CN105444825A - 超声装置以及用该超声装置来测量流体流量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超声装置以及用该超声装置来测量流体流量的方法，其中涉及的一种超声装置包括设置用来耦合到一个或多个管路上的流体管道、以及安装于该管道上的超声换能器。其中所述管道包括形成有流动通道的主体和耦合到所述主体的隔热结构，该隔热结构包括有机聚合物材料，其设置用来将所述超声换能器与所述流动通道热隔离。本发明也涉及使用所述超声装置测量流体流量的方法。

Description

超声装置以及用该超声装置来测量流体流量的方法

技术领域

本发明涉及一种超声装置以及用该超声装置来测量流体流量的方法。

背景技术

超声装置被广泛用来测量管道内流动的流体，如液体和气体的物理特性。比如，基于超声回波描记术(ultrasonicechography)和多普勒原理(Dopplertheory)，可用超声换能器获得流体的速度信息。超声换能器一般安装于管壁上，从超声换能器中发射出来的超声脉冲波传播到管内的流体中，流体中的杂质将超声波反射回去，换能器接收到回波，基于多普勒原理，可通过已知的公式计算出流体速度。基于所述速度信息可获得流体的速度流型，这对于流动流体物理特性的研究和流动流体的机械或土木工程结构的设计非常重要。

由于高温和高压会改变换能器的性能及其声学参数(如阻抗等)，因此所述超声换能器对温度和压力很敏感。在高温和高压的环境下，超声换能器的性能会显著减低，这可能导致其在用于流量测量时会获得不准确的结果。

因此，需要提供一种超声装置和方法，来处理高温高压流体的流量测量。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种超声装置，该超声装置包括设置用来耦合到一个或多个管路上的流体管道、以及安装于该管道上的超声换能器。其中所述管道包括形成有流动通道的主体和耦合到所述主体的隔热结构，该隔热结构包括有机聚合物材料，其设置用来将所述超声换能器与所述流动通道热隔离。

本发明的另一个方面涉及一种方法，在该方法中，使流体从一段耦合到一个或多个管路中的管道中流过，其中该管道包括主体和耦合到所述主体的隔热结构，所述主体形成有流动通道以让所述流体流过，所述隔热结构包括有机聚合物材料。用安装于所述管道且与所述流体热隔离的超声换能器来测量所述流体的流量。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1中的示意图显示了一种示例性的超声装置。

图2中的示意图显示了一个具体实施例中的一种超声装置。

图3中的示意图显示了一个具体实施例中的一种超声装置。

图4中的示意图显示了一个具体实施例中的一种超声装置。

图5中的示意图显示了一个具体实施例中的一种超声装置。

图6中的示意图显示了一个具体实施例中的一种超声装置。

具体实施方式

以下将对本发明的具体实施例进行描述。除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或”是指包括所列举的元件或者物件中的任一个或全部。“包括”、“包含”或者“有”等类似的词语意指出现在“包括”、“包含”或者“有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”、“包含”或者“有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。此外，在“大约第一数值到第二数值”的表述中，大约同时修正第一和第二数值两个数值。在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。

本发明的实施例涉及可用来在高温高压环境下测量流体流量的超声装置，该超声装置可像接头一样接到流体管路中，将流体管路的相邻两段连接起来，使得管内的流体可从其中通过。所述超声装置包括设置用来耦合到一个或多个管路上的一段流体管道、以及安装在所述管道上的至少一个超声换能器。所述管道包括主体，该主体形成有一个流动通道，用来让流体在其中流动。耦合于所述管道主体的隔热结构被用来将所述超声换能器与所述流动通道以及在其中流动的流体热隔离开来。所述管道主体一般是由对声音友好且具有良好隔热能力的材料制成，比如，金属材料，其包括但不限于金属和合金。所述主体为管道提供了结构支撑。而用来制造所述隔热结构的材料大致声透明，且具有比管道主体更高的热阻抗。特别地，用来制造所述隔热结构的材料与管道中流动的流体有大致相同的声阻抗和声速，比如，差别控制在约20％以内，或进一步地在约10％以内。这样，所述隔热结构可以将所述超声换能器的传感器与流体隔开而不影响声学特征。因此所述超声装置特别适用于钻孔等需要在高温高压环境下进行流体流量测量的领域。

图1显示了一种示例性的超声装置100。该超声装置100包括流体管道102，设置用来耦合到一个或多个管路150上。在一个实施例中，所述流体管道102在其流向的两端有法兰盘110，通过将法兰盘110与管路法兰152耦合，可将所述流体管道102耦合/连接到一个或多个管路150。所述管道102包括主体，比如管壁104，其内设有流动通道。一个或多个超声换能器120安装于管壁104。比如，在图示的实施例中，有四个超声换能器120安装于所述管壁104上。然而，在其它实施例中，所述超声换能器的数量可根据实际需要进行调整。由于所述管道102内的流动的流体的温度可能很高，而所述超声换能器120可能对温度很敏感，因此可用一个耦合到所述管壁104的隔热结构106来将所述超声换能器120与所述管道102内流动的流体热隔离。此处所述的“将超声换能器与流体热隔离”可指将整个的超声换能器与流体热隔离或至少将超声换能器中对热敏感的部分与流体热隔离。所述超声换能器中对热敏感的部分可能是构成该超声换能器的压电晶片等。所述隔热结构106具有较高的热阻，可以有效地防止流体的热量传递到所述安装于隔热结构106后面的管壁104上的超声换能器。这样，所述超声换能器120与管道102内流动的流体热隔离开来。

所述隔热结构可设为不同的结构和形式。比如，所述隔热结构可能包括覆盖所述管壁主体层的内衬(内层)或是覆盖所述超声换能器的堵头。以下将结合图2-6对一些具体的示例性实施例进行描述。

图2显示了一个实施例中的一种示例性的超声装置200，其中是以一个内衬层为隔热结构来将超声换能器与管道中流动的流体热隔离的。如图所示，所述管道202包括主体，比如，由金属材料制成的管壁204，其上安装有超声换能器220。内衬206耦合到所述管壁204的内表面上，内衬206的内表面208形成为管道内表面来接触管道内流动的流体。所述管道内流动的流体在所述内衬206的内表面208上流动，从而与超声换能器220物理和热隔离开来。所述超声换能器220包括传感器222和用来支持所述传感器222的支持件224。所述传感器222有一个热敏元件，如组装于传感器前端的压电晶片(未图示)等。所述内衬206有一个凸台部210凸伸到所述金属管壁204内，该凸台部210提供了一个大致拟合所述传感器222的前端226的配合面212。通过在所述紧密配合的配合面212和传感器222前端226之间的空间中施加声耦合剂，可以将不利于声传播的空气从该空间中驱除。

图3显示了一个实施例中的一种示例性的超声装置300，其与图2中的超声装置200类似，区别主要在于，超声装置300中的内衬306设有一个凹形部分，用来收容所述超声换能器320的一部分(例如，传感器322的头部)。如图3所示，所述超声换能器320的头部从金属管壁304伸入所述内衬306的凹形部分。与超声装置200类似地，所述内衬306也提供了一个大致拟合所述传感器322的前端326的配合面312。通过在所述紧密配合的配合面312和传感器322前端326之间的空间中施加声耦合剂，可以将不利于声传播的空气从该空间中驱除。

图4显示了一个实施例中的一种示例性的超声装置400，其中是以一个堵头为隔热结构来将超声换能器与管道中流动的流体热隔离的。如图所示，管道402包括主体，比如，由金属材料制成的管壁404，其上安装有超声换能器420。所述堵头406用来堵住所述管壁404上收容有超声换能器420的腔，以将超声换能器420与管道内流动的流体物理和热量地隔离开来。该堵头406提供了面向流体的表面408，该表面408组成管道内表面的一部分，让流体在其上流动。所述管道内表面的其它部分是由金属管壁404提供的。所述堵头406还提供了配合面412，该配合面412大致拟合了超声换能器420的前端426，也就是热敏元件所在的位置。通过在所述紧密配合的配合面412和超声换能器420前端426之间的空间中施加声耦合剂，可将空气从该空间驱除。这样，超声换能器420前端426的热敏元件也与管壁404热隔离开来，由于该管壁404的热阻比堵头406低，其温度可能比堵头的温度要高。若使用了一个以上的超声换能器，则所述超声装置400可包括一个以上的所述堵头，分别用来覆盖住对应的超声换能器的前端，将其与管道内流动的流体隔离开来。图5显示一种与图4中的超声装置400类似的超声装置500，不同之处在于堵头506提供的面对流体的表面508，在超声装置500中，堵头506提供的面对流体的表面508是一个曲面而不是平表面。

在如上所述的超声装置中，所述内衬或堵头的面对流体的表面整个或部分地组成了连续的管道内表面来让流体从其上流过，这样可以防止流体中所含的固体颗粒物聚集或堵在超声换能器前端挡住传感器的视线。

图6显示了显示一种与图4中的超声装置400类似的超声装置600，不同之处在于堵头606提供的面对流体的表面608，在超声装置600中，堵头606提供的面对流体的表面608大致垂直于超声换能器的声束，这样可让声束能的传播方向在隔热结构和流体之间的界面处不发生改变，从而增加测量精确度。

在上述超声装置中，隔热结构所提供的面对流体的表面的设置可以使得超声换能器的声束在该表面的折射角约在20度到80度的范围，这样可保证用多普勒原理进行流量测量的准确性。

在一些实施例中，所述隔热结构包括有机聚合物材料，如塑料等。特别地，所述有机聚合物材料的最大工作温度高于约120℃，或进一步地，高于约200℃，或更进一步地，高于约250℃。此处所述的“最大工作温度”是指材料能持续工作而不会使其特定性能发生不可接受的改变的最大温度。所述有机聚合物材料的声阻抗与流体匹配良好，使得来自换能器的能量中的绝大部分可以传递到流体中，而在隔热结构和流体之间的界面上的反射很小。比如，所述隔热结构可能包括最大工作温度高于约200℃的塑料，且该塑料中超声波模式更简单，在其中的能量损失也比金属材料中小。在一个具体的实施例中，所述有机聚合物材料选自聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethene，PTFE)、氟化乙烯丙烯(fluorinatedethylenepropylene，FEP)、以及它们的组合。

所述隔热结构的使用减小了对超声换能器的拉伸应力和热阻的要求，从而使得超声换能器可以达到更好的性能。另外，与不使用隔热结构来将超声换能器与管道内流动的流体热隔离的情况相比，隔热结构的使用也让超声换能器的替换便的更加便捷。

本发明实施例还涉及用所述超声装置来测量流体流量的方法，在该方法中，使流体从所述超声装置的管道中流过，用安装于所述管道上的且与所述流体热隔离的超声换能器来测量所述流体的流量。

虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (10)

1.一种超声装置，其包括：

流体管道，设置用来耦合到一个或多个管路上，其包括形成有流动通道的主体和耦合到所述主体的隔热结构，该隔热结构包括有机聚合物材料；以及

安装于所述管道上的超声换能器，其中：

所述隔热结构设置用来将所述超声换能器与所述流动通道热隔离。

2.一种方法，其包括：

使流体从一段耦合到一个或多个管路中的管道中流过，其中该管道包括主体和耦合到所述主体的隔热结构，所述主体形成有流动通道以让所述流体流过，所述隔热结构包括有机聚合物材料；以及

用安装于所述管道且与所述流动通道热隔离的超声换能器来测量所述流体的流量。

3.如权利要求1所述的超声装置或如权利要求2所述的方法，其中，所述有机聚合物材料大致声透明，且其最大工作温度高于约120℃。

4.如权利要求1所述的超声装置或如权利要求2所述的方法，其中，所述有机聚合物材料选自：聚醚醚酮、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯、以及它们的组合。

5.如权利要求1所述的超声装置或如权利要求2所述的方法，其中，所述隔热结构有一个配合面，该配合面大致拟合所述超声换能器的热敏部分所在的前端。

6.如权利要求5所述的超声装置或方法，其中，所述超声装置进一步包括位于所述隔热结构的配合面和所述超声换能器的前端之间的声耦合剂。

7.如权利要求1所述的超声装置或如权利要求2所述的方法，其中，所述隔热结构有一个面对流体的表面，用来接触流体，所述超声换能器的声束在该面对流体的表面的折射角约在20度到80度的范围。

8.如权利要求1所述的超声装置或如权利要求2所述的方法，其中，所述隔热结构包括耦合到所述主体的内表面的内衬，该内衬形成了所述管道的内表面，来让流体在其上流动。

9.如权利要求1所述的超声装置或如权利要求2所述的方法，其中，所述隔热结构包括耦合到所述主体的堵头，该堵头形成了所述管道的内表面的一部分，而所述管道的内表面的其余部分由所述主体形成，该管道的内表面用来让流体在其上流动。

10.如权利要求9所述的超声装置或方法，其中，所述由堵头形成的一部分的管道内表面大致垂直于所述超声换能器的声束。