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专利名称：超声波流量计、换能器组件及其制造方法
超声波流量计、换能器组件及其制造方法 关于联邦政府资助的研究或研发的声明不适用。
背景技术：
多种实施方式涉及超声波流量计并且更特别地涉及在超声波流量计中使用的换能器组件。在已将碳氢化合物从地面移除之后，(液相的或气相的)流体流经由管路输送至各处。所期望的是，精确地获知该流中流动的流体的数量，并且当流体正在转手时，或在“密闭输送”期间，要求特别的精度。然而，即使是在没有发生密闭输送的地方，測量精度也是所期望的，并且在这些情形中可使用超声波流量计。 超声波流量计包括两个或更多个换能器组件，每个换能器组件紧固在流量计的本体或管段中的端ロ的内侧。为了在流量计内容纳输送的流体，在管段中的每个换能器端ロ的外端上紧固有端部连接器。由此，管段和端部换能器形成压カ边界，该压カ边界容纳流动通过该流量计的流体。为了测量通过流量计的流体流量，在管段的端口中各自设置有第一换能器组件和第二换能器组件，使得每个换能器组件彼此面对。每个换能器组件包括压电元件。当将交流电施加至第一换能器组件的压电元件吋，该压电元件通过在正被输送通过流量计的流体中发射超声波而作出响应。当波入射到第二换能器组件的压电元件上时，该第二换能器组件通过产生电信号而作出响应。一段时间之后，将交流电施加至第二换能器组件的压电元件，并且该压电元件通过将超声波发射通过流量计中的流体而作出响应。当波入射到第一换能器组件的压电元件上时，该第一换能器组件通过产生电信号而作出响应。这样一来，换能器组件越过流体流来回地发送和接收信号。每个换能器组件连接至缆线，该缆线穿过端部连接器延伸至位于管段的外部的诸如通常安装至管段的外部的电子器件罩壳之类的位置。缆线将由压电元件产生的信号承载至设置在电子器件罩壳内的采集板，信号可在采集板上进行处理并随后用于确定通过流量计的流体流速。在大多数传统的换能器组件中，压电元件设置在换能器组件的一端中邻近流动通过管段的流体流。通常，压电元件设置在壳体中并被匹配层环绕，该匹配层在压电元件与流动通过管段的流体之间提供声耦合。为了优化超声波信号的质量(例如，更大的振幅和更快的上升时间)，压电元件在该壳体中径向地居中并且仔细地控制匹配层的在压电元件与换能器组件在流体流中的端部之间的厚度。具体地，使得该压电元件径向地居中确保了超声波是关于换能器中心対称的，这提高了流量測量精度，这是因为在流量计钻孔中的端ロ位置的尺寸測量通常假定为该超声波处于端ロ钻孔的中心。此外，使得压电元件径向地居中消除了对于换能器在端ロ中的可旋转定向的关注。为了在换能器组件的制造期间恰当地定位压电元件，利用定位工具将压电元件定位并保持在壳体中处于所需的位置处。当利用定位工具将压电元件保持在壳体内处于所需的位置处时，将第一匹配层填料设置在壳体中围绕压电元件的一部分。在不干扰该匹配层的情况下，定位工具在第一匹配层填料凝固且固化时继续将压电元件保持在所需的位置中。一旦该第一匹配层填料已经充分地硬化，它有助于将压电元件保持在适当位置中，并且由此，可在将第二匹配层填料设置在壳体中围绕压电元件的剰余部分之前移除该定位エ具。由此，在许多传统的换能器组件的制造期间，利用专用的定位工具来实现压电元件在壳体内的恰当定位，并且此外，利用相对劳动密集型的且耗时的两个单独的匹配层填充エ艺。因此，在现有技术中对于换能器组件存在ー种需要，该换能器组件具有恰当地定位以优化超声波信号的质量的压电元件。如果换能器组件的制造是相对简单、低成本的、且低耗时的，则这种换能器会是受欢迎的。

发明内容
通过ー种用于超声波流量计的换能器组件在一个实施方式中满足现有技术中的这些和其它需要。在ー实施方式中，该换能器组件包括压电舱。在ー实施方式中，该压电舱包括壳体，该壳体具有中央轴线、第一端部、与第一端部相对的第二端部、以及从第一端部 轴向地延伸的第一内部腔室。另外，该压电舱包括设置在第一内部腔室中的压电元件。此夕卜，压电元件包括设置在第一内部腔室中、位于压电元件与壳体之间的多个衬套。通过ー种用于测量通过管路的流体的流量的超声波流量计在另ー实施方式中满足现有技术中的这些和其它需要。在ー实施方式中，该超声波流量计包括管段，该管段包括通孔和换能器端ロ，该换能器端ロ从管段的外表面延伸至通孔。另外，该超声波流量计包括设置在该换能器端口中的换能器组件。换能器组件具有中央轴线并且包括压电舱。该压电舱包括壳体，该壳体具有第一端部、第二端部、和邻近第一端部的内部腔室。另外，该压电舱包括设置在内部腔室中的压电元件。此外，压电舱包括设置在内部腔室内、位于压电元件与壳体之间的多个衬套。而且，超声波流量计包括变压器舱，该变压器舱包括变压器，其中，该变压器舱联接至压电舱。通过ー种用于制造超声波流量计的方法在另ー实施方式中满足现有技术中的这些和其它需要。在ー实施方式中，该方法包括设置压电壳体，该压电壳体具有中央轴线、第一端部、与第一端部相对的第二端部、以及从第一端部轴向地延伸的第一沉孔。另外，该方法包括将压电元件插入到第一沉孔中。此外，该方法包括将多个衬套插入到第一沉孔中。此夕卜，该方法包括将衬套中的每个径向地设置在压电元件与壳体之间。而且，该方法包括在设置衬套中的每个之后，用匹配层来填充第一沉孔。由此，于此所述的实施方式包括意在应对与某些现有装置、系统、和方法相关联的多种缺点的特征和优点的结合。一旦所属领域技术人员參照附图阅读详细的说明，上述多种特性及其它特征将易于变得明白。


为了详细说明本发明的示例性实施方式，现在将參照附图进行说明，在附图中图IA为超声波流量计的实施方式的俯视截面图；图IB为图IA的流量计的端视示意图；图IC为图IA的流量计的俯视不意图2为超声波流量计的实施方式的立体图；图3为根据于此所述的原理的设置在图2的超声波流量计的换能器端口中的ー个中的换能器组件的实施方式的局部截面放大图；图4为图3的换能器组件的压电舱的局部截面侧视放大图；图5为图3的换能器组件的压电舱的局部截面俯视放大图；图6为图3的换能器组件的压电舱的端视立体图；图7为图3的换能器组件的压电舱的端视示意图；图8为图3的换能器组件的压电舱的端视立体图；以及
图9为图3的变压器舱的截面侧视放大图。
具体实施例方式下列讨论涉及本发明的多种实施方式。尽管这些实施方式中的一个或更多个是目前优选的，但所公开的实施方式不应当被认为是、或另外被用作限制包括权利要求在内的本公开的范围。另外，所属领域技术人员将理解，下列说明具有广泛的应用，并且对任何实施方式进行的讨论仅意味着是该实施方式的示例，而不意在表示将包括权利要求在内的本公开的范围限制于该实施方式。特定的术语贯穿于下列说明和权利要求使用以指示特定的特征或部件。如所属领域技术人员将会了解到的那样，不同的人可能以不同的名字来指示同一特征或部件。本文献并不意在对名字不同但功能并非不同的部件或特征进行区分。附图无需按比例绘制。此处的特定特征或部件可以放大的比例夸大或以略微示意性的形式示出，并且出于清楚和简要的目的，传统元件的一些细节可不被示出。
在下列讨论中并且在权利要求中，术语“包含”和“包括”以开放式的方式使用，并且由此应当被解释为意指“包含，但不限干…”。同样，术语“联接”或“联结”被解释为意值间接的连接或直接的连接。由此，如果第一装置联接至第二装置，该连接可通过直接连接、或通过经由其它装置、部件和连接件的间接连接。另外，如于此所使用的那样，术语“轴向的”和“轴向地”通常意指沿着或平行于中央轴线(例如，本体或端ロ的中央轴线)，而术语“径向的”和“径向地”通常意指垂直于该中央轴线。例如，轴向距离指的是沿着或平行于中央轴线測量到的距离，而径向距离指的是垂直于中央轴线测量到的距离。图IA和IB示出了超声波流量计10的实施方式，以说明该超声波流量计10的多种部件及其关系。管段11适于放置在管路的区段之间。管段11具有预定的尺寸并限定测量过的流体(例如，气体和/或液体)流动通过的中央通道。一对说明性的换能器12和13、以及它们各自的壳体14和15沿管段11的长度设置。换能器12和13为声收发器。更特别地，换能器12和13为超声波收发器，从而意指它们既产生又接收频率超过约20千赫的声能。声能可由每个换能器12、13中的压电元件产生和接收。为了产生声信号，压电元件经由正弦信号电カ地受到刺激并且通过振动作出响应。压电元件的振动产生声信号，该声信号随后通过流体行进至换能器对的对应的换能器12、13。同样，一旦被声能(S卩，声信号和其它噪声信号)冲击，接收中的压电元件振动并产生正弦电信号，该正弦电信号由与流量计相关联的电子设备进行检测、数字化处理、和分析。
有时候称之为“弦”的路径17存在于说明性的换能器12、13之间，与管段11的中心线20成角度Θ。“弦” 17的长度为在换能器12的正面与换能器13的正面之间的距离。点18和19限定由换能器12、13产生的声信号进入和离开流动通过管段11的流体的位置(即，管段钻孔的入口)。换能器12、13的位置可被角度Θ、被在换能器12、13之间测量到的第一长度L、与在点18、19之间的轴向距离相对应的第二长度X、以及与管道内部直径相对应的第三长度d限定。在大多数情况中，距离d、XjP L在流量计制造期间被精确地确定。此外，无论流量计的尺寸(即，管段尺寸)如何，换能器12、13通常被分别设置在与点18、19相距特定距离处。诸如天然气之类的流动通过管段11的流体以速度剖面23在方向22上流动。速度矢量24-29表明了通过管段11的速度朝向中心线20増大。最初，下游换能器12产生声信号，该声信号越过管段11中的流体传播，并且随后入射到上游换能器13并由上游换能器13进行检測。短时间之后(例如，数毫秒内)，上游换 能器13产生返回声信号，该返回声信号越过管段11中的流体向后传播，并且随后入射到下游换能器12并由下游换能器12进行检測。由此，换能器12、13沿着弦路径17利用信号30进行“收和发”。在操作期间，该场景每分钟可发生数千次。声信号30在换能器12、13之间的传播时间部分取决于该声信号30是关于流体流正在逆流地行进还是顺流地行迸。声信号顺流地(即，在与流体流动相同的方向上)行进的传播时间比其逆流地(即，逆向于流体流动)行进时的传播时间短。逆流传播时间和顺流传播时间可用于计算沿信号路径或弦路径17的平均速度和测量过的流体中的声速。超声波流量计可具有一个或更多个声信号路径。图IB示出了超声波流量计10的一个端部的正视图。如所示，超声波流量计具有在管段11内处于不同高度处的四个弦路径A、B、C、D0每个弦路径A-D在一对换能器之间延伸，每个换能器交替地表现为发送器和接收器。图IB中的视图中所隐藏的是对应于弦路径A-D的四对换能器。还示出了控制电子仪器组件或罩壳40。该电子仪器组件获取并处理用于四个弦路径A-D的数据。參见图1C，可更为容易地理解四对换能器的布置。四对换能器端ロ形成在管段11中。换能器安装在每个端口内。单个弦路径在每对换能器之间延伸。例如，第一对换能器端ロ 14、15容置换能器12、13 (图1A)。换能器12、13分别安装在换能器端ロ 14、15内、与管段11的中心线20成非垂直的角度Θ处。弦路径17在换能器12、13之间延伸。另ー对换能器端ロ 34、35 (在图中仅部分地示出)和相关联的换能器安装成，使得在换能器端ロ 34、35中的换能器之间延伸的弦路径和在换能器12、13之间的弦路径17随意地形成为“X”形。同样，换能器端ロ 38、39放置成平行于换能器端ロ 34、35，但处于不同的“高度”(即，管段11中的不同的径向位置)处。在图IC中未明确示出的是四对换能器和换能器端ロ。将图IB和IC联系在一起，成对的换能器设置成使得上面两对换能器的弦路径A、B形成“X”形，而下面两对换能器的弦路径C、D也形成“X”形。流体的流速可于每个弦A-D处加以确定以获得弦流速，并且将弦流速相结合以确定通过管段11的平均流速。通过平均流速，可确定流动通过管段11的流体的数量，并由此确定流动通过管路的流体的数量。现在參见图2和3，分别示出了用于测量管路中的流体流速的超声波流量计100的立体图和局部截面图。超声波流量计100包括本体或管段105、多个气体超声波换能器组件200、导线或缆线125、以及可拆卸的缆线盖120，该导线或缆线125从每个换能器组件200延伸至联接于管段105的顶部的电子仪器组件108。
管段105是用于超声波流量计100的壳体并被构造成用于放置在管路的区段之间。管段105具有中央轴线110并包括第一端部或入口端部105a、第二端部或出ロ端部105b、在端部105a和105b之间延伸的流体流道或通孔130、和多个从管段105的外表面延伸至通孔130的换能器端ロ 165。在该实施方式中，端部105a、b各自包括凸缘，该凸缘在管路的各个管道节段之间将管段105轴向地联接成首尾相连。水平基准面111经过中央轴线110并通常将管段105划分成上半部105c和下半部105d。最佳如图2中所示，管段105还包括多个换能器缆线凸台，这多个换能器缆线凸台通常沿着它的外部圆周竖直地延伸。每个凸台135设置成使得它与两个竖直间隔的换能器端ロ 165的径向(相对于轴线110)外端部165b相交。每个缆线125从换能器组件200中的安装在一个端ロ 165中的一个沿凸台135中的ー个延伸至电子仪器组件108。由于两个换能器端ロ 165与每个凸台135相交，因此，两个缆线125在每个凸台135内垂直地延伸。每个换能器凸台135还包括凹进的正面140、侧部145、150、和侧部沟槽155、160。正面140和侧部145、150在其之间限定接收缆线125的凹处175。侧部沟槽155、160分别沿着侧部145、150的相対的表面延伸，侧部沟槽155、160还面对凹处175。在将缆线125设 置在换能器凸台135的凹处175内的情况下，将缆线盖120的侧向边缘插入到沟槽155、160中，并滑动地推进到沟槽155、160内，从而覆盖住缆线125并保护它们使其免受管段105外部的环境的影响。在于2007年6月15日提交的名称为“用于超声波流量计的缆线盖(CableCover for an Ultrasonic Flow Meter)”的美国专利申请序列No. 11/763，783 中公开了适用的缆线盖的示例，以參引的方式为了所有的目的而将该美国专利申请的全部合并到本文中。在一些实施方式中，管段105为铸件，在该铸件中机加工出换能器端ロ 165。凹处175也通过机加工エ艺形成所需的尺寸。正面140的宽度比换能器端ロ 165的直径大。凹处175的深度足以允许将侧部沟槽155、160机加工到换能器凸台135以及凹处175本身的侧面145、150之中，并且该深度足以接收缆线125。在一些实施方式中，侧部沟槽155、160为具有方角的三面沟槽。在其它实施方式中，侧部沟槽155、160可为仅具有两个侧部的半-燕尾槽，其中，第一侧部平行于换能器凸台135的正面140，并且第二侧部被定向为与第一侧部成小于90度的角度。而且，在侧部沟槽155、160为半-燕尾槽的实施方式中，侧部145、150与正面140所成的角度可小于或大于90度。最佳如图3中所示，在每个换能器端ロ 165内设置有一个换能器组件200。每个换能器端ロ 165具有中央轴线166并从通孔130处的径向内部(相对于图2的中央轴线110)或第一端部165a经过管段105延伸至管段105的外表面处的径向外部(相对于中央轴线110)或第二端部165b。在该实施方式中，每个换能器端ロ 165通常为水平的。换言之，每个换能器端ロ 165的中央轴线166位于通常平行于基准面111 (图2)的平面中。虽然每个换能器端ロ 165的中央轴线166的投影可不必与管段105的中央轴线110相交，但出于简化的目的，可相对于轴线110描述多种特征和部件的径向位置，通常理解的是，“径向内部”(相对于中央轴线110)指的是通常邻近轴线110和钻孔130的位置，并且“径向外部”(相对于中央轴线110)指的是通常远离轴线110和钻孔130的位置。每个换能器端ロ 165的内表面包括在端部165a、b之间的环形肩部167以及轴向地(相对于中央轴线166)设置在肩部167与第一端部165a之间的内螺纹169。如将在下文中更为详细描述的那样，肩部167帮助将换能器组件200设置在端ロ 165内，并且螺纹169接合换能器组件200上的匹配螺纹，从而将端ロ 165内的换能器组件200螺纹地联接至管段 105。參见图2和3，在使用期间，流体流动通过管路和管段105的通孔130。换能器组件200经过在通孔130中的流体流来回地发送声信号。特别地，换能器组件200设置成使得从ー个换能器组件200行进至另一换能器组件的声信号与流动通过流量计100的流体以相对于中央轴线110成鋭角的方式交叉。电子仪器组件108联接至管段105的顶部，以向传感器组件200提供动カ并经由在其间延伸的缆线125接收来自换能器组件200的信号。一旦接收了来自换能器组件200的信号，电子仪器组件108就处理该信号以确定经过流量计100的钻孔130的产品的流体流速。现在參见图3，气体超声波换能器组件200以及联接于其上的端ロ盖组件300同轴地设置在端ロ 165内并从通孔130延伸至凸台135的凹处175。由此，换能器组件200具有中央或纵向轴线205，当将换能器组件200设置在端ロ 165中时，该中央或纵向轴线205 通常与端ロ 165的中央轴线166重合。从管段105的通孔130径向向外(相对于图2的轴线110)移动，换能器组件200包括压电舱210和变压器舱250，该变压器舱250包括接线盒258。端ロ盖组件300联接至端ロ 165内的换能器组件200的径向外端部。压电舱210、变压器舱250、和端ロ盖组件300首尾相连地轴向联接并相对于轴线166、205同轴地定向。由此，压电舱210、换能器保持器230、变压器舱250、和端ロ盖组件300都具有通常与轴线205,166重合的中央轴线。出于简洁的目的，换能器组件200和端ロ盖组件300的多种特征和部件的轴向位置被于此相对于轴线166、205限定，所了解到的是，当组装到换能器组件200或端ロ盖组件300中时，每个单独的部件具有通常与轴线205重合并且当安装在端ロ 165中时通常与轴线166重合的中央轴线。现在參见图3-6和8，压电舱210具有邻近钻孔130的径向内部(相对于中央轴线110)或第一端部210a、远离钻孔130的径向外部(相对于中央轴线110)或第二端部210b，并且包括本体或壳体211、压电元件212、和匹配层214。在图3中，压电舱210被示出为具有匹配层214 (例如，在匹配层214的安装之后)，并且在图4-7中，压电舱210被示出为不具有匹配层214 (例如，在包括匹配层214之前)。壳体211通常为圆筒形的并具有中央轴线215、与端部210a重合的第一端部211a、以及与端部210b重合的第二端部211b。压电舱210的第一端部210a和壳体211的第一端部211a分别轴向地(相对于轴线166、205)延伸至钻孔130并且暴露于在通孔130内流动的流体(图3)。另外，壳体211包括邻近第一端部211a的内部腔室213和邻近第二端部211b的内部腔室217。在该实施方式中，腔室213为从壳体211的第一端部211a轴向地(相对于轴线205)延伸的沉孔，而腔室217为从端部211b轴向地(相对于轴线205)延伸的沉孔。因此，腔室213、217也可于此被分别称之为沉孔213、217。通常，腔室(例如，腔室213)或沉孔(例如，沉孔213、217)可通过包括但不限于模制、鋳造、机加工、或其结合在内的任何适合的エ艺形成。两个大致平行的通孔236在沉孔213、217之间轴向地(相对于轴线205、215)延伸通过壳体211。在该实施方式中，压电元件212通常为圆筒形的并同轴地设置在沉孔213中邻近第一端部211a和钻孔130。压电元件212为压电材料，该压电材料响应于施加的机械应カ而产生电势，并且响应于施加的电场而产生机械应カ和/或应变。更具体地，压电元件212响应于声信号产生电势即相关联的电流，并且响应于施加的电势和相关联的电流产生声信号。通常，压电元件212可包括任何适合的压电材料，该任何适合的压电材料包括但不限于压电晶体或陶瓷。在该实施方式中，压电元件212为压电晶体。仍然參见图3-6和8，两个凹处或接收器216也径向向内地(相对于图2的轴线110)设置在沉孔213中并对齐通孔236中的ー个。在该实施方式中，每个凹处216为凹形的插塞接收器。两条引线或导线(未示出)将压电元件212电联接至插ロ 216。压电元件212和插ロ 216通过匹配层214相对于壳体211刚性地保持在适当位置中，该匹配层214大致上填充沉孔213的剰余部分并环绕压电元件212和凹形插ロ 216 (图3)。将匹配层214及由此压电元件212联接至壳体211处于沉孔213内。通常，匹配层214可通过任何适合的方式联接至壳体211，该方式包括但不限于过盈配合、化学键、摩擦、或其结合。在该实施方式中，匹配层214通过环氧树脂胶直接连接至壳体211的沉孔213的内部圆筒形表面。
匹配层(例如，匹配层214)可包括任何适合的材料，这些材料包括但不限于塑料、金属、玻璃、陶瓷、环氧树脂、粉末填充的环氧树脂、橡胶、粉末填充的橡胶、或其结合。在该实施方式中，匹配层214为以可流动的液体的状态灌注到沉孔213中井随后被允许凝固或固化的环氧树脂。无论其材料如何，匹配层(例如，匹配层214)在压电元件(例如，压电元件212)与流动通过流量计的流体(例如，在流量计100的钻孔130中流动的流体)之间提供声耦合。根据于此公开的某些实施方式，声匹配层在压电元件的声匹配层与流量计内的流体之间具有声抗阻。利用在压电元件的匹配层与流量计中的流体之间的匹配层的声抗阻，提高了超声波信号的质量(例如，更大的振幅和更快的上升时间)。匹配层的声抗阻至少部分取决于其轴向厚度，并且由此，对于匹配层的轴向厚度的控制对于超声波信号的质量是至关重要的。例如，如最佳在图3中所示，匹配层214具有在钻孔130中的流体与压电元件212之间轴向地(相对于轴线205)测量的轴向厚度L214。轴向厚度L214被优选地计算和控制以优化超声波信号的质量。特别地，匹配层214的轴向厚度L214优选地为由压电元件212产生的声波波长的任何1/4増量。现在參见图4-7，如前所述，压电元件212同轴地设置在沉孔213中邻近第一端部211a和钻孔130。另外，多个周向间隔开的衬套230围绕压电元件212设置在沉孔213中。特别地，每个衬套230径向地(相对于轴线205、215)设置在沉孔213内位于压电元件212与壳体211之间。此外,在该实施方式中，姆个衬套230大体上是完全相同的。S卩,在该实施方式中，每个衬套230为细长的薄壁管，其具有中央轴线231、端部230a、b、以及在端部230a、b之间轴向地(相对于轴线231)延伸的中央通孔232。如最佳在图4和7中所示，每个衬套230具有在端部230a、b之间轴向地(相对于轴线231)测量的轴向长度L23。、内部直径Di,夕卜部直径D。，以及与外部直径D。与内部直径Di之间的差值的一半相等的径向厚度T23(l。厚度T230明显小于内部直径Di和外部直径D。，并且由此，衬套230可通常被描述为“薄壁的”。虽然在该实施方式中，衬套230为大致圆筒形的管，但通常，衬套(例如，衬套230)中的ー个或更多个可具有任何适合的几何形状，该几何形状包括但不限于矩形、梯形、三角形、等。最佳如图4和7中所示，衬套230被轴向地定向(即，平行于中央轴线215)并设置成大致彼此平行。
最佳如图5中所示，压电元件212具有轴向长度L212 (平行于轴线215測量)，并且沉孔213具有比长度L212大的轴向长度L213 (平行于轴线215測量)。每个衬套230的轴向长度L23tl优选地为压电元件212的轴向长度L212的至少一半，以便减少和/或防止晶体在组装期间围绕一个或更多个衬套230旋转或枢转。在该实施方式中，每个衬套230的轴向长度L23tl为压电元件212的轴向长度L212的约一半。此外，最佳如图7中所示，压电元件212具有大体相同的外部半径R212,而壳体211在沉孔213内具有大于半径R212的大体相同的半径民13。每个衬套230的外部直径D。大致相同于或略大于半径R213与半径R212之间的差值。由此，衬套230被确定尺寸以在压电元件212与壳体211之间形成过盈配合。在每个衬套230的外部直径D。均略大于半径R213与半径R212之间的差值的实施方式中，衬套230可在压电元件212与壳体211之间被径向地挤压或压缩，并且/或者压电元件212可在衬套230之间被径向地挤压或压缩。在这种实施方式中，衬套230可包括弾性材料，其类似于压缩弹簧来起作用以产生径向力，该径向力将压电元件212偏压到沉孔213内的优选的径向位置中。參见图4-7，在压电舱210的制造期间，并且在结合匹配层214之前，衬套230维持 压电元件212在沉孔230内的轴向和径向位置(相对于轴线215)。特别地，为了组装压电舱210，将压电元件212轴向地插入到沉孔213中。如前所述，压电元件212的长度L212小于沉孔213的长度L213，并且压电元件212的外部半径R212比壳体211在沉孔213内的内部半径R212小。由此，在插入衬套230并实施匹配层214之前，压电元件212能够自由地在沉孔213内相对于壳体211径向地和轴向地(相对于轴线215)移动。接着，将衬套230轴向地插入到沉孔213中位于压电元件212与壳体211之间。为了实现并維持压电元件212在沉孔213内的同轴布置，优选地，将至少三个衬套230径向地设置在压电元件212与壳体211之间，每对衬套230周向地相邻并围绕轴线215成角度地间隔开不超过180°。为了使压电元件212经受平衡的径向力，使衬套(例如，衬套230)优选地围绕压电元件(例如，压电元件212)均匀地周向间隔开。在该实施方式中，设置有均匀地成角度地间隔开约120°的三个衬套230。然而，在其它实施方式中，可利用超过三个衬套(例如，衬套230)，并且此外，可改变衬套的角间距。例如，在一个实施方式中，可将四个均匀地成角度地间隔开约90°的衬套设置在压电元件(例如，压电元件212)与壳体(例如，壳体211)之间。仍然參见图4-7，如前所述，衬套230被确定尺寸以在压电元件212与壳体211之间形成过盈配合。由于衬套230、沉孔230、以及压电元件212的按尺寸精加工和构造，每个衬套230的径向外表面在沉孔213内接合压电元件212的径向外表面和壳体211的径向内表面。由此，在衬套230在压电元件212与壳体211之间的轴向插入期间，衬套230滑动地接合压电元件212和壳体211。由衬套230与壳体211的接合、以及衬套230与压电元件212的接合引起的静摩擦力限制衬套230和压电元件212相对于壳体211和沉孔213的轴向运动。此外，衬套230与压电元件212和壳体211的径向接合限制压电元件212在沉孔213内相对于壳体211的径向运动(相对于轴线215)。在衬套230的插入和周向间隔之后，可将压电元件212轴向地(相对于轴线215)推动以调节压电元件212在沉孔213内的轴向位置；一旦施加的轴向力足以克服于压电元件212与衬套230的接触面处的静摩擦力，压电元件212就将开始在沉孔213内轴向地(相对于轴线215)移动。
一旦获得压电元件212在沉孔213内的所需轴向位置，就将匹配层214用于填充沉孔213的剰余部分并封装压电元件212。如前所述，在该实施方式中，匹配层214为环氧树脂。为了用环氧树脂匹配层214填充沉孔213，将壳体211竖向地定位，端部211a位于端部211b的上方，并且随后将匹配层214经由端部211a以液体的形式灌注入到沉孔213中。液态的环氧树脂匹配层214能够自由地流动通过径向地设置在压电元件212与壳体211之间并且周向地设置在衬套230之间的空隙，并且流动通过衬套230的通孔232，从而完全地填充沉孔213的剰余部分。一旦完全地填充沉孔213，就允许液态的环氧树脂匹配层214硬化和固化。在固化过程之后，硬化的环氧树脂匹配层214的邻近壳体端部211a的端部可被机加工为平坦的，以获得匹配层214的所需轴向长度。在用液态的环氧树脂匹配层214填充沉孔213以及液态的环氧树脂匹配层214的固化期间，衬套230(以及在压电元件212与壳体211之间的相关联的过盈配合)维持压电元件212在沉孔213内的径向和轴向位置。通常，衬套(例如，衬套230)可包括任何适合的材料，该材料包括但不限于金属(例如，铝)、金属合金(例如，钢)、非金属(例如，塑料、复合材料、橡胶、等)、或其结合。衬套优选地包括相对刚硬的弾性材料，该材料可在維持其完整性的同时被略微挤压或压缩，例如不 锈钢(例如，316SS)。现在參见图3-6和8，电联接器235同轴地设置在每个通孔236中。每个电联接器235具有分别连接至压电舱210和变压器舱250的端部235a、b。联接器235电联接压电舱210与变压器舱250，并允许与在钻孔130中流动的流体有关的数据从压电舱210至变压器舱250的通信。在该实施方式中，联接器235的端部235a、b都是凸形连接器，该凸形连接器分别与在压电舱210中的对应的凹形插ロ 216和在变压器舱250中的两个凹形插ロ相匹配和接合。在每个电联接器235与壳体211之间设置有环形密封件242，从而限制和/或防止流体在联接器235与壳体211之间的轴向流动(相对于轴线205)。形成在联接器235与壳体211之间的密封件242优选地足以抵抗在钻孔130中的预期流体压力，该预期流体压カ通常大于周围环境压力。在该实施方式中，每个密封件242都是玻璃密封件。现在參见图3-5，壳体211的径向外(相对于轴线205)表面包括邻近第二端部210b的环形肩部237、设置在肩部237与内部端部210a之间的外螺纹238、以及轴向地(相对于轴线205)设置在外螺纹238与内部端部210a之间的环形凹部或沟槽239。环形密封件241设置在沟槽239中。沟槽239与设置在其中的密封件241—起限定径向地(相对于轴线205)设置在压电舱210与管段105之间的密封组件240。密封组件240在压电舱210与管段105之间形成环形密封，从而限制和/或防止流体在压电舱210与管段105之间的轴向流动(例如，在钻孔430中流动的流体)。在该实施方式中，环形密封件241为弹性的O形圈密封件，一旦安装，其就在管段105与压电舱210之间被径向地压缩。密封组件240限制和/或防止流体(例如，在钻孔130中流动的流体)在压电舱210与管段105之间的流动，并且环形密封件242限制和/或防止流体在每个联接件235与壳体211之间的轴向流动(相对于轴线205)。密封组件240和密封件242 —起工作以限制和/或防止钻孔130中的潜在危险的、污染性的、或腐蚀性的流体经由端ロ 165从钻孔130泄漏。密封组件240和密封件242也起作用以维持在管段105外部的周围环境条件与在钻孔130中流动的加压流体之间的压力差。由此，虽然压电舱210暴露于钻孔130内的流体和压力，但是，将变压器舱250、端ロ盖组件300、和缆线125与钻孔130内的流体隔离开。压电舱210经由匹配螺纹169、238螺纹地联接至管段105，并且壳体211的环形肩部237接合端ロ 165的环形肩部167。在组装期间，将压电舱210旋拧到端ロ 165中并轴向地推进到端ロ 165中，直到肩部167、237接合，从而防止压电舱210 (和换能器组件200)向端ロ 165中的继续的轴向推进。由此，端ロ 165中的肩部167限定压电舱210(和换能器组件200)在端ロ 165内的轴向位置。现在參见图3和9，变压器舱250具有径向内部(相对于轴线205)或第一端部250a、径向外部(相对于轴线205)或第二端部250b，并包括本体或壳体251、电路板255、联接至电路板255的前述接线盒258、变压器252、和ー对凹形的插ロ或接收器253。壳体251在端部250a、b之间轴向地(相对于轴线205)延伸，并由此，该壳体251也可被描述为具有分别与端部250a、b重合的第一端部251a和第二端部251b。壳体251包括由在端部251a、b之间轴向地(相对于轴线205)延伸的通孔254限定的内部腔室259以及邻近端部251b的两个周向(相对于轴线205)间隔开的径向地向外延伸的销257，这使得端ロ盖组件300能够联接至变压器舱250。 最佳如图9中所示，插ロ或接收器253、电路板255、和变压器252设置在通孔254中。接线盒258邻近变压器舱250的第二端部250b设置并联接至壳体251邻近第二端部251b。特别地，接线盒258安装至电路板255并从该电路板255轴向地(相对于轴线205)延伸。电路板255、变压器252、和插ロ 252经由两条引线(未示出)电联接。在该实施方式中，每个插ロ 253为凹形插塞。电路板255、变压器252、和凹形插ロ 253通过填充材料256而在通孔254内被相对于壳体251刚性地保持在适当位置中，该填充材料256填充通孔254的剰余部分。通常，填充材料(例如，填充材料256)可包括任何适合的材料，该材料例如但不限于塑料、环氧树月旨、和玻璃粉。填充材料优选地为非导体，其填充通孔(例如，通孔254)内的所有开方的空间和气穴，并将组件紧固或结合在适当位置中。在该实施方式中，填料256为类似于匹配层214的刚性环氧树脂。最好如图3中所示，电联接器235设置在壳体211的通孔236中并在压电舱210与变压器舱250之间延伸。每个同轴缆线联接器235的端部235a、b分别与凹形插ロ 216、253相接合并匹配，从而电联接压电舱210与变压器舱250。特别地，将变压器舱250的第一端部250a与联接于其上的缆线125和端ロ盖组件900插入到压电舱210的沉孔217中，直至将变压器舱250推靠在压电舱210上，凸形连接器235的端部235b被接收在凹形插ロ253内。由此，压电舱210和变压器舱250通过电联接器235轴向地(相对于轴线205)间隔开。仍然參见图3，端ロ盖组件300使得能够将缆线125联接至接线盒255，使得在该联接处存在可忽略的张カ并使得能够将缆线125容易地覆盖�。�例如，通过盖120覆盖住。另外，端ロ盖组件900还防止和/或限制诸如雨水、融雪、或大气冷凝物之类的流体通过换能器端ロ 165的端部165b进入。由此,端ロ盖组件300形成遍及换能器端ロ 165的端部165b的密封。端ロ盖组件300包括管状构件309、密封的盖帽304、以及轴向地设置在其间的弹黃306。仍然參见图3，可改变换能器组件200和端ロ盖组件300的多种部件的组装顺序。然而，优选地在插入到端ロ 165中之前组装换能器组件200和端ロ盖组件300，并且此外，优选地在将变压器舱250联接至压电舱210之前组装包括变压器舱250和端ロ盖组件300在内的第一子组件。尽管已经示出并描述了优选实施方式，但在不脱离于此的范围和教授的情况下，所属领域技术人员可对其做出修改。于此所述的实施方式仅是示例性的而非限制性的。于此所述的系统、设备、和エ艺的许多变型和修改是可能的，并且处于本发明的范围内。例如，可改变多种部件的相对尺寸、制成不同部件的材料、以及其它參数。因此，保护范围 不限于于此所述的实施方式，而是仅受限于所附权利要求，权利要求的范围应当包括权利要求的主题的等效物。
权利要求
1.ー种换能器组件,包括 压电舱，所述压电舱包括 壳体，所述壳体具有中央轴线、第一端部、与所述第一端部相対的第二端部、以及从所述第一端部轴向地延伸的第一内部腔 室； 压电元件，所述压电元件设置在所述第一内部腔室中；以及多个衬套，所述多个衬套设置在所述第一内部腔室中、位于所述压电元件与所述壳体之间。
2.根据权利要求I所述的换能器组件，其中，所述压电元件同轴地设置在所述第一内部腔室中。
3.根据权利要求2所述的换能器组件，其中，每个衬套都径向地设置在所述压电元件与所述壳体之间。
4.根据权利要求I所述的换能器组件，其中，每个衬套都为细长的并具有大致平行于所述壳体的所述中央轴线的中央轴线。
5.根据权利要求I所述的换能器组件，其中，每个衬套都接合所述壳体和所述压电元件。
6.根据权利要求5所述的换能器组件，其中，每个衬套都通过过盈配合径向地设置在所述压电元件与所述壳体之间。
7.根据权利要求5所述的换能器组件，其中，每个衬套都被径向地压缩在所述压电元件与所述壳体之间。
8.根据权利要求7所述的换能器组件，其中，每个衬套都是圆筒形的管，并具有中央轴线、外部直径、以及平行于所述衬套的所述中央轴线测量的轴向长度。
9.根据权利要求8所述的换能器组件，其中，所述压电元件具有平行于所述壳体的所述中央轴线测量的轴向长度，每个衬套的所述轴向长度都小于所述压电元件的所述轴向长度。
10.根据权利要求2所述的换能器组件，还包括设置在所述第一内部腔室中的匹配层，其中，所述匹配层环绕所述衬套和所述压电元件。
11.根据权利要求5所述的换能器组件，其中，所述多个衬套包括围绕所述压电元件均匀地在周向上间隔开的至少三个衬套。
12.根据权利要求11所述的换能器组件，还包括联接至所述压电舱的变压器舱，其中，所述变压器舱包括 变压器壳体，所述变压器壳体具有中央轴线、第一端部、第二端部、和内部腔室；以及变压器，所述变压器设置在所述变压器壳体的所述内部腔室中，其中，所述变压器电联接至所述压电元件。
13.根据权利要求12所述的换能器组件，其中，所述压电舱的所述第二端部包括第二内部腔室，所述第二内部腔室至少部分地接收所述变压器舱的所述第一端部。
14.一种用于測量通过管路的流体的流量的超声波流量计，包括 管段，所述管段包括通孔和换能器端ロ，所述换能器端ロ从所述管段的外表面延伸至所述通孔； 换能器组件，所述换能器组件设置在所述换能器端口中，其中，所述换能器组件具有中央轴线并且包括压电舱，所述压电舱包括 壳体，所述壳体具有第一端部、第二端部，以及靠近所述第一端部的内部腔室； 压电元件，所述压电元件设置在所述内部腔室中；以及 多个衬套，所述多个衬套设置在所述内部腔室内、位于所述压电元件与所述壳体之间； 变压器舱，所述变压器舱包括变压器，其中，所述变压器舱联接至所述压电舱。
15.根据权利要求14所述的超声波流量计，还包括匹配层，所述匹配层设置在所述内部腔室中、位于所述压电元件与所述壳体的所述第一端部之间。
16.根据权利要求15所述的超声波流量计，其中，每个衬套都径向地设置在所述压电 元件与所述壳体之间，每个衬套都接合所述壳体和所述压电元件。
17.根据权利要求16所述的超声波流量计，其中，每个衬套都被径向地压缩在所述压电元件与所述壳体之间。
18.根据权利要求16所述的超声波流量计，其中，所述匹配层径向地设置在所述压电元件与所述壳体之间，并且在周向上设置在每对周向地相邻的衬套之间。
19.根据权利要求16所述的超声波流量计，其中，所述多个衬套包括围绕所述压电元件均匀地在周向上间隔开的至少三个衬套。
20.一种用于制造超声波流量计的方法，包括 (a)设置压电壳体，所述压电壳体具有中央轴线、第一端部、与所述第一端部相対的第ニ端部、以及从所述第一端部轴向地延伸的第一沉孔； (b)将压电元件插入到所述第一沉孔中； (C)将多个衬套插入到所述第一沉孔中； Cd)将所述衬套中的每个径向地设置在所述压电元件与所述壳体之间； Ce)在步骤(d)之后，用匹配层填充所述第一沉孔。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括将所述压电元件同轴地设置在所述第一沉孔内，并在步骤(e)之前利用所述衬套維持所述压电元件在所述第一沉孔中的同轴位置。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括利用每个衬套使所述压电元件的外表面与所述壳体的内表面在所述第一沉孔内接合。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，步骤(d)还包括利用过盈配合来维持每个衬套在所述压电元件与所述壳体之间的位置。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，步骤(d)还包括将所述衬套围绕所述压电元件在周向上间隔开。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述多个衬套包括围绕所述压电元件在周向上间隔开不超过180°的至少三个衬套。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述多个衬套围绕所述压电元件均匀地在周向上间隔开。
27.根据权利要求24所述的方法，其中，步骤(d)还包括将所述压电元件设置于与所述壳体的所述第一端部相距预定的轴向距离的位置处。
28.根据权利要求20所述的方法，其中，所述匹配层为环氧树脂，步骤(e)包括 将所述环氧树脂以液体的形式灌注到所述第一沉孔中；以及允许所述环氧树脂硬化和固化。
29.根据权利要求28所述的方法，还包括在步骤(e)之后，将所述环氧树脂的邻近所述壳体的所述第一端部的一部分机加工成基本上平面的表面。
30.根据权利要求20所述的方法，还包括将变压器舱联接至所述压电舱，其中，所述变压器舱包括变压器壳体和设置在所述变压器壳体内的变压器。
全文摘要
一种用于超声波流量计的换能器组件包括压电舱。在一实施方式中，压电舱包括壳体，该壳体具有中央轴线、第一端部、与第一端部相对的第二端部、以及从第一端部轴向地延伸的第一内部腔室。另外，压电舱包括设置在第一内部腔室中的压电元件。此外，压电元件包括设置在第一内部腔室中、位于压电元件与壳体之间的多个衬套。
文档编号G01F15/14GK102741666SQ201180008174
公开日2012年10月17日 申请日期2011年1月4日 优先权日2010年1月6日
发明者查尔斯·罗伯特·阿兰 申请人:丹尼尔测量和控制公司