Преобразователь, имеющий надежное электрическое соединение с пьезоэлектрическим кристаллом

Преобразователь, имеющий надежное электрическое соединение с пьезоэлектрическим кристаллом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ЗАЯВЛЕНИЕ В ОТНОШЕНИИ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЛИ РАЗРАБОТКИ, ИМЮЕЩЕЙ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ФИНАНСИРОВАНИЕ

[0001] Не применимо.

Область техники

[0002] Настоящее изобретение относится в общем к жидкостным и газовым ультразвуковым расходомерам. В частности, настоящее изобретение относится к надежному электрическому соединению с пьезоэлектрическим кристаллом преобразователя, используемым в ультразвуковом расходомере.

Уровень техники

[0003] После того как углеводороды извлекают из земли, поток текучей среды (либо в жидкой, либо в газообразной фазе) транспортируется с места на место по трубопроводам. Желательно точно знать количество текучей среды, находящейся в потоке, и особенная точность требуется при переходе текучей среды «из рук в руки» или во время приемки продукта потребителем. Даже если не происходит передачи продукта потребителю, тем не менее, точность измерений желательна, и в таких ситуациях могут использоваться ультразвуковые расходомеры.

[0004] Ультразвуковой расходомер обычно содержит по меньшей мере два узла преобразователей, каждый из которых закреплен внутри гнезда, выполненного в корпусе расходомера. Корпус расходомера также может быть обозначен как трубная секция. Для удержания транспортируемой текучей среды внутри расходомера соединитель закрепляется на внешнем конце каждого гнезда преобразователя в трубной секции. Таким образом, трубная секция и концевые соединители создают границу давления и корпус, который содержит текучую среду, протекающую через расходомер.

[0005] Для измерения потока текучей среды, проходящей через расходомер, пару узлов преобразователя располагают вдоль внутренней поверхности трубной секции, так, что каждый узел преобразователя направлен на другой с разных сторон от потока текучей среды, проходящего через внутренний канал трубной секции. Каждый узел преобразователя содержит пьезоэлектрический элемент. Когда подается переменный ток на пьезоэлектрический элемент первого узла преобразователя пары, он элемент реагирует, излучая ультразвуковую волну через текучую среду, протекающую через расходомер. Когда волна приходит на пьезоэлектрический элемент второго узла преобразователя пары, второй узел преобразователя реагирует, генерируя электрический сигнал. Спустя некоторое время переменный ток подается на пьезоэлектрический элемент второго узла преобразователя пары, и второй пьезоэлектрический элемент реагирует, излучая ультразвуковую волну через текучую среду, протекающую через расходомер, к первому узлу преобразователя. Когда волна приходит на пьезоэлектрический элемент первого узла преобразователя пары, этот узел преобразователя реагирует, генерируя электрический сигнал. Таким образом, узлы преобразователя передают и получают сигналы друг от друга через поток текучей среды.

[0006] Каждый узел преобразователя соединен с кабелем, который проходит через конечный соединитель к внешней части трубной секции и далее, например, к блоку основной электроники, обычно установленному за пределами трубной секции. Кабель передает электрический сигнал, сгенерированный пьезоэлектрическим элементом конкретного узла преобразователя, собирающей данные плате, расположенной в блоке основной электроники или в корпусе электронных схем, где сигнал может быть обработан и впоследствии использован для определения расхода текучей среды, проходящей через расходомер.

[0007] Электрические соединения с пьезоэлектрическим элементом допускают передачу электрических сигналов к пьезоэлектрическому кристаллу и от него. Во время работы ультразвукового расходомера колебания температуры являются обычным источником напряжений в электрических соединениях с пьезоэлектрическим элементом. Например, жидкостные ультразвуковые расходомеры могут иметь диапазон рабочих температур от -50 до +150°C или выше, и их преобразователи должны быть в состоянии сохранять работоспособность в пределах всего диапазона температур. Кроме того, ультразвуковые расходомеры, измеряющие криогенные жидкости, такие как сжиженный природный газ (СПГ) могут испытывать перепады температур между температурой окружающего воздуха (приблизительно 20°C) или выше и температурой СПГ (приблизительно -161°C) или ниже. Не смотря на то, что прилагают усилия для сохранения низкой скорости изменения температуры (т.е., сохранения низкой скорости изменения температуры в единицу времени), могут случаться быстрые изменения температуры (т.е. тепловые удары). Изменения температуры могут оказывать нагрузки на соединения электродов из-за разницы коэффициентов теплового расширения различных материалов, из которых состоит преобразователь.

[0008] Пьезоэлектрический кристалл содержит два электрода - отрицательный и положительный. Обычно электрическое соединение с каждым электродом выполняется припаиванием провода непосредственно к каждому электроду. Пьезоэлектрический кристалл закреплен в нужном положении в держателе узла преобразователя с помощью эпоксидной смолы, которая так же выполняет функции заднего согласующего слоя для улучшения акустических характеристик, увеличивая полосу вещания преобразователя.

[0009] Эпоксидная смола часто используется для герметизации всего пьезоэлектрического кристалла или его части и связанных с ним проводов. Кроме улучшения акустической характеристики, эпоксидная смола также помогает защищать пьезоэлектрический кристалл, провода и электрическое соединение от коррозии и механических ударов. Однако герметизация с помощью эпоксидной смолы имеет и недостаток, заключающийся в том, что ее коэффициент теплового расширения значительно отличается от коэффициента теплового расширения пьезоэлектрического кристалла. Обычно у эпоксидной смолы коэффициент теплового расширения от 15 до 100 10^-6/°C, в то время как пьезоэлектрические материалы, такие как цирконат-титанат свинца (ЦТС) обычно имеют коэффициент теплового расширения приблизительно 3,6 10^-6/°C. Для данного изменения температуры размеры эпоксидной смолы изменяются больше, чем размеры пьезоэлектрического кристалла. Получаемый эффект заключается в том, что эти изменения размеров эпоксидной смолы склонны оказывать давление в точке, где провод прикрепляется к электроду, и могут вызвать откалывание части материала электрода от пьезоэлектрического материала.

[0010] Тот факт, что размеры электрического соединения с электродом стараются выполнять максимально малыми, еще больше усиливает проблему напряжения, поскольку при этом напряжение концентрируется вдоль относительно небольшой площади электрода. Например, если электрическое соединение - это точка пайки, она обычно делается как можно меньших размеров для сведения к минимуму нагревания электрода и пьезоэлектрического кристалла, поскольку слишком значительное количество тепла от паяльника может вызвать повреждение электрода или пьезоэлектрического материала. Если электрическое соединение выполняется с помощью электропроводимой эпоксидной смолы, электрическое соединение возможно сделать немного большего размера, разведя отдельные жилы провода для увеличения площади контакта электрода, однако это повышает сложность выполнения электрического соединения.

[0011] Альтернативным способом выполнения электрического соединения с электродом является использование пружины или пружинного механизма, который смещает электрическое соединение во взаимодействие с электродом таким образом, что соединение может свободно скользить по электроду пьезоэлектрического кристалла. Однако эффективность подобного типа электрического соединения может ухудшаться с течением времени вследствие коррозии материала электрода и/или механизма соединения, вызывая рост электрического сопротивления стечением времени.

[0012] Соответственно, в области техники остается необходимость в обеспечении более надежного электрического соединения с электродами пьезоэлектрического элемента узла преобразователя. Электрическое соединение было бы, в частности, весьма желательным, если бы оно предлагало возможность сопротивления температурным и механическим нагрузкам, возникающим во время работы в относительно широком диапазоне температур и приложений.

КРАТКОЕ РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] Эта и другие потребности в уровне техники рассматриваются в одном из вариантов реализации пьезоэлектрического узла для ультразвукового расходомера. В этом варианте реализации пьезоэлектрический узел содержит пьезоэлектрический элемент, содержащий первую поверхность и вторую поверхность. Кроме того, пьезоэлектрический узел содержит первый электрод, взаимодействующий с первой поверхностью. Далее, пьезоэлектрический узел содержит второй электрод, взаимодействующий со второй поверхностью. Далее, пьезоэлектрический узел содержит электрически проводимую соединительную прокладку, прикрепленную к первому электроду. Кроме того, пьезоэлектрический узел содержит первый провод, электрически соединенный с соединительной прокладкой.

[0014] Эта и другие потребности в уровне техники рассматриваются в другом варианте реализации ультразвукового расходомера для измерения потока текучей среды через трубопровод. В этом варианте реализации ультразвуковой расходомер содержит трубную секцию, содержащую сквозное отверстие и гнездо преобразователя, проходящее от наружной поверхности трубной секции до сквозного отверстия. Кроме того, ультразвуковой расходомер содержит узел преобразователя, расположенный в гнезде преобразователя. Узел преобразователя содержит корпус, содержащий центральную ось, первый конец, второй конец, противоположный первому концу. Корпус также содержит сквозное отверстие, проходящее в осевом направлении между первым концом и вторым концом. Далее, второй конец содержит входное отверстие в сквозное отверстие корпуса. Далее, узел преобразователя содержит держатель кристалла, по меньшей мере частично расположенный в сквозном отверстии корпуса и проходящий в осевом направлении через указанное входное отверстие. Держатель кристалла расположен соосно корпусу и содержит первый конец, расположенный в сквозном отверстии корпуса, и второй конец, удаленный от корпуса. Кроме того, узел преобразователя содержит пьезоэлектрический узел, соединенный со вторым краем держателя кристалла. Пьезоэлектрический узел содержит пьезоэлектрический элемент, проходящий вдоль центральной оси от первой поверхности, удаленной от сквозного отверстия трубной секции, ко второй поверхности, расположенной вблизи к сквозному отверстию трубной секции. Далее, пьезоэлектрический узел содержит первый электрод, расположенный на первой поверхности. Далее, пьезоэлектрический узел содержит второй электрод, расположенный на второй поверхности. Кроме того, пьезоэлектрический узел содержит соединительную прокладку, прикрепленную к первому электроду. Кроме того, пьезоэлектрический узел содержит первый провод, электрически соединенный с соединительной прокладкой и первым электродом, и второй провод, электрически соединенный со вторым проводом.

[0015] Таким образом, варианты реализации, описанные в настоящем документе, включают сочетание свойств и преимуществ, предназначенных для разрешения различных недостатков, ассоциируемых с определенными известными устройствами, системами и способами. Различные параметры, описанные выше, а также остальные свойства, будут очевидными для специалистов в данной области после изучения последующего подробного описания и при обращении на сопутствующие чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0016] Для более подробного описания предпочтительных вариантов реализации будут сделаны ссылки на сопутствующие чертежи, на которых:

[0017] фигура 1 - это вид сверху разреза ультразвукового расходомера по одному из вариантов реализации;

[0018] фигура 2 - это схематический вид с торца ультразвукового расходомера, показанного на фигуре 1;

[0019] фигура 3 - это схематический вид сверху ультразвукового расходомера, показанного на фигуре 1;

[0020] фигура 4 - это покомпонентный вид варианта реализации узла в соответствии с принципами, изложенными в настоящем документе;

[0021] фигура 5 - это вид в разрезе корпуса преобразователя, показанного на фигуре 4;

[0022] фигура 6 - это увеличенный перспективный вид узла преобразователя, показанного на фигуре 4;

[0023] фигура 7 - это вид в разрезе узла преобразователя, показанного на фигуре 4;

[0024] фигура 8 - это вид спереди пьезоэлектрического узла, показанного на фигуре 7;

[0025] фигура 9 - это вид в разрезе по линии 9-9 пьезоэлектрического узла, показанного на фигуре 8;

[0026] фигура 10 - это частичный покомпонентный вид держателя кристалла и пьезоэлектрического узла, показанного на фигуре 7; и

[0027] фигура 11 - это вид в частичном разрезе варианта реализации пьезоэлектрического узла.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0028] Последующее рассмотрение относится к различным вариантам реализации настоящего изобретения. Хотя по меньшей мере один вариант реализации может быть предпочтительными, раскрываемые варианты реализации не должны интерпретироваться или использоваться каким-либо другим образом, для ограничения области действия описания, включая формулу изобретения. Кроме того, специалисты в данной области поймут, что дальнейшее описание имеет широкое применение, и подразумевается, что рассмотрение любого варианта реализации является только иллюстрацией этого варианта реализации и не предназначено для обозначения того, что объем описания, включая формулу изобретения, ограничен этим вариантом реализации.

[0029] В следующем описании и формулах изобретения используются определенные термины, которые обозначают конкретные свойства или компоненты. Как поймут специалисты в данной области, различные люди могут называть одно и то же свойство или компонент по-разному. Данный документ не предназначен для того, чтобы определять различия между компонентами или свойствами, имеющими различные названия, а не функции. Нет необходимости в масштабировании чертежей. Определенные свойства и компоненты, описанные в настоящем документе, могут быть показаны увеличенными в масштабе или в схематической форме, а некоторые подробности традиционных элементов могут быть не показаны в интересах ясности и краткости.

[0030] В последующем обсуждении и в формуле изобретения термины "включает" и "содержит" используют с возможностью дополнения, и, таким образом, их необходимо интерпретировать в смысле "включая, но не ограничиваясь…". Кроме того, слова "соединение" или "соединения" означают либо прямое, либо косвенное соединение. Таким образом, если первое устройство соединяется со вторым устройством, это соединение может выполняться путем непосредственного соединения, либо путем косвенного соединения через другие устройства, компоненты и соединения. Кроме того, используемые в данном документе термины "осевой" и "в осевом направлении" по существу означают вдоль или параллельно центральной оси (например, центральной оси корпуса или гнезда), при этом термины "радиальный" и "в радиальном направлении" по существу означают перпендикулярно центральной оси. Например, осевое расстояние обозначает расстояние, измеряемое вдоль или параллельно центральной оси, а радиальное направление означает расстояние, измеряемое перпендикулярно центральной оси.

[0031] В соответствии с Фигурами 1-3, на которых изображены схемы варианта реализации ультразвукового расходомера 10. Расходомер 10 содержит корпус или трубную секцию 11, подходящую для установки между секциями трубопровода. Трубная секция 11 проходит вдоль центральной оси 15 между первым, или передним по ходу течения, концом 11а и вторым, или задним по ходу течения, концом 11b, расположенным напротив первого конца 11а. Как показано на Фигурах 1 и 2, в этом варианте реализации каждый конец 11а, 11b содержит монтажный фланец 12, 13, соответственно. Кроме того, трубная секция 11 имеет заранее определенный размер и ограничивает центральное сквозное отверстие 14, проходящее между концами 11а, 11b, через которое протекает измеряемая текучая среда (например, газ и/или жидкость).

[0032] Как показано на Фигурах 1 и 3, в этом варианте реализации расходомер 10 содержит четыре пары преобразователей, расположенных в гнездах преобразователей, расположенных по длине трубной секции 11 - первая пара преобразователей 20a, 20b расположена в гнездах 30a, 30b соответственно, вторая пара преобразователей 20c, 20d расположена в гнездах 30c, 30d соответственно, и третья пара преобразователей 20e, 20f расположена в гнездах 30e, 30f соответственно, и четвертая пара преобразователей 20g, 20h расположена в гнездах 30g, 30h соответственно.

[0033] Каждый преобразователь (например, преобразователь 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f, 20g, 20h) является акустическим приемопередатчиком, в частном случае ультразвуковым приемопередатчиком, что означает, что каждый из них генерирует и принимает звуковую энергию, имеющую частоту выше примерно 20 килогерц. Звуковая энергия может генерироваться и приниматься пьезоэлектрическим элементом в каждом преобразователе. Для генерации звукового сигнала пьезоэлектрический элемент получает электрический импульс в виде синусоидального сигнала и реагирует на импульс посредством вибрации. Вибрация пьезоэлектрического элемента генерирует акустический сигнал, которых проходит через измеряемую текучую среду к соответствующей паре преобразователей. Аналогично, при ударе звуковой энергии (т.е. акустического сигнала и другого шумового сигнала) принимающий пьезоэлектрический элемент вибрирует и генерирует синусоидальный электрический сигнал, распознаваемый, оцифровываемый и анализируемый электроникой, связанной с расходомером.

[0034] Преобразователи каждой пары преобразователей расположены напротив друг друга по обеим сторонам сквозного отверстия 14 и принимают и передают акустические сигналы друг другу в обоих направлениях. В частности, преобразователи 20a, 20b расположены напротив друг друга по обеим сторонам сквозного отверстия 14 и принимают и передают акустические сигналы друг другу в обоих направлениях; преобразователи 20c, 20d расположены напротив друг друга по обеим сторонам сквозного отверстия 14 и принимают и передают акустические сигналы друг другу в обоих направлениях; преобразователи 20e, 20f расположены напротив друг друга по обеим сторонам сквозного отверстия 14 и принимают и передают акустические сигналы друг другу в обоих направлениях; и преобразователи 20g, 20h расположены напротив друг друга по обеим сторонам сквозного отверстия 14 и принимают и передают акустические сигналы друг другу в обоих направлениях. Путь 22, 23, 24, 25 прохождения акустического сигнала, иногда называемый "хордой" или "хордовым путем", расположен между каждой парой расположенных напротив друг друга преобразователей 20a, 20b; 20c, 20d; 20e, 20f; и 20g, 20h соответственно.

[0035] Каждая пара преобразователей и соответствующих гнезд преобразователей соответствует одному хордовому пути. Каждый хордовый путь 22, 23, 24, 25 примерно образует фигуру Х-образной формы с другим хордовым путем 22, 23, 24, 25 при виде сверху. Как показано на Фигуре 2, каждая пара преобразователей и ее соответствующий хордовый путь 22, 23, 24, 25 располагаются на разных "уровнях" в трубной секции 11. При совместном изучении Фигур 2 и 3 видно, что пары преобразователей расположены таким образом, что две нижних пары преобразователей 20a, 20b и 20c, 20d, соответствующие хордам 22 и 23 соответственно, образуют фигуру Х-образной формы при виде сверху, а две верхних пары преобразователей 20e, 20f и 20g, 20h, соответствующие хордам 24 и 25 соответственно, также образуют фигуру X-образной формы.

[0036] На Фигуре 1 первая пара преобразователей 20а, 20b описана более подробно, при этом следует понимать, что каждая пара преобразователей расходомера 10 имеет аналогичную конфигурацию и расположение. Хорда 22 расположена под острым углом «θ» по отношению к центральной линии 15 при виде сверху. Длина хорды 22 -это расстояние между поверхностями соответствующей пары преобразователей 20a, 20b. Как показано на иллюстративной паре преобразователей 20a, 20b на Фигуре 1, точки 26 и 27 показывают местоположения, в которых акустические сигналы, генерируемые преобразователями 20а, 20b, соответственно, входят и выходят из текучей среды, протекающей через сквозное отверстие 14 трубной секции 11 (т.е. на пересечении гнезд 30a, 30b и сквозного отверстия 14 трубной секции 11). Положение преобразователей 20a, 20b может определяться углом «θ», первой длиной L, измеренной между преобразователями 20а, 20b, второй длиной X, соответствующей осевому расстоянию между точками 26, 27 и третьей длиной "d", соответствующей внутреннему диаметру трубной секции 11. В большинстве случаев расстояния d, X и L определяются точно во время изготовления расходомера (например, расходомера 10). Далее, пару преобразователей 20а, 20b обычно располагают на определенном расстоянии от точек 26, 27, соответственно, независимо от размера расходомера (т.е. размера трубной секции). Текучая среда, например неочищенная нефть или природный газ, протекает в направлении 2 с профилем 3 скорости. Векторы 4-9 скорости показывают, что скорость движения газа через трубную секцию 11 возрастает по направлению к центральной оси 15.

[0037] При рассмотрении иллюстративной пары преобразователей 20a, 20b, показанных на Фигуре 1, видно, что изначально нижний преобразователь 20а генерирует акустический сигнал, который распространяется в текучей среде по трубной секции 11, и затем приходит и определяется верхним преобразователем 20b. Спустя непродолжительное время (например, в течение нескольких миллисекунд) верхний преобразователь 20b генерирует обратный акустический сигнал, который распространяется обратно в текучей среде по трубной секции 11, и затем приходит и определяется нижним преобразователем 20a, Таким образом, преобразователи 20a, 20b "перекидываются" акустическими сигналами 22а вдоль хордового пути 22. Во время работы данная последовательность может повторяться тысячи раз в минуту. Когда звуковая энергия перемещается от первого преобразователя 20а ко второму преобразователю 20b, она проходит против течения текучей среды (т.е. выше расходомера), а когда звуковая энергия перемещается от второго преобразователя 20b к первому преобразователю 20а, она проходит по течению текучей среды (т.е. ниже расходомера).

[0038] Время, которое требуется для перемещения звуковой энергии от одного преобразователя к другому, называется "временем распространения." Время распространения акустического сигнала 22a между преобразователями 20a, 20b зависит частично от того, перемещается ли акустический сигнал 22a выше или ниже от расходомера по отношению к потоку текучей среды. Время распространения акустического сигнала, перемещающегося ниже от расходомера (т.е. в том же направлении, что и поток текучей среды), меньше времени распространения его при перемещении выше от расходомера (т.е. против потока текучей среды). Время распространения выше и ниже от расходомера можно использовать для вычисления средней скорости вдоль пути прохождения сигнала, а также скорости звука в измеряемой текучей среде. В частности, разница между временем распространения выше от расходомера и ниже от расходомера для хорды (например, хорды 22) используется для определения средней скорости движения текучей среды для данной хорды. Кроме того, среднюю скорость звука для хорды также можно определить из суммы времени распространения выше и ниже расходомера. Если расходомер содержит несколько хорд, средняя скорость потока для расходомера получается путем численного суммирования (т.е. взятия соответствующего среднего значения) средних скоростей потока для хорды. Тогда объемный расход через расходомер является произведением средней скорости потока и поперечного сечения расходомера.

[0039] В общем случае ультразвуковые расходомеры могут иметь один или несколько путей прохождения звуковых сигналов. Например, как показано на Фигурах 2 и 3, в этом варианте реализации ультразвуковой расходомер 10 фактически содержит четыре хордовых пути 22, 23, 24, 25 соответственно связанные с ними акустические сигналы 22a, 23a, 24a, 25a, на разных уровнях внутри трубной секции 11. Каждый хордовый путь 22, 23, 24, 25 соответствует паре преобразователей, работающих попеременно в качестве передатчика и приемника аналогично ранее описанной первой паре преобразователей 20a, 20b. На Фигуре 2 также представлен блок электронной аппаратуры управления или корпус 80, который управляет генерацией звуковых сигналов, а также получает и обрабатывает данные, поступающие от четырех хордовых путей 22, 23, 24, 25. Скорость потока текучей среды может определяться на каждой хорде 22, 23, 24, 25 для получения скоростей потока, которые можно объединить для определения средней скорости потока через всю трубу. Из средней скорости потока можно определить количество текучей среды, протекающей через трубную секцию и, таким образом, через трубопровод.

[0040] На Фигуре 4 изображен вариант реализации преобразователя 200 для отправки и приема акустических сигналов. Узел преобразователя 200 расположен внутри гнезда преобразователя ультразвукового расходомера и соединен с ним (например, гнездо 30а расходомера 10). Например, узел преобразователя 200 может быть использован любым из ранее описанных преобразователей 20a, 20b, 20c, 20e, 20f, 20g. В этом варианте реализации узел преобразователя 200 содержит жгут 210 электропроводки, стопорную гайку 220, корпус 230 преобразователя и преобразователь 300.

[0041] Жгут 210 электропроводки содержит кабель 211 и разъем 212. Кабель 211 имеет первый, или наружный конец 211а, соединенный с электрическим разъемом 212, и второй конец (не показанный на Фигуре 4), соединенный с блоком электроники расходомера. Разъем 212 электрически подключен к преобразователю 300 через отверстие в стопорной гайке 220. Вместе кабель 211 и разъем 212 обеспечивают прием и передачу электрических сигналов между преобразователем 300 и электроникой расходомера. Жгут электропроводки 210, и, в частности, разъем 212, соединены с гнездом преобразователя (например, с гнездом 30а) с помощью стопорной гайки 220 и корпуса преобразователя 230.

[0042] Преобразователь 300 выдвигается в осевом направлении в корпус 230 преобразователя и удерживается на месте по меньшей мере частично, с помощью стопорной гайки 220. Когда преобразователь 300 и корпус 230 преобразователя приводятся во взаимодействие, пьезоэлектрический узел 400 преобразователя 300 акустически соединяется с согласующим слоем 231, соединенным с корпусом 230. Согласующий слой 231 обеспечивает акустическую связь между пьезоэлектрическим элементом 410 и текучей средой, протекающей через ультразвуковой расходомер.

[0043] На Фигуре 5 изображен разрез корпуса 230 преобразователя. Корпус 230 по существу имеет цилиндрическую форму и расположен вдоль центральной, или продольной оси 235 от первого, или открытого конца 230а до второго, или закрытого конца 230b. Кроме того, корпус 230 содержит сквозное отверстие 232, расположенное между концами 230a, 230b. Акустический согласующий слой 231 расположен в сквозном отверстии 232 на втором конце 230b и закрывает второй конец 230b. В этом варианте реализации кольцевое уплотнение 237 выполнено между согласующим слоем 231 и корпусом 230. Таким образом, сквозное отверстие 232 определяет внутреннюю камеру, или объем 233 внутри корпуса 230, которая проходит в осевом направлении от открытого конца 230а до согласующего слоя 231. Согласующий слой 231 имеет внутреннюю сторону, или внутреннюю поверхность 231а, направленную к камере 233, и наружную сторону, или наружную поверхность 231b, подверженную действию текучих сред, проходящих через расходомер.

[0044] Корпус 230 также имеет наружную резьбу 234 в радиальном направлении и пару кольцевых уплотнений 235, при этом каждое кольцевое уплотнение 235 радиально расположено в круговой канавке или круговом желобе 236 на наружной поверхности корпуса 230. Резьба 234 обеспечивает резьбовое взаимодействие корпуса 230 с гнездом преобразователя в трубной секции. При расположении в гнезде преобразователя уплотнения 235 оказываются расположены в радиальном направлении между корпусом 230 и трубной секцией и дополнительно образуют уплотнение между корпусом 230 и трубной секцией, тем самым ограничивая и/или не допуская прохождения текучей среды в радиальном направлении между корпусом 230 и трубной секцией. Хотя корпус 230 описывается как имеющий резьбовое соединение с гнездом преобразователя, в общем случае, любые подходящие средства могут использоваться для соединения с корпуса преобразователя (например, корпуса 230) с трубной секцией, например сварное соединение.

[0045] Как показано на Фигурах 4 и 5, преобразователь 300 вставляется через открытый конец 230а и продвигается через внутреннюю камеру 233 и сквозное отверстие 232, пока пьезоэлектрический узел 400 не упрется во внутреннюю поверхность 231a акустического согласующего слоя 231. Для обеспечения хорошего акустического контакта внутренняя поверхность 231a и наружная поверхность 231b акустического согласующего слоя 231 выполнены плоскими и по существу параллельными друг другу. В некоторых вариантах реализации поверхности 231a, 231b плоские с допуском 0,0025 см (0,001) дюйма или меньше и параллельны с допуском 0,0075 см (0,003) дюйма или меньше. Кроме того, преобразователь 300 расположен соосно в корпусе 230 так, что пьезоэлектрический элемент в радиальном направлении центрирован напротив акустического согласующего слоя 231. Акустический согласующий слой 231 имеет осевую толщину (измеряемую параллельно оси 235 корпуса 230), такую, что в некоторых вариантах реализации он равен нечетной четверти (1/4, 3/4, 5/4, 7/4 и т.д.) длины волны звука в согласующем слое при частоте работы преобразователя.

[0046] Как показано на Фигурах 6 и 7, преобразователь 300 имеет центральную, или продольную ось 350 и содержит наружный корпус 301, пару изолированных проводов 340а, 340b, пружину 390 и пьезоэлектрический узел 400. Как описано выше, преобразователь 300 расположен соосно в корпусе преобразователя 230 и принимает и передает акустические сигналы, используемые для оценки объемного расхода текучей среды, протекающей через ультразвуковой расходомер.

[0047] Удлиненный корпус 301 по существу имеет цилиндрическую форму и центральную ось, совпадающую с осью 350. В этом варианте реализации корпус 301 содержит две детали - по существу цилиндрический корпус 302 преобразователя и по существу цилиндрический держатель кристалла 322, соединенный с корпусом 302. И держатель 322, и корпус 302 имеют центральную ось, совпадающую с осью 350. Иными словами, держатель 322 и корпус 302 соосны.

[0048] Корпус 302 проходит в осевом направлении вдоль оси 350 от первого конца 302a до второго конца 302b и содержит сквозное отверстие 303, проходящее между концами 302a, 302b и кольцевым фланцем, или ребром 304, расположенном в радиальном направлении в сквозном отверстии 303. Кольцевой фланец 304 определяет посадочное место 305, которое взаимодействует с одним концом пружины 340, которая проходит в осевом направлении в сквозном отверстии 303. Сквозное отверстие 303 закрыто на конце 302а торцевой крышкой 306, однако на конце 302b выполнено отверстие 307, в которое входит держатель 322. Торцевая крышка 306 удерживает пару вилочных частей электрических колодок 308a, 308b, которые проходят в осевом направлении от конца 302a через торцевую крышку 306. Следовательно, торцевую крышку 306 можно также называть держателем 306 колодки. Колодка 308а имеет электрическое соединение с проводом 340a, а колодка 308b имеет электрическое соединение с проводом 340b.

[0049] Заполняющий материал 313 заполняет ближний конец 302а сквозного отверстия 303 и окружает провода 308a, 308b. Заполняющий материал 313 предпочтительно создает клеевое соединение с торцевой крышкой 306, частью зажимов 308а, 308b, выходящих в сквозное отверстие 303, радиальной внутренней поверхностью корпуса 302 и проводами 308a, 308b для жесткого удержания этих элементов на месте относительно друг друга. В общем случае, заполняющий материал (например, заполняющий материал 313) может включать любой подходящий материал, такой как пластмасса или эпоксидная смола. В этом варианте реализации заполняющим материалом 313 является эпоксидная смола, которая подается в сквозное отверстие 303 через отверстие для доступа или канал 309 в жидкой текучей форме, а затем застывает до твердого состояния. Отверстие для доступа 309 проходит в радиальном направлении через корпус 302 от сквозного отверстия 303 к радиально расположенной наружной поверхности корпуса 302.

[0050] Далее, в соответствии с Фигурами 6 и 7, корпус 302 также содержит удлинение через паз 310, проходящий в радиальном направлении через корпус 302 от сквозного отверстия 303 в радиальном направлении к наружной поверхности корпуса 302. Удлиненный паз 310 проходит вдоль центральной оси 311 от первого конца 310a до второго конца 310b. Ось 311 параллельна оси 350. В этом варианте реализации корпус 302 также содержит шпоночное соединение 311, которое помогает обеспечить правильную ориентацию узла 200 преобразователя для соединения с разъемом 212. Держатель 306 колодки может содержать паз 312, в который входит и с которым взаимодействует соединительная шпонка 311, тем самым не допуская вращения держателя 306 колодки относительно разъема 212.

[0051] Далее, в соответствии с Фигурами 6 и 7, держатель кристалла 322 проходит вдоль оси 350 между первым концом 322а, расположенным в сквозном отверстии 303 держателя 302, и вторым концом 322b дальнего держателя 302. Таким образом, держатель 322 частично расположен в сквозном отверстии 303 корпуса 302 и проходит в осевом направлении от отверстия 307 в конце 302b корпуса 302. Держатель 322 также содержит сквозное отверстие 323, которое проходит в осевом направлении через держатель 322 между концами 322a, 322b. На конце 322b держатель 322 содержит расточенное отверстие 324, определяющее кольцевую канавку 325, проходящую в осевом направлении вдоль радиальной внутренней поверхности держателя 322 от конца 322b.

[0052] Радиальная наружная поверхность держателя 322 содержит кольцевой выступ 326, определяющий изменение в наружном диаметре держателя 322. В частности, наружная поверхность 327 держателя 322 содержит первую секцию 327a, проходящую в осевом направлении от конца 322a до выступа 326 и имеющую первый наружный диаметр D1, и вторую секцию 327b, проходящую в осевом направлении от выступа 326 по направлению к концу 322b и имеющую второй наружный диаметр D2, который больше первого диаметра D1. В этом варианте реализации первый наружный диаметр D1 такой же или немного меньше внутреннего диаметра сквозного отверстия 307 на конце 302b, так, что конец 322a может быть вставлен со скольжением в сквозное отверстие 307. Однако второй наружный диаметр D2 такой же, как наружный диаметр корпуса 302, так что выступ 326 упрется в конец 302b корпуса 302, когда держатель 322 будет достаточно продвинут в сквозном отверстии 307, тем самым не допуская дальнейшего движения конца в осевом направлении 322а в сквозное отверстие 307.

[0053] Далее, в соответствии с Фигурами 6 и 7, держатель 322 также содержит отверстие 328, проходящее в радиальном направлении через держатель 322 от первой секции 327а наружной поверхности 327 до сквозного отверстия 323. Штифт 329 расположен в отверстии 328 и проходит через удлиненный паз 310 в корпусе 302. Штифт 329 прикреплен к держателю 322 внутри отверстия 328 таким образом, что он не может перемещаться поступательно и вращаться относительно отверстия 328 или держателя 322. Однако штифт 329 взаимодействует с пазом 310 с возможностью перемещения. В частности, штифт 329 имеет диаметр такой же или немного меньше ширины паза 310 (измеряемой перпендикулярно оси 311). Следовательно, штифт 329 ограничивает и/или не допускает вращения корпуса 302 вокруг оси 350 относительно держателя 322, но позволяет корпусу 302 перемещаться в осевом направлении относительно держателя 322. Относительное осевое перемещение между корпусом 302 и держателем 322 ограничено взаимодействием штифта 329 с концами 310a, 310b паза 310.

[0054] Пружина 390 расположена соосно со сквозным отверстием 303 корпуса 302 и проходит в осевом направлении вдоль оси 350 между первым концом 390а и вторым концом 390b. Первый конец 390а упирается в опорную поверхность 305 корпуса 302, а второй конец 390b упирается в конец 322a держателя 322, проходящий в сквозном отверстии 303. Пружина 390, корпус 302 и держатель 322 имеют такие размеры и конфигурацию, что пружина 390 находится в сжатом состоянии, когда она располагается в сквозном отверстии 303 между опорной поверхностью 305 и концом 322a. Однако сжатие