ELL-FI-YW-T60B 防爆型超声波水位计探头的结构设计

防爆型超声波水位计探头的结构设计核心是**在满足超声发射/接收核心性能的基础上，通过密封、隔爆、本安等防爆结构设计，阻断探头内部的点火源与爆炸性危险环境的接触**，同时适配工业防爆现场的温湿度、振动、腐蚀等恶劣条件，所有设计均需符合国家/国际防爆标准。其结构设计要点围绕**防爆型式适配、点火源、密封防护、机械结构强化、超声性能兼容**五大核心展开，且不同防爆型式的设计差异显著，以下结合超声波探头的核心组件拆解**通用设计要点+主流防爆型式专属要点**，同时补充标准合规和工程适配要求，内容贴合化工、油气、矿山等爆炸性危险环境的实际应用。

一、防爆探头设计的通用核心原则

所有防爆型超声波探头的设计均需遵循**“点火源零泄漏、防爆结构与超声性能兼容、全工况环境适配"**三大原则，是后续所有结构设计的基础：

1. 探头内部的**电气点火源**、**热点火源**须被**有效隔离/控制**，无法引燃周围爆炸性混合物；

2. 防爆结构不能破坏超声的**发射/接收路径**，需保证声能耦合效率、波束指向性等核心性能，避免因防爆设计导致测量精度下降、回波幅度降低；

3. 整体结构需适配防爆现场的**恶劣环境**：耐温、耐湿、耐酸碱腐蚀、抗机械振动/冲击，且防爆结构的完整性在使用寿命内不可破坏。

二、通用结构设计要点

1. 核心组件：电气系统的点火源基础控制

探头内部的**前置电路、激励电路、电引线**是主要点火源来源，需从元件选型和电路设计上做基础控制，为防爆结构兜底：

- **元器件选型**：所有电子元件选用**防爆认证专用件**，满足**Ex元件要求**，限制工作电流/电压/功率，避免过流发热、过压击穿产生电火花；如电阻选用功率降额型、电容选用无击穿型、芯片选用低功耗型；

- **电路布线**：内部引线采用**耐高温阻燃屏蔽线**，线径适配工作电流，避免导线过流发热；引线连接点采用**压接+灌封**双重固定，杜绝接触不良产生电弧；电与压电陶瓷的连接采用**焊接工艺**，替代卡扣式，避免松动打火；

- **热设计**：优化电路布局，增加发热元件与外壳的接触面积，通过外壳快速散热；限制电路温升，保证探头表面温升**低于爆炸性混合物的引燃温度**。

 2. 关键结构：声耦合层的防爆密封设计

声耦合层是探头与测量介质的**超声通道**，也是防爆密封的**薄弱点**，设计需兼顾**声能耦合效率**和**防爆密封完整性**：

- **透声膜选型**：采用**高强度、耐高温、耐腐的防爆专用透声膜**，厚度≥0.3mm，抗拉/抗撕裂强度远高于普通膜，避免现场磕碰、介质冲刷破损；

- **密封工艺**：透声膜与外壳的连接采用**“机械压紧+硫化粘接+灌封"三重密封**，膜的边缘嵌入外壳的密封槽内，通过金属压环机械压紧，底部用防爆专用灌封胶硫化粘接，杜绝介质从膜与外壳的间隙侵入；

- **声阻抗匹配**：透声膜的声阻抗需匹配探头压电材料与测量介质（空气/水），且密封层无气泡、无间隙，避免因密封胶填充导致声能损耗，保证超声耦合效率≥90%（与普通探头一致）；

- **无空腔设计**：透声膜与压电陶瓷之间**无空气空腔**，采用**声耦合胶填充**，既保证超声振动传递，又避免空腔内积聚爆炸性介质，形成内部爆炸隐患。

 3. 基础结构：外壳与连接部位的防爆密封防护

探头外壳、电缆接口、安装接口是**爆炸性介质侵入的主要通道**，需做防爆密封设计，保证外壳的**气密性/水密性**，且密封性能在使用寿命内不衰减：

- **外壳材质**：选用**高强度防爆合金**（如铸铝合金ZL102、不锈钢304/316L），铸铝适合隔爆型，不锈钢适合腐蚀型防爆现场（如化工、海水）；外壳材质需通过**防爆冲击试验**，能承受内部爆炸压力而不破裂、不产生缝隙；

- **外壳加工**：外壳的结合面（如上下壳、端盖）采用**防爆止口结合面**（隔爆型）或**光滑密封结合面**（本安型），结合面的间隙、长度、表面粗糙度需符合防爆标准；

- **接口密封**：① 电缆接口采用**防爆格兰头（填料函）**，内置氟橡胶密封圈，适配防爆电缆，拧紧后实现电缆与外壳的密封，防止介质从电缆缝隙侵入；② 安装接口（如螺纹、法兰）采用**防爆密封垫**（氟橡胶/丁腈橡胶），安装后保证密封完整性；

- **全灌封防护**：本安型探头内部采用**防爆专用灌封胶**（导热型环氧树脂）做**整体灌封**，将电路、压电陶瓷、引线全部包裹，无任何空腔，既杜绝介质侵入，又能散热、抗振动，同时固定内部组件。

4. 辅助结构：机械与热结构的强化设计

防爆现场多伴随**强机械振动、介质冲刷、高低温循环**，需强化探头的机械结构和热结构，避免防爆结构因机械损坏、热变形失效：

- **内部组件固定**：压电陶瓷、电路基板通过**金属支架+灌封胶**双重固定，无松动部件，避免振动导致组件移位、引线断裂，产生点火源；

- **抗冲击设计**：外壳增加**加强筋**，探头前端增加**防撞护罩**（透声型，如多孔不锈钢护罩），避免现场磕碰损坏透声膜和外壳，保证防爆结构完整性；

- **热变形补偿**：外壳与内部组件的材质选用**热膨胀系数匹配**的材料，避免高低温循环导致的热胀冷缩产生缝隙，破坏密封和隔爆结构；

- **接地设计**：外壳设置**专用防爆接地端子**，保证探头可靠接地，消除静电积累（静电放电也是点火源），接地电阻≤4Ω（防爆标准要求）。

三、主流防爆型式的专属结构设计要点

工业防爆型超声波探头的主流防爆型式为**隔爆型Ex d**和**本质安全型Ex ia/ib**，两种型式的防爆原理不同，结构设计差异显著，是防爆设计的核心，**需根据现场危险区域等级选择**：

 1. 隔爆型Ex d 探头

**防爆原理**：通过**足够强度的隔爆外壳**将内部可能发生的爆炸限制在壳内，壳壁能承受内部爆炸压力，且爆炸产物通过隔爆结合面的冷却和泄压，不会引燃壳外的爆炸性混合物。

**专属设计要点**：

- **隔爆外壳的强度设计**：外壳需通过**防爆压力试验**，能承受≥0.8MPa的内部爆炸压力，铸铝外壳壁厚≥5mm，不锈钢外壳壁厚≥3mm，无薄壁薄弱部位；

- **隔爆结合面设计**：外壳所有结合面均为**隔爆结合面**，需满足**“长度-间隙-粗糙度"** 三要素：如螺纹结合面的啮合深度≥8牙，螺纹间隙≤0.1mm；光滑止口结合面的长度≥20mm，间隙≤0.05mm；

- **内部爆炸泄压**：外壳内部预留**微小泄压空间**，避免内部爆炸压力瞬间过高导致外壳破裂；同时泄压路径需经过隔爆结合面，保证爆炸产物被冷却；

- **声通道的隔爆处理**：透声膜处不能采用简单密封，需设计**“隔爆声窗"**——透声膜外侧增加**多孔隔爆金属板**，既保证超声穿透，又能承受内部爆炸压力，阻断爆炸产物外泄。

 2. 本质安全型Ex ia/ib 探头

**防爆原理**：通过**限制电路的工作电流、电压、功率**，让探头内部在正常工作和故障状态下，产生的电火花和温升均**不足以引燃爆炸性混合物**，是“本质上无点火源"的防爆型式。

**专属设计要点**：

- **电路的本质安全设计**：核心是**限流、限压、限功率**，需在探头内部设置**本质安全保护电路**，保证在正常工作、短路、开路等所有状态下，电路的**开路电压≤36V，短路电流≤0.3A**，且功率≤1W；

- **整体灌封无空腔**：内部所有组件采用**导热型防爆灌封胶**做**全密封灌封**，灌封胶填充至外壳无任何空腔，既杜绝爆炸性介质侵入，又能将温升传导至外壳，同时固定组件，避免振动故障；

- **压电陶瓷的电保护**：压电陶瓷的电采用**绝缘灌封胶包裹**，避免电裸露产生放电，电间距≥2mm，防止高压激励时产生电弧；

- **关联设备适配**：本安型探头需与**本安关联设备**配套使用，主机需设置**安全栅**，进一步限制向探头输送的电流/电压，保证整个系统的本质安全性；

- **外壳简化设计**：因本质上无点火源，外壳无需承受内部爆炸压力，可采用**薄壁防爆合金**或**高强度工程塑料**，但仍需保证密封性能，防止介质腐蚀内部电路。

四、防爆探头与超声性能的兼容设计要点

防爆设计易导致**声能损耗、波束畸变、测量盲区增加**，需通过针对性设计保证超声测量性能，这是防爆探头与普通防爆电器的核心区别，也是设计的难点：

1. **声通道的低损耗设计**：隔爆声窗的多孔金属板选用**薄型、高孔隙率**材质，孔隙率≥80%，减少超声的反射和散射损耗；透声膜与压电陶瓷之间的声耦合胶选用**低声阻抗、高透声性**的专用胶，避免胶层吸收声能；

2. **波束指向性的保形设计**：防爆外壳的前端（声发射端）采用**与探头压电陶瓷匹配的弧形设计**，避免外壳遮挡超声波束，保证波束角与标称值一致；防撞护罩的开孔沿波束方向排列，无横向遮挡；

3. **盲区与量程的优化**：防爆灌封胶和隔爆声窗会轻微增加脉冲脉宽，需通过**优化背衬材料的阻尼性能**（高阻尼系数）抵消，保证探头的测量盲区与普通探头一致（≤0.1m）；同时适当提升压电陶瓷的机电耦合效率，弥补防爆结构的声能损耗，保证测量量程不衰减；

4. **温度补偿的集成设计**：防爆现场的温度变化会导致声速偏移和压电性能变化，需在探头内部集成**温度传感器**，并做防爆密封处理，实现声速和压电性能的实时温度补偿，保证测量精度。

五、标准合规与出厂检测设计要点

防爆型探头的结构设计需**全程符合防爆标准**，且出厂前需通过严格的防爆检测，结构设计需为检测提供条件，保证防爆认证的通过：

1. **防爆标识的标注**：在外壳的**醒目位置**采用**激光雕刻**的方式标注防爆标识，包含防爆型式、防爆等级、温度组别、认证机构等；

2. **检测用结构设计**：外壳设置**专用检测接口**，无需拆解防爆结构即可进行气密性、温升、绝缘电阻等防爆检测；内部电路设置**测试点**，方便检测电路的限流/限压性能；

 六、不同测量介质的防爆探头专属适配设计

防爆型超声波探头分**空气式**和**投入式**，测量介质不同，防爆结构设计需做针对性适配，贴合现场实际应用：

| **空气式防爆探头** | 油气站、化工罐区的气相空间，测量罐顶至水面的距离 | 1. 透声膜做**防凝露、防粉尘**设计，避免凝露/粉尘覆盖导致声能损耗；2. 外壳设置**呼吸阀**，平衡壳内外部压力，避免温变导致外壳变形；3. 隔爆声窗增加**防尘网**，防止粉尘进入声通道。 |

| **投入式防爆探头** | 化工储罐、油田污水池的液相环境，浸没在水中测量 | 1. 整体采用**全密封水下防爆结构**，防护等级≥IP68，能长期浸没在水中（水深≥10m）；2. 外壳选用**不锈钢316L**，耐酸碱、耐海水腐蚀；3. 压电陶瓷与外壳之间采用**弹性缓冲结构**，避免水体压力导致陶瓷碎裂；4. 电缆接口采用**水下专用防爆格兰头**，防止水从电缆侵入。 |