳播時(shí)間（或傳播時(shí)間差）的重復(fù)性可用來反映被測(cè)介質(zhì)處于靜止或流動(dòng)狀態(tài)時(shí)兩個(gè)換能器之間超聲波多次傳播時(shí)間的一致性，也是較短時(shí)間內(nèi)傳播時(shí)間離散性的一種定量評(píng)定。

傳播時(shí)間重復(fù)性評(píng)定公式如下

式中，σ為傳播時(shí)間重復(fù)性，t（1→2or2→1）i為換能器1至2或2至1任一次的傳播時(shí)間（指單向傳播），t1→2or2→1為換能器1至2或2至1連續(xù)多次傳播時(shí)間的平均值，t（1?2）i為換能器1至2及2至1的循環(huán)傳播時(shí)間（指雙向傳播）t1?2為換能器1至2及2至1連續(xù)多次傳播時(shí)間的平均值。

4.4 傳播時(shí)間的穩(wěn)定性

穩(wěn)定性指標(biāo)反映了一對(duì)換能器在較長時(shí)間工作中的變化特性，通常由換能器的零點(diǎn)穩(wěn)定性和穩(wěn)定流動(dòng)條件下的穩(wěn)定性所組成。

零點(diǎn)穩(wěn)定性指的是被測(cè)介質(zhì)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，換能器傳播時(shí)間差長時(shí)間工作的變化量。通常情況靜止?fàn)顟B(tài)下?lián)Q能器的傳播時(shí)間差應(yīng)趨近于零，并在零點(diǎn)附近作小范圍變化。穩(wěn)定流動(dòng)條件下的穩(wěn)定性指的是在被測(cè)介質(zhì)處于某一恒定流量流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，換能器傳播時(shí)間差長時(shí)間工作的變化量。

根據(jù)式（3），當(dāng)D、φ、c恒定不變，即測(cè)量管幾何形狀、換能器安裝位置及被測(cè)介質(zhì)溫度不變時(shí)，如v＝0，則Δt＝0；或v＝C1，則Δt＝C2（C1、C2為某一常數(shù)）。由于環(huán)境條件和機(jī)械結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力變化等因素，實(shí)際情況下的傳播時(shí)間差并不為零或?yàn)槟骋怀?shù)，而是隨時(shí)間發(fā)生一定的漂移，即在零點(diǎn)或某一工作點(diǎn)處產(chǎn)生所謂的“時(shí)漂”。

傳播時(shí)間差的時(shí)漂可以用d表示，因此，實(shí)際允許的傳播時(shí)間差應(yīng)被限制在Δt±δ范圍內(nèi)，否則將會(huì)影響換能器的正常工作。

4.5 環(huán)境與介質(zhì)影響量

換能器工作時(shí)其特性易受環(huán)境溫度、濕度、振動(dòng)等影響，也會(huì)受到被測(cè)介質(zhì)溫度及壓力等改變影響。因此，傳播時(shí)間差Δt可以表述為

式中，ΔT為環(huán)境溫度影響量，ΔH為環(huán)境濕度影響量，ΔZ為環(huán)境振動(dòng)影響量，ΔT′為被測(cè)介質(zhì)溫度影響量，ΔP′為被測(cè)介質(zhì)壓力影響量。

上述各種影響量均會(huì)影響換能器的正常工作狀態(tài)，造成其特性發(fā)生偏移。因此，需要根據(jù)超聲流量儀表測(cè)量準(zhǔn)確度要求分別設(shè)置相應(yīng)的允許偏移量予以規(guī)定。

5 試驗(yàn)裝置及方法

5.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由實(shí)流模擬、環(huán)境模擬、性能測(cè)量及保溫封閉管路等單元組成。其中，實(shí)流模擬單元由水流體驅(qū)動(dòng)、消振、流量穩(wěn)定、流量測(cè)控、水溫測(cè)控及壓力測(cè)控等部件組成；環(huán)境模擬單元由環(huán)境影響量控制部件、環(huán)境及時(shí)間參數(shù)測(cè)量部件、環(huán)境試驗(yàn)箱體、環(huán)境試驗(yàn)程序等組成；性能測(cè)量單元由測(cè)量臺(tái)架、角度調(diào)整機(jī)構(gòu)、換能器綜合特性測(cè)量部件等組成。試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)見圖3［8］。

試驗(yàn)裝置除了可實(shí)現(xiàn)對(duì)換能器工作頻率、輸出幅值、傳播時(shí)間及時(shí)間差的重復(fù)性、時(shí)間穩(wěn)定性、環(huán)境與介質(zhì)影響量等的試驗(yàn)外，還可進(jìn)行換能器指向性測(cè)量與換能器配對(duì)等工作。

圖3 換能器性能試驗(yàn)裝置示意圖

5.2 試驗(yàn)方法

將換能器安裝于測(cè)量臺(tái)架上，調(diào)整安裝軸線使接受換能器信號(hào)為最強(qiáng)；關(guān)閉管路閥門使流量為零，對(duì)換能器在靜態(tài)下的特性進(jìn)行測(cè)量與試驗(yàn)；調(diào)整管路流量、水溫、壓力，并使其穩(wěn)定，測(cè)量換能器在穩(wěn)態(tài)下的工作特性；改變環(huán)境溫度、濕度、振動(dòng)及介質(zhì)溫度和壓力，對(duì)換能器特性進(jìn)行各類組合測(cè)量與試驗(yàn)；在被測(cè)介質(zhì)流量處于靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)時(shí)，測(cè)量換能器的時(shí)間穩(wěn)定性等。

當(dāng)換能器批質(zhì)量預(yù)期良好時(shí)（即換能器材料特性和工藝穩(wěn)定），換能器1和2可以同為被測(cè)換能器，這樣可以提高測(cè)量效率。此時(shí)，如換能器1和2符合技術(shù)指標(biāo)要求，則配對(duì)同時(shí)成功；如果換能器批質(zhì)量參差不齊，可以將其中一個(gè)換能器換成標(biāo)準(zhǔn)換能器（注：標(biāo)準(zhǔn)換能器須經(jīng)老化處理和特性篩選），這樣可以對(duì)每個(gè)換能器進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量、挑選和分類，便于按不同性能分檔配對(duì)。

6 換能器試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)條件與結(jié)果

根據(jù)上述評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法，分別對(duì)4件超聲水流量檢測(cè)換能器處于靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)以及環(huán)境溫度變換時(shí)的基本性能進(jìn)行試驗(yàn)，主要試驗(yàn)結(jié)果列于表1～表3。（注：穩(wěn)定性試驗(yàn)是在每隔4小時(shí)進(jìn)行一次測(cè)量的條件下進(jìn)行。）

表1數(shù)據(jù)是換能器在管道內(nèi)水流處于靜止、介質(zhì)溫度17.8℃、環(huán)境溫度19℃、環(huán)境相對(duì)濕度78%條件下進(jìn)行的；表2數(shù)據(jù)是換能器在管道內(nèi)水流速度恒定為0.05 m／s（對(duì)DN100超聲水流量儀表而言，此時(shí)流量約為1.42 m3／h），其它條件與表1相同情況下進(jìn)行的；表3數(shù)據(jù)是換能器在管道內(nèi)水流速度恒定為0.05 m／s、介質(zhì)溫度17.8℃、環(huán)境溫度29℃、環(huán)境相對(duì)濕度78%條件下進(jìn)行的。

表1 換能器靜態(tài)性能試驗(yàn)結(jié)果

表2 換能器穩(wěn)態(tài)性能試驗(yàn)結(jié)果

表3 換能器環(huán)境溫度變化性能試驗(yàn)結(jié)果

6.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

從上述試驗(yàn)結(jié)果分析可知：

（1）換能器處于靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、介質(zhì)溫度不變、環(huán)境溫度變化10℃條件下，其工作頻率變化很小，通常不超過1%；其輸出幅值變動(dòng)量除了3號(hào)換能器較大外，其余比較穩(wěn)定，均未超過5%。由此可見，1、2、4號(hào)換能器能夠滿足產(chǎn)品整機(jī)設(shè)計(jì)的要求；3號(hào)換能器因輸出幅值波動(dòng)很大，達(dá)到25%左右，當(dāng)有干擾出現(xiàn)情況下，會(huì)導(dǎo)致超聲水流量儀表時(shí)間計(jì)數(shù)器關(guān)閉時(shí)刻的變化（見圖2），因此不宜采用。

（2）換能器在流速為0.05 m／s時(shí)，傳播時(shí)間差的重復(fù)性除了3號(hào)換能器仍較大外，其余均在1%以內(nèi)，變化幅度相對(duì)比較小。目前，通過對(duì)數(shù)據(jù)作平滑濾波處理，可以較大幅度降低測(cè)量數(shù)據(jù)中的隨機(jī)誤差，使超聲水流量儀表整機(jī)的測(cè)量重復(fù)性可以較好地控制在0.3%的范圍內(nèi)。

（3）從試驗(yàn)結(jié)果看，在相對(duì)濕度78%條件下，換能器仍能正常工作，表明換能器密封設(shè)計(jì)基本符合設(shè)計(jì)要求。

（4）管道流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，換能器傳播時(shí)間差的穩(wěn)定性間接反映了整機(jī)的“零漂”特性，因此穩(wěn)定性變動(dòng)大的換能器不宜裝機(jī)使用。

（5）當(dāng)環(huán)境溫度改變10℃時(shí)，換能器工作頻率和輸出幅值變化并不大，而且比較穩(wěn)定，但傳播時(shí)間差的穩(wěn)定性則有所擴(kuò)大，出現(xiàn)了所謂的“溫漂”現(xiàn)象，需要引起足夠關(guān)注。通?？梢圆捎脤?duì)壓電元件和換能器的溫度和功率雙重老化處理、選用溫度特性好的壓電材料等，將“溫漂”數(shù)值大幅降低。當(dāng)然，也可在超聲水流量儀表中采用環(huán)境溫度補(bǔ)償方法以實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)“溫漂”的補(bǔ)償。

將試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求的超聲換能器配對(duì)后裝配成DN50～250的超聲電子水表整機(jī)，經(jīng)浙江省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院型式試驗(yàn)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，測(cè)量準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到1級(jí)水平，流量測(cè)量范圍Q3／Q1≥250，整機(jī)重復(fù)性小于最大允許誤差絕對(duì)值的1／3。

7 結(jié) 論

建立和完善超聲水流量檢測(cè)換能器的評(píng)價(jià)指標(biāo)和試驗(yàn)方法、研制相應(yīng)的試驗(yàn)裝置，對(duì)確保超聲水流量傳感器乃至超聲電子水表、超聲流量計(jì)等產(chǎn)品的技術(shù)性能和質(zhì)量水平非常重要。由于目前國內(nèi)缺乏換能器專用試驗(yàn)設(shè)施，導(dǎo)致許多出廠超聲水流量測(cè)量儀表整機(jī)的使用可靠性和穩(wěn)定性存在隱性質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也不便于生產(chǎn)過程對(duì)關(guān)鍵部件產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控。

本項(xiàng)研究工作，在分析超聲換能器基本性能和使用特性基礎(chǔ)上，建立了換能器的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)、提出了相應(yīng)的試驗(yàn)方法、研制了綜合試驗(yàn)裝置，為超聲檢測(cè)換能器的性能測(cè)量、試驗(yàn)及特性配對(duì)提供了有效的方法和工具。

在試驗(yàn)、篩選、配對(duì)基礎(chǔ)上，今后還需加強(qiáng)對(duì)換能器選材、材料特性、換能器老化及穩(wěn)定性處理工藝等的研究，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)換能器可靠性與穩(wěn)定性的試驗(yàn)與研究，進(jìn)一步做好換能器的篩選與配對(duì)研究工作。

［1］ 姚靈.電子水表傳感與信號(hào)處理技術(shù)［M］.北京：中國質(zhì)檢出版社，2012，96－122.

［2］ 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB／T 778－2007.1～3，封閉滿管道中水流量的測(cè)量飲用冷水水表和熱水水表［S］.2007.

［3］ 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG1030－2007，超聲流量計(jì)［S］.2007.

［4］ 林書玉.超聲換能器的原理及設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006，207－258.

［5］ BS ISO／TR 12765，Measurement of fluid flow in closed conduits—Methods using transit-time ultrasonic flowmeters，1998［S］.1998.

［6］ ACAM mess electronic.GP22－EVA－KIT Evaluation System for TDC－GP21 Time－to－Digital Converter［EB／OL］.［2012-05-30］http：／／www.pmt－fl.com／downloads／tdc／DB_GP22－EVA_en.pdf

［7］ 欒桂冬、張金鐸、王仁乾.壓電換能器和換能器陣（修訂版）［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2005，73－100.

［8］ 姚靈、王讓定、左富強(qiáng)，等.一種超聲水流量換能器綜合性能實(shí)驗(yàn)裝置及其使用方法［P］.中國，201210573562.6，2012.

The Operational Performance and Evaluation Index Research of the Ultrasonic Water Flow Detection Transducer

YAO Ling1，2， WANG Rang-ding2， ZUO Fu-qiang1， WANG Xin-xin1
（1.Ningbo Water Meter Co.LTD，Ningbo，Zhejiang 315032，China；
2.Faculty of Information Science and Engineering，Ningbo University，Ningbo，Zhejiang 315211，China）

The evaluation index of ultrasonic water flow detection transducer is an important aspect for reflecting the transducer operational performance.The research details about the transducer evaluation index，evaluation index test method and performance test device were described.The performance and influence quantity test of the transducer has be done using a self-restraint transducer performance test device.The effective ways and means have be provided about ultrasonic water flow detection transducer screening，matching and quality control.

Metrology；Ultrasonic tranit-time difference measurement method；Ultrasonic Water flow detection transducer；Detection transducer performance test

TB937

A

1000-1158（2014）02-0151-06

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．02．12

2013-03-25；

2013-07-27

浙江省優(yōu)先主題重點(diǎn)工業(yè)項(xiàng)目（2010C11025）；寧波市重大科研攻關(guān)項(xiàng)目（2009B10003）

姚靈（1953－），男，浙江慶元人，寧波水表股份有限公司教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榱髁?、幾何量傳感與信號(hào)處理技術(shù)。13806630959＠139.com