JP2013507623A - 流動媒体の流量を検出する超音波流量センサ - Google Patents

Abstract

流動管（１１２）内の流動媒体の流量を検出する超音波流量センサ（１１０）を提案する。この超音波流量センサ（１１０）は、少なくとも１つの第１の超音波トランスデューサー（１１６）と少なくとも１つの第２の超音波トランスデューサー（１１８）並びに少なくとも１つの中空導体（１２２）を含んでいる。少なくとも１つの第１の超音波トランスデューサー（１１６）と少なくとも１つの第２の超音波トランスデューサー（１１８）との間で、中空導体（１２２）の壁部（１２６）での反射によって超音波をガイドするように、中空導体（１２２）が構成されている。さらに、流動媒体が通って流れるように中空導体（１２２）が構成されている。少なくとも１つの第１の超音波トランスデューサー（１１６）と少なくとも１つの第２の超音波トランスデューサー（１１８）との間で超音波が少なくとも２つの超音波路（１２４）上で伝播するように超音波流量センサ（１１０）が構成されている。超音波は、これらの異なる超音波路（１２４）上で、異なった頻度で反射される。少なくとも２つの異なる超音波路（１２４）上で伝達される超音波の音波エネルギーは、１００倍を超えて異なることがない。

Description

従来技術
従来技術から、少なくとも２つの超音波トランスデューサーをベースにした超音波流量計が知られている。これらの超音波トランスデューサーは、流動管内で、流動方向においてずらして配置されており、少なくとも１つの反射面を介して相互に超音波信号を送信する。このような超音波センサの例は、ＤＥ１０２００４０６１４０４、ＤＥ１０２００６０２３４７９Ａ１号、ＤＥ４０１０１４８Ａ１またはＤＥ１０２００６０４１５３０Ａ１に記載されている。従って、超音波トランスデューサーの可能な構成および可能な測定原理に関しては、これらの文献を参照されたい。例えば、音波の伝播が流動媒体の流動方向において加速される、および、流動方向に対して遅延される。２つの方向における超音波伝播時間を測定することによって、音波速度の影響が補償されて、流動速度がこの音波速度に依存せずに求められる。これは、流動媒体が気体の場合には、主に、温度および気体の組成（例えば大気湿度）および僅かにではあるが、圧力にも依存する。

従来技術から、反射体が管壁部内に組み込まれている、またはセンサモジュールにも固定されている測定装置が知られている。これによって超音波トランスデューサーおよび電子回路とともに、一種の差し込み型センサが構成される。これに関しては例えば、ＤＥ１０２００４０６１４０４Ａ１が参照可能である。同様に、相互に非平行の複数の反射面を用いて、結果として生じる超音波経路によって、流れの大部分を検出することができる。これに関しては、例えばＤＥ４３３６３７０Ｃ１が参照可能である。さらに、ＤＥ１０２００６０４１５３０Ａ１において流動媒体に対する、超音波経路の管状のシールドが提案されている。この管状のシールドは、２つの超音波トランスデューサーの領域において、管が次のように配向されるように配置されている。すなわち、超音波の伝送経路の一部が、この管内に案内されるように配向されるようにである。この管はここで、超音波トランスデューサーによって閉鎖されるので、管内の超音波伝播区間は、媒体が流れる測定区間の一部ではない。

ＤＥ１０２００６０２３４７９Ａ１には、湾曲された反射面が提案されている。ここで音波はそれぞれ別の超音波トランスデューサーに向かってフォーカシングされるので、この超音波のドリフトが補償される。これは次のように行われるべきである。すなわち、押し流された放射部分が、異なって傾斜された反射体部分上に達し、この変更された傾斜によって、依然として、同じまたは類似の受信点に導かれる。ＤＥ１０２００６０２３４７９Ａ１に記載されているこの反射面はここで、流動管またはセンサモジュールに固定されている。これは超音波トランスデューサーも収容している。類似の配置構成が、ＤＥ１０２００４０６１４０４Ａ１にも記載されている。この他に、部分的に、凸状の湾曲を備えた反射面も知られている。

しかし従来技術から公知の超音波センサは、多くの技術的な挑戦を有している。これは殊に、超音波信号の異なる成分が、流動媒体の異なる流動速度のもとで、異なる方法で伝達されることから生じる。従って例えば、ＤＥ１０２００６０２３４７９Ａ１に記載されている方法は、フォーカシング、かつ同時に超音波のドリフトの補償に基づいている。しかしこの補償を実際に行うのは困難である。なぜなら、通常は、流動管内での流動レートに応じて異なる乱流度合および速度プロファイルが形成されてしまうからである。従ってドリフトの真の補償を完全に行うことはできない。さらに受信信号自体が、完全な補償時に、流動レートに応じて、異なる放射角度ないしは検出角度からの超音波成分を含んでしまう。これは、通常の超音波トランスデューサーの場合には常に、僅かに異なった伝送観衆を有する。この差によって、信号のひずみが生じてしまう。これは、まさに流動レートが高い場合に、明確な伝播時間測定を著しく困難にしてしまう。これに対してはこれまで、過去の多くの流動測定から、少なくとも原理的に、未来について予想が行われることで対向されてきた。この予想は一方では非常にコストがかかり、他方では故障時または流動レートの迅速な変化時には機能しないことがある。

本発明の開示
従って、既知の超音波流量センサの欠点をほぼ回避する、超音波流量センサを提案する。この超音波流量センサは、流動管内の流動媒体の流れを検出するために用いられる。この超音波センサは、例えば、超音波エアマス測定器（ultrasonic flow meter、超音波流量計、UFW）内で使用され、例えば自動車分野または別の技術分野、自然科学分野または医療技術分野において使用される。流動媒体とは例えば、液体または気体、例えば空気である。これと相応に、流動管は例えば、内燃期間の空気吸入部および／または排ガス路の流動管であり得る。

この超音波流量センサは、少なくとも１つの第１の超音波トランスデューサーと、少なくとも１つの第２の超音波トランスデューサー、並びに少なくとも１つの中空導体を含んでいる。ここでこの中空導体は、少なくとも１つの第１の超音波トランスデューサーと少なくとも１つの第２の超音波トランスデューサーとの間（またその逆も、ここでは言外に含められている）で、中空導体壁部での反射によって、有利には少なくとも部分的に、複数回反射によって、超音波をガイドするように構成されている。ここで中空導体は、その中を流動媒体が流れて通るように構成されている。

本発明の枠内で中空導体とは一般的に、少なくとも部分的に閉じられている、管状の部分またはチャネルのことである。これは少なくとも１つの反射面を有しており、ここで反射、有利には複数回反射が行われる。これに相応して中空導体は、チャネル状反射装置および／またはガイド装置とも称される、またはチャネル状反射装置および／またはガイド装置としても構成される。中空導体は殊に完全にまたは部分的にチャネル状に構成され得る。複数回反射とはここで、超音波トランスデューサー間で伝送される音波エネルギー大部分が、次のような伝播経路を辿ることである。すなわち、超音波が少なくとも２回、有利には少なくとも３回、特に有利には少なくとも４回、中空導体の少なくとも１つの反射面、有利には少なくとも２つの反射面で反射される伝播経路である。反射、殊に複数回反射を介して伝送される音波成分に対して付加的に、超音波の音波成分が、反射されずに伝送される。すなわち、少なくとも１つの反射面で反射されない。反射が行われない、相応の超音波路は相応に、０回の反射に割り当てられる。

超音波流量センサは本発明では次のように構成されている。すなわち、超音波が第１の超音波トランスデューサーと第２の超音波トランスデューサーとの間で、少なくとも２つの超音波路上を伝播することができるように構成されている。超音波は、これらの異なる超音波路上で、異なる頻度で反射される。例えば、反射が行われない超音波路（反射回数＝０）、２回の反射が行われる超音波路、３回の反射が行われる超音波路、４回の反射が行われる超音波路等が設けられる。または、これらの超音波路の少なくとも２つ、有利には３つ、４つまたはそれ以上が任意に選択された配置構成が設けられる。

すなわち、超音波トランスデューサーは、自身の放射特性および／または自身の受信特性に関して次のように構成されている。すなわち、少なくとも放射される、ないしは受信される超音波の一部が、幾何学的に異なる超音波路上で伝播するように、構成されている。超音波路とはここで、第１の超音波トランスデューサーと第２の超音波トランスデューサーとの間の幾何学的な接続、またはこのような接続のグループのことである。これらは、少なくとも１つの反射面での共通の反射回数を有し、この反射面に沿って、超音波の少なくとも一部が伝播する。

２つ、３つ、４つまたはそれよりも多くの超音波路が設けられている。これらはそれぞれ、異なる反射を有している。ここで少なくとも２つのこれらの異なる超音波路、有利には３つ、４つまたはそれ以上またはこれらの全ての異なる超音波路は実質的に、超音波トランスデューサー間の音波エネルギーの伝送成分に関して同等である。すなわち、少なくとも２つ異なる超音波路上で伝送される超音波の音波エネルギーは、１００倍を超えて異ならず、有利には２５倍を超えて異ならず、特に有利には４倍を超えて異なることがない。２つよりも多くの、異なる超音波路が設けられる場合には、この条件は、少なくとも２つのこれらの超音波路に当てはまる、または２つよりも多くのこれらの超音波路に当てはまる、またはむしろ全てのこれらの異なる超音波路に、対で当てはまる。このような条件によって一般的に、超音波流量センサにおいて、音波エネルギーの伝送が、１つよりも多くの超音波を介して行われる。ここでこれらの異なる超音波路は、実質的に同等である。すなわち超音波流量センサは殊に次のように構成されている。すなわち、異なる反射回数を有する異なる超音波路がまとめられ、少なくとも部分的に自身の伝送に関して同等であり、実質的に同等に、超音波流量センサの信号形成に寄与するように構成されている。これは、中空導体の導波体効果を明確にする。すなわちこの中空導体は、超音波の異なる放射成分に関して、例えば超音波トランスデューサーの放射ないしは受信の異なる空間角度領域に関して「収集効果」を有することができる。これによって、提案する超音波流量センサは、例えば、ＤＥ４０１０１４８Ａ１で提案されている配置構成とは異なる。ＤＥ４０１０１４８Ａ１で提案されている配置構成では、２つの超音波トランスデューサーの間のＶ字状超音波路の一部が、Ｗ字状超音波路に対して「寄生」の超音波路とされており、強く抑圧されている。

さらに、超音波トランスデューサーは有利には次のように構成されるべきである。すなわち、異なる超音波路が、単に下位の超音波路ではなく、少なくとも２つのこれらの異なる超音波路または少なくとも２つまたはそれ以上のこれらの異なる超音波路を介して、音波エネルギー全体の実質的な部分が伝送されるように構成されるべきである。換言すれば、少なくとも２つの異なる超音波路を介して伝送される超音波成分の音波エネルギーは合計して、第１の超音波トランスデューサーと第２の超音波トランスデューサーとの間で伝送される音波エネルギー全体の、少なくとも５０％、有利には少なくとも５０％、またはむしろ少なくとも７０％になる。これによって、次のことが保証される。すなわち、上述した収集効果が、下位の超音波路だけにのみ関するのではなく、異なる反射回数を有する実質的な超音波路が包括されることが保証される。

例えば、少なくとも２つの異なる超音波路が存在する。この場合には、第１の超音波路ではｎ１の反射回数が生じ、第２の超音波路ではｎ２の反射回数が生じ、有利には第３の超音波路ではｎ３の反射回数等が生じる。ここでｎ１、ｎ２およびオプショナルのｎ３、ｎ４等は、異なる負ではない整数である。すなわち、ｎ１、ｎ２等は、量｛０、１、２、３、・・・｝から選択され、ｎ１≠ｎ２等である。複数の超音波トランスデューサー間で、少なくとも２つの超音波路を介して伝送される超音波成分の音波エネルギーは合算されて、有利には音波エネルギーの少なくとも５０％になる。

例えば、これらの異なる超音波路は主要超音波路であり得る。すなわち、それを介して最も強い超音波成分が伝送される伝送路であり得る。

超音波トランスデューサーは、殊に、ウェーブパケットが実質的に主要音波ローブの角度領域内で放射される、および／または検出されるように構成される。「実質的に」とはここで、次のような構成である。すなわち、主要音波ローブの角度領域内で音波エネルギーの少なくとも９０％、有利には９５パーセントよりも多くが放出される構成である。超音波流量センサは有利には次のように構成されている。すなわち、主要音波ローブ内の音波成分に、放射角度に依存せずに、異なる伝達関数が割り当てられるように構成されている。中空導体は有利には次のように構成されている。すなわち、それぞれ一方の超音波トランスデューサーの音波成分が、それぞれ他方の超音波トランスデューサーに導かれる、またはその逆になるように構成されている。ここで有利には、放射角度に関して、および伝達関数に関して異なる音波成分が検出される。

第１の超音波トランスデューサーと第２の超音波トランスデューサーはここで、中空導体に対して実質的に対称に配置されている。すなわち有利には超音波信号の伝播区間が、流動媒体の流れを除外して、第１の超音波トランスデューサーから第２の超音波トランスデューサーへの放射方向において、およびその逆で、異なっていない、または僅かにのみ異なっている。これに対して、上述したように、ＤＥ１０２００６０４１５３０Ａ１では、超音波経路の管状のシールドが開示されている。これは意識的に非対称に選択されている。従って、管内で生じ得る反射によって、サブローブを介した同様の組み込み、または２つの超音波トランスデューサーの中心外の放射成分は生じない。さらに、ＤＥ１０２００６０４１５３０Ａ１において記載されている管状のシールドを通って液状媒体は流れない。

中空導体は殊に、少なくとも１つのチャネル部分を含んでいる。これは実質的に、流動媒体の主要流動方向に対して平行に配向されている。主要流動方向とはここで、超音波センサの箇所での、流動媒体の主要な質量搬送または体積搬送の局部的な優先方向である。ここで例えば局部的な渦形成または局部的な偏差は無視される。「実質的に平行」とはここで、完全な平行性からの僅かな偏差も意味しており、有利には２０°を越えない偏差、殊に１０°を越えない偏差、むしろ５°を越えない偏差も意味している。

中空導体内への超音波の入力は基本的に、中空導体の軸に対して平行または傾斜しても行われる。中空導体の軸に対して傾斜して入力が行われる場合には、特に有利には、中空導体は少なくとも２つの側方開口部を、チャネル部分内への超音波の入力のために、中空導体の軸に対して傾斜して含んでいる。これらの開口部は例えば円、多角形または基本的に任意の開口部横断面を含んでいる、または完全には中空導体の材料によって包囲されていない開口部も含んでいる。すなわち例えば、中空導体の壁部内でのフライス加工が行われる、または空間が残される。さらに開口部は、１つまたは複数の支持部も含む。これは例えば、開口部に対して相対的な超音波トランスデューサーの取り付けを容易にする。中空導体はさらに、開口部の領域において、超音波の偏向のための結合部材を有している。これは殊に湾曲された結合面である。中空導体は、基本的に１つまたは複数の反射面を含んでいる。この反射面は直線状に構成されていても、湾曲して構成されていてもよい。従って、中空導体は殊に少なくとも１つの、湾曲した反射面を含むことができる。

上述のように、中空導体内で、入力された超音波の反射、例えば複数回反射が行われる。有利には、中空導体内に入力された超音波の大部分は、中空導体内で反射される。しかしここで、反射されない成分が残ることもある。有利には超音波流量センサは、次のように構成されている。すなわち、中空導体内に入力された超音波が、少なくとも１つの可能な超音波路上で、少なくとも３回、有利には少なくとも４回、むしろ少なくとも５回またはそれよりも多く、例えば少なくとも１０回、少なくとも１つの反射面で反射されるように構成されている。

超音波流量センサは殊に次のように構成されている。すなわち、全ての流動媒体が中空導体を通って流れないように構成されている。従って、超音波流量センサは、殊に次のように構成されている。すなわち、流動媒体の第１の部分が中空導体を通って流れ、流動媒体の少なくとも１つの第２の部分が、中空導体外を流れるように構成されている。このような構成は、殊に、次のような利点を有している。すなわち、中空導体が超音波流量センサの領域において、少なくとも完全に流動管と同一な部品に構成される必要がない、という利点を有している。このようにして、例えば、超音波流量センサ、中空導体および／または少なくとも１つの反射面の幾何学的形状が、少なくとも広範囲で、流動管の幾何学的形状および／または寸法に依存せずに選択される。例えばＤＥ４３３６３７０Ｃ１またはＤＥ４０１０１４８Ａ１から既知の構成は、そうではない。なぜならここでは、流動管自体が反射体として使用されているからである。このようにして本発明では、超音波流量センサが、流動管の異なる寸法で使用される。例えば、少なくとも６００ｍｍの直径を有する流動管が使用される。このように大きい直径を有する流動管の場合には、流動管自体が反射体として使用される構成は、超音波の散乱が原因で、ほぼ実現されない。流動管は、環状、円形、多角形または基本的に任意の横方向断面を有することができる。

超音波流量センサは殊に、完全にまたは部分的に、差し込み型センサとして構成される。すなわち、流動管内に差し込み可能な構成部分として構成される。ここでは可逆的に差し込み可能であり、差し込み型センサは再び、流動管から取り外し可能である。差し込み型センサは例えば、力接続および／または形状接続および／または材料接続によって、流動管と接続されている。択一的に、超音波流量センサを、恒久的に流動管と接続させることもできる。

中空導体は、上述のように、それ自体、１つまたは複数の反射面を含んでいる。これは直線状であっても、湾曲されていてもよい。中空導体は殊に、以下の断面から選択される断面を有している：多角形断面、殊に三角形または長方形断面；Ｕ字型断面、バスタブ状断面；溝状断面。このような断面の種々の構成および実施例を以下でより詳細に説明する。

中空導体は有利には少なくとも部分的に、流動管と異なって構成される。すなわち、流動管と完全に同一の構成部分ではない。殊に、少なくとも１つの反射面は、流動管の壁部と異なり得る。しかし択一的または付加的に、中空導体が少なくとも部分的に流動管と等しく構成されていてもよい。従って例えば、流動管の壁部は、壁部面、例えば中空導体の反射面としても利用される。

超音波トランスデューサーは殊に、中空導体として作用する、または中空導体を含んでいる、流動管の測定区間内に配置されている。殊にこれは、直線状の測定区間である。この測定区間は主要流動管の一部であってもよく、または、完全にまたは部分的にバイパス内に配置されてもよい。流動媒体の流れは、この場合には、例えば側方で、測定区間内に入力される。これは例えば、測定区間のそれぞれ同じ側に配置された入口ないしは出口、または対向する側に配置された入口ないしは出口によって行われる。

上述のように、中空導体を殊に完全にまたは部分的に主要流動管内に配置することができる。しかし択一的または付加的に、中空導体を少なくとも部分的に、流動管のバイパス内に収容することもできる。すなわちこれは、その中を、流動管を流れる流動媒体の一部が主要流動管から導かれ、少なくとも１つのサブチャネルによってガイドされる区間である。例えば、測定区間はこのサブチャネル内、すなわちバイパス内に配置される。

提案する超音波流量センサは、既知の超音波流量センサおよび測定原理に比べて、多くの利点を有している。従って本発明では従来技術とは異なり、必ずしも直接的なフォーカシングまたはドリフトの所期の補償が行われる必要はなく、流動が無くても既に、意図的に、超音波ローブの複数の異なる角度成分が考慮され、選択された実施形態に応じて複数回反射によってほぼ統計的に重畳される。これによって、異なる伝達関数の格段に大きな多様性が、信号全体に寄与する。これは、放射ドリフト作用に打ち勝つ。このようにして、全体的に、予期される横断方向の影響、例えば温度、圧力、大気湿度、汚染、経年劣化、または流動レートの影響に関して一定の信号形状が得られる。これによって、その内部で正確かつ明確な伝播時間測定が行われる流量測定領域が格段に拡大される。

本発明の実施例を図示し、以下の明細書でより詳細に説明する。

伝播時間測定のための超音波パケットの例 湾曲した反射面を備えた公知の超音波流量センサ 種々の流動特性のもとでの、湾曲した反射面での超音波の伝播 本発明の超音波流量センサの第１の実施例 中空導体の斜視図 本発明の超音波流量センサの第２の実施例 差し込み型センサとして構成されている超音波流量センサの実施例 中空導体内への超音波信号の直線状の入力を有する超音波流量センサ 中空導体の種々の縦断面図 中空導体の種々の縦断面図 バスタブ状中空導体を備えた超音波流量センサの実施例 図１１に示されたバスタブ状中空導体の種々の図 中空導体の例の種々の断面 流動管内に組み込まれている中空導体を備えた種々の実施例 流動管内に組み込まれている中空導体を備えた種々の実施例 流動管のバイパス内の超音波流量センサの実施例

図１には、典型的な超音波パケットが示されている。これは、伝播時間測定に使用される。この図は、ＤＥ１０２００４０１３２４９Ａ１からのものである。従って、超音波パケットの詳細に関しては、上記の文献を参照されたい。通常の超音波トランスデューサーの制限された帯域幅によって、超音波パケットの過渡過程が、複数の超音波振動にわたって続く。従って、通常は、自然の、明確な受信時点は得られない。むしろ、はじめに受信時点として検出されるべき特徴が定められなければならない。しかし高い時間分解能を得るためには、図１に示された超音波信号の、緩慢に上昇するエンベロープ曲線の情報内容は通常、不十分である。この代わりに例えば、超音波信号の特定の零通過が評価される。これは相応に大きい上昇を有している。明確な結果を得るために、例えば、閾値ＳＷを越えた後の零通過時点ｔ_０が使用される。信号振幅の変動に依存しないで結果を得るために、この閾値は、１つの測定から次の測定へと、アップデートされる。

択一的に、伝播時間を別の方法でも求めることができる。しかしこれらの方法は最終的に常に、受信信号経過特性内の特徴の識別に基づき、従って多かれ少なかれ、信号形状の変化に敏感に反応してしまう。このような変化は少なくとも部分的に、調整方法を用いることによって補償される。ここでは、受信信号経過特性の形状の少なくとも緩慢な変化が識別され、記憶され、後続する測定の受信信号内での特徴の識別時に考慮される。

しかし通常、基本的に困難であるのは、このようなアップデートに対してまずは初期値が設定されなければならない、ということである。例えば、受信信号の振幅が変化し、これによって、図１に示されたアップデートされるトリガ閾値も、順次連続する２つの超音波の間の振幅差よりも、過渡エッジ内で変化すると、通常は、超音波流量センサが新たにスイッチオンされた後に、正しい値が得られなくなってしまう。ここでは、不揮発性ＲＡＭメモリが助けとなるが、この場合には依然として、流動レートが増すとともにこのアップデートが初期値から非常に離れてしまうケースが生じ得る。超音波流動センサはスイッチオフされ、その媒体が静かになると再びスイッチオンされる。このようなケースでは、アップデートは依然として、高い流動レートに対する誤った値に基づくであろう。

すなわち、始めから装置によって、信号形状が全ての作動状態にわたっておよび寿命にわたって、全ての負荷を含めて、できるだけ安定して保たれ、これによって零通過が相応する小さい領域に制限されるようにするのは、アップデートに対して有利であろう。すなわち超音波流量センサは有利には次のように構成される。すなわち、流れが信号全体を全体的にシフトさせるが、その形状自体は安定して保たれるように構成される。

信号形状の変化の源となり得るのは、超音波トランスデューサーの放射特性である。殊に、トランスデューサー帯域内の高い周波数は、高い方向性を有している。従って、トランスデューサー対称軸に対する角度が増すとともに、スペクトルは傾向的に低周波数になる。放射ドリフトによって、測定されるべき流れの結果、流動レートに依存せずに、相応に異なる伝達関数を伴った、超音波トランスデューサーの放射ローブおよび受信ローブの異なる度成分が、多かれ少なかれ、信号全体に寄与する。信号形状が、流れを伴う送受信装置内でも、この流れに対向した送受信装置内でも変化することが考慮され、相応の変化を補償するためにこれが利用される場合でさえも、信号形状が２つの伝送において異なって変化することが考慮されるべきである。相応する変化の補償は、例えば、伝播時間差が２つの受信信号の相互相関によって求められることによって行われる。これに対する一般的な理由は、厳格に逆の測定状況が、等方性の伝送媒体においてのみ存在するということである。しかしこのような流れによって、媒体はもはや等方性には作用しない。従って、相応の対称性が破られる。

信号形状の変化は、フォーカシングする反射面によっても、完全には補償されない。これは、図２に示されている、従来技術による超音波流量センサ１１０に基づいて説明されるべきである。超音波流量センサ１１０は例えば、完全にまたは部分的に、流動管１１２内に組み込まれている。流動管は図２において単に破線で示されており、主要流動方向１１４内において流動媒体が通って流れる。超音波流量センサ１１０は、第１の超音波トランスデューサー１１６と、第２の超音波トランスデューサー１１８並びに湾曲された反射面１２０を有している。このような超音波流量センサ１１０は例えば、上述した１０２００６０２３４７９Ａ１に記載されている。

図２には異なる超音波路の例が示されている。この経路を、第１の超音波トランスデューサー１１６と第２の超音波トランスデューサー１１８との間で超音波信号が進む。この３つの異なる超音波路をアルファベットＡ、ＢおよびＣであらわす。超音波トランスデューサー１１６、１１８が反射面１２０に対して対称に配向されている場合、かつ媒体が静かな場合には、全ての超音波路Ａ、Ｂ、Ｃが同じ強さで、全体信号に寄与する。これとは異なり、傾向的にむしろ超音波路ＢおよびＣが優勢を占める流動の場合には、これに対してＡは僅かにしか寄与しない。第１の超音波トランスデューサー１１６から出力された中央の主要成分Ｂはさらに、第２の超音波トランスデューサー１１８に入射するが、別の角度領域において入射する。従ってむしろ、第２の超音波トランスデューサー１１８の偏心した伝達関数が寄与する。振幅は、流量測定領域にわたって安定しているが、これに対して、信号形状は必ずしもそうではない。対称的な配置構成からある程度の角度で異なる、超音波トランスデューサー１１６、１１８を組み込むことによる偏差幅によっても、幾つかの角度領域が、流動レートに依存して、多かれ少なかれ信号全体に寄与する、ということは変わらない。

超音波信号の波面の特性および音波フォーカシングの特性は、図３Ａ〜３Ｄにおいて基本図で示されている。図３Ａには、流れが静かな場合に超音波が１つの超音波トランスデューサー１１６、１１８から別の超音波トランスデューサーにフォーカシングされるように反射面１２０の湾曲が選択されている状況が示されている。ある程度の速さプロファイルを流動管１１２内に有している流れが生じると、この場合に、フォーカシングは、流れの方向においてのみ流れるのではなく、これを横切る方向にある成分（図３Ｂを参照）も有する。これに対して図３Ｄでは反射面１２０の湾曲が低減されており、図３Ｂと流動レートが同じ場合および流動プロファイルが同じ場合には、超音波信号は、少なくとも、流動管１１２の壁にフォーカシングされる。しかしこれは、第２の超音波トランスデューサー１１８の過度の下流側である。図３Ｃに示されているように流れが再び静かになると、反射面１２０の湾曲は、もはや完全なフォーカシングには十分ではない。

これに対して図４には、本発明の超音波流量センサ１１０の実施例が示されている。この超音波流量センサ１１０は、再び完全にまたは部分的に、流動管１１２内に組み込まれている。この流動管は、図４においても破線で示されている。超音波流量センサ１１０はここで、完全または部分的に、流動管１１０の管壁部内に組み込まれていても、管壁部を取り込んでいてもよい。公知の超音波流量センサとは異なる、図１に示されている超音波流量センサ１１０は、チャネル状の反射装置および／またはガイド装置として構成されている中空導体１２２を含んでいる。この中空導体は、複数の反射を介して、超音波トランスデューサー１１６、１１８のうちの１つから、それぞれ他方の超音波トランスデューサーへと案内されるように構成されている。中空導体１２２の開口断面および超音波トランスデューサー１１６、１１８に対する間隔は、すなわち、超音波トランスデューサー１１６、１１８の各角度領域が検出されるように構成されている。この角度領域は、予期されている流量測定領域に基づいて全体信号に寄与し、この角度領域内で、伝達関数が著しく変化する。流動レートないしは放射ドリフトに応じて、異なる数の反射を伴う異なる角度成分が全体信号に寄与する。これに相応して、超音波流量センサは次のように構成されている。すなわち、超音波が超音波トランスデューサー１１６、１１８の間で、少なくとも２つの異なる超音波路１２４上で電装されるように構成されている。ここでこれらの超音波路は、その反射回数に関して異なっている。図４に示された実施例では、例として、２つの超音波路１２４が示されている。そのうちの１つは２５回の反射を伴い、もう１つは１７回の反射を伴う。ここで超音波路１２４の１つが、他方の超音波路１２４に対して、著しく優勢を占めるべきではない。すなわち、少なくとも２つの異なる超音波路１２４が存在し、それらの音波エネルギーは最大で１０倍、有利には最大で５倍、またはそれ以下倍率で異なっている。音波エネルギーの上述した条件が当てはまる、このような超音波路１２４の音波エネルギー、有利には、この条件が当てはまる全ての超音波路のエネルギーは合算されて、有利には、伝送される超音波エネルギー全体の５０％になる。

このような異なる超音波路１２４のエネルギー成分は、例えば、次のようにして検出される。すなわち、例えば別の超音波路１２４が、相応するフィルタ、マスク等の素子によってマスキングされ、次に、伝送されたエネルギーが測定されることによって検出される。択一的または付加的に、エネルギー成分は、経験に基づいて、または半ば経験に基づいて求められる。これは例えば、次のようにして行われる。すなわち、超音波トランスデューサー１１６および／または１１８の既知の放射特性から、各超音波路１２４に割り当てられる成分が計算される、または例えばシミュレーションによって検出されることによって行われる。

全体として、超音波路１２４の超音波は、音波路に応じて、建設的にまたは破壊的に相互に干渉し、種々のモードが形成される。これはマルチモードファイバーに類似している。全体として、放射ローブおよび受信ローブの種々の成分のこの複雑な重畳は次のように作用する。すなわち、トランスデューサーの影響が低減され、全体的により安定し、明確な伝播時間測定が可能になるように作用する。従って中空導体１２２の壁部１２６は、反射面１２０として作用し、ここで、反射、有利には複数回反射が行われる。図示の実施例では、中空導体１２２は有利には、超音波流量センサ１１０に対して対称に構成されている。中空導体１２２には流動媒体が流れる。

図５には、中空導体１２２の構成の例が斜視図で示されている。中空導体１２２はここで、超音波信号の傾斜した入力のために、主要流動方向１１４に対して傾斜して開口部１２８を有している。この開口部は例えば、超音波信号の入力、取り出しのための部分開口部からの陥入部の形状で構成される。全体として中空導体１２２は、チャネル状、管状の構造を有する。

図６には、超音波流量センサ１１０の、図４に対して択一的な構成が示されている。この場合には、例として再び、２つの超音波路１２４が示されている。すなわち、５回の反射を伴う超音波路と、９回の反射を伴う超音波路である。その他に、図６に示されていない別の超音波路１２４が存在し得る。

図６の実施例では、入力の領域、例えば開口部１２８の領域において、超音波信号の入力ないしは取り出しを改善する結合部材１３０が設けられる。例えば、この結合部材１３０は、図６に示されているように、湾曲された結合面である。これは、サポートしている反射幾何学的形状を、中空導体１２２の入力部および取り出し分で構成する。これは図６に示されており、例えば、湾曲している。しかし、別の形状も基本的には可能であり、例えば、結合部材１３０としての直線状の結合面を有する構成が可能である。湾曲した構成および入力によって、例えば、超音波トランスデューサー１１６、１１８の壁部と同一平面の取り付けも可能である、または容易になる。

図７には中空導体の構成が示されている。これは例えば、選択肢として、図４または６に示された超音波流量センサ１１０内に組み込まれる。この場合には超音波流量センサ１１０または中空導体１２２は、差し込み型センサ１３２として構成される。これは流動管１１２内に入れられる、および／または流動管内に取り付けられる。択一的に中空導体１２２、すなわち反射装置ないしはガイド装置は、流動管１１２の一部であってもよく、また、流動管と同一に構成されてもよい。殊に、流れ全体またはそのある程度の部分が、中空導体１２２を通って流れる。中空導体１２２が使用されて、超音波以外に流動媒体の流れも、空力的に導かれる。これは、例えば長方形、三角形、多角形、円形、楕円形等に形成される。

図８には再び、超音波流量センサ１１０の実施例が示されている。ここで超音波トランスデューサー１１６、１１８は、中空導体１２２の軸に対して傾斜して配置されているのではなく、中空導体１２２ないしはその長手方向軸に対して軸対称に配置されている。中空導体１２２は、別の実施例のように、完全にまたは部分的に流動管内に組み込まれ得る。しかし、完全にまたは部分的に流動管とは異なって構成されてもよい。これは図８に示されている。

図８においても、異なった超音波路１２４が例として示されている。すなわち、２回の反射を備えた超音波路と、１回の反射を備えた超音波路と、反射が生じない超音波路である。

中空導体１２２はこの実施例において、および別の実施例において、流入開口部および流出開口部で丸められる、および／または円錐に構成される、および／または円錐または丸めて先細りし、その後拡張する。このような可能な幾何学的形状は、図９および１０に示されている。これは各縦断面を、主要流動方向１１４に対して平行に示している。さらに中空導体１２２はチャネル状、Ｕ字状、管状、バスタブ状または溝状に形成され得る。図１１は、バスタブ状に形成された中空導体１２２の実施例を示しており、この中空導体は流動管１１２内に入れられており、流動媒体に対する流入開口部および流出開口部１３４、並びに超音波信号の入力および取り出しのための開口部１２８を備えたパイプ１３６を有している。中空導体１２２はここで、チャネルとして形成されており、これは全体としてバスタブ形状を有している。図１２Ａでは、中空導体１２２が斜視図で示されており、これに対して図１２Ｂは、主要流動方向１１４に対して垂直な面における断面を示している。ここからバスタブ形状が明らかになる。

図１３Ａ〜１３Ｄには、中空導体１２２の種々の択一的な断面が示されている。図１３Ａの図は、図１２Ｂの実施例に相応し、バスタブ形状を示している。図１３Ｂおよび１３Ｃの実施例はＵ字型の異なる幅を示しており、図１３Ｄの実施例は溝形状を示している。

図１４および１５には、超音波流量センサ１１０の実施例が示されており、ここでは中空導体１２２は少なくとも部分的に、流動管１１２と同一に形成されている。このような構成は殊に、次のようにして生じる。すなわち、自身の対称軸ないしは主要放射軸が主要流動方向１１４で延在するように、超音波トランスデューサー１１６、１１８が配置されることによって生じる。流動管１１２の壁部１２６は、図１４および１５に示されているように、オプショナルで湾曲して形成され、湾曲した反射面１２０を形成する。流動媒体の流れは、図１４に示されているように、流動管１１２の１つの側で、流動管に入力される、または図１５に示されているように、流動管１１２の相対する側で入力される。ここで、超音波トランスデューサー１１６、１１８の間の流動管の部分は測定区間１３８を形成する。中空導体１２２が完全にまたは部分的に、流動管１１２と同一である、図１４および１５に示された構成に対して択一的に、中空導体１２２を、別個の管として、外部の流動管１１２内に配置すること、または単に部分的に流動管１１２内に組み込むことも可能である。同様に、択一的または付加的に、反射装置ないしはガイド装置として作用する中空導体１２２を完全にまたは部分的に、流動管１１２のバイパス１４０内に配置することもできる。これは、図１６に示されている、超音波流量センサ１１０の実施例において実現されている。基本的に、この配置構成は、図１４に示された配置構成に相応する。しかしここでは、中空導体１２２は流動管１１２と同一ではなく、バイパス１４０と同一である。このバイパスは、流入開口部および流出開口部１３４を介して、流動管１１２と接続されている。ここでこの流入開口部および流出開口部は、完全にまたは部分的に、流動管１１２内に突出しており、流れガイド部を形成する。

反射装置ないしはガイド装置として作用する中空導体１２２が、反射面１２０の一部から、流動管１１２の一部と組み合わされて形成されてもよい。従って例えば、反射面１２０での反射も、流動管１１２の管壁部での反射も本発明に従って利用可能になる。

Claims (13)

1. 流動管（１１２）内の流動媒体の流量を検出する超音波流量センサ（１１０）であって、
   少なくとも１つの第１の超音波トランスデューサー（１１６）と少なくとも１つの第２の超音波トランスデューサー（１１８）とを含んでおり、
   さらに少なくとも１つの中空導体（１２２）を含んでおり、
   前記少なくとも１つの第１の超音波トランスデューサー（１１６）と前記少なくとも１つの第２の超音波トランスデューサー（１１８）との間で、前記中空導体（１２２）の壁部（１２６）での反射によって超音波をガイドするように、当該中空導体（１２２）が構成されており、
   前記流動媒体が通って流れるように前記中空導体（１２２）が構成されており、
   前記第１の超音波トランスデューサー（１１６）と前記第２の超音波トランスデューサー（１１８）との間で前記超音波が少なくとも２つの超音波路（１２４）上で伝播するように前記超音波流量センサ（１１０）が構成されており、
   前記超音波は、当該異なる超音波路（１２４）上で、異なった頻度で反射され、
   前記少なくとも２つの異なる超音波路（１２４）上で伝達される当該超音波の音波エネルギーは、１００倍を超えて異なることがない、
   ことを特徴とする、超音波流量センサ（１１０）。
2. 前記少なくとも２つの異なる超音波路（１２４）を介して伝送される超音波の音波エネルギーは合計して、前記第１の超音波トランスデューサー（１１６）と前記第２の超音波トランスデューサー（１１８）との間で伝送される音波エネルギー全体の、少なくとも５０％になる、請求項１記載の超音波流量センサ（１１０）。
3. 前記流動媒体の第１の部分が前記中空導体（１２２）を通って流れ、前記流動媒体の少なくとも１つの第２の部分が前記中空導体外を流れるように、前記超音波流量センサ（１１０）が構成されている、請求項１または２記載の超音波流量センサ（１１０）。
4. 前記超音波流量センサ（１１０）は少なくとも部分的に差し込み型センサ（１３２）として構成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の超音波流量センサ（１１０）。
5. ウェーブパケットが実質的に主要音波ローブの角度領域内で放射および／または検出されるように、前記超音波トランスデューサー（１１６、１１８）が構成されており、
   前記主要音波ローブ内の音波成分に、放射角度に依存せずに、異なる伝達関数が割り当てられるように、前記超音波流量センサ（１１０）が構成されており、
   一方の超音波トランスデューサー（１１６、１１８）の音波成分が他方の超音波トランスデューサー（１１６、１１８）に導かれ、かつ前記他方の超音波トランスデューサー（１１６、１１８）の音波成分が前記一方の超音波トランスデューサー（１１６、１１８）に導かれるように、前記中空導体（１２２）が構成されており、
   前記放射角度に関して、および前記伝達関数に関して異なっている音波成分が検出される、請求項１から４までのいずれか１項記載の超音波流量センサ（１１０）。
6. 前記第１の超音波トランスデューサー（１１６）と前記第２の超音波トランスデューサー（１１８）は実質的に、前記中空導体（１２２）に対して対称に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の超音波流量センサ（１１０）。
7. 前記中空導体（１２２）は、実質的に、前記流動媒体の主要流動方向（１１４）に対して平行に配向されている少なくとも１つのチャネル部分を含んでいる、請求項１から６までのいずれか１項記載の超音波流量センサ（１１０）。
8. 前記中空導体（１２２）は、当該中空導体（１２２）の軸に対して傾斜して、中空導体（１２２）内に超音波を入力するための少なくとも２つの側方開口部（１２８）を含んでいる、請求項１から７までのいずれか１項記載の超音波流量センサ（１１０）。
9. 前記中空導体（１２２）はさらに、前記開口部（１２８）の領域に、超音波を偏向するための結合部材（１３０）、殊に、湾曲した結合面を有している、請求項８記載の超音波流量センサ（１１０）。
10. 前記中空導体（１２２）内に入力された超音波は、前記中空導体（１２２）内の少なくとも１つの超音波路（１２４）上で、少なくとも３回、有利には少なくとも５回、１つまたは複数の反射面で反射される、請求項１から９までのいずれか１項記載の超音波流量センサ（１１０）。
11. 前記中空導体（１２２）は少なくとも１つの湾曲した反射面（１２０）を含んでいる、請求項１から１０までのいずれか１項記載の超音波流量センサ（１１０）。
12. 前記超音波トランスデューサー（１１６、１１８）は、中空導体（１２２）として作用するまたは中空導体（１２２）を含む、前記流動管（１１２）の測定区間（１３８）内に配置されており、殊に直線状の測定区間（１３８）内に配置されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の超音波流量センサ（１１０）。
13. 前記中空導体（１２２）は少なくとも部分的に、前記流動管（１１２）のバイパス（１４０）内に収容されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の超音波流量センサ（１１０）。

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