具有密封的3D打印的微型喇叭阵列的超声波换能器制造技术

一种流量计包括一对超声波换能器。每个换能器包括壳体、布置在该壳体内的压电晶体以及联接至该壳体的微型喇叭阵列。可以经由3D打印技术形成的微型喇叭阵列包括无开口的外壳、位于该外壳的内部的封闭的腔以及被封围在该封闭的腔内的多个喇叭。喇叭包括喇叭基部部分和喇叭颈部部分，该喇叭基部部分邻近于腔的近端表面，该喇叭颈部部分从基部部分沿远离压电晶体并朝向腔的远端表面的方向延伸。喇叭颈部部分由腔内的空间分开，其中，喇叭颈部之间的空间可以填充有粉末。

Ultrasonic transducer with sealed 3D printed micro horn array

【技术实现步骤摘要】
具有密封的3D打印的微型喇叭阵列的超声波换能器
本公开总体上涉及超声波流量计并且具体地涉及用在超声波流量计中的换能器组件。更具体地，本公开涉及用于对声能的从换能器组件以及至换能器组件的传输进行改进的匹配层结构。
技术介绍
比如天然气之类的流体经由管线从一个地方被运输至另一个地方。期望准确地知道在管线中流动的流体的量，并且当流体正在转手或“储存交接”时要求特定的精度。然而，即使在没有进行储存交接的情况下，也期望测量精度，并且在这些情况下可以使用流量计。超声波流量计是可以用于测量在管线中流动的流体的量的一种类型的流量计。超声波流量计具有足够的精度以用在例如储存交接中。在超声波流量计中，声信号被来回地发送穿过要被测量的流体流。基于所接收的声信号的参数，确定流量计中的流体流速。流动通过计量仪的流体的体积可以根据所计算的流速和流量计的已知的横截面面积来确定。超声波流量计包括产生并检测声信号的换能器。某些超声波换能器利用微型喇叭阵列作为阻抗匹配层。微型喇叭阵列是在一对板之间延伸的一组间隔开的喇叭形结构，所述喇叭形结构可以被称为“喇叭”。所述板在一侧上声学联接至压电晶体并且在另一侧上声学联接至超声波流量计内的流体。微型喇叭阵列提供压电晶体与流体之间的声阻抗匹配。已知的微型喇叭阵列包括间隙或通道，以允许阵列与通过计量仪的流体之间的压力均匀化。在一些情况下，微型喇叭阵列中的喇叭之间的间隙可以填充有高粘度、低压缩性的材料比如蜡或油脂。超声波流量计中的超声波换能器用于对声能穿过计量仪所需的时间进行极其精确的测量，以确定通过计量仪的流体的流速、即之后用于确定通过计量仪的总流量的值。时间测量中的任何误差将导致所测量的流量中的误差。由于超声波流量计通常用于比如在石油产品的购买/销售中的储存交接，因而流量测量中的任何误差可能导致损失金钱。常规的微型喇叭阵列的一个缺点在于，微型喇叭阵列内存在的异物将引起时间测量的偏移，从而最终导致流量测量中的误差。由于管线通常不干净，因而这是一个问题。在气体管线中，经常会受到油、水和微粒的污染。随着时间的推移，这些污染物可能积聚在微型喇叭阵列中，从而导致时间偏移，时间偏移将导致流量测量中的误差。即使在阵列最初充满高粘度材料比如油脂的情况下，随着时间的推移，由于管线内的温度和压力改变，这种高粘度材料也可能从阵列中移出，从而由于高粘度材料损失或被污染物替代而导致时间偏移(和不准确的测量)。此外，微型喇叭阵列的制造可能是耗时且昂贵的。微型喇叭阵列的机加工特别耗时，原因在于必须制造的大量的小孔/间隙。常规的微型喇叭阵列可以经由3D打印技术来制造，但是仍然存在该工艺可能增加大量时间和费用的缺点。3D打印的一种方法是直接金属激光烧结(DMSL)。沉积薄的金属粉末(比如钛、铬镍铁合金或不锈钢)层。然后使用激光在需要固体材料的所有点处选择性地加热并熔化(烧结)粉末。然后沉积新的粉末层并且使用激光选择性地烧结。重复该过程，直到整个微型喇叭阵列已经构建为止。然而，然后必须从阵列移除未烧结的粉末。通过间隙从阵列移除粉末可能非常耗时。如果然后期望以高粘度材料填充阵列，则可能花费更多的时间来确保阵列均匀地填充有高粘度材料。
技术实现思路
本文中所公开的实施方式通过采用下述微型喇叭阵列换能器来提供对超声波流量计和换能器的改进，该微型喇叭阵列换能器将微型喇叭阵列的内部与被引导通过计量仪的流体完全隔离开，并且该微型喇叭阵列换能器可以以较低的制造成本来制造。在一个实施方式中，超声波流量计包括计量仪本体和通道，该通道位于计量仪本体中以用于对要被计量的流体流的流动进行引导。另外，超声波流量计包括一对超声波换能器，所述一对超声波换能器联接至计量仪本体，换能器构造成在换能器之间形成穿过通道的弦路径。每个换能器包括：换能器壳体；压电晶体，该压电晶体布置在换能器壳体内；以及微型喇叭阵列，该微型喇叭阵列联接至换能器壳体。微型喇叭阵列包括无开口的外壳和封闭的腔，该封闭的腔位于外壳的内部。腔具有近端表面和远端表面。微型喇叭阵列还包括多个喇叭，所述多个喇叭被封围在封闭的腔内，喇叭具有喇叭基部部分和喇叭颈部部分，该喇叭基部部分邻近于腔的近端表面，该喇叭颈部部分从喇叭基部部分沿远离压电晶体并朝向腔的远端表面的方向延伸。喇叭颈部部分由腔内的空间分开。在另一实施方式中，一种制造超声波换能器的方法包括：使用3D打印技术，构建微型喇叭阵列，使得微型喇叭阵列包括布置在无开口的外壳中的喇叭；并且还包括将微型喇叭阵列附接至构造成容置压电晶体的换能器壳体。在一些实施方式中，一种制造超声波换能器的方法包括：将第一层粉末涂覆至换能器壳体，并且使第一层粉末的一部分固化并结合至换能器壳体，从而形成第一固化层。更进一步地，在一些实施方式中，该方法包括将后续层粉末添加在第一固化层上方并且使后续层粉末的部分固化并结合至先前形成的固化层，从而形成后续固化层。此外，在一些实施方式中，该方法包括在构建后续固化层的同时在腔内构建喇叭阵列以及使用3D打印技术封围腔。在另一实施方式中，换能器组件包括换能器壳体，该换能器壳体包括：第一端部；第二端部；以及通道，该通道在第一端部与第二端部之间延伸；以及微型喇叭阵列，该微型喇叭阵列通过3D打印技术构建，并且该微型喇叭阵列与通道间隔开并且延伸至第一端部。另外，换能器组件包括压电晶体，该压电晶体在通道内布置成靠近换能器壳体的第一端部。微型喇叭阵列包括无开口的外壳、布置在外壳内的多个喇叭以及在外壳中布置在喇叭之间的粉末。无开口的外壳通过3D打印技术来密封，从而将粉末保持在腔内。附图说明为了对所公开的示例性实施方式进行详细描述，现在将参照附图，在附图中：图1示出了根据本文中所公开的原理的超声波流量计；图2示出了图1中所示的超声波流量计的俯视横截面图；图3示出了图1中所示的超声波流量计的端视图；图4示出了用于图1中所示的超声波流量计的换能器对的布置；图5示出了根据本文中所描述的原理的用于在图2的超声波流量计中使用的换能器组件的横截面图；图6示出了图5的换能器组件的分解立体图；图7是示出来自图5的换能器组件的前盖以及该前盖的微型喇叭阵列的横截面图；图8是示出图7的前盖的微型喇叭阵列的横截面图；图9是示出根据本文中所公开的原理的与图7的前盖相容的微型喇叭阵列的另一实施方式的横截面图；图10是示出根据本文中所公开的原理的处于制造阶段期间的具有微型喇叭阵列的部分完成的前盖的立体图；图11示出了处于制造的另一阶段期间的具有部分完成的微型喇叭阵列的部分完成的前盖的立体图，该组件包括根据本文中所公开的原理的微型喇叭阵列；图12示出了适于形成围绕图11的前盖组件的环形壁的环660的立体图；图13示出了流程图，该流程图示出了根据本文中所公开的原理的用于使用3D打印技术制造微型喇叭阵列的方法；以及图14示出了另一流程图，该流程图示出了根据本文中所公开的原理的用于使用3D打印技术制造微型喇叭阵列的方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声波流量计，包括：/n计量仪本体；/n通道，所述通道位于所述计量仪本体中以用于对要被计量的流体流的流动进行引导；/n一对超声波换能器，所述一对超声波换能器联接至所述计量仪本体，所述换能器构造成在所述换能器之间形成穿过所述通道的弦路径，每个换能器包括：/n换能器壳体；/n压电晶体，所述压电晶体布置在所述换能器壳体内；以及/n微型喇叭阵列，所述微型喇叭阵列联接至所述换能器壳体，所述微型喇叭阵列包括：/n无开口的外壳；/n封闭的腔，所述腔位于所述外壳的内部，所述腔具有近端表面和远端表面；以及/n多个喇叭，所述多个喇叭被封围在封闭的所述腔内，其中，所述喇叭包括喇叭基部部分和喇叭颈部部分，所述喇叭基部部分邻近于所述腔的所述近端表面，所述喇叭颈部部分从所述喇叭基部部分沿远离所述压电晶体并朝向所述腔的所述远端表面的方向延伸，其中，所述喇叭颈部部分由所述腔内的空间分开。/n

【技术特征摘要】
20181001 US 16/149,0681.一种超声波流量计，包括：
计量仪本体；
通道，所述通道位于所述计量仪本体中以用于对要被计量的流体流的流动进行引导；
一对超声波换能器，所述一对超声波换能器联接至所述计量仪本体，所述换能器构造成在所述换能器之间形成穿过所述通道的弦路径，每个换能器包括：
换能器壳体；
压电晶体，所述压电晶体布置在所述换能器壳体内；以及
微型喇叭阵列，所述微型喇叭阵列联接至所述换能器壳体，所述微型喇叭阵列包括：
无开口的外壳；
封闭的腔，所述腔位于所述外壳的内部，所述腔具有近端表面和远端表面；以及
多个喇叭，所述多个喇叭被封围在封闭的所述腔内，其中，所述喇叭包括喇叭基部部分和喇叭颈部部分，所述喇叭基部部分邻近于所述腔的所述近端表面，所述喇叭颈部部分从所述喇叭基部部分沿远离所述压电晶体并朝向所述腔的所述远端表面的方向延伸，其中，所述喇叭颈部部分由所述腔内的空间分开。


2.根据权利要求1所述的超声波流量计，还包括在所述腔中位于所述喇叭之间的粉末。


3.根据权利要求2所述的超声波流量计，其中，所述外壳包括第一材料，并且其中，所述粉末包括呈粉末形式的所述第一材料。


4.根据权利要求1所述的超声波流量计，其中，所述粉末填充所述腔中的所述喇叭之间的所述空间。


5.根据权利要求4所述的超声波流量计，其中，所述外壳包括第一材料，并且其中，所述粉末包括呈粉末形式的所述第一材料。


6.根据权利要求1所述的超声波流量计，其中，所述微型喇叭阵列通过3D打印技术制造。


7.根据权利要求6所述的超声波流量计，其中，无开口的所述外壳通过3D打印技术来密封。


8.根据权利要求6所述的超声波流量计，其中，所述壳体包括：管状的杆；前盖，所述前盖位于所述杆的前端部处；以及换能器保持件，所述换能器保持件联接在所述杆的后端部处；并且
其中，所述前盖包括管状的本体，并且
其中，所述微型喇叭阵列通过3D打印直接形成在管状的所述本体上。


9.一种制造超声波换能器的方法，所述方法包括：
使用3D打印技术，构建微型喇叭阵列，使得所述微型喇叭阵列包括布置在无开口的外壳中的喇叭；以及
将所述微型喇叭阵列附接至构造成容置压电晶体的换能器壳体。


10.根据权利要求9所述的方法，其中，使用3D技术以及将所述微型喇叭阵列附接至所述换能器壳体包括：
将第一层粉末涂覆至所述换能器壳体；
使所述第一层粉末的一部分固化并结合至所述换能器壳体，从而形成第一固化层；
将后续层粉末添加在所述第一固化层上方并且使所述后续层粉末的部分固化并结合至先前形成的固化层，从而形成后续固化层；
在构建所述后续固化层的同时在腔内构建所...

【专利技术属性】
技术研发人员：小亨利·查尔斯·斯特劳布，亚历克斯·梅兹赫里茨基，克里·德韦恩·格罗舍尔，
申请(专利权)人：丹尼尔测量和控制公司，
类型：发明
国别省市：美国;US