JP4132348B2

JP4132348B2 - 容器内の流体の粘度を測定する方法及び装置

Info

Publication number: JP4132348B2
Application number: JP02469299A
Authority: JP
Inventors: アール．ヘイスティングズカルビン; エストラーダハーバート; ジェイ．ジョンソンスチーブン; シー．ミラーロバート; アール．オージンスタインドナルド
Original assignee: Caldon Inc
Current assignee: Caldon Inc
Priority date: 1998-02-03
Filing date: 1999-02-02
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2019-02-02
Also published as: EP0933632A3; US20010039830A1; US6227040B1; CN1130555C; TW381176B; ES2366393T3; EP0933632A2; US6446494B2; CN1233752A; CA2258329A1; EP0933632B1; KR19990072337A; KR100602227B1; CA2258329C; JPH11271205A

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は、例えば、ドラム、タンクまたはパイプのような容器内の流体粘度を測定することに関する。具体的には、本発明は、流体を通過する音響信号の減衰と、流体の音速を測定することにより、容器内の流体の粘度を測定することに関する。該流体は、静止していても、動いていてもよい。
【０００２】
【発明の背景】
石油その他のパイプラインでは、通常は流動している流体における或る特性を計測する必要性がある。
具体的には、粘度（viscosity）（絶対または動的の何れか）を測定することは、以下のために必要である。
(a)流体を識別すること、
(b)異なる２流体の界面を検出すること、
(c)漏れを検出し、その位置を特定するために、パイプライン内の圧力勾配を特徴付けること、
(d)流体間の変化または界面が発生する時間を測定すること、および
(e)パイプラインにおけるポンプ出力および圧力評価によって設定される粘度最大値の制限を満たすために要求される希釈剤の量を決定すること。
【０００３】
前記計測に関して現在利用可能な手段は、複雑かつ高価であり、信用できないこともある。例えば、粘性力は、振動システムによって計測されることがある。前記手段や、その他の大部分については、流動する流体のごく一部を測定手段に向けるために、バイパスラインが必要である。バイパスは、流動する流体が運ぶワックスやその他の要素により妨害されることがある。さらに、前記測定手段の運動部分によって、メンテナンスおよび校正の問題が生じることがある。パイプライン操作者の多くは、オンライン手段の精度および信頼度が、彼らの要求を満たさないことから、流動する流体のグラブサンプルを採って、密度および粘度を測定している。サンプリング手法に費用がかかることは明らかである。さらに、該手法は、前記特性を継続的に監視してリアルタイムに制御するパイプライン操作者の能力を奪うことになる。
【０００４】
【発明の要約】
本発明は、パイプ等の容器内の流体の粘度を計測する計測装置に関する。該計測装置は、容器内の流体を介して音響信号を送信する送信手段を具える。送信手段は、音響信号を容器内の流体に供給する。計測装置は、流体を通過した音響信号を受信する受信手段を具える。受信手段は、容器内の流体から音響信号を受信する。測定装置は、流体を通過した音響信号から、容器内の流体の粘度を測定する測定手段を具える。測定手段は受信手段に接続される。
【０００５】
本発明は、パイプ等の容器内の流体の粘度を計測する計測方法に関する。該計測方法は、流体に信号を送信する工程を含む。次に、流体を通過した信号を受信する工程が存在する。次に、流体を通過した信号の減衰を測定する工程が存在する。次に、信号の減衰と伝播時間（transit time）から、パイプ内の流体の粘度を見出す工程が存在する。前記伝播時間は、流体の音速を計測する。
【０００６】
該手段としては、パイプ等の容器の外側に貼り付けたトランスデューサ（すなわち、外部トランスデューサ）、または容器を貫通するトランスデューサ（すなわち、湿式トランスデューサ（wetted transducer））が使用できる。
【０００７】
【作用及び効果】
本発明は、サンプリング手法を用いること無しに、簡単な構成で容器内の流体の粘度を測定でき、粘度測定による経済的および人的損失を低減できる。
【０００８】
【望ましい実施形態の説明】
以下、図面を参照して説明する。ここで、図中の同じ参照数字は、幾つかの図を通じて、特に図６に対して、同様または一致した部分を示す。図６には、パイプ等の容器(12)に入っている流体の粘度を計測する計測装置(10)が示されている。該計測装置(10)は、容器(12)内の流体に信号を送信する送信手段(14)を具える。送信手段(14)は、容器(12)に接触して、容器(12)内の流体に信号を供給するようにしている。計測装置(10)は、流体を通過した信号を受信する受信手段(16)を具える。受信手段(16)は、容器(12)に接触して、容器(12)内の流体から信号を受信する。計測装置(10)は、流体を通過した信号から、容器(12)に入った流体の粘度を測定する測定手段(15)を具える。測定手段(15)は、受信手段(16)に接続される。測定手段(15)は、受信手段(16)および送信手段(14)に接続される。
【０００９】
送信手段(14)および受信手段(16)は、パイプ(12)の外面(18)に配備され、信号は、送信手段(14)から、パイプ壁(20)、パイプ(12)内の流体、およびパイプ壁(20)を通って、受信手段(16)に到達することが望ましい。送信手段(14)および受信手段(16)は、送信手段(14)からの信号が、（直径または斜め（diagonal）の何れかの）経路(22)に従い、パイプ(12)を通って受信手段(16)に到達するように、パイプ(12)の壁と接触し、或いは、パイプ(12)を貫通することが望ましい。送信手段(14)および受信手段(16)は、送信手段(14)からの信号が、経路(22)に従って受信手段(16)に到達するように、パイプ(12)上の互いに対向する位置に配備されることが望ましい。流体は、液体であり、送信手段(14)は、音響信号を生成する第１トランスデューサ(24)を含み、受信手段(16)は、第１トランスデューサ(24)から音響信号を受信する第２トランスデューサ(26)を含むことが望ましい。第１トランスデューサ(24)が生成する音響信号は、パイプ壁(20)を通って、パイプ(12)内の液体中を通過し、パイプ壁(20)を通って、第２トランスデューサ(26)に到達することが望ましい。
【００１０】
送信手段(14)は、第１電圧信号を第１トランスデューサ(24)に印加するトランスミッタ（transmitter）(28)を含むことが望ましく、該印加により、第１トランスデューサ(24)は、周波数ｆの音響信号を生成する。トランスミッタ(28)は、第１トランスデューサ(24)に接続される。送信手段(14)は、トランスミッタ(28)に接続され、トランスミッタ(28)から第１トランスデューサ(24)に印加された電圧を計測し、且つ電圧を印加した時刻を記録する第１電圧計測手段(30)を含むことが望ましい。
【００１１】
受信手段(16)は、第２トランスデューサ(26)に接続されたレシーバ(34)を含むことが望ましい。第２トランスデューサ(26)は、音響信号を第２電圧信号に変換する。レシーバ(34)は、第２トランスデューサ(26)からの第２電圧信号を増幅する。受信手段(16)は、レシーバ(34)に接続され、第２電圧信号の電圧を計測し、電圧を受け取った時刻を記録する第２電圧計測手段(32)を含むことが望ましい。
【００１２】
測定手段(15)は、第１および第２電圧計測手段(30)(32)に接続されたプロセッサ手段(36)を含むことが望ましく、該プロセッサ手段(36)は、第１および第２電圧計測手段(30)(32)が計測した電圧および伝播時間（第１電圧計測手段(30)が記録した送信時刻と、第２電圧計測手段(34)が記録した受信時刻の間の時間）の関数として、パイプ(12)内の流体の粘度を測定する。測定手段(15)は、液体中の既知の距離を通過する超音波信号の伝播時間を計測するタイミング手段(32)を含み、プロセッサ手段(36)は、液体の音速を測定することが望ましい。プロセッサは、第１トランスデューサ(24)が生成し、液体中の既知の距離を通過する際に第２トランスデューサ(26)が受信した音響信号における減衰と、伝播時間から測定される液体の音速との関数として、粘度を測定することが望ましい。プロセッサは、音響信号が液体を通過する時間および条件における粘度を、音響信号の減衰と、該時間での流体の音速およびパイプ(12)の音速から測定することが望ましい。第１トランスデューサ(24)が生成し、第２トランスデューサ(26)が受信する音響信号は、超音波信号であることが望ましい。
【００１３】
別の実施形態（図７）では、送信手段(14)は、液中に送信される超音波信号を生成するトランスデューサ(24)を含むことが望ましい。送信手段(14)は、トランスデューサ(24)に電圧信号を印加するトランスミッタ(28)を含むことが望ましい。送信手段(14)は、印加電圧を計測し、伝播時間を記録する電圧計測手段(30)を含むことが望ましい。送信手段(14)は、トランスミッタ(28)およびトランスデューサ(24)に接続されたマルチプレクサ(40)を含んでおり、該マルチプレクサ(40)は、切替により第１電圧信号をトランスデューサ(24)に印加する。
【００１４】
マルチプレクサ(40)は、送信手段(14)と受信手段(16)の間でトランスデューサ(24)を時分割（time sare）するために使用されることが望ましい。受信手段(16)に接続される場合には、トランスデューサ(24)は、パイプ(12)内で反射した後に流体から受信する超音波信号を電圧信号に変換する。また、電圧信号を受信して増幅するレシーバ(34)が存在する。レシーバ(34)は、マルチプレクサ(40)に接続される。マルチプレクサ(40)は、切替により、後の電圧信号をトランスデューサ(24)からレシーバ(34)に送信する。
【００１５】
受信手段(16)は、レシーバ(34)に接続された第２電圧計測手段(32)を含むことが望ましく、第２電圧計測手段(32)は、後の電圧信号の電圧を受信すると、該電圧を計測して記録する。測定手段(15)は、第１および第２電圧計測手段(30)(32)に接続されたプロセッサ手段(36)を含み、該プロセッサ手段(36)は、第１および第２電圧計測手段(30)(32)が測定した電圧と、第１電圧計測手段(30)が記録した送信信号（transmit signal）、および第２電圧計測手段(32)が記録した受信信号の間の伝播時間との関数として、パイプ(12)内の流体の粘度を測定することが望ましい。
【００１６】
一般に、音響経路（図３および図４を参照。）には、以下のような、多数のインターフェース、減衰媒体および反射が含まれる。
〔１〕トランスデューサ(１)／音響ハウジング(24)のインターフェース（図３および図４）
〔２〕トランスデューサハウジング(24)による減衰（図３および図４）
〔３〕（外部トランスデューサに関して）トランスデューサハウジング(24)／容器壁(20)のインターフェース（図３）
〔４〕（外部トランスデューサに関して）容器壁(20)による減衰（図３）
〔５〕（外部トランスデューサに関して）容器壁(20)／流体(15)のインターフェース（図３）、および（湿式トランスデューサに関して）ハウジング(24)対流体(15)のインターフェース（図４）
〔６〕流体による減衰（図３および図４）
この減衰は、数ある要因のなかでも、流体の粘度、音響経路の長さ、および超音波周波数に依存するであろう。
〔７〕容器壁(20)における反射（適用可能な場合のみ）
〔８〕（外部トランスデューサに関して）流体(15)／容器壁(20)のインターフェース（図３）、および（湿式トランスデューサに関して）流体(15)／ハウジング(20)のインターフェース（図４）
〔９〕（外部トランスデューサに関して）容器壁(20)による減衰（図３）
〔10〕（外部トランスデューサに関して）容器壁(20)／トランスデューサハウジング(26)／のインターフェース（図３）
〔11〕トランスデューサハウジング(26)による減衰（図３および図４）
〔12〕トランスデューサハウジング(26)／トランスデューサ(２)のインターフェース（図３および図４）
【００１７】
送信されたエネルギーは、電気トランスミッタから電気レシーバへ進行するにつれて、電気的にも、音響学的にも減衰するだろう。電気ケーブル、送信用および受信用トランスデューサの電気的／音響学的変換特性、および電気レシーバの電圧増幅特性が、電気レシーバの出力において計測される信号の正味の大きさを測定することに関与する。また、インターフェース〔１〕〔３〕〔10〕の非理想的結合による減衰のポテンシャルソースが存在する。
【００１８】
計測装置(10)（図６および図７）は、次に説明する物理学的原理に依ることが望ましい。
音響トランスデューサは、相互的（reciprocal）である。トランスデューサは、電圧パルスにより励振する際に圧力波を生成し、圧力波を受ける際に電圧を生成する。圧力は、送信用トランスデューサから各媒体を通って受信用トランスデューサに伝搬する。計測装置(10)は、伝播した音響エネルギーと同様に、反射した音響エネルギーを利用する。
【００１９】
１．非流体による減衰Ａ _EXT
パイプ内の流体には依存しない数多くのソースに起因する減衰をＡ_EXT（デシベル）と記載する。これには、送信用および受信用トランスデューサにより、電気エネルギーを超音波エネルギーに変換する効率、および超音波エネルギーを電気エネルギーに変換する効率、トランスデューサからパイプ壁への結合効率、およびパイプ壁からトランスデューサへの結合効率、レシーバのゲイン等が含まれる。通常、これらの減衰ソースの全ては結合される。
【００２０】
２．媒体の境界にて送信されるエネルギーＡ _TRANS 及びＡ _REF
密度と超音波の伝播速度とが相違する２媒体の境界に音響エネルギーが出会うと、伝播する波（の音響エネルギー）は、以下の式に従って（デシベルで）減衰される。
【数１１】

同様に、音響エネルギーは、以下のように（デシベルで）減衰される。
【数１２】

ここで、
ρ_i＝媒体ｉの密度
Ｃ_i＝媒体ｉ中における超音波の伝搬速度
１＝入射側媒体に関する下添字
２＝屈折側媒体に関する下添字
Ａ_TRANS＝媒体の境界を通過するエネルギーに関するｄＢ単位での減衰
Ａ_REF＝媒体の境界にて反射したエネルギーに関するｄＢ単位での減衰
【００２１】
３．流体の音響吸収Ａ _VIS
超音波エネルギーが粘性流体を通過する際に、エネルギーの幾らかは散逸され、その損失の大きさは、粘度、密度、並びに超音波の伝搬速度および周波数に関連づけられる。これらの損失は、以下の関係式によって与えられる減衰定数によって特徴付けられる。
【数１３】

ここで、
α＝長さの逆数（inverse length）を単位とする減衰定数
ω＝角周波数（ラジアン/秒）
Ｃ＝超音波の伝搬速度（in/s）
η＝絶対剪断粘度（poise）
η_B＝絶対体積粘度（poise）
ρ＝流体の質量密度（gm/cm³）
ａ,ｂ＝剪断粘度および体積粘度に関する定数
この定数は、流体の分子構造によって決まる。理論的には、石油産出物（oilproducts）は、ａ＝4/3であり、ｂ＝１である。
Ｋ_V＝｜ａ＋ｂη_B／η｜＝粘性修正因子
【００２２】
粘性流体における音響エネルギーの減衰は、減衰係数と、音響エネルギーが流体を通過する距離に対し、指数関数的に関連づけられる。パイプを横切る音響波の場合、向こうの壁に到達する音響エネルギーは、次式によって与えられる。
【数１４】

ここで、
Ａ_VIS＝粘性損失による減衰（ｄＢ）
Ｌ＝経路長
粘性修正因子は、一般に未知であるが、出会うと予想され得る全流体に関して決められることが理想的である。実際には、粘性修正因子は、水以外に出会う流体の大部分に関しては２と近似され、水に関しては約３である。
【００２３】
４．拡がり（ Spreading ）減衰Ａ _SPREAD
超音波エネルギーのビームが媒体中を或る距離伝搬すると、該ビームは拡がる、すなわち、ソースからの距離が増加するにつれて、ビームの幅が増大する。このとき、受信用トランスデューサのサイズは固定であるから、送信用トランスデューサおよび受信用トランスデューサ間の距離が増加するにつれて、受信用トランスデューサにおけるエネルギー入射量が減少する。長い距離の範囲内で、拡がり減衰は、次式によって与えられる。
【数１５】

ここで、
Ａ_SPREADは、ｄＢを単位とする拡がり減衰であり、
ｆ、Ｃ_fおよびＬは、前述の通りであり、
Ｋ_Sは、トランスデューサの寸法および特性に依存する定数である。
【００２４】
Ｋ_Sは、固定値であり、即ち流体に依存しないから、時には、Ａ_EXTに含まれることがある。図８は、直径１インチのトランスデューサ２個を種々の内径（inside diameters）のパイプに配備したシステムに関して、拡がり減衰の周波数に対する依存性を計算したものを示している。図示のように、ＩＤが16インチより大きいパイプに対する挙動は、上記方程式とリーズナブルに一致しており、より小さいサイズのパイプに対しては、拡がり減衰が音速にほぼ関係しない独立した領域が存在しており、より小さい距離に対しては、音速が増加するにつれて該減衰が増加する。
【００２５】
計測装置(10)は、上記リストにおける流体の減衰特性〔６〕と同様に、インターフェース〔５〕および〔７〕の減衰特性に対する受信した電圧信号の依存性を利用している。
【００２６】
先に提供された本発明の基礎をなす物理原理を説明する方程式は、容器壁／流体インターフェースにおける音響信号の減衰が、流体とパイプ壁の材料とに関する密度と音速の積の関数であることを示している。
減衰を計算するために、流体の音速は、非流体の媒体に関する遅延時間と共に、音響経路に関して計測されたパルス状の伝播時間データを用いて測定される。具体的には、超音波の速度は、次式によって与えられる。
Ｃ_f＝Ｌ／ｔ_f
ここで、
ｔ_f＝パイプ軸の法線方向に流体中を進む音響パルスの平均伝播時間
ｔ_f＝ｔ_total−ｔ_non-fluid
Ｌ＝流体における音響経路の長さ
ここで、
ｔ_total＝エレクトロニクストランスミッタからエレクトロニクスレシーバまでの総伝播時間
ｔ_non-fluid＝ケーブル間、トランスデューサおよびハウジング間、パイプ壁間、並びに受信用エレクトロニクス間の伝播時間を含む非流体による全遅延の合計
【００２７】
通常、パイプ壁の材料の密度は、周知であるか、または流体特性の計測を行なう前に測定できる。パイプ壁の材料の音速は、周知であることが多いが、そうでない場合には、超音波厚さ手段（ultrasonic thickness means）を用いて測定できる。密度に関する特性を計測するデバイスを校正するため、パイプ内を流れる或る未知の流体の密度は、グラブサンプルにより計測でき、または音速と密度の関係により測定できる。
【００２８】
送信用および受信用トランスデューサの固有周波数は、計測されるべき粘度の全範囲に関して、流体自体に著しい減衰が起きるように選択される。
粘度計測用の音響経路の校正は、グラブサンプルにより粘度が正確に測定される流体を用いて、減衰を計測することにより可能である。次に、校正用流体に関して計測された減衰に関連して、別の流体に関して計測された減衰から該流体の粘度を測定できる。
【００２９】
或る実施形態では、粘度の測定に必要な減衰の計測は、振幅および伝播時間を測定するために、受信した音響パルスを処理するレシーバ増幅器に、自動ゲイン制御の特徴を適用することにより行われる。自動ゲイン制御は、受信した信号の増幅後の振幅を感知し、該振幅をプリセット基準と比較する。信号が基準より下である場合には、ゲインを増加し、基準より上である場合には、ゲインを減少する。この釣り合い（equilibrium）に達するのに必要なゲインの大きさは、計測されるべき減衰の直接の計測値である。未知の流体に関して要求されるゲインが、基準の流体により要求されるゲインと比較されると、粘度は、上述した関係を用いて計算され得る。
【００３０】
流体の入った１本のパイプにおいて、２個の超音波トランスデューサが直径方向の対向する位置に配備されている場合を考える。図６に示されるように、トランスミッタ(28)は、既知の電圧パルスを第１超音波トランスデューサ(24)に印加する。第１電圧計測手段(30)（例えば、簡単な電圧計）は、第１トランスデューサ(24)に印加された電圧を計測する。電圧パルスが第１トランスデューサ(24)に印加されると、周波数ｆの超音波信号を生成し、該信号は、パイプ壁(20)、流体(21)および反対側のパイプ壁(20)を通って、第２トランスデューサ(26)に伝搬する。第２トランスデューサ(26)において、超音波信号は、電気信号に変換され、該電気信号は、レシーバ(34)によって増幅され、第２電圧計測手段(32)に連絡される。ｄＢ単位で表される減衰は、次式によって計算される。
Ａ_MES＝20・Log₁₀（Ｖ₁／Ｖ₂）（式Ｅ）
ここで、Ｖ₁は、第２電圧計測手段(32)が計測した電圧であり、Ｖ₂は、第１電圧計測手段(30)が計測した電圧である。計測された減衰Ａ_MESは、全種類の減衰、すなわち、Ａ_EXT、Ａ_TRANS、Ａ_VIS、Ａ_REFおよびＡ_SPREADの総和に由来する。図６に示ような配置の場合、Ａ_MESは次式に等しい。
Ａ_MES＝Ａ_EXT＋Ａ_VIS＋Ａ_SPREAD＋２・Ａ_TRANS （式Ｆ）
【００３１】
別の可能な配置としては、図７に示されるような１個のトランスデューサを使用する配置がある。ここでは、流体中を２回（行きと戻り）通過した後の信号電圧と、パイプ壁により３回反射されて、流体中を４回（行きと戻りを各２回）通過した後の信号電圧とが計測される。このとき、２回通過した場合の減衰の総和は、次式で与えられる。
Ａ_MES2＝Ａ_EXT＋Ａ_VIS2＋Ａ_SPREAD2＋２・Ａ_TRANS＋Ａ_REF （式Ｇ）
流体中を４回通過した後のパルスを検出する場合、減衰の総和は、次式で与えられる。
Ａ_MES4＝Ａ_EXT＋Ａ_VIS4＋Ａ_SPREAD4＋２・Ａ_TRANS＋３・Ａ_REF （式Ｈ）
式Ｈから式Ｇを引くと次式となる。
Ａ_MES4−Ａ_MES2＝Ａ_VIS4−Ａ_VIS2＋Ａ_SPREAD4−Ａ_SPREAD2＋２・Ａ_REF （式Ｉ）
この手法の利点は、Ａ_TRANSおよびＡ_EXTを測定する必要がないことである。さらに、システムが要求するトランスデューサの数が少ない。
【００３２】
【実施例１】
１回の通過および２個のトランスデューサと、音速および密度に関する方程式とを用いての粘度の測定
内径が23.23インチであるパイプラインにおいて、３つの異なる原油サンプルを計測した。パイプを形成する鋼鉄の密度は、7.71グラム／立方ｃｍであり、該鋼鉄における圧縮波の音速は、232437インチ／秒であった。
これらの流体の音速は、米国特許第５５４６８１３号（この引用を以て本願に記載加入する。）に記載のように計測され、減衰は、上述のように計測され、式Ｅを用いて計算される。
以下の結果が得られた。
１８ＧＣ_f＝50101インチ／秒Ａ_MES＝−29.0ｄＢ
ＷＣＨＣ_f＝52307インチ／秒Ａ_MES＝−36.4ｄＢ
ＯＣＳＣ_f＝55452インチ／秒Ａ_MES＝−46.4ｄＢ
【００３３】
この種の材料に関して（上述の産物中の種々のサンプル多数を得て、密度および音速を測定した。結果をプロットし、最小二乗法を用いて線形方程式に適合させたところ）、グラム／立方ｃｍを単位とする密度が、インチ／秒を単位とする音速の計測値に対し、次式によって関係付けられることが判明した。
ρ_f＝0.130＋0.0000144・Ｃ_f
【００３４】
これらの流体の粘度を測定するためには、Ａ_EXTの値を知ることが必要である。しかしながら、この量を直接測定することは困難であるから、該産物の中の１つの既知の粘度を用いることにより推定されるであろう。この目的のために、１８Ｇが選択される。というのは、１８Ｇは、減衰の合計が最低値であり、従って、粘度の測定値の誤差に敏感であるからである。さらに、パイプの直径が大きいから、式Ｄを適用できる。１８Ｇに関して、減衰計測時におけるパイプ内の流体の温度における粘度の測定値は、3.43センチポアズであった。音速の測定値を用い、Ｋ_v＝2.0と仮定し、式Ａ、式Ｄおよび式Ｃを用いると、
Ａ_TRANS＝−20.83ｄＢ
Ａ_SPREAD＝−1.32ｄＢ
Ａ_VIS＝−0.53ｄＢ
と計算でき、Ａ_MES＝−29ｄＢであるから、式ＦからＡ_EXT＝−6.32ｄＢが見出される。
ＷＣＨに関して式Ａおよび式Ｄを用いてＡ_TRANSおよびＡ_SPREADを計算すると、
Ａ_TRANS＝−19.28ｄＢ
Ａ_SPREAD＝−1.69ｄＢ
が見出され、次に、式Ｆから、
Ａ_VIS＝−8.22ｄＢ
が見出され、式Ｃから計算された粘度は、63.1センチポアズである。
ＯＣＳに関して式Ａおよび式Ｄを用いてＡ_TRANSおよびＡ_SPREADを計算すると、
Ａ_TRANS＝−19.28ｄＢ
Ａ_SPREAD＝−2.20ｄＢ
が見出され、次に、式Ｆから、
Ａ_VIS＝−18.60ｄＢ
が見出され、Ｋ_v＝2.0と仮定すると、式Ｃから計算された粘度は、179.0センチポアズである。これは、ＯＣＳのサンプルの計測値180センチポアズと同程度である。
【００３５】
【実施例２】
４回の通過マイナス２回の通過および１個のトランスデューサと、拡がり減衰の推定を用いての高粘度の測定
（内寸が9.5インチ×5.5インチである）短い長さの長方形パイプにおいて、音が長辺方向と平行に伝搬する場合の４回通過および２回通過に関する減衰の差（Ａ_MES4−Ａ_MES2）が、３つの液体に関して計測された。該液体は、夫々について音速が異なり、全てについて、低粘性の結果として、測定周波数（1.0ＭＨＺ）における流体の減衰が小さい。（Ａ_MES4−Ａ_MES2）の結果を以下に示す。
水 −8.2ｄＢ
エチルアルコール −4.2ｄＢ
灯油 −5.4ｄＢ
【００３６】
これらの材料の特性と、拡がり減衰の計算は、式Ｄ、ＢおよびＫを用いて、次表にまとめられる。
【表１】

最小二乗法を用いて、拡がり減衰における差を次式に当てはめる。
Ａ_SPREAD4−Ａ_SPREAD2＝14.215−0.000361・ｃ_f （Ｅ２）
粘度が未知である鉱油のサンプルに関して、同じ断面のパイプにおけるＡ_MES4−Ａ_MES2の計測値は、−21.3ｄＢであった。音速の計測値は、57304インチ／秒であった。別の実験における密度の計測値は、0.93グラム／ｃｃであった。
式Ｂ、Ｅ２およびＫを用いて、
２・Ａ_REF＝−0.871ｄＢ
Ａ_SPREAD4−Ａ_SPREAD2＝−6.42ｄＢ
と計算され、次に式Ｋから、
Ａ_VIS＝−14.0ｄＢ
と計算され、Ｋ_Vが2.84であることを用いて、式Ｂから、
η＝128センチポアズ
と計算される。これは、計測値125〜130ｃＳと同程度である。
【００３７】
【実施例３】
４回の通過マイナス２回の通過および１個のトランスデューサと、拡がり減衰の推定を用いての低粘度の測定
（内寸が9.5インチ×5.5インチである）短い長さの長方形パイプにおいて、音が短辺方向と平行に伝搬する場合の４回通過および２回通過に関する減衰の差（Ａ_MES4−Ａ_MES2）が、２つの液体に関して計測された。該液体は、音速が異なり、粘度が低く、その結果、測定周波数（5.0ＭＨＺ）における流体の減衰が小さい。（Ａ_MES4−Ａ_MES2）の結果を以下に示す。
水 −6.3ｄＢ
エチルアルコール −12.3ｄＢ
【００３８】
これらの材料の特性と、拡がり減衰の計算は、式Ｄ、ＢおよびＫを用いて、次表にまとめられる。
【表２】

直線適合（straight line fit）を用いると、拡がり減衰は、次式に当てはまる。
Ａ_SPREAD4−Ａ_SPREAD2＝20log(.31452−0.012025ｆ／Ｃ_f) （Ｅ３）
【００３９】
灯油のサンプルに関して、同じ容器におけるＡ_MES4−Ａ_MES2の計測値は、12.3ｄＢであった。音速の計測値は、50848インチ／秒であった。別の実験における密度の計測値は、0.843グラム／ｃｃであった。
式Ｂ、Ｅ３およびＫを用いて、
２・Ａ_REF＝−0.8ｄＢ
Ａ_SPREAD4−Ａ_SPREAD2＝−5.31ｄＢ
と計算され、次に式Ｋから、
Ａ_VIS4−Ａ_VIS2（ｄＢ）＝−6.17ｄＢ
と計算され、式Ｂから、
η＝2.3センチポアズ
と計算される。これは、予想値2.5センチポアズと同程度である。
【００４０】
本発明を、例示の目的で、上記実施形態に詳述してきたが、その細部は例示に過ぎず、特許請求の範囲に記載されるような本発明の精神及び範囲から離れることなしに、当該分野の専門家によって変更を為し得ることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】パイプに配備されたトランスデューサを側方から見た概要図である。
【図２】パイプに配備されたトランスデューサを軸方向から見た概要図である。
【図３】外部トランスデューサによる音響経路を示す概要図である。
【図４】湿式トランスデューサによる音響経路を示す概要図である。
【図５】本発明に関する典型的なオシロ図のうち、時間遅延および信号減衰を示す図である。
【図６】本発明の概要図である。
【図７】本発明の他の実施形態の概要図である。
【図８】Ａ_SPREAD対Ｃ_fのグラフである。
【符号の説明】
(10) 装置
(12) 容器、パイプ
(14) 送信手段
(15) 測定手段
(16) 受信手段
(20) 容器壁、パイプ壁
(21) 流体
(22) 経路
(24) 第１トランスデューサ
(26) 第２トランスデューサ
(28) トランスミッタ
(30) 第１電圧計測手段
(32) 第２電圧計測手段
(34) レシーバ
(36) プロセッサ手段

Claims

容器又はパイプ内の流体の粘度を計測する装置において、
容器又はパイプ内の流体に信号を送信する送信手段であって、前記容器又はパイプに接触して、容器又はパイプ内の流体に信号を提供するように構成されている送信手段と、
流体を通過して減衰した信号を受信する受信手段であって、前記容器又はパイプに接触し、容器又はパイプ内の流体から該信号を受信する受信手段と、
受信手段に接続され、信号が流体を通過して減衰した信号から容器又はパイプ内の流体の粘度を測定する測定手段とを具えており、
信号の減衰は、Ａ _EXT 、Ａ _TRANS 、Ａ _VIS 、Ａ _TRANS 、Ａ _REF 、及びＡ _SPREAD に依存しており、
Ａ _EXT は、多くのソースに起因した容器又はパイプ内の流体に依存しない信号の減衰をデシベル単位で表したものであり、
Ａ _TRANS は、密度と超音波の伝播速度とが相違する２媒体の境界を通過するエネルギーの減衰を、以下の式に従ってデジベル単位で表したものであって、

ここで、
ρ _i ＝媒体ｉの密度、
Ｃ _i ＝媒体ｉ中における信号の伝搬速度、
１＝容器又はパイプを示す下添字、
２＝流体を示す下添字、
であり、
Ａ _REF は、流体の境界にて反射したエネルギーに関する減衰を、以下の式に従ってデジベル単位で表したものであって、

Ａ _VIS は、粘性損失による減衰を、以下の式に従ってデジベル単位で表したものであって、

ここで、
α＝長さの逆数を単位とする減衰定数、
ω＝角周波数 ( ラジアン / 秒 ) 、
Ｃ＝流体内における信号の伝搬速度、
η＝絶対剪断粘度、
η _B ＝絶対体積粘度、
ρ＝流体の質量密度、
ａ , ｂ＝剪断粘度および体積粘度に関しており、流体の分子構造によって決まる定数、
Ｋ _V ＝｜ａ＋ｂη _B / η｜＝粘性修正因子、
であり、

ここで、
Ｌ＝経路長、
ｆ＝信号の周波数、
であり、
Ａ _SPREAD は、拡がり減衰を、以下の式に従ってデジベル単位で表したものであって、

ここで、
ｆ＝信号の周波数、
Ｃ _f ＝流体内での音速、
Ｌ＝経路長、
Ｋ _S ＝送信手段の寸法及び特性に依存する定数、
である装置。
送信手段及び受信手段は、容器又はパイプの外面に配備され、信号は、送信手段から、容器又はパイプの壁を通過し、容器又はパイプ内の流体を通過し、容器又はパイプの壁を通過して、受信手段に到達する、請求項１に記載の装置。
送信手段及び受信手段は、送信手段からの信号が、経路に従って容器又はパイプを通過し受信手段に到達するように、容器又はパイプと接触する、請求項２に記載の装置。
送信手段は、音響信号を生成する第１トランスデューサを含んでおり、受信手段は、第１トランスデューサからの音響信号を受信する第２トランスデューサを含む、請求項３に記載の装置。
第１トランスデューサが生成した音響信号は、容器又はパイプの壁を通って容器又はパイプ内の流体に進行し、容器又はパイプの壁を通って第２トランスデューサに到達する、請求項４に記載の装置。
送信手段は、第１トランスデューサに接続され、第１トランスデューサに第１電圧信号を印加するトランスミッタを含んでおり、これにより、第１トランスデューサは、周波数ｆの音響信号を生成する、請求項５に記載の装置。
送信手段は、トランスミッタに接続された第１電圧計測手段を含んでおり、第１電圧計測手段は、トランスミッタから第１トランスデューサに印加された電圧と、該電圧を印加した時刻を計測する、請求項６に記載の装置。
受信手段は、第２トランスデューサに接続されたレシーバを含んでおり、第２トランスデューサは、音響信号を第２電圧信号に変換し、レシーバは、第２トランスデューサからの第２電圧信号を増幅する、請求項７に記載の装置。
受信手段は、レシーバに接続された第２電圧計測手段を含んでおり、第２電圧計測手段は、第２電圧信号の電圧と、該信号を受信した時刻を計測する、請求項８に記載の装置。
測定手段は、第１電圧計測手段及び第２電圧計測手段に接続されたプロセッサ手段を含んでおり、プロセッサ手段は、容器又はパイプ内の流体の粘度を、第１及び第２電圧計測手段が計測した電圧と伝播時間の関数として測定する、請求項９に記載の装置。
測定手段は、超音波信号が液体中の既知の距離を通過する伝播時間を計測するタイミング手段を含んでおり、プロセッサ手段は、液体の粘度及び音速から容器又はパイプ中の液体を決定する、請求項１０に記載の装置。
プロセッサは、第１トランスデューサが生成して、第２トランスデューサが受信する音響信号に関して、液体中の既知の距離を通過することによる減衰と、伝播時間から決定される液体の音速との関数として、粘度を決定する、請求項１１に記載の装置。
プロセッサは、音響信号が液体中を通過する時刻及び条件における粘度を、音響信号の減衰と、前記時刻における流体の音速及び容器又はパイプの音速とから測定する、請求項１２に記載の装置。
第１トランスデューサが生成し、第２トランスデューサが受信する音響信号は、超音波信号である、請求項１３に記載の装置。
流体は液体であり、送信手段は、液体中に送信される超音波信号を生成する第１トランスデューサを含む、請求項３に記載の装置。
送信手段は、第１トランスデューサに第１電圧信号を印加するトランスミッタと、トランスミッタから第１トランスデューサに印加された電圧を計測する第１電圧計測手段と、トランスミッタ及び第１トランスデューサに接続され、第１電圧信号が第１トランスデューサに進むことを制御するマルチプレクサとを含む、請求項１５に記載の装置。
受信手段は、容器又はパイプにて反射した超音波信号を流体から受信して第２電圧信号に変換する第１トランスデューサと、第２電圧信号を受信して増幅するレシーバを含んでおり、前記レシーバは、マルチプレクサに接続されており、マルチプレクサは、第１トランスデューサからの第２電圧信号がレシーバに進むことを制御する、請求項１６に記載の装置。
受信手段は、レシーバに接続され、第２電圧信号の電圧と受信した時刻を計測する第２電圧計測手段を含む、請求項１７に記載の装置。
測定手段は、第１電圧計測手段及び第２電圧計測手段に接続されたプロセッサ手段を含んでおり、プロセッサ手段は、容器又はパイプ内の流体を、第１及び第２電圧計測手段が計測した電圧、及び音速の関数として測定する、請求項１８に記載の装置。
送信手段及び受信手段は、容器又はパイプの壁を貫通し、容器又はパイプの内部に接触する、請求項１に記載の装置。
送信手段は、第１トランスデューサを含んでおり、受信手段は、第２トランスデューサを含んでおり、第１トランスデューサ及び第２トランスデューサは、信号がトランスデューサ間を進むように容器又はパイプに接触する、請求項２０に記載の装置。
容器又はパイプ内の流体の粘度を計測する方法であって、
信号を容器又はパイプ内の流体中に送信する工程と、
容器又はパイプ内の流体を通過して減衰した信号を受信する工程と、
信号が容器又はパイプ内の流体中を通過することによる信号の減衰を測定する工程と、
信号の減衰と音速から容器又はパイプ内の流体の粘度を見出す工程とを含んでおり、
信号の減衰は、Ａ _EXT 、Ａ _TRANS 、Ａ _VIS 、Ａ _TRANS 、Ａ _REF 、及びＡ _SPREAD に依存しており、
Ａ _EXT は、多くのソースに起因した容器又はパイプ内の流体に依存しない信号の減衰をデシベル単位で表したものであり、
Ａ _TRANS は、密度と超音波の伝播速度とが相違する２媒体の境界を通過するエネルギーの減衰を、以下の式に従ってデジベル単位で表したものであって、

ここで、
ρ _i ＝媒体ｉの密度、
Ｃ _i ＝媒体ｉ中における信号の伝搬速度、
１＝容器又はパイプを示す下添字、
２＝流体を示す下添字、
であり、
Ａ _REF は、流体の境界にて反射したエネルギーに関する減衰を、以下の式に従ってデジベル単位で表したものであって、

Ａ _VIS は、粘性損失による減衰を、以下の式に従ってデジベル単位で表したものであって、

ここで、
α＝長さの逆数を単位とする減衰定数、
ω＝角周波数 ( ラジアン / 秒 ) 、
Ｃ＝流体内における信号の伝搬速度、
η＝絶対剪断粘度、
η _B ＝絶対体積粘度、
ρ＝流体の質量密度、
ａ , ｂ＝剪断粘度および体積粘度に関しており、流体の分子構造によって決まる定数、
Ｋ _V ＝｜ａ＋ｂη _B / η｜＝粘性修正因子、
であり、

ここで、
Ｌ＝経路長、
ｆ＝信号の周波数、
であり、
Ａ _SPREAD は、拡がり減衰を、以下の式に従ってデジベル単位で表したものであって、

ここで、
ｆ＝信号の周波数、
Ｃ _f ＝流体内での音速、
Ｌ＝経路長、
Ｋ _S ＝送信手段の寸法及び特性に依存する定数、
である方法。
送信する工程は、容器又はパイプの壁を通って流体内に信号を送信する工程を含み、受信する工程は、流体及び容器又はパイプの壁を通過した信号を受信する工程を含む、請求項２２に記載の方法。
測定する工程は、流体中に送信される前の信号を、流体を通過した信号と比較する工程を含む、請求項２３に記載の方法。