JP2960737B2 - 改善されたねじり波動流体センサおよび装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野 本発明は、流体と接触して配置されたセンサ導波手段
に沿った波動エネルギーの伝播、特にセンサにおけるね
じる（トーショナル、torsinalwave）波動エネルギーの
伝播、による流体特性の測定を行う装置に関するもので
ある。

［従来の技術］ この種の装置では、導波エネルギーと流体との相互作
用はセンサに沿う伝播速度の低下を生じ、その結果、空
気または真空中のセンサでの基準時間と比較しての波動
の飛行時間の変化は、センサと接触している流体の特性
を指示する。流体の組成、容器形態およびセンサ特性の
うちの一つまたはそれ以上のものが知られている特定の
場合には、飛行時間の測定は、流体の存在や流体の深さ
や流体の密度または流体温度などの流体の特性の指示を
与えることが可能である。ねじり波動流体感知動作を行
うための可能な変換器ないしトランジューサおよびセン
サ構成およびシステム構成の包括性な叙述が、発明者の
ローレンス・シー・リンワースの米国特許第４、193、2
91号に記載されている。本特許明細書は、ねじり波動が
伝播させられる断面が非円形の本体を有するセンサを採
用する種々の構成を示しそして飛行時間の遅れが実質的
に流体密度の直線的関数である断面が矩形のストリップ
状のものなどいくつかの例を開示する。

包囲流体中に浸漬された導波手段でのねじり波動エネ
ルギー伝播に対する影響を増大するために、比較的大き
なアスペクト比の非円形センサを使用するという考え
は、流液によって生ずる飛行時間遅れの大幅な増加それ
ゆえ流体流体密度の変動に対するセンサの感度の増大と
いう展開を与える。しかし、センサー流体間の相互作用
に関する良好な理論的モデルがないことおよび密度や粘
性やセンサ形態での波動の振る舞い（ダイナミクス）の
複雑な相互依存性は、ねじり波動センサの実用上の応用
を制限してきた。

最近になって、発明者エイチ・エイチ・バウがねじり
波動伝播の理論を発表した（1986年12月発行の雑誌J.Ap
pl.Mech.の第108巻における「Torsional Wave Sensor−
A Theory」と標題の付された論文）。この理論は、任意
の非粘性流体でのあるセンサ断面に関する波動伝播のク
ローズド形式の近似を得るために適用され、そしてこれ
らの結果は、この種の流体で矩形形状のセンサを使用し
て得られたリンワースの先の実験結果と比較され、この
理論の正当性が確認された。上記の論文は、断面が楕円
形および矩形のセンサを取扱い、これに関し、数学的な
解法が上記文献の結果から誘導できる。このように、理
論は、それが種々のセンサ断面と結合する流体の数値分
析に着手するための基礎を提供するという点で、センサ
ー流体間の相互作用の分析に向けられる最初の段階であ
る。この種の解析は粘度が無視できる場合に、流体密度
に対する感度を最適なものとするのに役立つことが期待
できる。

［本発明の目的］ 本発明の目的は、流体特性に応答するの最適化された
ねじり波動センサを提供することである。

本発明の他の目的は、複数の種々のねじる波動センサ
が選択的に種々の特性に応答する流体特性のねじり波動
感知動作を行うシステムを提供するすることである。

本発明の他の目的は、ねじり波動センサアッセンブリ
が、流体特性を正確に検出するためにある物理的配列で
装着されるが、ねじり波動センサアッセンブリを装着し
てそしてこれを動作するのに少数の物理開口部または電
気接続しか必要としない装置を提供することである。

本発明の別の目的は、ねじり波動センサアッセンブリ
が信号分離が高められそして信号処理分解能が改善され
る配置形態を有した装置を提供することである。。

上記の所望される目的およびそのほかの目的のうちの
一つまたはそれ以上のものが、センサ本体が少なくとも
部分的に流体に浸漬せられそしてねじり波動エネルギー
の伝播が囲包流体に応答するところのある断面を有する
センサで得られる。すなわち、囲包流体は主として単一
の流体特性に依存した仕方で波動伝播に影響を与える。
一実施例において、センサ本体は、流体密度に応答する
形状と非円形の断面を有する。ダイヤモンド形、多角形
および側部湾曲形の実施例が開示される。別の実施例で
は、センサ本体は断面がほぼ円形でありそして流体の粘
度に応答する。この実施例は粘性結合を強化するために
好ましくは、ねじ山が切られるか、起伏するか、半径方
向にひれ付きとされるか、部分的に不均一な（フラクタ
ル、fractal）形状かまたは粗面形状を備えてもよい。

一つのシステムが、一つの流体特性について選択的な
感度を有するねじり波動センサおよび少なくとも一つの
追加センサを使用する。追加のセンサは別の特性に応答
するねじる波動センサでもよくまた流体の深さ、温度ま
たは伝播速度のような関連の物理的パラメーターを検出
する従来のセンサのような異なる形式のセンサでもよ
い。一つの好ましいシステムでは、２つのねじり波動セ
ンサが、一つの賦形断面の第１のセンサ本体部分がこれ
とは異なる賦形断面の第２のセンサ本体部分に結合され
て、単一のユニットとして組み立てられる。共通の変換
手段が、両方の本体部分を伝播するねじり波動を提供す
る。粘性値が一方のセンサにより感知されそして他方の
センサによって感知される密度値を修正するために利用
され、こうして、実在流体のより後半な範囲の測定の強
化が提供される。これらの流体には、比較的に非粘性の
流体そしてより一般的にはニュートン型そして非ニュー
トン型の両方の型の粘性の液体など種々の性質の粘弾性
流体が含まれる。

［好ましい実施例の詳細な説明］ ねじり波動センサ 本発明の説明を行う前に、一般的な背景として、ねじ
り波動発生および感知動作の簡単な説明をまず行う。第
１図および第２図は２つの従来技術の装置を図示しここ
でセンサ１が流体中に浸漬された矩形の感知本体10を備
えそして感知本体10は囲包流体に依存したある態様で変
化する速度で感知本体10を伝播するねじり波動を誘導す
るために一端部が賦活される。

第１図において、ねじり波動は、センサ本体10に軸線
方向に装着されたリードイン型励磁ロッド部材12を伝播
するねじり波動によって与えられ、そして同じロッド部
材が、センサ本体の末端部20からねじり波動のエコーな
いし反響を伝播するのに使用される。リードイン型ロッ
ド部材12は、パルス発生装置／受信装置および間隔調整
装置（インターバロメータ）の組合せ機器などの電子機
器18へ装着されるコイル部材16によって包囲された磁歪
ロッド部材14から成るねじり波動発生／センサアッセン
ブリへ接続される。連続またはパルス化直流電流が、磁
歪ロッド部材14の円周方向磁界を維持するために、磁歪
ロッド部材14に沿って長手方向に通電され、そして電流
パルスがコイル部材16へ印加され、時間変化する軸線方
向磁界が形成せられるようにし、時間変化する軸線方向
の磁界が、円周方向磁界と相互作用を行いねじり力が磁
歪ロッド部材14に課され、ねじりインパルス（衝撃）が
発生する。これは、ウィーデマン（Wiedemann）効果と
して知られる。同様に、ロッド部材12に沿って磁歪ロッ
ド部材14へ戻されるねじりエコーは、コイル部材16に起
電パルスを誘導し（「逆ウィーデマン効果」）、戻り波
動の検出が可能である。第１図は、センサ本体10の頂面
15およびセンサ本体の底面20から受信させるそれぞれの
励起器パルスのエコーA,Bに対応する電気信号の記録を
図示する。２つのエコー間の期間t_ABは賦形されたセン
サ本体でのねじり波動の飛行時間である。

第２図は、ねじる波動センサ本体10を励起しそして感
知する代替え構成を有する別の従来技術の変換手段２を
図示する。この構成では、リードイン型ロッド部材22が
波動エネルギーをセンサ本体10の一方の端部に与えそし
てリードアウト型ロッド部材24が他方の端部に現われる
波動エネルギーを導く。各リードイン型ロッド部材22お
よびリードアウト型ロッド部材24は、それぞれのセンサ
本体の端部の縁部に接続部を有する。この構成では、各
ロッド部材が伸縮波動を伝播し、これは、ロッド部材と
センサ本体との間の接続部を通過する際に、ねじり波動
へまたはねじり波動から変換される。この場合、ロッド
部材の周囲の簡単なコイル部材16が、ロッド部材に伸縮
波動を発生するかまたはロッド部材の伸縮波動をある電
気信号に変換する。

第１図および第２図の励起機構12、14、16および22、
24、26は、ねじり波動をセンサ本体に与えるのに都合の
よい変換手段の例である。この種の波動は、適当な圧電
変換部材によって生成してもよくまた適当な構造物へ与
えられるレーザーパルスにより光学的に起動可能であ
る。任意のこの種のねじり波動変換手段または適当な導
波特性を有するこれとは別の知られている変換手段が使
用可能であるであることは上述の説明で理解されよう。

上記の２つの構造物は、流体中でねじり波動の伝播を
行うための導波手段として供される断面が矩形のストリ
ップ状の形態のセンサ本体を使用する。本発明者のリン
ワースにより報告された以前の調査によって、一定の流
体について飛行時間の関数として流体密度を検出を行う
のに、この種のねじり波動センサの実行可能性および感
度の強化が立証された。本発明者のバウの上述の以前の
調査報告は、センサ断面が２次元運動のみ誘導する非粘
性流体について、センサ断面に依存する複数の定数、す
なわち、センサの極性慣性モーメントI_sと流体の見掛け
の慣性I_fと定数Ｋ（ ここでＤはセンサのねじり剛性である）とを含む流体の
密度の関数に波動速度を関連付ける理論的近似法を説明
する。

本発明者は、ほぼ以下に示されるような、ねじりガイ
ド波動伝播に対し流体によって誘導される影響の別の理
論的な解析法を開発した。

理 論 液体中に浸漬された均等断面を持つ導波手段を伝播す
るねじり応力波動を考える。ねじり波動が導波手段を伝
播するに応じて、中実体と液体との界面は交互に加速お
よび減速せられる。結果的に、ねじりパルス（波動）に
より克服される必要のある慣性は、中実導波手段の慣性
（I_s）および近傍の液体の見掛け慣性（I_f）の組合せで
ある。１次の近似に対して（バウ、1986年）、ねじり波
動速度（ｃ）は以下の式から計算できる。

ここで、Ｇは中実体の剪断弾性率であり、 でありそしてＤはねじり剛性である。実験において、本
発明者はねじり応力波動の飛行時間を測定した。それ
で、見掛けの慣性の飛行時間に対する影響についての表
現を導出することが所望される。t₀およびｔがそれぞ
れ、真空中の飛行時間について良好な近似であると考え
られる空気中の飛行時間および同様の温度での液体中の
飛行時間を表すものとする。Dt（＝ｔ−t₀）は液体中に
浸漬された導波手段での波動の伝送時間と空気中での動
手段の波動の伝送時間の差を表す。式（１）から良好な
近似で、 が得られる。

導波手段が非円形の断面を有する場合、流体の運動
は、圧力場および抵抗力の発生を経て誘導される。圧力
場は、液体の正規速度成分を誘導する中実体の面の運動
によって発生される。抵抗力は粘性の影響から生ずる。
それで、流体の見掛けの慣性（I_f）は、これら２つの影
響の組合せから生ずると考えられる。我々は、見掛けの
慣性への非粘性寄与分および粘性寄与分をそれぞれ、Ｉ
_f,i、Ｉ_f,vとして表す。すなわち、I_f＝Ｉ_f,i＋Ｉ_f,vで
ある。種々のアスペクト比の矩形断面およびだ円断面に
ついて非粘性慣性だけがバウ（1986年）の論文で計算さ
れている。

本発明者のキムおよびバウは、引き続き別の断面につ
いて非粘性慣性を計算した（発行せず）。圧力によって
誘導される流れ場の大きさは、導波手段の断面の大きさ
と、同じオーダーの大きさであり、それゆえ、Ｉ_f,iはC
₁I_s（ここでC₁はオーダー１の定数である）によって近
似可能である。C₁は、断面の配置およびアスペクト比に
依存する。たとえば、アスペクト比が3.3の矩形断面に
ついてC₁は1.062である。抵抗誘導形流れ場の大きさは
粘性境界層の厚さに匹敵できる。ニュートン流体で、粘
性境界層の厚さはオーダー（υ／ω）^1/2の厚さである
（ここで、υ（＝μ/Pf）は運動拡散係数であり、そし
てωは波動の周波数である）。したがって、Ｉ_f,vは約C
₂I_s（υ／ωa²）^1/2）（ここで、ａは断面の特性寸法で
ありC₂は配置に依存する定数）である。

本発明者はC₂を経験的に認定した。たとえば、水中お
よびグリセリン中で、室温にて周波数ωが50kHzで動作
するアスペクト比が3.3でａが0.005mの矩形の導波手段
について、（υ／ωa²）^1/2はそれぞれ、約２×10^-3お
よび２×10^-2の値である。本発明者は、後者の場合でさ
え、粘性の影響は流体誘導形慣性（I_f）に10％以下しか
寄与しないことを見出した。こうして多くの場合、粘性
寄与分は相当に小さい。

上記解析によれば、矩形断面センサについての流体の
見掛けの慣性は、 と表すことができる。

他方、導波手段の断面が円形の場合、抵抗誘導形の見
掛けの慣性だけが（すなわち、C₁が０）ある。断面半径
がａの導波手段について一つの近似がワイ・ワング（Ｙ
・Wang）によって（ペンシルバニア大学修士論文（発行
せず））、以下のように導出された。

定数C₁およびC₂は任意の所与のセンサについて固定さ
れそしてそれらの定数は近傍の液体に依存しない。

上述の説明から、たとえば断面が円形および非円形
（たとえば矩形）の導波手段でI_fの実質的に一の成分だ
けに各々感応性の２つの異なる導波手段で測定されるね
じり波動の飛行時間から、センサが浸漬される流体の密
度（ρ_ｆ）および粘度（μ）の両方が得られることにな
る。

具体的な実施例 上述の理論的な考察から、本発明者は、３つの一般的
なクラスで特長付けられる実用的な実施例を開発した。
第１には、非粘性結合現象を介して流体に主にまたは強
く結合されるある断面を持ったねじり波動案内センサ本
体を有する複数のセンサがある。本発明者がコンピュー
タシュミレーションによる解析によって見出されそして
実験により確認されたこの種の断面の一つがダイヤモン
ド形（菱形）の断面であり、これは、発明者が、以前の
知られているねじり波動センサよりも際立って優れるρ
_ｆ感度を呈示することが見出された。第２には、見掛け
の慣性の粘性成分Ｉ_f,vにのみ応答するよう最適化され
るセンサ本体断面がある。これらは、実質的に円形の断
面を有し、特に、ねじ山が切られるか、起伏するか、半
径方向にひれ付けられるか、粗面かまたは部分的に不均
一に強化された流体接触面を有するものである。第３に
は、少なくとも一つのねじり波動I_f成分応答センサを使
用する装置がある。ρまたは粘性のいずれにも強くそし
て主要に応答する最適化されたねじり波動導波センサが
以後簡単に密度センサおよび粘性センサと通常に呼ばれ
る。これらの装置には、各タイプのセンサを一つ備えた
装置が含まれ、粘性センサが密度センサに低次の修正項
を密度センサに提供しまたはその反対も行なわれる。企
図される装置にはまたねじり波動導波密度センサまたは
粘性センサが、サーミスタや流体通過時間変換器装置な
どの完全に別のそして可能な従来の感知部材から検出さ
れる温度や流体深さ測定値などの測定値により修正を受
ける装置が含まれる。

非ニュートン流体について、本発明はさらに、有効自
由流れ粘性を認定するために、局所的に感知される粘性
測定値が流速測定値とともに経験的に修正される装置を
企図するものである。なお、流体密度ρ、粘性ηおよび
流速Ｖが直径がＤのコンジットで認定される場合、本発
明は、レイノルズ数ReをρVD/ηとして計算する装置を
企図するものである。別の装置が、温度の直接測定を導
き出すために、センサ本体を移動するエネルギーの延長
方向波動成分を使用するものである。

図面には、本発明による密度および粘性センサが、現
在好ましい特定のセンサ実施例にしたがって、ダイヤモ
ンド形またはねじ山が切られたシリンダー状の部分を有
するセンサとして例示されている。しかし、本発明者の
バウの理論および流体−センサねじり波動結合の実用的
なシミュレーションに従って、別の断面輪郭が本発明の
技術思想内に包含されることに注意されたい。これらの
輪郭には、中空のダイヤモンド形状などの合成ないし複
合断面が含まれる。センサの密度は均等である必要はな
いことを理解されたい。たとえば、金またはテフロンな
どの披着防止形または腐食防止形のコーティングが企図
されそしてセンサはセンサの軸線からの半径方向の距離
の関数として段階的にまたは連続的そして単調に減少す
る密度を呈していてもよい。なお、密度感応性の高いダ
イヤモンド輪郭の種々のものが企図される。たとえば、
直線性でなくくぼんだ側部を有するダイヤモンド輪郭の
センサを形成することにより、いくつかの動作条件で、
より小さな慣性の極性モーメントが実現されそして感度
の増加が期待される。一般に、基本となるダイヤモンド
輪郭の種々のものがここでは「ダイヤモンド様」部分と
呼ばれる。

第3A図、流体の粘性を感知するのに適当とされる断面
形状およびアスペクト比を備えたセンサ本体を有する本
発明による粘性センサ101を図示する。リードイン形ロ
ッド部材12がセンサ本体へ伝播するねじり波動入力を提
供し、ロッド部材12センサ本体の頂面または縁部210aと
の接続部Ｊでエコーをそして底面201bで別のエコーが発
生される。励起コイル16で検出されるトレース信号は、
センサ本体の波動の端部−端部間伝搬ないし飛行時間の
２倍の等しいエコー間隔時間t_ABで、２つの対応するエ
コー信号Ａ、Ｂを含む。コイル部材16は、ただ一つの所
要の電線ないし活線が電子信号処理回路系へ延長するよ
う、ロッド12にアース可能である。

なお、例示の磁歪変換手段の替わりに、圧電部材が、
所望の動作周波数で適当なモードを励起するのに使用可
能である。センサ本体は、正規運動成分が零の薄い円形
の円筒状殻部材として形成され、そのため何らＩ_f,i結
合がない。この信号軌跡から、信号のプロセッシングの
前方端および従来の設計の計算プロセッサが、式
（２）、（４）および測定されたt_ABを使用して流体の
粘性を計算する。

本発明者の発明の一つの態様によれば、粘性センサ
が、その感知動作距離に沿う各点が円形の断面を有する
が、流体との粘性相互作用を増加させる表面帯域を有す
る。これは、ねじ山が切られた流体接触面を持つことに
よって実現可能であり、これはセンサインピーダンスを
不利な方向に変更することなく、２段またはそれ以上の
層によって、流体接触面を増加させることが可能であ
る。代替え的に、好ましくは流体の剪断層厚さよりも小
さな表面の特徴ある大きさを有する均等に粗い面または
フラクタル面が使用可能である。これら各実施例で、セ
ンサを伝搬するねじり波動の振幅は流体の接触状態のセ
ンサの長尺部に沿って単調に減少する。

第3B図は、本発明者が、流体密度センサとして特に適
当であると見出された断面がダイヤモンド形のねじり波
動ガイドセンサ本体202を有する本発明による第２のセ
ンサである。この場合、ガイド手段のねじり運動と囲包
流体との相互作用により、飛行時間ｔ_Ａ′Ｂ′が大幅に
長くなる。飛行時間ｔ_Ａ′Ｂ′は式（２）および（３）
を使用して、非粘性流体の場合の流体密度ρ_ｆの直接測
定値を生ずる。別の流体について、粘性寄与分は、第3A
図のような粘性センサにより与えられる粘性測定を使用
して修正可能である。本発明者は、３に近いアスペクト
比を有するセンサがフライス削り、直線化およびアニー
ル処理の前の丸削りまたは多大の引き伸ばし処理により
容易に形成されることが分かった。

第3C図は、本発明による現在好ましいセンサの実施例
110を図示し、単一のセンサ本体が、共通のリードイン
形ロッド部材12により与えられる波動の波動ガイド手段
として供される異なる断面の２つの部分111、112を有す
る。図示されるように、第１の部分は、第3A図のセンサ
本体と同様であるがその外面に沿ってねじ山が切られて
いる薄肉の円筒状の殻（容器）である。この構成は、第
3A図の簡単な円筒部材の面積を越えて面積を増加させ、
流体の粘性に対する感度を増加させるとともに、本体11
1の長さに沿って一定のインピーダンスを呈示し、その
結果ねじり波動は散乱されずまたは減衰されない。セン
サ110の第２の部分112は、第3B図の本体102のように、
断面がダイヤモンド形のセンサ本体である。

この実施例では、単一のコイル部材16が２つの区別で
きる時間遅れ測定値t_AB、t_BCを提供する３つのエコー
Ａ、Ｂ、Ｃを感知する。センサ本体部の直接の粘性およ
び密度依存性のゆえに、これら２つの期間は流体の粘性
および密度を解明し、これら流体の特性の関数である物
理的な性質を計算するために交差項を修正するのに十分
な情報を提供する。第3A図〜第3C図の構成は、有利なこ
とは装着を行なうためにコンジットに単一のリードイン
開口した必要としない。

本発明は、別の粘性感応性断面輪郭物がセンサ本体11
1について置き替えられ、そして別の密度感応性輪郭物
がセンサ本体112について置き替えられることを企図す
るものである。さらに、２つの本体部分の順序を逆にす
ることも可能である。約100kHzの周波数帯域で、波動反
射および伝送が適当なレベルで、ねじり波動の適当な結
合（カップリング）を得るために、例えば、センサ本体
111の端部の周囲にリング部材を溶着することにより、
各センサ本体の端部でインピーダンスマッチングが行わ
れることが好ましい。もし、リードイン型ロッド部材ま
たはセンサ本体の直径が、たとえば５ミリメートルない
し10ミリメートルなど十分大きければ、より大きなリン
グ部材が、装着フランジ部材としてセンサに形成可能で
ありそしてインピーダンスに悪影響を与えることなく、
よく知られる装着またはパッキング技術により真空封止
または圧力封止が形成される。

本発明によるセンサ本体が、囲包流体密度に応じて強
いねじり波動伝搬を呈し、さらに、センサの非浸漬部分
を伝搬するねじり波動が流体境界に到達するとき、顕著
な信号反射を呈する。たとえば、断面がダイヤモンド形
でアスペクト比が約３のステンレス鋼のセンサが、水−
空気界面で約10パーセントの反射係数を持つ。したがっ
て、本発明の別の実施例では、流体本体へ延長する真直
な密度センサが、流体深さ測定値が提供されるよう賦活
可能である。流体の粘性に応答するよう最適化されたセ
ンサ本体が、浸漬深さに依存する振幅減衰を呈示し、そ
して、戻り信号の振幅を測定することにより、流体深さ
センサとして使用可能である。

好ましくは、本発明によるセンサ本体は、低い平均密
度を有する。約5g/cc以下の密度が種々の液体について
有用なものとされる。適当な材料が、チタン、陽極酸化
が行われたアルミニウム、グラファイト、無電解ニッケ
ル被覆が行われたグラファイトである。ステンレス鋼の
センサが多くの液体応用に適当であり、伝導性のセンサ
本体が有利なことには、複雑なシステムが、少ない能動
電気的リード部材で動作するのを可能にする。

第４図は、直列に装着されそして単一のリードイン形
ロッド部材22による励振ないし励起が課される２つの別
個のねじり波動センサ本体部分121、122を有する別のセ
ンサ120を図示する。この実施例では、センサ本体はコ
ンジット100の軸線に平行であり、その結果、より長い
センサ本体が収容可能でありそして流体密度または速度
がセンサの長さに沿って実質的に均等であると考えられ
る。ロッド部材22が、たとえば、ロウ付けで補強される
スポット溶接によって、本体部分122または本体部分121
の端部の縁部にて、センサの中央に装着される。この構
成で、ロッド部材を伝送せられる延長方向の波動Ｔが各
本体部分121、122でねじり波動へ同時変換される。２つ
のねじりは互いに逆の方向に伝搬する。各ねじり動セン
サ本体121、122の遠方の端部で、それぞれのリードアウ
ト形ロッド部材24a、24bが、受容されたねじり波動を、
リードアウト形ロッド部材を上に移動しそして対応する
コイル部材16a、16bにより感知される延長方向の波動へ
変換する。この共通に励振されそして空間的に離間され
る２体形ねじり波動センサの構成は、２つの感知波動の
優れた波動のアイソレーション（隔離）が提供される。
このアイソレーションは、特に、受信信号が、複数の質
問、信号相関、または分散解析技術を使用して処理され
るときに、高いS/N比および時間分解能が実現可能であ
ることが期待される。

第3C図のセンサのように、図示のダイヤモンド形状の
部分112を通じて到着する信号は、主に密度依存形の測
定を提供そして円筒状部分111を通じて到着する信号は
粘性測定を提供する。

第５図は、ロッド部材152aおよび152bにより賦活され
順次これら賦活するρ感応形本体を有するねじり波動セ
ンサ151を使用する流れ測定セル部材150の断面図を図示
する。セル部材150は、非常に高圧の流体を含む中央の
キャビティまたは通路156を有する厚肉の本体155を有す
る。励起ロッド152a、152bは第２図および第４図と同様
の延長方向の波動励起ロッド部材である。各ロッド部材
は、通路157の方へブロック部155を通じて延長し、ブロ
ックの端ぐり処理された凹部の通路に緊密に嵌合わされ
そして流密溶接部159によりここに永久的に固定される
プラグ部材158a、158bから懸垂される。各プラグ部材の
穴161がロッド部材を収容し、ロッド部材152a、152bの
ねじ山と163と単にゆるく螺合するねじ溝を有する上部
のねじ溝部162で終端する。このようにして、賦活ロッ
ド部材は、堅牢に懸垂せられ、さらに、リンギング動作
がねじり波動信号の発生または検出を妨害しないよう
に、流れセル本体から音響的な統合解除（デカップル）
が行われる。各プラグ部材の外側の周囲に装着されるコ
イル部材165がロッド部材を賦活する。プラグ部材は、
たとえばSS304またはSS316などの適当な強さの比磁性材
料から形成される。

第5A図は、この構成の変形物を図示し、ねじり導波感
知部材151aは、円柱螺旋形状へ湾曲された断面がダイヤ
モンド形の導波手段である。この形態は、より長い導波
手段が小さな流れセルチャンバで使用されるのを可能に
し、感度を高める。

第６図は、別の流れ測定システムを図示し、励起／リ
ードアウト形ロッド部材182a、182bを有するねじり導波
センサ181が、画然された形態の流れセル180に配置さ
れ、そして一対の超音波変換手段184、185が、長手方向
の（粗密ないし圧縮）超音波エネルギーを発生しそして
セルを貫流する流体を通じて受信するよう、流れセルの
端部に配置される。変換器184、185が磁歪ロッドの端部
184a、185bの周囲のコイル部16による伸縮波動で賦活さ
れ、また各変換手段は、流体に検出動作波動を発生する
大きな端面に対してインピーダンスマッチングに供され
るテーパー処理された本体部分184b、185bを有する。エ
コー発生が少あくまたはパイプ本体へのカップリングが
小さい封止通路部を提供するために、比較的薄いリング
部材または装着フランジ186（第6A図）が、大きな部分
に機械加工可能でありそしてＯリング封止部材またはパ
ッキング部材と一緒に使用されまたは金属対金属圧力接
触によって封止される。

第６図に図示されるように、変換手段ロッド部材182a
には、ロッド部材からのスプリアスエコー（疑似エコ
ー）を除去するのに供される減衰構造部178がある。こ
のような減衰構造部は、外延波動励起手段または感知ロ
ッド部材の各々に形成されるのが好ましく、ロッド部材
は、センサ本体181との接続部を超えて伸長可能であ
り、減衰構造部がロッド部材の各端部に形成可能であ
る。構造部178が好ましくは、タングステン充填エポキ
シ樹脂などの材料から形成可能でそしてロッド部材のイ
ンピーダンスに匹敵する特性インピーダンスを有する
が、ロッド部材の音速よりも小さい。図示されるよう
に、好ましい形状が、一またはそれ以上の波長距離にわ
たり、ロッド部材の直径の数倍の直径外側にテーパーし
ているものである。

多くの応用で、流体全体を通じて変化する、可動ない
し静止流体の特性を測定することが所望される。これ
は、ねじり波動センサから成るアレー部材を利用する本
発明によるシステムによって実現される。圧縮性流体に
おいて、また屋外タンクでのように流体が極端な圧力帯
域または変動する温度帯域にまたがるような流体と一緒
の場合に、または、流体の相遷移または状態遷移が起こ
り易い貯蔵条件のもとで、本発明による密度センサの配
列体が、流体の量または質量流量を定量化する有効な手
段である。水素スラッシなどの低温流体の容器、または
航空機燃料タンクで、密度分布測定が、いかなる局所的
条件のもとでも、その内容量を正確に測定するために行
うことが可能である。このような密度分布測定の別の応
用が、熱ポンプシステムなどのシステムで、溶解した塩
濃度分布のモニターすることである。

第７図は、このような密度分布を測定する装置220の
一実施例を図示する。励磁の目的のために、装置は、燃
料が上部翼面190と下部翼面191との間の空間を占める航
空機燃料タンクに装着された状態で図示されている。こ
の装置では、複数のリング形状導波手段221a,…221f
が、タンク内部230で、既知の垂直高さ場所および間隔
で吊り下げられ、そして、第４図の実施例と同様に、伸
縮波動を伝送しそしてこれをリング手段でねじり波動に
変換するために、各リング手段の縁部に堅く装着される
共通の励起ロッド部材223によって接続されている。複
数のリードアウト形ロッド部材224a、…224fが、各リン
グ手段の直径方向で反対側の場所からの波動エネルギー
を読出し、そしてコイル部材216a、…261fが波動エネル
ギーをトレース電気信号へ変換する。スロッシング防止
壁または別の壁構造体（図示せず）、センサアッセンブ
リの周囲に比較的安定なまたは緩慢に変化する燃料レベ
ルが提供されるよう、センサアッセンブリを包囲するこ
とが好ましい。比較的可撓性でそして軽量のプラスチッ
ク性のケージ（箱）もまた、センサアッセンブリのリン
グ手段を、音響的に結合することなく適所に保持するた
めに提供可能である。代替え的にまたは追加的に、ゆる
み嵌め形ねじ付きロッド部材が、個別のリング手段を音
響的に結合することなく、リング間隔を正確に制御する
ために各リング手段の厚い中央部分にタップが立てられ
た整列穴に挿通可能である。

この変換器アッセンブリで、戻り信号の間隔により、
各高さ場所での流体密度の直接測定が与えられる。流体
レベルがあるリング以下に低下するとき、ねじり波動速
度の急激な不連続性が生じ、こうして、流体の高さＨの
大まかな測定が行われる。

一般に、上記のＨおよびρパラメータは、もし燃料の
炭化水素の組成が正確に知られていなければ、航空機燃
料タンクの燃料量Ｍのエネルギー量またはそのほかの技
術的な種々の面を完全に特徴付けるには不十分であろ
う。したがって、装置220は、追加の測定を行いこれら
の変量を解明するために、独立の音響波トランスジュー
サ235と温度センサ240とを備えることが好ましい。

図示されているように、トランスジューサ235が、ラ
イン234の電気パルスを受信し、そしてリング手段221
a、…221fの各々から反射される超音波のバーストを発
生する。トランスジューサ235が、流体の伝搬速度ｃを
認定するために従来の仕方で処理されるライン234の出
力信号へこれらのエコーを変換する。ρセンサ形リング
手段の各々が、断面の詳細「Ｘ」で図示されるように、
ダイヤモンド形の断面とすることが可能である。しか
し、好ましくは、少なくともいくつかのρセンサ形リン
グ手段は、より良好に明瞭なエコーがトランスジューサ
に提供されるよう変更が加えられた底面を有する。断面
の詳細「Ｙ」が、この目的に適当な平坦化したダイヤモ
ンド形の変換手段を図示する。

さらに第７図に図示されるのが、一つの場所で流体の
温度Ｔを測定する温度センサ240である。第７図の複数
反射形密度分布測定装置は、以下のようにして燃料のマ
ス測定を提供する。一つの場所でのｃおよびＴの測定に
より、種々のタイプの燃料混合物または燃料のタイプの
唯一つの指示が与えられる。これは、たとえばJP−３や
ケロシンか航空機ガスおよび同様物などの通常の航空機
燃料について知られているデータチャートからのルック
アップ手続きによって得られる。ある所与の燃料につい
て、ρおよびｃ両方の温度依存性が知られる。こうし
て、導波手段221でのねじり波動伝搬を介してのρ分布
またはこれらの導波手段からの流体伝搬形波動の反射を
介してのｃ分布のいずれかの測定によっても、所定のタ
ンク形態とともに、燃料のマスクのこれらの性質の測定
が提供される。飛行中の燃料測定装置が、より正確な計
算結果が提供されるために、航空機の姿勢、ピッチ、ロ
ール、ヨーおよび重心に関するデータを追加利用可能で
ある。飛行機翼タンク（ここでは、できるだけ電気ワイ
ヤの数を少なくすることが望ましい）の燃料測定という
特別の場合に、できるだけ少ない数のリード部材を測定
装置に持たせることが有利である。本発明者は、種々の
超音波トランスジューサについての信号を分離するため
に唯一対の挿通ワイヤのみを有する装置を開発し、これ
は、局所帯域幅ろ波動作を使用する。もし液体が、日常
の巡航ではなく、飛行操縦により安定しないならば、適
当な経験的に確認可能な修正がロール、ピッチ、ヨーお
よび加速度の関数としてさらに適用されねばならず、こ
の場合、燃料タンクの一つ以上の場所で流体深さを測定
することが所望される。各々それを自身のリード部材を
有する複数のセンサユニットが使用可能である。

第８図は、このような局所ろ波ワイヤ配線を図示し、
２本のリード241、242が、信号を複数のトランスジュー
サへ運ぶためにタンクへ延長する。帯域幅が０〜1Hzの
低域フィルタである第１のバンドパスフィルタBPF1がラ
イン24の直流温度センサ信号を通過しそして一対のバン
ドパスフィルタBPF2およびBPF3が、それぞれρセンサ22
1a〜ｆおよびトランスジューサ235へ向かうそしてこれ
らからの信号を分離するのに使用される。これらの信号
は、時間態様でライン24を通過せられる。ρセンサはBP
F2の50〜150kHz帯域幅内の公称100kHzの信号で動作し、
そしてｃセンサはBPF3より高い0.8〜12MHz内の1MHzの信
号で動作する。共通のアースが提供される。

本発明による流体センサの利益が、コンジット壁から
一定の最小限の隙間が維持されているかぎり、流体とね
じり導波手段との相互作用は、コンジットの大きさおよ
び形態から高い程度に独立していることであり、それゆ
え、センサは後半な範囲の装置場所に横着可能であるこ
とである。たとえば、第3A図〜第3C図の実施例は単一の
パイプ開口部と一緒に装着可能である。第5A図に図示さ
れると同様のらせん形状形のセンサもまた、リードイン
形およびリードアウト形ロッド部材と一緒に、適当な直
径のプラグ嵌合い部材に装着することによって、単一開
口形装着に適当なようなされる。

追加の利益が、案内されるねじり波動が、流体を通じ
て伝送された別の超音波パルスをすでに有する流体系へ
相当に少量の妨害エネルギーしか招かないことである。
さらに、センサは、たとえば、代表的なダイヤモンド断
面形ρセンサについて１×３ミリメートルなど非常に小
型化可能であり、その結果、それらは、意義深いことひ
は別の信号を散乱しない。かくして、この種のセンサは
新規な装置構成体との合体に良好に適合せられる。堅牢
さが軽量性よりも大きな重要性を持つ工業的な応用に関
して、より大きな断面のものが使用可能である。この場
合、ねじり波長が、所望されない分散効果が回避される
よう、できるだけ最大限のセンサ断面寸法と比較して大
きいものとされる。本発明による最適化されたセンサの
主たる特徴が、ねじり波長センサの感度または正確度を
従来制限していた妨害を行なう分散効果の範囲よりも首
尾良く下であるセンサ寸法で有効な流体測定が実現され
ることである。

第９図が、この種の新規な装置250の一つを図示し、
これは、圧力降下をできるだけ最小限にしつつ質量流量
の認定を行なう。く形のナイフ断面を有する特別のフロ
ー部材252が、流体流れのラインに連結される。第４図
に図示されるのと同様のねじり導波手段からなる密度セ
ンサ254が、適当なパイプ嵌合い部材およびパッキング
部材により収容される励起ロッド部材および好まくは別
個のリードアウト形ロッド部材（参照番号なし）と一緒
にフロー部材252内に軸線方向に装着される。装着ブロ
ック部材257、258が角度配向された２つのクランプ形ト
ランスジューサ255、256が、速度依存性伝送時間測定が
提供されるよう、ジグザグ形の反射パスを追従する超音
波を発生しそして受信するために、コンジットの外側に
配置されそしてクランプ接続が行なわれる。この種のク
ランプ形流速感知のより詳細な説明が米国特許第3,906,
791号に記載されている。好ましくは、トランスジュー
サ255、256が対向伝搬波動を発生しそして受信する。

動作において、装置250はトランスジューサ255、256
の信号追跡により速度測定値を導出し、そしてねじり導
波手段254の追跡から密度測定値を導出する。２つの探
索モードが別個の周波数帯域（100kHz対1MHz）で動作し
そして物理的にそして音響的に実質的に独立している。
測定された速度および密度の値は、マスフロー出力値を
発生するために、順次乗算されそして、流れプロファイ
ルやスケールや計器校正を修正するＫ因子によって修正
される。

第９図の装置の好ましい変形装置では、特別に製造さ
れたく形のコンジット252は、Ｖトランスジューサが外
部にそして着脱自在に装着されるところの従来の丸いパ
イプ状のコンジットにより置換される。着脱自在性は、
トランスジューサアッセンブリを固定するために、流動
体、グリース（ウレタン、シリコーンゴムまたはネオプ
レンなどの）弾性部材、または（ワックスなどの）熱硬
化性結合材料を磁性クランプ部材、取り付けストラップ
部材またはベルクロ締めベルト部材とともに使用するこ
とによって、改善可能である。２つのトランスジューサ
が、いくつかの実施例で、共通のパイプ装着形シュー部
材へクランプ接続可能である。このような場合、クロス
トークを減ずるために、好ましくは、シュー部材のそれ
に匹敵する音響インピーダンスを有するタングステンが
充填されたエポキシなどの減衰材料がシュー部材に装着
さまたはトランスジューサ間でシュー部材のキャビティ
に導入される。

第10図は、丸いパイプ部材260を使用する、対応する
部材が第5A図および第９図と同じ番号が付されたこの種
の装置を図示する。この実施例で、くさびブロック部材
257、258と一緒にトランスジューサ255、256が、斜めに
屈折される波動を流体に発射するために、正しい角度に
トランスジューサを保持するために、平坦面を提供する
一対のシュー部材261、262へクランプ接続される。

この形態が、種々の大きさのパイプで使用されると
き、異なる壁厚さおよび異なるパイプ曲率に関連付けら
れる伝搬の変化を除去することが所望されよう。応用可
能な標準の下で、炭素鋼、合金鋼、およびステンレス鋼
でできた「標準」のパイプが以下の壁厚さで表わされ
る。

したがって、第10図のマスフローメーターの別の好ま
しい実施例では、速度感知部分は、第11A図〜第11C図で
図示されるように構成される。ここで、シュー部材を、
２つの速度クランプ形の対向伝搬トランスジューサの各
々の下方の領域でパイプに結合または接着した。シュー
部材の厚さＹは、パイプ壁の厚さＷが加えられるとき、
全体厚さＷ＋Ｙが一定となるよう選択される。有効な全
体厚さＷ＋Ｙが0.375インチである。なぜなら、これ
は、表１の全てのパイプを、直結が12ないし36インチの
パイプの標準の愛さと同じ厚さへ局所的に変換するから
である。こうして、本発明のこの態様によれば、各パイ
プ直径ごとに、パイプ壁の厚さがＫ−Ｙ（ここでＫは例
示的に一定の厚さ0.375インチである）であるよう、ア
ダプタのシュー部材が、厚さ寸法Ｙができるだけ最小限
でありそして接触面がパイプの外径と一致して提供され
る。実用的には、全体の厚さが１センチメートルである
ことが好ましく、その結果、共通のパイプ大きさがより
大きなものについてアダブタのシュー部材は、過度に薄
いウエブを有さない。

第11A図〜第11C図は、この種のあるシュー部材261の
端面図、粗綿図および斜視図である。図示されるよう
に、シュー部材261が、トランスジューサ部材と流体と
の間でのエネルギー伝送が十分大きいよう、パイプ外径
と一致する湾曲した底面265を有する。トランスジュー
サのくさび部材は、このパイプ接触部の上に直接接着さ
れ、シュー部材の一部または全体にわたり延長可能であ
る。シュー部材の長さに沿って中央部の切り出しまたは
レリーフ部267が、シュー部材の一部のパイプからのデ
カップリング（減結合）を行ない、そして、シュー部材
のテーパー付き端部269が、信号を制御、すなわち、シ
ュー部材のテーパー端部からのエコー動作（反響動作）
が大幅に阻止されるインピーダンスの徐々の変化を与え
る。

第11C図は、シュー部材の斜視図であるのに加えて、
レイリー様の波動を発生するために圧電トランスジュー
サを装着するためのくさび部材266の好ましい実施例を
図示する。くさび部材266が、１インチのく形の黄鋼ス
トック部材から形成されそして、ある角度で黄鋼くさび
部材へ波動を発射するよう、フェース面に対してπ/4の
角度で形成されるトランスジューサ装置端面268を有す
る。くさび部材266の黄鋼材料は、鋼製またはSSパイプ
での波動速度よりも低い速度シヤー波（剪断波）を伝搬
し、その結果、レイリー様の波が適当な角度でコンジッ
トに発射される。好ましくは、くさび部材266の長さ
は、境界条件を一定に維持しそれによりプレートモード
を制限または制御するために、シュー部材261のメイン
ボディの長さに近い。

第10図でさらに図示されるように、クランプ形速度セ
グメント260は、第5A図のセンサなどのダイヤモンド様
の断面のらせん形状または同様の形状のねじり導波手段
を包含するρセンサセル部材270への連続的に接続可能
である。図示のように、ねじりセンサは、ダイヤモンド
のナイフ状の縁部およびその主要なアスペクト寸法が流
れに平行なその配向により、部分的に無視できるほどの
小さな流れ障害を提供する。

本発明者は、以前にシュー部材が、クランプ形トラン
スジューサを収容するためにパイプ部材に付加されたこ
とを認める。しかし初期の使用では、シュー部材の目的
は、再現可能な場所で、容易な結合を行なうために平坦
面を生成することであった。本例では、シュー部材の厚
さは、表１の値が使用される公称のパイプ厚さまたは掲
げられた公称寸法から変わりうるパイプ壁厚さの現場の
測定値に基づいく実際のパイプ厚さのいずれをも補償す
るよう選択される。なお、本シュー部材は、好ましく
は、種々のパイプを、再現可能な波形および波動伝搬特
性に資する形態へ変換するために、それらの長さの殆ど
の部分にわたり、たとえば、0.25インチまたは0.50イン
チ幅などの一定の幅から成る。

この実施例を使用すると、パイプ中の流れは、たとえ
ば、パイプ壁の縦波の、シヤー波、レイリー様の波また
はラム波を使用して探索される。ラム波について、移送
速度は、一般に周波数と厚さの積の関数である。それゆ
え、パイプに近い音響性質を有する材料から形成される
シュー部材を用いて、Ｗ＋Ｙを一定にすることにより、
刷種のパイプで、ある所与の周波数のラム波を使用でき
そのうえ本質的に一つの位相速度による利益を享受でき
る。このシュー構成の別の利益が、シュー部材の端部の
形態の突然の変化が、もしそうでなければ液体発生信号
の正確な受信を妨害するであろうパイプ発生エネルギー
をブロックまたは反射する傾向がある点について、本発
明者のリンワースの米国特許第４、735、097に説明され
ているようにラム波またはこれとは別のプレート波（た
とえばレイリー様表面波）などで得られる。

シュー部材の翼端部での、Ｙ寸法がゼロに向かって小
さくなる徐々の薄層化によって、もしそうでなければ暫
時シュー部材に捕捉され続けるであろうエネルギーのた
めの無害な脱出路が提供される。最も良好な結果を得る
ためには、シュー部材はパイプと同様の材料から作られ
るが、穏当な結果が、炭素鋼、SS316またはSS304製のパ
イプで、SS304製のシュー部材を使用して得られる。同
様の性能が、同様の密度および音速の別の合金で期待さ
れる。くさび部材は、所望される境界条件およびそのほ
かの因子に応じて、シュー部材の一部または全体と接触
可能である。エネルギーが、パイプ壁で使用される特定
の波に部分的に依存して、固体または硬くない結合材料
によって、くさび部材／シュー部材界面およびシュー部
材／パイプ界面を横切って結合される。

第12図がさらに別の装置270を図示し、本発明による
センサが、囲包流体との相互作用が大きいねじり波動伝
搬が行なわれるような断面形態を有する。この装置で
は、既知の形態の高さがＫの大きな貯蔵容器またはタン
ク272が、高さＨの空気−流体界面へ到達する流体274を
包含している。断面が最適化された（たとえば、ダイヤ
モンド）ねじり導波手段278が、タンクの底部のアクセ
ス口から垂直方向に上方へ延長する。底部の励起／セン
サコイル部材16がパルサー／受信器インターバロメータ
ー17により賦活される。

導波手段278は、高さが少なくとも通常の使用の際
に、流体−空気界面の予想されるレベルを取り囲む範囲
にわたり延長する中央部分280を有する。好ましくは、
導波手段は、断面が円形のコイル部材16から延長する下
方部分および断面が密度感応性に形成される中央部分と
ともに、単一片または柱状材料から形成される。予想さ
れる流体レベルよりも上の一番上方の部分283もまた円
形断面を有していてもよい。中央部分280と異なって形
状の部分281、283との間に、所望されない反射をできる
だけ最小限にするために、形状が徐々に変化する部分が
提供され、これは、一ねじり波長よりも長いある長さに
わたり延長可能である。

信号のトレース図290が、界面エコー信号および端部
エコー信号の関係を図示する。界面エコー時間t₁は流体
密度の測定値を提供し、期間t₂−t₁はタンクの満たされ
ていない高さＫ−Ｈの測定値を提供する。

第13図は、断面が最適化された密度センサを包含する
本発明の別の装置300を図示する。この実施例では、第
１および第２のコンジット部302、304が、中央の接続部
303をはさんで、離間して直列に提供される。第１のコ
ンジット部302が、化学加工工業で使用されるような壁
厚が１ミリメートルのたとえばステンレス鋼の管類から
形成されるいくぶん可撓性のコンジットである。第２の
コンジット部304は、上述のように、中空のダイヤモン
ド形またはこれとは別のρ感応性形コンジットである。
介在するコンジット303は任意の形状が可能であり、そ
の機能は、音響結合またはエコー妨害を招くことなく流
体を包含することである。

装置のこの実施例では、低次のたわみ波動エネルギー
が第１のコンジット部302を伝搬する。好ましくは、対
向的に伝搬するたわみ波動が、コンジット部302の対向
端部に知られている間隔で配置された一対のトランスジ
ューサ306a、306bにより投射される。適当なトランスジ
ューサ機構およびたわみ波動／流体相互作用の論議がIE
EE（1987年）の「Ultrasonics Symposium」と標題の付
されたプロシーディング（ビー・アール・マカボイ（B.
R.McAvoy）編集）、第１巻、569ページ〜572ページ所収
のイー・デュールッセント（E.Dieulesaint）、ディー
・ロイヤー（D.Royer）、オー・レグラス（O.Legras）
およびエフ・ブーベナイダー（F.Boubenider）による
「A Guided Acoustic Wave Liquid Level Sensor」とい
う題名の記事に記載されている。薄壁のコンジット302
に低次のたわみ波動を対向的に伝搬することによって流
速を検出するために、強い流体−導波手段相互作用が第
13図の装置で利用される。コンジット部304は、ねじり
波動が課されそして励起／感知ロッド部材308a、308bに
より検出される断面が中空のダイヤモンド形またはこれ
とは別のρ感応性形の断面である。プロセッシングユニ
ット309、310は、マスフロー出力Ｍが得られよう、マル
チプライヤ311により乗算され順次スケールや流れプロ
ファイルや較正を修正する装置の計器因子Ｋにより修正
を受ける速度測定値および密度測定値を発生する。種々
のユニット309、310311、312は、必要とされる計算操作
を行うために、種々のソフトウエアプロセッシングモジ
ュールを走らせる単一の信号処理／インターバロメータ
ーのフロントエンド部で実行可能である。

第14図は、ダウンホール流体センサ手段として適当な
本発明による装置を図示する。ダウンホール流体センサ
手段320は、壁部321によって画定される挿通孔内に従来
の手段によって機械的に心出しが行われ、その結果、流
体がセンサ手段320の周囲の環状空間322を満たす。ダウ
ンホール流体センサ手段320は、43ミリ以下の直径を有
し、後述するように、環状空間322の流体を直接通じて
の超音波信号測定を行うために、画定された場所の方へ
センサ手段320から揺動する一対の対向可能な超音波変
換器330a、330bを囲包する。トランスジューサ330a、33
0b間で、流体サンプリング流れセグメント323が、環状
領域322と流体を介して連通状態の細長く覆いのないス
ロット部324を有し、挿通孔の流体の密度および粘性を
感知する２輪郭形流れセンサ326を包囲する。

２重要素形センサ326はほとんど第４図に図示のもの
と同様であり、そのねじ山が切られそしてダイヤモンド
形であるセンサ本体部326a、326bが、センサ手段本体部
のスロット部324に横たわる。好ましくは、センサ本体
部の一つまたは両方は、詳細な断面図327a、327bに示さ
れるように、その外側の環体面側部で流体と優先的に相
互作用を行うよう非対称である。なお、２つのセンサ本
体部品の長さは、それらの各コイル部材で発生される信
号が時間的にばらばらに分離されるよう、十分に長さが
毎なることが好ましい。これは、コイル部材が単一の電
気的リードへ電気的に並列され、それにより、必要とさ
れるワイヤの数が低減されるのを可能にする。

Ｖセンサ330a、330bは、幅の狭い磁歪賦活型端部から
波動放射面に向けてテーパーしている点で、第６図で参
照番号184、185で示されるものと同様である。センサ33
0a、330bは、いったん下向きになると中央点334の周囲
にセンサ本体から外側にピボット回転することによっ
て、環状のギャップへ散開ないし動くことができるよ
う、ばね333aによりばね負荷が与えられるかまたはモー
ターにより駆動せられる。センサは、挿通穴の側部での
偶発的な衝撃に耐えるよう設計された曲線状の端部を有
する。端面は、上述のように散開されるとき平行である
必要はないが、もしこれらの端面が投射波長よりも小さ
いかまたはこれに匹敵するならば、それらはまるで点源
のように作用する。これはアライメントを重要でないも
のとする。放射端部の有効な半径方向位置は、LVDTまた
はこれとは別の位置センサ335によって指示され、また
は、トランスジューサの内端面と当接する停止部材336
により制御される。これにより、ピボット点334が固定
されそしてプローブ形態が固定されれば、環状部分での
トランスジューサ330a、330b間の信号のための正確なパ
ス長さが決定される。このダウンホール装置は、全ての
センサ／トランスジューサ330a、330b、326a、326bのた
めに感知波動を発生しそしてこれを検出するために磁歪
アクチュエーターを使用する。磁歪部材は900℃の範囲
で、あるキュリー温度を有し、これは従来の圧電感知装
置の300℃の範囲を大幅に超える環境での動作を可能に
する。ダウンホール装置は密度、粘性および速度を測定
する。こうして、液体直径Ｄが知られれば、レイノルズ
ReがRe（＝ρVD/η）として容易に計算される。

本発明の技術思想から逸脱することなく当業者であれ
ば種々の応用・変更が可能であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、従来のねじり波動センサの概念
図である。 第3A図は、第１の流体特性を感知するのに最適化された
本発明による第１のセンサの実施例の模式図である。 第3B図は、第２の流体特性を感知するのに最適化された
本発明による第２のセンサの実施例の模式図である。 第3C図は、種々の流体特性を同時に感知するのに最適化
された本発明による第３のセンサの実施例の模式図であ
る。 第４図は、本発明による２特性形センサの別の実施例の
模式図である。 第５図および第5A図は、流れセルに装着されたねじり波
動センサの別の実施例の模式図である。 第６図および第6A図はマスフローの認定を行なうのに利
用される本発明の装置の模式図である。 第７図は、複数のパラメータを感知する本発明による密
度分布感知装置の概念図である。 第８図は、第７図の密度分布感知装置のための好ましい
電気回路系の結線図である。 第９図は、本発明によるクランプ系マスフロー感知装置
の概念図である。 第10図は、第９図の装置に改良を加えた本発明による別
の好ましい実施例の装置の模式図でありる。 第11A図はシュー部材の断面図である。 第11B図はシュー部材の側面図である。 第11C図はシュー部材の斜視図である。 第12図は、貯蔵タンクに適当な本発明によるセンサの別
の実施例の説明図である。 第13図は、プロセスフローコンジットとして構成された
本発明による２要素形センサの概念図である。 第14図は本発明によるダウンホール装置の説明図であ
る。

フロントページの続き (72)発明者 トアン・エイチ・ングユイエン 米国マサチューセッツ州ニーダム、グレ イト・プレイン・アベニュー135 (56)参考文献 特開 昭63−134935（ＪＰ，Ａ) 米国特許4193291（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 11/10 - 11/16 G01N 9/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体の物理的性質を感知するためのセンサ
   において、 ある断面形状とある長さを有するセンサ本体を具備し、 該センサは、前記長さの少くとも一部が流体に浸漬され
   るよう装着可能であり、 前記センサは、流体の物理的性質に機能的に依存する仕
   方でねじり波動の伝搬に影響を与えるために、前記一部
   に沿って、流体と相互作用を行う該ねじり波動を伝搬す
   るよう動作し、 前記断面形状は、長軸と短軸によって画定される１より
   も大きなアスペクト比を有し、同一アスペクト比のだ円
   の輪郭内に任意の輪郭を有するセンサ。
2. 【請求項２】流体の物理的性質を感知するためのセンサ
   において、 少くとも一部分が流体への浸漬に適当なようにされたセ
   ンサ本体であって、前記一部でのねじり波動の伝搬が前
   記流体との接触によって修正されるようになされるセン
   サ本体を具備し、 前記一部分の第１の部位は、前記流体の第１の性質に機
   能的に依存して、前記波動伝搬を修正するよう選択され
   るある断面形状を有し、前記一部分の第２の部位は、前
   記第１の性質と異なる前記流体の第２の性質に機能的に
   依存して、前記波動伝搬を修正するよう選択されるある
   形状を有するセンサ。
3. 【請求項３】流体の性質を感知するためのセンサにおい
   て、 該センサは、流体への浸漬に適当なようになっておりこ
   こを通じてのねじり波動の伝搬に適当なようになってい
   る本体部分を具備し、 本体部分は、それを伝搬するねじり波動速度が主として
   流体密度に依存し、流体粘性に対してはより少なく依存
   するようにされたダイヤモンド形の断面形状を有するセ
   ンサ。
4. 【請求項４】流体の性質を感知するためのセンサにおい
   て、 該センサは、流体への浸漬に適当なようになっておりこ
   こを通じてのねじる波動の伝搬に適当なようなっている
   本体部分を具備し、 本体部分は、それを伝搬するねじり波動速度が主として
   流体粘性に依存し、流体密度に対してはより少なく依存
   するようにされた断面形状を有するセンサ。
5. 【請求項５】流体のパラメータの検出を行う装置におい
   て、 流体にその長さの少くとも一部に沿って浸漬が行われる
   よう装着されるセンサと、 該センサに沿って伝搬するよう、該センサにねじり波動
   を励起する波動起動手段と、 伝波流動を検出する検出手段と、 流体の物理的特性を認定するために、前記検出手段に応
   答するプロセッシング手段と、 を具備し、 前記センサは、ダイヤモンド形の断面を有することを特
   徴とする流体パラメータ検出装置。