JP2023532171A - 音響共振法を用いた物品における構造的変化の検出 - Google Patents

音響共振法を用いた物品における構造的変化の検出 Download PDF

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Abstract

流体を通すために開放されその後閉じられるバルブなどの、セットポイントから離れて配置されて元の位置に戻される必要がある内部のまたは外部の構成要素を有する任意の機械装置または構造に適用できる音響共振法を用いた装置および方法であって、元の位置からの逸脱の測定を非侵襲的に提供するための、かつ、異なる流体または材料で満たされた密閉容器などの、外側から同一に見えるが外側または内側でわずかに相違し得る複数の対象物を分類または一緒のグループにするための、装置および方法が、記載されている。

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０２０年４月２４日に出願された米国仮特許出願第６３／０１５，２８３号「超音波共振によるバルブにおける漏れ検出」の利益を主張し、本願の開示内容の全体は、それが開示および教示することすべてについて本明細書において参照することによって本明細書に明確に組み込まれる。
セットポイントから離れて配置されかつ後で元の位置に戻される必要がある内部のまたは外部の構成要素を有する機械装置または機械的な構造は一般的であり、製造または偽造による既知の物品からの逸脱や変化という状況も同様である。前者の状況の例として、天然ガスまたは他の可燃性媒体などの揮発性のガス、あるいは腐食性のまたは反応性の流体を制御するバルブが、漏れが発生したときに安全性に大きな影響を与え得る。
バルブ漏れの焦点は、一般的に、高価な製品の損失を減らすこと、または環境汚染を軽減することであるけれども、産業プロセスにおける漏れを考えると、上記製品は高価なものでも危険なものでもないことが多く、水が一例である。実際問題として、少量のバルブ漏れが、ほとんどの制御の適応において許容される一方で、シャットオフバルブについては、最小量の望ましくない処理媒体の漏れが、深刻な損害を引き起こす場合がある。弁座部の漏れを監視するために、流量計が使用されることが多いが、あまり信頼できるものではなく、バルブの不適切な着座による小さな漏れを検出することができない。
実際に、歴史上最大の産業災害が、不完全な水バルブのために発生したと考えられる。１９８４年インドのボパールで起きたボパールガスの惨事（Bhopal gas tragedy）では、何千もの人々が亡くなった。この惨事は、定期的なメンテナンスを行わなかった結果、４０トンの毒性のイソシアン酸メチルを収容するタンクの中へ１トンの水が流れ込んだときに起きた。発熱性の高い反応により、二酸化炭素の生成を通じてタンクが加圧され、未反応のイソシアン酸メチルが、プラントの中へおよび周囲の町の至る所に放出された。別の良く知られた災害は、２０１０年のＢＰディープウォーター・ホライズン原油流出（BP Deepwater Horizon oil spill）であり、原油およびガスの流れを止める働きをする２つのバルブの故障の結果であるとも考えられる。
安全性に対する懸念に加えて、バルブ漏れは、エネルギの浪費および他の動作時の損失を引き起こし得る。例えば、そのような漏れは、空気駆動工具が効率的に機能しないという結果をもたらすシステム圧力の降下を引き起こし、それによって生産に悪い影響を与え得る。もし流体が、発電所においてエネルギを送るのに使用されれば、エネルギは、漏れを通じて大気中に散逸し、毎年かなりのエネルギを無駄にし得る。
本発明の目的に従って、本明細書中において具現化および広範囲に記載されるように、バルブが閉じた状態にあるときに弁座部を通じて流体が漏れているかどうかを判定するための装置の実施形態は、これに関しては、弁座部と、上記弁座部と共に流体シールを形成するためのディスクまたはプラグと、上記弁座部に対して上記ディスクまたはプラグを駆動させるためのステムと、外面を有するバルブ本体と、を備えるバルブと、上記バルブの上記外面と振動接触するように（in vibrational contact with）配置された音響送信トランスデューサであって、選択された電圧信号よって励起されたときに上記バルブ本体において振動を生成するための音響送信トランスデューサと、上記バルブの上記外面と振動接触するように配置された音響受信部であって、上記バルブ本体において誘導された振動を受けてかつ受けた上記振動を電圧に変換するための音響受信部と、上記音響送信トランスデューサと電気通信する周波数掃引生成部であって、選択された周波数範囲内に周波数を有する選択された励起電圧信号を生成するための周波数掃引生成部と、上記周波数掃引生成部によって生成された上記選択された周波数範囲内の上記周波数をトラッキングする中心周波数を有し、かつ選択された周波数帯域幅を有する狭帯域バンドパストラッキングフィルタであって、上記音響受信部から電圧を受けかつ上記電圧をフィルタリングするための、狭帯域バンドパストラッキングフィルタと、上記周波数掃引生成部および上記狭帯域バンドパストラッキングフィルタを制御するための、上記狭帯域バンドパストラッキングフィルタからの上記フィルタリングされた電圧を保存するための、閉じた状態において上記バルブの少なくとも２つの音響共振スペクトルを生成するための、かつそれらの間に違いがあるかどうかを判定するために少なくとも２つの生成された上記音響共振スペクトルを比較するための、マイクロコントローラと、を含む。
本発明の別の態様において、本発明の目的に従って、本明細書中において具現化および広範囲に記載されるように、バルブが閉じた状態にあるときに前記バルブの弁座部を通じて流体が漏れているかどうかを判定するための方法の実施形態は、これに関しては、弁座部と、上記弁座部と共に流体シールを形成するためのディスクまたはプラグと、上記弁座部に対して上記ディスクまたはプラグを駆動させるためのステムと、外面を有するバルブ本体と、を備える上記バルブにおいて、上記バルブの上記外面と振動接触するように配置されかつ周波数掃引生成部によって駆動される音響送信トランスデューサから、選択された周波数範囲内の選択された周波数を有する振動を生成するステップと、上記バルブの上記外面と振動接触するように配置された音響受信部を使用して、上記バルブ本体において誘導された共振振動を受け、かつ受けた上記振動を電圧に変換するステップと、上記電圧を受け、かつ選択された励起周波数を上記選択された周波数範囲内においてトラッキングする中心周波数を有する狭帯域バンドパストラッキングフィルタを使用して、上記電圧をフィルタリングするステップと、上記フィルタリングした電圧を保存し、それによって上記バルブの音響共振スペクトルが生成されかつ保存される、ステップと、上記バルブの上記生成された音響共振スペクトルを、上記バルブに対して閉じた状態で得られた少なくとも１つの他の音響共振スペクトルと比較するステップと、生成された上記音響共振スペクトルと少なくとも１つの上記他の音響共振スペクトルとの間に違いがあるかどうかを判定するステップと、を含む。
本発明のさらに別の態様において、本発明の目的に従って、本明細書中において具現化および広範囲に記載されるように、他の容器と外見が類似するかまたは同一である容器が、それに類似するかまたは同一であるかどうか、そしてそれと類似の流体を収容しているかどうかを判定するための方法の実施形態は、これに関しては、上記容器において、上記容器の外面と振動伝達されるように（in vibrational communication with）配置されかつ周波数掃引生成部によって駆動される音響送信トランスデューサから、選択された周波数範囲内の選択された周波数を有する振動を生成するステップと、上記容器の上記外面と振動伝達されるように配置された音響受信部を使用して、上記容器において誘導された共振振動を受け、かつ受けた上記振動を電圧に変換するステップと、上記電圧を受け、かつ選択された励起周波数を上記選択された周波数範囲内においてトラッキングする中心周波数を有する狭帯域バンドパストラッキングフィルタを使用して、上記電圧をフィルタリングするステップと、フィルタリングした上記電圧を保存し、それによって上記容器の音響共振スペクトルが生成される、ステップと、上記容器の生成された上記音響共振スペクトルを、上記他の容器に対して得られた少なくとも１つの他の音響共振スペクトルと比較するステップと、生成された上記音響共振スペクトルと少なくとも１つの上記他の音響共振スペクトルとの間に違いがあるかどうかを判定するステップと、を含む。
本発明のさらに別の態様において、本発明の目的に従って、本明細書中において具現化および広範囲に記載されるように、カバーフランジと、ボルトおよびナットまたはクランプによって固定されたパイプに取り付けられたフランジとを備えた、容器の中の流体にアクセスするためのシールフランジの締付け具合を判定するための方法の実施形態は、これに関しては、上記シールフランジと、上記ナットおよびボルトまたは上記クランプと、上記パイプと、上記容器とにおいて、上記パイプまたは上記容器の外面と振動伝達されるように配置されかつ音響周波数掃引生成部によって駆動される音響送信トランスデューサを使用して、選択された周波数範囲内において選択された周波数を有する振動を生成するステップと、上記パイプまたは上記容器の上記外面と振動接触するように配置された音響受信部を使用して、上記シールフランジ、上記ナットおよびボルトまたは上記クランプ、上記パイプ、および上記容器において誘導されかつ結合された共振振動を受け、かつ受けた上記振動を電圧に変換するステップと、上記電圧を受け、かつ前記電圧を、選択された励起周波数を上記選択された周波数範囲内においてトラッキングする中心周波数を有する狭帯域バンドパストラッキングフィルタを使用して、フィルタリングするステップと、フィルタリングした上記電圧を保存し、それによって上記シールフランジ、上記ナットおよびボルトまたは上記クランプ、上記パイプ、および上記容器の組み合わせの音響共振スペクトルが生成される、ステップと、上記シールフランジ、上記ナットおよびボルトまたは上記クランプ、上記パイプ、および上記容器の組み合わせの上記周波数範囲を含む上記生成された音響共振スペクトルを、上記シールフランジ、上記ナットおよびボルトまたは上記クランプ、上記パイプ、および上記容器の組み合わせに対して得られた少なくとも１つの他の音響共振スペクトルと比較するステップと、生成された上記音響共振スペクトルと少なくとも１つの上記他の音響共振スペクトルとの間に違いがあるかどうかを判定するステップと、を含む。
本発明の恩恵および利点には、限定されないが、流体を通すために開かれその後閉じられるバルブなど、セットポイント（set point）から離れて配置されて元の位置に戻される必要がある内部のまたは外部の構成要素を有する任意の機械装置または構造に適用できる音響共振法（acoustic resonance spectroscopy）を用いた装置および方法であって、元の位置からの逸脱の測定を非侵襲的に提供するための、かつ、異なる流体または材料で満たされた密閉容器などの、外側から同一に見えるが外側または内側でわずかに相違し得る複数の対象物を分類または一緒のグループにする（grouping together）ための、装置および方法を提供することが、含まれる。
添付の図面は、明細書に組み込まれかつ明細書の一部を形成するが、本発明の実施形態を例示し、かつ、明細書の記載とともに、本発明の原理を説明するのに役立つ。
図１Ａは、閉じてはいるが不完全に着座したシャットオフバルブ、および本発明の方法の実施形態を説明するのに使用される装置の実施形態の概略断面図であり、電圧信号によって励起されたときにバルブにおいて振動を生成するための広帯域超音波送信トランスデューサ、およびバルブにおいて誘導された振動を受けかつそのような信号を電圧に変換するための同一の広帯域超音波受信トランスデューサを例示する。図１Ｂは、図１Ａにおいて例示される適切に閉じてシールされたシャットオフバルブの概略断面図である。 図２Ａは、サンプル共振スペクトルのグラフ図であり、適切に着座しているバルブの基準共振スペクトルの状態であり、縦の実線が、共振特性の中心を示している。 図２Ｂは、図２Ａの共振位置からランダムにシフトする共振スペクトル（縦の破線）のグラフ図であり、不十分に着座しているバルブの測定された共振スペクトルの状態である。 図３Ａは、共振スペクトルの繰り返し性を示すグラフであって、ゲートバルブ上にトランスデューサを除去および配置することによって取られた１０組のデータセットが基準テンプレートを得るために重ね合わされる場合において、共振ピーク位置が同じままである一方で振幅が変化し得ることを示すグラフである。 図３Ｂは、完全に閉じられた２インチゲートバルブの例示的な共振スペクトル（（ａ）実線）（違いを強調するためのより大きな周波数範囲の小さな部分（section））と、バルブが充分に着座されておらず小さな漏れを引き起こすときの例示的な共振スペクトル（（ｂ）破線）とを示すグラフである。 図４は、バーコードの形態に変換された共振周波数スペクトルであって、適切に着座したバルブの図３Ｂ（ａ）から得られる共振周波数スペクトルを示す。 図５Ａは、ピークの位置が縦線（基準スペクトル）で示されている、バーコードの形態に変換された、周囲圧力での円筒状の鋼製容器の共振周波数スペクトラムを示す。 図５Ｂは、容器の内部の圧力が高められたときの、図５Ａにおける容器に対して得られた共振スペクトルであり、上記周波数スペクトルがより高い周波数に向かってシフトされることを示す。 図５Ｃは、より高い圧力でのスペクトルにマッチング（一致）させるために基準スペクトルを周波数に関して数学的にシフトさせることによって得られるような図５Ａおよび図５Ｂからのスペクトルのパターンマッチングを示すグラフであり、ピークが、高められた圧力のために観察された周波数のシフトに相当する。 図６は、円筒状容器の内圧の関数として、図５Ｃに記載されたような全体のスペクトルの周波数に関するシフトを示し、示されている圧力の範囲に対して、圧力がどのようにして全体のスペクトルを線形にシフトさせるかを示す。
手短に言うと、本発明の装置の実施形態、広帯域送信トランスデューサ、および広帯域受信トランスデューサは、選択された状態からのまたは選択された基準物品からの構造的変化が調査されることになっている物品または対象物の外面と音響接触するように（in acoustic contact with）配置される。これらトランスデューサは、互いに近づけてはいるが接触させずに配置されるか、あるいはさらに離して配置され得る。配置は重要ではなく、永久的に取り付ける場合には、エポキシ樹脂または他の接着剤が使用され得る。周波数掃引生成部は、マイクロコントローラによって制御され、電力増幅器を通じて周波数が変化する電圧信号を、上記送信トランスデューサに送る。電力増幅器も、上記トランスデューサへの効率的なエネルギ伝達のための電気的なインピーダンス整合を提供する。両方とも同じスペクトルを生成するので、周波数掃引の方向は重要ではない。上記トランスデューサは、周波数掃引生成部によって生成された周波数で振動し、振動が物品の本体に結合される。この励起振動信号が、物品の固有振動モードのいずれかとマッチング（一致）すると、大きな振幅応答が、上記受信トランスデューサによって検出される。上記受信トランスデューサの出力が、増幅され、かつ、選択可能な周波数帯域幅を有する狭帯域バンドパストラッキングフィルタを通過し得る。フィルタリングの後に、信号は、マイクロコントローラによって制御されるＡ／Ｄコンバータによってデジタル化される。マイクロコントローラは、受信した信号の大きさを抽出し、送信元の（source）トランスデューサに印加される周波数の各々でこの大きさを記録する。周波数掃引の最後に、物品の音響共振スペクトルが生成される。
本発明の実施形態は、流体を通すために開かれてその後閉じられるバルブなど、セットポイントから離れて配置されてその後元の位置に戻される必要がある内部のまたは外部の構成要素を有する、元の位置からの逸脱の測定を提供するための任意の機械的装置または構造に適用可能である。それは、フランジの締付け具合（tightness）を判定するために使用することもできる。フランジまたは他の蓋が取り換えられて、ボルトのうちのいくつかが元のトルクで締結されていない場合、共振スペクトルが変化して検出できる。トライクローバークランプなどのクランプが、醸造所、食料産業、製薬産業において一般的であるフランジをシールするのに使用されるときに、類似の状況がある。別の例には、骨に取り付けられる医療用スクリューがある。時折、これらスクリューは緩むが、エックス線ではこのことを示すことはできない。スクリューが骨にしっかりと取り付けられたときには、スクリューが緩んだときと比べて共振の減衰が存在し、共振パターンが変化し得る。金属製のスクリューを励起することができる電磁音響トランスデューサ（ＥＭＡＴ）を使用することができる。同じトランスデューサが、その電気的インピーダンスの変化を通して共振を監視するために使用され得る。
本発明の別の実施形態は、異なる流体または材料で満たされた密閉容器など、外側からは同一であるように見えるが内側に違いを有し得る対象物を、分類または一緒のグループにするために使用できる。ひとたび基準テンプレートスペクトルが各タイプの容器に対して得られれば、調査している容器の中の材料の種類が識別（identified）され得る。したがって、密閉容器内の流体の非侵襲的な識別が、達成され得る。さらに、本発明の実施形態は、偽造されたワクチンバイアルの、承認された製造会社によって製造されたものからの違いなど、製造品目または機械加工品目の公差および均一性を判定するのに使用され得る。
上記したように、本発明の実施形態には、バルブにおける漏れの非侵襲的な検出のための装置および方法が含まれる。何らかの理由でバルブの完全な閉鎖が損なわれると、弁座部を横切る漏れが、バルブの外側で見えなくなる。しかし、容認できない量のプロセス媒体が、バルブを通じて流れ続けるので、この状態におけるバルブに深刻な問題があり得る。他の問題の中では、このような流れが、内部損傷を引き起こし得て、バルブの寿命を縮める。
複雑な対象物は、球や立方体のような単一の振動する塊ではない。むしろ、それは、各々がそれらの個々の共振に寄与する、異なる長さや幅等を有する複数の体積任意の応力または外部の状態の影響は、これらの領域毎に相違する。したがって、バルブは、金属のこれら異なる領域の全ての総体（sum）であると考えられ得る。
任意の固体の対象物は、その振動周波数で励起されれば大きな振幅で振動する多数の固有振動モードを有している。これら振動モードは、周波数の範囲にわたって見たときに、共振スペクトルを構成する。このスペクトルは、対象物の材料の弾性的な性質および幾何学的形状に依存する。対象物が複数の構成要素から構成される場合において、各構成要素がこのスペクトルに寄与する。構成要素が小さいほど、共振周波数は大きくなる。したがって、バルブなどの対象物は、複雑な音響共振スペクトルを生成する。どんな構成要素の変化も、共振スペクトルに反映される。全ての共振振動モードが、同じようにして影響を受けるわけではなく、あるモードは、内部の構成の変化により大きな変化を示し、また、あるモードは、変化をほとんど示さない。したがって、バルブが適切に着座していないとき、共振スペクトルは、漏れ検出の原理に役立つことができる。
流体が通る全てのバルブは、広い範囲の振動周波数（ノイズ）を発し、それは、多くの場合、音響トランスデューサを使用して検出され得る。漏れ雑音の物理的な発生源は、慣性効果が粘性抵抗より優位になる流れの不安定性に起因する、流体における乱流に関連した変化する圧力場である。円筒状の流路における流れの場合、１０００～１０，０００の間のレイノルズ数が、流体において乱流を生じさせ、理想条件のもとでの漏れの検出に対する下限を提供する。乱流混合、衝撃に関連するノイズ、液体におけるキャビテーション、およびバルブ内部における機械的発生源など、バルブを横切る漏れに関連する振動信号に寄与する他のメカニズムが多く存在する。ノイズのこれら後者の発生源は、弁座部のピーニングによる損傷、弁座部に蓄積された沈殿物、またはバルブプラグのスコーリングによって、引き起こされ得る。
流れによって誘起される振動または音の音響検出に基づく、単一の流体を有するバルブにおける高い圧力での内部の漏れの定量化を可能にする市販されている装置がある。測定は、受動的であり、バルブに取り付けられたセンサでもって達成される。漏れが生じたバルブを特定および定量化するために、バルブは、その閉じた状態になければならず、バルブを横切って少なくとも１バールの差圧がなければならない。それから、特定のパラメータが予測方程式に入力されたあと、漏れ率が決定される。測定は、バルブごとに約２分間かかるが、他の流体における近くの圧力差によって妨げられる可能性がある。
実際問題として、漏れを検出する能力に影響する多くの考慮すべき事項があり、例えば、
●小さな漏れに対する漏れ経路は、通常は複雑であり、はるかに激しい乱流という結果になり、したがって、実際の漏れからのノイズが、別に（otherwise）予測されたものよりも多くなる。
●製品の損失が、ただ１つの漏れからではなく、弁座部の周りに分布した複数の漏れから生じ得る。もし、これらが、乱流の臨界点未満であれば、ノイズは発せられない。
●すべての漏れにノイズが含まれている場合、複数の信号はただ１つの漏れ経路とは異なる結果になる。
●発生源におけるノイズのレベルが、センサが実際に検出するものではなく、すなわち、信号が、バルブ本体を通って、センサが外側において取り付けられている場所へと伝わる。
●近くの乱流からの、または通常のプラントノイズおよび振動からのバックグラウンドノイズが、測定位置を重要なものにし得る。
一般的に、産業において制御バルブが使用されている機械および他の器具からの周囲の振動が多く存在する。したがって、任意の検出システムが、そのような周囲の振動に影響されないようにしなければならない。検出された振動がスペクトルを使用して分析される制御バルブに取り付けられた機械において不具合を検出するために、受動的な測定および共振解析が使用されてきた。典型的に、回転部品が、明確な共振特性を引き起こし、本技術は、その検出を可能にする。例えば、緩んだ部品が、回転または強い振動を受けたときにガタガタと音を立てる。
バルブの基準スペクトルを生成するために、スペクトルが記録される前に毎回バルブを開閉することによって、適切に着座されているバルブの複数のスペクトルが得られる。各周波数の平均値が記録され、基準スペクトルは、各ピークの平均位置に置き換えられる。基準スペクトルに寄与する各共振ピークの正確な振幅は、上記受信トランスデューサの位置に応じてわずかに相違する場合があるが、製作公差による無視できる変化を除いては、共振の位置は同じままである。そして、バルブの周波数スペクトルにおける選択された量を超えたこの基準スペクトルからの逸脱は、バルブが完全に閉じられていないことによるものと考えられる。以下で提示されるように、基準スペクトルに対する測定されたスペクトルの近さ、すなわち、周波数の所定の広がりの中、または基準共振スペクトルおよび測定された共振スペクトルの両方に対する周波数ウインドウ内において共通するピークの総数、を判定するために共振周波数を相関させるためのピーク位置相関アルゴリズムが開発された。基準スペクトルとの全体のスペクトルの相互相関のための、一般的に使用される方法論は、記載したように、バルブ上のトランスデューサの位置によって変化し得るピーク振幅に影響を受けやすい。
以下の記載では、主にゲートバルブを議論するが、ボールバルブなどの他のバルブが、同様にこの装置とともに動作し、それはゲートバルブに限定されない。ゲートバルブにおいては、一般的にアクチュエータ（ハンドホイールまたはモータ）に接続されたネジ山付きステムによって、長方形のゲートが、流れる流体の経路に、それに垂直に挿入される。当該ゲートは、このときグランド（gland）によって弁座部をシールする。ゲートバルブは、オン／オフ（完全に閉じるまたは完全に開く）の、スロットル調整を行わないサービス（non-throttling service）のために、主に使用され、圧力が比較的に低いままであるが温度が非常に高い場合がある精錬所および石油化学プラントにおいて一般的に使用される。海洋雰囲気において動作するときに、高い動作圧力、長い開／閉時間、および過酷な環境条件のために、ゲートバルブが上流のオイルおよびガス生産設備において使用される頻度は少ない。
研磨処理手段、キャビテーション、またはフラッシングが、バルブの進行性の浸食を引き起こし得る。この浸食は、バルブの耐用年数にわたる弁座部およびディスクまたはプラグを通じた漏れ、という結果になる。処理流体は、閉じられたバルブを通じて漏れ続ける。
記載したように、実際に、弁座部の少量の漏れが、ほとんどの制御の適用において許容される。対照的に、シャットオフバルブについては、最小量の処理媒質の望ましくない漏れが、深刻な損害を引き起こし得る。毒性がありかつ高い反応性のまたは高い可燃性の媒質の制御されない流れは、望ましくない流れの例である。そのような場合において、プラグの摩耗の兆候が初期の段階で検知されることが重要であり、許容できない量の媒質が閉じたバルブを通って流れるときに、プラントオペレータは、警告されなければならない。
以下において、用語「超音波」は、音響スペクトルの「音波」領域および「超音波」領域の両方を含むことを意味する。さらに、バルブ漏れは、「オフ」の条件または状態に置かれたバルブを通じた流れ、すなわち、バルブのステムを通じた場合とは対照的に弁座部を通じた流れのことを指す。上記したように、そのようなバルブ漏れの重要性は、バルブが何を制御するかに依存する。流体は、気体、液体、またはそれらの組み合わせであり得る。
ここで、本発明の本実施形態を詳細に参照し、これら実施形態の例は、添付の図において示される。図において、類似する構造は、同一の参照符号を使用して特定される。図は、本発明の特定の実施形態を記載する目的で提示され、本発明をそれらに限定することを意図したものではないことが理解される。今、図１Ａには、ゲートバルブ１０の一種である、閉じてはいるが不完全に着座しているシャットオフバルブの概略断面図が示され、本体１２と、ハンドホイール１６およびスルー・ボンネット（through bonnet）１８によって駆動されるステム１４と、ゲート２０と、弁座部２４をシールするためのベアリングフレキシブル要素２２と、を示す。計測用のまたは他の種類のシャットオフバルブにおいて、ディスクまたはプラグが、弁座部２４を閉鎖するために使用される。バルブ本体１２を通る、流体２６、漏れ２８、も示される。対照的に、図１Ｂは、図１Ａに示されたシャットオフバルブであって、適切に閉じられてシールされたシャットオフバルブの概略断面図である。小さな漏れを非侵襲的に検出することは困難である。
共振振動は、バルブ全体にわたって分布するので、電圧信号によって励起されたときにバルブ１０において振動を生成する広帯域音響送信トランスデューサ３０、およびバルブ１０において引き起こされた振動を受けかつそのような信号を電圧に変換するための同一の広帯域音響受信トランスデューサ３２が、本明細書中に記載されている測定を行うために、バルブ本体１２の外側表面３４上の任意の位置に（音響または振動伝達されるように（in acoustic or vibrational communication））取り付けられる。上記トランスデューサは、互いに接触しない限り、並んで配置されてよい。永久的に取り付ける場合には、エポキシ樹脂などの接着材が、使用され得る。もしバルブ１０が磁性材料を含んでいれば、迅速な測定のために、単純に磁気的な結合であれば充分である。送信トランスデューサ３０および受信トランスデューサ３２は、もし圧電トランスデューサが使用されていれば、交替可能である。上記トランスデューサが同一であることが必要とされるわけではなく、異なるトランスデューサ（例えば、例として、磁歪性容量性電磁音響（magnetostrictive, capacitive, electromagnetic acoustic）－ＥＭＡＴトランスデューサ）を使用することもできる。オリンパスＮＤＴからの市販の既製品である、１ＭＨｚ中心周波数の広帯域圧電トランスデューサが、送信部（送信元）と受信部の両方に対して、各々に対して１つ使用されていた。一般的な周波数のスキャンは、約２ｋＨｚ～約１５０ｋＨｚの間にあった。
マイクロコントローラ３８（例えば、アルデュイーノ（Arduino）、ラズベリーパイ、シングルボードコンピュータ、等）によって制御される周波数掃引生成部３６が、パワーアンプ４０を通じて低周波数から高周波数まで線形的に変化する電圧信号を、送信トランスデューサ３０に印加する。アンプ４０は、また、トランスデューサ３０への効果的なエネルギ伝達のための電気的なインピーダンス整合を提供する。印加された電圧信号は、その上、非線形であり、両方の掃引の方向は同じスペクトルを生成するので、周波数掃引の方向が、必要に応じて反対にされ得る。周波数は、選択された周波数範囲を、小さい周波数のステップで段階的に変化させてもよく、当該ステップの大きさは、スペクトル中の望まれる周波数の値の個数によって決定され、トランスデューサ３０は、周波数のステップの各々で振動する。例えば、各周波数は、短い時間（～１ｍｓ）の間に印加され、掃引中に次の値に動かされることが可能であり、１～１０ｋＨｚの間の周波数スキャンは、１０００の周波数のステップを有する。その数が２０００を超えるステップは、任意の選択された周波数掃引の全範囲にわたって適切な周波数分解能を提供することが判明したが、より小さな数でも使用され得る。トランスデューサ３０によって生成された結果生じる振動は、バルブ（または対象物）の本体に結合される。この励起振動信号が対象物（例えば、バルブ）の固有振動モードのいずれかとマッチングすると、大きな振幅応答が、受信トランスデューサ３２によって検出される。
トランスデューサ３２によって受信された信号は、必要に応じて、バッファアンプ４２を使用して、上記受信トランスデューサの出力時に、最初にバッファリングされ、それによって、受信トランスデューサ３２からの小さな信号電圧が、著しい歪みや負荷なしに、シグナルアンプ４４に向けられることができる。アンプ４２は、受信トランスデューサ３２の一部（an integral part of）であり得る。増幅後に、シグナルアンプ４４の出力が、周波数掃引生成部３６によって生成された励起周波数において中心周波数を有しかつ選択可能な周波数帯域を有する狭帯域バンドパストラッキングフィルタ４６を通過する。フィルタ４６は、したがって、各励起周波数に追従し（follow）、それによって、周囲振動からピックアップされた電気的ノイズを低減する。トラッキングフィルタ４６は、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＰＳ）／マイクロコントローラ３８によって上記掃引生成部と同期させられ、例として、ヘテロダインまたはホモダイン技術、あるいはベクトルネットワークアナライザーなどのいくつかの異なる方法で実装できる。フィルタリングに続いて、信号は、マイクロコントローラ３８によっても制御されるＡ／Ｄ（アナログ－デジタル）コンバータ４８によってデジタル化される。１ＭＨｚで動作する１２ビットＡ／Ｄコンバータであれば、この目的のためには十分であるが、本装置の記載された実施形態は、これらの数値に限定はされない。デジタル化されたデータは、さらなる処理の前に、マイクロコントローラ３８のメモリに保存される。
マイクロコントローラ３８は、受信した信号の大きさを抽出し、送信トランスデューサ３０に印加される周波数の各々で、この大きさを記録する。マイクロコントローラ３８は、また、上記ＤＰＳを通じて各周波数において位相シフトも判定することができる。上記位相情報は、共振ピークの正確な位置を判定するために使用でき、共振ピークの振幅が小さいときに複数の状況において役立つ。「位相」とは、送信信号と受信信号との間の位相差を意味し、共振においてゼロの値に設定できる。このとき、簡単なゼロクロッシングアルゴリズム（zero-crossing algorithm）により、ピーク共振周波数の位置を特定できる。周波数掃引の終わりにおいて、一般的には、１０秒未満（＜１０ｓ）で、振幅スペクトルと位相スペクトルとを備えた完全な共振スペクトルが生成される。ほとんどの状況においては振幅スペクトルで十分であるが、測定の頑強性のために、振幅の情報および位相の情報の両方を利用することは有用である。
測定時間が、周囲のノイズの量に応じて短縮され得る。周囲のノイズが大きい程、トラッキングフィルタのための帯域幅を小さくし、掃引により時間をかける（slower sweep times）必要がある。鋭い共振ピークを得るために、掃引により時間をかけることも推奨される。したがって、周囲のノイズが大き過ぎなければ、掃引測定が１秒以内に完了できる。記載したように、ノイズレベルを小さな値に限定し、記録されたノイズを平均することによって、トラッキングフィルタの帯域幅は、周囲のノイズへの耐性を提供し、それによって、９２ｄＢもの高さを持ち得る信号対雑音比を提供する。
安価な市販のマイクロコントローラは、比較および必要な解析を行うための基準テンプレートの波形を保存するのに十分なメモリを有する。上記電子機器とインターフェースすることが可能なコンピュータを使用することが可能である。ＤＳＰの使用により解析のスピードを上げることができる。バルブの解析のあと、結果は、スクリーン５０に表示され、および／またはアラーム５２を作動させるために使用され得る。モータ付きのバルブを駆動する装置（図１Ａおよび１Ｂには図示せず）をハンドホイール１６の代わりに使用してバルブを動作させるためのフィードバックを提供するために、信号出力が使用され得る。例えば、図１Ａおよび１Ｂに示されている装置が不適切な着座を検出すれば、可能であれば、適切な着座が観察されるまでバルブを再調整するために、制御信号が生成でされ得る。
以下でより詳細に議論されるように、流体２６における圧力が、圧力センサ５４によって測定され得る。
記載したように、本発明の実施形態は、隣接するフランジ同士の締付け具合を判定するために使用され得る。ナットおよびボルトのいくつかが元のトルクで締結されないところにフランジまたは他の蓋部が置かれるか、またはトライクローバークランプなどの、醸造所、食料産業、製薬産業において一般的であるシールフランジに使用されるクランプが、適切に閉められていない場合に、システムの音響共振スペクトルが変化して検出され得る。トライクローバークランプが、発酵容器へのアクセスポートを閉じるシールフランジ上に使用される状況においては、バルブについて上記したものと類似の仕方で、音響トランスデューサが、カバーフランジが配置されるフランジに取り付けられたパイプの外面、または上記アクセスパイプが取り付けられる発酵容器の外面に音響伝達されるように（in acoustic communication with）配置される。ここで、上記振動システムは、隣接するフランジ、アクセスパイプ、容器、ならびに、いずれかが使用されるクランプまたはナットおよびボルトの組み合わせを含む。音響トランスデューサは、カバーフランジ上に、または上記パイプに取り付けられたフランジ上にも配置できることが言及されるべきであるが、これは、使用されるボルトまたはクランプと干渉する可能性がある。
異なる流体または材料で満たされる密閉容器のような、外見が類似するかまたは同一であるようにみえるが小さな外見的な違いまたな小さな内部の違いを持ち得る、したがって、容器の１つのグループにおいては互いに類似もしていなければ同一でもない対象物を、分類するかまたは一緒のグループにすることが望まれる状況において、音響トランスデューサは、再度、容器（vessels）また入れ物（containers）の外面と音響伝達されるように配置される。「外見が類似するか同一である」とは、入れ物が製造仕様書の範囲内にあるか、あるいは、製造仕様書の範囲からわずかに逸脱しているかまたは偽造されたものであるけれども、外観上は製造仕様書の範囲内の入れ物に類似するかまたは同一であるように見えることを意味する。上記トランスデューサは、調査している対象物の外面上に、実質的に、どこにでも配置できることが言及されるべきである。ひとたび、基準テンプレートのスペクトルが、各容器の種類に対して得られれば、調査している容器内の材料が特定され得る。したがって、密閉容器の内部の流体の非侵襲的な特定が、達成され得る。さらに、偽造されたワクチンバイアルの、承認された製造業者によって製造されたものからの違い、あるいは偽造の材料で満たされたバイアルまたはシリンジの違い（deviation）のような、製造されたまたは機械加工された品目の公差および均一性が、判定され得る。液体容器には、バイアルおよびシリンジが含まれ得る。
液体ローディング効果が、密度変化による粘度の上昇および周波数シフトの結果として、共振ピークの広がりとして現れることが言及されるべきである。しかし、このシフトは、以下でより詳しく説明される圧力変化の場合のように、スペクトルの全体にわたって一様ではなく、様々なモードによって異なる。そのような場合において上述のバーコードの形態は、半値全幅としての幅情報を含むように変更されてもよく、それによってこれらの線の太さを変える。
バルブとの物理的接触が困難であるかまたは不可能である状況においては、非接触測定を行うことが可能である。例として、必要に応じて、音の平行ビームがバルブ上に投射される音投射（sound projection）を使用して励起が達成可能である間、１０ｍを超え得る距離からの調査のもとで、対象物の振動を監視するために、レーザードップラー振動計が使用され得る。上記測定システムの残りの部分は、図１Ａに示されているものと同じままである。
共振スペクトルは、インパルス励起を使用しても得ることができ、特定の期間にわたって応答をデジタル化することができる。しかし、電子機器は、全体の周波数掃引範囲にわたってノイズを検出するので、周囲の振動に対する大きな耐性が提供されない。適切な共振スペクトルを得るために、十分なスペクトルを取得し、低い周波数共振が平衡に達して適切に記録される時間を確保する（time allowed）必要がある。振動スペクトルは、インパルス励起で記録され得るが、この技術は、周囲の振動が大きくなり得る産業環境において実用的ではない。
信号処理において、一般に使用される規則的な相互相関（regular cross-correlation）は、２つの時系列（任意のデータセットまたはプロット）の類似度であって、一方の系列と他方の系列との相対的なズレ（displacement）の関数としての類似度である。すなわち、未知の曲線が既知の曲線にどの程度マッチングするかを判定することができる。２つのデジタル化された波形の相互相関は、個々の波形要素のたすき掛けと、これら波形の共通の時間間隔にわたるこれらたすき掛け積の和とを含む。相互相関関数は、一方の波形を次第にスライドさせて他方の波形を越させる（progressively sliding one waveform past the other）ことと、各シフトまたは遅れ（lag）に対して、遅れ値（lag value）の関数としての相互相関を得るためにこれらたすき掛け積を足し合わせることとを含む。２つのデジタル化された有限長の波形、ｘiおよびｙi（ｉ＝１、２、・・・、ｎ）が与えられると、相互相関関数は以下によって与えられる。
Figure 2023532171000002
ここで、τは遅延であり、ｍは、上記関数の最大の遅れ値として既知である。上記関数は、波の形状（振幅）に依存する、即ち、ピークの位置は、最適なマッチングを見つけるための振幅ほど重要ではない。もし曲線同士が似ていれば、上記相関関数は１であり、一方で、それらが全く似ていなければ、上記相関係数は０である。
バルブの共振特性に対応する振幅は、例として、環境的要因、長期間の使用、およびバルブ上のトランスデューサの位置により変わり得るので、規則的な相互相関は、共振ピーク振幅がどのように変化するかに基づいて異なる答えを提供し、それによって信頼性の低い数が得られる。しかし、ピーク位置に基づくシグネチャー相関（signature correlation）は、以下に詳細に記載されるように、任意の共振の振幅が変化しても変化せず、非常に頑強性のある答え（robust answer）を提供する。
図２Ａは、縦の実線が共振特性の中心を示している、試料共振スペクトルのグラフ図であり、一方で、図２Ｂは、図２Ａの共振位置からランダムにシフトした共振スペクトル（縦の破線）のグラフ図であり、図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ、適切に着座しているバルブの基準共振スペクトルの状態、および不十分に着座しているバルブの測定された共振スペクトルの状態である。
図３Ａは、共振スペクトルの再現性を示すグラフであって、ゲートバルブ上にトランスデューサを除去および配置することによって取得された１０組のデータセットが基準テンプレートを得るために重ね合わされる場合において、共振ピーク位置が同じままである一方で振幅が変化し得ることを示すグラフであり、一方で、図３Ｂは、完全に閉じられたまたは着座した２インチゲートバルブの例示的な共振スペクトル（（ａ）実線）（違いを強調するためのより大きな周波数範囲の小さな部分）と、バルブが充分に着座しておらず小さな漏れを引き起こすときの例示的な共振スペクトル（（ｂ）破線）とを示す。スペクトルの変化は、大きく、容易に観察される。バルブが完全に着座して閉じられているときに、図３Ａから観察できるように、スペクトルは、測定から測定までの共振ピークの位置に関して再現することができる。スペクトルにおけるこの基準からの選択された量を超える逸脱（deviation）は、バルブが完全には閉じられておらず、したがって、バルブが漏れていると考えられる。圧力計や他の手段を用いてそのような漏れを検出することは困難である。
測定は、バルブを通って流れる高圧の空気で行われ、どのような気体に対しても同じ結果が提供される。液体に対しては、いくつかのスペクトル線のわずかな減衰（広がり）と、周波数のわずかなシフトとが存在し得る。
記載したように、各共振ピークの振幅は、受信トランスデューサの位置に応じてわずかに相違する場合があるが、受信トランスデューサの位置は、検出された振幅が小さいか、またはピークが完全に消失するように特定の共振モードの節にあるか、または当該節の近くにあり得るので、共振の位置が同じままである。したがって、解析のための共振ピークと関連した多くの周波数を使用することによって共振の逸脱を定量化するアルゴリズムが、本願の発明者によって開発された。これにより、ただ１つのまたは少数のピークを使用するアルゴリズムよりも、検出プロセスの頑強性を向上させることが判明した。当該アルゴリズムは、各周波数領域が異なって振る舞うという事実を考慮しながら（while accounting for）基準スペクトルに対する測定されたスペクトルの近さを判定する。即ち、周波数のシフトは各々、固定された量ではなく、また、周波数の当該シフトは、全体のスペクトルに対して固定された量でもなく、このことが、従来の相互相関の方法がこの種の共振ピーク解析に適切でない別の理由である。
その最も基本的な形態において、最初のステップとして、適切に着座されているバルブに対する図３Ｂ（ａ）からの測定された音響共振スペクトルが、図４に示されるような周波数のみのスペクトルに変換された。このバーコードタイプの提示は、振幅の情報を有しておらず、むしろ、周波数がただ提示される。小さなピークが、より大きなピークと同じ程度カウントされ、振幅に基づく解析よりもより頑強な相関関係をもたらす。（半値ピーク幅（peak-width-at-half-maximum）に関する）共振Ｑおよびピーク振幅などの他の情報も含む周波数のスペクトルを生成することが可能である。追加の情報が、振幅に基づいて、線幅と異なる色としてコード化され得る。有用な基準テンプレートを生成するために、測定が行われる前に毎回、適切に着座しているバルブを開閉することによって、スペクトルが、当該バルブに対して複数回取得されることが望まれる。バルブによっては、共振周波数のいくつかがピーク周波数のわずかな変化を示す可能性がある。したがって、各共振周波数の平均値が記録され、基準スペクトルが、全ての個々のピークに対するこれら平均位置に置き換えられる。さらに、各独立したピークにおける周波数の変化は、複数の測定に対してわずかに異なり得る。最良の識別のために、全体のスペクトルが、複数の小さな周波数帯域に分割され、各帯域におけるピークが測定される。平均は、その狭い周波数窓（帯域）内のピークの個数が選択された閾値の値を超えるときに取得され得る。したがって、孤立したランダムなピークは、考慮されない。そのうえ、選択した振幅の閾値を下回るどんなピークも破棄される。温度（および圧力）の大きな変化および製造公差により、小さな変化が起こり得る。最終的なテンプレート（the final template）は、したがって、所定の測定からの悪いデータが偶発的に含まれることによっては、破損しない。個々のバルブは、工場での校正（factory calibrations）に頼るというよりはむしろそれら自身の基準スペクトルを生成するために校正される（calibrated）。しかし、工場での校正も、いくつかの状況において容認され得る。
ピーク相関関係式は、以下の通りである。
Figure 2023532171000003
ここで、添え字ｔおよびｕは、それぞれ、「テンプレート」および「未知の」を指し、ＮtおよびＮuは、それぞれ、テンプレートおよび未知のデータセットにおける周波数ピークの数であり、δｆは、相関に使用される周波数窓であって、関係する（involved）公差に依存し、Ｎaveは、テンプレートおよび未知のデータセットにおける共振ピークの平均数であり、ｓｇｎは、数学的な符号関数であって、括弧内の引数の符号に応じて「＋」と「－」の値を採り得る。
上記数学的な相互相関処理は、以下の情報を提供する。
１．（所定の周波数拡散－周波数窓の範囲内において）テンプレートと、バルブなどの調査中の品目との両方に共通するピークの総数。
２．調査中の品目が未知の材料を含む類似の容器を含む状況において、相互相関処理は、共振の未知のセットを全ての既知のテンプレートと相互相関させることによって、未知の品目がどの部類に入るのかを決定することができる。最も大きい相関係数を生成するテンプレートが、未知の品目に対する部類を判定する。完全に未知の容器に対しては（即ち、その部類に対して利用可能な基準テンプレートが存在しないとき）、最も大きい相互相関係数が、最良の可能なマッチングに関する情報を提供する。
上記相関関係は、ただ１つの数字に１００（１００％）という理論的な最大値を提供する。この数字は、トランスデューサが、基準スペクトルが生成されたときから移動されていない場合にのみ達成され得る。もし、いずれか一方または両方のトランスデューサが移動されれば、周波数位置は同じままであるが、振幅が変化する場合があり、もしトランスデューサがその特定の共振に対する節の位置に偶然に位置すれば、時折、１つまたは複数の周波数が消失する。したがって、本発明者は、９５より大きな相関関係数は、いくらかのバラツキを許容する完全なマッチングであると考える。相関関係が、９５という閾値を下回れば、バルブは漏れていると考えることができる。実際に、この数字は任意であり、それを使用するための他の実験からの統計的な判断があるだけである。閾値は、比較的大きな変化が予期される様々な適用のために様々な値に設定され得る。例えば、内部的な違いを有する類似した複数の対象物が、あわせて１つのグループにされると、測定が行われる前に送信および受信トランスデューサが各対象物上に配置される場合に、測定されるスペクトルが、トランスデューサがバルブなどのただ１つの対象物上に固定される場合よりもより大きなバラツキを持つと予想される。そのような状況において、閾値は９５よりも小さい場合がある。
各産業においては、許容可能なバルブ漏れに対する独自の要件がある。本発明の実施形態は、バルブ漏れを定量化せず、むしろバルブが完全に着座しているかどうかを識別する。完全に着座している状態からの逸脱は、産業によって何が必要とされるかである。選択された相関関係数、例えば、９５％よりも良好なものは、完全に着座している状態と考えることができ、よりも大きいいずれのものも、望ましくない漏れと考えることができる。バルブの異なる大きさや構成は、上記式においてδｆによって本質的に表される、再現性で異なる標準偏差を持ち得る。テンプレートが生成されると、いくつかの測定を行い、標準偏差および平均を求める。平均は、平均テンプレートにおいて使用され、δｆは、偏差である。標準偏差の１．５倍などが、使用され得る。
ゲートバルブに対しては、バルブが閉じた状態にあるときの着座の質が、問題である。したがって、漏れがわずかであるか大きいかは問題ではない。最小の漏れが検出される必要があり、本発明の実施形態は、読取値が正確に校正されなければならない漏れ計量器ではなく、漏れ検出器を提供する。
多くの状況において、バルブまたは他の対象物の内部の流体の圧力は、変化し得て、それによって、外側から測定されるような対象物の共振スペクトルに影響を及ぼす場合がある。圧力の影響は、振動する弦に張力を加えることに類似しており、張力の変化によって共振周波数が線形的にシフトする。３次元的対象物に対して、全ての共振周波数が、同じ仕方で振る舞い、周波数を同時にシフトさせる。このことは、本明細書の図５および６に示されている。図５Ａは、圧力なし（環境条件）の基準スペクトルであり、図５Ｂは、対象物（鋼製の中空の円筒状の圧力容器）の内部の圧力が高められたときに得られるスペクトルである。スペクトルのシフトは、明らかに一様であり、シフトの量は、対象物の構成（大きさ、形状、壁厚、材料、等）によって決定される。圧力依存性は、数学的に予測され得るが、必要に応じて特定の対象物を校正することが、より簡単である。図５Ｃは、周波数がシフトされたスペクトルとの最良のマッチングが起きるまで基準スペクトルをシフトすることによって得られる、周波数がシフトされたスペクトルの、基準スペクトルとのパターンマッチングを通じて得られる結果を示す。データが１と０によって表現されかつ振幅情報が使用されていないバーコードタイプのスペクトルを使用して、パターンマッチングが達成されることが、指摘されるべきである。これを行うために利用可能ないくつかの数学的アプローチが存在するが、図５Ｃは、最大の信号が得られるまで小さなステップで周波数のシフト行いかつ２つのスペクトルを掛け合わせることによって得られた。したがって、結果として得られるピーク位置は、スペクトルのシフトの尺度である。これは、圧力による同じ方向への全ての共振ピークのシフトである。当該圧力は、基準圧力と比べると、正にも負（真空）にもなり得て、負圧の影響を決定する状況において、周波数のシフトは、正圧の場合とは反対方向である。７６０Torrの環境圧力から始まって、約４Torrの圧力が測定された。
図６は、図５で使用された大きな鋼製の円筒状物に関する実験データを示し、数ｐｓｉの圧力変化が、図５Ｃで記載された処理を通じて得られるような周波数の線形シフトを示す。これが、密閉容器、あるいは他の容器または対象物に対する非侵襲的な圧力測定のアプローチを可能にする。もし、前に校正が行われていれば、同じ種類の対象物は、小さな誤差が許容可能であれば、単一の対象物からの校正を使用できる。
漏れているバルブを調査するとき、圧力が大きく変化していることがわかっており、かつ基準からの全体のスペクトルのシフトがあることが予測されれば、シフトされたスペクトルは、漏れの検出またはバルブの着座の判定に使用されるべきである。そのような複数のアプローチを組み合わせることによって、本方法は、汎用手順となる。
本発明の上述の説明は、例示および説明の目的で提示してきたものであり、網羅的であることを意図したものでもなければ、開示された詳細な形態に本発明を限定することを意図したものでもなく、明らかに、多くの変更および変形が、上記教示を考慮すれば可能である。本発明の原理と、それによって、様々な実施形態においてかつ熟考された特定の使用に適うような様々な変形でもって当業者が本発明を最良に使用することを可能にするその実用的な応用と、を最もよく説明するために、上記実施形態が選択されて記載された。本発明の範囲は、本明細書に添付された特許請求の範囲によって定められることを意図している。

Claims (31)

  1. バルブが閉じた状態にあるときに弁座部を通じて流体が漏れているかどうかを判定するための装置であって、
    前記弁座部と、前記弁座部と共に流体シールを形成するためのディスクまたはプラグと、前記弁座部に対して前記ディスクまたはプラグを駆動させるためのステムと、外面を有するバルブ本体と、を備えるバルブと、
    前記バルブの前記外面と振動接触するように配置された音響送信トランスデューサであって、選択された電圧信号よって励起されたときに前記バルブ本体において振動を生成するための音響送信トランスデューサと、
    前記バルブの前記外面と振動接触するように配置された音響受信部であって、前記バルブ本体において誘導された振動を受けてかつ受けた前記振動を電圧に変換するための音響受信部と、
    前記音響送信トランスデューサと電気通信する周波数掃引生成部であって、選択された周波数範囲内に周波数を有する選択された励起電圧信号を生成するための周波数掃引生成部と、
    前記周波数掃引生成部によって生成された前記選択された周波数範囲内の前記周波数をトラッキングする中心周波数を有し、かつ選択された周波数帯域幅を有する狭帯域バンドパストラッキングフィルタであって、前記音響受信部から電圧を受けかつ前記電圧をフィルタリングするための、狭帯域バンドパストラッキングフィルタと、
    前記周波数掃引生成部および前記狭帯域バンドパストラッキングフィルタを制御するための、前記狭帯域バンドパストラッキングフィルタからの前記フィルタリングされた電圧を保存するための、閉じた状態において前記バルブの少なくとも２つの音響共振スペクトルを生成するための、かつそれらの間に違いがあるかどうかを判定するために少なくとも２つの生成された前記音響共振スペクトルを比較するための、マイクロコントローラと、を備える、装置。
  2. 前記超音波受信トランスデューサから前記電圧を受けかつ前記電圧を増幅するための増幅器をさらに備える、請求項１に記載の装置。
  3. 前記弁座部の領域における流体の圧力を判定するための圧力センサを更に備える、請求項１に記載の装置。
  4. 前記音響送信トランスデューサおよび前記音響受信部は、互いに物理的に接触していない、請求項１に記載の装置。
  5. 前記周波数掃引生成部からの前記周波数掃引は、いずれか一方の方向か、または両方の方向である、請求項１に記載の装置。
  6. 前記音響送信トランスデューサは、圧電トランスデューサを備え、前記音響受信部は、圧電トランスデューサおよびレーザードップラー振動計から選択される、請求項１に記載の装置。
  7. バルブが閉じた状態にあるときに前記バルブの弁座部を通じて流体が漏れているかどうかを判定するための方法であって、
    弁座部と、前記弁座部と共に流体シールを形成するためのディスクまたはプラグと、前記弁座部に対して前記ディスクまたはプラグを駆動させるためのステムと、外面を有するバルブ本体と、を備える前記バルブにおいて、前記バルブの前記外面と振動接触するように配置されかつ周波数掃引生成部によって駆動される音響送信トランスデューサを使用して、選択された周波数範囲内の選択された周波数を有する振動を生成するステップと、
    前記バルブの前記外面と振動接触するように配置された音響受信部を使用して、前記バルブ本体において誘導された共振振動を受け、かつ受けた前記振動を電圧に変換するステップと、
    前記電圧を受け、かつ選択された励起周波数を選択された前記周波数範囲内においてトラッキングする中心周波数を有する狭帯域バンドパストラッキングフィルタを使用して、前記電圧をフィルタリングするステップと、
    前記フィルタリングした電圧を保存し、それによって前記バルブの音響共振スペクトルが生成される、ステップと、
    前記バルブの生成された前記音響共振スペクトルを、前記バルブが閉じた状態で得られた少なくとも１つの他の音響共振スペクトルと比較するステップと、
    生成された前記音響共振スペクトルと少なくとも１つの前記他の音響共振スペクトルとの間に違いがあるかどうかを判定するステップと、
    を含む、方法。
  8. 前記音響受信部からの前記電圧が増幅される、請求項７に記載の方法。
  9. 前記音響送信トランスデューサおよび前記音響受信部は、互いに物理的に接触していない、請求項７に記載の方法。
  10. 前記音響送信トランスデューサは、前記周波数掃引生成部によって、いずれか一方の方向、または両方の方向に周波数に関して掃引される、請求項７に記載の方法。
  11. 前記音響送信トランスデューサは、圧電トランスデューサを備え、前記音響受信部は、圧電トランスデューサおよびレーザードップラー振動計から選択される、請求項７に記載の方法。
  12. 前記バルブの前記生成された音響共振スペクトルを、前記バルブが閉じた状態で得られた別の音響共振スペクトルと比較する前記ステップは、ピーク位置に基づくシグネチャー相関を含む、請求項７に記載の方法。
  13. 前記ピーク位置に基づくシグネチャー相関は、以下の式を用いて行われる、請求項１２に記載の方法。
    Figure 2023532171000004
    ここで、添え字ｔおよびｕは、それぞれ、「テンプレート」および「未知の」を指し、ＮtおよびＮuは、それぞれ、テンプレートおよび未知のデータセットにおける周波数ピークの数であり、δｆは、相関に使用される周波数窓であって、関係する公差に依存し、Ｎaveは、テンプレートおよび未知のデータセットにおける共振ピークの平均数であり、ｓｇｎは、数学的な符号関数である。
  14. 前記弁座の領域における流体の圧力を判定するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
  15. 前記バルブの前記生成された音響共振スペクトルと、前記バルブ内の流体の圧力について前記バルブが閉じた状態で得られた少なくとも１つの他の音響共振スペクトルとを訂正するするステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
  16. 他の容器と外見が類似または同一である容器が、他の容器と類似または同一であるかどうか、および、他の容器と類似の流体を収容しているかどうかを判定するための方法であって、
    前記容器において、前記容器の外面と振動伝達されるように配置されかつ周波数掃引生成部によって駆動される音響送信トランスデューサから、選択された周波数範囲内の選択された周波数を有する振動を生成するステップと、
    前記容器の前記外面と振動伝達されるように配置された音響受信部を使用して、前記容器において誘導された共振振動を受け、かつ受けた前記振動を電圧に変換するステップと、
    前記電圧を受け、かつ選択された励起周波数を選択された前記周波数範囲内においてトラッキングする中心周波数を有する狭帯域バンドパストラッキングフィルタを使用して、前記電圧をフィルタリングするステップと、
    フィルタリングした前記電圧を保存し、それによって前記容器の音響共振スペクトルが生成される、ステップと、
    前記容器の生成された前記音響共振スペクトルを、前記他の容器に対して得られた少なくとも１つの他の音響共振スペクトルと比較するステップと、
    生成された前記音響共振スペクトルと少なくとも１つの前記他の音響共振スペクトルとの間に違いがあるかどうかを判定するステップと、
    を含む、方法。
  17. 前記音響受信トランスデューサからの前記電圧が増幅される、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記音響送信トランスデューサおよび前記音響受信部は、互いに物理的に接触していない、請求項１６に記載の方法。
  19. 前記音響送信トランスデューサは、前記周波数掃引生成部によって、いずれか一方の方向、または両方の方向に周波数に関して掃引される、請求項１６に記載の方法。
  20. 前記音響受信部は、音響圧電トランスデューサおよびレーザードップラー振動計から選択される、請求項１６に記載の方法。
  21. 前記容器の生成された前記音響共振スペクトルを、前記他の容器に対して得られた少なくとも１つの他の音響共振スペクトルと比較する前記ステップは、ピーク位置に基づくシグネチャー相関を含む、請求項１６に記載の方法。
  22. 前記容器は、ワクチンバイアルおよびシリンジから選択される、請求項１６に記載の方法。
  23. カバーフランジと、ボルトおよびナットまたはクランプによって固定されたパイプに取り付けられたフランジとを備えた、容器の中の流体にアクセスするためのシールフランジの締付け具合を判定するための方法であって、
    前記シールフランジと、前記ナットおよびボルトまたは前記クランプと、前記パイプと、前記容器とにおいて、前記パイプまたは前記容器の外面と振動伝達されるように配置されかつ音響周波数掃引生成部によって駆動される音響送信トランスデューサを使用して、選択された周波数範囲内において選択された周波数を有する振動を生成するステップと、
    前記パイプまたは前記容器の前記外面と振動接触するように配置された音響受信部を使用して、前記シールフランジ、前記ナットおよびボルトまたは前記クランプ、前記パイプ、および前記容器において誘導されかつ結合された共振振動を受け、かつ受けた前記振動を電圧に変換するステップと、
    前記電圧を受け、かつ前記電圧を、選択された励起周波数を前記選択された周波数範囲内においてトラッキングする中心周波数を有する狭帯域バンドパストラッキングフィルタを使用して、フィルタリングするステップと、
    フィルタリングした前記電圧を保存し、それによって前記シールフランジ、前記ナットおよびボルトまたは前記クランプ、前記パイプ、および前記容器の組み合わせの音響共振スペクトルが生成される、ステップと、
    前記シールフランジ、前記ナットおよびボルトまたは前記クランプ、前記パイプ、および前記容器の組み合わせの前記周波数範囲を含む生成された前記音響共振スペクトルを、前記シールフランジ、前記ナットおよびボルトまたは前記クランプ、前記パイプ、および前記容器の組み合わせに対して得られた少なくとも１つの他の音響共振スペクトルと比較するステップと、
    生成された前記音響共振スペクトルと少なくとも１つの前記他の音響共振スペクトルとの間に違いがあるかどうかを判定するステップと、
    を含む、方法。
  24. 前記音響受信部からの前記電圧が増幅される、請求項２３に記載の方法。
  25. 前記音響送信トランスデューサ、および前記音響受信部は、互いに物理的に接触していない、請求項２３に記載の方法。
  26. 前記音響送信トランスデューサは、前記周波数掃引生成部によって、いずれか一方の方向、または両方の方向に周波数に関して掃引される、請求項２３に記載の方法。
  27. 前記音響送信トランスデューサは、圧電トランスデューサを備え、前記音響受信部は、圧電トランスデューサおよびレーザードップラー振動計から選択される、請求項２３に記載の方法。
  28. 前記シールフランジ、前記ナットおよびボルトまたは前記クランプ、前記パイプ、および前記容器の組み合わせの生成された前記音響共振スペクトルを、前記シールフランジ、前記ナットおよびボルトまたは前記クランプ、前記パイプ、および前記容器の組み合わせに対して得られた他の音響共振スペクトルと比較する前記ステップは、ピーク位置に基づくシグネチャー相関を含む、請求項２３に記載の方法。
  29. 前記ピーク位置に基づくシグネチャー相関は、以下の式を用いて行われる、請求項２８に記載の方法。
    Figure 2023532171000005
    ここで、添え字ｔおよびｕは、それぞれ、「テンプレート」および「未知の」を指し、ＮtおよびＮuは、それぞれ、テンプレートおよび未知のデータセットにおける周波数ピークの数であり、δｆは、相関に使用される周波数窓であって、関係する公差に依存し、Ｎaveは、テンプレートおよび未知のデータセットにおける共振ピークの平均数であり、ｓｇｎは、数学的な符号関数である。
  30. 前記パイプまたは前記容器における流体の圧力を判定するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
  31. 前記パイプおよび前記容器内の流体の圧力について、前記シールフランジ、前記ナットおよびボルトまたは前記クランプ、前記パイプ、および前記容器の組み合わせに対する生成された前記音響共振スペクトルと、前記シールフランジ、前記ナットおよびボルトまたは前記クランプ、前記パイプ、および前記容器の組み合わせに対して得られた少なくとも１つの他の音響共振スペクトルと、を訂正するステップをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
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