JPH0278915A - 液状またはペースト状の流体の密度、固体分濃度、流速、流量及び温度を該流体中で伝播する超音波伝送によって同時に測定する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、液状またはペースト状流体媒質中の超音波伝
播を利用して前記流体の密度、固体性濃度、流速、流量
及び温度を導管内で同時に測定する装置及び方法に係る
。

液状またはペースト状の流体の流れを利用する多数の工
業的方法では、方法を十分に制御するために、該流体に
関するいくつかのパラメータを同時に知る必要がある。

主なパラメータとしては、導管内の流速及び／または流
量、流体が均貫流体の場合には輸送される流体の密度、
流体が不均買流体（懸濁液）の場合には固体性濃度、い
くつかの特殊ケースでは流体の性質自体の変化、等があ
る。

これらの特性値を測定するために当業者は場合に応じて
、完全に液圧的な測定手段、電磁的手段または核放射線
を用いる種々の方法を使用してきた０例えば、均τ丁液
体の流速の測定にはダイヤフラム流量計のごとき脈収縮
流量計を使用ｔ１導電性液体の場合には電磁流量計を使
用する。

しかしながらこれもの装置には欠点があり、いくつかの
欠点はユーザーにとって特に不都合であるね考えられる
０例えば、流れの速度を測定するために流れに外乱を生
じさせる種々の方法はがなりの水頭損失の原因となる。

また、電磁流量計の使用は導電性流体に限られる。更に
、これらの手段は管内の循環速度しか測定できない。従
って流体の密度または固体性濃度を測定するためには、
例えば気泡密度計またはγ線密度計のごとき第１装置か
ら独立した第２装置が必要である９何人もの研究者が夫
々の目的に応じて、運動流体中の超音波ビームの伝播を
利用する測定方法を開発した。

例えば、フランス特許第２，５６１，３９３号は、流体
中で輸送される固体粒子の性質の同定及び該粒子の寸法
の測定を行なうために、流体中で伝播する超音波ビーム
に含まれたエネルギが該粒子によって拡散される現象を
利用した方法を開示している。

゛該方法によれば、未知の性質のマクロ粒子は超音波ビ
ームで遮断されると、受容したパルスの一部を拡散させ
る。拡散したエネルギ部分を所定の異なる２つの受信角
に沿って測定する。該エネルギ部分の振幅をマクロ粒子
の寸法及び性質に直接関連する値に変換ｔ１これらの値
を、同じ測定条件下に得られた既知の性質及び寸法の粒
子の値と比較する。

前記特許に記載の測定装置は、内部で流体が循環する導
管の側壁に固定された超音波エミッタと、超音波ビーム
の粒子による拡散部分の一部を所定の異なる２つの角度
で受信するように前記導管に等しく配置された２つの受
信器とから成る。超音波エミッタに対する２つの受信器
の相対位置は特に、該受信器が超音波ビームによって直
接カバーされる立体角の外部に位置するように、即ぢ入
射波の直接衝撃をうける範囲の外に位置するように選択
される。

前記方法の目的は′：流体中で輸送される粒子の性質及
び寸法の測定に限定されている。

また、フランス特許筒２，０９１，９７８号によって公
知の方法は、流動中の液状流体の粘度を測定するために
、流動方向に垂直に発射された超音波ビームの吸収及び
伝播速度を測定する方法である。該方法では、吸収され
た超音波エネルギの量と該超音波を内部で伝播させる流
体の粘度及び前記超音波の速度とを直接関連させる数式
を利用する。測定装置は主として、管部材の２つの対向
母線上に向ききって配置された超音波発生器と受信器と
を含み、該管部材の内部で循環する流体の粘度が測定さ
れる。該流体の粘度の変化に伴って超音波の吸収の変化
及び該超音波の伝播速度の変化が生じる。送信側及び受
信側の２つのセンサは、吸収された超音波の量及び流体
中の超音波の伝ｔａ３Ｌｒ度の測定値に基づいて運動中
の流体の粘度を計算し得る電子装置に接続されている。

より進歩した実施態様では、粘度の測定及び計算を行な
う手段に調整装置が結合されている。該装置は、前記の
ごとく測定された粘度の値と化学的方法の範囲で規定さ
れた粘度の値とを比較する。化学的方法の操作は循環中
の流体の粘度に依存する。従ってかかる方法の操作の変
更及び調整が可能である。

上記特許に記載のごとく管の２つの対向母線上に向き合
って配置された超音波エミッタと受信器とを有する２つ
の変換器だけを使用するときは流動中の流体の速度の測
定及び密度の測定はできないと考えられる。

導管内で流動する流体の速度を超音波発生装置を介して
測定する方法は英国特許筒２，０８３，６２４号の特許
請求の範囲に記載されている。該発明は、該流体の流れ
に外乱を意図的に生じさせ、この外乱が、既知の長さを
隔てる導管の２つの選択点の間を通過する時間を測定ｔ
１これによって流体の循環速度を測定する。

このために、使用される装置は、 自振幅変調された超音波発生器を含む。該発生器の機能
は、循環中のある容量の流体に影響を与え該容量の密度
及び／または温度のごときいくつかの物理的特性値の変
化を生じさせる外乱を一定の時間間隔で発生することで
ある。

自照音波発生器の下流で導管に配置された４うの変換器
から成るアセンブリを含む。これらの変換器は２つのセ
ンサアセンブリを含み、各センサアセンブリは導管の２
つの対向母線上に向き合って配置された超音波送信器及
び受信器の組み合わせから構成されている。送信器は超
音波発生器に接続されている。

これらの２つのアセンブリは、互いに完全に一定の間隔
を曜てて配置され、各アセンブリから連続的に送出され
る超音波ビームは流体の流動方向に垂直な方向に伝播す
る。

上流に位置する超音波発生器によって生じた外乱が各ア
センブリ列を順次通過するとき、この外乱に伴う流体の
密度特性及び／または温度特性の変化は、吸収された超
音波ビームのエネルギを変化させる。従って、各変換器
アセンブリの処を通過した外乱は電子信号の送出によっ
て検出される。

該電子信号の位相差を分析して流体の行程時間に変換す
る。導管上の２つの検出アセンブリ間の間隔が既知であ
るから、流体の流動速度の計算が可能である。

前記装置は複雑であり、また第１発生器と流体中に外乱
を生じさせる機能を果たす超音波変調器とに加えて、そ
れ自体が電子測定装置に接続された２つのデテクタアセ
ンブリに結合した第２の超音波発生器が必要である。該
特許に記載の変換器は、各々が特定機能、即ちエミッタ
または受信器の機能のみを果たｔ１流体の流動方向に垂
直な縦波ビームだけを送出または検出する。

従って、記載の装置では、流体の流速の測定だけを行な
うことができ、この測定はまた、外乱が流体の内部で一
定周波数で生じる場合に限って可能である。しかしなが
らこのような外乱の重大な欠点は、温度、密度、固体分
濃度のごとき流体のいくつかの物理的特性値を変化させ
ることにある。

多くの処理においてこれらの変化は処理の進行に影響を
与えるおそれがあるため好ましくない。

また、（英国特許第１，５４５，２８６号によって）同
−導管内を順次連続的に循環する異なる性質の液体によ
って形成される界面を超音波で検出する方法が公知であ
る。該方法は、運動中の流体における音波の伝播速度が
該流体の密度の関数であることに基づく所謂ｒｓｉｎｇ
ａｒｏｔ＋ｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ」を使用している。該
伝播速度Ｃと超音波の同調周波数ｆとの関係は式 〔ｒは送信側及び受信側の２つのセンサ間の液体中の超
音波の行程距離コで示される。超音波の送信繰り返し周
波数に対応するこの同調周波数の探索は、超音波ビーム
の送信周波数を受信器で検出されるエネルギの関数とし
て調整し得る発振器を介して行なわれる。受信器で検出
されたこのエネルギは電圧信号に変換され発振器に返還
される。循環中の流体の密度の変化が生じたとき、例え
ば異なる性質及び比重の２種類の液体間の界面が通過し
たときには、同調周波数の変化が生じ、従って受信器で
検出される電圧信号の変化が生じる。このようにして、
循環中の流木の性質の変化３検出し得る。同じ英国特許
箱１，５４５，２８６号及び該特許に記載の構成によれ
ば、導管の２つの対向母線上に送信側及び受信側の２つ
の変換器が斜めに配置されている。超音波ビームは導管
の軸線に対して角度θを成す２つの変換器間に伝播する
。これらの条件下に、流体の流速をＶとすると、超音波
の速度は超音波の伝播方向に速度Ｖを投影したＶｃｏｓ
θに等しい項で示され６゜超音波が上流がら下流に伝播
するとき速度Ｃはｃ　＋　Ｖｃｏｓθになる。超音波が
下流から上流に伝播するとき速度Ｃはｃ　−Ｖｃｏｓθ
になる。これらの条件下の同調周波数ｆは、であり、流
体循環速度■がら独立している。従って、導管内に順次
流れる複数流体間に存在する界面の通過を検出するため
に流体密度に直接関係するパラメータを測定する場合、
この検出は、例えば外的原因（弁の開閉、ポンプ動作の
断続）による前記流体の流速変化の影響を受けるおそれ
があり、従って項Ｖの影響を受けないようにする必要が
あることは当業者に明らかであろう、このために当業者
は（英国特許第１，５４５，２８６号参照）、１対の変
換器を、導管の２つの対向母線上に管の軸線に対して斜
めに配置ｔ１第１期間中は送信器−受信器、次の期間中
は受信器−送信器の機能を交互に果たさせるか、または
各々が２つの変換器を含む１対の変換器アセンブリを導
管上に、配置ｔ１２つの変換器の一方が常に送信器他方
が常に受信器として機能し対向する入射角θに沿って一
方が流体の流動方向他方が逆方向で機能するように装置
を構成した。

各変換器アセンブリの位置は、流体中に伝播する超音波
の吸収ができるだけ少ないように決定される。また、流
体中での超音波の行程距離が短く、超音波は、送信変換
器が配置された母線の反対側の母線に達すると該母線上
で反射されずに直ちに受信変換器によって検出される。

前記装置のいずれにおいても、各変換器対は常に正弦超
音波信号を送出ｔ１同調周波数ｆ、及び「２を測定する
電子回路に接続されている。２つの周波数はミキシング
回路で結合され、フィルタを通過ｔ１該フィルタの出力
で和ｒ、＋Ｌに等しい周波数の正弦信号だけが回収され
る。得られる周波数Ｎの値は式、 で示される値に等しい。

この結果は導管内の流体の循環速度■から独立している
。従って、流体の組成が一定である限り、流体の流量の
いかなる変化も使用される方法に全く影響を与えない。

従って、英国特許第１，５４５，２８６号の特許請求の
範囲に記載された方法は、導管内の流体の流速自体の測
定には使用できない。その理由は該方法の基本的原理が
まさしく流体速度の影響から独立していることにあるか
らである。

また、工業的方法の操作をコントロールするたｙ）には
、流速、流量、密度、固体分濃度及び温度のごとき請環
流体の複数のパラメータを同時に入手する必要があるこ
とが次第に明らかになった。

超音波を使用する前記のごとき従来技術の装置及゛び方
法はいずれもご上記のごとき複数パラメータの同時測定
の可能性を与えることができない。

出願人等は研究に専念ｔ１導管内を循環する液状または
ペースト状流体の流速、流量、密度及び固体分濃度を該
流体中で伝播する超音波の送出によって同時、に測定し
得る装置及び方法を知見しその実現に成功した。

本発明によれば、本発明方法を実施する装置は、ａ）内
部で流体が循環する測定導管と、ｂ）超音波源に接続さ
れ導管と接触しているかまたは該導管内の流体と接触し
ており、交互に送信器−受信器及び受信器−送信器の機
能を果たｔ１導管の同一母線上で互いに対称な位置に入
射角αに沿って斜めに配置された２つの変換器であって
、超音波が流体中で屈折角βに沿って伝播し該２つの変
換器が配置された導管壁の反対側の導管壁に少なくとも
１回全反射されてから受信変換器によって検出され、該
２つの角度α及びβが導管の軸線に垂直な平面に対して
規定されているような２つの変ＩｆＡ器と、 Ｃ）導管上に配置され流体と直接接触している温度Ｊｌ
ｌ定ゾンデと、 ｄ）２つの変換器のアセンブリと温度測定ゾンデとに結
合されており、電気信号の形態で伝送された情報の管理
を確保する電子データ伝送手段とを含む。

流体収容導管と接触するかまたは収容された流体と接触
するように、入射□角αに沿って変換器を斜めに配置す
るために、本発明装置は以下の４つの変形のいずれかを
含み得る。

変換器を流体収容導管または該導管に収容された流体と
直接接触させるり）が望ましい場合には、変換器の傾斜
は導管に適応した幾何学的形状によって得られる。収容
された流体との直接接触が切゛ましい場合には更に導管
に適当な開口を設ける。

変換器を流体収容導管または該導管に収容された流体と
間接接触させるのが望ましい場合には、変換器の傾斜は
変換器と導管との間にシューを挿入することによって得
られる。この場合、収容された流体との間接接触力τ望
ましい場合には、導管の初期形状を変えずに該導管に適
当な開口を設ける。

本発明装置が柿・入シューを含むときは、該シューは変
換器の入射位置を容易に調整できるだけで尋＜被測定流
体が嵩温の場合には変換器の熱遮蔽を確保子る。　　　
　　′ 本発明はまた前記装置を使用して実施される方法に係る
。

本発明方法の特徴は、 ａＨつの期間中に流体中で上流から下流に伝播する超音
波を導管の軸線“に垂直な平面に対して角度βで送信変
換器ｌから送出ｔ１該超音波が前記送信変換器１の下流
で該送信変換器と同一母線上に配置された受信変換器２
によって検出される前に、前記送信変換器１が醋πされ
た母線に対向する母線で好ましくは少なくとも１回前記
超音波を全反射させ、 ｂ）超音波が送信と受信との間に要した行程時間１１−
２を測定ｔ１ Ｃ）次の期間中に変換器１と２との役割を逆転させ、同
じ角度βで送信変換器２から受信変換器１に流体循環方
向の逆方向で伝播する超音波を送出ｔ１ｄ）該超音波が
送信から受信までに要した行程時間Ｌ２−１を測定ｔ１ ｅ）同時に、前記流体と直接接触して導管上に配πされ
た温度測定ゾンデを用いて流体の温度Ｔを測定し。

ｒ）一方で流体の循環速度Ｖ、他方で循環中の流体の密
度及び／または固体分濃度の値を決定し得るコンピュー
タで測定値ｔ１−２、ｔ２−１及びＶの値を処理する段
階を含むことである。

より詳細には、流体中の超音波伝播速度をＣｓとｔ１該
流体の流動速度をＶとｔ１導管の直径をＤとｔ１導管の
軸線に垂直な平面に対する流体内への超音波の進入角度
をβとするとき、行程時間ｔｌ−２及びｔ２．□ｌは次
式、即ち、ｃｏｓβ　　　Ｃｓ十Ｖｓｉｎβ 及び で示される。従って速度に関する第１式は、第２式は、 ５ｉｎ２β　　（ｔ２−＋　＋　Ｌ＋−２）２と示すこ
とができ、いずれらＣＳから独立してい乙、９これらの
種々の公式において、ｎは所望の導管壁に対する波の反
射画数次第で１．２．３等の整数でよい。この反射回数
は常に１以上であり本発明では常に奇数である。

行程時間の差Δｔ＝ｔ２−＋　　１１−２の測定に関す
る■の測定精度は、各伝播方向における超音波の行程距
離が長いほど高いので、反対側の母線における反射を１
回以上行なわせる。

また、超音波はその行程中にできるだけ吸収されないこ
とが好ましく、導管壁における各反射毎に該壁に透過し
たエネルギ損が小さいのが好ましい。このため、本発明
装置及び方法は導管壁におけろ波の全反射を使用する。

本発明に関与するパラメータを以下に定義する。

−α：超音波入射角。この角度は導管の軸線に垂直な平
面に対する変換器の軸線の傾斜角度に一致する。

−ｃ：超音波の伝播速度。この速度は実施邪様次第で、
変換器のシュー内もしくは導管の壁内の波の伝播速度に
対応ｔ１または変換器と流体とが直接接触する場合には
Ｃｓに等しい。

−Ｃｓ：流体中での超音波の伝播速度。

−Ｃｐ・導管壁内での超音波の伝播速度。

−β：導管の軸線に垂直な平面に対する被測定流体中で
伝播する超音波の屈折角。

上記のパラメータの関係は次式で示される。

ｓｉｎβ＝−ｓｉｎα（４） 超音波が流体と導管壁との界面と交わる角度βの値次第
で、該超音波は部分反射されて縦方向及び／または横方
向の透過波を生じるかまたは全反射される。

従って、流体中で伝播される波が受信変換器によって検
出される前に最大エネルギを維持するためには全反射が
好ましい、該全反射は変換器の軸線の傾斜角αのｊＡ択
を決定ｔ１流体に入る超音波ビームの中心と全反射後に
流木から出る超音波ビームの中心との間の距離りを規定
し得る。該距離は式Ｌ・２ｎＤ　Ｌｙβによって与えら
れる９式中のｎの値は１以上の整数でよく、測定すべき
流体の特性値に基づいて選択される。多くの場合には１
〜５の値が好ましい。導管壁はスチール、アルミニウム
及びその合金、ガラス、ポリマー材料のごとき種々の材
料から製造でき、使用材料次第で全反射を生じる角度β
が異なる。

概して、本発明で使用される全反射は角度βが式 ％式％（５） で示されるときに得られる。

導管壁がスチールから成り被測定流体が水性である最も
普通の場合、該壁で超音波が全反射されるためには角度
βが２８°以上の値でなければならない９ 変換器がシューを備える場合には、該シューの構成材料
が以下の３うの条件を所要に応じて充足させる必要があ
る。

一伝播中の超音波のエネルギ損をできるだけ抑制するた
めに、変換器の圧電手段から導管−シュー界面またはシ
ュー−流体界面までシュー内に伝播する超音波の吸収を
できるだけ少なくする。

−循環する高温の流体と接触したときにもシューが物理
的及び化学的特性の経時変化を生じることなくすぐれた
挙動を維持するようにシューの熱伝導率が小さく同時に
耐熱性がよい。

−シュー−導管界面またはシュー−流体界面における超
音波の反射を最小にする。

これらの条件を最も充足させる材料は、出願人が確認し
た処ではポリマー材料特にポリイミドである。

耐熱性（約２５０℃〜２６０℃まで）がよく熱伝導率が
小さくまた超音波吸収が少ないというｔｆｌ造的造機特
徴するポリイミドシューを使用すると、式（５）で定義
した屈折角βＩこ対して式（４）で定義しなシューの傾
斜角αを選択し得る。

送信変換器が配置された導管の母線の反対側の母線に到
達した超音波が全反射されるので、導管壁で反射されろ
際に縦方向及び／または横方向に透過する波が発生しな
い、従ってこれに起因するエネルギ損は零である。

温度測定ゾンデを用いた流体の温度Ｔの測定及び超音波
の行程時間ｔ、−２またはｔ２〜１の測定によって循環
する流体の密度及び／または固体分濃度を決定し得る。

流体中の波の伝播速度Ｃｓは流体の密度及び／または固
体分濃度に直接左右される。行程時間ｔ＋−２及びｔ２
−１は該速度Ｃｓに反比例する（式（１）及び（２））
。

後で本発明装置を用いて工業的にコントロールすべき流
体の対照サンプル５即ち既知の性質、組成、密度及び／
または固体分濃度を有するサンプル′を用い、行程時間
Ｅ、−２及びｔ２−、の変化を測定する０行程時間ｔ１
−２及びｔ２−１、温度Ｔの測定値、密度ｄの測定値、
固体分濃度ｍｓの測定値から三次元図（ｄｉａ’ｇｒａ
ｍｍｅ　ｔｒｉｄｉｍｅｎｔｉｏｎｎｅｌ）を作成する
。

これらの三次元図は温度、行程時間ｔ、−２及びＬ２−
１、密度または固体分濃度から計算された回帰（ｒｅｇ
ｒｅｓｓｉｏｎ）面を数学的に設定することによって作
成できる。従って、密度または濃度が未知の同じ性質の
流体に対して、流体に関する４つのパラメータのうちの
３つ例えばＴ、ｔ＋−２及びｔ２−１の値を実験的に測
定ｔ１これらのデータをコンピュータに入れ、図を利用
して第４のパラメータ即ち密度ｄまたは固体分濃度ｌｌ
ｌ５を決めることが可能である。

凹状回帰面の形状の図（第６図参照）は以下の原理で使
用される。

ｍ一対のパラメータの値、即ち超音波の平均行稈時間（
ｔＩ−：＋　ｔ２−＋）と流木の温度との値を決定する
。

ユ この２つのパラメータは、システムの３つの被測定変数
の構成要素であり、平面内の１点を規定し得る［Ｔ　；
（４ユユユ上」よヨΩ］。

一密度または濃度の軸に平行で上記の１点を通る線は図
の表面と１点で交わる。この点を密度及び／または固体
付濃度の軸に投影すると、流体の密度及び／または固体
付濃度の所望の値が与えられる。図の作成に使用した実
際に測定された点の値の間に内挿することによって正確
な値が得られる。

流体の密度または乾燥物′ＩＩ！濃度の測定と同時に、
式（３）から流速が決定される。導管の直径Ｄ、全反射
の回数ｎ及び屈折角βを一定にしてｔｌ−２及びｔ２−
１を測定する。

密度、濃度、流速の同時決定のために、前記のごとく得
られた回帰面を定義する数学的データ、即ち式（３）に
よる流速、装置の幾何学的データ（Ｄ。

ｎ、β）及び被測定値Ｔ　＋Ｌｌ−２及びｔ２−１をデ
ータ処理装置に導入する。同じデータ処理装置によって
、コントロールすべき流体の流量及び質量流量を決定す
ることが可能である。

測定に使用される本発明装置を示す添付の第１図から第
６図に基づいてより具体的に説明する。

第１具体例を（立面断面図で）示す第１図においては、
変換器が流木収容導管と直接接触している。

装置は、２つの傾斜プラットフォーム２，３を備えた適
応幾何学的形状の直径りの管部材から成る測定導管１と
２つの送受信変換器４．５とを含む。変換器自体は圧電
素子６．７から成る。送受信変換器を設置するように設
計された２つのプラットフォーム２，３は、導管１の軸
線に垂直な平面に対して対称位置に存在し角度αだけ卯
斜している。流体と接触しているプラットフォームの表
面は、乱流、新しい水頭損失及び流体中にで濁した固体
分の保持ゾーンの形成を阻止するために好ましい形状に
設置 計されている。同一母線もの延長上に配置された２つの
送受信変換器４．５は夫々、循環中の流体を収容した導
管と直接接触したプラットフォーム２゜３に固定されて
いる。従って、導管１の軸線に対する垂線９．１０に対
して同じ角度αだけ傾斜している。

２つの変換器４．５は、一定間隔ｔｓ（スイッチの２回
の切換え間の経過時間）毎に２つの変換器４．５の送受
信機能を交替させ得るスイッチ１２を介してパルス発生
器１１に接続されている。温度測定ゾンデ１３は、循環
中の流体と直接接触した導管１に配置されている。該ゾ
ンデ１３は２つの変換器４．５と同様に、データ処理用
電子手段アセンブリ１４．１５に電気接続されている。

該アセンブリの機能は受信した電気信号を分析ｔ１流体
の循環速度及び／または流量、流体の密度及び／または
固体付濃度及び流体の温度のごとき応答要素に同時に変
換することである。このような装置を使用して以下の２
段階から成る測定を行なう、第１の期間中は、変換器４
がスイッチ１２を介してパルス発生器１１に接続され、
その圧電手段６を介して、導管１の軸線に対する垂線９
に対して゛角度αを成す超音波パルスを送出する。パル
スは、変換器４と導管１の外壁との界面Ａに到達ｔ１該
導管の肉厚を方向１６に沿って伝播する。

方向１６に沿って伝播する超音波パルスは次に、導管１
の内壁と収容流体との界面の接触点Ｂに到達ｔ１測定導
管の軸線に対する垂線に角度βを成す方向１７に沿って
流体に進入する。流体内でＤ／ｓｉｎβ に等しい距離だけ進行した超音波パルスは、導管１の対
向する母線にＨで到達し同じ角度βで全反射される。反
射されたパルス１９は、流体内で同じ距離 Ｄ／ｓｉｎβ たけ進行ｔ１流体と導管１の内壁との界面にＣで到達ｔ
１該導管の肉厚を方向２０に沿って伝播する。

超音波パルスは次に導管１の外壁と変換器５との界面の
接触点Ｅに到達する。

該パルスは、受信器として機能するようにスイッチ１２
を介してデータ処理用電子手ｔ’、２１４．１５に接続
され受信器として機能中の変換器５の圧電手段７によっ
て検出される。超音波パルスが行程１６，１７．１９及
び２０を終了するために４における送信と５における受
信との間に要した時間ｔ１−２がデータ処理用電子手段
１４　、１５によって測定される。

時点ｔｓ後に、スイッチ１２がパルス発生器１１．デー
タ処理用電子手段１４．１５及び変換器４．５の間の接
続を反転させ、それまで送信器として機能した変換器４
が次の期間ｔｓ中は受信器の機能を果たｔ１逆に受信器
の機能を果たしていた変換器５が同じ期間ｔｓ中は送信
器の機能を果たす、従って、変換器５から送出された超
音波パルスは同じ行程を逆方向の２０　、１９　、１７
及び１６の順に終了ｔ１受信器として低能している変換
器４によって検出される。５における超音波パルスの発
信と４における該超音波パルスの受信との間の所要時間
ｔ２−１がデータ処理用電子手段１４．１５によ゛って
測定される。従って期間Ｚｔｓ後に、データ処理用電子
手段１４．１５によって流体の循環速度Ｖ及び流体の流
量が時間Ｌ１−２及びｔ２−３の関数として計算される
。

母線槃、垂線９，１０及び超音波パルスの行程１６．１
７゜１９．２０は、導管１の軸線を通る同一平面内に存
在する。

また、データ処理用電子手段１５に接続された温度測定
ゾンデ１３から送出された電気信号は、該手段１５によ
って分析され、循環中の流体の密度及び／または固体分
濃度の決定に利用される。

第２具体例を（立面断面図で）示す第２図において、変
換器は導管に収容された流体と直接接触している。装置
は、前記同様の２つの傾斜プラットフォーム２，３を備
えた直径りの管部材から成る測定導管１とそれ自体が圧
電素子６．７から成る２つの送受信変換器４．５とを含
む。

２つのブラットフォ７ム２．３は、導管１の軸線に垂直
な平面に対して角度αだけ傾斜しており、送受信変換器
４．５を導管内の収容流木と直接接触させて対称位置に
設置し得る開口２１．２２を備える。

従って送受信変換器４．５は導管１の軸線に対する垂線
９．１０に対ｔ１て同じ角度αだけ傾斜している。

第１具体例と同様に、送受信変換器４．５は、一定間隔
ｔｓ（スイッチの２回の切換え間の経過時間）毎に２つ
の変換器４，５の送受信機能を交替させ得るスイッチ１
２を介してパルス発生器１１に接続されている。温度測
定ゾンデ１３は循環中の流体と直接接触して導管ｌに配
置されている。該ゾンデ１３は２つの変換器４，５と同
様にデータ処理用電子手段アセンブリ１４．１５に電気
接続されている。該アセンブリの機能は、受信した電気
信号を分析ｔ１該信号を流体の循環速度及び／または流
量、流体の密度及び／または固体分濃度及び流体の温度
のごとき応答要素に同時に変換することである。

上記装置を使用し以下の２段附から成る測定を行なう。

第１の期間中は、変換器４がスイッチ１２を介してパル
ス発生器１１に接続されており、その圧電手段６を介し
て、導管の軸線に対する垂線９に対して角度αを成す方
向１６に沿って超音波パルスを送出する。パルスは変換
器４と導管１の収容流体人する。流体内で、 Ｄ／ｓｉｎβ に等しい距離だけ進行した超音波パルスは、導管１の対
向母線にＨで到達し同じ角度βで全反射される０反射さ
れたパルス１９は流木内で同じ長さＤ／ｓｉｎβ の行程を終了すると、流体と変換器５との界面にＣで到
達し導管１の軸線に対する垂線１ｏに角度（χを成して
変換器５に進入する。

パルスは、受信器として機能するようにスイッヂ１２を
介してデータ処理用電子手段１４．１５に接続され受信
器として機能している変換器５の圧電手段７によって検
出される。行程１６，１７．１９及び２０を終了するた
めに４における発信と５における受信との間に超音波パ
ルスが要した時間ｔｌ−２がデータ処理用電子手段１４
．１５によって測定される。

時点ｔｓ後に、スイッチ１２がパルス発生器１１、デー
タ処理用電子手段１４　、１５及び変換器４．５の間の
電気接続を反転させ、それまで送信器として機能した変
換器４が次の期間ｔｓ中は受信器の機能を果たｔ１逆に
受信器の機能を果たしていた変換器５が同じ期間ｔｓ中
に送信器の機能を果たす。従って、変換器５から送出さ
れた超音波パルスは、同じ行程を逆方向に進路２０，１
９．１７及び１６の順に終了し１、受信器として機能し
ている変換器４によって検出される。５における超音波
パルスの送信と４における該超音波パルス受信との間の
所要時間ｔ２−１がデータ処理用電子手段１４．１５に
よって測定される。

従って期間Ｚｔｓ後にデータ処理用電子手段１４．１５
によ゛つて流体の循環速度Ｖ及び流量が時間Ｌ１−２及
びｔ２−３の関数として計算される。

母線８、垂線９，１ｏ及び超音波パルスの行程１６　、
１７　。

１９．２０は導管１の軸線を通る同一平面内に存在する
９まな、データ処理用電子手段１５に接続された温度測
定ゾンデ１３から送出された電気信号は該手段１５によ
って分析され、循環中の流体の密度及び／または固体分
濃度の決定に利用される。

第３具体例を（立面断面図で）示す第３図において、変
換器は流体収容導管と間接接触している。

装置は、直径りの管部材から成る測定導管１と、圧電素
子６．７及びシュー２３．２４を備えた２つの送受倍変
ｔａ器４．５とを含む。

シュー２３　、２４に一体的に結合された圧電素子６，
７から成る２つの送受信変換器４．５は導管１のＦＪ線
８の１つに装着されている。

２つのシュー２３．２４は導管の軸線に垂直な平面に対
して対称な位置に配置され、循環流体収容導管の壁と直
接接触しでいる。シュー２３．２４は、該シューが配置
された導管１の母線８に対する垂線９゜１０に対して角
度αだけ傾斜している。２つの変換器４，５は一定間隔
ｔｓ（スイッチの２回の切換え間の経過時間）毎に２つ
の変換器４．５の送受信機能を交替させ得るスイッチ１
２を介してパルス発生器１１に接続されている。

温度測定ゾンデ１３は循環中の流体と直接接触して導管
１に配置されている。該ゾンデ１３は２つの変換器４．
５と同様にデータ処理用電子手段アセンブリ１４．１５
に電気接続されている。該アセンブリの機能は受信ｔ１
た電気信号を分析ｔ１該信号を流体の循環速度及び／ま
たは流量、流体の密度及び／または固体分）農度及び流
体の温度のごとき応答要紫に同時に変換することである
。

上記装置を使用１−以下の２段階から成る測定を行なう
。第１の期間中は変換器４がスイッチ１２を介してパル
ス発生器１１に接続されており、その圧電手段６を介し
て超１波パルスを送出ｔ１該パルスは導管の軸線に対す
る垂線９に角度αを成す方向１６に沿ってシュー２３内
で伝播する。

パルスはシュー２３と導管１の外壁との界面にＡで到達
して屈折され（図示せず）、該導管の肉厚内で伝播ｔ１
導管１の内壁と収容流体との界面の接触点Ｂに到達して
ここで屈折され、測定導管の軸線に対する垂線に対して
屈折角βを成す方向１７に沿って流体に進入する。流体
内で、 Ｄ／ｓｉｎβ に等しい行程を終了した超音波パルスは、導管１の対向
母線にＨで到達しここで同じ角度βで全反射される０反
射されたパルス１９は、流体内で同じ長さ Ｄ／ｓｉｎβ の行程を終了すると流体と導管１の内壁との界面にＣで
到達し該導管の肉厚内で伝播する。次に超音波パルスは
導管１の外壁とシュー２４との界面の接触点Ｅに到達ｔ
１とこで導管１の母線８に対する垂線１０に対して角度
αで屈折される（図示せず）。

シュー２４内で方向２０に沿って伝播する超音波パルス
は、受信器として機能するようにスイッチ１２を介して
データ処理用電子手段１４．１５に接続されている変換
器５の圧電手段７によって検出される４行程１６，１７
．１９及び２０を終了するために４における送信と５に
おける受信との間に超音波パルスが要した時間ｔ１−２
がデータ処理用電子手段１４．１５によって測定される
。

時点ｔｓ後に、スイッチ１２がパルス発生器１１、デー
タ゛処理用電子手段１４．１５及び変換器４，５の間の
接続を反転させ、それまで送信器として機能していた変
換器４が次の期間ｔｓ中は受信器の機能を果たｔ１逆に
受信器の機能を果たしていた変換器５は同じ期間ｔｓ中
に送信器の機能を果たす。従って、変換器５から送出さ
れた超音波パルスは同じ行程を逆方向に２０．１９．１
７及び１６の順序で終了ｔ１受信器として機能している
変換器４によって検出される。５における送信と４にお
ける受信との間の超音波パルスの所要時間ｔ２−１がデ
ータ処理用電子手段１４．１５によって測定される。従
って期間ＺＬｓ後にデータ処理用電子手段１４．１５に
よって流体の循環速度■及び流量が時間Ｅ１−２及びｔ
２−１の関数として計算される。

母線Ｐ、垂線９．１０及び超音波パルスの行程１６．１
７゜１９．２０は導管１の軸線を通る同一平面内に存在
する。

また、データ処理用電子手段１５に接続された温度測定
ゾンデ１３から送出された電気信号は該手段１５によっ
て分析され、循環中の流体の密度及び／または固体分濃
度の決定に利用される。

第４具体例を（立面断面図で）示す第４図において、変
換器は測定導管に収容された流体と間接接触している。

装置は、（直径りの管部材から成る）測定導管１と、圧
電素子６，７及びシュー２３．２４を備えた２つの送受
信変換器４．５とを含む。

２つの送受信変換Ｂ４．５は夫々のシュー２３．２４を
介して導管１の母線２５に装着されている。２つのシュ
ー２３．２４は導管の軸線に垂直な平面に対して対称な
位置な配置され、導管の壁に設けられた開口２６．２７
に配置され導管１の内部循環流体と直接接触状態に維持
されている。

流体と接触したシューの表面は、乱流、新しい水頭損失
及び懸濁液中に存在する固体“分の保持ゾーンが完全に
消滅するような形状に設計されている。

シュー２３．２４は、該シューが装着された導管１の母
線２５に対する垂線９．１０に対して角度αだけ傾斜し
ている。２つの変換器４．５は一定間隔ｔｓ（スイッチ
の２回の切換え間の経過時間）毎に２つの変換器４．５
の送受信機能を交替させるスイッチ１２を介してパルス
発生器１１に接続されている。

温度測定ゾンデ１３は循環中の流体と直接接触して導管
１に配置されている。該ゾンデ１３は２つの変換器４．
５と同様に、゛データ処理用電子手段アセンブリ１４．
１５に電気接続されている。該アセンブリの機能は、受
信した電気信号を分析し該信号を流体の循環速度及び／
または流量、流体の密度及び／または固体分濃度及び流
体の温度のごとき応答要素に同時に変換することである
。

上記装置を使用して以下の２段階から成る測定を行なう
、第１の期間中は変換器４がスイッチ１２を介してパル
ス発生器１１に接続されており、その圧電手段６を介し
て超音波パルスを送出ｔ１該超音波パルスはシュー装着
導管の母線２５に対する垂線９に対して角度αを成す方
向１６に沿ってシュー２３内で伝播する。

超音波パルスはシュー２３と流体との接触点Ｂで屈折さ
れ、測定導管の母線２５に対する垂線９に対して屈折角
βを成す方向１７に沿って流体に進入する。流体内で Ｄ／ｓｉ口β に等しい行程を終了した超音波パルスは、導管１の対向
母線１８に到達しここで同じ角度βで全反射される。反
射されたパルス１９は、流体内で同じ長さ Ｄ／ｓｉｎβ の行程を終了すると、流体と変換器５のシュー２４との
界面にＣで到達ｔ１該界面で屈折され、母線２５に対す
る垂線１０に対して角度αを成す方向２０に沿ってシュ
ー２４に進入する。シュー２４内で伝播する超音波パル
スは、受信器として機能するようにスイッチ１２を介し
てデータ処理用電子手段１４．１５に接続されている変
換器５の圧電手段７によって検出される。

行程１６　、１７　、１９及び２０を終了するために４
における送信と５における受信との間に超音波パルスが
要した時間ｔ、−２がデータ処理用電子手段１４．１５
によって測定される。

時点ｔｓ後に、スイッチ１２がパルス発生器１１．デー
タ処理用電子手段！４．１５及び変換器４．５の間の接
続を反転させ、それまで送信器として低能した変換器４
が次の期間Ｌｓ中は受信器の機能を果たｔ１逆に受信器
の機能を果たしていた変換器５は同じ期間Ｌｓ中に送信
器の機能を果たす、従って、変換器５から送出された超
音波パルスは同じ行程を逆方向に２０．１９．１７及び
１６の順序で終了ｔ１受信器として機能している変換器
４によって検出される。５における送信と４における受
信との間の超音波パルスの所要時間ｔ２−１がデータ処
理用電子手段１４゜１５によって測定される。従って期
間２　ｔ　ｓ　ｆｌにデータ処理用電子手段１４．１５
によって流体の′Ｗｉ環速度Ｖ及び流体の流量が時間ｔ
ｌ−２及びｔ２−１の関数として計算される。

母線２５、垂線９．１０及びパルスの行程１６　、１７
　、１９．２０は導ｇ１の軸線を通る同一平面内に存在
する。

また、データ処理用電子手段１５に接続された温度測定
ゾンデ１３から送出された電気信号は、該手段１５によ
って分析され、循環中の流体の密度及び／または固体分
濃度の決定に利用される。

第５図は、送信から受信までの間に測定導管１の壁で３
回全反射される超音波パルスのジグザグ行程を示す。。

第４図と同じ装置が使用されているが、変換器５によっ
て検出される前に超音波パルスが３回全反射されるよう
に（母線２５の■で１回、母線１８のＨ及びＪで夫々１
回ずつ）、２つの変換器４．５間の前記に規定した間隔
りが２Ｄ、ｔｇβに等しい長さだけ延長されている。進
路１６．１７，１９，２８．２９及び２０に従ってパル
スが終了する行程は、第４図に示す進路に沿ったパルス
の行程よりもパルスの各伝播方向で２Ｄ　／ｓｉｎβ に等しい長さだけ延長されており、この結果、時間［１
−２及びｔ２−、の測定誤差が小さくなり、このため流
体循環速度Ｖの測定精度が向上する。

第６図は、循環流体の密度ｄ、及び／または固体分′濃
度１１１ｓの決定に役立つグラフの概略図である。

この三次元グラフは対応する３つの座標軸に基づき、第
１８標軸は循環流体の温度Ｔを示ｔ１第２座標軸は超音
波パルスの平均行程時間 １、、＋１．−２ を示ｔ１第３座標軸は流体の密度及び／または固体分濃
度ｍｓを示す、グラフの曲面Ｓは、後でコントロールす
べき流体の対照サンプルに対してできるだけ広い範囲で
予め行なった３つのパラメータ、即ちＴ及び １　　　　＋１ 及びｄ及び／または固体分濃度ｍｓの実験的測定値がら
作成される。前記表面のすべての点において、鎖点に関
して流体の状態を特性化する３つのパラメータ、即ちＴ
及び １、、＋　１．−２ 及びｄ（及び／または＋ｎｓ）を決定し得る。工業利用
の場合には、２つのパラメータの値を決定すれば第３の
パラメータはグラフから抽出できる。一般的に、本発明
装置による測定対象となるパラメータＴ及び ｔ２−１＋ｔｌ−２ は、第３パラメータｄ（及び／まなはｍｓ）を決定し得
る系の２つの変数を構成する０表面Ｓを特性化し得る数
学的データは多重回帰（ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ　＋ｎｕ
ｌｔｉ−ｐｌｃ）によって作成され、データ処理用電子
手段１４゜１５に導入されるので、第６図のグラフは装
置の目に見える要素を構成するのでなく、ｄ（及び／ま
たはτｎｓ）の値の決定に関与する計算データの作成に
使用される。

本発明の提供する可能性をより詳細に示すために、第５
図の測定装置の使用例を以下に示す。

直径６０「１の測定導管を使用ｔ１ＣａＣ０１の水性懸
温液を通した。該懸ｉＴｉ液中の粒子は以下の粒度分布
を有していた。

９９％〈５μｍ ９０％く２μＭ ５０％〈１μｍ １０％〈０．２μｍ 流体循環速度を５ｍ／秒にした。導管は送信器及び受信
器の機能を交互に果たす２つの変換器を備えていた。流
体内で伝播する超音波パルスは好ましくはＩＭｔｈの周
波数で送出された。変換器が装着された導管の母線に対
する垂線に対して２つの変換器の傾斜角度αは５０”に
等しい、また該変換器はポリイミドのごときポリマー材
料から晟るシューを備えていた。超音波パルスは流体を
横断し導管上で３回全反射された。２つの変換器間の問
語は１４４ｍ５であった。これらの条件で屈折角βは約
３０９であった。懸濁液中のパルスの行程は約２８０ｍ
ｍであり、測定された行程時間の差Δｔ−，ｔ　：　−
＋　　Ｌ　ｌ−２は流体循環速度５　ｍ　７秒のとき９
２４ナノ秒であった。

行程時間は１０ナノ秒なので測定誤差は１％未満である
。

本発明の装置及び方法は液体及び／または懸濁液のごと
き多様な流体に使用できる。可能な用途として特に、ワ
イン、牛乳、チョコレートのごとき食料品、炭酸カルシ
ウム、カオリン、石膏のごとき鉱物懸濁液、油、炭化水
素のごとき高温で循環し得る粘性流体、水銀、ナトリウ
ム、スズのごとき液体金属、単独もしくは混合した溶融
塩がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の第１具体例の立面断面図、第２図
は本発明装置の第２具体例の立面断面図。 第３図は本発明装置の第３具体例の立面断面図、第４図
は本発明装置の第４具体例の立面断面図、第５図は本発
明装置の第５具体例の立面断面図、第６図は循環流体の
密度ｄ及び／または固体分濃度ｌｌｌ５を決定すべく使
用し得るグラフの概略図である。 １・・・・・・導管、４，５・・・・・・変換器、６．
７・・・・・・圧電素子、２３．２４・・・・・・シュ
ー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）内部で流体が循環する測定導管と、 超音波源に接続され導管と接触しているかまたは該導管
   内の流体と接触しており、交互に送信器−受信器及び受
   信器−送信器として機能し、導管の同一母線上で互いに
   対称な位置に入射角αに沿つて斜めに配置された２つの
   変換器であって、超音波が流体中で屈折角βに沿って伝
   播し前記２つの変換器が配置された導管壁の反対側の導
   管壁で少なくとも１回全反射されてから受信変換器によ
   って検出され、前記２つの角度α及びβが導管の軸線に
   垂直な平面に対して規定されているような２つの変換器
   と、 導管上に配置され流体と直接接触している温度測定ゾン
   デと、 ２つの変換器のアセンブリと温度測定ゾンデとに結合さ
   れており、電気信号の形態で伝送された情報の管理を確
   保するデータ処理用電子手段とを含むことを特徴とする
   液状またはペースト状の流体の密度、固体分濃度、流速
   、流量及び温度を該流体中で伝播する超音波伝送によっ
   て同時に測定する装置。 （２）導管が、スチール、アルミニウム及び合金、ガラ
   ス、ポリマー材料から成るグループから選択された材料
   の１種から製造され得ることを特徴とする請求項１に記
   載の装置。（３）変換器を入射角αに沿って流体収容導
   管に直接接触させて配置するために、前記導管が２つの
   プラットフォームから形成された適応幾何学的形を備え
   ることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。 （４）入射角αに沿って変換器を傾斜させ得るプラット
   フォームの各々が、変換器を収容流体に直接接触させ得
   る開口を備えることを特徴とする請求項３に記載の装置
   。 （５）変換器を入射角αに沿って測定導管に間接接触さ
   せて配置するために、変換器と導管との間にシューが挿
   入されていることを特徴とする請求項１または２に記載
   の装置。 （６）測定導管が、測定すべき流体に直接接触するシュ
   ーを介して変換器と該流体とを間接接触させ得る開口を
   備えることを特徴とする請求項５に記載の装置。 （７）シューがポリマー材料、好ましくはポリイミドか
   ら成ることを特徴とする請求項５または６に記載の装置
   。 （８）屈折角βが少なくとも２８°に等しいことを特徴
   とする請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。 （９）導管の軸線に垂直な平面に対する変換器の軸線の
   傾斜角度に一致する入射角αが式、 ｓｉｎα＝（ｃ）／（Ｃｓ）ｓｉｎβ 〔Ｃｓは流体中の超音波の伝播速度、ｃはシュー内もし
   くは導管壁内の超音波の伝播速度であり、変換器が導管
   に収容された流体に直接接触している場合にはｃがＣｓ
   に等しい〕で示されることを特徴とする請求項１から８
   のいずれか一項に記載の装置。 （１０）２つの超音波ビームの２つの中心、即ち流体に
   入る超音波ビームの中心と全反射後に流体から出る超音
   波ビームの中心とから測定された２つの送受信変換器間
   の距離Ｌは式、 Ｌ＝２ｎＤｔｇβ 〔ｎの値は１以上の整数でよく、導管壁における所望の
   全反射回数に従って好ましくは１〜５の値から選択され
   、Ｄは導管の直径である〕で示されることを特徴とする
   請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。 （１１）１つの期間中に流体中で上流から下流に伝播す
   る超音波を導管の軸線に垂直な平面に対して角度βで送
   信変換器から送出し、該超音波が前記送信変換器の下流
   で該送信変換器と同一母線上に配置された受信変換器に
   よって検出される前に、前記送信変換器が配置された母
   線に対向する母線で前記超音波を好ましくは少なくとも
   １回全反射させ、 超音波が送信と受信との間に要した行程時間ｔ＿１＿−
   ＿２を測定し、 次の期間中に２つの変換器の役割を逆転させ、同じ角度
   βで送信変換器から受信変換器に流体循環方向の逆方向
   で伝播する超音波を送出し、該超音波が送信から受信ま
   でに要した行程時間ｔ＿２＿−＿１を測定し、 同時に、前記流体に直接接触して導管上に配置された温
   度測定ゾンデを用いて流体の温度Ｔを測定し、 一方で流体の循環速度Ｖ、他方で循環中の流体の密度及
   び／または固体分濃度の値を決定し得るコンピュータで
   測定値ｔ＿１＿−＿２、ｔ＿２＿−＿１及びＶの値を処
   理する段階を含むことを特徴とする請求項１から１０の
   いずれか一項に記載の装置の使用方法。 （１２）後で本発明装置を用いてコントロールすべき流
   体の対照サンプル、即ち既知の性質、組成、密度ｄ及び
   ／または固体分濃度ｍｓ、温度Ｔ、超音波伝送の平均行
   程時間 （ｔ＿２＿−＿１＋ｔ＿１＿−＿２）／（２）を有する
   サンプルの測定値に基づいて、 流体温度Ｔ、 平均行程時間 （ｔ＿２＿−＿１＋ｔ＿１＿−＿２） 密度ｄまたは固体分濃度ｍｓ に関する軸を有する三次元図を作成し、前記三次元図は
   ３つのパラメータ、Ｔ及び （ｔ＿２＿−＿１＋ｔ＿１＿−＿２）／（２）及びｄ、
   及び／またはＴ及び （ｔ＿２＿−＿１＋ｔ＿１＿−＿２）／（２）及びｍｓ
   から計算された回帰面の数学的設定によって作成され、
   未知の組成の同じ性質の流体に関して、３つのパラメー
   タのうちの２つのパラメータの実験的測定値に基づいた
   コンピュータ処理を行なうことによって、測定導管内で
   循環中の流体の第３パラメータの値を決定し得ることを
   特徴とする請求項１１に記載の方法。 （１３）測定導管内の循環流体に送信変換器によって送
   出される超音波が周波数１ＭＨｚで送出されることを特
   徴とする請求項１１に記載の方法。