具有塑性匹配層的換能器的系統和方法
【專利說明】具有塑性匹配層的換能器的系統和方法
[0001]本申請為2008年5月6日提交的國際申請號為PCT/US2008/062750、發明名稱為“具有塑性匹配層的換能器的系統和方法”的PCT申請的分案申請，該PCT申請進入中國國家階段日期為2009年11月10日，國家申請號為200880015465.7。
技術領域
[0002]各種實施例涉及超聲流量計并且具體地涉及在超聲測量儀中使用的換能器。
【背景技術】
[0003]在將碳氫化合物從地面移除之后，流體流(或處于液相或處于氣相)經由管線從一處輸送到另一處。期望精確地得知在流中流動的流體的量，并且當流體轉手或“儲存交接”時要求特別的精度。然而即使在不發生儲存交接的情況下，也需要測量精度，并且在這些情形中可使用超聲流量計。在超聲流量計中，超聲信號穿過(across)要測量的流體流來回發送，并且可基于超聲信號的各種特征來計算流體流動。提高傳給流體的超聲信號的質量的機制可提高測量精度。此外，(例如，由被測流體的腐蝕性引起的)測量儀的部件的磨損和裂縫能明顯降低裝置的壽命，因而任何用以增加測量儀及其部件的耐用性的方法都是需要的。最后，超聲流量計可能被安裝在嚴酷的環境中，因而任何用以減小保養時間并且如果可能的話提高性能的機制也將是值得期待的。
【發明內容】
[0004]各種實施例致力于具有塑性匹配層的換能器的系統和方法。示例性實施例中的至少一些是下述換能器，其包括殼體(具有近端、遠端和內部容積，該殼體被構造為聯接到超聲測量儀的卷筒(spoolpiece))、具有外表面和內表面的塑性匹配層(該塑性匹配層密封到殼體的遠端并封閉該遠端)以及鄰接(abut)塑性匹配層的內表面的換能器元件。
[0005]另外的示例性實施例是下述超聲測量儀，其包括具有用于被測流體的內部流動路徑的卷筒以及處于與該卷筒的操作關系的換能器。該換能器進一步包括限定內部容積的殼體、將殼體的內部容積與被測流體分離的塑性匹配層(其中該塑性匹配層具有處在壓電晶體的聲阻抗與被測流體的聲阻抗之間的聲阻抗)，以及鄰接該塑性匹配層的內表面的換能器元件。
[0006]另外的示例性實施例是下述方法，其包括生成超聲信號，通過塑性匹配層傳播該超聲信號，以及將該聲信號傳給超聲測量儀內的流體。
[0007]最后，另外的實施例是下述方法，其包括提供具有近端和遠端的換能器殼體，將塑料結合到換能器殼體的遠端(塑性流體密封和封閉該遠端)。該結合進一步包括將至少部分地涂覆有脫模劑的柱體插入換能器殼體中，將塑料結合到換能器殼體的遠端上，以及當塑料硬化時移除該柱體。
【附圖說明】
[0008]為更詳細地描述實施例，現在將參照附圖，其中:
[0009]圖1A是超聲流量計的橫剖視圖；
[0010]圖1B是卷筒的端視圖，其示出了脊索(chordal)路徑A、B、C和D;
[0011]圖1C是容納換能器對的卷筒的頂視圖；
[0012]圖2是根據各種實施例的換能器的透視圖；
[0013]圖3是根據各種實施例的換能器的橫剖視圖；
[0014]圖4是在沒有示出內部結構并且在塑料的成型之前的情況下的換能器的橫剖視圖；
[0015]圖5(包括圖5A、5B和5C)是在塑性匹配層已被成型到遠端之后的換能器的橫剖視圖；
[0016]圖6是在已對塑性匹配層進行加工之后的換能器的橫剖視圖；
[0017]圖7是根據本發明的各種實施例的流程圖；以及
[0018]圖8是根據各種實施例的流程圖。
[0019]符號和術語
[0020]在下文的描述和權利要求中使用特定術語來表示特定的系統部件。本文不意在區別名稱而不是功能上不同的部件。
[0021]在下文的討論中以及在權利要求中，術語“包括”和“包含”以開放式的方式使用，因而應被解釋為意指“包括，但不限于…”。而且，術語“聯接”意指或間接或直接的連接。因而，如果第一裝置聯接到第二裝置，則此連接可通過直接的連接，或者通過經由其他裝置和連接的間接的連接。
[0022]“流體”應意指液體(例如，原油或汽油)或氣體(例如，甲烷)。
【具體實施方式】
[0023]圖1A是根據各種實施例的超聲測量儀101的橫剖視圖。適于放置在管線段之間的卷筒100是用于測量儀101的殼體。卷筒100具有內部容積，其是用于被測量的立體的流動路徑并且還具有在測量儀內限定測量區間的預定尺寸。流體可沿方向150以速度剖面152流動。速度矢量153-158示出通過卷筒100的流體速度朝著中心增加。
[0024]換能器120和130位于卷筒100的圓周上。換能器120和130分別由換能器端口125和135容納。換能器120和130的位置可由角度Θ、在換能器120與130之間測得的第一長度L、對應于點140與145之間的軸向距離的第二長度X以及對應于管直徑的第三長度“d”限定。在大多數情形中，距離d、X和L在測量儀的制造期間被精確確定。此外，不管測量儀尺寸(即，卷筒尺寸)如何，諸如120和130的換能器可以分別被放在距點140和145特定距離處。盡管換能器被示出為稍微凹進，但是在可替代實施例中，換能器突出進入卷筒中。
[0025]有時稱為“脊索”的路徑110以相對于中心線105的角度Θ存在于換能器120與130之間。“脊索” 110的長度L是換能器120的面與換能器130的面之間的距離。點140和145限定由換能器120和130產生的聲信號進入和離開流過卷筒100的流體的位置(即，卷筒孔的入口)。
[0026]換能器120和130優選是超聲波收發器，意味著它們都產生和接收超聲信號。“超聲”在此處指大約20千赫茲以上的頻率。為了產生超聲信號，對壓電元件進行電激勵，并且壓電元件通過振動進行響應。壓電元件的振動產生超聲信號，該超聲信號通過卷筒中的流體傳播到該換能器對的相應的換能器。類似地，在受到超聲信號的沖擊時，接收壓電元件振動并產生電信號，該電信號被與測量儀關聯的電子器件檢測、數字化和分析。最初，下游換能器120產生超聲信號，該超聲信號然后被上游換能器130接收。若干時間之后，上游換能器130產生反饋(return)超聲信號，該反饋超聲信號隨后被下游換能器120接收。因而，換能器120和130對超聲信號115沿脊索路徑110進行“投和接”。在操作期間，此序列每分鐘可發生數千次。
[0027]超聲信號115在換能器120與130之間的渡越時間部分地取決于超聲信號115相對于流體流動是向上游傳播還是向下游傳播。用于向下游(即，沿與流動相同的方向)傳播的超聲信號的渡越時間小于向上游(即，逆流)傳播時的渡越時間。向上游和向下游的渡越時間能用于計算沿信號路徑的平均流動速度，并且還可用于計算流體中的聲度。知道承載流體的測量儀的橫截面面積并假設速度剖面的形狀，測量儀孔的面積上的平均流動速度可用于得到流過測量儀101的流體的體積。
[0028]超聲流量計能具有與一條或多條路徑相對應的一對或多對換能器。圖1B是卷筒100的端視圖。在這些實施例中，卷筒100包括四條在整個流體流動中處于不同水平的脊索路徑A、B、C和D。每條脊索路徑A-D對應于兩個交替地用作發射器和接收器的換能器。