CN100587412C - 换能器组件 - Google Patents

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Abstract

一种具有壳体、可拆除隔膜和密封隔膜的换能器及其更换方法。该换能器组件可以同卷筒一起使用，从而防止当拆除换能器组件的部件时流体从卷筒中流失。

Description

换能器组件
技术领域
本发明总体涉及一种用于测量流体流动的装置。具体地说，本发明的实施方式总体涉及一种采用超声波信号测量流体流动并预测流体的流动剖面的换能器组件。
背景技术
在涉及流体流动的行业内，精确测量流体流速常常非常重要并因此是必须的。例如，在油气行业中，为了进行泄漏检查、过程控制应用以及密闭输送(例如在装载和卸载原油的工作站进行油和气所有权的转换)需要精确的流量(flowrate)测量。常规的流动测量技术包括涡轮流量计和容积式流量计。然而近来，超声波流量计因其相对于常规技术所具有的优点而在油气行业内得到普及。所述优点包括：良好的长期可再现性、对流体属性例如粘度和压力更小的灵敏度、更好的明匣(open-box)精度、更宽范围的线性度、以及因在这些超声波流量计中不采用任何移动部件而带来的更低的维修成本。
在典型的操作中，超声波流量计采用换能器将超声波信号传递到由第二换能器接收的流体内。携带超声波信号波的流体改变波的频率(Doppler(多普勒)效应)和传播时间(速度叠加)，使得可以采用测量这两个量之一来确定流体流量。根据这些原理，存在两种主要的超声波流体测量技术：Doppler式和时差(transit-time)式。所研制的测量流体流动剖面的大多方法一直基于Doppler技术(例如美国专利No.6,067,861和美国专利No.6,378,357)。然而Doppler信号显著依赖粒子尺寸和粒子浓度这两个可以变化的流体特性，由此导致精度和可再现性变差。因而，为了提高精度，油气行业优选采用时差式流量计。
完善地制定了时差式超声波流量计的原理。参照图1，示出了具有一对换能器111和113以进行超声波传播时间测量的卷筒101。在一些构造中，可以将换能器夹紧在卷筒件的外壁上。然而，在图1中，将换能器111和113安装在卷筒101的壁103上(被称为“湿”换能器)。这样使“湿”换能器111和113能够具有更好的灵敏度。换能器111和113能够传递和接收超声波信号。箭头F表示流体穿过卷筒101的流动方向，线L指的是超声波信号在换能器111与113之间的路径长度，θ指的是超声波信号的路径长度L与流动方向F之间的角度，tu指的是超声波信号沿线L逆流(超声波信号从换能器113到换能器111)的传播时间，以及td指的是超声波信号沿线L顺流(超声波信号从换能器111到换能器113)的传播时间。利用这些参数，可以得到流体沿路径长度L在流动方向F上的速度V，如以下公式(1)所示：
V = L 2 cos θ · t u - t d t u · t d 公式(1)
可以采用与图1中的换能器111和113类似构造的多对换能器确定通过卷筒的流体流量和/或流体流动剖面。这种构造通常被称为“多路”超声波时差式流量计。
这些湿换能器存在的一个问题是当要求维修和换能器需要更换时，它们不太容易接近。例如，当湿换能器需要更换时，需要停止液体流动以防止流体通过安装湿换能器的卷筒内的开口泄漏。而且，甚至需要从管道中取出装有换能器的卷筒以接触换能器。根据卷筒和管道设计的复杂性，换能器的更换和维修会导致在停机时间上损失许多宝贵的时间。因而，如图所示，还需要改进的是换能器以及用于在不牺牲流体测量精度的前提下更容易地进行更换的方法。
发明内容
一方面，本发明涉及一种换能器组件。该换能器组件包括壳体、密封隔膜、可拆除隔膜以及压电晶体。可拆除隔膜径向限制在壳体上并朝向密封隔膜被偏压，并且压电晶体布置在可拆除隔膜内。
另一方面，本发明涉及一种卷筒。该卷筒包括布置在卷筒中的换能器组件。换能器组件包括至少部分地布置在卷筒壁内的壳体、布置在卷筒壁内的密封隔膜、和径向限制在壳体上并布置在卷筒壁内的可拆除隔膜。压电晶体布置在可拆除隔膜内并且可拆除隔膜偏压向密封隔膜。
另一方面，本发明涉及一种从卷筒上更换换能器组件的方法。所述换能器组件包括壳体、可拆除隔膜以及密封隔膜。所述方法包括从卷筒的开口上拆除壳体和可拆除隔膜，以及在从卷筒的开口上拆除壳体和可拆除隔膜的同时利用密封隔膜防止流体从卷筒中流失。
从以下描述和附加权利要求中将会了解到本发明的其它方面和优点。
附图说明
图1表示现有技术中具有用于超声波时差式测量的换能器的卷筒。
图2显示根据本发明实施方式的换能器组件。
图3显示在根据本发明实施方式的换能器组件的壳体端部中的凹口。
图4显示根据本发明实施方式的与电能源相连的换能器组件。
图5显示根据本发明实施方式的压电晶体的声场。
图6显示具有根据本发明实施方式的换能器组件的卷筒。
具体实施方式
一方面，本发明的实施方式总体涉及一种改进的换能器组件。更具体地说，本发明的一种或多种实施方式可以提供一种包括至少两个隔膜和压电晶体以测量超声波信号传播时间的换能器组件。
图2表示根据本发明实施方式的换能器组件的分解视图。该换能器组件绕轴线200布置并包括具有可拆除隔膜211的壳体201。可拆除隔膜211包括圆柱壁213，圆柱壁213具有与圆柱壁213的端部相连的盘215。此外，压电晶体217布置在可拆除隔膜211内。具体地说，压电晶体217可以定位在可拆除隔膜211内部并固定在盘215上。压电晶体将在下文更详细地描述。
仍然参照图2，可以将可拆除隔膜211径向限制在壳体201上。在此采用的“径向”限制指的是可拆除隔膜相对于壳体轴线的径向移动受到限制。在该实施方式中，可拆除隔膜211通过绕壳体201的端部203的外侧布置而径向限制在壳体201的端部203上。然而，在另一实施方式中，可拆除隔膜211可以通过布置在壳体201内，例如布置在壳体201的端部203的内侧中而径向限制在壳体201上。
此外，仍然参照图2，可以将可拆除隔膜211旋转限制在壳体201上。在此采用的“旋转”限制指的是可拆除隔膜相对于壳体轴线的旋转移动受到限制。在该实施方式中，可拆除隔膜211利用销219旋转限制在壳体201上。壳体201的端部203可以具有凹口205(在图3中示出)，该凹口为销219的宽度并沿壳体201的端部203的长度延伸。销219随后可以装配在凹口205内并且能够在凹口205内轴向(沿轴线200)移动，但其绕轴线200的旋转受凹口205的限制。销219随后可以固定在可拆除隔膜211的圆柱壁213上，由此使可拆除隔膜211能够旋转限制在壳体201上。
仍然参照图2，换能器组件还可以包括套筒221和密封隔膜231。密封隔膜231包括盘233并且可以定位在套筒221的端部223处。如在该实施方式中所示，密封隔膜231可以绕套筒221的端部223的外侧布置。套筒221可以包括通孔227。如所示，通孔227可以形成大体上圆柱形的通道。优选地，通孔227足够大以使可拆除隔膜211和壳体201的端部203能够布置在套筒221内。套筒221还可以包括螺纹部分225以使套筒221能够与卷筒(在此未示出)螺纹接合。
仍然参照图2，换能器组件还可以包括偏压机构241。在该实施方式中，偏压机构241是弹簧。然而，本领域普通技术人员将会认识到在不脱离本发明范围的前提下可以采用其它偏压机构。无论怎样，偏压机构241可以绕壳体201布置，具体地说是绕壳体201的端部203布置，使得可以采用偏压机构241将可拆除隔膜211(与压电晶体217一起)向密封隔膜231偏压。可以利用这种偏压确保可拆除隔膜211与密封隔膜231之间的接触，并由此确保换能器组件具有更高的灵敏度。偏压机构241可以径向限制在壳体201上。具体地说，偏压机构241可以绕壳体201布置，由此防止偏压机构241相对于壳体201的轴线200产生任何向内的径向移动，并且偏压机构241可以布置在具有可拆除隔膜211和壳体201的端部203的套筒221内，由此防止偏压机构241相对于壳体201的轴线200产生任何向外的径向移动。因而，偏压机构241在径向限制在壳体201或套筒221上时仅能沿壳体201的轴线200移动。
仍然参照图2，可以在壳体201的端部203中形成凹槽207。可以利用凹槽207使密封件251绕壳体201装配。当壳体201的端部203布置在套筒221内时，可以采用如图所示为O形环的密封件251在壳体201与套筒221之间提供密封。类似地，可以在密封隔膜231中形成凹槽235。可以利用凹槽235使密封件253绕密封隔膜231装配。可以采用如图所示也为O形环的密封件253在密封隔膜231与卷筒(在此未示出)之间提供密封。
图4显示根据本发明实施方式的换能器组件。在该实施方式中，压电晶体217通过导线301与电能源(未示出)例如电池相连。压电晶体可以被用于将电能转换为机械能或者可以被用于将机械能转换为电能。例如，在一实施方式中，可以通过导线301从电能源向压电晶体217传送电荷。随后可以通过压电晶体217将所述电荷转换为声能(例如机械能)，这样可以产生声信号。可逆地，在另一实施方式中，可以通过压电晶体217接收例如来自声信号的机械能。随后可以通过压电晶体217将该机械能转换为电能。之后可以由压电晶体217通过导线301传送电能。
压电晶体可以由许多材料构成，最常见的是由陶瓷和石英晶体构成。具体地说，在一实施方式中，压电晶体由可以从Keramos of Piezo Technologies得到的Kézite K600构成，其是一种改进的锆钛酸铅压电陶瓷。随后可以通过多种方式改进压电晶体的材料以产生不同的声信号波型。例如，压电晶体的总体形状决定了由压电晶体产生的声信号的声场。图5表示根据本发明实施方式由压电晶体217产生的声场401的示例。在该实施方式中，当通过导线301接收电荷时，如图所示，压电晶体217呈圆柱形盘的形状并产生声场401。此外，压电晶体的厚度可以决定由压电晶体产生的声能的频率。具体地说，压电晶体产生的波长是其厚度的大约两倍。在一实施方式中，压电晶体能够产生优选频率范围从0.8MHz到1.2MHz的超声波信号。
现在参照图6，示出了具有根据本发明实施方式的换能器组件的卷筒501。该卷筒501包括可以容纳换能器组件例如图2所示的换能器组件的开口503。例如，在一实施方式中，换能器组件的套筒221的螺纹部分225可以与卷筒501中的开口503螺纹接合。这样使套筒221和连接的密封隔膜231固定在卷筒501内。壳体201的端部203和可拆除隔膜211可以布置在壳体221内。由于换能器组件如图所示可以布置在卷筒501内，因此该换能器组件可以是湿换能器。
仍然参照图6，随后可以通过采用凸缘505将卷筒501安装在管道(未示出)中。当处于管道中时，流体可以流动(箭头F表示流体流动方向)穿过卷筒501，其中可以采用换能器组件测量穿过卷筒501的流体流动。在一实施方式中，图6所示的固定在卷筒501内的换能器组件可以与安装在卷筒501相对一侧的相应换能器组件(未示出)配对并处于所示换能器组件的下游。图6所示的换能器组件被称为“上游”换能器组件，并且在卷筒501相对一侧未示出的换能器组件被称为“下游”换能器组件。在一实施方式中，上游和下游换能器组件能够相互传送和接收超声波信号。可以例如在公式(1)中利用换能器组件之间的信号传播时间确定沿上游和下游换能器组件之间的路径长度上的流体流动F的速度。在另一实施方式中，卷筒501可以具有固定在开口503内的多对上游和下游换能器组件以作为多路超声波时差式流量计。随后可以采用本发明的实施方式确定通过卷筒和管道的流体流量和/或流体流动剖面。
按照根据本发明实施方式的方法，可以从卷筒中更换换能器组件。可以更换根据本发明实施方式的换能器，而不会干扰流体流过卷筒。例如，如果需要在换能器组件内更换压电晶体217，则可以从套筒221上拆除壳体201。套筒221可以例如通过与套筒221的螺纹部分225的螺纹接合而固定在卷筒501上。由于这一点，可以从卷筒501的开口503上拆除壳体201，但套筒221会保持固定在卷筒501的开口503内。当从卷筒501上拆除壳体201时，还可以拆除都限制在壳体201上的可拆除隔膜211和偏压机构241。随着壳体201和可拆除隔膜211从卷筒501上被拆除，可以更换可拆除隔膜211和/或可以更换压电晶体217。在所述更换过程中，可以绕套筒221的端部223布置并且可以与卷筒501内的流体直接接触的密封隔膜231可以保持固定在卷筒501的开口503内。这样，密封隔膜231可以防止在更换例如可拆除隔膜211的过程中流体从卷筒501中流失。
此外，按照根据本发明实施方式的另一方法，可以在不必从管道中取出卷筒的情况下更换换能器的密封隔膜。例如，如果需要更换密封隔膜231，则可以从卷筒501的开口503上拆除套筒221。还可以拆除绕套筒221的端部223布置的密封隔膜231。随后密封隔膜231可以在脱离卷筒501的同时得到更换。由于从卷筒501的开口503上拆除密封隔膜231，因此流体会从卷筒501中流失。为了防止流体从卷筒501中流失，需要使穿过卷筒501的流体流动F停止，但密封隔膜231替换时无需从管道(未示出)中取出卷筒501。
优选地，可拆除隔膜和密封隔膜由塑料构成。具体地说，可拆除隔膜和密封隔膜可以由Ultem1000-一种可以从General Electric得到的热塑性聚醚酰亚胺耐热聚合物构成。此外，可拆除隔膜和密封隔膜的盘可以相对较薄，优选厚度范围在大约1-3mm(0.04-0.12in)。此外，可以利用粘合剂，优选为粘性粘结剂将压电晶体固定在可拆除隔膜的盘上。对于由塑料构成的隔膜，它们的盘相对较薄，和/或在固定压电晶体时采用粘性粘结剂，这样可以通过换能器组件传送和接收更好的信号(也就是防止或限制信号强度损失)。
本领域普通技术人员将会认识到本发明的实施方式具有以下一个或多个优点。通常，在现有技术中，当更换换能器组件或换能器组件的部件，尤其是更换湿换能器组件或组件的部件时，可以停止流过管道或卷筒的流体流动以防止流体通过换能器固定在其中的开口流失。然而，对于本发明，流体流动不必受到干扰，因为可以采用密封隔膜防止任何流体从卷筒中流失。
此外，根据本发明一或多个实施方式的换能器组件可以是“固有安全”的和/或区域0(zone 0)得到合格验证的。固有安全的装置是在正常使用中或在任何实践中可能发生的故障状态下不会使易燃材料引燃的装置。区域0指的是一直存在爆炸材料例如爆炸气体的环境。本发明的实施方式可以是固有安全的和区域0得到合格验证的，由此使换能器组件能够安全地用于极为易爆的环境，例如油气行业中常见的环境。
此外，在根据本发明一或多个实施方式的换能器组件中采用偏压机构可以通过换能器组件传送和接收更好的信号(也就是防止或限制信号强度损失)。当壳体端部和可拆除隔膜布置在换能器组件的套筒内时，偏压机构可以将可拆除隔膜向密封隔膜偏压。这样可以使可拆除隔膜和布置在其中的压电晶体与密封隔膜具有紧密接触，从而能够通过换能器组件传送更好的信号。
尽管已经通过有限数量的实施方式描述了本发明，但从公开内容中得到启示的本领域技术人员将会认识到可以想到不脱离在此公开的本发明范围的其它实施方式。因此，本发明的范围应该仅由附加权利要求进行限制。

Claims (18)

1.一种换能器组件，所述换能器组件包括：
壳体；
密封隔膜；
径向限制到壳体的可拆除隔膜；
布置在可拆除隔膜内的压电晶体；以及
套筒；
其中密封隔膜定位在套筒的端部处；
可拆除隔膜和壳体的至少一部分布置在套筒内；
其中，可拆除隔膜被朝向密封隔膜偏压。
2.如权利要求1所述的换能器组件，其特征在于，套筒包括螺纹部分。
3.如权利要求1所述的换能器组件，进一步包括偏压机构，所述偏压机构围绕壳体布置以将可拆除隔膜朝向密封隔膜偏压。
4.如权利要求3所述的换能器组件，其特征在于，偏压机构径向限制到壳体上。
5.如权利要求1所述的换能器组件，其特征在于，换能器组件被构造成布置在卷筒上。
6.如权利要求1所述的换能器组件，进一步包括：
绕壳体布置的密封元件，其中所述密封元件在套筒与壳体之间提供密封。
7.如权利要求5所述的换能器组件，进一步包括：
绕密封隔膜布置的密封元件，其中密封元件在密封隔膜与卷筒之间提供密封。
8.如权利要求1所述的换能器组件，其特征在于，利用粘结剂将压电晶体固定到可拆除隔膜。
9.如权利要求1所述的换能器组件，其特征在于，换能器组件是固有安全的。
10.如权利要求1所述的换能器组件，其特征在于，换能器组件是区域0得到合格验证的。
11.一种用于测量流体流动的卷筒，该卷筒包括：
布置在卷筒上的换能器组件，
其中换能器组件包括：
壳体，所述壳体至少部分地布置在卷筒的壁内；
密封隔膜，所述密封隔膜布置在卷筒的壁内；
可拆除隔膜，所述可拆除隔膜径向限制到壳体上并布置在卷筒的壁内；
压电晶体，所述压电晶体布置在可拆除隔膜上；以及
套筒，其中可拆除隔膜和壳体的至少一部分布置在套筒内；
其中，可拆除隔膜被朝向密封隔膜偏压。
12.如权利要求11所述的卷筒，其特征在于，套筒与卷筒螺纹接合。
13.如权利要求11所述的卷筒，其特征在于，进一步包括偏压机构，所述偏压机构绕壳体布置以将可拆除隔膜朝向密封隔膜偏压。
14.一种从卷筒上更换换能器组件的方法，所述方法包括以下步骤：
提供换能器组件，所述换能器组件包括壳体、可拆除隔膜、套筒，其中可拆除隔膜和壳体的至少一部分布置在套筒内、定位在套筒的端部的密封隔膜、以及偏压机构，所述偏压机构绕壳体布置并使可拆除隔膜朝向密封隔膜偏压；
从卷筒的开口拆除壳体和可拆除隔膜；以及
在从卷筒的开口上拆除壳体和可拆除隔膜的同时利用密封隔膜防止流体从卷筒中流失。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，压电晶体布置在可拆除隔膜内。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：
更换可拆除隔膜；以及
将壳体和可拆除隔膜插入到卷筒的开口内。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述套筒包括螺纹部分并与卷筒螺纹接合。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，偏压机构径向限制到壳体上。
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