本发明涉及流量计的技术领域，特别地涉及用于超声流量计的换能器。
背景技术：
诸如天然气之类的流体经由管道异地传输。理想的是准确地知道管道中流动的流体的量，并且当流体被交易或“保管输送”时，需要特别准确地知道管道中流动的流体的量。然而，即使在不发生保管输送的情况下，也需要计量准确性，在这些情况下，会用到流量计。
超声流量计为可以用来测量管道中流动的流体的量的一种类型的流量计。超声流量计具有足够的准确性来用于保管输送。在超声流量计中，声学信号穿过要被测量的流体流来回地发送。基于接收到的声学信号的参数，确定了流量计中的流体流动速度。流过流量计的流体的体积可根据计算出的流速以及流量计的已知的横截面面积来确定。超声流量计包括产生并检测声学信号的换能器。
技术实现要素：
本文中公开了一种适于在于极端温度环境下使用超声流量计测量流体流量中使用的超声换能器。在一个实施方式中，超声流量计包括用于要被计量的流体流的流动的中央通道、以及多对超声换能器。每对换能器均构造成形成换能器之间的跨越通道的弦路径。每个换能器均包括压电晶体、封装压电晶体的低密度环氧树脂以及嵌入低密度环氧树脂中的圆筒形加强套筒。该套筒包括纤维网并且该套筒围绕该压电晶体。
在另一实施方式中，超声换能器包括压电晶体、封装压电晶体的低密度环氧树脂、以及嵌入低密度环氧树脂中的圆筒形加强套筒。该加强套筒包括纤维网并且该加强套筒围绕压电晶体。
在另一实施方式中，超声换能器包括电/声学换能器、封装电/声学换能器的低密度环氧树脂以及编结的玻璃纤维加强套筒。低密度环氧树脂中含有玻璃泡。编结的玻璃纤维加强套筒嵌入低密度环氧树脂中并且围绕电/声学换能器。
附图说明
为了更详细地描述本发明的示例性实施方式，现在将参照附图，在附图中：
图1示出根据本文中所公开的原理的超声流量计；
图2示出根据本文中所公开的原理的超声流量计的俯视截面图；
图3示出根据本文中所公开的原理的超声流量计的端部正视图；
图4示出根据本文中所公开的原理的超声流量计的换能器对的布置；
图5A和图5B示出根据本文中所公开的原理的超声流量计的视图；以及
图6A和图6B示出包括根据本文中所公开的原理的纵向脊的加强套筒。
具体实施方式
贯穿说明书和权利要求书，使用某些术语来指示特定的系统部件。如本领域技术人员将理解的，各公司可能会以不同的名称指示部件。本文献并非意在对命名不同而功能相同的部件进行区分。在以下讨论中以及在权利要求书中，术语“包括(“including”和“comprising”)”以开放式的方式使用，并因而应当被解释为意味着“包括，但不限于……”。另外，术语“联接(“couple”或“couples”)”意在表示间接的或直接的电连接。因此，如果第一装置联接至第二装置，则该连接可能通过直接电连接或通过经由其他装置和连接件的间接电连接。叙述“基于”意在表示“至少部分地基于”。因此，如果X基于Y，则X可能基于Y以及任何数目的其他因素。
以下描述针对本发明的各种实施方式。附图未必是按照比例的。实施方式的某些特征可能按比例放大地示出或以稍微示意性的形式示出，并且为清楚和简明起见，可能没有示出常规元件的某些细节。所公开的实施方式不应被解释为或以其他方式用来限制本公开的包括有权利要求书的范围。另外，本领域技术人员将理解的是，以下描述具有广泛应用，并且对任何实施方式的讨论仅意为该实施方式的示例，并且并非意在暗示本公开的包括有权利要求书的范围被限于该实施方式。需充分认识到的是，下文所讨论的实施方式的不同教示可以单独地使用或以任何适当的组合使用以产生所需的结果。另外，各实施方式在测量碳氢化合物流(例如，原油、天然气)的背景下展开，并且该描述沿袭发展性背景，然而，所描述的系统和方法能够等同地应用于对任何流体流的测量。
在极端温度环境中计量流体流呈现出众多挑战。在超声流量计中，换能器可能暴露于流体流。极端温度会物理损坏和/或毁坏换能器。本文中所公开的换能器的实施方式包括结构加强件，结构加强件使得能够实现换能器在极端温度环境中的可靠运行。因此，采用换能器的实施方式的超声计量仪可以用于可靠地测量诸如低温流体流之类的处于严酷温度环境中的流体流。
图1示出根据本文中所公开的原理的超声流量计100。超声流量计100包括限定中央通道或中央孔104的计量仪本体或管段件102。管段件102被设计并构造为联接至运送流体(例如，天然气)的管道或其他结构(未示出)，使得管道中流动的流体行进穿过中央孔104。在流体行进穿过中央孔104的同时，超声流量计100测量流量(因此，流体可以被称为测量流体)。管段件102包括凸缘106，凸缘106有助于管段件102联接至另一结构。在其他实施方式中，可以等同地使用用于将管段件102联接至结构的任何适当的系统(例如，焊接连接)。
为了测量管段件102内的流体流量，超声流量计100包括多个换能器组件。在图1的视图中，全部地或部分地示出了五个这种换能器组件108、110、112、116和120。如将在下文进一步讨论的，换能器组件是成对的(例如，换能器组件108和110)。此外，每个换能器组件电联接至控制电子器件包124。更具体地，每个换能器组件通过相应的电缆126或等同的信号传导组件联接至控制电子器件包124。
图2示出了超声流量计100的大致沿图1的线2-2截取的俯视截面图。管段件102具有预定的尺寸并且限定中央孔104，所测量的流体流动穿过该中央孔104。沿着管段件102的长度定位有示出的一对换能器组件112、114。换能器组件112和114包括声波收发器，并且更特别地包括交替地操作为发射器和接收器的超声换能器222。超声换能器222产生并且接收具有约20千赫兹以上的频率的声学信号。
声学信号可通过每个换能器中的压电元件来产生和接收。为产生超声信号，压电元件通过信号(例如，正弦信号)被电激发；并且元件通过振动来响应。压电元件的振动产生行进穿过测量流体直至所述一对换能器组件中的对应换能器组件的声学信号。类似地，当被声学信号冲击时，接收的压电元件振动并产生电信号(例如，正弦信号)，该电信号通过与流量计100(例如，控制电子器件124)相关联的电子器件被检测、数字化和分析。
路径200，也称为“弦”，以相对于中央孔中心线202的角度θ存在于示出的换能器组件112与114之间。弦200的长度为换能器组件112的面与换能器组件114的面之间的距离。点204和206限定了由换能器组件112和114产生的声学信号进入及离开流动穿过管段件102的流体的位置。换能器组件112和114的位置可以通过角度θ、在换能器组件112和114的面之间测量的第一长度L、与点204和点206之间的轴向长度对应的第二长度X、以及与管内直径对应的第三长度d来限定。在大多数情况下，距离d、X和L在流量计制造期间精确地确定。诸如天然气之类的测量流体沿方向208以速度剖面210流动。速度矢量212、214、216和218示出穿过管段件102的气体速度朝向管段件102的中心线202增大。
开始时，下游换能器组件112产生入射到上游换能器组件114并因此由上游换能器组件114检测的超声信号。一段时间之后，上游换能器组件114产生返回的超声信号，该返回的超声信号随后入射到下游换能器组件112并由下游换能器组件112检测。因此，换能器组件沿着弦路径200交换或“一发一收”超声信号220。在操作期间，该顺序每分钟会发生数千次。
超声信号220在示出的换能器组件112和114之间的渡越时间部分地取决于超声信号220是相对于流体流向上游行进还是相对于流体流向下游行进。超声信号向下游(即，沿与流体流的方向相同的方向)行进的渡越时间小于该超声信号在向上游(即，逆着流体流)行进时的渡越时间。上游渡越时间和下游渡越时间可被用来计算沿着信号路径的平均速度以及声音在测量流体中的速度。在流量计100的运送流体的横截面测量值给定的情况下，可以使用中央孔104的区域上的平均速度来获得流动穿过管段件102的流体的体积。
超声流量计可具有一个或更多个弦。图3示出了超声流量计100的端部正视图。特别地，示出的超声流量计100包括管段件102内的位于不同高度的四个弦路径A、B、C和D。每个弦路径A至D均对应于交替地操作为发送器和接收器的换能器对。换能器组件108和110(仅部分可见)构成弦路径A。换能器组件112和114(仅部分可见)构成弦路径B。换能器组件116和118(仅部分可见)构成弦路径C。最后，换能器组件120和122(仅部分可见)构成弦路径D。
所述四对换能器组件的布置的另一方面关于图4示出，其示出俯视图。每个换能器组件对对应于图3的单个弦路径；然而，换能器组件以相对于中心线202非垂直的角度安装。例如，第一对换能器组件108和110以相对于管段件102的中心线202非垂直的角度θ安装。另一对换能器组件112和114安装成使得弦路径相对于换能器组件108和110的弦路径大致地形成“X”形状。类似地，换能器组件116和118布置成平行于换能器组件108和110，但处于不同的“水平”或高度。第四对换能器组件(即，换能器组件120和122)在图4中未明显地示出。考虑图2、图3和图4，换能器组件对可以布置成使得与弦A和弦B对应的上两对换能器组件形成“X”形状，并且与弦C和弦D对应的下两对换能器组件也形成“X”形状。流体的流动速度可以在每个弦A至D处确定，以获得弦流动速度，并且弦流动速度被组合以确定整个管上的平均流动速度。根据平均流动速度，可以确定管段件中流动的流体的量，并因此确定管道中流动的流体的量。
通常，控制电子器件(例如，控制电子器件包124)使换能器222发射、接收换能器的输出，计算关于每个弦的平均流动速度，计算关于计量仪的平均流动速度，计算穿过计量仪的体积流量以及执行计量仪诊断。体积流量以及可能例如流动速度和声音速度的其他测量和计算值然后输出至计量仪100的外部的诸如流量计算机之类的附加装置。
图5A和图5B示出根据本文中所公开的原理的超声换能器222的视图。图5A示出换能器222的端部截面图，图5B示出换能器222的侧向截面图。超声流量计100的每个换能器(例如，换能器组件108、110、112、114、116、118、120、122的换能器222)可以与如图5A和图5B中示出的换能器222结构上相类似或相同。超声换能器222包括电/声学换能器502、低密度环氧树脂504、加强套筒506以及外壳或壳体508。电导体510通过电缆126将电/声学换能器502连接至控制电子器件包124，该控制电子器件包124将电信号传递至电/声学换能器502，并接收来自电/声学换能器502的电信号。电/声学换能器502为发送及接收声能的有源元件。电/声学换能器502可包括诸如锆钛酸铅(PZT)之类的压电材料和位于该压电材料的表面上的电极。电极通常为诸如银或镍之类的一薄层导电材料。施加在电极之间的电压差在压电材料内产生电场，该电场使压电材料改变形状并发射声能。撞击到压电材料上的声能使压电材料改变形状并在电极之间形成电压。
低密度环氧树脂504封装、保护电/声学换能器502并将电/声学换能器502保持就位。低密度环氧树脂504围绕电/声学换能器502，并且可大致填满壳体508的内通道。电/声学换能器502具有相对较高的密度，在中央通道104中流动的流体流的气体具有相对较低的密度。较低密度的环氧树脂504也提供了电/声学换能器502与流体流的气体之间的声学匹配。环氧树脂中含有玻璃泡512，玻璃泡512减小了环氧树脂504的密度，由此降低了环氧树脂的声阻抗。
壳体508为大致圆筒形形状，并且围绕低密度环氧树脂504以及嵌入环氧树脂504中的电/声学换能器502。壳体508为刚性结构，并且可以由钢、铝或其他适当的材料形成，优选地由金属形成。
低密度环氧树脂504和电/声学换能器502具有显著不同的热膨胀系数。例如，环氧树脂504可以具有相对较大的热膨胀系数，而电/声学换能器502可以具有接近零的或负的热膨胀系数。
环氧树脂504与电/声学换能器502之间的热膨胀系数方面的不匹配在极冷温度(例如，-50℃)会在环氧树脂中产生较大的拉应力。该拉应力能够引起环氧树脂504开裂。由于电/声学换能器502会相对较脆，当环氧树脂504中的开裂形成并到达电/声学换能器502时，电/声学换能器502可能会与环氧树脂504一起开裂。电/声学换能器502的开裂导致电和声学性能的损失，这会使换能器222不能操作。
超声换能器222的实施方式通过包括加强套筒506而减轻了与环氧树脂504的开裂相关联的问题。加强套筒506嵌入到环氧树脂504中并围绕电/声学换能器502，从而在不降低换能器性能的情况下加强换能器222的结构。加强套筒506可以是由编结的纤维形成的圆筒或管。纤维可以是玻璃、碳、聚对亚苯基对苯二甲酰胺或其他适当材料。玻璃纤维可以比其他材料更好地匹配电/声学换能器502的机械性能。在换能器222的某些实施方式中，加强套筒506包括相对较细的编结的玻璃纤维丝，其中，每根丝包括数百个玻璃纤维，并且所述丝被定形为形成圆筒。包括加强套筒506通过减小低密度环氧树脂504中的开裂而极大地提高了换能器222在极端温度的性能和工作寿命。加强套筒506可以与电/声学换能器502不直接接触。例如，一层环氧树脂504可将电/声学换能器502与加强套筒506分开。电/声学换能器502的前部面514仅暴露于低密度环氧树脂504，而不暴露于加强套筒506。因此，换能器222的声学性能相对于无加强套筒506的换能器而言不改变。
在一些实施方式中，加强套筒506形成有如在图6A和图6B中示出的纵向脊602。纵向脊602形成用于将电/声学换能器502电连接至控制电子器件包124的导体510的通道。图6A示出加强套筒506的端视图。图6B示出相对于壳体508和电/声学换能器502定位的加强套筒506的端视图(在壳体508的内部通道用低密度环氧树脂填充之前)。导体510穿过由纵向脊602形成的通道并且电连接至电/声学换能器502。
以上讨论意在说明本发明的原理和各种实施方式。一旦以上公开内容被充分理解，则对于本领域技术人员而言，多种变型和改型将变得明显。意在使权利要求被解释为包括所有这样的变型和改型。