超声水流量检测换能器使用特性及评价指标研究

姚 灵， 王让定， 左富强， 王欣欣

（1.宁波水表股份有限公司，浙江宁波315032；2.宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波 315211）

超声水流量检测换能器使用特性及评价指标研究

姚 灵1，2， 王让定2， 左富强1， 王欣欣1

（1.宁波水表股份有限公司，浙江宁波315032；2.宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波 315211）

超声水流量检测换能器的评价指标是反映其使用特性的一个重要方面。对换能器评价指标、评价指标试验方法及试验装置等进行了系统研究；采用自主研发的全性能试验装置对超声水流量检测换能器进行了性能和影响量试验，为换能器的筛选、配对和质量控制提供了有效的方法和手段。

计量学；超声时差测量法；超声水流量检测换能器；检测换能器性能试验

1 引 言

超声水流量检测换能器是超声水表、超声热量表及超声流量计等产品的关键核心部件，也是超声水流量传感器的重要组成部分。它决定着超声流量仪表的测量准确性与长期工作的可靠性。因此，它在这类仪表中的重要性是不言而喻的［1］。

随着超声水流量仪表应用面的拓展及普及率的上升，超声水流量检测换能器特性评价与试验方法无据可依或依据不充分的矛盾日见突出［2，3］。因此，系统开展超声水流量换能器使用特性、评价指标及试验方法等的研究与实践，是确保超声流量仪表产品准确、稳定、可靠工作的基本保证，也是该类产品能否健康持续发展的关键。

2 换能器结构及原理

超声水流量检测换能器通常采用圆薄片厚度振动模式工作，其结构通常被设计成图1所示形式［4］。由于大多数超声流量传感器均工作于时差法测量原理，因此，一个换能器需同时兼备发射和接收功能。超声时差法流量仪表的正、逆向传播时间t1－2、t2－1及时间差Δt与被测管道内平均流速之间的关系如下［5］：式中，D为测量管直径，v为测量管内被测流体平均速度，φ为换能器连线（即超声波传播方向）与测量管轴线之间夹角，t1－2为超声波正向传播时间，t2－1为超声波逆向传播时间，Δt为超声波正、逆向传播时间差。

图1 换能器结构图

当发射电路对换能器1实施一定频率的脉冲波激励时，换能器1就会向换能器2发射超声波束，同时在时点start处打开高精度计时器进行计时；换能器2接收到超声波信号后在规定的信号时点stop处关闭计时器；超声波从激励至接收的这段传播时间称为正向传播时间，反之则称为逆向传播时间。换能器超声发射至接收的时间序列见图2［6］。

图2 超声换能器发射接收时序示意图

3 换能器使用特性

超声换能器的主要作用是起到“电-声”和“声-电”转换，并保证每次转换过程的一致和稳定。从实际使用情况看，更应关注换能器的综合使用特性［7］。

3.1 传播时间及时间差的稳定性

传播时间t1－2及t2－1可由下式获得

式中，c为超声波在被测介质中的传播速度。正向与逆向传播时间差

在声速恒定（即温度不变）、测量管几何尺寸不变条件下，传播时间和时间差均为管道内流体平均流速v的函数，它们能间接反映出管内流速乃至流量、累计流量的数值。因此，在规定时间段内测量一组换能器的传播时间及时间差的变化量就能综合判别出超声换能器实际工作的稳定性及可靠性。

3.2 频率与幅值的稳定性

任何由压电元件构成的超声换能器均有自身谐振频率，当换能器工作于谐振频率时，可以取得最好的发射及接收效果，谐振频率由下式给出：

式中，f为压电元件中心频率（即谐振频率），kd为压电元件材料的频率常数，d为压电元件厚度。

当压电元件的几何尺寸和材料确定后，其中心频率就基本恒定；当换能器和测量管的几何尺寸、阻抗匹配材料特性、发射激励信号强度及频率、以及工作环境温、湿度等均不变时，接收换能器的输出幅值也会基本保持不变。

频率与幅值特性指标不能随时间发生变化，即换能器的“时漂”要足够小。这些指标是决定超声波传播时间一致与稳定的决定因素。

3.3 耐环境影响特性

换能器工作时会受到环境条件的影响，如气候环境的温度、湿度变化等，机械环境的振动、冲击等，电磁环境的静电放电、电脉冲群、静磁场、电磁场等影响。尤其是温度和湿度变化非常容易引起被测介质、压电元件材料、阻抗匹配材料以及金属材料等的特性变化，产生所谓的“温漂”与“湿漂”。因此，换能器能否承受环境条件变化的影响，是决定换能器长期工作可靠性的重要指标。

4 换能器评价指标

为保证换能器装入整机后能正常开展工作，必须对换能器的使用特性规定相应技术指标进行评价。

4.1 工作频率

换能器工作频率是其固有谐振频率。通常收发换能器工作在串联谐振状态，因此，其工作频率就是它的串联谐振频率。串联谐振频率见下式：

式中，Fs为串联谐振频率，L1为压电元件的动态电感，C1为压电元件的动态电容。

加工组装后的换能器中心频率会发生偏移，因此，实际使用时可以允许其有一定的公差Δf，即在Fs±Δf范围内工作。

4.2 输出幅值

输出幅值指的是超声接收换能器电负载上所测得的接收信号电压值，用Up－p（F）表示，当工作频率F恒定时，幅值也相对恒定。换能器工作时会受到各种因素影响（如阻抗匹配、安装位置等），使接收到的电压幅值发生一定变化，但在允许范围±ΔU内变化，即在Up－p（F）±ΔU时，换能器应能正常工作。

4.3 传播时间的重复性

传播时间（或传播时间差）的重复性可用来反映被测介质处于静止或流动状态时两个换能器之间超声波多次传播时间的一致性，也是较短时间内传播时间离散性的一种定量评定。

传播时间重复性评定公式如下

式中，σ为传播时间重复性，t（1→2or2→1）i为换能器1至2或2至1任一次的传播时间（指单向传播），t1→2or2→1为换能器1至2或2至1连续多次传播时间的平均值，t（1↔2）i为换能器1至2及2至1的循环传播时间（指双向传播）t1↔2为换能器1至2及2至1连续多次传播时间的平均值。

4.4 传播时间的稳定性

稳定性指标反映了一对换能器在较长时间工作中的变化特性，通常由换能器的零点稳定性和稳定流动条件下的稳定性所组成。

零点稳定性指的是被测介质处于静止状态时，换能器传播时间差长时间工作的变化量。通常情况静止状态下换能器的传播时间差应趋近于零，并在零点附近作小范围变化。稳定流动条件下的稳定性指的是在被测介质处于某一恒定流量流动状态时，换能器传播时间差长时间工作的变化量。

根据式（3），当D、φ、c恒定不变，即测量管几何形状、换能器安装位置及被测介质温度不变时，如v＝0，则Δt＝0；或v＝C1，则Δt＝C2（C1、C2为某一常数）。由于环境条件和机械结构件的应力变化等因素，实际情况下的传播时间差并不为零或为某一常数，而是随时间发生一定的漂移，即在零点或某一工作点处产生所谓的“时漂”。

传播时间差的时漂可以用d表示，因此，实际允许的传播时间差应被限制在Δt±δ范围内，否则将会影响换能器的正常工作。

4.5 环境与介质影响量

换能器工作时其特性易受环境温度、湿度、振动等影响，也会受到被测介质温度及压力等改变影响。因此，传播时间差Δt可以表述为

式中，ΔT为环境温度影响量，ΔH为环境湿度影响量，ΔZ为环境振动影响量，ΔT′为被测介质温度影响量，ΔP′为被测介质压力影响量。

上述各种影响量均会影响换能器的正常工作状态，造成其特性发生偏移。因此，需要根据超声流量仪表测量准确度要求分别设置相应的允许偏移量予以规定。

5 试验装置及方法

5.1 试验装置

试验装置主要由实流模拟、环境模拟、性能测量及保温封闭管路等单元组成。其中，实流模拟单元由水流体驱动、消振、流量稳定、流量测控、水温测控及压力测控等部件组成；环境模拟单元由环境影响量控制部件、环境及时间参数测量部件、环境试验箱体、环境试验程序等组成；性能测量单元由测量台架、角度调整机构、换能器综合特性测量部件等组成。试验装置结构见图3［8］。

试验装置除了可实现对换能器工作频率、输出幅值、传播时间及时间差的重复性、时间稳定性、环境与介质影响量等的试验外，还可进行换能器指向性测量与换能器配对等工作。

图3 换能器性能试验装置示意图

5.2 试验方法

将换能器安装于测量台架上，调整安装轴线使接受换能器信号为最强；关闭管路阀门使流量为零，对换能器在静态下的特性进行测量与试验；调整管路流量、水温、压力，并使其稳定，测量换能器在稳态下的工作特性；改变环境温度、湿度、振动及介质温度和压力，对换能器特性进行各类组合测量与试验；在被测介质流量处于静态和稳态时，测量换能器的时间稳定性等。

当换能器批质量预期良好时（即换能器材料特性和工艺稳定），换能器1和2可以同为被测换能器，这样可以提高测量效率。此时，如换能器1和2符合技术指标要求，则配对同时成功；如果换能器批质量参差不齐，可以将其中一个换能器换成标准换能器（注：标准换能器须经老化处理和特性筛选），这样可以对每个换能器进行单独测量、挑选和分类，便于按不同性能分档配对。

6 换能器试验

6.1 试验条件与结果

根据上述评价指标及方法，分别对4件超声水流量检测换能器处于静态、稳态以及环境温度变换时的基本性能进行试验，主要试验结果列于表1～表3。（注：稳定性试验是在每隔4小时进行一次测量的条件下进行。）

表1数据是换能器在管道内水流处于静止、介质温度17.8℃、环境温度19℃、环境相对湿度78%条件下进行的；表2数据是换能器在管道内水流速度恒定为0.05 m／s（对DN100超声水流量仪表而言，此时流量约为1.42 m3／h），其它条件与表1相同情况下进行的；表3数据是换能器在管道内水流速度恒定为0.05 m／s、介质温度17.8℃、环境温度29℃、环境相对湿度78%条件下进行的。

表1 换能器静态性能试验结果

表2 换能器稳态性能试验结果

表3 换能器环境温度变化性能试验结果

6.2 试验结果分析

从上述试验结果分析可知：

（1）换能器处于静态、稳态、介质温度不变、环境温度变化10℃条件下，其工作频率变化很小，通常不超过1%；其输出幅值变动量除了3号换能器较大外，其余比较稳定，均未超过5%。由此可见，1、2、4号换能器能够满足产品整机设计的要求；3号换能器因输出幅值波动很大，达到25%左右，当有干扰出现情况下，会导致超声水流量仪表时间计数器关闭时刻的变化（见图2），因此不宜采用。

（2）换能器在流速为0.05 m／s时，传播时间差的重复性除了3号换能器仍较大外，其余均在1%以内，变化幅度相对比较小。目前，通过对数据作平滑滤波处理，可以较大幅度降低测量数据中的随机误差，使超声水流量仪表整机的测量重复性可以较好地控制在0.3%的范围内。

（3）从试验结果看，在相对湿度78%条件下，换能器仍能正常工作，表明换能器密封设计基本符合设计要求。

（4）管道流体处于静止状态时，换能器传播时间差的稳定性间接反映了整机的“零漂”特性，因此稳定性变动大的换能器不宜装机使用。

（5）当环境温度改变10℃时，换能器工作频率和输出幅值变化并不大，而且比较稳定，但传播时间差的稳定性则有所扩大，出现了所谓的“温漂”现象，需要引起足够关注。通常可以采用对压电元件和换能器的温度和功率双重老化处理、选用温度特性好的压电材料等，将“温漂”数值大幅降低。当然，也可在超声水流量仪表中采用环境温度补偿方法以实现对整机“温漂”的补偿。

将试验结果符合设计要求的超声换能器配对后装配成DN50～250的超声电子水表整机，经浙江省计量测试技术研究院型式试验，其各项性能指标均符合国家标准的要求，测量准确度等级达到1级水平，流量测量范围Q3／Q1≥250，整机重复性小于最大允许误差绝对值的1／3。

7 结 论

建立和完善超声水流量检测换能器的评价指标和试验方法、研制相应的试验装置，对确保超声水流量传感器乃至超声电子水表、超声流量计等产品的技术性能和质量水平非常重要。由于目前国内缺乏换能器专用试验设施，导致许多出厂超声水流量测量仪表整机的使用可靠性和稳定性存在隐性质量风险，同时也不便于生产过程对关键部件产品的质量监控。

本项研究工作，在分析超声换能器基本性能和使用特性基础上，建立了换能器的综合评价指标、提出了相应的试验方法、研制了综合试验装置，为超声检测换能器的性能测量、试验及特性配对提供了有效的方法和工具。

在试验、筛选、配对基础上，今后还需加强对换能器选材、材料特性、换能器老化及稳定性处理工艺等的研究，同时应加强换能器可靠性与稳定性的试验与研究，进一步做好换能器的筛选与配对研究工作。

［1］ 姚灵.电子水表传感与信号处理技术［M］.北京：中国质检出版社，2012，96－122.

［2］ 国家质量监督检验检疫总局.GB／T 778－2007.1～3，封闭满管道中水流量的测量饮用冷水水表和热水水表［S］.2007.

［3］ 国家质量监督检验检疫总局.JJG1030－2007，超声流量计［S］.2007.

［4］ 林书玉.超声换能器的原理及设计［M］.北京：科学出版社，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］ 栾桂冬、张金铎、王仁乾.压电换能器和换能器阵（修订版）［M］.北京：北京大学出版社，2005，73－100.

［8］ 姚灵、王让定、左富强，等.一种超声水流量换能器综合性能实验装置及其使用方法［P］.中国，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

浙江省优先主题重点工业项目（2010C11025）；宁波市重大科研攻关项目（2009B10003）

姚灵（1953－），男，浙江庆元人，宁波水表股份有限公司教授级高级工程师，主要研究方向为流量、几何量传感与信号处理技术。13806630959＠139.com