超声波质量燃料流量计
1.要求优先权本技术要求2019年12月3日提交的美国专利申请号16/702,152的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
2.本说明书涉及超声波流体质量流量传感器。
背景技术：
3.流体测量装置用于流体控制系统的表征和操作。随着流量测量装置的动态带宽、流量范围、准确性和可靠性的提高，这种装置的潜在应用前景变得更加广阔。高动态带宽流量计可以用作控制系统反馈传感器，用于提高燃料系统中的稳态和/或瞬态准确性。超声波流量计（usfm）是一项成熟的工业技术，其可以用于飞机涡轮系统的实施。
4.现有的飞行时间超声波流量计用于赛车和汽车行业、管道密闭输送、工业流量测量和许多其他应用。然而，这些应用中有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。在其他应用中，诸如飞机燃气涡轮发动机应用，燃料输送系统的流体环境条件带来了重大的设计挑战。
技术实现要素：
5.总的来说，本文件描述了超声波流体质量流量传感器。
6.在第一方面，传感器包括：具有限定传感器轴线和轴向内部传感器壳体腔的内表面的传感器壳体，该轴向内部传感器壳体腔包括具有垂直于传感器轴线的第一横截面区域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布置并具有大于垂直于传感器轴线的第一横截面区域的第二横截面区域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轴向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，并且包括布置在第一壳体部分内并且包括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且邻接该面并且包括第二轴向端部的第二轴向缓冲部分、和第三轴向缓冲部分，第三轴向缓冲部分在第一轴向缓冲部分和第二轴向缓冲部分之间轴向延伸，并且具有垂直于传感器轴线的第三横截面区域，第三横截面区域小于第一横截面区域；限定在内表面和第三轴向缓冲部分之间的腔；以及声学上配合到第一端部的声收发器元件。
7.在第二方面，根据方面1，声收发器元件被配置成发射具有预定波长的振动，并且缓冲杆具有大约n/2的整数倍的轴向长度。
8.在第三方面，根据方面1或2，第三横截面区域大约是第一横截面区域的一半。
9.在第四方面，根据方面1至3中的任一方面，传感器还包括管状流体导管，该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，并限定导管轴线，该管状流体导管布置成使得导管轴线基本上与传感器轴线对准。
10.在第五方面，根据方面4，传感器还包括：另一传感器壳体，其具有限定另一传感器轴线和另一轴向内部传感器壳体腔的另一内表面，该另一轴向内部传感器壳体腔包括：具有垂直于另一个传感器轴线的另一第一横截面区域的另一第一轴向传感器壳体部分；另一第二轴向传感器壳体部分，其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布置，并且具有另一第二横截面区域，所述另一第二横截面区域大于垂直于另一个传感器轴线的另一个第一横截面区域；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面；另一缓冲杆，其具有另一第一轴向端部和与另一个第一轴向端部相对的另一第二轴向端部，并包括布置在另一个第一壳体部分内并包括另一个第一轴向端部的另一第一轴向缓冲部分、布置在另一个第二壳体部分内并邻接另一个面并包括另一个第二轴向端部的另一第二轴向缓冲部分、和另一第三轴向缓冲部分，其在另一个第一轴向缓冲部分和另一个第二轴向缓冲部分之间轴向延伸，并具有垂直于另一个传感器轴线的小于另一个第一横截面区域的另一第三横截面区域；限定在另一个内表面和另一个第三轴向缓冲部分之间的另一腔；以及声学上配合到另一个第一端部的另一声收发器元件，其中，另一个传感器轴线基本上与导管轴线对准。
11.在第六方面，根据方面4或5，传感器还包括流体壳体，该流体壳体包括限定轴向流体壳体腔的流体壳体内表面、与轴向流体壳体腔流体连通的第一流体端口和与轴向流体壳体腔流体连通的第二流体端口，其中，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延伸，并且传感器壳体布置在第一流体壳体内，使得传感器轴线基本上与导管轴线对准。
12.在第七方面，根据方面6，传感器还包括：另一传感器壳体，其具有限定另一传感器轴线和另一轴向内部传感器壳体腔的另一内表面，该另一轴向内部传感器壳体腔包括：具有垂直于另一个传感器轴线的另一第一横截面区域的另一第一轴向传感器壳体部分；另一第二轴向传感器壳体部分，其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布置，并且具有另一第二横截面区域，所述另一第二横截面区域大于垂直于另一个传感器轴线的另一个第一横截面区域；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面；另一缓冲杆，其具有另一第一轴向端部和与另一个第一轴向端部相对的另一第二轴向端部，并包括：布置在另一第一壳体部分内并包括另一个第一轴向端部的另一第一轴向缓冲部分；布置在另一个第二壳体部分内并邻接另一个面并包括另一个第二轴向端部的另一第二轴向缓冲部分；和另一第三轴向缓冲部分，其在另一个第一轴向缓冲部分和另一个第二轴向缓冲部分之间轴向延伸，并具有垂直于另一个传感器轴线的小于另一个第一横截面区域的另一个第三横截面区域；在另一个内表面和另一个第三轴向缓冲部分之间限定的另一腔；声学上配合到另一个第一端部的另一声收发器元件；以及另一流体壳体，其包括限定另一轴向流体壳体腔的另一流体壳体内表面、与另一个轴向流体壳体腔流体连通的另一第一流体端口、以及与另一个轴向流体壳体腔流体连通的另一第二流体端口，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，并且在所述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延伸，并且所述另一个传感器壳体布置在所述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对准。
13.在第八方面，根据第1至第7方面中的任一方面，声收发器元件包括压电元件。
14.在第九方面，根据第1至第8方面中的任一方面，传感器还包括固定到第二端部并且具有大约1/4的奇数倍的厚度的匹配层。
15.在第十方面，根据第一至第九方面中的任一方面，传感器还包括背衬，该背衬邻接声收发器元件、与第一端部轴向相对。
16.在第十一方面，传感器系统包括：流体壳体，该流体壳体包括：限定第一轴向流体壳体腔并包括与第一轴向流体壳体腔流体连通的第一流体端口的第一流体壳体部分；限定第二轴向流体壳体腔并包括与第二轴向流体壳体腔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，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，并且限定导管轴线；第一声收发器元件，其布置在第一轴向流体壳体腔内、与导管轴线轴向对准；以及第二声收发器元件，其布置在第二轴向流体壳体腔内、与导管轴线轴向对准。
17.在第十二方面，根据方面11，传感器系统还包括电路，该电路被配置成：激活第一声收发器元件以发射第一入射波，激活第二声收发器元件以发射第二入射波，通过第一声收发器元件检测第一入射波的回波，基于回波确定管状流体导管中的流体的流体声阻抗，通过第二声收发器元件检测第一入射波的至少第一部分，确定第一部分的该部分的第一飞行时间，通过第一声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阻抗、所确定的第一飞行时间和所确定的第二飞行时间来确定质量流体流率。
18.在第十三方面，根据方面11或12，第一传感器或第二传感器中的一者或两者各自包括：传感器壳体，该传感器壳体具有限定传感器轴线和轴向内部传感器壳体腔的内表面，该轴向内部传感器壳体腔包括：具有垂直于传感器轴线的第一横截面区域的第一轴向传感器壳体部分；第二轴向传感器壳体部分，其沿着传感器轴线与第一轴向传感器壳体部分相邻布置，并且具有大于垂直于传感器轴线的第一横截面区域的第二横截面区域；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，并包括：布置在第一壳体部分内并包括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包括第二轴向端部的第二轴向缓冲部分、以及第三轴向缓冲部分，其在第一轴向缓冲部分和第二轴向缓冲部分之间轴向延伸，并且具有垂直于传感器轴线的小于第一横截面区域的第三横截面区域；限定在内表面和第三轴向缓冲部分之间的腔；以及声学上配合到第一端部的声收发器元件。
19.在第十四方面中，根据方面13，声收发器元件被配置成发射具有预定波长的振动，并且缓冲杆具有大约n/2的整数倍的轴向长度。
20.在第十五方面，根据方面13或14，第三横截面区域大约是第一横截面区域的一半。
21.在第十六方面，根据方面13至15中的任一方面，声收发器元件包括压电元件。
22.在第十七方面，根据方面13至16中的任一方面，传感器系统还包括固定到第二端部并且具有大约1/4的奇数倍的厚度的匹配层。
23.在第十八方面，根据方面13至17中的任一方面，传感器系统还包括与第一端部轴向相对地邻接声收发器元件的背衬。
24.在第十九方面，一种感测方法，包括：激活第一发射器以发射至少一个入射波；沿着缓冲杆传输入射波，该缓冲杆具有邻接第一发射器的第一轴向端部和与第一轴向端部相
对的第二轴向端部；通过沿着缓冲杆的一部分限定的间隙反射入射波的第一回波；检测第一回波；确定第一回波的第一幅度；由第二轴向端部反射入射波的第二回波；检测第二回波；确定第二回波的第二幅度；以及基于第一幅度和第二幅度确定反射系数。
25.在第二十方面，根据方面19，该方法还包括基于所确定的反射系数和预定的缓冲杆声阻抗来确定第二轴向端部处的流体的流体声阻抗。
26.在第二十一方面中，根据方面20，该方法还包括：在第二轴向端部处，通过流体将入射波的一部分传输到传感器，该传感器布置成远离第一发射器的预定距离处并与之相对，其中流体在具有预定横截面区域的管状流体导管内；通过第二传感器检测入射波的该部分；基于入射波的所检测部分，确定入射波的该部分的第一飞行时间；由第二发射器通过流体向另一个传感器发射另一个入射波；由第一传感器检测该另一个入射波；并基于检测到的另一个入射波确定该另一个入射波的第二飞行时间。
27.在第二十二方面，根据方面21，该方法还包括基于第一飞行时间、第二飞行时间和预定距离确定管状流体导管内的流体速度或流体内的声速中的至少一者。
28.在第二十三方面，根据方面21或22，该方法还包括基于预定的横截面区域和所确定的声速来确定质量流体流率。
29.在第二十四方面，根据方面19至23中的任一方面，通过第二轴向端部反射入射波的第二回波还包括通过固定到第二轴向端部的1/4匹配层反射第二回波。
30.在第二十五方面，根据方面19至24中的任一方面，第一发射器和第一传感器中的一者或两者是压电元件。
31.在第二十六方面，根据方面19至25中的任一方面，压电元件包括第一发射器和第一传感器。
32.在第二十七方面，一种保护传感器元件的方法，包括：提供传感器，该传感器包括：传感器壳体，其具有限定传感器轴线和轴向内部传感器壳体腔的内表面，该轴向内部传感器壳体腔包括：第一轴向传感器壳体部分，其具有垂直于传感器轴线的第一横截面区域；第二轴向传感器壳体部分，其沿着传感器轴线与第一轴向传感器壳体部分相邻布置，并且具有大于垂直于传感器轴线的第一横截面区域的第二横截面区域；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，并包括：布置在第一壳体部分内并包括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包括第二轴向端部的第二轴向缓冲部分、以及第三轴向缓冲部分，其在第一轴向缓冲部分和第二轴向缓冲部分之间轴向延伸并且具有垂直于传感器轴线的第三横截面区域，第三横截面区域小于第一横截面区域；以及声收发器元件，其声学上配合到第一端部；在第二轴向端部处提供流体；以及通过缓冲杆和传感器壳体阻挡从第二端部到声收发器元件流体流动。
33.在第二十八方面，根据方面27，从第二端部到声收发器元件的流体流动被传感器壳体和第二轴向缓冲部分阻挡。
34.在第二十九方面，根据方面27或28，该方法还包括：对第二轴向端部施加流体压力，以产生对缓冲杆的轴向力；通过缓冲杆将轴向力传递到传感器壳体；以及通过传感器壳体防止轴向力传递到声收发器元件。
35.在第三十方面，根据方面29，该方法还包括通过第二轴向部分将轴向力传递到所
述面，其中，所述面干涉缓冲杆朝向声收发器元件的轴向移动。
36.在总的方面，传感器包括：传感器壳体，其具有限定传感器轴线和轴向内部传感器壳体腔的内表面，该轴向内部传感器壳体腔具有：第一轴向传感器壳体部分，该第一轴向传感器壳体部分具有垂直于传感器轴线的第一横截面区域；第二轴向传感器壳体部分，其沿着传感器轴线与第一轴向传感器壳体部分相邻布置并且具有大于垂直于传感器轴线的第一横截面区域的第二横截面区域；以及从第一轴向壳体部分的内表面延伸到第二轴向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、和第三轴向缓冲部分，其在第一轴向缓冲部分和第二轴向缓冲部分之间轴向延伸，并且具有垂直于传感器轴线的第三横截面区域，第三横截面区域小于第一横截面区域；限定在内表面和第三轴向缓冲部分之间的腔；以及声学上配合到第一端部的声收发器元件。
37.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，并且缓冲杆具有大约n/2λ的整数倍的轴向长度。第三横截面区域可以是第一横截面区域的大约一半。该传感器还可以包括管状流体导管，该导管具有第一端部和与第一端部相对的第二端部，并且限定导管轴线，该导管布置成使得导管轴线基本上与传感器轴线对准。该传感器还可包括另一传感器壳体，其具有限定另一传感器轴线和另一轴向内部传感器壳体腔的另一内表面，该腔包括：另一第一轴向传感器壳体部分，其具有垂直于另一个传感器轴线的另一第一横截面区域；另一第二轴向传感器壳体部分，其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布置，并且具有另一第二横截面区域，所述另一第二横截面区域大于垂直于另一传个感器轴线的另一个第一横截面区域；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面；另一缓冲杆，其具有另一第一轴向端部和与另一个第一轴向端部相对的另一第二轴向端部，并且包括：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的另一第一轴向缓冲部分；另一第二轴向缓冲部分，其布置在另一个第二壳体部分内并且邻接另一个面，并且具有另一个第二轴向端部；以及另一第三轴向缓冲部分，其在另一个第一轴向缓冲部分和另一个第二轴向缓冲部分之间轴向延伸，并且具有垂直于另一个传感器轴线的小于另一个第一横截面区域的另一第三横截面区域；限定在另一个内表面和另一个第三轴向缓冲部分之间的另一腔，并且另一声收发器元件声学上配合到另一个第一端部，其中另一个传感器轴线基本上与导管轴线对准。该传感器还可以包括流体壳体，该流体壳体包括限定轴向流体壳体腔的流体壳体内表面、与轴向流体壳体腔流体连通的第一流体端口、以及与轴向流体壳体腔流体连通的第二流体端口，其中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延伸，并且传感器壳体布置在第一流体壳体内，使得传感器轴线基本上与导管轴线对准。该传感器还可包括另一传感器壳体，其具有限定另一传感器轴线和另一轴向内部传感器壳体腔的另一内表面，该腔包括具有垂直于另一个传感器轴线的另一第一横截面区域的另一第一轴向传感器壳体部分、沿着另一传感器轴线与另一个第一轴向传感器壳体部分相邻布置并具有大于垂直于另一个传感器轴线的另一个第一横截面区域的另一第二横截面区域的另一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面；另一缓冲杆，其具有另一第一轴向端部和与另一个第一轴向端部相对的另一第二轴向端部，并且包括：另一第一轴向缓冲部分，其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；另一第二轴向缓冲部分，布置在另一个第二壳体部分内并且邻接另一个面并且具有另一个第二轴向端部；以及另一第三轴向缓冲部分，其在另一个第一轴向缓冲部分和另一个第二轴向缓冲部分之间轴向延伸，并且具有垂直于另一个传感器轴线的小于另一个第一横截面区域的另一第三横截面区域；限定在另一个内表面和另一个第三轴向缓冲部分之间的另一腔；另一声收发器元件，其声学上配合到另一个第一端部；以及另一流体壳体，其具有限定另一轴向流体壳体腔的另一流体壳体内表面、与另一个轴向流体壳体腔流体连通的另一第一流体端口、以及与另一个轴向流体壳体腔流体连通的另一第二流体端口，其中，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延伸，并且另一个传感器壳体布置在另一个第一流体壳体内，使得另一个传感器轴线基本上与导管轴线对准。声收发器元件可以包括压电元件。传感器还可以包括固定到第二端部且厚度约为1/4λ的奇数倍的匹配层。传感器还可以包括背衬，该背衬邻接声收发器元件、与第一端部轴向相对。
38.在另一个总的方面，传感器系统包括流体壳体，其具有：第一流体壳体部分，其限定第一轴向流体壳体腔并具有与第一轴向流体壳体腔流体连通的第一流体端口；第二流体壳体部分，其限定第二轴向流体壳体腔并具有与第二轴向流体壳体腔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，并且限定导管轴线；第一声收发器元件，其布置在第一轴向流体壳体腔内、与导管轴线轴向对准；以及第二声收发器元件，其布置在第二轴向流体壳体腔内、与导管轴线轴向对准。
39.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。传感器系统还可以包括电路，该电路被配置成：激活第一声收发器元件以发射第一入射波；激活第二声收发器元件以发射第二入射波；由第一声收发器元件检测第一入射波的回波；基于回波确定管状流体导管中的流体的流体声阻抗；由第二声收发器元件检测第一入射波的至少第一部分；确定第一部分的该部分的第一飞行时间；由第一声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；基于所确定的流体声阻抗、所确定的第一飞行时间和所确定的第二飞行时间来确定质量流体流率。第一传感器或第二传感器中的一者或两者可以包括：传感器壳体，其具有限定传感器轴线和轴向内部传感器壳体腔的内表面，其具有：第一轴向传感器壳体部分，该第一轴向传感器壳体部分具有垂直于传感器轴线的第一横截面区域；第二轴向传感器壳体部分，其沿着传感器轴线与第一轴向传感器壳体部分相邻布置，并且具有大于垂直于传感器轴线的第一横截面区域的第二横截面区域；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，并具有布置在第一壳体部分内并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所述面并具有第二轴向端部的第二轴向缓冲部分、以及第三轴向缓冲部分，其在第一轴向缓冲部分和第二轴向缓冲部分之间轴向延伸并且具有垂直于传感器轴线的小于第一横截面区域的第三横截面区域；限定在内表面和第三轴向缓冲部分之间的腔；以及声学上配合到第一端部的声收发器元件。声收发器元件可以被配置成发射具有预定波长（λ）的振动，并且缓冲杆可以具有大约n/2λ的
整数倍的轴向长度。第三横截面区域可以是第一横截面区域的大约一半。声收发器元件可以包括压电元件。传感器系统还可以包括固定到第二端部并且具有大约1/4λ的奇数倍的厚度的匹配层。传感器系统还可以包括背衬，该背衬邻接声收发器元件、与第一端部轴向相对。
40.在另一个总的方面，一种感测方法包括：激活第一发射器以发射至少一个入射波；沿着缓冲杆发射入射波，缓冲杆具有邻接第一发射器的第一轴向端部和与第一轴向端部相对的第二轴向端部；通过沿着缓冲杆的一部分限定的间隙反射入射波的第一回波；检测第一回波；确定第一回波的第一幅度；由第二轴向端部反射入射波的第二回波；检测第二回波；确定第二回波的第二幅度；以及基于第一幅度和第二幅度确定反射系数。
41.各种实施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。该方法还可以包括基于所确定的反射系数和预定的缓冲杆声阻抗来确定第二轴向端部处的流体的流体声阻抗。该方法还可以包括：在第二轴向端部处，将入射波的一部分通过流体传输到传感器，该传感器布置成远离第一发射器预定距离并与之相对，其中流体在具有预定横截面区域的管状流体导管内；通过第二传感器检测入射波的该部分；基于入射波的所检测部分，确定入射波的该部分的第一飞行时间；由第二发射器通过流体向第一传感器发射另一个入射波；由第一传感器检测该另一个入射波；并基于检测到的另一个入射波确定该另一个入射波的第二飞行时间。该方法还可以包括基于第一飞行时间、第二飞行时间和预定距离确定管状流体导管内的流体速度或流体内的声速中的至少一者。该方法还可以包括基于预定的横截面区域和所确定的声速来确定质量流体流率。通过第二轴向端部反射入射波的第二回波还可以包括通过固定到第二轴向端部的1/4λ匹配层反射第二回波。第一发射器和第一传感器中的一者或两者可以包括压电元件。压电元件可以包括第一发射器和第一传感器。
42.在另一个总体方面，保护传感器元件的方法包括提供具有传感器壳体的传感器，该传感器壳体具有：限定传感器轴线和轴向内部传感器壳体腔的内表面，该轴向内部传感器壳体腔具有：第一轴向传感器壳体部分，该第一轴向传感器壳体部分具有垂直于传感器轴线的第一横截面区域；第二轴向传感器壳体部分，其沿着传感器轴线与第一轴向传感器壳体部分相邻布置，并且具有大于垂直于传感器轴线的第一横截面区域的第二横截面区域；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，并包括布置在第一壳体部分内并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所述面并具有第二轴向端部的第二轴向缓冲部分、以及第三轴向缓冲部分，其在第一轴向缓冲部分和第二轴向缓冲部分之间轴向延伸并且具有垂直于传感器轴线的小于第一横截面区域的第三横截面区域；以及声收发器元件，其声学上配合到第一端部；在第二轴向端部处提供流体；并且通过缓冲杆和传感器壳体阻挡从第二端部到声收发器元件的流体流动。
43.各种实施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。从第二端部到声收发器元件的流体流动可以被传感器壳体和第二轴向缓冲部分阻挡。该方法还可以包括：对第二轴向端部施加流体压力以产生对缓冲杆的轴向力；通过缓冲杆将轴向力传递到传感器壳体；以及通过传感器壳体防止轴向力传递到声收发器元件。该方法还可以包括通过第二轴向部分将轴向力传递到面，其中面干涉缓冲杆朝向声收发器元件的轴向移动。
44.这里描述的系统和技术可以提供一个或多个以下优点。首先，系统可以在宽的流
体温度范围内提供改善的环境生存性。第二，该系统可以在宽的流体压力范围内提供改善的环境生存性。第三，该系统可以提高对恶劣流体的环境生存性。第四，该系统可以提供整体的流体密度感测。第五，系统可以相对不受流体流动动力学（例如，漩涡、涡流、不稳定性）的影响。第六，该系统可以以100hz或更高的更新速率使用，同时保持准确性。
45.在附图和下面的描述中阐述了一个或多个实施方式的细节。根据说明书和附图以及权利要求，其他特征和优点将变得明显。
附图说明
46.图1是超声波流量测量系统的示例的横截面图。
47.图2a是图1的系统的示例超声波传感器模块的横截面图。
48.图2b示出了图2a的示例超声波传感器模块中的反射表面区域的概念性示例。
49.图3示出了图2a的模块中的入射波传播的概念性示例。
50.图4示出了图2a的模块中的流体压力减轻的概念性示例。
51.图5a-5c示出了超声波流量测量系统中入射波横穿的概念性示例。
52.图6a和6b是示出图1的超声波流量测量系统中的示例入射波和回波的曲线图。
53.图7是示出用于确定流体反射系数的过程的示例的流程图。
54.图8是示出用于确定质量流体流量的过程的示例的流程图。
55.图9是示出用于抵抗流体暴露对图2a的模块的声学换能器的影响的过程的示例的流程图。
56.图10是通用计算机系统的示例的示意图。
具体实施方式
57.本文件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。一般而言，本系统中描述的usfm系统可以用于会劣化或破坏现有usfm的流体环境中。燃料输送系统的流体环境条件会带来重大的设计挑战。对于当前技术水平的飞机和其他燃气涡轮发动机应用，被部署用于这种应用的超声换能器将被期望经受住高流体压力（例如，0 psi至4000 psi或更高）和宽范围的流体温度，包括高流体温度（例如，-65华氏度或更低至325华氏度或更高）。
58.这些温度和压力远比典型的工业流体、蒸汽或管道密闭输送应用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，湿的换能器还必须不会由于长期浸泡在腐蚀性流体中而劣化，诸如高温和/或高压下的飞机燃料和/或添加剂。本文件中描述的usfm系统包括提高usfm在这种条件下生存性的特征。
59.在现有的基于飞行时间、互相关和相移测量的工业和密闭输送usfm中，具有由流量测量体积内流速范围或调节比确定的准确性限制。例如，在低流量条件期间，上游和下游测量值之间的差异可能太不敏感而无法保持目标准确性。在高流量条件期间，测量准确性会受到流量不稳定性的影响，流量不稳定性通常是由声学路径相对于流动、流动分离和/或非轴对称流动条件离轴引起的。离轴换能器配置也会导致灵敏度和准确性问题。当超声波沿对角线穿过流时，圆形换能器会产生不均匀的超声场，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，整个流动剖面没有被声穿透，并且因此必须被估计，典型
地使用单个k因子校正值来估计，或者使用多个声波路径的usfm的复系数矩阵，诸如在天然气密闭输送应用中。在现有的usfm设计中，当流态不稳定或者从层流到湍流变化很大时，在大的调节比下难以保持流量测量准确性。例如，一些现有的工业usfm在保持准确性的同时具有不超过50：1的实际调节比，即使当应用管道和流量调节被理想地执行时。相比之下，燃气轮机燃料系统可能需要通常为100：1的高得多的调节，在一些应用中高达350：1或更高。另外，燃气轮机流量测量系统必须能够保持动态准确性，更新速率为100 hz或更高。
60.质量流量对于燃烧过程保持安全和可操作的燃料空气比至关重要。过量的燃料空气比会导致压缩机喘振或超温事件。相反，过量的空气/燃料会导致压缩机爆裂。这些事件中的任何一个都会对燃气轮机性能有害，并且因此是燃气涡轮发动机设计的关键设计驱动因素。另外，诸如燃气涡轮发动机的一些应用被设计成在变化的压力和温度下操作各种燃料类型。
61.一个重要的变量（尤其是在飞机燃气轮机应用中）是燃料比重随燃料类型和温度的变化。在一些应用中，预期的燃料比重可以在预期的温度范围和可用的燃料类型上变化近似25%。如果不知道燃料密度的宽范围，对于给定的体积流率，将驱动大范围的燃料质量流量。这种可变性会导致质量空气/燃料流量比的较大变化，从而使得整个环境范围内的发动机设计效率低下、产生过大的发动机、保守的加速和/或减速方案、过大的喘振裕度和/或过大的熄火裕度。
62.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限定的轴向流体壳体腔120a和由内表面121b限定的轴向流体壳体腔120b。流体端口122a限定连接到流体腔120a的流体路径124a。流体端口122b限定连接到流体腔120b的流体路径124b。流体壳体110还限定在流体腔120a和120b之间延伸的腔126。
63.流体壳体110还包括流体控制导管130，其沿着导管轴线134限定流体路径132。流体控制导管130流体连接流体腔120a和流体腔120b，从而使流体腔120a与流体腔120b流体连通。流体控制导管130具有预定的可流动区域136和形状（例如，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）。在一些实施方式中，流体壳体110可以用于多种应用，并且流体控制导管130可以是可互换的专用子部件（例如，适配器），其可以使usfm系统100适配于特定的流体类型、应用和/或操作条件。
64.现在参考图2a，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，其具有由内表面207限定的轴向内部传感器壳体腔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基本上与导管轴线134对准。传感器壳体202具有轴向传感器壳体部分208a，其具有垂直于传感器轴线206的横截面区域209a。传感器壳体202还具有轴向传感器壳体部分208b，其具有垂直于传感器轴线206的横截面区域209b。横截面区域209b在尺寸上大于横截面区域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108。在所示的示例中，面210在横截面区域209a和横截面区域209b之间的过渡处形成为基本上方形的肩部或横档。在一些实施例中，面210可以是横截面区域209a和横截面区域209b之间的锥形或非方形过渡。
65.超声波传感器模块200还包括声收发器元件230。声收发器元件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，单独的声驱动器和声接收器可以被实施为声收发器元件230。在一些实施例中，声收发器元件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，声收发器元件230可以是压电元件。
66.声收发器元件230通过结合层232与缓冲杆250的轴向端部252声学配合或以其他方式邻接。在一些实施例中，结合层232可以是粘合层。在一些实施例中，缓冲杆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阻抗比，以提高或最大化测量的灵敏度，是成本有效的，可以在合理的制造公差内制造，和/或在预期的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（例如非晶态）石英和工业陶瓷（例如aln、al3o3、sin和混合物）。
67.在一些实施例中，结合层232可以省略，声收发器元件230与轴向端部252直接接触。例如，声收发器元件230可以通过机械夹具或其他适当的固定组件保持在适当的位置，或者声收发器元件230可以通过形成在内表面207中的固定特征保持在适当的位置。在一些实施例中，结合层232可以由高延展性材料形成，诸如金或铅，其可以适形于声收发器元件230和轴向端部252的配合面。
68.声收发器元件230由背衬234支撑。背衬234具有预定的外形，并且由提高声收发器元件230的灵敏度和/或效率的材料制成。
69.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。缓冲杆250具有预定的轴向长度，其大约是声收发器元件230的传输波长的一半的整数倍（n/2λ）。缓冲杆250包括布置在轴向传感器壳体部分208a内的轴向缓冲部分256a，并包括轴向端部252。缓冲杆250包括布置在轴向传感器壳体部分208b内的轴向缓冲部分256b，并包括轴向端部254。在一些实施例中，轴向缓冲部分256b可以直接或间接（例如，通过密封件、套筒或结合材料）接触内表面，以基本上密封传感器腔204，防止流体在轴向端部254处侵入。
70.缓冲杆250还包括轴向缓冲部分256c，其在轴向缓冲部分256a和轴向缓冲部分256b之间轴向延伸。轴向缓冲部分256c的横截面区域209c小于垂直于传感器轴线206的横截面区域209a。腔260被限定在内表面207和轴向缓冲部分256c之间。腔260部分地由限定在轴向缓冲部分256a和轴向缓冲部分256c之间的面262限定。面262距离轴向端部252预定距离。参考图2b，横截面区域209a大约是横截面区域209c的两倍。换句话说，轴向缓冲部分256c内的面积大约与面262的面积相同。
71.缓冲杆250具有预定的声阻抗（z
缓冲
）。在所示示例中，腔260填充有空气（例如，气隙）、流体（例如，油）或固体，其声阻抗与缓冲杆250的声阻抗充分不同，以在被声波（例如，超声波声脉冲（ping））撞击时反射声回波。在一些实施例中，腔260被抽空以形成至少部分真空。
72.在图示的示例中，轴向缓冲部分256a是部分锥形的，并且被包层270覆盖。该锥形件具有预定的形状，该形状被配置成通过引导入射波的传播来提高超声波传感器模块200的效率和/或灵敏度。包层270被配置成通过引导入射波的传播、将缓冲杆250与传感器壳体202声学隔离和/或将缓冲杆250与传感器壳体202热隔离来提高超声波传感器模块200的效率和/或灵敏度。在一些实施例中，可以省略锥形件、包层或两者。在一些实施例中，缓冲杆
250的其他部分可以包括包层。
73.再次参考图2a，超声波传感器模块200包括匹配层280，匹配层280与缓冲杆250的轴向端部252声学配合、固定或以其他方式邻接。在一些实施例中，匹配层280可以粘附到轴向端部252。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之间的接头可以基本上密封传感器腔204，防止流体在轴向端部254处侵入。匹配层280的轴向厚度大约是声收发器元件230的传输波长的整数倍（n/4λ），例如1/4λ。
74.再次参考图1，两个超声波传感器模块200横跨流体控制导管130彼此面对。超声波传感器模块200的声换能器元件分开预定距离150。
75.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以使得声入射波被发射、检测超声波在超声波传感器模块200处的接收、测量直接和反射声波的各种组合的发射和接收之间的定时、和/或部分地基于那些测量的定时来确定usfm系统100和/或流体的各种性质，这将在图3-9的描述中进一步讨论。
76.在使用中，流体流过usfm系统100。例如，诸如燃料的流体可以在流体端口122a处被提供，在那里它将沿着流体路径124a流入流体腔120a中。流体围绕超声波传感器模块200流到流体控制导管130。流体沿着流体路径132流过流体控制导管130，并且然后围绕超声波传感器模块200流到流体腔120b。流体然后沿着流体路径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被保护免于直接暴露于流体，并且用于通过流体传输声波以确定流体的性质，例如声阻抗和质量流量。
77.图3示出了图2a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，声收发器元件230被激活以发射入射波（例如，声脉冲）。入射波传输到缓冲杆250中并沿着缓冲杆250传输。由箭头310表示的入射波的一部分行进，直到它遇到面262。面262和腔260的接合导致入射波310的一部分被反射为由箭头320表示的回波。回波320往回行进以被声收发器元件230检测到。在一些实施例中，超声波传感器模块200可以包括单独的声发射器和接收器，用于发射和检测入射波。
78.由箭头330表示的入射波的另一部分行进，直到它遇到轴向端部254。轴向端部和流体301在轴向端部254处的接合导致入射波330的一部分被反射为由箭头340表示的回波。回波340往回行进以被声收发器元件230检测到。由箭头350表示的入射波的另一部分在轴向端部254传播到流体301中。
79.测量入射波的传输和回波320的检测之间的时间（例如，通过图1的示例控制器190）以确定第一飞行时间。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。还测量回波320和回波340的幅度。如将在图6a-7的描述中进一步讨论的，测量的飞行时间、测量的回波幅度和关于缓冲杆250的声阻抗以及声收发器元件230、面262和轴向端部254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的性质，诸如声阻抗（z
流体
）和/或流体中的声速（c
流体
）。
80.在一些实施方式中，超声波传感器模块200可以用于除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，附着到或浸没在罐、管道或其他流体容器或体积中），并且可以作为过程的一部分被进行声波处理，以确定流体的声阻抗、流
体中的声速和/或流体的流体密度。
81.在一些实施方式中，缓冲杆250自身的特性可以基于测量的飞行时间和/或测量的回波幅度来确定（例如，以校准未知的缓冲杆声阻抗和/或补偿温度变化对超声波传感器模块200的影响）。类似地，在一些实施方式中，声收发器元件230与面262和/或轴向端部254中的一者或两者之间的距离可以基于测量的飞行时间、测量的回波幅度、已知的距离、已知的缓冲杆声阻抗和/或已知的缓冲杆温度来确定。
82.图4示出了图2a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在轴向端部254处至少部分暴露于流体301。在一些实施例中，流体301的温度或化学性质可能损坏声收发器元件230，因此超声波传感器模块200被配置成防止流体301与声收发器元件230直接接触。例如，轴向缓冲部分256b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、套筒、包层、密封件或密封剂）接触可以基本上阻挡从轴向端部254到声收发器元件230的流体流动。在一些实施方式中，经过缓冲杆250的流体渗漏可以被引导到传感器腔204，而不接触声收发器元件230的主面。
83.在使用中，超声波传感器模块200在轴向端部254处至少部分地暴露于流体压力下，由箭头410表示。流体压力410是相对于由声收发器元件230使用的声学信号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）施加会对声收发器元件230产生压缩力，该压缩力会抵消或者以其他方式负面影响声收发器元件230响应于感测到的声学信号而提供的信号。在一些实施方式中，这种影响可以通过电偏移传感器信号来进行数学补偿，以便恢复真实信号的近似。
84.超声波传感器模块200被配置成防止流体压力410影响声收发器元件230。例如，声收发器元件230声学上配合到到轴向端部252。这样，声收发器元件230能够相对于传感器壳体202在缓冲杆250上“浮动”，并且不会被流体压力410压缩。
85.通过缓冲杆250和传感器壳体202的机械配置，声收发器元件230也受到保护而免受流体压力410的影响。流体压力410被施加到轴向端部254，这促使缓冲杆250移动到传感器腔204中。促使这种移动的压力由箭头420表示。缓冲杆250的移动被轴向缓冲部分256b和传感器壳体202的面210之间的接触阻止，如箭头430所示。这样，力420被阻止到达声收发器元件230。
86.较小尺寸的横截面区域209a的尺寸设置成容纳声收发器元件230，并将传感器壳体202的热膨胀与声学路径解耦。较大尺寸的横截面区域209b的尺寸设置成容纳作用在缓冲杆250上的压力感应力。将力传递到传感器壳体202中基本上消除了作用在声收发器元件230上的压力感应力，基本上消除了对压力补偿、尺寸设置成反作用压力感应力的换能器部件和/或湿换能器设计约束的需要。
87.通过将声收发器元件230与流体压力环境解耦，可以观察到几个优点。例如，不要求声收发器元件230的流体/燃料兼容性。在另一个示例中，声收发器元件230频率不受压力感应力驱动的厚度要求的限制。在声收发器元件230是压电换能器的另一示例中，支持流体压力所需的压电厚度使得声收发器元件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，声收发器元件230的操作频率的大小可以设置成提高声学优化和/或低流量测量准确性。
88.图5a-5c示出了超声波流量测量系统500中入射波横穿的概念性示例。在一些实施方式中，usfm系统500可以是图1的usfm系统100的示例。usfm系统500包括两个声发射器510a和510b、两个声接收器512a和512b以及流体控制导管520。流体在箭头501表示的方向上沿着流体控制导管520流动。
89.下面的推导假设声接收器512a和512b与它们相应的声发射器510a和510b对准，垂直于流体控制导管520的主轴。因此，下面的推导省略了入射角。如果声发射器510a、510b和声接收器512a、512b离轴放置，则可以使用入射角重新推导出下面的推导。然而，为了简单起见，这里没有使用用于补偿这种角度的三角学。
90.参考图5a，首先，考虑声音行进穿过非移动流体的速度：距离=速度
×
时间或者：其中，
퐶
流体
是流体中的声速，l1是声发射器510a和声接收器512a之间的距离，并且t1是声发射器510a和声接收器512a之间的信号传输时间。
91.假设控制体积（流体）移动的方向501与声音行进的方向相同，由从声发射器510a到声接收器512a的线502a表示，则行进穿过流体的声波的速度将相对于流体的速度而改变。
92.其中v
流体
是移动流体的平均速度，l2是声发射器510a和声接收器512a之间的距离，并且t2是声发射器510a和声接收器512a之间的信号传输时间。
93.现在参考图5b，假设控制体积（流体）与声音从声音发射器510b行进到声音接收器512b的方向相反，由线502b表示。声波行进穿过流体的速度将相对于流体的速度而改变。
94.其中l3是声发射器510b和声接收器512b之间的距离，并且t3是声发射器510b和声接收器512b之间的信号传输时间。
95.参考图5c，对于一组特定的超声波传感器，这些装置既可以发射又可以接收信号。这意味着，对于一对信号，共有以下特性：l
上 = l
下 = l =发射器之间的距离；d =直径∴流体控制导管520的面积；a =横截面面积；c
流体 =流体中的声速；v
流体 =流体速度；ρ
流体
=流体密度；z
流体 =流体的声阻抗。
96.利用上述共有的特性，上游和下游信号之间的时间差将允许计算各种流体特性。
97.上游和下游传输时间变为：求解t
上
、t
下
和c
流体
：由于声速在换能器之间是相同的，所以声速彼此相等，并允许得出流体速度：
知道流体的速度允许确定体积流体流量（q
流体
），其中cd是流体控制导管520中流体的预定排放系数：还可以确定流体声速性质。因为流体速度在一对换能器之间共享，所以可以求解流体速度。忆及：并且：求解针对v
流体
的t
上
和t
下
：由于流体的速度在传感器之间是相同的，所以前面的两个等式彼此相等，并允许求解流体声速：
图6a和6b是示出图1的超声波流量测量系统中的示例入射波和回波的曲线图。图6a示出了声幅度随时间变化的曲线图600，包括子持续时间601。图6b示出了曲线图602，其中子持续时间601已经被扩展以便可见性。
98.曲线图600示出了初始入射波610的发射的表示（例如，当声收发器元件230被激活以发送声学“声脉冲”时）。几毫秒后接收到回波620。在一些实施方式中，回波620可以是图3的回波320，其是入射波310的一部分离开腔260的面262的反射。
99.几毫秒之后接收到回波630。在一些实施方式中，回波630可以是回波340，回波340是入射波330的一部分离开轴向端部254的反射，轴向端部254也是到流体的界面。回波640、650和660代表缓冲杆250中的回响。在操作中，回波640-660可以被滤除或者以其他方式忽略。
100.入射波670代表由声学传感器（例如，位于发射入射波的声收发器元件230的下游或相反侧的声收发器元件230）接收的入射波的一部分。入射波670到达所花费的时间量受几个变量的影响，诸如流体控制导管130中流体的流体密度、流速和流向，以及声学传感器距离150。入射波670花费的时间量可以用作t
上
或t
下
（例如，取决于波在流体控制导管130中是向上游还是向下游行进）。
101.如图4所示，缓冲杆250被设计成将压力感应力传递到传感器壳体202的面210。这是通过缓冲杆250的双直径构造来实现的，其中较小的横截面区域的尺寸设置成容纳声收发器元件230，并将传感器壳体202的热膨胀与声学路径解耦。轴向缓冲部分256b的较大横截面区域的尺寸设置成容纳作用在缓冲杆250上的压力感应力。将力传递到传感器壳体202中基本上消除了作用在声收发器元件230上的压力感应力，并且基本上消除了对（例如压电陶瓷）压力补偿的需要，调整压力感应力的大小，并且基本上避免了湿的换能器设计约束。
102.通过将声收发器元件230与流体压力环境解耦，可以观察到几个优点。例如，不需要声收发器元件230的流体/燃料兼容性，声收发器元件230频率不受由压力感应力所驱动的厚度要求的限制，支持流体压力所需的声收发器元件230的厚度使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的大小可以被设置成用于声学优化和低流量测量准确性。
103.对于飞机涡轮燃料系统，可以确定质量燃料流率，以了解燃烧能量含量。这可以通过使用缓冲杆250来解决。缓冲杆250的内部设计实现了附加的声学益处，这些益处可以有意地设计到usfm系统100中。例如，缓冲杆250的配置使得控制器190能够确定用于燃料声阻抗测量的反射系数。这是通过引入换能器发射幅度响应（例如，回波320或620）来实现的，用作为基本上理想的反射器的腔260来实现，并且该幅度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，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。
104.流体声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区域209a和209c。在一些实施方式中，面积可以不相等，并且可以将数学补偿集成到该过程中。然而，为了清楚起见，在下面的等式中假设面积相等。这允许直接测量反射系数。缓冲杆250内的波传播是联接的（articulated），使得在空气中，从面262返回的回波等同于来自轴向端部254的回波。
105.反射系数是通过使用短时傅立叶变换（stft）得到的。得出两个回波的快速傅立叶变换（fft）,以确定返回回波的峰值：因此：其中：回波1分别是图3和6a-6b的回波320或620中的一者，回波2分别是图3和6a-6b的回波340或630中的一者，并且f和f0是换能器驱动频率。反射系数由下式得出：并且，假设缓冲杆250与流体或燃料直接界面接触（例如，在这种情况下没有匹配层280）：其中r是反射系数。
106.缓冲杆250的阻抗可以通过传感器级别的表征来确定。通过已知的缓冲杆阻抗和测量的反射系数，可求解流体阻抗：从上面的等式中，可以求解流体中的声速。由于流体阻抗和流体声速是已知的，现在可以求解流体密度。
107.明确地：现在已知体积流体流量和密度，可以得到质量流体流量：图7是示出用于确定流体反射系数的过程700的示例的流程图。在一些实施方式中，过程700可以通过图1-2b的示例超声波传感器模块200使用。
108.在710，激活第一发射器以发射至少一个入射波。例如，可以激活示例声收发器元件230以发射入射波。
109.在720，沿着缓冲杆传输入射波，该缓冲杆具有邻接第一发射器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，入射波可以通过缓冲杆250传播。
110.在730，沿着缓冲杆的一部分限定的间隙反射入射波的第一回波。例如，入射波310的一部分可以遇到腔260的面262，并被反射为回波320。
111.在740，检测第一回波。例如，可以检测到图6a和6b的回波620。
112.在750，确定第一回波的第一幅度。例如，可以对回波620执行fft以确定回波620的幅度（例如，如上所述的幅度a）。
113.在760处，第二轴向端部反射入射波的第二回波。例如，入射波330的一部分作为回波340被反射离开轴向端部254。在一些实施方式中，第二回波可以被固定到第二轴向端部的1/4λ匹配层反射，例如，轴向端部254处的匹配层280。
114.在770，检测第二回波。例如，可以检测到图6a和6b的回波630。
115.在780，确定第二回波的第二幅度。例如，可以对回波640执行fft以确定回波640的幅度（例如，如上所述的幅度b）。
116.在790，基于第一幅度和第二幅度可以确定反射系数。例如：
图8是示出用于确定质量流体流量的过程800的示例的流程图。在一些实施方式中，过程800可以通过图1的示例usfm系统100使用。
117.在805，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。
118.在810，基于所确定的反射系数和预定的缓冲杆声阻抗来确定第二轴向端部处的流体的流体声阻抗。例如，如上所述，反射系数r可以与预定的缓冲杆阻抗z
缓冲
一起用于确定z
流体
。
119.在815，入射波的一部分在第二轴向端部处通过流体被传输到传感器，该传感器被布置在远离第一发射器的预定距离处并且与第一发射器相对，其中流体在具有预定横截面区域的管状流体导管内。例如，图6a的入射波670可以从上游的超声波传感器模块200行进穿过流体到达下游的超声波传感器模块200。
120.在820，第二传感器检测入射波的部分。例如，下游的超声波传感器模块200可以检测入射波670。
121.在825，基于检测到的入射波部分来确定入射波部分的第一飞行时间。例如，可以确定t
下
。
122.在830，第二发射器通过流体将另一个入射波传输到第一传感器。例如，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。
123.在835，第一传感器检测另一个入射波，并且在840，基于检测到的另一个入射波确定另一个入射波的第二飞行时间。例如，可以确定t
上
。
124.在845，确定管状流体导管内的流体速度。例如，v
流体
可以确定为：在850，确定流体内的声速。例如，c
流体
可以确定为：在855，至少基于预定的横截面区域、确定的流体速度、确定的流体声阻抗和确定的声速来确定质量流体流率。例如：在一些实施方式中，第一发射器和第一传感器中的一个者或两者可以是压电元件。在一些实施方式中，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单独的部件，或者声收发器元件230可以在超声波传感器模块200内执行发射和检测功能。
125.图9是示出用于抵抗流体暴露对图1-4的示例超声波传感器模块200的声收发器元件230的影响的过程900的示例的流程图。在910，提供传感器。该传感器包括：传感器壳体，该传感器壳体具有限定传感器轴线和轴向内部传感器壳体腔的内表面，该轴向内部传感器壳体腔具有：第一轴向传感器壳体部分，该第一轴向传感器壳体部分具有垂直于传感器轴
线的第一横截面区域；第二轴向传感器壳体部分，其沿着传感器轴线与第一轴向传感器壳体部分相邻布置并且具有大于垂直于传感器轴线的第一横截面区域的第二横截面区域；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具有第二轴向端部的第二轴向缓冲部分、以及第三轴向缓冲部分，其在第一轴向缓冲部分和第二轴向缓冲部分之间轴向延伸，并具有小于第一横截面区域的垂直于传感器轴线的第三横截面区域；以及声学上配合到第一端部的声收发器元件。例如，可以提供超声波传感器模块200。
126.在920，在第二轴向端部处提供流体。例如，诸如燃料的流体301可以设置在流体腔120a或120b中，以便接触轴向端部254。
127.在930，缓冲杆和传感器壳体阻挡从第二端部的声收发器元件流体流动。例如，如在图4的描述中所讨论的，声收发器元件230通过传感器壳体202和缓冲杆250与流体301分离，并且传感器壳体202和缓冲杆250被配置成防止流体301流向声收发器元件230。
128.在一些实施方式中，从第二端部到声收发器元件的流体流动可以被传感器壳体和第二轴向缓冲部分阻挡。例如，通过传感器壳体202和轴向缓冲部分256b之间的干涉，防止流体301流向声收发器元件230。
129.在940，对第二轴向端部施加流体压力，以对缓冲杆产生轴向力。例如，可以对轴向端部254施加流体力410。
130.在950，缓冲杆将轴向力传递到传感器壳体。例如，缓冲杆250将力420传递到传感器壳体202。
131.在960，传感器壳体防止轴向力传递到声收发器元件。在一些实施方式中，过程900还可以包括通过第二轴向部分将轴向力传递到面，其中，面干涉缓冲杆朝向声收发器元件的轴向移动。例如，通过轴向缓冲部分256b和表面210之间通过接触产生的反作用力430阻止缓冲杆250进入传感器腔204中的任何移动。
132.图10是通用计算机系统1000的示例的示意图。根据一个实施方式，系统1000可以用于结合过程700、800和/或900描述的操作。例如，系统1000可以包括在控制器190中。
133.系统1000包括处理器1010、存储器1020、存储装置1030和输入/输出装置1040。部件1010、1020、1030和1040中的每一者都使用系统总线1050互连。处理器1010能够处理在系统1000内执行的指令。在一个实施方式中，处理器1010是单线程处理器。在另一实施方式中，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或存储装置1030上的指令，以在输入/输出装置1040上为用户界面显示图形信息。
134.存储器1020存储系统1000内的信息。在一种实施方式中，存储器1020是计算机可读介质。在一种实施方式中，存储器1020是易失性存储单元。在另一种实施方式中，存储器1020是非易失性存储单元。
135.存储装置1030能够为系统1000提供大容量存储。在一种实施方式中，存储装置1030是计算机可读介质。在各种不同的实施方式中，存储装置1030可以是软盘装置、硬盘装置、光盘装置或磁带装置。
136.输入/输出装置1040为系统1000提供输入/输出操作。在一个实施方式中，输入/输出装置1040包括键盘和/或定点装置。在另一种实施方式中，输入/输出装置1040包括用于
显示图形用户界面的显示单元。
137.所描述的特征可以在数字电子电路或计算机硬件、固件、软件或它们的组合中实施。该设备可以在计算机程序产品中实施，该计算机程序产品有形地包含在信息载体中，例如在机器可读存储装置中，用于由可编程处理器执行；并且方法步骤可以由执行指令程序的可编程处理器来执行，以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行所描述的实施方式的功能。所描述的特征可以有利地在一个或多个计算机程序中实施，所述计算机程序可在可编程系统上执行，所述可编程系统包括至少一个可编程处理器，所述可编程处理器被耦合以从数据存储系统、至少一个输入装置和至少一个输出装置接收数据和指令，以及向其发送数据和指令。计算机程序是一组指令，可以在计算机中直接或间接使用，以执行特定的活动或产生特定的结果。计算机程序可以以任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，并且它可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或适合于在计算环境中使用的其他单元。
138.作为示例，用于执行指令程序的合适的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个处理器或多个处理器中的一者。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或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。一般而言，计算机还将包括一个或多个用于存储数据文件的大容量存储装置，或者可操作地耦合以与其通信；这种装置包括磁盘，诸如内部硬盘和可移动磁盘；磁光盘；和光盘。适合于有形地包含计算机程序指令和数据的存储装置包括所有形式的非易失性存储器，例如包括半导体存储装置，诸如eprom、eeprom和闪存装置；磁盘，诸如内部硬盘和可移动磁盘；磁光盘；和dvd-rom盘。处理器和存储器可以由asic（专用集成电路）补充或并入其中。
139.为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施这些特征，该计算机具有用于向用户显示信息的显示装置，诸如crt（阴极射线管）或lcd（液晶显示器）监视器，以及用户可以用来向计算机提供输入的键盘和定点装置，诸如鼠标或轨迹球。
140.这些特征可以在计算机系统中实施，该计算机系统包括后端部件，诸如数据服务器，或者包括中间件部件，诸如应用服务器或因特网服务器，或者包括前端部件，诸如具有图形用户界面或因特网浏览器的客户端计算机，或者它们的任意组合。该系统的部件可以通过任何形式或介质的数字数据通信来连接，诸如通信网络。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。
141.计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离，并且通常通过诸如所描述的网络进行交互。客户端和服务器的关系是由于在各自的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。
142.尽管上面已经详细描述了一些实施方式，但是其他修改也是可能的。另外，图中所示的逻辑流程不需要所示的特定顺序或连续顺序来实现期望的结果。另外，可以提供其他步骤，或者可以从所描述的流程中删除步骤，并且可以向所描述的系统添加其他部件，或者从所描述的系统中删除其他部件。因此，其他实施方式也在以下权利要求的范围内。