专利名称：超声换能器装置的制作方法
技术领域：
本文中公开的主题涉及超声换能器，并且更具体而言，涉及具有提高的流率测量精度的超声换能器。
背景技术：
超声流量计用来确定各种各样的流体(例如液体、气体、多相等)的平均管道流率 (Vm)。知道流体的流率可使得能够确定流体的其它物理属性或性质。例如，在一些密闭输送应用中，可使用流率来确定通过管道从卖方输送给买方的流体(例如油或气体)的体积 (Q)，以确定交易的成本，其中，体积等于流率乘以管道的截面面积(A)。传统的超声换能器典型地包括圆柱形壳体，超声换能器固定在一端(通常是尖部)内而电子器件组安装在相对端内。声阻尼材料典型地分开这两者，以防止声波在壳体内反射。换能器晶体是易损坏的且因此通常不暴露于被测介质。因此，壳体尖部典型地被密闭地密封，以防止湿气和污染物进入换能器位于其中的内腔。在内腔内，换能器邻靠尖部且使超声信号通过尖部材料传播到被测介质中。换能器晶体的平面垂直于(例如正交于) 超声波传播方向。对于其中换能器用作流量计的应用，超声换能器则通过接近孔口安装在流体导管中。这个方法的一个显著缺点是，超声信号必须在进入待测介质之前首先传送通过换能器尖部材料。尖部材料可非常厚，以承受导管中的流体的压力，在一个实例中，该压力为数千磅每平方英寸(PSi)。厚的尖部材料可吸收或以别的方式消弱超声信号，从而导致退化的性能，例如降低的信噪比。此外，由于尖部厚度的原因，探测器尖部或面必须垂直于传播方向。否则，尖部材料的厚度将使波传播路径偏斜，从而导致测量误差。在采用渡越时间流量计量的一种类型的超声流量计中，一对或多对超声换能器可安装到管道(或附连到管线上的阀芯件)上。各对超声换能器可包含相对于彼此位于上游和下游的换能器，从而在它们之间形成超声路径。各个换能器在被激励时沿着超声路径将超声信号(例如声波)传输通过流动的流体，该超声信号被另一个换能器接收和检测。流体的沿着超声路径取平均数的路径速度(即路径或弦速度(Vp))可确定为下者之间的差异的函数(i)逆着流体流向沿着超声路径从下游换能器向上游行进到上游换能器的超声信号的渡越时间，以及(ii)随着流体流向沿着超声路径从上游换能器向下游行进到下游换能器的超声信号的渡越时间。在工业和商业应用中使用的一种类型的渡越时间流量计是火炬气流量计，其测量排到大气中且随后被燃烧的可燃气体中的流率。可燃气体在例如炼油厂操作、石油钻探和开采以及工业过程中是普通的副产品。处理可燃气体的最安全的方式是将其排到大气中且点燃它。但是，环境规章有时要求火炬气运营商记录在给定的时间段里在大气中燃烧的可燃气体的量。火炬气流量计允许运营商测量和记录气体流量，以便保持遵守规章。超声火炬气流量测量典型地使用上面所描述的至少一对换能器，各个换能器装配在探测器内。因为火炬气典型地以非常高的速度(例如150m/s)流过管道，所以如果探测器分开较远，则精确的测量可为困难的，如可能为大直径管道中的情况那样。因此，在一些应用中，各个换能器探测器突入到火炬气管道中约管道直径的四分之一。突入到管道中的各个探测器会减小探测器对之间的隔开距离，这允许有更精确的测量。关于这个方法会出现若干个问题。一个显著的问题是探测器较大且会给流带来阻碍。由于在高速流中的动态力的原因，探测器可开始摇动或振动。振动可引起疲劳应力。而且，流体的速度可趋向于或者弹性地或者永久性地使探测器弯曲。在两种情况中的任一种下，探测器均可最终失效。另一种类型的渡越时间流量计是多相流量计，其测量包含不止一个相(例如液体和固体)的管道中的流率。可在石油钻探操作中看到多相流的一个实例，其中，沙粒与在管道中流动的液体石油混合。沙粒往往与在传感器之间传输的超声波干涉。这个问题的一个解决方案是将探测器插入管道中，以将换能器之间的距离减到最小，类似于火炬气应用。这个方法的一个缺点是沙粒会侵蚀探测器尖部，并且随着时间的过去会导致探测器失效。另一种类型的流量计是密闭输送流量计，它使得非常精确的流量测量成为必需。 密闭输送流量计通常测量昂贵的(且有时挥发性的)流体，例如汽油。安全规章禁止在管道流径中有可带来点燃的危险的阻碍(例如探测器)。因此，换能器典型地以凹进的方式安装在管道中。由于所涉及的几何(例如上游和下游的交叉安装)以及探测器面垂直于波传播的要求，以凹进的方式安装的换能器将在导管壁中形成凹部或腔体。这个方法的一个缺点是具有凹进的换能器的流量计(例如在液体密闭输送或多相流量计中看到的那些)可在凹部形成的腔体中经历腐蚀和阻塞。在一个构造中，在凹部上传送的流速会形成漩涡，如果在流中存在诸如沙的固体颗粒，则漩涡会侵蚀腔体和导管。在其它构造中，固体颗粒可停留在腔体中且阻碍超声路径，从而导致错误的读数。将为有利的是提高流率测量精度而不将换能器探测器插入流体流中或使探测器从流体导管的内壁凹进。
发明内容
在本发明的一方面，提供了一种超声换能器，其通过增加信噪比来提高精度。换能器组件包括朝向待测介质定向的近端和相对的远端。换能器组件包括外壳和联接到外壳的远端上的电子器件组。电声信号产生元件固定在外壳内。该产生元件以特征频率沿着垂直于产生元件的面的超声路径传输超声信号。隔离膜片联接到外壳的近端上。隔离膜片相对于膜片材料的特征波长较薄。流体传输层设置在电声信号产生元件和隔离膜片之间。在本发明的另一方面，提供了一种流量计，其具有带有通过其中的流道的流量计主体。流量计主体包括从外表面延伸到流道的孔口。换能器组件设置在孔口中。换能器组件包括外壳、固定在外壳内的电声信号产生元件、联接到外壳的近端上的隔离膜片，以及设置在电声信号产生元件和隔离膜片之间的流体传输层。隔离膜片基本匹配流量计主体中的流道的轮廓，并且隔离膜片的厚度比膜片材料的特征波长小至少一个数量级。
所以以可理解本发明的特征的方式，可通过参照某些实施例来对本发明作出详细描述，实施例中的一些在附图中示出。但是应当注意，附图示出了本发明的仅某些实施例且因此不应当看作限制其范围，因为本发明的范围包含其它同等有效的实施例。附图不必按比例绘制，重点大体放在说明本发明的某些实施例的特征上。因而，为了进一步理解本发明，可对结合附图来阅读的以下详细描述作出参照，其中图1是根据本发明的一个示例性实施例的换能器组件的示意性截面；图2是使用根据本发明的另一个示例性实施例的换能器组件的密闭输送流量计的透视图；以及图3是图2的密闭输送流量计和换能器组件的截面示意图。部件列表2换能器组件4 近端6 远端8 外壳10 端帽12螺纹孔14电子器件组16电导线18电声信号20超声路径22声阻尼件24 内室沈隔离膜片28流体传输层30浸润边界32压力边界34 背板36密封件38密闭流量计40上游法兰42 主体44 流道46下游法兰48电子模块50流体流向52下游盖
具体实施例方式参看图1，其显示了根据本发明的一个示例性实施例的换能器组件的示意性截面， 超声换能器组件2包括朝向待测介质定向的近端4和相对的远端6。换能器组件2进一步包括可为圆柱形形状的外壳8。换能器组件2的外壳8可为金属，例如铝、不锈钢或钛，或可
6为塑料。如果为塑料，则优选在内侧对其进行电屏蔽。固定到外壳8的远端6上的端帽10 包括螺纹孔12，以可拆装地将电子器件组14固定到换能器组件2上。例如，外壳8和端帽 10可由不锈钢制成且用电子束焊接而形成单一的结构。在壳体8内，电导线16将来自电子器件组14的电信号传导给电声信号产生元件 18，在公开的实施例中电声信号产生元件18为压电晶体。圆片形晶体18沿着垂直于晶体 18的平面的超声路径20传输和接收超声信号。超声信号的传输响应对晶体18施加的电压，而电压在接收超声信号之后在晶体18处产生。电声信号产生元件18可备选地包括称为微加工超声换能器(MUT)的类型，其可为电容类(cMUT)或压电类(pMUT)。cMUT是微小的类似膜片的装置，其具有将接收到的超声信号的声音振动转换成受调控电容的电极。为了传输，电容电荷调控成使装置的膜片振动以及因此传输声波。换能器组件2可进一步包括设置在电声信号产生元件18的背侧上的声阻尼化合物22。声阻尼化合物22将换能器组件2的内室M内的超声信号的反射减到最小，从而提高换能器的性能。声阻尼化合物22可由加载了钨的环氧树脂或石墨组成。在一些结构中，声阻尼化合物22可用作缓冲器来将精密的内部构件与环境极端条件(environmental extremes)(例如高温应用)隔离开。换能器组件2进一步包括联接到外壳8的近端4上的隔离膜片26。在一个实例中，通过焊接来实现联接。膜片沈将被测介质(例如流体流)与换能器的内部构件隔离开。 在一些流体流测量应用中，流体压力可为数千磅每平方英寸。因此，现有技术超声换能器典型地由高强度金属(例如不锈钢或钛)制成，并且膜片典型地测量为0. 080英寸至0. 100 英寸厚，以承受大的压差。相反，所公开的换能器组件2的隔离膜片沈是非常薄的。隔离膜片沈的最小厚度可仅由制造实践性限制。因而，在一个实例中，隔离膜片沈的厚度为0. 02毫米-0. 50毫米 (0. 001英寸-0. 020英寸)。在另一个实例中，隔离膜片沈的厚度可处于0. 07毫米-0. 13 毫米(0. 003英寸-0. 005英寸)的范围中。隔离膜片沈的候选材料包括金属箔，例如不锈钢、钛或铝。隔离膜片沈的最大厚度由膜片材料的特征波长限制。在一个实施例中，膜片 26的厚度可相对于膜片材料的特征波长较薄，使得由电声信号产生元件18传输和接收的声能不会变得被消弱或反射回到壳体中或以一定角度反射离开。隔离膜片材料的特征波长 λ。可定义为声音波形在其波峰之间行进的距离，或Xc = c/f(l)其中，c是材料的音速，而f是超声信号的特征频率。在一个实例中，铝中的音速为 5960米每秒，而超声脉冲的频率为1MHz。特征波长因而为5. 969毫米(0. 235英寸)。隔离膜片26的厚度可表示为特征波长的某一比率或一部分。在一个实例中，厚度为特征波长的十分之一或比特征波长小一个数量级。在另一个实例中，厚度为特征波长的百分之一或比特征波长小两个数量级。在任何情况下，隔离膜片26的厚度都比特征波长更小。为了消除跨过隔离膜片沈的压差，流体传输层观设置在隔离膜片沈的远侧和电声信号产生元件18的近面之间。流体传输层观可为液体或凝胶，但不是固体。例如，如果流体传输层观为液体，则候选液体可包括水、油、硅油或甘油。如果流体传输层观为凝胶， 则候选凝胶可包括石油胶、油脂、聚合凝胶、聚氨脂凝胶或硅凝胶。流体传输层28可填充换能器组件2的整个内室对。流体传输层观用于至少两个有益的目的。在一方面，层观用作流体匹配层，以更好地将超声信号耦联到被测介质上。例如，如果换能器组件2形成测量原油流的超声流量计的一部分，则流体传输层观可包括硅油。照这样，来自电声信号产生元件18的声波会行进通过硅油、通过隔离膜片26，以及通过流动的原油。因为隔离膜片沈的厚度比特征波长更小，所以通过传输层会遭遇非常少的信号完整性损失。而且，因为传输层观的流体特性紧密地匹配被测的流，所以会遭遇非常少的信号完整性损失。因而，公开的换能器组件2提供了优于现有技术中的换能器的较好的信噪比。在另一有益的方面，换能器组件2的浸润边界30例如逆着待测流体保持在同一位置，但是压力边界32 (例如对流体压力起反作用的表面)会重新定位成远离浸润边界30。 在公开的实例中，压力边界32在电声信号产生元件18的后面重新定位到背板34。背板 34可为任何适当的结构和厚度，以承受压力。在一个实例中，背板34为不锈钢，2. 54毫米 (0.100英寸)厚，并且焊接到外壳8上。在另一个实例(未显示)中，压力边界32抵靠在电声信号产生元件18的近面上。在两种情况中的任一种下，均消除了跨过隔离膜片沈的压降或差压，因为流体传输层观将反作用力转移到换能器内的另一位置。压力边界32的重新定位允许隔离膜片沈相对于电声信号产生元件18的近面以角度α定位，而不使来自超声路径20的超声信号偏转。照这样，隔离膜片沈可制作成基本匹配管道表面的内部轮廓。例如，如果公开的换能器组件2形成通过接近孔口安装在流体导管中的超声流量计的一部分，则膜片沈可具有匹配导管的内径的曲率。在一些结构中，电导线16的一部分将暴露于流体传输层观中的压力。如图1中示出的那样，压力边界32在背板34上施加流体压力，这可为数千磅每平方英寸。为了防止流体沿着中心引导器35泄露(例如通过毛细作用传送)到未加压区，例如腔体37，换能器组件2可包括金属-玻璃密封件36。参看图2(其中相似的标号指示图1中的相似元件)，显示了使用根据本发明的另一个示例性实施例的换能器组件的密闭输送流量计的透视图。根据本公开的换能器组件 102显示为以阀芯件构造安装的液体密闭输送(LCT)超声流量计138的一部分。LCT流量计典型地计量来自炼油厂操作的原油、蒸馏物、汽油、柴油燃料等。由于商品的高体积流量和高零售价的原因，LCT流量计需要0. 15%的精度或更高。流量计138包括用以与上游密闭输送导管的一部分相配的上游法兰140、用以为密闭输送流体提供流道144和超声测量的主体142、用以与密闭输送导管的下游部分相配的下游法兰146，以及用以排布来自换能器的电线的电子模块148。主体142相对于密闭输送流体流向150以一倾斜角度(例如以45°角)定位，以便为超声换能器路径提供上游速度和下游速度，如将在下面所阐述的那样。安装到主体142上的是上游盖(未显示)和下游盖152，以封闭和密封换能器组件102，以允许电线通过安装在流量计138顶部的电子模块148而排布。转到图3(其中相似的标号指示图1中的相似元件)，显示了图2的密闭输送流量计和换能器组件的截面示意图。以沿着流量计主体142的截面显示流量计138，为了清楚而去除了电子模块148。因为流量计138相对于阀芯件的流动轴线倾斜地安装，所以流道144 的截面图在它实际上是圆形时看起来是椭圆形的。
流量计138包括四对超声换能器组件102，各个换能器的近端104在主体142的相对的侧部处成彼此面对的关系。该四对换能器对流量计中的流量分布采样，并且通过在四个区段上进行插值来确定实际流率。各个换能器组件102包括电声信号产生元件118，其穿过密闭输送流体流径将超声脉冲发射到该对中的相对的换能器。在示出的实施例中，在附图的左侧的四个换能器组件102沿下游流向发射脉冲，而在附图的右侧的四个换能器组件 102沿上游流向发射脉冲。各个换能器组件102包括基本匹配流动通道的内壁的轮廓的隔离膜片126。流体传输层1 设置在隔离膜片1 的远侧和电声信号产生元件118的近面之间。如可参照图 3中显示的各种安装和几何理解的那样，隔离膜片1 的相对于电声信号产生元件118的近面的角度α根据管道内的位置而有所不同。在一个实例中，该对换能器组件102可定位成使得超声路径120穿过流道的中心线。在该实例中，角度α将为零，例如，隔离膜片1 将平行于产生元件118的面。在另一个实例中，该对换能器组件102可定位成切割流道的约四分之一弦，如图3中的虚线所示出的那样。在该特定实例中，隔离膜片126的相对于产生元件118的面的角度α可处于约30度-45度的范围中。在其中该对换能器组件102可定位成切割流动通道的仅仅小部分的又一个实例中，隔离膜片126的相对于产生元件118的面的角度α可为约60度。此实例通过图3中的顶部对换能器和底部对换能器示出。可在所描述的换能器组件的一些实施例的实践中实现的优点是，隔离膜片可构造成基本匹配流道的内壁的轮廓。因而，当安装在火炬气流量计中时，根据本发明的一个实施例的换能器组件将不会遇到与换能器探测器侵蚀和振动相关联的问题。可在隔离膜片基本与流道的内壁的轮廓匹配时实现的另一个优点是，当安装在液体密闭输送或多相流量计中时，消除了与凹部腔体中的侵蚀和阻塞相关联的问题。可在所描述的换能器组件的一些实施例的实践中实现的另一个优点是，所公开的换能器组件将不会在接近孔口的附近引起局部流扰动。会出现局部流扰动是因为异物(例如换能器)被引入流动流。虽然对换能器组件的结构完整性无害，但是流扰动使得必须进行软件修改，以补偿降低的信噪比。软件补偿是费时的且是以反复试验为基础的。可在所描述的换能器组件的一些实施例的实践中实现的另一个优点是，换能器组件不会将超声传输到管道或导管的结构表面。因而，将换能器之间的串扰现象或短路噪声减到了最小，这提高了定时精度和信噪比。此书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。 如果这样的其它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构元素，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求的范围内。例如，所公开的换能器组件可用于Doppler流量计中。在利用Doppler效应的模式中，在假设颗粒或泡沫以与运动的流体的速率相等的速率运动的情况下，通过测量与流体一起流动的颗粒或泡沫的速率来确定流率。可通过检测超声频率的变化(从对运动的颗粒或泡沫施加的超声波的超声频率到反射到该运动的颗粒或泡沫的超声波的超声频率) 来确定颗粒或泡沫的运动速率。
在另一个实例中，换能器组件可不用来确定流率，而是用来检测在流动流中的异物材料(例如沙)的存在。
权利要求
1.一种具有近端和相对的远端的超声换能器组件0，102)，所述近端朝向待测介质定向，所述换能器组件包括外壳⑶；联接到所述外壳(8)的远端上的电子器件组(14)；固定在所述外壳⑶内的电声信号产生元件(18，118)，所述产生元件(18，118)由一定材料形成且包括限定用于传输超声信号的超声路径00，120)的近面，所述超声路径00， 120)垂直于所述近面，所述超声信号具有特征频率；用于将来自所述电子器件组(14)的电信号传导给所述电声信号产生元件(18，118)的电导线(16)；在所述外壳(8)内设置在所述电声信号产生元件(18，118)的远侧的声阻尼化合物 (22)；联接到所述外壳(8)的近端上的隔离膜片06，1沈)，所述隔离膜片06，126)的特征在于具有一定厚度的材料，所述膜片厚度相对于所述膜片材料的特征波长较薄；以及设置在所述电声信号产生元件(18，118)的所述近面和所述隔离膜片06，126)的远表面之间的流体传输层08，128)。
2.根据权利要求1所述的超声换能器组件0，102)，其特征在于，所述隔离膜片06， 126)相对于所述电声信号产生元件(18，118)的所述近面成角度。
3.根据权利要求2所述的超声换能器组件0，102)，其特征在于，所述角度处于O度至 60度的范围内。
4.根据权利要求3所述的超声换能器组件0，102)，其特征在于，所述角度处于30度至45度的范围内。
5.根据权利要求1所述的超声换能器组件0，102)，其特征在于，所述流体传输层08， 128)为油。
6.根据权利要求5所述的超声换能器组件0，102)，其特征在于，所述流体传输层08， 128)为硅油。
7.根据权利要求1所述的超声换能器组件0，102)，其特征在于，所述流体传输层08， 128)为凝胶。
8.根据权利要求1所述的超声换能器组件0，102)，其特征在于，所述隔离膜片06， 126)的厚度比所述特征波长小至少一个数量级。
9.根据权利要求1所述的超声换能器组件0，102)，其特征在于，所述隔离膜片06， 126)的厚度比所述特征波长小至少两个数量级。
10.根据权利要求8所述的超声换能器组件0，102)，其特征在于，所述隔离膜片06， 126)的厚度处于0. 02毫米至0. 50毫米的范围中。
11.根据权利要求10所述的超声换能器组件0，102)，其特征在于，所述隔离膜片06， 126)的厚度处于0. 07毫米至0. 13毫米的范围中。
12.根据权利要求1所述的超声换能器组件0，102)，其特征在于，所述隔离膜片06， 126)的所述材料为不锈钢。
13.根据权利要求1所述的超声换能器组件0，102)，其特征在于，所述声阻尼化合物 (22)是用以将所述外壳(8)内的构件与环境极端条件隔离开的缓冲器。
14.根据权利要求1所述的超声换能器组件0，102)，其特征在于，所述电导线(16)固定在玻璃-金属密封件中。
全文摘要
本发明涉及超声换能器装置。一种超声换能器组件(2，102)包括近端和相对的远端。该换能器组件包括外壳(8)和固定在外壳内的电声信号产生元件(18，118)。该信号产生元件以特征频率沿着垂直于该产生元件的面的超声路径(20，120)传输超声信号。隔离膜片(26，126)联接到外壳的近端上。该隔离膜片相对于膜片材料的特征波长较薄。流体传输层(28，128)设置在电声信号产生元件和隔离膜片之间。在一个实施例中，隔离膜片相对于电声信号产生元件的近面成角度。在另一实施例中，流量计(138)包括超声换能器组件(2，102)，并且隔离膜片(26，126)基本匹配流量计主体(142)内的流道(144)的轮廓。
文档编号G01F1/66GK102426037SQ20111024509
公开日2012年4月25日 申请日期2011年8月18日 优先权日2010年8月18日
发明者E·R·弗隆 申请人:通用电气公司