具有塑性匹配層的換能器的系統(tǒng)和方法
【專利說(shuō)明】具有塑性匹配層的換能器的系統(tǒng)和方法
[0001]本申請(qǐng)為2008年5月6日提交的國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US2008/062750、發(fā)明名稱為“具有塑性匹配層的換能器的系統(tǒng)和方法”的PCT申請(qǐng)的分案申請(qǐng)，該P(yáng)CT申請(qǐng)進(jìn)入中國(guó)國(guó)家階段日期為2009年11月10日，國(guó)家申請(qǐng)?zhí)枮?00880015465.7。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]各種實(shí)施例涉及超聲流量計(jì)并且具體地涉及在超聲測(cè)量?jī)x中使用的換能器。
【背景技術(shù)】
[0003]在將碳?xì)浠衔飶牡孛嬉瞥螅黧w流(或處于液相或處于氣相)經(jīng)由管線從一處輸送到另一處。期望精確地得知在流中流動(dòng)的流體的量，并且當(dāng)流體轉(zhuǎn)手或“儲(chǔ)存交接”時(shí)要求特別的精度。然而即使在不發(fā)生儲(chǔ)存交接的情況下，也需要測(cè)量精度，并且在這些情形中可使用超聲流量計(jì)。在超聲流量計(jì)中，超聲信號(hào)穿過(guò)(across)要測(cè)量的流體流來(lái)回發(fā)送，并且可基于超聲信號(hào)的各種特征來(lái)計(jì)算流體流動(dòng)。提高傳給流體的超聲信號(hào)的質(zhì)量的機(jī)制可提高測(cè)量精度。此外，(例如，由被測(cè)流體的腐蝕性引起的)測(cè)量?jī)x的部件的磨損和裂縫能明顯降低裝置的壽命，因而任何用以增加測(cè)量?jī)x及其部件的耐用性的方法都是需要的。最后，超聲流量計(jì)可能被安裝在嚴(yán)酷的環(huán)境中，因而任何用以減小保養(yǎng)時(shí)間并且如果可能的話提高性能的機(jī)制也將是值得期待的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]各種實(shí)施例致力于具有塑性匹配層的換能器的系統(tǒng)和方法。示例性實(shí)施例中的至少一些是下述換能器，其包括殼體(具有近端、遠(yuǎn)端和內(nèi)部容積，該殼體被構(gòu)造為聯(lián)接到超聲測(cè)量?jī)x的卷筒(spoolpiece))、具有外表面和內(nèi)表面的塑性匹配層(該塑性匹配層密封到殼體的遠(yuǎn)端并封閉該遠(yuǎn)端)以及鄰接(abut)塑性匹配層的內(nèi)表面的換能器元件。
[0005]另外的示例性實(shí)施例是下述超聲測(cè)量?jī)x，其包括具有用于被測(cè)流體的內(nèi)部流動(dòng)路徑的卷筒以及處于與該卷筒的操作關(guān)系的換能器。該換能器進(jìn)一步包括限定內(nèi)部容積的殼體、將殼體的內(nèi)部容積與被測(cè)流體分離的塑性匹配層(其中該塑性匹配層具有處在壓電晶體的聲阻抗與被測(cè)流體的聲阻抗之間的聲阻抗)，以及鄰接該塑性匹配層的內(nèi)表面的換能器元件。
[0006]另外的示例性實(shí)施例是下述方法，其包括生成超聲信號(hào)，通過(guò)塑性匹配層傳播該超聲信號(hào)，以及將該聲信號(hào)傳給超聲測(cè)量?jī)x內(nèi)的流體。
[0007]最后，另外的實(shí)施例是下述方法，其包括提供具有近端和遠(yuǎn)端的換能器殼體，將塑料結(jié)合到換能器殼體的遠(yuǎn)端(塑性流體密封和封閉該遠(yuǎn)端)。該結(jié)合進(jìn)一步包括將至少部分地涂覆有脫模劑的柱體插入換能器殼體中，將塑料結(jié)合到換能器殼體的遠(yuǎn)端上，以及當(dāng)塑料硬化時(shí)移除該柱體。
【附圖說(shuō)明】
[0008]為更詳細(xì)地描述實(shí)施例，現(xiàn)在將參照附圖，其中:
[0009]圖1A是超聲流量計(jì)的橫剖視圖；
[0010]圖1B是卷筒的端視圖，其示出了脊索(chordal)路徑A、B、C和D;
[0011]圖1C是容納換能器對(duì)的卷筒的頂視圖；
[0012]圖2是根據(jù)各種實(shí)施例的換能器的透視圖；
[0013]圖3是根據(jù)各種實(shí)施例的換能器的橫剖視圖；
[0014]圖4是在沒(méi)有示出內(nèi)部結(jié)構(gòu)并且在塑料的成型之前的情況下的換能器的橫剖視圖；
[0015]圖5(包括圖5A、5B和5C)是在塑性匹配層已被成型到遠(yuǎn)端之后的換能器的橫剖視圖；
[0016]圖6是在已對(duì)塑性匹配層進(jìn)行加工之后的換能器的橫剖視圖；
[0017]圖7是根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的流程圖；以及
[0018]圖8是根據(jù)各種實(shí)施例的流程圖。
[0019]符號(hào)和術(shù)語(yǔ)
[0020]在下文的描述和權(quán)利要求中使用特定術(shù)語(yǔ)來(lái)表示特定的系統(tǒng)部件。本文不意在區(qū)別名稱而不是功能上不同的部件。
[0021]在下文的討論中以及在權(quán)利要求中，術(shù)語(yǔ)“包括”和“包含”以開(kāi)放式的方式使用，因而應(yīng)被解釋為意指“包括，但不限于…”。而且，術(shù)語(yǔ)“聯(lián)接”意指或間接或直接的連接。因而，如果第一裝置聯(lián)接到第二裝置，則此連接可通過(guò)直接的連接，或者通過(guò)經(jīng)由其他裝置和連接的間接的連接。
[0022]“流體”應(yīng)意指液體(例如，原油或汽油)或氣體(例如，甲烷)。
【具體實(shí)施方式】
[0023]圖1A是根據(jù)各種實(shí)施例的超聲測(cè)量?jī)x101的橫剖視圖。適于放置在管線段之間的卷筒100是用于測(cè)量?jī)x101的殼體。卷筒100具有內(nèi)部容積，其是用于被測(cè)量的立體的流動(dòng)路徑并且還具有在測(cè)量?jī)x內(nèi)限定測(cè)量區(qū)間的預(yù)定尺寸。流體可沿方向150以速度剖面152流動(dòng)。速度矢量153-158示出通過(guò)卷筒100的流體速度朝著中心增加。
[0024]換能器120和130位于卷筒100的圓周上。換能器120和130分別由換能器端口125和135容納。換能器120和130的位置可由角度Θ、在換能器120與130之間測(cè)得的第一長(zhǎng)度L、對(duì)應(yīng)于點(diǎn)140與145之間的軸向距離的第二長(zhǎng)度X以及對(duì)應(yīng)于管直徑的第三長(zhǎng)度“d”限定。在大多數(shù)情形中，距離d、X和L在測(cè)量?jī)x的制造期間被精確確定。此外，不管測(cè)量?jī)x尺寸(即，卷筒尺寸)如何，諸如120和130的換能器可以分別被放在距點(diǎn)140和145特定距離處。盡管換能器被示出為稍微凹進(jìn)，但是在可替代實(shí)施例中，換能器突出進(jìn)入卷筒中。
[0025]有時(shí)稱為“脊索”的路徑110以相對(duì)于中心線105的角度Θ存在于換能器120與130之間?！凹顾鳌?110的長(zhǎng)度L是換能器120的面與換能器130的面之間的距離。點(diǎn)140和145限定由換能器120和130產(chǎn)生的聲信號(hào)進(jìn)入和離開(kāi)流過(guò)卷筒100的流體的位置(即，卷筒孔的入口)。
[0026]換能器120和130優(yōu)選是超聲波收發(fā)器，意味著它們都產(chǎn)生和接收超聲信號(hào)?！俺暋痹诖颂幹复蠹s20千赫茲以上的頻率。為了產(chǎn)生超聲信號(hào)，對(duì)壓電元件進(jìn)行電激勵(lì)，并且壓電元件通過(guò)振動(dòng)進(jìn)行響應(yīng)。壓電元件的振動(dòng)產(chǎn)生超聲信號(hào)，該超聲信號(hào)通過(guò)卷筒中的流體傳播到該換能器對(duì)的相應(yīng)的換能器。類似地，在受到超聲信號(hào)的沖擊時(shí)，接收壓電元件振動(dòng)并產(chǎn)生電信號(hào)，該電信號(hào)被與測(cè)量?jī)x關(guān)聯(lián)的電子器件檢測(cè)、數(shù)字化和分析。最初，下游換能器120產(chǎn)生超聲信號(hào)，該超聲信號(hào)然后被上游換能器130接收。若干時(shí)間之后，上游換能器130產(chǎn)生反饋(return)超聲信號(hào)，該反饋超聲信號(hào)隨后被下游換能器120接收。因而，換能器120和130對(duì)超聲信號(hào)115沿脊索路徑110進(jìn)行“投和接”。在操作期間，此序列每分鐘可發(fā)生數(shù)千次。
[0027]超聲信號(hào)115在換能器120與130之間的渡越時(shí)間部分地取決于超聲信號(hào)115相對(duì)于流體流動(dòng)是向上游傳播還是向下游傳播。用于向下游(即，沿與流動(dòng)相同的方向)傳播的超聲信號(hào)的渡越時(shí)間小于向上游(即，逆流)傳播時(shí)的渡越時(shí)間。向上游和向下游的渡越時(shí)間能用于計(jì)算沿信號(hào)路徑的平均流動(dòng)速度，并且還可用于計(jì)算流體中的聲度。知道承載流體的測(cè)量?jī)x的橫截面面積并假設(shè)速度剖面的形狀，測(cè)量?jī)x孔的面積上的平均流動(dòng)速度可用于得到流過(guò)測(cè)量?jī)x101的流體的體積。
[0028]超聲流量計(jì)能具有與一條或多條路徑相對(duì)應(yīng)的一對(duì)或多對(duì)換能器。圖1B是卷筒100的端視圖。在這些實(shí)施例中，卷筒100包括四條在整個(gè)流體流動(dòng)中處于不同水平的脊索路徑A、B、C和D。每條脊索路徑A-D對(duì)應(yīng)于兩個(gè)交替地用作發(fā)射器和接收器的換能器。