JP3571345B2 - 超音波方法により流体パラメータを測定する方法およびシステム - Google Patents

Description

［発明の技術的背景］
1.技術分野
本発明は超音波方法による流体パラメータ測定用方法およびシステムに関し、特に本発明のシステムは流体サンプルの熱力学特性を測定するために超音波方法を使用する。
2.関連技術の説明
液体の体積対圧力および／または温度（“Ｐ−Ｖ−Ｔデータ”）の関数は多数の科学および技術の分野で重要である。Ｐ−Ｖ−Ｔデータはそれぞれの状態式によって液体を含む濃縮物の完全な熱力学特性の基礎である。
Ｐ−Ｖ−Ｔデータを測定する種々の方法は技術で知られている。特に、期待されているのは超音波方法であり、これは濃縮されたものの音速は10^-6程度の正確度で決定されることができるので、ほとんどの他の方法よりも高い正確度を得るための固有の潜在性があるからである。
材料のパラメータを決定する超音波方法は、一般に種々の圧力および温度で調査されるべき材料における超音波の速度および選択的に減衰の測定を含んでいる。材料の断熱圧縮性は直接音の速度に相関され、従って、通常の圧力で問題となる温度における調査下で材料密度の絶対値が知られているならば、材料のＰ−Ｖ−Ｔデータは種々の圧力および温度における音波、特に超音波の速度の測定から得られることができる。
液体の音響インピーダンスＺは液体の密度ρと液体中の音の速度ｃの関数である。
Ｚ＝ρｃ （１）
音響共振器セル中のサンプル液体の層の音響共振f_n（簡潔に言うと、“液体共振”）と、セルのエミッタおよび受信機のトランスデューサ（同一と考えられる）の共振は基本周波数f₀およびその奇数倍で相互に結合され、これらの共振の相互作用を生じる。それ故、トランスデューサとサンプル液体との間の境界における超音波共振器の音波の反射は、サンプル液体の音響インピーダンスＺとトランスデューサ材料の音響インピーダンスZ₀の関数である。
結合効果は一方ではトランスデューサ共振の周波数と液体のそれぞれの共振の周波数との差と、他方ではサンプル液体とトランスデューサ材料の音響インピーダンスに依存される。
超音波共振器の性質についてのより特別な理論的考察は、トランスデューサの背後が空気である状態のとき、液体共振周波数

における反射状態はほぼ理想的であり、即ち液体共振の振幅と位相はトランスデューサの共振と独立されることができることを示している。それ故、これらの周波数でサンプル液体中の音の速度および吸収の値を評価することは容易である。しかしながら、トランスデューサの共振周波数に近い液体共振は理想的ではない状態の音波反射により悪影響を受ける。これは種々の理論的な論文で議論されている。全てのこれらの理論的説明では、理想的ではない液体共振における反射状態の効果は一方では液体とトランスデューサ材料の音響インピーダンスの関数として説明され、他方ではトランスデューサの共振周波数からの各液体共振の共振周波数における距離の関数として説明されている（例えば文献A.P.SarvazyanとT.V.ChalikianのUltrasonics 29（1991年）、119〜124頁参照）。トランスデューサ材料の音響インピーダンスが知られているならば、サンプル液体のインピーダンスとその密度は理想的ではない反射状態により生じる液体共振の変化から評価されることができる。
SarvazyanとChalikian（l.c.）はまた液体パラメータの超音波測定用装置を開示している。装置は超音波共振器セルを含んでおり、これは調査される液体を含んでいる少なくとも１つの共振器空洞を限定する１対の電気音響トランスデューサを具備している。共振器セルはサンプルを圧縮しトランスデューサをバックする加圧された流体を含んだ圧力容器中に位置されている。
濃縮材料、特に液体のパラメータを測定するための超音波共振セルおよび電子回路を含んだシステムは、国際特許第WO92/03723号明細書でSarvazyanとBelonenkoとChalikianにより説明されている。既知の回路はVCOが同期される超音波共振セルの特定の共振ピークを選択することを可能にする素子を含んでいない。実際上、共振器セルの位相対周波数特性がその偶数または奇数の高調波共振で（モジュロ２π）周期的に反復するので、位相ロック用の位相差状態は複数の周波数により満たされる。ピークの振幅対周波数特性を決定するために特定の共振ピークを近接して走査するための装置は設けられていない。
半分実験に基づいた式により液体共振の共振周波数から液体の密度を決定することがSU−Ａ−68437から知られている。これらの式の応用はトランスデューサ共振付近における調査下で液体の共振周波数の測定を必要とし、ここでは共振の品質は著しく減少される。即ち共振ピークは不適切に広くされる。従って、共振周波数の測定は正確度が制限されて実行されることができ、この方法により得られる密度値の正確度はＰ−Ｖ−Ｔ評価の正確な結果には不十分である。しかしながら、試験下で液体の密度の正確な決定は信頼性のあるＰ−Ｖ−Ｔ測定の必須の必要条件である。
［発明の要約］
それ故、本発明の目的は、超音波共振器方法により特に液体のような濃縮物のパラメータを正確に測定する優れた方法および装置を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、超音波共振器方法により液体の密度の絶対値を含む液体のＰ−Ｖ−Ｔパラメータを自動的に測定する方法および装置を提供することである。
これらの目的は、液体の密度等のＰ−Ｖ−Ｔパラメータに関するデータを生成する方法により達成され、ここで液体のサンプルの共振性質は超音波共振器セルにおいて調査され、この共振器セルは空洞内の前記サンプルへ周波数の変化する超音波を供給することによって、送信機超音波トランスデューサと、対向する受信機の超音波トランスデューサと、前記トランスデューサ間のサンプル空洞を有し、前記方法は、
ａ）空洞を基準液体で充満し、
ｂ）前記共振器セルの周波数限界（film）より上の予め定められた周波数範囲にあるこのような複数の共振周波数のうち少なくとも１つの超音波の共振周波数波を選択し、前記共振セルの周波数限界より上における前記セル中の超音波の回折効果を無視することができ、
ｃ）前記空洞または類似の共振器セルの空洞を前記サンプルで充満し、
ｄ）超音波周波数信号を前記送信トランスデューサに供給することにより、前記選択された共振周波数の超音波を前記サンプルで充満された前記セル中の前記サンプルに供給し、
ｅ）前記サンプルで充満された前記セル中の超音波の最大振幅レベルが生じる第１の周波数値と、前記超音波の振幅が前記最大のレベルよりも低い予め定められたレベルを有する第２および第３の周波数値とを決定するために、前記供給された信号と前記受信トランスデューサの出力信号の間の位相差を変化するステップを有する。
超音波方法により液体の密度のようなパラメータを測定するシステムは、
ａ）制御入力端子と出力端子とを有する電圧制御された発振器（VCO）と、
ｂ）電気音響送信トランスデューサと、対向する電気音響受信トランスデューサと、前記トランスデューサの間のサンプル空洞とを含み、前記送信トランスデューサは前記VCOの出力端子に結合された入力端子を有し、前記受信トランスデューサは出力端子を有し、前記セルは複数の共振を示す超音波共振器セルと、
ｃ）前記セルを含み、前記受信トランスデューサの出力端子を前記電圧制御された発振器の制御入力に結合する位相ロックループ（PLL）回路と、
ｄ）前記受信トランスデューサに結合され、その出力信号に応答する手段と、
ｅ）前記受信トランスデューサの出力信号に関して前記送信トランスデューサへ供給された前記信号の位相を制御し変化するために前記位相ロックループに結合された手段とを含んでおり、
ｆ）前記発振器により生成された周波数を前記セルの前記複数の共振の所望のものに設定するために可変周波数制御電圧を前記位相ロックループへ導入する手段を特徴とする。
従って、液体共振の品質係数を使用する液体サンプルの密度の新規でより正確な測定処理が発明されている。液体共振の品質係数は半パワーの帯域幅（GPBW）Δf_nから得られ、これは液体共振ピークの振幅対周波数または位相対周波数特性により決定される。最大の振幅の周波数が適切に限定されていない広い共振しか得られない場合であっても、共振の最大値での振幅レベルA_maxは最大値に近い雑音を消去するように平均化することによって高い正確度で決定することができる。共振曲線はこれらの振幅レベルでかなり急勾配なので、共振最大値の両側の側面上の0.707A_max（または他の適切な値）に対応する振幅値における周波数f'とf''は十分正確に測定されることができる。結果として、Δf_n値の正確度は共振周波数f_nの直接測定の正確度とは独立している。共振周波数f_nのより正確な決定は、共振ピークがレベル0.707A_maxの上で対称的であるならば、半分のパワーの周波数を算術的に平均することにより達成される。
液体の品質係数は半分のパワーの帯域幅（HPBW）Δf_nまたは他の適切なパワーレベルから導出され、これは液体共振ピークの振幅対周波数特性から決定される。等価的な方法で、共振の位相対周波数特性は中心周波数と品質係数の評価用に使用されることができる。位相対周波数特性の最も急勾配の部分の位置は共振の中心に対応し、位相特性の勾配は品質係数の直接関数である。
【図面の簡単な説明】
図１は超音波共振セル対周波数で生じる損失成分の図である。
図２は本発明の方法で有効な関数の図である。
図３は本発明による方法の実施形態の種々のステップの図である。
図４は部分的に断面図であり、部分的にブロック図の形態である本発明が実施される超音波測定システムの概略図である。
図５は図４で示されているタイプのシステムで有効な電子回路の図である。
図６は本発明による方法の実施例の種々のステップの図である。
図７乃至９は本発明が実施されることができる別の超音波測定システムを示している。
［好ましい実施例の詳細な説明］
後述するように、用語“超音波液体共振器”は、例えば国際特許出願PCT/EP93/02113号明細書で記載されているようにサンプル液体を受けるための空洞を限定するため固定した距離で相互に並列に取付けられている同一直径の平坦な１対の円形ディスク型電気音響トランスデューサを具備した超音波共振器に対して使用されている。
超音波液体共振器の特性パラメータを以下に記す。
r₀ ＝トランスデューサの実効半径；
ｄ ＝トランスデューサの距離（＝空洞中の超音波の経路長）；
f₀ ＝トランスデューサの基本共振周波数（両者のトランスデューサで等しいと仮定される）；
f_n ＝液体共振＃ｎの共振最大値の周波数；
Δf_n＝周波数f_nにおける液体共振のHPBW;
Q_n ＝周波数f_nにおける共振の品質係数Q:
Q_n＝f_n/Δf_n;
λ＝空洞中の超音波の波長。
共振周波数f_nの超音波液体共振器で生じる損失は次式のように定められることができる。
L_n＝1/Q_n＝Δf_n/f_n （２）
これは４つの後続の損失成分の合計であり、これは加法で、量的に記載されることができる。
（ｉ）損失L_absはサンプル液体による吸収により生じた。調査下の周波数範囲における緩和が示されない液体に対して、この貢献はf_nの線形関数である。
（ii）損失L_diffは、低周波数範囲の回折により生じ、音響吸収は低く、それ故共振器中での音波の伝播距離は比較的長い。さらに、低い周波数範囲では、トランスデューサからの放射は音響フィールドの特性により強く影響され、これはr₀とλに依存される。この損失成分はf_nのさらに複雑な関数に応じて周波数の増加と供に急速に減少する。この関数の重要な特徴は、L_diffがそれぞれ個々の共振器の特性である限定された周波数f_limで実質的にゼロに減少され、サンプル液体サンプルのr₀とｃと音響吸収係数αから計算されることができることである。

（iii）f_nの線形関数でもあるさらに別の損失成分（L_geo）は超音波共振器空洞の構造により音響ビームの制限により生じる。
（iv）最終的に、トランスデューサの共振周波数の近くで観察された第４の損失成分L_reflはトランスデューサの表面で理想的ではない反射状態により生じる。L_reflの第１オーダーの近似として、以下の式が使用される。

例えば文献（A.P.Saravazyan氏のUltrasonics 29（1991年）119〜124頁）を参照。
［超音波共振器測定による液体密度の決定］
全ての測定はＰ−Ｖ−Ｔ技術により調査される液体のサンプルで満たされたＰ−Ｖ−Ｔ共振器セルを使用して実行される。セルは加圧された液体中にで浸漬されるのではなく空気中で動作される。AAトランスデューサによる共振器の量的処理はより簡単な式に導かれ、それ故、密度のより正確な決定はこれらの状態下で可能である。
サンプル流体で満たされた使用される共振器セルの第１のf_limが計算される。立方根でのみf_limの値に貢献するのでf_limの計算用のαとｃの正確度は臨界的ではない。それ故、αとｃの近似値でさえも使用されることができる。r₀の正確度はより重要であるが、全体として、より低い周波数限定のみを生じるので、この計算はそれ程臨界的ではなく、全ての測定は前述のこの制限より上で適切に実行されるべきである。
次のステップは（ｆ_π＝f₀/2）の奇数倍に近いがf_limよりも上である周波数f_nにおけるL_abs＋L_geoの測定である。
（L_abs＋L_geo）/f_n＝Δf_abs+geo/f_n ²
＝ε_abs+geo＝一定
共振器の全ての周波数では、これらの損失成分は各共振周波数において計算されることができる。
第３のステップでは、f₀の奇数倍近くの理想的ではない反射状態下の液体共振が測定され、結果からサンプル液体の密度が評価される。
この目的で、トランスデューサの両側の共振周波数の両側で１以上の液体共振のΔf_nが測定される。後に平均するために有効であるのは１対の共振f_n1f_n2の測定であり、共振はトランスデューサ共振周波数の中心からほぼ同一の距離を有し、

である。これらのΔf_n値から、L_reflとΔf_reflの対応する値が得られる。
Δf_refl＝Δf_n−ε_abs+geof_n ²
それから−ln（cosθ）は式（４）を使用して計算される。
幾つかの方法が−ln（cosθ）からのθの評価に使用されることができる。重要なことは、Δf_n測定の正確度が影響を受けるこのステップにおける近似値の使用が最終的な密度値の正確度を直接減少することに留意することである。
−ln（cosθ）値から直接Ｊ＝z/tg（πf_n/f₀）の値を評価することが好ましい。これは適切な関数（図２参照）またはより好ましくは対応する大きさの正確な数字データを含んでいる検索表（付録を参照）の使用による近似値によって可能である。両者の大きさの関係は滑らかな関数（図２参照）であり、従ってディスクリートな値の線形補間は容易に可能である。自動評価では、電子検索表が使用されてもよい。このような動作は狭い数値範囲でのみ生じる実際的な値ｚとしてかなりの正確度で容易に実行されることができる。実際的に20℃での（水銀を除く）全ての液体の音響インピーダンスの範囲を以下に示す。
ヘキサンでは、0.708×10⁶［kg/m²s］
水では1.50×10⁶［kg/m²s］
グリセリンでは、2.24×10⁶［kg/m²s］
ブロモホルムでは2.68×10⁶［kg/m²s］
式（４）、（５）の第１近似の近似値が適用可能である範囲はトランスデューサおよびサンプル流体の音響インピーダンスに依存し、水晶（z₀＝15.105×10⁶［kg/m²s］）およびニオブ酸リチウム（z₀＝34.404×10⁶［kg/m²s］）で作られているトランスデューサに対する適用は以下の限定になる。

上述の周波数限界f'は理論的限界である。実際に評価の正確度はトランスデューサ共振の両側のより広い周波数範囲で減少される。
式（７）、（８）を使用して、音響インピーダンスｚと密度の比率は以下のように容易に計算されることができる。

評価処理の正確度と信頼性を増加するために、実効的なトランスデューサ共振周波数はトランスデューサ共振の両側で対応する１対の液体共振から計算されるべきである。また、トランスデューサの実効的な音響インピーダンスは水で充満されている基準セルの共振から評価されるべきである。適切な平均処理は幾つかの液体共振のデータまたはトランスデューサ共振の両側の対応する１対の共振のデータを使用して実行されることができる。
図３は、部分的に断面図で、部分的にブロック図の形態で、液体サンプルのＰ−Ｖ−Ｔデータを測定する超音波測定システムの基本的要素を示している。これは加圧送信液体123で充満されている加圧容器102に位置する音響共振器セル100を具備している。加圧送信液体は電子制御ユニット111により制御される電気モータユニットのような付勢手段を含んでいる高圧力ピストンポンプ104により圧力を加えられる。適切なポンプは国際特許出願第PCT/EP93/01840号明細書に記載されている。
ポンプシリンダに関するポンプピストンの変位は変位センサ106により感知される。ポンプシリンダ内の圧力は力センサ105により感知される。センサ105,106の出力信号は制御ユニット111にフィードバックされる。通常、システムはさらに後述される音響共振器の電気的特性を感知するための自動的に動作する回路109を具備している。これらの音響共振器のいくつかはセル100で結合される液体共振器セルである。セル100の温度は圧力容器が内部に取付けられている温度調節装置124により厳密に制御される。温度調節装置は制御ユニット122により制御される。高い正確度のＰ−Ｖ−Ｔ測定に対して加圧システムの膨張が考慮されなければならない。応力センサまたは音響トランスデューサ113は加圧容器に結合される。このシステムは回路109を使用することにより監視される音響共振器として動作してもよい。
メモリおよび制御ユニット112は前述の種々のユニットの制御を行う。
本発明の好ましい実施例を構成する図４のシステムは、それぞれ電気音響送信トランスデューサ３と空洞２と電気音響受信トランスデューサ４とを含んでいる複数の音響共振器セル100を具備している。共振器セルは、図示されているように、制御端子5cを有し、そこに供給される制御信号の制御下で、スイッチ入力端子5aとスイッチ出力端子5bとの間の所望のセル100に接続するように構成されている選択スイッチ手段５の間に結合されている。電圧制御された発振器VCO1は入力端子5aに結合されている出力と制御入力とを有する。VCO1の周波数は制御入力に接続される電子フィードバック通路を介して制御され、それによって選択されたセルの受信されたピエゾ電気トランスデューサ４により与えられる出力信号は発振器１からこのセルの送信トランスデューサ３へ供給される駆動電圧に関してよく限定された位相差を有する。フィードバックループは、共振器セルの共振周波数と、選択された音響セル100の駆動信号と出力信号との間の位相差によって限定された周波数へ発振器１を固定する位相ロックループの一部である。この位相差は、後述するように外側で選択されることができる。発振器出力はさらに位相比較器として動作するパルス発生回路７に対する位相基準としてさらに使用される。外部の制御下で位相基準信号を反転する手段が設けられてもよい。
フィードバック路を含むPLLは以下の要素を有する。
ａ）電圧制御発振器VCO1は前記制御入力に供給された入力制御電圧の単調な関数である出力周波数を生成するタイプである。VCO1の出力電圧の振幅はVCOの動作の周波数とは独立されるべきである。
ｂ）それぞれ単極多投スイッチとして動作する入力部分と出力部分を具備する２部分の選択スイッチ５は所望のセル100をPLLに結合する。
ｃ）制限増幅器回路６は、選択されたセル100の出力から信号を受信し、受信信号の符号または極性を有し、その位相を維持する方形波へこれを成形する。
ｄ）位相比較装置回路７は駆動発振器１出力信号と増幅器回路６の出力信号の間の位相差に比例する一定の振幅および幅の単方向パルスを生成する高いインピーダンス電流源を構成する。
ｅ）加算回路14aは、位相比較装置７の出力信号を受信するように結合されている第１の入力と、位相制御電圧の役目を行う第１の可変電圧を与えるデジタルアナログ（D/A）コンバータ回路８の出力に結合される第２の入力とを有する。回路８はPCまたは他の適切な制御手段を具備する制御回路９からデジタル位相制御信号を受信する。
ｆ）積分回路10は加算回路14aの出力端子に接続される入力を有し、位相差を表す位相比較装置７からの電流パルスの合計と、調節可能な位相制御電圧に比例する反対の電流の時間積分に比例する出力電圧を与える。積分回路10は外部の制御可能なスイッチ11により制御され、これは制御端子11aを有し、付勢されるとき、例えば接地電位のような定められたレベルへ積分器出力電圧をリセットする。これは位相検出器７からVCO1までのフィードバック路を不活性にし、それによってPLLを中断する。
ｈ）第２の加算回路14bは積分回路10の出力に接続されている第１の入力と、第２の可変電圧（周波数制御電圧）を与えるためさらに別のデジタルアナログコンバータ回路12に結合された第２の入力を具備している。回路12はPCまたは他の適当な制御手段からデジタル周波数制御入力信号を受信する。加算回路14bの出力端子はVCOの制御入力に結合され、それによってループを閉じる。
図４の回路はさらに発振器の出力信号の周波数とセル出力信号の振幅を測定する回路をさらに具備している。
発振器周波数を測定する回路はタイマー回路を具備しており、このタイマー回路は、クロックパルスを与える水晶発振器15と、予め設定された数からゼロまでクロックパルスをカウントダウンすることによりタイマー期間を与える予め設定可能なカウンタ16と、クロックパルスと共に端子17aに供給される外部開始信号を同期するためのフリップフロップ回路17とを含んでおり、それによって、タイマー回路により設定されたタイマー期間の開始と終了はクロックパルスに一致する。タイマー回路はVCO1出力信号を受信するカウンタ回路18のカウント期間を制御する。
セル100の振幅を表す信号を発生する回路は乗算器回路19を具備し、出力端子5bでの出力信号はそれ自身の符号により即ち、限定された増幅器６から得られる同様の極性の対応する信号によって乗算され、結果的な信号は、時定数制御信号を受信するために制御入力端子21aを有する平均回路で平均され、デジタル表示装置またはPCを接続するための出力端子20aに結合されるアナログデジタルコンバータを有するユニット20により処理される。
前述したように、積分装置10と組合わせたスイッチ11は外部制御下で加算器14bから積分装置10を切離すことによりフィードバックを中断する手段を形成し、従って、システムは一般的な回路網分析装置として動作することができ、発振器の周波数は回路12の出力によってのみ制御される。この場合、集積回路10は、位相検出装置７から単一の入力を受信し、共振器セルから受信された信号の位相を表す出力信号を供給するローパス増幅器として動作する。このような信号は外部から制御されるアナログマルチプレクサ21を使用することによりユニット20のA/Dコンバータへの回路19の出力よりも代りの入力として選択されてもよい。この動作モードに必要とされるマルチプレクサのスイッチは同等に構成要素10,8,20に内蔵されてもよい。
図４の回路の第１の動作モードは回路網解析モードである。このモードでは、VCO1の周波数はユニット13で周波数制御D/Aコンバータの入力電圧の段階状の変化により予め定められた周波数範囲にわたってステップされる。各ステップで、周波数はタイマー回路15,16,17により決定される期間に対してカウンタ18により発振器１の発振をカウントすることにより測定される。このカウント期間は端子17aに供給される制御電圧により選択される。カウント期間は所望の正確度に適切であるべきであり、実際上メガヘルツ範囲のVCO周波数では10乃至100ミリ秒の間であってもよい。さらに、タイミング期間は選択された共振器セル100からこの周波数で与えられる信号の振幅および位相の複数の測定を可能にするのに十分な長さであるべきである。これらの測定は正確度を改良するために平均化されてもよい。結果として、セルの幾つかの共振周波数を含んだ周波数範囲にわたる位相・周波数と振幅・周波数のグラフが得られる。この情報はこの範囲の所望の共振を選択するためにユニット13中の周波数制御D/Aコンバータの入力電圧を決定するために使用される。
周波数制御D/Aコンバータユニットが特定の所望の共振に設定され、ユニット９の位相制御D/Aコンバータが位相比較装置７のロック範囲内の適切な値に設定された後に通常開始される第２の動作モードは、PLL動作モードであり、これはフィードバック路を閉じることにより、即ち端子11aで適切な制御信号レベルにより積分装置10を付勢することによってオンに切換えられる。この動作モードでは、位相制御D/Aコンバータの入力電圧は段階状に変化される。各ステップで、発振器１の周波数が決定される。各周波数カウント間隔期間中、多重振幅測定と、例えばサンプルの温度および圧力のような他のパラメータの測定が実行され平均化される。
システムは、（フィードバック路を遮断する）外部により制御されたスイッチ11を短時間一時的に閉じて、この期間中に周波数制御電圧の設定を変化することによって選択されたセルの別の共振周波数に切換えられることができる。遮断の期間はVCO1が新しい周波数で安定されることを可能にするのに十分長くなければならない。スイッチ11が開き従って、積分装置10が動作してフィードバック路に結合されている状態では、フィードバック路は積分装置10の出力電圧の対応する逆変化によって回路12の出力における電圧変化を補償するので、周波数制御電圧の変化はVCOの動作周波数を変化しない。
図５のシステムは本発明の好ましい実施例であり、図４を参照して示され説明されているタイプの回路を具備している。したがって、同一の参照符号が図４、５の類似の素子で使用されている。
図５のシステムは図４を参照して示され説明されているものと類似の位相ロックループPLLを具備している。さらに図５のシステムの主要な要素は数学的論理ユニットALU50と、計算回路52と、マイクロプロセッサを有する制御ユニット54である。
図５のシステムはさらに計算回路52により処理される周波数および振幅値を記憶するレジスタ56と、正弦波変調信号でD/A回路により与えられるアナログ位相制御電圧を変調する変調回路58とを含んでいる。変調回路は超音波の周波数と比較して低い周波数の正弦波変調信号を与える変調電圧源60を含んでおり、さらに、変調信号発生器60を活性化または不活性化にする変調スイッチ62と、D/A8と発生器60の出力信号からの位相制御電圧を受信し、変調された位相制御信号を加算器14aに出力する変調器64を含んでいる。
変調信号はさらに平均回路21の出力から信号を表す振幅を受信する第２の入力を有する乗算器回路66の第１の入力に結合されている。
乗算器回路66の出力端子はローパスフィルタ70を経てエラーまたは偏差信号発生回路に結合される。この回路は制御ユニット54の偏差信号入力へ偏差信号を与える。偏差信号は、乗算器66のフィルタ処理された出力信号が、同様でゼロに近接する予め定められた正と負のしきい値の間で入るときゼロであり、出力信号が正のしきい値を越えるとき正の（増分）信号であり、出力が負のしきい値より下に落ちるとき負（増分）信号である。第１のバッファレジスタ72は制御ユニット54の周波数制御出力端子とD/A12の入力端子との間に結合される。第２のバッファレジスタ74は制御ユニットの位相制御信号端子とALU50の対応する入力との間に結合され、第３のバッファレジスタ76はALUの出力とD/A8の入力との間に結合される。さらにレジスタ76の出力はALUの入力にフィードバックされる。
液体の密度および他のＰ−Ｖ−Ｔパラメータが図５のシステムにより決定されるとき、１つのセル100は液体のサンプルで満たされ、別のセルは水のような基準液体で満たされる。残りのセルは検査される他の液体で満たされてもよい。図５のシステムの全てのセル100の特性は基本的に同一である。
予め、セル100の周波数限界f_limは前述したように決定され、超音波測定が行われる周波数範囲は制御ユニット54の周波数範囲レジスタ（図示せず）中でf_limを越えて適切に設定される。
測定サイクルが開始されるとき、制御ユニット54は最初に適切な制御信号を端子5cに供給することにより基準セルを選択する。PLLは適切な信号を端子11aに供給することにより回路網の解析器モードに設定される。適切な周波数制御信号をD/A12へ供給することにより、VCO1（図４）の周波数はf_limより上である十分に予め設定された周波数範囲にわたって掃引される。周波数はD/A12へのバッファされたデジタル入力の段階状の増加により変化される。掃引期間中に生じる基準セルの超音波の共振は前述したように検出され、レジスタ56で記憶される。
その後、システムはPLLのフィードバック路が閉じられるPLLモードで切換えられ、周波数はD/A12へ供給された適切な信号により、選択された第１の液体共振へ設定される。このモードでは、共振ピークの最大の振幅はデジタルフィードバック機構により検出され、PLLの端子14aでの位相制御電圧は変調周波数ωによる変調器60からの正弦波信号によって変調される。共振セルの出力信号は次式で与えられる。
U_out＝ａ sin ωｔ＋ｂ sin ２ωｔ
乗算器66における変調信号とのU_outの乗算は、周波数２ωのAC成分とDC成分から構成される信号を発生する。AC成分をフィルタ処理で除去した後、DC成分はゼロ電圧検出器68により解析される。検出器68は、DC成分の絶対値がゼロ近くの予め選択されたしきい値よりも低いとき、値ゼロのデジタル出力信号を出力する。しきい値を超過する正のDC成分に対して、検出器68は正の増分信号を発生し、しきい値を超過する負のDC成分に対しては、検出器68は負の増分信号を発生する。
この動作モードでは、バッファされた入力と出力を有するALUユニット50はデジタルフィードバックにより位相数を共振最大値の位相数にシフトし、この値に維持し、共振最大値で周波数のカウントと振幅測定を正確にする。
最大の振幅、位相、周波数は計算回路のレジスタ56に記憶される。
動作のPLLモードでは、共振最大値の右および左側の予め設定された振幅レベルまたは位相値における周波数f'およびf''はレジスタ56を介してALU50から位相D/A8へ供給される位相値に変化により測定される。これによって、それに続く共振ピークの特性データが得られ、レジスタ56へ転送される。
スイッチ５は選択されたサンプルセルに対して設定され、前述の処理はそれぞれのサンプルセルで反復される。
制御ユニット54の制御下で、計算ユニット52は、制御ユニットの制御下で図６で示されている方式に応じて検査された液体の音響インピーダンスＺと密度ｏを計算する。Δｆ_πとｆ_πはそれぞれf_o/2の奇数倍に近いHPBWと共振周波数である。
図７は本発明のさらに別の実施例の概略図を示している。カバー132、例えば圧力に耐える密封ねじにより圧力で耐えるように密封された容器102はポンプ104により加圧される流体123を含んでいる。また、前記容器には、少なくとも２つの音響共振器セル100a、100bが含まれており、そのうちの１つは相対的標準を設定するための基準セルとして使用され、一方他のセルは標準に対して相対的測定用のサンプルセルとして使用される。容器102の内部室内には流体123内で基準状態を高速度に決定することを可能にする固体の圧力感知共振器108が含まれている。この共振器は少ない正確度で所望の共振状態へシステムを迅速に調節するために使用されてもよく、それによってその後より正確な測定が共振器セル100への切換えにより得られる。勿論、所望ならば、容器内のチャンバが十分に大きい時、容器102内に２つ以上の共振器セルを配置することが可能である。１つのセルが共振セルとして使用されるならば、他方のセルは測定用に利用される。測定に必要な全てのセルと必要な正確度がそれ程高くなければ、共振器108は共振測定用に使用されてもよい。
容器102内に位置されている全てのユニットの出力信号はカバー132を通って回路109に圧力に耐える状態で導かれ、回路109は受信信号をメモリおよび制御回路112へ供給するのに適切な形態へ変換する。この回路112はポンプ制御回路111を制御するのに必要な指令を与え、この回路はポンプ104の非常に正確な制御を行う。
さらに本発明の改良は図８に示されている。この場合、音響トランスデューサ113は種々の状態下でその音響共振周波数を感知するために容器102に接続されている。異なった内部圧力により生じる容器の種々の形態または幾何学的形状の変化は容器の共振の変化を生じ、形態変化と共振変化との間の関連は一度知られると、所望の測定結果を劣化する機械的効果の精密な制御を可能にする。
これらの関係を使用することにより、トランスデューサ113の出力信号をポンプ104の制御ループに導入することにより容器内で所望の圧力を達成することも可能である。トランスデューサ113の出力インピーダンスはそれが受ける機械的振動に依存する。トランスデューサ113をインピーダンスブリッジ114へ結合することにより、容器102の共振の変化により生じるインピーダンス変化が検出される。ブリッジ114はトランスデューサ113の実際のインピーダンスの信号表示を発生し、このような信号は、それをメモリおよび制御回路112に結合するように適合する信号へ変換する回路109と、ポンプ制御回路111に供給される。ポンプ104は容器102内の圧力が所望の値を有するまで制御される。このようにして、容器102内で所望の圧力を図７の共振器108に依存するときよりも迅速に正確に達成することができる。
図８の実施例は、圧力下にないときの容器の共振の変化を観察することにより容器エージングの監視を可能にする利点がある。容器の寿命中に、その機械的共振周波数は変化し、連続的な制御測定間のこのような変化量はエージングプロセスの指示を与え、このことから、容器が高い正確度の測定により長く使用されることができるか否かを決定することができる。
図９はセル100の種々の位置で分布して配置された解像度と正確度が高い複数の温度センサ17,18,19と、圧力容器102と、温度調節装置124を使用することにより非常に厳密な温度制御を可能にする本発明の実施形態を示している。このようなセンサの出力信号は高安定度で正確な差動増幅器を含んだ処理回路121への入力信号として使用するために、これらの信号を適切な電気信号に変換するユニット120へ供給される。メモリおよび制御回路112から供給される基準信号からの偏差は、制御信号発生用に使用され、この信号は温度調節装置124に関連する適切な加熱または冷却手段に供給されるための制御信号を発生する制御回路122に供給される。異なった位置で複数の温度センサを使用することにより、早期に温度変化を認識することが可能であり、それによって所望の温度状態をより正確に維持する補償制御を開始することができる。
超音波の好ましい周波数範囲は約10⁵から約数10⁷Hzである。
密度評価の例
４チャンネル共振器セル：
ニオブ酸リチウムトランスデューサ
r₀＝2.5mm,d＝7.0mm,f₀＝10.0MHz
水で充満された基準セルの測定
ｔ＝25.0［℃］
ρ＝997［kg/m³］
ｃ＝1497［m/s］;V.A.DelGrossoとC.W.MaderとJ.Acoust,Soc.Amer.52（1972年）1442〜1446頁（α_w/f²）＝22×10^-15［s²/m］;T.FunckとF.Eggers,Fortschritte der Akustik−DAGA'85（1985年）651〜654頁
第１のステップ、基準セルのf _lim の計算
f_lim＝［c/r₀2（α_w/f²）］^1/3
＝［1497/（2.5×10^-3）^２×22×10^-15］^1/3
＝22.16［MHz］
第２のステップ、f _n ＝nf _π での測定ε _abs+geo の計算：
f_n＝25.110［MHz］
Δf_n＝Δf_abs+geo＝6776［Hz］
ε_abs+geo＝10.747×10^-12［ｓ］
第３のステップ、f _n ＝28,934［MHz］におけるΔf _n の測 定：
Δf_n＝11125［Hz］;f₀＝9.999［MHz］
Δf_abs+geo＝10.747×10^-12［ｓ］
×（28.934×10⁶［Hz］）^２＝8997［Hz］
Δf_refl＝Δf_n−Δf_abs+geo＝11125−8997
＝2128［Hz］
−ln（cosθ）＝Δf_refl×π×7.0
×10^-3［ｍ］/1497［m/s］＝0.031261
−ln（cosθ）＝0.031261
→z/tg（πf_n/f₀）＝0.1249
tg（πf_n/f₀）
＝tg（π×28.934/9.999）＝−0.34698
ｚ＝0.1249×0.34699＝0.04334
Z₀＝ρ×c/z＝997×1497/0.04334
＝34.437×10⁶［kg/m²s］
f _n ＝29.057［MHz］におけるΔf _n の0.100mNaClで充満さ れたサンプルセル１の測定：
f_n＝29.057［MHz］；Δf_n
＝11897［Hz］;f₀＝9.999［MHz］
Δf_abs+geo＝10.747×10^-12［ｓ］
×（29.057×10⁶［Hz］）^２＝9074［Hz］
Δf_refl＝Δf_n−Δf_abs+geo
＝11897−9074＝2823［Hz］
−ln（cosθ）＝Δf_refl×π×7.0
×10^-3［ｍ］/1503.4［m/s］＝0.04129
−ln（cosθ）＝0.04129
→ｚ×tg（πf_n/f₀）＝0.1436
tg（πf_n/f₀）
＝tg（π×29.057/9.999）＝−0.30424
ｚ＝0.1436×0.30424＝0.043700
ρ＝Z₀×z/c＝34.437×10⁶×0.043700/1503.4
＝1001［kg/m³］
ρは濃度計1001［kg/m³］により測定される。
f _n ＝28.996［MHz］におけるΔf _n の0.050mNaClで充満さ れたサンプルセル２の測定：
f_n＝28.996［MHz］；Δf_n
＝11481［Hz］;f₀＝9.999［MHz］
Δf_abs+geo＝10.747×10^-12［ｓ］
×（28.996×10⁶［Hz］）^２＝9036［Hz］
Δf_refl＝Δf_n−Δf_abs+geo
＝11481−9036＝2445［Hz］
−ln（cosθ）
＝Δf_refl×π×7.0×10^-3［ｍ］/1500.2［m/s］
＝0.03584
−ln（cosθ）
＝0.03584→ｚ×tg（πf_n/f₀）＝0.13378
tg（πf_n/f₀）
＝tg（π×28.996/9.999）＝−0.32530
ｚ＝0.13378×0.32530＝0.04352
ρ＝Z₀×z/c
＝34.437×10⁶×0.043520/1500.2＝999［kg/m³］
ρは濃度計999［kg/m³］により測定される。

Claims (19)

1. Ｐ−Ｖ−Ｔパラメータ、特に液体の密度に関するデータを発生する方法において、液体のサンプルの共振性質は少なくとも１つの共振器セルを含んでいる超音波共振器セル手段において前記サンプルに変化する周波数の超音波を供給することにより調査され、前記方法は、
   ａ）前記共振器セル手段のセルを基準液体で充満し、
   ｂ）前記共振器セルの周波数限界（f_lim）より上の予め定められた周波数範囲にある前記基準液体で充満されたセルにおいて少なくとも１つの超音波の共振周波数波を決定し、前記共振セルの周波数限界より上における前記セル中の超音波の回折効果を無視することができ、
   ｃ）前記共振器セル手段のセルを前記サンプルで充満し、
   ｄ）前記少なくとも１つの共振周波数の超音波を前記サンプルで充満された前記セル中の前記サンプルに供給し、
   ｅ）前記サンプルで充満された前記セル中の超音波の最大振幅レベルが生じる第１の周波数値と、前記超音波の振幅が前記最大のレベルよりも低い予め定められたレベルを有する第２および第３の周波数値とを決定するために前記超音波の位相を変化するステップを有する方法。
2. ａ）制御入力端子と出力端子とを有する電圧制御された発振器（VCO）［１］と、
   ｂ）電気音響送信トランスデューサ［３］と、対向する電気音響受信トランスデューサ［４］と、前記トランスデューサの間のサンプル空洞［２］とを含み、前記送信トランスデューサは前記VCOの出力端子に結合された入力端子を有し、前記受信トランスデューサは出力端子を有し、前記セルは複数の共振を示す超音波共振器セル［100］と、
   ｃ）前記セルを含み、前記受信トランスデューサの出力端子を前記電圧制御された発振器［１］の制御入力に結合する位相ロックループ（PLL）回路と、
   ｄ）前記受信トランスデューサ［４］に結合され、その出力信号に応答する手段［6,19,20,21］と、
   ｅ）前記受信トランスデューサの出力信号に関して前記送信トランスデューサへ供給された前記信号の位相を制御し変化するために前記位相ロックループに結合された手段［8,9］とを含んでいるシステムにおいて、
   ｆ）前記発振器［１］により生成された周波数を前記セル［100］の前記複数の共振の所望のものに設定するために可変周波数制御電圧を前記位相ロックループへ導入する手段［12,13,14b］を含んでいることを特徴とする請求項１記載の超音波方法により液体の密度のようなパラメータを測定するシステム。
3. 前記位相ロックループは、
   前記受信トランスデューサ［４］に結合された第１の入力端子と、前記VCOの出力端子に結合された第２の入力端子と、出力端子とを有する位相比較装置［７］と、
   前記位相ロックループ（PLL）を形成するために前記VCOの制御端子へ前記位相比較装置の出力端子を結合するフィードバック路と、
   前記位相ロックループをディスエーブルする手段［10,11］とを具備する請求項２記載のシステム。
4. 前記ディスエーブルする手段は前記フィードバック路中に設けられた中断手段を具備している請求項３記載のシステム。
5. 前記フィードバック路は前記位相比較装置［７］の出力端子に結合された入力端子と、前記VCO［１］の制御端子に結合された出力端子と、積分装置をリセットするための手段［11］に結合された制御端子とを具備し、前記積分装置はリセット状態にあるときその出力端子に固定電圧を出力する請求項３記載のシステム。
6. 第１の可変電圧を与える手段［8,9］と、この第１の可変電圧を前記位相比較装置［７］の出力信号と結合する手段［14a］とをさらに具備している請求項３記載のシステム。
7. 第２の可変電圧を与える手段［12,13］と、この第２の可変電圧を前記積分装置［10］の出力電圧と結合する手段［14b］とをさらに具備している請求項５記載のシステム。
8. 前記発振器VCO［１］の出力に結合された周波数測定手段［15,16,17,18］と、カウント期間を限定するゲートパルスを与えるゲートパルス発生器［15,16,17］と、前記カウント期間中、前記発振器VCO［１］により与えられる発振数をカウントするカウント手段とをさらに具備し、前記カウント手段は前記発振数と期間から測定される周波数を計算するための計算手段を含んでいる請求項２記載のシステム。
9. 前記ゲートパルス発生器は安定化された発振器［15］と、前記発振器［15］から予め設定された発振数をカウントして、前記カウント期間をカウントしそれによって限定しながら出力パルスを発生する予め設定可能なカウンタ［16］と、前記安定化された発振器［15］の出力に結合された同期されたフリップフロップ手段［17］をさらに具備し、それによって発振器によりトリガーされ、前記リセット可能なカウンタ［16］の入力端子に結合された出力を有し、前記安定化された発振器［15］からの前記発振期間中の限定された時間でのみカウントを開始することを可能にし、前記同期されたフリップフロップ手段［17］はエネーブル信号の供給のためのエネーブル入力端子［17a］を有している請求項８記載のシステム。
10. 前記受信トランスデューサ［４］の出力に結合された振幅測定手段［6,19,20］をさらに具備している請求項２記載のシステム。
11. 前記振幅測定手段は、その入力を前記受信トランスデューサ［４］の出力へ結合する振幅制限手段［６］と、前記受信トランスデューサ［４］の出力に結合された第１の入力と前記振幅制限手段［６］の出力から前記受信トランスデューサの出力信号と乗算される符号信号を受信するように結合されている第２の入力とを有する乗算器［19］とを具備し、それによってアナログ／デジタルコンバータを含み信号を表す振幅を表す信号を発生する信号処理手段に供給される単方向性乗算器出力信号が得られる請求項10記載のシステム。
12. 前記信号処理手段［20］に含まれる前記アナログ／デジタルコンバータの入力を選択的に結合し、それによって前記位相を表す信号の指示を可能にするように前記積分装置［10］の出力信号を受信する請求項９記載のシステム。
13. ２つのマルチプレクサユニットを具備する選択スイッチ手段［５］により前記発振器VCO［１］と前記位相比較装置［７］との間の前記フィードバック路に選択的に結合されるように構成された複数の音響共振器セル［100］を特徴とし、一方のマルチプレクサユニットは１つの入力端子［5a］と、前記複数の前記共振セル［100］の送信トランスデューサ［３］にそれぞれ結合される複数の出力端子を具備し、他方のマルチプレクサユニットは前記セルの受信トランスデューサ［４］にそれぞれ結合されている同じ複数の入力端子と、前記位相比較装置［７］に結合された出力端子［5b］を有している請求項２記載のシステム。
14. 前記他方のマルチプレクサは振幅制限手段［６］を通って前記位相比較装置［７］へその出力端子［5b］が結合されている請求項13記載のシステム。
15. １つの前記音響共振器セル［100］は標準状態を限定する基準セルである請求項13記載のシステム。
16. 少なくとも１つの音響共振器セル［100］と包囲する加圧された流体［123］は圧力に対して密封された容器［102］内に含まれている請求項２記載のシステム。
17. 固体共振器［108］も前記容器［102］内に位置されている請求項16記載のシステム。
18. トランスデューサが受ける機械的振動に依存するインピーダンスを示すトランスデューサ手段［113］をさらに具備し、前記トランスデューサは異なった機械的応力状態で音響共振変化を測定するために前記容器［102］に機械的に結合されている請求項16記載のシステム。
19. 前記トランスデューサ手段［113］はさらに前記容器［102］の共振変化により生じる前記トランスデューサ手段［113］のインピーダンス変化を決定するインピーダンスブリッジ［109］に結合され、前記インピーダンスブリッジは前記容器の共振を表す出力信号をメモリおよび前記システムを制御する制御回路［112］へ供給する請求項18記載のシステム。

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