JP4688762B2

JP4688762B2 - 超音波行路バンドル及びシステム

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Publication number: JP4688762B2
Application number: JP2006249919A
Authority: JP
Inventors: シー．リンワース，ロレンス; リュー，イー
Original assignee: ジーイー・インフラストラクチャー・センシング・インコーポレイテッド
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2016-06-06
Also published as: EP0835444A1; EP0835444A4; JPH11507723A; JP2007047180A; US5962790A; WO1996041157A1

Description

本発明は、超音波技術に関するものであり、特には、超音波トランスジューサと対象物若しくは物体（この中をこれら信号が伝搬する）とを結合する結合信号を含む超音波システムの少なくとも一部に関するものである。特定の用途としては、バッファロッドのような、ある種の隔離が必要とされる高温気体内部との「結合」を挙げることができる。

バッファロッドは、非常に高い温度にある調査下の媒体からトランスジューサ結晶を分離するために５０年以上にわたって超音波技術で使用されてきている。これは、赤熱の火炎をやけどを防止するために長い鋼製の火掻き棒で対処するのと類似している。

超音波測定においては、バッファロッドが関心のある信号に干渉しないことが重要である。従って、長年にわたり、モード変換により発生する側壁エコーを回避するのに多くの努力が投入されてきた。こうしたモード変換は、縦波が斜入射近傍で壁に衝突する時に起こり、剪断波を発生し、これは結局ロッドを横切って斜めに多数回反射する。各反射毎に、元の縦方向パルスの遅延したレプリカ信号を発生する。おそらく、側壁エコーを回避するために一般に使用されている方式の多くは、バッファをスレッドすることである。このスレッド方法は十分であることが多いが、それが非常に損失を大きくする点で欠点を有する。例えば、２５ｍｍ直径及び約３０ｃｍの長さを有する中実の鋼製バッファロッドは、縦波がロッドの直径全体を横切る面波として出発すると仮定して、５００ｋＨｚ信号に対して、約２０ｄＢのビーム拡散損失を受ける。

中実バッファロッドにおけるビーム拡散損失を防止するための他の知られた方法としては、
（ｉ）例えば、特許文献１に記載されるような縦波ではなく剪断波を使用する、または
（ｉｉ）例えば、特許文献２に記載されるような外側部分が芯部より高い音速を有するバッファロッドの使用を挙げることができる。

更に、もし中空のバッファロッドが考慮するなら、回折損失の大半または側壁エコーを回避することができる。しかし、或る種の用途では、音波伝導流体が、温度勾配若しくは組成勾配を有する可能性のある中空管に沿って伝搬するときの移行時間の不確定さにより発生するエラーを正確に排除することは容易ではない。中空管は、また、残渣や凝縮物で一杯となる危険もあり、これは壁に取り付いて、その伝搬性質を著しく変える。また、高い流速では、それらは共鳴しそして強い音響干渉を創出する。

１９６６年に、Gellesは、個々の若しくは束にされたガラスファイバーを用いた可撓性の超音波遅延線の非分散的な動作について論文を発表した。ゆるいプラスチック外鞘内に包入されたファイバー光学ケーブルから形成されたこれら束は、それらのファイバーをすべてエポキシ樹脂により融着若しくは結合され、実用的な端子を形成している。しかし、Gellesは、結合領域を通しての非常に短い距離でさえ高い減衰を見出し、「被覆−ファイバー長さのおおよそ１０ｄＢ／ｍｍを超える」減衰を報告している。（I.L.Gelles, Optical-Fiber Ultrasonic Delay Lines,J.Acoust.Soc.Am,39（6）,pp.1111 - 1119(1966)）。この構成でもって、Gellesは、特定の周波数に対してより良好に動作するように、また望ましくないパルス、即ち偽のパルスの発生を最小限するように、結合厚さを調節することができること、そして、彼は、この構成がピックオフポイント、リエントラント遅延ライン及びファイバーに基づく音響変調器のような特定のデバイスに対して有用性を持つことを示唆した。しかし、本件出願人の知識では、光ファイバーの音響用途での使用は、爾後の数十年において、伝送リンクやバッファ構造への応用の道をいまだ見出されていない。

米国特許第３４７７２７８号明細書米国特許第５２４１２８７号明細書

かくして、測定プロセスもしくは測定環境が、トランスジューサが空間的に遠隔にあることを必要とするものであるときは、明確(well-defined)に定義されたな音響信号を伝送したり回収することに、依然として問題が残っている。これらの問題は、測定プロセスが高温高圧における気体と関与するものであるとき、物理的隔離もしくは閉じ込め、信号強さ及び音響光路の不連続性という多数の考慮事項がすべて性能に影響するので、特に顕著なものとなりうる。例えば、低分子量の気体に対して、大気圧乃至その近傍から出発して２００ｂａｒ連続まで蓄圧して、正常操作において２００℃そして故障条件で４５０℃に至るまでの気体温度に対して気体流速を広い流れ範囲にわたり＋−１％以内で精度良く測定するという一見簡単な要件が超音波測定システムに非常に様々の項目の要件を賦課する。

実際的なシステムは、価格、融通性、信号隔離、及び有用な周波数範囲並びに較正、保守性及び既存設備との適合性に関係する因子という考慮事項に対処せねばならない。従って、改善された超音波システムを提供することが所望されよう。

本発明に従えば、剛性の実質上非分散性のロッドから形成される剛性リンクが超音波信号行路若しくは伝搬路に提供される。一具体例において、リンクは、トランスジューサもしくはカップリングを,破壊的な熱的、化学的その他の物理的条件から隔絶して、超音波信号を保存することができる物理的に遠方に伸びたスタンドオフとして作用するバッファである。２つ以上のそのような複数のリンクが、トランスジューサと最終測定ポイント（即ち、信号ポイント）との間で信号を伝送するように直列に接続されうる。好ましい具体例において、複数のロッドが束ねられて、その一端において中実のシート若しくはディスクに結合され、これにより、関心のある超音波信号の定義性（definition）と結合性とを向上しまた増進するために、特定の厚さに機械加工もしくは別様に加工される。本発明のこの態様の好ましい具体例において、端部は、プロセスラインや容器に対して容易に取り付けられる耐圧性の閉鎖体を形成するフランジもしくはカバープレートの一部である。ロッドの各々は、それらが組合せ信号を伝達しまた検出した信号をコヒーレントに受け取るように、「定義」された長さを有している。

別の態様乃至具体例において、ディスクは特定周波数に対してλ／４整合層を含むことができ、そしてリンクはその周波数の奇数倍である、すなわち調波的に関連づけられた周波数の信号を使用する。また別の具体例において、束の端はロッド内の圧縮波エネルギーと表面の撓み波との間での変換を行うために表面に沿う異なった地点で結合することにより端部形成されうる。表面は例えば高周波音源もしくは受信機として機能するシリンダの壁であり得、この場合シリンダの撓み励起が信号と周囲気体とのインピーダンス整合した結合を提供する。本発明の信号路リンクは一つの位相速度において或る与えられた周波数を伝搬するが、異なった周波数を異なった速度で伝搬することができる。この性質を利用する一つのシステムは、リンクの一端から異なった時点で発信される２つ以上の異なった周波数のトーンバーストからの特殊なインパルス波形累積のフーリエ合成と関与する。単一のチャネルシステムは、増進したエッジ・デフィニションを有する信号を与えるのにそうしたリンクを使用する。束になった異なった直径のロッドのパターンが、ビームを焦点合わせしまた方向を制御し、他方出力面の形状付けがビームの方向を制御する。ノイズを消去するために処理システムが素子対を結合することができる。

第１Ａ図は、本発明に従うシステム１０の基本要素を示し、ここでは、トランスジューサ１を用いて、収納構造体２５内に一般に保持された液体若しくは気体の測定媒体２０に超音波信号を発信する動作、及びそこから超音波信号を受信する動作の一方或いは両方を行う。構造体は、パイプ、スタックその他の導管、タンクもしくはプロセス容器でありうる。音響行路は、測定媒体２０の関連部分とトランスジューサ１との間をその長さの少なくとも一部に沿って延在して、リンク要素１３により定義される。リンク１３は、音響信号を、その行路の非測定脚部分に沿って、すなわち測定対象の流体の性質により直接影響を受けない行路部分に沿って音響信号を伝送する。従って、例えば、リンク１３は、トランスジューサ１と、収納構造体の壁にもしくはそこを通して結合して、また或る結合点から構造体２５内部の媒体２０の自由流れに近い位置まで信号を伝送する。

例示として、媒体２０は、１００〜２００℃の温度範囲で，且つ１００〜２００ｂａｒの昇圧下のプラント導管のプロセスライン内で作動する、低分子量炭化水素乃至気体でありうる。この場合、トランスジューサ１は、厚い鋼製収納容器の壁を通して結合されねばならずそして更にトランスジューサの熱劣化を防止するために高温の測定環境から十分に物理的に隔離されねばならない。リンク１３は、かくして、トランスジューサの結合を可能ならしめるバッファとして機能する。

基本的な具体例において、リンク１３は、鋼製ピアノ線のような小径のロッドを多数本バンドルに束ねて組み立てることにより形成され、バンドルは、壁に止着されそして信号を分散なく伝送しうる剛性の行路要素を形成する。第１図は、そうしたシステムにおける本発明を例示する。

第１図を参照してそして左から右へと見て、圧電結晶１は、細い鋼製ロッドのセグメントの束である本発明に従う第１バンドルバッファ３の左端部２にエポキシ接合される。結晶により発信される超音波パルスが概略的に示される。パルスは、バンドルを構成するロッドに沿って位相速度
（ここで、ａはロッドの直径であり、そしてπはロッド材料のポアソン比である。）
においてロッドに沿って下流に伝わる。

そうしたロッドの一つが５で表されている。各ロッドは、導波路として機能し、そして本発明に従えば、所定の組のロッドが、各ロッドの個々の性質を維持しつつ、それらがコヒーレント（同相的に）動作するように組み立てられる。すなわち、これらのロッドは、その長さ方向については互いに強固に結合されないが、共通端において、明確(well-defined)な一体の構造体として互いに結合される。上記の式は、もしロッドが波長λに比べて十分に小さいなら、位相速度Ｃ_extは、ヤング率Ｅを密度ρで割った値の平方根に非常に近いことを意味している。ステンレス鋼製ロッドに対しては、この位相速度は室温近くで５０００ｍ／ｓであり、５００℃において約１０％減じる。

例示の構造において、複数のロッド５は、同じ材料製のスリーブ６内に詰め込まれており、また、このスリーブは、最低次対称ラム波（Ｓ_oモード）が、このスリーブ内で圧縮波をロッドにおけるのと実質上同じ速度で伝達させるように選択されたスリーブ肉厚を有するものである。ロッドが密に充填されればされるほど、境界条件は、個々のロッドにおいて、そしてスリーブにおいて大きく変化し、これは伝搬特性を悪い方に変化せしめると予想されよう。しかし、本発明者は、分散を招くことなくスリーブ内にロッドを密に充填しうることを見いだした。本件出願人は、この詰め込まれた要素がスリーブ６内において圧縮されてはいるけれども、隣り合う要素間の、また、外周部の要素とそれを取り巻くスリーブとの間との接触が、要素又はスリーブの表面積に比較して非常に小さな面積しか有さず、点において起こる（数学的に云えば）ことでしかなく、これら要素はあたかもそれらが拘束されていないかのように挙動すると、推論している。スリーブ及び導波要素における位相速度を整合させることにより、バンドルバッファ内の分散を最小限とすることができる。導波要素（例えばロッド）からスリーブへの結合を減じることにより、更に、材料、周波数並びに厚さ乃至ロッド径の選択により相対音速が

こうして組み立てられたスリーブとその内容物は、ここではスリーブ付きバンドルと呼ばれる。ロッドは、密に充填されているけれども、軸線方向の内と外とで、まだ摺動するかもしれない。このスリーブ付きバンドルは、次いで、固着されたすなわち剛性の組立体に変換される。ロッドは、それらの一端を一緒に固定することにより、例えば先端のすべてを１ｍｍのオーダの距離にわたり互いに電子ビーム溶接することにより、軸線方向に拘束される。溶着端部はまた溶着端部を密閉するためにチューブにＥＢ溶接され、これはその後、方形形状の、平坦で、非常に平滑に機械加工されて切り落とされる。この工程をスリーブの両端においてなすことができ、排気され（ＥＢ溶接は必ず真空下で行われるから）そしてスリーブ付けされた全体的に包被されたバンド路をもたらすことができ、そして密閉されたバンドルはほとんどあたかも１本のステンレス鋼性の中実バーであるかのように取り扱うことができる。ただし、音響的には、それは内部を埋める細いロッドの非分散伝搬特性を呈する。ステンレス鋼やその他の金属は、約６０００ｍ／秒の特定の縦方向速度を有するが、波長に比べてのロッド直径或いは壁厚さに依存して約５０００ｍ／秒の増減速度を有することを銘記されたい。

スリーブは一般に、０.２５〜２.５ｍｍ乃至もっと大きな範囲の厚さを有する。本出願人は、スリーブ厚さはバンドルの性能に相対的にはほとんど影響を有しないので、その厚さは、環境的な耐久力或いは溶接や組立の容易さ、といった他の性能上の態様を向上するように選択されうることを見出した。

第１図に更に示されるように、差し込み付部材７がスリーブの周囲に溶接され、第１のバッファバンドル３がフランジ８における凹入部の平滑な表面と圧接状態に挿通されることを許容する。例示として、このフランジは、標準１.５インチ、２５００ｐｓｉ定格、隆起面フランジの直径及び厚さ寸法を有するものとすることができる。第２の凹入部がフランジの反対側、すなわち「プロセス」側に示され、中央に薄い連続したウエブ８ａを残している。第２の凹入部もまた第２の信号線バッファ９を保持するための安定化用空洞を提供する。３００ｂａｒ気体使用のためのフランジは例えばその隆起面断面において、すなわちその周囲の嵌合リングにおいて、５０ｍｍ厚さでなければならないが、フランジは、直径２５.４ｍｍの中央領域にわたって全体厚さのわずか１５％の約７.５ｍｍまで薄肉化することができ、それでもまだ圧力下で屈撓しない。有益には、第２のバッファ、すなわち信号路リンク９はそのフランジ端において凹入部の底部にニッケルロウ接される。第２バッファは、本例では、バンドル３と同じように包被されうるが、その長さは圧電結晶１のキュリー温度θｃに比較して気体温度Ｔｇａｓに対応しそしてバッファにおける遅延のための温度補償を行わねばならないという理由で異なるものとすることができる。第２バッファは第１バッファのナット７に類似の差し込み付ナットで圧力結合されうるが、プロセス環境において内部に位置付けられるべき要素の不慮の弛みの危険性を回避するために溶接が好ましい。

これは、第２のバッファが通常のプロセス操作中接近できず、従ってプラントが保守のために休止されるまで再締着できないためである。ロウ接により、続いて周辺を溶接することにより、バッファ９に対して永久的な結合が保証される。同じ理由で、第１バッファもまた永久結合することが可能であるが、それは後日に第１バッファを異なったプロセスガス或いは異なったプロセス条件に適合するようにもっと良好な結晶もしくは異なった周波数の結晶を有するものと交換することを所望する時、容易な捕集や交換を阻む。

有益には、第１及び第２バッファを不等長さに作製することにより、バンドル端により導入されるエコー列が伝搬路の各セグメントにおける走行（通過）時間についての情報もたらすのに使用でき、これはシステム診断を行う時有用である。例えば、エコー列はプロセスにおける非対称性、或いはバンドル結合部における結合効率或いはバンドル温度を開示することができる。

上述したように構成したバッファに対して、そして超音波周波数ｆ＜５００ｋＨｚに対して、ロッドに対する適当な直径は２ａ＝０.０３５インチ、すなわち０.９ｍｍである。これは、ＳＳ３１６溶接ロッドに対して容易に得られる最小直径である。こうしたロッドの密に充填された配列の要素間のカスプは更に小さなロッドで部分的に充填されうる（例示せず）。ロッドの最外側リング周囲において、もっと細いロッドを挿入することは、スリーブの周囲に沿っての未支持部の長さを減じ、スリーブが屈撓や圧潰なく耐えることのできる圧力定格を増大する。セラミックペーストによるコーティングもまた、この外側領域５'におけるカスプを埋めるのに使用されうるが、セラミックコーティングは一般にＳＳロッドと同じ音速を有さず、従って解決策として好ましいものではない。本出願人は、スリーブが０.９ｍｍ直径のロッドで一杯に充填される時３００ｂａｒまでの試験圧力に対しては１／４ｍｍ（０.０２０インチ）の外側スリーブ厚さが適当であることを見いだした。

こうしたバンドルバッファに対する有用な長さは、第１及び第２バッファのロッドが切断される初期長さに対応して３０ｃｍ（１フィート）のオーダである。こうしたプロトタイプについての測定は、減衰及びパルス歪みに関するかぎり１ｍ乃至それ以上までの長さが実用的であることを示している。１ｍ長さの２５.４ｍｍ直径のバンドルは、１０００／２５.４＝３９.３７、おおよそ４０：１の長さ対直径比を有する。ここで記載された構造原理は、長さ対直径比が１００：１もしくはもっと大きな場合、もっと長いバンドル及び／或いはもっと細いものに対しても応用可能である。

溶接並びにラジオグラフその他の検査過程に対応するために、先行技術のノズルは１５〜３０ｃｍすなわち５〜１２インチの範囲の長さを有することが多いことを思い起こすことは興味がある。ここで記載したバッファはこうしたノズル内部での使用のために好適であり、そしてそうした信号案内はプロセス気体が高温にない場合でも有益である。例えば、プロセス流体は、高圧にあるが−２０℃から＋６０℃の範囲の温度にあるメタンでありうるし、また代表的に高温で高圧にあるスチームでありうる。幾つかの通気スタックにおいては、圧力及び温度とも周囲条件にあるが、それでも尚ノズルのフランジ端から自由流れに至るまで直進して超音波を伝達するのにそうしたバンドルを使用するのが有益であろう。

バンドルを封入することにより、プロセス流体に起因する腐蝕、粒状物及びその他の有害な物質が導波システムを汚染しそして結果的な校正の狂いをもたらすのが防止される。

標準的な条件（ＳＴＰ＝０℃、７６０ｍｍＨｇ圧力）における気体に対して、低分子量は、低密度を意味し、これは結局低音響インピーダンスＺ（ここで、Ｚ＝ρｃ）を意味する。記載したシステムにおいて、バンドルバッファはインピーダンスＺがバッファのそれより低い桁にあるような媒体内外へ伝達する。ＳＴＰにおける水素ガスのＺは水のそれに比較して１０^-4であることを銘記されたい。

伝搬路に沿っての音響インピーダンスのこうした極端に対処するために、本出願人は第３図に示すようにバッファの放射端において１／４波長インピーダンス整合器１１を導入する。バンドル端に小さな空洞が機械加工され、そこにニッケルメッキされたグラファイトディスクが嵌入され、そして更にロウ接及び溶接により封入してそうした整合器１１を提供する。ロウ接温度及びディスク寸法に依存して、グラファイトとステンレス鋼の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有するモリブデンのような材料の中間層１２が組み込まれてロウ接時のニッケルもしくは結合されたグラファイトの熱破損を防止するようにすることができる。本例では電気的に形成されたニッケルもしくは結合３１６ＳＳ（ステンレス鋼）から形成される最外側境界層１４は好ましくは、波長に比べて薄く、例えば１００〜５００ｋＨｚ範囲の周波数においての使用のためには１／４ｍｍ以下である。整合層は好ましくはｆ＝１００ｋＨｚにおいて１／４波長厚さに寸法づけられるので、整合層は、３００ｋＨｚ信号に対しては３／４波長でありそして５００ｋＨｚ信号に対しては５／４波長である。これは、エネルギーが３つの奇数倍周波数ｆ、３ｆ、５ｆにおいて効率的に結合することを保証する。周波数３ｆ、５ｆにおいてのみの使用のためには、もっと薄い１／４波長整合器が使用されうる。通常の温度での用途に対しては、整合層は耐火性である必要はない。それは例えば合成フォーム材とすることができ、そして結合はロウ接の代わりにエポキシ樹脂によりもたらしうる。同様に、中間温度での使用のためには、半田を使用することができる。ロウ接時に、低密度グラファイトインピーダンス整合器の割れを防止するためには、ディスクは２部品において、例えば多数のパイ乃至レヤーケーキーセグメント或いは同心の環状リングにより取り巻かれた小径のグラファイトディスクとして組み立てることができる。気体もしくは軽質流体への整合のためには、メッキ層は高度に多孔質のそして非常に軽い材料から形成され、これは好ましくは孔を被覆しそして汚染を防止するために密閉される。

超音波システムを媒体の分子量が変化するに際して、もっと重要なことに、圧力、温度、並びに流れ誘起ノイズ及び乱流が変化するに際して、起こる広範囲の流れ及び減衰にわたって作動させることが所望されよう。そうした操作は、一具体例では、５００ｋＨｚ近くで第１の、例えば厚さ共振そして１００ｋＨｚ近くで第２の例えば半径方向共振を有しそしてその他の点でプロセス配管や標準的なノズルにより賦課される幾何学的な拘束に適合する結晶を利用することにより実現される。これら基準に近付く一つの適当な妥協策は、厚さ約４ｍｍ（０.１６０インチ）そして約１６ｍｍ（５／８インチ）直径のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）結晶である。有意な分散なく５００ｋＨｚを通すに十分薄くバンドルロッド及びスリーブを選択することにより、もっと低い１００ｋＨｚ信号もまた分散無く通る。この態様で広帯域巾に対してバンドルを構成することにより、コード化信号の良好な伝搬を期待することができるし、またバッファをパルス−エコーモードで使用して、例えば熱間状態の鋼を欠陥を調べたり厚さ測定ため調べることができる。広帯域巾操作を実現するためのまた別の構造は、バンドルの端に各特定の周波数で共振する幾つかの結晶を取り付けることである。それらはすべて電気的に並列に接続され、そしてそれらはスパイク励起により同時に励起されうるし又はそれはチャープ方式で又は段階的なチャープ方式で掃引されうる。

多周波数操作にこのように適応するとき、バンドルは、コントロール部が各周波数で信号を送信しそして受信しそして各周波数で受信信号の品質（例えば減衰の程度、信号波形の劣化）を決定し、そして爾後の調査を行うために容認しうる信号伝達品質を有する最大周波数を選択するようなシステムにおいて適応的に使用されうる。この適応又はフィードバック周波数選択器は現在ある流体条件のもとで最高の実用的な解像度が得られることを可能ならしめる。

バッファロッドは、バッファの端部からのいわゆる主要エコーと呼ばれるもの間の領域においてスプリアスエコーを実質上含まない、すなわち端エコー以外のエコーを含まず、バッファが、パルスエコー用途を含め、遅延線からＥＳＡまでの様々の用途において使用されることを可能ならしめる。（ＥＳＡは、NIST Special Publication 856,Subhas G.Malghan, 編、粒子及び懸濁物の特性付けのための電気音響学（Electroacoustics for Characterization of Particles and Suspension）及びthe National Institute of Standards and Technologyにおいて開催されたProceedings of Workshop, Gaitherberg, Maryland（February 3-4,1993）において論議されている。）流体に対する流れ関連パルス−エコーの形態が第１０Ｅ図に示されており、ここでは信号が上流トランスジューサＵと下流トランスジューサＤとの間で送られる。これらは、ピッチ−キャッチ測定のため流れ部分の上面図（上側）及び側面図において示されている。

上記のものとは僅かに異なった構造の或る種の組合せが特定の状況において利点を有しよう。例えば、端部はロウ接されるが、溶接されないようになされる。圧力結合は、或る種の結合剤を使用することにより向上され、それにより音響行路においてバンドルを結合する端部に対して圧力のみが使用されるなら必要とされるであろう平坦さに関しての許容差と比較してそれが緩和されることを許容する。適当な結合材の例としては、ニッケル粒子、軟質ニッケル箔、金メッキアルミニウム、金メッキ陽極酸化アルミニウム、バッファの端面に無電解もしくは電解により形成されるニッケル、及び金箔を含む焼き付き性のない材料を挙げることができる。結合材の別の例は超音波結合に関する文献に掲載されている。

電子ビーム（ＥＢ）溶接機が利用できないなら或いはバンドル長さがＥＢ溶接機の能力を超えるなら、端部を融着しそしてスリーブに封着するのに酸素−アセチレントーチが使用できる。ＴＩＧ（タングステン不活性ガス）溶接もまた端部を溶着するのに、そしてフランジ８においてフランジが最初その中央を貫通する穴を有し、そこにバンドルが組み付けられそして溶接される設計においてウエブ８ａを半径方向に肉盛りするのに使用されうる。１９６２年にＣａｒｎｅｖａｌｅらによるプラズマ測定のための高温バッファにおいて使用のために先に報告された融成シリカが、熟練したガラス吹き手によりトーチ溶着されうる。導波要素はスリーブと同等の材料で作製してはならないが、広い温度範囲での操作が意図されるなら熱膨張係数は好ましくは適度によく合うものとされる。

フレア気体用途において、Proc. 39th Annual Symposium on Instrumentationfor the Process Industry（１９８４）においてＳｍａｌｌｉｎｇらにより記載された「バイアス９０」形態は、バッファの端部に４５度反射体３０をギャップもしくはスロット３１を残すよう追加し、気体が放射チップ及び反射体を自己パージしそして自己洗浄しうるようにすることにより模擬することができる。そうした具体例が第５図に示されている。延長胴部３２が、バンドルスリーブ６の端部にねじ３３及び固定ねじ３４を介して装着されて、バンドルがその信号を延長胴部３２内のスロット乃至通路３１に沿って発信する。信号は４５度反射体３０で反射されそして組立体の先端から直角に発信される。４５度反射体もまた、以下に論議するように、第５Ｂ図に示されるように、バンドル端に直接結合もしくは接合されうる。

バンドルはまた、フランジ内の代わりにパイププラグ１８内に組み付けることができる。そうした具体例が第６図に例示される。

また別の具体例において、バンドルは、圧力境界の外側にありそして簡単な中空管１５１が第７図に示されるように内側バッファを形成する。これら構造及び組合せは、本発明に従うバンドル構造の融通性を例示する。

こうした剛性化されたバンドルバッファの早期の構造において、本出願人は、簡単な電子ビーム溶接により均質な融着端を形成することは、中央領域の材料が不規則になって容易には平坦に機械加工し得ないから、困難であることを見出した。この問題は、ワイヤが連続表面を肉盛りするための溶着材料を提供し、同時にロッド端において有効で連続した溶着部を提供するＴＩＧ溶接により克服された。

第４Ａ〜４Ｃ図は、バンドル４０にバンドル端４１を形成することへのこの技術の特に好ましい適用例を例示する。環状フランジリング５０がまずバンドルを構成することになるロッド５の束の周囲に嵌着される。その後、ワイヤ６１を備えるＴＩＧワイヤ溶接機６０が、リング開口内でロッド５の面上に溶着部４０ａを肉盛りして仮想充填線４３により示される水準まで開口部全体を充填する。その後、沈み穴４５がバンドルと対向して充填域内に機械加工され、薄くされた音響透過性のフロア４６を備える精密な凹所を形成する。

この態様で成端されたバンドル組立体４０はリング５０により形成された一体の取り付けフランジを含んでいる。この態様で成端されると、凹所４５は第２のバンドルに圧力結合もしくは溶接されて第１図に示した２バンドル構造に相当する組立体を形成する。第４Ｄ図はこうした組立体を例示する。

５ｃｍ長さでありうる第１のバンドル３が、フランジ組立体５０'に螺入されそしてその端３'が充填金属４０ａの端面４６にギャップｇを介して結合する。ギャップｇは音響結合を増進するために液体乃至固体で充填されうる。第４Ａ及び４Ｃ図におけるようにフランジ取り付けされた遠方側のバンドル組立体９は、組立体のロッド５を取り巻くチューブ９'を有する。チューブ９'はフランジ５０'内に直接伸延しうるし、もしくはフランジ側端においてチューブを取り巻く追加外側スリーブ９"を有しうる。各場合、チューブ或いはスリーブもまた組立体を一体化しそして密封するためにフランジにＴＩＧ溶接される。この形態でもって、トランスジューサ端において印加された最初のパルスＰｏは、各結合部においてエコーパルスＥ_jを発生し、そしてバンドル端面において一層大きなエコーパルスＥ_eを発生する。

第２図は、第１図に示されるようなバンドルバッファをそこに取り付けられたトランスジューサ間を導管内の精確な行路に沿ってエネルギーを非分散的に伝送するのに利用する複雑な測定システム６０を示す。

第２図に示されるように、システム６０は、超音波調査のために配向されたＡ、Ｂ、．．．Ｈで表される複数のノズル６３を備えるスプールピース６２を含んでいる。幾つかのノズル（Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ）は、本件出願人に係る、１９９４年３月４付けで出願された現在係属中の米国特許出願第２０６,８６１号（ここに言及することにより本明細書の一部となす）に記載されるような横（クロス）流れＶ_x及び循環流れΓを測定するため一平面における現行路及び直径行路に沿って差し向けられる。他のものは、２つの直角面において流れＶ_x1及びＶ_x2の軸線方向成分を感知するために軸線成分を有する行路に沿って差し向けられる。スプールピースはまた、気体圧力Ｐ及び気体温度Ｔを測定するためのポケット及びセンサをも含んでいる。第２Ａ図は、フランジ面ノズル及び流れ検出ノズル対の行路形態を例示し、他方第２Ｂ図はスプールピースの斜視図である。

渦流れ及び横流れ補正測定の使用は次の通りである。ガウス−チェビシェブ（Gauss-Chebyshev）もしくはその他の多行路流れセルにおいて、軸線方向における実際の全体流量Ｑ_Aは、面積項と組合せての、幾つかの音響行路に沿って測定された流れ速度重み付平均の線形組合せにより良く近似されうることが周知されている。第２Ａ図において、ノズルＡ、Ｂ、Ｃ及びＤ内に組み込まれたバンドルによるＶ形行路により得られたＱ_Aへの良好な近似が扱われている。求められる精度改善は、二次流れに対する小さな修正もしくは補償である。Ｖ形行路はＺ方向における流れを測定し、直径方向に対向したノズル及びそれらのバンドルはｘ方向における横流れ項を測定しそして最後に＋−３０度ノズルとそれらのバンドルはパイプ軸線に直交する面において循環流れΓを測定することを認識されたい。軸線流れ及び横流れの単位はｍ／ｓであり、循環流れに対する流量はｍ２／ｓであることをも銘記されたい。これは問題を生じる。何故なら、速度Ｖ_i及びそれらそれぞれの無次元計器係数Ｋ_iに面積項を乗算した積の簡単な線形組合せとしてＱ_Aを解くことが望まれるからである。軸線方向の平均速度をＶ_avgとして表すとすると、平均はパイプ面積Ａ全体にわたって取られる。そこで、Ｖ_avg＝Ｑ_A／Ａである。

マトリックス表示において、Ｖ_avg＝Ｖ^TＫを計算することが望まれる。これは、Ｖ_xＫ_x＋Ｖ_ΓＫ_Γ＋Ｖ_zＫ_zの積の和を得たいことを意味する（ここで、真中の項において、速度部分は接線速度を意味するものとする）。接線速度は渦角度ψ（ここで、ψ＝ｔａｎ^-1［接線速度／軸線速度］）により軸線速度に関連付けられる。定義により、循環ΓはＶｄＳの閉路積分に等しい。Smithら（１９９５）は内接した正三角形行路に対して、Γ＝０.６０５ｃ²Δｔ（ここで、Δｔは時計方向及び反時計方向に測定した時間差でありそしてｃは流体中での音速である）であることを示した。本出願人は接線速度は循環に対する式においてＶに直線的に関係付けられることを認識している。本出願人は、接線速度の目安として、Γ／Ｓ（ここで、Γを測定する閉路を形成する内接正三角形に対してＳ＝３√３Ｒ、この場合Ｒ＝パイプの内側半径）ととることを提唱する。測定された循環量から接線速度に対する式を誘導することにより、本出願人は二次流れ成分により補償されるべき合計流れを経験的に得る簡単なシスティマチックな方法に達した。換言すれば、Ｑ_AがＡＶ_avgとして得られることが提唱され、この場合ニューラルネットワークにおいて重みを得るのに使用されたのと類似の態様で、Ｋは関心のある流れ速度の全範囲、例えば＋−１〜＋−２０ｍ／ｓに対して合計流量における誤差が最小限となるまで調整される。特別な場合として、もし横流れと渦が無視しうるほどに小さいなら、Ｋ_xとＫ_Γはゼロに設定される。Ｖ形行路に対しては、乱流の下では、Ｋ_zに対する伝統的な式は、パイプ粗さ及びパイプ直径に比べてのビーム直径の関数として単純化された１／［1.119 - 0.011 log Re］となる。一般に、横流れと渦は補償される必要のある誤差への何らかのゼロでない寄与をしうる。その場合、これらのＫは、その誤差が容認されるほどに小さくなるまで或いは追加改善のための時間がなくなるまで調整される。これらの点が次の表にまとめられ、ここで「ｔｂｄ（to be determined）」は、解析的な手法、経験若しくは試行による手法及び誤差手法が誤差が最小限となるまで或いは時間が許すかぎり繰り返されることを意味する。

一般に、非常に細くａ＜＜λなので分散が非常に小さいロッドを使用することが所望される。この状況は、実際的な意味で「分散の少ない」、「分散のない」、或いは「非分散性の」として言及される。理論的には、分散は、位相速度すなわちａ／λ曲線の原点において或いは高周波縦波漸近線においてのみゼロである。しかし、わずかに大きな半径ａを使用することにより、ロッドにおける位相速度が一層強く周波数に依存し、一層高い周波数が一層ゆっくりと移動する領域においての動作を得ることができる。本発明の一具体例はそうしたロッドを使用して、降下型のフーリエ再構築（downchirp Fourier reconstruction：最高周波数が最初、最低周波数が最後）により形成される信号を発信するべくシステムにおいてバンドルを形成する。

第８Ａ、８Ｂ図は、そうしたシステムの信号を例示する。第８Ａ図に示されるように、方形波信号Ｓが、有限の時間間隔で重なる複数の波のフーリエ・コサイン級数の和として示されている。本発明に従えば、一層明瞭に画定されたエッジを有するほぼ方形のパルスが、一連の異なった周波数、例えば５００ｋＨｚ、３００ｋＨｚ及び１００ＫＨｚのパルスをバッファにおけるそれぞれの遅延時間ｔｉに対応する時間において所望の（例えばステップ関数）波形におけるそれらの係数に相当する振幅Ａｆにおいて順次発信せしめるよう動作させることにより構成される（第８Ｂ図）。３つの異なった波形はその後測定点において組み合わされてフーリエ合成によりきちんと画定された一つの波を形成する。

こうした操作のための精確な遅延時間及び振幅は、次のようにして決定されうる。今、流体媒体の送信側に一つそして受信側に一つ対称対のバンドルが使用されていると仮定する。パルスエコーにより、最初１００ｋＨｚにおいて、その後３００ｋＨｚにおいてそして最後に５００ｋＨｚにおいて群遅延が測定される。また、各戻りパケットの振幅が測定される。往復移行群遅延及び振幅がわかると、続いて、別々のフーリエ成分周波数において振幅変調されそして時間遅延されたトーンバーストを再送信することができるので、それらはパルス−エコーモードで再組合せされて所望の矩形（或いは方形波）加算をもたらす。これは、バンドルの温度に依存するエッジタイミングを有する精確なエコーをもたらす。バンドルが異なった温度変化に遭遇すると、例えば、応用の過程で、２０℃で出発し、２００℃で使用され、そして時として４５０℃における乱れを受けると、このパルスエコー調査は、動的に変化する時間信号を与え、これは修正されるべき送信回路が異なった周波数成分間の振幅変調及び時間遅延の最適の組合せにおいての再構成を維持することを可能ならしめる。本出願人はこのプロセスを「動的フーリエ合成」と呼び、ここでは各成分の走行時間がその成分の発信時間を調整するのに使用される。上述した対称の過程は説明のための便宜上のものであり、必要でないことは理解されよう。各バンドルを別々に調べそして往復遅延及び振幅の平均を使用して、各成分に対して必要な遅延及び変調を計算することができる。また別の改善策は、異なった周波数は、流体媒体によって、殊にそれが乱流状態であるなら、それぞれに異なって減衰することを考慮することである。補償のため、流体中で減衰が存在しない若しくは減衰がすべてのフーリエ周波数に対して同じである場合よりももっと高い周波数がもっと強く送信される。簡単な処理アルゴリズムもしくはニューラルネットワークが受信されたパケットがなるたけ矩形に近いように至当な送信調整を決定するのに設定されうる。事実、理想的な矩形結果に対する偏差は流体特性、例えば乱流の点から解釈されうる。デフォールト送信は、平均されたパルスエコーを実用上なるたけ矩形状にする時間遅延と振幅変調の組合せであろう。換言すれば、デフォールト送信は流体媒体がパケットに及ぼしうる影響を変造するものとみなすことができる。

操作において、３つのトーンバーストが第１のバンドルに迅速に順次して、例えば最初５００ｋＨｚ、続いて３００ｋＨｚ、続いて１００ｋＨｚで送信され、トーンバースト間の遅延は上に示したような量だけ制御される。低い方の周波数のトーンは次第に５００ｋＨｚトーンバーストに追いつく傾向があり、それらの遅延は送信用及び受信用バンドルの合計長さにより追いつきが特に受信トランスジューサにおいて起こるように選択される。こうして、３つのトーンバーストは加えられて前方エッジがトーンバースト単独のいずれよりもシャープな一つの矩形状パルスを再構成する。このようにして、経過時間（time-of-flight）超音波システムは一層精確なものとされそしてサイクルスキップを受けにくいものとする。フーリエ再構成パルスは非常に明確な波形であり、容易に認識され、容易に混同されず、従ってその到達時間は信頼性をもってまた精確に決定されうる。

広帯域バンドルバッファを利用するがフーリエ再構成と関与しないまた別のシステム具体例は、一対に近接した周波数をそれら両方がバッファにおいてほとんど同等の時間遅延を受けるように送信しそして後パルス−エコー手法によりこれらの遅延を測定することである。その後、バッファ間の媒体中での未知の時間が、合計移行時間からバッファ時間を差し引くことにより決定される。ここでは、サイクルスキップ問題が、両方の周波数に対する最適に一致を与える媒体中での移行時間を見出すことにより解決される。スキップサイクルはビート周波数で、すなわち差周波数の半分においてはっきり現れる。今やスキップサイクルによる誤差は非常に大きくなるので、明瞭に認識され、従って無視されるかもしくは容易に補償される。

さて、バッファバンドルに戻って、本出願人は、上に詳述したような指向されたまた案内された非分散リンク要素を使用する多数の変更例を考案した。第９Ａ−９Ｅ図は、システム実施の詳細を示す。

第９Ａ図に示されるように、バンドルバッファの軸対称と長い本体は、Ｖ行路調査に対してそれらを高い精度で照準させることを可能ならしめる。簡単な反射体Ｒが流れ測定行路を定義するように２つの斜向ノズル間のプラグ要素としての形態を取りうる。図面はパイプ軸線に沿って反射体Ｒを通しての断面を示す。弦の形での調査に対しては、１８０度反射体Ｒ'が第９Ｂ図に示されるようにして使用されうる。もっと一般的には、第９Ｃ図に示すように、ノズルは、送信及び受信信号行路が流体内の目標領域Ｔにおいて交差するように異なった角度で配向されうる。これは局所的な領域からの散乱信号の検出を可能とし、そして様々の既知の測定プロトコルと共に使用されうる。

有益には、本発明のバンドルバッファは、良く定義された(well-defined)信号が測定流体におけるもしくは測定流体中の点へとまた点から送られることを可能ならしめるのみならず、ビームの方向もしくは形状が精確に制御されることを可能ならしめる。これら性質は、トランスジューサがシステムにおいて次のように配列されることを可能とする：
ａ）すべてのトランスジューサが導管の一方側にあるような直径を外れた弦のＶ字形行路を備える多行路流れ測定器、
ｂ）上流（Ｕ）乃至下流（Ｄ）調査のためのトランスジューサが合致することもある共通のフランジ面において設置される流れ測定器、
ｃ）流体における放射されたビームのパターン及び方向が不均一に分布されたロッドから成るバンドルに印加される周波数を変更することにより制御される測定システム。

バンドルは、ノズル内にプレス嵌めされるように寸法付けされうるしまたその面Ｆを流れの乱れを呈さないようにパイプ内面と同一面にあるよう仕上げられうる。第９Ｄ及び９Ｅ図は、そうしたシリンダ状の面を有するバンドルに直交する断面図を例示する。第９Ｆ図に更に示されるように、内面に近い外側シェルは端部のみがプレス嵌めされるように段付けされうる。これは、パイプ及びノズルからの一層良好な音響隔離を保証し、同時に必要なら組立体を取りだしうることを保証する。

第１０Ａ−１０Ｃ図に例示されるように、この態様でノズル内で使用されるとき、バンドルの端部乃至端面により追加程度の行路制御が達成される。第１０Ａ図は、バンドルを保持するための２つの平行なノズルを示し、ここでは各バンドル端面は流体流れ内で２つのビームが交差するようそのビームを発信するべく異なった角度で面取りされている。送信用バンドルは、その面を第１０Ａ図に示されるように受信バンドルに向けて面するように面取りされており、他方受信バンドルは、その面を、各ビームが流体内の他のビームを遮るよう所望の屈折角をたどるように他の方向に面して面取りされている。ビームの拡がりは面外囲におけるレンズ状の偏向により更に制御されうるし、また屈折角はバンドルにおける音速を増減するよう信号の周波数を変化することにより流れ誘起変化を補償するように変更されうる。第５図のバンドルの場合と同じく、レンズ、ウエッジ、反射体が非分散性リンク内に組み込まれうる。

本発明は、バンドルを形成する構成ロッドのみによって実現されるまた別の型式のビームコントロールをも意図する。本発明のこの様相に従えば、バンドル内で非分散性導波体を形成するロッドはすべて同等ではなく、収斂した、分散した或いは偏向した出力もしくは受信ビームを形成するように配列された異なった寸法の幾つかの異なったグループから形成される。第１１Ａ−１１Ｆ図はそうした具体例の構造を示す。

第１１図は、Ｔｕらの研究（１９５５）に基づく、細いロッド内の音速の半径ａ対波長の比率への依存性を示す。以下に記載する具体例に体して、ロッド半径はこの分布の最初のスロープのついた（小さなａ）肩に乗るように選択される。

第１１Ａ図に示されるように、断面で示されるバンドル１００の一具体例は、その中央におけるよりその周辺において小さな直径を有するロッドを具備し、この場合直径の範囲（例えば０.２５〜１.５ｍｍ）は、ロッドにおける音速がロッド直径と共にすなわちバンドル内の半径位置とともに変化するように選択される。音速Ｃｐは半径方向位置と共に増加し、従ってバンドルは凸レンズのように働き、収斂する出力ビームを発生する。同様に、第１１Ｂ図に示されるように、周辺において一層大きなロッドを有するバンドルは末広型のビームを形成する。バンドルは円形断面のシリンダである必要はない。第１１Ｃ図は、半径方向ではなく、ｘ方向に増加する勾配のついた半径を有するロッドの矩形もしくは丸い形のスタックとして形成されるバンドルを示す。これは直線的に勾配のついた屈折率に類似し、そしてポインティングベクトルが発信面に直交する面に対して固定の二面角を形成する。この構造において、出力ビームは直角面にある角度において発信される。

バンドルを構成する個々のワイヤ或いはロッドは円形である必要はない。六角もしくは方形のワイヤ或いはロッドが使用できる。しかし、縁辺の接触を最小限としそして結合、モード変換、漏洩及び他の分散乃至減衰プロセスの可能性を回避するために丸形が好ましい形状である。

第１２図は、導波要素のすべてが、例えば５で表されるもののように一つの直径を持つものとされないまた別の構造を示す。ここでは、薄い収納シェルのスパンをＳｘからＳｘ／２へと減じるために、幾分小さな直径の充填材ロッド５ｄがカスプの一つを埋めるのに導入される。例示される配列において、すべてのカスプが同じ寸法を有するわけでないので、５ａ、５ｂ、５ｃ、及び５ｄにより表される異なった大きさの充填材導波要素が使用される。これらはすべて円形断面のワイヤ（円形ロッド）である。幾分台形状の断面の特殊な形状の充填材導波要素５ｅもまた示される。これらのいずれの最大断面寸法は、圧縮波位相速度がヤング率Ｅを密度ρで割ったものの平方根に実質上等しいように波長に比較して小さくすべきである。少なくとも両端において溶接もしくはロウ接により互いに保持されそして随意的にバンドルの長さに沿う一つ以上の局所的な点で補強された金属接合技術により固定されたバンドルを作製しその後円形外周模様が現れるまで外側ロッドを機械加工することもできる。機械加工は、放電加工機、電気化学的な加工、或いは研削によりまたロッドを互いに一時的に接着し、所望の外径まで旋削し、その後仮の接着剤を除去するといった他の既知手段によりなしうる。機械加工されたバンドルはその後、バンドル外径と合致する内径を有するスリーブ内に組み込まれる。

第１２図にはまた、中央カスプの幾つかにおいて充填材料６１が示されている。この材料は、パルスを減衰するために導入されそして好ましくは軸線方向に沿って実質長さにわたって分布されるが、溶接乃至ロウ接中導入される熱が導波要素を意図する減衰用材料から引き剥す端部近くでは分布されない。減衰材料としては例えば、エポキシ、ウレタン、シリコーンゴム或いはセラミック乃至グラファイトペーストを挙げることができる。

より広い意味では、バンドルを形成する非分散ロッドは、「中実」ロッドの高密度に充填されたバンドルである必要はなく、適当な非分散性部材の任意の十分に充填された配列体でありうる。ここで、十分に充填されたとは、それらが十分な信号エネルギーを有効に伝送するのに数においてまた合計断面において十分であり、そしてそれらがグループとして結合せずまた分散性とならないようにほとんど接触なしに充填されていることを意味すると理解されたい。

これは、第１３図に示されるように同心的に配列される一組の中空管を使用して達成される。管は、それらを離間状態に維持するためそして互いに実質上接触しないように僅かの隔離された突起を使用して形成される。そうした突起は、例えば隣り合う外側の管と接触するよう第１３Ａ図に示されるように突き刺しパンチを使用して隆起された僅かのディンプル、ダルチューブカッタを使用して作製された僅かの周回刻み目或いは重なった外側チューブと接触する第１３Ｂ図に示されるような拡開端から構成することができる。チューブはまた、上述した非分散ロッド具体例に示したような、共通のスリーブ内に束にして配列されうる。隣り合う表面間にらせん状スペーサワイヤを止着する隔離されたスポット溶接部のような他の隔離方法もまた使用することができる。同様に、互いに隔離された中空管の同心配列ではなく、第１３Ｃ図に端面で示されるように、一連のスリット付き割りピン（軸線方向スリットを有するシリンダ）が使用できる。本発明はまた、第１３Ｄ図に示されるように、一つ以上のシリンダ内に納められた非分散ロッドを有するハイブリッド型バンドルをも意図する。

本発明のバンドルバッファはまた、パイプ嵌合の複雑さ或いは流路への接近可能性の問題を解決するために他の多目的構造内で実施されうる。

例えば、第５図に示された９０度反射体具体例は、デッドスペース無く流れ検出測定を行うべく、プロセス流れラインに接近する斜め取り付け構造体内に容易に組み込むことができる。そうしたシステムが第５Ａ図に示されている。ここでは、反射体１ａを有するバンドル１が、プロセスラインにおけるフルオロポリマー内張りティを蓋するべくそして流れ検出光路Ｐに沿って斜めに信号を送受信するべく簡単なフランジ３を介して斜めに装着されている。密閉支持のために、バンドルシースは、それがフランジを貫通する部位で周回溶接部４により溶接される。有益には、高度の耐食性を必要とするプロセスでは、耐食性はチタンもしくはモネル製のフランジを使用するだけで与えられ、そして高品質のそして特殊機械加工されたスプールピース或いは斜めノズル変換組立体を作製することは必要でない。

第５Ｂ図は、第５Ａ図のバンドルの発信／送信端部のための構造を示す。この構造において、バンドルバッファ９はキャップの形態の角度のついたウエッジ１９を有する。バンドル内のロッドからの信号路はウエッジ内で斜面Ｗで反射されそしてバンドル端に直角に発信面２９に差し向けられる。仮想線で示される１／４波長整合器１１ａを発信面に設けることができる。反射が内面であるから、安定な汚染の無い整合を保証し、そしてウエッジは、例えばキャップ内面に真直な（テーパの無い）スレッドを設けることにより或いはウエッジをバンドル面と圧接状態に引き下ろしてバンドルにウエッジを固定するため複数の外向き止めねじ２８を設けることによりバンドル端に簡単に止着できる。ウエッジはモリブデンやコバールのような低熱膨張材料から作製でき、グラファイトλ／４整合板を溶接その他で取り付ける際に一層簡単な熱膨張の釣合を可能ならしめることができる。

以上の記載は、多くの既存のプロセス「配管系統」の交換や改良であり得る非分散音響行路リンクの作製に、特に真直な或いは剛性の導波体に焦点を絞ってきたが、本発明はまた組立体が必ずしも真直でなくまたロッド端がモード変換或いはその他の特徴と関与しうるような構造をも意図している。第１４図は、結晶１が複数のロッド５にエネルギーを差し向けるべく中央部を薄くされたフランジの周辺バンドと接触し、ロッドがフランジ取付位置から外端５ａまで伸延する具体例６００を例示する。このロッド外端は、薄いシリンダ状のシェル６０１と直角入射角度で接触するよう張り出されており、そしてそれらの信号をシリンダに沿って伝搬する撓み波にモード変換する。外方にテーパのついた口を備える外側スリーブ６０３と内方にテーパのついた尖端を備える内部円錐体６０４がシリンダの外側及び内部にそれぞれ隔置されている。これら円錐状反射体はシリンダ６０１において発信された表面波により周囲気体中に形成された撓み波を反射する。

有益には、本発明の非分散バンドルは、パルスと端エコーとの間で平静常態を維持し、多くの異なった測定が個別の時間間隔中行われることを可能ならしめる。

ピース状或いはウインドウ状平静バンドルは流体のパルス−エコー調査、例えばBrandestini（１９７８）により記されたようなレンジゲートドップラにおいて使用することができる。重要なシステム要素は本発明者の一人により著述された1979 chapter on Ultrasonic Flowmeters ４３８頁、第１９（ａ）図に記載されているものである。第１０Ｄ及びＥにおいて、水平直径面からそして上方及び下方半径中央面からレンジゲート流れ上方を得るための２つの形態（Ｄ、パルスエコーそしてＥ、ピッチ−エコー）が示される。これらの測定は、流体中の乱流渦から離れて或いは粒状物や泡から離れて散乱されるエネルギーを利用する。（ａ）作製の容易さのためまた（ｂ）散乱エネルギー試験データの解釈の容易さのためフランジ組はボルト穴整列されることを銘記されたい。ピッチ−キャッチの場合には、バンドルが上述したように然るべく斜切されているなら、ノズルは平行になしうる。バンドルは放射ビームが端に直交する以外の角度で流体中に発信されることを可能とするから、上流Ｕフランジ及び別個に下流Ｄフランジを整列することが可能であり、そしてＵ及びＤ面が合致するようにＵ及びＤフランジすべてを一つの面に整列することさえ可能である。

この静かな様相により、ロッドの長さに沿っての反射の欠如により、一つのロッドバンドルと別のロッドバンドルの結合効率を探知しそしてまた音波が気体或いは流体流れに入る場所での端エコーを探知することが可能である。これは第４Ｄ図の信号図形に示したように関心のある各周波数、例えば１００、３００・・・５００ｋＨｚにおいてなしうる。

直線状の挿通口からのニュークリヤ・ストリーミング（nuclear streaming）を防止するためにＳベントの形成（すなわちＳ字形口の利用）、第１Ｃ図に示されるような音を集中するための、或いは音を放射しまたは拡げるためのテーパ付きロッド、拡開された大きな開口の放射端の指向性が実現されることを可能ならしめること、電子的に時間遅延されたインパルスの使用、どのように異なった付勢成分（必ずしもフーリエ成分ではない）が導入されそして続いてそれらの半径／波長比の関数として遅延されるかに依存して特定の波形を合成することのようなある種の特殊な特徴を更に認識している。本出願人は更に、同等のロッド長さを維持するために第１Ｂ図に示されるようにバンドルが剛性であるが湾曲している、可能なまた別の構造を認識している（Ｓベントは一例である）。異なった構造は、バンドル用に編組された可撓性ケーブルを使用して、設備もしくはタンクの移動の一層大きな融通性を可能ならしめることである。

本発明の非分散リンクはまた、クランプ締着型のトランスジューサシステムにおいても使用でき、この場合、第１５、１５Ａ図に示されるように、取り付けブロック７０が導管にそこに保持されるトランスジューサ７５がパイプ壁及びその内部を流れる流体を通しての精確に定義された(precisely defined)行路を通して超音波を発信するような位置において止着される。多数のこうした締着ブロック及び特殊な調査行路が、１９９３年１月１９日付けで発行された本件出願人に係る米国特許第５,１７９,８６２号に示されている。この特許の内容はここに言及することにより本明細書の一部とする。この特許の第９Ａ図は、トランスジューサがウエッジ或いは取り付けブロックを通して伸延しそしてパイプ壁と接触状態に押しやられ、そこで１９５として示される長い鼻部片を有するブロック組立体を例示する。本発明の更に別の様相に従えば、こうしたトランスジューサの鼻部片が上述したような非分散ガイドバンドルから形成されて、動作結晶もしくは他の変換用要素と適当な入射角においてパイプと接触する接触面との間で信号を伝送する。例えば、結合面は、パイプ壁に連続的にかつ非分散的に結合するようパイプと合致する曲率を持ちうるし、パイプ壁測定のために剪断波その他の波を発信するための割り形態、もしくは尖端乃至ナイフエッジを取りうるし、また既知の接触結合面を備えることができる。

本発明のまた別の様相に従えば、壁に結合されたトランスジューサがノイズを相殺するように相互に接続される。第１６Ａ及び１６Ｂ図はこの具体例の作動を例示する。第１６Ａ図は、トランスジューサＡ及びトランスジューサＢで表される２つのトランスジューサが互いに反対の方向に伝播する上流及び下流信号を送受信するよう導管に設置されている従来技術のシステムを示す。トランスジューサＡにおいて受け取られる下流伝搬信号はＳ_DNとして表され、他方トランスジューサＢにおいて受け取られる上流伝搬信号はＳ_UPとして表される。一般に、受信信号は、液体を通して伝搬した有用成分Ｓ_LDN及びＳ_LUPをそれぞれ含み、そしてまたノイズ信号Ｎ_DN或いはＮ_UPをそれぞれ含んでいる。このノイズ信号の主部分は、鋼壁を通して伝搬し、従ってパイブ壁における伝搬が上流方向であれ、下流方向であれ、同じ時間遅延後に両方のトランスジューサに到達する音響短絡ノイズである。

第１６図は本発明のこの様相に従うシステムを示す。２つの要素Ｃ₁及びＣ₂から成るものとして示される第１のトランスジューサ組立体Ｃが上流及び下流方向に信号を送信する。受信機Ｄ₁及びＤ₂からなる一対の受信トランスジューサＤが上流及び下流波形を受信しそしてそれらの出力は１８０度位相をずらして組み合わされる。送信組立体は、２つの要素として示しているが、トランスジューサが両方向に伝搬する波を発信するように設計されているなら単一のトランスジューサから構成することもできる。例えば、トランスジューサＣは、割り発振素子を有しそして剪断波を両方向に発信するようパイプと接触する。トランスジューサＤ１及びＤ２からの組合せ出力信号は、局所的に生じる導管ノズルのほとんどすべてを効果的に消去する。生成する信号は、信号移動中招いた精確な遅延時間を決定するために微分相関プロセスにより処理される。相関処理並びに適当なコーディングもしくは信号波列の詳細は、本件出願に係る、１９８８年１１月２９日付けで発行された米国特許第４,７８７,２５２号に記載されている。この特許は、ここに言及することによりその全体を本明細書の一部となす。

簡単に述べるなら、組合せ受信信号と送信信号の遅延レプリカを相関づけることにより、非常に精確なΔｔ＝Ｔｏが得られる。Ｓ_UP−Ｓ_NDを表すのにｈ（ｔ）を使用すると、流れが存在しないなら、ｈ（ｔ）はほとんどゼロである。流れが存在するなら、その場合、ｈ（ｔ）はＴ₀の関数である。ここで、Ｔ₀はＳ_UPとＳ_NDとの間の時間遅延である。

ｈ（ｔ）からＴ₀を見いだすために、信号Ｓ_LDN（もしくはＳ_LUP）に類似の形状を有するような態様で選択された既知の関数ｇ（ｔ）を使用することができる。これがトランスジューサ動作信号のレプリカである。
クロス相関関数ｆ（τ,Ｔ）＝∫ｈ（ｔ）［ｇ（ｔ−τ−Ｔ）−ｇ（ｔ−τ）］ｄｔはＴ＝Ｔ₀のときその最大に達する。

この決定のためのまた別の適当なクロス相関関数は
Ｄ（τ）＝∫［Ｓ_UP（ｔ）−Ｓ_DN（ｔ＋τ）］²ｄｔであり、これはτ＝Ｔ₀のとき最大に達する。

このＡ−Ｂ相関方法は、単独で使用されうるし、またトランスジューサ間に減衰体、フランジ或いは導管部片を挿入したり、導管壁において直径の対向する位置から周回的にλ／４受信トランスジューサを相殺したり、或いは導管位置においてノイズを測定しそして受信信号から外挿ノイズベクトルを差引く既知のノイズ低減方法の一つ以上と組合せて使用できる。ノイズ水準の任意のこうした低減が本発明のＡ−Ｂ相関により得られる結果を向上すると予想しうる。

第１７図は、関与する信号図形を例示し、この態様で位相のずれた２つの信号を組合せそして組合せ信号を処理することにより達成されるノイズ消去を示す。

共通モードのノイズを排除するためのこのノイズ消去方式は、第１６Ａ図の形態におけるような２つだけのトランスジューサを使用しても実施できる。上流及び下流信号は、同時に送信されうるし、或いは上流及び下流調査は交互に行うことができ（但し、共通の流れ条件が支配することを保証するに十分近接した時間において）、「遅延共通モード」ノイズ消去を実施する。この場合、処理設備は、各方向に伝搬する受信波形を記憶し、その後それらを組合せそして相関解析を行う。

以上、本発明について記載したが、その変更、修正及び改変を当業者は行うことができ、そしてそうした変更、修正及び改変は添付請求の範囲に定義されるような本発明の精神及び範囲内のものであると考えられる。

本発明のこれらのまた他の特徴は、例示的な具体例及び説明目的の図面と併せて、以下に呈示する記述及び請求の範囲から当業者には理解されよう。図面において、
本発明の第１の具体例を示す。本発明に従う超音波行路リンクを使用するシステムを示す。特定のバンドル（束）具体例を示す。特定のバンドル（束）具体例を示す。複雑な測定組立体においての第１図のリンクを示す。複雑な測定組立体においての第１図のリンクを示す。複雑な測定組立体においての第１図のリンクを示す。第１図のリンクの端部を通しての断面を示す。リンク端部分の好ましい構造を例示する。リンク端部分の好ましい構造を例示する。リンク端部分の好ましい構造を例示する。リンク端部分の好ましい構造を例示する。直角反射器を備える具体例を例示する。第５図の具体例を利用するシステム及びその詳細を例示する。第５図の具体例を利用するシステム及びその詳細を例示する。別の具体例を示す。２リンクの具体例を示す。広帯域リンクと使用して有用なフーリエ合成を例示する。広帯域リンクと使用して有用なフーリエ合成を例示する。有向バンドルの具体例を例示する。有向バンドルの具体例を例示する。有向バンドルの具体例を例示する。有向バンドルの具体例を例示する。有向バンドルの具体例を例示する。有向バンドルの具体例を例示する。クロスビームを有する並列バンドルシステムの詳細を示す。クロスビームを有する並列バンドルシステムの詳細を示す。クロスビームを有する並列バンドルシステムの詳細を示す。パルス−エコー感知配列においてまたピッチ−キャッチ感知配列においての本発明素子をそれぞれ例示する。パルス−エコー感知配列においてまたピッチ−キャッチ感知配列においての本発明素子をそれぞれ例示する。もっと複雑なバンドル構造を例示する。もっと複雑なバンドル構造を例示する。もっと複雑なバンドル構造を例示する。もっと複雑なバンドル構造を例示する。バンドル補強技術を例示する。本発明のハイブリッド及び他の具体例を例示する。本発明のハイブリッド及び他の具体例を例示する。本発明のハイブリッド及び他の具体例を例示する。本発明のハイブリッド及び他の具体例を例示する。本発明のハイブリッド及び他の具体例を例示する。インピーダンス整合具体例における本発明のモード変換リンクを例示する。インピーダンス整合具体例における本発明のモード変換リンクを例示する。締着方式の具体例を例示する。締着方式の具体例を例示する。従来技術及び本発明の測定システムをそれぞれ例示する。従来技術及び本発明の測定システムをそれぞれ例示する。第１６Ｂ図のシステムの作動を例示する。

符号の説明

１トランスジューサ
２バンドルバッファの端部
３バンドルバッファ
５複数のロッド
６バンドルスリーブ
７ナット
８フランジ
８ａウエブ
９バンドルバッファ
１１１／４波長インピーダンス整合器
１２中間層
１３リンク要素
１８パイププラグ
２０測定媒体
２５収納構造体
２９発信面
３０４５度反射体
３１スロット
３２延長胴部
３３ねじ
３４固定ねじ
４０バンドル組立体
４０ａ充填金属
４１バンドル端
４３仮想充填線
４５凹所
４６端面
５０フランジ
６０測定システム
６１ワイヤ
６２スプールピース
６３ノズル
１５１中空管
１９５鼻部片
６０１シリンダ
６０３外側スリーブ
６０４内部円錐体

Claims

超音波トランスジューサ（１）と測定対象環境との間で少なくとも部分的に超音波信号を伝搬させる超音波導波路（３）を有する超音波伝搬システムであって、
前記超音波導波路（３）は、
各々が、第１端、第２端、及び定義された長さとを有する複数のロッドであって、前記第１端と第２端の間で信号を分散の無い状態で伝搬するように、前記ロッドの材料の特性値に対して所定の関係にある直径を有する複数のロッド（５、４０）と、
前記超音波信号の定義性及び結合性を向上するために、前記複数のロッド（５、４０）の実質的に全ての第１端が束ねられて溶融されて形成された連続的な結合面を有するバンドル端（４１）と、
前記バンドル端の前記結合面に取り付けられた、前記超音波信号の１／４波長厚さのインピーダンス整合プレート（１１）とを備えたことを特徴とする超音波伝搬システム。
前記超音波伝搬システムは、前記複数のロッドと同材料で、前記複数のロッドを束ねるスリーブ（６）と、
をさらに具備し、
前記複数のロッド（５）と前記スリーブ（６）と前記バンドル端（１１，１３）が剛性を有し密閉化された組立体を形成したことを特徴とする請求項１に記載の超音波伝搬システム。
前記超音波導波路（３）の一端で、前記複数のロッドの前記結合面が形成された前記超音波導波路端部と反対側の他端部に結合された少なくとも一つのトランスジューサを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波伝搬システム。
前記トランスジューサ（１）が、ｎ×ｆ（ここでｎ＝１、３、．．．（奇数の整数））により実質上与えられる複数の周波数において動作可能であり、そして前記インピーダンス整合プレートが周波数ｆの波に対する１／４波長厚さを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の超音波伝搬システム。
前記バンドル端が、該バンドル端においてロッドにおける圧縮エネルギーを撓みエネルギーにモード変換するために、通常の入射において前記複数のロッドに結合される面を含むことを特徴とする請求項１乃至４に記載の超音波伝搬システム。
前記バンドル端が、沈みぐりされた充填溶接部（４５）を含むことを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の超音波伝搬システム。
前記複数のロッドがシェル内に包納かつ充填されていることを特徴とする請求項１乃至６に記載の超音波伝搬システム。
前記シェルを構造的に支持するためにロッド間にスペーサをさらに含んでいることを特徴とする請求項７に記載の超音波伝搬システム。
前記複数のロッドは互いに異なった直径を有し、且つ、規則的なパターンで配列されていることにより、音響エネルギーの送信タイミングを異ならせて遅延させ、且つ、特定の形状の、または偏向された出力ビームを発信することを特徴とする請求項１乃至８に記載の超音波伝搬システム。
前記シェルがロッドの直径より大きな厚さを有することを特徴とする請求項７に記載の超音波伝搬システム。