JP4535872B2 - 超音波干渉法を使用する流動多相流体の非侵襲的な特徴付け - Google Patents

Description

［連邦権利に関する陳述］
本発明は、米国デパートメント オブ エナジーによってザ リージェンツ オブ ユニバーシティ オブ カリフォルニア（The Regents of The University of California）に対して与えられた契約番号第Ｗ−７４０５−ＥＮＧ−３６号の元で政府の支援を受けてなされた。政府は本発明に特定の権利を有している。

［技術分野］
本発明は、概して流体における音速および吸音の掃引周波数音波干渉（ＳＦＡＩ）決定に関し、さらに詳細には流動する流体の流速および組成を非侵襲的に決定するためのＳＦＡＩの使用に関する。

掃引周波数音波干渉法（ＳＦＡＩ）［１］は、液体および気体の中での音速および吸音を決定するための数十年前に開発された超音波干渉法の技法を改作したものである。元の技法においては、および技法のさらに最近の改良［２］においても、トランスデューサ（センサ）は試験されている流体に直接的に接して設置された。これによりこの技法を流体の高度に分化した実験室特徴付けに使用することは制限された。対照的に、ＳＦＡＩ技法は超音波干渉法技法の機能を大いに拡張し、幅広い周波数範囲での密封された容器（パイプ、タンク、化学反応器等）の内部の流体（液体、気体、混合物、乳剤等）における音の速度および減衰の非侵襲的な決定を可能にする。加えて、容器材料特性（密度および音速）が既知である場合、液体の密度はＳＦＩＡ技法を使用して決定できる。音の物理的なパラメータ、つまり速度、減衰および音減衰の周波数依存性、および密度［３］に基づいて多様な化学物質およびそれらの最も重要な先駆物質を一意に特定することが可能であることも示されている。

近年、石油会社は油田からのパイプ内での石油の流速を特徴付けるための非侵襲性技法に関心を示している。

米国特許第５，６０６，１３０［４］号は、そこに説明されているＳＦＡＩ測定がパイプ内の流動サンプルに対して実行できることが期待されると述べている。しかしながら、その中にはこのような測定をどのようにして実行するのかに関しては言及されていない。

したがって、流動流体の組成を決定するための装置および方法を提供することが、本発明の目的である。

本発明の別の目的は、流体の流速を決定するための装置および方法を提供することである。

本発明の追加の目的、優位点および新規特徴は、後続の説明に部分的に述べられ、以下を調べると当業者に部分的に明らかになるか、あるいは本発明の実践により学習されてよい。本発明の目的および優位点は添付請求項に特に指摘された方便および組み合わせによって実現され、達成されてよい。

前記および他の目的を達成するために、および本発明の目的にしたがって、具現化され、ここに広く説明されるように、これに関して容器を通って流れる流体の組成を監視するための方法は、音響信号が流動流体に転送されるように容器の外部に連続的な周期音響信号を適用し、それによりその中に複数の最高値と最小値を有する振動共鳴特徴を生成する工程と、流動流体内で生成される振動特徴を検出する工程と、振動共鳴特徴の中で２つの選ばれた連続最高値を含む、選ばれた周波数範囲を通して連続周期音響信号を掃引する工程と、流動流体の該２つの選ばれた連続最高値の周波数差異を測定し、それにより流体の組成の変化が識別される工程とを含む。

本発明の別の態様においては、その意図および目的にしたがって、これに関して容器を通る流体の流速を監視するための方法は、音響信号が連動流体に転送されるように容器の外側に連続的な周期音響信号を適用し、それによりその中に複数の最高値と最小値を有する振動共鳴特徴を生成する工程と、流動流体の中で生成される振動共鳴特徴を検出する工程と、定常波振動パターンに２つの選ばれた連続最高値を含む、選ばれた周波数範囲を通して連続周期信号を掃引する工程と、流体の組成が変更したかどうかを判断するために２つの選ばれた連続最大値のあいだの周波数差異を記録する工程と、それに応えて共鳴ピークの場所を補正する工程と、１つの選ばれた共鳴ピークの周波数を決定し、それにより流体の流速が決定される工程とを含む。

本発明のさらに別の態様においては、その意図および目的にしたがって、これに関して容器を通るある流速で流れる流体の組成を監視するための方法が、音響信号が流動流体に転送されるように容器の外側に連続的な周期音響信号を適用し、それによりその中に複数の最高値と最小値を有する振動共鳴特徴を生成する工程と、流動流体の中で生成される振動特徴を検出する工程と、振動共鳴特徴のあいだで１つの最大値を含む、選ばれた周波数範囲を通して連続周期音響信号を掃引する工程と、流体の流速を測定する工程と、流動流体の最大値の周波数を測定する工程と、流体の流速の最大値の周波数を補正し、それにより流体の組成の変更が識別される工程とを含む。

本発明のさらに別の態様においては、その意図および目的にしたがって、組成を有し、これに関して容器を通って流れる流体の流速を監視するための方法は、音響信号が流動流体に転送されるように容器の外側に連続的な音響信号を適用し、それによりその中に複数の最高値と最小値を有する振動共鳴特徴と生成する工程と、流動流体内で生成される振動特徴を検出する工程と、振動共鳴特徴の中で１つの最大値を含む、選ばれた周波数範囲を通して連続周期音響信号を掃引する工程と、流動流体の最大値を周波数を測定する工程と、流体の組成を決定する工程と、流体の組成の最大値の周波数を補正し、それにより流体の流速が決定される工程とを含む。

本発明の恩恵と利益は流動流体の組成における流体の流速と変化の非侵襲性の測定を含む。

明細書に組み込まれ、明細書の一部を形成する添付図面は、本発明の実施形態を説明し、説明とともに、本発明の原則を説明する働きをする。

簡潔に、本発明は超音波を使用して流動流体の流速および／または組成の両方を非侵襲的に監視するための装置および方法を含む。以下においては、流体は複数の成分を備える液体、いくつかの粒子状物質を備える液体および気体気泡を含有する液体を含む液体と定義される。以下に詳細に説明されるように、組成の変化とその流速の変化の両方に対応して掃引周波数超音波信号により励起される流体の共鳴ピークの位置が周波数を変更することが判明した。加えて、連続共鳴ピークの周波数差異は流速の関数としてではなく、むしろ組成の変化に対応して変化する。したがって、両方のパラメータ（共鳴位置と共鳴スペーシング）の測定値は、いったん校正され、本発明の装置と方法を使用して流速と組成の同時決定を可能にする。流体の組成を決定するために有効な追加のパラメータは共鳴特徴の半値全幅、振幅比および液体の音響インピーダンスを含む。これらのパラメータのどれも流速の関数として大きく変化することが判明しなかった。装置はデカン、ドデカン、水および塩水溶液を使用して試験され、これらの組成が、両方の参考資料の教示がここに参考のためにこの明細書に添付される米国特許番号第５，７６７，４０７号［１］と米国特許第５，８８６，２６２号［５］の静止流体について詳細に説明された掃引周波数音響干渉法（ＳＦＡＩ）技法を使用して容易に区別可能であるかどうかを決定する。

ここで、その例が添付図面に描かれている本発明の本好適実施形態に対して詳細に参照がなされる。類似したまたは同一の構造は同一の付記を使用して名前が付けられる。ここで図１ａを見ると、本発明の装置の１つの実施形態の概略表示が、流体１４が流れるパイプまたは管１２の片側に位置する１台の二重要素トランスデューサまたは２台の単一要素トランスデューサ１０ａと１０ｂを描いて示され、電子機器１６は固定されたまたは可変の音響駆動周波数１８を提供し、流体１４内で発生する共鳴信号２０を受信する。図１ｂはパイプまたは管１２の片側の掃引正弦波発生装置２０を動力源とした送信側トランスデューサ１０ａ、およびその他方の側で受信電子機器と解析電子機器２２と電気的に接続している受信側トランスデューサ１０ｂを示している。回路の例および動作の原理は、前記第‘２３２号特許についての説明に記載されている。流体１４の中での共鳴の単一周波数励起の場合、位相の変化は装置により監視できる。後文に立証されるように、管またはパイプ１２は金属、プラスチックまたはガラスから製造できる。図１ｃは、単一の圧電トランスデューサ２４がサンプルの中で発振信号を発生させるため、およびそれにより生じる共鳴に応答するための両方のために使用される本発明の第３の実施形態を示している。前記第’２６２号特許の説明にも説明されるように、ブリッジ回路２６は差分信号を引き出すために利用され、トランスデューサ２４を含む１本のアーム、トランスデューサ用の整合回路または同等な回路を含むつりあいアーム、および掃引正弦波発生装置を含む。トランスデューサがパイプに取り付けられていないとき、出力はゼロである。しかしながら、パイプに取り付けられているとき、その中で発生する定常波のために変化するパイプインピーダンスは他方のアームの信号を基準にして一方のアームの信号を発生させ、出力はこれらの値の差異である。

流速の測定のため、流体の組成の変化を矯正する、あるいは少なくとも組成が変化していないという知識を有することが必要である。例として赤外分光計、ｕｖ／ｖｉｓ分光計などのリアルタイムオンラインデバイスを含む多数の市販されている組成監視装置、および例として液体クロマトグラフと質量分析計などのサンプリング装置とがある。装置本体の境界の外側での分析のために隔壁を通して導入されるシリンジを使用して分析のためにサンプルを採取する可能性がある。別の手順は流れを止め、参考資料１に詳説されるＳＦＡＩ手順を活用することであろう。これらの方法の数および多様性のため、図１ａから図１ｃは請求されている本発明により教示される装置以外の流動流体の組成を監視するための装置を示していない。同様に、流体の組成を監視するためには、本発明の一定の実施形態は、流体流速のための共鳴ピーク場所に対する補正が行われること、あるいは少なくとも流速が一定であるという知識を必要とする。いくつかは流体が流れるパイプの内部に配置され、他のものはパイプの外部に配置される多数の多様な市販されている流速測定装置がある。再び、流体組成監視装置が表示されていないのと同じ理由のために、請求される本発明により教示される装置をのぞき、図１ａから図１ｃには流速測定装置は描かれていない。

図２は、周波数の関数として管またはパイプ１２を通って流れる流体１４の共鳴応答を観察するために適した電子回路の例を示している。類似する装置は、流体の組成の変化および／または流体流速の変化の関数として送信側トランスデューサにより管またはパイプに印加される初期超音波信号の位相からの流体の位相の変化を観察するために適切であろう。電子回路は、１０ＭＨｚまで周波数を生成するための直接デジタルシンセサイザ（ＤＤＣ）ＩＣ２８、トランスデューサ１０ｂの出力信号を増幅するための増幅器３０、２つの正弦波間の位相における差異に比例する電圧出力を提供するための位相検波器３２、２チャネル多重化機能３６ＭＵＸ（マルチプレクサ）の最小値を有するアナログ／デジタル変換器３４、浮動小数点演算および高速フーリエ変換（ＦＦＴ）機能を有するマイクロコントローラ３８、および結果を表示するための表示装置４０を備える。活用された２台のトランスデューサは商業用の市販の圧電トランスデューサ（パナメトリックビデオスキャン）５ＭＨｚ中心周波数、直径０．５インチのトランスデューサ）であった。実際の銘柄は測定には重大ではなく、ほとんどすべてのトランスデューサを利用できる。

マイクロコントローラ３８はソフトウェアでプログラム可能であり、装置の周波数範囲内で選ばれた周波数を有する正弦波を生成するためにＤＤＳ２８を制御する。ＤＤＳ２８の周波数出力は固定される、あるいは時間とともに変化する（すなわち掃引される）かのどちらかである。本発明を立証するために使用される装置の周波数分解能は０．１Ｈｚより優れていた。周波数は１秒の何分の１かで選ばれた周波数範囲で掃引できるであろう。

ＤＤＳの出力は、液体１４が流れるパイプ１０と物理的に接触して設置される送信機トランスデューサ１０ａを励起するために使用される。第２のトランスデューサ１０ｂは受信機として使用される。同じ種類の測定を行うために単一のトランスデューサを使用して、そのインピーダンス変化（個の図１ｃ）を測定することも可能である。しかしながら、本発明の場合、互いの近くのその同じ側面上またはパイプ１２の対向側面のどちらかでパイプ１２と物理的に接して設置される２台の分離されたトランスデューサ実施形態を説明する方が簡略である。受信機トランスデューサ１０ｂは、６０ｄＢまでの利得で増幅器３０により増幅されるトランスデューサ１０ａからの励起信号に対する流体／パイプの信号応答を受信する。増幅された信号はＡ−Ｄ変換器３４の多重化入力３６を使用して処理される。マイクロコントローラ３８はマルチプレクサ３６入力とＡ−Ｄ変換器３４からのデータ出力の切り替えを制御する。

位相測定の場合、その出力として送信機トランスデューサ１０ａに対する信号と受信機トランスデューサ１０ｂの増幅信号のあいだの位相差を有する位相検波器３２回路が利用される。通常、位相測定は、パイプを通る液体の流れがないときに共鳴ピークに相当する固定周波数で行われる。液体が流れることを許されているとき、位相検波器出力は流速の大きさに関連している。流速の関数として位相差を説明する単純な関係性はなく、校正は必要とされていない。観察される位相差は流速のほぼ直線状の関数である（この図７を参照すること）。マイクロコントローラ３８は、位相出力を連続的に監視し、これを流速値に変換し、ディスプレイ４０を使用して結果を表示することができる。

流体組成監視の場合、回路は増幅された受信機トランスデューサ信号出力をＡ／Ｄ変換器３４に導くチャネルに切り替わる。この測定の場合、送信機トランスデューサに適用される周波数は選ばれた周波数範囲を通して急速に掃引される。この範囲はパイプの寸法に依存している（この図３を参照すること）。便宜的な周波数範囲が利用されてよいが、２つの連続する壁共鳴のあいだの周波数範囲（この図３を参照すること）が使用されるのが好ましい。これにより平坦な基線が生じ、結果は単純な方程式を含む理論に適合できる。関係性の簡略な説明が以下に続く。

前記に述べられたように、流体の音響特性を容易に取得するためには、測定周波数範囲を選択し、壁からの共鳴要因（contributions）（例として図３の約４ＭＨｚ、６ＭＨｚ、および８ＭＨｚ）を回避することが便利である。一次的には、これにより音速および音響減衰の測定において多大な誤差を引き起こさなくても演算をより直接的にする一層モデルを通る音響伝達の分析まで分析が本質的に縮小される。これは従来の干渉法におけるトランスデューサ結晶共振周波数領域を回避することに類似している。経路長Ｌを有する単一流体層のケースの強度伝達係数Ｔ、減衰係数α_L（α_LＬ＜＜１）および２つの同一の壁境界間の音速Ｃ_Lは以下として表現でき、

ここでσ＝Ｚ_W／Ｚ_L＋Ｚ_L／Ｚ_W1ω＝２πｆは角周波数、Ｚ_wとＺ_Lはそれぞれ壁と流体の音響インピーダンスである。金属コンテナ内部の大部分の液体の場合、

である。方程式（１）のＴはωＬ／ｃ_Lの周期関数であり、条件２πｆ_nＬ／ｃ_L＝ｎπが満たされるときはつねに最大（ピーク）値に達し、ここでｆ_nはｎ番目のピークの周波数である。この条件から、第２の速度ｃ_Lは（ｃ_L＝２ＬΔｆ）、連続するピークのあいだの周波数差異が測定される場合に決定できる。

述べられているように、流体内の音速は２つの連続ピークのあいだの周波数スペーシングから求められる。したがって、２つの連続する共鳴ピークを包含する範囲上で周波数を掃引する必要がある。液体経路長（パイプの直径）が既知であるので、次に音速を抽出するために、２つの共鳴ピークのデジタル化されたデータが使用できる。これは、流体内の音速を求めるための最も目的に適った方法であり、１秒の何分の１かで測定を行うことができる。さらに大きな精度または分解能のどちらかが必要とされる場合には、第２の手法が使用されてよい。この手法では、複数の共鳴ピーク（たとえば１０）が観察されるようにはるかに大きな周波数範囲がカバーされる。直接的にピークスペーシングに関連している共鳴ピークの周期性を決定するデータのＦＦＴを実行するためにマイクロコントローラが使用される。これは、複数のピークスペーシング上で音速測定を平均化することに同等である。

音響減衰および液体密度は、周波数スペクトルに関連している。伝送係数最小値Ｔ_minと最大値Ｔ_maxの比は、以下のようにσとα_Lに関して表現できる。

方程式（２）は、α_Lとσの両方ともｆ²の関数としての伝達比のデータの線形適合から求めることができる。ゼロ周波数での妨害は音響インピーダンス比σに関連している。壁材料のインピーダンスが既知である場合、流体の音速は前記に説明されたように個別に求められるため、液体密度を求めることができる。

音響減衰係数を求めるための別の方法は、観察された共鳴ピークの半値幅を活用することである。方程式（１）から、半値幅のための逆解δｆが、以下にしたがい流体の音響特性に関して引き出すことができる。

等式（２）に同等に、第２の項は、液体吸音からの要因であり、英気体に直接的に接するトランスデューサの共鳴器理論から得られる解に同一である。第１項、ゼロ周波数δｆ₀に外挿される幅は周波数とは無関係であり、δ、Ｃ_LおよびＬに依存している。この項は音響インピーダンス不一致のために壁液体インタフェースにある反射損失から生じ、壁の音響インピーダンスが既知である場合には液体密度を求めるために使用できる。この分析は液体の吸音の絶対値を抽出するために使用できる。さらに多くの場合、たとえば石油と水（この図８を参照すること）の音響ピークのピーク幅を監視し、定性区別を取得することで十分である。共鳴幅はピークの半値全幅であり、マイクロコントローラは任意のピークの上部をLorentzian線形と適合することによりこの量を迅速に計算できる。Lorentzianは、データを逆転する（各周波数で振幅の逆数を採取する）ことにより線形化でき、次に単純な放物線適合が非線形最小二乗法適合の代わりに必要なすべてである。図８の原油について示されている幅は定性的な説明のためだけに意図される。

したがって、スペクトルは液体に関係するすべての情報を含み、所望されるパラメータは単純な演算を通して抽出できる。

前記説明は周波数の関数として流体経路を通る音響伝達の動作をカバーし、方程式（１）は周波数スペクトルを説明した。音速、吸音および密度などの流体の多様なパラメータを抽出するために観察された実験データにこの等式を最小二乗曲線当嵌する（least-squares curve-fit）ことが可能である。しかしながら、単一の共鳴ピークを監視することによっても優れた制度で同じ情報を引き出すことができる。実際には、多くの場合、これらの量の絶対値ではなく、音速、吸音および密度の変化という点でパイプを通って流れる流体の性質の変化を監視することが必要とされる。このような状況では、電子回路は単に単一の共鳴ピークを選択、追跡調査し、ピーク幅、ピーク位置、および共鳴曲線の最小値（基線）を測定する。

流体の音速が変化する場合、選択された共鳴ピーク位置は周波数で変化する。この周波数シフト（Δｆ_S）は、単にΔｆ_S＝（ｎ／２Ｌ）Δｃとして音速変化（Δｃ）に関連している。ここでは、ｎは特定の共鳴ピークの次数番号である。同様に、液体の吸音が変化すると、選択された共鳴ピークΔ（δｆ）の共鳴ピークの半値全幅（δｆ）値の観察された差異が、

として吸音の変化を示す。吸音の変化を決定するための別の方法は、単一の共鳴特徴の場合の共鳴ピーク最小値Ｔ_min対ピーク最大値Ｔ_maxの比率を測定することである。吸収の変化Δα＝Δ（Ｔ_min／Ｔ_max）Ｌ（この方程式（２）と図８を参照すること）。この手法は、Δαを求めるためのさらに迅速な手順を提供し、曲線当嵌を必要としない。

最終的には、共鳴曲線の最小値（Ｔ_min）の変動は液体の音響インピーダンスの変化の変動の基準を提供できる。２つのパラメータの関係性はΔＴ_min（２／Ｚ_w）ΔＺとして表現することができ、ΔＺは液体の音響インピーダンスの変化である。すべてのこれらの関係性は方程式（１）から引き出され、説明の目的のためにこの図８に図形で示されている。たとえば、石油と水のあいだの単純な区別のための吸音の変動の定性的な監視の場合、図８に図示されるような共鳴の最大値と最小値のあいだの共鳴ピークの幅を単に決定することは目的に適っている。吸音の正確な決定のため、方程式（１）を使用して複数のピークと共鳴スペクトルを適合することがより優れている。

単一のピークの共鳴ピーク位置と、最も敏感な周波数領域内のピーク幅の両方を同時に監視する位相ロックループ回路を利用することにより、音速と音響原則の両方とも連続的に提供される。次にこれらの値はＳＦＡＩのケースでのように流体を特徴付けるために使用される。追加回路を用いると、液体の密度を監視することができる。位相ロックは、単一の共鳴ピークの所望される共鳴周波数のあたりで励起トランスデューサの周波数を変型するために鋸波信号を使用することにより達成される。共鳴ピークは時間の関数として監視され、パイプ直径は既知であるため、音速の基準となる。このケースでは、共鳴スペクトルは経路長（パイプまたは管の直径）および流体の音速により決定されるため、２つの連続するピークのあいだの周波数スペーシングを決定することは必要ではない。したがって、単一の既知ピークの位置が音速を決定する。周波数変調の出力は、それが共鳴ピークを通して掃引されるにつれて振幅変調される信号である。共鳴が鋭い場合には、短い周波数掃引領域上での振幅変調は高い中央振幅値の高い振幅である。低振幅または広い共鳴ピークの場合には、出力信号は低い方の振幅可動域のさらに低い中央値である。したがって、信号のＲＭＳ値を測定し、ＤＣ中央値がフィルタで除去されるようにそれをＡＣ結合することによって、共鳴ピーク幅を引き出すことが可能である。中央ＤＣ値は液体密度の基準を提供する。

図３は、有限壁厚を有するコンテナで本発明の掃引周波数装置および方法を使用する非侵襲的な測定のための複合共鳴スペクトルであり、液体ピークが適切な周波数領域が選択される場合にコンテナの壁の中で誘発される共鳴とは無関係に研究できることを描いている。以下のグラフは、掃引周波数測定が有限壁厚のコンテナの外側から行われるときに、典型的なスペクトルがどのように見えるのかを示している。

図４は静止コンテナ内で測定される複数の液体の物理特性のグラフである。デカンとドデカンが、これらの液体の両方とも石油の特性に類似する特性を有すると既知であるために調べられた。音響的にこれらの液体は遠く離れている。音速値および音響減衰値は表に要約されている。

本発明のＳＦＡＩ技法の音速の解像度は、約毎秒±２ｍである。これは、必要な場合には毎秒０．１ｍに改善できる。デカンとドデカンのこの差異によりそれらを特定できる。水、塩水、およびデカン（またはドデカン）を区別するのは容易である。明確にするために同じデータが図３の三次元グラフに提示されている。

ＷａｎｇおよびＮｕｒ［５］による従来のパルスエコー技法を使用する純粋な炭化水素と混合物での音速に関する最近の研究は、１３ｎ−アルカン、１０ １−アルケン、および３ ｎａｐｈｔｈｅｎｅ炭水化物のサンプルにおける音速が−１２°から１３２°の温度範囲において−３．４３から−４．８５［ｍ／ｓ］／℃の範囲の傾きで温度とともに直線状に減少することを示すことを示している。したがって、温度が既知である場合、音速は温度について補正できる。別個の研究［６］では、炭化水素の音速ｃが、以下のように温度Ｔと原子質量単位の分子量Ｍの関数として表現できることが示されており、

ここでｃ０は定数である。
これは、この量を正確に測定できる場合は音速を使用して多様な炭化水素を特定することが可能でなければならないことを示している。

音速に加えて、ＳＦＡＩ技法は流体内での吸音も決定することが可能で、石油特徴付けに追加の物理的なパラメータを与える。炭化水素も、顕著な周波数依存吸音を示す。本発明のＳＦＡＩ技法はこの種の測定も可能である。

流動条件下でＳＦＡＩ測定を実行するために流速ループも利用された。直径４．５インチのプラスチック管が流速ループで使用された。水は、原油より扱いやすいために液体のために使用された。測定は植物油を使っても実行された。図５は水の毎分０ガロンと２０ガロンのあいだの流動条件下での測定を示している。連続する共鳴ピーク間のスペーシングは流動水と非流動水について同じであると見られる。これは、液体が流れているときに音速が変化しないことを示している。音響ピークの幅も同じであると観察され、音響減衰が流動条件下で不変のままと成ることを示している。２つのスペクトルのあいだの差異は、周波数におけるパターン全体のわずかなシフトである。

周波数シフトは壁の内面に隣接して形成される流速境界層のための流体の音響特性でのわずかの変動が原因であると本発明者によって考えられている。この境界層は、流体経路総長の内部に形成される定常波パターンに影響をおよぼすことがある壁から反射する音波の位相ずれを生じさせる傾向がある。図のさらに高い周波数側に向かうさらに高い振幅への基線のドリフトは、提示されるデータが壁共鳴ピーク（この図３を参照すること）にいくぶん近いという事実の結果である。音速の普遍性はデータのＦＦＴから観察されることが認められた。

図６は、ガスの気泡を含有する流体を用いて音速を決定するために必要とされるＳＦＡＩ測定を行うことができることを示している。この測定の場合、窒素ガスは直径約２インチのプレキシガラスの底部を通して泡立てられ、測定は２台のトランスデューサを管の外側に取り付けることにより行われた。注記されるべきは、連続共鳴ピークのあいだの周波数スペーシングが大幅に変化しないこと、およびスペクトルが明らかに観察できること（測定は少し（〜１ｍｓ）の積分時間で行われた）である。さらに、周期性は相対的に高い気泡レートで決定することもできる。これは、気泡レートが高すぎるときには気泡の体積端数がおおきくなるまで音速は感知できるほどに変化しないことを示している。測定の積分が１０という係数で増加される場合、データの信号対雑音比は大幅に改善することが判明し、気泡液体について観察されたパターンは気泡が導入されない同じ液体に類似していることが判明した。これは、測定における気泡のためのすべての変動が平均され、特定の気泡レートまでＳＦＡＩ測定が依然としてきわめて信頼できるためである。

図７は、質量流速の関数としての位相角のシフトのプロットであり、本発明の装置が非侵襲的な流速計として有効であることを立証している。すなわち、トランスデューサを既存のパイプの外部に取り付けることにより、その中の流体の流れを監視できる。

リアルタイム（連続）監視の場合、適切な周波数で単一の共鳴ピークを選択することが最も有効であることが判明している。図８は、直径２インチのガラスパイプにおける原油の（上部トレース）および水（下部トレース）の周波数の関数としての共鳴振幅のプロットである。（矩形により封入される）３．７８ＭＨｚと３．８ＭＨｚのあいだの周波数範囲では、特定の共鳴器空洞（パイプの内部）は音速の変化を監視するという点でその最大感度に達する。規則正しく分散されるこのような多くの周波数がある。５ｋＨｚの周波数シフトが原油と水についてのデータのあいだで観察される。本発明のＳＦＡＩ技法は容易に１Ｈｚを分解できるため、５０００分の１部という音速分解能を可能とする。周波数のシフトに加えて、吸音に大きな変動を生じさせる共鳴幅も劇的に変化する。加えて、共鳴の最小値も音響インピーダンス不一致のために変化し、液体密度に関連付けられる。連続的に３つすべてのパラメータを監視できる電子回路が開発された。２つのプロット（水と原油）の基線におけるシフトは、音響インピーダンスが２つの流体に対して異なっているという事実のためである。共鳴の最小値は、パイプ壁と流体内部のあいだの音響インピーダンス不一致から引き出すことができる流体密度の基準となる。

このようにして、共鳴ピークの周波数場所が、流体の組成とその流速の両方の関数として変化することが見られる。流速計が所望される場合、組成は一定であると判定されなければならない。これは、流体の音速が原位置校正のために相対的に一定のままとなると判定するためにピークスペーシングを監視することにより達成できる。校正は、校正情報を引き出すために、同じパイプの小さな部分および任意の流動システムの他の場所での既知の流体を使用して実行することもできる。流速校正においては、所望される周波数範囲内の（好ましくは２つの壁共鳴ピークの真中の周波数範囲内の）任意の共鳴ピークが液体流速の関数として監視される。壁共鳴ピーク位置は、壁厚により決定される。本装置は、以下のとおりに高感度測定と低感度測定の両方について校正できる。つまり、低周波数（約１ＭＨｚ）の場合、共鳴ピークのシフトははるかに高い周波数（約１０ＭＨｚ）で観察されるシフトより小さい。複数の周波数範囲を観察することにより、さまざまなレベルの感度を取得することが可能である。この校正プロセスは、流体音速が決定されなければならない他の走行時間超音波流速計の場合と異ならない。装置がいったｎ流速について校正されると、測定値の大きな精度が所望されない場合には音速（と吸音）と流体流速の両方とも同時に監視できる。石油（石油製品）産業における流速と組成の監視などの多くの実践的な用途の場合、石油流速校正は適切な精度を提供する。原則的には、たとえば水から石油へなど１つの液体から流速校正を拡張することも可能である。図８は、石油と水について共鳴ピークの差異を描いている。共鳴ピークの幅は該２つの液体について異なり、各液体はただ１つの共鳴ピークの共鳴特性に基づいて特定できる。したがって、いったん流速についての校正が石油について、および別個に水について完了されると、量は該２回の校正のあいだの中間であるため、流動液体が該２つの液体の組み合わせであるときに流速を外挿することが可能である。これが、ピークスペーシングの測定から、あるいは共鳴データのＦＦＴによって組成を監視できるために可能であるのに対し、流速は単一の共鳴ピークの位置を突き止めることによって測定される。これらの２回の測定は実際問題としては大きな範囲まで互いとは無関係である。

本発明は、低い流速と高い流速の両方での情報を提供する。流速を原因と下ピークの周波数シフトは周波数とともに増加するため、低流速の場合、小さな流速が任意の選択された共鳴ピークのピーク周波数の測定可能なシフトまたは位相ずれを生じさせるさらに高い周波数範囲（＞５ＭＨｚ）を使用することが便利である。対照的に、さらに高い流速の場合、共鳴ピークシフトは大きくなり、３６０度の位相ずれを超えることに同等である選択されたピークを見失う可能性がある。このケースでは、さらに低い周波数領域

でデータを観察することが適切である。適切な周波数範囲は特定のパイプ幾何学形状に依存し、広帯域周波数走査がパイプの特性を決定するために利用される（この図３を参照すること）初期の校正プロセスのあいだに決定されてよい。前述されたように、流速と組成両方の監視のために２つの壁共鳴周波数のあいだの周波数領域を使用することが好ましい。

流速についてのシステムの校正の場合、測定（受信機信号振幅および位相差）は、複数の流速地について流動流体を使用して行われ、周波数スペクトル全体が監視される。いったんこれが実行されると、低周波数範囲と高周波数範囲の校正情報がこれらのスペクトルから抽出され、単純な方程式の項としてマイクロコントローラに記憶される。このことから、実際の測定のために任意の値を外挿することができる。

いったん装置が流速について校正されると、測定の大きな精度が所望されない場合、音速（と吸音）と流体流速の両方を同時に監視できる。石油製品の流速と組成の監視の場合、石油を用いた単純な流速校正が適切な監視を提供できる。原則的には、たとえば水から石油へなど１つの液体から流速校正を拡張することも可能である。図８は、石油と水について共鳴ピークの差異を示し、液体は単一のピークの共鳴特性から容易に識別できる。いったん流速の校正が石油を使用し、次に水を使用して実行されると、測定結果はどちらかの液体のそれらのあいだであるため、流動流体が任意の２つの組み合わせであるときに流速を補正することが可能である。これは、ピークスペーシングまたは共鳴データのＦＦＴを測定することにより監視されるため可能であるが、流速は単一の共鳴ピークの位置を追跡調査することにより測定される。これらの２回の測定は互いとは無関係である。

本発明の前記説明は、図解と説明の目的で提示され、網羅的になるあるいは開示されている正確な形式日本発明を制限することを目的としておらず、多くの変型および変形が前記教示を鑑みて可能であることは明らかである。実施形態は、本発明の原理およびその実践的な適用を最もよく説明するために選ばれ、説明され、それにより他の当業者が多様な実施形態で、および熟慮される特定の使用に適切であるように多様な変形で本発明を活用できるようにする。本発明の範囲がこれに添付される請求項により定められることが意図される。

［参考資料］
1.1998年6月16日にDipen N.Sinhaに対し発光された「掃引された周波数音響干渉法による流体の非侵襲的な識別（Noninvasive Identification Of Fluids By Swept-Frequency Acoustic Interferometry）」についての米国特許番号第5,767,407号
2.Naturwissenschaften 63、280（1976年）、F.EggersおよびTh.Funck、「液体中の超音波緩和分光法（Ultrasonic relaxation spectroscopy in liquids）」
3.物理化学（Physical Sciences）、第39巻、アカデミック出版（Academic Press）（2001年9月）の実験方法、Dipen N.SinhaおよびGreg Kaduchak、「液体中の音速および音響減衰の非侵襲的な決定（Noninvasive Determination of Sound Speed and Attenuation）」
4.1997年2月25日にDipen N.SinhaおよびBrian W.Anthonyに発行された「その中の対応する音響共鳴を観察することによりガソリンサンプルのオクタン価を決定するための方法（Method For Determining The Octane Rating Of Gasoline Samples By Observing Corresponding Acoustic Resonances Therein）」についての米国特許第5,606,130号
5.1999年3月23日にDipen N.Sinhaに発行された「液体中の対応する音響共鳴を比較するための装置および方法（Apparatus And Method For Comparing Corresponding Acoustic Resonances in Liquids）」についての米国特許第5,886,262号
6.Zhijing WangおよびAmos Nur、アメリカ音響学会ジャーナル（J.Acoust.Soc.Am.)89、2725（1991年）
7.Z.WangおよびA.Nur、地球物理学55、723（1990年）

液体が流れるパイプまたは管の片側に配置される二重要素トランスデューサを示す本発明の装置の１つの実施形態の概略図である。 パイプまたは管の一方の側の送信側トランスデューサ，およびその他方の側の受信側トランスデューサを示す本発明の装置の第２の実施形態を示す。 単一の圧電トランスデューサがサンプルの発振信号を生成する、およびそれにより生じる共鳴に応答するための両方のために使用される本発明の第３の実施形態を示す。 周波数の関数として管またはパイプを通って流れる流体の共鳴応答を観察するために適切な電子回路の例を示す。類似する装置は、流体の組成または流速の変化の関数として送信側トランスデューサにより管またはパイプに印加される初期の超音波信号の位相から流体の位相の変化を観察するのに適しているであろう。 本発明の掃引周波数装置および方法を使用する非侵襲性の想定のための複合共鳴スペクトルであり、適切な周波数領域が選択される場合に、液体ピークがコンテナの壁の中で誘発される共鳴には無関係に研究できることを描く。 静止コンテナ内で測定される複数の液体の物理特性のグラフである。 流動条件下で行われる掃引周波数音響干渉法測定を示し、連続共鳴のピーク間のスペーシングに関連する音速が流れの結果として変化せず、共鳴ピークの幅に関連する音響減衰も変化しないことを示す。 気泡を含む液体の中で行われる掃引周波数音響干渉法測定、再びピーク間のスペーシングが変化しないことを示す。 水の質量流速の関数として測定された差動位相の大きさのグラフである。 周波数の関数として水と石油の共鳴パターンを示し、適切な周波数で共鳴ピーク特性が液体の音響特性に敏感であることを描いている。

Claims (2)

1. （ａ）音響信号が流動流体に転送されるように容器の外部に連続的な周期音響信号を適用し、それによりその中に複数の最大値と最小値を有する振動共鳴特徴を生成する工程と、
   （ｂ）流動流体の中で発生する振動特徴を検出する工程と、
   （ｃ）振動共鳴特徴の中で最大値を含む、選ばれた周波数を通して連続周期音響信号を掃引する工程と、
   （ｄ）流動流体の最大の周波数を測定する工程と、
   （ｅ）前記流体の流速を測定する工程と、
   （ｆ）流速の最大値の周波数を補正する工程と
   を備える容器を通過する流速での流体の組成を監視するための方法。
2. （ａ）音響信号が前記流動流体に転送されるように前記容器の外部に連続的な周期音響信号を適用し、それによりその中に複数の最大値と最小値を有する振動共鳴特徴を生成するために前記容器の外面に音響接触する第１のトランスデューサと、
   （ｂ）前記容器の外部に音響接触し、流動流体の中で生成される振動共鳴特徴を検出するために前記第１のトランスデューサに対向するその側面に位置する第２のトランスデューサと、
   （ｃ）振動共鳴特徴の中に選ばれた最大値を含む、選ばれた周波数範囲を通して前記第１のトランスデューサを掃引するための掃引生成装置と、
   （ｄ）前記流体の流速を測定するための流速計と、
   （ｅ）選ばれた最大値の周波数を決定するため、および流動流体の流速について周波数を補正するためのデータプロセッサと、
   を組み合わせて備える容器を通過する流速での流体の組成を監視するための装置。

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