氣流和相關特性的聲學測量傳感器的制作方法

專利名稱：氣流和相關特性的聲學測量傳感器的制作方法
相關申請本申請要求1999年5月24日提交的在先申請No.60/135,644的優先權。
背景技術：
1.發明領域本發明涉及流量測量；特別涉及測量氣流特性的聲學流量測量裝置。
2.現有技術的說明使用超聲波流量計測量氣流特性是困難的。這部分是由于使用現有裝置造成的低密度和從一個傳感器向氣體傳播的聲波的阻抗失配。超聲波傳感器一般用一個固體元件，向一個流體流注入超聲波能。在很多例子中，從固體到流體的運動產生一種阻抗失配，并引起大百分比的聲能被反射。對于液體，這個失配是十分小的，即使在使得聲波能通過管的金屬壁時，仍能夠進行流量的超聲波測量。對于氣流測量，阻抗失配是大的，并且不容易克服。
另外，由于氣體的低聲阻抗，用聲能測量氣流參數在特性上也是困難的。在聲能從物理上安裝到管壁上的能量傳感器輸入氣流中時，外罩和管壁也能夠諧振或鳴響。這種諧振使得識別和測量引入到氣流中的聲信號困難。
因此，需要一種準確測量氣流中的流量的裝置。也需要一種裝置，它能夠充分與氣流匹配，以克服阻抗失配，并從低電壓發射源向氣體注入足夠的能量。還需要一種裝置，它將所述裝置與管壁隔音，以避免氣體聲信號的被干擾。
在其他的實施例中，所述傳感器最好包括外罩的第二端壁；和位于外罩的第一端部和第二端部之間的一個阻尼器，用于衰減通過致動器的聲能。阻尼器可以包括具有不連續外表面的阻尼材料。不連續外表面可包括飛邊和槽。阻尼器可以包括交替阻尼和傳播墊圈的多個墊圈。致動器可以包括一堆壓電片。所述傳感器可以包括一個耦接到外罩的第一端部的反射器，用于改變引向傳感器或從傳感器出來的聲能的方向。傳導材料的聲阻抗值可以包括在致動器的聲阻抗和氣體流的聲阻抗之間的聲阻抗的幾何平均值。薄膜可以包括一種金屬，它被致動器移位產生聲波，或被氣流移位向致動器發射聲能。聲音傳導材料可以包括的厚度為致動器產生的波長的四分之一。
氣流的聲測量的傳感器包括一個傳感器主體，它限定一個具有第一端部的管；和一個阻尼器部分，它與第一端部相鄰設置，第一端部接合氣流。一個薄膜固定安裝到外罩，將第一端部與氣流密封分開。一個致動器位于第一端部中，與薄膜相互作用。聲音傳導材料位于所述薄膜和致動器之間。聲音傳導材料的阻抗在致動器的聲阻抗和氣流的聲阻抗之間。阻尼器總成位于傳感器主體的阻尼器部分中。阻尼器總成包括在聲傳播墊圈之間的多個阻尼墊圈。阻尼器總成使通過傳感器的聲能衰減。
在另外的實施例中，阻尼器部分可以具有比第一端部的壁厚小的壁厚。傳感器主體可以包括鋼，阻尼器部分的壁厚最好是約15-25密耳。致動器可以包括一堆壓電片。傳感器可以包括一個反射器，它耦接到外罩的第一端部，用于改變引向傳感器或從傳感器發出的聲能的方向。傳導材料的聲阻抗可以包括在致動器聲阻抗和氣流聲阻抗之間的聲阻抗的幾何平均數。薄膜可以包括一種金屬，它由致動器位移產生聲波，或由氣流位移向致動器發射聲能。聲音傳導材料可以包括的厚度為致動器產生的波長的四分之一。阻尼墊圈可以包括致動器產生波長的四分之一的厚度。
通過以下參照附圖的實施例的詳細說明，將明了本發明的這些和其他的目的、特征和優點。


圖1是本發明聲測量氣體流的裝置的剖視圖；圖2是本發明聲測量氣體流的裝置另一個實施例的剖視圖；圖3是本發明圖1裝置上安裝的聲反射器的前視圖；圖4是本發明圖1裝置上安裝的聲音反射器的側視圖；圖5是本發明圖1裝置上安裝的聲音反射器的后視圖；圖6是根據本發明在管中安裝的圖1裝置的剖視圖；圖7是根據本發明的弦式(chordally)安裝在帶有反射器的管中的圖1的兩個裝置的剖視圖；和圖8是根據本發明聲測量氣流裝置的另一實施例的剖視圖。
優選實施例詳述本發明涉及流量測量，特別涉及，測量在氣流中的流動特性的聲流量測量裝置。本發明提供一種在測量的氣流和測定裝置之間聲匹配接口。這個接口最好包括傳導聲音的膠。所述的傳導聲音的膠最好是一種基本不可壓縮的材料，在所述裝置和氣流之間傳遞聲能，減少阻抗失配，從而提高聲能的傳播。本發明的裝置還提供一種裝置內的阻尼器，它降低從有源超聲波產生裝置到與管壁接觸的結構的聲能耦合。所述阻尼器防止聲能被傳遞到裝置的外罩。而且，提供一種所述裝置的隔離部分，它使得所述裝置能夠安裝到管上或外罩上，而不對外罩或管傳播諧振和其他振動的影響，或從外罩或管吸收諧振和其他振動影響。
詳見附圖，幾個圖中的相同的符號本表示相同或相似的元件。圖1示出本發明的裝置10。裝置10包括一個堆(stack)或有源元件6，它提供在管或其他介質中聲測量氣流特性的聲波，最好是超聲波。裝置10既可以用作聲能的發射器，也可以用作接收器。裝置10包括一個外罩18，它最好是金屬的，如鋼、不銹鋼、鈦等。外罩18的結構和大小使得能夠提供裝置10內的組件的保護。
有源元件6(下稱“堆6”)最好包括一個壓電堆或磁限堆。在一個優選實施例中，堆6包括多個薄片形的偏鈮酸鉛晶體層4，每層4相對于相鄰層的極性相反，以使得所述的堆同步膨脹和收縮。各層之間對于電接點的電連接形成在堆6的外周，以致在施加電壓時，跨每個晶片或層4產生電位差。在堆6結合在外罩18內前，電連接件13件用環氧樹脂粘貼到位。堆6一致地膨脹和收縮，取得一個偏移振幅。例如通過采用電子束焊接方法，這個偏移振幅經由一個1/4波長的阻抗匹配接口施加到一個固定到外罩18上的薄金屬薄膜12。薄膜12又使得壓縮波在氣流中傳播，或如果是在接收方式，薄膜12向堆6發射聲能，堆6將這個聲能轉換成電信號。
根據本發明，一個聲音傳導材料8分布在薄膜12和堆6之間。材料8最好是基本不可壓縮的材料，它提供的聲阻抗盡量接近在堆的聲阻抗(Z1)和被測量的氣流聲阻抗(Z2)之間的幾何平均數 可以使用如商標為ULTEM、TORLON和TEFLON的材料。業內人士了解聲阻抗是與材料的密度和材料聲速成比例的。這樣，可以根據所述裝置的應用、物理性能和被測量氣體選擇一種聲膠。因為薄膜12是薄的，所以它是“聽覺不可見的”，并且在阻抗計算上可以忽略。材料8也是根據它的耐熱和加壓能力選擇。本發明的一些應用可以包括溫度大于550華氏度和壓力大于6000psi的情況。在其他溫度和壓力下也可以使用。材料8最好是聲波的發射頻率的1/4波長。材料8可以約0.1英寸厚。材料8也可以由商標為TEFLON的材料制造，可以約0.12英寸厚。例如，外罩18可以由鋼或鈦制造，例如帶有由TEFLON制造并與它形成一體的阻尼器20。
堆6分布在外罩18內。可以用一個墊片15確保堆6在外罩18內的適當的間距，并支撐材料8離開薄膜12。墊片15的厚度可以約為堆6產生聲波的波長的1/4。墊片15可以由塑料制造，如TEFLON，并且薄膜12可以包括一種金屬，如鋼或鈦，厚度為5-10密耳。也可以用墊片15支撐和定位堆6和材料8，并提供在堆6的側面的電連接件13的空間，并如上所述，在結合時加環氧樹脂。
根據本發明，一個阻尼器20設在堆6和外罩18之間。通過收縮配合或在其間施加粘結劑或環氧樹脂，將阻尼器20裝配到外罩18中。阻尼器20衰減從薄膜12或內部路徑進入外罩18的任何聲能。這樣的能量被有利地衰減，使得保持的能量不干擾由于在聲信號通過氣流時高度衰減造成的低振幅信號。
堆6被壓力支撐板22支撐，它形成堆6的支撐并提供一個壓縮圓盤，以提供電連接件13至堆6的通道。在用環氧樹脂或硅膠填充空腔17前，用螺母24和隔聲墊圈26安裝一個例如是鋼的金屬隔板28。螺母24接受一個中心管32，這在下面說明。通過螺紋將隔板28旋擰到外罩18，所述螺紋部分用環氧樹脂密封。隔板28包括用于在其內部安裝一個隔聲器30的內螺紋。螺母24、墊圈26和隔板28可以包括抗旋轉的機構，如銷釘，扁平物(flats)等。現在可以用環氧樹脂填充空腔17，以提供對堆6抵抗高壓氣流的支撐。
根據本發明，隔聲器30將裝置10的安裝部分2和裝置10的傳感器部分3的聲能隔離。中心管32是通過螺紋旋擰到隔板28中，并包括一個通孔，使得到堆6的電連接件能夠通過。優點是，中心管32(它最好是金屬的)將安裝部分2連接到傳感器部分3，并且通過在其周圍用阻尼材料(如TEFLON)包圍隔聲，防止聲能被引入到中心管32，并防止聲能由中心管32傳播。這是通過使用墊圈26和隔聲器30進行的，它們最好是由阻尼材料制造，如TEFLON。隔聲器30最好包括一個不連續的表面，它包括各飛邊或槽，進一步防止聲能通過。墊圈26和隔聲器30防止聲能從傳感器部分3向安裝部分2通過。如果存在這樣的聲能的話，在工作時，將會干擾從氣流中接收的測量信號。
除了由中心管32和螺母24固定到一起外，傳感器部分3和安裝部分2可以用環氧樹脂或其他粘合劑粘結和密封在表面19上。這樣密封這些接口以防止氣流入內。
安裝部分2包括一個管安裝件42，它是一個外罩，用于保護連接器44、電子諧調元件40和電連接件13的各部分。空腔41可以任選地充填環氧樹脂或其他材料。另外，中心管32最好是用環氧樹脂或其他材料填充，以防止氣體入內，并填充任何空穴。中心管32可以有喇叭形的端部，以通過隔聲材料耦接到外罩18和管安裝件42。也可以使用其他安裝裝置。
管安裝件42最好是金屬的，如鋼、不銹鋼、鈦等。管安裝件42可以包括各種安裝配合裝置，以將所述裝置例如通過管壁安裝到氣流中。這樣的配合裝置可以包括一個連接器板、一個延伸器管、一個壓縮安裝件或密封、法蘭安裝件或熱帽閥裝配或其他機構，以在具體的應用中將安裝部分2裝配到管壁或其他的安裝壁或表面上。優點是，由于本發明的隔聲器30，能夠實施壓縮安裝或密封。
可以通過跨各層4施加一個電壓向堆6供電。在一個優選實施例中，可以使用多脈沖發射，其中引入和接收多個脈沖。可以使用在美國專利No.5,117,698中使用的技術。例如，在開始，發射一個短脈沖序列，測量在發射和接收之間的整個過渡時間。扣除聲信號在傳感器和管壁中保留的已知時間tF，在流體中的過渡時間取為tN。那麼，為了測量流速，這個方法發射一個基本長度(N)的脈沖序列，并測定接收脈沖序列(Rx)，它的中心部分(在開始的瞬態效應后)具有與發射的脈沖序列相同的頻率。那麼，僅需測定與發射信號相位一致的接收信號的這個部分，并且測量在發射的和接收的信號之間的相位差，以測定上游—下游的時間差(Δt)，從而測定流速。
因此，時間差Δt是根據一個公式作為這個相位差的函數。
選擇脈沖序列的長度N為不會使得該特定實施例的Δt寄存器溢出所允許的最大的Δt。在這個方法中，在進行流速測量前，一個初始化程序測試超聲波的頻率范圍，并測定最佳的頻率。
存儲和分析接收的脈沖，以測定氣流的特性，例如流動速度，流量、氣體的聲學速度、氣體密度和諸如壓力和溫度等的附加測量參數。脈沖值可以在時間上取樣，并平均收斂在所述流動的特性值上。這提供一個穩定準確的結果，因為根據存儲脈沖的特性能夠測定發射和接收脈沖。可以使用信號處理技術解密用于測量氣流流動特性的正確信號。然后用所述正確的信號，而不是可能存在的振動或噪音，測定氣流的特性。
另外，因為提供了隔聲以及使用不同的多脈沖信號，所以本發明能夠取得大于1000比1的信噪比。例如，這可在對堆6僅用峰值約15伏的電壓的情況下實現。但是也可以使用其他的電壓。例如約直至300伏的電壓。為了安全起見低電壓是可取的。
本發明可以用在任何氣體流中。在優選的實施例中，裝置10用在管線中或爐中，測量諸如火炬氣、天然氣和蒸汽等的氣體流動的特性。
見圖2，示出本發明的另一個實施例。裝置100包括裝置10的所有的組件，但是堆6的方向基本與裝置100的縱軸線垂直。在安裝后使用一個支撐板102固定堆6。然后將支撐板102焊接到外罩04上，以提供堆6的支撐。
見圖3、4和5，可以在裝置10(或裝置100和105)上使用一個反射器200，使得發射的聲波改變方向，或定向地接收聲波。在垂直安裝傳感器(相對于管壁垂直安裝)的情況下，反射器200提供弦式或帶角度的聲束注入。反射器200包括一個反射聲能的板202。板202最好是剛性材料的，如金屬，以使得有效地引導聲波。設置一個窗口204，使得聲波能夠定向傳播。反射器200可以是可拆卸的，或永久固定到裝置10的傳感器部分3上。反射器200的結構允許角度調節，或可以適合于板202相對于堆6的方向的不同的角度。還包括孔206，其作用是在工作時使得氣體流動的障礙最小。
見圖6和7，示出本發明的兩種安裝方案。雖然對裝置10可以使用帶角度的安裝，但如圖所示的垂直安裝較好。對于弦式安裝方式，裝置10可以在有氣流通過的管300中安裝反射器200。反射器200將發射的信號引向第二裝置10，后者可以包括一個幫助接收所述信號的反射器200。對于進入有限制的管，弦式安裝是可取的。因為橫跨氣流的雷諾數是相當固定的，所以可以在橫跨流體的任何地方進行超聲波流動測量。其他的安裝方案業內人士是可以預期的。例如，可以用熱帽安裝，此時傳感器安裝在一個單獨的管中，并且傳感器與有要測量的氣流的管的內徑齊平或下凹。
見圖8，示出本發明的另一實施例。一個傳感器總成150包括一個傳感器主體103，它最好包括一個金屬管，例如是不銹鋼的、鋼的或鈦的。前部104的結構和大小使得其中容納堆6，并且與圖1的實施例所述的前端部相同。堆6設在填充料108中(例如，環氧樹脂中)，填充料最好是沒有空穴的。前部104包括一個臺肩106，它提供一個表面，在填料108固化時，抵抗由堆6上的流體施加的壓力。傳感器的主體103包括一個阻尼器部分110。傳感器主體103的阻尼器部分110的厚度最好減小到約5-30密耳，在15到25密耳更好。這個厚度的減小(從端部104的厚度)形成從前部104(與要測量的流體接觸或至少部分地插入其中)向后部112的較小的聲能的傳遞。另外，阻尼器部分110的薄壁提供向阻尼器總成115的墊圈114的聲能傳遞。
阻尼器總成115包括多個聲能傳播墊圈114，和多個阻尼墊圈116。墊圈114最好包括金屬，如不銹鋼、鋼或鈦，同時阻尼墊圈116最好包括阻尼材料，如PTFE(如TEFLON)等塑料。墊圈114和116在阻尼總成115中交替(符號S和T)。用結合劑或粘結劑將墊圈114和116結合到傳感器主體103。墊圈114和116允許堆的接線(未示出)通過它們的中心區域。優點是，墊圈114在阻尼器部分110中吸取傳感器主體103發出的聲能。傳遞到墊圈114的能被墊圈116阻尼逐漸降低。因此，阻尼器總成115衰減了堆或管或與傳感器150接觸的其他安裝部分的大部分聲能(如果不是全部的話)。在一個優選實施例中，墊圈116包括的厚度為測定聲波長的1/4(如波長傳感器150是設計用于測量或設計用于發射)。在這個方法中，相消干擾降低了在前部104和后部112之間傳遞的聲能。墊圈114和116也在阻尼部分10中形成傳感器主體103的支撐，它是較細的。
填充料120填充墊圈114和116的中心，并填充后部112的一部分。填充料120例如可以包括硅橡膠。可以包括一個電路板122(例如印刷電路板)和一個電路組件124(如電感器電路或組件)。可以用電路板122和組件124對堆6來的信號進行調節、升冪、放大或其他處理，或向堆6供電。設置引線插頭126，使得能夠連接到堆6、電路板122和/或組件124。在一個優選實施例中，使用同心電纜128，但是也可以使用其他的電纜或鋪設方法。
應理解，可以單獨使用本發明的各個實施例，或將它們的部件結合形成適合特定的任務或應用的不同的配置。而且，每個實施例的各部分可以修改成定制的配套，或另外形成與不同的應用相兼容的本發明的裝置。例如，傳感器的結構和大小可以形成標準的O形環的大小，或帶螺紋，使得能夠與管或其他的氣體或流體的運載介質接合。
已然說明了聲測量氣體流動特性的傳感器的優選實施例(它們是為了說明，不是限定)。應注意的是，根據上述的原理，業內人士能夠做出改變的形式。因此，應理解，可以對公開的本發明的特定實施例做出改變，但是這些都在權利要求的本發明范圍內。雖然已根據專利法詳細地說明了本發明，但是所要求和希望保護的內容在中提出。
權利要求
1.一種聲測量氣流的傳感器，其特征在于，包括外罩，它具有第一端部；薄膜，固定安裝到所述外罩，用于將第一端部與氣流密封開；致動器，位于所述第一端部，與所述薄膜相互作用；聲音傳導材料，位于所述薄膜和致動器之間，所述聲音傳導材料包括在所述致動器的聲阻抗和氣流的聲阻抗之間的聲阻抗。
2.根據權利要求1的傳感器，其特征在于，還包括外罩的第二端部；和阻尼器，位于外罩的第一部分和第二部分之間，阻尼通過致動器的聲能。
3.根據權利要求2的傳感器，其特征在于，阻尼器包括具有不連續外表面的阻尼材料。
4.根據權利要求3的傳感器，其特征在于，所述不連續的外表面包括飛邊和槽。
5.根據權利要求1的傳感器，其特征在于，所述致動器包括壓電片的堆。
6.根據權利要求1的傳感器，其特征在于，還包括反射器，耦接到所述外罩的第一端部，用于改變引向傳感器的聲能或從傳感器出來的聲能的方向。
7.根據權利要求1的傳感器，其特征在于，所述傳導材料的聲阻抗包括在所述致動器的聲阻抗和氣流的聲阻抗之間的聲阻抗的幾何平均數。
8.根據權利要求1的傳感器，其特征在于，所述薄膜包括金屬，它由致動器移位，以產生聲波。
9.根據權利要求1的傳感器，其特征在于，所述薄膜包括金屬，它被氣流移位，以便向所述致動器發射聲能。
10.根據權利要求1的傳感器，其特征在于，所述聲音傳導材料的厚度為所述致動器產生的波長的四分之一。
11.一種氣流聲學測量傳感器，其特征在于，它包括傳感器主體，它限定了具有第一端部的管和靠近所述第一端部的阻尼器部分，第一端部與氣流相接合；薄膜，固定安裝到所述外罩上，將所述第一端部與氣流密封分開；致動器，位于第一端部，與薄膜相互作用；聲音傳導材料，位于所述薄膜和致動器之間，所述聲音傳導材料包括在致動器的聲阻抗和氣流聲阻抗之間的聲阻抗；和阻尼器總成，位于所述傳感器主體的阻尼器部分，阻尼器總成包括在傳播聲的墊圈之間的多個阻尼墊圈，所述阻尼器總成阻尼通過所述傳感器的聲能。
12.根據權利要求11的傳感器，其特征在于，所述阻尼器部分包括的壁厚小于第一端部的壁厚。
13.根據權利要求12的傳感器，其特征在于，傳感器主體包括鋼，其壁厚為15到25密耳。
14.根據權利要求11的傳感器，其特征在于，所述致動器包括壓電片堆。
15.根據權利要求11的傳感器，其特征在于，還包括反射器，耦接到所述外罩的第一端部，用于改變引向傳感器的聲能方向，或傳感器出來的聲能方向。
16.根據權利要求11的傳感器，其特征在于，所述聲音傳導材料的聲阻抗包括在致動器的聲阻抗和氣流聲阻抗之間的聲阻抗的幾何平均值。
17.根據權利要求11的傳感器，其特征在于，所述薄膜包括金屬，它被致動器位移產生聲波。
18.根據權利要求11的傳感器，其特征在于，所述薄膜包括金屬，它被氣流位移向致動器發射聲能。
19.根據權利要求11的傳感器，其特征在于，所述聲音傳導材料包括的厚度為致動器產生的波長的四分之一。
20.根據權利要求11的傳感器，其特征在于，所述阻尼墊圈包括的厚度為致動器產生的波長的四分之一。
全文摘要
本發明是一種聲測量氣流的傳感器(10)。它包括:傳感器主體(18),限定具有第一端部(3)的管,在管中包括與在測量中的氣流接合的阻尼器部分相鄰所述第一端部的阻尼器部分。所述傳感器還包括薄膜(12),固定安裝到所述外罩上,將所述傳感器主體與氣流密封開。由壓電片(4)堆組成的一個致動器(6)位于傳感器主體(18)中,與薄膜相互作用。具有在致動器(6)的聲阻抗和氣流聲阻抗之間聲阻抗的聲音傳導材料(8)位于所述薄膜(12)和致動器(6)之間。所述傳感器還包括阻尼器總成(20),位于所述傳感器主體的阻尼器部分,阻尼器總成包括在傳播聲的墊圈(26)之間的多個阻尼墊圈(30),所述阻尼器總成阻尼通過所述傳感器的聲能。所述傳感器另一個實施例包括一個反射器,它耦接到第一端部,改變引向傳感器(10)聲能方向,或改變從傳感器出來的聲能方向。
文檔編號G01N29/28GK1352743SQ00808050
公開日2002年6月5日 申請日期2000年5月24日 優先權日1999年5月24日
發明者約瑟夫·鮑莫爾, 羅伯特·謝弗 申請人:約瑟夫·鮑莫爾, 羅伯特·謝弗