JP2018529973A - 超音波フローメータ - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は、流率が決定されるべき流体のためのフローチューブと、少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路と、を備える超音波フロー測定システムに関する。少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路のうちの少なくとも１つは、送信フェーズにおいて、超音波信号を前記流体を通して送信するように構成された超音波送信機を備える。少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路のうちの少なくとも他方は、受信フェーズにおいて、超音波信号を受信するように構成された受信機を備える。システムは、受信フェーズにおいて、超音波受信機から信号を読み出すように構成された少なくとも１つの受信回路と、少なくとも２つの超音波トランスデューサ及び少なくとも１つの受信回路に接続された制御部と、を更に備える。本発明によれば、フロー測定システムは、フローチューブの外側ジャケット上に与えられた超音波減衰層を備える。超音波減衰層は、フローチューブの前記外側ジャケットを取り囲み、超音波送信機及び超音波受信機と接触するように与えられる。フローチューブの材料内の音速は、超音波減衰層内の音速を超える。
【選択図】図１

Description

本発明は、流率が決定されるべき流体のためのフローチューブと、少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路と、を備える超音波フロー測定システムに関する。ここで、少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路の一方は、送信フェーズにおいて、超音波信号を前記流体を通して送信するように構成された超音波送信機を備える。少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路の他方は、受信フェーズにおいて、送信された超音波信号を受信するように構成された超音波受信機を備える。

先行技術の超音波フローメータでは、フローチューブのジャケットの側面に配置された超音波送信機を備えるフローチューブが使われる。この超音波送信機は、フローチューブの長軸に対してある角度で超音波を送信するように構成される。また超音波を受信するための受信機が、反対側のフローチューブ下流に与えられる。フローチューブ内の流速を決定するために、超音波がフローチューブを通過して伝播するのに要する時間が使われる。特にフローチューブの直径、超音波が伝播する角度及び流速を用いて、時間差が決定される。これらのフローメータのサイズが縮小された場合、時間差は非常に小さいもの、すなわちピコ秒（１０−１２ｓ）のオーダとなるだろう。こうした時間差を測定するためには、非常に高い、すなわちギガヘルツ（ＧＨｚ）オーダの周波数が要求される。流体がしばしばこうした高周波数を減衰させるという事実が欠点となる。

米国特許６，０５５，８６８に、２つのリング状の発振回路が与えられたフローチューブを備えるフローメータが開示されている。これらの発振回路は、一方が超音波（この波は他方の発振回路により検知される）を発信するための励起状態になることと、非励起状態になることとを交互に繰り返す。こうして、超音波が上流側に伝播するのに要する時間と、新たな超音波が下流側に伝播するのに要する時間とが、これら２つの間の時間差とともに、フローチューブ内の流速を決定するために使われる。この既知のフローメータの欠点は、比較的小さなフローに適さないという点である。なぜならフローが小さいと、信号対雑音比が最適化されないからである。

以上のことから、本発明の目的は、比較的小さなフローにも使うことのできる、改良された超音波フローセンサを与えることである。

この課題を解決するために、本発明は、前述の種類の超音波フロー測定システムを提供する。この超音波フロー測定システムは、少なくとも１つの受信回路と、制御部と、を備える。受信回路は、受信フェーズにおいて、超音波受信機から信号を読み出すように構成される。制御部は、少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路と、少なくとも１つの受信回路と、に接続される。超音波トランスデューサ回路は、フローチューブの外側に与えられる。従ってフローチューブの内部は、超音波トランスデューサ回路を含まない。本発明では、超音波減衰層がフローチューブの外側ジャケット上に与えられる。超音波減衰層は、フローチューブの外側ジャケットを実質的に取り囲み、超音波送信機及び超音波受信機と接触するように与えられる。超音波減衰層及びフローチューブの材料は、フローチューブの材料内の音速が、超音波減衰層の材料内の音速を実質的に超えるように選択される。

本発明によれば、受信機の位置で、改善された信号対雑音比が得られることが分かった。理論的に拘束されることを望まないならば、この驚くべき効果に関する可能な説明が、以下で例示のみを用いてなされるだろう。

フローチューブと接触した送信機、例えばリング状の発振回路の形態を取る送信機を使うことにより、フローチューブの長手方向に平行に超音波が伝播する。この場合超音波は、少なくとも部分的にはチューブ流体表面上を伝播する。送信機と受信機との間で波が伝わった距離は、チューブの直径とは独立である。これは、フローメータを比較的小さいサイズで設計できることを意味する。更に、送信機と受信機との間の距離を十分大きく取るように設計することにより、流率を決定することが可能な測定時間を得ることができる。

本発明に係るフローチューブでは、主にショルテ波が生成される。これらのショルテ波は、固体（フローチューブ）と流体（測定対象の流体であり、液体又は気体であってよい）との界面上の表面波である。前記ショルテ波は、フローが決定されるべき媒体のフローの影響を受ける。しかしながら、超音波が生成されている部分は、ショルテ波の影響を受けず、フローチューブの固体材料内を完全に伝播するだろう。この波は、受信機の位置で、所望の信号に対して擾乱を与える。更にこの波は、流体と相互作用する波よりも速く伝播する。

フローチューブの外側ジャケット並びに超音波送信機及び受信機と接触する超音波減衰層を使用し、超音波減衰層及びフローチューブを「フローチューブの材料内の音速が、減衰層の材料内の音速を実質的に超える」ように設計、構成することにより、測定対象の流体と相互作用しない波の部分が、以下のような影響、すなわち「波の当該部分が受信機に到達することができないか、又は測定に使われるタイムウィンドウから外れて受信機に到達する」ような影響を受ける。この意味で、フローチューブの外側ジャケットと接触する超音波減衰層を使うことにより、ストンレイ波が生成される。こうしたストンレイ波は、固体（フローチューブ）と固体（超音波減衰層）との界面上の表面波である。このように超音波減衰層内の音速がフローチューブの材料内の音速より遅いため、流体と相互作用しない波の部分は、少なくとも以下のような影響、すなわち「これらの波の部分が、流体と相互作用する波に比べて遅く受信機に到達するか、又はまったく到達しない」ような影響を受ける。このことにより、改善された信号対雑音比が得られる。これはフローをよりよく表す。

従って、比較的小さなサイズにも設計することができる、改良された超音波フローセンサが得られたことは明らかである。こうして本発明の目的が達成された。

ある実施形態では、少なくとも送信機はリング状の発振回路である。別の実施形態では、超音波トランスデューサ（送信機及び／又は受信機）はリング状の発振回路である。フローは、フローチューブ全体にわたって測定できることが望ましい。これは、リング状の発振回路によって生成（リング状であるが故に）された超音波（ショルテ波）が、フローチューブの直径の半分をカバーする必要があることを意味する。しかしながら超音波は、半径方向を互いに反対向きにも、すなわちフローチューブから外向き及び内向き（減衰層内に）にも伝わる。和の規則により、超音波トランスデューサを取り囲む減衰層の壁の厚さ（又は半径方向の厚さ）は少なくとも、フローチューブの半径に等しいだけはある。

ある実施形態では、超音波減衰層の壁の半径方向の厚さは、フローチューブの外半径より大きい。特に超音波減衰層の壁の半径方向の厚さは、フローチューブの外直径を超える。

ある実施形態では、超音波減衰層の半径方向の厚さは、フローチューブの外半径と超音波送信機又は超音波受信機の厚さの和より大きい。特に減衰層の壁の厚さは、フローチューブの外直径と超音波送信機又は超音波受信機の厚さの和より大きくてよい。

ある実施形態では、減衰層は、外周方向にフローチューブを完全に取り囲む。特に、超音波トランスデューサ（送信機及び受信機）も減衰層によって取り囲まれ、減衰層は送信機と受信機との間で全体にわたって延びる。

好ましくは超音波送信機は、フローチューブの外側ジャケットと音響的に接触する。例えば、超音波送信機は、フローチューブの外側ジャケットに接続されるか、又は音響伝導層（好ましくは薄い）を介してフローチューブの外側ジャケット上に与えられる。

好ましくは減衰層は、フローチューブの外周全体にわたって延びる。この場合、フローチューブ及び超音波トランスデューサは、超音波減衰層の材料で形成されたより大きな第２のチューブによって取り囲まれているといってよい。この超音波減衰層の材料で形成されたより大きな第２のチューブの内側は、フローチューブの外側ジャケット部分（これは、最も外側に超音波トランスデューサ間で延びている）と完全接触する。

ある実施形態では、超音波フロー測定システムは、ショルテ波の波長に基づいて設計される。ある実施形態では、超音波トランスデューサの内半径に応じて、ショルテ波は１ｍｍと２０ｍｍとの間にある。超音波送信機と超音波受信機との間隔は、典型的にはショルテ波の波長の１０倍と２０倍との間にある。従って送信機と受信機との間隔は、１０ｍｍから４００ｍｍとなる。更にフローチューブの壁の厚さは、ショルテ波の波長の０．１倍と０．５倍との間にあってよい。従ってフローチューブの壁の厚さは、０．１ｍｍと１０ｍｍとの間にあってよい。上記の値により、フローメータは信号対雑音比がよくコンパクトとなる。

更にある実施形態では、フローメータの内直径は、０．１ｍｍと１０ｍｍとの間にあってよい。

ある実施形態では、トランスデューサ間隔（超音波送信機と超音波受信機との長手方向の間隔として定義される）の、フローチューブの内直径に対する比は、１：１と２０００：１の間にある。より具体的には、送信機と受信機との間隔が約４０ｍｍのとき、０．１ｍｍと１０ｍｍとの間にある内直径を用いることにより、上記の比はそれぞれ４００：１及び４：１となる。送信機と受信機との間隔として別の値を用いることにより、別の比が可能となる。

超音波フロー測定システムの使用中に、超音波減衰層の材料内の音速は、流率が決定されるべき流体内の音速を実質的に超える。これと同時に、超音波減衰層の材料内の音速は、フローチューブの材料内の音速より実質的に遅い。この構成により、改善された信号対雑音比が得られる。本発明に係るフロー測定システムでは、ショルテ波とストンレイ波とが組み合わされた波が、フロー測定システム内に存在すると考えられる。すなわち第１のショルテ波が、減衰層とフローチューブの外側ジャケットとの界面に存在する。そして第２のショルテ波が、フローチューブの内側ジャケットと測定対象のフローとの界面に存在する。減衰層の特性の結果生じる第１のショルテ波は、このショルテ波が受信機に到達しないか、又は到達の程度が減少するように、減衰すると考えられる。従って、受信機で受信される信号は、第２のショルテ波をよりよく表している。すなわちこの信号は、測定対象のフローをよりよく表している。こうして信号対雑音比が改善される。

ある実施形態では、フローチューブの材料内の音速は２０００ｍ／ｓより大きく、具体的には２５００ｍ／ｓより大きく、更に具体的には３０００ｍ／ｓと７０００ｍ／ｓとの間にある。

ある実施形態では、超音波減衰層の材料内の音速は１０００ｍ／ｓより大きく、具体的には１５００ｍ／ｓより大きく、更に具体的には、２０００ｍ／ｓと３０００ｍ／ｓとの間にある。

ある実施形態では、フロー測定システムは、１０００ｍ／ｓと２０００ｍ／ｓとの間の音速を持つ流体のフローを測定するように設計される。この場合、超音波減衰層の材料内の音速は２０００ｍ／ｓと３０００ｍ／ｓとの間にあり、フローチューブの材料内の音速は３０００ｍ／ｓより大きい。好ましくはフロー測定システムは、減衰層、フローチューブ及び測定対象の流体の音速が互いに異なっており、例えばその差が５００ｍ／ｓ又は１０００ｍ／ｓであるように設計される。例えばシステムが約１８００ｍ／ｓの音速を持つ流体のために設計される場合、減衰層の音速は約２３００ｍ／ｓ、フローチューブの材料内の音速は約３３００ｍ／ｓであってよい。

ある実施形態では、フローチューブ内の音速と減衰層内の音速との差は同じオーダであってよい。あるいはフローチューブ内の音速と減衰層内の音速との差は、減衰層内の音速と測定対象のフロー内の音速との差と、実質的に等しくてもよい。例えばフローチューブ内の音速が約４５００ｍ／ｓだった場合、減衰層内の音速は約３０００ｍ／ｓであるように設計されてよい。従ってこの場合のフロー測定システムは、１０００ｍ／ｓと２０００ｍ／ｓとの間の音速、より具体的には約１５００ｍ／ｓの音速を持つ媒体に使用するのに適する。

ある実施形態では、超音波送信機及び超音波受信機の各々は超音波トランスデューサである。超音波トランスデューサは、各送信フェーズにおいて、超音波信号を前記流体を通して送信するように構成される。また超音波トランスデューサは、各受信フェーズにおいて、他方の超音波トランスデューサから送信された超音波信号を受信するように構成される。これにより、トランスデューサを、超音波（この波は他方のトランスデューサにより受信される）を放出するための励起状態にすることと、非励起状態にすることとを繰り返すことができる。超音波が上流側に伝播するのに要する時間と、新たな超音波が下流側に伝播するのに要する時間が、これら２つの間の時間差とともに、フローチューブ内の流速及び／又は質量速度を決定するために使われる。この目的のためには、フロー測定システムが多重化回路（「前記少なくとも１つの受信回路を、前記少なくとも２つの超音波トランスデューサのうちの１つに選択的に接続する」ように構成された多重化回路）を備えると有利である。ある実施形態では、前記少なくとも２つのトランスデューサは、交互に前記超音波信号を送信するように構成される。そして前記多重化回路は、交互に、前記少なくとも１つの受信回路の各々を、前記非−送信超音波トランスデューサの１つに接続するように構成される。少なくとも１つの受信回路で発生する時間遅延、時間誤差及び／又は時間オフセットは、逆にフロー測定の精度に影響を与える。フロー測定システムが、「少なくとも１つの受信回路を、前記非−送信トランスデューサの１つに選択的に接続する」ように構成された多重化回路を備える場合、こうした時間遅延、時間誤差及び／又は時間オフセットは補償される、すなわち除去されることができる。

ある実施形態では、減衰層は、エポキシ又はその複合材を備える。超音波減衰層は、硬化エポキシ樹脂、特にビスフェノールＡエポキシ樹脂、ビスフェノールＦエポキシ樹脂、ノボラックエポキシ樹脂、脂肪族エポキシ及びグリシジルアミンエポキシ樹脂を含むグループから選択された硬化エポキシ樹脂で作られてよい。エポキシ樹脂は、単独重合手段を用いて、又はアミン、無水物、フェノール及びチオールを含むグループから選択されたエポキシ硬化剤を用いて硬化されてもよい。ある実施形態では、減衰層は、エポキシ又はその複合材であってよい。そしてフローチューブは、（ステンレス）スチール、テフロン（登録商標）、ＰＥＥＫ、ガラス又はセラミック以外の材料を備えてよい。別の実施形態では、減衰層は、エポキシ又はその複合材以外の任意の材料であってよい。

フローチューブに好適な材料は、（ステンレス）スチールのような金属であってよい。フローチューブのための他の材料として、例えばハステロイ、あるいはテフロン、ＰＥＥＫ、ガラス又はセラミック材料などの非金属も考えられる。ある実施形態では、フローチューブは、（ステンレス）スチール、ハステロイなどの金属、あるいはテフロン、ＰＥＥＫ、ガラス又はセラミック材料などの非金属である。そして減衰層の材料は、エポキシ又はその複合材を含まないものである。

ある実施形態では、減衰層は、「使用中に、減衰層の材料内の音速が、流率が測定されるべき流体内の音速を実質的に越える」ように設計される。

比較的簡単な、すなわち比較的に製造が容易な実施形態では、超音波トランスデューサはピエゾ素子を備える。前記ピエゾ素子は、比較的薄いピエゾフィルムを備えてよい。代替的に、フッ化ビニリデン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ）又はｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ（ＰＶＤＦ）材料が使われてもよい。ＰＶＤＦは非常に強い圧電効果を持ち、特に、材料が振動するよう設定されたときに電圧を発生する場合に好適である。更にＰＺＴ素子、すなわち送信機及び／又は受信機として機能し得るセラミック結晶を使うことも考えられる。

本発明のある実施形態では、前述のように、フローチューブ、超音波送信機及び超音波受信機のアセンブリ、並びに超音波トランスデューサ回路の少なくとも一部は、エポキシ又はその複合材の中で完全に型取られる。こうして、改良された超音波フローメータを、比較的に簡単かつ低コストな方法で与えることができる。前述のアセンブリが、空洞のチューブの型の内部に挿入されてよい。その後、硬化していないエポキシ又はその複合材が、アセンブリとチューブの型の内側ジャケットとの間に注入されてよい。硬化後、チューブの型が除去されてよい。

ある実施形態では、超音波トランスデューサ（超音波送信機及び受信機）が、フローチューブを少なくとも実質的に完全に取り囲む形態で与えられる。こうして、実質的に軸対称な信号が得られる。これにより、フローが完全に一様でない場合も、本質的にフローの平均値が決定されるだろう。

ある実施形態では、フローチューブ内の実質的に一様なフローに効果を与えるために、フローチューブは直線チューブである。

ある態様では、本発明は、本発明に係る超音波フロー計測システムを製造する方法を与える。本方法は、前述のフローチューブ、超音波トランスデューサ回路、超音波送信機及び超音波受信機のアセンブリを与えるステップを備える。本方法は、超音波減衰層を与えるステップを更に備える。ここで超音波減衰層の材料特性は、フローチューブの材料内の音速が、超音波減衰層の材料内の音速を実質的に超えるようなものである。本発明によれば、前記超音波減衰層は、フローチューブの外側ジャケット上に与えられる。このとき、前記超音波減衰層は、フローチューブの外側ジャケットを実質的に取り囲み、超音波送信機及び超音波受信機並びに超音波トランスデューサ回路の少なくとも一部と音響的に接触する。こうして、本発明に係るフロー計測システムを、比較的迅速かつ簡単な方法で製造することができる。

ある実施形態では、本方法は、超音波減衰層としてエポキシ樹脂、特にビスフェノールＡエポキシ樹脂、ビスフェノールＦエポキシ樹脂、ノボラックエポキシ樹脂、脂肪族エポキシ及びグリシジルアミンエポキシ樹脂を含むグループから選択されたエポキシ樹脂を与えるステップを備える。本方法は、前記エポキシ樹脂を硬化するステップを更に備える。

エポキシ樹脂は、熱硬化手段を用いて硬化されてよい。

エポキシ樹脂は、単独重合手段を用いて、又はアミン、無水物、フェノール及びチオールを含むグループから選択されたエポキシ硬化剤を用いて硬化されてもよい。

ある実施形態では、フローチューブ、超音波トランスデューサ回路、超音波送信機及び超音波受信機が、型の内部に配置される。その後液体状の減衰層材料が、型の内部に与えられる。例えば空洞のチューブの型が型として与えられ、その内部にアセンブリが配置され、チューブの外側端部が密閉されてよい。その後硬化していないエポキシ樹脂が、アセンブリ及び型の内部ジャケットと接触するように、型の内部に注入される。エポキシ樹脂を硬化するために、熱硬化が使用されてよい。最後に、本発明に係るフロー計測システムを得るために、型が除去されてよい。上記の方法は、比較的迅速で簡易かつコスト効果が高い。

以下、添付の図面に示されるいくつかの可能な実施形態を説明することにより、本発明をより詳細に説明する。図面において、
本発明に係るフローメータの第１の実施形態の斜視図である。 本発明に係るフローメータの第２の実施形態の模式的な側面図である。 本発明に係るフローメータの第３の実施形態の模式的な側面図である。 本発明に係るフローメータの第４の実施形態の模式的な側面図である。

図１は、本発明に係るフロー測定システム１の一部の斜視図を示す。フロー測定システム１は、フローが測定されるべき媒体のためのフローチューブ２を備える。フローチューブは外側ジャケット３を有する。フローチューブ２は、入口Ａと出口Ｂとを与えられる。好ましくはフローチューブ２は、長手方向Ｌに延びる細長い直線チューブ２である。

フローチューブの外側で、第１の発振回路１１ａがフローチューブ２の外側ジャケット３上に与えられる。図示された実施形態では、第１の発振回路１１ａはリング状であり、チューブ２の外周を完全に取り囲む形態で与えられる。第１の発振回路１１ａは、音響伝導層２１を介してフローチューブの外側ジャケット３と音響的に接触する。音響伝導層２１は、発振回路１１ａをジャケット３に固定するために使われる硬化性樹脂として与えられてよい。同様に第２の発振回路１１ｂが、音響伝導層２２を介してフローチューブ２の外側ジャケット３と接触して、長手方向に第１の発振回路１１ａと間隔をあけて上流側に与えられる。第３の発振回路１１ｃが、音響伝導層２３を介してフローチューブ２の外側ジャケット３と同様に接触して、長手方向に第１の発振回路１１ａと間隔をあけて下流側に与えられる。

発振回路１１ａ−１１ｃの各々は、それぞれ超音波回路３１、３２、３３（後述するように、これらは超音波トランスデューサ回路又は受信回路であってよい）の一部である。図示された実施形態では、超音波回路３１、３２、３３は、フロー測定システム１を（特に超音波トランスデューサ（送信機及び／又は受信機）を）制御するための制御部９に接続される。

ある実施形態では、第１の発振回路１１ａは、超音波信号を送信するように構成された超音波送信機である。そして、第２の発振回路１１ｂ及び第３の発振回路１１ｃは、超音波信号を受信するように構成された超音波受信機である。

第１の発振回路１１ａ及び／又は第２の発振回路１１ｂ、及び第３の発振回路１１ｃは、ピエゾ素子として構成されてよい。この場合ピエゾ素子は、ピエゾフィルムを備えてよい。更に受信素子は、ＰＶＤＦ材料を備えるか、又はセラミック結晶であるＰＺＴ素子であることが考えられる。

図示された、フローチューブ２を取り囲む形態で与えられるリング状発振回路１１ａの構成（これは送信素子として機能する）は、フローチューブ２内にいわゆるショルテ波を発生させると考えられる。すなわち表面波が、固体材料（フローチューブ２の内側ジャケット）と流率が決定されるべき流体との界面に発生する。前記ショルテ波は、流率が決定されるべき媒体のフローの影響を受ける。超音波が生成されている部分はショルテ波ではないかもしれないが、フローチューブ２内の固体材料の内部（例えばフローチューブ２の外側ジャケット３に近い部分）を完全に伝播する。この波は、流率が測定されるべきフローに関する情報を含んでおらず、実際には測定対象の信号を擾乱させる。

この擾乱を防ぐために、本発明に係るフロー測定システム１には、超音波減衰層１３が与えられる。この超音波減衰層１３は明確化のため図１には示されないが、図２から４に示される実施形態で見ることができる。超音波減衰層１３は、フローチューブ２の外側ジャケット３上に与えられ、フローチューブ２の外側ジャケット３を実質的に取り囲み、超音波トランスデューサ１１ａ−１１ｃ及び超音波回路３１、３２、３３の少なくとも一部と接触するように与えられる。フローチューブ２の材料及び超音波減衰層１３の材料は、フローチューブ２の材料内の音速が、超音波減衰層１３の材料内の音速を実質的に超えるように選択される。超音波減衰層１３があることにより、放射され外側ジャケット内を伝播する超音波は、以下のような影響、すなわち「前記波が受信機に到達することができないか、又は測定に使われる時間ウィンドウが経過するまでは到達しない」ような影響を受ける。その結果、信号対雑音比を改善することができる。これはフローをよりよく表す。

層１３の材料は、エポキシ層であってよい。エポキシ層は、「超音波部分を吸収するか、少なくとも超音波の一部に影響して（その方向を変えて）、超音波が受信素子１２に到達しないようにする（あるいは、ショルテ波よりずっと早く到着したり、ショルテ波より大きく遅くれずに到着したりすることがないようにする）」と考えられる。

図２は、ある好ましい実施形態であって、比較的製造が容易なものを示す。この実施形態では、超音波トランスデューサが２つのみ、すなわちリング状送信素子１１とリング状受信素子１２とが使われる。前記送信及び受信素子は、フローチューブ２の外側ジャケット３と音響的に接触する。影響を与える素子１３が、フローチューブのアセンブリと、任意の超音波トランスデューサ（この場合送信素子１１、受信素子１２及び超音波トランスデューサ回路３１、３２の少なくとも一部）と、を完全に取り囲むように与えられる。ある特別な実施形態では、これは、目的に適う材料層内にアセンブリを形成することによって実現することができる。このアセンブリは、超音波の一部に影響して、この波が関連する時間ウィンドウから外れて受信素子に到達するように設計される。好適な材料は、例えばエポキシやその複合材である。フローチューブに好適な材料は、（ステンレス）スチールのような金属であってよい。前述のように、他の材料、例えばハステロイ、あるいはテフロン、ＰＥＥＫ、ガラス又はセラミック材料などの非金属も考えられる。

図３は、別の好ましい実施形態を示す。図３は、超音波トランスデューサ回路３１、３２、３３に接続された制御部９を備えるセンサ装置１を示す。超音波トランスデューサ回路３１、３２、３３は、１つのリング状送信素子１１、及びリング状送信素子１１からそれぞれ上流側及び下流側に配置される２つのリング状受信素子１２ａ、１２ｂ、の形態を取る超音波トランスデューサを有する。送信素子１１及び受信素子１２ａ、１２ｂは、フローチューブの外側ジャケットと音響的に接触する。減衰層１３が、フローチューブ２のアセンブリとトランスデューサ（図２を参照して上記で説明したように、送信素子１１及び受信素子１２ａ、１２ｂ及び超音波トランスデューサ回路３１、３２の少なくとも一部を含む）とを取り囲む。このような実施形態により、正確な測定を実現することができる。

この実施形態は、以下のような場合、すなわち、超音波送信機１１及び超音波受信機１２ａ、１２ｂの各々が、送信フェーズにおいては超音波信号を前記流体を通して送信し、受信フェーブにおいては送信された信号を他の超音波トランスデューサから受信するように構成された超音波トランスデューサであるような場合、更に有利である。制御部９は、超音波トランスデューサの各々を送信フェーズと受信フェーズとの間で交替させるように利用されてよい。この意味で、超音波トランスデューサ１１、１２ａ、１２ｂの１つは送信機として機能し、他の２つのトランスデューサは受信機として機能する。その後、別の１つが送信機となるように選択され、残りの２つのトランスデューサが受信機となるように設定される。その結果、異なる仕方で測定を行うことができ、測定精度が増す。

図４は別の実施形態、すなわち、合計４つの超音波トランスデューサ回路３１、３２、３３、３４に接続された制御部９を備えるセンサ装置１を示す。超音波トランスデューサ回路３１、３２、３３、３４は、間隔をあけて配置される２つのリング状送信素子１１ａ、１１ｂと、それらの間に配置される２つのリング状受信素子１２ａ、１２ｂと、を備える。減衰層１３が、チューブのアセンブリと送信及び受信素子１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ（超音波トランスデューサ回路の少なくとも一部を含む）を取り囲む。このような実施形態では、上流及び下流の測定が別個に可能である。従って、異なる測定を組み合わせることができる。この点、送信及び受信素子が事前に交換され、結果として受信素子がそれぞれ上流及び下流の最遠方に配置されることも考えられる。図３で示されたように、例えば制御部９を用いて送信機及び受信機の使用中の切り替えを実現することにより、このような交換を制御された仕方で実行することもできる。その結果、異なる仕方で測定を行うことができ、測定精度が増す。

測定は、２つのパラメータを取得するために行われる。第１のパラメータは、上流の測定と下流の測定との間の時間差である。第２のパラメータは、超音波の伝播率である。更に、ここで測定されるものは液体中の音速ではない点に注意されたい。測定される伝播率が流体速度に関係付けられる。

更に上流測定と下流測定とは、互いに相関付けられてもよい。それらの結果から時間差を決定することができ、それに基づいて更なるフローの測定値を決定することができる。こうした波面間の相関自体は、一般的な信号処理分野の当業者にとって既知である。

当業者は、上記で本発明の好ましい実施形態を参照して本発明が説明されたことを理解するだろう。しかしながら本発明はこれらの実施形態に限定されない。

例えば、追加的な送信及び／又は受信素子が与えられることが考えられる。長手方向に間隔をあけて配置される２つの送信素子と、それらの間に配置される１つの受信素子を備える実施形態を使うことが考えられる。更に、長手方向に間隔をあけて配置される２つの受信素子と、それらの間に配置される１つの送信素子を備える実施形態を使うことが考えられる。当然、送信機及び／又は受信機を含む追加的な超音波回路を使うことも考えられる。この場合、好ましくは、減衰層が追加的な送信機及び／又は受信機を取り囲む。

このように、本発明の範囲内での種々の変形が考えられる。求められる保護範囲は、添付の請求項によって定められる。

Claims (17)

1. 流率が決定されるべき流体のためのフローチューブと、少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路と、少なくとも１つの受信回路と、制御部と、を備え、
   前記少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路は、前記フローチューブの外側に与えられ、
   前記少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路の少なくとも１つは、送信フェーズにおいて、超音波信号を前記流体を通して送信するように構成された超音波送信機を備え、
   前記少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路の他方は、受信フェーズにおいて、送信された超音波信号を受信するように構成された超音波受信機を備え、
   前記少なくとも１つの受信回路は、前記受信フェーズにおいて、前記超音波受信機から信号を読み出すように構成され、
   前記制御部は、前記少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路と、前記少なくとも１つの受信回路と、に接続され、
   前記フローチューブの外側ジャケット上に与えられる超音波減衰層を更に備え、
   前記超音波減衰層は、前記フローチューブの前記外側ジャケットを取り囲むように与えられ、
   前記超音波減衰層は、前記超音波送信機及び前記超音波受信機と接触し、
   前記フローチューブの材料内の音速は、前記超音波減衰層の材料内の音速を超える、
   超音波フロー測定システム。
2. 前記超音波送信機は、リング状の発振回路を備え、
   前記リング状の発振回路は、前記フローチューブの前記外側ジャケットと音響的に接触する、
   請求項１に記載の超音波フロー測定システム。
3. 使用中に、前記超音波減衰層の材料内の音速は、流率が決定されるべき流体内の音速を超える、
   請求項１又は２に記載の超音波フロー測定システム。
4. トランスデューサ間隔の、フローチューブの外直径に対する比は、１：１と２０００：１の間にあり、より具体的には４：１と４００：１の間にあり、
   前記トランスデューサ間隔は、前記超音波送信機と前記超音波受信機との長手方向の間隔として定義される、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波フロー測定システム。
5. 前記超音波送信機及び超音波受信機の各々は、超音波トランスデューサであり、
   前記超音波トランスデューサは、送信フェーズにおいて、超音波信号を前記流体を通して送信するように構成され、
   前記超音波トランスデューサは、受信フェーズにおいて、他方の超音波トランスデューサから送信された超音波信号を受信するように構成される、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波フロー測定システム。
6. 前記フローチューブの材料内の音速は、２０００ｍ／ｓより大きく、具体的には２５００ｍ／ｓより大きく、更に具体的には３０００ｍ／ｓと７０００ｍ／ｓとの間にある、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波フロー測定システム。
7. 前記超音波減衰層の材料内の音速は１０００ｍ／ｓより大きく、具体的には１５００ｍ／ｓより大きく、更に具体的には、２０００ｍ／ｓと３０００ｍ／ｓとの間にある、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波フロー測定システム。
8. 前記超音波減衰層の壁の半径方向の厚さは、前記フローチューブの外半径より大きく、
   特に前記超音波減衰層の壁の半径方向の厚さは、前記フローチューブの外直径を超える、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の超音波フロー測定システム。
9. 前記超音波減衰層の半径方向の厚さは、前記フローチューブの外半径と前記超音波送信機又は前記超音波受信機の半径方向の厚さの和より大きく、
   特に前記減衰層の壁の厚さは、前記フローチューブの外直径と前記超音波送信機又は前記超音波受信機の厚さの和より大きい、
   請求項８に記載の超音波フロー測定システム。
10. 前記超音波減衰層は、硬化エポキシ樹脂、特にビスフェノールＡエポキシ樹脂、ビスフェノールＦエポキシ樹脂、ノボラックエポキシ樹脂、脂肪族エポキシ及びグリシジルアミンエポキシ樹脂を含むグループから選択された硬化エポキシ樹脂で作られる、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の超音波フロー測定システム。
11. 前記エポキシ樹脂は、単独重合手段を用いて、又はアミン、無水物、フェノール及びチオールを含むグループから選択されたエポキシ硬化剤を用いて硬化される、
    請求項９に記載の超音波フロー測定システム。
12. 前記フローチューブ、前記超音波送信機及び前記超音波送信機のアセンブリ、並びに前記超音波トランスデューサ回路の少なくとも一部は、エポキシ又はその複合材の中で完全に型取られる、
    請求項１０又は１１に記載の超音波フロー測定システム。
13. 前記エポキシ樹脂は熱硬化手段を用いて硬化される、
    請求項９から１１のいずれか一項に記載の超音波フロー測定システム。
14. 請求項１に記載の超音波フロー測定システムを製造する方法であって、
    前記フローチューブ、前記超音波トランスデューサ回路、前記超音波送信機及び前記超音波受信機のアセンブリを与えるステップを備え、
    超音波減衰層を与えるステップを更に備え、
    前記フローチューブの材料内の音速は、前記超音波減衰層の材料内の音速を超え、
    前記超音波減衰層は、前記フローチューブの外側ジャケット上に与えられ、
    前記超音波減衰層は、前記フローチューブの外側ジャケットを取り囲み、
    前記超音波減衰層は、前記超音波送信機及び前記超音波受信機、並びに前記超音波トランスデューサ回路の少なくとも一部と接触する、
    方法。
15. 前記超音波減衰層としてエポキシ樹脂、特にビスフェノールＡエポキシ樹脂、ビスフェノールＦエポキシ樹脂、ノボラックエポキシ樹脂、脂肪族エポキシ及びグリシジルアミンエポキシ樹脂を含むグループから選択されたエポキシ樹脂を与えるステップを更に備え、
    前記エポキシ樹脂を硬化するステップを更に備える、
    請求項１４に記載の方法。
16. エポキシ樹脂は、熱硬化手段を用いて硬化される、
    請求項１５に記載の方法。
17. 前記エポキシ樹脂は、単独重合手段を用いて、又はアミン、無水物、フェノール及びチオールを含むグループから選択されたエポキシ硬化剤を用いて硬化される、
    請求項１５又は１６に記載の方法。

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