匹配结构、超声换能器及超声流量计制造技术

本实用新型专利技术涉及匹配结构、超声换能器及超声流量计。提供了一种用于在超声换能器中使用的整体式匹配结构。该匹配结构包括小喇叭阵列。小喇叭阵列包括背板、多个喇叭和前板。所述多个喇叭从背板延伸。喇叭中的每个喇叭包括底部和颈部。底部邻近背板。颈部从底部延伸。底部的横截面积大于颈部的横截面积。前板邻近喇叭中的每个喇叭的颈部。

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及超声测量领域，具体地，涉及包括小喇叭阵列的匹配结构、超声换能器及超声流量计。
技术介绍
诸如天然气的流体经由管道输送至各地。需要准确地知道管道中流动的流体的量，并且当流体被交易或“密封输送”时，需要特别准确地知道管道中流动的流体的量。然而，即使在不发生密封输送的情况下，也需要测量准确性，在这些情况下，会用到流量计。超声流量计为可以用于测量管道中流动的流体的量的一种流量计。超声流量计具有用于密封输送的足够准确性。在超声流量计中，声学信号被来回发送穿过要被测量的流体流。基于接收到的声学信号的参数来确定流量计中的流体流速。可根据计算出的流速以及流量计的已知截面面积来确定流过流量计的流体的体积。超声流量计包括生成并且检测声学信号的换能器。
技术实现思路
本文公开了一种包括小喇叭阵列的超声换能器，所述小喇叭阵列适合于在使用超声流量计来测量流体流动时使用。在一个实施例中，超声流量计包括用于要被计量的流体流的流动的中央通路和多对超声换能器。每对换能器被配置成形成跨越换能器之间的中央通路的弦路径。换能器中的每个换能器包括压电晶体和匹配结构。匹配结构包括一侧声耦接至压电晶体的小喇叭阵列，并且匹配结构被配置成提供压电晶体与流体流之间的声阻抗匹配。小喇叭阵列包括背板、多个喇叭和前板。背板邻近压电晶体。多个喇叭从背板远离压电晶体延伸。喇叭中的每个喇叭包括底部和颈部。底部邻近背板。颈部从底部延伸。底部的横截面积大于颈部的横截面积。前板邻近喇叭中的每个喇叭的颈部。在另一实施例中，用于在超声流量计中使用的超声换能器包括圆柱形壳体、压电晶体和匹配层。圆柱形壳体被配置成用于安装在超声流量计中。压电晶体被布置在壳体内。匹配层耦接至壳体，并且匹配层包括小喇叭阵列。小喇叭阵列一侧耦接至压电晶体，并且小喇叭阵列被配置成提供压电晶体与在小喇叭阵列的与第一侧相反的一侧的流体流之间的声阻抗匹配。小喇叭阵列包括背板、多个喇叭和前板。背板邻近压电晶体。多个喇叭从背板远离压电晶体延伸。喇叭中的每个喇叭包括底部和颈部。底部邻近背板。颈部从底部延伸。底部的横截面积大于颈部的横截面积。前板邻近喇叭中的每个喇叭的颈部。在又一实施例中，用于在超声换能器中使用的匹配层包括小喇叭阵列。小喇叭阵列包括背板、多个喇叭和前板。多个喇叭从背板延伸。喇叭中的每个喇叭包括底部和颈部。底部邻近背板。颈部从底部延伸。底部的横截面积大于颈部的横截面积。前板邻近喇叭中的每个喇叭的颈部。附图说明为了详细描述本技术的示例性实施例，现在将参照附图，在附图中：图1示出根据本文公开的原理的超声流量计；图2示出根据本文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示出根据本文公开的原理的超声流量计的换能器对的布置；图5示出包括根据本文公开的原理的小喇叭阵列的超声换能器；图6至图16示出根据本文公开的原理的小喇叭阵列的视图；图17示出包括根据本文公开的原理的围绕小喇叭阵列的保护环的换能器。具体实施方式在后续的整个说明书和权利要求书中，使用某些术语来指称特定的系统部件。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称一个部件。本文并不打算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表示“包括，但不限于……”。另外，术语“耦接(“couple”或“couples”)”意在表示间接的或直接的电连接。因此，如果第一装置耦接至第二装置，则该连接可以通过直接电连接或者通过经由其他装置和连接件的间接电连接。表述“基于”意在表示“至少部分地基于”。因此，如果X基于Y，则X可以基于Y以及任何数目的其他因素。以下描述针对本技术的各个实施例。附图并不是成比例的。实施例的某些特征可能以放大的比例示出或者以某种示意性的形式示出，并且为了清楚和简明，没有示出常规元件的一些细节。所公开的实施例不应被解释为或者被用于限制包括权利要求的范围的本公开的范围。另外，本领域技术人员将理解：以下描述具有广泛的应用，并且对任意实施例的讨论仅意在对该实施例的例示并且不意在暗示包括权利要求的范围的本公开的范围限于该实施例。要充分认识到的是，下面讨论的实施例的不同教导可以被分别采用或者按照任意合适组合采用以产生期望的结果。此外，各个实施例在测量碳氢化合物流(例如，原油、天然气)的背景下展开，并且描述沿袭发展背景，然而所描述的系统和方法同样适用于对任意流体流的测量。在极端温度环境下计量流体流提出许多挑战。在传统超声流量计中，换能器包括低密度环氧树脂匹配层，其提供换能器的高密度压电晶体与流过计量仪的相对低的密度的流体之间的良好声学匹配。遗憾的是，压电晶体和低密度环氧树脂的热膨胀系数的不匹配能够使得低密度环氧树脂在暴露于时常出现于流体测量环境中的温度极限、温度循环和/或高压时破裂。此外，环氧树脂化学抗性低，特别是对于天然气的化学侵蚀性成分化学抗性低。破裂和/或剥落的环氧树脂匹配层将换能器性能降低到指示更换换能器的程度——这反过来会要求中断流体流过流量计和相关联的管道系统。本文所公开的超声换能器的实施例包括在暴露于严酷的环境条件时不会遭受故障的匹配结构。本公开的匹配结构包括小喇叭阵列而非低密度环氧树脂。具有小喇叭阵列的匹配结构是整体式的、由同一化学抗性材料例如钛制成的，使得热膨胀系数与压电晶体和/或换能器壳体不匹配不是问题或并非关键。喇叭提供压电晶体与流过超声流量计的流体之间的阻抗匹配。图1示出根据本文公开的原理的超声流量计100。超声流量计100包括限定中央通路或中央孔104的计量仪本体或管段件102。管段件102被设计并构造为耦接至运送流体(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穿过中央孔104。在流体穿过中央孔104的同时，超声流量计100测量流率(因此，流体可以被称为被测流体)。管段件102包括凸缘106，凸缘106有助于将管段件102耦接至另一结构。在其他实施例中，可以等同地使用用于将管段件102耦接至一个结构的任何适当系统(例如，焊接连接)。为了测量管段件102内的流体流动，超声流量计100包括多个换能器组件。在图1的视图中，五个这样的换能器组件108、110、112、116和120被完全示出或被部分示出。如将在下面进一步讨论的，换能器组件是成对的(例如，换能器组件108和110)。此外，每个换能器组件电耦接至控制电子包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电耦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被测流体穿过其流过的中央孔104。沿着管段件102的长度定位有图示的一对换能器组件112和114。换能器组件112和114包括声波收发器，并且更具体地包括交替作为发射器和接收器进行操作的超声换能器222。超声换能器222生成并且接收具有约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生成和接收。为生成超声信号，压电元件通过信号(例如，正弦信号)被电激发；并且元件通过振动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声流量计，包括：用于要被计量的流体流的流动的中央通路；多对超声换能器，每对换能器被配置成形成跨越所述换能器之间的所述通路的弦路径，所述换能器中的每个换能器包括：压电晶体；以及匹配结构，所述匹配结构包括耦接至所述压电晶体的小喇叭阵列，所述小喇叭阵列包括：邻近所述压电晶体的背板；从所述背板并且远离所述压电晶体延伸的多个喇叭，所述喇叭中的每个喇叭包括：邻近所述背板的底部；以及从所述底部延伸的颈部，其中，所述底部的横截面积大于所述颈部的横截面积；邻近所述喇叭中的每个喇叭的所述颈部的前板。

【技术特征摘要】
2015.03.24 US 14/667,2611.一种超声流量计，包括：用于要被计量的流体流的流动的中央通路；多对超声换能器，每对换能器被配置成形成跨越所述换能器之间的所述通路的弦路径，所述换能器中的每个换能器包括：压电晶体；以及匹配结构，所述匹配结构包括耦接至所述压电晶体的小喇叭阵列，所述小喇叭阵列包括：邻近所述压电晶体的背板；从所述背板并且远离所述压电晶体延伸的多个喇叭，所述喇叭中的每个喇叭包括：邻近所述背板的底部；以及从所述底部延伸的颈部，其中，所述底部的横截面积大于所述颈部的横截面积；邻近所述喇叭中的每个喇叭的所述颈部的前板。2.根据权利要求1所述的超声流量计，其中，所述喇叭中的每个喇叭具有方形、矩形或长菱形横截面。3.根据权利要求1所述的超声流量计，其中，所述喇叭中的每个喇叭具有三角形或六边形横截面。4.根据权利要求1所述的超声流量计，其中，所述喇叭中的每个喇叭具有圆形或椭圆形横截面。5.根据权利要求1所述的超声流量计，其中，所述小喇叭阵列包括至少12个喇叭。6.根据权利要求1所述的超声流量计，其中，所述匹配结构包括围绕所述小喇叭阵列周向布置的环。7.根据权利要求1所述的超声流量计，其中，所述匹配结构包括填充所述喇叭之间的空间的低压缩性材料。8.根据权利要求1所述的超声流量计，其中，对于所述喇叭中的每个喇叭，所述颈部的曲率半径等于或大于所述底部的曲率半径。9.一种超声换能器，所述超声换能器在超声流量计中使用并且所述超声换能器包括：圆柱形壳体，所述圆柱形壳体被配置成用于安装在所述超声流量计中；布置在所述壳体内的压电晶体；以及耦接至所述壳体的匹配结构，所述匹配结构包括：小喇叭阵列，所述小喇叭阵列声耦接至所述压电晶体，所述小喇叭阵列包括：背板，所述背板邻近并且声耦接至所述压电晶体；从所述背板并且远离所述压电晶体延伸的多个喇叭，所述喇叭中的每个喇叭包括：邻近所述背板的底部；以及从所述底部延伸的颈部，其中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历克斯·梅兹赫里茨基，
申请(专利权)人：丹尼尔测量和控制公司，
类型：新型
国别省市：美国;US