王洪亮，顾永伟，翟松茂

（1.常州工学院 航空与机械工程学院，江苏 常州213032；2.上海ABB工程有限公司，上海201319；3.宁波巨神制泵实业有限公司，浙江 宁波315137）

0 引言

超声波流量计因具有非接触式、易安装和无压损等优点，近年来在能源、化工、环保和给排水等诸多行业得到了广泛应用。超声波探头是超声流量计的关键部件之一，其探头的信噪比和性能优劣，直接影响了流量计的计量精度。国内外学者们对采用折射法的超声波流量计进行了大量的研究工作[1-8]，但折射法超声波流量计已渐渐不能满足高计量精度和高温介质的技术需求。

本文通过改变超声探头的横波产生方式，来达到提高透射超声波能量的目的，进而提高了超声信号的信噪比，同时提高了的传感器的灵敏度，有利于提高超声流量计的计量精度。体横波在无损探伤等工业领域的技术应用已不少见[9-12]，有些公司也已经推出部分商业化产品，但将体横波用于超声流量计的设计鲜有研究。

1 探头能量损失分析

传统的折射法超声波流量计的探头主要利用折射法产生横波，而横波的产生主要依赖于探头声楔块与金属管材之间的声速差异。根据Snell折射定律，当入射角大于纵波临界角时，纵波不可能存在，仅存在横波。以钢管为例，临界入射角约为25°。在临界角附近，容易形成板波或者爬波，因此楔块的入射角都会选择明显大于此临界角，比如45°，以避免形成其它波，造成能量损失。同时该角度又不能过大，因为时差法需要声程与流速方向成一角度，这样声程在流速方向上会有一个恰当的投影长度，以便于测得超声波在流体中顺流和逆流产生的时间差。这两者之间存在一个权衡，因此入射角仅有一个不大的范围可供选择。

采用折射法探头进行测量过程中会损失很多能量。主要的原因在于：低声速的楔块往往意味着其声阻抗较低，一般仅有3.5 MRayl左右，而压电片声阻抗通常在16 MRayl～26 MRayl之间，钢管的横波声阻抗也在19 MRayl～30MRayl之间，构成了高-低-高的阻抗结构，形成了明显的声阻抗不匹配，进而会导致声波能量透过效率大大降低；波型转换必定会损失能量；探头设计中一般都会尽量选择透射率较高的角度，但存在波型转换要求，较强地限制了可选范围，实际中仍会有相当多的应用受此限制，造成的常见负面影响是相当一部分能量沿着管壁表面传播，并逐渐耗散掉。

从能量角度来看，体横波探头的声波传播过程避免了上述缺点。体横波探头可以通过厚度切变模式来直接激励出横波，没有波型转换的过程，故可直接选用钢或者铝作为体横波探头的楔块材料，其楔块材料的阻抗也更接近管材，由声阻抗差异导致的能量损失可以降到最低，并可以提高超声信号的信噪比与测量精度，拓宽探头的工作温度范围，入射角度的选择也可以更宽。

2 试验研究

在常见的4寸不锈钢管上，以常用的单声程安装方式对1 MHz的折射法横波传感器进行测试，如图1所示。先在不锈钢管道上用1 MHz CRS折射法探头进行试验，其管道内径为DN100 mm，壁厚为4.5 mm。

图1 1MHz CRS折射法探头

采用信号发生器Agilent 33220A，激励设定见表1。

表1 信号发生器激励设定

安装方式为单声程，采用Z法安装，传感器间距为51 mm，回波信号用示波器显示，如图2所示，回波信号的幅值约为87 mV。

图2 1MHz CRS折射法回波信号幅值

全新设计的UTX系列流量计体横波探头见图3，信号发生器激励设定见表2。

表2 信号发生器激励设定

图3 UTX横波探头

将体横波探头在圆柱形不锈钢的试块上进行测试，通过声速的判断，确定发出的为体横波信号，横波信号由不锈钢圆柱底部反射回来。

此不锈钢圆柱体的高度为37.5 mm，钢中横波声速约为3 230 m/s，因此连续两次反射波之间时间间隔的计算值约为37.5×2/3.23=23.2μs。UTX体横波探头在钢块中的回波信号幅值如图4，图中第一个竖线处的波离始波的时间间隔Δt同样为21μs，因此为横波，比较接近计算值。

图4 UTX体横波探头在钢块中的回波信号幅值

第二个竖线处的波本应比第一个小，但其中有纵波的成分叠加，因此反而在幅值上超过了第一个波。这两个波之间也有一个波存在，时间差不多位于两者中间，这个波就是纵波。图中第一个竖线对应第一反射回波，幅值约为80 mV。

将CRS探头（传统的靠折射产生横波的探头）在标准65 mm高的碳钢试块（无损探伤用CSK-IA）的一侧圆弧面上做反射测试。

其后又用CRS在标准碳钢试块上测试，因此连续两次反射波之间时间间隔的计算值约为65×2/3.23=40.25μs。图5为CRS探头在标准碳钢试块的反射波传播时间差，其实测值为39μs，此波为普通斜探头在钢中激励出来的横波，图6显示此横波幅值约为28 mV。

图5 CRS探头在标准碳钢试块的反射波传播时间差Δt

图6 CRS探头在标准碳钢试块的回波信号幅值

从钢块上的反射信号来看，两种探头反射信号的位置都略有偏差，这是由反射波波包中极大值位置的偏移导致的，在实际应用中，可以借助仪表变送器中的软件算法排除掉。

CRS探头的晶片尺寸为20 mm×20 mm，130 mm的传播距离对应28 mV的信号强度，而横波探头UTX的晶片尺寸仅为8 mm×3 mm，75 mm的传播距离对应80 mV的信号强度。若UTX横波传播路径长度与CRS相同，信号强度将下降到40 mV左右。在发射孔径相差16倍的前提下，UTX的反射信号反而比CRS的反射信号要强。

根据在钢试块上的测试结果，可以进一步推测：若将UTX探头用Z法同样安装在4寸不锈钢管道上，信号会超过87 mV（CRS探头在4寸管道上的测试结果）。

3 结论

基于体横波传感器对新型低功耗超声波流量计探头进行了深入的研究与试验，主要结论如下：

（1）体横波探头由于其产生过程不依靠波型转换，因此在波型转换方面可以避免能量损失，从而在入射和接收两个环节都可以节约因波形转换造成的能量损失。

（2）体横波探头可以在楔块材料的选择上有更大的空间，可以直接选用钢或者铝作为楔块，因其声阻抗接近管壁材料，从而进一步避免能量损失，能有效提高超声信号的信噪比与测量精度，并能大大拓展探头的工作温度范围。

（3）传统折射法超声波流量计探头的入射角度过于狭窄，而采用体横波的探头入射角有更大的设计自由度。

（4）通过测试发现体横波探头在产生横波时无法避免纵波的产生，因此存在杂波的干扰，同时纵波的声速接近横波的两倍，很可能导致两者在纵波的偶数周期内重叠，对信号处理带来难度。后续需要对采用体横波激励的信号处理进行大量的试验和研究。后续试验也将在改进体横波探头及配套夹具设计完毕后进行，并在后续试验中将进行声阻抗的匹配、临界入射角的最佳选择，探头材料选择（塑料、陶瓷及金属）等问题进行进一步研究，并拓展到基于体横波传感器的高温探头研发。