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CN117337379A - 超声波质量燃料流量计 - Google Patents

超声波质量燃料流量计 Download PDF

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Publication number
CN117337379A
CN117337379A CN202180098277.0A CN202180098277A CN117337379A CN 117337379 A CN117337379 A CN 117337379A CN 202180098277 A CN202180098277 A CN 202180098277A CN 117337379 A CN117337379 A CN 117337379A
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CN
China
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axial
fluid
sensor
axial end
housing portion
Prior art date
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Pending
Application number
CN202180098277.0A
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English (en)
Inventor
J·L·路斯
G·W·普利
B·L·斯沃普
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Woodward Inc
Original Assignee
Woodward Inc
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G01F1/668—Compensating or correcting for variations in velocity of sound
    • G—PHYSICS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0651—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element of circular shape

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  • Electromagnetism (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

本说明书的主题除了其他之外还可以体现在一种传感器中，所述传感器包括：具有第一横截面面积的第一轴向传感器壳体部分；沿着传感器轴线与第一轴向传感器壳体部分相邻地布置并且具有比第一横截面面积更大的第二横截面面积的第二轴向传感器壳体部分；以及从第一轴向传感器壳体部分的内表面延伸到第二轴向传感器壳体部分的内表面的面；在第一轴向传感器壳体部分内并且具有第一轴向端部和第二轴向端部的第一缓冲杆；在第二轴向传感器壳体部分内并邻接所述面并且具有第三轴向端部和第四轴向端部的第二缓冲杆；以及与第二轴向端部和第三轴向端部声学地配合的声学收发器元件。

Description

超声波质量燃料流量计
优先权要求
本申请要求2021年3月17日提交的第63/162,359号美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用在此并入。
技术领域
本说明书涉及超声波流体质量流量传感器。
背景技术
流体测量设备用于流体控制系统的表征和操作。随着流量测量设备的动态带宽、流量范围、准确性和可靠性的改善，这种设备的潜在应用前景也随之拓宽。高动态带宽流量计(flow meter)可以用作控制系统反馈传感器，用于改善燃料系统中的稳态和/或瞬态准确性。超声波流量计(USFM)是一种经验证的工业技术，该技术可以用于对飞行器涡轮系统的实现。
现有的飞行时间超声波流量计被用于赛车和汽车行业、管道托管转移(pipelinecustody transfer)、工业流量测量和许多其他应用中。然而，这些应用中的许多包含稳态流动条件，并且它们相应的应用允许体积流量测量。在其他应用(诸如飞行器燃气涡轮引擎应用)中，燃料递送系统的流体环境条件带来了重大的设计挑战。
发明内容
总体上，本文档描述了超声波流体质量流量传感器。
在第一示例中，一种传感器包括：具有定义了传感器轴线和轴向内部传感器壳体腔室的内表面的传感器壳体，所述传感器壳体包括具有垂直于传感器轴线的第一横截面面积的第一轴向传感器壳体部分、沿着传感器轴线与第一轴向传感器壳体部分相邻地布置并且具有垂直于传感器轴线的比第一横截面面积更大的第二横截面面积的第二轴向传感器壳体部分、以及从第一轴向传感器壳体部分的内表面延伸到第二轴向传感器壳体部分的内表面的面；布置在第一轴向传感器壳体部分内并且包括第一轴向端部和第二轴向端部的第一轴向缓冲杆；布置在第二轴向传感器壳体部分内并邻接所述面并且包括第三轴向端部和第四轴向端部的第二轴向缓冲杆；以及与第二轴向端部和第三轴向端部声学地配合的声学收发器元件。
在第二示例中，根据示例1，声学收发器元件被配置成发射具有预定波长(λ)的振动，并且第一轴向缓冲杆和第二轴向缓冲杆两者都具有大约n/2λ的整数倍的轴向长度。
在第三示例中，根据示例1或2，所述传感器进一步包括管状流体导管，所述管状流体导管具有第一端部和与第一端部相对的第二端部并且定义了导管轴线，所述管状流体导管被布置成使得导管轴线与传感器轴线基本上对齐。
在第四示例中，根据示例3，所述传感器进一步包括：具有定义了另一个传感器轴线和另一个轴向内部传感器壳体腔室的另一个内表面的另一个传感器壳体，所述另一个传感器壳体包括具有垂直于另一个传感器轴线的另一个第一横截面面积的另一个第一轴向传感器壳体部分、沿着另一个传感器轴线与另一个第一轴向传感器壳体部分相邻地布置并且具有垂直于另一个传感器轴线的比另一个第一横截面面积更大的另一个第二横截面面积的另一个第二轴向传感器壳体部分、以及从另一个第一轴向壳体部分的另一个内表面延伸到另一个第二壳体部分的另一个内表面的另一个面；布置在另一个第一壳体部分内并且包括另一个第一轴向端部和另一个第二轴向端部的另一个第一轴向缓冲杆；布置在另一个第二壳体部分内并邻接所述另一个面并且包括另一个第三轴向端部和另一个第四轴向端部的另一个第二轴向缓冲杆；以及与另一个第二轴向端部和另一个第三轴向端部声学地配合的另一个声学收发器元件；其中所述另一个传感器轴线与导管轴线基本上对齐。
在第五示例中，根据示例3或4，所述传感器进一步包括流体壳体，所述流体壳体包括定义了轴向流体壳体腔室的流体壳体内表面、与轴向流体壳体腔室流体连通的第一流体端口、以及与轴向流体壳体腔室流体连通的第二流体端口，其中所述管状流体导管与第二流体端口流体连通，并且在第一端部处沿着导管轴线远离流体壳体轴向地延伸，并且所述传感器壳体被布置在第一流体壳体内，使得传感器轴线与导管轴线基本上对齐。
在第六示例中，根据示例5，所述传感器进一步包括：具有定义了另一个传感器轴线和另一个轴向内部传感器壳体腔室的另一个内表面的另一个传感器壳体，所述另一个传感器壳体包括具有垂直于另一个传感器轴线的另一个第一横截面面积的另一个第一轴向传感器壳体部分、沿着另一个传感器轴线与另一个第一轴向传感器壳体部分相邻地布置并且具有垂直于另一个传感器轴线的比另一个第一横截面面积更大的另一个第二横截面面积的另一个第二轴向传感器壳体部分、以及从另一个第一轴向壳体部分的另一个内表面延伸到另一个第二壳体部分的另一个内表面的另一个面；布置在另一个第一壳体部分内并且包括另一个第一轴向端部和另一个第二轴向端部的另一个第一轴向缓冲杆；布置在另一个第二壳体部分内并邻接所述另一个面并且包括另一个第三轴向端部和另一个第四轴向端部的另一个第二轴向缓冲杆；与另一个第二轴向端部和另一个第三轴向端部声学地配合的另一个声学收发器元件；以及另一个流体壳体，所述另一个流体壳体包括定义了另一个轴向流体壳体腔室的另一个流体壳体内表面、与另一个轴向流体壳体腔室流体连通的另一个第一流体端口、以及与另一个轴向流体壳体腔室流体相通的另一个第二流体端口，其中所述管状流体导管与另一个第二流体端口流体连通，并且在第二端部处沿着导管轴线远离另一个流体壳体轴向地延伸，并且另一个传感器壳体被布置在另一个第一流体壳体内，使得另一个传感器轴线与导管轴线基本上对齐。
在第七示例中，根据示例1至6中的任何一个，声学收发器元件包括压电元件。
在第八示例中，根据示例1至7中的任何一个，所述传感器进一步包括匹配层，所述匹配层固定到第四轴向端部并且具有大约(2n-1)λ/4的厚度，其中n＞0。
在第九示例中，根据示例1至8中的任何一个，第一轴向端部定义了声学反射器。
在第十示例中，根据示例1至9中的任何一个，第一轴向端部与气体或至少部分真空邻接。
在第十一示例中，一种传感器系统包括：流体壳体，所述流体壳体包括定义了第一轴向流体壳体腔室并且包括与第一轴向流体壳体腔室流体连通的第一流体端口的第一流体壳体部分、定义了第二轴向流体壳体腔室并且包括与第二轴向流体壳体腔室流体连通的第二流体端口的第二流体壳体部分、以及管状流体导管，所述管状流体导管在第一端部处与第一流体端口流体连通并且在与第一端部相对的第二端部处与第二流体端口流体连通，并且定义了导管轴线；布置在第一轴向流体壳体腔室内并与导管轴线轴向地对齐的第一声学收发器元件；以及布置在第二轴向流体壳体腔室内并与导管轴线轴向地对齐的第二声学收发器元件。
在第十二示例中，根据示例11，所述传感器系统进一步包括电路，所述电路被配置成：激活第一声学收发器元件以发射第一入射波；激活第二声学收发器元件以发射第二入射波；由第一声学收发器元件检测第一入射波的回波；基于所述回波来确定管状流体导管中的流体的流体声学阻抗；由第二声学收发器元件检测第一入射波的至少第一部分；确定第一部分的所述部分的第一飞行时间；由第一声学收发器元件检测第二入射波的至少第二部分；确定第二部分的第二飞行时间；以及基于所确定的流体声学阻抗、所确定的第一飞行时间、以及所确定的第二飞行时间来确定质量流体流率。
在第十三示例中，根据示例11或12，第一声学收发器元件或第二声学收发器元件中的一个或两者均包括：具有定义了传感器轴线和轴向内部传感器壳体腔室的内表面的传感器壳体，所述传感器壳体包括具有垂直于传感器轴线的第一横截面面积的第一轴向传感器壳体部分、沿着传感器轴线与第一轴向传感器壳体部分相邻地布置并且具有垂直于传感器轴线的比第一横截面面积更大的第二横截面面积的第二轴向传感器壳体部分、以及从第一轴向传感器壳体部分的内表面延伸到第二轴向传感器壳体部分的内表面的面；布置在第一轴向传感器壳体部分内并且包括第一轴向端部和第二轴向端部的第一轴向缓冲杆；布置在第二轴向传感器壳体部分内并邻接所述面并且包括第三轴向端部和第四轴向端部的第二轴向缓冲杆；以及与第二轴向端部和第三轴向端部声学地配合的声学收发器元件。
在第十四示例中，根据示例13，声学收发器元件被配置成发射具有预定波长(λ)的振动，并且第一轴向缓冲杆和第二轴向缓冲杆两者都具有大约n/2λ的整数倍的轴向长度。
在第十五示例中，根据示例13或者14，声学收发器元件包括压电元件。
在第十六示例中，根据示例13至15中的任何一个，所述传感器进一步包括匹配层，所述匹配层固定到第四端部并且具有大约1/4λ的奇数倍的厚度。
在第十七示例中，根据示例13至16中的任何一个，第一轴向端部定义了声学反射器。
在第十八示例中，根据示例13至17中的任何一个，第一轴向端部与气体或至少部分真空邻接。
在第十九示例中，一种感测方法包括：激活第一发射器以在第一方向上发射至少第一入射波并且在与第一方向相反的第二方向上发射第二入射波；沿着第一缓冲杆传输第一入射波，第一缓冲杆具有与第一发射器邻接的第一轴向端部和与第一轴向端部相对的第二轴向端部；沿着第二缓冲杆传输第二入射波，第二缓冲杆具有与第一发射器邻接的第三轴向端部和与第三轴向端部相对的第四轴向端部；由沿着第二轴向端部的一部分定义的第一声学反射器来反射第一入射波的第一回波；检测第一回波；确定第一回波的第一振幅；由第四轴向端部反射第二入射波的第二回波；检测第二回波；确定第二回波的第二振幅；以及基于第一振幅和第二振幅来确定反射系数。
在第二十示例中，根据示例19，所述方法进一步包括基于所确定的反射系数和预定缓冲杆声学阻抗来确定第二轴向端部处的流体的流体声学阻抗。
在第二十一示例中，根据示例20，所述方法进一步包括：在第二轴向端部处，将第一入射波的一部分通过所述流体传输到第一传感器，第一传感器被布置成与第一发射器相距预定距离并与之相对，其中所述流体在具有预定横截面面积的管状流体导管内；由第一传感器检测第一入射波的所述部分；基于第一入射波的检测到的部分来确定第一入射波的所述部分的第一飞行时间；由第二发射器将另一个第一入射波通过所述流体传输到靠近第一发射器的第二传感器；由第二传感器检测所述另一个第一入射波；以及基于检测到的另一个第一入射波来确定所述另一个第一入射波的第二飞行时间。
在第二十二示例中，根据示例21，所述方法进一步包括基于第一飞行时间、第二飞行时间和预定距离来确定管状流体导管内的流体的速度或流体内的声速中的至少一个。
在第二十三示例中，根据示例22，所述方法进一步包括基于预定横截面面积和所确定的声速来确定质量流体流率。
在第二十四示例中，根据示例23，所述质量流体流率由等式
在第二十五示例中，根据示例21至24中的任何一个，第一发射器和第一传感器中的一个或两者是压电元件。
在第二十六示例中，根据示例21至25中的任何一个，压电元件包括第一发射器和第一传感器。
在第二十七示例中，根据示例19至26中的任何一个，第一声学反射器包括匹配层，所述匹配层固定到第四轴向端部并且具有(2n-1)λ/4的厚度，其中n＞0。
在第二十八示例中，根据示例19至27中的任何一个，第一轴向端部与气体或至少部分真空邻接。
在第二十九示例中，一种保护传感器元件的方法包括：提供传感器，所述传感器包括：具有定义了传感器轴线和轴向内部传感器壳体腔室的内表面的传感器壳体，所述传感器壳体包括具有垂直于传感器轴线的第一横截面面积的第一轴向传感器壳体部分、沿着传感器轴线与第一轴向传感器壳体部分相邻地布置并且具有垂直于传感器轴线的比第一横截面面积更大的第二横截面面积的第二轴向传感器壳体部分、以及从第一轴向传感器壳体部分的内表面延伸到第二轴向传感器壳体部分的内表面的面；布置在第一轴向传感器壳体部分内并且包括第一轴向端部和第二轴向端部的第一轴向缓冲杆；布置在第二轴向传感器壳体部分内并邻接所述面并且包括第三轴向端部和第四轴向端部的第二轴向缓冲杆；以及与第二轴向端部和第三轴向端部声学地配合的声学收发器元件；在第四轴向端部处提供流体；以及由第二轴向缓冲杆和传感器壳体阻挡流体从第四轴向端部流向声学收发器元件。
在第三十示例中，根据示例29，所述方法进一步包括：针对第四轴向端部应用流体压力，以产生针对第二轴向缓冲杆的轴向力；由第二轴向缓冲杆将所述轴向力传输到传感器壳体；以及由所述传感器壳体阻止所述轴向力向声学收发器元件的传输。
在第三十一示例中，根据示例30，所述方法进一步包括由第二轴向部分将所述轴向力传输到所述面，其中所述面干扰第二轴向缓冲杆朝向声学收发器元件的轴向移动。
在示例实施例中，一种传感器包括：具有定义了传感器轴线和轴向内部传感器壳体腔室的内表面的传感器壳体，所述传感器壳体包括具有垂直于传感器轴线的第一横截面面积的第一轴向传感器壳体部分、沿着传感器轴线与第一轴向传感器壳体部分相邻地布置并且具有垂直于传感器轴线的比第一横截面面积更大的第二横截面面积的第二轴向传感器壳体部分、以及从第一轴向传感器壳体部分的内表面延伸到第二轴向传感器壳体部分的内表面的面；布置在第一轴向传感器壳体部分内并且具有第一轴向端部和第二轴向端部的第一轴向缓冲杆；布置在第二轴向传感器壳体部分内并邻接所述面并且具有第三轴向端部和第四轴向端部的第二轴向缓冲杆；以及与第二轴向端部和第三轴向端部声学地配合的声学收发器元件。
各种实施例可以包括以下特征中的一些、全部，或者不包括以下特征。声学收发器元件可以被配置成发射具有预定波长(λ)的振动，并且第一轴向缓冲杆和第二轴向缓冲杆两者都可以具有大约n/2λ的整数倍的轴向长度。所述传感器可以包括管状流体导管，所述管状流体导管具有第一端部和与第一端部相对的第二端部并且定义了导管轴线，所述管状流体导管被布置成使得导管轴线与传感器轴线基本上对齐。所述传感器可以包括：具有定义了另一个传感器轴线和另一个轴向内部传感器壳体腔室的另一个内表面的另一个传感器壳体，所述另一个传感器壳体具有：具有垂直于另一个传感器轴线的另一个第一横截面面积的另一个第一轴向传感器壳体部分、沿着另一个传感器轴线与另一个第一轴向传感器壳体部分相邻地布置并且具有垂直于另一个传感器轴线的比另一个第一横截面面积更大的另一个第二横截面面积的另一个第二轴向传感器壳体部分、以及从另一个第一轴向壳体部分的另一个内表面延伸到另一个第二壳体部分的另一个内表面的另一个面；布置在另一个第一壳体部分内并且具有另一个第一轴向端部和另一个第二轴向端部的另一个第一轴向缓冲杆；布置在另一个第二壳体部分内并邻接所述另一个面并且具有另一个第三轴向端部和另一个第四轴向端部的另一个第二轴向缓冲杆；以及与另一个第二轴向端部和另一个第三轴向端部声学地配合的另一个声学收发器元件；其中所述另一个传感器轴线与导管轴线基本上对齐。权利要求的所述传感器可以包括流体壳体，所述流体壳体具有定义了轴向流体壳体腔室的流体壳体内表面、与轴向流体壳体腔室流体连通的第一流体端口、以及与轴向流体壳体腔室流体连通的第二流体端口，其中所述管状流体导管与第二流体端口流体连通，并且在第一端部处沿着导管轴线远离流体壳体轴向地延伸，并且所述传感器壳体被布置在第一流体壳体内，使得传感器轴线与导管轴线基本上对齐。所述传感器可以包括：具有定义了另一个传感器轴线和另一个轴向内部传感器壳体腔室的另一个内表面的另一个传感器壳体，所述另一个传感器壳体具有：具有垂直于另一个传感器轴线的另一个第一横截面面积的另一个第一轴向传感器壳体部分、沿着另一个传感器轴线与另一个第一轴向传感器壳体部分相邻地布置并且具有垂直于另一个传感器轴线的比另一个第一横截面面积更大的另一个第二横截面面积的另一个第二轴向传感器壳体部分、以及从另一个第一轴向壳体部分的另一个内表面延伸到另一个第二壳体部分的另一个内表面的另一个面；布置在另一个第一壳体部分内并且具有另一个第一轴向端部和另一个第二轴向端部的另一个第一轴向缓冲杆；布置在另一个第二壳体部分内并邻接所述另一个面并且具有另一个第三轴向端部和另一个第四轴向端部的另一个第二轴向缓冲杆；与另一个第二轴向端部和另一个第三轴向端部声学地配合的另一个声学收发器元件；以及另一个流体壳体，所述另一个流体壳体具有定义了另一个轴向流体壳体腔室的另一个流体壳体内表面、与另一个轴向流体壳体腔室流体连通的另一个第一流体端口、以及与另一个轴向流体壳体腔室流体相通的另一个第二流体端口，其中所述管状流体导管与另一个第二流体端口流体连通，并且在第二端部处沿着导管轴线远离另一个流体壳体轴向地延伸，并且另一个传感器壳体被布置在另一个第一流体壳体内，使得另一个传感器轴线与导管轴线基本上对齐。声学收发器元件可以包括压电元件。所述传感器可以包括匹配层，所述匹配层固定到第四轴向端部并且具有大约(2n-1)λ/4的厚度，其中n＞0。第一轴向端部可以定义声学反射器。第一轴向端部与气体或至少部分真空邻接。
在另一个示例实施例中，一种传感器系统包括：流体壳体，所述流体壳体具有定义了第一轴向流体壳体腔室并且具有与第一轴向流体壳体腔室流体连通的第一流体端口的第一流体壳体部分、定义了第二轴向流体壳体腔室并且具有与第二轴向流体壳体腔室流体连通的第二流体端口的第二流体壳体部分、以及管状流体导管，所述管状流体导管在第一端部处与第一流体端口流体连通并且在与第一端部相对的第二端部处与第二流体端口流体连通，并且定义了导管轴线；布置在第一轴向流体壳体腔室内并与导管轴线轴向地对齐的第一声学收发器元件；以及布置在第二轴向流体壳体腔室内并与导管轴线轴向地对齐的第二声学收发器元件。
各种实施例可以包括以下特征中的一些、全部，或者不包括以下特征。所述传感器系统可以包括电路，所述电路被配置成：激活第一声学收发器元件以发射第一入射波；激活第二声学收发器元件以发射第二入射波；由第一声学收发器元件检测第一入射波的回波；基于所述回波来确定管状流体导管中的流体的流体声学阻抗；由第二声学收发器元件检测第一入射波的至少第一部分；确定第一部分的所述部分的第一飞行时间；由第一声学收发器元件检测第二入射波的至少第二部分；确定第二部分的第二飞行时间；以及基于所确定的流体声学阻抗、所确定的第一飞行时间、以及所确定的第二飞行时间来确定质量流体流率。第一声学收发器元件或第二声学收发器元件中的一个或两者均可以包括：具有定义了传感器轴线和轴向内部传感器壳体腔室的内表面的传感器壳体，所述传感器壳体具有：具有垂直于传感器轴线的第一横截面面积的第一轴向传感器壳体部分、沿着传感器轴线与第一轴向传感器壳体部分相邻地布置并且具有垂直于传感器轴线的比第一横截面面积更大的第二横截面面积的第二轴向传感器壳体部分、以及从第一轴向传感器壳体部分的内表面延伸到第二轴向传感器壳体部分的内表面的面；布置在第一轴向传感器壳体部分内并且具有第一轴向端部和第二轴向端部的第一轴向缓冲杆；布置在第二轴向传感器壳体部分内并邻接所述面并且具有第三轴向端部和第四轴向端部的第二轴向缓冲杆；以及与第二轴向端部和第三轴向端部声学地配合的声学收发器元件。声学收发器元件可以被配置成发射具有预定波长(λ)的振动，并且第一轴向缓冲杆和第二轴向缓冲杆两者都可以具有大约n/2λ的整数倍的轴向长度。声学收发器元件230可以包括压电元件。所述传感器系统可以包括匹配层，所述匹配层固定到第四端部并且具有大约1/4λ的奇数倍的厚度。第一轴向端部可以定义声学反射器。第一轴向端部可以与气体或至少部分真空邻接。
在示例实现方式中，一种感测方法包括：激活第一发射器以在第一方向上发射至少第一入射波并且在与第一方向相反的第二方向上发射第二入射波；沿着第一缓冲杆传输第一入射波，第一缓冲杆具有与第一发射器邻接的第一轴向端部和与第一轴向端部相对的第二轴向端部；沿着第二缓冲杆传输第二入射波，第二缓冲杆具有与第一发射器邻接的第三轴向端部和与第三轴向端部相对的第四轴向端部；由沿着第二轴向端部的一部分定义的第一声学反射器来反射第一入射波的第一回波；检测第一回波；确定第一回波的第一振幅；由第四轴向端部反射第二入射波的第二回波；检测第二回波；确定第二回波的第二振幅；以及基于第一振幅和第二振幅来确定反射系数。
各种实现方式可以包括以下特征中的一些、全部，或者不包括以下特征。所述方法可以包括基于所确定的反射系数和预定缓冲杆声学阻抗来确定第二轴向端部处的流体的流体声学阻抗。所述方法可以包括：在第二轴向端部处，将第一入射波的一部分通过所述流体传输到第一传感器，第一传感器被布置成与第一发射器相距预定距离并与之相对，其中所述流体在具有预定横截面面积的管状流体导管内；由第一传感器检测第一入射波的所述部分；基于第一入射波的检测到的部分来确定第一入射波的所述部分的第一飞行时间；由第二发射器将另一个第一入射波通过所述流体传输到靠近第一发射器的第二传感器；由第二传感器检测所述另一个第一入射波；以及基于检测到的另一个第一入射波来确定所述另一个第一入射波的第二飞行时间。所述方法可以包括基于第一飞行时间、第二飞行时间和预定距离来确定管状流体导管内的流体的速度或流体内的声速中的至少一个。所述方法可以包括基于预定横截面面积和所确定的声速来确定质量流体流率。质量流体流率可以由等式给出。第一发射器和第一传感器中的一个或两者可以是压电元件。压电元件可以包括第一发射器和第一传感器。第一声学反射器可以包括匹配层，所述匹配层固定到第四轴向端部并且具有(2n-1)λ/4的厚度，其中n＞0。第一轴向端部可以与气体或至少部分真空邻接。
在另一个示例实现方式中，一种保护传感器元件的方法包括：提供传感器，所述传感器具有：具有定义了传感器轴线和轴向内部传感器壳体腔室的内表面的传感器壳体，所述传感器壳体具有具有垂直于传感器轴线的第一横截面面积的第一轴向传感器壳体部分、沿着传感器轴线与第一轴向传感器壳体部分相邻地布置并且具有垂直于传感器轴线的比第一横截面面积更大的第二横截面面积的第二轴向传感器壳体部分、以及从第一轴向传感器壳体部分的内表面延伸到第二轴向传感器壳体部分的内表面的面；布置在第一轴向传感器壳体部分内并且具有第一轴向端部和第二轴向端部的第一轴向缓冲杆；布置在第二轴向传感器壳体部分内并邻接所述面并且具有第三轴向端部和第四轴向端部的第二轴向缓冲杆；以及与第四轴向端部和第三轴向端部声学地配合的声学收发器元件；在第二轴向端部处提供流体；以及由第二轴向缓冲杆和传感器壳体阻挡流体从第四轴向端部流向声学收发器元件。
各种实现方式可以包括以下特征中的一些、全部，或者不包括以下特征。所述方法可以包括：针对第四轴向端部应用流体压力，以产生针对第一轴向缓冲杆的轴向力；由第二轴向缓冲杆将所述轴向力传输到传感器壳体；以及由所述传感器壳体阻止所述轴向力向声学收发器元件的传输。所述方法可以包括由第二轴向部分将所述轴向力传输到所述面，其中所述面干扰第二轴向缓冲杆朝向声学收发器元件的轴向移动。
本文中描述的系统和技术可以提供以下优点中的一个或多个。第一，系统可以针对宽的流体温度范围提供改善的环境生存性。第二，该系统可以针对宽的流体压力范围提供改善的环境生存性。第三，该系统可以针对恶劣流体提供改善的环境生存性。第四，该系统可以提供完整的流体密度感测。第五，该系统可以相对不受流体流动动力学(例如，旋涡、涡旋、不稳定性)的影响。第六，该系统可以以100Hz或更高的更新率来使用，同时维持准确性。
在附图和下面的描述中阐述了一个或多个实现方式的细节。其他特征和优点将从该描述和附图以及从权利要求中变得明显。
附图说明
图1是超声波流量测量系统的示例的横截面图。
图2是图1的系统的示例超声波传感器模块的横截面图。
图3示出了在图2的模块中的入射波和反射波传播的概念性示例。
图4示出了在图2的模块中的流体压力减轻的概念性示例。
图5A-5C示出了在超声波流量测量系统中的入射波遍历(traversal)的概念性示例。
图6A和6B是示出了图1的超声波流量测量系统中的示例入射波和回波的图表。
图7是示出了用于确定流体反射系数的过程的示例的流程图。
图8是示出了用于确定质量流体流量的过程的示例的流程图。
图9是示出了用于抵抗流体暴露对图2的模块的声学换能器的影响的过程的示例的流程图。
图10是通用计算机系统的示例的示意图。
具体实施方式
本文档描述了超声波流体质量流量传感器(USFM)系统以及用于测量流体的流体流动特性的技术。总体上，该系统中描述的USFM系统可以被用于将使现有USFM降级或破坏现有USFM的流体环境中。燃料递送系统的流体环境条件可能会带来重大的设计挑战。对于当前的、现有技术的飞行器和其他燃气涡轮引擎应用，针对这种应用部署的超声换能器将被期望经受住(survive)高流体压强(例如，0psi至4000psi或更高)以及包括高流体温度的宽范围的流体温度(例如，-65华氏度或更低，至325华氏度或更高)。
这些温度和压力远比典型工业流体、蒸汽或管道托管转移应用中所需的温度和压力更具挑战性。为了在这种应用中保持有效，浸湿的换能器还必须不会由于在高温和/或高压下长期浸入在腐蚀性流体(诸如飞行器燃料和/或添加剂)中而降级。本文档中描述的USFM系统包括在这种条件下改善USFM的生存性(survivability)的特征。
在现有的工业和托管转移中，基于飞行时间、互相关以及相移测量的USFM具有准确性限制，该准确性限制由流量测量体积内的流动速度范围或调节比(turn down ratio)所确定。例如，在低流动条件期间，上游和下游测量之间的差可能过于不敏感而无法维持目标准确性。在高流动条件期间，测量准确性可能遭受流动不稳定性，这经常是由声学路径相对于该流而离轴(off-axis)、流动分离和/或非轴对称流动条件引起的。离轴换能器配置也可能引起灵敏度和准确性问题。圆形换能器在这些波对角地传递通过该流时可能施加不均匀的超声场，从而降低准确性。在具有小于流动横截面的超声波束的现有USFM中，整个流动剖面(profile)没有被声穿透(insonify)，并且因此必须被估计，该估计通常利用单个K因子校正值、或使用多个声波路径的USFM的复系数矩阵，诸如在天然气托管转移应用中。在现有的USFM设计中，当流态(flow regime)不稳定或者从层流到湍流显著地改变时，可能难以在大的调节比上维持流量测量准确性。例如，一些现有的工业USFM在维持准确性的同时，即使在理想地执行应用配管(piping)和流量调节的情况下，其具有的实际调节比也不超过50:1。相比之下，燃气涡轮燃料系统可能需要显著更高的调节比，一般为100:1，其中一些应用的调节比高至350:1或更高。此外，燃气涡轮流量测量系统必须能够以100Hz或更高的更新速率来维持动态准确性。
质量流量对于燃烧过程维持安全和可操作的燃料空气比是至关重要的。过量的燃料空气比可能导致压缩机喘振(surge)或超温事件。相反地，过量的空气燃料比可能导致压缩机爆裂(blow out)。这些事件中的任一个都可能对燃气涡轮性能有害，并且因此是针对燃气涡轮引擎设计的关键设计驱动因素。此外，一些应用(诸如燃气涡轮引擎)被设计成在变化的压力和温度下对各种燃料类型进行操作。
重要的变量、尤其是在飞行器燃气涡轮应用中是燃料比重随燃料类型和温度的变化。在一些应用中，跨预期温度范围和可用燃料类型，预期燃料比重可以变化大约25％。燃料密度中的宽范围(如果未知的话)将针对给定体积流率驱动燃料质量流量中的宽范围。这种可变性可能导致质量空气燃料流量比中的大差异(variance)，这使跨环境范围的引擎设计是低效的，从而产生过大的引擎、保守的加速和/或减速调度、过量的喘振裕度和/或过量的爆裂裕度。
图1是超声波流量测量(USFM)系统100的示例的横截面图。USFM系统100包括流体壳体110和两个超声波传感器模块200。流体壳体110包括由内表面121a定义的轴向流体壳体腔室120a和由内表面121b定义的轴向流体壳体腔室120b。流体端口122a定义了连接到流体腔室120a的流体路径124a。流体端口122b定义了连接到流体腔室120b的流体路径124b。流体壳体110还定义了在流体腔室120a和120b之间延伸的腔室126。
流体壳体110还包括流体控制导管130，流体控制导管130定义了沿着导管轴线134的流体路径132。流体控制导管130流体地连接流体腔室120a和流体腔室120b，从而使流体腔室120a与流体腔室120b流体连通。流体控制导管130具有预定可流动区域136和形状(例如，正方形、锥形和/或弯曲边缘、平行或锥形壁，以影响流体流动行为)。在一些实现方式中，流体壳体110可以跨许多应用而使用，并且流体控制导管130可以是可互换的专用子组件(例如，适配器)，该子组件可以使USFM系统100适配于特定流体类型、应用和/或操作条件。
现在参考图2，示出了图1的系统的示例超声波传感器模块200的放大横截面图。超声波传感器模块200包括传感器壳体202，传感器壳体202具有由内表面207定义的轴向内部传感器壳体腔室204和传感器轴线206。当超声波传感器模块200被组装到图1的流体壳体110时，传感器轴线206与导管轴线134基本上对齐。传感器壳体202具有轴向传感器壳体部分208a，轴向传感器壳体部分208a具有垂直于传感器轴线206的横截面面积209a。传感器壳体202还具有轴向传感器壳体部分208b，轴向传感器壳体部分208b具有垂直于传感器轴线206的横截面面积209b。横截面面积209b在尺寸上大于横截面面积209a。面210从轴向传感器壳体部分208a的内表面207延伸到轴向传感器壳体部分208b的内表面208。在所图示的示例中，面210在横截面面积209a和横截面面积209b之间的过渡处形成为大致正方形的肩部或架状突出部(ledge)。在一些实施例中，面210可以是横截面面积209a和横截面面积209b之间的锥形过渡或在其他情况下的非正方形过渡。
超声波传感器模块200还包括声学收发器元件230。声学收发器元件230被配置成当被激励时以预定波长(λ)发射声学振动(例如，超声波)。在一些实施例中，分离的声学驱动器和声学接收器可以被实现为声学收发器元件230。在一些实施例中，声学收发器元件230可以被配置成还检测接收到的声学振动。在一些实施例中，声学收发器元件230可以是压电元件。
声学收发器元件230被布置在轴向缓冲杆250和轴向缓冲杆270之间。声学收发器元件230的面231通过结合层232与缓冲杆250的轴向端部252声学地配合或以其他方式邻接。声学收发器元件230的面233(与面231相对)通过结合层234与缓冲杆270的轴向端部272声学地配合或以其他方式邻接。在一些实施例中，结合层232和234可以是粘合层。
在一些实施例中，缓冲杆250和270可以由任何适当的材料或材料组合制成——该材料或材料组合当与匹配层材料组合时可以提供适当的声学阻抗比以改善或最大化测量的灵敏度，具有成本效益，可以在合理的制造公差内制造，和/或在预期应用环境中提供良好的机械和化学兼容性。缓冲杆材料的示例包括钛合金、奥氏体不锈钢、铝、硼硅酸盐玻璃、熔融(例如，非晶状)石英和工业陶瓷(例如，AlN、Al3O3、SiN和混合物)。
在一些实施例中，可以省略结合层232和/或234，其中声学收发器元件230与轴向端部252和/或272直接接触。例如，可以通过在轴向缓冲杆250和270之间机械地捕获声学收发器元件230来将声学收发器元件230保持在适当的位置，或者可以通过形成在内表面207中的固着(fixation)特征将声学收发器元件230保持在适当的位置。在一些实施例中，结合层232和/或234可以由诸如金或铅之类的高延展性材料形成，该高延展性材料可以与轴向端部252和272以及声学收发器元件230的配合面相符合。
轴向缓冲杆250沿着传感器轴线206从轴向端部252延伸到与轴向端部252相对的轴向端部254。轴向缓冲杆250具有预定轴向长度，该预定轴向长度大约是声学收发器元件230的传输波长的二分之一的整数倍(n/2λ)。在其中使用长缓冲杆(例如，其中n大于约10)的一些实施例中，预定轴向长度可能不需要被配置成二分之一波长的整数倍。在一些实施例中，轴向缓冲杆250可以直接或间接地(例如，通过密封件、套筒或结合材料)接触内表面203，以基本上密封传感器腔室204和声学收发器元件230，防止流体在轴向端部254处浸入。
轴向缓冲杆270沿着传感器轴线206从轴向端部272延伸到与轴向端部272相对的轴向端部274。轴向缓冲杆270具有预定轴向长度，该预定轴向长度大约是声学收发器元件230的传输波长的二分之一的整数倍(n/2λ)。在一些实施例中，轴向缓冲杆270可以直接或间接地(例如，通过密封件、套筒或结合材料)接触内表面207，以基本上密封传感器腔室204和声学收发器元件230，防止流体在轴向端部254处浸入，和/或增强USFM模块200的鲁棒性。
缓冲杆250和270具有预定声学阻抗(Zbuffer)。在所图示的示例中，腔室204被填充有气体，诸如空气或部分真空。在一些实施例中，在传感器的操作温度范围内，腔室的内容物(例如，介质)的声学阻抗可以至少是缓冲杆的声学阻抗的1/1000。腔室的声学阻抗与缓冲杆270的声学阻抗充分不同，以在被声波(例如，超声波脉冲(ping))击中时反射声学回波。在一些实施例中，腔室204可以被抽真空以形成至少部分真空。轴向端部254形成图1的流体导管130的一部分，该流体导管在使用中被填充有流体(例如，燃料)，该流体具有与缓冲杆250的声学阻抗充分不同的声学阻抗，以在被声波(例如，超声波脉冲)击中时反射声学回波。
在一些实施例中，缓冲杆250和/或270的部分可以包括覆层。例如，覆层可以被配置成通过如下方式来改善超声波传感器模块200的效率和/或灵敏度：引导入射波的传播、将缓冲杆250和270与传感器壳体202声学地和/或电气地隔离、和/或将缓冲杆250和270与传感器壳体202热绝缘。
仍参考图2，超声波传感器模块200包括匹配层280，该匹配层280与缓冲杆250的轴向端部254声学地配合、固定到轴向端部254、或以其他方式与轴向端部254邻接。在一些实施例中，匹配层280可以粘附到轴向端部254。在一些实施例中，匹配层280的部分可以延伸到传感器壳体202，并且被固定(例如，焊接)到传感器壳体202。在其中匹配层280固定到传感器壳体202的一些实施例中，匹配层280和传感器壳体202之间的接合部可以基本上密封传感器腔室204，防止流体在轴向端部254处浸入。匹配层280具有的轴向厚度大约为声学收发器元件230的传输波长的奇数倍(例如，(2n-1)λ/4，其中n＞0)，例如，1/4λ。
在一些实施例中，匹配层280可以增加反射灵敏度，从而改善或最大化反射系数的改变相对于流体阻抗改变的速率dR/dZfluid，例如，随着燃料改变温度，Zfluid改变，并且因此反射比改变。在一些实施例中，使用两个或更多个1/4波离散匹配层、多层1/4波梯度(graded)复合匹配层、或多层薄膜1/4波匹配层、连同可选地包括非声学(例如，<1/10波)耐磨板，可以提供在利用单个匹配层可获得的反射灵敏度以上的附加反射灵敏度。
再次参考图1，两个超声波传感器模块200跨流体控制导管130彼此面对。超声波传感器模块200的声学换能器元件以预定距离150隔开。
USFM系统100包括控制器190。控制器190包括电路，该电路被配置成：激活超声波传感器模块200以使得入射声波被发射，以检测声波在超声波传感器模块200处的接收；测量直接声波和反射声波的各种组合的传输和接收之间的定时和/或振幅；和/或部分地基于那些所测量的定时来确定USFM系统100和/或流体的各种属性，如将在图3-9的描述中进一步讨论的。
在使用中，流体流经USFM系统100。例如，可以在流体端口122a处提供诸如燃料之类的流体，在流体端口122a处，流体将沿着流体路径124a流入流体腔室120a中。流体围绕超声波传感器模块200流向流体控制导管130。流体沿着流体路径132流经流体控制导管130，并且然后围绕超声波传感器模块200流向流体腔室120b。然后，流体沿着流体路径124b流出流体端口122b。如将在图3-9的描述中进一步讨论的，超声波传感器模块200被保护以免直接暴露于流体，并且被用于通过流体传输声波以确定流体的属性，诸如声学阻抗和质量流量。
图3示出了在图2的超声波传感器模块200中的入射波传播的概念性示例。在使用中，声学收发器元件230被激活，以发射入射波(例如，脉冲)。入射波从面231和233两者被发射。入射波被传输到缓冲杆250和270中并沿着缓冲杆250和270传输。由箭头310表示的入射波的一部分通过轴向缓冲杆270行进，直到它遇到轴向端部274。轴向端部274和腔室204的接合部使得入射波的一部分310被反射为由箭头320表示的回波。回波320往回行进以便被声学收发器元件230检测到。在一些实施例中，超声波传感器模块200可以包括分离的声学发射器和声学接收器，用于入射波的传输和检测。
由箭头330表示的入射波的另一部分通过轴向缓冲杆250行进，直到它遇到轴向端部254。轴向端部254和匹配层280处(例如，或者在其中不使用匹配层280的实施例中，在轴向端部254处)的流体301的接合部使得入射波的一部分330被反射为由箭头340表示的回波。回波340往回行进以便被声学收发器元件230检测到。
在一些实现方式中，可以测量(例如，由图1的示例控制器190)入射波的传输和回波320的检测之间的时间，以确定第一飞行时间。在一些实现方式中，可以测量入射波的传输和回波340的检测之间的时间，以确定第二飞行时间。测量回波320和回波340的振幅。如将在图6A-7的描述中进一步讨论的，所测量的飞行时间、所测量的回波振幅、以及关于缓冲杆250和270的声学阻抗以及声学收发器元件230、轴向端部254和轴向端部274之间的预定距离的预定信息可以用于确定轴向端部254处的流体301的属性，诸如声学阻抗(Zfluid)和/或流体中的声速(Cfluid)。
在一些实现方式中，超声波传感器模块200可以被用于除了USFM系统100之外的应用中。例如，超声波传感器模块200可以与流体接触(例如，附接到罐、管子、或其他流体容器或体积、或者浸没在其中)，并且可以被超声处理，作为确定流体的声学阻抗、流体中的声速和/或流体的流体密度的过程的一部分。
在一些实现方式中，缓冲杆250和/或270本身的特性可以基于所测量的飞行时间和/或所测量的回波振幅来确定(例如，以针对未知的缓冲杆声学阻抗进行校准和/或补偿温度改变对超声波传感器模块200的影响)。类似地，在一些实现方式中，声学收发器元件230与轴向端部274和/或轴向端部254中的一个或两者之间的距离可以基于所测量的飞行时间、所测量的回波振幅、已知距离、已知缓冲杆声学阻抗和/或已知缓冲杆温度来确定。
图4示出了在图2的超声波传感器模块200中的流体压力减轻的概念性示例。在使用中，超声波传感器模块200至少部分地暴露于轴向端部254处的流体301。在一些实施例中，流体301的温度或化学属性可能损坏声学收发器元件230；因此，超声波传感器模块200被配置成阻止流体301与声学收发器元件230直接接触。例如，轴向缓冲杆250和轴向传感器壳体部分208b之间和/或缓冲杆250和面210之间的直接或间接(例如，通过垫片(shim)、套筒、覆层、密封件或密封剂)接触可以基本上阻挡流体从轴向端部254流向声学收发器元件230。在一些实现方式中，通过缓冲杆250造成的流体渗漏(seepage)可以被引导至传感器腔室204，而不接触声学收发器元件230的主面。
在使用中，超声波传感器模块200至少部分地暴露于轴向端部254处的流体压力，该流体压力由箭头410表示。流体压力410是相对于由声学收发器元件230使用的声学信号所引起的动态压力的静态流体压力。在一些实施例中，流体压力410的直接或间接(例如，通过缓冲杆250)应用可以产生针对声学收发器元件230的压缩力，该压缩力可能会抵消或以其他方式负面地影响由声学收发器元件230响应于感测到的声学信号而提供的信号。在一些实现方式中，可以通过电气地抵消传感器信号以便恢复真实信号的近似值，从而在数学上补偿这种影响。
超声波传感器模块200被配置成防止流体压力410影响声学收发器元件230。例如，声学收发器元件230与轴向端部252声学地配合。由此，声学收发器元件230能够相对于传感器壳体202在缓冲杆250上“漂浮(float)”，并且不会变得被流体压力410压缩。
声学收发器元件230还通过缓冲杆250和传感器壳体202的机械配置而被保护以免受流体压力410的影响。流体压力410被应用到轴向端部254，这促使缓冲杆250移动到传感器腔室204中。促使这种移动的该压力由箭头420表示。缓冲杆250的移动通过轴向缓冲杆250与传感器壳体202的面210之间的接触而被阻止，如由箭头430所表示的。由此，防止了力420到达声学收发器元件230。
横截面面积209a的较小大小被调整大小，以便适应声学收发器元件230，并且将传感器壳体202的热膨胀与声学路径解耦。横截面面积209b的较大大小被调整大小，以便适应作用在缓冲杆250上的压力诱导力。将力传输到传感器壳体202中基本上消除了压力诱导力，以免作用在声学收发器元件230上，基本上消除了对压力补偿、被调整大小以便对压力诱导力作出反应的换能器组件和/或浸湿换能器设计约束的需要。
通过将声学收发器元件230与流体压力环境解耦，观察到若干个优点。例如，不需要声学收发器元件230的流体/燃料兼容性。在另一个示例中，声学收发器元件230的频率不受由压力诱导力驱动的厚度要求的限制。在其中声学收发器元件230是压电换能器的另一个示例中，支持流体压力所需的压电厚度使得声学收发器元件230的操作频率远低于飞行时间测量的操作要求。在又一个示例中，声学收发器元件230的操作频率可以被调整大小以便改善声学优化和/或低流量测量准确性。
图5A-5C示出了在超声波流量测量系统500中的入射波遍历的概念性示例。在一些实现方式中，USFM系统500可以是图1的USFM系统100的示例。USFM系统500包括两个声学发射器510a和510b、两个声学接收器512a和512b、以及流体控制导管520。流体沿着流体控制导管520在由箭头501表示的方向上流动。
以下的推导假设声学接收器512a和512b垂直于流体控制导管520的主轴线与它们相应的声学发射器510a和510b对齐。因此，下面的推导省略了入射角。如果声学发射器510a、510b和声学接收器512a、512b被离轴地放置，则以下推导可以使用入射角来重新导出。然而，为了简单起见，这里不使用用于补偿这种角度的三角法。
参考图5A，首先，考虑通过非移动流体行进的声音的速度：
距离＝速度×时间
或：
长度(L)＝流体中的声速(Cfluid)×时间(t)
∴L1＝Cfluid×t1
其中Cruel是流体中的声速，L1是声学发射器510a和声学接收器512a之间的距离，并且t1是声学发射器510a和声学接收器512a之间的信号渡越时间(transit time)。
假设其中控制体积(流体)移动的方向501与由线502a表示的从声学发射器510a到声学接收器512a的声音行进方向相同，则通过流体行进的声波的速度将相对于流体的速度而改变。
∴L2＝V2×t2
V2＝Vfluid+Cfluid
∴L2＝(Vfluid+Cfluid)t2
其中Vfluid是移动流体的平均速度，L2是声学发射器510a和声学接收器512a之间的距离，并且t2是声学发射器510a和声学接收器512a之间的信号渡越时间。
现在参考图5B，假设控制体积(流体)与由线502b表示的从声学发射器510b到声学接收器512b的声音行进方向相反。通过流体行进的声波的速度将相对于流体的速度而改变。
∴L13＝V3×t3
V3＝-Vfluid+Cfluid
∴L3＝(-Vfluid+Cfluid)t3
其中L3是声学发射器510b和声学接收器512b之间的距离，并且t3是声学发射器510b和声学接收器512b之间的信号渡越时间。
参考图5C，对于特定的一组超声波传感器，这些设备既可以发射信号，又可以接收信号。这意味着，对于一对信号，以下特性被共享：
Lup＝Ldown＝L＝发射器之间的距离；
D＝直径∴流体控制导体520的面积；
A＝横截面面积；
Cfluid＝流体中的声速；
Vfluid＝流体速度；
ρfluid＝流体密度；
Zfluid＝流体的声学阻抗。
在共享以上属性的情况下，上游信号和下游信号之间的时间差将允许计算各种流体特性。
上游渡越时间和下游渡越时间变为：
求解出tup、tdown和Cfluid：
由于声速在换能器之间是共同的，因此声速彼此相等，并且允许找到流体速度：
Cfludid＝Cfluid
Ldowntup-tdowntupVfluid＝Luptdown+tuptdownVfluid
Ldowntup-Luptdown＝tuptdownVfluid+tdowntupVfluid
Lup＝Ldown
L(tup-tdn)＝2Vfluidtuptdown
知道流体的速度允许确定体积流体流量(Qfluid)，其中Cd是流体控制导管520中的流体的预定排放系数：
Qfluid＝Cd×A×Vfluid
还可以确定流体声速属性。由于流体速度在一对换能器之间共享，因此可以求解出流体速度。回想：
以及：
针对Vfluid来求解tup和tdown：
Vfluid＝(Ldown-tdownCfluid)/tdown
Vfluid＝(-Lup+tupCfluid)/tup
由于流体的速度在换能器之间是共同的，因此先前的两个等式彼此相等，并且允许求解流体声速：
图6A和6B是示出了图1的超声波流量测量系统中的示例入射波和回波的图表。图6A示出了随时间的声学振幅的图表600，包括子持续时间601。图6B示出了图表602，其中为了可见性，子持续时间601已经被扩大。
图表600示出了初始入射波610的发射的表示(例如，当声学收发器元件230被激活以发送声学“脉冲”时)。回波620在几微秒之后被接收到。在一些实现方式中，回波620可以是图3的回波320，该回波320是入射波的一部分310离开腔室204处的面274的反射。
回波630在几微秒之后被接收到。在一些实现方式中，回波630可以是回波340，该回波340是入射波的一部分330离开轴向端部254的反射，该轴向端部254还是去往流体的界面。回波640表示缓冲杆250和270中的回响。在操作中，回波640可以被滤除或以其他方式被忽略。
入射波670表示由声学传感器(例如，位于传输了入射波的声学收发器元件230的下游或者以其他方式与之相对的声学收发器元件230)接收到的入射波的一部分。入射波670为了到达所花费的时间量受若干个变量的影响，诸如流体密度、流率、以及流体在流体控制导管130中的流动方向、以及距离150。针对入射波670所花费的时间量可以用作tup或tdown(例如，取决于该波在流体控制导管130中是向上游行进还是向下游行进)。
如图4中所图示，缓冲杆250被设计成将压力诱导力转移到传感器壳体202的面210。这是通过缓冲杆250的直径构造来实现的，其中声学收发器元件230的较小横截面面积将传感器壳体202的热膨胀与声学路径解耦。轴向缓冲杆250的较大横截面面积被调整大小，以便适应作用在缓冲杆250上的压力诱导力。将力传输到传感器壳体202中基本上消除了压力诱导力，以免作用在声学收发器元件230上，并且基本上消除了对(例如，压电陶瓷)压力补偿，调整大小以便对压力诱导力作出反应的需要，并且基本上避免了浸湿换能器设计约束。
通过将声学收发器元件230与流体压力环境解耦，观察到若干个优点。例如，不需要声学收发器元件230的流体/燃料兼容性，声学收发器元件230的频率不受由压力诱导力驱动的厚度要求的限制，支持流体压力所需的声学收发器元件230的厚度使得操作频率远低于飞行时间测量的操作要求，并且声学换能器频率可以针对声学优化和低流量测量准确性被调整大小。
对于飞行器涡轮燃料系统，可以确定质量燃料流率，以便了解燃烧能量含量。这是通过使用缓冲杆250和270来解决的。缓冲杆250和270的设计和布置实现了附加的声学益处，这些声学益处可以被有意地设计到USFM系统100中。例如，缓冲杆250和270的构造使得控制器190能够确定用于燃料声学阻抗测量的反射系数。这是通过引入换能器传输振幅响应(例如，回波320或620)来实现的，该换能器传输振幅响应是通过充当基本上理想的反射器的腔室204来实现的，并且该振幅可以与缓冲杆流体界面的返回回波(例如，回波340或630)进行比较。在一些实施例中，通过匹配层280进一步增强了轴向端部254的灵敏度，然而，为了简化下面的等式，这将被忽略。
流体声学阻抗可以通过将回波反射有效面积设置成彼此相等来确定，例如通过适当地配置横截面面积209a和209b。在一些实现方式中，这些面积可以不相等，并且数学补偿可以被整合到该过程中。然而，为了清楚起见，在下面的等式中假设这些面积相等。这允许直接测量反射系数。缓冲杆250内的波传播是铰接的(articulated)，使得在空气中，从面274返回的回波等同于来自轴向端部254的回波。
反射系数是通过使用短时傅立叶变换(STFT)找到的。找到两个回波的快速傅立叶变换(FFT)，以确定返回回波的峰值：
STFT→振幅＝f(频率)
因此：
其中：
Echo1是分别图3、6A和6B的回波320或620之一，Echo2是分别图3、6A和6B的回波340或630之一，并且f和f0是换能器驱动频率。然后，根据下式找到反射系数：
并且，假设缓冲杆250与流体或燃料直接对接(例如，在这种情况下没有匹配层280)：
其中R是反射系数。
Z2＝Zfiuid
Z1＝Zbuffer
在一些示例中，缓冲杆可以具有随温度的属性改变，这可以得到作为温度函数的Zbuffer项。这些改变可以通过缓冲杆的温度特性以及位于该系统中的温度感测设备的使用来补偿，或者温度参考可以根据缓冲反射定时来确定。
可以通过传感器级别处的表征来确定缓冲杆250的阻抗。在缓冲杆阻抗已知并且反射系数被测量的情况下，现在可以求解出流体阻抗：
Zfluid＝ρfluid×Cfluid
根据以上等式，流体中的声速被求解出。由于流体阻抗和流体声速是已知的，因此现在可以求解出流体密度。
明确地：
在体积流体流量和密度现在已知的情况下，可以找到质量流体流率：
在另一个实现方式中，可以使用另一种技术来确定质量流体流量。下面的推导基于如下简化假设：即，换能器的面(例如，压电陶瓷和换能器)全部垂直于流体输送管的轴线而布置。因此，下面的推导省略了入射角。在其中压电换能器被离轴地放置的示例中，以下推导可以被重新导出以包括入射角。然而，为了简单起见，这里已经忽略了这种角度。
质量燃料流量感测可以通过每个通道实现两个超声波换能器来实现，其中每个换能器发送和接收声学信号。用于质量燃料流量感测的信号可以基于上游时间渡越和下游时间渡越(例如，针对速度)和内部换能器反射(例如，针对阻抗感测)。
Qfluid＝Vfluid×Cd×A
z＝ρfluid×Cfluid
∴
其中Cd和K在文献中通常可互换作为流量校正因子：
首先：
距离＝速度×时间
或
长度(L)＝声速(Cfluid)×时间(t)
∴L1＝Cfluid×t1
其中Cfuel是流体中的声速，L1是声学发射器510a和声学接收器512a之间的距离，并且t1是声学发射器510a和声学接收器512a之间的信号渡越时间。
假设控制体积(流体)移动的方向501与由线502a表示的从声学发射器510a到声学接收器512a的声音行进方向相同，则通过流体行进的声波的速度将相对于流体的速度而改变。
∴L2＝Cfluid×t2
V2＝Vfluid+Cfluid
∴L2＝(Vfluid+Cfluid)×t2
其中Vfluid是移动流体的平均速度，L2是声学发射器510a和声学接收器512a之间的距离，并且t2是声学发射器510a和声学接收器512a之间的信号渡越时间。
再次参考图5B，假设控制体积(流体)与由线502b表示的从声学发射器510b到声学接收器512b的声音行进方向相反。通过流体行进的声波的速度将相对于流体的速度而改变。
∴L3＝V3×t3
V3＝-Vfluid+Cfluid
∴L3＝(-Vfluid+Cfluid)×t3
其中L3是声学发射器510b和声学接收器512b之间的距离，并且t3是声学发射器510b和声学接收器512b之间的信号渡越时间。
再次参考图5C，对于特定的一组超声波传感器，并且如上所描述，这些设备既可以发射信号，又可以接收信号。这意味着，对于一对信号，以下特性被共享：
Lup＝Ldown＝L＝发射器之间的距离；
D＝直径∴流体控制导体520的面积；
A＝横截面面积；
Cfluid＝流体中的声速；
Vfluid＝流体速度；
ρfluid＝流体密度；
Zfluid＝流体的声学阻抗。
在共享以上属性的情况下，上游信号和下游信号之间的时间差将允许计算各种流体特性。
上游渡越时间和下游渡越时间变为：
针对L来求解tup、tdown：
Lup＝tup×Cfluid-tdn×Vfluid
Ldn＝tdn×Cfluid+tdn×Vfluid
由于长度在换能器之间是共同的，因此Lup和Ldn彼此相等，并且允许找到燃料速度与声速的比。
tup×Cfluid-tup×Vfluid＝tdn×Cfluid+tdn×Vfluid
tup×Cfluid-tdn×Cfluid＝tdn×Vfluid+tdn×Vfluid
将前一等式代入针对质量流量的较早等式中：
在声学阻抗(z)、导管面积(A)和所测量的时间渡越已知的情况下，可以求解质量流体流量。
如上所示：
将先前质量流量等式代入前一等式中：
图7是示出了用于确定流体反射系数的过程700的示例的流程图。在一些实现方式中，过程700可以与图1-2的示例超声波传感器模块200一起使用。
在710处，激活第一发射器，以发射第一入射波和第二入射波。例如，可以激活示例声学收发器元件230，以从它的两个面发射入射波。
在720处，沿着第一缓冲杆来传输入射波，第一缓冲杆具有与第一发射器邻接的第一轴向端部和与第一轴向端部相对的第二轴向端部。例如，第一入射波可以通过缓冲杆250传播。
在725处，沿着第二缓冲杆来传输入射波，第二缓冲杆具有与第一发射器邻接的第三轴向端部和与第三轴向端部相对的第四轴向端部。例如，第二入射波可以通过缓冲杆270传播。
在730处，由沿着第一缓冲杆的一部分定义的第一声学反射器来反射第一入射波的第一回波。例如，入射波的部分330可以遇到面254并且被反射作为回波340。在一些实现方式中，可以由固定到第二轴向端部的1/4λ匹配层(例如，轴向端部254处的匹配层280)来反射第一回波。
在740处，检测第一回波。例如，可以检测图6A和6B的回波620。
在750处，确定第一回波的第一振幅。例如，可以对回波620执行FFT，以确定回波620的振幅(例如，如上所描述的振幅A)。
在760处，由第四轴向端部来反射入射波的第二回波。例如，入射波的一部分310被反射离开轴向端部274作为回波320。
在770处，检测第二回波。例如，可以检测图6A和6B的回波630。
在780处，确定第二回波的第二振幅。例如，可以对回波640执行FFT，以确定回波640的振幅(例如，如上所描述的振幅B)。
在790处，可以确定基于第一振幅和第二振幅的反射系数。例如：
图8是示出了用于确定质量流体流量的过程800的示例的流程图。在一些实现方式中，过程800可以与图1的示例USFM系统100一起使用。
在805处，接收反射系数值。例如，例如，可以接收在790处确定的反射系数R。
在810处，基于所确定的反射系数和预定缓冲杆声学阻抗来确定第二轴向端部处的流体的流体声学阻抗。例如，反射系数R可以与预定缓冲杆阻抗Zbuffer一起用于确定Zfluid，如上所描述。
在815处，入射波的一部分在第二轴向端部处通过流体被传输到布置成与第一发射器相距预定距离并且与第一发射器相对的传感器，其中该流体在具有预定横截面面积的管状流体导管内。例如，图6A的入射波670可以通过该流体从上游的超声波传感器模块200行进到下游的超声波传感器模块200。
在820处，第二传感器检测入射波的该部分。例如，在下游的超声波传感器模块200可以检测入射波670。
在825处，基于入射波的检测到的部分来确定入射波的该部分的第一飞行时间。例如，可以确定tdown。
在830处，由第二发射器将另一个入射波通过该流体传输到第一传感器。例如，在下游的超声波传感器模块200可以被激活，以向上游发射另一个入射波。
在835处，第一传感器检测该另一个入射波，并且在840处，基于检测到的另一个入射波来确定该另一个入射波的第二飞行时间。例如，可以确定tup。
在845处，确定管状流体导管内的该流体的速度。例如，Vfluid可以确定为：
在850处，确定该流体内的声速。例如，Cfluid可以确定为：
在855处，至少基于预定横截面面积、该流体的所确定的速度、所确定的流体声学阻抗、以及所确定的声速来确定质量流体流率。例如：
或：
在一些实现方式中，第一发射器和第一传感器中的一个或两者可以是压电元件。在一些实现方式中，压电元件可以包括第一发射器和第一传感器。例如，发射器和传感器可以是分离的组件，或者声学收发器元件230可以在超声波传感器模块200内执行发射和检测功能。
图9是示出了用于抵抗流体暴露对图1-4的示例超声波传感器模块200的声学收发器元件230的影响的过程900的示例的流程图。在910处，提供传感器。该传感器包括：具有定义了传感器轴线和轴向内部传感器壳体腔室的内表面的传感器壳体，该传感器壳体具有：具有垂直于传感器轴线的第一横截面面积的第一轴向传感器壳体部分、沿着传感器轴线与第一轴向传感器壳体部分相邻地布置并且具有垂直于传感器轴线的比第一横截面面积更大的第二横截面面积的第二轴向传感器壳体部分、以及从第一轴向壳体部分的内表面延伸到第二壳体部分的内表面的面；缓冲杆，其具有第一轴向端部和与第一轴向端部相对的第二轴向端部，并且具有布置在第一壳体部分内并且具有第一轴向端部的第一轴向缓冲部分、布置在第二壳体部分内并邻接该面并且具有第二轴向端部的第二轴向缓冲部分、以及在第一轴向缓冲部分和第二轴向缓冲部分之间轴向地延伸并且具有垂直于传感器轴线的小于第一横截面面积的第三横截面面积的第三轴向缓冲部分；以及与第一端部声学地配合的声学收发器元件。例如，可以提供超声波传感器模块200。
在920处，在第二轴向端部处提供流体。例如，可以在流体腔室120a或120b中提供诸如燃料之类的流体301，以便接触轴向端部254。
在930处，缓冲杆和传感器壳体阻挡流体从第二端部流向声学收发器元件。例如，如在图4的描述中所讨论的，声学收发器元件230通过传感器壳体202和缓冲杆250与流体301隔开，并且流体301通过传感器壳体202和缓冲杆250被配置成阻止流体301流向声学收发器元件230。
在一些实现方式中，传感器壳体和第二轴向缓冲部分可以阻挡流体从第二端部流向声学收发器元件。例如，通过传感器壳体202和轴向缓冲杆250之间的干扰，阻止流体301流向声学收发器元件230。
在940处，针对第二轴向端部应用流体压力，以产生针对缓冲杆的轴向力。例如，可以针对轴向端部254应用流体力410。
在950处，缓冲杆将轴向力传输到传感器壳体。例如，缓冲杆250将力420传输到传感器壳体202。
在960处，传感器壳体阻止轴向力向声学收发器元件的传输。在一些实现方式中，过程900还可以包括由第二轴向部分将轴向力传输到该面，其中该面干扰缓冲杆朝向声学收发器元件的轴向移动。例如，由通过轴向缓冲杆250和面210之间的接触所创建的反作用力430，阻止了缓冲杆250到传感器腔室204中的任何移动。
图10是通用计算机系统1000的示例的示意图。根据一个实现方式，系统1000可以用于与过程700、800和/或900相关联地描述的操作。例如，系统1000可以被包括在控制器190中。
系统1000包括处理器1010、存储器1020、存储设备1030和输入/输出设备1040。组件1010、1020、1030和1040中的每一个使用系统总线1050互连。处理器1010能够处理用于在系统1000内执行的指令。在一个实现方式中，处理器1010是单线程处理器。在另一个实现方式中，处理器1010是多线程处理器。处理器1010能够处理存储在存储器1020中或存储设备1030上的指令，以在输入/输出设备1040上显示用于用户接口的图形信息。
存储器1020存储系统1000内的信息。在一个实现方式中，存储器1020是计算机可读介质。在一个实现方式中，存储器1020是易失性存储器单元。在另一个实现方式中，存储器1020是非易失性存储器单元。
存储设备1030能够为系统1000提供大容量存储。在一个实现方式中，存储设备1030是计算机可读介质。在各种不同的实现方式中，存储设备1030可以是软盘设备、硬盘设备、光盘设备或磁带设备。
输入/输出设备1040为系统1000提供输入/输出操作。在一个实现方式中，输入/输出设备1040包括键盘和/或指点设备。在另一个实现方式中，输入/输出设备1040包括用于显示图形用户接口的显示单元。
所描述的特征可以在数字电子电路中，或者在计算机硬件、固件、软件或在它们的组合中实现。该装置可以用计算机程序产品来实现，该计算机程序产品有形地体现在信息载体中，例如，体现在机器可读存储设备中，以便由可编程处理器执行；并且方法步骤可以由可编程处理器执行，该可编程处理器执行指令程序以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行所描述实现方式的功能。所描述的特征可以有利地在可编程系统上可执行的一个或多个计算机程序中实现，该可编程系统包括至少一个可编程处理器、至少一个输入设备和至少一个输出设备，该至少一个可编程处理器被耦合以从数据存储系统接收数据和指令以及向数据存储系统传输数据和指令。计算机程序是一组指令，该指令可以在计算机中直接或间接地用于执行某个活动或引起某个结果。计算机程序可以用任何形式的编程语言(包括编译或解释语言)编写，并且它可以以任何形式来部署，包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程或适合于在计算环境中使用的其他单元。
举例来说，用于执行指令程序的合适处理器包括通用和专用微处理器两者、以及任何种类的计算机的单独处理器或多个处理器之一。一般地，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或其两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器。一般地，计算机还将包括用于存储数据文件的一个或多个大容量存储设备、或者被可操作地耦合以与之通信；这种设备包括磁盘，诸如内部硬盘和可移除盘；磁光盘；以及光盘。适合于有形地体现计算机程序指令和数据的存储设备包括所有形式的非易失性存储器，举例来说，包括半导体存储器设备，诸如EPROM、EEPROM和闪速存储器设备；磁盘，诸如内部硬盘和可移除盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由ASIC(专用集成电路)或FPGA(具有或不具有嵌入式处理元件的现场可编程门阵列)补充或并入其中。
为了提供与用户的交互，可以在计算机上实现这些特征，该计算机具有用于向用户显示信息的显示设备(诸如CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器)以及键盘和指点设备，诸如鼠标或轨迹球，用户可以通过该键盘和指点设备向计算机提供输入。
可以在计算机系统中实现这些特征，该计算机系统包括后端组件，诸如数据服务器，或者包括中间件组件，诸如应用服务器或互联网服务器，或者包括前端组件，诸如具有图形用户接口或互联网浏览器的客户端计算机，或者它们的任何组合。该系统的组件可以通过数字数据通信的任何形式或介质(诸如通信网络)被连接。通信网络的示例包括例如LAN、WAN以及形成互联网的计算机和网络。
计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般彼此远离，并且通常通过网络(诸如所描述的网络)进行交互。客户端和服务器的关系是借助于在相应计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序而产生的。
尽管上面已经详细描述了几个实现方式，但是其他修改也是可能的。此外，附图中所描绘的逻辑流程不需要所示的特定次序或顺序次序来达到合期望的结果。此外，可以从所描述的流程中提供其他步骤，或者消除步骤，并且可以将其他组件添加到所描述的系统或者从所描述的系统中移除。因此，其他实现方式在以下权利要求的范围内。

Claims (31)

1.一种传感器，包括：
传感器壳体，其具有定义了传感器轴线和轴向内部传感器壳体腔室的内表面，所述传感器壳体包括：
第一轴向传感器壳体部分，其具有垂直于所述传感器轴线的第一横截面面积；
第二轴向传感器壳体部分，其沿着所述传感器轴线与第一轴向传感器壳体部分相邻地布置，并且具有垂直于所述传感器轴线的比第一横截面面积更大的第二横截面面积；以及
从第一轴向传感器壳体部分的内表面延伸到第二轴向传感器壳体部分的内表面的面；
第一轴向缓冲杆，其布置在第一轴向传感器壳体部分内，并且包括第一轴向端部和第二轴向端部；
第二轴向缓冲杆，其布置在第二轴向传感器壳体部分内并邻接所述面，并且包括第三轴向端部和第四轴向端部；以及
声学收发器元件，其与第二轴向端部和第三轴向端部声学地配合。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中声学收发器元件被配置成发射具有预定波长(λ)的振动，并且第一轴向缓冲杆和第二轴向缓冲杆两者都具有大约n/2λ的整数倍的轴向长度。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，进一步包括管状流体导管，所述管状流体导管具有第一端部和与第一端部相对的第二端部并且定义了导管轴线，所述管状流体导管被布置成使得所述导管轴线与所述传感器轴线基本上对齐。
4.根据权利要求3所述的传感器，进一步包括：
另一个传感器壳体，其具有定义了另一个传感器轴线和另一个轴向内部传感器壳体腔室的另一个内表面，所述另一个传感器壳体包括：
另一个第一轴向传感器壳体部分，其具有垂直于所述另一个传感器轴线的另一个第一横截面面积；
另一个第二轴向传感器壳体部分，其沿着所述另一个传感器轴线与所述另一个第一轴向传感器壳体部分相邻地布置，并且具有垂直于所述另一个传感器轴线的比所述另一个第一横截面面积更大的另一个第二横截面面积；以及
从所述另一个第一轴向壳体部分的另一个内表面延伸到所述另一个第二壳体部分的另一个内表面的另一个面；
另一个第一轴向缓冲杆，其布置在所述另一个第一壳体部分内，并且包括另一个第一轴向端部和另一个第二轴向端部；
另一个第二轴向缓冲杆，其布置在所述另一个第二壳体部分内并邻接所述另一个面，并且包括另一个第三轴向端部和另一个第四轴向端部；以及
另一个声学收发器元件，其与所述另一个第二轴向端部和所述另一个第三轴向端部声学地配合；
其中所述另一个传感器轴线与所述导管轴线基本上对齐。
5.根据权利要求3或4所述的传感器，进一步包括：
流体壳体，其包括：
定义了轴向流体壳体腔室的流体壳体内表面；
与所述轴向流体壳体腔室流体连通的第一流体端口；以及
与所述轴向流体壳体腔室流体连通的第二流体端口；
其中所述管状流体导管与第二流体端口流体连通，并且在第一端部处沿着所述导管轴线远离所述流体壳体轴向地延伸，并且所述传感器壳体被布置在第一流体壳体内，使得所述传感器轴线与所述导管轴线基本上对齐。
6.根据权利要求5所述的传感器，进一步包括：
另一个传感器壳体，其具有定义了另一个传感器轴线和另一个轴向内部传感器壳体腔室的另一个内表面，所述另一个传感器壳体包括：
另一个第一轴向传感器壳体部分，其具有垂直于所述另一个传感器轴线的另一个第一横截面面积；
另一个第二轴向传感器壳体部分，其沿着所述另一个传感器轴线与所述另一个第一轴向传感器壳体部分相邻地布置，并且具有垂直于所述另一个传感器轴线的比所述另一个第一横截面面积更大的另一个第二横截面面积；以及
从所述另一个第一轴向壳体部分的另一个内表面延伸到所述另一个第二壳体部分的另一个内表面的另一个面；
另一个第一轴向缓冲杆，其布置在所述另一个第一壳体部分内，并且包括另一个第一轴向端部和另一个第二轴向端部；
另一个第二轴向缓冲杆，其布置在所述另一个第二壳体部分内并邻接所述另一个面，并且包括另一个第三轴向端部和另一个第四轴向端部；
另一个声学收发器元件，其与所述另一个第二轴向端部和所述另一个第三轴向端部声学地配合；以及
另一个流体壳体，其包括：
定义了另一个轴向流体壳体腔室的另一个流体壳体内表面；
与所述另一个轴向流体壳体腔室流体连通的另一个第一流体端口；以及
与所述另一个轴向流体壳体腔室流体连通的另一个第二流体端口；
其中所述管状流体导管与所述另一个第二流体端口流体连通，并且在第二端部处沿着所述导管轴线远离所述另一个流体壳体轴向地延伸，并且所述另一个传感器壳体被布置在另一个第一流体壳体内，使得所述另一个传感器轴线与所述导管轴线基本上对齐。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器，其中声学收发器元件包括压电元件。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器，进一步包括匹配层，所述匹配层固定到第四轴向端部并且具有大约(2n-1)λ/4的厚度，其中n＞0。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的传感器，其中第一轴向端部定义了声学反射器。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的传感器，其中第一轴向端部与气体或至少部分真空邻接。
11.一种传感器系统，包括：
流体壳体，其包括：
第一流体壳体部分，其定义了第一轴向流体壳体腔室并且包括与第一轴向流体壳体腔室流体连通的第一流体端口；
第二流体壳体部分，其定义了第二轴向流体壳体腔室并且包括与第二轴向流体壳体腔室流体连通的第二流体端口；以及
管状流体导管，其在第一端部处与第一流体端口流体连通并且在与第一端部相对的第二端部处与第二流体端口流体连通，并且定义了导管轴线；
第一声学收发器元件，其布置在第一轴向流体壳体腔室内并与所述导管轴线轴向地对齐；以及
第二声学收发器元件，其布置在第二轴向流体壳体腔室内并与所述导管轴线轴向地对齐。
12.根据权利要求11所述的传感器系统，进一步包括电路，所述电路被配置成：
激活第一声学收发器元件以发射第一入射波；
激活第二声学收发器元件以发射第二入射波；
由第一声学收发器元件检测第一入射波的回波；
基于所述回波来确定所述管状流体导管中的流体的流体声学阻抗；
由第二声学收发器元件检测第一入射波的至少第一部分；
确定第一部分的所述部分的第一飞行时间；
由第一声学收发器元件检测第二入射波的至少第二部分；
确定第二部分的第二飞行时间；以及
基于所确定的流体声学阻抗、所确定的第一飞行时间、以及所确定的第二飞行时间来确定质量流体流率。
13.根据权利要求11或12所述的传感器系统，其中第一声学收发器元件或第二声学收发器元件中的一个或两者均包括：
传感器壳体，其具有定义了传感器轴线和轴向内部传感器壳体腔室的内表面，所述传感器壳体包括：
第一轴向传感器壳体部分，其具有垂直于所述传感器轴线的第一横截面面积；
第二轴向传感器壳体部分，其沿着所述传感器轴线与第一轴向传感器壳体部分相邻地布置，并且具有垂直于所述传感器轴线的比第一横截面面积更大的第二横截面面积；以及
从第一轴向传感器壳体部分的内表面延伸到第二轴向传感器壳体部分的内表面的面；
第一轴向缓冲杆，其布置在第一轴向传感器壳体部分内，并且包括第一轴向端部和第二轴向端部；
第二轴向缓冲杆，其布置在第二轴向传感器壳体部分内并邻接所述面，并且包括第三轴向端部和第四轴向端部；以及
声学收发器元件，其与第二轴向端部和第三轴向端部声学地配合。
14.根据权利要求13所述的传感器系统，其中声学收发器元件被配置成发射具有预定波长(λ)的振动，并且第一轴向缓冲杆和第二轴向缓冲杆两者都具有大约n/2λ的整数倍的轴向长度。
15.根据权利要求13或14所述的传感器，其中声学收发器元件包括压电元件。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的传感器系统，进一步包括匹配层，所述匹配层固定到第四轴向端部并且具有大约1/4λ的奇数倍的厚度。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的传感器系统，其中第一轴向端部定义了声学反射器。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的传感器系统，其中第一轴向端部与气体或至少部分真空邻接。
19.一种感测方法，包括：
激活第一发射器以在第一方向上发射至少第一入射波并且在与第一方向相反的第二方向上发射第二入射波；
沿着第一缓冲杆传输第一入射波，第一缓冲杆具有与第一发射器邻接的第一轴向端部和与第一轴向端部相对的第二轴向端部；
沿着第二缓冲杆传输第二入射波，第二缓冲杆具有与第一发射器邻接的第三轴向端部和与第三轴向端部相对的第四轴向端部；
由沿着第二轴向端部的一部分定义的第一声学反射器来反射第一入射波的第一回波；
检测第一回波；
确定第一回波的第一振幅；
由第四轴向端部反射第二入射波的第二回波；
检测第二回波；
确定第二回波的第二振幅；以及
基于第一振幅和第二振幅来确定反射系数。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括基于所确定的反射系数和预定缓冲杆声学阻抗来确定第二轴向端部处的流体的流体声学阻抗。
21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：
在第二轴向端部处，将第一入射波的一部分通过所述流体传输到第一传感器，第一传感器被布置成与第一发射器相距预定距离并与之相对，其中所述流体在具有预定横截面面积的管状流体导管内；
由第一传感器检测第一入射波的所述部分；
基于第一入射波的检测到的部分来确定第一入射波的所述部分的第一飞行时间；
由第二发射器将另一个第一入射波通过所述流体传输到靠近第一发射器的第二传感器；
由第二传感器检测所述另一个第一入射波；以及
基于检测到的另一个第一入射波来确定所述另一个第一入射波的第二飞行时间。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括基于第一飞行时间、第二飞行时间和所述预定距离来确定所述管状流体导管内的所述流体的速度或所述流体内的声速中的至少一个。
23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括基于所述预定横截面面积和所确定的声速来确定质量流体流率。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述质量流体流率由等式给出。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的方法，其中第一发射器和第一传感器中的一个或两者是压电元件。
26.根据权利要求21至25中任一项所述的方法，其中压电元件包括第一发射器和第一传感器。
27.根据权利要求19至26中任一项所述的方法，其中第一声学反射器包括匹配层，所述匹配层固定到第四轴向端部并且具有(2n-1)λ/4的厚度，其中n＞0。
28.根据权利要求19至27中任一项所述的方法，其中第一轴向端部与气体或至少部分真空邻接。
29.一种保护传感器元件的方法，包括：
提供传感器，所述传感器包括：
传感器壳体，其具有定义了传感器轴线和轴向内部传感器壳体腔室的内表面，所述传感器壳体包括：
第一轴向传感器壳体部分，其具有垂直于所述传感器轴线的第一横截面面积；
第二轴向传感器壳体部分，其沿着所述传感器轴线与第一轴向传感器壳体部分相邻地布置，并且具有垂直于所述传感器轴线的比第一横截面面积更大的第二横截面面积；以及
从第一轴向传感器壳体部分的内表面延伸到第二轴向传感器壳体部分的内表面的面；
第一轴向缓冲杆，其布置在第一轴向传感器壳体部分内，并且包括第一轴向端部和第二轴向端部；
第二轴向缓冲杆，其布置在第二轴向传感器壳体部分内并邻接所述面，并且包括第三轴向端部和第四轴向端部；以及
声学收发器元件，其与第二轴向端部和第三轴向端部声学地配合；
在第四轴向端部处提供流体，以及
由第二轴向缓冲杆和所述传感器壳体阻挡流体从第四轴向端部流向声学收发器元件。
30.根据权利要求29所述的方法，进一步包括：
针对第四轴向端部应用流体压力，以产生针对第二轴向缓冲杆的轴向力；
由第四轴向缓冲杆将所述轴向力传输到所述传感器壳体；以及
由所述传感器壳体阻止所述轴向力向声学收发器元件的传输。
31.根据权利要求30所述的方法，进一步包括由第二轴向部分将所述轴向力传输到所述面，其中所述面干扰第二轴向缓冲杆朝向声学收发器元件的轴向移动。
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