CN116368357A

CN116368357A - 超声波流量计流控制

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Publication number: CN116368357A
Application number: CN202180068989.8A
Authority: CN
Inventors: J·L·路斯; G·W·普利; B·L·斯沃普; A·D·斯普利特
Original assignee: Woodward Inc
Current assignee: Woodward Inc
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2021-08-06
Publication date: 2023-06-30
Also published as: WO2022032159A1; US20220042836A1; US20220042835A1; WO2022032157A1; US20240337517A1; US11885655B2; EP4193127A1; EP4193128A1

Abstract

本说明书的主题可以尤其体现在一种流体流调节装置中，所述流体流调节装置包括：线性流体导管，该线性流体导管具有第一管状本体，该第一管状本体限定主轴线并且从导管入口延伸到与导管入口相对布置的导管出口，并且被配置成具有预先确定的流动几何形状以限定沿着主轴线的线性流体流动路径；流体入口，该流体入口与线性流体流动路径不平行；第一流体流调节器，该第一流体流调节器被配置为接收流体流、调节流体流并且沿着主轴线沿着所述线性流体流动路径重新定向经调节的流体流；第二流体流调节器，该第二流体流调节器被配置为接收来自沿着主轴线的线性流体流动路径的流体流、重新定向流体流远离线性流体流动路径并且调节流体流。

Description

超声波流量计流控制

优先权声明

本申请要求于2020年8月7日提出申请的美国临时申请第63/062,681号和于2021年3月17日提出申请的美国临时申请第63/162，163号的优先权，这些美国临时申请的全部内容在此以引用方式并入。

技术领域

本说明书涉及超声波流体质量流量传感器。

背景技术

流体测量设备用于流体控制系统的表征和操作。随着流量测量设备的动态带宽、流量范围、精度和可靠性的提高，此类设备的潜在应用前景变宽。高动态带宽流量计可以充当控制系统反馈传感器用于提高燃料系统中的稳态和/或瞬态精度。超声波流量计(USFM)是可以用于实现飞行器涡轮系统的经过验证的工业技术。

现有飞行时间超声波流量计用于赛车和汽车行业、管线监护输送、工业流量测量以及许多其他应用中。然而，许多这些应用包含稳态流动条件，并且其相应的应用允许体积流量测量。在诸如飞行器燃气涡轮发动机应用的其他应用中，燃料输送系统的流体环境条件提出重大设计挑战。

在燃料流量计(主要元件)领域中，对燃料的流动调节对于进入和离开流量计的燃料流动的可控性来说是必需的，以实现所期望的流量计性能、精度和足够调节比。作为流体动力学的一般经验法则，对于给定直径的管道，在扰动之后，可能需要10或以上长度的笔直管道才能使得流体流稳定(例如，约10或更大的长度直径比L/D)。

发明内容

总体而言，此文档描述超声波流体质量流量传感器。

在第一实例中，一种流体流调节装置包括：线性流体导管，所述线性流体导管具有限定主轴线并从导管入口延伸到与所述导管入口相对布置的导管出口的第一管状本体，并且被配置成具有预先确定的流动几何形状以限定沿着所述主轴线的线性流体流动路径；流体入口，所述流体入口限定与所述线性流体流动路径不平行的入口流体流动路径；第一流体流调节器，所述第一流体流调节器具有与所述流体入口流体连通的第一调节器入口，以及与所述导管入口流体连通的第一调节器出口，并且被配置成接收沿着所述入口流体流动路径通过所述第一调节器入口的流体流、通过所述第一调节器入口调节流体流并重新定向经调节的流体流远离所述入口流体流动路径并沿着沿所述主轴线的所述线性流体流动路径通过所述第一调节器出口；第二流体流调节器，所述第二流体流调节器具有与所述导管出口流体连通的第二调节器入口，以及第二调节器出口，并且被配置成接收来自沿着所述主轴线的所述线性流体流动路径的流体流、重新定向流体流远离所述线性流体流动路径并沿着与所述线性流体流动路径不平行的出口流体流动路径通过所述第二调节器出口并通过所述第二调节器出口调节流体流；以及流体出口，所述流体出口被配置成接收来自所述第二调节器出口的流体流。

在根据实例1的第二实例中，所述第一流体流调节器包括在第一纵向端部和与所述第一纵向端部相对的第二纵向端部之间延伸的第二管状本体，其中所述第一调节器入口沿着所述第二管状本体布置，并且所述第二纵向端部限定所述第一调节器出口。

在根据实例2的第三实例中，所述第一调节器入口包括径向穿过所述第二管状本体限定的多个端口。

在根据实例2或3的第四实例中，所述装置还包括布置在所述第一纵向端部的近侧的传感器装置。

在根据实例4的第五实例中，所述传感器装置包括超声波换能器装置，所述超声波换能器装置被配置为沿着所述线性流体流动路径发射和接收超声波信号。

在根据实例4或5的第六实例中，该传感器装置包括：传感器壳体，所述传感器壳体具有限定传感器轴线和轴向内部传感器壳体腔的内表面，所述传感器壳体包括：第一轴向传感器壳体部分，其具有垂直于传感器轴线的第一横截面积，第二轴向传感器壳体部分，所述第二轴向传感器壳体部分沿着所述传感器轴线邻近所述第一轴向传感器壳体部分布置，并且具有垂直于所述传感器轴线的大于所述第一横截面积的第二横截面积，以及从所述第一轴向传感器壳体部分的内表面延伸到所述第二轴向传感器壳体部分的内表面的面；缓冲杆，所述缓冲杆具有第一轴向端部和与所述第一轴向端部相对的第二轴向端部，并且所述缓冲杆包括第一轴向缓冲部分，所述第一轴向缓冲部分布置在所述第一轴向传感器壳体部分内并且包括所述第一轴向端部，第二轴向缓冲部分，其布置在所述第二轴向传感器壳体部分内并且邻接所述面，并且包括第二轴向端部，以及第三轴向缓冲部分，所述第三轴向缓冲部分在第一轴向缓冲部分和第二轴向缓冲部分之间轴向延伸，并且具有垂直于传感器轴线的小于第一横截面积的第三横截面积；限定在内表面和第三轴向缓冲部分之间的腔；以及声学地配合到第一轴向端部的声收发器元件。

在根据实例1至6中的任何一个实例的第七实例中，所述第二流体流调节器包括在第一纵向端部和与所述第一纵向端部相对的第二纵向端部之间延伸的第二管状本体，其中所述第二调节器出口沿着所述第二管状本体布置，并且所述第一纵向端部限定所述第二调节器入口。

在根据实例7的第八实例中，其中第二调节器出口包括径向穿过第二管状本体限定的多个端口。

在根据实例7或8的第九实例中，所述装置还包括布置在所述第二纵向端部附近的传感器装置。

在根据实例9的第十实例中，所述传感器装置包括超声波换能器装置，所述超声波换能器装置被配置成沿着线性流体流动路径发射和接收超声波信号。

在根据实例1至10中的任一实例的第十一实例中，所述线性流体导管被配置为阻尼超声波声信号。

在根据实例1至11中的任一实例的第十二实例中，线性流体导管包括具有第一预先限定的几何形状的管状外部壳体和同心地布置在管状外部壳体内并限定预先确定的流动几何形状的可移除的内部壳体。

在第十三实例中，一种流体流调节的方法包括：接收沿着第一流体流动路径流动的流体流；通过使所述流体流流过第一流体流调节器的第一调节器入口来调节所述流体流；通过所述第一流体流调节器远离所述第一流体流动路径并朝向线性流体流动路径重新定向所述流体流；使所述流体流沿着所述线性流体流动路径流过第一调节器出口；使所述流体流沿着所述线性流体流动路径流过流体导管，所述流体导管具有从导管入口延伸到与所述导管入口相对布置的导管出口的第一管状本体，并且被配置成具有预先确定的流动几何形状；使所述流体流沿着所述线性流体流动路径流过第二流体流调节器的第二调节器入口；通过所述第二流体流调节器远离所述线性流体流动路径并朝向第二流体流动路径重新定向所述流体流；通过使所述流体流流过所述第二流体流调节器的第二调节器出口来调节所述流体流。

在根据实例13的第十四实例中，所述方法进一步包括：沿着所述线性流体流动路径发射超声波信号通过所述第一调节器出口、所述流体导管和所述第二调节器入口；通过所述第二调节器入口接收所述超声波信号；以及基于所述所接收的超声波信号确定所述流体流的质量流率和体积流率中的至少一者。

在根据实例13或14的第十五实例中，所述第一流体流调节器包括在第一纵向端部和与所述第一纵向端部相对的第二纵向端部之间延伸的第二管状本体，其中所述第一调节器入口沿着所述第二管状本体布置，并且所述第二纵向端部限定所述第一调节器出口。

在根据实例15的第十六实例中，所述第一调节器入口包括径向穿过所述第二管状本体限定的多个端口，并且通过使所述流体流流过第一流体流调节器的第一调节器入口来调节所述流体流进一步包括使所述流体流流过所述多个端口。

在根据实例15或16的第十七实例中，所述方法进一步包括进行如下中的至少一者：通过超声波换能器发射和接收沿着所述线性流体流动路径通过所述第一调节器出口和所述流体导管的超声波信号，其中所述第一流体流调节器进一步包括布置在所述第一纵向端部的近侧的所述超声波换能器。

在根据实例13至17中的任何一个实例的第十八实例中，所述第二流体流调节器包括在第一纵向端部和与所述第一纵向端部相对的第二纵向端部之间延伸的第二管状本体，其中所述第二调节器出口沿着所述第二管状本体布置，并且所述第二调节器入口被布置在所述导管出口的近侧。

在根据实例18的第十九实例中，所述第二调节器出口包括多个端口，所述多个端口被限定为径向地穿过所述第二管状本体，并且通过使流体流过第二流体流调节器的第二调节器出口来调节流体流还包括使所述流体流流过所述多个端口。

在根据实例18或19的第二十实例中，所述方法进一步包括进行如下中的至少一者：通过超声波换能器发射和接收沿着所述线性流体流动路径通过所述第二调节器出口和所述流体导管的超声波信号，其中所述第二流体流调节器进一步包括布置在所述第二纵向端部的近侧的所述超声波换能器。

在实例性实施例中，一种流体流调节装置包括：线性流体导管，所述线性流体导管具有限定主轴线并从导管入口延伸到与所述导管入口相对布置的导管出口的第一管状本体，并且被配置成具有预先确定的流动几何形状以限定沿着所述主轴线的线性流体流动路径；流体入口，所述流体入口限定与所述线性流体流动路径不平行的入口流体流动路径；第一流体流调节器，所述第一流体流调节器具有与所述流体入口流体连通的第一调节器入口，以及与所述导管入口流体连通的第一调节器出口，并且被配置成接收沿着所述入口流体流动路径通过所述第一调节器入口的流体流、通过所述第一调节器入口调节流体流并重新定向经调节的流体流远离所述入口流体流动路径并沿着沿所述主轴线的所述线性流体流动路径通过所述第一调节器出口；第二流体流调节器，所述第二流体流调节器具有与所述导管出口流体连通的第二调节器入口，以及第二调节器出口，并且被配置成接收来自沿着所述主轴线的所述线性流体流动路径的流体流、重新定向流体流远离所述线性流体流动路径并沿着与所述线性流体流动路径不平行的出口流体流动路径通过所述第二调节器出口并通过所述第二调节器出口调节流体流；以及流体出口，所述流体出口被配置成接收来自所述第二调节器出口的流体流。

各种实施例可以包括以下特征中的一些、全部特征，或者不包括以下特征。所述第一流体流调节器可以包括在第一纵向端部和与所述第一纵向端部相对的第二纵向端部之间延伸的第二管状本体，其中所述第一调节器入口沿着所述第二管状本体布置，并且所述第二纵向端部限定所述第一调节器出口。所述第一调节器入口可以包括径向穿过所述第二管状本体限定的端口的集合。所述流体流调节装置可以包括布置在所述第一纵向端部的近侧的传感器装置。所述传感器装置可以包括超声波换能器装置，所述超声换能器装置被配置成沿着所述线性流体流动路径发射和接收超声波信号。该传感器装置可包括：传感器壳体，该传感器壳体具有限定传感器轴线以及轴向内部传感器壳体腔的内表面，该传感器壳体包括：第一轴向传感器壳体部分，该第一轴向传感器壳体部分具有垂直于传感器轴线的第一横截面积，第二轴向传感器壳体部分，所述第二轴向传感器壳体部分沿着所述传感器轴线与所述第一轴向传感器壳体部分相邻布置，并且具有垂直于传感器轴线的大于所述第一横截面积的第二横截面积，以及从所述第一轴向传感器壳体部分的所述内表面延伸到所述第二轴向传感器壳体部分的所述内表面的面；缓冲杆，所述缓冲杆具有第一轴向端部和与所述第一轴向端部相对的第二轴向端部，并且包括第一轴向缓冲部分，所述第一轴向缓冲部分布置在所述第一轴向传感器壳体部分内并且包括所述第一轴向端部，第二轴向缓冲部分，其布置在所述第二轴向传感器壳体部分内并且邻接所述面，并且包括所述第二轴向端部，以及第三轴向缓冲部分，其在所述第一轴向缓冲部分和所述第二轴向缓冲部分之间轴向延伸，并且具有垂直于所述传感器轴线的小于所述第一横截面积的第三横截面积；限定在所述内表面和所述第三轴向缓冲部分之间的腔；以及声学地配合到所述第一轴向端部的声收发器元件。第二流体流调节器可以包括在第一纵向端部和与第一纵向端部相对的第二纵向端部之间延伸的第二管状本体，其中第二调节器出口沿着第二管状本体布置，并且第一纵向端部限定第二调节器入口。第二调节器出口可以包括径向穿过第二管状本体限定的端口的集合。流体流调节装置可以包括布置在第二纵向端部的近侧的传感器装置。传感器装置可包括超声波换能器装置，该超声波换能器装置被配置成沿着线性流体流动路径发射和接收超声波信号。线性流体导管可被配置成阻尼超声波声信号。线性流体导管可以包括具有第一预先限定的几何形状的管状外部壳体，以及同心地布置在管状外部壳体内并限定预先确定的流动几何形状的可移除的内部壳体。

在实例性实施方案中，一种流体流调节的方法包括：接收沿着第一流体流动路径流动的流体流；通过使所述流体流流过第一流体流调节器的第一调节器入口来调节所述流体流；通过所述第一流体流调节器远离所述第一流体流动路径并朝向线性流体流动路径重新定向所述流体流；使所述流体流沿着所述线性流体流动路径流过第一调节器出口；使所述流体流沿着所述线性流体流动路径流过流体导管，所述流体导管具有从导管入口延伸到与所述导管入口相对布置的导管出口的第一管状本体，并且被配置成具有预先确定的流动几何形状；使所述流体流沿着所述线性流体流动路径流过第二流体流调节器的第二调节器入口；通过所述第二流体流调节器远离所述线性流体流动路径并朝向第二流体流动路径重新定向所述流体流；以及通过使所述流体流流过所述第二流体流调节器的第二调节器出口来调节所述流体流。

各种实施方案可以包括以下特征中的一些、全部特征，或者不包括以下特征。所述方法可以包括：沿着所述线性流体流动路径发射超声波信号通过所述第一调节器出口、所述流体导管和所述第二调节器入口；通过所述第二调节器入口接收所述超声波信号；以及基于所述所接收的超声波信号确定所述流体流的质量流率和体积流率中的至少一者。所述第一流体流调节器可以包括在第一纵向端部和与所述第一纵向端部相对的第二纵向端部之间延伸的第二管状本体，其中所述第一调节器入口沿着所述第二管状本体布置，并且所述第二纵向端部限定所述第一调节器出口。第一调节器入口可以包括径向地穿过第二管状本体限定的端口的集合，并且通过流过第一流体流调节器的第一调节器入口来调节流体流可以包括使流体流流过所述端口的集合。该方法可以包括进行如下中的至少一者：通过超声波换能器发射和接收沿着线性流体流动路径通过第一调节器出口和流体导管的超声波信号，其中第一流体流调节器还包括布置在第一纵向端部近侧的超声波换能器。第二流体流调节器可以包括在第一纵向端部和与第一纵向端部相对的第二纵向端部之间延伸的第二管状本体，其中第二调节器出口沿着第二管状本体布置，并且第二调节器入口布置在导管出口的近侧。第二调节器出口可以包括径向地穿过第二管状本体限定的端口的集合，并且通过使流体流过第二流体流调节器的第二调节器出口来调节流体流还包括使流体流流过所述端口的集合。该方法可包括进行如下中的至少一者：由超声波换能器发射和接收沿着线性流体流动路径通过第二调节器出口和流体导管的超声波信号，其中第二流体流调节器还包括布置在第二纵向端部的近侧的超声波换能器。

此处描述的系统和技术可以提供以下优点中的一者或多者。首先，系统可以针对宽流体温度范围提供经改善的环境生存能力。其次，所述系统可以针对宽流体压力范围提供经改善的环境生存能力。第三，所述系统可以针对恶劣流体提供经改善的环境生存能力。第四，所述系统可以提供一体的流体密度感测。第五，所述系统可能相对不受流体流动动力学(例如，漩涡、涡流、不稳定性)的影响。第六，所述系统可以以100Hz或更高的更新率使用，同时维持精度。第七，所述系统可以提供增加的流量计精度。第八，所述系统可以提供经改善的传感器可靠性。

在附图和以下描述中阐述一个或多个实施方案的细节。根据说明书和附图并且根据权利要求书，其他特征和优点将显而易见。

附图说明

图1是实例性超声波流量测量系统的横截面图。

图2A是图1的系统的实例性超声波传感器模块的横截面图。

图2B示出了图2A的实例性超声波传感器模块中的反射表面区域的构思实例。

图3示出了图2A的模块中的入射波传播的构思实例。

图4示出了图2A的模块中的流体压力减轻的构思实例。

图5A-图5C示出了超声波流量测量系统中的入射波穿越的构思实例。

图6A和图6B是示出图1的超声波流量测量系统中的实例性入射波和回波的曲线图。

图7是示出用于确定流体反射系数的过程的实例的流程图。

图8是示出用于确定流体质量流量的过程的实例的流程图。

图9是示出用于抵抗流体暴露对图2A的模块的声换能器的影响的过程的实例的流程图。

图10是通用计算机系统的实例的示意图。

图11是实例性基线超声波流量测量系统的横截面图。

图12是具有流动插入物的实例性超声波流量测量系统的横截面图。

图13A是具有流调节器的实例性超声波流量测量系统的横截面图。

图13B是实例性流调节器配置的圆柱投影视图。

图14A是具有流调节器的另一实例性超声波流量测量系统的横截面图。

图14B是另一实例性流调节器配置的圆柱投影视图。

图15A是具有流调节器的另一实例性超声波流量测量系统的横截面图。

图15B是实例性入口流调节器配置的圆柱投影视图。

图15C是实例性出口流调节器配置的圆柱投影视图。

图16A是具有流调节器的另一实例超声波流量测量系统的横截面图。

图16B是实例性入口流调节器配置的圆柱投影视图。

图16C是实例性出口流调节器配置的圆柱投影视图。

图17是通过图11-图16C的实例超声波流量测量系统的流体流的实例计算流体动力学模型的集合。

图18是另外的实例性出口流调节器配置的圆柱投影视图的集合。

图19是示出用于调节实例性超声波流量测量系统中的流体流的过程的实例的流程图。

具体实施方式

此文档描述超声波流体质量流量传感器(USFM)系统，以及用于测量流体的流体流动特性的技术。总体而言，在此系统中描述的USFM系统可以在将使现有USFM系统降级或毁坏现有USFM系统的流体环境中使用。燃料输送系统的流体环境条件可能提出重大设计挑战。对于当前最新水平的飞行器和其他燃气涡轮发动机应用，将期望针对此类应用部署的超声波换能器承受高流体压力(例如，0psi至4000psi或更高)和大范围的流体温度，包括高流体温度(例如，-65华氏度或更低至325华氏度或更高)。

这些温度和压力远比在工业流体、蒸汽或管线监护输送应用中通常遇到的压力和温度更具挑战性。为在此类应用中保持有效，湿式换能器还必须不会因在高温和/或压力下长期浸入诸如飞行器燃料和/或添加剂的腐蚀性流体中而降级。在此文档中描述的USFM系统包括提高USFM在此类条件下的生存能力的特征。

在基于飞行时间、互关联和相移的现有工业和监护输送USFM系统中，测量结果具有由流量测量体积内的流动速度范围或调节比确定的精度限制。例如，低流量条件期间，上游和下游测量结果之间的差异可能太不灵敏而无法维持目标精度。在高流量条件期间，测量精度可能受到通常由声学路径相对于流、流分离和/或非轴对称流动条件的离轴(off-axis)引起的流动不稳定性的影响。离轴换能器配置还可能导致灵敏度和精度问题。当波沿对角地通过流时，圆形换能器(round transducer)可能强加不均匀超声波场，从而降低精度。在超声波束小于流动横截面的现有USFM系统中，完整流动剖面(flow profile)未被声穿透，并且因此必须通常借助单个K因子校正值或借助针对使用多个声波路径的USFM系统(诸如在天然气监护输送应用中)的复杂系数矩阵对其进行估计。在现有的USFM设计中，当流态不稳定或者从层流显著变成湍流时，流量测量精度可能难以在大调节比内维持。例如，一些现有的工业USFM系统在维持精度的同时具有不超过50∶1的实际调节比，甚至在应用管道系统和流动调节被理想地执行时也是如此。相比之下，燃气涡轮燃料系统可能需要为大致100∶1、在一些应用的情况下超过350：1或以上的显著更高调节比。另外，燃气涡轮流量测量系统必须能够维持动态精度，更新率为100Hz或以上。

质量流量对于燃烧过程维持安全和可操作的燃料空气比至关重要。过量的燃料空气比可能导致压缩机喘振或超温事件(过热事件)。相反地，过量的空气燃料比可能导致压缩机爆裂。这些事件中的任一者都可能不利于燃气涡轮性能，并且因此是燃气涡轮发动机设计的关键设计驱动因素。另外，一些应用(诸如燃气涡轮发动机)被设计成在不同压力和温度下以各种燃料类型操作。

一个重要变量(尤其是在飞行器燃气涡轮应用中)是燃料比重随燃料类型和温度的变化。在一些应用中，预期燃料比重可以在预期温度范围和可用燃料类型中变化大约25％。燃料密度的宽范围(如果未知)将针对给定体积流率驱动宽范围的质量燃料流量。此可变性可能导致质量空气与燃料流量的比的大变化，从而使发动机设计在整个环境范围内低效，从而产生过大的发动机、保守的加速和/或减速调度、过大的喘振裕度和/或过大的爆裂裕度。

图1是超声波流量测量(USFM)系统100的实例的横截面图。USFM系统100包括流体壳体110和两个超声波传感器模块200。流体壳体110包括由内表面121a限定的轴向流体壳体腔120a，以及由内表面121b限定的轴向流体壳体腔120b。流体端口122a限定连接到流体腔120a的流体路径124a。流体端口122b限定连接到流体腔120b的流体路径124b。流体壳体110还限定在流体腔120a与流体腔120b之间延伸的腔126。

流体壳体110还包括限定沿着导管轴线134的流体路径132的流体控制导管130。流体控制导管130流体地连接流体腔120a和流体腔120b，从而使流体腔120a与流体腔120b流体连通。流体控制导管130具有预先确定的可流动区域136和形状(例如，正方形、锥形和/或弯曲边缘、平行或锥形壁以影响流体流动行为)。在一些实施方案中，流体壳体110可以在许多应用中使用，并且流体控制导管130可以是可互换的专用子部件(例如，适配器)，其可以使USFM系统100适于特定流体类型、应用和/或操作条件。

现在参考图2A，示出图1的系统的实例性超声波传感器模块200的放大横截面图。超声波传感器模块200包括传感器壳体202，传感器壳体202具有由内表面207限定的轴向内部传感器壳体腔204和传感器轴线206。当超声波传感器模块200组装到图1的流体壳体110时，传感器轴线206基本上与导管轴线134对准。传感器壳体202具有轴向传感器壳体部分208a，轴向传感器壳体部分208a具有垂直于传感器轴线206的横截面积209a。传感器壳体202还具有轴向传感器壳体部分208b，轴向传感器壳体部分208b具有垂直于传感器轴线206的横截面积209b。横截面积209b在尺寸上大于横截面积209a。面210从轴向传感器壳体部分208a的内表面207延伸到轴向传感器壳体部分208b的内表面208。在所图示的实例中，面210在横截面积209a与横截面积209b之间的过渡处形成为大致正方形凸肩或台肩。在一些实施例中，面210可以是横截面积209a与横截面积209b之间的锥形或其他非方形过渡。

超声波传感器模块200还包括声收发器元件230。声收发器元件230被配置成在通电时以预先确定的波长(λ)发射声振动(例如，超声波)。在一些实施例中，单独的声驱动器和声接收器可以被实现为声收发器元件230。在一些实施例中，声收发器元件230还可以被配置成检测所接收的声振动。在一些实施例中，声收发器元件230可以是压电元件。

声收发器元件230通过结合层232与缓冲杆250的轴向端部252声学配合或以其他方式邻接。在一些实施例中，结合层232可以是粘合剂层。在一些实施例中，缓冲杆可以由任何合适的材料或材料组合制成，所述材料在与匹配的层材料组合时可以提供适当的声阻抗比率以提高或最大化测量灵敏度，具有成本效益，可以在合理的制造公差内制作，和/或在预期的应用环境中提供良好机械和化学相容性。缓冲杆材料的实例包括钛合金、奥氏体不锈钢、铝、硼硅酸盐玻璃、熔融(例如，非晶)石英和技术陶瓷(例如，AlN、Al₃O₃、SiN和掺和物)。

在一些实施例中，可以省略结合层232，其中声收发器元件230与轴向端部252直接接触。例如，声收发器元件230可以通过机械夹具或其他合适的固定组件保持在适当位置，或者声收发器元件230可以通过形成在内表面207中的固定特征保持在适当位置。在一些实施例中，结合层232可以由高延展性材料形成，所述高延展性材料是诸如金或铅，其可以与声收发器元件230和轴向端部252的配合面一致(共形，conform)。

声收发器元件230由背衬234支撑。背衬234具有预先确定的形式并且由提高声收发器元件230的灵敏度和/或效率的材料制成。

缓冲杆250沿着传感器轴线206从轴向端部252延伸到与轴向端部252相对的轴向端部254。缓冲杆250具有约为声收发器元件230的发射波长的一半的整数倍(n/2λ)的预先确定的轴向长度。缓冲杆250包括布置在轴向传感器壳体部分208a内并且包括轴向端部252的轴向缓冲部分256a。缓冲杆250包括布置在轴向传感器壳体部分208b内并且包括轴向端部254的轴向缓冲部分256b。在一些实施例中，轴向缓冲部分256b可以直接或间接(例如，通过密封件、套筒或结合材料)接触内表面以基本上密封传感器腔204以防轴向端部254处的流体入侵。

缓冲杆250还包括在轴向缓冲部分256a与轴向缓冲部分256b之间轴向延伸的轴向缓冲部分256c。轴向缓冲部分256c具有横截面积209c，横截面积209c小于垂直于传感器轴线206的横截面积209a。腔260限定在内表面207与轴向缓冲部分256c之间。腔260部分由限定在轴向缓冲部分256a与轴向缓冲部分256c之间的面262限定。面262距轴向端部252预先确定的距离。参考图2B，横截面积209a约为横截面积209c的两倍大。换句话说，轴向缓冲部分256c内的面积约与面262的面积相同。

缓冲杆250具有预先确定的声阻抗(Z_buffer)。在所图示的实例中，腔260填充有空气(例如，空气间隙)、流体(例如，油)或固体，其具有与缓冲杆250的声阻抗完全不同的声阻抗以在被声波(例如，超声波声脉冲(ultrasonic ping))撞击时反射声学回声。在一些实施例中，腔260被抽空以形成至少部分真空。

在所图示的实例中，轴向缓冲部分256a是部分锥形的，并且由包层270覆盖。所述锥形具有预先确定的形状，其被配置成通过定向入射波的传播来提高超声波传感器模块200的效率和/或灵敏度。包层270被配置成通过定向入射波的传播、使缓冲杆250与传感器壳体202声学隔离和/或使缓冲杆250与传感器壳体202热隔离来提高超声波传感器模块200的效率和/或灵敏度。在一些实施例中，可以省略所述锥形、包层或两者。在一些实施例中，缓冲杆250的其他部分可以包括包层。

再次参考图2A，超声波传感器模块200包括匹配层280，其与缓冲杆250的轴向端部252声学配合、固接到缓冲杆250的轴向端部252或以其他方式与缓冲杆250的轴向端部252邻接。在一些实施例中，匹配层280可以附着到轴向端部252。在一些实施例中，匹配层280的若干部分可以延伸到传感器壳体202并且固接(例如，焊接)到传感器壳体202。在其中匹配层280固接到传感器壳体202的一些实施例中，匹配层280与传感器壳体202之间的接头可以基本上密封传感器腔204以防轴向端部254处的流体入侵。匹配层280具有约为声收发器元件230的发射波长的整数奇数倍(n/4λ)、例如1/4λ的轴向厚度。

再次参考图1，两个超声波传感器模块200跨越流体控制导管130面向彼此。超声波传感器模块200的声换能器元件分开预先确定的距离150。

USFM系统100包括控制器190。控制器190包括电路系统，所述电路系统被配置成激活超声波传感器模块200以致使发射声入射波、检测声波在超声波传感器模块200处的接收、测量直接声波和所反射的声波的各种组合的发射和接收之间的定时和/或部分基于那些所测量的定时确定USFM系统100和/或流体的各种性质，如将在图3-图9的描述中进一步论述的。

在使用中，流体流过USFM系统100。例如，诸如燃料的流体可以提供在流体端口122a处，在那里，其将沿着流体路径124a流入流体腔120a。流体围绕超声波传感器模块200流到流体控制导管130。流体沿着流体路径132流过流体控制导管130，并且然后围绕超声波传感器模块200流到流体腔120b。流体然后沿着流体路径124b流出流体端口122b。如将在图3-图9的描述中进一步论述的，保护超声波传感器模块200免于直接暴露至流体，并且使用超声波传感器模块200来发射声波通过流体以确定流体的性质，诸如声阻抗、体积流量和质量流量。

图3示出图2A的超声波传感器模块200中的入射波传播的构思实例。在使用中，激活声收发器元件230以发射入射波(例如，声脉冲)。所述入射波被传输到缓冲杆250中并沿着缓冲杆250传输。由箭头310表示的入射波的一部分行进，直到其遇到面262。面262和腔260的接合致使入射波310的一部分被反射为由箭头320表示的回波。回波320行进回来以便由声收发器元件230检测。在一些实施例中，超声波传感器模块200可以包括单独的声发射机和接收器用于入射波的发射和检测。

由箭头330表示的入射波的另一部分行进，直到其遇到轴向端部254。轴向端部和轴向端部254处的流体301的接合致使入射波330的一部分被反射为由箭头340表示的回波。回波340行进回来以便由声收发器元件230检测。由箭头350表示的入射波的另一部分在轴向端部254处传播到流体301中。

测量(例如，通过图1的实例性控制器190)入射波的发射与回波320的检测之间的时间以确定第一飞行时间。测量入射波的发射与回波320的检测之间的时间以确定第二飞行时间。还测量回波320和回波340的振幅。如将在图6A-图7的描述中进一步论述的，可以使用所测量的飞行时间、所测量的回波振幅和关于缓冲杆250的声阻抗的预先确定的信息以及声收发器元件230、面262和轴向端部254之间的预先确定的距离来确定轴向端部254处的流体301的性质，诸如声阻抗(Z_fluid)和/或声音在流体中的速率(C_fluid)。

在一些实施方案中，超声波传感器模块200可以用于除USFM系统100以外的应用中。例如，超声波传感器模块200可以与流体接触(例如，附接到或浸没在罐、管道或其他流体器皿或体积中)，并且可以作为用于确定流体的声阻抗、声音在流体中的速率和/或流体的流体密度的过程的一部分进行声处理(sonified)。

在一些实施方案中，可以基于所测量的飞行时间和/或所测量的回波振幅确定缓冲杆250自身的特性(例如，以校准未知的缓冲杆声阻抗和/或补偿温度变化对超声波传感器模块200的影响)。类似地，在一些实施方案中，可以基于所测量的飞行时间、所测量的回波振幅、已知距离、已知的缓冲杆声阻抗和/或已知的缓冲杆温度确定声收发器元件230与面262和/或轴向端部254中的一者或两者之间的距离。

图4示出图2A的超声波传感器模块200中的流体压力减轻的构思实例。在使用中，超声波传感器模块200至少部分暴露至轴向端部254处的流体301。在一些实施例中，流体301的温度或化学性质可能损坏声收发器元件230，因此，超声波传感器模块200被配置成防止流体301与声收发器元件230直接接触。例如，轴向缓冲部分256b与轴向传感器壳体部分208b之间和/或缓冲杆250与面210之间的直接或间接(例如，通过垫片、套筒、包层、密封件或密封剂)接触可以基本上阻止流体从轴向端部254流到声收发器元件230。在一些实施方案中，通过缓冲杆250获得的流体渗流可以被定向到传感器腔204、而不接触声收发器元件230的主要面。

在使用中，超声波传感器模块200至少部分暴露至轴向端部254处的由箭头410表示的流体压力。流体压力410相对于由声收发器元件230所使用的声信号引起的动态压力是静态流体压力。在一些实施例中，流体压力410的直接或间接(例如，通过缓冲杆250)施加可能对声收发器元件230产生压缩力，所述压缩力可以抵消或以其他方式负面地影响由声收发器元件230响应于所感测的声信号提供的信号。在一些实施方案中，可以通过数学方法或者通过电偏移传感器信号来补偿这种影响，以便恢复真实信号的近似值。

超声波传感器模块200被配置成防止流体压力410影响声收发器元件230。例如，声收发器元件230与轴向端部252声学配合。由此，声收发器元件230能够相对于传感器壳体202“浮动”在缓冲杆250上并且不会变得被流体压力410压缩。

还通过缓冲杆250和传感器壳体202的机械配置保护声收发器元件230免受流体压力410的影响。流体压力410被施加到轴向端部254，这促使缓冲杆250移动到传感器腔204中。促使这种移动的此压力由箭头420表示。通过轴向缓冲部分256b与传感器壳体202的面210之间的接触(如由箭头430表示)防止缓冲杆250的移动。由此，防止力420到达声收发器元件230。

较小大小的横截面积209a被定大小成容纳声收发器元件230并使传感器壳体202的热膨胀与声学路径解耦。较大大小的横截面积209b被定大小成容纳作用在缓冲杆250上的压力引发的力。将力传递到传感器壳体202中基本上消除压力引发的力作用在声收发器元件230上，基本上消除需要压力补偿、被定大小成对压力引发的力作出反应的换能器部件和/或湿式换能器设计约束。

通过使声收发器元件230与流体压力环境解耦，观察到数个优点。例如，不需要声收发器元件230的流体/燃料相容性。在另一实例中，声收发器元件230频率不受由压力引发的力驱动的厚度要求的限制。在其中声收发器元件230是压电换能器的另一实例中，支持流体压力所需的压电厚度使声收发器元件230的操作频率远低于飞行时间测量的操作要求。在又一实例中，声收发器元件230的操作频率可以被定大小成提高声学优化和/或低流量测量精度。

图5A-图5C示出超声波流量测量系统500中的入射波穿越的构思实例。在一些实施方案中，USFM系统500可以是图1的USFM系统100的实例。USFM系统500包括两个声发射机510a和510b、两个声接收器512a和512b，以及流体控制导管520。流体沿由箭头501表示的方向沿着流体控制导管520流动。

以下推导假设声接收器512a和512b垂直于流体控制导管520的主轴线与其相应声发射机510a和510b对准。因此，以下推导省略入射角。如果声发射机510a、510b和声接收器512a、512b离轴放置，则可以使用入射角重新推导以下推导。然而，为简单起见，此处不使用用于补偿此类角度的三角学(trigonometry)。

参考图5A，首先，考虑声音行进通过不移动流体的速率：

距离＝速度×时间

或者：

长度(L)＝声音在流体中的速率(C_fluid)×时间(t)

∴L₁＝C_fluid×t₁

其中Cfuel是声音在流体中的速率，L₁是声发射器510a与声接收器512a之间的距离，并且t₁是声发射器510a与声接收器512a之间的信号传输时间。

假设控制体积(流体)移动的方向501与从声发射器510a到声接收器512a的由线502a表示的声音行进方向相同，则声波行进通过流体的速率将相对于流体的速率改变。

∴L₂＝V₂×t₂

V₂＝V_fluid+C_fluid

∴L₂＝(V_fluid+C_fluid)t₂

其中V_fluid是移动流体的平均速度，L₂是声发射器510a与声接收器512a之间的距离，并且t₂是声发射器510a与声接收器512a之间的信号传输时间。

现在参考图5B，假设控制体积(流体)与由线502b表示的从声发射机510b到声接收器512b的声音行进方向相反。声波行进通过流体的速率将相对于流体的速率改变。

∴L₃＝V₃×t₃

V₃＝-V_fluid+C_fluid

∴L₃＝(-V_fluid+C_fluid)t₃

其中L₃是声发射机510b与声接收器512b之间的距离，并且t₃是声发射机510b与声接收器512b之间的信号传输时间。

参考图5C，对于特定的一组超声波传感器，所述设备可以发射和接收信号。这意味着，对于一对信号，共享以下特性：

L_up＝L_down＝L＝发射机之间的距离；

D＝直径∴流体控制导管520的面积；

A＝横截面积；

C_fluid＝声音在流体中的速率；

V_fluid＝流体的速度；

ρ_fluid＝流体的密度；

Z_fluid＝流体的声阻抗。

通过共享以上性质，上游与下游信号之间的时间差将允许计算各种流体特性。

上游和下游传输时间变成：

求解t_up、t_down，以及C_fluid：

由于声速在换能器之间是共同的，因此所述声速彼此相等并允许获得流体速度：

C_fluid＝C_fluid

L_downt_up-t_downt_upV_fluid＝L_upt_down+t_upt_downV_fluid

L_downt_up-L_upt_down＝t_upt_downV_fluid+t_downt_upV_fluid

L_up＝L_down

L(t_up-t_dn)＝2V_fluidt_upt_down

知道流体的速度允许确定流体体积流量(Q_fluid)，其中C_d是流体控制导管520中的流体的预先确定的排放系数：

Q_fluid＝C_d×A×V_fluid

还可以确定流体声速性质。由于流体速度在所述一对换能器之间共享，因此可以求解出流体速度。回顾：

并且：

求解t_up和t_down以得到V_fluid：

V_fluid＝(L_down-t_downC_fluid)/t_down

V_fluid＝(-L_up+t_upC_fluid)/t_up

由于流体的速度在换能器之间是共同的，因此前两个方程式彼此相等并允许求解出流体声速：

V_fluid＝V_fluid

L_downt_up-t_downt_upC_fluid＝-L_upt_down+t_upt_downC_fluid

L_downt_up+L_upt_down＝t_upt_downC_fluid+t_downt_upC_fluid

L_up＝L_down

L(t_up+t_down)＝-2C_fluidt_upt_down

图6A和6B是示出图1的超声波流量测量系统中的实例性入射波和回波的曲线图。图6A示出声振幅随时间的曲线图600，所述时间包括子持续时间601。图6B示出曲线图602，其中已经扩展子持续时间601以便可见。

曲线图600示出初始入射波610的发射的表示(例如，当声收发器元件230被激活以发送声学“声脉冲”时)。几毫秒后接收到回波620。在一些实施方案中，回波620可以是图3的回波320，其是入射波310的一部分离开腔260的面262的反射。

几毫秒后接收到回波630。在一些实施方案中，回波630可以是回波340，其是入射波330的一部分离开轴向端部254的反射，轴向端部254也是流体的界面。回波640、650和660表示缓冲杆250中的回响。在操作中，可以滤除或以其他方式忽略回波640-660。

入射波670表示由声传感器(例如，位于发射入射波的声收发器元件230下游或以其他方式与其相对的声收发器元件230)接收的入射波的一部分。入射波670到达所花费的时间量受数个变量的影响，所述变量是诸如流体密度、流率和流体在流体控制导管130中的流动方向以及距离150。入射波670所花费的时间量可以充当t_up或t_down(例如，根据所述波是在流体控制导管130中向上游还是向下游行进)。

如图4中所图示，缓冲杆250被设计成将压力引发的力传递到传感器壳体202的面210。这通过缓冲杆250的双直径构造实现，其中较小横截面积被定大小成容纳声收发器元件230并使传感器壳体202的热膨胀与声学路径解耦。轴向缓冲部分256b的较大横截面积被定大小成适应作用在缓冲杆250上的压力引发的力。将力传递到传感器壳体202中基本上消除压力引发的力作用在声收发器元件230上并且基本上消除需要(例如，压电陶瓷)压力补偿、被定大小成对压力引发的力作出反应，并且基本上避免湿式换能器设计约束。

通过使声收发器元件230与流体压力环境解耦，观察到数个优点。例如，不需要声收发器元件230的流体/燃料相容性，声收发器元件230频率不受由压力引发的力驱动的厚度要求的限制，支持流体压力所需的声收发器元件230的厚度使操作频率远低于飞行时间测量的操作要求，并且可以针对声学优化和低流量测量精度对声换能器频率定大小。

对于飞行器涡轮燃料系统，可以确定质量燃料流率以了解燃烧能量含量。这通过使用缓冲杆250求解出。缓冲杆250的内部设计实现额外声学益处，这些声学益处可以被有意地设计到USFM系统100中。例如，缓冲杆250的配置使得控制器190能够确定用于燃料声阻抗测量的反射系数。这通过引入换能器发射振幅响应(例如，回波320或620)来实现，用充当基本上理想反射器的腔260来实现，并且可以将此振幅与缓冲杆流体界面的返回回波(例如，回波340或630)进行比较。在一些实施例中，匹配层280进一步增强轴向端部254的灵敏度，然而，将忽略此以便简化以下方程式。

可以通过将回波反射有效面积设置成彼此相等(例如通过适当地配置横截面积209a和209c)来确定流体声阻抗。在一些实施方案中，所述面积可以不相等，并且可以将数学补偿集成到所述过程中。然而，为清楚起见，在以下方程式中假设所述面积相等。这实现对反射系数的直接测量。缓冲杆250内的波传播被链接(articulated)成使得，在空气中，从面262返回的回波等效于来自轴向端部254的回波。

通过使用短时傅里叶变换(STFT)获得反射系数。获得两个回波的快速傅里叶变换(FFT)以确定返回回波的峰值：

STFT→振幅＝f(频率)

因此：

其中：

Echo₁分别是图3、图6A和图6B的回波320或620中的一者，Echo₂分别是图3、图6A和图6B的回波340或630中的一者，并且f和f₀是换能器驱动频率。然后根据下式得到反射系数：

并且，假设缓冲杆250与流体或燃料直接界面接合(例如，在此情况下，无匹配层280)：

其中R是反射系数。

Z₂＝Z_fluid

Z₁＝Z_buffer

可以通过传感器级的表征确定缓冲杆250的阻抗。在已知缓冲杆阻抗并测量反射系数的情况下，现在可以求解出流体阻抗：

Z_fluid＝ρ_fluidC_fluid

根据以上方程式，求解出声音在流体中的速率。由于已知流体阻抗和流体声速，现在可以求解出流体密度。

具体地：

现在已知流体体积流量和密度，可以得到流体质量流率：

图7是示出用于确定流体反射系数的过程700的实例的流程图。在一些实施方案中，过程700可以与图1-图2B的实例性超声波传感器模块200一起使用。

在710处，激活第一发射机以发射至少一个入射波。例如，可以激活实例性声收发器元件230以发射入射波。

在720处，沿着缓冲杆传输入射波，所述缓冲杆具有与第一发射机邻接的第一轴向端部和与所述第一轴向端部相对的第二轴向端部。例如，所述入射波可以传播通过缓冲杆250。

在730处，入射波的第一回波被沿着缓冲杆的一部分限定的间隙反射。例如，入射波310的所述部分可能遇到腔260的面262并且被反射为回波320。

在740处，检测到第一回波。例如，可以检测到图6A和图6B的回波620。

在750处，确定第一回波的第一振幅。例如，可以对回波620实施FFT以确定回波620的振幅(例如，振幅A，如上所述)。

在760处，入射波的第二回波被第二轴向端部反射。例如，入射波330的所述部分作为回波340反射离开轴向端部254。在一些实施方案中，第二回波可以被固接到第二轴向端部的1/4λ匹配层(例如，轴向端部254处的匹配层280)反射。

在770处，检测到第二回波。例如，可以检测到图6A和图6B的回波630。

在780处，确定第二回波的第二振幅。例如，可以对回波640实施FFT以确定回波640的振幅(例如，振幅B，如上所述)。

在790处，可以确定基于第一振幅和第二振幅的反射系数。例如：

图8是示出用于确定流体质量流量的过程800的实例的流程图。在一些实施方案中，过程800可以与图1的实例性USFM系统100一起使用。

在805处，接收反射系数值。例如，例如，可以接收在790处确定的反射系数R。

在810处，基于所确定的反射系数和预先确定的缓冲杆声阻抗确定第二轴向端部处的流体的流体声阻抗。例如，反射系数R可以与预先确定的缓冲杆阻抗Z_buffer一起用于确定Z_fluid，如上所述。

在815处，入射波的一部分在第二轴向端部处被传输通过流体到达传感器，所述传感器距第一发射机预先确定的距离并与第一发射机相对布置，其中流体在具有预先确定的横截面积的管状流体导管内。例如，图6A的入射波670可以行进通过流体从上游的超声波传感器模块200到达下游的超声波传感器模块200。

在820处，第二传感器检测入射波的所述部分。例如，下游的超声波传感器模块200可以检测入射波670。

在825处，基于入射波的所检测部分确定入射波的所述一部分的第一飞行时间。例如，可以确定t_down。

在830处，通过第二发射机发射另一入射波通过流体到达第一传感器。例如，可以激活下游的超声波传感器模块200以向上游发射另一入射波。

在835处，第一传感器检测所述另一入射波，并且在840处，基于所检测的另一入射波确定所述另一入射波的第二飞行时间。例如，可以确定t_up。

在845处，确定流体在管状流体导管内的速度。例如，V_fluid可以被确定为：

在850处，确定流体内的声速。例如，C_fluid可以被确定为：

在855处，至少基于预先确定的横截面积、流体的所确定速度、所确定的流体声阻抗和所确定的声速确定流体质量流率。例如：

在一些实施方案中，第一发射机和第一传感器中的一者或两者可以是压电元件。在一些实施方案中，所述压电元件可以包括第一发射机和第一传感器。例如，所述发射机和传感器可以是单独的部件，或者声收发器元件230可以在超声波传感器模块200内实施发射和检测功能。

图9是示出用于抵抗流体暴露对图1-图4的实例性超声波传感器模块200的声收发器元件230的影响的过程900的实例的流程图。在910处，提供传感器。所述传感器包括传感器壳体、缓冲杆和声收发器元件，所述传感器壳体具有：限定传感器轴线以及轴向内部传感器壳体腔的内表面；具有垂直于传感器轴线的第一横截面积的第一轴向传感器壳体部分；第二轴向传感器壳体部分，所述第二轴向传感器壳体部分沿着传感器轴线相邻于第一轴向传感器壳体部分布置并且具有垂直于传感器轴线的大于第一横截面积的第二横截面积；以及从第一轴向壳体部分的内表面延伸到第二壳体部分的内表面的面，所述缓冲杆具有第一轴向端部和与所述第一轴向端部相对的第二轴向端部，并且具有：布置在第一壳体部分内并且具有第一轴向端部的第一轴向缓冲部分；布置在第二壳体部分内并邻接所述面并且具有第二轴向端部的第二轴向缓冲部分；以及第三轴向缓冲部分，所述第三轴向缓冲部分在第一轴向缓冲部分与第二轴向缓冲部分之间轴向延伸，并且具有垂直于传感器轴线的小于第一横截面积的第三横截面积，并且所述声收发器元件与所述第一端部声学配合。例如，可以提供超声波传感器模块200。

在920处，在第二轴向端部处提供流体。例如，诸如燃料的流体301可以提供在流体腔120a或120b中以便接触轴向端部254。

在930处，缓冲杆和传感器壳体阻止流体从第二端部流到声收发器元件。例如，如在图4的描述中所论述的，声收发器元件230通过传感器壳体202和缓冲杆250与流体301分离，并且通过传感器壳体202和缓冲杆250与流体301分离，传感器壳体202和缓冲杆250被配置成防止流体301流到声收发器元件230。

在一些实施方案中，可以通过传感器壳体和第二轴向缓冲部分阻挡从第二端部到声收发器元件的流体流。例如，通过传感器壳体202与轴向缓冲部分256b之间的干涉(过盈，interference)防止流体301流到声收发器元件230。

在940处，对第二轴向端部施加流体压力以对缓冲杆产生轴向力。例如，可以对轴向端部254施加流体力410。

在950处，缓冲杆将轴向力传递到传感器壳体。例如，缓冲杆250将力420传递到传感器壳体202。

在960处，传感器壳体防止轴向力传递到声收发器元件。在一些实施方案中，过程900还可以包括通过第二轴向部分将轴向力传递到所述面，其中所述面干涉缓冲杆朝向声收发器元件的轴向移动。例如，通过轴向缓冲部分256b与面210之间的接触产生的反作用力430防止缓冲杆250进入到传感器腔204中的任何移动。

图10是通用计算机系统1000的实例的示意图。系统1000可以用于与根据一个实施方案的过程700、800和/或900相关联描述的操作。例如，系统1000可以包括在控制器190中。

系统1000包括处理器1010、存储器1020、存储设备1030和输入/输出设备1040。部件1010、1020、1030和1040中的每一者使用系统总线1050互连。处理器1010能够处理供在系统1000内执行的指令。在一个实施方案中，处理器1010是单线程处理器。在另一实施方案中，处理器1010是多线程处理器。处理器1010能够处理存储在存储器1020中或存储设备1030上的指令以将用于用户界面的图形信息显示在输入/输出设备1040上。

存储器1020存储系统1000内的信息。在一个实施方案中，存储器1020是计算机可读介质。在一个实施方案中，存储器1020是易失性存储器单元。在另一实施方案中，存储器1020是非易失性存储器单元。

存储设备1030能够为系统1000提供大容量存储。在一个实施方案中，存储设备1030是计算机可读介质。在各种不同实施方案中，存储设备1030可以是软盘设备、硬盘设备、光盘设备或磁带设备。

输入/输出设备1040为系统1000提供输入/输出操作。在一个实施方案中，输入/输出设备1040包括键盘和/或定点设备。在另一实施方案中，输入/输出设备1040包括用于显示图形用户界面的显示单元。在另一实施方案中，输入/输出设备1040包括串行链路(例如，以太网、CAN、RS232、RS485、光纤)，例如，以接口连接到远程主机和/或以命令/响应协议形式或在短初始化周期(例如，＜1秒)之后以某一周期性更新率发送测量结果。在另一实施方案中，输入/输出设备1040包括到第二计算机系统或处理器的数据总线连接。

所描述的特征可以在数字电子电路系统或计算机硬件、固件、软件或其组合中实现。所述装置可以在以信息载体的形式有形地实施(例如在供由可编程处理器执行的机器可读存储设备中)的计算机程序产品中实现；并且方法步骤可以由执行指令程序的可编程处理器实施以通过处理输入数据并生成输出来实施所描述的实施方案的功能。所描述的特征可以有利地在一个或多个计算机程序中实现，这些计算机程序可在可编程系统上执行，所述可编程系统包括至少一个可编程处理器，所述可编程处理器经耦合以从数据存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出设备接收数据和指令并向其发射数据和指令。计算机程序是一组指令，其可以直接或间接地在计算机中使用以实施特定活动或产生特定结果。计算机程序可以用任何形式的编程语言编写，所述编程语言包括编译或解释型语言，并且其可以以任何形式部署，所述形式包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或适于在计算环境中使用的其他单元。

用于执行指令程序的合适处理器包括例如通用和专用微处理器，以及任何类型的计算机的唯一处理器或多个处理器中的一者。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的必需元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器。通常，计算机将还包括用于存储数据文件的一个或多个大容量存储设备或可操作地耦合以与其通信；此类设备包括磁盘(诸如内置硬盘和可换式盘)、磁光盘和光盘。适于有形地实施计算机程序指令和数据的存储设备包括所有形式的非易失性存储器，包括例如半导体存储器设备(诸如EPROM、EEPROM和闪速存储器设备)、磁盘(诸如内置硬盘和可换式盘)、磁光盘以及CD-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由ASIC(专用集成电路)补充或并入ASIC中。

为了实现与用户的交互，可以在计算机上实现这些特征，所述计算机具有用于向用户显示信息的诸如CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器的显示设备以及用户可以通过其向计算机提供输入的诸如鼠标或轨迹球的键盘和定点设备。

所述特征可以在计算机系统中实现，所述计算机系统包括后端部件(诸如数据服务器)，或者包括中间设备部件(诸如应用服务器或因特网服务器)，或者包括前端部件(诸如具有图形用户界面或因特网浏览器的客户端计算机)，或其任何组合。所述系统的所述部件可以通过诸如通信网络的任何形式或媒介的数字数据通信连接。通信网络的实例包括例如LAN、WAN以及形成因特网的计算机和网络。

所述计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离并且通常通过网络交互，所述网络是诸如所描述的网络。客户端和服务器的关系是凭借在相应计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序产生的。

图11是实例性基线超声波流量测量(USFM)系统1100的横截面图。在一些实施例中，系统1100可以是图1的实例性超声波流量测量(USFM)系统100的变型。出于比较目的，总体而言，系统1100被呈现为基线配置，具有额外流动调节特征的USFM系统(例如，在图12-图19的描述中论述的USFM系统)的数个实例可以与所述基线配置进行比较。

USFM系统1100包括流体壳体1110和两个超声波传感器模块1102。在一些实施例中，传感器模块1102可以是图1和2A的实例性超声波传感器模块200。流体壳体1110包括由内表面1121a限定的轴向流体壳体腔1120a，以及由内表面1121b限定的轴向流体壳体腔1120b。流体端口1122a限定连接到流体腔1120a的流体路径1124a。流体端口1122b限定连接到流体腔1120b的流体路径1124b。流体壳体1110还限定在流体腔1120a与流体腔1120b之间延伸的腔1126。腔1126限定沿着导管轴线1134的流体路径1132。腔1126流体地连接流体腔1120a和流体腔1120b，从而使流体腔1120a与流体腔1120b流体连通。

简要参照图17，示出了通过各种实例性超声波流量测量系统的流体流的实例性计算流体动力学(CFD)模型的集合。列1701示出了在最小流量(例如，用于特定应用的最小预期流量，诸如发动机操作所需的最小燃料流量)下的流体流的模型。列1702示出了在中间流量(例如，用于特定应用的中值预期流量)下的流体流的模型。列1703示出了最大流量(例如，特定发动机或其他应用的最大预期流量，诸如最大发动机应用燃料流量需求)下的流体流的模型。在一些实施方式中，最小流量、中间流量和最大流量可以基于100：1调节比以覆盖一些应用，并且随着应用流量要求改变，最小、中间和最大流量的定义也可以改变。

行1710示出了实例USFM 1100或USFM 1200的最小、中等和最大流量的实例模型。如行1710中所示，流在其流中呈现基本非线性(例如，未经调节的流动行为)。系统1100的设计遭受以下问题：换能器表面附近的非对称速度分布、流动体中的轴不对称、从最小到最大流量的速度分布的显著变化(例如，这可以驱动校正因子的大变化)和/或到流动体的流动附着。

回到图11，行1710中所示的实例流动行为至少部分地可归因于从流体路径1124a朝向流体路径1132的流动的重新定向，并且再次地，当沿流体路径1132的流体流朝向流体路径1124b重新定向时也是如此。

作为流体动力学的一般经验法则，在扰动之后，可能需要10或以上的长度直径比(L/D)的笔直管道才能使得流体流稳定。在一些实施例中，流动调节可以基于雷诺数(例如，Re，动态/静态粘度的比)、流动导管的内表面的粗糙度、排量系数(例如，Cd，表示流动路径中的孔或其他障碍物的阻塞因子)，以及可能影响流体流动的其他因素。在这种情况下，充分发展的流动可能仅在管道入口下游的相当大距离处才开始出现。在一些实施方案中，这种长管道可以促进稳定流动，同时负面地影响其他因素。例如，实现稳定流动所需的腔1126的长度可能超过目标应用的设计限制(例如，为了限定足够长的腔1126所需的壳体1110的大小可能不适合在目标设计的可用空间内)。在另一实例中，腔1126可能变得足够长以负面地影响USFM测量过程(例如，流体路径132可能变得足够长以致使所发射的信号变得高度衰减并且难以准确地处理)。

一般来说，腔1126太短而不能调节沿着流体路径1132的流体流。系统1100示出实例性流动体设计，其是开放的芯部构思，其中所述流动体具有到入口和出口的开放流动区域，其中换能器位于壳体的轴向端部上。在此配置中，燃料流通过畅通无阻的路径进入和离开流动体。虽然此设计制造简单，但是其具有流体动力学缺陷。已经在100：1调节比范围内评估所述设计。在调节比的低端(低位，lowend)附近，雷诺数接近或在层流区内。相反地，在调节比的高端(高位，highend)处，雷诺数完全是湍流的。如通过评估图17的行1710中呈现的CFD图像可以观察到的。

如上所述，USFM系统1100被提供为基线实例，其他USFM配置可以与之进行比较。将在图12-图19的描述中进一步论述具有用于调节流体流的额外结构的流动调节USFM配置的实例。

图12是具有流体控制导管123的实例性超声波流量测量系统1200的横截面图。在一些实施例中，系统1100可以是图1和图11的实例性超声波流量测量(USFM)系统100或1100的变型。

USFM系统1200包括流体壳体1210和两个超声波传感器模块1202(例如，传感器装置)。在一些实施例中，传感器模块1202可以是超声波换能器装置，诸如图1和2A的实例性超声波传感器模块200。流体壳体1210包括由内表面1221a限定的轴向流体壳体腔1220a，以及由内表面1221b限定的轴向流体壳体腔1220b。流体端口1222a(例如，流体入口)限定连接到流体腔1220a的流体路径1224a(例如，入口流体流动路径)。流体端口1222b(例如，流体出口)限定连接到流体腔1220b的流体路径1224b(例如，出口流体流动路径)。流体壳体1210还限定在流体腔1220a与流体腔1220b之间延伸的腔1226。

流体壳体1210还包括流体控制导管1230，其限定沿着导管轴线1234(例如，流体控制导管1230的主轴线)的流体路径1232。流体控制导管1230具有导管入口1240和导管出口1242，并且流体地连接流体腔1220a和流体腔1220b，从而使流体腔1220a与流体腔1220b流体连通。流体控制导管1230被配置成具有预先确定的流动几何形状以限定沿着所述主轴线的线性流体流动路径。

在使用中，流体通过流体端口1222a流入，在那里，其沿着流体路径1224a流动。所述流体流被重新定向成沿着与流体路径1224a不平行的流体路径1232流动。离开流体控制导管1230的流体流被重新定向成沿着同样与流体控制导管1230不平行的流体路径1224b流动。

流体控制导管1230具有预先确定的可流动区域1236和形状(例如，正方形、锥形和/或弯曲边缘、平行或锥形壁以影响流体流动行为)。在一些实施方案中，流体壳体1210可以在许多应用中使用，并且流体控制导管1230可以是可互换的专用子部件(例如，适配器)，其可以使USFM系统1200适于特定流体类型、应用和/或操作条件。

流体密封件1238的集合被布置成在流体控制导管1230与流体壳体1210之间密封接触。流体密封件1238被配置成防止与可流动区域1236平行的流体泄漏流。在一些实施例中，流体密封件1238可以抑制振动在流体控制导管1230与流体壳体1210之间的传播。在一些实施例中，流体密封件1238可以修改声学界面。例如，所述流体密封件可以缓冲在流体控制导管1230被布置成与流体壳体1210直接接触(例如，流体控制导管1230可以在流体壳体1210内在流体密封件1238上浮动)时可能原本发生的声阻抗失配。

在一些实施例中，流体控制导管1230的内孔和/或外表面可以形成为具有几何特征，所述几何特征被配置成减少由测量信号频率的高次模谐波(highermodeharmonic)的传播引起的测量误差。例如，不期望的信号能量可以被诸如滚花、凹坑、螺纹、凹槽、凸块、粗糙度或可以分散、衰减或以其他方式减少超声波信号的传播的任何其他适当构造的特征散射和/或延迟。

在一些实施例中，流体控制导管1230可以具有预先确定的内孔直径长度比，其被选择成减少由测量信号频率的高次模谐波的传播引起的测量误差。例如，流体控制导管1230可以被配置成具有预先确定的直径和长度以具有预先确定的基频，并且将超声波传感器模块1202放置在基频的压力节点处，使得其接收处于基频波长的波能。

在一些实施方案中，使用流体控制导管1230作为模块化流动体可以允许各种制造方法和特征类型容易地集成到设计配置中，诸如一体轴对称入口流调节器和/或一体轴对称出口流调节器。在一些实施例中，流体控制导管1230可以被配置为具有预先限定的几何形状的可去除内部壳体，以促进模块化并简化维护和/或更换。

图13A是具有流调节器1350和流调节器1352的实例性超声波流量测量系统1300的横截面图。在一些实施例中，USFM系统1300可以是图1、图11和图12的实例性超声波流量测量(USFM)系统100、1100或1200的变型。

USFM系统1300包括流体壳体1210和两个超声波传感器模块1202。一般来说，USFM系统1300是被配置成提供流体流调节用于经调节的流体流的超声波流量感测的流体流调节装置。流体壳体1210为大致管状的外部壳体，其包括轴向流体壳体腔1220a和轴向流体壳体腔1220b。流体端口1222a限定连接到流体腔1220a的流体路径1224a。流体端口1222b限定连接到流体腔1220b的流体路径1224b。流体壳体1210还限定在流体腔1220a与流体腔1220b之间延伸的腔1226。

流体壳体1210还包括流体控制导管1330(例如，线性流体导管)，其限定沿着导管轴线1334(例如，流体控制导管1330的主轴线)的流体路径1332。流体控制导管1330具有导管入口1340和导管出口1342，并且流体地连接流体腔1220a和流体腔1220b，从而使流体腔1220a与流体腔1220b流体连通。流体控制导管1330被配置成具有预先确定的流动几何形状以限定沿着所述主轴线的线性流体流动路径。在一些实施例中，流体控制导管1330可以被配置为可去除的内部壳体，以促进模块化，并且促进并简化维护和/或更换。

USFM系统1300包括与导管入口1340流体连通的流调节器1350。USFM系统1300还包括与导管出口1342流体连通的流调节器1352。流调节器1350具有本体1370，本体1370具有远离导管入口1340的端部1351，以及与端部1351相对并且限定流体调节器出口的端部1353。

图13B是实例性流调节器1350的圆柱投影(例如，展平、展开)视图。本体1370(例如，壳体、壳)环绕中心腔1372。本体1370包括将所述中心腔流体地连接到流调节器1350的径向外表面的孔口1374(例如，孔、导管)的集合。投影1376表示流体端口1222a相对于本体1370的径向位置。

在图13A和图13B的所图示的实例中，实例性流调节器1350是轴对称流调节器。例如，流调节器1350是大致圆柱形的，并且孔口1374的布置关于圆柱体的轴线对称地布置。在所图示的实例中，孔口1374一致地是圆形或圆柱形的。在一些实施例中，孔口1374可以以各种大小形成，和/或具有除圆或圆柱体以外的形状。例如，一些孔口1374可以具有比其他孔口大或小的直径。在其他实例中，一些或全部孔口可以形成为具有圆形、卵形、椭圆形、正方形、三角形、多面体、伪随机或这些和/或其他形状的任何适当组合的横截面的管状导管。在一些实施例中，孔口1374的传导长度可以是平滑且一致的，或者可以形成为具有其他适当形状和/或粗糙度(例如，笔直和平滑、螺旋形和图案化、锥形和粗糙)。

在所图示的实例中，流调节器1352具有与实例性流调节器1350大致相同的形式。流调节器1352具有本体1370’，本体1370’具有远离导管出口1342的端部1357，以及与端部1357相对并且限定流体调节器入口的端部1355。在一些实施例中，导管入口(例如，导管入口1340)处的流调节器可以与导管出口(例如，导管出口1342)处的流调节器相同或者是其镜像。在一些其他实施例中，导管入口(例如，导管入口1340)处的流调节器可以不同于导管出口(例如，导管出口1342)处的流调节器，如将在图15A-图17的描述中所论述的。

简要参照图17，行1720示出了实例USFM系统1300的最小、中等和最大流量的实例模型。如行1720中所示，与行1710相比，流呈现了显著改善的调节，诸如改进的轴对称、在高Re下改进的栓塞流、以及当将入口与出口进行比较时在换能器表面附近的改进的对称。在行1720中示出的实例流动行为至少部分地归因于流调节器1350和1352对通过USFM系统1300的流体流的影响。流调节器1350调节和重新定向经调节的流体流，而流调节器1352重新定向流体流并且还调节流体流。

图14A是具有流调节器1450和流调节器1452的另一实例性超声波流量测量系统1400的横截面图。在一些实施例中，USFM系统1400可以是图1以及图11-图13B的实例性超声波流量测量(USFM)系统100、1100、1200或1300的变型。

实例性USFM1400的结构大致类似于实例性USFM系统1300的结构，其中用流调节器1450和1452替代流调节器1350和1352。流调节器1450与导管入口1340流体连通，并且流调节器1452与导管入口1340流体连通。流调节器1450具有本体1470，本体1470具有远离导管入口1340的端部1451，以及与端部1451相对的端部1453。

图14B是实例性流调节器1450的圆柱投影(例如，展平、展开)视图。本体1470(例如，壳体、壳)环绕中心腔1472。本体1470包括将所述中心腔流体地连接到流调节器1450的径向外表面的孔口1474(例如，孔、导管)的集合。投影1476表示流体端口1222a相对于本体1470的径向位置。

在图14A和14B的所图示的实例中，实例性流调节器1450是轴对称流调节器。例如，流调节器1450是大致圆柱形的，并且孔口1474的布置关于圆柱体的轴线对称地布置。

在所图示的实例中，流调节器1452具有与实例性流调节器1450大致相同的形式。在一些实施例中，导管入口(例如，导管入口1340)处的流调节器可以与导管出口(例如，导管出口1342)处的流调节器相同或者是其镜像。在一些其他实施例中，导管入口(例如，导管入口1340)处的流调节器可以不同于导管出口(例如，导管出口1342)处的流调节器，如将在图15A-图17的描述中所论述的。

简要参照图17，行1730示出了实例USFM 1400的最小、中等和最大流量的实例模型。如行1730中所示，与行1710相比，流呈现出显著改善的调节。行1730中示出的实例性流动行为至少部分地可归因于流调节器1450和1452对通过USFM系统1400的流体流的影响。

图15A是具有流调节器1550和流调节器1552的另一实例性超声波流量测量系统1500的横截面图。在一些实施例中，USFM系统1500可以是图1以及图11-图14B的实例性超声波流量测量(USFM)系统100、1100、1200、1300或1400的变型。

实例性USFM系统1500的结构大致类似于实例性USFM系统1300的结构，其中用流调节器1550和1552替代流调节器1350和1352。流调节器1550与导管入口1340流体连通，并且流调节器1552与导管入口1340流体连通。流调节器1550具有本体1570，本体1570具有远离导管入口1340的端部1551，以及与端部1551相对的端部1553。流调节器1550还包括朝向端部1553渐缩的成型廓形(contoured profile)1580。

图15B是实例性流调节器1550的圆柱投影(例如，展平、展开)视图。本体1570(例如，壳体、壳)环绕中心腔1572。本体1570包括将所述中心腔流体地连接到流调节器1550的径向外表面的孔口1574(例如，孔、导管)的集合。投影1576表示流体端口1222a相对于本体1570的径向位置。

在图15A和15B的所图示的实例中，实例性流调节器1550是轴对称流调节器。例如，流调节器1550是大致圆柱形的，并且孔口1574的布置关于圆柱体的轴线对称地布置。

在所图示的实例中，流调节器1552具有不同于实例性流调节器1550的形式。流调节器1550具有本体1570，本体1570具有远离导管出口1342的端部1557，以及与端部1557相对的端部1555。流调节器1552还包括朝向端部1555渐缩的成型廓形1581。为促进流体动力学轴对称性，流调节器1552已经被配置成抵抗入口/出口取芯(inlet/outlet coring)的不对称性以促进对称燃料速度分布。

在一些实施例中，导管入口(例如，导管入口1340)处的流调节器可以与导管出口(例如，导管出口1342)处的流调节器相同或者是其镜像，如先前在图13A-图14B的描述中所论述的。

图15C是实例性流调节器1552的圆柱投影视图。本体1570’环绕中心腔1572’。本体1570’包括将所述中心腔流体地连接到流调节器1552的径向外表面的孔口1574’的集合。投影1576’表示流体端口1222b相对于本体1570’的径向位置。

在图15A和15C的所图示的实例中，实例性流调节器1552是轴不对称流调节器。例如，流调节器1552是大致圆柱形的，并且孔口1574’的布置关于圆柱体的轴线不对称地布置。可以在流动体内引入轴不对称性以促使和促进轴对称流体速度分布。流动体与入口和出口芯部的交互在USFM系统1500中引入不对称性。在入口和出口处到流动体的此不对称性产生了不对称的流体动力学行为，类似于处于非空载状态的喷嘴挡板。

在所图示的实例中，流调节器1552具有不同于实例性流调节器1550的形式。在一些实施例中，导管入口(例如，导管入口1340)处的流调节器可以与导管出口(例如，导管出口1342)处的流调节器相同或者是其镜像，如在图13A-图14B的描述中所论述的。

简要参考图17，行1740示出了实例USFM系统1500的最小、中等和最大流量的实例模型。如行1740中所示，与行1710相比，流呈现出显著改善的调节。行1740中所示的实例性流动行为至少部分地归因于流调节器1550和1552对通过USFM系统1500的流体流的影响。如在图17的行1740中可以观察到的，其中流调节器1552被实施为轴不对称流体流调节器，流体速度分布在本体的长度上几乎轴对称。为了进一步促进流速对称性，以廓形1580和1581形式成轮廓的流动体已经被结合到流动体的几何形状中。在流动体的入口和出口处已经集成了S形和对数函数流动成形特征。在一些实施例中，廓形1580和1581可以改善USFM系统1500的性能。例如，可以改善在换能器的面处的流动对称性(例如，时间传递对称性、速度的积分平均值可以在流动体内居中、跨流域的速度匹配)，可以改善空化控制、可以减小流动漩涡、可以改善跨流量范围的校正因子，并且可以使最小流速和最大流速分布更一致(例如，减小Re依赖性K因子的导数)。

图16A是具有流调节器1650和流调节器1652的另一实例性超声波流量测量系统1600的横截面图。在一些实施例中，USFM系统1600可以是图1以及图11-图15C的实例性超声波流量测量(USFM)系统100、1100、1200、1300、1400或1500的变型。

实例USFM系统1600的结构基本上类似于实例USFM系统1300的结构，其中流调节器1350和1352被流调节器1650和1652替代。流调节器1650与导管入口1340流体连通，并且流调节器1652与导管出口1342流体连通。流调节器1650具有本体1670，本体1670具有远离导管入口1340的端部1651和与端部1651相对的端部1653。流调节器1652具有本体1670’，本体1670’具有远离导管出口1342的端部1657和与端部1657相对的端部1655。

图16B是实例性流调节器1650的圆柱投影(例如，展平的、展开的)视图。本体1670(例如，壳体、壳)围绕中心腔1672。本体1670包括孔口1674(例如，孔、导管)的集合，其将中心腔流体地连接到流调节器1650的径向外表面。投影1676表示流体端口1222a相对于本体1670的径向位置。

在图16A和16B的所示实例中，实例性流调节器1650是轴对称的流调节器。例如，流调节器1650是大致圆柱形的，并且孔口1674的布置围绕圆柱体的轴线对称地布置。

在所示实例中，流调节器1652具有与实例性流调节器1650不同的形式。在一些实施例中，导管入口(例如，导管入口340)处的流调节器可以与导管出口(例如，导管出口1342)处的流调节器相同或者是其镜像，如先前在图13A-图14B的描述中所讨论的。

图16C是实例性流调节器1652的圆柱投影视图。本体1670’围绕中心腔1672’。本体1670’包括孔口1674’的集合，所述孔口将中心腔流体地连接到流调节器1652的径向外表面。投影1676’表示流体端口1222b相对于本体1670’的径向位置。

在如图16A和16C的所示实例中，实例性流调节器1652是轴不对称流调节器。例如，流调节器1652是大致圆柱形的，并且孔口1674’的布置围绕圆柱体的轴线不对称地布置。

在所示实例中，流调节器1652具有与实例性流调节器1650不同的形式。在一些实施例中，导管入口(例如，导管入口340)处的流调节器可以与导管出口(例如，导管出口1342)处的流调节器相同或者是其镜像，如在图13A至图14B的描述中所讨论的。

简要参考图17，行1750示出了实例USFM系统1600的最小、中间和最大流量的实例模型。如行1750中所示，与行1710相比，流呈现出显著改善的调节。行1750中所示的实例性流动行为至少部分地归因于流调节器1650和1652对通过USFM系统1600的流体流的影响。

图18是附加的实例性出口流调节器配置的圆柱投影视图的集合。视图1810、视图1820和视图1830是对称流调节器配置的附加实例。视图1840、视图1850、视图1860、视图1870和视图1880是不对称流调节器配置的附加实例。视图1810-1880中的每一个包括本体1801、孔口1802的集合以及表示导管入口或出口的位置的投影1803。在一些实施例中，实例视图1810-1880可以是入口流调节器、出口流调节器或两者的投影视图。在一些实施例中，可以使用图13A-图16C和图18中所示的流调节器配置以及任何其他适当的流调节器配置的任何适当组合可以用作USFM系统中的入口流调节器和/或出口流调节器。

多个实例性流调节器配置已经通过图13A-图18的描述进行了图示和讨论。然而，流调节器配置不限于所示的实例。可以使用具有不同直径、长度、形状、中心腔体配置、孔口尺寸、孔口形状、孔口布置、材料、分层、子配置以及这些任何其他适当的流调节配置的组合的流调节器。

图19是示出用于调节实例性超声波流量测量系统中的流体流的过程1900的实例的流程图。在一些实施方案中，过程1900可以与图13A-图16C的实例性USFM系统1300、1400、1500和1600中的任一者和图13A-图16C和图18中所示的实例性流调节器配置中的任一者一起使用。

在1910处，接收沿着第一流体流动路径流动的流体流。例如，流体可以沿着流体路径1224a通过流体端口1222a流入USFM系统1300。

在1920处，通过使所述流体流流过第一流体流调节器的第一调节器入口来调节所述流体流。例如，所述流体流从流体腔1220a通过流调节器1350流到导管入口1340。

在一些实施方案中，第一流体流调节器可以是在第一纵向端部和与所述第一纵向端部相对的第二纵向端部之间延伸的第二管状本体，其中第一调节器入口可以沿着所述第二管状本体布置，并且第二纵向端部可以限定第一调节器出口。例如，流调节器1350具有本体1370，本体1370具有远离导管入口1340的端部1351，以及与端部1351相对并且限定流体调节器出口的端部1353。

在一些实施方案中，第一调节器入口可以包括径向穿过第二管状本体限定的端口的集合，并且通过使流体流流过第一流体流调节器的第一调节器入口来调节所述流体流可以包括使所述流体流流过所述端口的集合。例如，流体可以通过孔口1374流入流调节器1350。

在1930处，第一流体流调节器远离第一流体流动路径并朝向线性流体流动路径重新定向所述流体流。例如，流调节器1350远离流体路径1224a并朝向流体路径1332重新定向流体流。在所图示的实例中，所述重新定向是大约90度的重新定向，但是在其他实例中，流体流调节器可以引起流的任何其他适当的重新定向(例如，45度、60度、5度、85度、135度、150度、95度、175度)。

在1940处，流体流沿着线性流体流动路径流过第一调节器出口。例如，流体可以通过限定流调节器1350的出口的端部1353流出。

在1950处，流体流沿着线性流体流动路径流过流体导管，所述流体导管具有从导管入口延伸到与所述导管入口相对布置的导管出口的第一管状本体，并且被配置成具有预先确定的流动几何形状。例如，流体可以沿着流体控制导管1330流动。

在1960处，流体流沿着线性流体流动路径流过第二流体流调节器的第二调节器入口。例如，流体可以从导管出口1642流过端部1655。

在1970处，通过第二流体流调节器远离线性流体流动路径并朝向第二流体流动路径重新定向所述流体流。例如，流调节器1352可以远离流体路径1332并朝向流体路径1224b使流重新定向。

在1980处，通过使所述流体流流过第二流体流调节器的第二调节器出口来调节所述流体流。例如，流体可以朝向流体端口1222b流过流调节器1352。

在一些实施方案中，第二流体流调节器可以包括在第一纵向端部和与所述第一纵向端部相对的第二纵向端部之间延伸的第二管状本体，其中第二调节器出口沿着所述第二管状本体布置，并且第二调节器入口布置在导管出口的近侧。例如，流调节器1352具有本体1370，本体1370具有远离导管出口1342的端部1357，以及与端部1357相对并且限定流体调节器入口的端部1355。

在一些实施方式中，第二调节器出口可以包括径向地限定为穿过第二管状本体的端口的集合，并且通过使流体流动穿过第二流体流调节器的第二调节器出口来调节流体流可以包括使流体流流动穿过端口的集合。例如，本体1570’包括孔口1574’的集合，所述孔口将中心腔流体地连接到流调节器1552的径向外表面。

在一些实施方案中，过程1900还可以包括：沿着所述线性流体流动路径传输超声波信号通过所述第一调节器出口、所述流体导管和所述第二调节器入口；通过所述第二调节器入口接收所述超声波信号；以及基于所述所接收的超声波信号确定所述流体流的质量流率和/或体积流率。例如，超声波传感器模块1202可以发射和接收沿着流体路径1332和导管轴线1234定向的超声波信号。

在一些实施方案中，过程1900可以包括如下中的至少一者：通过超声波换能器发射和接收沿着所述线性流体流动路径通过所述第一调节器出口和所述流体导管的超声波信号，其中第一流体流调节器还包括布置在所述第一纵向端部的近侧的所述超声波换能器。例如，超声波传感器模块1202中的一者布置在流调节器1350的端部1351处，使得所发射的信号被引导出端部1353并沿着导管轴线1234被引导(例如，相对于流体流向下游传输所述信号)。

在一些实施方案中，过程1900可以包括通过超声波换能器对沿着所述线性流体流动路径通过所述第二调节器出口和所述流体导管的超声波信号进行发射和接收中的至少一者，其中所述第二流体流调节器包括布置在所述第二纵向端部的近侧的所述超声波换能器。例如，超声波传感器模块1202中的一者布置在流调节器1352的端部1357处，使得所发射的信号被引导出端部1355并沿着导管轴线1234被引导(例如，所述信号相对于流体流向上游传输)。

在一些实施例中，诸如专注于航空航天的流量传感器，流量计设计可能必须符合大小、重量和性能的限制(例如，飞行器UFSM可能需要紧凑、轻质且稳健以应对主要元件周围的具有挑战性的L/D配置)。图13A-图16C的实例性USFM系统1300、1400、1500、1600以及图18中所示的实例性流动配置可以提供优于超声波流量计领域中的已知技术的优点、尤其是在轴向配置中。例如，实例性USFM系统1300、1400、1500、1600可以被实施为一体式上游和下游流调节器(例如，紧凑型)，其可以减少或消除对流动体的上游和下游的显著不间断长度的管道的需要，在不间断管道长度之后的主动流调节器，流线型成形特征(例如，文丘里管、S形特征、对数特征)可以减少或消除对流量计的平滑弯折成形的需要。在一些实施例中，可以实现模块化流动体的其他优点以实现流量传感器的改进，诸如：经改进的模块化/可扩展性，可以通过调整流动体限定来实现特定的流量范围目标(例如，如果应用需要略高的燃料流量范围，则可以增加流动体内径以满足应用需求，而无需重新设计整个流量传感器和/或无需更换换能器)；墨菲检验和计时特征(Murphy proofing and clocking feature)，现场可更换的流动体，经改进的随时间的耐久性，更换芯部而非整个壳体的能力，和/或一体线路可更换单元方法。

在一些实施例中，实例性USFM系统1300、1400、1500、1600可以提供经改进的空化控制和/或经改进的声学特征控制。例如，可以特别选择具有内孔直径与长度比的一体式流动管以减少由测量信号频率的高次模谐波的传播引起的测量误差。在另一实例中，可以特别选择具有带有诸如滚花、凹坑、螺纹、凹槽、凸块的压印几何特征的内孔的一体式流动管来通过散射和/或延迟不期望的信号能量来减少由测量信号频率的高次模谐波的传播引起的测量误差。在另一实例中，一体式流动管可以被配置成具有内孔，所述内孔具有一种或多种材料的一个或多个层或涂层，所述材料相对于流动管材料和/或其他层具有特定厚度以及声速、密度和/或阻抗的声学性质，其各自被选择成基于不期望的信号能量远离声学测量路径的吸收和/或折射减少由测量信号频率的高次模谐波的传播引起的测量误差。例如，线性流体导管可以被配置成阻尼超声波声信号。

在一些实施例中，实例性USFM系统1300、1400、1500和1600可以实现精密机加工。例如，实例性USFM系统1300、1400、1500和1600的模块化构造可以在制造期间促进其组成部件的经改进的珩磨、表面平滑度控制和/或特征成形能力。

虽然上文已经经详细描述了一些实施方案，但是其他变型是可能的。另外，图中绘示的逻辑流程并不需要所示的特定次序或顺序次序来实现所期望的结果。另外，可以提供其他步骤，或者可以从所描述的流程除去若干步骤，并且可以向所描述的系统添加其他部件或从所描述的系统去除其他部件。因此，其他实施方案在以下权利要求的范围内。

Claims

1.一种流体流调节装置，其包括：

线性流体导管，所述线性流体导管具有限定主轴线并从导管入口延伸到与所述导管入口相对布置的导管出口的第一管状本体，并且被配置成具有预先确定的流动几何形状以限定沿着所述主轴线的线性流体流动路径；

流体入口，所述流体入口限定与所述线性流体流动路径不平行的入口流体流动路径；

第一流体流调节器，所述第一流体流调节器具有与所述流体入口流体连通的第一调节器入口，以及与所述导管入口流体连通的第一调节器出口，并且被配置成：

接收沿着所述入口流体流动路径通过所述第一调节器入口的流体流；

通过所述第一调节器入口调节流体流；以及

重新定向经调节的流体流远离所述入口流体流动路径并沿着沿所述主轴线的所述线性流体流动路径通过所述第一调节器出口；

第二流体流调节器，所述第二流体流调节器具有与所述导管出口流体连通的第二调节器入口，以及第二调节器出口，并且被配置成：

接收来自沿着所述主轴线的所述线性流体流动路径的流体流；

重新定向流体流远离所述线性流体流动路径并沿着与所述线性流体流动路径不平行的出口流体流动路径通过所述第二调节器出口；以及

通过所述第二调节器出口调节流体流；以及

流体出口，所述流体出口被配置成接收来自所述第二调节器出口的流体流。

2.根据权利要求1所述的流体流调节装置，其中所述第一流体流调节器包括在第一纵向端部和与所述第一纵向端部相对的第二纵向端部之间延伸的第二管状本体，其中所述第一调节器入口沿着所述第二管状本体布置，并且所述第二纵向端部限定所述第一调节器出口。

3.根据权利要求2所述的流体流调节装置，其中所述第一调节器入口包括径向穿过所述第二管状本体限定的多个端口。

4.根据权利要求2或3所述的流体流调节装置，其进一步包括布置在所述第一纵向端部的近侧的传感器装置。

5.根据权利要求4所述的流体流调节装置，其中，所述传感器装置包括超声波换能器装置，所述超声波换能器装置被配置为沿着所述线性流体流动路径发射和接收超声波信号。

6.根据权利要求4或5所述的流体流调节装置，其中所述传感器装置包括：

传感器壳体，其具有限定传感器轴线以及轴向内部传感器壳体腔的内表面，所述传感器壳体包括：

第一轴向传感器壳体部分，其具有垂直于所述传感器轴线的第一横截面积；

第二轴向传感器壳体部分，所述第二轴向传感器壳体部分沿着所述传感器轴线与所述第一轴向传感器壳体部分相邻布置，并且具有垂直于所述传感器轴线的大于所述第一横截面积的第二横截面积；以及

从所述第一轴向传感器壳体部分的内表面延伸到所述第二轴向传感器壳体部分的内表面的面；

缓冲杆，所述缓冲杆具有第一轴向端部和与所述第一轴向端部相对的第二轴向端部，并且所述缓冲杆包括：

第一轴向缓冲部分，所述第一轴向缓冲部分布置在所述第一轴向传感器壳体部分内并且包括所述第一轴向端部；

第二轴向缓冲部分，其布置在所述第二轴向传感器壳体部分内并且邻接所述面，并且包括所述第二轴向端部；以及

第三轴向缓冲部分，其在所述第一轴向缓冲部分和所述第二轴向缓冲部分之间轴向延伸，并且具有垂直于所述传感器轴线的第三横截面积，所述第三横截面积小于所述第一横截面积；

腔，所述腔限定在所述内表面和所述第三轴向缓冲部分之间；以及

声收发器元件，其声学地配合到所述第一轴向端部。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的流体流调节装置，其中所述第二流体流调节器包括在第一纵向端部和与所述第一纵向端部相对的第二纵向端部之间延伸的第二管状本体，其中所述第二调节器出口沿着所述第二管状本体布置，并且所述第一纵向端部限定所述第二调节器入口。

8.根据权利要求7所述的流体流调节装置，其中所述第二调节器出口包括径向地穿过所述第二管状本体限定的多个端口。

9.根据权利要求7或8所述的流体流调节装置，其进一步包括布置在所述第二纵向端部近侧的传感器装置。

10.根据权利要求9所述的流体流调节装置，其中所述传感器装置包括超声波换能器装置，所述超声波换能器装置被配置成沿着所述线性流体流动路径发射和接收超声波信号。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的流体流调节装置，其中所述线性流体导管被配置成阻尼超声波声信号。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的流体流调节装置，其中，所述线性流体导管包括具有第一预先限定的几何形状的管状外部壳体，以及同心地布置在所述管状外部壳体内且限定预先确定的流动几何形状的可移除的内部壳体。

13.一种流体流调节的方法，其包括：

接收沿着第一流体流动路径流动的流体流；

通过使所述流体流流过第一流体流调节器的第一调节器入口来调节所述流体流；

通过所述第一流体流调节器远离所述第一流体流动路径并朝向线性流体流动路径重新定向所述流体流；

使所述流体流沿着所述线性流体流动路径流过第一调节器出口；

使所述流体流沿着所述线性流体流动路径流过流体导管，所述流体导管具有从导管入口延伸到与所述导管入口相对布置的导管出口的第一管状本体，并且被配置成具有预先确定的流动几何形状；

使所述流体流沿着所述线性流体流动路径流过第二流体流调节器的第二调节器入口；

通过所述第二流体流调节器远离所述线性流体流动路径并朝向第二流体流动路径重新定向所述流体流；以及

通过使所述流体流流过所述第二流体流调节器的第二调节器出口来调节所述流体流。

14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：

沿着所述线性流体流动路径传输超声波信号通过所述第一调节器出口、所述流体导管和所述第二调节器入口；

通过所述第二调节器入口接收所述超声波信号；以及

基于所接收的超声波信号确定所述流体流的质量流率和体积流率中的至少一者。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述第一流体流调节器包括在第一纵向端部与和所述第一纵向端部相对的第二纵向端部之间延伸的第二管状本体，其中所述第一调节器入口沿着所述第二管状本体布置，并且所述第二纵向端部限定所述第一调节器出口。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一调节器入口包括径向地穿过所述第二管状本体限定的多个端口，并且通过流动穿过第一流体流调节器的第一调节器入口来调节流体流进一步包括使所述流体流流动穿过所述多个端口。

17.根据权利要求15或16所述的方法，还包括进行如下中的至少一者：由超声波换能器发射和接收沿着所述线性流体流动路径通过所述第一调节器出口和所述流体导管的超声波信号，其中所述第一流体流调节器还包括布置在所述第一纵向端部近侧的所述超声波换能器。

18.根据权利要求13至17中任一项所述的方法，其中所述第二流体流调节器包括在第一纵向端部与和所述第一纵向端部相对的第二纵向端部之间延伸的第二管状本体，其中所述第二调节器出口沿着所述第二管状本体布置，并且所述第二调节器入口布置在所述导管出口的近侧。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第二调节器出口包括径向地穿过所述第二管状本体限定的多个端口，并且通过使流体流动穿过第二流体流调节器的第二调节器出口来调节流体流进一步包括使所述流体流流动穿过所述多个端口。

20.根据权利要求18或19所述的方法，其进一步包括进行如下中的至少一者：通过超声波换能器发射和接收沿着所述线性流体流动路径通过所述第二调节器出口和所述流体导管的超声波信号，其中所述第二流体流调节器进一步包括布置在所述第二纵向端部的近侧的所述超声波换能器。