JPH0373823A - 改善されたねじり波動流体センサおよび装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、流体と接触して配置されたセンサ導波手段に
沿った波動エネルギーの伝播、特にセンサにおけるねじ
り（トーショナル、ｔｏｒｓ　ｉｎａ　１ｗａｖｅ）波
動エネルギーの伝播、による流体特性の測定を行う装置
に関するものである。

［従来の技術］ この種の装置では、導波エネルギーと流体との相互作用
はセンサに沿う伝播速度の低下を生じ、その結果、空気
または真空中のセンサでの基準時間と比較しての波動の
飛行時間の変化は、センサと接触している流体の特性を
指示する。流体の組成、容器形態およびセンサ特性のう
ちの一つまたはそれ以上のものが知られている特定の場
合には、飛行時間の測定は、流体の存在や流体の深さや
流体の密度または流体温度などの流体の特性の指示を与
えることが可能である。ねじり波動流体感知動作を行う
ための可能な変換器ないしトランスジューサおよびセン
サ構成およびシステム構成の包括的な叙述が、発明者の
ローレンス・シー・リンワースの米国特許第４．１９３
．２９１号に記載されている０本特許明細書は、ねじり
波動が伝播せられる断面が非円形の本体を有するセンサ
を採用する種々の構成を示しそして飛行時間の遅れが実
質的に流体密度の直線的関数である断面が矩形のストリ
ップ状のものなどいくつかの例を開示する。

囲包流体中に浸漬された導波手段でのねじり波動エネル
ギーの伝播に対する影響を増大するために、比較的大き
なアスペクト比の非円形センサを使用するという考えは
、流体によって生ずる飛行時間遅れの大幅な増加それゆ
え流体密度の変動に対するセンサの感度の増大という展
望を与える。

しかし、センサー流体間の相互作用に関する良好な理論
的モデルがないことおよび密度や粘性やセンサ形態での
波動の振る舞い（グイナミクス）の複雑な相互依存性は
、ねじり波動センサの実用上の応用を制限してきた。

最近になって、発明者エイチ・エイチ・バラがねじり波
動伝播の理論を発表した（１９８６年１２月発行の雑誌
Ｊ、　Ａｐｐｌ、　Ｍｅｃｈ、の第１０８巻におけるｒ
Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ　Ｗａｖｅ　５ｅｎｓｏｒ　−Ａ　
ＴｈｅｏｒｙＪと標題の付された論文）、この理論は、
任意の非粘性流体でのあるセンサ断面に関する波動伝播
のクローズド形式の近似を得るために適用され、そして
これらの結果は、この種の流体で矩形形状のセンサを使
用して得られたリンワースの先の実験結果と比較され、
この理論の正当性が確認された。上記の論文は、断面が
楕円形および矩形のセンサを取扱い、これに関し、数学
的な解法が上記文献の結果から誘導できる。このように
、理論は、それが種々のセンサ断面と結合する流体の数
値分析に着手するための基礎を提供するという点で、セ
ンサー流体間の相互作用の分析に向けられる最初の段階
である。この種の解析は粘度が無視できる場合に、流体
密度に対する感度を最適なものとするのに役立つことが
期待できる。

［本発明の目的］ 本発明の目的は、流体特性に応答するのに最適化された
ねじり波動センサを提供することである。

本発明の他の目的は、複数の種々のねじり波動センサが
選択的に種々の特性に応答する流体特性のねじり波動感
知動作を行うシステムを提供するすることである。

本発明の他の目的は、ねじり波動センサアッセンブリが
、流体特性を正確に検出するためにある物理的配列で装
着されるが、ねじり波動センサアッセンブリを装着しそ
してこれを動作するのに少数の物理開口部または電気接
続しか必要としない装置を提供することである。

本発明の別の目的は、ねじり波動センサアッセンブリが
信号分離が高められそして信号処理分解能が改善される
配置形態を有した装置を提供することである。

上記の所望される目的およびそのほかの目的のうちの一
つまたはそれ以上のものが、センサ本体が少くとも部分
的に流体に浸漬せられそしてねじり波動エネルギーの伝
播が囲包流体に応答するところのある断面を有するセン
サで得られる。すなわち、囲包流体は主として単一の流
体特性に依存した仕方で波動伝播に影響を与える。一実
施例において、センサ本体は、流体密度に応答する形状
と非円形の断面を有する。ダイヤモンド形、多角形およ
び側部湾曲形の実施例が開示される。別の実施例では、
センサ本体は断面がほぼ円形でありそして流体の粘度に
応答する。この実施例は粘性結合を強化するために好ま
しくは、ねじ山が切られるか、起伏するか、半径方向に
ひれ付きとされるか、部分的に不均一な（フラクタル、
ｆｒａｃｔａｌ）形状かまたは粗面形状を備えてもよい
。

一つのシステムが、一つの流体特性について選択的な感
度を有するねじり波動センサおよび少くとも一つの追加
のセンサを使用する。追加のセンサは別の特性に応答す
るねじり波動センサでもよくまた流体の深さ、温度また
は伝播速度のような関連の物理的パラメーターを検出す
る従来のセンサのような異なる形式のセンサでもよい、
一つの好ましいシステムでは、２つのねじり波動センサ
が、一つの賦形断面の第１のセンサ本体部分がこれとは
異なる賦形断面の第２のセンサ本体部分に結合されて、
単一のユニットとして組み立てられる。共通の変換手段
が、両方の本体部分を伝播するねじり波動を提供する。

粘性値が一方のセンサにより感知されそして他方のセン
サによって感知される密度値を修正するために利用され
、こうして、実在流体のより広範な範囲の測定の強化が
提供される。これらの流体には、比較的に非粘性の流体
そしてより一般的にはニュートン型そして非ニユートン
型の両方の型の粘性の液体など種々の性質の粘弾性流体
が含まれる。

［好ましい実施例の詳細な説明］ 鉦見ユ盈豊土２土 本発明の説明を行う前に、一般的な背景として、ねじり
波動発生および感知動作の簡単な説明をまず行う、第１
図および第２図は２つの従来技術の装置を図示しここで
センサｌが流体中に浸漬された矩形の感知本体１０を備
えそして感知本体１０、は囲包流体に依存したある態様
で変化する速度で感知本体１０を伝播するねじり波動を
誘導するために一端部が賦活される。

第１図において、ねじり波動は、センサ本体１０に軸線
方向に装着されたリードイン型励起ロッド部材１２を伝
播するねじり波動によって与えられ、そして同じロッド
部材が、センサ本体の末端部２０からねじり波動のエコ
ーないし反響を伝播するのに使用される。リードイン型
ロッド部材１２は、パルス発生装置／受信装置および間
隔調整装置（インターバロメータ）の組合せ機器などの
電子機器１８へ装着されるコイル部材１６によって包囲
された磁歪ロッド部材１４から成るねじり波動発生／セ
ンサアッセンブリへ接続される。連続またはパルス化直
流電流が、磁歪ロッド部材１４の円周方向磁界を維持す
るために、磁歪ロッド部材１４に沿って長手方向に通電
され、そして電流パルスがコイル部材１６へ印加され、
時間変化する軸線方向磁界が形成せられるようにし、時
間変化する軸線方向の磁界が、円周方向磁界と相互作用
を行いねじり力が磁歪ロッド部材１４に課され、ねじり
インパルス（衝撃）が発生する。これは、ウィーブマン
（Ｗｉｅｄｅｍａｎｎ）　効果として知られる。同様に
、ロッド部材１２に沿って磁歪ロッド部材１４へ戻され
るねじりエコーは、コイル部材１６に起電パルスを誘導
しく「逆つィーデマン効果Ｊ）、戻り波動の検出が可能
である。第１図は、センサ本体１０の頂面１５およびセ
ンサ本体の底面２０から受信されるそれぞれの励起器パ
ルスのエコーＡ、Ｂに対応する電気信号の記録を図示す
る。２つのエコー間の期間ｔＡ６は賦形されたセンサ本
体でのねじり波動の飛行時間である。

第２図は、ねじり波動センサ本体１０を励起しそして感
知する代替え構成を有する別の従来技術の変換手段２を
図示する。この構成では、リードイン型ロッド部材２２
が波動エネルギーなセンサ本体１０の一方の端部に与え
そしてリードアウト型ロッド部材２４が他方の端部に現
われる波動エネルギーを導く、各リードイン型ロッド部
材２２およびリードアウト型ロッド部材２４は、それぞ
れのセンサ本体の端部の縁部に接続部を有する。

この構成では、各ロッド部材が伸縮波動を伝播し、これ
は、ロッド部材とセンサ本体との間の接続部を通過する
際に、ねじり波動へまたはねじり波動から変換される。

この場合、ロッド部材の周囲の簡単なコイル部材１６が
、ロッド部材に伸縮波動を発生するかまたはロッド部材
の伸縮波動をある電気信号に変換する。

第１図および第２図の励起機構１２．１４．１６および
２２．２４．２６は、ねじり波動をセンサ本体に与える
のに都合のよい変換手段の例である。この種の波動は、
適当な圧電変換部材によって生成してもよくまた適当な
構造物へ与えられるレーザーパルスにより光学的に起動
可能である。任意のこの種のねじり波動変換手段または
適当な導波特性を有するこれとは別の知られている変換
手段が使用可能であるであることは上述の説明で理解さ
れよう。

上記の２つの構造物は、流体中でねじり波動の伝播を行
うための導波手段として供される断面が矩形のストリッ
プ状の形態のセンサ本体を使用する。本発明者のリンツ
ースにより報告された以前の調査によって、一定の流体
について飛行時間の関数として流体密度を検出を行うの
に、この種のねじり波動センサの実行可能性および感度
の強化が立証された６本発明者のバラの上述の以前の調
査報告は、センサ断面が２次元運動のみ誘導する非粘性
流体について、センサ断面に依存する複数の定数、すな
わち、センサの極性慣性モーメントＩｆと流体の見掛け
の慣性Ｉｆと定数Ｋ（＝ＪＤ／１．　、ここでＤはセン
サのねじり剛性である）とを含む流体の密度の関数に波
動速度を関連付ける理論的近似法を説明する。

本発明者は、ほぼ以下に示されるような、ねじりガイド
波動伝播に対し流体によって誘導される影響の別の理論
的な解析法を開発した。

星−羞 液体中に浸漬された均等断面を持つ導波手段を伝播する
ねじり応力波動を考える。ねじり波動が導波手段を伝播
するに応じて、中央体と液体との界面は交互に加速およ
び減速せられる。結果的に、ねじりパルス（波動）によ
り克服される必要のある慣性は、中央導波手段の慣性（
１，）および近傍の液体の見掛は慣性（Ｉｒ）の組合せ
である。１次の近似に対して（バラ、１９８６年）、ね
じり波動速度（Ｃ）は以下の式から計算できる。

ここで、Ｇは中央体の剪断弾性率であり、Ｋ＝７Ｄ／１
．でありモしてＤはねじり剛性である。実験において、
本発明者はねじり応力波動の飛行時間を測定した。それ
で、見掛けの慣性の飛行時間に対する影響についての表
現を導出することが所望される。ｔｏおよびｔがそれぞ
れ、真空中の飛行時間についての良好な近似であると考
えられる空気中の飛行時間および同様の温度での液体中
の飛行時間を表すものとする。Ｄｔ（＝ｔ−ｔｏ）は液
体中に浸漬された導波手段での波動の伝送時間と空気中
での導波手段の波動の伝送時間の差を表す０式（１）か
ら良好な近似で、 が得られる。

導波手段が非円形の断面を有する場合、流体の通勤は、
圧力基および抵抗力の発生を経て誘導される。圧力基は
、液体の正規速度成分を誘導する中央体の面の運動によ
って発生される。抵抗力は粘性の影響から生ずる。それ
で、流体の見掛けの慣性（Ｉｒ）は、これら２つの影響
の組合せから生ずると考えられる。我々は、見掛けの慣
性への非粘性寄与分および粘性寄与分をそれぞれ、Ｉｆ
、ｌ　　　Ｉｆ、ｖとして表す、すなわち、Ｉｆ　＝Ｉ
ｆ、＊　＋Ｉｆ、ｖである６種々のアスペクト比の矩形
断面およびだ円断面について非粘性慣性だけがバラ（１
９８６年）の論文で計算されている。

本発明者のキムおよびバラは、引き続き別の断面につい
て非粘性慣性を計算した（発行せず）。

圧力によって誘導される流れ場の大きさは、導波手段の
断面の大きさと同じオーダーの大きさであり、それゆえ
、Ｉｒ、＋はＣＩＩ−（ここで、ＣＩはオーダー１の定
数である）によって近似可能であるａＣ＋は、断面の配
置およびアスペクト比に依存する。たとえば、アスペク
ト比が３．３の矩形断面についてＣＩは１．０８２であ
る。抵抗誘導形流れ場の大きさは粘性境界層の厚さに匹
敵できる。ニュートン流体で、粘性境界層の厚さはオー
ダー（υ／ω）１″の厚さである（ここで、υ（＝μ／
Ｐｆ）は運動拡散係数であり、モしてωは波動の周波数
である）、シたがって、Ｉｆ、Ｖは約Ｃｍ　Ｉｓ　　（
ｖ／ωａ”　）””　　（ここで、ａは断面の特性寸法
でありＣ２は配置に依存する定数）である。

本発明者はＣ２を経験的に認定した。たとえば、水中お
よびグリセリン中で、室温にて周波数ωが５０ｋＨｚで
動作するアスペクト比が３．３でａが０．００５ｍの矩
形の導波手段について、（υ／ωａ２）ｌ／２はそれぞ
れ、約２Ｘ１０−’および２Ｘ１０−”の値である０本
発明者は、後者の場合でさえ、粘性の影響は流体誘導形
慣性（１１）に１０％以下しか寄与しないことを見出し
た。こうして多くの場合、粘性寄与分は相当に小さい。

上記解析によれば、矩形断面センサについての流体の見
掛けの慣性は、 と表すことができる。

他方、導波手段の断面が円形の場合、抵抗誘導形の見掛
けの慣性だけが（すなわち、Ｃ１が０）ある、断面半径
がａの導波手段について一つの近似がワイ・ワンプ（Ｙ
−Ｗａｎｇ）によって（ペンシルバニア大学修士論文（
発行せず））、以下のように導出された。

定数ＣＩおよびＣｍは任意の所与のセンサについて固定
されそしてそれらの定数は近傍の液体に依存しない。

上述の説明から、たとえば断面が円形および非円形（た
とえば矩形）の導波手段でＩｆの実質的に一つの成分だ
けに各々感応性の２つの異なる導波手段で測定されるね
じり波動の飛行時間から、センサが浸漬される流体の密
度（ρｆ）および粘度（μ）の両方が得られることにな
る。

え生立皇１速男 上述の理論的な考察から、本発明者は、３つの一般的な
りラスで特長付けられる実用的な実施例を開発した。第
１には、非粘性結合現象を介して流体に主にまたは強く
結合されるある断面を持ったねじり波動案内センサ本体
を有する複数のセンサがある。本発明者がコンピュータ
ーシミュレーションによる解析によって見出されそして
実験により確認されたこの種の断面の一つがダイヤモン
ド形（菱形）の断面であり、これは、発明者が、以前の
知られているねじり波動センサよりも際立って優れるρ
、感度を呈示することが見出された。第２には、見掛け
の慣性の粘性成分Ｉｆ、ｖにのみ応答するよう最適化さ
れるセンサ本体断面がある。これらは、実質的に円形の
断面を有し、特に、ねじ山が切られるか、起伏するか、
半径方向にひれ付けられるか、粗面かまたは部分的に不
均一に強化された流体接触面を有するものである。

第３には、少なくとも一つのねじり波動Ｉｆ成分応答セ
ンサを使用する装置がある。ρまたは粘性のいずれにも
強くそして主要に応答する最適化されたねじり波動導波
センサが以後簡単に密度センサおよび粘性センサと通常
に呼ばれる。これらの装置には、各タイプのセンサを一
つを備えた装置が含まれ、粘性センサが密度センサに低
次の修正項を密度センサに提供しまたはその反対も行な
われる。企図される装置にはまたねじり波動導波密度セ
ンサまたは粘性センサが、サーミスタや流体通過時間変
換器装置などの完全に別のそして可能な従来の感知部材
から検出される温度や流体深さ測定値などの測定値によ
り修正を受ける装置が含まれる。

非ニユートン流体について、本発明はさらに、有効自由
流れ粘性を認定するために、局所的に感知される粘性測
定値が流速測定値とともに経験的に修正される装置を企
図するものである。なお、流体密度ρ、粘性ηおよび流
速Ｖが直径がＤのコンジットで認定される場合、本発明
は、レイノルズ数ＲｅをρＶＤ／ηとして計算する装置
を企図するものである。別の装置が、温度の直接測定を
導き出すために、センサ本体を移動するエネルギーの延
長方向波動成分を使用するものである。

図面には、本発明による密度および粘性センサが、現在
好ましい特定のセンサ実施例にしたがって、ダイヤモン
ド形またはねじ山が切られたシリンダー状の部分を有す
るセンサとして例示されている。しかし、本発明者のバ
ラの理論および流体−センサねしり波動結合の実用的な
シミュレーションに従って、別の断面輪郭が本発明の技
術思想内に包含されることに注意されたい、これらの輪
郭には、中空のダイヤモンド形状などの合成ないし複合
断面が含まれる。センサの密度は均等である必要はない
ことを理解されたい、たとえば、金またはテフロンなど
の被着防止形または腐食防止形のコーティングが企図さ
れそしてセンサはセンサの軸線からの半径方向の距離の
関数として段階的にまたは連続的そして単調に減少する
密度を呈していてもよい。なお、密度感応性の高いダイ
ヤモンド輪郭の種々のものが企図される。たとえば、直
線性でなくくぼんだ側部な有するダイヤモンド輪郭のセ
ンサを形成することにより、いくつかの動作条件で、よ
り小さな慣性の極性モーメントが実現されそして感度の
増加が期待される。

般に、基本となるダイヤモンド輪郭の種々のものがここ
では「ダイヤモンド様」部分と呼ばれる。

第３Ａ図は、流体の粘性を感知するのに適当とされる断
面形状およびアスペクト比を備えたセンサ本体を有する
本発明による粘性センサ１０１を図示する。リードイン
形ロッド部材１２がセンサ本体へ伝播するねじり波動入
力を提供し、ロッド部材１２とセンサ本体の頂面または
縁部２０１ａとの接続部Ｊでエコーをそして底面２０１
ｂで別のエコーが発生される。励起コイル１６で検出さ
れるトレース信号は、センサ本体の波動の端部−端部間
伝搬ないし飛行時間の２倍に等しいエコー間隔時間ｔＡ
８で、２つの対応するエコー信号Ａ、Ｂを含む、コイル
部材１６は、ただ一つの所要の電線ないし活線が電子信
号処理回路系へ延長するよう、ロッド１２にアース可能
である。

なお、例示の磁歪変換手段の替わりに、圧電部材が、所
望の動作周波数で適当なモードを励起するのに使用可能
である。センサ本体は、正規運動成分がゼロの薄い円形
の円筒状殻部材として形成され、そのため何らＩｆ、ｌ
結合がない、この信号軌跡から、信号のプロセッシング
の前方端および従来の設計の計算プロセッサが、式（２
）、（４）および測定されたｔＡｌｌを使用して流体の
粘性を計算する。

本発明者の発明の一つの態様によれば、粘性センサが、
その感知動作距離に沿う各点が円形の断面を有するが、
流体との粘性相互作用を増加させる表面帯域を有する。

これは、ねじ山が切られた流体接触面を持つことによっ
て実現可能であり、これはセンサインピーダンスを不利
な方向に変更することなく、２段またはそれ以上の層に
よって、流体接触面を増加させることが可能である。

代替え的に、好ましくは流体の剪断層厚さよりも小さな
表面の特徴ある大きさを有する均等に粗い面またはフラ
クタル面が使用可能である。これら各実施例で、センサ
を伝搬するねじり波動の振幅は流体と接触状態のセンサ
の長尺部に沿って単調に減少する。

第３Ｂ図は、本発明者が、流体密度センサとして特に適
当であると見出された断面がダイヤモンド形のねじり波
動ガイドセンサ本体２０２を有する本発明による第２の
センサである。この場合、ガイド手段のねじり運動と囲
包流体との相互作用により、飛行時間ｔＡ’６・が大幅
に長くなる。飛行時間ｔａ’１は式（２）および（３〉
を使用して、非粘性流体の場合の流体密度ρ、の直接測
定値を生ずる。別の流体について、粘性寄与分は、第３
Ａ図のような粘性センサにより与えられる粘性測定を使
用して修正可能である。本発明者は、３に近いアスペク
ト比を有するセンサがフライス削り、直線化およびアニ
ール処理の前の丸削りまたは多大の引き伸ばし処理によ
り容易に形成されることが分かった。

第３Ｃ図は、本発明による現在好ましいセンサの実施例
１１０を図示し、単一のセンサ本体が、共通のリードイ
ン形ロッド部材１２により与えられる波動の波動ガイド
手段として供される異なる断面の２つの部分ｌｌ１％　
１１２を有する。図示されるように、第１の部分は、第
３Ａ図のセンサ本体と同様であるがその外面に沿ってね
じ山が切られている薄肉の円筒状の殻（容器）である。

この構成は、第３Ａ図の簡単な円筒部材の面積を越えて
面積を増加させ、流体の粘性に対する感度を増加させる
とともに、本体Ｉｌｌの長さに沿って一定のインピーダ
ンスを呈示し、その結果ねじり波動は散乱されずまたは
減衰されない。センサ１１０の第２の部分１１２は、第
３Ｂ図の本体１０２のように、断面がダイヤモンド形の
センサ本体である。

この実施例では、単一のコイル部材１６が２つの区別で
きる時間遅れ測定値ｔＡｈ　ｔａｃを提供する３つのエ
コーＡ、Ｂ、Ｃを感知する。センサ本体部の直接の粘性
および密度依存性のゆえに、これら２つの期間は流体の
粘性および密度を解明し、これら流体の特性の関数であ
る物理的な性質を計算するために交差環を修正するのに
十分な情報を提供する。第３Ａ図〜第３Ｃ図の構成は、
有利なことには装着を行なうためにコンジットに単一の
リードイン開口しか必要としない。

本発明は、別の粘性感応性断面輪郭物がセンサ本体１１
１について置き替えられ、そして別の密度感応性輪郭物
がセンサ本体１１２について置き替えられることを企図
するものである。さらに、２つの本体部分の順序を逆に
することも可能である。約１００ｋＨｚの周波数帯域で
、波動反射および伝送が適当なレベルで、ねじり波動の
適当な結合（カップリング）を得るために、例えば、セ
ンサ本体１１１の端部の周囲にリング部材を溶着するこ
とにより、各センサ本体の端部でインビーダンスマツチ
ングが行われることが好ましい、もし、リードイン型ロ
ッド部材またはセンサ本体の直径が、たとえば５ミリメ
ートルないし１０ミリメートルなど十分大きければ、よ
り大きなリング部材が、装着フランジ部材としてセンサ
に形成可能でありそしてインピーダンスに悪影響を与え
ることなく、よく知られる装着またはバッキング技術に
より真空封止または圧力封止が形成される。

本発明によるセンサ本体が、囲包流体密度に応じて強い
ねじり波動伝搬を呈し、さらに、センサの非浸漬部分を
伝搬するねじり波動が流体境界に到達するとき、顕著な
信号反射を呈する。たとえば、断面がダイヤモンド形で
アスペクト比が約３のステンレス鋼のセンサが、水−空
気界面で約１０パーセントの反射係数を持つ、したがっ
て、本発明の別の実施例では、流体本体へ延長する真直
な密度センサが、流体深さ測定値が提供されるよう賦活
可能である。流体の粘性に応答するようＲ適化されたセ
ンサ本体が、浸漬深さに依存する振幅減衰を呈示し、そ
して、戻り信号の振幅を測定することにより、流体深さ
センサとして使用可能である。

好ましくは、本発明によるセンサ本体は、低い平均密度
を有する。約５ｇ／ｃｃ以下の密度が種々の液体につい
て有用なものとされる。適当な材料が、チタン、陽極酸
化が行われたアルミニウム、グラファイト、無電解ニッ
ケル被覆が行われたグラファイトである。ステンレス鋼
のセンサが多くの液体応用に適当であり、伝導性のセン
サ本体が有利なことには、複雑なシステムが、少ない能
動電気的リード部材で動作するのを可能にする。

第４図は、直列に装着されそして単一のリードイン形ロ
ッド部材２２による励振ないし励起が課される２つの別
個のねじり波動センサ本体部分１２１．１２２を有する
別のセンサ１２０を図示する。この実施例では、センサ
本体はコンジット１００の軸線に平行であり、その結果
、より長いセンサ本体が収容可能でありそして流体密度
または速度がセンサの長さに沿って実質的に均等である
と考えられる。ロッド部材２２が、たとえば、ロウ付け
で補強されるスポット溶接によって、本体部分１２２ま
たは本体部分１２１の端部の縁部にて、センサの中央に
装着される。この構成で、ロッド部材を伝送せられる延
長方向の波動Ｔが各本体部分１２１．１２２でねじり波
動へ同時変換される。２つのねじりは互いに逆の方向に
伝搬する。各ねじり導波センサ本体１２１，１２２の遠
方の端部で、それぞれのリードアウト形ロッド部材２４
ａ、２４ｂが、受容されたねじり波動を、リードアウト
形ロンド部材を上に移動しそして対応するコイル部材１
６ａ、１６ｂにより感知される延長方向の波動へ変換す
る。この共通に励振されそして空間的に離間される２体
形ねじり波動センサの構成は、２つの感知波動の優れた
波動のアイソレーション（隔離）が提供される。このア
イソレーションは、特に、受信信号が、複数の質問、信
号相関、または分散解析技術を使用して処理されるとき
に、高いＳ／Ｎ比および時間分解能が実現可能であるこ
とが期待される。

第３Ｃ図のセンサのように、図示のダイヤモンド形状の
部分１１２を通じて到着する信号は、主に密度依存形の
測定を提供しそして円筒状部分１１１を通じて到着する
信号は粘性測定を提供する。

第５図は、ロッド部材１５２ａおよびｌ　５２ｂにより
賦活され順次これらを賦活するρ感応形本体を有するね
じり波動センサ１５１を使用する流れ測定セル部材１５
０の断面図を図示する。セル部材１５０は、非常に高圧
の流体を含む中央のキャビティまたは通路１５６を有す
る厚肉の本体１５５を有する。励起ロッド１５２ａ、１
５２ｂは第２図および第４図と同様の延長方向の波動励
起ロッド部材である。各ロッド部材は、通路１５７の方
へブロック部１５５を通じて延長し、ブロックの端ぐり
処理された凹部の通路に緊密に嵌合わされそして流密溶
接部１５９によりここに永久的に固定されるプラグ部材
１５８ａ、１５８ｂから懸垂される。各プラグ部材の穴
１６１がロッド部材を収容し、ロッド部材１５２ａ、１
５２ｂのねじ山と１６３と単にゆるく螺合するねじ溝を
有する上部のねじ溝部１６２で終端する。このようにし
て、賦活ロッド部材は、堅牢に懸垂せられ、さらに、リ
ンギング動作がねじり波動信号の発生または検出を妨害
しないように、流れセル本体から音響的な結合解除（デ
カップル）が行われる。各プラグ部材の外側の周囲に装
着されるコイル部材１６５がロッド部材を賦活する。プ
ラグ部材は、たとえば５Ｓ３０４またはＳＳ３１６など
の適当な強さの非磁性材料から形成される。

第５Ａ図は、この構成の変形物を図示し、ねじり導波感
知部材１５１ａは、円柱螺旋形状へ湾曲された断面がダ
イヤモンド形の導波手段である。

この形態は、より長い導波手段が小さな流れセルチャン
バで使用されるのを可能にし、感度を高める。

第６図は、別の流れ測定システムを図示し、励起／リー
ドアウト形ロッド部材１８２ａ、１８２ｂを有するねじ
り導波センサ１８１が、画然された形態の流れセル１８
０に配置され、そして一対の超音波変換手段１８４．１
８５が、長手方向の（粗密ないし圧縮）超音波エネルギ
ーを発生しそしてセルを貫流する流体を通じて受信する
よう、流れセルの端部に配置される。変換器１８４．１
８５が磁歪ロッドの端部１８４　ａ　％１８５ａの周囲
のコイル部材１６による伸縮波動で賦活され、また各変
換手段は、流体に検出動作波動を発生する大きな端面に
対してインピーダンスマツチングに供されるテーパー処
理された本体部分１８４ｂ、１８５ｂを有する。エコー
発生が少なくまたはバイブ本体へのカップリングが小さ
い封止通路部を提供するために、比較的薄いリング部材
または装着フランジ１８６（第６Ａ図）が、大きな部分
に機械加工可能でありモしてＯリング封止部材またはバ
ッキング部材と一緒に使用されまたは金属対金属圧力接
触によって封止される。

第６図に図示されるように、変換手段ロッド部材１８２
ａには、ロッド部材からのスプリアスエコー（擬似エコ
ー）を除去するのに供される減衰構造部１７８がある。

このような減衰構造部は、外延波動励起手段または感知
ロッド部材の各々に形状されるのが好ましく、ロッド部
材は、センサ本体１８１との接続部を超えて伸長可能で
あり、減衰構造部がロッド部材の各端部に形成可能であ
る。構造部１７８が好ましくは、タングステン充填エポ
キシ樹脂などの材料から形成可能でそしてロッド部材の
インピーダンスに匹敵する特性インピーダンスを有する
が、ロッド部材の音速よりも小さい０図示されるように
、好ましい形状が、またはそれ以上の波長距離にわたり
、ロッド部材の直径の数倍の直径外側にテーパーしてい
るものである。

多くの応用で、流体全体を通じて変化する、可動ないし
静止流体の特性を測定することが所望される。これは、
ねじり波動センサから成るアレー部材を利用する本発明
によるシステムによって実現される。圧縮性流体におい
て、または屋外タンクでのように流体が極端な圧力帯域
または変動する温度帯域にまたがるような流体と一緒の
場合に、または、流体の相遷移または状態遷移が起こり
易い貯蔵条件のもとで、本発明による密度センサの配列
体が、流体の量または質量流量を定量化する有効な手段
である。水素スラッジなどの低温流体の容器、または航
空機燃料タンクで、密度分布測定が、いかなる局所的条
件のもとでも、その内容量を正確に測定するために行う
ことが可能である。このような密度分布測定の別の応用
が、熱ポンプシステムなどのシステムで、溶解した塩濃
度分布をモニターすることである。

第７図は、このような密度分布を測定する装置２２０の
一実施例を図示する０例示の目的のために、装置は、燃
料が上部翼面１９０と下部翼面１９１との間の空間を占
める航空機燃料タンクに装着された状態で図示されてい
る。この装置では、複数のリング形状導波手段２２１ａ
、・・・２２１ｆが、タンク内部２３０で、既知の垂直
高さ場所および間隔で吊り下げられ、そして、第４図の
実施例と同様に、伸縮波動を伝送しモしてこれをリング
手段でねじり波動に変換するために、各リング手段の縁
部に堅く装着される共通の励起ロッド部材２２３によっ
て接続されている。複数のリードアウト形ロッド部材２
２４ａ、・・・２２４ｆが、各リング手段の直径方向で
反対側の場所からの波動エネルギーを読出し、そしてコ
イル部材２１６ａ、・・・２１６ｆが波動エネルギーを
トレース電気信号へ変換する。スロッシング防止壁また
は別の壁構造体（図示せず）、センサアッセンブリの周
囲に比較的安定なまたは緩慢に変化する燃料レベルが提
供されるよう、センサアッセンブリを包囲することが好
ましい。比較的可撓性でそして軽量のプラスチック製の
ケージ（箱）もまた、センサアッセンブリのリング手段
を、音響的に結合することなく適所に保持するために提
供可能である０代替え的にまたは追加的に、ゆるみ嵌め
形ねじ付きロッド部材が、個別のリング手段を音響的に
結合することなく、リング間隔を正確に制御するために
各リング手段の厚い中央部分にタップが立てられた整列
穴に挿通可能である。

この変換器アッセンブリで、戻り信号の間隔により、各
高さ場所での流体密度の直接測定が与えられる。流体レ
ベルがあるリング以下に低下するとき、ねじり波動速度
の急激な不連続性が生じ、こうして、流体の高さＨの大
まかな測定が行われる。

−Ｍに、上記のＨおよびρパラメータは、もし燃料の炭
化水素の組成が正確に知られていなければ、航空機燃料
タンクの燃料ｆｉＭのエネルギー量またはそのほかの技
術的な種々の面を完全に特徴付けるには不十分であろう
、したがって、装置２２０は、追加の測定を行いこれら
の変量を解明するために、独立の音響波トランスジュー
サ２３５と温度センサ２４０とを備えることが好ましい
。

図示されているように、トランスジューサ２３５が、ラ
イン２３４の電気パルスを受信し、そしてリング手段２
２１ａ、・・・２２１ｆの各々から反射される超音波の
バーストを発生する。トランスジューサ２３５が、流体
の伝搬速度Ｃを認定するために従来の仕方で処理される
ライン２３４の出力信号へこれらのエコーを変換する。

ρセンサ形リング手段の各々が、断面の詳細ｒＸＪで図
示されるように、ダイヤモンド形の断面とすることが可
能である。しかし、好ましくは、少なくともいくつかの
ρセンサ形リング手段は、より良好に明瞭なエコーがト
ランスジューサに提供されるよう変更が加えられた底面
を有する。断面の詳細ｒＹＪが、この目的に適当な平坦
化したダイヤモンド形の変換手段を図示する。

さらに第７図に図示されるものが、一つの場所で流体の
温度Ｔを測定する温度センサ２４０である。第７図の複
数反射形密度分布測定装置は、以下のようにして燃料の
マス測定を提供する。一つの場所でのＣおよびＴの測定
により、種々のタイプの燃料混合物または燃料のタイプ
の唯一つの指示が与えられる。これは、たとえばＪＰ−
３やケロシンや航空機ガスおよび同様物などの通常の航
空機燃料について知られているデータチャートからのル
ックアップ手続きによって得られる。ある所与の燃料に
ついて、ρおよびＣ両方の温度依存性が知られる。こう
して、導波手段２２１でのねじり波動伝搬を介しての０
分布またはこれらの導波手段からの流体伝搬形波動の反
則を介してのＣ分布のいずれの測定によっても、所定の
タンク形態とともに、燃料のマスのこれらの性質の測定
が提供される。飛行中の燃料測定装置が、より正確な計
算結果が提供されるために、航空機の姿勢、ピッチ、ロ
ール、ヨーおよび重心に関するデータを追加利用可能で
ある。飛行機翼タンク（ここでは、できるだけ電気ワイ
ヤの数を少なくすることが望ましい）の燃料測定という
特別の場合に、できるだけ少ない数のリード部材を測定
装置に持たせることが有利である。本発明者は、種々の
超音波トランスジューサについての信号を分離するため
に唯一対の挿通ワイヤのみを有する装置を開発し、これ
は、局所帯域幅ろ波動作を使用する。もし液体が、日常
の巡航ではなく、飛行操縦により安定しないならば、適
当な経験的に確認可能な修正がロール、ピッチ、ヨーお
よび加速度の関数としてさらに適用されねばならず、こ
の場合、燃料タンクの一つ以上の場所で流体深さを測定
することが所望される。各々それ自身のリード部材を有
する複数のセンサユニットが使用可能である。

第８図は、このような局所ろ波ワイヤ配線を図示し、２
本のリード２４１．２４２が、信号を複数のトランスジ
ューサへ運ぶためにタンクへ延長する。帯域幅がＯ〜Ｉ
Ｈｚの低域フィルタである第１のバンドパスフィルタＢ
ＰＦ　１がライン２４１の直流温度センサ信号を通過し
そして一対のバンドパスフィルタＢＰＦ２およびＢＰＦ
３が、それぞれρセンサ２２１ａＮｆおよびトランスジ
ューサ２３５へ向かうそしてこれらからの信号を分離す
るのに使用される。これらの信号は、時間態様でライン
２４を通過せられる。ρセンサはＢＰＦ２の５０〜１５
０ｋＨｚ帯域幅内の公称１００ｋＨｚの信号で動作し、
そしてＣセンサはＢＰＦ３のより高いＯ，Ｓ〜１．２Ｍ
Ｈｚ内のＩＭＨｚの信号で動作する。共通のアースが提
供される。

本発明による流体センサの利益が、コンジット壁から一
定の最小限の隙間が維持されているかぎり、流体とねじ
り導波手段との相互作用は、コンジットの大きさおよび
形態から高い程度に独立していることであり、それゆえ
、センサは広範な範囲の装置場所に装着可能であること
である。たとえば、第３Ａ図〜第３Ｃ図の実施例は単一
のパイプ開口部と一緒に装着可能である。第５Ａ図に図
示されると同様のらせん形状形のセンサもまた、リード
イン形およびリードアウト形ロッド部材と一緒に、適当
な直径のプラグ嵌合い部材に装着することによって、単
一開口形装着に適当なようなされる。

追加の利益が、案内されるねじり波動が、流体を通じて
伝送された別の超音波パルスをすでに有する流体系へ相
当に少量の妨害エネルギーしか招かないことである。さ
らに、センサは、たとえば、代表的なダイヤモンド断面
形ρセンサについて１×３ミリメートルなど非常に小型
化可能であり、その結果、それらは、意義深いことには
別の信号を散乱しない、かくして、この種のセンサは新
規な装置構成体との合体に良好に適合せられる。堅牢さ
が軽量性よりも大きな重要性を持つ工業的な応用に関し
て、より大きな断面のものが使用可能である。この場合
、ねじり波長が、所望されない分散効果が回避されるよ
う、できるだけ最大限のセンサ断面寸法と比較して大き
いものとされる。本発明による最適化されたセンサの主
たる特徴が、ねじり波長センサの感度または正確度を従
来制限していた妨害を行なう分散効果の範囲よりも首尾
良く下であるセンサ寸法で有効な流体測定が実現される
ことである。

第９図が、この種の新規な装置２５０の一つを図示し、
これは、圧力降下をできるだけ最小限にしつつ質量流量
の認定を行なう。く形の内部断面を有する特別のフロ一
部材２５２が、流体流れのラインに連結される。第４図
に図示されるのと同様のねじり導波手段からなる密度セ
ンサ２５４が、適当なバイブ嵌合い部材およびバッキン
グ部材により収容される励起ロッド部材および好ましく
は別個のリードアウト形ロッド部材（参照番号なし）と
−緒にフロ一部材２５２内に軸線方向に装着される。装
着ブロック部材２５７．２５８が角度配向された２つの
クランプ形トランスジューサ２５５．２５６が、速度依
存性伝送時間測定が提供されるよう、ジグザグ形の反射
バスを追従する超音波を発生しそして受信するために、
コンジットの外側に配置されそしてクランプ接続が行な
われる。この種のクランプ形流速感知のより詳細な説明
が米国特許第３．９０６．７９１号に記載されている。

好ましくは、トランスジューサ２５５．２５６が対向伝
搬波動を発生しそして受信する。

動作において、装置２５０はトランスジューサ２５５．
２５６の信号追跡により速度測定値を導出し、そしてね
じり導波手段２５４の追跡から密度測定値を導出する。

２つの探索モードが別個の周波数帯域（１００ｋＨｚ対
ＩＭＨ２）で動作しそして物理的にそして音響的に実質
的に独立している。測定された速度および密度の値は、
マスフロー出力値を発生するために、順次乗算されそし
て、流れプロファイルやスケールや計器較正を修正する
に因子によって修正される。

第９図の装置の好ましい変形装置では、特別に製造され
たく形のコンジット２５２は、■トランスジューサが外
部にそして着脱自在に装着されるところの従来の丸いパ
イプ状のコンジットにより置換される０着脱自在性は、
　トランスジューサアッセンブリを固定するために、流
動体、グリース、（ウレタン、シリコーンゴムまたはネ
オブレンなどの）弾性部材、または（ワックスなどの）
熱硬化性結合材料を磁性クランプ部材、取り付はストラ
ップ部材またはベルクロ締めベルト部材とともに使用す
ることによって、改善可能である。

２つのトランスジューサが、いくつかの実施例で、共通
のパイプ装着形シュ一部材ヘクランブ接続可能である。

このような場合、クロストークを減するために、好まし
くは、シュ一部材のそれに匹敵する音響インピーダンス
を有するタングステンが充填されたエポキシなどの減衰
材料がシュー部材に装着されまたはトランスジューサ間
でシュ一部材のキャビティに導入される。

第１０図は、丸いパイプ部材２６０を使用する、対応す
る部材が第５Ａ図および第９図と同じ番号が付されたこ
の種の装置を図示する。この実施例で、くさびブロック
部材２５７．２５８と一緒にトランスジューサ２５５．
２５６が、斜めに屈折される波動を流体に発射するため
に、正しい角度にトランスジューサを保持するために、
平坦面を提供する一対のシュ一部材２６１．２６２ヘク
ランブ接続される。

この形態が、種々の大きさのパイプで使用されるとき、
異なる壁厚さおよび異なるパイプ曲率に関連付けられる
伝搬の変化を除去することが所望されよう、応用可能な
標準の下で、炭素鋼、合金鋼、およびステンレス鋼でで
きた「標準」のバイブが以下の壁厚さで表わされる。

表　１　標準のバイブについての 公称の壁厚さおよびシュー厚さ 「標準の」　　　　　Ｙ 壁の厚さ（イン　（インチ） チ） 公称のパイプ 直径（インチ） ２ ４ ６ ８ ０ ２ ４ ６ ８ ０ ２ ４ ６ ０．１５４　　　　　０．２２１ ０．２１６　　　　　０．１５９ ０．２３７　　　　　０．１３８ ０．２８０　　　　　０．０９５ ０．３２２　　　　　０．０５３ ０．３６５　　　　　　０．０１０ ０、　３７５　　　　　　　　　　０ ０、　３７５　　　　　　　　　　０ ０、　３７５　　　　　　　　　　０ ０、　３７５　　　　　　　　　　０ ０、　３７５　　　　　　　　　　　００、　３７５　
　　　　　　　　　　００、　３７５　　　　　　　　
　　　０したがって、第１０図のマスフローメーターの
別の好ましい実施例では、速度感知部分は、第１１Ａ図
〜第１１Ｃ図で図示されるように構成される。ここで、
シュ一部材を、２つの速度クランプ形の対向伝搬トラン
スジューサの各々の下方の領域でパイプに結合または接
着した。シュ一部材の厚さＹは、パイプ壁の厚さＷが加
えられるとき、全体厚さＷ＋Ｙが一定となるよう選択さ
れる。有効な全体厚さＷ＋Ｙが０．３７５インチである
。なぜなら、これは、表１の全てのパイプを、直径が１
２ないし３６インチのバイブの標準の厚さと同じ厚さへ
局所的に変換するからである。こうして、本発明のこの
態様によれば、各パイプ直径ごとに、パイプ壁の厚さか
に−Ｙ　（ここでＫは例示的に一定の厚さ０．３７５イ
ンチである）であるよう、アダプタのシュ一部材が、厚
さ寸法Ｙができるだけ最小限でありそして接触面がバイ
ブの外径と一致して提供される。実用的には、全体の厚
さが１センチメートルであることが好ましく、その結果
、共通のパイプ大きさがより大きなものについてアダプ
タのシュ一部材は、過度に薄いウェブを有さない。

第１１Ａ図〜第１１Ｃ図は、この種のあるシュ一部材２
６１の端面図、側面図および斜視図である０図示される
ように、シュ一部材２６１が、トランスジューサ部材と
流体との間でのエネルギー伝送が十分大きいよう、パイ
プ外径と一致する湾曲した底面２６５を有する。トラン
スジューサのくさび部材は、このパイプ接触部の上に直
接装着され、シュ一部材の一部または全体にわたり延長
可能である。シュ一部材の長さに沿って中央部の切り出
しまたはレリーフ部２６７が、シュ一部材の一部のバイ
ブからのデカップリング（減結合）を行ない、そして、
シュ一部材のテーパー付き端部２６９が、信号を制御、
すなわち、シュ一部材のテーパ一端部からのエコー動作
（反響動作）が大幅に阻止されるインピーダンスの徐々
の変化を与える。

第１１Ｃ図は、シュ一部材の斜視図であるのに加えて、
レイリー様の波動を発生するために圧電トランスジュー
サを装着するためのくさび部材２６６の好ましい実施例
を図示する。くさび部材２６６が、１インチのく形の黄
銅ストック部材から形成されそして、ある角度で黄銅の
くさび部材へ波動を発射するよう、フェース面に対して
π／４の角度で形成されるトランスジューサ装着端面２
６８を有する。くさび部材２６６の黄銅材料は、鋼製ま
たはＳＳパイプでの波動速度よりも低い速度でシャー波
（剪断波）を伝搬し、その結果、レイリー様の波が適当
な角度でコンジットに発射される。好ましくは、くさび
部材２６６の長さは、境界条件を一定に維持しそれによ
りプレートモードを制限または制御するために、シュ一
部材２６１のメインボディの長さに近い。

第１０図でさらに図示されるように、クランプ形速度セ
グメント２６０は、第５Ａ図のセンサなどのダイヤモン
ド様の断面のらせん形状または同様の形状のねじり導波
手段を包含するρセンサセル部材２７０へ連続的に接続
可能である６図示のように、ねじりセンサは、ダイヤモ
ンドのナイフ状の縁部およびその主要なアスペクト寸法
が流れに平行なその配向により、部分的に無視できるほ
どの小さな流れ障害を提供する。

本発明者は、以前にシュ一部材が、クランプ形トランス
ジューサを収容するためにパイプ部材に付加されたこと
を認める。しかし初期の使用では、シュ一部材の目的は
、再現可能な場所で、容易な結合を行なうために平坦面
を生成することであった０本例では、シュ一部材の厚さ
は、表１の値が使用される公称のパイプ厚さまたは掲げ
られた公称寸法から変わりつるパイプ壁厚さの現場の測
定値に基づく実際のバイブ厚さのいずれをも補償するよ
う選択される。なお、本シュ一部材は、好ましくは、種
々のパイプを、再現可能な波形および波動伝搬特性に資
する形態へ変換するために、それらの長さの殆どの部分
にわたり、たとえば、０．２５インチまたは０．５０イ
ンチ幅などの二定の幅から成る。

この実施例を使用すると、パイプ中の流れは、たとえば
、パイプ壁の縦波、シャー波、レイリー様の波またはラ
ム波を使用して探索される。ラム波について、位相速度
は、一般に周波数と厚さの積の関数である。それゆえ、
パイプに近い音響性質を有する材料から形成されるシュ
一部材を用いて、Ｗ＋Ｙを一定にすることにより、種々
のバイブで、ある所与の周波数のラム波を使用できその
うえ本質的に一つの位相速度による利益を享受できる。

このシュー構成の別の利益が、シュ一部材の端部の形態
の突然の変化が、もしそうでなければ液体発生信号の正
確な受信を妨害するであろうバイブ発生エネルギーをブ
ロックまたは反射する傾向がある点について、本発明者
のリンワースの米国特許第４，７３５．０９７号に説明
されているようにラム波またはこれとは別のプレート波
（たとえばレイリー様表面波など）で得られる。

シュ一部材の翼端部での、１寸法がゼロに向かって小さ
くなる徐々の薄層化によって、もしそうでなければ暫時
シュ一部材に捕捉され続けるであろうエネルギーのため
の無害な脱出路が提供される。最も良好な結果を得るた
めには、シュ一部材はパイプと同様の材料から作られる
が、穏当な結果が、炭素鋼、ＳＳ３１６または５Ｓ３０
４製のバイブで、５Ｓ３０４製のシュ一部材を使用して
得られる。同様の性能が、同様の密度および音速の別の
合金で期待される。くさび部材は、所望される境界条件
およびそのほかの因子に応じて、シュ一部材の一部また
は全体と接触可能である。エネルギーが、バイブ壁で使
用される特定の波に部分的に依存して、固体または硬く
ない結合材料によって、くさび部材／シュ一部材界面お
よびシュ一部材／バイブ界面を横切って結合される。

第１２図がさらに別の装置２７０を図示し、本発明によ
るセンサが、囲包流体との相互作用が大きいねじり波動
伝搬が行なわれるような断面形態を有する。この装置で
は、既知の形態の高さがＫの大きな貯蔵容器またはタン
ク２７２が、高さＩ４の空気−流体界面へ到達する流体
２７４を包含している。断面が最適化された（たとえば
、ダイヤモンド）ねじり導波手段２７８が、タンクの底
部のアクセス口から垂直方向に上方へ延長する。底部の
励起／センサコイル部材１６がパルサー／受信器インタ
ーハロメーター１フにより賦活される。

導波手段２７８は、高さが少なくとも通常の使用の際に
、流体−空気界面の予想されるレベルを取り囲む範囲に
わたり延長する中央部分２８０を有する。好ましくは、
導波手段は、断面が円形のコイル部材１６から延長する
下方部分および断面が密度感応性に形成されるの中央部
分とともに、単一片または柱状材料から形成される。予
想される流体レベルよりも上の一番上方の部分２８３も
また円形断面を有していてもよい。中央部分２８０と異
なった形状の部分２８１．２８３との間に、所望されな
い反射をできるだけ最小限にするために、形状が徐々に
変化する部分が提供され、これは、−ねしり波長よりも
長いある長さにわたり延長可能である。

信号のトレース図２９０が、界面エコー信号および端部
エコー信号の関係を図示する。界面エコー時間ｔ１は流
体密度の測定値を提供し、期間ｔｚ　　ｊ＋はタンクの
満たされていない高さに−Ｈの測定値を提供する。

第１３図は、断面が最適化された密度センサを包含する
本発明の別の装置３００を図示する。この実施例では、
第１および第２のコンジット部３０２．３０４が、中央
の接続部３０３をはさんで、離間して直列に提供される
。第１のコンジット部３０２が、化学加工工業で使用さ
れるような壁厚が１ミリメートルのたとえばステンレス
鋼の管類から形成されるいくぶん可撓性のコンジットで
ある。第２のコンジット部３０４は、上述のように、中
空のダイヤモンド形またはこれとは別のρ感応性形コン
ジットである。介在するコンジット３０３は任意の形状
が可能であり、その機能は、音響結合またはエコー妨害
を招くことなく流体を包含することである。

装置のこの実施例では、低次のたわみ波動エネルギーが
第１のコンジット部３０２を伝搬する。

好ましくは、対向的に伝搬するたわみ波動が、コンジッ
ト部３０２の対向端部に知られている間隔で配置された
一対のトランスジューサ３０６ａ。

３０６ｂにより投射される。適当なトランスジューサ機
構およびたわみ波動／流体相互作用の論議がＩＥＥＥ（
１９８７年）のｒ　ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓＳｙｍｐｏ
ｓｉｕｍ　Ｊと標題の付されたプロシーディング（ビー
・アール・マカボイ（Ｂ、　Ｒ，ＭｃＡｖｏｙ　）編集
）、第１巻、５６９ページ〜５７２ページ所収のイー・
デュールセント（Ｅ、　Ｄｉｅｕｌｅｓａｉｎｔ）デイ
−・ロイヤー（口、Ｒｏｙｅｒ）、オー・レグラス（Ｑ
、　Ｌｅｇｒａｓ）　　およびエフ・ブーベナイダー（
Ｆ、　Ｂｏｕｂｅｎｉｄｅｒ）によるｒ　Ａ　９ｕｉｄ
ｅｄ　ＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｌｅ
ｖｅｌ　５ｅｎｓｏｒ」　　という題名の記事に記載さ
れている。薄壁のコンジット３０２に低次のたわみ波動
を対向的に伝搬することによって流速を検出するために
、強い流体−導波手段相互作用が第１３図の装置で利用
される。コンジット部３０４は、ねじり波動が課されそ
して励起／感知ロッド部材３０８ａ、３０８ｂにより検
出される断面が中空のダイヤモンド形またはこれとは別
のρ感応性形の断面である。プロセッシングユニット３
０９．３１０は、マスフロー出力Ｍが得られるよう、マ
ルチプライヤ３１１により乗算され順次スケールや流れ
プロファイルや較正を修正する装置の計器因子Ｋにより
修正を受ける速度測定値および密度測定値を発生する０
種々のユニット３０９．３１０３１１．３１２は、必要
とされる計算操作を行うために、種々のソフトウェアプ
ロセッシングモジュールを走らせる単一の信号処理／イ
ンターバロメーターのフロントエンド部で実行可能であ
る。

第１４図は、ダウンホール流体センサ手段として適当な
本発明による装置を図示する。ダウンホール流体センサ
手段３２０は、壁部３２１によって画定される挿通孔内
に従来の手段によって機械的に心出しが行われ、その結
果、流体がセンサ手段３２０の周囲の環状空間３２２を
満たす。ダウンホール流体センサ手段３２０は、４３ミ
リ以下の直径を有し、後述するように、環状空間３２２
の流体を直接通じての超音波信号測定を行うために、画
定された場所の方ヘセンサ手段３２０から揺動する一対
の対向可能な超音波変換器３３０ａ、３３０ｂを囲包す
る。トランスジューサ３３０ａ、３３０ｂ間で、流体サ
ンプリング流れセグメント３２３が、環状領域３２２と
流体を介して連通状態の細長く覆いのないスロット部３
２４を有し、挿通孔の流体の密度および粘性を感知する
２輪郭形成れセンサ３２６を包囲する。

２重要素形センサ３２６はほとんど第４図に図示のもの
と同様であり、そのねじ山が切られそしてダイヤモンド
形であるセンサ本体部３２６ａ、３２６ｂが、センサ手
段本体部のスロット部３２４に横たわる。好ましくは、
センサ本体部の一つまたは両方は、詳細な断面図３２７
ａ、３２７ｂに示されるように、その外側の環対面側部
で流体と優先的に相互作用を行うよう非対称である。な
お、２つのセンサ本体部品の長さは、それらの各コイル
部材で発生される信号が時間的にばらばらに分離される
よう、十分に長さが異なることが好ましい。これは、コ
イル部材が単一の電気的リードへ電気的に並列化され、
それにより、必要とされるワイヤの数が低減されるのを
可能にする。

Ｖセンサ３３０ａ、３３０ｂは、幅の狭い磁歪賦活型端
部から波動放射面に向けてテーパーしている点で、第６
図で参照番号１８４．１８５で示されるものと同様であ
る。センサ３３０ａ、３３０ｂは、いったん下向きにな
ると中央点３３４の周囲にセンサ本体から外側にピボッ
ト回転することによって、環状のギャップへ散開ないし
動くことができるよう、ばね３３３ａによりばね負荷が
与えられるかまたはモーターにより駆動せられる。セン
サは、挿通穴の側部での偶発的な衝撃に耐えるよう設計
された曲線状の端部を有する。端面ば、上述のように散
開されるとき平行である必要はないが、もしこれらの端
面が投射波長よりも小さいかまたはこれに匹敵するなら
ば、それらはまるで点源のように作用する。これはアラ
イメントを重要でないものとする。放射端部の有効な半
径方向位置は、ＬＶＤＴまたはこれとは別の位置センサ
３３５によって指示され、または、トランスジューサの
内端面と当接する停止部材３３６により制御される。こ
れにより、ピボット点３３４が固定されそしてプローブ
形態が固定されれば、環状部分でのトランスジューサ３
３０ａ、３３０ｂ間の信号のための正確なパス長さが決
定される。このダウンホール装置は、全てのセンサ／ト
ランスジューサ３３０ａ、３３０ｂ、３２６ａ、３２６
ｂのために感知波動を発生しそしてこれを検出するため
に磁歪アクチュエーターを使用する。磁歪部材は９００
℃の範囲で、あるキュリー温度を有し、これは従来の圧
電感知装置の３００℃の範囲を大幅に超える環境での動
作を可能にする。ダウンホール装置は密度、粘性および
速度を測定する。こうして、液体直径りが知られれば、
レイノルズＲｅがＲｅ（＝ρＶＤ／η）として容易に計
算される。

本発明の技術思想から逸脱することなく当業者であれば
種々の応用・変更が可能であろう。

４、　　の、　ｔＭ８ 第１図および第２図は、従来のねじり波動センサの概念
図である。

第３Ａ図は、第１の流体特性を感知するのに最適化され
た本発明による第１のセンサの実施例の模式図である。

第３Ｂ図は、第２の流体特性を感知するのに最適化され
た本発明による第２のセンサの実施例の模式図である。

第３Ｃ図は、種々の流体特性を同時に感知するのに最適
化された本発明による第３のセンサの実施例の模式図で
ある。

第４図は、本発明による２特性形センサの別の実施例の
模式図である。

第５図および第５Ａ図は、流れセルに装着されたねじり
波動センサの別の実施例の模式図である。

第６図および第６Ａ図はマスフローの認定を行なうのに
利用される本発明の装置の模式図である。

第７図は、複数のパラメータを感知する本発明による密
度分布感知装置の概念図である。

第８図は、第７図の密度分布感知装置のための好ましい
電気回路系の結線図である。

第９図は、本発明によるクランプ形マスフロー感知装置
の概念図である。

第１０図は、第９図の装置に改良を加えた本発明による
別の好ましい実施例の装置の模式図でありる。

第１１Ａ図はシュ一部材の断面図である。

第１１Ｂ図はシュ一部材の側面図である。

第１１Ｃ図はシュ一部材の斜視図である。

第１２図は、貯蔵タンクに適当な本発明によるセンサの
別の実施例の説明図である。

第１３図は、プロセスフローコンジットとして構成され
た本発明による２要素形センサの概念図である。

第１４図は本発明によるダウンホール装置の説明図であ
る。

ＦＩＧ、　５Ａ ＦＩＧ、　７

Claims (46)

【特許請求の範囲】
1. （１）流体の物理的性質を感知するためのセンサにおい
   て、 ある断面形状とある長さを有するセンサ本体とから構成
   され、 該センサは、前記長さの少くとも一部が流体に浸漬され
   るよう装着可能であり、 前記センサは、流体の物理的性質に機能的に依存する仕
   方でねじり波動の伝搬に影響を与えるために、前記一部
   に沿って、流体と相互作用を行う該ねじり波動を伝搬す
   るよう動作し、 前記断面形状は、長軸と短軸によって画定される１より
   も大きなアスペクト比を有し、同一のアスペクト比のだ
   円の輪郭内に任意の輪郭を有するセンサ。
2. （２）断面形状はダイヤモンド様の形状である請求項第
   １項記載のセンサ。
3. （３）断面形状は約３のアスペクト比を有する請求項第
   ２項記載のセンサ。
4. （４）流体の物理的性質を感知するためのセンサにおい
   て、 少くとも一部分が流体への浸漬に適当なようなされたセ
   ンサ本体であって、前記一部でのねじり波動の伝搬が前
   記流体との接触によって修正されるようになされるセン
   サ本体から構成され、前記一部分の第１の部位は、前記
   流体の第１の性質に機能的に依存して、前記波動伝搬を
   修正するよう選択されるある断面形状を有し、前記一部
   分の第２の部位は、前記第１の性質と異なる前記流体の
   第２の性質に機能的に依存して、前記波動伝搬を修正す
   るよう選択されるある形状を有するセンサ。
5. （５）前記第１および第２の性質はそれぞれ密度および
   粘性である請求項第４項記載のセンサ。
6. （６）前記第１の部位はダイヤモンド様の断面形状であ
   る請求項第５項記載のセンサ。
7. （７）前記第１の部位はダブルエッジ形ブレードである
   請求項第６項記載のセンサ。
8. （８）流体の性質を感知するためのセンサにおいて、 該センサは、流体への浸漬に適当なようになっておりこ
   こを通じてのねじり波動の伝搬に適当なようなっている
   本体部分から構成され、 本体部分は、流体密度に対するねじり波動速度の強い機
   能的依存性および流体粘性に対する弱い機能的依存性を
   実現するのに適当なようなされている断面形状を有する
   センサ。
9. （９）前記断面形状は、流体を通じて誘導された波動エ
   ネルギーを反射するのに適合される請求項第８項記載の
   センサ。
10. （１０）流体の性質を感知するためのセンサにおいて、 該センサは、流体への浸漬に適当なようになっておりこ
    こを通じてのねじり波動の伝搬に適当なようなっている
    本体部分から構成され、 本体部分は、流体粘性に対するねじり波動伝搬の強い機
    能的依存性および流体密度に対する弱い機能的依存性を
    実現するのに適当なようなされている断面形状を有する
    センサ。
11. （１１）流体に浸漬される導波手段で波長λのねじり波
    動の伝搬を行うためのねじり導波部材において、 導波手段は波動エネルギーを流体に結合し、そして導波
    手段での波動の伝搬は流体の物理的特性に依存しており
    、そのため、前記波動伝搬を感知することにより、流体
    のある特性が突き止められるねじり導波部材であって、 前記導波手段は、慣性Ｉ＿ｓにより特徴付けられる画定
    された断面形状の本体を有し、さらに、前記導波手段を
    伝搬せられるねじり波動の方に非ゼロの見掛けの慣性Ｉ
    ＿ｆを呈示するよう、前記流体と接触状態の賦形された
    接触面を有し、そしてＩ＿ｆは少くともＩ＿ｓの２倍で
    あるねじり導波部材。
12. （１２）ねじり波動と流体との相互作用が流体の物理的
    特性の指示を提供するよう該流体に浸漬される導波手段
    で波長λのねじり波動を伝搬するための導波部材におい
    て、 前記導波手段は流体と接触する非円形断面の面を有し、 非円形の断面を有する任意の導波手段について、該導波
    手段の断面は、極慣性を減ずるよう修正されたことを特
    徴とする導波部材。
13. （１３）中央軸線を有し、該中央軸線近傍で変化される
    質量分布により修正される断面を有する請求項第１２項
    記載の導波部材。
14. （１４）その長さに沿うねじり波動運動の正規の成分が
    増加された面を提供するよう修正される流体接触面を有
    する請求項第１２項記載の導波部材。
15. （１５）多面体である請求項第１２項記載の導波部材。
16. （１６）ダイヤモンドの断面を有する請求項第１５項記
    載の導波部材。
17. （１７）くぼんだ側部を有する請求項第１５項記載の導
    波部材。
18. （１８）流体のパラメータの検出を行う装置において、 流体にその長さの少くとも一部に沿って浸漬が行われる
    よう装着されるセンサと、 該センサに沿って伝搬するよう、該センサにねじり波動
    を励起する波動起動手段と、 伝搬波動を検出する検出手段と、 流体の物理的特性を認定するために、前記検出手段に応
    答するプロセッシング手段と、 から構成され、 前記センサは、前記ねじり波動が、主に流体に対する非
    粘性結合の関数として速度が変化する該センサに導かれ
    る波動として伝搬するように、ほぼ均等な非だ円形状お
    よび非矩形形状の断面を有する流体パラメータ検出装置
    。
19. （１９）流体の粘性に応答する異なる断面形状を有し、
    前記センサから区別される別のセンサを備え、前記プロ
    セッシング手段は、流体の粘性を認定するために、前記
    センサに応答する手段を備える請求項第１８項記載の流
    体パラメータ検出装置。
20. （２０）前記第２のセンサは、ほぼ円形の断面を有する
    センサ部分から構成される請求項第１９項記載の流体パ
    ラメータ検出装置。
21. （２１）前記センサ部分は、同様の断面のシリンダの面
    積よりも大きい拡大された流体接触面を有する請求項第
    １９項記載の流体パラメータ検出装置。
22. （２２）断面形状の一部が、流体を伝送する波動エネル
    ギーを反射するのに適当なようになされている請求項第
    １８項記載の流体パラメータ検出装置。
23. （２３）前記センサで前記流体を通じて波動エネルギー
    を導く手段と、 前記センサから反射される波動エネルギーを検出する手
    段とを備える請求項第１８項記載の流体パラメータ検出
    装置。
24. （２４）前記センサは、ダイヤモンド様の断面を有する
    請求項第１８項記載の流体パラメータ検出装置。
25. （２５）物理的な感知部材を伝搬せられるセンサの波動
    エネルギーと機能的に相互依存する仕方で相互作用する
    第１および第２の特性を有する流体の測定を行うための
    センサ装置において、 前記第１および第２の特性の各特性に機能的に強く依存
    する仕方でねじり波動エネルギーを伝搬するようになさ
    れる各第１および第２の断面形状を有する第１および第
    ２のセンサ本体部から構成され、それにより、 前記第１および第２の本体部分を伝搬せられる波動エネ
    ルギーの検出は、前記第１および第２の特性の値を計算
    するのに十分な情報を提供する流体測定用のセンサ装置
    。
26. （２６）前記センサ本体部分は、１よりも大きなアスペ
    クト比の多角形断面および流体密度に強く応答するのに
    適当なようになされる形状を有する請求項第２５項記載
    のセンサ装置。
27. （２７）前記センサ本体部分は、近似的に円形の断面を
    有しそして流体粘性に主に応答するのに適当なようにな
    される面を有する請求項第２５項記載のセンサ装置。
28. （２８）前記面はねじ山が切られている請求項第２７項
    記載のセンサ装置。
29. （２９）前記センサ本体部は中空である請求項第２７項
    記載のセンサ装置。
30. （３０）少くとも一つの前記センサ本体部分は中空であ
    る請求項第２５項記載のセンサ装置。
31. （３１）前記中空のセンサ本体部分は流体のコンジット
    である請求項第３０項記載のセンサ装置。
32. （３２）前記センサ本体部分は平均密度が小さい請求項
    第２５項記載のセンサ装置。
33. （３３）前記センサ本体部分は単位立方センチメートル
    当り約５グラム以下の密度を有する請求項第３２項記載
    のセンサ装置。
34. （３４）前記センサ本体部分は、チタン、表面処理され
    たアルミニウム、黒鉛および無電解ニッケルめっきされ
    た黒鉛の材料の一つを含む請求項第３２項記載のセンサ
    装置。
35. （３５）センサは導電性である請求項第２５項記載のセ
    ンサ装置。
36. （３６）前記第１および第２のセンサ本体部分は、共通
    のトランスジューサが両方の本体部分を励起するよう相
    互接続される請求項第２５項記載のセンサ装置。
37. （３７）前記センサは、伝導性のアースされたセンサで
    あり、前記流体パラメータ検出装置は、前記センサを装
    置と相互接続する単一の電気的リードを備える請求項第
    １８項記載のセンサ装置。
38. （３８）電気的に動作せられ、前記センサと異なるトラ
    ンスジューサ部材と、 前記センサについての電気信号および前記トランスジュ
    ーサ部材についての電気信号を分離するよう動作する少
    なくとも一つの局所フィルターと、 前記センサおよび前記トランスジューサの両方について
    の電気信号を伝送する前記局所フィルタへ向かう共通の
    導入線とを備える請求項第１８項記載のセンサ装置。
39. （３９）前記センサは、ダイヤモンド様の断面の固定装
    着される複数のリング形状の導波手段であって、前記波
    動起動手段により共通に賦活される導波手段である請求
    項第１８項記載のセンサ装置。
40. （４０）前記流体中の固定装着された反射部材から反射
    して流体伝送時間を認定するために、流体を通じて波動
    エネルギーを伝搬するための手段を備え、前記検出およ
    びプロセッシング手段は、反射された波動エネルギーお
    よびその伝送時間を検出および認定する請求項第３９項
    記載のセンサ装置。
41. （４１）ダウンホール手段に装着される請求項第１８項
    記載のセンサ装置。
42. （４２）挿通孔流体を感知するために、ダウンホール手
    段の外側の場所へ可動である波動伝搬チップ部材を有す
    る流速センサと、 挿通孔流体のレイノルズ数を認定するための手段を備え
    る請求項第４１項記載のセンサ装置。
43. （４３）前記センサは、３００℃以上のキュリー温度を
    有する磁歪部材によって賦活される請求項第４２項記載
    のセンサ装置。
44. （４４）前記第１および第２の部位は密度および粘性を
    感知し、前記部位に同時に投射される探索ねじり波動の
    伝送時間は、探索波動の周期以上異なる請求項第４項記
    載のセンサ。
45. （４５）前記センサは、異なる時間期間で、前記第１お
    よび第２の部位の両方に伝搬された波動エネルギーを指
    示する電気信号を受信するよう接続される単一の電気的
    ラインを備える請求項第４４項記載のセンサ。
46. （４６）前記ダウンホール手段は、約４３ミリメートル
    以下の直径を有する請求項第４２項記載のセンサ。