專利名稱：換能器組件的制作方法
換能織件
絲領域
本發(fā)明總,及一種用于測量流Mt動的裝置。具體地說，本發(fā)明的實施 方式總體涉及一種采用超聲波信號領糧流體流動并預測流體的流動剖面的換能
器組件。
背景駄
在涉及流^^動的行業(yè)內(nèi)，精確測量流體^3I常常非常重要并因此是必須 的。例如，在油氣行業(yè)中，為了進行泄漏檢查、過程控制應用以及密閉輸送(例 如在裝載和卸載原油的工作站進行油和氣所有權的轉(zhuǎn)換)需要精確的流量(flow mte)測量。常規(guī)的流動測量技術包括渦輪流量計和容積式流li十。然而M, 超聲波流量計因其相對于常規(guī)技術所具有的優(yōu)點而在油氣行業(yè)內(nèi)得到普及。所 述優(yōu)點包括良好的長期可再現(xiàn)性、對流體屬性例如粘度和壓力更小的靈敏度、 更好的明匣(open-box)精度、更寬范圍的線'粗度、以及因在這些超聲波流量計 中不采用任何移動部件而帶來的更低的維修成本。
在典型的操作中，超聲波流Mi十采用換能器將超聲波信號傳遞到由第二換 能器接收的流體內(nèi)。攜帶超聲波信號波的流體改變波的頻率(Doppler (多普勒) 效應)和傳播時間(3M疊加)，使得可以釆用測1^兩個量之一來確定流^^ 量。根據(jù)這些原理，存在兩種主要的超聲波流，lj量技術Doppler式和時差 (transit-time)式。所研制的測量流條動剖面的大多方、[直基于Doppler技 術(例如美國專利No.6,067，861和美國專利No.6，378，357)。然而Doppler信號 顯著依賴粒子尺寸和粒子濃度這兩個可以變化的流體特性，由此導致精度和可 再現(xiàn)性錢。因而，為了提高精度，油氣行業(yè)tt^用時差式流Si十。
完善地制定了時差式超聲波流量計的原理。參照圖1，示出了具有一對換 能器111和113以進行超聲波傳播時間領懂的巻筒101。在一些構造中，可以將
換能器夾緊在巻筒件的夕卜壁上。然而，在圖i中，將換能器m和113安驗
巻筒101的壁103上(被稱為"濕"換能器)。這樣使"濕"換能器111和113會,具有更好的靈iCg。換能器111和113會辦傳遞和接TO聲波信號。箭頭F
表示流體穿過巻筒101的流動方向，線L指的魏聲波信號在換能器111與113
之間的路徑長度，0指的^g聲波信號的路徑長度L與流動方向F之間的角度，
tu指的是超聲波信號沿線L逆流(超聲波信號從換能器113到換能器111)的傳
播時間，以及td指的魏聲波信號沿線L順流(超聲波信號從換能器lll到換
會識113)的傳播時間。禾IJ用這些參數(shù)，可以得至硫皿路徑長度L在流動方
向F上的速度V，如以下公式(1)所示
r = 公式(1)
2cos^ 々力
可以采用與圖i中的換能器m和113類似構造的多對換能翻定iiil巻 筒的流體流量和/或流術荒動咅靦。這種構造通常被稱為"多路"超聲波時差式 流量計。
這些濕換能蹄在的一個問題是當要求維修和換能器需要更換時，它們不 太容易接近。例如，當濕換能器需要更換時，需要停止液體流動以防止流體通 過安裝濕換會識的巻筒內(nèi)的開口泄漏。而且，甚至需要從管道中取出裝有換能 器的巻筒以接觸換能器。根據(jù)巻筒和管道設計的復皿，換能器的更換和維修 會導致在停機時間上損失許多寶貴的時間。因而，如圖所示，還需要改進的是 換能器以及用于在不犧牲流^i量精度的im下更容易地進行更換的方法。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明涉及一種換能器組件。該換能器組件包括殼體、密封隔膜、 可拆除隔膜以及壓電晶體?？刹鸪裟较蛳迣廼旌殼體上并朝向密封隔膜被偏 壓，并M電晶胸置在可拆除隔膜內(nèi)。
另一方面，本發(fā)明涉及一種巻筒。該巻筒包括布置在巻筒中的換能器組件。 換能器組件包括至少部分地布置在巻筒壁內(nèi)的殼體、布置在巻筒壁內(nèi)的密封隔 膜、和徑向限帝贓殼體上并布置在巻筒壁內(nèi)的可拆除隔膜。壓電晶胸置在可 拆除隔膜內(nèi)并且可拆除隔膜偏壓向密封隔膜。
另一方面，本發(fā)明涉及一種從巻筒上更換換能器組件的方法。戶M換能器
組件包括殼體、可拆除隔膜以及密封隔膜。所述方、M括從巻筒的開口上拆除 殼體和可拆除隔膜，以及在從巻筒的開口上拆除殼體和可拆除隔膜的同時利用密封隔膜防止流體從巻筒中流失。
從以下描述和附加權利要求中將會了解到本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點。


圖1表示現(xiàn)有技術中具有用于超聲波時差式領懂的換能器的巻筒。
圖2顯示根據(jù)本發(fā)明實施方式的換能器組件。
圖3顯示在根據(jù)本發(fā)明實施方式的換能器組件的殼體端部中的凹口。
圖4顯示根據(jù)本發(fā)明實施方式的與電能源相連的換能器組件。
圖5顯示根據(jù)本發(fā)明實施方式的壓電晶體的聲場。
圖6顯示具有根據(jù)本發(fā)明實施方式的換能器組件的巻筒。
一方面，本發(fā)明的實施方式總，及一種改進的換能器組件。更具體地說， 本發(fā)明的一種或多種實施方式可以提供一種包括至少兩個隔膜和壓電晶體以測 量超聲波信號傳播時間的換能器組件。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明實施方式的換能器組件的懶科見圖。該換能器組件繞 軸線200布置并包括具有可拆除隔膜211的殼體201。可拆除隔膜211包括圓柱 壁213，圓柱壁213具有與圓柱壁213的端部相連的盤215。此外，壓電晶體217 布置在可拆除隔膜211內(nèi)。具體地說，壓電晶體217可以定位在可拆除隔膜211 內(nèi)部并固定在盤215上。壓電晶懶每在下文更詳細地描述。
仍然參照圖2，可以將可拆除隔膜211徑向限制在殼體201上。在ltk^用 的"徑向"限制指的是可拆除隔膜相對于殼糊線的徑向移動受到限制。在該 實施方式中，可拆除隔膜211 M31繞殼體201的端部203的外側(cè)布置而徑向限 制在殼體201的端部203上。然而，在另一實施方式中，可拆除隔膜211可以 Mil布置在殼體201內(nèi)，例如布置在殼體201的端部203的內(nèi)側(cè)中而徑向限制 在殼體201上。
此外，仍然參照圖2，可以將可拆除隔膜211旋轉(zhuǎn)限制在殼體201上。在 此采用的"旋轉(zhuǎn)"限制指的是可拆除隔膜相對于殼懶由線的旋轉(zhuǎn)移動受到限制。 在該實施方式中，可拆除隔膜211利用銷219旋轉(zhuǎn)限制在殼體201上。殼體201 的端部203可以具有凹口 205 (在圖3中示出)，該凹口為銷219的寬度并沿殼
體201的端部203的長度延伸。銷219隨后可以裝配在凹口 205內(nèi)并且能夠在 凹口 205內(nèi)軸向(沿軸線200)移動，但其繞軸線200的旋轉(zhuǎn)受凹口 205的限制。 銷219隨后可以固定在可拆除隔膜211的圓柱壁2B上，由此使可拆除隔膜211 能夠旋轉(zhuǎn)限制在殼體201上。
仍然參照圖2，換能器組件還可以包括套筒221和密封隔膜231。密封隔膜 231包括盤233并且可以定位在套筒221的端部223處。如在該實施方式中所示， 密封隔膜231可以鄉(xiāng)體筒221的端部223的外煩怖置。套筒221可以包繊孔 227。如所示，通孔227可以形^體上圓，的ilit。 ^i也，通孔227足夠 大以使可拆除隔膜211和殼體201的端部203倉辦布置在套筒221內(nèi)。套筒221 還可以包括螺紋部分225以使套筒221會嫩與巻筒(在lK示出)螺,合。
仍然參照圖2，換能器組件還可以包括偏壓機構241。在該實施方式中，偏 壓機構241是彈簧。然而，本領域普通技術人員將^i人識到在不脫離本發(fā)明范 圍的前提下可以采用其它偏壓機構。無論怎樣，偏壓機構241可以繞殼體201 布置，具體地說是繞殼體201的端部203布置，使得可以采用偏壓機構241將 可拆除隔膜211 (與壓電晶體217—起)向密封隔膜231偏壓?？梢岳眠@種偏 壓確?？刹鸪裟?11與密封隔膜231之間的接觸，并由此確保換能器組件具 有更高的靈M。偏壓機構241可以徑向限制在殼體201上。具體地說，偏壓 機構241可以繞殼體201布置，由此防止偏壓機構241相對于殼體201的軸線 200產(chǎn)生任何向內(nèi)的徑向移動，并且偏壓機構241可以布置在具有可拆除隔膜 211和殼體201的端部203的套筒221內(nèi)，由此防止偏壓機構241相對于殼體 201的軸線200產(chǎn)生倒可向外的徑向移動。因而，偏壓機構241在徑向限制在殼 體201或套筒221上時僅能沿殼體201的軸線200移動。
仍然參照圖2，可以在殼體201的端部203中形成凹槽207?？梢岳冒疾?207使密封件251繞殼體201裝配。當殼體201的端部203布置在套筒221內(nèi)時， 可以采用如圖所示為0形環(huán)的密封件251在殼體201與套筒221之間提供密封。 類4叫也，可以在密封隔膜231中形成凹槽235。可以利用凹槽235使密封件253 繞密封隔膜231裝配?？梢圆捎萌鐖D所示也為0形環(huán)的密封件253在密封隔膜 231與巻筒(在li^示出)之間^i共密封。
圖4顯示根據(jù)本發(fā)明實施方式的換能器組件。在該實施方式中，壓電晶體 217 3M導線301與電能源(未示出)例如電池相連。壓電晶體可以Mffi于將電
能轉(zhuǎn)換為機械能或者可以棚于將機械能轉(zhuǎn)換為電能。例如，在一實施方式中，
可以M導線301從電能源向壓電晶體217傳送電荷。隨后可以Mil壓電晶體 217將所述電荷轉(zhuǎn)換為聲能(例如機械能)，這樣可以產(chǎn)生聲信號?？膳?，在
另一實施方式中，可以ma壓電晶體2i7接收例如來自聲信號的機械能。隨后
可以M31壓電晶體217將該機械能轉(zhuǎn)換為電能。之后可以由壓電晶體217 M 導線301傳送電能。
壓電晶體可以由許多材料構成，最常見的是由陶瓷和石英晶體構成。具體 地說，在一實施方式中，壓電晶體由可以從Keramos of Piezo Technologies得到 的K6ziteK600構成，其是一種艦的,齢太酸鉛壓電陶瓷。隨后可以M31多種方 式改進壓電晶體的材料以產(chǎn)生不同的聲信號波型。例如，壓電晶體的總體形狀 決定了由壓電晶體產(chǎn)生的聲信號的聲場。圖5表示根據(jù)本發(fā)明實施方式由壓電 晶體217產(chǎn)生的聲場401的示例。在該實施方式中，當M導線301接收電荷 時，如圖所示，壓電晶體217呈圓鄉(xiāng)盤的微并產(chǎn)生聲場401。此外，壓電晶 體的厚度可以決定由壓電晶體產(chǎn)生的聲能的頻率。具體地說，壓電晶體產(chǎn)生的 波長是其厚度的大約兩倍。在一實施方式中，壓電晶體能夠產(chǎn)生優(yōu)選頻率范圍 從0.8MHz到1.2MHz的超聲波信號。
現(xiàn)在參照圖6，示出了具有根據(jù)本發(fā)明實施方式的換能器組件的巻筒501 。 該巻筒501包括可以容納換能器組件例如圖2戶標的換能器組件的開口 503。例 如，在一實施方式中，換能器組件的套筒221的螺紋部分225可以與巻筒501 中的開口 503螺紋接合。這樣使套筒221和連接的密封隔膜231固定在巻筒501 內(nèi)。殼體201的端部203和可拆除隔膜211可以布置在殼體221內(nèi)。由于換能 器組件如圖所示可以布置在巻筒501內(nèi)，因此該換能器組件可以是濕換能器。
仍然參照圖6，隨后可以M3i^用凸緣505將巻筒501安驗髓(未示 出)中。當處于管道中時，流體可以流動(箭頭F表示流，動方向)穿過巻 筒501，其中可以采用換能器組件澳懂穿過巻筒501的流條動。在一實施方式 中，圖6所示的固定在巻筒501內(nèi)的換能器組件可以與安驗巻筒501相對一 側(cè)的相應換能器組件(未示出)配對并處于所示換能器組件的下游。圖6所示 的換能器組件被稱為"上游"換能器組件，并且在巻筒501相對Hi抹示出的 換能器組件被稱為"下游"換能器組件。在一實施方式中，上游和下游換能器 組件能夠相互傳送和接,聲波信號?？梢岳缭诠?1)中利用換能器組件
之間的信號傳播時間確定沿上游和下游換能器組件之間的路徑長度上的流^^i
動F的速度。在另一實施方式中，巻筒501可以具有固定在開口 503內(nèi)的多對 上游和下游換能器組件以作為多路超聲波時差式流量計。隨后可以采用本發(fā)明 的實施方式確定M31巻筒和tit的流^;t量和/或流^^動剖面。
按照根據(jù)本發(fā)明實施方式的方法，可以從巻筒中更換換能器組件?？梢愿?換根據(jù)本發(fā)明實施方式的換能器，而不會干擾流條過巻筒。例如，如果需要 在換能器組件內(nèi)更換壓電晶體217，則可以從套筒221上拆除殼體201 。套筒221 可以例如艦與套筒221的螺紋部分225的螺紋接合而固定在巻筒501上。由 于這一點，可以從巻筒501的開口 503上拆除殼體201，但套筒221會保持固定 在巻筒501的開口 503內(nèi)。當從巻筒501上拆除殼體201時，還可以拆除都限 制在殼體201上的可拆除隔膜211和偏壓機構241。隨著殼體201和可拆除隔膜 211從巻筒501上被拆除，可以更換可拆除隔膜211和/或可以更換壓電晶體217。 在戶脫更換過程中，可以繞套筒221的端部223布置并且可以與巻筒501內(nèi)的 流體直皿觸的密封隔膜231可以保持固定在巻筒501的開口 503內(nèi)。這樣， 密封隔膜231可以防止在更換例如可拆除隔膜211的過程中流體從巻筒501中 流失。
此外，按照根據(jù)本發(fā)明實施方式的另一方法，可以在不必從管道中取出巻 筒的情況下更換換能器的密封隔膜。例如，如果需要更麟封隔膜231，貝何以 從巻筒501的開口 503上拆除套筒221。還可以拆,套筒221的端部223布置 的密封隔膜231。隨后密封隔膜231可以鄉(xiāng)離巻筒501的同附尋到更換。由于 從巻筒501的開口 503上拆除密封隔膜231，因此流體會從巻筒501中流失。為 了防止流體從巻筒501中流失，需要使穿過巻筒501的流#^動F停止，但密 封隔膜231替換時無需從管道(未示出)中取出巻筒501。
,地，可拆除隔膜和密封隔膜由塑料構成。具體地說，可拆除隔膜和密 封隔膜可以由UltemlOOO"種可以從GeneralElectric得到的熱塑性聚STOO安 耐熱聚合物構成。此外，可拆除隔膜和密封隔膜的盤可以相對較薄，，厚度 范圍在大約l-3mm (0.04-0.12in)。此外，可以禾擁粘合劑，雌為粘性粘結(jié)劑 將壓電晶體固定在可拆除隔膜的盤上。對于由塑料構成的隔膜，它們的盤相對 較薄，和/或在固定壓電晶體時翻粘性粘結(jié)劑，這樣可以M^能器組fM專送 和接收頓的信號(也就是防止鄉(xiāng)蹄膽號弓驢損失)。
本領域普通技術人員將會認識到本發(fā)明的實施方式具有以下一個或多個優(yōu) 點。通常，在現(xiàn)有技術中，當更換換能器組件賺能器組件的部件，尤其是更
換濕換能器組件或組件的部件時，可以停止流過管iM巻筒的流體流動以防止 流體通過換能器固定在其中的開口流失。然而，對于本發(fā)明，流體流動不必受 到干擾，因為可以采用密封隔膜防止倒可流體從巻筒中流失。
此外，根據(jù)本發(fā)明一或多個實施方式的換能器組件可以是"固有安全"的 和/或區(qū)域0 (zoneO)得到合格驗證的。固有安全的，是在正常使用中或在任 何實踐中可能發(fā)生的故障狀態(tài)下不會使易燃材料弓燃的體。區(qū)域0指的是一 直存在爆炸材料例如爆炸氣體的環(huán)境。本發(fā)明的實施方式可以是固有安全的和 區(qū)域0得到合格衞正的，由此使換能器組件能夠安全地用于極為易爆的環(huán)境， 例如油氣行業(yè)中常見的環(huán)境。
此外，在根據(jù)本發(fā)明一或多個實施方式的換能器組件中采用偏壓機構可以 艦換能器組fH專送和接收慰子的信號(也就是防止或限制信號3跛損失)。當 殼體端部和可拆除隔膜布置在換能器組件的套筒內(nèi)時，偏壓機構可以將可拆除 隔膜向密封隔膜偏壓。這樣可以使可拆除隔膜和布置在其中的壓電晶體與密封 隔膜具有緊密撤蟲，從而肖,M換能器組fH專送更好的信號。
盡管己經(jīng)M有限數(shù)量的實施方式描述了本發(fā)明，但從公開內(nèi)容中得到啟
示的本領域技術人員將a識到可以想至u不脫離在此公開的本發(fā)明范圍的其它
實施方式。因此，本發(fā)明的范圍應該僅由附加權利要^f行限制。
權利要求
1.一種換能器組件，所述換能器組件包括殼體；密封隔膜；徑向限制到殼體的可拆除隔膜；以及布置在可拆除隔膜內(nèi)的壓電晶體；其中，可拆除隔膜被朝向密封隔膜偏壓。
2. 如權利要求i戶;M的換能器組件，進一步包括套筒；其中密封隔膜定位在套筒的端部處； 可拆除隔膜和殼體的至少一部分布置在套筒內(nèi)。
3. 如權利要求2所述的換能器組件，其特征在于，套筒包括螺紋部分。
4. 如權利要求1所述的換能器組件，進一步包括偏壓機構，戶M偏壓機構 圍繞殼胸置以將可拆除隔膜朝向密封隔膜偏壓。
5. 如權利要求4戶腿的換能器組件，其特征在于，偏壓機構徑向限希倒殼 體上。
6. 如權利要求i戶;M的換能器組件，，征在于，換能器組件被構造 置在巻筒上。
7. 如權利要求2所述的換能器組件，進一步包括 繞殼肺置的密封元件，其中戶腿密封元件在套筒與殼體之間Jli贈封。
8. 如權利要求6戶脫的換能器組件，進一步包括繞密封隔膜布置的密封元件，其中密封元件在密封隔膜與巻筒之間M^f封。
9. 如權利要求1戶腐的換能器組件，辦征在于，禾傭粘結(jié)齊鵬壓電晶體 固定到可拆除隔膜。
10. 如權利要求1戶脫的換會離組件，其特征在于，換能器組件是固有安 全的。
11. 如權利要求1所述的換能器組件，其特征在于，換能器組件是區(qū)域0 得到合格船正的。
12. —種用于測量流#^動的巻筒，該巻筒包括 布置在巻筒上的換能器組件， 其中換能器組件包括殼體，戶，殼體至少部分地布置在巻筒的壁內(nèi)；密封隔膜，戶;f^密封隔自置在巻筒的壁內(nèi)；可拆除隔膜，所述可拆除隔膜徑向限帝碟IJ殼體上并布置在巻筒的壁內(nèi)；以及壓電晶體，所述壓電晶 置在可拆除隔膜上； 其中，可拆除隔膜被朝向密封隔膜偏壓。
13. 如權利要求12戶M的巻筒，其特征在于，換能器組件進一步包括-套筒，其中可拆除隔膜和殼體的至少一部分布置在套筒內(nèi)。
14. 如權利要求13所述的巻筒，其特征在于，套筒與巻筒螺,合。
15. 如權利要求12戶脫的巻筒，其特征在于，進一步包括偏壓機構，戶腿 偏壓機構繞殼體布置以將可拆除隔膜朝向密封隔膜偏壓。
16. —種從巻筒上更換換能器組件的方法，所述換能器組件包括殼體、可拆除隔膜以及密封隔膜，戶;M方^括以下步驟從巻筒的開口拆除殼體和可拆除隔膜；以及在從巻筒的開口上拆除殼體和可拆除隔膜的同時利用密封隔膜防止流體從 巻筒中流失。
17. 如權利要求16戶脫的方法，辦征在于，壓電晶胸置在可拆除隔膜內(nèi)。
18. 如權利要求16戶脫的方法，其特征在于，進一步包括以下步驟-更換可拆除隔膜；以及 將殼體禾呵拆除隔膜插入到巻筒的開口內(nèi)。
19. 如權利要求16戶，的方法，其特征在于，戶;M^能器組件進一步包括:套筒；其中密封隔膜定位在套筒的端部； 其中可拆除隔膜和殼體的至少一部分布置在套筒內(nèi)。
20. 如權利要求19戶M的方法，^#征在于，戶;f^套筒包括螺紋部分并與巻筒螺紋接合。
21. 如權利要求16所述的方法，其特征在于，進一步包^^殼體布置并將 可拆除隔膜朝向密封隔膜偏壓的偏壓機構。
22. 如權利要求16戶腿的方法，其特征在于，偏壓機構徑向限制到殼體上。
全文摘要
一種具有殼體、可拆除隔膜和密封隔膜的換能器及其更換方法。該換能器組件可以同卷筒一起使用，從而防止當拆除換能器組件的部件時流體從卷筒中流失。
文檔編號G01N29/36GK101097159SQ20071014640
公開日2008年1月2日 申請日期2007年4月25日 優(yōu)先權日2006年4月26日
發(fā)明者華萊士·特羅徹薩特, 卡拉普什·米斯特里, 彼德·E·扎索斯基 申請人:思姆菲舍爾科技公司