CN101243558B - 用于超声流量计的换能器壳体 - Google Patents
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Abstract
一种用于超声流量计的换能器壳体。示意性实施例中的至少一些为一种换能器壳体，这种换能器壳体包括具有近端、远端和内部体积的壳体，所述壳体联接于超声流量计的管段；和声匹配层，其从所述内部体积流体地密封所述远端(其中壳体接受有压电元件，所述压电元件位于内部体积内并且邻近声匹配层)。声匹配层具有介于压电元件的声阻抗和超声流量计内的流体的声阻抗之间的声阻抗。
Description
有关联邦资助的研究或者研发的声明不适用。
技术领域
本发明的各个实施例涉及超声流量计。
背景技术
在将碳氢化合物从地底取出之后，流体流(例如原气或者天然气)经由管线而被到处输送。希望准确地知道在流体流中流动的流体的量，并且当流体被转手或者“保管输送”时，要求特别的准确度。然而，即便当未进行保管输送时，也期望测量的准确度。
超声流量计可被用在例如保管输送的情形中。在超声流量计中，超声信号横穿被测量的流体流而来回地发送，并且基于超声信号的各种特征，可以计算出流体的流量。提高施加给流体的超声信号质量的机构可以提高测量的准确度。而且，超声流量计可被安装于恶劣环境中，并且因此期望的是减少维护时间，并且如果可能的话，提高性能的任何机构。
发明内容
借助一种用于超声流量计的换能器壳体而至少部分地解决了上述问题。在至少一些示意性实施例中，一种换能器壳体包括具有近端、远端和内部体积的壳体，该壳体联接到超声流量计的管段(spoolpiece)，以及从内部体积流体地密封远端的声匹配层(其中该壳体接纳有压电元件，压电元件在内部体积中并且邻近声匹配层)。声匹配层具有介于压电元件的声阻抗和超声流量计中的流体的声阻抗之间的声阻抗。
附图说明
为了更加详细描述本发明的实施例，现在将参考附图，其中：
图1A是超声流量计的截面视图；
图1B是示意出弦路径M、N、O和P的管段的端面视图；
图1C是容纳了换能器对的管段的顶视图；
图2示意根据本发明实施例的组件；
图3示意根据本发明实施例的换能器壳体的透视截面视图；
图4示意根据本发明实施例的换能器壳体的截面视图；
图5示意根据本发明实施例的集成好的换能器组件；
图6示意根据本发明实施例的集成好的换能器组件的透视截面视图；
图7A示意根据本发明实施例的压电元件的前表面的透视图；
图7B示意根据本发明实施例的压电元件的后表面的透视图；
图8是示意更换根据本发明实施例的换能器组件的方法的流程图。
具体实施方式
符号和术语
在以下说明书和权利要求书中使用了某些术语，用以引用具体的系统构件。这篇文献并不期望区分名称不同而非功能不同的构件。
在下面的讨论中并且在权利要求中，术语“具有”和“包括”以开放形式使用，并且因此，这些术语应被解释成表示“包括、但不限于”。而且，术语“联接(couple)”或者“联接(couples)”旨在表示间接的或者直接的连接。因此，如果第一装置联接到第二装置，则上述连接可以通过直接连接，或者通过经由其它装置和连接装置的间接连接而实现。
“流体”将表示液体(例如，原油或者汽油)或者气体(例如，甲烷)。
图1A是根据本发明实施例的超声流量计101的截面视图。适于放置在管道的各段之间的管段100是用于流量计101的壳体。管段100具有内部体积，该内部体积作为用于被测量流体的流动路径并且还具有限定出流量计中的测量区段的预定尺寸。流体可以以速度断面152沿着方向150流动。速度矢量153-158示意出：通过管段100流体的速率朝向中心增大。
一对换能器120和130位于管段100的周围上。换能器120和130分别由换能器端口125和135所容纳。换能器120和130的位置可由角度θ、在换能器120和130之间测量的第一长度L、相应于点140和145之间的轴向距离的第二长度X、以及相应于管道直径的第三长度D限定。在大多数情形中，距离D、X和L在流量计的制造期间就被精确地确定。而且，换能器(例如120和130)可分别被放置于距点140和145的特定距离处，而与流量计尺寸(即管段尺寸)无关。虽然换能器被示意为稍微地凹进，但是在替代性实施例中，换能器突出到管段中。
在换能器120和130之间相对于中心线105以角度θ存在有路径110，有时它被称为“弦”。“弦”110的长度L是换能器120的表面和换能器130的表面之间的距离。点140和145限定了由换能器120和130产生的声信号进入和离开流动通过管段100的流体的位置(即到管段孔的入口)。
换能器120和130优选地为超声收发器，这表明它们均产生和接收超声信号。“超声”在上下文中指的是高于大约20千赫的频率。为了产生超声信号，电激励压电元件，并且压电元件通过振动作出响应。压电元件的振动产生出横穿管段通过流体行进到达换能器对中的相应换能器的超声信号。类似地，当受到超声信号冲击时，接收的压电元件振动并且产生出电信号，利用与流量计相关联的电子器件探测、数字化和分析此电信号。起初，下游换能器120产生超声信号，然后该信号被上游换能器130接收。稍后，上游换能器130产生返回超声信号，随后该信号被下游换能器120接收。这样，换能器120和130沿着弦路径110、利用超声信号115进行“一发一收”操作。在操作期间，这种顺序每分钟可发生数千次。
超声信号115在换能器120和130之间的传送时间部分地取决于超声信号115相对于流体流是向上游或者向下游行进。向下游(即沿着与流动相同的方向)行进的超声信号的传送时间比当向上游(即与流动逆向)行进时的超声信号的传送时间要短。上游和下游传送时间可被用于计算沿着信号路径的平均流速，并且也可被用于计算流体中的声速。已知载有流体的流量计的截面面积并且采用速度断面的形状，则可利用在流量计孔的区域上分布的平均流速来确定流动通过流量计101的流体的量。
超声流量计可具有相应于一条或者多条路径的一对或者多对换能器。图1B是具有直径D的管段的端面视图。在这些实施例中，管段100包括在通过流体流的不同水平面处的四条弦路径M、N、O和P。每一条弦路径M-P都相应于交替地用作发射器和接收器的两个换能器。还示出控制电子器件160，它从四条弦路径M-P获取并且处理数据。相应于弦路径M-P的四对换能器在图1B中被隐藏起来。
通过参考图1C可以进一步理解四对换能器的准确布置情况。在一些实施例中，四对换能器端口被安装在管段100上。每一对换能器端口都相应于图1B中的单独的一条弦路径。第一对换能器端口125和135容纳换能器120和130(图1A)。换能器被以相对于管段100的中心线105的非垂直角度θ安装。另一对换能器端口165和175(仅仅部分地示出)容纳相关联的换能器，从而使得弦路径相对于换能器端口125和135的弦路径大致形成一个“X”。类似地，换能器端口185和195可以平行于换能器端口165和175放置，但是是在不同“水平面”(即在管段中的不同高度)处。未在图1C中清楚示出的是第四对换能器和换能器端口。结合图1B和1C，这些换能器对被布置成使得上方的两对换能器相应于弦M和N，并且下方的两对换能器相应于弦O和P。可确定在每一条弦M-P处的流体的流速，从而获得弦流速，并且将这些弦流速相结合起来，用以确定在整个管道上的平均流速。虽然四对换能器被示为形成一个X形状，但是可以有多于或者少于四对的换能器。而且，换能器可位于相同平面中或者呈某种其它的构造。
图2示意出联接到和/或位于换能器端口(例如，图1的165、175)中的组件200。特别地，组件200包括在其远端205上具有连接器204的线束202。线束202，并且尤其是连接器204，利用保持螺母206和换能器壳体208而联接到换能器端口(在图2中未示出)。换能器组件210通过保持螺母206中的孔隙而电联接到线束202的连接器204，并且因此电联接于流量计的电子器件。换能器组件210叠缩到换能器壳体208中并且至少部分地被保持螺母206保持到位。当换能器组件210和换能器壳体208相接合起来时，换能器组件210的压电元件214以声学方式联接到匹配层212。依次讨论换能器壳体208和换能器组件210中的每一个。
图3示出根据本发明实施例的换能器壳体208的透视截面视图。壳体208包括近端318、远端302以及内部体积310。远端318至少部分地被声匹配层212闭塞。声匹配层212密封远端302，并且声匹配层212的外侧314暴露于流动通过管段/流量计(图1A-C)的流体。在换能器壳体208的外径上的螺纹306允许壳体208被联接到管段(图1A-C)，并且O形环308将壳体208密封到换能器端口(图1A-C)。在替代性实施例中，换能器壳体208被焊接到管段的换能器端口(图1A-C)。
在一些实施例中，换能器壳体208是金属(例如低碳不锈钢)。在替代性实施例中，可等同地采用能够承受流量计中的流体压力的任何材料(例如高密度塑料或者复合材料)。在一些实施例中，换能器壳体208的壁厚被选择为响应于在流量计中的流体和内部体积310之间的压力差而稍微地压缩。换能器壳体208的壁的这种压缩在这些实施例中有助于将声匹配层212保持到位。例如，在声匹配层后面的壁稍微向内偏转，并且更小的内径为声匹配层提供支撑作用，以抵抗由于流量计中的流体压力而引起的侧向运动。而且，在将声匹配层212结合到换能器壳体208的过程中，壳体208受到拉伸(在壁材料的弹性极限内)，用以接收声匹配层212。
为了有助于将声匹配层212结合到换能器壳体208，在一些实施例中，声匹配层212围绕内侧312上的边缘具有弯月板304。图4示意出换能器壳体208的截面视图，它进一步示意了根据这些实施例的弯月板304。特别地，声匹配层212的弯月板304增加了换能器壳体的壁和声匹配层212之间的接触面积，但是优选地在声匹配层212的内侧312上留出足够的表面面积，从而允许换能器组件的压电元件(在图4中未示出)之间的声耦合。因此，换能器组件210提供用于弯月板304的空间，保证弯月板304并不影响压电元件与声匹配层212的联接。
声匹配层212的材料是选自下组中的一种或多种：玻璃；陶瓷；塑料；玻璃填充塑料；或者碳纤维填充塑料。虽然一些实施例使用100％的玻璃作为声匹配层，但是使用塑料的替代性实施例可具有30％或者更低的玻璃含量。与声匹配层的材料无关的是，声匹配层212提供压电元件214和流量计中的流体之间的声耦合。根据本发明的实施例，声匹配层的声阻抗介于压电元件214的声阻抗和流量计中流体的声阻抗之间。利用这种在压电元件的声阻抗和流量计中流体的声阻抗之间的声匹配层的声阻抗，超声信号的质量得到了提高(例如，更大的幅度和更快的上升时间)。玻璃是用于声匹配层的优选材料，这是因为它具有理想的声阻抗，以便提供优良的声耦合，同时足够坚固，以便承受流量计中的流体压力，从而使得压电元件可与流量计中的流体隔离开。作为比较，基本为不锈钢的声匹配层的声阻抗高于压电元件的声阻抗，并且因此提供较差的声耦合。在一些实施例中，声匹配层212的声阻抗在大约1和大约30兆瑞利(MRayl)之间；或者可替代地，声阻抗在大约10和大约15兆瑞利之间。
当换能器组件210被插入换能器壳体208中时，换能器组件210的压电元件214(图2)抵靠于声匹配层212的内侧312。为了提供优良的声耦合，声匹配层212的内部表面312和外部表面314是基本平坦的并且基本相互平行。在一些实施例中，这些表面的平坦度在0.001英寸内或者更好，并且平行度在0.003英寸内或者更好。另外，换能器组件210被定位成：压电元件214相对于声匹配层212居中。具有如在这里讨论的声匹配层的换能器壳体208可以由Dash ConnectorTechnology of Spokane Washington公司制造并且从此公司购买。
声匹配层212具有一定厚度(沿着与换能器壳体208的其余部分共用的轴线)，该厚度在一些实施例中大致等于由压电元件214产生的声音的波长的四分之一的奇数倍(1/4、3/4、5/4、7/4倍等)。例如，考虑在1MHz的频率下操作的压电元件214以及具有5000m/s的声速的声匹配层212。在声匹配层中的声音的波长为大致0.197英寸。在这些实施例中，声匹配层可为0.049；0.148：0.246、0.344等英寸厚。较薄的声匹配层表现较好的声学性能，但是使声匹配层较厚使得换能器壳体208能够承受较高压力。选取最佳匹配层厚度包括选择能够承受在流量计中可期望的最高压力的最薄的匹配层。
为了降低电噪并且使得驱动电压加倍，经常期望以差分方式电连接压电元件(在下面讨论)，这意味着压电元件抵靠于声匹配层的部分可具有导电涂层。如果声匹配层是金属的，则将薄的电绝缘体用于金属和压电元件214之间，用于电绝缘。为了解决上述问题，在一些实施例中，声匹配层212为电绝缘体，因此降低了或者消除了对于另外的电绝缘的需要。
现在转到集成好的换能器组件210。图5示意出根据本发明实施例的换能器组件210的透视图。换能器组件210包括具有沿其伸长方向的轴线505的细长壳体501，在一些实施例中，细长壳体501包括第一部分500和第二部分502，每一个部分均具有公共轴线505。在这些实施例中，第二部分502以可伸缩方式联接到第一部分500，从而使得第一部分500和第二部分502可以沿着轴向方向彼此相对移动。而且，细长壳体501可以具有柱形形状，但是也可等同地采用其它形状。
在细长壳体501包括第一部分500和第二部分502的实施例中，第二部分502在压电晶体或者远端518处的外径与第一部分500的外径基本相同。然而，第二部分502还包括减小的直径部分520，该直径部分叠缩到第一部分500的内径中，并且因此具有稍小于第一部分500的内径的外径。在一些实施例中，第一部分和第二部分500和502的相接合的长度大致等于该外径，但是可以等同地采用更长和更短的接合长度。细长壳体501的外径稍小于换能器壳体208的内径，这便于保证准确地知道压电元件的位置。
根据一些实施例，第二部分502由塑料(例如，Ultem1000)制成。在这些实施例中，第二部分502的轴向长度降低(与第一部分500的轴向长度相比，其中第一部分优选地为金属的)，这是因为较短的长度降低了制造成本，而且当由塑料材料制成时，第二部分502易于吸收水分并且膨胀。第二部分502的膨胀是容许的，并且降低第二部分502的轴向长度使得能够将换能器组件210从换能器壳体208移除，而与膨胀无关。
第一部分和第二部分500和502的相对旋转运动以及轴向位移受到了通过第一部分500中的孔隙504、从第二部分502径向延伸的插脚506的限制。在一些实施例中，使用了三个这样的插脚和孔隙组合，但是可以等同地使用少至一个的和多于三个的插脚和孔隙组合。或者，第二部分502可被设计成具有与孔隙504相互作用的凸起部，它作为第二部分502的一体部分。
当压电元件214联接到并且至少部分地闭塞细长壳体501的第一端部503时，电插脚保持器508联接到并且至少部分地闭塞细长壳体501的第二端部509。细长壳体501的第一部分500可包括连接键514，连接键保证集成好的换能器组件被适当地定向，以便于联接连接器204的键槽。电插脚保持器508可以包括接合连接键514的狭槽515，从而防止电插脚保持器508在细长壳体501中旋转。另外，电插脚保持器508还可包括防旋转狭槽516，该防旋转狭槽与换能器壳体208上的突片结合，防止集成好的换能器组件210在换能器壳体208中旋转。细长壳体501的第二端部509具有与插脚保持器508的小外径滑动配合的内径。插脚保持器508可以理想地由Ultem1000制成，但是也可以使用任何坚固的非导电材料。
图6示意出换能器组件210的透视截面视图。在至少一些实施例中，压电元件214与换能器壳体208电绝缘，并且因此至少第二部分502由如上所述的坚固的非导电材料制成。细长壳体501的内径和压电元件214的外径被选择成：使得在换能器组件210和换能器壳体208之间存在一定空间，换能器组件210被插入该空间中。该空间为用于声匹配层的弯月板304(图3和4)的间隙提供地方。该空间也为可在插入换能器壳体208中之前施加到压电元件214的外表面的过多的油或者油脂提供地方，以便改进压电元件214和声匹配层212的声耦合。
在细长壳体501中的台肩600抵靠于压电元件214，以阻止压电元件的轴向运动，例如当换能器组件210被安装在换能器壳体208中时施加的作用力而引起的轴向运动。在压电元件214后面的体积包括后匹配层602(例如，环氧树脂、粉末填充环氧树脂、橡胶、粉末填充橡胶)，并且用于多种目的。例如，后匹配层将压电元件214以及联结到压电元件214的一条或者多条导线联接到细长壳体501。特别地，后匹配层的质量通过降低声学信号的振鸣(ringing)并且增加声学信号的带宽而改进了压电元件214的声学输出。在一些实施例中，后匹配层的长度(沿着细长壳体的轴线测量到的)被选择成：使得超声信号在匹配层602中的往返行进时间以比所接收信号的测量的时间更长的时间发生。例如，如果采用在所接收信号中的第四零交点作为测量点，则往返行进时间将优选地长于压电元件中心操作频率下的两个周期的时间。或者，在压电元件中心操作频率下，后匹配层602的长度为后匹配层中的声音的大约1个到大约9个波长。这种适当长度保证了在超声流量计的信号传送计时中，任何反射的声学信号都不到达压电元件。
进一步考虑包括第一部分500和第二部分502的细长壳体501，第二部分502的减小的直径部分520包括台肩608。该台肩足够得小，允许导线通过其中的孔隙，并且允许用于注入后匹配层602的开口。后匹配层可以利用具有小塑料尖端的注射器来注入。在该台肩608的端部上设置了斜面，以保证不会形成将损伤导线的任何锐利边缘。台肩608在这样一个位置，当偏压第二部分502时，偏压机构(在下面讨论)可以在这个位置上推动。
在细长壳体501包括允许相互间轴向移动的第一部分500和第二部分502的实施例中，换能器组件210包括偏压机构，例如弹簧610。偏压机构沿着公共轴线X偏压第一部分500和第二部分502，使其相互远离。偏压机构偏压第一部分500和第二部分502相互远离的作用力在一些实施例中为大约4磅到大约12磅。在替代性实施例中，偏压机构可以是提供偏压力的任何机构，例如垫圈、橡胶片，或者是弹簧、垫圈和/或橡胶片的组合。
在组装期间，弹簧610被稍微地顶靠台肩618压缩，并且至少一个插脚(部分地示于506处)和孔隙(图5)的组合限制第二部分502在第一部分500中的轴向运动和旋转运动。一旦换能器组件210被安装好，则换能器壳体208、保持螺母206(图2)进一步压缩弹簧610。该压缩作用补偿了所组装部件的公差，保证压电元件214的外侧与声匹配层212的内侧312形成良好接触(图4)。一旦连接器204(图2)被组装好，则弹簧610可被进一步压缩。一旦连接器204到位，则弹力可具有4.9磅的量级。在替代性实施例中，连接器204不必需在弹簧上施加进一步的压缩力。在细长壳体501为单个结构的实施例中，用于保证在压电元件214和声匹配层212之间的良好联接作用(图4)的作用力可由保持螺母206(图2)和/或连接器204(图2)来提供。
插脚保持器508以所期望间隔和暴露的长度保持两个连接插脚610和612。这些插脚与连接器204配合，从而提供换能器组件与流量计电子器件的电连接。电插脚610借助于延伸通过细长壳体501的内部的第一导线611而联接到压电元件214。类似地，第二插脚612借助于也延伸通过壳体501的内部的第二导线613而联接到压电元件214。在一些实施例中，具有PTFE绝缘层的多股铜导线被用于导线611、613，但是也可等同地使用其它类型的导线。为了将导线611和613保持到位，以及将可能存在的电阻器614(在下面讨论)和电插脚保持器508保持到位，粘结剂609(例如环氧树脂)被插入环氧树脂填充口612中。在一些实施例中，连接插脚610和612是耐用的镀金铜插脚，该插脚具有焊接凹部，但是也可等同地使用其它插脚。采用了两种不同颜色的导线绝缘层，用于保证在制造期间压电晶体表面的正确极性，并且壳体上的连接键与连接插脚的定向得以保持。导线在组装期间被扭绞起来，以保证在导线中任何感应的电信号都被平衡掉，以避免在测量周期期间这种电信号干扰晶体脉冲。
在插脚610和612之间联接了一个一兆欧姆的电阻器614，这样联接了压电晶体的两个电极电镀表面(在下面讨论)。该电阻器614提供低频率下的短路，用以释放由输送或者安装期间的机械冲击或者温度变化而产生的任何电能。在较高的换能器操作频率(约1MHz)下，电阻器614实际上对于被发送到或者由压电晶体产生的电信号没有任何影响。该电阻器的一根引线被绝缘管绝缘，从而避免了在制造期间引线与壳体的短路。替代性的换能器设计可包括位于集成好的换能器组件中的另外的电子器件(例如，感应器、放大器、开关、稳压二极管，或者电容器)。可以单独地或者相组合地使用这些器件。
图7A和7B示意出根据本发明实施例的与压电元件214的电联接情况。在一些实施例中，压电元件214是压电晶体，例如PZT-5A或者其它类似材料。压电晶体的厚度和直径控制着所发射的超声信号的频率。外侧700是压电元件214的联接到声匹配层的一侧(图3和4)。压电元件的外侧700和内侧702至少部分地电镀有银或者其它金属，以形成电极表面。在外侧700上的电镀层的一个部分704围绕压电晶体的周边延伸到内侧702。外侧700(包括部分704)的电镀层和内侧702的电镀层由不具有电镀层的区域706电绝缘开。以此方式进行电镀使得能够将导线611和613都联接到压电元件214的内侧702。所示出的这种电镀层布置允许外侧700是平坦的，以便与声匹配层形成良好接触。或者，一根导线可围绕压电元件延伸并且联接到外侧700。在这些实施例中，壳体501(图5和6)的一部分具有凹口，以便允许导线通过。而且，在其中一根导线直接地联接到外表面700的这些实施例中，声匹配层214具有凹口，用以容纳导线。在又一实施例中，第一导线联接到压电元件的内侧702，并且第二导线联接到压电元件的周边或者边缘。
这种换能器组件210设计极大简化了换能器组件的安装和更换，尤其是在条件(闪电、天气等)不够理想的管线设施处的安装和更换。参考图8中的流程图，在各种实施例中，更换这种换能器组件的方法800包括以下步骤：断开将超声流量计的电子器件(图1A-C)电联接到换能器组件210的连接线束(方框802)。如果使用了的话，则偏压机构被脱离接合(方框803)，例如通过松开并且移除螺母206(图2)。此后，换能器组件804作为单独单元而被从换能器壳体208移除(方框804)。更换的换能器组件同样作为单独单元而被插入换能器壳体(方框806)中。在一些实施例中，例如通过安装保持螺母206而接合偏压机构(方框807)。最后，重新连接线束(方框808)。
虽然已经示出和描述了本发明的各个实施例，但是本领域技术人员可以对其作出改进，而不会背离本发明的精神或者教导。在这里描述的实施例仅仅是示例性的而非限制性的。因此，保护范围不限于在这里描述的实施例，而是仅由随后的权利要求限制，权利要求的范围应当包括权利要求主题的所有等同物。
Claims (16)
1.一种换能器壳体，包括：
具有近端、远端和内部体积的壳体，所述壳体联接于超声流量计的管段；
和声匹配层，其从所述内部体积流体地密封所述远端，其中壳体被构造成：压电元件能够插入所述内部体积中并且能够从所述内部体积移除，而同时壳体联接于管段；
其中，声匹配层具有介于压电元件的声阻抗和超声流量计内的流体的声阻抗之间的声阻抗。
2.根据权利要求1的换能器壳体，其中壳体还包括位于外径上的螺纹，并且其中壳体借助于所述螺纹而联接于管段。
3.根据权利要求1的换能器壳体，声匹配层的厚度等于压电元件所产生的声音的四分之一波长的奇数倍。
4.根据权利要求1的换能器壳体，其中声匹配层具有从1兆瑞利到30兆瑞利的声阻抗。
5.根据权利要求1的换能器壳体，其中声匹配层是从下列组中选出的一个或多个：玻璃；陶瓷；和塑料。
6.根据权利要求1的换能器壳体，其中声匹配层的内侧和外侧是平行的。
7.根据权利要求1的换能器壳体，其中声匹配层的外侧和内侧的平行度在0.003英寸内。
8.根据权利要求1的换能器壳体，其中声匹配层的外侧和内侧是平坦的。
9.根据权利要求8的换能器壳体，其中声匹配层的外侧和内侧的平坦度在0.001英寸内。
10.一种超声流量计，包括：
具有用于所测量流体的内部流动路径的管段；和
能够与管段成操作关系的换能器壳体，该换能器壳体包括：
处于大气压力下的内部体积；和
将所述内部体积与所测量流体分离开的声匹配层，其中声匹配层具有介于压电晶体的声阻抗和所测量流体的声阻抗之间的声阻抗，
其中，换能器壳体被构造成：压电元件被选择性地插入所述内部体积，或者被从所述内部体积移除，而同时换能器壳体保持能够与管段成操作关系。
11.根据权利要求10的超声流量计，还包括：
能够与管段成操作关系的换能器端口；
其中换能器壳体借助于螺纹联接而联接于换能器端口。
12.根据权利要求10的超声流量计，其中声匹配层为从下列组中选出的一个或多个：玻璃；陶瓷；和塑料。
13.根据权利要求10的超声流量计，其中声匹配层的外侧和内侧是平行的。
14.根据权利要求10的超声流量计，其中声匹配层的外侧和内侧是平坦的。
15.根据权利要求10的超声流量计，还包括抵靠于声匹配层的内侧的压电元件。
16.根据权利要求10的超声流量计，还包括将所述压电元件朝向声匹配层偏压的偏压机构。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4297607A (en) * | 1980-04-25 | 1981-10-27 | Panametrics, Inc. | Sealed, matched piezoelectric transducer |
| US5329821A (en) * | 1992-05-08 | 1994-07-19 | Nusonics, Inc. | Autoranging sonic flowmeter |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4297607A (en) * | 1980-04-25 | 1981-10-27 | Panametrics, Inc. | Sealed, matched piezoelectric transducer |
| US5329821A (en) * | 1992-05-08 | 1994-07-19 | Nusonics, Inc. | Autoranging sonic flowmeter |
| US6508133B1 (en) * | 1995-12-13 | 2003-01-21 | Matsushita Electric Industrial Co. Ltd. | Ultrasonic flowmeter and ultrasonic generator/detector |
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