專利名稱：超聲波流量計傳感器組件的方法和系統(tǒng)的制作方法
超聲波流量計傳感器組件的方法和系統(tǒng)
背景技術：
在將碳氫化合物從地下提取出來后，流體流(例如，原油、天然氣)經(jīng)由管線從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方。期望精確地獲知在管線中流動的流體的量，并且當流體轉(zhuǎn)手或 “密閉輸送”時要求特定的精度。超聲波流量計可用于測量在管線中流動的流體的量，并且超聲波流量計具有足以在密閉輸送中使用的精度。在大容積天然氣管線中，在一天中，氣體在密閉輸送點處的“轉(zhuǎn)手”價值可總計達一百萬美元或更多。為此，制造商嘗試制造如下超聲波儀表，該超聲波儀表不僅非常精確，而且就故障之間的平均時間較長而言也是可靠的。因而，增加超聲波儀表的可靠性和/或減少超聲波儀表發(fā)生故障之后的檢修和修理時間的任何進步將在市場中提供競爭優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括卷筒零件，所述卷筒零件限定外表面、中央通道和傳感器端口，所述傳感器端口從所述外表面延伸到所述中央通道；傳感器組件，所述傳感器組件耦合到所述傳感器端口。所述傳感器組件包括過渡元件，所述過渡元件耦合到所述卷筒零件，所述過渡元件具有布置在所述傳感器端口內(nèi)的第一端和位于所述外表面外部的第二端；壓電模塊，所述壓電模塊具有壓電元件，所述壓電模塊直接耦合到所述過渡元件的所述第一端并且所述壓電模塊布置在所述外表面內(nèi)；變換器模塊，在所述變換器模塊中布置有變換器，所述變換器模塊直接耦合到所述過渡元件的所述第二端并且所述變換器模塊布置在所述外表面外部；以及電導體，所述電導體布置在通過所述過渡元件的通道內(nèi)， 所述電導體將所述變換器耦合到所述壓電元件。本發(fā)明另外涉及一種傳感器組件，所述傳感器組件包括耦合構(gòu)件、壓電模塊、變換器模塊和電導體。所述耦合構(gòu)件包括第一端，所述第一端具有第一埋頭孔；第二端，所述第二端與所述第一端相對，所述第二端具有第二埋頭孔；第一電針，所述第一電針布置在所述第一埋頭孔內(nèi)；第二電針，所述第二電針布置在所述第二埋頭孔內(nèi)，所述第二電針電耦合到所述第一電針；以及凸緣部，所述凸緣部布置在所述第一端與所述第二端之間，所述凸緣部構(gòu)造為將所述傳感器組件耦合到超聲波儀表的筒管零件的外表面，所述凸緣部限定垂直于所述耦合構(gòu)件的中心軸線的平面。所述壓電模塊具有壓電元件，所述壓電模塊至少部分地布置在所述第一埋頭孔內(nèi)，并且所述壓電模塊整個位于所述平面的第一側(cè)上。在所述變換器模塊中布置有變換器，所述變換器模塊至少部分地布置在所述第二埋頭孔內(nèi)，并且所述變換器模塊整個位于所述平面的與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)上。所述電導體布置在通過所述耦合構(gòu)件的通道內(nèi)，所述電導體將所述變換器耦合到所述壓電元件。本發(fā)明還涉及一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于容納流動的受測流體的裝置；傳感器組件。所述傳感器組件包括用于耦合的裝置，將所述傳感器組件耦合到所述用于容納的裝置；用于產(chǎn)生聲能的裝置，所述用于產(chǎn)生的裝置耦合到所述用于耦合的裝置；用于封裝用于阻抗匹配的裝置的裝置，所述用于封裝的裝置直接耦合到所述用于耦合的裝置，并且所述用于阻抗匹配的裝置電耦合到所述用于產(chǎn)生的裝置；所述用于耦合的裝置設計并構(gòu)造為使得所述用于封裝的裝置位于所述用于容納的裝置的外表面外部。
本發(fā)明又涉及一種方法，包括置換耦合到超聲波流量計的傳感器端口的傳感器組件的變換器，所述置換通過如下步驟進行將電纜與所述傳感器組件斷開；將包含第一變換器的第一變換器封殼從所述傳感器組件移除，所述移除沒有移除壓電元件，并且所述移除沒有使所述超聲波儀表內(nèi)的流體通過所述傳感器端口釋放到大氣；將包含第二變換器的第二變換器封殼插入成與所述傳感器組件形成操作關系；并且然后將所述電纜連接到所述傳感器組件。


現(xiàn)在將參照附圖對示例性實施例進行詳細描述，在附圖中
圖1示出了根據(jù)至少一-些實施例的超聲波儀表；
圖2示出了根據(jù)至少--些實施例的超聲波流量計的橫截面俯視圖，其中圖2大致沿圖1的丨線2-2截取；
圖3示出了根據(jù)至少一-些實施例的端部正視圖4示出了根據(jù)至少一-些實施例的局部俯視圖5示出了根據(jù)至少一-些實施例的筒管零件的透視圖6示出了根據(jù)至少一-些實施例的傳感器組件的橫截面正視圖7示出了根據(jù)至少一-些實施例的壓電模塊的橫截面正視圖8示出了根據(jù)至少一-些實施例的耦合構(gòu)件的橫截面正視圖9示出了根據(jù)至少--些實施例的傳感器保持構(gòu)件和傳感器模塊的分解橫截面正視圖10示出了根據(jù)至少-一些實施例的傳感器組件以及敷設電纜的分解視圖11示出了根據(jù)至少一些實施例的傳感器端口中的傳感器組件的橫截面俯視圖；以及
圖12示出了根據(jù)至少-一些實施例的方法。
符號和術語
遍及下文的描述和權利要求使用特定術語來指示具體的系統(tǒng)部件。如本領域中的
技術人員將認識的，超聲波儀表制造公司可用不同的名稱來指示某部件。此文獻無意對名稱不同而非功能不同的部件進行區(qū)分。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， 因而應理解為意指“包括，但不限于...”。此外，術語“耦合”或“連接”意欲指示間接或直接的連接。因而，如果第一裝置耦合到第二裝置，則該連接可通過直接連接或者通過經(jīng)由其它裝置和連接件的間接連接。
具體實施例方式下文的討論涉及本發(fā)明的多個實施例。盡管這些實施例中的一個或多個可能是優(yōu)選的，但是所公開的實施例不應被解釋為或以其它方式用作限制包括權利要求在內(nèi)的本公開的范圍。此外，本領域中的技術人員將理解的是下文的描述具有廣泛的應用，并且任何實施例的討論僅意味著此實施例是示例性的，而無意暗示包括權利要求在內(nèi)的本公開的保護范圍受限于此實施例。圖1示出了根據(jù)至少一些實施例的超聲波儀表100。具體地，該超聲波儀表包括限定中央通道104的儀表本體或筒管零件102。筒管零件102設計并構(gòu)造為耦合到承載流體的管線，使得在該管線中流動的流體同樣行進通過中央通道104。當流體行進通過中央通道 104時，超聲波儀表100測量流量(因此，流體可稱為受測流體)。圖1中的示例性筒管零件102構(gòu)造為通過法蘭106耦合到管線(未示出)；然而，用以將筒管零件102耦合到管線的任何合適的系統(tǒng)都可等效地使用(例如，焊接連接)。為了測量儀表內(nèi)的流體流量，超聲波儀表100使用多個傳感器組件。在圖1的視圖中，五個這樣的傳感器組件108、110、112、116和120處在全視圖或部分視圖中。傳感器組件是成對的(例如，傳感器組件108和110)，如將在下文更多地討論的。此外，每個傳感器組件電耦合到示例性地容納在外殼124中的電子控制器件。更具體地，每個傳感器組件通過各自的電纜126耦合到外殼124中的電子控制器件。圖2示出了大致沿圖1的線2-2截取的超聲波流量計100的橫截面俯視圖。筒管零件102具有預定尺寸并且限定了中央通道104，受測流體流過該中央通道104。一對示例性的傳感器組件112和114沿筒管零件102的長度定位。傳感器112和114是聲收發(fā)器， 并且更具體地是超聲波收發(fā)器，意指它們既產(chǎn)生又接收具有大約20千赫茲以上的頻率的聲信號。聲信號可由每個傳感器中的壓電元件產(chǎn)生和接收。為了產(chǎn)生超聲波信號，通過正弦信號對壓電元件進行電激勵，并且壓電元件通過振動來響應。壓電元件的振動產(chǎn)生聲信號，該聲信號行進通過受測流體至該對對應的傳感器組件。類似地，在受到聲信號沖擊時， 接收壓電元件振動并且產(chǎn)生正弦電信號，該電信號由與儀表關聯(lián)的電子器件進行檢測、數(shù)字化和分析。有時稱為“弦”的路徑200相對于中心線202成角度θ地存在于示例性的傳感器組件112與114之間。弦200的長度是傳感器組件112的面與傳感器組件114的面之間的距離。點204和206限定了由傳感器組件112和114產(chǎn)生的聲信號進入和離開流過筒管零件102的流體的位置(即，至筒管零件孔的入口)。傳感器組件112和114的位置可由角度 θ、由在傳感器組件112與114的面之間測量的第一長度L、對應于點204與206之間的軸向距離的第二長度X以及對應于管內(nèi)徑的第三長度“d”來限定。在大部分情形下，距離d、 X和L在流量計制造期間被精確地確定。諸如天然氣的受測流體在方向208上以速度分布 210流動。速度向量212、214、216和218圖示了 通過筒管零件102的氣體速度朝著筒管零件102的中心線202增加。最初，下游傳感器組件112產(chǎn)生超聲波信號，該超聲波信號入射到上游傳感器組件114上并因而被上游傳感器組件114檢測到。一段時間之后，上游傳感器組件114產(chǎn)生返回超聲波信號，該返回超聲波信號隨后入射到下游傳感器組件112上并且被下游傳感器組件112檢測到。因而，傳感器組件沿弦路徑200對超聲波信號220進行“投和接”。在運行期間，此順序可每分鐘出現(xiàn)成千上萬次。超聲波信號220在示例性傳感器組件112與114之間的傳播時間部分地取決于超聲波信號220相對于流體流向上游還是向下游行進。向下游(即，在與流體流相同的方向上)行進的超聲波信號的傳播時間小于超聲波信號向上游(即，逆著流體流)行進時的傳播時間。上游和下游傳播時間能夠用于計算沿信號路徑的平均速度以及聲音在受測流體中的速度。給定承載流體的儀表的橫截面量度，則中央通道的面積上的平均速度可用于求出流過筒管零件102的流體的體積。超聲波流量計能夠具有一個或多個弦。圖3圖示了超聲波流量計100的端部正視圖。具體地，示例性超聲波流量計100包括位于筒管零件102內(nèi)的不同的水平面處的四個弦路徑A、B、C和D。每個弦路徑A-D對應于交替用作發(fā)射器和接收器的傳感器對。傳感器組件108和110 (僅部分可見)組成弦路徑A。傳感器組件112和114 (僅部分可見)組成弦路徑B。傳感器組件116和118 (僅部分可見)組成弦路徑C。最后，傳感器組件120和 122 (僅部分可見)組成弦路徑D。就圖4而言示出了四對傳感器的布置，該圖4示出了俯視圖。每個傳感器對對應于圖3的單一弦路徑；然而，傳感器組件安裝在中心線202的非垂直角度處。例如，第一對傳感器組件108和110安裝在筒管零件102的中心線202的非垂直角度θ處。另一對傳感器組件112和114安裝為使得該弦路徑相對于傳感器組件108和110的弦路徑松散地形成 “X”的形狀。類似地，傳感器組件116和118被放置成平行于傳感器組件108和110，但在不同的“水平面”或高度處。第四對傳感器組件(即，傳感器組件120和122)未明確地在圖 4中示出?？紤]圖2、圖3和圖4，傳感器對布置為使得對應于弦A和B的上部兩對傳感器形成“X”的形狀，且對應于弦C和D的下部的兩對傳感器也形成“X”的形狀。流體的流速可在每個弦A-D處確定以獲得弦流速，并將弦流速組合以確定整個管上的平均流速。根據(jù)該平均流速，可確定在筒管零件中流動的流體的量，并因而可確定在管線中流動的流體的量。圖5示出了傳感器組件被移除的筒管零件102的透視圖。具體地，筒管零件102 限定了多個傳感器端口。在圖5的視圖中，僅五個這樣的傳感器端口 500、502、504、508和 512處在全視圖或部分視圖中。與傳感器組件類似，傳感器端口是成對的。例如，傳感器端口 500與傳感器端口 502成對，等等。參照傳感器端口 504作為所有的傳感器端口的示例， 傳感器端口 504包括凸緣表面520。由示例性凸緣表面520的凸緣限定的平面垂直于由使用傳感器端口 504的傳感器對限定的弦。如所示的，凸緣表面520包括多個螺紋孔522，傳感器組件機械耦合到所述螺紋孔522。仍參照傳感器端口 504作為所有傳感器端口的示例，傳感器端口 504進一步包括流體耦合到筒管零件102的中央通道104的孔524。如所示的，該孔包括較大直徑部526和較小直徑部528，因而形成肩部530。在其它實施例中，孔524可在凸緣表面520與中央通道104之間具有單一內(nèi)徑或者兩個或三個不同的內(nèi)徑。為了本說明書和權利要求的目的， 并且就具體的傳感器端口而言，將物理上位于由凸緣表面形成的平面與中央通道之間的孔內(nèi)的物體(或物體的一部分)稱為位于傳感器端口內(nèi)。同樣地，就具體的傳感器端口而言， 將物理上位于由凸緣表面形成的平面與中央通道之間的孔內(nèi)的容積之外(并且還位于中央通道外部)的物體(或物體的一部分)稱為位于傳感器端口外部或筒管零件102的外表面外部。說明書現(xiàn)在轉(zhuǎn)向現(xiàn)有技術傳感器組件的缺點。特別容易發(fā)生故障的超聲波流量計的部件是傳感器組件，更具體地是傳感器組件內(nèi)的匹配變換器。匹配變換器執(zhí)行電子控制器件與壓電元件之間的電阻抗匹配，所述壓電元件產(chǎn)生并檢測聲能。因為壓電元件容易受到由阻抗匹配變換器與壓電元件之間的敷設電纜的長度導致的電容性負載的影響，所以現(xiàn)有技術的阻抗匹配變換器被放置成鄰近壓電元件并且在傳感器端口內(nèi)。盡管阻抗匹配變換器可以某一形式(例如，通過密封劑)保護，但是使阻抗匹配變換器在傳感器端口內(nèi)將使阻抗匹配變換器暴露于許多不希望的環(huán)境。例如，阻抗匹配變換器在傳感器端口內(nèi)可能經(jīng)歷非常高和/或非常低的溫度(超過環(huán)境溫度波動)。溫度變化導致熱膨脹和收縮，該熱膨脹和收縮在變換器上產(chǎn)生機械應力(內(nèi)部地， 以及由周圍密封劑的膨脹和收縮導致的應力)。此外，儀表內(nèi)的壓力可能達到幾百磅/平方英寸(PSI)或以上，和/或儀表內(nèi)的壓力可能經(jīng)歷大的壓力波動(例如，從使用到不使用狀態(tài))。再次，壓力的變化導致對阻抗匹配變換器以及周圍密封劑施加機械應力的膨脹和收縮。此外，受測流體本身可能對組成變換器的材料以及密封劑本身產(chǎn)生腐蝕。而且，將阻抗匹配變換器放置成鄰近壓電元件決定了阻抗匹配變換器的小物理尺寸。例如，如果阻抗匹配變換器位于傳感器端口內(nèi)，則該傳感器端口的孔的內(nèi)徑?jīng)Q定了變換器的尺寸。本說明書的發(fā)明人已確定阻抗匹配變換器能夠從壓電元件移動相對短的距離，而不嚴重地降低壓電元件的性能，然而在傳感器組件的可靠性上獲得顯著的收益，從而提高檢修故障傳感器組件的能力并且減少修理故障傳感器組件的維修時間。具體地，本說明書的發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，將阻抗匹配變換器移到由傳感器組件產(chǎn)生的壓力壁壘外部以及傳感器端口外部，導致由阻抗匹配變換器導致的傳感器組件的故障之間的平均時間增加了 ；減少檢修由阻抗匹配變換器故障導致的傳感器組件的故障所需的時間量；并且減少修理由阻抗匹配變換器的故障導致的傳感器故障所需的時間量。更具體地，使用產(chǎn)生大約125千赫茲頻率的聲能的傳感器組件的超聲波流量計 (即，受測流體是氣體的超聲波流量計)，壓電元件具有大約1到2千歐姆的阻抗，并且驅(qū)動 /接收電路具有大約30歐姆的阻抗。通過比較，產(chǎn)生400千赫茲到1兆赫茲范圍內(nèi)的頻率的超聲波流量計(即，受測流體是液體的超聲波流量計)在許多情形下不需在電子控制器件與壓電元件之間匹配變換器。發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)阻抗匹配變換器能夠放置在兩英尺或更小的壓電元件內(nèi)而不嚴重降低性能。在具體實施例中，阻抗匹配變換器被放置在六英寸的壓電元件內(nèi)。將變換器物理上放置成遠離壓電元件不僅消除了變換器與加工室內(nèi)的壓力、溫度和可能腐蝕的氣體的可能接觸，而且將變換器放置在傳感器端口外部。說明書現(xiàn)在轉(zhuǎn)向示例性傳感器組件。圖6示出了根據(jù)至少一些實施例的傳感器組件600的橫截面視圖。傳感器組件600 是傳感器組件108、110、112、114、116、118、120和122中的示例性的任一個。具體地，示例性傳感器組件600可被認為包括四個主要部件(在圖6中從上到下)壓電封殼(capsule) 或模塊602 (參照圖7討論)；耦合構(gòu)件604 (參照圖8討論)；變換器封殼或模塊606 (參照圖9討論)；以及變換器模塊保持構(gòu)件608 (也參照圖9討論)。將依次對每一個部件進行討論。圖7示出了根據(jù)多個實施例的壓電模塊602的橫截面視圖。具體地，壓電模塊602 包括布置在聲阻抗匹配材料702內(nèi)的壓電元件700。阻抗匹配材料702具有在壓電元件700 與受測流體的聲阻抗之間的聲阻抗，并且在具體實施例中，阻抗匹配材料702是環(huán)氧樹脂。 在該示例性實施例中，壓電元件700布置在具有開口端706的柱形外殼704內(nèi)。在一些實施例中，柱形外殼704是金屬的，但其它形狀和材料也可等效地使用。壓電模塊602進一步包括構(gòu)造為套入(telescope)在耦合構(gòu)件604的埋頭孔內(nèi)的插頭部708。在圖示的實施例中，插頭部708和柱形外殼704是通過螺紋710耦合在一起的分離元件。電導體712在一端上耦合到壓電元件700，并在第二端上耦合到插頭部708中的電針714。如所示的，使用兩個電針714，并且電針714是示例性的陰性電針；然而，也可等效地使用陽性針以及不同類型的電連接件，諸如同軸式連接件。示例性電針714與插頭部616通過絕緣構(gòu)件716電絕緣，該絕緣構(gòu)件716還可起作用將針714保持在適當?shù)奈恢谩Ｗ詈?，壓電模塊602具有或限定了中心軸線750。參照圖8，如所示的耦合構(gòu)件604包括安裝構(gòu)件800以及過渡構(gòu)件802。該安裝構(gòu)件限定了沿中心軸線806的圓孔804。過渡構(gòu)件802套入在圓孔804內(nèi)，如下文進一步討論的。安裝構(gòu)件800進一步包括布置在安裝構(gòu)件800的中間部上的凸緣部808。凸緣部808 構(gòu)造為將傳感器組件耦合到筒管零件102的外表面，并具體構(gòu)造為將傳感器組件耦合到各凸緣表面520 (圖5)。凸緣部808限定了垂直于該耦合構(gòu)件的中心軸線806的平面。例如， 凸緣表面810位于一平面內(nèi)和/或限定該平面(在圖8的視圖中，該平面僅是直線，并因而圖示為虛線812)。安裝構(gòu)件800進一步包括環(huán)形凹槽814，彈性體密封構(gòu)件816 (例如，0型環(huán))可被放置在該環(huán)形凹槽814內(nèi)。當耦合構(gòu)件604安裝在傳感器端口 504 (圖5)中時， 彈性體密封構(gòu)件816密封在環(huán)形凹槽814內(nèi)并且抵靠孔524的內(nèi)徑，因而形成超聲波流量計的中央通道104(圖1)與環(huán)境大氣之間的壓力壁壘的一部分。在其它實施例中，安裝構(gòu)件800可通過任何合適的手段，諸如通過螺紋連接耦合到筒管零件。過渡構(gòu)件802布置在安裝構(gòu)件800的圓孔804內(nèi)。具體地，過渡構(gòu)件804在外徑上具有螺紋820，所述螺紋820螺紋耦合到圓孔804的內(nèi)徑上的螺紋822。也可等效地使用用以將過渡構(gòu)件802機械耦合到安裝構(gòu)件800的其它機構(gòu)。此外過渡構(gòu)件的外徑包括一個或多個具有相應的彈性體密封構(gòu)件的環(huán)形凹槽。在圖8的圖示中，與兩個彈性體密封構(gòu)件 826 —起，示出了兩個這樣的環(huán)形凹槽824;然而，根據(jù)超聲波儀表內(nèi)的預期最大壓力可使用環(huán)形凹槽824和彈性體密封構(gòu)件826每一個中的一個或多個。彈性體密封構(gòu)件826密封在各環(huán)形凹槽824和圓孔804的內(nèi)徑內(nèi)，因而形成中央通道104(圖1)與環(huán)境大氣之間的壓力壁壘的至少一部分。仍參照圖8，過渡構(gòu)件802進一步包括具有埋頭孔832的第一端830 (緊接壓電模塊)。壓電模塊602的插頭部708 (圖7)套入在埋頭孔832內(nèi)，并且通過固定螺釘843至少部分地保持在適當?shù)奈恢谩Ｈ缢镜?，兩個電針834位于埋頭孔832內(nèi)，并且電針布置為使得當插頭部708套入在埋頭孔832內(nèi)時，電針834電耦合到電針714。盡管在示例性的圖8 中電針834是陽性針，但是在其它實施例中，也可等效地使用陰性針。電針834與過渡構(gòu)件 802的平衡部(balance)(在一些實施例中，它是金屬的)電絕緣。該示例性過渡構(gòu)件802進一步包括至少一個，并且如所示的兩個通道840。通道 840從第一埋頭孔832延伸到第二埋頭孔842。至少一個電導體(未具體示出)位于每個通道840內(nèi)，因而將第一埋頭孔832中的針834電耦合到第二埋頭孔842中的針844。根據(jù)各種實施例，通道840密封為使得儀表內(nèi)的受測流體不能通過通道840逃逸到環(huán)境大氣。 根據(jù)至少一些實施例，形成在通道840內(nèi)的密封是玻璃-金屬密封(金屬是過渡構(gòu)件802 的金屬材料)；然而，任何合適的密封機構(gòu)可等效使用。仍參照圖8，并且如參考通道840簡短提及的，示例性過渡構(gòu)件802包括第二端 850 (緊接變換器模塊606)，埋頭孔842位于該第二端850內(nèi)。變換器模塊606的一部分套入在埋頭孔842內(nèi)(下文進一步討論)。此外，變換器保持模塊套入在埋頭孔842內(nèi)，并且在一些實施例中，埋頭孔842在埋頭孔842的內(nèi)徑上包括螺紋852，使得變換器保持模塊螺紋耦合到過渡構(gòu)件802。如所示的，兩個電針844位于埋頭孔842內(nèi)，并且電針布置為使得當變換器模塊606套入在埋頭孔842內(nèi)時，電針844電耦合到變換器模塊606的電針。盡管在示例性的圖8中電針844是陽性針，但是在其它實施例中，也可等效地使用陰性針。電針844與金屬的過渡構(gòu)件802的平衡部電絕緣。過渡構(gòu)件802的第二端850位于由凸緣部 808限定的平面812的一側(cè)上，而過渡構(gòu)件802的第一端830位于平面812的另一側(cè)上。圖9示出了變換器模塊606和變換器模塊保持構(gòu)件608的橫截面分解視圖。具體地，變換器模塊606包括限定了內(nèi)部容積902的圓形外殼900。在一些實施例中，圓形外殼 900是塑料的；然而，圓形外殼900可等效地由其它材料制成(例如，金屬的)。阻抗匹配變換器904位于內(nèi)部容積902內(nèi)。阻抗匹配變換器904包括一級繞組和二級繞組，該一級繞組通過導體908電耦合到針906，而二級繞組通過導體912電耦合到針910。阻抗匹配變換器904在電子控制器件與壓電元件700 (圖7)之間提供阻抗匹配。在一些實施例中，阻抗匹配變換器904通過非導電聚合材料(例如，環(huán)氧樹脂)懸掛在內(nèi)部容積902內(nèi)。變換器組件606進一步包括插頭部920，該插頭部920套入在過渡構(gòu)件802的埋頭孔842 (圖8) 內(nèi)。變換器模塊606的插頭部920保持電針910。盡管圖9的示例性實施例將電針910示出為陰性針，但是也可等效地使用陽性針。仍參照圖9，根據(jù)所示實施例，傳感器組件600進一步包括變換器模塊保持構(gòu)件 608，該變換器模塊保持構(gòu)件608設計并構(gòu)造為將變換器模塊606保持在適當?shù)奈恢谩Ｈ缢镜?，變換器模塊保持構(gòu)件608包括限定了內(nèi)部容積932的圓形外殼930。在圓形外殼930 的一端上包括螺紋934，所述螺紋934與過渡構(gòu)件802的螺紋852 (圖8)螺紋接合。也可等效地使用用以將變換器模塊保持構(gòu)件608機械耦合到過渡構(gòu)件802的其它機構(gòu)。變換器模塊保持構(gòu)件608套入在變換器模塊606之上，使得變換器模塊606位于圓形外殼930的內(nèi)部容積932內(nèi)。肩部構(gòu)件936朝著過渡構(gòu)件802偏壓變換器模塊606。此外根據(jù)至少一些實施例的變換器模塊保持構(gòu)件608在其遠端上包括孔940，以使電針906暴露用以連接到敷設電纜。在一些實施例中，圓形外殼930的遠端包括螺紋 942，以使電纜的連接器能夠機械耦合到變換器模塊保持構(gòu)件608，同時電耦合到變換器模塊606的電針906。變換器模塊保持構(gòu)件608和變換器模塊606中的每一個具有或限定了中心軸線960，使得當變換器模塊保持構(gòu)件608套入在變換器模塊606之上時，保持構(gòu)件608 和模塊606同軸。如由圖9的部件的示例性配置所示，在不干擾壓力壁壘的情況下，變換器模塊保持構(gòu)件608可物理分離，并且變換器模塊606可與傳感器組件600的部件的平衡部物理分離和電分離。具體地，變換器模塊保持構(gòu)件608和變換器模塊606的移除不干擾由彈性體密封構(gòu)件816(圖8)形成的密封或由彈性體密封構(gòu)件826形成的密封。因而，變換器模塊 606能夠在受測流體不逃逸到大氣的情況下移除和置換，因而無需對超聲波流量計的中央通道104降壓。示例性傳感器組件600的部件中的每一個均具有或限定了中心軸線。具體地，壓電模塊602具有或限定了中心軸線750 (圖7)；耦合構(gòu)件604的安裝構(gòu)件800和過渡構(gòu)件 802具有或限定了中心軸線806 (圖8)；而變換器模塊保持構(gòu)件608和變換器模塊606具有或限定了中心軸線960(圖9)。圖10示出了傳感器組件600以及敷設電纜1000的分解透視圖，該圖10示出了每個部件的中心軸線并且進一步傳達了如何組裝各種部件。具體地， 圖10是示出壓電模塊602、耦合構(gòu)件604的一部分(具體地，過渡構(gòu)件802)、變換器模塊 606和變換器保持模塊608的分解透視圖。圖10進一步示出，根據(jù)至少一些實施例，當組裝時，每個部件的中心軸線同軸。圖10示出了各種部件的其它特征。例如，過渡構(gòu)件802的第一端830包括多個孔 1002。所述孔可在內(nèi)部加工有螺紋，使得固定螺釘可擰入其中，固定螺釘然后接觸壓電模塊 602，將壓電模塊602的插頭部708保持在埋頭孔832中。此外，過渡構(gòu)件802可包括兩個或多個平坦區(qū)域1006，所述平坦區(qū)域1006相對地布置在第二端850上，使得可使用工具來將過渡構(gòu)件802耦合到安裝構(gòu)件800 (在圖10中未明確示出)。同樣地，變換器模塊保持構(gòu)件608的遠端部也可具有兩個或多個平坦區(qū)域1008 (在圖10中僅一個此區(qū)域可見)，從而能夠使用工具來幫助將變換器模塊保持構(gòu)件608耦合到過渡構(gòu)件802。最后，變換器模塊 606具有布置在插頭部920周圍的彈性體密封構(gòu)件1010，該彈性體密封構(gòu)件1010抵靠插頭部920和埋頭孔842的內(nèi)徑形成密封；然而，如所討論的，因為其它受測流體通過其它密封機構(gòu)保持在儀表內(nèi)，所以由彈性體密封構(gòu)件1010形成的密封在使電連接件密封以抵抗來自環(huán)境大氣的潮氣侵入中可能是有用的。圖11示出了傳感器端口內(nèi)的傳感器組件600的橫截面正視圖。傳感器端口 504 是傳感器端口 500、502、508和512中的任一個的示例。具體地，耦合構(gòu)件604的凸緣部808 機械耦合到筒管零件102的外表面1100，具體地耦合到凸緣表面520。因而，過渡構(gòu)件802 的具有埋頭孔832的近端或第一端830布置在傳感器端口 504內(nèi)。另外說明的是，第一端 830位于下述內(nèi)部容積內(nèi)，該內(nèi)部容積由孔524限定并且在一端由中央通道104而在另一端由凸緣表面520界定。此外，過渡構(gòu)件802的具有埋頭孔的遠端或第二端850位于外表面 1100外部。隨后從第二端850的位置知道變換器模塊606同樣位于外表面1100外部。通過使變換器模塊606位于外表面1100外部，變換器模塊606以及其中的變換器僅經(jīng)歷與周圍環(huán)境關聯(lián)的溫度波動(temperature swing)。此外，在此布置中，變換器模塊 608沒有暴露于預期在中央通道104內(nèi)部的壓力極值，并且沒有暴露于受測流體的可能腐蝕的化合物。此外，變換器模塊606的物理尺寸不受傳感器端口 504的孔524的內(nèi)徑限制。傳感器組件的設計和構(gòu)造產(chǎn)生了一種置換故障變換器的方法，該方法相對于現(xiàn)有技術的裝置是有利的。具體地，圖12示出了根據(jù)至少一些實施例的方法。該方法開始 (塊1200)并且繼續(xù)以置換耦合到超聲波流量計的傳感器端口的傳感器組件的變換器(塊 1204)，該置換通過如下步驟進行將電纜與傳感器組件斷開(塊1208)；將包含第一變換器的第一變換器封殼從傳感器組件移除，該移除沒有移除壓電元件，并且該移除沒有使超聲波儀表內(nèi)的流體通過傳感器端口釋放到大氣(1212)；將包含第二變換器的第二變換器封殼插入成與傳感器組件形成操作關系(塊1216)；然后將電纜連接到傳感器組件(塊 1220)。此后，該方法結(jié)束(塊1224)。在使用變換器模塊保持構(gòu)件的實施例中，在斷開電纜之后并且在移除第一變換器封殼之前，將套入在第一變換器封殼之上的變換器模塊保持構(gòu)件移除。同樣地，在安裝第二變換器封殼之后，將變換器模塊保持構(gòu)件套入在第二變換器封殼之上并耦合到耦合構(gòu)件。上文的討論意欲說明本發(fā)明的原理和各種實施例。一旦完全理解上文的公開，則許多變形和修改對本領域中的技術人員將變得明顯。例如，盡管在示例性實施例中，變換器模塊保持構(gòu)件將變換器模塊保持在適當?shù)奈恢?，但是在其它實施例中，變換器模塊本身可機械耦合到耦合構(gòu)件，從而無需額外的保持構(gòu)件(例如，模塊直接螺紋耦合到耦合構(gòu)件)。 預期的是下文的權利要求應理解為包括所有這樣的變形和修改。
權利要求
1.一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括筒管零件，所述筒管零件限定外表面、中央通道和傳感器端口，所述傳感器端口從所述外表面延伸到所述中央通道；傳感器組件，所述傳感器組件耦合到所述傳感器端口，所述傳感器組件包括 過渡元件，所述過渡元件耦合到所述筒管零件，所述過渡元件具有布置在所述傳感器端口內(nèi)的第一端和位于所述外表面外部的第二端；壓電模塊，所述壓電模塊具有壓電元件，所述壓電模塊直接耦合到所述過渡元件的所述第一端并且所述壓電模塊布置在所述外表面內(nèi)；變換器模塊，在所述變換器模塊中布置有變換器，所述變換器模塊直接耦合到所述過渡元件的所述第二端并且所述變換器模塊布置在所述外表面外部；以及電導體，所述電導體布置在通過所述過渡元件的通道內(nèi)，所述電導體將所述變換器耦合到所述壓電元件。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進一步包括安裝元件，所述安裝元件直接耦合到所述筒管零件，所述安裝元件包括 近端，所述近端布置在所述傳感器端口內(nèi)； 遠端，所述遠端位于所述外表面外部； 通孔，所述通孔從所述遠端延伸到所述近端；以及外表面，所述外表面被密封到所述筒管零件；其中所述過渡元件至少部分地布置在所述安裝元件的所述通孔內(nèi)，并且所述過渡元件被密封到所述通孔的內(nèi)徑。
3.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述變換器模塊構(gòu)造為在所述安裝元件被密封到所述筒管零件的同時，并且在所述過渡元件被密封到所述安裝元件的同時，所述變換器模塊能夠從所述過渡元件移除。
4.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器組件在所述中央通道與環(huán)境壓力之間形成壓力壁壘，并且其中所述變換器模塊構(gòu)造為能夠在不使所述中央通道通過所述傳感器端口暴露于環(huán)境壓力的情況下移除。
5.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器組件進一步包括限定內(nèi)部容積的保持構(gòu)件，所述保持構(gòu)件套入在所述變換器模塊之上，使得所述變換器模塊位于所述內(nèi)部容積內(nèi)。
6.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進一步包括 其中所述壓電模塊限定中心軸線；其中所述變換器模塊限定中心軸線；并且其中所述壓電模塊和所述變換器模塊是同軸的。
7.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進一步包括 其中所述傳感器端口限定中心軸線；并且其中所述壓電模塊和所述傳感器端口是同軸的。
8.一種傳感器組件，所述傳感器組件包括 耦合構(gòu)件，所述耦合構(gòu)件包括第一端，所述第一端具有第一埋頭孔；第二端，所述第二端與所述第一端相對，所述第二端具有第二埋頭孔； 第一電針，所述第一電針布置在所述第一埋頭孔內(nèi)；第二電針，所述第二電針布置在所述第二埋頭孔內(nèi)，所述第二電針電耦合到所述第一電針；以及凸緣部，所述凸緣部布置在所述第一端與所述第二端之間，所述凸緣部構(gòu)造為將所述傳感器組件耦合到超聲波儀表的筒管零件的外表面，所述凸緣部限定垂直于所述耦合構(gòu)件的中心軸線的平面；壓電模塊，所述壓電模塊具有壓電元件，所述壓電模塊至少部分地布置在所述第一埋頭孔內(nèi)，并且所述壓電模塊整個位于所述平面的第一側(cè)上；變換器模塊，在所述變換器模塊中布置有變換器，所述變換器模塊至少部分地布置在所述第二埋頭孔內(nèi)，并且所述變換器模塊整個位于所述平面的與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)上；以及電導體，所述電導體布置在通過所述耦合構(gòu)件的通道內(nèi)，所述電導體將所述變換器耦合到所述壓電元件。
9.根據(jù)權利要求8所述的傳感器組件，其中所述耦合構(gòu)件進一步包括安裝構(gòu)件，所述安裝構(gòu)件限定沿所述中心軸線的圓孔，所述凸緣部布置在所述安裝構(gòu)件的外表面上；以及過渡構(gòu)件，所述過渡構(gòu)件布置在所述圓孔內(nèi)，所述過渡構(gòu)件限定所述第一端、所述第一埋頭孔、所述第二端和所述第二埋頭孔；其中所述過渡構(gòu)件抵靠所述安裝構(gòu)件的所述圓孔的內(nèi)徑密封。
10.根據(jù)權利要求9所述的傳感器組件，所述傳感器組件進一步包括變換器模塊保持構(gòu)件，所述變換器模塊保持構(gòu)件套入在所述變換器模塊之上，所述變換器模塊保持構(gòu)件包括近端，所述近端直接耦合到所述過渡構(gòu)件的所述第二端；遠端，所述遠端具有通過所述遠端的孔，其中所述孔使耦合到所述變換器的第三電針暴露。
11.根據(jù)權利要求8所述的傳感器組件，所述傳感器組件進一步包括變換器模塊保持構(gòu)件，所述變換器模塊保持構(gòu)件套入在所述變換器模塊之上，所述變換器模塊保持構(gòu)件包括近端，所述近端直接耦合到所述耦合構(gòu)件；遠端，所述遠端具有通過所述遠端的孔，其中所述孔使耦合到所述變換器的第三電針暴露。
12.—種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 用于容納流動的受測流體的裝置； 傳感器組件，所述傳感器組件包括用于耦合的裝置，將所述傳感器組件耦合到所述用于容納的裝置； 用于產(chǎn)生聲能的裝置，所述用于產(chǎn)生的裝置耦合到所述用于耦合的裝置； 用于封裝用于阻抗匹配的裝置的裝置，所述用于封裝的裝置直接耦合到所述用于耦合的裝置，并且所述用于阻抗匹配的裝置電耦合到所述用于產(chǎn)生的裝置；所述用于耦合的裝置設計并構(gòu)造為使得所述用于封裝的裝置位于所述用于容納的裝置的外表面外部。
13.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述用于耦合的裝置進一步包括用于直接耦合到所述用于容納的裝置的裝置，所述用于直接耦合的裝置限定具有內(nèi)徑的中央通道；用于機械支撐所述用于產(chǎn)生的裝置和所述用于封裝的裝置的裝置，所述用于機械支撐的裝置布置在所述中央通道的所述內(nèi)徑內(nèi)并且耦合到所述內(nèi)徑。
14.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述用于直接耦合的裝置進一步包括用于鄰接所述用于容納的裝置的所述外表面的一部分的裝置。
15.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述用于直接耦合的裝置進一步包括用于與所述用于容納的裝置螺紋接合的裝置。
16.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進一步包括用于保持所述用于封裝的裝置抵靠所述用于耦合的裝置的裝置。
17.一種方法，包括置換耦合到超聲波流量計的傳感器端口的傳感器組件的變換器，所述置換通過如下步驟進行將電纜與所述傳感器組件斷開；將包含第一變換器的第一變換器封殼從所述傳感器組件移除，所述移除沒有移除壓電元件，并且所述移除沒有使所述超聲波儀表內(nèi)的流體通過所述傳感器端口釋放到大氣；將包含第二變換器的第二變換器封殼插入成與所述傳感器組件形成操作關系；并且然后將所述電纜連接到所述傳感器組件。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，所述方法進一步包括在斷開所述電纜之后并且在移除所述第一變換器封殼之前，移除套入在所述第一變換器封殼之上的保持構(gòu)件。
19.根據(jù)權利要求17所述的方法，所述方法進一步包括其中移除所述第一變換器進一步包括使所述第一變換器封殼沿所述傳感器組件的中心軸線從所述傳感器組件向外平移以影響機械分離和電分離。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中平移進一步包括在不使所述第一變換器封殼繞所述中心軸線旋轉(zhuǎn)的情況下沿所述軸線向外平移。
全文摘要
本發(fā)明提供一種超聲波流量計傳感器組件的方法和系統(tǒng)。示例性實施例中的至少一些實施例是包括如下部件的系統(tǒng)筒管零件，其限定外表面、中央通道和從該外表面延伸到該中央通道的傳感器端口；以及傳感器組件，其耦合到該傳感器端口。該傳感器組件包括過渡元件，其耦合到該筒管零件，該過渡元件具有布置在傳感器端口內(nèi)的第一端和位于該外表面外部的第二端；具有壓電元件的壓電模塊，該壓電模塊直接耦合到過渡元件的第一端并且該壓電模塊布置在該外表面內(nèi)；變換器模塊，其中布置有變換器，該變換器模塊直接耦合到過渡元件的第二端并且該變換器模塊布置在該外表面外部；以及電導體，其布置在通過該過渡元件的通道內(nèi)，該電導體將變換器耦合到壓電元件。
文檔編號G01F1/66GK102368041SQ20111018778
公開日2012年3月7日 申請日期2011年6月29日 優(yōu)先權日2010年6月29日
發(fā)明者小亨利·C·斯特勞布, 藍迪普·格里維爾 申請人:丹尼爾度量和控制公司