防爆型超聲波水位計探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計核心是**在滿足超聲發(fā)射/接收核心性能的基礎(chǔ)上，通過密封、隔爆、本安等防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計，阻斷探頭內(nèi)部的點(diǎn)火源與爆炸性危險環(huán)境的接觸**，同時適配工業(yè)防爆現(xiàn)場的溫濕度、振動、腐蝕等惡劣條件，所有設(shè)計均需符合國家/國際防爆標(biāo)準(zhǔn)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)圍繞**防爆型式適配、點(diǎn)火源、密封防護(hù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)化、超聲性能兼容**五大核心展開，且不同防爆型式的設(shè)計差異顯著，以下結(jié)合超聲波探頭的核心組件拆解**通用設(shè)計要點(diǎn)+主流防爆型式專屬要點(diǎn)**，同時補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)和工程適配要求，內(nèi)容貼合化工、油氣、礦山等爆炸性危險環(huán)境的實際應(yīng)用。

一、防爆探頭設(shè)計的通用核心原則

所有防爆型超聲波探頭的設(shè)計均需遵循**“點(diǎn)火源零泄漏、防爆結(jié)構(gòu)與超聲性能兼容、全工況環(huán)境適配"**三大原則，是后續(xù)所有結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)：

1. 探頭內(nèi)部的**電氣點(diǎn)火源**、**熱點(diǎn)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(jié)構(gòu)不能破壞超聲的**發(fā)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(shè)計導(dǎo)致測量精度下降、回波幅度降低；

3. 整體結(jié)構(gòu)需適配防爆現(xiàn)場的**惡劣環(huán)境**：耐溫、耐濕、耐酸堿腐蝕、抗機(jī)械振動/沖擊，且防爆結(jié)構(gòu)的完整性在使用壽命內(nèi)不可破壞。

二、通用結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)

1. 核心組件：電氣系統(tǒng)的點(diǎn)火源基礎(chǔ)控制

探頭內(nèi)部的**前置電路、激勵電路、電引線**是主要點(diǎn)火源來源，需從元件選型和電路設(shè)計上做基礎(chǔ)控制，為防爆結(jié)構(gòu)兜底：

- **元器件選型**：所有電子元件選用**防爆認(rèn)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(fā)熱、過壓擊穿產(chǎn)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(nèi)部引線采用**耐高溫阻燃屏蔽線**，線徑適配工作電流，避免導(dǎo)線過流發(fā)熱；引線連接點(diǎn)采用**壓接+灌封**雙重固定，杜絕接觸不良產(chǎn)生電??；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(shè)計**：優(yōu)化電路布局，增加發(fā)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)：聲耦合層的防爆密封設(shè)計

聲耦合層是探頭與測量介質(zhì)的**超聲通道**，也是防爆密封的**薄弱點(diǎn)**，設(shè)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(qiáng)度、耐高溫、耐腐的防爆專用透聲膜**，厚度≥0.3mm，抗拉/抗撕裂強(qiáng)度遠(yuǎn)高于普通膜，避免現(xiàn)場磕碰、介質(zhì)沖刷破損；

- **密封工藝**：透聲膜與外殼的連接采用**“機(jī)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(nèi)，通過金屬壓環(huán)機(jī)械壓緊，底部用防爆專用灌封膠硫化粘接，杜絕介質(zhì)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(zhì)（空氣/水），且密封層無氣泡、無間隙，避免因密封膠填充導(dǎo)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(shè)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(nèi)積聚爆炸性介質(zhì)，形成內(nèi)部爆炸隱患。

 3. 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：外殼與連接部位的防爆密封防護(hù)

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

- **外殼材質(zhì)**：選用**高強(qiáng)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(xiàn)場（如化工、海水）；外殼材質(zhì)需通過**防爆沖擊試驗**，能承受內(nèi)部爆炸壓力而不破裂、不產(chǎn)生縫隙；

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

- **接口密封**：① 電纜接口采用**防爆格蘭頭（填料函）**，內(nèi)置氟橡膠密封圈，適配防爆電纜，擰緊后實現(xiàn)電纜與外殼的密封，防止介質(zhì)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(hù)**：本安型探頭內(nèi)部采用**防爆專用灌封膠**（導(dǎo)熱型環(huán)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(zhì)侵入，又能散熱、抗振動，同時固定內(nèi)部組件。

4. 輔助結(jié)構(gòu)：機(jī)械與熱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化設(shè)計

防爆現(xiàn)場多伴隨**強(qiáng)機(jī)械振動、介質(zhì)沖刷、高低溫循環(huán)**，需強(qiáng)化探頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)和熱結(jié)構(gòu)，避免防爆結(jié)構(gòu)因機(jī)械損壞、熱變形失效：

- **內(nèi)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(dǎo)致組件移位、引線斷裂，產(chǎn)生點(diǎn)火源；

- **抗沖擊設(shè)計**：外殼增加**加強(qiáng)筋**，探頭前端增加**防撞護(hù)罩**（透聲型，如多孔不銹鋼護(hù)罩），避免現(xiàn)場磕碰損壞透聲膜和外殼，保證防爆結(jié)構(gòu)完整性；

- **熱變形補(bǔ)償**：外殼與內(nèi)部組件的材質(zhì)選用**熱膨脹系數(shù)匹配**的材料，避免高低溫循環(huán)導(dǎo)致的熱脹冷縮產(chǎn)生縫隙，破壞密封和隔爆結(jié)構(gòu)；

- **接地設(shè)計**：外殼設(shè)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(diǎn)火源），接地電阻≤4Ω（防爆標(biāo)準(zhǔn)要求）。

三、主流防爆型式的專屬結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)

工業(yè)防爆型超聲波探頭的主流防爆型式為**隔爆型Ex d**和**本質(zhì)安全型Ex ia/ib**，兩種型式的防爆原理不同，結(jié)構(gòu)設(shè)計差異顯著，是防爆設(shè)計的核心，**需根據(jù)現(xiàn)場危險區(qū)域等級選擇**：

 1. 隔爆型Ex d 探頭

**防爆原理**：通過**足夠強(qiáng)度的隔爆外殼**將內(nèi)部可能發(fā)生的爆炸限制在殼內(nèi)，殼壁能承受內(nèi)部爆炸壓力，且爆炸產(chǎn)物通過隔爆結(jié)合面的冷卻和泄壓，不會引燃?xì)ね獾谋ㄐ曰旌衔铩?/p>

**專屬設(shè)計要點(diǎn)**：

- **隔爆外殼的強(qiáng)度設(shè)計**：外殼需通過**防爆壓力試驗**，能承受≥0.8MPa的內(nèi)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(jié)合面設(shè)計**：外殼所有結(jié)合面均為**隔爆結(jié)合面**，需滿足**“長度-間隙-粗糙度"** 三要素：如螺紋結(jié)合面的嚙合深度≥8牙，螺紋間隙≤0.1mm；光滑止口結(jié)合面的長度≥20mm，間隙≤0.05mm；

- **內(nèi)部爆炸泄壓**：外殼內(nèi)部預(yù)留**微小泄壓空間**，避免內(nèi)部爆炸壓力瞬間過高導(dǎo)致外殼破裂；同時泄壓路徑需經(jīng)過隔爆結(jié)合面，保證爆炸產(chǎn)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(shè)計**“隔爆聲窗"**——透聲膜外側(cè)增加**多孔隔爆金屬板**，既保證超聲穿透，又能承受內(nèi)部爆炸壓力，阻斷爆炸產(chǎn)物外泄。

 2. 本質(zhì)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(nèi)部在正常工作和故障狀態(tài)下，產(chǎn)生的電火花和溫升均**不足以引燃爆炸性混合物**，是“本質(zhì)上無點(diǎn)火源"的防爆型式。

**專屬設(shè)計要點(diǎn)**：

- **電路的本質(zhì)安全設(shè)計**：核心是**限流、限壓、限功率**，需在探頭內(nèi)部設(shè)置**本質(zhì)安全保護(hù)電路**，保證在正常工作、短路、開路等所有狀態(tài)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(nèi)部所有組件采用**導(dǎo)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(zhì)侵入，又能將溫升傳導(dǎo)至外殼，同時固定組件，避免振動故障；

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

- **關(guān)聯(lián)設(shè)備適配**：本安型探頭需與**本安關(guān)聯(lián)設(shè)備**配套使用，主機(jī)需設(shè)置**安全柵**，進(jìn)一步限制向探頭輸送的電流/電壓，保證整個系統(tǒng)的本質(zhì)安全性；

- **外殼簡化設(shè)計**：因本質(zhì)上無點(diǎn)火源，外殼無需承受內(nèi)部爆炸壓力，可采用**薄壁防爆合金**或**高強(qiáng)度工程塑料**，但仍需保證密封性能，防止介質(zhì)腐蝕內(nèi)部電路。

四、防爆探頭與超聲性能的兼容設(shè)計要點(diǎn)

防爆設(shè)計易導(dǎo)致**聲能損耗、波束畸變、測量盲區(qū)增加**，需通過針對性設(shè)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(qū)別，也是設(shè)計的難點(diǎn)：

1. **聲通道的低損耗設(shè)計**：隔爆聲窗的多孔金屬板選用**薄型、高孔隙率**材質(zhì)，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(shè)計**：防爆外殼的前端（聲發(fā)射端）采用**與探頭壓電陶瓷匹配的弧形設(shè)計**，避免外殼遮擋超聲波束，保證波束角與標(biāo)稱值一致；防撞護(hù)罩的開孔沿波束方向排列，無橫向遮擋；

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

4. **溫度補(bǔ)償?shù)募稍O(shè)計**：防爆現(xiàn)場的溫度變化會導(dǎo)致聲速偏移和壓電性能變化，需在探頭內(nèi)部集成**溫度傳感器**，并做防爆密封處理，實現(xiàn)聲速和壓電性能的實時溫度補(bǔ)償，保證測量精度。

五、標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)與出廠檢測設(shè)計要點(diǎn)

防爆型探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計需**全程符合防爆標(biāo)準(zhǔn)**，且出廠前需通過嚴(yán)格的防爆檢測，結(jié)構(gòu)設(shè)計需為檢測提供條件，保證防爆認(rèn)證的通過：

1. **防爆標(biāo)識的標(biāo)注**：在外殼的**醒目位置**采用**激光雕刻**的方式標(biāo)注防爆標(biāo)識，包含防爆型式、防爆等級、溫度組別、認(rèn)證機(jī)構(gòu)等；

2. **檢測用結(jié)構(gòu)設(shè)計**：外殼設(shè)置**專用檢測接口**，無需拆解防爆結(jié)構(gòu)即可進(jìn)行氣密性、溫升、絕緣電阻等防爆檢測；內(nèi)部電路設(shè)置**測試點(diǎn)**，方便檢測電路的限流/限壓性能；

 六、不同測量介質(zhì)的防爆探頭專屬適配設(shè)計

防爆型超聲波探頭分**空氣式**和**投入式**，測量介質(zhì)不同，防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計需做針對性適配，貼合現(xiàn)場實際應(yīng)用：

| **空氣式防爆探頭** | 油氣站、化工罐區(qū)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(shè)計，避免凝露/粉塵覆蓋導(dǎo)致聲能損耗；2. 外殼設(shè)置**呼吸閥**，平衡殼內(nèi)外部壓力，避免溫變導(dǎo)致外殼變形；3. 隔爆聲窗增加**防塵網(wǎng)**，防止粉塵進(jìn)入聲通道。 |

| **投入式防爆探頭** | 化工儲罐、油田污水池的液相環(huán)境，浸沒在水中測量 | 1. 整體采用**全密封水下防爆結(jié)構(gòu)**，防護(hù)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(jié)構(gòu)**，避免水體壓力導(dǎo)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。 |