CN101680791A - 具有塑性匹配层的换能器的系统和方法 - Google Patents

Abstract

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包括以下部件的换能器：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)、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)、以及邻接塑性匹配层的内表面的换能器元件。

Description

具有塑性匹配层的换能器的系统和方法

技术领域

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

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

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。

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。

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。

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

为更详细地描述实施例，现在将参照附图，其中：

图1A是超声流量计的横剖视图；

图1B是卷筒的端视图，其示出了脊索(chordal)路径A、B、C和D；

图1C是容纳换能器对的卷筒的顶视图；

图2是根据各种实施例的换能器的透视图；

图3是根据各种实施例的换能器的横剖视图；

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；

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；

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；

图7是根据本发明的各种实施例的流程图；以及

图8是根据各种实施例的流程图。

符号和术语

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。

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。

“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

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。

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。

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)。

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。

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。

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。还示出的是控制电子器件160，该控制电子器件160获取和处理来自四条脊索路径A-D的数据。在图1B中的视图隐藏了对应于脊索路径A-D的四对换能器。

参照图1C可进一步理解四对换能器的布置，图1C显示了卷筒100和流动方向150。每对换能器端口对应于图1B的一条脊索路径。以对于卷筒100的中心线105成非垂直的角度θ安装的第一对换能器端口125和135容纳换能器120和130(图1A)。另一对换能器端口165和175(视图中仅部分地显示)容纳关联的换能器，从而脊索路径相对于换能器端口125和135的脊索路径松散地形成“X”。类似地，换能器端口185和195可与换能器端口165和175平行放置，但处于不同的“水平”(即，卷筒中的不同高度)。第四对换能器和换能器端口未在图1C中明确地示出。将图1B和图1C联系在一起，这些对换能器被布置为上面的两对换能器对应于脊索A和B，而下面的两对换能器对应于脊索C和D。可在每个脊索A-D处确定流体的流动速度以获得脊索流动速度，并且脊索流动速度结合以确定整个管子上的平均流动速度。尽管四对换能器被显示为形成X形状，但是可以有多于或少于四对的换能器。而且，换能器可处于同一平面中或者处于其它构造。

图2是根据各种实施例的换能器210的透视图。换能器210包括柱壳体211，在一些实施例中，该壳体211是金属(即，低碳不锈钢)。在可替代实施例中，任何能够承受测量仪内的流体的压力的材料，诸如高密度塑料或复合材料也可同等地使用。换能器210包括远端212和近端214。远端212通过塑性匹配层216封闭和密封。在近端214附近的换能器壳体210的外径上的螺纹218使换能器210能被联接到卷筒100(图1A-C)，具有凹槽220的O型环将换能器210密封到换能器端口(图1A-C)。在可替代实施例中，换能器210被焊接到卷筒的换能器端口(图1A-C)，因而可省去螺纹218和凹槽220。

图3是根据各种实施例的换能器210的横剖视图。具体地，在一些实施例中，壳体211可包括两个个体部件。例如，换能器210的远端212可包括第一柱形外壳302，而近端214可包括第二柱形外壳304(包括螺纹218)，其中两个壳体302、304被结合在一起作为构造工艺的一部分。在可替代实施例中，柱形外壳211可包括单件结构，其中各种部件通过一端安装。

塑性匹配层216封闭远端212并限定外表面310和内表面312。更具体地，壳体211限定成型塑性匹配层216所围绕的圆周。在一些实施例中，壳体211包括塑料结合到的周向结合脊318。在可替代实施例中，壳体211包括塑料结合到的周向结合槽(图5)。塑性匹配层216的外表面310暴露于流过卷筒/测量仪(图1A-C)的流体，而内表面312邻接换能器元件314(例如，压电元件)。换能器元件314后面的容积包括背匹配层316和背匹配支撑层324。背匹配层316例如可以是塑料、金属、玻璃、陶瓷、环氧树脂、粉末填充的环氧树脂、橡胶或粉末填充的橡胶。在一些实施例中，换能器元件314通过圆锥形垫圈326朝着塑性匹配层216偏置，但任何偏置系统(例如，卷簧)都可同等地使用。将换能器元件314朝着塑性匹配层216偏置有助于确保换能器元件314与塑性匹配层216的良好声耦合，并通过减小由测量仪内的高流体压力引起的塑性匹配层的向内翘曲来为塑性匹配层216进一步提供结构上的支撑。

仍参照图3，在壳体211的近端214上的是其中存在两个连接销321和322的销槽328。两个连接销321、322以想要的间距布置并暴露以使销能通过线缆联接到测量仪的外部电子器件。在换能器210的内部，销与背匹配支撑层324内的提供销321、322到换能器元件314的电联接的连接器320配合。在一些实施例中，销321、322诸如通过玻璃-金属密封来密封到壳体211(在区域325中)。销321、322的密封连同由塑性匹配层216提供的密封一起将换能器210的内部部件与流体和测量仪以及大气隔离。在由塑性匹配层提供的密封失效的情况下，销321、322的密封减小了测量仪中的流体通过换能器泄漏的可能性。通过密封销防止流体通过换能器泄漏提供的保护的水平在测量仪中的流体含有有毒物质(例如，流体是含有硫化氢的碳氢化合物流)的情形中是特别重要的。

除了将换能器210的内部容积密封远离测量仪中的流体之外，塑性匹配层216提供了测量仪中的流体与换能器元件314之间的声耦合。根据各种实施例，塑性匹配层具有处在测量仪中流体的声阻抗与换能器元件314的声阻抗之间的声阻抗。利用处在测量仪中流体的声阻抗与换能器元件的声阻抗之间的匹配层的声阻抗，超声信号的质量得以提高(例如，更大的振幅和更快的上升时间)。在一些实施例中，塑性匹配层216是热塑性塑料，其是耐腐蚀性的。取决于换能器210将被暴露到的压力和测量仪中流体的特性(例如，多大的腐蚀性)，其它塑料也可同等地使用。塑性匹配层具有想要的声阻抗以提供良好的声耦合同时足够坚固以抵抗测量仪内流体的压力，从而换能器元件能与测量仪内的流体隔离。在一些实施例中，塑性匹配层216的声阻抗在大约1与大约30 Mega-rayl(MRayl)之间，并且特别是在大约2与大约4 MRayl之间。比较起来，包括基本上不锈钢的匹配层的声阻抗大于压电元件的声阻抗，因此提供差的声耦合。

塑性匹配层216(沿与壳体211的剩余部分共享的轴)具有下述厚度，即在一些实施例中，该厚度基本等于由换能器元件314产生的声音的四分之一波长的奇数倍(1/4，3/4，5/4，7/4等)。例如，考虑换能器元件314在125kHz的频率下运行并且塑性匹配层216具有2500m/s的音速。匹配层中的声音的波长大约为0.788英寸。在这些实施例中，塑性匹配层可以为0.197、0.590、0.984、1.378等英寸厚。较薄的塑性匹配层表现出更好的声性能，但使塑性匹配层较厚使换能器210能承受较高的压力。选取最佳匹配层厚度涉及到选择能保持测量仪内部所期望的最高压力的最薄匹配层。

现在讨论转向构造具有塑性匹配层的换能器210的各种实施例。具体地，图4是在没有示出内部结构并且在使塑料成型以形成塑性匹配层之前的情况下的壳体211的一部分的横剖视图。在施加塑性匹配层之前，将具有比壳体211的内径410稍小外径的套筒式柱体412插入壳体211中。该套筒式柱体412至少部分地涂覆有脱模剂以便于该柱体在塑性匹配层硬化之后移除。在一些实施例中(并且如图4中所示)，套筒式柱体的末端从壳体211的远端212稍稍凹进，这使塑料能部分地填充壳体211的内部容积。在可替代实施例中，柱体412可被放置为柱体412的末端和壳体211的远端形成平面，因而当形成塑性匹配层的塑料时将不会延伸进入壳体211的内部容积中任何明显的距离。

在放置柱体412之后，塑料被成型到壳体211的远端。具体地，在高温下将塑性匹配层成型到壳体上。在一些实施例中，塑性匹配层的塑料比壳体具有更大的热膨胀系数。随着塑性匹配层冷却，它比壳体收缩得更多，因而至少在壳体的外径上形成密封。图5(包括图5A、5B和5C)是在已将塑料施加到远端212并且已将套筒式柱体412移除之后的换能器211的横剖视图。具体地，在一些实施例中，将塑料放在具有比壳体211的外径512更大的内径的模具中。随着塑料冷却和收缩，塑料结合到壳体211。尽管在一些实施例中，塑料可结合到壳体211的外径上的平滑表面，但是在其它实施例中，通过壳体的外径上的特征来辅助塑料的结合。图5A示出了结合到周向结合槽514的塑料。图5B示出了结合到周向结合脊318的塑料。图5C示出了结合到壳体211的锥形远端520的塑料。此外，槽、脊和锥形不需要相互排斥，而是可以以任意的组合来组合(例如，具有结合槽的锥形，具有结合脊的锥形)。如所示的，塑性匹配层510封闭和密封壳体211的远端212。

在匹配层的塑料大体形成从而包围壳体211的远端之后，塑料被加工成其最终的形式。图6是在塑料的加工之后并且包括示例性周向结合脊318的换能器210的横剖视图。在一些实施例中，将塑性匹配层216加工为具有与壳体211的外径512基本相等的外径。在通过壳体211的内径410界定的区域中，内表面312和外表面310基本平坦且平行。

图7是根据至少一些实施例的换能器的构造的流程图。具体地，方法开始(方框700)并且围绕壳体的远端成型塑性匹配层(方框702)。在一些实施例中，围绕壳体的远端成型塑性匹配层包括将柱体插入壳体内，然后围绕壳体的远端成型该塑性匹配层。壳体内的柱体控制塑性匹配层突出进入壳体的内部容积中的深度。在塑性匹配层硬化之后，圆柱体可以被从壳体移除(方框704)。在塑料成型为比壳体的外径更大的外径的实施例中，对塑料进行加工以使其具有与壳体的外径基本相等的外径(方框706)，然后该示例性方法结束(方框708)。

图8是根据至少一些实施例的流程图。具体地，方法开始(方框800)，并且通过该换能器生成超声信号(方框802)。该超声信号传播通过塑性匹配层(方框804)并传给通过测量仪的流体(方框806)。此后，该示例性方法结束(808)。

上述讨论意在示例本发明的原理和各种实施例。一旦完全理解上述公开，则许多变形和修改对于本领域中的技术人员将是显而易见的。例如，在成型塑性匹配层以包围壳体的远端中，不需使用柱体；而是，可允许塑料自由流入壳体的内部容积中，然后可将过多的塑料加工掉。此外，在使用柱体来在成型期间限制塑料进入内部容积中的流动的实施例中，柱体不需要具体地限定内表面。可允许塑料超过所预期地流入内部容积中，然后加工掉以限定内表面。此外，尽管在使塑性匹配层成型以最初具有比壳体更大的外径并对该塑性匹配层进行加工的方面来讨论各种实施例，但是在其它实施例中，塑性匹配层可成型为具有近似相同的外径，从而无需对外径进行加工；然而，可对外表面310进行加工以确保平滑的表面以及基本与内表面312平行的表面。预期的是将下面的权利要求理解为包括所有的这些变形和修改。

Claims (25)

1.一种换能器，包括：

壳体，其具有近端、远端和内部容积，所述壳体联接到超声测量仪的卷筒；

塑性匹配层，其具有外表面和内表面，所述塑性匹配层密封到所述壳体的所述远端并封闭所述远端；以及

换能器元件，其邻接所述塑性匹配层的所述内表面。

2.如权利要求1中所述的换能器，其中所述塑性匹配层包围所述壳体的所述远端。

3.如权利要求1中所述的换能器，进一步包括：

所述壳体的所述远端的外侧上的周向脊；

其中所述塑性匹配层联接在所述周向脊上。

4.如权利要求1中所述的换能器，进一步包括：

所述壳体的所述远端的外侧上的周向槽；

其中所述塑性匹配层联接在所述周向脊上。

5.如权利要求1中所述的换能器，进一步包括：

所述壳体的所述远端上的锥形；

其中所述塑性匹配层联接在所述锥形上。

6.如权利要求1中所述的换能器，其中所述换能器元件为所述塑性匹配层提供结构支撑。

7.如权利要求1中所述的换能器，其中所述塑性匹配层具有处在所述换能器的声阻抗与被测介质的声阻抗之间的声阻抗。

8.如权利要求1中所述的换能器，其中所述塑性匹配层具有比所述壳体的热膨胀系数更大的热膨胀系数。

9.如权利要求1中所述的换能器，进一步包括：

电气销，其布置在所述壳体的所述近端上；

其中所述电气销联接到所述换能器元件；以及

其中所述电气销被密封到所述壳体。

10.一种超声测量仪，包括：

卷筒，其具有用于被测流体的内部流动路径；以及

换能器，其与所述卷筒处于操作关系，所述换能器包括：

壳体，其限定内部容积；

塑性匹配层，其将所述壳体的所述内部容积与被测流体分离，其中所述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

换能器元件，其邻接所述塑性匹配层的内表面。

11.如权利要求10中所述的超声测量仪，进一步包括：

贯穿所述卷筒的换能器端口；

其中所述换能器通过螺纹联接而联接到所述换能器端口。

12.如权利要求10中所述的超声测量仪，其中所述内部容积基本处在大气压力下。

13.如权利要求10中所述的超声测量仪，其中所述换能器元件被构造为基本防止所述塑性匹配层向内翘曲。

14.如权利要求10中所述的超声测量仪，进一步包括偏置机构，所述偏置机构朝着所述塑性匹配层偏置所述压电元件。

15.一种方法，包括：

生成超声信号；

传播所述超声信号通过塑性匹配层；以及

将所述声信号传给超声测量仪内的流体。

16.如权利要求15中所述的方法，其中生成进一步包括通过换能器元件生成所述超声信号。

17.如权利要求16中所述的方法，其中生成进一步包括通过压电换能器生成所述超声信号。

18.如权利要求15中所述的方法，进一步包括通过换能器元件接收所述超声信号。

19.一种方法，包括：

提供具有近端和远端的换能器壳体；以及

将塑料结合到所述换能器壳体的所述远端，所述塑料流体密封所述远端并封闭所述远端；其中结合进一步包括：

将包括脱模剂的柱体插入所述换能器壳体中；

将塑料结合到所述换能器壳体的所述远端上；以及

当所述塑料硬化时移除所述柱体。

20.如权利要求19中所述的方法，其中结合进一步包括从由如下步骤组成的组中选择的一个或多个步骤：将所述塑料结合到所述换能器壳体的外表面上接近所述远端的周向脊；将所述塑料结合到所述换能器壳体的外表面上接近所述远端的周向槽；以及将所述塑料结合到所述换能器壳体的外表面上接近所述远端的锥形。

21.如权利要求19中所述的方法，其中结合进一步包括结合比所述换能器壳体具有更大的热膨胀系数的塑料。

22.如权利要求19中所述的方法，其中所述塑料位于由所述换能器壳体限定的内部容积的外部。

23.如权利要求19中所述的方法，其中结合进一步包括将所述塑料放在具有比所述换能器壳体的外径更大的内径的模具中。

24.如权利要求23中所述的方法，进一步包括将所述塑料加工成与所述换能器壳体具有相同的外径。

25.如权利要求19中所述的方法，其中结合进一步包括将所述塑料放在具有与所述换能器壳体的外径基本相同的内径的模具中。

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