李 奕

（國(guó)能新疆化工有限公司）

聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）是一種沿著固體表面?zhèn)鞑サ穆暡?，是能量集中于固體表面附近的一種彈性波。 聲表面波的傳播速度比電磁波慢很多，所以，在聲表面波的傳播路徑上，易于對(duì)信號(hào)取樣并進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理， 利用這個(gè)特點(diǎn)， 可以用聲表面波來模擬電子學(xué)的各種功能。聲表面波技術(shù)應(yīng)用范圍較廣，如通信、雷達(dá)、數(shù)傳等領(lǐng)域［1］。 筆者主要介紹基于聲表面波原理制成的聲表面波器件在壓縮機(jī)軸承溫度測(cè)量方面的應(yīng)用。

1 聲表面波器件的結(jié)構(gòu)和原理

聲表面波器件也叫聲表面波濾波器（Surface Acoustic Wave Filer,SAWF），是利用壓電陶瓷、鈮酸鋰及石英等壓電石英體振蕩器材料的壓電效應(yīng)和聲表面波傳播的物理特性制成的一種換能式無源濾波器。

聲表面波器件主要由聲-電換能器和壓電基片構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 聲表面波器件結(jié)構(gòu)

聲-電換能器也稱為叉指換能器（Inter Digital Transducer，IDT),它的作用是實(shí)現(xiàn)聲-電換能。在壓電基片上制作兩個(gè)聲-電換能器： 輸入叉指換能器與輸出叉指換能器。 當(dāng)電信號(hào)輸入到輸入叉指換能器時(shí)， 壓電晶體基片表面會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，并激發(fā)出與外加信號(hào)相同頻率的聲波，此聲波沿基片的表面?zhèn)鞑ィ瑐鬟f到輸出叉指換能器，由輸出叉指換能器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出［1］。

2 聲表面波器件的測(cè)溫原理

當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，壓電基片的表面溫度也隨之發(fā)生變化， 壓電基片的SAW 波速發(fā)生變化，從而使其諧振頻率變化，由于諧振頻率與溫度之間成線性關(guān)系，通過計(jì)算激勵(lì)信號(hào)與接收到的回波信號(hào)之間的頻率變化值，可以得出傳感器所處環(huán)境的溫度［2］。

聲表面波溫度傳感器利用的是溫度變化引起聲表面波速度變化，從而導(dǎo)致振蕩頻率變化的原理。 當(dāng)外界溫度對(duì)聲表面波傳播特性產(chǎn)生影響時(shí)，會(huì)在聲表面波器件的參數(shù)上反映出來。 利用這種現(xiàn)象可以制備各種溫度傳感器，用于測(cè)量和監(jiān)控溫度參數(shù)。

3 SAW 技術(shù)在壓縮機(jī)軸承溫度測(cè)量的應(yīng)用

某裝置乙烯壓縮機(jī)的無線測(cè)溫系統(tǒng)基于SAW 技術(shù)，用于檢測(cè)壓縮機(jī)的軸承溫度，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 無線測(cè)溫傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件的鉆孔里， 以盡可能地靠近軸承座的受熱表面。

圖2 無線測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

測(cè)量壓縮機(jī)軸承的無線測(cè)溫傳感器安裝在軸承上，測(cè)得的溫度通過固定天線傳輸給信號(hào)處理單元，再由信號(hào)處理單元將溫度信號(hào)送至機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1 無線測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量原理

無線測(cè)溫系統(tǒng)是無需外部電池供電的無線傳感器感應(yīng)系統(tǒng)，通過一個(gè)低能量、高頻射頻脈沖來激發(fā)傳感器，脈沖信號(hào)通過兩個(gè)天線進(jìn)行傳輸，一個(gè)安裝在固定支架上，另一個(gè)安裝在旋轉(zhuǎn)曲柄軸承上，其原理如圖3 所示。

圖3 無線測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量原理

由圖3 可以看出，信號(hào)處理單元產(chǎn)生一個(gè)低能雷達(dá)脈沖， 通過固定天線傳輸?shù)綗o線傳感器，無線傳感器接收到雷達(dá)脈沖，通過內(nèi)部聲表面波器件將測(cè)量到的溫度進(jìn)行處理， 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過雷達(dá)脈沖反射回信號(hào)處理單元。

3.2 無線測(cè)溫系統(tǒng)的組成

無線測(cè)溫系統(tǒng)主要由3 部分組成： 傳感器、固定天線和信號(hào)處理單元。

傳感器。 傳感器由SAW 部件、同軸電纜和天線組成。 傳感器天線收到固定天線發(fā)來的雷達(dá)脈沖信號(hào)，相當(dāng)于激勵(lì)信號(hào)，該信號(hào)通過同軸電纜作用到SAW 部件， 再通過傳感器天線發(fā)出回波信號(hào)，送至固定天線。 傳感器和同軸電纜被放置在一個(gè)填充環(huán)氧樹脂的圓柱形鋼制套管中，而天線被放置在一個(gè)鋼制外殼中， 外置一個(gè)塑料護(hù)蓋，使其不受環(huán)境的影響。

固定天線。 固定天線用于發(fā)送信號(hào)處理單元產(chǎn)生的雷達(dá)脈沖信號(hào)， 并接收傳感器返回的雷達(dá)脈沖信號(hào)，然后通過同軸電纜，再返回給信號(hào)處理單元。 固定天線以同樣方式安裝在鋼殼內(nèi)，并有一個(gè)塑料護(hù)蓋加以保護(hù)，這個(gè)護(hù)蓋是一種靜電耗散材料，可以防止電荷積聚。 同樣，在天線底部和鋼外殼底部的空間填充了環(huán)氧樹脂。

信號(hào)處理單元（Signal Processing Unit，SPU）。SPU 執(zhí)行所有的信號(hào)產(chǎn)生和接收功能。 SPU 發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)過同軸電纜到固定天線，穿過天線和傳感器之間的氣隙， 經(jīng)過短暫的延遲，傳感器將反射的脈沖再通過相同的傳輸路徑傳送到SPU。 然后由SPU 計(jì)算傳感器的溫度，再將溫度信號(hào)傳送到機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)，另有一路聯(lián)鎖信號(hào)連接至安全儀表系統(tǒng)。 當(dāng)溫度異常，超過信號(hào)處理單元內(nèi)設(shè)定的聯(lián)鎖值，發(fā)送停機(jī)信號(hào)至安全儀表系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)設(shè)備的保護(hù)。

3.3 無線測(cè)溫傳感器和固定天線的安裝

如圖4 所示，無線測(cè)溫傳感器安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄軸承上，固定天線安裝在支架上。

圖4 無線測(cè)溫系統(tǒng)安裝現(xiàn)場(chǎng)照片

傳感器和固定天線安裝時(shí)需滿足以下要求（圖5）：

圖5 傳感器和固定天線的安裝要求

角度 最大20°

間隙范圍 （15±5） mm

最大側(cè)向位移 ±5 mm

在壓縮機(jī)運(yùn)行過程中， 因?yàn)榍S不停轉(zhuǎn)動(dòng)，所以測(cè)溫傳感器隨著曲軸按照固定的軌跡保持轉(zhuǎn)動(dòng)，而固定天線是保持不動(dòng)的，當(dāng)傳感器與固定天線的角度、間隙、側(cè)向位移滿足技術(shù)規(guī)格時(shí)，固定天線將接收到溫度信號(hào)，并傳輸給信號(hào)處理單元。 當(dāng)傳感器偏離天線時(shí)，天線就接收不到溫度信號(hào)，因此，可以理解為，曲軸每轉(zhuǎn)一圈采集一次溫度信號(hào)。 但通常壓縮機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速較高，某裝置壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速通常保持在360 r/min 左右， 每一轉(zhuǎn)約為167 ms。 在SPU 中設(shè)置了延遲時(shí)間，即SPU 發(fā)出雷達(dá)脈沖到傳感器和反饋所需時(shí)間，這個(gè)時(shí)間通常設(shè)置為0～20 s， 在延遲時(shí)間范圍內(nèi)，信號(hào)保持不變，所以可以理解為，無線測(cè)溫系統(tǒng)每167 ms 采集一次溫度信號(hào)， 在167 ms 內(nèi)溫度信號(hào)保持不變。 因此，通過SPU 送出的信號(hào)是不間斷的，在機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)中，檢測(cè)到的軸承溫度是連續(xù)并實(shí)時(shí)變化的。

3.4 系統(tǒng)組態(tài)

通過專用的數(shù)據(jù)線可以連接到SPU，使用專用的組態(tài)軟件對(duì)SPU 進(jìn)行組態(tài)，可以配置如下參數(shù)：Number of Channels， 用于配置傳感器通道數(shù)量；Minimum RPM， 設(shè)定轉(zhuǎn)速的最低轉(zhuǎn)速 （300～350 r/min）；Continuous Read， 連續(xù)讀取傳感器信息；High Alarm， 溫度高報(bào)設(shè)定區(qū)域；High-High Alarm，溫度高高報(bào)設(shè)定區(qū)域；Alarm Delay，報(bào)警延時(shí)（3～5 s）；Enabling，啟用或禁用傳感器通道；Sensor Reflection，信號(hào)強(qiáng)度；Status、State，運(yùn)行狀態(tài)；Gain，接收器的增益，根據(jù)不同同軸電纜長(zhǎng)度和探頭間隙調(diào)整， 一般不超過85%；Signal Strength，傳感器信號(hào)強(qiáng)度，正常范圍40%～70%；Delay: SPU 發(fā)出雷達(dá)脈沖到傳感器和反饋所需時(shí)間（0～20 s）。

4 與傳統(tǒng)測(cè)溫方式的比較

傳統(tǒng)的壓縮機(jī)軸承部分、旋轉(zhuǎn)機(jī)械部分的溫度測(cè)量，一般采用機(jī)埋式熱電阻，在軸承部分預(yù)留安裝孔，埋入熱電阻探頭，打膠固定。 這種安裝方式需要儀表、設(shè)備專業(yè)人員緊密配合，儀表作業(yè)人員安裝好探頭，注膠后，由設(shè)備專業(yè)作業(yè)人員將軸瓦裝至軸承內(nèi)，儀表作業(yè)人員再對(duì)探頭電纜沿壓縮機(jī)內(nèi)部線槽進(jìn)行布線緊固，并需要避開轉(zhuǎn)動(dòng)軸和油路沖刷口。 如果作業(yè)人員在安裝過程中安裝不當(dāng)或者壓縮機(jī)軸承發(fā)生磨損，易造成探頭或者信號(hào)線纜損壞，產(chǎn)生溫度誤指示，影響監(jiān)控人員對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的判斷。 并且當(dāng)壓縮機(jī)檢修時(shí)， 熱電阻探頭不易從軸承中拆出重復(fù)利用。

筆者總結(jié)的無線測(cè)溫系統(tǒng)與傳統(tǒng)測(cè)溫方式的對(duì)比見表1。

表1 無線測(cè)溫系統(tǒng)與傳統(tǒng)測(cè)溫方式的對(duì)比

由表1 可以看出， 與熱電阻測(cè)量方式相比，無線測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量范圍比熱電阻小，精度接近于熱電阻， 軸承溫度運(yùn)行范圍通常在50～60 ℃，無線測(cè)溫系統(tǒng)的溫度允差在可接受范圍內(nèi)。 在安裝方式、安裝要求和可重復(fù)利用性上，無線測(cè)溫要優(yōu)于熱電阻測(cè)溫方式。 在轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備這個(gè)特定測(cè)量環(huán)境中，無線測(cè)溫系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢(shì)。

從某裝置壓縮機(jī)無線測(cè)溫系統(tǒng)的使用情況來看，具有維護(hù)量低、測(cè)量準(zhǔn)確性高及故障率低等特點(diǎn)，并且顯著地降低了誤報(bào)率和誤報(bào)引起的壓縮機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，提高了壓縮機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

在化工行業(yè)儀表自控領(lǐng)域，SAW 技術(shù)的應(yīng)用并不廣泛。 通過某裝置丙烯壓縮機(jī)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來看，SAW 技術(shù)在轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備內(nèi)部溫度測(cè)量的應(yīng)用效果較好，有效提升了軸承溫度測(cè)量的可靠性和靈活性，對(duì)提高壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，保證裝置長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行有積極意義。 隨著科技的發(fā)展，希望SAW 技術(shù)能更廣泛地應(yīng)用到化工自控領(lǐng)域，為企業(yè)發(fā)展保駕護(hù)航。