ELL-FI-YW-T60B 防爆型超聲波水位計探頭的結構設計

防爆型超聲波水位計探頭的結構設計核心是**在滿足超聲發射/接收核心性能的基礎上，通過密封、隔爆、本安等防爆結構設計，阻斷探頭內部的點火源與爆炸性危險環境的接觸**，同時適配工業防爆現場的溫濕度、振動、腐蝕等惡劣條件，所有設計均需符合國家/國際防爆標準。其結構設計要點圍繞**防爆型式適配、點火源、密封防護、機械結構強化、超聲性能兼容**五大核心展開，且不同防爆型式的設計差異顯著，以下結合超聲波探頭的核心組件拆解**通用設計要點+主流防爆型式專屬要點**，同時補充標準合規和工程適配要求，內容貼合化工、油氣、礦山等爆炸性危險環境的實際應用。

一、防爆探頭設計的通用核心原則

所有防爆型超聲波探頭的設計均需遵循**“點火源零泄漏、防爆結構與超聲性能兼容、全工況環境適配"**三大原則，是后續所有結構設計的基礎：

1. 探頭內部的**電氣點火源**、**熱點火源**須被**有效隔離/控制**，無法引燃周圍爆炸性混合物；

2. 防爆結構不能破壞超聲的**發射/接收路徑**，需保證聲能耦合效率、波束指向性等核心性能，避免因防爆設計導致測量精度下降、回波幅度降低；

3. 整體結構需適配防爆現場的**惡劣環境**：耐溫、耐濕、耐酸堿腐蝕、抗機械振動/沖擊，且防爆結構的完整性在使用壽命內不可破壞。

二、通用結構設計要點

1. 核心組件：電氣系統的點火源基礎控制

探頭內部的**前置電路、激勵電路、電引線**是主要點火源來源，需從元件選型和電路設計上做基礎控制，為防爆結構兜底：

- **元器件選型**：所有電子元件選用**防爆認證專用件**，滿足**Ex元件要求**，限制工作電流/電壓/功率，避免過流發熱、過壓擊穿產生電火花；如電阻選用功率降額型、電容選用無擊穿型、芯片選用低功耗型；

- **電路布線**：內部引線采用**耐高溫阻燃屏蔽線**，線徑適配工作電流，避免導線過流發熱；引線連接點采用**壓接+灌封**雙重固定，杜絕接觸不良產生電弧；電與壓電陶瓷的連接采用**焊接工藝**，替代卡扣式，避免松動打火；

- **熱設計**：優化電路布局，增加發熱元件與外殼的接觸面積，通過外殼快速散熱；限制電路溫升，保證探頭表面溫升**低于爆炸性混合物的引燃溫度**。

 2. 關鍵結構：聲耦合層的防爆密封設計

聲耦合層是探頭與測量介質的**超聲通道**，也是防爆密封的**薄弱點**，設計需兼顧**聲能耦合效率**和**防爆密封完整性**：

- **透聲膜選型**：采用**高強度、耐高溫、耐腐的防爆專用透聲膜**，厚度≥0.3mm，抗拉/抗撕裂強度遠高于普通膜，避免現場磕碰、介質沖刷破損；

- **密封工藝**：透聲膜與外殼的連接采用**“機械壓緊+硫化粘接+灌封"三重密封**，膜的邊緣嵌入外殼的密封槽內，通過金屬壓環機械壓緊，底部用防爆專用灌封膠硫化粘接，杜絕介質從膜與外殼的間隙侵入；

- **聲阻抗匹配**：透聲膜的聲阻抗需匹配探頭壓電材料與測量介質（空氣/水），且密封層無氣泡、無間隙，避免因密封膠填充導致聲能損耗，保證超聲耦合效率≥90%（與普通探頭一致）；

- **無空腔設計**：透聲膜與壓電陶瓷之間**無空氣空腔**，采用**聲耦合膠填充**，既保證超聲振動傳遞，又避免空腔內積聚爆炸性介質，形成內部爆炸隱患。

 3. 基礎結構：外殼與連接部位的防爆密封防護

探頭外殼、電纜接口、安裝接口是**爆炸性介質侵入的主要通道**，需做防爆密封設計，保證外殼的**氣密性/水密性**，且密封性能在使用壽命內不衰減：

- **外殼材質**：選用**高強度防爆合金**（如鑄鋁合金ZL102、不銹鋼304/316L），鑄鋁適合隔爆型，不銹鋼適合腐蝕型防爆現場（如化工、海水）；外殼材質需通過**防爆沖擊試驗**，能承受內部爆炸壓力而不破裂、不產生縫隙；

- **外殼加工**：外殼的結合面（如上下殼、端蓋）采用**防爆止口結合面**（隔爆型）或**光滑密封結合面**（本安型），結合面的間隙、長度、表面粗糙度需符合防爆標準；

- **接口密封**：① 電纜接口采用**防爆格蘭頭（填料函）**，內置氟橡膠密封圈，適配防爆電纜，擰緊后實現電纜與外殼的密封，防止介質從電纜縫隙侵入；② 安裝接口（如螺紋、法蘭）采用**防爆密封墊**（氟橡膠/丁腈橡膠），安裝后保證密封完整性；

- **全灌封防護**：本安型探頭內部采用**防爆專用灌封膠**（導熱型環氧樹脂）做**整體灌封**，將電路、壓電陶瓷、引線全部包裹，無任何空腔，既杜絕介質侵入，又能散熱、抗振動，同時固定內部組件。

4. 輔助結構：機械與熱結構的強化設計

防爆現場多伴隨**強機械振動、介質沖刷、高低溫循環**，需強化探頭的機械結構和熱結構，避免防爆結構因機械損壞、熱變形失效：

- **內部組件固定**：壓電陶瓷、電路基板通過**金屬支架+灌封膠**雙重固定，無松動部件，避免振動導致組件移位、引線斷裂，產生點火源；

- **抗沖擊設計**：外殼增加**加強筋**，探頭前端增加**防撞護罩**（透聲型，如多孔不銹鋼護罩），避免現場磕碰損壞透聲膜和外殼，保證防爆結構完整性；

- **熱變形補償**：外殼與內部組件的材質選用**熱膨脹系數匹配**的材料，避免高低溫循環導致的熱脹冷縮產生縫隙，破壞密封和隔爆結構；

- **接地設計**：外殼設置**專用防爆接地端子**，保證探頭可靠接地，消除靜電積累（靜電放電也是點火源），接地電阻≤4Ω（防爆標準要求）。

三、主流防爆型式的專屬結構設計要點

工業防爆型超聲波探頭的主流防爆型式為**隔爆型Ex d**和**本質安全型Ex ia/ib**，兩種型式的防爆原理不同，結構設計差異顯著，是防爆設計的核心，**需根據現場危險區域等級選擇**：

 1. 隔爆型Ex d 探頭

**防爆原理**：通過**足夠強度的隔爆外殼**將內部可能發生的爆炸限制在殼內，殼壁能承受內部爆炸壓力，且爆炸產物通過隔爆結合面的冷卻和泄壓，不會引燃殼外的爆炸性混合物。

**專屬設計要點**：

- **隔爆外殼的強度設計**：外殼需通過**防爆壓力試驗**，能承受≥0.8MPa的內部爆炸壓力，鑄鋁外殼壁厚≥5mm，不銹鋼外殼壁厚≥3mm，無薄壁薄弱部位；

- **隔爆結合面設計**：外殼所有結合面均為**隔爆結合面**，需滿足**“長度-間隙-粗糙度"** 三要素：如螺紋結合面的嚙合深度≥8牙，螺紋間隙≤0.1mm；光滑止口結合面的長度≥20mm，間隙≤0.05mm；

- **內部爆炸泄壓**：外殼內部預留**微小泄壓空間**，避免內部爆炸壓力瞬間過高導致外殼破裂；同時泄壓路徑需經過隔爆結合面，保證爆炸產物被冷卻；

- **聲通道的隔爆處理**：透聲膜處不能采用簡單密封，需設計**“隔爆聲窗"**——透聲膜外側增加**多孔隔爆金屬板**，既保證超聲穿透，又能承受內部爆炸壓力，阻斷爆炸產物外泄。

 2. 本質安全型Ex ia/ib 探頭

**防爆原理**：通過**限制電路的工作電流、電壓、功率**，讓探頭內部在正常工作和故障狀態下，產生的電火花和溫升均**不足以引燃爆炸性混合物**，是“本質上無點火源"的防爆型式。

**專屬設計要點**：

- **電路的本質安全設計**：核心是**限流、限壓、限功率**，需在探頭內部設置**本質安全保護電路**，保證在正常工作、短路、開路等所有狀態下，電路的**開路電壓≤36V，短路電流≤0.3A**，且功率≤1W；

- **整體灌封無空腔**：內部所有組件采用**導熱型防爆灌封膠**做**全密封灌封**，灌封膠填充至外殼無任何空腔，既杜絕爆炸性介質侵入，又能將溫升傳導至外殼，同時固定組件，避免振動故障；

- **壓電陶瓷的電保護**：壓電陶瓷的電采用**絕緣灌封膠包裹**，避免電裸露產生放電，電間距≥2mm，防止高壓激勵時產生電弧；

- **關聯設備適配**：本安型探頭需與**本安關聯設備**配套使用，主機需設置**安全柵**，進一步限制向探頭輸送的電流/電壓，保證整個系統的本質安全性；

- **外殼簡化設計**：因本質上無點火源，外殼無需承受內部爆炸壓力，可采用**薄壁防爆合金**或**高強度工程塑料**，但仍需保證密封性能，防止介質腐蝕內部電路。

四、防爆探頭與超聲性能的兼容設計要點

防爆設計易導致**聲能損耗、波束畸變、測量盲區增加**，需通過針對性設計保證超聲測量性能，這是防爆探頭與普通防爆電器的核心區別，也是設計的難點：

1. **聲通道的低損耗設計**：隔爆聲窗的多孔金屬板選用**薄型、高孔隙率**材質，孔隙率≥80%，減少超聲的反射和散射損耗；透聲膜與壓電陶瓷之間的聲耦合膠選用**低聲阻抗、高透聲性**的專用膠，避免膠層吸收聲能；

2. **波束指向性的保形設計**：防爆外殼的前端（聲發射端）采用**與探頭壓電陶瓷匹配的弧形設計**，避免外殼遮擋超聲波束，保證波束角與標稱值一致；防撞護罩的開孔沿波束方向排列，無橫向遮擋；

3. **盲區與量程的優化**：防爆灌封膠和隔爆聲窗會輕微增加脈沖脈寬，需通過**優化背襯材料的阻尼性能**（高阻尼系數）抵消，保證探頭的測量盲區與普通探頭一致（≤0.1m）；同時適當提升壓電陶瓷的機電耦合效率，彌補防爆結構的聲能損耗，保證測量量程不衰減；

4. **溫度補償的集成設計**：防爆現場的溫度變化會導致聲速偏移和壓電性能變化，需在探頭內部集成**溫度傳感器**，并做防爆密封處理，實現聲速和壓電性能的實時溫度補償，保證測量精度。

五、標準合規與出廠檢測設計要點

防爆型探頭的結構設計需**全程符合防爆標準**，且出廠前需通過嚴格的防爆檢測，結構設計需為檢測提供條件，保證防爆認證的通過：

1. **防爆標識的標注**：在外殼的**醒目位置**采用**激光雕刻**的方式標注防爆標識，包含防爆型式、防爆等級、溫度組別、認證機構等；

2. **檢測用結構設計**：外殼設置**專用檢測接口**，無需拆解防爆結構即可進行氣密性、溫升、絕緣電阻等防爆檢測；內部電路設置**測試點**，方便檢測電路的限流/限壓性能；

 六、不同測量介質的防爆探頭專屬適配設計

防爆型超聲波探頭分**空氣式**和**投入式**，測量介質不同，防爆結構設計需做針對性適配，貼合現場實際應用：

| **空氣式防爆探頭** | 油氣站、化工罐區的氣相空間，測量罐頂至水面的距離 | 1. 透聲膜做**防凝露、防粉塵**設計，避免凝露/粉塵覆蓋導致聲能損耗；2. 外殼設置**呼吸閥**，平衡殼內外部壓力，避免溫變導致外殼變形；3. 隔爆聲窗增加**防塵網**，防止粉塵進入聲通道。 |

| **投入式防爆探頭** | 化工儲罐、油田污水池的液相環境，浸沒在水中測量 | 1. 整體采用**全密封水下防爆結構**，防護等級≥IP68，能長期浸沒在水中（水深≥10m）；2. 外殼選用**不銹鋼316L**，耐酸堿、耐海水腐蝕；3. 壓電陶瓷與外殼之間采用**彈性緩沖結構**，避免水體壓力導致陶瓷碎裂；4. 電纜接口采用**水下專用防爆格蘭頭**，防止水從電纜侵入。 |