CN102368041B - 超声波流量计传感器组件的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超声波流量计传感器组件的方法和系统。示例性实施例中的至少一些实施例是包括如下部件的系统：筒管零件，其限定外表面、中央通道和从该外表面延伸到该中央通道的传感器端口；以及传感器组件，其耦合到该传感器端口。该传感器组件包括：过渡元件，其耦合到该筒管零件，该过渡元件具有布置在传感器端口内的第一端和位于该外表面外部的第二端；具有压电元件的压电模块，该压电模块直接耦合到过渡元件的第一端并且该压电模块布置在该外表面内；变换器模块，其中布置有变换器，该变换器模块直接耦合到过渡元件的第二端并且该变换器模块布置在该外表面外部；以及电导体，其布置在通过该过渡元件的通道内，该电导体将变换器耦合到压电元件。
Description
背景技术
在将碳氢化合物从地下提取出来后，流体流(例如，原油、天然气)经由管线从一个地方传输到另一个地方。期望精确地获知在管线中流动的流体的量，并且当流体转手或“密闭输送”时要求特定的精度。超声波流量计可用于测量在管线中流动的流体的量，并且超声波流量计具有足以在密闭输送中使用的精度。在大容积天然气管线中，在一天中，气体在密闭输送点处的“转手”价值可总计达一百万美元或更多。为此，制造商尝试制造如下超声波仪表，该超声波仪表不仅非常精确，而且就故障之间的平均时间较长而言也是可靠的。
因而，增加超声波仪表的可靠性和/或减少超声波仪表发生故障之后的检修和修理时间的任何进步将在市场中提供竞争优势。
发明内容
本发明涉及一种超声波流量计，所述超声波流量计包括：卷筒零件，所述卷筒零件限定外表面、中央通道和传感器端口，所述传感器端口从所述外表面延伸到所述中央通道；传感器组件，所述传感器组件耦合到所述传感器端口。所述传感器组件包括：过渡元件，所述过渡元件耦合到所述卷筒零件，所述过渡元件具有布置在所述传感器端口内的第一端和位于所述外表面外部的第二端；压电模块，所述压电模块具有压电元件，所述压电模块直接耦合到所述过渡元件的所述第一端并且所述压电模块布置在所述外表面内；变换器模块，在所述变换器模块中布置有变换器，所述变换器模块直接耦合到所述过渡元件的所述第二端并且所述变换器模块布置在所述外表面外部；以及电导体，所述电导体布置在通过所述过渡元件的通道内，所述电导体将所述变换器耦合到所述压电元件。
本发明另外涉及一种传感器组件，所述传感器组件包括：耦合构件、压电模块、变换器模块和电导体。所述耦合构件包括：第一端，所述第一端具有第一埋头孔；第二端，所述第二端与所述第一端相对，所述第二端具有第二埋头孔；第一电针，所述第一电针布置在所述第一埋头孔内；第二电针，所述第二电针布置在所述第二埋头孔内，所述第二电针电耦合到所述第一电针；以及凸缘部，所述凸缘部布置在所述第一端与所述第二端之间，所述凸缘部构造为将所述传感器组件耦合到超声波仪表的筒管零件的外表面，所述凸缘部限定垂直于所述耦合构件的中心轴线的平面。所述压电模块具有压电元件，所述压电模块至少部分地布置在所述第一埋头孔内，并且所述压电模块整个位于所述平面的第一侧上。在所述变换器模块中布置有变换器，所述变换器模块至少部分地布置在所述第二埋头孔内，并且所述变换器模块整个位于所述平面的与所述第一侧相对的第二侧上。所述电导体布置在通过所述耦合构件的通道内，所述电导体将所述变换器耦合到所述压电元件。
本发明还涉及一种超声波流量计，所述超声波流量计包括：用于容纳流动的受测流体的装置；传感器组件。所述传感器组件包括：用于耦合的装置，将所述传感器组件耦合到所述用于容纳的装置；用于产生声能的装置，所述用于产生的装置耦合到所述用于耦合的装置；用于封装用于阻抗匹配的装置的装置，所述用于封装的装置直接耦合到所述用于耦合的装置，并且所述用于阻抗匹配的装置电耦合到所述用于产生的装置；所述用于耦合的装置设计并构造为使得所述用于封装的装置位于所述用于容纳的装置的外表面外部。
本发明又涉及一种用于置换耦合到超声波流量计的传感器端口的传感器组件的变换器的方法，包括：将电缆与所述传感器组件断开；将包含第一变换器的第一变换器封壳从所述传感器组件移除，所述移除没有移除压电元件，并且所述移除没有使所述超声波仪表内的流体通过所述传感器端口释放到大气；将包含第二变换器的第二变换器封壳插入成与所述传感器组件形成操作关系；以及将所述电缆连接到所述传感器组件。
附图说明
现在将参照附图对示例性实施例进行详细描述，在附图中：
图1示出了根据至少一些实施例的超声波仪表；
图2示出了根据至少一些实施例的超声波流量计的横截面俯视图，其中图2大致沿图1的线2-2截取；
图3示出了根据至少一些实施例的端部正视图；
图4示出了根据至少一些实施例的局部俯视图；
图5示出了根据至少一些实施例的筒管零件的透视图；
图6示出了根据至少一些实施例的传感器组件的横截面正视图；
图7示出了根据至少一些实施例的压电模块的横截面正视图；
图8示出了根据至少一些实施例的耦合构件的横截面正视图；
图9示出了根据至少一些实施例的传感器保持构件和传感器模块的分解横截面正视图；
图10示出了根据至少一些实施例的传感器组件以及敷设电缆的分解视图；
图11示出了根据至少一些实施例的传感器端口中的传感器组件的横截面俯视图；以及
图12示出了根据至少一些实施例的方法。
符号和术语
遍及下文的描述和权利要求使用特定术语来指示具体的系统部件。如本领域中的技术人员将认识的，超声波仪表制造公司可用不同的名称来指示某部件。此文献无意对名称不同而非功能不同的部件进行区分。
在下文的讨论中以及在权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放式的方式使用，因而应理解为意指“包括，但不限于...”。此外，术语“耦合”或“连接”意欲指示间接或直接的连接。因而，如果第一装置耦合到第二装置，则该连接可通过直接连接或者通过经由其它装置和连接件的间接连接。
具体实施方式
下文的讨论涉及本发明的多个实施例。尽管这些实施例中的一个或多个可能是优选的，但是所公开的实施例不应被解释为或以其它方式用作限制包括权利要求在内的本公开的范围。此外，本领域中的技术人员将理解的是下文的描述具有广泛的应用，并且任何实施例的讨论仅意味着此实施例是示例性的，而无意暗示包括权利要求在内的本公开的保护范围受限于此实施例。
图1示出了根据至少一些实施例的超声波仪表100。具体地，该超声波仪表包括限定中央通道104的仪表本体或筒管零件102。筒管零件102设计并构造为耦合到承载流体的管线，使得在该管线中流动的流体同样行进通过中央通道104。当流体行进通过中央通道104时，超声波仪表100测量流量(因此，流体可称为受测流体)。图1中的示例性筒管零件102构造为通过法兰106耦合到管线(未示出)；然而，用以将筒管零件102耦合到管线的任何合适的系统都可等效地使用(例如，焊接连接)。
为了测量仪表内的流体流量，超声波仪表100使用多个传感器组件。在图1的视图中，五个这样的传感器组件108、110、112、116和120处在全视图或部分视图中。传感器组件是成对的(例如，传感器组件108和110)，如将在下文更多地讨论的。此外，每个传感器组件电耦合到示例性地容纳在外壳124中的电子控制器件。更具体地，每个传感器组件通过各自的电缆126耦合到外壳124中的电子控制器件。
图2示出了大致沿图1的线2-2截取的超声波流量计100的横截面俯视图。筒管零件102具有预定尺寸并且限定了中央通道104，受测流体流过该中央通道104。一对示例性的传感器组件112和114沿筒管零件102的长度定位。传感器112和114是声收发器，并且更具体地是超声波收发器，意指它们既产生又接收具有大约20千赫兹以上的频率的声信号。声信号可由每个传感器中的压电元件产生和接收。为了产生超声波信号，通过正弦信号对压电元件进行电激励，并且压电元件通过振动来响应。压电元件的振动产生声信号，该声信号行进通过受测流体至该对对应的传感器组件。类似地，在受到声信号冲击时，接收压电元件振动并且产生正弦电信号，该电信号由与仪表关联的电子器件进行检测、数字化和分析。
有时称为“弦”的路径200相对于中心线202成角度θ地存在于示例性的传感器组件112与114之间。弦200的长度是传感器组件112的面与传感器组件114的面之间的距离。点204和206限定了由传感器组件112和114产生的声信号进入和离开流过筒管零件102的流体的位置(即，至筒管零件孔的入口)。传感器组件112和114的位置可由角度θ、由在传感器组件112与114的面之间测量的第一长度L、对应于点204与206之间的轴向距离的第二长度X以及对应于管内径的第三长度“d”来限定。在大部分情形下，距离d、X和L在流量计制造期间被精确地确定。诸如天然气的受测流体在方向208上以速度分布210流动。速度向量212、214、216和218图示了：通过筒管零件102的气体速度朝着筒管零件102的中心线202增加。
最初，下游传感器组件112产生超声波信号，该超声波信号入射到上游传感器组件114上并因而被上游传感器组件114检测到。一段时间之后，上游传感器组件114产生返回超声波信号，该返回超声波信号随后入射到下游传感器组件112上并且被下游传感器组件112检测到。因而，传感器组件沿弦路径200对超声波信号220进行“投和接”。在运行期间，此顺序可每分钟出现成千上万次。
超声波信号220在示例性传感器组件112与114之间的传播时间部分地取决于超声波信号220相对于流体流向上游还是向下游行进。向下游(即，在与流体流相同的方向上)行进的超声波信号的传播时间小于超声波信号向上游(即，逆着流体流)行进时的传播时间。上游和下游传播时间能够用于计算沿信号路径的平均速度以及声音在受测流体中的速度。给定承载流体的仪表的横截面量度，则中央通道的面积上的平均速度可用于求出流过筒管零件102的流体的体积。
超声波流量计能够具有一个或多个弦。图3图示了超声波流量计100的端部正视图。具体地，示例性超声波流量计100包括位于筒管零件102内的不同的水平面处的四个弦路径A、B、C和D。每个弦路径A-D对应于交替用作发射器和接收器的传感器对。传感器组件108和110(仅部分可见)组成弦路径A。传感器组件112和114(仅部分可见)组成弦路径B。传感器组件116和118(仅部分可见)组成弦路径C。最后，传感器组件120和122(仅部分可见)组成弦路径D。
就图4而言示出了四对传感器的布置，该图4示出了俯视图。每个传感器对对应于图3的单一弦路径；然而，传感器组件安装在中心线202的非垂直角度处。例如，第一对传感器组件108和110安装在筒管零件102的中心线202的非垂直角度θ处。另一对传感器组件112和114安装为使得该弦路径相对于传感器组件108和110的弦路径松散地形成“X”的形状。类似地，传感器组件116和118被放置成平行于传感器组件108和110，但在不同的“水平面”或高度处。第四对传感器组件(即，传感器组件120和122)未明确地在图4中示出。考虑图2、图3和图4，传感器对布置为使得对应于弦A和B的上部两对传感器形成“X”的形状，且对应于弦C和D的下部的两对传感器也形成“X”的形状。流体的流速可在每个弦A-D处确定以获得弦流速，并将弦流速组合以确定整个管上的平均流速。根据该平均流速，可确定在筒管零件中流动的流体的量，并因而可确定在管线中流动的流体的量。
图5示出了传感器组件被移除的筒管零件102的透视图。具体地，筒管零件102限定了多个传感器端口。在图5的视图中，仅五个这样的传感器端口500、502、504、508和512处在全视图或部分视图中。与传感器组件类似，传感器端口是成对的。例如，传感器端口500与传感器端口502成对，等等。参照传感器端口504作为所有的传感器端口的示例，传感器端口504包括凸缘表面520。由示例性凸缘表面520的凸缘限定的平面垂直于由使用传感器端口504的传感器对限定的弦。如所示的，凸缘表面520包括多个螺纹孔522，传感器组件机械耦合到所述螺纹孔522。
仍参照传感器端口504作为所有传感器端口的示例，传感器端口504进一步包括流体耦合到筒管零件102的中央通道104的孔524。如所示的，该孔包括较大直径部526和较小直径部528，因而形成肩部530。在其它实施例中，孔524可在凸缘表面520与中央通道104之间具有单一内径或者两个或三个不同的内径。为了本说明书和权利要求的目的，并且就具体的传感器端口而言，将物理上位于由凸缘表面形成的平面与中央通道之间的孔内的物体(或物体的一部分)称为位于传感器端口内。同样地，就具体的传感器端口而言，将物理上位于由凸缘表面形成的平面与中央通道之间的孔内的容积之外(并且还位于中央通道外部)的物体(或物体的一部分)称为位于传感器端口外部或筒管零件102的外表面外部。说明书现在转向现有技术传感器组件的缺点。
特别容易发生故障的超声波流量计的部件是传感器组件，更具体地是传感器组件内的匹配变换器。匹配变换器执行电子控制器件与压电元件之间的电阻抗匹配，所述压电元件产生并检测声能。因为压电元件容易受到由阻抗匹配变换器与压电元件之间的敷设电缆的长度导致的电容性负载的影响，所以现有技术的阻抗匹配变换器被放置成邻近压电元件并且在传感器端口内。尽管阻抗匹配变换器可以某一形式(例如，通过密封剂)保护，但是使阻抗匹配变换器在传感器端口内将使阻抗匹配变换器暴露于许多不希望的环境。例如，阻抗匹配变换器在传感器端口内可能经历非常高和/或非常低的温度(超过环境温度波动)。温度变化导致热膨胀和收缩，该热膨胀和收缩在变换器上产生机械应力(内部地，以及由周围密封剂的膨胀和收缩导致的应力)。此外，仪表内的压力可能达到几百磅/平方英寸(PSI)或以上，和/或仪表内的压力可能经历大的压力波动(例如，从使用到不使用状态)。再次，压力的变化导致对阻抗匹配变换器以及周围密封剂施加机械应力的膨胀和收缩。此外，受测流体本身可能对组成变换器的材料以及密封剂本身产生腐蚀。而且，将阻抗匹配变换器放置成邻近压电元件决定了阻抗匹配变换器的小物理尺寸。例如，如果阻抗匹配变换器位于传感器端口内，则该传感器端口的孔的内径决定了变换器的尺寸。
本说明书的发明人已确定阻抗匹配变换器能够从压电元件移动相对短的距离，而不严重地降低压电元件的性能，然而在传感器组件的可靠性上获得显著的收益，从而提高检修故障传感器组件的能力并且减少修理故障传感器组件的维修时间。具体地，本说明书的发明人已发现，将阻抗匹配变换器移到由传感器组件产生的压力壁垒外部以及传感器端口外部，导致：由阻抗匹配变换器导致的传感器组件的故障之间的平均时间增加了；减少检修由阻抗匹配变换器故障导致的传感器组件的故障所需的时间量；并且减少修理由阻抗匹配变换器的故障导致的传感器故障所需的时间量。
更具体地，使用产生大约125千赫兹频率的声能的传感器组件的超声波流量计(即，受测流体是气体的超声波流量计)，压电元件具有大约1到2千欧姆的阻抗，并且驱动/接收电路具有大约30欧姆的阻抗。通过比较，产生400千赫兹到1兆赫兹范围内的频率的超声波流量计(即，受测流体是液体的超声波流量计)在许多情形下不需在电子控制器件与压电元件之间匹配变换器。发明人已发现阻抗匹配变换器能够放置在两英尺或更小的压电元件内而不严重降低性能。在具体实施例中，阻抗匹配变换器被放置在六英寸的压电元件内。将变换器物理上放置成远离压电元件不仅消除了变换器与加工室内的压力、温度和可能腐蚀的气体的可能接触，而且将变换器放置在传感器端口外部。说明书现在转向示例性传感器组件。
图6示出了根据至少一些实施例的传感器组件600的横截面视图。传感器组件600是传感器组件108、110、112、114、116、118、120和122中的示例性的任一个。具体地，示例性传感器组件600可被认为包括四个主要部件(在图6中从上到下)：压电封壳(capsule)或模块602(参照图7讨论)；耦合构件604(参照图8讨论)；变换器封壳或模块606(参照图9讨论)；以及变换器模块保持构件608(也参照图9讨论)。将依次对每一个部件进行讨论。
图7示出了根据多个实施例的压电模块602的横截面视图。具体地，压电模块602包括布置在声阻抗匹配材料702内的压电元件700。阻抗匹配材料702具有在压电元件700与受测流体的声阻抗之间的声阻抗，并且在具体实施例中，阻抗匹配材料702是环氧树脂。在该示例性实施例中，压电元件700布置在具有开口端706的柱形外壳704内。在一些实施例中，柱形外壳704是金属的，但其它形状和材料也可等效地使用。压电模块602进一步包括构造为套入(telescope)在耦合构件604的埋头孔内的插头部708。在图示的实施例中，插头部708和柱形外壳704是通过螺纹710耦合在一起的分离元件。电导体712在一端上耦合到压电元件700，并在第二端上耦合到插头部708中的电针714。如所示的，使用两个电针714，并且电针714是示例性的阴性电针；然而，也可等效地使用阳性针以及不同类型的电连接件，诸如同轴式连接件。示例性电针714与插头部616通过绝缘构件716电绝缘，该绝缘构件716还可起作用将针714保持在适当的位置。最后，压电模块602具有或限定了中心轴线750。
参照图8，如所示的耦合构件604包括安装构件800以及过渡构件802。该安装构件限定了沿中心轴线806的圆孔804。过渡构件802套入在圆孔804内，如下文进一步讨论的。安装构件800进一步包括布置在安装构件800的中间部上的凸缘部808。凸缘部808构造为将传感器组件耦合到筒管零件102的外表面，并具体构造为将传感器组件耦合到各凸缘表面520(图5)。凸缘部808限定了垂直于该耦合构件的中心轴线806的平面。例如，凸缘表面810位于一平面内和/或限定该平面(在图8的视图中，该平面仅是直线，并因而图示为虚线812)。安装构件800进一步包括环形凹槽814，弹性体密封构件816(例如，O型环)可被放置在该环形凹槽814内。当耦合构件604安装在传感器端口504(图5)中时，弹性体密封构件816密封在环形凹槽814内并且抵靠孔524的内径，因而形成超声波流量计的中央通道104(图1)与环境大气之间的压力壁垒的一部分。在其它实施例中，安装构件800可通过任何合适的手段，诸如通过螺纹连接耦合到筒管零件。
过渡构件802布置在安装构件800的圆孔804内。具体地，过渡构件804在外径上具有螺纹820，所述螺纹820螺纹耦合到圆孔804的内径上的螺纹822。也可等效地使用用以将过渡构件802机械耦合到安装构件800的其它机构。此外过渡构件的外径包括一个或多个具有相应的弹性体密封构件的环形凹槽。在图8的图示中，与两个弹性体密封构件826一起，示出了两个这样的环形凹槽824；然而，根据超声波仪表内的预期最大压力可使用环形凹槽824和弹性体密封构件826每一个中的一个或多个。弹性体密封构件826密封在各环形凹槽824和圆孔804的内径内，因而形成中央通道104(图1)与环境大气之间的压力壁垒的至少一部分。
仍参照图8，过渡构件802进一步包括具有埋头孔832的第一端830(紧接压电模块)。压电模块602的插头部708(图7)套入在埋头孔832内，并且通过固定螺钉843至少部分地保持在适当的位置。如所示的，两个电针834位于埋头孔832内，并且电针布置为使得当插头部708套入在埋头孔832内时，电针834电耦合到电针714。尽管在示例性的图8中电针834是阳性针，但是在其它实施例中，也可等效地使用阴性针。电针834与过渡构件802的平衡部(balance)(在一些实施例中，它是金属的)电绝缘。
该示例性过渡构件802进一步包括至少一个，并且如所示的两个通道840。通道840从第一埋头孔832延伸到第二埋头孔842。至少一个电导体(未具体示出)位于每个通道840内，因而将第一埋头孔832中的针834电耦合到第二埋头孔842中的针844。根据各种实施例，通道840密封为使得仪表内的受测流体不能通过通道840逃逸到环境大气。根据至少一些实施例，形成在通道840内的密封是玻璃-金属密封(金属是过渡构件802的金属材料)；然而，任何合适的密封机构可等效使用。
仍参照图8，并且如参考通道840简短提及的，示例性过渡构件802包括第二端850(紧接变换器模块606)，埋头孔842位于该第二端850内。变换器模块606的一部分套入在埋头孔842内(下文进一步讨论)。此外，变换器保持模块套入在埋头孔842内，并且在一些实施例中，埋头孔842在埋头孔842的内径上包括螺纹852，使得变换器保持模块螺纹耦合到过渡构件802。如所示的，两个电针844位于埋头孔842内，并且电针布置为使得当变换器模块606套入在埋头孔842内时，电针844电耦合到变换器模块606的电针。尽管在示例性的图8中电针844是阳性针，但是在其它实施例中，也可等效地使用阴性针。电针844与金属的过渡构件802的平衡部电绝缘。过渡构件802的第二端850位于由凸缘部808限定的平面812的一侧上，而过渡构件802的第一端830位于平面812的另一侧上。
图9示出了变换器模块606和变换器模块保持构件608的横截面分解视图。具体地，变换器模块606包括限定了内部容积902的圆形外壳900。在一些实施例中，圆形外壳900是塑料的；然而，圆形外壳900可等效地由其它材料制成(例如，金属的)。阻抗匹配变换器904位于内部容积902内。阻抗匹配变换器904包括一级绕组和二级绕组，该一级绕组通过导体908电耦合到针906，而二级绕组通过导体912电耦合到针910。阻抗匹配变换器904在电子控制器件与压电元件700(图7)之间提供阻抗匹配。在一些实施例中，阻抗匹配变换器904通过非导电聚合材料(例如，环氧树脂)悬挂在内部容积902内。变换器组件606进一步包括插头部920，该插头部920套入在过渡构件802的埋头孔842(图8)内。变换器模块606的插头部920保持电针910。尽管图9的示例性实施例将电针910示出为阴性针，但是也可等效地使用阳性针。
仍参照图9，根据所示实施例，传感器组件600进一步包括变换器模块保持构件608，该变换器模块保持构件608设计并构造为将变换器模块606保持在适当的位置。如所示的，变换器模块保持构件608包括限定了内部容积932的圆形外壳930。在圆形外壳930的一端上包括螺纹934，所述螺纹934与过渡构件802的螺纹852(图8)螺纹接合。也可等效地使用用以将变换器模块保持构件608机械耦合到过渡构件802的其它机构。变换器模块保持构件608套入在变换器模块606之上，使得变换器模块606位于圆形外壳930的内部容积932内。肩部构件936朝着过渡构件802偏压变换器模块606。
此外根据至少一些实施例的变换器模块保持构件608在其远端上包括孔940，以使电针906暴露用以连接到敷设电缆。在一些实施例中，圆形外壳930的远端包括螺纹942，以使电缆的连接器能够机械耦合到变换器模块保持构件608，同时电耦合到变换器模块606的电针906。变换器模块保持构件608和变换器模块606中的每一个具有或限定了中心轴线960，使得当变换器模块保持构件608套入在变换器模块606之上时，保持构件608和模块606同轴。
如由图9的部件的示例性配置所示，在不干扰压力壁垒的情况下，变换器模块保持构件608可物理分离，并且变换器模块606可与传感器组件600的部件的平衡部物理分离和电分离。具体地，变换器模块保持构件608和变换器模块606的移除不干扰由弹性体密封构件816(图8)形成的密封或由弹性体密封构件826形成的密封。因而，变换器模块606能够在受测流体不逃逸到大气的情况下移除和置换，因而无需对超声波流量计的中央通道104降压。
示例性传感器组件600的部件中的每一个均具有或限定了中心轴线。具体地，压电模块602具有或限定了中心轴线750(图7)；耦合构件604的安装构件800和过渡构件802具有或限定了中心轴线806(图8)；而变换器模块保持构件608和变换器模块606具有或限定了中心轴线960(图9)。图10示出了传感器组件600以及敷设电缆1000的分解透视图，该图10示出了每个部件的中心轴线并且进一步传达了如何组装各种部件。具体地，图10是示出压电模块602、耦合构件604的一部分(具体地，过渡构件802)、变换器模块606和变换器保持模块608的分解透视图。图10进一步示出，根据至少一些实施例，当组装时，每个部件的中心轴线同轴。
图10示出了各种部件的其它特征。例如，过渡构件802的第一端830包括多个孔1002。所述孔可在内部加工有螺纹，使得固定螺钉可拧入其中，固定螺钉然后接触压电模块602，将压电模块602的插头部708保持在埋头孔832中。此外，过渡构件802可包括两个或多个平坦区域1006，所述平坦区域1006相对地布置在第二端850上，使得可使用工具来将过渡构件802耦合到安装构件800(在图10中未明确示出)。同样地，变换器模块保持构件608的远端部也可具有两个或多个平坦区域1008(在图10中仅一个此区域可见)，从而能够使用工具来帮助将变换器模块保持构件608耦合到过渡构件802。最后，变换器模块606具有布置在插头部920周围的弹性体密封构件1010，该弹性体密封构件1010抵靠插头部920和埋头孔842的内径形成密封；然而，如所讨论的，因为其它受测流体通过其它密封机构保持在仪表内，所以由弹性体密封构件1010形成的密封在使电连接件密封以抵抗来自环境大气的潮气侵入中可能是有用的。
图11示出了传感器端口内的传感器组件600的横截面正视图。传感器端口504是传感器端口500、502、508和512中的任一个的示例。具体地，耦合构件604的凸缘部808机械耦合到筒管零件102的外表面1100，具体地耦合到凸缘表面520。因而，过渡构件802的具有埋头孔832的近端或第一端830布置在传感器端口504内。另外说明的是，第一端830位于下述内部容积内，该内部容积由孔524限定并且在一端由中央通道104而在另一端由凸缘表面520界定。此外，过渡构件802的具有埋头孔的远端或第二端850位于外表面1100外部。随后从第二端850的位置知道变换器模块606同样位于外表面1100外部。
通过使变换器模块606位于外表面1100外部，变换器模块606以及其中的变换器仅经历与周围环境关联的温度波动(temperatureswing)。此外，在此布置中，变换器模块608没有暴露于预期在中央通道104内部的压力极值，并且没有暴露于受测流体的可能腐蚀的化合物。此外，变换器模块606的物理尺寸不受传感器端口504的孔524的内径限制。
传感器组件的设计和构造产生了一种置换故障变换器的方法，该方法相对于现有技术的装置是有利的。具体地，图12示出了根据至少一些实施例的方法。该方法开始(块1200)并且继续以置换耦合到超声波流量计的传感器端口的传感器组件的变换器(块1204)，该置换通过如下步骤进行：将电缆与传感器组件断开(块1208)；将包含第一变换器的第一变换器封壳从传感器组件移除，该移除没有移除压电元件，并且该移除没有使超声波仪表内的流体通过传感器端口释放到大气(1212)；将包含第二变换器的第二变换器封壳插入成与传感器组件形成操作关系(块1216)；然后将电缆连接到传感器组件(块1220)。此后，该方法结束(块1224)。
在使用变换器模块保持构件的实施例中，在断开电缆之后并且在移除第一变换器封壳之前，将套入在第一变换器封壳之上的变换器模块保持构件移除。同样地，在安装第二变换器封壳之后，将变换器模块保持构件套入在第二变换器封壳之上并耦合到耦合构件。
上文的讨论意欲说明本发明的原理和各种实施例。一旦完全理解上文的公开，则许多变形和修改对本领域中的技术人员将变得明显。例如，尽管在示例性实施例中，变换器模块保持构件将变换器模块保持在适当的位置，但是在其它实施例中，变换器模块本身可机械耦合到耦合构件，从而无需额外的保持构件(例如，模块直接螺纹耦合到耦合构件)。预期的是下文的权利要求应理解为包括所有这样的变形和修改。
Claims (20)
1.一种超声波流量计，包括：
筒管零件，所述筒管零件限定外表面、中央通道和传感器端口，所述传感器端口从所述外表面延伸到所述中央通道；
传感器组件，所述传感器组件耦合到所述传感器端口，所述传感器组件包括：
过渡元件，所述过渡元件耦合到所述筒管零件，所述过渡元件具有布置在所述传感器端口内的第一端和位于所述外表面外部的第二端；
压电模块，所述压电模块具有压电元件，所述压电模块直接耦合到所述过渡元件的所述第一端并且所述压电模块布置在所述外表面内；
变换器模块，在所述变换器模块中布置有变换器，所述变换器模块直接耦合到所述过渡元件的所述第二端并且所述变换器模块布置在所述外表面外部；以及
电导体，所述电导体布置在通过所述过渡元件的通道内，所述电导体将所述变换器耦合到所述压电元件。
2.根据权利要求1所述的超声波流量计，进一步包括：
安装元件，所述安装元件直接耦合到所述筒管零件，所述安装元件包括：
近端，所述近端布置在所述传感器端口内；
远端，所述远端位于所述外表面外部；
通孔，所述通孔从所述远端延伸到所述近端；以及
外表面，所述外表面被密封到所述筒管零件；
其中所述过渡元件至少部分地布置在所述安装元件的所述通孔内，并且所述过渡元件被密封到所述通孔的内径。
3.根据权利要求2所述的超声波流量计，其中所述变换器模块构造为：在所述安装元件被密封到所述筒管零件的同时，并且在所述过渡元件被密封到所述安装元件的同时，所述变换器模块能够从所述过渡元件移除。
4.根据权利要求1所述的超声波流量计，其中所述传感器组件在所述中央通道与环境压力之间形成压力壁垒，并且其中所述变换器模块构造为能够在不使所述中央通道通过所述传感器端口暴露于环境压力的情况下移除。
5.根据权利要求1所述的超声波流量计，其中所述传感器组件进一步包括限定内部容积的保持构件，所述保持构件套入在所述变换器模块之上，使得所述变换器模块位于所述内部容积内。
6.根据权利要求1所述的超声波流量计，进一步包括：
其中所述压电模块限定中心轴线；
其中所述变换器模块限定中心轴线；并且
其中所述压电模块和所述变换器模块是同轴的。
7.根据权利要求6所述的超声波流量计，进一步包括：
其中所述传感器端口限定中心轴线；并且
其中所述压电模块和所述传感器端口是同轴的。
8.一种传感器组件，所述传感器组件包括：
耦合构件，所述耦合构件包括：
第一端，所述第一端具有第一埋头孔；
第二端，所述第二端与所述第一端相对，所述第二端具有第二埋头孔；
第一电针，所述第一电针布置在所述第一埋头孔内；
第二电针，所述第二电针布置在所述第二埋头孔内，所述第二电针电耦合到所述第一电针；以及
凸缘部，所述凸缘部布置在所述第一端与所述第二端之间，所述凸缘部构造为将所述传感器组件耦合到超声波仪表的筒管零件的外表面，所述凸缘部限定垂直于所述耦合构件的中心轴线的平面；
压电模块，所述压电模块具有压电元件，所述压电模块至少部分地布置在所述第一埋头孔内，并且所述压电模块整个位于所述平面的第一侧上；
变换器模块，在所述变换器模块中布置有变换器，所述变换器模块至少部分地布置在所述第二埋头孔内，并且所述变换器模块整个位于所述平面的与所述第一侧相对的第二侧上；以及
电导体，所述电导体布置在通过所述耦合构件的通道内，所述电导体将所述变换器耦合到所述压电元件。
9.根据权利要求8所述的传感器组件，其中所述耦合构件进一步包括：
安装构件，所述安装构件限定沿所述中心轴线的圆孔，所述凸缘部布置在所述安装构件的外表面上；以及
过渡构件，所述过渡构件布置在所述圆孔内，所述过渡构件限定所述第一端、所述第一埋头孔、所述第二端和所述第二埋头孔；
其中所述过渡构件抵靠所述安装构件的所述圆孔的内径密封。
10.根据权利要求9所述的传感器组件，所述传感器组件进一步包括：
变换器模块保持构件，所述变换器模块保持构件套入在所述变换器模块之上，所述变换器模块保持构件包括：
近端，所述近端直接耦合到所述过渡构件的所述第二端；
远端，所述远端具有通过所述远端的孔，其中所述孔使耦合到所述变换器的第三电针暴露。
11.根据权利要求8所述的传感器组件，所述传感器组件进一步包括：
变换器模块保持构件，所述变换器模块保持构件套入在所述变换器模块之上，所述变换器模块保持构件包括：
近端，所述近端直接耦合到所述耦合构件；
远端，所述远端具有通过所述远端的孔，其中所述孔使耦合到所述变换器的第三电针暴露。
12.一种超声波流量计，包括：
用于容纳流动的受测流体的装置；
传感器组件，所述传感器组件包括：
用于耦合的装置，将所述传感器组件耦合到所述用于容纳的装置；
用于产生声能的装置，所述用于产生的装置耦合到所述用于耦合的装置；
用于封装用于阻抗匹配的装置的装置，所述用于封装的装置直接耦合到所述用于耦合的装置，并且所述用于阻抗匹配的装置电耦合到所述用于产生的装置；
所述用于耦合的装置设计并构造为使得所述用于封装的装置位于所述用于容纳的装置的外表面外部。
13.根据权利要求12所述的超声波流量计，其中所述用于耦合的装置进一步包括：
用于直接耦合到所述用于容纳的装置的装置，所述用于直接耦合的装置限定具有内径的中央通道；
用于机械支撑所述用于产生的装置和所述用于封装的装置的装置，所述用于机械支撑的装置布置在所述中央通道的所述内径内并且耦合到所述内径。
14.根据权利要求13所述的超声波流量计，其中所述用于直接耦合的装置进一步包括用于邻接所述用于容纳的装置的所述外表面的一部分的装置。
15.根据权利要求13所述的超声波流量计，其中所述用于直接耦合的装置进一步包括用于与所述用于容纳的装置螺纹接合的装置。
16.根据权利要求12所述的超声波流量计，进一步包括用于保持所述用于封装的装置抵靠所述用于耦合的装置的装置。
17.一种用于置换耦合到超声波流量计的传感器端口的传感器组件的变换器的方法，包括：
将电缆与所述传感器组件断开；
将包含第一变换器的第一变换器封壳从所述传感器组件移除，所述移除没有移除压电元件，并且所述移除没有使所述超声波仪表内的流体通过所述传感器端口释放到大气；
将包含第二变换器的第二变换器封壳插入成与所述传感器组件形成操作关系；以及
将所述电缆连接到所述传感器组件。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：在断开所述电缆之后并且在移除所述第一变换器封壳之前，移除套入在所述第一变换器封壳之上的保持构件。
19.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：其中移除所述第一变换器进一步包括使所述第一变换器封壳沿所述传感器组件的中心轴线从所述传感器组件向外平移以影响机械分离和电分离。
20.根据权利要求19所述的方法，其中平移进一步包括在不使所述第一变换器封壳绕所述中心轴线旋转的情况下沿所述轴线向外平移。
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