包括小喇叭陣列的匹配結(jié)構(gòu)、超聲換能器及超聲流量計的制作方法
【專利摘要】本申請涉及包括小喇叭陣列的匹配結(jié)構(gòu)、超聲換能器及超聲流量計。提供了一種用于在超聲換能器中使用的整體式匹配結(jié)構(gòu)。該匹配結(jié)構(gòu)包括小喇叭陣列。小喇叭陣列包括背板、多個喇叭和前板。所述多個喇叭從背板延伸。喇叭中的每個喇叭包括底部和頸部。底部鄰近背板。頸部從底部延伸。底部的橫截面積大于頸部的橫截面積。前板鄰近喇叭中的每個喇叭的頸部。
【專利說明】
包括小喇叭陣列的匹配結(jié)構(gòu)、超聲換能器及超聲流量計
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本申請涉及超聲測量領(lǐng)域，具體地，涉及包括小喇叭陣列的匹配結(jié)構(gòu)、超聲換能器及超聲流量計。
【背景技術(shù)】
[0002]諸如天然氣的流體經(jīng)由管道輸送至各地。需要準(zhǔn)確地知道管道中流動的流體的量，并且當(dāng)流體被交易或“密封輸送”時，需要特別準(zhǔn)確地知道管道中流動的流體的量。然而，即使在不發(fā)生密封輸送的情況下，也需要測量準(zhǔn)確性，在這些情況下，會用到流量計。
[0003]超聲流量計為可以用于測量管道中流動的流體的量的一種流量計。超聲流量計具有用于密封輸送的足夠準(zhǔn)確性。在超聲流量計中，聲學(xué)信號被來回發(fā)送穿過要被測量的流體流?；诮邮盏降穆晫W(xué)信號的參數(shù)來確定流量計中的流體流速?？筛鶕?jù)計算出的流速以及流量計的已知截面面積來確定流過流量計的流體的體積。超聲流量計包括生成并且檢測聲學(xué)信號的換能器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本文公開了一種包括小喇叭陣列的超聲換能器，所述小喇叭陣列適合于在使用超聲流量計來測量流體流動時使用。在一個實施例中，超聲流量計包括用于要被計量的流體流的流動的中央通路和多對超聲換能器。每對換能器被配置成形成跨越換能器之間的中央通路的弦路徑。換能器中的每個換能器包括壓電晶體和匹配結(jié)構(gòu)。匹配結(jié)構(gòu)包括一側(cè)聲耦接至壓電晶體的小喇叭陣列，并且匹配結(jié)構(gòu)被配置成提供壓電晶體與流體流之間的聲阻抗匹配。小喇叭陣列包括背板、多個喇叭和前板。背板鄰近壓電晶體。多個喇叭從背板遠(yuǎn)離壓電晶體延伸。喇叭中的每個喇叭包括底部和頸部。底部鄰近背板。頸部從底部延伸。底部的橫截面積大于頸部的橫截面積。前板鄰近喇叭中的每個喇叭的頸部。
[0005]在另一實施例中，用于在超聲流量計中使用的超聲換能器包括圓柱形殼體、壓電晶體和匹配層。圓柱形殼體被配置成用于安裝在超聲流量計中。壓電晶體被布置在殼體內(nèi)。匹配層耦接至殼體，并且匹配層包括小喇叭陣列。小喇叭陣列一側(cè)耦接至壓電晶體，并且小喇叭陣列被配置成提供壓電晶體與在小喇叭陣列的與第一側(cè)相反的一側(cè)的流體流之間的聲阻抗匹配。小喇叭陣列包括背板、多個喇叭和前板。背板鄰近壓電晶體。多個喇叭從背板遠(yuǎn)離壓電晶體延伸。喇叭中的每個喇叭包括底部和頸部。底部鄰近背板。頸部從底部延伸。底部的橫截面積大于頸部的橫截面積。前板鄰近喇叭中的每個喇叭的頸部。
[0006]在又一實施例中，用于在超聲換能器中使用的匹配層包括小喇叭陣列。小喇叭陣列包括背板、多個喇叭和前板。多個喇叭從背板延伸。喇叭中的每個喇叭包括底部和頸部。底部鄰近背板。頸部從底部延伸。底部的橫截面積大于頸部的橫截面積。前板鄰近喇叭中的每個喇叭的頸部。
【附圖說明】
[0007]為了詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實施例，現(xiàn)在將參照附圖，在附圖中:
[0008]圖1示出根據(jù)本文公開的原理的超聲流量計；
[0009]圖2示出根據(jù)本文公開的原理的超聲流量計的俯視截面圖；
[0010]圖3示出根據(jù)本文公開的原理的超聲流量計的端部正視圖；
[0011]圖4示出根據(jù)本文公開的原理的超聲流量計的換能器對的布置；
[0012]圖5示出包括根據(jù)本文公開的原理的小喇叭陣列的超聲換能器；
[0013]圖6至圖16示出根據(jù)本文公開的原理的小喇叭陣列的視圖；
[0014]圖17示出包括根據(jù)本文公開的原理的圍繞小喇叭陣列的保護(hù)環(huán)的換能器。
【具體實施方式】
[0015]在后續(xù)的整個說明書和權(quán)利要求書中，使用某些術(shù)語來指稱特定的系統(tǒng)部件。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的，各公司可能會以不同的名稱指稱一個部件。本文并不打算對命名不同而功能相同的部件進(jìn)行區(qū)分。在以下討論中以及在權(quán)利要求書中，術(shù)語“包括(“including”和“comprising” )，，以開放式的方式使用，并因而應(yīng)當(dāng)被解釋為表示“包括，但不限于……”。另外，術(shù)語“耦接(“couple”或“couples”)”意在表示間接的或直接的電連接。因此，如果第一裝置耦接至第二裝置，則該連接可以通過直接電連接或者通過經(jīng)由其他裝置和連接件的間接電連接。表述“基于”意在表示“至少部分地基于”。因此，如果X基于Y，則X可以基于Y以及任何數(shù)目的其他因素。
[0016]以下描述針對本發(fā)明的各個實施例。附圖并不是成比例的。實施例的某些特征可能以放大的比例示出或者以某種示意性的形式示出，并且為了清楚和簡明，沒有示出常規(guī)元件的一些細(xì)節(jié)。所公開的實施例不應(yīng)被解釋為或者被用于限制包括權(quán)利要求的范圍的本公開的范圍。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解:以下描述具有廣泛的應(yīng)用，并且對任意實施例的討論僅意在對該實施例的例示并且不意在暗示包括權(quán)利要求的范圍的本公開的范圍限于該實施例。要充分認(rèn)識到的是，下面討論的實施例的不同教導(dǎo)可以被分別采用或者按照任意合適組合采用以產(chǎn)生期望的結(jié)果。此外，各個實施例在測量碳?xì)浠衔锪?例如，原油、天然氣)的背景下展開，并且描述沿襲發(fā)展背景，然而所描述的系統(tǒng)和方法同樣適用于對任意流體流的測量。
[0017]在極端溫度環(huán)境下計量流體流提出許多挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)超聲流量計中，換能器包括低密度環(huán)氧樹脂匹配層，其提供換能器的高密度壓電晶體與流過計量儀的相對低的密度的流體之間的良好聲學(xué)匹配。遺憾的是，壓電晶體和低密度環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)的不匹配能夠使得低密度環(huán)氧樹脂在暴露于時常出現(xiàn)于流體測量環(huán)境中的溫度極限、溫度循環(huán)和/或高壓時破裂。此外，環(huán)氧樹脂化學(xué)抗性低，特別是對于天然氣的化學(xué)侵蝕性成分化學(xué)抗性低。破裂和/或剝落的環(huán)氧樹脂匹配層將換能器性能降低到指示更換換能器的程度一一這反過來會要求中斷流體流過流量計和相關(guān)聯(lián)的管道系統(tǒng)。
[0018]本文所公開的超聲換能器的實施例包括在暴露于嚴(yán)酷的環(huán)境條件時不會遭受故障的匹配結(jié)構(gòu)。本公開的匹配結(jié)構(gòu)包括小喇叭陣列而非低密度環(huán)氧樹脂。具有小喇叭陣列的匹配結(jié)構(gòu)是整體式的、由同一化學(xué)抗性材料例如鈦制成的，使得熱膨脹系數(shù)與壓電晶體和/或換能器殼體不匹配不是問題或并非關(guān)鍵。喇叭提供壓電晶體與流過超聲流量計的流體之間的阻抗匹配。
[0019]圖1示出根據(jù)本文公開的原理的超聲流量計100。超聲流量計100包括限定中央通路或中央孔104的計量儀本體或管段件102。管段件102被設(shè)計并構(gòu)造為耦接至運送流體(例如，天然氣)的管道或其他結(jié)構(gòu)(未示出)，使得管道中流動的流體穿過中央孔104。在流體穿過中央孔104的同時，超聲流量計100測量流率(因此，流體可以被稱為被測流體)。管段件102包括凸緣106，凸緣106有助于將管段件102耦接至另一結(jié)構(gòu)。在其他實施例中，可以等同地使用用于將管段件102耦接至一個結(jié)構(gòu)的任何適當(dāng)系統(tǒng)(例如，焊接連接)。
[0020]為了測量管段件102內(nèi)的流體流動，超聲流量計100包括多個換能器組件。在圖1的視圖中，五個這樣的換能器組件108、110、112、116和120被完全示出或被部分示出。如將在下面進(jìn)一步討論的，換能器組件是成對的(例如，換能器組件108和110)。此外，每個換能器組件電耦接至控制電子包124。更具體地，每個換能器組件通過相應(yīng)的電纜126或等同的信號傳導(dǎo)組件電耦接至控制電子器件包124。
[0021]圖2示出了超聲流量計100的大致沿圖1的線2-2截取的俯視截面圖。管段件102具有預(yù)定的尺寸并且限定被測流體穿過其流過的中央孔104。沿著管段件102的長度定位有圖示的一對換能器組件112和114。換能器組件112和114包括聲波收發(fā)器，并且更具體地包括交替作為發(fā)射器和接收器進(jìn)行操作的超聲換能器222。超聲換能器222生成并且接收具有約20千赫茲以上的頻率的聲學(xué)信號。
[0022]聲學(xué)信號可通過每個換能器中的壓電元件來生成和接收。為生成超聲信號，壓電元件通過信號(例如，正弦信號)被電激發(fā);并且元件通過振動來響應(yīng)。壓電元件的振動生成穿過被測流體到達(dá)所述一對換能器組件中的對應(yīng)換能器組件的聲學(xué)信號。類似地，當(dāng)被聲學(xué)信號沖擊時，接收的壓電元件振動并生成電信號(例如，正弦信號)，該電信號由與流量計100(例如，控制電子器件124)相關(guān)聯(lián)的電子器件來檢測、數(shù)字化和分析。
[0023]路徑200，又稱為“弦”，相對于中央孔中心線202以角度Θ存在于所圖示的換能器組件112與114之間。弦200的長度為換能器組件112的面與換能器組件114的面之間的距離。點204和206限定了由換能器組件112和114生成的聲學(xué)信號進(jìn)入和離開流過管段件102的流體的位置。換能器組件112和114的位置可以通過角度Θ、通過在換能器組件112和114的面之間測量的第一長度L、與點204和點206之間的軸向長度對應(yīng)的第二長度X、以及與管內(nèi)直徑對應(yīng)的第三長度d來限定。在多數(shù)情況下，距離d、X和L在流量計制造期間被精確地確定。諸如天然氣之類的被測流體沿方向208以速度剖面210流動。速度矢量212、214、216和218圖示穿過管段件102的氣體速度朝向管段件102的中心線202增大。
[0024]開始時，下游換能器組件112生成入射到上游換能器組件114并因此由上游換能器組件114檢測的超聲信號。一段時間之后，上游換能器組件114產(chǎn)生返回的超聲信號，該返回的超聲信號隨后入射到下游換能器組件112并由下游換能器組件112檢測。因此，換能器組件沿著弦路徑200交換或“一發(fā)一收”超聲信號220。在操作期間，該序列每分鐘會發(fā)生數(shù)千次。
[0025]在圖示的換能器組件112與114之間的超聲信號220的渡越時間部分地取決于超聲信號220相對于流體流動是向上游行進(jìn)還是向下游行進(jìn)。向下游行進(jìn)(S卩，在與流體流動的方向相同的方向上)的超聲信號的渡越時間小于其在向上游(即，逆著流體流動)行進(jìn)時的渡越時間。上游渡越時間和下游渡越時間可以用于計算沿著信號路徑的平均速度以及聲音在被測流體中的速度。在承載流體的流量計100的截面尺寸給定的情況下，可以使用中央孔104的區(qū)域上的平均速度來獲得流過管段件102的流體的體積。
[0026]超聲流量計可具有一個或更多個弦。圖3示出了超聲流量計100的端部正視圖。具體地，圖示的超聲流量計100包括位于管段件102內(nèi)不同高度的四個弦路徑A、B、C和D。每個弦路徑A至D均對應(yīng)于交替作為發(fā)射器和接收器進(jìn)行操作的換能器對。換能器組件108和110(僅部分可見)構(gòu)成弦路徑A。換能器組件112和114(僅部分可見)構(gòu)成弦路徑B。換能器組件116和118(僅部分可見)構(gòu)成弦路徑C。最后，換能器組件120和122(僅部分可見)構(gòu)成弦路徑D0
[0027]關(guān)于圖4示出所述四對換能器組件的布置的另一方面，圖4示出俯視圖。每個換能器組件對對應(yīng)于圖3的單個弦路徑;然而，換能器組件相對于中心線202以非垂直角度安裝。例如，第一對換能器組件108和110相對于管段件102的中心線202以非垂直的角度Θ安裝。另一對換能器組件112和114被安裝成使得弦路徑相對于換能器組件108和110的弦路徑大致地形成“X”形狀。類似地，換能器組件116和118平行于換能器組件108和110進(jìn)行布置，但處于不同的“水平”或高度。第四對換能器組件(即，換能器組件120和122)在圖4中未明顯示出?？紤]圖2、圖3和圖4，換能器組件對可以被布置成使得與弦A和弦B相對應(yīng)的上面兩對換能器組件形成“X”形狀，并且與弦C和弦D相對應(yīng)的下面兩對換能器組件也形成“X”形狀。流體的流動速度可以在每個弦A至D處被確定，以獲得弦流動速度，并且弦流動速度被組合以確定整個管上的平均流動速度。根據(jù)平均流動速度，可以確定管段件中流動的流體的量，并因此確定管道中流動的流體的量。
[0028]通常，控制電子器件(例如，控制電子器件包124)使換能器222發(fā)射、接收換能器的輸出，計算關(guān)于每個弦的平均流動速度，計算關(guān)于計量儀的平均流動速度，計算穿過計量儀的體積流率以及執(zhí)行計量儀診斷。然后，體積流率以及可能的其他測量值和計算值例如流動速度和聲音速度被輸出至計量儀100的外部的另外的裝置例如流量計算機。
[0029]圖5示出超聲換能器222的截面示圖。超聲流量計100的每個換能器(例如，換能器組件108、110、112、114、116、118、120、122的換能器222)可以與圖5所示的換能器222在結(jié)構(gòu)上類似或相同。換能器222包括殼體502、電/聲換能器514以及一端具有小喇叭陣列506的整體式匹配末端504 ο殼體502可以大體上為圓柱形的，并且由金屬例如鈦、INC0NEL(因科內(nèi)爾鎳鉻鐵耐熱耐蝕)合金或不銹鋼構(gòu)成。電/聲換能器514和具有小喇叭陣列506的匹配末端504可以布置在殼體504的一端。電/聲換能器514可以使用機械地支承電/聲換能器514的支持器516被布置在殼體502的內(nèi)部，以及小喇叭陣列506可以耦接至殼體502的外部。在支持器516的內(nèi)部，線520將電/聲換能器514與電匹配和/或保護(hù)元件518相連，電匹配和/或保護(hù)元件518包含例如分流電阻器和/或阻尼二極管。連接至連接器針522的線520連接至電纜126。
[0030]電導(dǎo)線520將電/聲換能器514通過針522和電纜126連接至控制電子器件包124(圖1)，控制電子器件包124向電/聲換能器514傳送電信號并且從電/聲換能器514接收電信號。電/聲換能器514為發(fā)射和接收超聲能量的有源元件。電/聲換能器514可以包括壓電材料例如鋯鈦酸鉛(PZT)。施加在壓電材料的電極之間的電壓在壓電材料內(nèi)產(chǎn)生電場，所產(chǎn)生的電場使壓電材料改變形狀并且發(fā)射聲能。沖擊在壓電材料上的聲能使壓電材料改變形狀并且在電極之間形成電壓。
[0031]小喇叭陣列506充當(dāng)用于在高阻抗電/聲換能器514與在中央孔104中流動的低阻抗流體之間的聲阻抗匹配的整體式匹配層。具有小喇叭陣列506的整體式匹配末端504可以由塑料或金屬形成。例如，小喇叭陣列506可以由IN⑶NEL合金或鈦形成。小喇叭陣列506包括背板508、多個喇叭510和前板512。小喇叭陣列506的直徑可以例如近似為一英寸。背板508可以例如近似0.15英寸厚。前板512可以例如近似0.03英寸厚。背板508的第一面鄰近電/聲換能器514并且背板508的第二面(與第一面相反)鄰近喇叭510，以在喇叭510與電/聲換能器514之間傳遞聲能。前板512附接至喇叭510、與背板508相對，并且將聲能從喇叭510傳遞到流過中央孔104的流體中以及將聲能從流體傳遞到喇叭510中。
[0032]小喇叭陣列506可以包括大量喇叭510，例如12-100個喇叭。大量喇叭510—起提供大的聲學(xué)有效工作區(qū)。小喇叭陣列506可以被設(shè)計成以在50-500千赫茲的范圍內(nèi)的工作頻率以及在0.1 -7 MRay I s的范圍內(nèi)的聲阻抗進(jìn)行操作。喇機510中的每個喇叭包括鄰近背板508的底部以及從底部延伸并且鄰近前板512的頸部。頸部的橫截面積小于底部的橫截面積。
[0033]小喇叭陣列506的實施例可以包括具有各種形狀的喇叭510。圖6示出具有小喇叭陣列606的匹配末端604的一個實施例的側(cè)向截面圖，其中，小喇叭陣列606含有具有如圖7所示的方形橫截面的喇叭。小喇叭陣列606充當(dāng)小喇叭陣列506。小喇叭陣列606包括背板608、喇叭610和前板612。喇叭610中的每個喇叭包括頸部616和底部614。圖7示出小喇叭陣列606的前截面圖。喇叭610具有方形橫截面。一些實施例可以具有矩形橫截面。每個喇叭610的最接近底部614的區(qū)域與最接近頸部616的區(qū)域相比可以具有相等或較小的曲率半徑。喇叭610的底部614可以通過以下來形成:創(chuàng)建穿過匹配末端604的整體式本體一一該整體式本體優(yōu)選圓柱形桿一一的具有第一直徑r 618的第一組孔(或通道)，并且創(chuàng)建穿過圓柱的與第一組孔相交且垂直的具有第一直徑r 618的第二組孔。喇叭610的頸部616可以通過以下來形成:創(chuàng)建穿過圓柱的具有第二直徑R 620——第二直徑R 620等于或大于第一直Sr 618(R>r)——的第三組孔，并且創(chuàng)建穿過圓柱的與第三組孔相交且垂直的具有第二直徑R 620的第四組孔。第二較大直徑孔620的中心相對于第一較小直徑孔618的中心沿縱向(軸向)方向向前板在從R_r至R+r的范圍內(nèi)移動。孔之間的材料形成具有底部614和頸部616的喇叭610?？梢酝ㄟ^鉆孔或任意其他孔形成技術(shù)在整體式結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建第一、第二、第三和第四組孔。第一直徑和第二直徑可以例如分別近似為0.05英寸和0.10英寸以提供接近125 kHz的操作頻率。喇叭頸部可以例如近似為0.03英寸，以及相鄰喇叭610之間的間距(周期)可以例如近似為0.115英寸。喇叭610可以近似為0.125英寸長。小喇叭陣列的操作頻率以及類似地聲阻抗基本上正比于喇叭頸部截面面積，反比于喇叭長度和基本喇叭單元的橫截面積(周期)。前板的厚度降低操作頻率并且增加小喇叭陣列的聲阻抗。
[0034]雖然喇叭610具有圖6所示的階梯形側(cè)剖面，但是其他實施例可以具有指數(shù)、圓錐形或其他剖面。圖8示出具有半圓弧剖面的小喇叭陣列806的實施例的側(cè)向截面圖。小喇叭陣列806可以充當(dāng)小喇叭陣列506。小喇叭陣列806包括背板808、喇叭810和前板812。喇叭810中的每個喇叭包括頸部816和底部814。圖9示出小喇叭陣列806的前截面圖。喇叭810具有方形(或矩形)橫截面。喇叭810的底部814和頸部816可以通過以下來形成:創(chuàng)建穿過圓柱的具有第一直徑的第一組孔以及穿過圓柱的與第一組孔相交且垂直的具有第一直徑的第二組孔?？字g的材料形成喇叭810?？梢酝ㄟ^鉆孔或任意其他孔形成技術(shù)來創(chuàng)建第一組孔和第二組孔。第一直徑可以例如近似為0.10英寸。相鄰喇叭810之間的間距(周期)可以例如近似為0.115英寸。
[0035]圖10示出小喇叭陣列1006的實施例的前截面圖。小喇叭陣列1006可以充當(dāng)小喇叭陣列506。在一些實施例中，陣列1006可以如同陣列806的包括單一直徑的孔，而在其他實施例中，陣列1006可以如同陣列606包括兩種不同直徑的孔。在小喇叭陣列1006中，喇叭1010具有六邊形橫截面。喇叭1010可以通過以下來形成:創(chuàng)建穿過圓柱的具有第一直徑的第一組孔，創(chuàng)建穿過圓柱的與第一組孔相交并且成60°的具有第一直徑的第二組孔，以及創(chuàng)建穿過圓柱的與第一組孔相交并且成120°角的具有第一直徑的第三組孔?？字g的材料形成喇口Λ1010。為了制作六邊形橫截面，第三組孔穿過在第一組孔和第二組孔的相交處的結(jié)構(gòu)。在如同陣列606的包括兩種不同直徑的孔的實施例中，具有第二直徑的孔如陣列606(圖6)所圖示與具有第一直徑的孔對準(zhǔn)?？梢酝ㄟ^鉆孔或任意其他孔形成技術(shù)來創(chuàng)建孔。
[0036]圖11示出小喇叭陣列1106的實施例的前截面圖。小喇叭陣列1106可以充當(dāng)小喇叭陣列506。在一些實施例中，陣列1106可以如同陣列806包括單一直徑的孔，而在其他實施例中，陣列1106可以如同陣列606包括兩種不同直徑的孔。在小喇叭陣列1106中，喇叭1110具有長菱形橫截面。喇叭1110可以通過以下來形成:創(chuàng)建穿過圓柱的具有第一直徑的第一組孔，創(chuàng)建穿過圓柱的與第一組孔相交并且成30°至小于90°的角的具有第一直徑的第二組孔。在一些實施例中，可以以與第一組孔近似成60°角來形成第二組孔?？字g的材料形成喇叭1110。在如同陣列606的包括兩種不同直徑的孔的實施例中，具有第二直徑的孔如陣列606(圖6)所圖示與具有第一直徑的孔對準(zhǔn)?？梢酝ㄟ^鉆孔或任意其他孔形成技術(shù)來創(chuàng)建孔。
[0037]圖12示出小喇叭陣列1206的實施例的前截面圖。小喇叭陣列1206可以充當(dāng)小喇叭陣列506。在一些實施例中，陣列1206可以如同陣列806包括單一直徑的孔，而在其他實施例中，陣列1206可以如同陣列606包括兩種不同直徑的孔。在小喇叭陣列1206中，喇叭1210具有三角形橫截面。喇叭1210可以通過以下來形成:創(chuàng)建穿過圓柱的具有第一直徑的第一組平行孔，創(chuàng)建穿過圓柱的與第一組孔相交、成60°的具有第一直徑的第二組平行孔，以及創(chuàng)建穿過圓柱的與第一組孔相交并且成120°的具有第一直徑的第三組平行孔。孔之間的材料形成喇叭1210。為了制作三角形橫截面，所有三組孔在相同點處交叉。在如同陣列606的包括兩種不同直徑的孔的實施例中，具有第二直徑的孔如陣列606(圖6)所圖示與具有第一直徑的孔對準(zhǔn)。可以通過鉆孔或任意其他孔形成技術(shù)來創(chuàng)建孔。陣列1206的平行孔之間的間距可以小于用于創(chuàng)建陣列1006中的具有六邊形截面的喇叭的間距。
[0038]圖13示出小喇叭陣列1306的實施例的側(cè)視圖。小喇叭陣列1306可以充當(dāng)小喇叭陣列506。小喇叭陣列1306包括背板1308、喇叭1310和前板1312。喇叭1310中的每個喇叭包括頸部1316和底部1314。圖14示出喇叭1310的前視圖。喇叭1310具有圓形(或橢圓形)橫截面。喇叭1310和小喇叭陣列1306的其他部分可以通過三維打印或任意其他適合技術(shù)來形成。喇口八810之間的間距(周期)可以例如為近似0.15英寸的常數(shù)。小喇叭陣列1306還可以為用于提供預(yù)定陣列頻率譜和換能器帶寬的切趾結(jié)構(gòu)，在該情況下相鄰喇叭之間的切線距離、前板厚度和/或喇叭頸部橫截面積正比于或反比于距離匹配結(jié)構(gòu)的中心的距離。圖15示出小喇叭陣列1306的示出圍繞喇叭1310形成的保護(hù)環(huán)1318的等距視圖。保護(hù)環(huán)1318可以包括允許流體從小喇叭陣列1306的外部流動至圍繞喇叭1310的區(qū)域的口，以均衡小喇叭陣列1306外部和內(nèi)部的壓力。保護(hù)環(huán)1318與前板1312之間的間隙可以充當(dāng)口。圖16示出小喇叭陣列1306的示出保護(hù)環(huán)1318和前板1312的等距視圖。
[0039]圖17示出包括周向環(huán)繞小喇叭陣列506的喇叭的保護(hù)環(huán)524的換能器222的側(cè)視圖。保護(hù)環(huán)524可以由與具有小喇叭陣列506的匹配末端504的材料相同的材料形成，或者由具有與小喇叭陣列506類似的膨脹系數(shù)的材料形成。環(huán)524使小喇叭陣列506的喇叭510和內(nèi)部體積免受不需要的材料侵入陣列506，環(huán)524意在提供單頻率陣列共振操作并且基于前板512中的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)來提供較高的聲學(xué)信號強度。
[0040]環(huán)524的內(nèi)直徑可以稍小于小喇叭陣列506的外直徑。可以通過經(jīng)由加熱使環(huán)膨脹、同時經(jīng)由冷卻使小喇叭陣列506收縮來使環(huán)524機械地附接至小喇叭陣列506。例如，為了將環(huán)524安裝到小喇叭陣列506上可以將環(huán)524加熱至100°攝氏度并且將小喇叭陣列冷卻至-50°攝氏度。將經(jīng)加熱的環(huán)安裝在經(jīng)冷卻的小喇叭陣列506之上，并且當(dāng)組件達(dá)到熱平衡時環(huán)524牢固地附接至小喇叭陣列506。如上所述附接至小喇叭陣列506的環(huán)524在操作溫度下提供堅固的環(huán)至陣列的機械連接，并且經(jīng)由通過環(huán)524與小喇叭陣列506之間的小間隙形成的口來提供內(nèi)部壓力補償。
[0041]圍繞喇叭510并且在保護(hù)環(huán)524之內(nèi)的空間可以填充有高粘度、低壓縮性材料，例如蠟、油脂、凝膠、硅阻尼材料或其他高粘度液體。可以在將保護(hù)環(huán)524附接至小喇叭陣列506之前將低壓縮性材料布置在喇叭510之間。例如，低壓縮性材料基于高粘度油脂中的可逆的孔隙形狀向計量儀100中的工作流體壓力變化提供改善的壓力補償一一內(nèi)部/外部材料的交換明顯較少。另外，低壓縮性材料提供改善的聲阻尼一一此時信號帶寬較高并且振鈴(ring-dowm)減小。
[0042]以上討論意在示出本發(fā)明的原理和各個實施例。一旦以上公開被充分理解，則對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，許多變型和修改將變得明顯。意圖為所附權(quán)利要求被解釋為包括所有這樣的變型和修改。
【主權(quán)項】
1.一種超聲流量計，包括: 用于要被計量的流體流的流動的中央通路； 多對超聲換能器，每對換能器被配置成形成跨越所述換能器之間的所述通路的弦路徑，所述換能器中的每個換能器包括: 壓電晶體；以及 匹配結(jié)構(gòu)，所述匹配結(jié)構(gòu)包括耦接至所述壓電晶體的小喇叭陣列，所述小喇叭陣列包括: 鄰近所述壓電晶體的背板； 從所述背板并且遠(yuǎn)離所述壓電晶體延伸的多個喇叭，所述喇叭中的每個喇叭包括: 鄰近所述背板的底部；以及 從所述底部延伸的頸部，其中，所述底部的橫截面積大于所述頸部的橫截面積； 鄰近所述喇叭中的每個喇叭的所述頸部的前板。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲流量計，其中，所述喇叭中的每個喇叭具有方形、矩形或長菱形橫截面。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲流量計，其中，所述喇叭中的每個喇叭具有三角形或六邊形橫截面。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲流量計，其中，所述喇叭中的每個喇叭具有圓形或橢圓形橫截面。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲流量計，其中，所述小喇叭陣列包括至少12個喇叭。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲流量計，其中，所述匹配結(jié)構(gòu)包括圍繞所述小喇叭陣列周向布置的環(huán)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲流量計，其中，所述匹配結(jié)構(gòu)包括填充所述喇叭之間的空間的低壓縮性材料。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲流量計，其中，對于所述喇叭中的每個喇叭，所述頸部的曲率半徑等于或大于所述底部的曲率半徑。9.一種用于在超聲流量計中使用的超聲換能器，所述換能器包括: 圓柱形殼體，所述圓柱形殼體被配置成用于安裝在所述超聲流量計中； 布置在所述殼體內(nèi)的壓電晶體；以及 耦接至所述殼體的匹配結(jié)構(gòu)，所述匹配結(jié)構(gòu)包括: 小喇叭陣列，所述小喇叭陣列聲耦接至所述壓電晶體，所述小喇叭陣列包括: 背板，所述背板鄰近并且聲耦接至所述壓電晶體； 從所述背板并且遠(yuǎn)離所述壓電晶體延伸的多個喇叭，所述喇叭中的每個喇叭包括: 鄰近所述背板的底部；以及 從所述底部延伸的頸部，其中，所述底部的橫截面積大于所述頸部的橫截面積； 鄰近所述喇叭中的每個喇叭的所述頸部的前板。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲換能器，其中，所述喇叭中的每個喇叭具有方形、矩形或長菱形橫截面。11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲換能器，其中，所述喇叭中的每個喇叭具有三角形或六邊形橫截面。12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲換能器，其中，所述喇叭中的每個喇叭具有圓形或橢圓形橫截面。13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲換能器，其中，所述小喇叭陣列包括12至100個喇叭。14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲換能器，其中，所述匹配結(jié)構(gòu)包括圍繞所述小喇叭陣列周向布置的環(huán)。15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲換能器，其中，所述匹配結(jié)構(gòu)包括填充所述喇叭之間的空間的低壓縮性材料。16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲換能器，其中，對于所述喇叭中的每個喇叭，所述頸部的曲率半徑等于或大于所述底部的曲率半徑。17.—種用于在超聲換能器中使用的匹配結(jié)構(gòu)，包括: 小喇叭陣列，所述小喇叭陣列包括: 背板； 從所述背板延伸的多個喇叭，所述喇叭中的每個喇叭包括: 鄰近所述背板的底部；以及 從所述底部延伸的頸部，其中，所述底部的橫截面積大于所述頸部的橫截面積； 鄰近所述喇叭中的每個喇叭的所述頸部的前板。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的匹配結(jié)構(gòu)，其中，所述喇叭中的每個喇叭具有方形、矩形、長菱形、三角形、六邊形、圓形或橢圓形橫截面。19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的匹配結(jié)構(gòu)，其中，所述小喇叭陣列包括至少12個喇叭。20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的匹配結(jié)構(gòu)，其中，所述匹配結(jié)構(gòu)由單片金屬形成。21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的匹配結(jié)構(gòu)，其中，所述匹配結(jié)構(gòu)由單片鈦形成。22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的匹配結(jié)構(gòu)，其中，所述匹配結(jié)構(gòu)包括圍繞所述小喇叭陣列周向布置的環(huán)。23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的匹配結(jié)構(gòu)，其中，所述匹配結(jié)構(gòu)包括填充所述喇叭之間的空間的低壓縮性材料。24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的匹配結(jié)構(gòu)，其中，對于所述喇叭中的每個喇叭，所述頸部的曲率半徑大于所述底部的曲率半徑。25.—種制作用于在超聲流量計的超聲換能器中使用的匹配結(jié)構(gòu)的方法，包括: 形成背板； 形成前板；以及 在所述背板與所述前板之間形成喇叭的陣列，所述陣列至少有12個喇叭； 其中，所述背板、所述前板以及所述喇叭的陣列形成于整體式本體中。26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括: 形成穿過所述整體式本體的第一組平行通道； 形成穿過所述整體式本體的第二組平行通道，所述第二組平行通道與所述第一組通道橫切并且共面； 其中，所述第一組通道和所述第二組通道形成所述背板、所述前板和所述喇叭的陣列。27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述第一組的每個通道與所述第一組的鄰近所述每個通道的通道等距；以及所述第二組的每個通道與所述第二組的鄰近所述每個通道的通道等距。28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括: 形成穿過所述整體式本體的第三組平行通道，所述第三組的每個通道與所述第一組的通道中的單獨一個通道沿所述單獨一個通道的整個長度相交； 形成穿過所述整體式本體的第四組平行通道，所述第四組平行通道與所述第三組通道橫切并且共面，所述第四組的每個通道與所述第二組的通道中的單獨一個通道沿所述單獨一個通道的整個長度相交。29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中，所述第三組的每個通道與所述第三組的鄰近所述每個通道的通道等距；以及所述第四組的每個通道與所述第四組的鄰近所述每個通道的通道等距。30.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述第一組的通道以直角與所述第二組的通道相交并且所述第一組的通道和所述第二組的通道被分隔開以在所述喇叭陣列的每個喇叭中形成方形橫截面。31.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述第一組的通道以30°至90°的角度與所述第二組的通道相交以在所述喇叭陣列的每個喇叭中形成長菱形橫截面。32.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括:形成穿過所述整體式本體的第三組平行通道，所述第三組平行通道與所述第一組通道和所述第二組通道橫切并且共面，其中，所述第二組的通道與所述第一組的通道成60°角，以及所述第三組的通道與所述第二組的通道成60°角并且與所述第一組的通道成120°角；以及其中，所述第一組、所述第二組和所述第三組的通道被分隔開以在所述喇叭陣列的每個喇叭中形成三角形截面。33.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括:形成穿過所述整體式本體的第三組平行通道，所述第三組平行通道與所述第一組通道和所述第二組通道橫切并且共面，其中，所述第二組的通道與所述第一組的通道成60°角，以及所述第三組的通道與所述第二組的通道成60°角并且與所述第一組的通道成120°角；以及其中，所述第一組、所述第二組和所述第三組的通道被分隔開以在所述喇叭陣列的每個喇叭中形成六邊形截面。34.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括通過三維打印來建立所述前板、所述背板和所述喇叭陣列。35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，還包括建立所述喇叭使得所述喇叭具有圓形或橢圓形橫截面。
【文檔編號】G01F1/66GK106017585SQ201610172958
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年3月24日
【發(fā)明人】亞歷克斯·梅茲赫里茨基
【申請人】丹尼爾測量和控制公司