ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ИМЕЮЩИЙ НАДЕЖНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ С ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ КРИСТАЛЛОМ Российский патент 2013 года по МПК H01L41/47 G01F1/66 

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 пружины 390 ограничено взаимодействием выступа 326 и конца 302b. Таким образом, выступ 326 выполняет роль упора, препятствующего дальнейшему вхождению держателя 322 в корпус 302. Кроме того, взаимодействие штифта 329 и конца 310b паза 310 не дает держателю 322 выйти из сквозного отверстия 303 и прекратить взаимодействие с корпусом 302.

[0055] Пьезоэлектрический узел 400 в осевом направлении соединен с держателем 322 на конце 322b. В частности, пьезоэлектрический узел 400 входит в расточенное отверстие 324 и устанавливается в кольцевую канавку 325. Кроме того, пьезоэлектрический узел 400 проходит через сквозное отверстие 323 на конце 322b, тем самым перекрывая конец 322b. Как будет подробно описано ниже, провода 340a, 340b соединяются с пьезоэлектрическим узлом 400. Необходимо понимать, что имеется некоторое провисание проводов 340a, 340b между колодками 308а, 308b, соответственно, и пьезоэлектрическим узлом 400, для учета осевого перемещения держателя 322 относительно корпуса 302.

[0056] Заполняющий материал 333 заполняет ближний конец 323b сквозного отверстия 323 и окружает провода 308a, 308b. Заполняющий материал 333 предпочтительно создает клеевое соединение с пьезоэлектрическим узлом 400, радиальной внутренней поверхностью держателя 322 и проводами 308a, 308b для жесткого удержания этих элементов на месте относительно друг друга. В общем случае, заполняющий материал (например, заполняющий материал 333) может включать любой подходящий материал, такой как пластмасса или эпоксидная смола. В этом варианте реализации заполняющий материал 333 такой же, что и ранее описанный заполняющий материал 313. А именно, заполняющий материал 333 - это эпоксидная смола, которая подается в сквозное отверстие 323 в жидкой текучей форме, а затем застывает в твердом состоянии.

[0057] В соответствии с Фигурами 7-9 пьезоэлектрический узел 400 содержит пьезоэлектрический элемент 410, положительный электрод 420, отрицательный электрод 430 и соединительную прокладку 440. Пьезоэлектрический элемент по существу цилиндрический и имеет форму диска и проходит вдоль центральной оси 415 между первой, или внутренней поверхностью 411 и второй или наружной поверхностью 412 напротив внутренней поверхности 411. Центральное сквозное отверстие 413 параллельно оси 415 и проходит в осевом направлении через пьезоэлектрический элемент 410 от поверхности 411 до поверхности 412. Внутренняя поверхность 411 по существу обращена к сквозному отверстию 323 держателя 322, а наружная поверхность 412 по существу обращена от сквозного отверстия 323. В этом варианте реализации поверхности 411, 412 лежат в одной плоскости и параллельны друг другу. В общем случае, пьезоэлектрический элемент 410 может включать любой подходящий пьезоэлектрический материал, включая, но не ограничиваясь, цирконат-титанат свинца (ЦТС). Пьезоэлектрический узел 400 соосно соединяется с держателем 322 так, что ось 415 совпадает с осью 350.

[0058] Как показано на Фигурах 8 и 9, положительный электрод 420 расположен на поверхности 411, а отрицательный электрод 430 расположен на поверхности 412. В этом варианте реализации положительный электрод 420 не проходит через сквозное отверстие 413, однако отрицательный электрод 430 проходит вдоль поверхности 412 и по меньшей мере частично проходит через сквозное отверстие 413. Каждый электрод 420, 430 содержит относительно тонкий слой проводящего материала, такого как серебро или никель, который распыляется или наносится еще каким-либо образом на поверхности 411, 412, соответственно. Толщина в осевом направлении каждого электрода 420, 430 измеряется параллельно оси 415 и предпочтительно составляет менее 0,0025 см (0,001 дюйма).

[0059] Не ограничиваясь этими или любыми другими конкретными теоретическими данными, при подаче изменяющегося во времени напряжения между электродами (например, электродами 420, 430), в пьезоэлектрическом кристалле или элементе (например, пьезоэлектрическом элементе 410) индуцируется электрическое поле, которое заставляет пьезоэлектрический элемент вибрировать и излучать акустическую энергию. Далее, акустическая энергия, падающая на пьезоэлектрический элемент, заставляет пьезоэлектрический элемент вибрировать и создавать напряжение между электродами.

[0060] На Фигурах 8-10 показано, что соединительная прокладка 440 содержит тонкое основание 441 в форме диска, расположенное вдоль электрода 410, и расширение или язычок 451, отходящий от основания 441 и поверхности 411 под углом «α». В общем случае угол «α» может быть любым подходящим углом, предпочтительно между 45° и 135°. В этом варианте реализации угол «α» составляет 90°, и, таким образом, язычок 451 проходит перпендикулярно основанию 441, поверхности 411 и пьезоэлектрическому элементу 410 в сквозное отверстие 323 (Фигура 7). В этом варианте реализации основание 441 и язычок 451 являются единым и монолитным элементом.

[0061] Основание 441 содержит первую поверхность 442, которая взаимодействует с положительным электродом 420, и вторую поверхность 443, противоположную первой поверхности 442 и направленную от положительного электрода 420, и отверстие 444, проходящее через основание 441 от поверхности 442 к поверхности 443. Отверстие 444 имеет центральную ось 445, расположенную параллельно осям 415, 350. В этом варианте реализации поверхности 442, 443 лежат в одной плоскости и параллельны друг другу.

[0062] Основание 441 прикреплено к положительному электроду 420 вдоль поверхности 442. В общем случае могут использоваться любые подходящие средства для обеспечения передачи электрических сигналов к электроду 420, прикрепленному к основанию 441. Например, основание 441 может быть прикреплено к электроду 420с помощью проводящего материала, такого как припой или проводящая эпоксидная смола. Для снижения вероятности выхода из строя соединения между основанием 441 и электродом 420 вследствие напряжений, возникающих между основанием 441 и электродом 420, площадь поверхности основания 441 и соединительной прокладки 440, прикрепленных к электроду 420, предпочтительно делается относительно большой. Например, в этом варианте реализации соединительная прокладка 440 прикреплена к электроду 420 вдоль всей поверхности 442. Степень, или величина поверхности соединения между соединительной прокладки (например, соединительной прокладки 440) и электродом, к которому непосредственно крепится соединительная прокладка (например, электродом 420), может быть выражена количественно с помощью "коэффициента площади поверхности соединения", равного отношению площади поверхности соединительной прокладки, непосредственно прикрепленной к электроду, к общей площади поверхности пьезоэлектрического элемента, к которому прикреплены электрод и соединительная прокладка (например, общая площадь поверхности 411 пьезоэлектрического элемента 410). Коэффициент площади поверхности соединения для вариантов реализации изобретения, описанных в настоящем документе, предпочтительно составляет от 0,25 до 1,00, наиболее предпочтительно от 0,50 до 1,00. В вариантах реализации, показанных на Фигурах 8 и 9, коэффициент площади поверхности соединения составляет около 0,50.

[0063] Как показано на Фигурах 9 и 10, язычок 451 проходит от наружного края, или периферии основания 441. Язычок 451 содержит первую поверхность 452, по существу проходящую от первой поверхности 442 и соприкасающуюся с ней, вторую поверхность 453, по существу проходящую от второй поверхности 443 и соприкасающуюся с ней, и приемник 454 для проводов. В этом варианте реализации приемник 454 для проводов - это отверстие, проходящее через язычок 451 от поверхности 452 к поверхности 453. Кроме того, в этом варианте реализации поверхности 452, 453 лежат в одной плоскости и параллельны друг другу.

[0064] В общем случае соединительная прокладка 440 может содержать любой подходящий материал, способный передавать электрические сигналы. Однако соединительная прокладка 440 предпочтительно содержит материал, имеющий коэффициенты теплового расширения, аналогичные коэффициенту теплового расширения цирконат-титанат свинца (ЦТС) (т.е. около 3,6 10^-6/°C). В частности, соединительная прокладка 440 предпочтительно содержит материал, имеющий коэффициент теплового расширения от -1 до 9 10^-6/°C, более предпочтительно - от 1 до 6 10^-6/°C Примеры подходящих материалов для соединительной прокладки 440 включают помимо прочего инвар, Fe64/Ni36, FeNi36, UNS K93603, ASTM B753 T36 и UNS K94610.

[0065] На Фигурах 7-9 соединительная прокладка 440 обеспечивает электрическое соединение между проводом 340a, проходящим от колодки 308а до положительного электрода 420. В частности, провод 340а прикреплен к язычку 451, который имеет электрическое соединение с положительным электродом 420. В общем случае провод 340a может быть прикреплен к язычку 451 любыми подходящими средствами, обеспечивающими проводимость электрических сигналов, включая (без ограничений) припой или проводимую эпоксидную смолу. В этом варианте реализации провод 340а проходит через приемник 454 для проводов, отгибается назад по язычку 451 и удерживается на месте с помощью припоя. Далее, провод 340b, выходящий из колодки 308b, проходит через отверстие 444 в сквозное отверстие 413 пьезоэлектрического элемента 410 и прикрепляется к части отрицательного электрода 430, проходящего через сквозное отверстие 413. В общем случае провод 340b может быть прикреплен к отрицательному электроду 430 любыми подходящими средствами, обеспечивающими проводимость электрических сигналов, включая (без ограничений) припой или проводимую эпоксидную смолу. В этом варианте реализации провод 340b прикреплен к отрицательному электроду 430 внутри сквозного отверстия 413c помощью проводимой эпоксидной смолы, которая заполняет сквозное отверстие 413 и окружает провод 340b в сквозном отверстии 413. Проводимая эпоксидная смола 413 сохраняет положение провода 308b в сквозном отверстии 413 и обеспечивает электрическое соединение провода 308b с частью отрицательного электрода 430, проходящего через сквозное отверстие 413.

[0066] На Фигуре 11 представлен вид в разрезе альтернативного варианта реализации пьезоэлектрического узла 600. Пьезоэлектрический узел 600 аналогичен ранее описанному пьезоэлектрическому узлу 400. А именно, пьезоэлектрический узел 600 содержит пьезоэлектрический элемент 610, положительный электрод 620, отрицательный электрод 630 и соединительную прокладку 640. Пьезоэлектрический элемент 610 такой же, как и ранее описанный пьезоэлектрический элемент 410, за исключением того, что пьезоэлектрический элемент 610 не содержит сквозного отверстия (например, сквозного отверстия 413). Таким образом, пьезоэлектрический элемент 610 по существу цилиндрический и имеет форму диска и проходит вдоль центральной оси 615 между первой плоской поверхностью 611 и второй плоской поверхностью 612, противоположной поверхности 611 и параллельной ей.

[0067] Электроды 620, 630 такие же, как ранее описанные электроды 420, 430. Положительный электрод 620 расположен на поверхности 611, а отрицательный электрод 630 расположен на поверхности 412. Однако поскольку пьезоэлектрический элемент 610 не содержит сквозного отверстия, ни электрод 620, ни электрод 630 не проходят в сквозное отверстие.

[0068] Соединительная прокладка 640 такая же, как соединительная прокладка 440. А именно, соединительная прокладка 640 содержит тонкое основание 641 в форме диска, расположенное вдоль электрода 610, и расширение или язычок 651, проходящий от основания 641 и поверхности 611 под углом «α». Предпочтительно угол «α» находится между 45° и 135°. Основание 641 содержит первую поверхность 642, прикрепленную к положительному электроду 620c помощью проводящего материала 644 (например, проводимой эпоксидной смолы), вторую поверхность 643, противоположную первой поверхности 642, однако основание 641 не содержит никаких отверстий или сквозного отверстия. Основание 641 прикреплено к положительному электроду 620 вдоль поверхности 642. Язычок 651 проходит от наружного края, или периферии основания 641 и содержит первую поверхность 652, по существу проходящую от первой поверхности 642 и соприкасающуюся с ней, и вторую поверхность 653, по существу проходящую от второй поверхности 643, и приемную часть соединения проводов 654.

[0069] Хотя показано, что к одному электроду (т.е. к электроду 620) прикреплена одна соединительная прокладка, вторая соединительная прокладка (например, соединительная прокладка 640) может быть прикреплена ко второму электроду (например, электроду 630). В этом варианте реализации поверхность 642 прикреплена к электроду 620 и проходит через весь электрод 620 и всю поверхность 611 пьезоэлектрического элемента 610. Соответственно, в этом варианте реализации коэффициент площади поверхности соединения равен 1,0. Поскольку электрическое соединение между соединительной прокладкой 640 и электродом 620 осуществляется по всей области поверхности 611 и всей площади поверхности электрода 620 напротив пьезоэлектрического элемента и перпендикулярно оси 615, любые напряжения, возникающие в соединении между электродом 620 и соединительной прокладкой 640, распределяются по всей поверхности электрода 620, а не концентрируются в небольшой области.

[0070] Узел, целиком показанный на Фигуре 11, может быть заключен в твердой эпоксидной смоле. Любые напряжения, вызываемые несовпадением коэффициентов теплового расширения пьезоэлектрического элемента 610 и эпоксидной смолы при этом распределятся по всей поверхности контакта между электродом и соединительной прокладкой, что сводит к минимуму риск отказа электрического соединения.

[0071] Как описано ранее, в описанных в настоящем документе вариантах реализации изобретения используется соединительная прокладка (например, соединительная прокладка 440), обеспечивающая электрическое соединение между проводом (например, проводом 340а) и электродом (например, электродом 420). При использовании соединительной прокладки, в противоположность непосредственному присоединению провода к электроду, варианты реализации, описанные в настоящем документе, предлагают возможность увеличения площади поверхности соединения с пьезоэлектрическим элементом и уменьшения вероятности отказа соединения вследствие напряжений, возникающих между пьезоэлектрическим элементом и соединением с пьезоэлектрическим элементом. В частности, при увеличении площади поверхности соединения в соответствии с предпочтительными коэффициентами площади поверхности соединения, описанные выше варианты реализации обеспечивают распределение напряжений по большей площади поверхности, тем самым обеспечивая возможность более надежного электрического соединения, которое меньше подвержено отказам.

[0072] Геометрия сгиба соединительной прокладки (например, соединительной прокладки 440) и угол (например, угол «α») между основанием (например, основанием 441) и язычком (например, язычком 451) соединительной прокладки предлагает возможность снижения напряжений электрического соединения между соединительной прокладкой и электродом (например, электродом 420) вследствие перемещения провода (например, провода 340a), прикрепленного к язычку. Например, провод может перемещаться под воздействием температурного расширения эпоксидной смолы, окружающей провод, или лица, натягивающего провод. Однако когда провод перемещается вверх или вниз внутри держателя (например, держателя 322) или в радиальном направлении внутрь или наружу держателя, язычок может изгибаться, не вызывая значительных напряжений соединения между основанием соединительной прокладки и электродом, тем самым снижая риск отказа этого соединения.

[0073] В вариантах реализации, описанных в настоящем документе, соединительная прокладка (например, соединительная прокладка 440) предпочтительно содержит материал, имеющий коэффициент теплового расширения, аналогичный коэффициенту теплового расширения пьезоэлектрического элемента (например, пьезоэлектрического элемента 400). При точном совпадении коэффициента теплового расширения соединительной прокладки с коэффициентом теплового расширения пьезоэлектрического элемента описанные выше варианты реализации предлагают возможность снижения напряжений на электроде и в проводящей эпоксидной смоле во время изменений температуры, тем самым снижая риск отказа.

[0074] В вариантах реализации, описанных в настоящем документе, осевая толщина и соединительной прокладки (например, осевая толщина основания 441 соединительной прокладки 440) и проводимого материала, прикрепляющего соединительную прокладку к положительному электроду (например, проводимой эпоксидной смолы, прикрепляющей соединительную прокладку 440 к положительному электроду 420), измеряемая параллельно центральной оси преобразователя (измеряемая параллельно осям 350, 415, 445), предпочтительно небольшая по сравнению с осевой толщиной пьезоэлектрического элемента (например, пьезоэлектрического элемента 410). Кроме того, масса соединительной прокладки и проводящего материала предпочтительно значительно меньше массы пьезоэлектрического элемента. Если масса соединительной прокладки и проводящего материала значительно меньше массы пьезоэлектрического кристалла, присутствие соединительной прокладки и проводящего материала менее склонно вызывать наблюдаемый сдвиг резонансных частот пьезоэлектрического элемента. Кроме того, если соединительная прокладка и проводящая эпоксидная смола имеют очень небольшую толщину относительно пьезоэлектрического элемента, соединительная прокладка и проводящая эпоксидная смола будут почти акустически прозрачными, так, что звуковая энергия, генерируемая пьезоэлектрическим элементом, сможет проходить через соединительную прокладку и проводящий материал с минимальным поглощением или отражением. Например, если пьезоэлектрический элемент, работающий с частотой 1 МГц и имеет осевую толщину 0,2 см (0,080 дюйма), то осевая толщина соединительной прокладки и проводящего материала предпочтительно составляет 0,012 см (0,005) дюйма или меньше.

[0075] Осевая толщина соединительной прокладки (например, осевая толщина соединительной прокладки 440, измеряемая параллельно оси 415), предпочтительно мала относительно длины звуковой волны в материале соединительной прокладки при частоте работы преобразователя (например, преобразователя 300). В частности, осевая толщина в соединительной прокладке предпочтительно меньше или равна 1/20 длины звуковой волны в материале соединительной прокладки при частоте работы преобразователя следующая:

Осевая толщина ≤λ(f)/20;

где λ(f) - это длина звуковой волны в соединительной прокладке как функции частоты (f) работы преобразователя.

Длина звуковой волны материала соединительной прокладки как функции частоты (f) работы преобразователя, равная скорости звука в соединительной прокладке, деленной на частоту работы преобразователя, следующая:

λ(f)=v/f;

где λ(f) - это длина звуковой волны в соединительной прокладке как функции частоты (f) работы преобразователя,

f - это частота работы преобразователя; и

v - это скорость звука в материале соединительной прокладки.

Например, если скорость звука в материале соединительной прокладки составляет 5000 м/с, а частота работы преобразователя - 1 МГц, осевая толщина материала соединительной прокладки предпочтительно равна 0, 00025 м (~0,010 дюймов) или меньше.

[0076] Описанным способом варианты реализации, описанные выше, предлагают возможность установления более надежного электрического соединения с пьезоэлектрическим элементом, используемым в преобразователе ультразвукового расходомера. Возможные преимущества вариантов реализации, описанных в настоящем документе, могут быть особенно выгодными, если преобразователь и пьезоэлектрический узел подвергаются физическому напряжению, например, встречающемуся при необходимости работы в широком диапазоне температур, или подвергаются температурным или механическим ударам.

[0077] В то время как предпочтительные варианты реализации показаны и описаны, специалисту в данной области не составит труда выполнить их модификации без отхода от объема описанной идеи. Варианты реализации, описанные в настоящем документе, являются только примерными и не являются ограничивающими. Различные вариации и модификации систем, аппаратуры и процессов, описанных в настоящем документе, возможны в пределах области изобретения. Например, относительные размеры отдельных деталей, материалы, из которых выполнены отдельные детали и другие параметры могут варьироваться. Соответственно, объем защиты не ограничен вариантам реализации, описанными в настоящем документе, и ограничен только приложенной формулой изобретения, объем которой включает все эквиваленты объекта формула изобретения.

Изобретение относится к жидкостным и газовым ультрозвуковым расходомерам. Пьезоэлектрический узел для ультразвукового расходомера содержит пьезоэлектрический элемент, содержащий первую поверхность и вторую поверхность, пьезоэлектрический первый электрод, взаимодействующий с первой поверхностью, и второй электрод, взаимодействующий со второй поверхностью. Кроме того, пьезоэлектрический узел содержит проводимую соединительную прокладку, прикрепленную к первому электроду, при этом первый провод, электрически соединен с соединительной прокладкой. Технический результат - повышение надежности электрического соединения с электродами пьезоэлектрического элемента преобразователя с возможностью сопротивления температурным и механическим нагрузкам. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Пьезоэлектрический узел для ультразвукового расходомера, содержащий:
пьезоэлектрический элемент, содержащий первую поверхность и вторую поверхность;
первый электрод, взаимодействующий с первой поверхностью;
второй электрод, взаимодействующий со второй поверхностью;
электрически проводимую соединительную прокладку, прикрепленную к первому электроду; и
первый провод, электрически соединенный с соединительной прокладкой.

2. Узел по п.1, в котором указанная проводимая прокладка содержит основание, прикрепленное к первому электроду, и язычок, отходящий от первого электрода и первой поверхности.

3. Узел по п.2, в котором язычок ориентирован под углом «α» относительно основания, причем угол «α» находится между 45° и 135°.

4. Узел по п.2, в котором первая поверхность пьезоэлектрического элемента является плоской, а основание содержит плоскую стыковую поверхность, обращенную к первой поверхности пьезоэлектрического элемента и непосредственно прикрепленную к первому электроду.

5. Узел по п.4, в котором отношение полной площади стыковой поверхности основания к полной площади первой поверхности пьезоэлектрического элемента находится между 0,25 до 1,00.

6. Узел по п.5, в котором отношение полной площади стыковой поверхности основания к полной площади первой поверхности пьезоэлектрического элемента находится между 0,5 до 1,00.

7. Узел по п.5, в котором стыковая поверхность основания непосредственно прикреплена к первому электроду проводимым материалом, выбранным из группы, включающей проводимую эпоксидную смолу или проводимый припой.

8. Узел по п.2, в котором язычок содержит проходящее через него отверстие, через которое проходит конец провода.

9. Узел по п.2, в котором указанная соединительная прокладка содержит проводимый материал, имеющий коэффициент теплового расширения между -1 и 9·10^-6/°C.

10. Узел по п.2, в котором проводимый материал соединительной прокладки имеет коэффициент теплового расширения между 1 и 6·10^-6/°C.

11. Узел по п.2, в котором пьезоэлектрический элемент содержит сквозное отверстие, проходящее в осевом направлении между первой и второй поверхностями, причем второй электрод проходит вдоль второй поверхности пьезоэлектрического элемента и по меньшей мере частично в сквозное отверстие пьезоэлектрического элемента.

12. Узел по п.11, дополнительно содержащий второй провод, конец которого расположен в сквозном отверстии пьезоэлектрического элемента и электрически соединен со вторым электродом.

13. Узел по п.12, в котором основание соединительной прокладки содержит сквозное отверстие, а провод проходит через сквозное отверстие основания в сквозное отверстие пьезоэлектрического элемента.

14. Узел по п.12, в котором конец второго провода расположен в сквозном отверстии пьезоэлектрического элемента и электрически соединен с вторым электродом проводимым материалом, выбранным из группы, включающей проводимую эпоксидную смолу и проводимый припой.

15. Ультразвуковой расходомер для измерения расхода текучей среды через трубопровод, содержащий:
трубную секцию, содержащую сквозное отверстие и гнездо преобразователя, проходящее от наружной поверхности трубной секции к сквозному отверстию;
узел преобразователя, расположенный в гнезде преобразователя и содержащий:
корпус, имеющий центральную ось, первый конец, второй конец, противоположный первому концу, и сквозное отверстие, проходящее в осевом направлении между первым концом и вторым концом, причем второй конец содержит входное отверстие, в сквозное отверстие корпуса;
держатель кристалла, по меньшей мере частично расположенный в сквозном отверстии корпуса и проходящий в осевом направлении через указанное входное отверстие, причем держатель кристалла выровнен соосно с корпусом и имеет первый конец, расположенный в сквозном отверстии корпуса, и второй конец, размещенный на удалении от корпуса;
пьезоэлектрический узел, соединенный со вторым концом держателя кристалла и содержащий:
пьезоэлектрический элемент, проходящий вдоль центральной оси от первой поверхности, размещенной на удалении от сквозного отверстия трубной секции, к второй поверхности, расположенной вблизи сквозного отверстия трубной секции;
первый электрод, расположенный на первой поверхности;
второй электрод, расположенный на второй поверхности;
соединительную прокладку, прикрепленную к первому электроду;
первый провод, электрически соединенный с соединительной прокладкой и первым электродом; и
второй провод, электрически соединенный со вторым проводом.

16. Ультразвуковой расходомер по п.15, в котором соединительная прокладка содержит основание, прикрепленное к первому электроду, и язычок, расположенный под углом «α» к основанию, причем этом угол «α» находится между 45° и 135°.

17. Ультразвуковой расходомер по п.16, в котором основание и язычок являются монолитными.

18. Ультразвуковой расходомер по п.16, в котором первый провод прикреплен непосредственно к язычку.

19. Ультразвуковой расходомер по п.16, в котором первая поверхность и вторая поверхность пьезоэлектрического элемента являются плоскими и параллельными, а стыковая поверхность основания, непосредственно прикрепленная к первому электроду, является плоской.

20. Ультразвуковой расходомер по п.19, в котором отношение полной площади стыковой поверхности основания к полной площади первой поверхности пьезоэлектрического элемента находится между 0,25 и 1,00.

21. Ультразвуковой расходомер по п.20, в котором отношение полной площади стыковой поверхности основания к полной площади первой поверхности пьезоэлектрического элемента находится между 0,5 и 1,00.

22. Ультразвуковой расходомер по п.15, в котором указанная соединительная прокладка содержит проводимый материал, имеющий коэффициент теплового расширения между -1 и 9·10^-6/°C.

23. Ультразвуковой расходомер по п.16, в котором основание прикреплено к первому электроду первым проводимым материалом, а конец второго провода прикреплен к второму электроду вторым проводимым материалом, причем первый проводимый материал и второй проводимый материал выбраны из группы, включающей проводимую эпоксидную смолу или проводимый припой.

24. Ультразвуковой расходомер по п.16, в котором пьезоэлектрический элемент содержит сквозное отверстие, проходящее в осевом направлении между первой и второй поверхностями, а второй электрод проходит вдоль второй поверхности пьезоэлектрического элемента и по меньшей мере частично в сквозное отверстие пьезоэлектрического элемента;
причем основание соединительной прокладки содержит сквозное отверстие, а
второй провод проходит через сквозное отверстие основания в сквозное отверстие пьезоэлектрического элемента.