JP7076638B2 - レンズの組み合わせを有する超音波流量計 - Google Patents

Description

開示される実施形態は、超音波流量計に関する。

超音波計測器（Ultrasonic meter、ＵＳＭ）は、超音波流量計（Ultrasonic flow meter、ＵＦＭ）としても既知であり、広範囲の異なる流量を測定するそれらの能力により、圧力低下を最小限にし、かつ可動部品を有しないことから、より少ない機械的メンテナンス及びより高い信頼性を提供する流体の流量測定用に普及しつつある。ＵＳＭの主要なハードウェア構成要素は、圧電結晶又は圧電セラミックを備える圧電素子である。物理学において既知であるように、圧電効果は、印加された機械的応力に応じて電荷を発生させるための特定の材料の能力である。

流量計測の用途では、２つ以上の圧電素子に基づく変換器は、完全に又は部分的に封入された筐体のいずれかを通じて、パイプ内を流れる流体との間で超音波信号を送信及び受信する。このような石油及びガス産業に残っている、高い超音波信号品質及び信頼性を得ることの課題が存在する。高圧（ゲージ圧）の流れは、工業用途では２００バール以上に達することがあり、一方、低圧及び中圧は、通常、商業用途では０．１～４０バール、例えば、１～２０バールである。

商業用及び／又は都市ガス分配ネットワークは、低圧及び中圧で従来のＵＳＭを使用すると、圧力が低いほどガスの密度が低くなり、また超音波信号の減衰が大きくなるため、性能低下の問題に直面することが多い。結果として、ＵＳＭが比較的低い圧力で動作する場合、信号対雑音比（signal to noise ratio、ＳＮＲ）が低くなり、ＵＳＭの検出性、信頼性、及び／又は安定性が低下する。現在のタービン計測器は、ＵＳＭに対して次善の代替案（next best alternative、ＮＢＡ）であるが、機械的な動き、及びより狭いターンダウン比又は測定範囲は、タービン計測器が商業用ガス分配市場に対応することを困難にするが、これは、ガスの速度（velocity of gas、ＶｏＧ）が一般に０．１ｍ／秒～２５ｍ／秒で変化する、都市部のレストラン及びホテルなどの、ビジネス用ガス使用量の高いピークと低い谷間の大きい差があり得るからである。したがって、都市ガス又は商業用ガス分配ネットワーク用のＵＳＭに対する高い需要が存在する。

本概要は、提示される図面を含む以下の「発明を実施するための形態」で更に詳述される、簡潔に選定された開示の概念を単純な形態で紹介するために提供される。本概要は、特許請求される主題の範囲を限定することを意図するものではない。

開示される態様では、一般に、ＵＳＭ信号品質が複数の異なる要因によって劣化され得ることが分かる。これらのＵＳＭ信号の劣化要因としては、圧電素子の動作モードが挙げられ、周囲のハウジング（又は筐体）は、有用な信号検出性及びシステム感度を低下させ得る大きな振幅及び長時間続くリンギング効果を作り出す。長時間続くリンギング効果は、最小測定範囲（不感帯）を増加させ、これは、特に小さいサイズのＵＳＭにおいて、短距離測定に不利であると認識され、一方、整合及び不整合処理メカニズムは、信号損失及び多重反射を引き起こす。不適切な充填材料及び裏当て材料は、雑音レベルを増加させる逆結合を引き起こす場合があり、これによりＳＮＲが低下する。低圧又は中圧流体は、信号振幅の激しい減衰効果を引き起こす可能性があり、圧電振動子にある埃及び汚れは、ノイズレベルの上昇に起因するＳＮＲの低下を引き起こす可能性があり、強力な望ましくない信号は、受信機の低雑音増幅器（low-noise amplifier、ＬＮＡ）を飽和させて、一般に弱い受信超音波信号を増幅する可能性がある。

開示されるＵＳＭは、上で説明される全てのこれらのＵＳＭの信号品質劣化要因に１つの設計で対処することができる特徴を有し、とりわけ、上述のような一般に０．１～４０バールである低圧及び中圧流体の流れ感知に対する比較的より困難な用途のために構成されていることに重点が置かれるが、これは、高圧用途ではより低い減衰（attenuation）／減衰（damping）効果に起因して、受信信号品質が向上するため、困難であり得るか又はあまり困難でなくなるからである。結果として、従来の高圧変換器設計は、一般に、信号品質の観点から、このような低圧及び中圧用途に適合せず、特に、天然ガスなどの圧縮性流体の場合は、それを通って移動する信号にかなりの減衰（attenuation）／減衰（damping）を引き起こす可能性があるため、変換器経路が適切に機能せず、信号品質の低下又はＵＳＭの流量測定の失敗をもたらすことになる。

開示される態様は、流体パイプに取り付けるための上側ハウジング部分及び下側ハウジング部分を含むハウジングを含む超音波流量計を含む。送信機及び受信機に連結された圧電素子は、圧電素子によって画定される水平平面に垂直な軸方向において、超音波を放出するように構成される。レンズの組み合わせは、第１の圧電素子の径方向外側に位置付けられた、再集束レンズを含む下側ハウジング部分内にあり、再集束レンズは、受信された径方向の超音波を、軸方向に移動するように方向転換させるように構成されたリング形状であり、下側ハウジング部分内の多重反射を低減するための整合層として機能するように構成された厚さプロファイルを有する。平坦な円盤形状である第２のレンズは、径方向の超音波を軸方向において移動するように方向転換させるように構成されている、第１の圧電素子の径方向外側にある、外側部分を含む再集束レンズの下方にある。

例示的な実施形態による、パイプ内を流れる流体の流量測定のために設置された例示的なＵＳＭのブロック図であり、ＵＳＭは、間接経路（反射経路）検知を実装する第１及び第２の圧電素子を含む。

開示される再集束レンズ及び第２のレンズの、下側ハウジング部分の内部の圧電素子に対する例示的な配置を示す。

第１の圧電素子を有する第１のＵＳＭ及び第２の圧電素子を有する第２のＵＳＭにより実装された直接経路構成を示しており、それぞれのＵＳＭは、パイプの両側上に位置しており、それぞれの圧電素子の面が互いに向いている。

第１の圧電素子を有する第１のＵＳＭと、第２の圧電素子を有する第２のＵＳＭと、を有する間接経路構成を示しており、それぞれのＵＳＭは、パイプの同じ側上に位置している。

例示的な実施形態による、再集束レンズと半波長レンズとを有する例示的なＵＳＭの切り欠き図を示す。

例示的な実施形態による、再集束レンズと半波長レンズとを有する例示的なＵＳＭの切り欠き図を、外側ハウジング変形形態と共に示す。図示されるＵＳＭは、減衰材料で充填された大きい内部空間を有する。

例示的な実施形態による、再集束レンズと、第２のレンズと、を有する例示的なＵＳＭの切り欠き図を示しており、更に別の外側ハウジング変形形態を示している。

開示される実施形態は、添付の図面を参照して説明され、同様の参照番号は、類似又は同等の要素を示すために図面全体にわたって使用される。図面は、縮尺どおりに描かれておらず、それらは、本明細書に開示される態様を単に例示するために提供される。いくつかの開示される態様は、例証のための例示的な用途を言及しながら以下に記載される。本明細書に開示される実施形態の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細、関係、及び方法が記載されることを理解されたい。

しかしながら、当業者であれば、開示される実施形態は、特定の詳細のうちの１つ以上を伴わずに、又は他の方法を伴って実施することができることを容易に認識するであろう。他の例では、本明細書に開示される態様を不明瞭にすることを避けるために、周知の構造又は動作は詳細に示されない。開示される実施形態は、いくつかの行為が異なる順序で、及び／又は他の行為若しくは事象と同時に発生し得るため、行為又は事象の例示される順序によって限定されない。更に、全ての例示される行為又は事象は、本開示による方法論を実装するために必要とされない。

また、本明細書で更なる修飾を伴わずに使用される「に連結された」又は「と連結する」（及び同様の）用語は、間接的又は直接的な電気的接続のいずれかを説明することを意図する。したがって、第１の装置が第２の装置に「連結する」場合、その接続は、経路内に寄生体のみが存在する直接的な電気的接続を通じているか、又は他の装置及び接続を含む介在物を介した間接的な電気的接続を通じてもよい。間接的な連結のために、介在物は、一般に信号の情報を修正しないが、その電流レベル、電圧レベル、及び／又は電力レベルを調整してもよい。

図１Ａは、ＵＳＭ １００のブロック図であり、ＵＳＭ １００は、少なくとも再集束レンズ１３０と、第２のレンズ１４０と、を備える、少なくとも開示されたレンズの組み合わせを含み、また一般に、ＵＳＭ信号品質劣化要因を克服するための複数の上述した特徴部を含み、この特徴部は、パイプ１６０の区分内を流れる流体の超音波に基づく流量測定のための計測器本体内に設置される。その内部に図示される圧電素子対を有する計測器本体を提供する筐体としても既知である、外側ハウジング１０８を含むＵＳＭ １００が示され圧電素子対は、パイプ１６０の同じ側にある、Ｔ_１として示される第１の圧電素子と第２の圧電素子Ｔ_２とを備え、これらの圧電素子は、ｄとして示される距離だけ互いから離間配置されており、反射経路（間接経路）検知構成を実装する。開示されるＵＳＭのはまた、以下に説明する図２Ａに示されるような単一の圧電素子のみを有してもよい。ハウジング１０８は、マグネシウム及びケイ素を、その主要な合金元素として含む、アルミニウム６０６１などの黄銅、チタン、又はアルミニウム合金を含むことができる。

ＵＳＭ １００は、反射経路検知構成を実装することが示されるが、図２Ａに示される直接経路構成は、第１の圧電素子を有する第１のＵＳＭ １００ａと、第２の圧電素子を有する第２のＵＳＭ １００ｂと、が存在する場合に実装することもでき、それぞれのＵＳＭは、代わりに、パイプ１６０の両側上にそれぞれの圧電素子１２８の面が互いに向いた状態で位置する。当該技術分野において既知であるように、圧電素子１２８は、一般に、平坦で薄い円形の物体である円盤形状を有しており、それらの薄い性質のために、ＵＳＭでは径方向、つまり、超音波がＵＳＭによって放出される実際の方向に垂直である水平平面を提供すると考えることができる。図２Ｂの反射（間接）経路構成は、第１の圧電素子１２８を有する第１のＵＳＭ １００ｃ、及び第２の圧電素子１２８を有する第２のＵＳＭ １００ｄにより実装されて示されており、ここで、それぞれのＵＳＭがパイプ１６０の同じ側上に位置することが示される。

ＵＳＭ １００は、パイプ１６０に取り付けられ、一般に、気密及び高圧抵抗メカニズムを使用してパイプ１６０に挿入されるか、又はパイプ１６０の外側に設置されたクランプ式装置として構成される。図１Ａには示されないが、圧電素子Ｔ_１及びＴ_２は各々、それ自体の別個の封入チャンバを有してもよい（圧電素子を封入する、以下に記載する図３に示される内側封入（隔離）チャンバ１２９を参照、また、再集束レンズ１３０を封入することも示される。

圧電素子Ｔ_１及びＴ_２は、パルス電圧信号（送信機からの受信）がそれらの圧電素子に印加され、それによって超音波を発生させるときに振動するように設定される圧電結晶又は圧電セラミックを用いる。動作中、超音波パルスは、対の圧電素子のうちの１つによって交互に送信され、流量測定に必要な対の他の圧電素子によって受信される。

角度付けされた軸方向信号経路は、パイプ１６０の内部の破線によって図１Ａに示される。当該技術分野において既知であるように、ＵＳＭは、図１Ａに示される２つ超の圧電素子Ｔ_１及びＴ_２、通常、２個～１６個までの圧電素子を含むことができる。ＵＳＭ １００は、送信機（Ｔｘ）１１１及び受信機（Ｒｘ）１１２を含むか、又は図示されるように別個のＴｘ及びＲｘの代替物として、単一の送受信機であり得、単一の送受信機は、ある瞬間にＴｘ １１１がオンになり、別の瞬間にＲｘ １１２がオンになるように、圧電素子Ｔ_２及びＴ_１が送信及び受信役割を交換（代替）することができるデジタル制御マルチプレクサ（ＭＵＸ）１１５によって、圧電素子Ｔ_２及びＴ_１にそれぞれ連結される。動作中のパイプ１６０は、その中に、天然ガスなどの液体又は気体である流体を有する。流体は、１～２０バールなどの、通常０．１～４０バールである低圧又は中圧にあることができる。

ＵＳＭ １００はまた、一般に、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（digital signal processor、ＤＳＰ）、又はマイクロコントローラユニット（microcontroller unit、ＭＣＵ）を備えるコントローラ１２０も含み、コントローラ１２０は、開示される流体速度測定方法を実装するためのアルゴリズムを含むアルゴリズムのためのコードを記憶することができる「ＭＥＭ」１２４として示される関連するメモリを有する。コントローラ１２０は、Ｔｘ １１１及びＲｘ １１２に連結され、ＭＵＸ １１５を制御するようにも連結される。コントローラ１２０はまた、指定されたタイミング間隔でＴｘ及びＲｘの役割を切り替えるようにも構成される。

しかしながら、当該技術分野において既知であるように、コントローラ１２０によって実行されるアルゴリズムは、ハードウェアによって実装されてもよく、及び／又はソフトウェアによって実装されてもよい。ハードウェアベースの実装に関して、アルゴリズム方程式をＶＨＤＬ（Ｈａｒｄｗａｒｅ Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ Ｌａｎｇｕａｇｅ、ハードウェア記述言語）などを使用してデジタルの論理ゲートパターンに変換することができ、この実装は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（field-programmable gate array、ＦＰＧＡ）
若しくは複合プログラマブル論理回路（complex programmable logic device、ＣＰＬＤ）、又は専用の特定用途向け集積回路（application-specific integrated circuit、ＡＳＩＣ）などのプログラマブル素子を使用して実現され、論理ゲートパターンを実装することができる。ソフトウェアに基づく実装に関して、アルゴリズムのためのコードは、一般に、コントローラ１２０によって実装され得るメモリ１２４などのメモリに記憶される。

必要に応じて、キーボード及びディスプレイを含み得るコントローラ１２０に連結された、図１Ａに示されるヒューマン－マシンインタフェース（human-machine interface、ＨＭＩ）１２６も存在する。操作者は、ＨＭＩ １２６を使用して、ＵＳＭの動作パラメータを調整することができる。

ＵＳＭ １００は、開示されたレンズ配置も含み、レンズ配置は、以下に記載される図１Ｂでより良く見ることができ、圧電素子は、ここでは１２８として示される。図１Ｂは、下側ハウジング部分１０８ｂ内の例示的な構成を示す切り欠き図であり、開示された再集束レンズ１３０と下側ハウジング部分１０８ｂの底部区分とを一般に備える開示された第２のレンズ１４０、及びこれらが互いに対して、及び圧電素子１２８に対してどのように位置付けられているかを示す。軸方向及び径方向は、両方とも示される。径方向は、圧電素子１２８によって画定される水平平面と同じ方向であり、上記のような圧電素子１２８は、略円盤形状である。

図１Ｂはまた、減衰及び相殺層１６８の上部の裏込め及び減衰材料１３５、圧電素子１２８の下方及び側面上の整合及び温度絶縁層１５５、下側ハウジング部分と整合及び温度絶縁層１５５との間を含む側部減衰１７２、並びに減衰及び相殺層１６８も示す。

レンズ配置は、再集束レンズ１３０と第２のレンズ１４０とを含み、これらは、両方とも下側ハウジング部分１０８ｂ内に位置付けられ、ここで再集束レンズ１３０は、第１の圧電素子１２８の径方向外側にあり、第２のレンズ１４０の外側部分は、第１の圧電素子１２８の径方向外側にある。第２のレンズ１４０は、略円盤形状であり、一般に、中実円盤であり、再集束レンズ１３０の下方に位置付けられており、ここで超音波信号は、第２のレンズ１４０の内側部分を通って送信される（例えば、放出され、任意選択的に受信もされる）。

当該技術分野において既知であるように、圧電素子１２８が振動するときのＵＳＭ １００の動作中に、ｐ波及びｓ波の両方は径方向を含む変曲傾斜で生成される。再集束レンズ１３０は、信号損失を低減するために、第１の圧電素子１２８からの径方向超音波を方向転換させて、これらの径方向超音波を軸方向に方向転換させるために回折又は変曲を提供するように構成される。

音響において既知であるように、整合層の厚さは、通常、送信された波に有利なように、整合層の前側での反射を最小化するように吸音波長の１／４（λ／４）に等しい。最適インピーダンス値を発見した場合、次の決定は、その特定のインピーダンスを有する材料を見つけるためのものである。理論的な整合層モデリングアルゴリズムである、既知のＭａｓｏｎモデルを使用することができる。コンピュータ数値シミュレーション又は比較試験を使用することによって、最も好適な厚さを見出すことも可能である。

第２のレンズ１４０はまた、それが受信した径方向の超音波を、軸方向により方向性を持って移動するように方向転換させるためのものでもある。第２のレンズ１４０の公称中心直径は、一般に±２０％であり得る略λ／２であり、第２のレンズ１４０の公称厚さは、音響インピーダンス整合の考慮によって一般に決定されて整合層を提供する、再集束レンズ１３０と同様でもある。第２のレンズ１４０は、特定の動作条件のセットに対して発明者らが実施した比較試験の結果に従って、最良の音響整合厚さであると決定されたインピーダンス整合層を提供するために、一般に±２０％であり得る公称厚さλ／２０を有してもよい。

第２のレンズ１４０の直径が、一般に約λ／２であると指定されたハウジングの最下部を利用する円板表面であり、その厚さは、これらの２つの定義された幾何学的パラメータを有する、約λ／２０であり、ハウジングの最下部は、同じ圧電素子が一対の送信機又は受信機と交互になるように、ＵＳＭで受信される音響波を方向転換させるためのレンズとして機能する。したがって、ハウジングの最下部の平坦面は、音響レンズとしての更なる新たな機能を提供する。

当該技術分野において既知であるように、圧電素子１２８が振動するように制御される動作中、ｐ波（圧縮波としても既知である）及びｓ波（二次波としても既知である）の両方が、径方向を含む変曲傾斜で生成されるが、径方向間隔（圧電素子１２８の外径から下側ハウジング部分１０８ｂの内壁までの距離）が狭すぎると共振が発生する可能性があり、その結果、定在波が生成され得る。

再集束レンズ１３０は、直角三角形を有する略リング形状であり（断面（以下に記載する図１Ｂを参照）、受信された超音波を、上述したように圧電素子１２８の水平平面に垂直な軸方向で遠ざけるように方向転換するように構成されており、その結果、定在音響波が発生しない。具体的には、再集束レンズ１３０によって提供される受信された径方向超音波の変曲傾斜及び回折／変曲は、ハウジングとの音響インピーダンス不整合を克服するためのものであり、このハウジングは、圧電素子１２８と再集束レンズ１３０と第２のレンズ１４０との間に位置付けられた図示される温度絶縁層１５５と比較してインピーダンスの差が大きい、空気、天然ガス、又は窒素などのガスに対して金属又は金属合金を一般に含む。

流速測定に関して、圧電素子Ｔ_１及びＴ_２からの音響パルスは、川を渡る渡し守のようにパイプ１６０を横断する。パイプ１６０内を流れる流体がないと、音響パルスは両方向に同じ速度で伝播する。パイプ１６０内の流体がゼロとは異なる流速を有する場合、流体の流れの下流（Ｔ_１～Ｔ_２）を移動する音響パルスは、より速く移動することになるが、流体の流れに対して上流（Ｔ_２～Ｔ_１）を移動する流体の流れは遅くなるであろう。したがって、下流移動時間「ｔ_ＡＢ」はより短くなり、一方、上流移動時間「ｔ_ＢＡ」は、流体が移動していないときと比較してより長くなる。本明細書では、信号の移動時間を直接測定することを指す飛行時間（time of flight、ＴＯＦ）、又は、Ｔｘ信号に基づくシステム相互相関若しくは後処理に基づく相互相関などの間接的な測定方法もまた、移動時間を決定するために使用され得る。以下の式は、計算原理を示しており、移動時間と、流体の速度及び流体中の音速とを、パイプ１６０に対する経路長さ及び経路角度の関数として表している。

式中、ｔ_ＡＢｎは、式中Ａで示される圧電素子Ｔ_１と式中Ｂで示される圧電素子Ｔ_２との間の経路ｎの下流移動時間である。
ｔ_ＢＡｎは、圧電素子ＡとＢとの間の経路ｎの上流移動時間である。
Ｌ_ｎは、２つの圧電素子Ｔ_１（Ａ）とＴ_２（Ｂ）との間の音響経路ｎの直線長さである。
φ_ｎは、パイプに対する経路ｎの角度である。
ｖ_ｎは、経路ｎの圧電素子によって測定される補正されていない流体の生速度である。
ｃ_ｎは、経路ｎの圧電素子によって測定される流体の音速である。

図３は、例示的な実施形態による、開示された再集束レンズ１３０及び第２のレンズ１４０を有する例示的なＵＳＭ ３００の切り欠き図を示す。ＵＳＭの動作波長は、一般に、１０ｍｍ～３０ｍｍの範囲である。外側ハウジング１０８は、下側ハウジング部分１０８ｂに取り付けられた上側ハウジング部分１０８ａを有する、図３に示される図１Ａのようなものである。図３には、上側ハウジング部分１０８ａを下側ハウジング部分１０８ｂに連結するチャンバ接続ねじ１１７が示される。ハウジング１０８は、別個の上側ハウジング部分１０８ａ及び下側ハウジング部分１０８ｂとして構成されているので、減衰層１６５、減衰及び相殺層１６８、並びに裏込め及び減衰材料１３５などの一般に液体の形態で添加される充填材料を、従来の長いチューブを使用してハウジング１０８の内部に添加する際に導入される気泡の量、ハウジング１０８の内部を製造中に充填する際の困難さを低減する。更に、上側ハウジング部分１０８ａと下側ハウジング部分１０８ｂとの間の空域（空気界面）における接合部を調整して、ＵＳＭ ３００の前方から後方への、次いで再び前方への信号の望ましくない逆結合を軽減することができる。

ハウジング１０８は、金属材料又は非金属材料を備えることができる。上側ハウジング部分１０８ａは、本明細書の流体を有するパイプに取り付けるための装着接続ねじ１０９として示される取り付け特徴部を有する。用語に関して、ＵＳＭ ３００の上部は、図３に示されるようなねじ山１０９を有するＵＳＭの側面であり、Ｏリング１１３は、圧電素子１２８に対して反対側にあるねじ山１０９の下にあり、一方、ＵＳＭ ３００の底部は、所望の音響送信及び受信方向のための前側音響活性端部である圧電素子１２８を有する端部であるが、ＵＳＭ ３００の底部（前側端部）は、図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、計測器本体のパイプの内部に位置付けられるように設計される。圧電素子１２８は、下側ハウジング部分１０８ｂに示される。しかしながら、圧電素子１２８はまた、上側ハウジング部分１０８ａと下側ハウジング部分１０８ｂとの間の境界領域にあってもよい。圧電素子１２８は、図１に示されるように、コントローラ１２０と共に電子機器ハウジング（図示せず）内にあり得る送受信機（Ｔｘ １１１／Ｒｘ １１２）に連結される。

圧電素子１２８の上方には、一般に多孔質発泡体又はポリマーなどの低密度の材料を備える減衰層１６５と、同じく、一般に多孔質発泡体又はポリマーなどの低密度の材料を備える減衰及び相殺層１６８である。減衰層１６５の層厚は、一般に、上側ハウジング部分１０８ａに向かって軸方向後方方向に約λ／２である。圧電素子１２８は、エポキシガラスなどの低熱伝導率を有する複合材料、又は熱可塑性化合物発泡体を一般に備える、整合及び温度絶縁層１５５によって囲まれる。また、減衰及び相殺層１６８の外側で、圧電素子１２８及び減衰層１６５の上方の整合及び温度絶縁層１５５部分の上方に、側面減衰層１７２も存在する。

再集束レンズ１３０は、圧電素子１２８の振動モード、並びにハウジング（下側ハウジング部分１０８ｂ）内の圧電素子１２８の配置に従って構成される。再集束レンズ１３０は、整合及び温度絶縁層１５５と下側ハウジング部分１０８ｂとの間の三角形の空間に示されており、金属製下側ハウジング１０８ｂと整合及び温度絶縁層１５５との間の間隙を充填するために、硬化剤と混合された接着剤エポキシ樹脂を備えることができる。接着剤化合物を使用した充填材料は、空隙を伴わずに２つの異なる材料を接合するだけでなく、間隙を指定された形状で封止し、これにより、再集束レンズ１３０を間隙内に形成することができる。

上記のように、直角三角形として成形され得る再集束レンズ１３０は、構造内に存在する間隙によって画定される、略２０度以上の斜辺の角度を提供することができ、その中心幅（厚さ）は約１／５０波長であり、これは、通常、１ｍｍ未満である。結果として、再集束レンズ１３０と下側ハウジング部分１０８ｂのλ／８壁との間のＵＳＭ ３００の側面に向かって漏れた超音波信号の大部分は、その音響的に活性化された前側端部であるＵＳＭ ３００の底部で前方に移動する信号と干渉しないように、再集束レンズ１３０及びλ／８の厚いハウジング壁によって反射されることになる。

また図３には、圧電素子１２８を封入する内側封入チャンバ１２９も示されており、この内側封入チャンバ１２９は、再集束レンズ１３０を封入することも示される。第２のレンズ１４０は、一般に、ハウジングの一部分（底部）が封入チャンバ１２９の外側にある。

再集束レンズ１３０の向きは略リング形状であり、圧電素子１２８の径方向外側に位置付けられるが、第２のレンズ１４０は、一般に再集束レンズ１４０の下方にある間、圧電素子１２８に対して下側ハウジング部分１０８ｂ内で下側に位置付けられる。上記の第２のレンズ１４０は、一般に、下側ハウジング部分１０８ｂの領域であり、別個の構成要素ではない。第２のレンズ１４０を提供するためのこのハウジング領域は、λ／２の公称中心直径及び約λ／２０の厚さを有する円盤形状であり得る。したがって、再集束レンズ１３０及び第２のレンズ１４０は、それ自体の音響からの反射及び屈折超音波が、パイプ内の流体媒体に向かって軸方向に方向付けられ、かつ／又は方向転換されるように構成されており、異なる媒体の音響インピーダンスのいわゆる不整合は、圧電素子１２８への望ましくない反射を引き起こすことが既知である。

したがって、４５度の角度（図３に示すように、第２のレンズ１４０の上方のハウジング壁によって設定される）は、横方向の波を前側音響活性端部に方向転換させることによって、ＵＳＭ ３００の前面音響活性端部である下側ハウジング部分１０８ｂから圧電素子１２８によって送信される信号と干渉せず、比較的小さい空間内での多重反射を避け、定在共振波を相殺する。再集束レンズ１３０は、ハウジングの壁に到達する超音波の漏れを相殺するように構成されており、インピーダンス不連続部が下側ハウジングの外側表面においてより深刻である金属を一般に備えるであった。この不整合は、圧電素子１２８の領域と再集束レンズ１３０との間に多重反射（定在波）を更に生成する場合がある。したがって、λ／８ハウジング壁厚は、その空間内の定在波を抑制して、圧電素子１２８からの軸方向超音波を高めることを意味する。

上述したように、第２のレンズ１４０は、その円盤形状の中心直径のλ／２±２０％であり得、上記のλは、検知用途で使用される超音波信号の波長、例えば、１０ｍｍ～３０ｍｍである。一般に、下側ハウジング部分の一部分である第２のレンズ１４０の材料は、金属又は非金属を含むことができるが、一般に、苛酷な環境条件に十分に適合されたハウジング材料であると認識されるステンレス鋼又はチタンなどの金属である。図１Ｂに示される第２のレンズ１４０の外側領域は、軸方向に垂直な径方向の超音波伝播を低減し（すなわち、それらを位相反転で相殺し）、軸方向に超音波がより方向的に移動するようにするサイドローブを抑制する。

再集束レンズ１３０及び第２のレンズ１４０は、一般に、再集束レンズの径方向外側に延在する第２のレンズ１４０と、互いに概ね部分的に同心であり、再集束レンズ１３０の下方に全体的に示される再集束レンズ１３０の少なくとも部分的に下方にある。上記のように、圧電素子１２８は、通常、円盤形状であり、再集束レンズ１３０は、圧電素子１２８の径方向外側にある略直角三角形形状のリングであり、また、上述のように、第２のレンズ１４０は、一般に、下側ハウジング部分１０８ｂの区分であり、この区分は、通常、円盤形状であり、圧電素子１２８の前面１２８ａに対して圧電素子１２８の下方に位置付けられる。

再集束レンズ１３０及び第２のレンズ１４０のためのレンズ材料は、上記のように最大４０バールである低圧及び中圧条件に適用可能であるように一般に選択され、圧力条件に耐えることを可能にするために、柔らかすぎてはならない。例えば、チタン、ＳＳ３０４、３１６、アルミニウム合金、又はプラスチックなどの非金属材料を、流体測定条件、例えば、腐食又は埃の要件に応じて使用することができる。すなわちこれが、整合及び温度絶縁層１５５として示された１／４λ整合層、及び再集束レンズ１３０が、ＵＳＭ ３００の前側にサイドローブ超音波を方向転換させ、一般に金属製の剛性ハウジング１０８ａ、１０８ｂ内で起こり得る多重反射を抑制するように構成される理由である。

したがって、再集束レンズ１３０及び第２のレンズ１４０は、受信された径方向超音波を方向転換させ、下側ハウジング部分１０８ｂの壁内での多重反射を防止する。再集束レンズ１３０及び第２のレンズ１４０は、受信された径方向超音波を、圧電素子対内のその対応する圧電素子に向かって軸方向に方向転換させる。図４は、再集束レンズ１３０と第２のレンズ１４０とを有する外側ハウジングを有する、例示的なＵＳＭ ４００の切り欠き図を示す。１７９として示される領域は、頑丈なゴムリングなどを備える締結具である。

図５は、例示的な実施形態による、外側ハウジング変形形態と共に再集束レンズ１３０と、第２のレンズ１４０と、を有する例示的なＵＳＭ ５００の切り欠き図を示す。図示される外側ハウジングの変形形態は、図３及び図４に示されるような外部工程を排除しており、ここで図５は、直線状円筒であり、内部の後部構造は、エポキシ樹脂又は室温加硫（room temperature vulcanizing、ＲＴＶ）ゴムを含み得る、裏込め及び減衰材料１３５及び１３６を備える。裏込め及び減衰材料１３５と減衰及び相殺層１６８との間の裏込め及び減衰材料１３６は、裏込め及び減衰材料１３５をより良好に充填し、後方信号結合を低減するために使用される。裏込め及び減衰材料領域１３６は、ゴムを備えるなど、予め形成されてもよい。

要約すると、ＵＳＭ信号品質劣化要因に対処するための開示されたＵＳＭの主な特徴は、以下のものである。
１． 再集束レンズ１３０を含むレンズの組み合わせは、圧電素子の径方向外側の下側ハウジング部分１０８ｂにある第２のレンズ１４０と共に、径方向の超音波を、変曲傾斜により、及び軸方向の回折／変曲により方向転換させて、一般に、下部ハウジング部分１０８ｂを備える金属と、インピーダンスの差が大きい可能性があるパイプ内の流体との不整合を克服する。音響インピーダンスは、材料密度及び音速の積である。従来は、厚さ１／４λのいわゆる整合層が使用されており、開示されているＵＳＭの場合、再集束レンズ１３０及び第２のレンズ１４０が、図３～図５において整合及び温度絶縁層１５５として示される従来の１／４λ整合層の他に配置されており、ここで、整合層のインピーダンス比は

であり、Ｚｃは圧電素子１２８の音響インピーダンスであり、Ｚｐは、流体媒体の音響インピーダンスである。例えば、Ｚｃ＝３５ＭＲａｙｌであり、Ｚｐ＝０．０００４ＭＲａｙｌ（空気のＺｐ値）である場合、Ｚｍは、空気に良好なインピーダンス整合を有するように、およそ０．１１ＭＲａｙｌに等しい（天然ガスのインピーダンスは、同じ圧力及び密度において空気よりもおよそ１．３大きい）流体に適合することができるが、固体及び剛性材料ではこのようなインピーダンス比を達成するのは困難である。開示された再集束レンズ１３０は、開示された第２のレンズ１４０と共にこの問題を解決することができる。
２． 圧電素子１２８を封入する封入チャンバ１２９は、流体圧力に耐えながら、前方超音波放射効率を最大化する。封入チャンバ１２９は、発泡材料を備えることができる。発泡体の代替物としては、ポリマー、エポキシ、又は一般に、圧電素子１２８のインピーダンスと空気に対するインピーダンスとの密接な整合インピーダンスを有する任意の種類の材料が挙げられる。
３． 下側ハウジング部分１０８ｂの壁は、定在波を相殺するために、また４５度±５度などの所定の角度（例えば、計算された角度及び許容値（範囲））で（部分的な）反射を方向転換するために、λ／８±１５％（図２～図４に示される）の壁の厚さを有することができる。
４． 温度絶縁層１５５は、一般に、圧電素子１２８が圧電結晶を含む場合、圧電素子の従来の結晶材料（－２０℃～＋６０℃）を、現場に存在し得る大きな温度変化、例えば、－４０℃～＋８５℃から保護するための、熱伝導率の低い複合材料である。
５． 記載されるように、略円盤形状である圧電素子１２８は、複数のモードを低減しながら、その効率を高めるように径方向モード振動のために特別に構成された１０を超える比較的大きな直径対厚さ比を有するセラミック材料を備えることができる。これにより、低電圧の使用を可能にして、固有の安全要件をより容易に満たし、低電力消費を提供することによって電池駆動されるように設計される、高いシステム感度及び信号効率を提供する。
６． 信号の励起及び受信回路のプリント回路基板（printed circuit board、ＰＣＢ）への配線ピンと一緒に何かを備える、内壁又は外壁にねじ止めする特殊な配置。圧電素子１２８及びＰＣＢは、一般に、正端子、負端子、及び接地端子を有するケーブルによって接続される。充填材料を裏込め及び減衰材料１３５の裏側から添加する場合は、一般に負圧が生成されるため、裏込め及び減衰材料１３５をハウジング内に押し込むことが困難な場合があり、材料がペースト形態又は液体形態である場合には、内部に気泡が発生するため、更に困難になる場合がある。ハウジングが２つの部分（図１Ａ、図１Ｂ、及び図３に１０８ａ及び１０８ｂとして示されるような上側及び下側部分）を有することは、裏込め及び減衰材料１３５の充填プロセスをより容易にして、より制御可能で柔軟なものにし、同様に起こり得る逆結合を軽減する。

開示されたＵＳＭを製造するための例示的な組み立てシーケンスが、次に提供される。第１の工程では、圧電素子１２８は、下部ハウジング部分１０８ｂを裏打ちする温度絶縁層１５５に接合することができ、この温度絶縁層１５５は、したがって、第２のレンズ１４０の上方にあり、これは一般に、温度、予荷重、埃、及び静電気などの動作条件に特別な注意を必要とする、中核的な組立工程の１つである。第２の工程では、液体形態である間の減衰層１６５を圧電素子１２８の上部に注ぐことができる。第３の工程では、上述した構成要素は、側面減衰層１７２共に組み立てられ得る一方で、液体形態をしている間の減衰及び相殺層１６８を注ぎ込むことができる。

第４の工程では、上記の構成要素は、下側ハウジング部分１０８ｂ内に組み立てられてもよく、これは中核的な組立工程のうちの１つであり、例えば、底部及び側面連結に特別な注意を払う必要があり、例えば、接合部が完全に適合することに注意し、空隙を残さないようにし、例えば、整合及び温度絶縁層１５５を使用して間隙を充填するようにする。第５の工程は、上側ハウジング１０８ａを、チャンバ接続ねじ山１１７として上に示される下側ハウジング部分１０８ｂに組み立てることを含み得る。第６の工程では、中間位置にあるケーブル及び接合ウェルに注意しながら、液体形態のままの裏込め及び減衰材料１３５をハウジング内に注ぎ込むことができる。第６の工程では、液体材料は、気泡を避けながら、上述したように固体に変換されることになる。

様々な開示された実施形態について上述してきたが、それらは単なる例として提示されており、限定するものではないことを理解されたい。開示された実施形態に対する多数の変更は、本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、本開示に従ってなされ得る。したがって、本開示の広さ及び範囲は、上述した実施形態のいずれにも限定されるべきではない。むしろ、本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲及びそれらの均等物に従って定義されるべきである。

開示された実施形態は、１つ以上の実装形態に関して例示及び説明されてきたが、本明細書及び付属の図面の読み取り及び理解の際に当業者には同等の変更及び修正が生じるであろう。特定の特徴はいくつかの実装形態のうちの１つのみに関して開示されている場合があるが、かかる特徴は、任意の所定の又は特定の用途にとって所望され得る、及び有利であり得るように、他の実装形態のうちの１つ以上の他の特徴と組み合わされてもよい。

Claims (10)

1. 超音波流量計であって、
   下側ハウジング部分に取り付けられた上側ハウジング部分を有する外側ハウジングであって、前記上側ハウジング部分が、内部を流れる流体を有するように適合されているパイプに取り付けるための取り付け特徴部を有する、外側ハウジングと、
   送信機及び受信機に連結された水平平面を画定する平面状の表面を有する少なくとも第１の圧電素子であって、前記第１の圧電素子が、前記水平平面に垂直である軸方向において、動作波長（λ）の超音波を放出するように構成されている、少なくとも第１の圧電素子と、
   前記下側ハウジング部分内のレンズの組み合わせであって、
   前記第１の圧電素子の径方向外側に位置付けられた再集束レンズであって、前記再集束レンズが、信号損失を低減させるために、前記超音波のうちの受信された径方向の超音波を、前記軸方向において移動するように方向転換するように構成されたリング形状であり、前記下側ハウジング部分内の多重反射を低減するための整合層として機能するように構成された厚さプロファイルを有する、再集束レンズ、及び
   前記超音波のうちの前記径方向の超音波を、前記軸方向に移動するように方向転換させるように構成された、前記第１の圧電素子の径方向外側にある、外側部分を含む、前記再集束レンズの下方に位置付けられた、平坦な円盤形状である、第２のレンズ、を含むレンズの組み合わせと、を備える、超音波流量計。
2. 内側封入チャンバを更に備え、前記第１の圧電素子及び前記再集束レンズが、両方とも前記封入チャンバ内にある、請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記第１の圧電素子が円盤形状であり、前記下側ハウジング部分が、λ／８＋／－２０％の厚さを有する、前記水平平面に対して４５°±５度で角度付けされた、壁領域を有する、請求項１に記載の超音波流量計。
4. 前記第１の圧電素子が、少なくとも１０の直径対厚さ比を有する円盤形状である圧電セラミックを含む、請求項１に記載の超音波流量計。
5. 前記第２のレンズが、λ／２±２０％の中心直径を有する、請求項１に記載の超音波流量計。
6. 超音波流体流検知の方法であって、
   下側ハウジング部分に取り付けられた上側ハウジング部分を有するハウジングを含む超音波流量計を提供することを含み、前記上側ハウジング部分が、内部に流れる流体を有するためのパイプに取り付けられた取り付け特徴部を有し、前記超音波流量計が、送信機及び受信機に連結された水平平面を画定する平面状の表面を有する、少なくとも第１の圧電素子と、前記第１の圧電素子の径方向外側に位置付けられたリング形状の再集束レンズを含む前記下側ハウジング部分内のレンズの組み合わせレンズと、前記第１の圧電素子の径方向外側にある外側部分を含む、前記再集束レンズの下方に位置付けられた平坦な円盤形状の第２のレンズと、を含み、
   前記送信機が、前記第１の圧電素子に、強制的に、主に前記水平平面に垂直である軸方向において、動作波長（λ）の超音波を放出させ、
   前記再集束レンズが、信号損失を低減するために、前記超音波のうちの受信された径方向の超音波を、前記軸方向に移動するように方向転換させるように構成されており、前記下側ハウジング部分内の多重反射を低減するための整合層として機能するように構成された厚さプロファイルを有し、
   前記第２のレンズの前記外側部分が、前記超音波のうちの前記径方向の超音波を、前記軸方向に移動するように方向転換させるように構成されている、方法。
7. 前記第１の圧電素子が、円盤形状であり、前記下側ハウジング部分が、前記水平平面に対して４５°±５度で角度付けされた壁領域、及びλ／８＋／－２０％の厚さを有する、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１の圧電素子が、少なくとも１０の直径対厚さ比を有する円盤形状である圧電セラミックを含む、請求項６に記載の方法。
9. 前記再集束レンズが、三角形の断面を有し、前記第２のレンズが、前記下側ハウジング部分の底部区分を利用する、請求項６に記載の方法。
10. 前記流体の圧力が、１～２０バールである、請求項６に記載の方法。

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