具有塑性匹配层的换能器的系统和方法
【专利说明】具有塑性匹配层的换能器的系统和方法
[0001]本申请为2008年5月6日提交的国际申请号为PCT/US2008/062750、发明名称为“具有塑性匹配层的换能器的系统和方法”的PCT申请的分案申请，该PCT申请进入中国国家阶段日期为2009年11月10日，国家申请号为200880015465.7。
技术领域
[0002]各种实施例涉及超声流量计并且具体地涉及在超声测量仪中使用的换能器。
【背景技术】
[0003]在将碳氢化合物从地面移除之后，流体流(或处于液相或处于气相)经由管线从一处输送到另一处。期望精确地得知在流中流动的流体的量，并且当流体转手或“储存交接”时要求特别的精度。然而即使在不发生储存交接的情况下，也需要测量精度，并且在这些情形中可使用超声流量计。在超声流量计中，超声信号穿过(across)要测量的流体流来回发送，并且可基于超声信号的各种特征来计算流体流动。提高传给流体的超声信号的质量的机制可提高测量精度。此外，(例如，由被测流体的腐蚀性引起的)测量仪的部件的磨损和裂缝能明显降低装置的寿命，因而任何用以增加测量仪及其部件的耐用性的方法都是需要的。最后，超声流量计可能被安装在严酷的环境中，因而任何用以减小保养时间并且如果可能的话提高性能的机制也将是值得期待的。
【发明内容】
[0004]各种实施例致力于具有塑性匹配层的换能器的系统和方法。示例性实施例中的至少一些是下述换能器，其包括壳体(具有近端、远端和内部容积，该壳体被构造为联接到超声测量仪的卷筒(spoolpiece))、具有外表面和内表面的塑性匹配层(该塑性匹配层密封到壳体的远端并封闭该远端)以及邻接(abut)塑性匹配层的内表面的换能器元件。
[0005]另外的示例性实施例是下述超声测量仪，其包括具有用于被测流体的内部流动路径的卷筒以及处于与该卷筒的操作关系的换能器。该换能器进一步包括限定内部容积的壳体、将壳体的内部容积与被测流体分离的塑性匹配层(其中该塑性匹配层具有处在压电晶体的声阻抗与被测流体的声阻抗之间的声阻抗)，以及邻接该塑性匹配层的内表面的换能器元件。
[0006]另外的示例性实施例是下述方法，其包括生成超声信号，通过塑性匹配层传播该超声信号，以及将该声信号传给超声测量仪内的流体。
[0007]最后，另外的实施例是下述方法，其包括提供具有近端和远端的换能器壳体，将塑料结合到换能器壳体的远端(塑性流体密封和封闭该远端)。该结合进一步包括将至少部分地涂覆有脱模剂的柱体插入换能器壳体中，将塑料结合到换能器壳体的远端上，以及当塑料硬化时移除该柱体。
【附图说明】
[0008]为更详细地描述实施例，现在将参照附图，其中:
[0009]图1A是超声流量计的横剖视图；
[0010]图1B是卷筒的端视图，其示出了脊索(chordal)路径A、B、C和D;
[0011]图1C是容纳换能器对的卷筒的顶视图；
[0012]图2是根据各种实施例的换能器的透视图；
[0013]图3是根据各种实施例的换能器的横剖视图；
[0014]图4是在没有示出内部结构并且在塑料的成型之前的情况下的换能器的横剖视图；
[0015]图5(包括图5A、5B和5C)是在塑性匹配层已被成型到远端之后的换能器的横剖视图；
[0016]图6是在已对塑性匹配层进行加工之后的换能器的横剖视图；
[0017]图7是根据本发明的各种实施例的流程图；以及
[0018]图8是根据各种实施例的流程图。
[0019]符号和术语
[0020]在下文的描述和权利要求中使用特定术语来表示特定的系统部件。本文不意在区别名称而不是功能上不同的部件。
[0021]在下文的讨论中以及在权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放式的方式使用，因而应被解释为意指“包括，但不限于…”。而且，术语“联接”意指或间接或直接的连接。因而，如果第一装置联接到第二装置，则此连接可通过直接的连接，或者通过经由其他装置和连接的间接的连接。
[0022]“流体”应意指液体(例如，原油或汽油)或气体(例如，甲烷)。
【具体实施方式】
[0023]图1A是根据各种实施例的超声测量仪101的横剖视图。适于放置在管线段之间的卷筒100是用于测量仪101的壳体。卷筒100具有内部容积，其是用于被测量的立体的流动路径并且还具有在测量仪内限定测量区间的预定尺寸。流体可沿方向150以速度剖面152流动。速度矢量153-158示出通过卷筒100的流体速度朝着中心增加。
[0024]换能器120和130位于卷筒100的圆周上。换能器120和130分别由换能器端口125和135容纳。换能器120和130的位置可由角度Θ、在换能器120与130之间测得的第一长度L、对应于点140与145之间的轴向距离的第二长度X以及对应于管直径的第三长度“d”限定。在大多数情形中，距离d、X和L在测量仪的制造期间被精确确定。此外，不管测量仪尺寸(即，卷筒尺寸)如何，诸如120和130的换能器可以分别被放在距点140和145特定距离处。尽管换能器被示出为稍微凹进，但是在可替代实施例中，换能器突出进入卷筒中。
[0025]有时称为“脊索”的路径110以相对于中心线105的角度Θ存在于换能器120与130之间。“脊索” 110的长度L是换能器120的面与换能器130的面之间的距离。点140和145限定由换能器120和130产生的声信号进入和离开流过卷筒100的流体的位置(即，卷筒孔的入口)。
[0026]换能器120和130优选是超声波收发器，意味着它们都产生和接收超声信号。“超声”在此处指大约20千赫兹以上的频率。为了产生超声信号，对压电元件进行电激励，并且压电元件通过振动进行响应。压电元件的振动产生超声信号，该超声信号通过卷筒中的流体传播到该换能器对的相应的换能器。类似地，在受到超声信号的冲击时，接收压电元件振动并产生电信号，该电信号被与测量仪关联的电子器件检测、数字化和分析。最初，下游换能器120产生超声信号，该超声信号然后被上游换能器130接收。若干时间之后，上游换能器130产生反馈(return)超声信号，该反馈超声信号随后被下游换能器120接收。因而，换能器120和130对超声信号115沿脊索路径110进行“投和接”。在操作期间，此序列每分钟可发生数千次。
[0027]超声信号115在换能器120与130之间的渡越时间部分地取决于超声信号115相对于流体流动是向上游传播还是向下游传播。用于向下游(即，沿与流动相同的方向)传播的超声信号的渡越时间小于向上游(即，逆流)传播时的渡越时间。向上游和向下游的渡越时间能用于计算沿信号路径的平均流动速度，并且还可用于计算流体中的声度。知道承载流体的测量仪的横截面面积并假设速度剖面的形状，测量仪孔的面积上的平均流动速度可用于得到流过测量仪101的流体的体积。
[0028]超声流量计能具有与一条或多条路径相对应的一对或多对换能器。图1B是卷筒100的端视图。在这些实施例中，卷筒100包括四条在整个流体流动中处于不同水平的脊索路径A、B、C和D。每条脊索路径A-D对应于两个交替地用作发射器和接收器的换能器。