[发明专利]具有安装在压力边界外的换能器的弦气体流量计，其外壳以及实施方法

说明书

相关申请案的交叉参考

本申请案为2010年11月19日申请的美国专利申请案第12/927,616号的部分继续申请案。

技术领域

本发明涉及一种流量计，该流量计借助于超声换能器来确定管道中的气体流速，该等超声换能器通过一个窗来向气流发送信号以及从气流接收信号，该窗由耐压材料制成并与气体的流动通道声连通。（如本文中所使用，对“本发明”的引用涉及的是示例性实施例，而不一定会涉及所附权利要求书所涵盖的每个实施例。）更具体来说，本发明涉及一种流量计，该流量计通过超声换能器来确定管道中的气体流速，该等超声换能器通过一个窗来向气流发送信号以及从气流接收信号，该窗由耐压材料制成并与气流的流动通道声连通，其中该等换能器安置在多个外壳中，这些外壳对该等换能器进行声学隔离来改善所接收的声信号的信噪比。

背景技术

本部分意在为读者介绍可能涉及本发明各方面的相关技术的各个方面。以下论述意在提供信息以便于更好地理解本发明。相应地，应了解，以下论述中的声明应据此来解读，而并非是对现有技术的承认。

在流量计系统中，超声换能器是用于来发射和接收超声信号。通过使用本发明，解决了若干问题，它们是：如果要对现有的超声流量计中的换能器进行拆除或修理的话，需要解除气体管线中的压力或者是需要使用专门的工具来实施换能器更换；如果换能器不与管道中所含的气体直接接触的话，通常换能器的性能会不佳，导致气体流量计的信号检测不佳。现有的超声气体流量计使用的是被气体“浸湿”的换能器，也就是说，换能器本身与气体直接接触，并且需要专门的工具或者是解除管道中的压力，才能将换能器拆除。传统的换能器外壳将换能器置于管道压力之外，诸如在液体流量计中所使用的换能器就是这样，但是这种换能器外壳未被使用，因为通过外壳的声损失，再加上由换能器外壳的安装所产生的噪声，使得声信号无法使用。传统换能器外壳不能在气体环境中运作，原因有以下两点。首先，常规换能器外壳具有厚的金属窗，这些金属窗与气体的声阻抗匹配不佳，因此不能将声音传输到气体中。第二，传统换能器外壳以刚性方式附接到流量计主体。这些刚性附接为声音提供了通过流量计主体而不是通过气体来传输的路径，造成信噪比不佳。

现有超声气体流量计使其被浸湿的换能器暴露在气体之中，而气体中可能含有硫化氢或其他污染物。随着日积月累，硫化氢会使用于在换能器内电和机械连接的由常规焊点和环氧树脂制成的换能器恶化。在现有超声气体流量计中，将金属密封件置于换能器之后，来维持管道压力并防止气体泄漏。因此，如果换能器发生故障，则必须使用专门的工具来对换能器进行更换，这些专门的工具能够防止换能器在管道气体压力之下从流量计中高速喷出。如果不能恰当地操作这些工具，那么这对于更换人员来说则可能是致命的，因为在管道气体压力之下，换能器会变成发射物。此外，逸出的气体通常是高度易燃的，会对更换人员以及附近其他人造成严重危害。如果出于安全考虑而将气体管线/流程解除压力来更换换能器，那么管线气流会中止，从而导致经济损失。

当前气体流量计换能器使用的要么是单片式PZT陶瓷换能器，要么是Tonpilz换能器。这些换能器存在不佳的带宽、不佳的信噪比，以及处于100kHz至300kHz频率范围中的径向模式（radial mode），而这一频率范围恰是气体流量计的优选超声操作频率范围。结果，接收到的信号会大大失真。这会造成不佳的传送时间测量值以及不佳的气体流量计准确性。当前的气体流量计还具有在零件之间的金属与金属接触，甚至在被浸湿的换能器中，当包围换能器的壳体由金属制成时，这样由于系统的声噪声，流量计会存在不佳的信噪比。

发明内容

本发明涉及一种用于测量气体的流量计，其中准确性和可靠性是关键。该流量计测量管道中的气体流速，该管道中有通道，管道中的气体在该通道中流动，并且有平面波在该通道中传播，该等平面波是由多个上游超声换能器和多个下游超声换能器产生的。该等换能器的布置界定出两个相交平面，但是也可以有多于两个或少于两个的平面。该流量计的重要特征是可以无需专门的工具，也无需解除管线压力，就能安全地检查或更换换能器元件，这是因为存在着固持换能器并容纳管道压力的外壳。

附图说明

在附图中，示出了本发明的优选实施例和实践本发明的优选方法，其中：

图1所示为本发明的流量计。

图2所示为两个相交平面（A和B）的流量计顶截面。

图3所示为沿平面A或平面B的流量计截面。

图4所示为气体流量计布置。

图5a所示为气体换能器。