CN111473825A - 换能器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及换能器系统。本文公开了具有减小的噪音耦合的换能器系统。在一些实施例中，换能器系统包括压力平衡特征，其防止换能器系统的浮动部分接触换能器系统的固定部分，或减小浮动部分由过程压力或大气压力推动来与固定部分接触的程度。在一些实施例中，换能器系统包括一个或多个声缓冲元件、中断凹槽、环形凸起或缓冲垫圈，以减小换能器系统的各种构件之间或换能器系统与安装有换能器系统的流动单元之间的噪声耦合。

Description

换能器系统

技术领域

本文公开的主题大体上涉及具有减小的噪音耦合的换能器系统。

背景技术

使用超声波来测量流动是在全世界的化工厂、石油化工厂、精炼厂等的许多设施中沿用已久的。已经开发了许多超声波流量计，其包括基于经过时间的系统，其构造为具有润湿的换能器的一件式"掉入"流动单元。在此系统中，一个或多个发送换能器和一个或多个接收换能器目标朝向流过流动单元的介质。输入电压施加到发送换能器(发送器)上以引起其将超声波发送至介质中。这些波由接收换能器(接收器)接收，且转换成输出电压。波的"飞行时间"通过比较施加输入电压的时间与接收输出电压的时间来确定。

超声波信号逆向于流动(即，向上游)行进所需的时间t_up比随流动(即，向下游)行进所需的时间t_dn更长。向上游和向下游的行进时间之间的差异Δt与流速成正比。超声波流量计的操作极大地取决于t_up、t_dn和Δt的时机。t_up、t_dn和Δt的测量反之依靠接收到的超声波信号的质量，例如，信噪比(SNR)。

大体上，出于各种原因，包括低得多的声阻抗、较高的马赫数、较高的下调速率和与气流测量相关联的较大的压力变化，将超声波技术应用于气流测量比液体更有挑战。例如，经由换能器中的压电晶体将电脉冲转换成0 psig的气体介质中的超声波信号很低效。结果，传送穿过气体的声信号很小，且需要放大。这种放大使穿过气体的声信号和从发送换能器的侧部和后部经由固体通路(例如，流动单元的壁)散逸到接收换能器的侧部和后部的不需要的噪音两者都放大。换言之，从发送换能器发出的噪音耦合至流动单元，且最终耦合至接收换能器。这种噪音(有时称为"短路噪音")大体上不传送关于流体流的任何有用信息，且因此贡献了系统的总体噪音，且减小了SNR。期望高SNR来进行准确和可靠的流量测量。

因此，存在对具有减小的噪音耦合的换能器系统的需要。

发明内容

本文公开了具有减小的噪音耦合的换能器系统。在一些实施例中，换能器系统包括压力平衡特征，以防止换能器系统的浮动部分接触换能器系统的固定部分，或减小浮动部分由过程压力或大气压力推动来与固定部分接触的程度。在一些实施例中，一种换能器系统包括一个或多个声缓冲元件、中断凹槽、环形凸起或缓冲垫圈，以减小换能器系统的各种构件之间或换能器系统与安装有换能器系统的流动单元之间的噪声耦合。

在一些实施例中，一种换能器系统包括具有设置在其中的超声波换能器的换能器头部、从换能器头部延伸的换能器杆、以及构造成在换能器系统安装在壳体中时减小换能器系统与壳体之间的声耦合的去耦特征部。

在一些实施例中，一种换能器系统包括换能器头部，其具有设置在其中的超声波换能器，且具有构造成在换能器系统安装于流动单元时受到过程压力的第一表面。该系统还包括联接到换能器头部上且从该处延伸的换能器杆。该系统还包括其中设置有换能器杆的至少一部分的压力安装组件，压力安装组件具有构造成在换能器系统安装在流动单元中时受到过程压力的第一压力平衡表面。第一表面和第一压力平衡表面面向相反方向，使得作用于第一压力平衡表面上的过程压力偏离作用于第一表面上的过程压力。

在一些实施例中，一种换能器系统包括：具有设置在其中的超声波换能器的换能器头部；从换能器头部延伸的换能器杆；至少一个声缓冲元件，其设置在换能器杆的外部上使得至少一个声缓冲元件当换能器系统安装在流动单元中时设置在换能器杆与流动单元之间；以及形成在换能器杆中使得中断凹槽限定具有减小的横截面面积的换能器杆的纵向部分的环形中断凹槽。

在一些实施例中，一种换能器系统包括：具有设置在其中的超声波换能器的换能器头部、从换能器头部延伸的换能器杆、设置在换能器杆上的活塞、设置在活塞与换能器杆之间的第一组一个或多个声缓冲元件、设置在活塞的外部上使得第二组声缓冲元件当换能器系统安装在流动单元中时设置在活塞与流动单元之间的第二组一个或多个声缓冲元件、设置在换能器杆上且构造成接合流动单元的开孔的螺母，以及设置在活塞与螺母之间的缓冲垫圈。

一种换能器系统，包括：

换能器头部，具有设置在其中的超声波换能器；

从换能器头部延伸的换能器杆；以及

构造成当换能器系统安装在壳体中时减小换能器系统与壳体之间的声耦合的去耦特征部。

优选地，去耦特征部包括压力平衡表面、环形中断凹槽、平衡物、声缓冲元件、设置在换能器杆上的活塞套筒和声缓冲垫圈中的至少一者。

一种换能器系统，包括：

换能器头部，其具有设置在其中的超声波换能器，且具有构造成在换能器系统安装在流动单元中时受到过程压力的第一表面；

联接到换能器头部且从其延伸的换能器杆；以及

压力安装组件，在其中设置有换能器杆的至少一部分，压力安装组件具有第一压力平衡表面，第一压力平衡表面构造成当换能器系统安装在流动单元中时受到过程压力；

其中第一表面和第一压力平衡表面面向相反方向，使得作用于第一压力平衡表面上的过程压力偏离作用于第一表面上的过程压力。

优选地，第一压力平衡表面尺寸确定为使得当换能器系统安装在流动单元中时，面朝流动单元中的过程流体且受到过程压力的换能器系统的所有表面的表面面积等于背对过程流体且受到过程压力的换能器系统的所有表面的表面面积。

优选地，压力安装组件包括具有第一部分和第二部分的活塞，活塞的第一部分具有形成在其中的螺纹开孔，换能器杆的螺纹部分收纳在螺纹开孔中；以及

活塞的第一部分在限定第一压力平衡表面的肩部处遇到活塞的第二部分。

优选地，压力安装组件具有第二压力平衡表面，第二压力平衡表面构造成当换能器系统安装在流动单元中时受到大气压力；以及

第二压力平衡表面尺寸确定为使得当换能器系统安装在流动单元中时，面朝流动单元中的过程流体且受到大气压力的换能器系统的所有表面的表面面积大致等于背对过程流体且受到大气压力的换能器系统的所有表面的表面面积。

优选地，压力安装组件包括具有第一部分和第二部分的活塞，活塞的第一部分具有形成在其中的螺纹开孔，换能器杆的螺纹部分收纳在螺纹开孔中；以及

面朝过程流体的活塞的端面限定第二压力平衡表面。

优选地，第二压力平衡表面经由换能器杆与活塞的第一部分中形成的开孔之间的螺纹界面受到大气压力。

优选地，压力安装组件包括：

具有第一部分和第二部分的活塞，活塞的第一部分具有形成在其中的螺纹开孔，换能器杆的螺纹部分收纳在螺纹开孔中；

具有第一部分和第二部分的密封塞，密封塞的第二部分具有形成在其中的开孔，活塞的第一部分收纳在开孔中；以及

具有第一部分和第二部分的套筒，套筒的第一部分具有形成在其中的开孔，密封塞的第二部分收纳在开孔中。

优选地，系统包括：

构造成形成换能器杆与密封塞的第一部分之间的密封的第一O形环；

构造成形成活塞的第一部分与密封塞的第二部分之间的密封的第二O形环；

构造成形成活塞的第二部分与套筒的内表面之间的密封的第三O形环；以及

构造成当换能器系统安装在流动单元上时形成套筒与流动单元之间的密封的第四O形环。

优选地，第一压力平衡表面通过密封塞的第二部分与套筒的第一部分中形成的开孔之间的螺纹界面受到过程压力。

优选地，当换能器系统安装在流动单元中时，面朝流动单元中的过程流体或背对流动单元中的过程流体的活塞、换能器头部或换能器杆没有表面与密封塞、套筒或流动单元接触。

一种换能器系统，包括：

换能器头部，具有设置在其中的超声波换能器；

从换能器头部延伸的换能器杆；

至少一个声缓冲元件，其设置在换能器杆的外部上，使得至少一个声缓冲元件当换能器系统安装在流动单元中时设置在换能器杆与流动单元之间；以及

环形中断凹槽，其形成在换能器杆中，使得中断凹槽限定具有减小的横截面面积的换能器杆的纵向部分。

优选地，换能器杆包括环形凸起，以及其中换能器系统构造成使得当安装在流动单元中时，除环形凸起之外没有换能器杆的部分与流动单元接触。

优选地，环形凸起具有小于换能器杆的长度的大约百分之20的长度。

优选地，至少一个声缓冲元件包括沿换能器杆的长度与彼此间隔开一定距离的第一O形环和第二O形环。

优选地，中断凹槽具有换能器杆的侧壁的厚度的至少大约百分之50的深度。

优选地，系统包括：

螺母，其设置在换能器杆上且构造成接合流动单元的开孔以防止换能器杆关于流动单元沿远离流动单元中的过程流体的方向的移动；以及

设置在换能器杆与螺母之间的缓冲垫圈。

一种换能器系统，包括：

换能器头部，具有设置在其中的超声波换能器；

从换能器头部延伸的换能器杆；

设置在换能器杆上的活塞；

设置在活塞与换能器杆之间的第一组一个或多个声缓冲元件；

第二组一个或多个声缓冲元件，其设置在活塞的外部上，使得第二组声缓冲元件当换能器系统安装在流动单元中时设置在活塞与流动单元之间；

设置在换能器杆上且构造成接合流动单元的开孔的螺母；以及

设置在活塞与螺母之间的缓冲垫圈。

优选地，缓冲垫圈构造成减小当换能器系统安装在流动单元中时背对过程流体的活塞的表面与当换能器系统安装在流动单元中时面朝过程流体的螺母的表面之间的噪声耦合。

优选地，当换能器系统安装在流动单元中时，没有换能器头部或换能器杆的部分接触缓冲垫圈、螺母或流动单元。

优选地，第一组声缓冲元件包括沿换能器杆的长度与彼此间隔开一定距离的第一O形环和第二O形环；以及

第二组声缓冲元件包括沿活塞的长度与彼此间隔开一定距离的第一O形环和第二O形环。

附图说明

将从连同附图的以下详细描述中更容易地理解这些及其它特征，在附图中：

图1为其中可使用本文公开的换能器系统的示例性流动单元的透视图；

图2为图1的流动单元的平面视图；

图3为换能器系统的示例性实施例的截面视图；

图4为图3中的换能器系统的透视分解视图和透视组装视图；

图5为图3中的换能器系统的截面视图，以阴影指出了受到压力；

图6为换能器系统的另一个实施例的截面视图；

图7为图6中的换能器系统的透视分解视图和透视组装视图；

图8为换能器系统的又一个实施例的截面视图；以及

图9为图8中的换能器系统的透视分解视图和透视组装视图。

将注意到附图不一定按比例。附图旨在仅绘出本文公开的主题的典型方面，且因此不应当认作是限制本公开内容的范围。在附图中，相似的标号表示附图之间的相似元件。

具体实施方式

现在将描述某些示例性实施例以提供本文公开的装置、系统和方法的结构、功能、制造和使用的原理的全面理解。这些实施例的一个或多个示例在附图中示出。本领域的技术人员将理解的是，本文具体描述和在附图中示出的装置、系统和方法为非限制性的示例性实施例，且本发明的范围仅由权利要求单独限定。结合示例性实施例示出或描述的特征可与其它实施例的特征组合。此类改型和变型旨在包括于本发明的范围内。

本文公开了具有减小的噪音耦合的换能器系统。在一些实施例中，换能器系统包括压力平衡特征，以防止换能器系统的浮动部分接触换能器系统的固定部分，或减小浮动部分由过程压力或大气压力推动来与固定部分接触的程度。在一些实施例中，一种换能器系统包括一个或多个声缓冲元件、中断凹槽、环形凸起或缓冲垫圈，以减小换能器系统的各种构件之间或换能器系统与安装有换能器系统的流动单元之间的噪声耦合。

图1和2示出了其中可使用本文公开的换能器系统的流动单元100的一个示例性实施例。如图所示，流动单元包括一段管102，其限定介质流过的管腔104。凸缘106设在流动单元100的任一端处，以便于将流动单元安装在较大的流动系统中。流动单元100还包括多个开孔或端口108，本文所述类型的换能器系统安装在开孔或端口108中。端口108可相对于穿过流动单元100的流动通路以多个角中的任一者定向。在所示的实施例中，提供了四个换能器端口108，且其分别定向成相对于穿过流动单元100的流动通路成斜角。将认识到的是，可合并任何数目的成对换能器端口。流动单元100还包括电子装置安装件110和电子装置壳体112，用于控制换能器和计算流量的电路设置在电子装置壳体112中。电导体(未示出)将换能器联接到电子装置壳体112中的电路上。

在操作中，介质(例如，气体、液体或多相流)流过管腔104，且介质流动的速率使用飞行时间或基于安装在端口108中的换能器发送和接收超声波的其它算法来测量。

将认识到的是，所示的流动单元100仅为示例性的，且本文公开的换能器系统可结合多种流动单元中的任一者使用且在不包括流动单元的应用中使用。本文公开的换能器系统可与经过时间流量计、多普勒流量计、关联流量计、反转(Transflection)流量计、润湿的或未润湿的布置、便携或专用流动单元，和/或单个或多个通道的流动单元一起使用。本文公开的换能器系统的应用包括水、废水、过程流体、化学制品、烃、油、气体、监管运输物、顶侧或上游多相流等。本文公开的换能器可结合其使用的示例性流动单元包括可从GENERALELECTRIC COMPANY获得的PANAFLOW、DIGITALFLOW和SENTINEL流量计。

图3和4示出了"浮动"换能器系统200的示例性实施例。在现有的换能器系统中，流动单元的管腔中的过程压力沿远离过程流体的方向推动换能器系统与安装有换能器系统的流动单元或换能器安装硬件接触。过程压力越高，换能器系统与流动单元之间的声耦合就越大，且短路噪音越大。

浮动换能器系统200包括浮动部分，其防止与系统的固定部分接触，或至少由小于其它情况下施加的力被推动来与固定部分接触，因此减小了到流动单元中的声耦合。具体而言，系统200包括通路，过程压力经由通路到达系统的浮动部分的"后部"上的压力平衡表面。该压力平衡表面的几何形状选择成使得由过程压力施加到浮动部分的"前部"上的力大致等于由过程压力施加到浮动部分"后部"上的力。分离间隙保持在系统200的浮动部分与系统的固定部分之间，或至少推动浮动部分与固定部分接触的力减小。类似的布置提供成平衡由大气压力施加到浮动部分上的力。

当过程压力增大或减小时，施加到浮动部分的"前部"和"后部"上的力同样增大或减小，使得浮动部分与固定部分之间的噪音耦合保持大致相同，而不管过程压力。结果，噪音幅度同样将大致恒定，而不管过程压力。

如图3和4中所示，浮动换能器系统200包括换能器组件202，其具有换能器头部204、换能器杆206和换能器连接器208。系统200还包括压力安装组件210，其具有密封塞212、活塞214和外部套筒216。还包括夹具218，以有助于将换能器组件202固持在压力安装组件210内。系统200还包括系统的各种构件的相应凹槽中的一个或多个O形环或垫片220,222,224,226，以用于提供所述构件与系统的其它构件之间的密封，且用于进一步减小声耦合。

换能器头部204收纳超声波换能器，如，压电晶体或陶瓷，超声波换能器构造成响应于施加的电功率产生超声机械波。在所示的实施例中，换能器头部204为中空圆筒形罐，超声波换能器安装在罐中。尽管本文大体上描述了超声波压电元件，但本文公开的任何换能器系统可使用其它类型的换能器(例如，非超声波换能器、磁致伸缩换能器、电容换能器等)。

换能器杆206包括第一部分228，换能器头部204使用任何适合的连结机构联接到第一部分228上，如，焊接连接、压配合连接或螺纹连接。如下文更详细描述那样，换能器杆206还包括第一下阶梯部分230，其限定密封表面，第一O形环220抵靠密封表面形成换能器杆与密封塞212之间的密封。换能器杆206还包括第二下阶梯部分232，其限定用于接合活塞214的配对内螺纹表面的外螺纹表面。换能器杆206还包括第二部分234，其为足够的长度以完全延伸穿过外部套筒216。第二部分234包括用于接合换能器连接器208的配对外螺纹表面的内螺纹表面。换能器杆206限定中心管腔，经由中心管腔，电导线从换能器头部204中的超声波换能器延伸至换能器连接器208。

换能器连接器208大致闭合换能器杆206的第二端部(例如，经由上文所述的螺纹连接或其它适合的连结机构)，且构造成提供换能器系统200的内部电子装置(例如，压电元件和相关联的导体)与用于将换能器系统电性地联接到流动单元的电子装置壳体的外部导体之间的电性连接。

活塞214联接到换能器杆206上，使得活塞相对于换能器杆的纵向位置固定。在所示的实施例中，活塞214包括具有形成在其中的开孔的第一部分236，开孔构造成以螺纹接合收纳换能器杆206的第二下阶梯部分232。第一部分236还包括用于收纳第二O形环222的至少一部分的形成在其外表面中的通道。第二O形环222构造成形成活塞214的第一部分236与密封塞212之间的密封。活塞214还包括第二部分238，其限定中心管腔，换能器杆206的第二部分234经由中心管腔收纳。如下文更详细论述那样，第二部分238的外表面限定密封表面，第三O形环224抵靠密封表面而形成活塞214与外部套筒216之间的密封。活塞214的第二部分238的直径小于第一部分236的直径，使得肩部形成在第一部分与第二部分之间的接合点处，肩部限定面对远离过程流体的方向的表面240。

密封塞212包括第一部分242，其具有构造成收纳换能器杆206的第一下阶梯部分230的形成在其中的开孔。第一部分242还包括形成在其内表面中以用于收纳第一O形环220的至少一部分的通道，使得第一O形环形成换能器杆206与密封塞212之间的密封。密封塞212还包括第二部分244，其限定活塞214的第一部分236收纳在其中的开孔。第二O形环222形成活塞214的第一部分236与开孔的内部之间的密封。第二部分244的外表面限定螺纹表面，螺纹表面构造成接合形成在外部套筒216的第一部分246中的配对内螺纹开孔。

外部套筒216还包括第二部分248，其限定中心管腔，活塞214的第二部分238收纳在中心管腔中。通道形成在其内表面中以用于收纳第三O形环224的至少一部分。第三O形环224构造成形成活塞214的第二部分238与外部套筒216之间的密封。外部套筒216还包括形成在其外表面中的通道以用于收纳第四O形环226的至少一部分。第四O形环226构造成形成外部套筒216与系统200安装在其中的流动单元之间的密封件(例如，流动单元的换能器端口中的一个)。外部套筒216还包括用于接合流动单元端口的配对螺纹部分的外螺纹表面。

夹具218包括构造成围绕换能器杆206配合的第一和第二半圆筒形部分。夹具218还包括一个或多个调整螺钉，其可上紧或松开来使夹具与换能器杆206接合或解除接合。夹具218还包括凹口250，活塞214的沿纵向延伸的凸片部分252收纳在凹口250中，以在接合夹具时防止活塞关于换能器杆206旋转。

将认识到是，换能器系统200包括浮动部分(例如，换能器头部204、换能器杆206和活塞214)和固定部分(例如，密封塞212和外部套筒216)。

如图5中所示，过程压力作用在系统200的浮动部分的若干表面上。(过程压力作用于其上的表面使用第一类型的阴影表示，如图5的图例中指出那样)。值得注意的是，作用于面对过程流体的方向的换能器头部204的表面254上的过程压力通常将趋于将浮动部分推入与固定部分稳固接触，且通过延伸，包围的流动单元提供了噪音容易通过其传播的声耦合。然而，由于密封塞212与外部套筒216之间的螺纹界面并未良好密封，故过程压力延伸穿过螺纹界面，且作用于面向远离过程流体的方向的压力平衡表面240上。压力平衡表面240由肩部或下阶梯限定，在该处，活塞214的第一部分236遇到活塞的第二部分238。过程压力由第二O形环222和第三O形环224容纳在压力平衡表面240附近。第四O形环226防止过程压力围绕外部套筒216的外表面散逸，且提供了套筒与流动单元之间的附加噪声缓冲。

压力平衡表面240的几何形状选择成平衡由过程压力朝向和远离过程流体施加的力，以便保持系统200的浮动部分与系统的固定部分之间的间隙256，或至少减小推动浮动部分与固定部分接触的力。例如，压力平衡表面240的表面面积可选择成使得面朝受到过程压力的浮动部分的过程流体的所有表面的合计表面面积大致或大约等于背对受到过程压力的浮动部分的过程流体的所有表面的合计表面面积。通过大致或大约相等，这意味着相应的表面面积与彼此足够接近而功能相当，如本领域的普通技术人员将容易理解那样，受制于制造公差、热膨胀和收缩等。

还如图5中所示，大气压力作用于系统200的浮动部分的若干表面上。(大气压力作用于其上的表面使用第二类型的阴影表示，如图5的图例中指出那样)。值得注意的是，作用于限定在换能器杆的第一下阶梯部分和第二下阶梯部分之间的过渡部处的肩部258上、限定在换能器杆的第二下阶梯部分与第二部分之间的过渡部处的肩部260，以及面向远离过程流体的方向的活塞214的表面262上的大气压力一般将趋于沿朝过程流体的方向推动浮动部分来与周围的固定部分稳固接触。然而，由于换能器杆206与活塞214之间的螺纹界面并未良好密封，故大气压力延伸穿过螺纹界面，且作用于面向朝过程流体的方向的压力平衡表面264上。压力平衡表面264由活塞214的第一末端限定。大气压力由第一O形环220和第二O形环222容纳在压力平衡表面264附近。

压力平衡表面264的几何形状选择成平衡由大气压力朝向和远离过程流体施加的力，以便保持系统200的浮动部分与固定部分之间的间隙266，或至少减小推动浮动部分与固定部分接触的力。例如，压力平衡表面264的表面面积可选择成使得面朝受到大气压力的浮动部分的过程流体的所有表面的合计表面面积大致或大约等于背对受到大气压力的浮动部分的过程流体的所有表面的合计表面面积。通过大致或大约相等，这意味着相应的表面面积与彼此足够接近而功能相当，如本领域的普通技术人员将容易理解那样，受制于制造公差、热膨胀和收缩等。

总之，系统200包括面朝和背对过程流体的压力平衡表面240,264，其构造成平衡或至少部分地偏移分别由过程压力和大气压力施加的力，使得间隙256,266保持在浮动部分与固定部分之间，或至少使得减小推动浮动部分与固定部分接触的力。这有效地减小了噪音从换能器到周围的流动单元且最终到接收器换能器的传播。

图6和图7示出了"刚性"换能器系统300的示例性实施例。在现有的换能器系统中，换能器系统的较大部分与流动单元的换能器开孔直接金属对金属地接触，这非期望地提供了较强的噪声耦合。另一方面，刚性换能器300包括一个或多个声缓冲元件，其构造成限制换能器系统与流动单元之间的噪音耦合。系统300还包括一个或多个中断凹槽或通道，以限制超声波传播穿过换能器的后部或侧部的横截面面积。系统300还包括环形凸起，环形凸起构造成用作换能器系统与流动单元之间的平衡物。凸起的长度显著小于换能器系统的全长，使得凸起与流动单元之间的接触表面面积显著小于流动单元开孔的总表面面积。

如图6和7中所示，刚性换能器系统300包括换能器组件，其具有换能器头部304、换能器杆306和换能器连接器308。系统300还包括用于减小噪声耦合的一个或多个声缓冲元件310,312、缓冲垫片314、以及固持螺母316。

换能器头部304收纳超声波换能器，如，压电晶体或陶瓷，超声波换能器构造成响应于施加电压产生超声机械波。在所示的实施例中，换能器头部304为中空圆筒形罐，超声波换能器安装在罐中。尽管本文大体上描述了超声波压电元件，但本文公开的任何换能器系统可使用其它类型的换能器(例如，非超声波换能器、磁致伸缩换能器、电容换能器等)。

换能器杆306包括第一部分318，换能器头部304使用任何适合的连结机构联接到第一部分318上，如，焊接连接、压配合连接或螺纹连接。第一部分318还包括形成在其中的第一和第二凹槽或通道，相应的声缓冲元件(例如，O形环)310,312设置在凹槽或通道中。在组装时，O形环310,312设置在换能器杆306与周围的流动单元开孔之间，使换能器杆与金属上的金属接触件隔离，且减小了噪声耦合。尽管可使用少于两个的O形环(例如，一个O形环)，但两个或多个O形环的使用有利地提供针对换能器杆306的附加支承，以防止其在流动单元开孔内摇动。尽管O形环通道示为且描述为在换能器杆306的第一部分318中，但将认识到的是，一个或多个O形环通道可形成在换能器杆的第二部分320中，具有或没有形成在第一部分中的附加O形环通道。

换能器杆306还包括环形中断凹槽或通道322。中断凹槽322减小了沿换能器杆306的纵向部分的横截面表面面积，减小了噪声经由换能器杆的刚性结构传播的面积。由于噪声不容易经由由通道322提供的空隙耦合，故此布置产生了比缺少通道且换能器杆306仅为固定无破坏的壁的布置更少的噪音耦合。此外，不同的金属厚度引起声传播性质(例如，声速、声阻抗等)的转移，这将趋于阻止声能传播穿过其间。

中断凹槽322可经由换能器杆306的壁穿透至多种深度中的任一者(例如，至少大约10%、至少大约25%、至少大约50%、至少大约75%和/或至少大约90%)。在一些实施例中，中断凹槽322穿透到最大可能的范围，同时仍保持换能器杆306的结构完整性，给出了预期的应用(例如，过程压力、流动单元管腔直径等)。尽管本文示出和描述了单个中断凹槽322，但将认识到的是，可包括一个以上的中断凹槽。

换能器杆306还包括增大的圆周324的环形凸起或区域，其构造成用作流动单元开孔与换能器杆306的其余部分之间的平衡物。凸起324可为连续的环形凸起，或可为围绕换能器杆306的圆周间隔开的多个分立的平衡区段。环形凸起324的长度选择成显著小于换能器杆306的全长(例如，小于大约50%、小于大约20%、小于大约10%和/或小于大约5%)。通过将凸起324的长度制作成关于换能器杆306的长度相对较短，换能器杆与流动单元端口之间的接触表面面积相比于省略凸起且杆的外表面的大部分与流动单元开孔直接接触的变型显著减小。在较小接触表面面积的情况下，较小的噪音耦合发生在系统300与流动单元之间。

换能器杆306还包括内螺纹开孔，其构造成与形成在换能器连接器308的外部上的配对螺纹匹配。换能器杆306限定中心管腔，经由中心管腔，电导线从换能器头部304中的超声波换能器延伸至换能器连接器308。

换能器连接器308大致闭合换能器杆306的第二端部(例如，经由上文所述的螺纹连接)，且构造成提供换能器系统300的内部电子装置(例如，压电元件和相关联的导体)与用于将换能器系统300电性地联接到流动单元的电子装置壳体的外部导体之间的电性连接。

系统300还包括设置在换能器杆306上的固持螺母316，其不接触换能器杆。固持螺母316包括外螺纹表面，其构造成接合流动单元端口的对应螺纹表面，且构造成防止换能器系统300沿远离过程流体的方向移出流动单元端口。缓冲垫圈314设置在换能器杆306上，且定位在环形凸起324与固持螺母316之间。缓冲垫圈314由如下文所述的声缓冲材料形成，以减小换能器杆306与固持螺母316之间的噪声耦合，且最终减小流动单元与接收器换能器之间的噪声耦合。

在操作中，流动单元的流动通路中的过程压力将以其它方式沿远离过程流体的方向推动换能器系统300来与螺母316稳固接触，且通过延伸，周围的流动单元非期望地将噪声耦合到流动单元中。然而，缓冲垫圈314设置在杆306与螺母316之间，且形成声中断，减小了噪音从杆耦合到螺母和流动单元的程度。

图8和9示出了"浮动套筒"换能器系统400的示例性实施例。浮动套筒换能器系统400包括围绕换能器杆设置的活塞套筒，以及构造成缓冲杆与套筒之间和套筒与流动单元之间的声耦合的O形环。此外，声缓冲垫圈或其它元件沿过程压力的方向设置在套筒与螺母之间。

如图所示，系统400包括换能器组件，其具有换能器头部404、换能器杆406和换能器连接器408。系统400还包括具有活塞412、缓冲垫圈414和固持螺母416的套筒组件。还包括夹具418和固持环420以有助于将换能器组件固持在套筒组件内。系统400还包括一个或多个O形环或垫圈422,424,426,428，以用于提供系统的各种构件之间的密封，且用于进一步减小噪声耦合。

换能器头部404收纳超声波换能器，如，压电晶体或陶瓷，超声波换能器构造成响应于施加电压产生超声机械波。在所示的实施例中，换能器头部404为中空圆筒形罐，超声波换能器安装在罐中。尽管本文大体上描述了超声波压电元件，但本文公开的任何换能器系统可使用其它类型的换能器(例如，非超声波换能器、磁致伸缩换能器、电容换能器等)。

换能器杆406包括第一部分430，换能器头部404使用任何适合的连结机构联接到第一部分430上，如，焊接连接、压配合连接或螺纹连接。如下文更详细描述那样，换能器杆406还包括下阶梯第二部分432，其限定密封表面，第一O形环422和第二O形环424抵靠密封表面形成换能器杆与活塞412之间的密封。第二部分432具有足够长度以完全延伸穿过套筒组件。第二部分432包括用于接合换能器连接器408的配对外螺纹表面的内螺纹表面。换能器杆406限定中心管腔，经由中心管腔，电导线从换能器头部404中的超声波换能器延伸至换能器连接器408。

换能器连接器408大致闭合换能器杆406的第二端部(例如，经由上文所述的螺纹连接)，且构造成提供换能器系统400的内部电子装置(例如，压电元件和相关联的导体)与用于将换能器系统电性地联接到流动单元的电子装置壳体的外部导体之间的电性连接。

活塞412为管状部件，其设置在换能器杆406上，使得杆的第二部分432延伸穿过活塞的中心管腔。第一声缓冲元件和第二声缓冲元件如第一O形环422和第二O形环424定位在形成于活塞的内表面和/或换能器杆406的外表面中的凹槽或通道中，以形成活塞与换能器杆之间的密封，且减小所述构件之间的噪声耦合。活塞412还包括形成在其外表面中的凹槽或通道，其中声缓冲元件如第三O形环426和第四O形环428定位成形成活塞与流动单元之间的密封，且减小所述构件之间的噪声耦合。尽管两个声缓冲元件422,424示为在活塞412与杆406之间，但将认识到的是，可包括多于或少于两个缓冲元件。此外，尽管两个声缓冲元件426,428示为在活塞412与流动单元之间，但将认识到的是可包括多于或少于两个缓冲元件。

系统400还包括设置在换能器杆406上的固持螺母416而不接触换能器杆。固持螺母416包括外螺纹表面，其构造成接合流动单元端口的对应螺纹表面，且构造成防止换能器系统400沿远离过程流体的方向移出流动单元端口。缓冲垫圈414设置在换能器杆406上，且定位在活塞412与固持螺母416之间。缓冲垫圈414由如下文所述的声缓冲材料形成，以减小活塞412与固持螺母416之间的噪声耦合，且最终减小流动单元与接收器换能器之间的噪声耦合。

在操作中，流动单元的流动通路中的过程压力将以其它方式沿远离过程流体的方向推动换能器系统400来与螺母416稳固接触，且通过延伸，周围的流动单元非期望地将噪声耦合到流动单元中。然而，缓冲垫圈414设置在活塞412与螺母416之间，且形成声中断，减小了噪音从活塞耦合到螺母和流动单元的程度。

夹具418包括构造成围绕换能器杆406配合的第一和第二半圆筒形部分，且构造成防止活塞412沿远离过程流体的方向关于杆移动。夹具418还包括一个或多个调整螺钉，其可上紧或松开来使夹具与换能器杆406接合或解除接合。固持环420为弹簧夹，其构造成围绕换能器杆406配合，且接合形成在换能器杆的外部中的凹槽。固持环420因此防止活塞412关于杆406沿朝过程流体的方向移动。

在操作中，第一O形环422和第二O形环424减小了从换能器杆406耦合到活塞412的噪声的量。耦合到活塞412上的任何噪音的传播由第三O形环426和第四O形环428阻止耦合至流动单元。此外，当过程压力趋于沿远离过程流体的方向推动换能器系统400时，垫圈414缓冲从活塞412到螺母416且最终到周围流动单元的噪声的传送。

本文公开的换能器系统的构件可由多种材料中的任一者形成，包括而不限于金属，如不锈钢、钛、铝、铁和/或它们的组合。本文公开的声缓冲元件和缓冲垫圈可由声缓冲材料形成，包括但不限于石墨、弹性体(例如，氯丁橡胶)、氟橡胶、聚四氟乙烯(PTFE)和/或它们的组合。

本文参照任何特定实施例公开的特征可与任何其它实施例组合或并入任何其它实施例中。

本文公开的换能器系统产生了大量优点和/或技术效果。例如，在一些实施例中，换能器与流动单元之间的噪声耦合减小，改善了流量计的SNR，且提供了更准确的流量测量。

尽管本文公开的换能器系统大体上以流量计为背景描述，但将认识到的是，它们可应用于各种其它背景。例如，本文公开的换能器系统可用于期望减小换能器与安装有换能器的构件之间的噪声的任何系统。此系统包括超声波成像系统、超声波裂纹探测系统、超声波清洁器、超声波混合器、超声波传感器、超声波焊接系统等。

所撰写的说明书使用了示例来公开本发明，包括最佳模式，并还能够使本领域的任何技术人员实践发明，包括制造并使用任何装置或系统且执行任何所合并的方法。发明的可专利的范围由权利要求限定，并可以包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这样的其他示例包括与权利要求的字面语言无实质区别的等同的结构元件，那么，这样的其他示例将在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种换能器系统，包括：

换能器头部，具有设置在其中的超声波换能器；

从所述换能器头部延伸的换能器杆；

至少一个声缓冲元件，其设置在所述换能器杆的外部上，使得所述至少一个声缓冲元件当所述换能器系统安装在流动单元中时设置在所述换能器杆与流动单元之间；以及

环形中断凹槽，其形成在所述换能器杆中，使得所述中断凹槽限定具有减小的横截面面积的所述换能器杆的纵向部分，其中所述环形中断凹槽构造成用于限制超声波穿过所述换能器杆的传播。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换能器杆包括环形凸起，以及其中所述换能器系统构造成使得当安装在流动单元中时，除所述环形凸起之外没有换能器杆的部分与所述流动单元接触。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述环形凸起具有小于所述换能器杆的长度的大约百分之20的长度。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个声缓冲元件包括沿所述换能器杆的长度与彼此间隔开一定距离的第一O形环和第二O形环。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中断凹槽具有所述换能器杆的侧壁的厚度的至少大约百分之50的深度。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括：

螺母，其设置在所述换能器杆上且构造成接合流动单元的开孔以防止所述换能器杆关于所述流动单元沿远离所述流动单元中的过程流体的方向的移动；以及

设置在所述换能器杆与所述螺母之间的缓冲垫圈。

7.一种换能器系统，包括：

换能器头部，具有设置在其中的超声波换能器；

从所述换能器头部延伸的换能器杆；

设置在所述换能器杆上的活塞，当所述换能器系统安装在流动单元中时所述活塞相对于所述流动单元可移动；

设置在所述活塞与所述换能器杆之间的第一组一个或多个声缓冲元件；

第二组一个或多个声缓冲元件，其设置在所述活塞的外部上，使得所述第二组声缓冲元件当所述换能器系统安装在所述流动单元中时设置在所述活塞与所述流动单元之间；

设置在所述换能器杆上且构造成接合所述流动单元的开孔的螺母；以及

设置在所述活塞与所述螺母之间的缓冲垫圈。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述缓冲垫圈构造成减小当所述换能器系统安装在流动单元中时背对过程流体的所述活塞的表面与当所述换能器系统安装在流动单元中时面朝过程流体的所述螺母的表面之间的噪声耦合。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，当所述换能器系统安装在流动单元中时，没有所述换能器头部或所述换能器杆的部分接触所述缓冲垫圈、所述螺母或所述流动单元。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：

所述第一组声缓冲元件包括沿所述换能器杆的长度与彼此间隔开一定距离的第一O形环和第二O形环；以及

所述第二组声缓冲元件包括沿所述活塞的长度与彼此间隔开一定距离的第一O形环和第二O形环。

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