Ультразвуковой расходомер, блок преобразователя и способы их изготовления

Ультразвуковой расходомер, блок преобразователя и способы их изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Различные примеры реализации относятся к ультразвуковым расходомерам и, в частности, к блокам преобразователей, использованным в ультразвуковых расходомерах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

После извлечения углеводородов из земли поток текучей среды (в жидкой или газовой фазе) транспортируется от одного места к другому посредством трубопроводов. Желательно иметь возможность точно определять количество протекающей текучей среды, в частности, точность особенно необходима при переходе текучей среды к другому владельцу или при передаче на ответственное хранение. Однако точность измерения желательна и в других ситуациях, при которых могут быть использованы ультразвуковые расходомеры.

Ультразвуковой расходомер содержит по меньшей мере два блока преобразователей, каждый из которых закреплен в посадочном гнезде корпуса или патрубка расходомера. Для удержания перемещаемой текучей среды в расходомере над внешним концом каждого из посадочных гнезд преобразователя в патрубке закреплен концевой соединитель. Таким образом, патрубок и концевые соединители создают границу давления, удерживающую текучую среду, проходящую через расходомер.

Для измерения расхода текучей среды через расходомер каждый из первого и второго блоков преобразователя размещен в посадочном гнезде патрубка, так что каждый из блоков преобразователя обращен друг к другу. Каждый блок преобразователя содержит пьезоэлемент. При приложении переменного тока к пьезоэлементу первого блока преобразователя пьезоэлемент реагирует путем излучения ультразвуковой волны в текучую среду, перемещаемую через расходомер. При падении этой волны на пьезоэлемент второго блока преобразователя второй блок преобразователя реагирует путем создания электрического сигнала. Через некоторое время происходит приложение переменного тока к пьезоэлементу второго блока преобразователя, пьезоэлемент реагирует путем излучения ультразвуковой волны через текучую среду в расходомере. При падении этой волны на пьезоэлемент первого блока преобразователя первый блок преобразователя реагирует путем создания электрического сигнала. Таким образом, блоки преобразователей выдают и принимают сигналы в обе стороны через поток текучей среды.

Каждый из блоков преобразователя присоединен к кабелю, проходящему через концевой соединитель к месту, выполненному внешним по отношению к патрубку, например, электронный блок обычно прикреплен к внешней части патрубка. Сигналы, создаваемые пьезоэлементами, передаются по кабелю на плату приема данных, расположенную в электронном блоке, в котором сигнал может быть обработан и затем использован для определения расхода текучей среды через расходомер.

В большей части известных блоков преобразователей пьезоэлемент размещен на одном из концов блока преобразователя, расположенном ближе к потоку текучей среды, проходящему через патрубок. Обычно пьезоэлемент расположен в корпусе и окружен согласующим слоем, обеспечивающим акустическую связь между пьезоэлементом и текучей средой, проходящей через патрубок. Для улучшения качества ультразвукового сигнала (например, увеличения амплитуды и ускорения времени нарастания) пьезоэлемент отцентрирован с корпусом в радиальном направлении, а толщина согласующего слоя, расположенного между пьезоэлементом и концом блока преобразователя в потоке текучей среды, может быть точно отрегулирована. В частности, центрирование пьезоэлемента в радиальном направлении обеспечивает симметричное расположение ультразвуковой волны относительно центра преобразователя с улучшением точности измерения потока, поскольку размерные измерения положения посадочного гнезда в сквозном отверстии расходомера обычно предполагают, что ультразвуковая волна проходит через центр отверстия посадочного гнезда. Кроме того, пьезоэлемент, отцентрированный в радиальном направлении, предотвращает возникновение проблем, связанных с угловой ориентацией преобразователя в посадочном гнезде.

Для обеспечения надлежащего положения пьезоэлемента при создании блока преобразователя пьезоэлемент обычно располагают и закрепляют в необходимом положении в корпусе посредством позиционирующего приспособления. При удержании пьезоэлемента в необходимом положении в корпусе посредством позиционирующего приспособления первый согласующий слоевой наполнитель располагают в корпусе вокруг части пьезоэлемента. Не оказывая воздействия на согласующий слоевой наполнитель, позиционирующие средства продолжают удерживать пьезоэлемент в необходимом положении, поскольку происходит упрочнение и отверждение первого согласующего слоевого наполнителя. После достаточного упрочнения согласующего слоевого наполнителя он способствует удержанию пьезоэлемента на месте и, таким образом, позиционирующее приспособление может быть удалено до расположения второго согласующего слоевого наполнителя в корпусе вокруг оставшейся части пьезоэлемента. Таким образом, при создании большинства обычных блоков преобразователей точное позиционирование пьезоэлемента в корпусе достигнуто с использованием специального позиционирующего приспособления и последующим использованием относительно трудоемкого и длительного процесса нанесения двух отдельных согласующих слоевых наполнителей.

Таким образом, в рассматриваемой области техники все еще существует потребность в создании блоков преобразователей с пьезоэлементами, расположенными надлежащим образом для улучшения качества ультразвуковых сигналов. Такие блоки преобразователей найдут свое применение, если их создание будет относительно простым, малозатратным и менее длительным.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Эти и другие недостатки, известные из уровня техники, преодолены в одном из примеров реализации путем использования блока преобразователя для ультразвукового расходомера. В одном из примеров реализации блок преобразователя содержит пьезоэлектрический модуль. В одном из примеров реализации пьезоэлектрический модуль содержит корпус, имеющий центральную ось, первый конец, второй конец, противоположный первому концу, и первую внутреннюю камеру, проходящую в осевом направлении от первого конца. Кроме того, пьезоэлектрический модуль содержит пьезоэлемент, расположенный в первой внутренней камере. Кроме того, пьезоэлемент содержит распорки, расположенные в первой внутренней камере между пьезоэлементом и корпусом.

Эти и другие недостатки, известные из уровня техники, преодолены еще в одном из примеров реализации путем использования ультразвукового расходомера для измерения расхода текучей среды через трубопровод. В одном из примеров реализации ультразвуковой расходомер содержит патрубок, имеющий сквозное отверстие и посадочное гнездо преобразователя, проходящее от внешней поверхности патрубка к сквозному отверстию. Кроме того, ультразвуковой расходомер содержит блок преобразователя, размещенный в посадочном гнезде преобразователя. Блок преобразователя имеет центральную ось и содержит пьезоэлектрический модуль. Пьезоэлектрический модуль содержит корпус, имеющий первый и второй концы и внутреннюю камеру, расположенную ближе к первому концу. Кроме того, пьезоэлектрический модуль содержит пьезоэлемент, расположенный во внутренней камере. Кроме того, пьезоэлектрический модуль содержит распорки, расположенные во внутренней камере между пьезоэлементом и корпусом. Кроме того, ультразвуковой расходомер содержит трансформаторный модуль, содержащий трансформатор и соединенный с пьезоэлектрическим модулем.

Эти и другие недостатки, известные из уровня техники, преодолены еще в одном примере реализации путем использования способа создания ультразвукового расходомера. В одном из примеров реализации способ включает использование пьезоэлектрического корпуса, имеющего центральную ось, первый конец, второй конец, расположенный противоположно первому концу, и первое глухое отверстие, проходящее в осевом направлении от первого конца. Кроме того, способ включает вставку пьезоэлемента в первое глухое отверстие. Кроме того, способ включает вставку распорок в первое глухое отверстие. Кроме того, способ включает размещение каждой из распорок в радиальном направлении между пьезоэлементом и корпусом. Кроме того, способ включает заполнение первого глухого отверстия согласующим слоем после размещения каждой из распорок.

Таким образом, примеры реализации, описанные в настоящей заявке, содержат сочетание особенностей и преимуществ, предназначенных для решения различных недостатков, связанных с конкретными устройствами, системами и способами, известными из уровня техники. После прочтения представленного далее подробного описания, приведенного согласно прилагаемым чертежам, для специалиста в данной области техники будут полностью очевидны различные особенности, описанные выше, а также другие особенности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее будет приведено подробное описание пояснительных примеров реализации настоящего изобретения согласно прилагаемым чертежам, на которых:

на фиг.1А показан вид сверху в разрезе ультразвукового расходомера, в одном из примеров его реализации;

на фиг.1В схематически показан вид с торца расходомера по фиг.1А;

на фиг.1C схематически показан вид сверху расходомера по фиг.1А;

на фиг.2 показан вид в перспективе ультразвукового расходомера, в одном из примеров его реализации;

на фиг.3 показан увеличенный вид сбоку в частичном разрезе блока преобразователя, размещенного в одном из посадочных гнезд преобразователя ультразвукового расходомера по фиг.2в, согласно принципам, описанным в настоящей заявке, в одном из примеров его реализации;

на фиг.4 показан увеличенный вид сбоку в частичном разрезе пьезоэлектрического модуля блока преобразователя по фиг.3;

на фиг.5 показан увеличенный вид сверху в частичном разрезе пьезоэлектрического модуля блока преобразователя по фиг.3;

на фиг.6 показан вид с торца в перспективе пьезоэлектрического модуля блока преобразователя по фиг.3;

на фиг.7 схематически показан вид с торца пьезоэлектрического модуля блока преобразователя по фиг.3;

на фиг.8 показан вид с торца в перспективе пьезоэлектрического модуля блока преобразователя по фиг.3;

на фиг.9 показан увеличенный вид сбоку в разрезе трансформаторного модуля по фиг.3.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее приведено описание различных примеров реализации настоящего изобретения. Несмотря на то что по меньшей мере один из этих примеров реализации в настоящее время может представлять собой предпочтительный пример реализации, раскрытые примеры реализации не следует рассматривать как ограничивающие объем настоящего изобретения, включающего формулу изобретения. Кроме того, специалисту в рассматриваемой области техники ясно, что приведенное далее описание имеет широкое применение, а описание любого из примеров реализации приведено только для пояснения такого примера реализации и не предназначено для ограничения объема настоящего изобретения, определяемого формулой изобретения.

В настоящем описании и формуле изобретения использованы конкретные термины для указания на конкретные элементы или компоненты. Специалисту в области техники будет понятно, что разные люди могут использовать различные названия для указания на аналогичный элемент или компонент. Данная заявка не предназначена для проведения различий между компонентами или элементами, которые имеют одну функцию, но различное название. В масштабировании фигур на чертежах нет необходимости. Конкретные элементы и компоненты в настоящей заявке могут быть показаны в увеличенном масштабе или в некотором схематическом виде, а некоторые части обычных элементов могут быть не показаны для обеспечения ясности и краткости.

В приведенном далее описании и формуле изобретения термины "включающий" и "содержащий" использованы в неограничительной форме, поэтому их следует интерпретировать как "включающий, но не ограниченный…". Кроме того, термин "соединяют" или "соединяет" предназначен для описания косвенного или прямого соединения. Таким образом, если первое устройство соединено со вторым устройством, то такое соединение может быть выполнено путем прямого соединения или непрямого соединения посредством других устройств, компонентов и соединений. Кроме того, использованные в данной заявке термины "осевой" и "в осевом направлении" в общем смысле означают вдоль или параллельно центральной оси (например, центральной оси корпуса или посадочного гнезда), а термины "радиальный" и "в радиальном направлении" в общем смысле означают перпендикулярно относительно центральной оси. Например, осевое расстояние относится к расстоянию, измеренному вдоль или параллельно центральной оси, а радиальное расстояние соответствует расстоянию, измеренному перпендикулярно центральной оси.

На фиг.1А и 1В показан один из примеров реализации ультразвукового расходомера 10 для пояснения его различных элементов и их взаимодействия. Патрубок 11 пригоден для расположения между сегментами трубопровода. Патрубок 11 имеет предварительно определенный размер и определяет центральное отверстие, через которое протекает текучая среда (например, газ и/или жидкость). Показанная пара преобразователей 12 и 13 и их соответствующие корпусы 14 и 15 расположены по длине патрубка 11. Преобразователи 12 и 13 представляют собой акустические приемопередатчики. В частности, выполнение преобразователей 12, 13 в виде ультразвуковых приемопередатчиков означает, что они создают и принимают акустическую энергию с частотами, превышающими примерно 20 кГц.

Акустическая энергия может быть создана и принята пьезоэлементом каждого из преобразователей 12, 13. Для создания акустического сигнала электрически возбуждают посредством синусоидального сигнала пьезоэлемент, который реагирует путем вибрации. Вибрация пьезоэлемента преобразуется в акустический сигнал, который затем перемещается через текучую среду к соответствующему преобразователю 12, 13 из пары преобразователей. Аналогично, после приема акустической энергии (то есть акустического сигнала и других шумовых сигналов) принимающий пьезоэлемент начинает вибрировать и создает синусоидальный электрический сигнал, определяемый, оцифровываемый и анализируемый посредством электронных устройств, связанных с расходомером.

Отрезок 17, иногда называемый "хордой", проходит между показанными преобразователями 12, 13 под углом q к центральной оси 20 патрубка 11. Длина "хорды" 17 соответствует расстоянию между торцом преобразователя 12 и торцом преобразователя 13. Точки 18 и 19 определяют положения, в которых акустические сигналы, создаваемые преобразователями 12, 13, входят в текучую среду, протекающую через патрубок 11, и выходят из нее (то есть вход в отверстие патрубка). Положение преобразователей 12, 13 может быть определено углом q, первой длиной L, измеренной между преобразователями 12, 13, второй длиной X, соответствующей осевому расстоянию между точками 18, 19, и третьей длиной d, соответствующей внутреннему диаметру трубы. В большинстве случаев расстояния d, Х и L точно определены при производстве расходомера. Кроме того, преобразователи 12, 13 в целом расположены на конкретном расстоянии соответственно от точек 18, 19 вне зависимости от размера расходомера (то есть размера патрубка). Текучая среда, проходящая через патрубок 11, такая как природный газ, протекает в направлении 22 и ее скорость описывается профилем 23 скоростей. Показанные на чертеже векторы скорости 24-29 иллюстрируют тот факт, что скорость прохождения газа через патрубок 11 увеличивается при приближении к центральной оси 20.

Первоначально преобразователь 12, расположенный ниже по потоку, создает акустический сигнал, который распространяется через текучую среду в патрубке 11, затем падает на преобразователь 13, расположенный выше по потоку, и регистрируется им. Через короткий промежуток времени (например, в пределах нескольких миллисекунд) преобразователь 13, расположенный выше по потоку, создает ответный акустический сигнал, который распространяется обратно через текучую среду в патрубке 11, падает на преобразователь 12, расположенный ниже по потоку, и регистрируется им. Таким образом, преобразователи 12, 13 выполняют функцию "питчера и кетчера" в отношении сигналов 30, проходящих по хорде 17. В процессе работы устройства данная последовательность может происходить тысячи раз в минуту.

Время передачи акустического сигнала 30 между преобразователями 12, 13 отчасти зависит от направления перемещения акустического сигнала 30 вверх по потоку или вниз по потоку относительно направления потока текучей среды. Время перемещения акустического сигнала вниз по потоку (то есть в направлении потока текучей среды) меньше времени его перемещения вверх по потоку (то есть в направлении, противоположном потоку текучей среды). Время перемещения вверх и вниз по потоку может быть использовано для расчета средней скорости следования сигнала по отрезку или хорде 17 и скорости звука в измеряемой текучей среде.

Ультразвуковые расходомеры могут иметь по меньшей мере одну хорду акустического сигнала. На фиг.1В показан вид в вертикальном разрезе одного из концов ультразвукового расходомера 10. Согласно фиг.1В ультразвуковой расходомер имеет четыре хорды А, В, С, D, расположенные в различных плоскостях патрубка 11. Каждая из хорд А-D проходит между парой преобразователей, причем каждый из преобразователей функционирует попеременно в качестве передатчика и приемника. На фиг.1В не показаны четыре пары преобразователей, соответствующих хордам A-D. Кроме того, показан управляющий электронный блок 40. Электронный блок 40 получает и обрабатывает данные для четырех хорд A-D.

Устройство четырых пар преобразователей можно более легко понять согласно фиг.1C. В патрубке 11 выполнены четыре пары посадочных гнезд преобразователей, в каждом из посадочных гнезд которых размещен преобразователь. Между каждыми двумя преобразователями проходит одна хорда. Например, первая пара посадочных гнезд 14, 15 вмещает преобразователи 12, 13 (фиг.1А). Преобразователи 12, 13 размещены в соответствующих посадочных гнездах 14, 15 под неперпендикулярным углом 9 к центральной оси 20 патрубка 11. Хорда 17 проходит между преобразователями 12, 13. Еще одна пара посадочных гнезд 34, 35 преобразователей (показаны только частично) и соответствующие преобразователи размещены таким образом, что хорда между преобразователями в посадочных гнездах 34, 35 и хорда 17 между преобразователями 12, 13 расположены X-образно.

Аналогично, посадочные гнезда 38, 39 преобразователей расположены параллельно посадочным гнездам 34, 35 преобразователей, однако на разных "уровнях" (то есть имеют различное радиальное положение в патрубке 11). На фиг.1C в неявном виде показаны четыре пары преобразователей и посадочных гнезд преобразователей. Согласно 1В и 1C пары преобразователей расположены таким образом, что хорды А, В двух верхних пар преобразователей расположены Х-образно, а хорды С, D двух нижних преобразователей соответственно также расположены Х-образно. Скорость потока текучей среды может быть определена для каждой из хорд А, D для получения скоростей потока вдоль хорд, а при последующем комбинировании скоростей потока по хордам может быть определена средняя скорость потока через патрубок 11. На основании значения средней скорости потока может быть определен объем текучей среды, протекающей через патрубок 11 и, таким образом, через трубопровод.

На фиг.2 и 3 соответственно показаны вид в перспективе в частичном разрезе ультразвукового расходомера 100 для измерения расхода текучей среды в трубопроводе. Ультразвуковой расходомер 100 содержит корпус или патрубок 105, блоки 200 ультразвуковых преобразователей расхода газа, электропровод или кабель 125, проходящий от каждого из блоков 200 к электронному блоку 108, соединенному с верхней частью патрубка 105, и съемную крышку 120 кабеля.

Патрубок 105 представляет собой корпус для ультразвукового расходомера 100 и выполнен с возможностью размещения между секциями трубопровода. Патрубок 105 имеет центральную ось 110 и первый или впускной конец 105а, второй или выпускной конец 105b, проход для потока текучей среды или сквозное отверстие 130, проходящее между концами 105а, 105b, и посадочные гнезда 165 преобразователей, проходящие от внешней поверхности патрубка 105 к сквозному отверстию 130. В данном примере реализации каждый из концов 105а, b имеет фланец для соединения патрубка 105 встык с отдельными секциями трубопровода в осевом направлении. Горизонтальная основная плоскость 111 проходит через центральную ось 110 и в целом делит патрубок 105 соответственно на верхнюю и нижнюю половины 105 с, d.

Как показано на фиг.2, патрубок 105 также содержит лотки для кабелей преобразователя, проходящие в целом вертикально вдоль его внешней периферии. Каждый из лотков 135 расположен таким образом, что он пересекает радиально внешние (относительно оси 110) концы 165b двух вертикально расположенных посадочных гнезд 165. Каждый из кабелей 125 проходит от одного из блоков 200, размещенных в одном из посадочных гнезд 165 вдоль одного из лотков 135, к электронному блоку 108. Поскольку два посадочных гнезда 165 пересекают каждый из лотков 135, то два кабеля 125 проходят вертикально в каждом из лотков 135.

Каждый из лотков 135 преобразователя дополнительно содержит заглубленную преднюю поверхность 140, боковые стенки 145, 150 и боковые канавки 155, 160. Предняя поверхность 140 и боковые стенки 145, 150 определяют ограниченый ими паз 175 для размещения кабелей 125. Боковые канавки 155, 160 проходят соответственно вдоль противоположных поверхностей стенок 145, 150 и передней поверхности паза 175. При использовании кабелей 125, размещенных в пазу 175 лотка 135, боковые кромки крышки 120 вводят в боковые канавки 155, 160 и вдвигают в них путем перемещения, закрывая таким образом кабели 125 и защищая их от окружающей среды с внешней стороны патрубка 105. Примеры подходящих крышек кабелей раскрыты в патентной заявке США "Крышка кабеля для ультразвукового расходомера" №11/763,783, поданной 15 июня 2007 года и полностью включенной в настоящую заявку посредством ссылки.

В некоторых примерах реализации патрубок 105 представляет собой отливку, в которой механически вырезаны лотки 135. Кроме того, пазы 175 сформированы путем механической обработки до необходимых размеров. Ширина передней поверхности 140 превышает диаметр посадочных гнезд 165. Глубина паза 175 выполнена достаточной для обеспечения возможности вырезания боковых канавок 155, 160 в боковых стенках 145, 150 лотка 135, а также самого паза 175 и достаточной для размещения кабелей 125. В некоторых примерах реализации боковые канавки 155, 160 представляют собой трехсторонние канавки с прямыми углами. В другом примере реализации боковые канавки 155, 160 могут представлять собой V-образные канавки только с двумя стенками, в которых первая стенка расположена параллельно передней поверхности 140 лотка 135, а вторая стенка расположена под углом, не превышающим 90 градусов от первой стенки. Кроме того, в примерах реализации, в которых боковые канавки 155, 160 представляют собой V-образные канавки, угол расположения боковых стенок 145, 150 относительно передней поверхности 140 может составлять менее или более 90 градусов.

Согласно фиг.3 один из блоков 200 размещен в каждом из посадочных гнезд 165. Каждое из посадочных гнезд 165 имеет центральную ось 166 и проходит через патрубок 105 от радиально внешнего (относительно центральной оси 110 по фиг.2) или первого конца 165а в сквозном отверстии 130 до радиального внешнего (относительно центральной оси 110) или второго конца 165b на внешней поверхности патрубка 105. В данном примере реализации каждое из посадочных гнезд 165 в целом выполнено горизонтальным. Другими словами, центральная ось 166 каждого из посадочных гнезд 165 расположена в плоскости, в целом параллельной основной плоскости 111 (фиг.2). Несмотря на то что проекция центральной оси 166 каждого из посадочных гнезд 165 преобразователя может не пересекать центральную ось 110 патрубка 105, для упрощения радиальные положения различных элементов и компонентов могут быть описаны относительно оси 110, обычно следует понимать, что понятие "радиально внутренний" (относительно центральной оси 110) имеет отношение к положениям, в целом расположенным ближе к оси 110 и отверстию 130, а понятие "радиально внешний" (относительно центральной оси 110) имеет отношение к положениям, в целом удаленным от оси 110 и отверстия 130.

Внутренняя поверхность каждого из посадочных гнезд 165 имеет кольцевой уступ 167 между концами 165а, b и внутреннюю резьбу 169, расположенную в осевом направлении (относительно центральной оси 166) между уступом 167 и первым концом 165а. Согласно приведенному далее подробному описанию уступ 167 способствует размещению блока 200 в посадочном гнезде 165, а резьба 169 взаимодействует с сопрягаемой резьбой блока 200 с обеспечением, таким образом, резьбового соединения блока 200 с патрубком 105 в посадочном гнезде 165.

Согласно фиг.2 и 3 при использовании устройства текучая среда протекает через трубопровод и сквозное отверстие 130 патрубка 105. Блоки 200 посылают акустические сигналы вперед и обратно через поток текучей среды в сквозном отверстии 130. В частности, блоки 200 расположены таким образом, что акустический сигнал при перемещении от одного из блоков 200 к другим пересекает поток текучей среды, проходящий через расходомер 100 под острым углом относительно центральной оси 110. Электронный блок 108 соединен с верхней частью патрубка 105 для подачи энергии к блокам 200 и приема сигналов от них посредством кабелей 125, проходящих между ними. После приема сигналов от блоков 200 электронный блок 108 обрабатывает сигналы для определения расхода текучей среды, проходящей через отверстие 130 расходомера 100.

Согласно фиг.3 блок 200 газового ультразвукового преобразователя и соединенный с ним блок 300 посадочного гнезда соосно размещены в посадочном гнезде 165 и проходят от сквозного отверстия 130 к пазу 175 лотка 135. Таким образом, блок 200 имеет центральную или продольную ось 205, в целом совпадающую с центральной осью 166 посадочного гнезда 165 при размещении в нем блока 200. Совершая радиальное перемещение по направлению наружу (относительно оси 110 по фиг.2) от сквозного отверстия 130 патрубка 105, блок 200 содержит пьезоэлектрический модуль 210 и трансформаторный модуль 250, содержащий клеммный блок 258. Блок 300 присоединен к радиально внешнему концу блока 200 в посадочном гнезде 165. Пьезоэлектрический модуль 210, трансформаторный модуль 250 и блок 300 соединены встык в осевом направлении и соосно расположены относительно осей 166, 205. Таким образом, каждый из пьезоэлектрического модуля 210, держателя 230 преобразователя, трансформаторного модуля 250 и блока 300 имеет центральную ось, в целом совпадающую с осями 205, 166. Для обеспечения краткости осевые положения различных элементов и компонентов блока 200 преобразователя и блока 300 заданы в настоящей заявке относительно осей 166, 205, однако следует понимать, что каждый отдельный компонент при сборке в блок 200 или блок 300 имеет центральную ось, в целом совпадающую с осью 205 и осью 166 при размещении в посадочном гнезде 165.

Согласно фиг.3-6 и 8 пьезоэлектрический модуль 210 имеет радиально внутренний (относительно центральной оси 110) или первый конец 210а, расположенный ближе к отверстию 130, радиально внешний (относительно центральной оси 110) или второй конец 210b, удаленный от отверстия 130, и содержит корпус 211, пьезоэлемент 212 и согласующий слой 214. На фиг.3 показан пьезоэлектрический модуль 210 с согласующим слоем 214 (например, после размещения согласующего слоя 214), а на фиг.4-7 пьезоэлектрический модуль 210 показан без согласующего слоя 214 (например, перед введением согласующего слоя 214).

Корпус 211 в целом выполнен цилиндрическим и имеет центральную ось 215, первый конец 211а, совпадающий с концом 210а, второй конец 211b, совпадающий с концом 210b. Первые концы 210а, 211а соответственно пьезоэлектрического модуля 210 и корпуса 211 проходят в осевом направлении (относительно осей 166, 205) относительно отверстия 130 и открыты воздействию текучей среды, проходящей через сквозное отверстие 130 (фиг.3). Кроме того, корпус 211 содержит первый ближний к месту прикрепления конец 211а внутренней камеры 213 и второй ближний к месту прикрепления конец 211b внутренней камеры 217. В данном примере реализации камера 213 представляет собой глухое отверстие, проходящее в осевом направлении (относительно оси 205) от первого конца 211a корпуса 211, а камера 217 представляет собой глухое отверстие, проходящее в осевом направлении (относительно оси 205) от конца 211b. Таким образом, в настоящей заявке камера 213, 217 может быть также названа соответственно глухим отверстием 213, 217. Обычно камера (например, камера 213) или глухое отверстие (например, глухое отверстие 213, 217) может быть сформирована любым подходящим способом, включая, без ограничения, формовку, отливку, механическую обработку или их сочетание. Два в целом параллельных сквозных отверстия 236 проходят в осевом направлении (относительно осей 205, 215) через корпус 211 между глухими отверстиями 213, 217.

В данном примере реализации пьезоэлемент 212 в целом выполнен цилиндрическим и соосно размещен в глухом отверстии 213, расположенном ближе к первому концу 211a и отверстию 130. Пьезоэлемент 212 представляет собой пьезоэлектрический материал, создающий электрический потенциал в ответ на приложенное механическое усилие и создающий механическое усилие и/или напряжение в ответ на приложенное электрическое поле. В частности, пьезоэлемент 212 создает электрический потенциал и соответствующий ток в ответ на акустический сигнал и создает акустический сигнал в ответ на приложенный электрический потенциал и соответствующий ток. Обычно пьезоэлемент 212 может содержать любой подходящий пьезоэлектрический материал, включая, без ограничения, пьезоэлектрический кристалл или керамику. В данном примере реализации пьезоэлемент 212 представляет собой пьезоэлектрический кристалл.

Согласно фиг.3-6 и 8 два штепсельных разъема или две колодки штепсельных разъемов 216 также размещены в глухом отверстии 213, проходящем радиально внутрь (относительно оси 110 по фиг.2), и выровнены с одним из сквозных отверстий 236. В данном примере реализации каждый штепсельный разъем 216 представляет собой гнездовой штепсельный разъем. Два вывода или провода (не показаны) электрически присоединяют пьезоэлемент 212 к гнездовым разъемам 216.

Пьезоэлемент 212 и штепсельные разъемы 216 жестко закреплены на месте относительно корпуса 211 посредством согласующего слоя 214, заполняющего, как правило, остальную часть глухого отверстия 213 и окружающего пьезоэлемент 212 и штепсельные разъемы 216 (фиг.3). Согласующий слой 214 и, таким образом, пьезоэлемент 212 соединены с корпусом 211 в глухом отверстии 213. Обычно согласующий слой 214 может быть соединен с корпусом 211 посредством каких-либо подходящих средств, включая, без ограничения, посадку с натягом, адгезионное соединение, трение или их сочетания. В данном примере реализации согласующий слой 214 присоединен непосредственно к внутренней цилиндрической поверхности глухого отверстия 213 корпуса 211 путем прикрепления эпоксидной смолой.

Согласующий слой (например, согласующий слой 214) может содержать любой подходящий материал(ы), включая, без ограничения, пластик, металл, стекло, керамику, эпоксидную смолу, эпоксидную смолу с порошкообразным наполнителем, резину, резину с порошкообразным наполнителем или их сочетания. В данном примере реализации согласующий слой 214 представляет собой эпоксидную смолу, залитую в глухое отверстие 213 в текучем жидком состоянии, с последующим его упрочнением и отверждением. Независимо от его материала согласующий слой (например, согласующий слой 214) обеспечивает акустическую связь между пьезоэлементом (например, пьезоэлементом 212) и текучей средой, проходящей через расходомер (например, текучей средой, проходящим через отверстие 130 расходомера 100). Согласно конкретным примерам реализации, раскрытым в настоящей заявке, акустический согласующий слой имеет акустический импеданс, промежуточный между импедансом пьезоэлемента и импеданса текучей среды в расходомере. При акустическом импедансе согласующего слоя, промежуточным между его значением для пьезоэлемента и для текучей среды в расходомере, происходит улучшение качества ультразвукового сигнала (например, увеличение амплитуды и ускорение нарастания импульса). Акустический импеданс согласующего слоя зависит по меньшей мере частично от его осевой толщины, и, таким образом, управление осевой толщиной согласующего слоя очень важно для обеспечения качества ультразвукового сигнала. Например, согласно фиг.3 согласующий слой 214 имеет осевую толщину L214, измеренную в осевом направлении (относительно оси 205) между текучей средой в отверстии 130 и пьезоэлементом 212. Предпочтительно расчет и управление осевой толщиной L214 происходит для улучшения качества ультразвукового сигнала. В частности, осевая толщина L214 согласующего слоя 214 составляет предпочтительно 1/4 увеличения длины звуковой волны, создаваемой пьезоэлементом 212.

Согласно фиг.4-7 и приведенному ранее описанию пьезоэлемент 212 соосно размещен в глухом отверстии 213, расположенном ближе к первому концу 211a и отверстию 130. Кроме того, расположенные по периферии распорки 230 размещены в глухом отверстии 213 вокруг пьезоэлемента 212. В частности, каждая распорка 230 радиально размещена (относительно осей 205, 215) в глухом отверстии 213 между пьезоэлементом 212 и корпусом 211. Кроме того, в данном примере реализации распорок 230 выполнены по существу идентичными. В частности, в данном примере реализации каждая распорка 230 представляет собой удлиненную тонкостеночную трубку, имеющую центральную ось 231, концы 230а, b и центральное сквозное отверстие 232, проходящее в осевом направлении (относительно оси 231) между концами 230а, b. Согласно фиг.4 и 7 каждая распорка 230 имеет осевую длину L230, измеренную в осевом направлении (относительно оси 231) между концами 230а, b, внутренний диаметр Di, внешний диаметр Do и радиальную толщину Т230, составляющую половину разницы между внешним диаметром Do и внутренним диаметром Di. Толщина Т230 существенно меньше внутреннего диаметра Di и внешнего диаметра Do и, таким образом, распорки 230 могут в целом быть названы "тонкостеночными". Несмотря на то что в данном примере реализации распорки 230 в целом представляют собой цилиндрическую трубку, обычно по меньшей мере одна из распорок (например, распорок 230) может иметь любую подходящую геометрическую форму, включая, без ограничения, прямоугольную, трапециевидную, треугольную и т.п. Согласно фиг.4 и 7 распорки 230 ориентированы в осевом направлении (то есть расположены параллельно центральной оси 215) и расположены в целом параллельно друг другу.

Согласно фиг.5 пьезоэлемент 212 имеет осевую длину L212 (измеренную параллельно оси 215), а глухое отверстие 213 имеет осевую длину L213 (измеренную параллельно оси 215), превышающую длину L212. Осевая длина L230 каждой распорки 230 предпочтительно составляет по меньшей мере половину осевой длины L212 пьезоэлемента 212 для уменьшения и/или предотвращения вращения или поворота кристалла вокруг по меньшей мере одной из распорок 230 при выполнении сборки. В данном примере реализации осевая длина L230 каждой распорки 230 составляет примерно половину осевой длины L212 пьезоэлемента 212. Кроме того, согласно фиг.7 пьезоэлемент 212 имеет по существу постоянный внешний радиус R212, а корпус 211 имеет по существу постоянный внутренний радиус R213 в глухом отверстии 213, превышающий радиус R212. Внешний диаметр Do каждой распорки 230 выполнен по существу таким же, как разность между радиусом R213 и радиусом R212, или немного превышающим эту разность. Таким образом, распорки 230 имеют размер, обеспечивающий формирования посадки с натягом между пьезоэлементом 212 и корпусом 211. В примерах реализации, в которых внешний диаметр Do каждой распорки 230 выполнен немного большим разности между радиусом R213 и радиусом R212, распорки 230 могут быть радиально сдавлены или сжаты между пьезоэлементом 212 и корпусом 211 и/или пьезоэлемент 212 может быть радиально сдавлен или сжат между распорками 230. В таких примерах реализации распорки 230 могут содержать упругий материал(ы), выполняющий функцию, аналогичную сжатым пружинам, дл