超聲波流量計(jì)和具有隔離的變壓器艙的換能器組件的制作方法
【專利說明】超聲波流量計(jì)和具有隔離的變壓器艙的換能器組件
[0001]本申請是國際申請日為2011年I月4日、申請?zhí)枮?01180008134.2、名稱為“超聲波流量計(jì)和具有隔離的變壓器艙的換能器組件”的發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002]關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研宄或研發(fā)的聲明
[0003]不適用。
【背景技術(shù)】
[0004]多種實(shí)施方式涉及超聲波流量計(jì)并且特別涉及在超聲波流量計(jì)中使用的換能器組件。
[0005]在已將碳?xì)浠衔飶牡孛嬉瞥螅?液相的或氣相的)流體流經(jīng)由管路輸送至各處。所期望的是，精確地獲知該流中流動的流體的數(shù)量，并且當(dāng)流體正在轉(zhuǎn)手時，或在“密閉輸送”期間，要求特別的精度。然而，即使是在沒有發(fā)生密閉輸送的地方，測量精度也是所期望的，并且在這些情形中可使用超聲波流量計(jì)。
[0006]超聲波流量計(jì)包括兩個或更多個換能器組件，每個換能器組件緊固在流量計(jì)的本體或管段中的端口的內(nèi)側(cè)。為了在流量計(jì)內(nèi)容納輸送的流體，在管段中的每個換能器端口的外端上緊固有端部連接器。由此，管段和端部換能器形成壓力邊界，該壓力邊界容納流動通過該流量計(jì)的流體。為了測量通過流量計(jì)的流體流量，沿著管段的內(nèi)表面設(shè)置有一對換能器組件，使得每個換能器組件彼此面對。每個換能器組件包括壓電元件，并且當(dāng)將交流電施加至第一換能器組件的壓電元件時，該壓電元件通過在正被輸送通過流量計(jì)的流體中發(fā)射超聲波而作出響應(yīng)。當(dāng)波入射到第二換能器組件的壓電元件上時，該換能器組件通過產(chǎn)生電信號而作出響應(yīng)。一段時間之后，將交流電施加至第二換能器組件的壓電元件，并且該壓電元件通過將超聲波發(fā)射通過流量計(jì)中的流體而作出響應(yīng)。當(dāng)波入射到第一換能器組件的壓電元件上時，該換能器組件通過產(chǎn)生電信號而作出響應(yīng)。這樣一來，換能器組件越過流體流來回地發(fā)送和接收信號。
[0007]每個換能器組件連接至纜線，該纜線穿過端部連接器延伸至管段的外部及諸如通常安裝至管段的外部的電子器件罩殼之類的遠(yuǎn)程位置。纜線將由壓電元件產(chǎn)生的信號承載至設(shè)置在電子器件罩殼內(nèi)的采集板，信號可在采集板上進(jìn)行處理并隨后用于確定通過流量計(jì)的流體流速。
[0008]當(dāng)不處于使用中時，換能器組件中的壓電元件可累積電荷。該電荷對在流量計(jì)上執(zhí)行維護(hù)的人員存在危險。為了降低維護(hù)人員的風(fēng)險，通常將每個壓電元件聯(lián)接至變壓器，該變壓器除了下述功能之外，還為由壓電元件產(chǎn)生的電荷提供放電路徑。
[0009]變壓器還在壓電元件與最終接收由壓電元件產(chǎn)生的信號的采集裝置之間提供抗阻匹配。由此，壓電元件和變壓器是配對的。因此，變壓器通常被設(shè)置在換能器組件內(nèi)。利用大多數(shù)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，當(dāng)壓電元件或變壓器需要更換時，整個換能器組件被從管段中的端口上移除，這在將端部連接器移除以觸及換能器組件時，通常使得穿過管段的流體流的所不期望的中斷成為必需。
[0010]此外，在許多傳統(tǒng)的換能器組件中，換能器組件內(nèi)的變壓器和/或在變壓器與壓電元件之間的電氣連接易于受到在與壓電元件所經(jīng)歷的條件相同的條件中的暴露的影響。當(dāng)變壓器或電氣連接并不設(shè)計(jì)用于與壓電元件相同的條件時，這種暴露并不是所期望的。例如，穿過流量計(jì)的流體可以是腐蝕性的。盡管壓電元件可與腐蝕性的條件相容，但變壓器可能不與腐蝕性的條件相容。在這種情況下，腐蝕性的流體會損壞變壓器和相關(guān)聯(lián)的布線。
[0011]改善給予流體的超聲波信號的質(zhì)量的機(jī)構(gòu)可改善測量精度。而且，流量計(jì)的部件的磨損、破裂、和部件老化(例如，由正被測量的流體的腐蝕性導(dǎo)致)會相當(dāng)大地縮短該裝置的壽命，并且由此，任何提高流量計(jì)及其部件的耐用性和/或壽命的設(shè)備、方法或系統(tǒng)會是所期望的。最后，超聲波流量計(jì)可安裝在惡劣的環(huán)境中，并且由此，任何縮短維修時間并且如果可能的話改善性能的機(jī)構(gòu)會是所期望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]通過一種用于測量通過管路的流體的流量的超聲波流量計(jì)在一個實(shí)施方式中滿足現(xiàn)有技術(shù)中的這些和其它需要。在一實(shí)施方式中，該流量計(jì)包括管段，該管段包括通孔和換能器端口，該換能器端口從管段的外表面延伸至通孔。另外，該流量計(jì)包括設(shè)置在換能器端口中的換能器組件。該換能器組件具有中央軸線并且包括換能器保持器，該換能器保持器具有鄰近管段的通孔的第一端部以及遠(yuǎn)離管段的通孔的第二端部。此外，換能器組件包括壓電艙，該壓電艙包括壓電元件。該壓電艙聯(lián)接至換能器保持器并從換能器保持器的第一端部大致軸向地延伸。此外，換能器組件包括變壓器艙，該變壓器艙包括變壓器。變壓器艙聯(lián)接至換能器保持器并與壓電艙軸向地間隔開。
[0013]通過一種用于測量通過管路的流體的流量的超聲波流量計(jì)在另一實(shí)施方式中滿足現(xiàn)有技術(shù)中的這些和其它需要。在一實(shí)施方式中，該流量計(jì)包括管段，該管段包括通孔和多個換能器端口，該多個換能器端口從管段的外表面延伸至通孔。另外，該流量計(jì)包括設(shè)置在換能器端口中的一個中的換能器組件。換能器組件具有中央軸線并且包括壓電艙，該壓電艙具有鄰近管段的通孔的第一端部以及遠(yuǎn)離管段的通孔的第二端部。該壓電艙包括在第一端部與第二端部之間延伸的壓電殼體。該壓電殼體包括從第一端部軸向地延伸的第一沉孔。此外，該壓電艙包括設(shè)置在第一沉孔中鄰近第一端部的壓電元件。而且，該換能器組件包括聯(lián)接至壓電艙的變壓器艙。變壓器艙包括變壓器殼體和設(shè)置在變壓器殼體內(nèi)的變壓器。此外，該換能器組件包括環(huán)形密封組件，該環(huán)形密封組件徑向地設(shè)置在換能器組件與管段之間，并軸向地設(shè)置在變壓器艙與管段的通孔之間。該密封組件阻止流體通過換能器端口在管段的通孔與變壓器艙之間的流動。
[0014]通過一種用于測量通過管路的流體的流量的超聲波流量計(jì)在另一實(shí)施方式中滿足現(xiàn)有技術(shù)中的這些和其它需要。在一實(shí)施方式中，該方法包括將管段聯(lián)接至管路。該管段包括通孔和從管段的外表面延伸至通孔的換能器端口。另外，該方法包括使流體流動通過管段的通孔。此外，該方法包括組裝氣體超聲波換能器組件。該換能器組件具有中央軸線并且包括聯(lián)接至管段的壓電艙。該壓電艙包括壓電殼體和設(shè)置在壓電殼體中的壓電元件。此外，換能器組件包括聯(lián)接至壓電艙的變壓器艙。該變壓器艙包括變壓器殼體和設(shè)置在變壓器殼體中的變壓器，并且將變壓器電聯(lián)接至壓電元件。此外，該方法包括設(shè)置組裝在換能器端口中的換能器。而且，該方法包括使壓電艙暴露于在管段的通孔中流動的流體。另外，該方法包括將變壓器艙與在管段的通孔中流動的流體隔離。
[0015]由此，于此所述的實(shí)施方式包括意在應(yīng)對與某些現(xiàn)有裝置、系統(tǒng)、和方法相關(guān)聯(lián)的多種缺點(diǎn)的特征和優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合。一旦所屬領(lǐng)域技術(shù)人員參照附圖閱讀詳細(xì)的說明，上述多種特性及其它特征將易于變得明白。
【附圖說明】
[0016]為了對本發(fā)明的示例性實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的說明，現(xiàn)將參照附圖進(jìn)行說明，在附圖中:
[0017]圖1A為超聲波流量計(jì)的實(shí)施方式的截面俯視圖；
[0018]圖1B為圖1A的流量計(jì)的端部；
[0019]圖1C為圖1A的流量計(jì)的俯視不意圖；
[0020]圖2為根據(jù)于此所述的原理的超聲波流量計(jì)的實(shí)施方式的立體圖；
[0021]圖3為設(shè)置在圖2的超聲波流量計(jì)的換能器端口中的一個中的氣體超聲波換能器組件的實(shí)施方式的放大的局部截面圖；
[0022]圖4為圖3的氣體超聲波換能器組件的放大的局部截面圖；
[0023]圖5和圖6為圖2的壓電艙的放大的截面圖；
[0024]圖7和8為圖2的變壓器艙的放大的截面圖；
[0025]圖9為圖2的變壓器艙襯套(spacer)的立體圖；
[0026]圖10為圖2的接受器艙的分解視圖；
[0027]圖11和12為圖2的接收器艙的放大的截面圖；
[0028]圖13為圖2的接收器艙的端視立體圖；
[0029]圖14為設(shè)置在圖2的超聲波流量計(jì)的換能器端口中的一個中的氣體超聲波換能器組件的實(shí)施方式的放大的局部截面圖；
[0030]圖15為圖14的壓電艙的放大的截面圖；
[0031]圖16為圖14的壓電艙的端視圖；
[0032]圖17為根據(jù)于此所述的原理的超聲波流量計(jì)的實(shí)施方式的截面圖；
[0033]圖18為根據(jù)于此所述的原理的超聲波流量計(jì)的實(shí)施方式的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下列討論涉及本發(fā)明的多種實(shí)施方式。盡管這些實(shí)施方式中的一個或更多個是目前優(yōu)選的，但所公開的實(shí)施方式不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是、或另外被用作限制包括權(quán)利要求在內(nèi)的本公開的范圍。另外，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，下列說明具有廣泛的應(yīng)用，并且對任何實(shí)施方式進(jìn)行的討論僅意味著是該實(shí)施方式的示例，而不意在表示將包括權(quán)利要求在內(nèi)的本公開的范圍限制于該實(shí)施方式。
[0035]特定的術(shù)語貫穿于下列說明和權(quán)利要求使用以指示特定的特征或部件。如所屬領(lǐng)域技術(shù)人員將會了解到的那樣，不同的人可能以不同的名字來指示同一特征或部件。本文獻(xiàn)并不意在對名字不同但功能并非不同的部件或特征進(jìn)行區(qū)分。附圖無需按比例繪制。此處的特定特征或部件可以放大的比例夸大或以略微示意性的形式示出，并且出于清楚和簡要的目的，傳統(tǒng)元件的一些細(xì)節(jié)可不被示出。
[0036]在下列討論中并且在權(quán)利要求中，術(shù)語“包含”和“包括”以開放式的方式使用，并且由此應(yīng)當(dāng)被解釋為意指“包含，但不限于…”。同樣，術(shù)語“聯(lián)接”或“聯(lián)結(jié)”被解釋為意值間接的連接或直接的連接。由此，如果第一裝置聯(lián)接至第二裝置，該連接可通過直接連接、或通過經(jīng)由其它裝置、部件和連接件的間接連接。另外，如于此所使用的那樣，術(shù)語“軸向的”和“軸向地”通常意指沿著或平行于中央軸線(例如，本體或端口的中央軸線)，而術(shù)語“徑向的”和“徑向地”通常意指垂直于該中央軸線。例如，軸向距離指的是沿著或平行于中央軸線測量到的距離，而徑向距離指的是垂直于中央軸線測量到的距離。
[0037]圖1A和IB示出了超聲波流量計(jì)10的實(shí)施方式，以說明多種部件和關(guān)系。適于放置在管路的區(qū)段之間的管段11具有預(yù)定的尺寸并限定測量過的流體(例如，氣體和/或液體)流動通過的中央通道。一對說明性的換能器12和13、以及它們各自的殼體14和16沿管段11的長度設(shè)置。換能器12和13為聲收發(fā)器，并且更特別地為超聲波收發(fā)器，從而意指它們既產(chǎn)生又接收頻率超過約20千赫的聲能。聲能可由每個換能器中的壓電元件產(chǎn)生和接收。為了產(chǎn)生聲信號，壓電元件經(jīng)由正弦信號電力地受到刺激，并且它通過振動作出響應(yīng)。壓電元件的振動產(chǎn)生聲信號，該聲信號通過測量過的流體行進(jìn)至換能器對的對應(yīng)的換能器。同樣，一旦被聲能(即，聲信號和其它噪聲信號)沖擊，接收中的壓電元件振動并產(chǎn)生正弦電信號，該正弦電信號由與流量計(jì)相關(guān)聯(lián)的電子設(shè)備進(jìn)行檢測、數(shù)字化處理、和分析。
[0038]有時候稱之為“弦”的路徑17存在于說明性的換能器12與13之間，與中心線20成角度Θ。“弦”17的長度為在換能器12的正面與換能器13的正面之間的距離。點(diǎn)18和19限定由換能器12和13產(chǎn)生的聲信號進(jìn)入和離開流動通過管段11的流體的位置(即，管段鉆孔的入口)。換能器12和13的位置可被角度Θ、被在換能器12與13之間測量到的第一長度L、與在點(diǎn)18與19之間的軸向距離相對應(yīng)的第二長度X、以及與管道內(nèi)徑相對應(yīng)的第三長度“d”限定。在大多數(shù)情況中，距離d、X和L在流量計(jì)制造期間被精確地確定。此外，無論流量計(jì)的尺寸(即，管段尺寸)如何，諸如換能器12和13之類的換能器通常被分別設(shè)置在與點(diǎn)18和19相距特定距離處。諸如天然氣之類的流體以速度剖面23在方向22上流動。速度矢量24-29表明了通過管段11的速度朝向中心線20增大。
[0039]最初，下游換能器12產(chǎn)生聲信號，該聲信號越過管段11中的流體傳播，并且隨后入射到上游換能器13并由上游換能器13進(jìn)行檢測。短時間之后(例如，數(shù)毫秒內(nèi))，上游換能器13產(chǎn)生返回聲信號，該返回聲信號越過管段11中的流體向后傳播，并且隨后入射到下游換能器12并由下游換能器12進(jìn)行檢測。由此，換能器12和13沿著弦路徑17利用信號30進(jìn)行“收和發(fā)”。在操作期間，該場景每分鐘可發(fā)生數(shù)千次。
[0040]聲信號30在換能器12與13之間的傳播時間部分取決于該聲信號30是關(guān)于流體流正在逆流地行進(jìn)還是順流地行進(jìn)。聲信號順流地(即，在與流體流動相同的方向上)行進(jìn)的傳播時間比其逆流地(即，逆向于流體流動)行進(jìn)時的傳播時間短。逆流傳播時間和順流傳播時間可用于計(jì)算沿信號路徑的平均速度和測量過的流體中的聲速。
[0041]超聲波流量計(jì)可具有一個或更多個聲信號路徑。圖1B示出了超聲波流量計(jì)10的一端的正視圖。如圖1B中所示，超聲波流量計(jì)10實(shí)際上包括在管段11內(nèi)處于不同高度處的四個弦路徑A、B、C和D。每個弦路徑A-D與交替地表現(xiàn)為發(fā)送器和接收器的換能器對相對應(yīng)。同樣示出的是控制電子儀器組件或罩殼40，該控制電子儀器組件或罩殼40獲取并處理來自四個弦路徑A-D的數(shù)據(jù)。圖1B中的視圖中所隱藏的是對應(yīng)于弦路徑A-D的四對換能器。
[0042]參照圖1C，可更為容易地理解四對換能器的布置。四對換能器端口安裝在管段11上。每對換能器端口與圖1B的單個弦路徑相對應(yīng)。第一對換能器端口 14和15包括換能器12和13(圖1A)。換能器安裝成與管段11的中心線20成非垂直的角度Θ。另一對換能器端口 34和35(在圖中僅部分地示出)和相關(guān)聯(lián)的換能器安裝成使得它的弦路徑關(guān)于換能器端口 14和15的弦路徑隨意地形成為“X”形。同樣，換能器端口 38和39放置成平行于換能器端口 34和35，但處于不同的“高度”(即，管道或流量計(jì)管段中的不同的徑向位置)處。在圖1C中未明確示出的是四對換能器和換能器端口。將圖1B和IC聯(lián)系在一起，成對的換能器設(shè)置成使得與弦A和B相對應(yīng)的上面兩對換能器形成“X”形，而與弦C和D相對應(yīng)的下面兩對換能器也形成“X”形。流體的流速可于每個弦A-D處加以確定以獲得弦流速，并且將弦流速相結(jié)合以確定在整個管道上的平均流速。通過平均流速，可確定在管段中流動的流體的數(shù)量，并由此確定在管路中流動的流體的數(shù)量。
[0043]現(xiàn)在參見圖2和3，分別示出了用于測量管路中的流體流速的超聲波流量計(jì)100的立體圖和局部截面圖。超聲波流量計(jì)100包括本體或管段105、多個氣體超聲波換能器組件200、導(dǎo)線或纜線125、以及可拆卸的纜線蓋120，該導(dǎo)線或纜線125從每個換能器組件200