JPH0576580B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 多くの流体流利用の応用分野においては、流体
流量その他の流体特性の測定が悪条件下で遂行さ
れることを必要とする。例えば、石油工業につい
て考察すると、容器、配管および機械類のような
設備を過圧から保護することが、種々の処理ステ
ーシヨンで安全弁の使用により行なわれている。
これらのステーシヨンからの放出物は、ヘツダで
集められ、大きな主放出導管に送られる。普通、
単一のヘツダは、例えば10〜20の少数の安全弁か
らの放出物を集める。複数のこれらの単一のヘツ
ダは、全製造ユニツトに対する大きな収集ヘツダ
に集めることができる。ガスは、点火された炎ま
たはバーナピツトで燃焼され、そこから大気中に
安全に排気される。

特定時点において、多くの安全弁が漏洩してい
ることがある。しかしながら、普通、１つの弁か
らの漏洩速度は非常に小さく、大きな問題となら
ない。しかしながら、弁は、例えば、安全弁設定
値に余りに近い圧力での動作のため、あるいは過
圧中の機械的破損のため、あるいは浸食や腐蝕や
汚れに起因する劣化のため、あるいはその他の原
因で過度に漏洩することがときどきある。安全弁
からの漏洩は、価値のある生成物の損失や、製造
されつつある生成物の劣化や、燃焼システムの動
作上生ずる問題のため高価につくことがある。さ
らに、漏洩は、監視されていないと許容できない
程長期間修正されない恐れがある。

収集ヘツダの漏洩を検出することについて多く
の試みがなされて来た。しかし、これらの従来の
方法は好くいかないことが分つた。フレアヘツダ
の有害な雰囲気が主な理由の一つである。フレア
スタツクは多くのソースからの物質を受け入れる
から、工程条件は機器にとつて非常に敵対的であ
る。一般的に、汚れ、腐食、固形物の沈降、高分
子量ポリマの沈降、そして時間が経過するとこれ
らの条件の種々の組合せがあり得る。それゆえ、
例えばタービンメータが採用されたが、それらの
可動部材の詰りを生ずるので不適当であることが
分つた。また、普通の工学的材料は、腐食のため
不十分である。さらに、急激な圧力サージから生
ずる衝撃、温度トランジエント、蒸気、センサか
ら電子機器までの長い距離、振動等、これらが上
述のように組み合わさり、従来の測定システムを
不作動にするような好ましくない環境をもたら
す。さらに、差圧計器を使用して漏洩検出を行な
う流量検出法は、系の背圧を安全にするという考
慮から除外される。この配慮に依れば、フレアヘ
ツダの圧力の増大は禁止される。加えて、ヘツダ
内における流れ条件は、正負両方向の流れを含
む。上述の計器システムは、流れ方向を区別しな
いし、負の流れを補償もしない。

測定中のフレアスタツクの流量と関連する他の
考慮事項は、既存のパイプの位置おおよびそれに
対するアクセスが限定されること、ならびに単に
流量計を設置するために特定のパイプを使用状態
から取り出すことが不可能なことである。これ
は、例えばオンライン熱間タツピング手法を使つ
て、既存の設備に流量計のような計器を改造によ
り取り付けることができることが重要であること
を意味する。「オンライン熱間タツピング」とは、
導管中の流れを断つことなく導管に流体導管に流
量計ポートを設定することをいう。さらに、後で
の流体への質問（質問ないし測定信号の送受）
が、予定された経路に沿つて、例えばパイプ軸線
に対して45°で、または傾斜直径上で、または弦
に沿つて、あるいは軸線方向においてパイプから
予定された距離で行なわれ、その結果、流れ分布
のサンプルされた部分が面積平均流速に関して計
算可能で再現可能な関係を有するように、ホツト
タツブは異常に正確に配置されねばならない。

フレアスタツクヘツダにより与えられる敵対的
環境に加えて、たとえ機器が敵対的環境に抗する
ように設けることができるとしても、ヘツダ内の
ガス流特性が種々の理由で時間とともに迅速に変
わる可能性があるという他の困難性がある。それ
ゆえ、Lynnworth U.S.特許第4103551および第
3575050号に記載される超音波流量測定の代表的
応用は直接利用できない。これらの文献にあつて
は、流量が時間に関して比較的一定であること、
流体特性が激しく変わらないこと、媒体の組成お
よび／またはパイプを通過する音速が既知である
だけでなく、少なくとも測定機器の応答時間に匹
敵する間隔の間一定であることが一般に仮定され
る。また、隣接する流体要素が実質的に同一の流
体特性を有し、交叉した質問路を採用できるよう
にすることが仮定されることはしばしばある。

上流および下流向きになされた測定から受信さ
れる信号の振幅が同一であることもしばしば仮定
される。しかしながら、振幅は、質問路が上流に
向けられるか下流に向けられるかに依存して異な
ることが多いことが分つた。例えば、Journal of
the Acoustical Society of America，Vol66，
1213〜1215頁，1976年発行の U.Ingardおよび
V.K.Singhalの論文参照。

それゆえ、本発明の主たる目的は、特に収集ヘ
ツダまたは主フレア管における流れ条件のような
悪条件下で流動流体の種々の特性を確実かつ正確
に測定することである。

本発明の特定の目的は、導管中の経路を横切る
音響エネルギの伝播時間を測定する伝播時間測定
手段と、該伝播時間に応答して、前記伝播時間測
定時に導管中を流れる未知の比熱比を有するガス
の平均分子量を正確に決定する手段とを備え、該
決定手段が、前記平均分子量を決定するため、ガ
スの分子量と比熱比間の実験的関係を採用するこ
とを特徴とする導管中を流れるフレアガスの平均
分子量を決定する装置を提供することである。

発明の概要 本発明は、特にフレアガスの平均分子量を決定
する装置を提供する。

本発明は、０〜50フイート／秒の範囲を含む
種々の流量にて低濃度のキー成分を含むこの種の
ガス流を測定するのに特に有用である。本発明の
装置は、非常に低速、例えば０〜１フイート／秒
にて適当かつ有用である。本発明は、フレアスタ
ツクのような有害な環境におけるこのような低流
量にて特にその効果が顕著である。何故ならば、
従来、普通の（非音響式）流量計では、定常状態
条件においてさえこのような量を正確かつ実際的
に測定することはできなかつたからである。高速
度範囲を有する流量計は、それらの範囲の下端で
は不感知すぎたからである。従来の音響流量計
は、この種の応用には直接適応できない。加え
て、変動の迅速なずつと悪い環境下では、オリフ
イスプレートのような圧力降下装置は直線的に応
答しない。

特に、本発明は、フレアスタツクシステム（製
油所等における可燃性余剰ガスの大気放出処理設
備）の漏洩の検出および分析と関連して説明され
る。フレアスタツクシステムは、関連する安全放
出導管および安全放出弁を各々有する複数の処理
ステーシヨンを有する。安全放出弁は、処理ステ
ーシヨンから導管への放出を制御するように接続
されている。ヘツダ導管が複数の放出導管に接続
される。検出装置は、ヘツダ導管の第１の位置に
取り付けられた第１のトランスジユーサと、ヘツ
ダ導管の第２の位置に取り付けられた第２のトラ
ンスジユーサを有しており、第１トランスジユー
サと第２トランスジユーサ間に質問路が画定され
る。音響エネルギを放出するため、第１および第
２トランスジユーサを好ましくは後述のように交
互に励起するための回路が設けられている。回路
は、上流および下流向きにおいて第１および第２
トランスジユーサ間でエネルギを伝送するための
上流方向伝播時間および下流方向伝播時間を測定
する。励起および測定動作は、１秒間に少なくと
も10度以上の高度で伝播時間測定値を発生するよ
うに反復され、そして伝播時間から、流体内にお
ける音速を時間の関数として、また流体流速を時
間の関数として測定するための回路が設けられて
いる。それにより、安全弁中のガスの漏洩が検出
される。

漏洩検出装置は、さらに、流体中の音響速度か
ら、流体の返金分子量を時間の関数として決定す
る。これは、漏洩が生ずる特定の処理ステーシヨ
ンを識別するために採用できる。

漏洩検出装置はさらに、周知のNyquist規準を
満足させる周波数で励起および測定動作を繰り返
すことを特徴とする。この周波数は、予測される
音速変動および予測される流速変動の最高周波数
の２倍より大きい周波数である。流体を繁敏にサ
ンプリングすることにより、本装置および方法
は、時間平均流速の正確な測定値を提供できる。
これは、一般に流量の二乗平均値を生ずるオリフ
イスプレート、ベンチユリおよびその他の圧力降
下センサと著しく違つている。二乗平均（rms）
値は、相当の非定常成分を有する流れに対する真
の時間平均値より相当大きいことがあり得る。

本発明では、トランスジユーサをヘツダ導管壁
に取り付ける方法に工夫が施される。本方法は、
ヘツダをサービス下から取り除くことなく設置す
る。熱間タツピング手法が採用されるが、物理的
凹み付けまたはけがき交点により、導管外壁上に
トランスジユーサが取り付けられるべき位置を印
し、この凹みまたは交点を使用して出発構造体を
外壁上に位置づけし、構造体を外壁上に溶接する
諸段階を含む。ついで、出発構造体を案内として
側壁に孔を切除するため、機械加工または熱間タ
ツピング手法が遂行される。ついで、トランスジ
ユーサが、導管壁の準備された位置に、あるいは
軸線、または凹みまたはけがきされた交点により
画定された経路に沿つて取り付けられる。

印付けは、外部導管壁の中心ポンチまたはドリ
ル孔明け、および出発材料（構造体）を凹みに関
して位置づけるための位置孔を出発構造体に設け
ることを含むことができる。位置づけは、凹みに
関して位置づけられた出発構造体の位置孔に先の
とがつた位置決めシヤフトを通すことにより行な
うとができる。好ましくは、出発構造体は、その
底部が外壁の輪郭に合うように型づけられている
のがよい。

他の側面として、導管外壁上に凹み位置を印付
けし、整合線をけがきするため、例えばマイラの
型板オーバーレイが採用される。型板オーバーレ
イを導管に巻き付けたときマーキングが型板オー
バーレイの外側にあれば、オーバーレイのレイア
ウトでオーバーレイの厚さを補償できる。本方法
はさらに、凹みおよびけがき線の両方を使用して
出発構造体を位置づけることを含む。本方法にし
たがえば、ジグおよびスタブ組立体が溶接された
出発構造体にボルト付けされ、しかる後、スタブ
組立体が導管に溶接される。ジグはその後取り除
かれ、弁がスタブにボルト付けされる。その後、
標準的な熱間タツピング処理が行なわれる。

本発明の他の側面として、既存のフレアスタツ
ク設備では、一般に、ヘツダ導管へのアクセスが
非常に制限される。したがつて、トランスジユー
サを導管構造体内の適当な位置に挿入して上流向
きおよび下流向きの伝播時間を提供するため種々
の新規な方法が採用される。１側面として、本発
明の装置は、導管の単一の開口を介してトランス
ジユーサを取り付けることを可能にする。この装
置に依ると、取付け方で上流向きおよび下流向き
トランスジユーサを音響的に隔絶することができ
る。さらに、経路が傾斜半径であると、１ポート
または２ポート質問方式のいずれにおいても、ト
ランスジユーサおよびそれらの支持体の攪乱作用
は別として、メータフアクタ（追つて詳細に定義
される）は、層流に対して傾斜直径路に対するの
と同じ、すなわち0.7500、乱流に対してレイノル
ズ数の既知の関数である。

上流トランスジユーサおよび下流トランスジユ
ーサが導管中の別個のアクセス開口を介して提供
される場合、設備の制限された性質のため、導管
の弦を採用することを必要としよう。弦はまた、
全直径または全弦が長すぎパルス化信号に対して
過度の減衰を生ずる場合にも採用されよう。さら
に他の取付け形態においては、質問路は、導管内
壁からの反射を利用し、トランスジユーサ間に長
い質問路を提供することができる。この応用にお
いては、十分の反射特性を提供するため、１また
は複数の反射部材が取り付けられ、反射パルスと
関連する減衰または散乱を減じ、さらに信号の拡
散を減ずるのが都合がよい。好ましい具体例にお
いて、反射部材は、導管の内部に突出させ、反射
部材の自己清浄化を補助することができる。平均
分子量（MW）を得ることは下記のような利点を
もたらす。すなわち、導管内の流れ速度が低い状
況においては、導管網内における少量の漏洩を検
出することが困難である。これは、恐らく1000以
上のバルブインターフエースをもつような大規模
な導管網を有する製油プラントのような環境にお
いて問題である。フレアスタツクシステム内にお
けるMWについての情報は、どのバルブが漏洩し
ているかを決定できることが多い。例えば、MW
＝２であれば、漏洩バルブが純粋水素管上にあり
そうなことが、またもしもMW＝16であれば、漏
洩バルブがメタン（天然ガス）管上にありそうな
ことが決定できる。このようして、少量の漏洩で
も、それが音響速度ｃに影響を及ぼすから発見で
きる。

加えて、流速を測定していて、MWが２である
か58であるか（精製所フレアスタツクにおいて普
通見出される範囲）についての情報をもたなけれ
ば、エネルギ平衡を導くことは実質的に不可能で
ある。また、燃焼プロセスを完成させ、煤煙また
は黒煙を除去するに十分の空気を吸い込むために
正しい量の蒸気を導入することも実質的に不可能
である。質量流量も、ダクトの面積(A)、流速
（Ｖ）および平均分子量MWから計算される。こ
の計算は、平均分子量（MW）なしに遂行できな
い。

また、従来の理論に従うと、γすなわち、比熱
比は、気体の場合1.00ないし1.67の範囲のいずれ
かにあり得る。音響速度ｃ＝（γ×Ｒ×Ｔ／MW）
の平方根、ここでＲは万能気体定数、8.314J／
moleK、Ｔは絶対温度とする、であるから、ｃ
およびＴの測定から、γの不正確さのため、±
0.33／1.33＝±25％より小さい不正確さをもつて
MWを決定することは妨げられる。しかしなが
ら、本願発明における実験では、MWはフレアガ
スに対して２％の精度で決定できることが示され
た。これについては、第３図に提供される実験デ
ータとの関連について、後述する。

以上、本発明のフレアガスの平均分子量決定装
置について、その概要を説明したが、本発明は
種々の分野への応用が研究されつつある。これら
の応用分野としては、医学、生物学、自動車工
業、航空宇宙、軍事応用、海洋学、気象学、低温
学等の種々のものが挙げられる。これらすべての
応用分野における共通の分母は、それらが気体で
あれば液体であれ、音響速度、流体速度、信号の
減衰、流体の特性音響インピーダンス等に顕在的
または潜在的に急速な変化の発生が見られること
である。

医学または生物学の若干の応用分野において
は、呼吸のような基本的な現象が、温度ガス組成
および湿度の変化に関して非定常的で双方向性の
流れを有する。せきやしやつくり等の衝撃作用が
一時的な流れの反映であり、そして肉体的な活動
に対するレスボンスとして、ランプ態様および振
動態様の呼吸や血液の流れがあり得る。また、海
洋学や気象学においては、気流の混合や突風のよ
うな現象、雨や雪の風に対する影響等が、本発明
を応用し得る応用分野である。さらに、若干の低
温学的流れプロセスにおいては、異なる密度およ
び異なる音速の２種の液体が混合し、流速に無関
係な非定常的なすなわち可変の音速を惹起する。

本発明は、さらに、実質的に無変化で穏やかな
流体例えば室温における水のような定常的流体で
あると仮定されるものに対しても応用が研究され
つつある。このような応用にあつては、弁の設定
値の不注意な変化、制御素子の故障、偶発的熱入
力に起因して非定常的な流れが時折生ずることも
ある。それゆえ、本技術は、充填工程のほとんど
が一定速度で行なわれるが（すなわち流体流速が
一定）、充填工程の終了が緩速で行なわれるよう
なある種の充填作業（水または燃料のような液体
で容器を充填する作業）への応用も考えられる。
そしてこのような充填作業にあつては、作業者ま
たは制御システムが容器の充填を終えようとする
とき流速のトランジエントを生ずることがあり得
る。このような低速度では、熱入力または熱伝達
が高速度におけるよりも音速に影響を及ぼしそう
である。

ある種の航空宇宙および高性能エンジンの応用
分野においては、高ポンピング速度のため液体燃
料が加熱し、その結果音速が一定でなく、液体の
温度履歴および時間に依存する割合で減少するこ
とがある。音速の温度係数は普通数ｍ／秒／℃、
例えば−4m／秒／℃であるから、流体流速計算
に際して音速が一定であると仮定した場合、温度
の少しのただし定常的変化がこの計算に誤差をも
たらすことがあることは明らかである。かくし
て、上流および下流質問点間において音速が
1m／秒異なると、受信データの誤つた解釈が行
なわれることがある。すなわち、音速の変化が、
誤つて流速の変化として解釈される可能性があ
る。

好ましい具体例の説明 第１図を参照すると、石油製造設備が複数の処
理ステーシヨン１２ａ，１２ｂ，…１２ｎを有し
ており、ここで異なる製造プロセスないし処理段
階を遂行できる。普通これらの製造段階は相互に
接続され、配管および制御接続（図示せず）によ
り完全な製造プロセスを形成する。各処理段階は
単一の放出導管１４ａ，１４ｂ，…１４ｎを有し
ており、そして各導管は関連する安全弁１６ａ，
１６ｂ，…１６ｎをそれぞれ有している。これら
のステーシヨンからの放出物は、単一のヘツダ１
８で集められるが、このヘツダは、普通10〜20の
安全弁およびそれに接続された導管を有してい
る。さらに、他の製造ステーシヨンからの単一の
ヘツダ２０，２２および２４を段段大形のヘツダ
に集めることができ、全製造プロセスからの放出
物を単一の大形のヘツダ２６に集めることができ
る。ヘツダ２６からのガスは、高温の炎で、すな
わちバーナピツトで点火、燃焼でき、そこから環
境中に安全に排気できる。

本発明のこの具体例において、安全弁１６ａ，
１６ｂ，…１６ｎの１または複数のものが漏洩す
ることがあるが、一般に漏洩速度は小さく、問題
とならない。しかしながら、時折、多くの理由の
ため過度に漏洩し、種々のヘツダ中に相当の流れ
を生ずることがあり得る。ヘツダ中の流れの量な
らびにその含有物は、製造プロセスの効率ならび
にフレアシステムの安全性および効率を決定する
上での重要なパラメータとなり得る。したがつ
て、各ヘツダは、流量および、もし可能ならば導
管中のガスの含有量を決定することが望ましい。
それゆえ、この点に関し、本発明にしたがえば、
ガス流速測定および分析装置が採用されており、
導管中のガス流量ならびに質量流量を決定する。
そのため、各ヘツドは流量測定トランスジユーサ
装置２８に接続されており、そしてこの流量測定
装置は、ケーブル３０を介してマイクロプロセツ
サ制御測定分析決定装置３２に接続されている。

第２図を参照すると、音響流量計３４は、分析
および測定装置３２および測定システム２８を備
えており、導管すなわちパイプヘツダ４２中の流
体４２を介して上流および下流に超音波エネルギ
を測定装置３２の制御下で伝送するため、上流ト
ランスジユーサ３６および下流トランスジユーサ
３８を使用している。周知のように、流体の速度
を決定するためには、２つの測定が必要とされ
る。第１の測定は、超音波信号（超音波エネルギ
パルス）をトランスジユーサ３８からトランスジ
ユーサ３６へ向つて上流向きに送り、伝播時間
T1を測定することを必要とする。次に、音響信
号を、反対に下流向きに送り、両トランスジユー
サ間の下流向きの伝播時間T2を測定する。これ
らの２つの測定から、媒体中の信号の音速Ｃ、導
体中の流体の流速Ｖおよび、追つて詳細に説明さ
れるように質量流量MVを決定できる。

文献に十分に記述されているように、媒体内の
音速Ｃは、下記の式１により計算される。

Ｃ＝Ｔ／Ｄ （式１） ここでＴ＝（T1＋T2）／２は平均伝播時間、
Ｄは流路すなわちトランスジユーサ間の距離であ
る（厳格にいうと、Ｔ＝（T1＋T2−2TW）２、
ここでTWは流体自体内にない全遅延に等しい）。

さらに、周知のように、流速ＶはC²dt／2Dに
比例する。ここで、dtは記録されたトランジツト
タイムの差、すなわちdt＝T1−T2に等しい。

さらに、発明者は、所与の温度で、ガス中の音
速Ｃは、比熱比が分子量に無関係でないガスに対
しては、ガスの平均分子量を表わすことを見出し
た。分子量の相関関係は、通常の動作においてフ
レアシステムに見出されるパラフイン系炭化水素
の種類について確認された。さらに、入手できる
データは、オレフインおよびジオレフインに対し
て類似の相関が存在し得ることを示唆している。
さらに、接触分解ガスに関する実験データは、音
速および分子量間の相関は、既知の温度では芳香
族生成物についても有効であることを指示してい
る。それゆえ、音速および流体の速度の音響測定
値ならびに温度および圧力情報に基づき、少なく
とも数種のガス組成物に対して、流体中の音速お
よび分子量間の従来未知の相関関係により、約１
％の精度で質量流量を決定することができる。そ
こで、音速測定値と流速とで、周知の式を含む計
算より質量流量値が得られる。

平均分子量の決定 所与の温度および圧力にてかつ数種の炭化水素
ガス混合物についてガス中の音速を比較する実験
データから、音速と分子量を相関づけることがで
きる。第３図を参照すると、例示される実験的関
係を近似する１つの式が成立する（約70の範囲の
分子量に対して）。すなわち、 MW＝log^-1（7.012−1.836〔logC〕） （式２） ここで、MWはガスの分子量ｂ／モル、Ｃはガ
ス中の音速ft／secである。

音速は温度とともに変わるから、異なる温度の
ガスに対しては異なる音速を測定することがあり
得る。フレアガス炭化水素混合物に典型的な１組
のデータを第４図に提示する。式２の分子量相関
を使用するため、温度を修正することが望まし
い。第４図のグラフの近似は次のようになる。

Tc＝（2.11×10^-8）Co₂＋（7.5×10^-4）Co
（式３） C₁₀₀＝Co−Tc（To−100） （式４） ここで、Tc＝音速の温度係数 Co＝観測された音速fps To＝ガスの温度 C₁₀₀＝100〓におえる音速fps そこで、下記の式により質量流量を決定でき
る。

すなわち、 Ｍ＝Vo×MW／359×460＋32／460＋To×Po／14.7×D²×
π／４×3600（式５） ここで、Ｍ＝質量流量 Vo＝観測された速度fpt Po＝観測された圧力psia 式３および４を組み合わせると、 Cc＝Co−〔（2.11×10^-8）Co₂＋（7.5×10^-4）Co〕（
To−100）（式６） 簡単化し、式２，３，４および６を結合すると MW＝10^7.012．Cc （式７） 式７を巾級数により近似すると、 Cc^1.836＝637.194〔１−1.836（1.450−Cc／1.450） ＋0.767448（1.450−Cc／1.450）²＋0.041954（1.450−
Cc／1.450）³＋0.012213（1.450−Cc／1.450）⁴〕（式
８） 式５は下記のように書き換えることができる。

Ｍ＝Vo×10^7.012／Cc^1.836×1/359×492／460＋To×Po
／14.7×D²×π／４×3600（式９） 音速Ｃおよび観測された温度Toを、フレアス
タツクヘツダ内のガスの分子量したがつて質量流
量Ｍに関係づける上に提示された実験結果は、
PV〓＝一定で始まり、 PV＝RTまたはＰ＝ρRT （式10） となる。ここでＰは 絶対気体圧力、Ｖ（＝１／ρ）は気体比体積、
γ＝Cp／Cvは理想気体は比熱比、Ｒは気体定数、
Ｔは絶対気体温度である。

また、ガス中の音速Ｃは次式から計算できるこ
とも周知である。

Ｃ＝（γRT／MW）^1/2 （式11） ここで、MWはガスの平均分子量である。一般
に、γは約1.0〜1.67の範囲である。かくして、
任意に1.33に等しいγを選択すると、つねに約33
％の精度内でガスの平均分子量を計算することが
できる。上述の実験的相関により、平均分子量決
定の精度を１または２％に改善することが可能と
なる。

換言すると、より高い精度が必要とされる場合
は、式11はγが既知であることを必要とする。他
方、ヘツダ１８，２０，２２，２４内に存在する
ガスは未知であり、したがつて、式11から、分子
量の計算は、ガス内の音速およびガスの比熱比両
者の関数となると思われる。しかしながら、フレ
アスタツク環境において関心のあるガスについて
は、γおよび分子量は独立のパラメータでなく相
互に関係するものであることが分つた。かくし
て、石油精製の場においては、分子量MWおよび
γは、両者とも音速に関係づけられ、したがつて
相互にも関係づけられることが分つた。それゆ
え、MWは、MWおよびγが独立変数でない程度
において、かつ、それらの関係が単純な値化され
ている程度において、単にＣ（およびＴ）から計
算できる。説明を簡単にするため、第５図に例示
されるγと分子量との実験的関係は、下式により
近似できる。すなわち、 γ＝aMW＋ｂ （式12） 次に、式11および12を使用して、MW＝
（aMW＋ｂ）RT／C²、これからMW＝（bRT／
C²）／（１−aRT／C²）、それゆえ、ガスＣ中の
音速および流速Ｖの両者を測定するためにインタ
ーバロメータ（超音波エネルギパルスが流体中を
伝搬する時間間隔を決定する測定器）を使用する
と、計器は、MWの値、ついでγの値を決定でき
る。

熱間タツピングに依る音響トランスジユーサの取
付け 第２図を参照して説明すると、音響流量計を設
置するための第１段階は、ガスが移動するパイプ
または導管（すなわちヘツダ）上の精確な位置に
感知トランスジユーサを正しく位置づけることで
ある。普通、導管は、すでに適所にかつ互いに近
接して位置づけられている。さらに、トランスジ
ユーサの取付けは、ヘツダ内の通常のガス流と干
渉することなく行なわれなければならない。その
結果、構造およびカツテイング部材を導管壁上に
精確に配置された中心位置から整列させることを
基本とする新しい取付け手法を使用する熱間タツ
ピング技術が採用される。

本発明にしたがえば、関係のある特定のパイプ
寸法に対して印を付した型板４４（例えばマイラ
オーバーレイ）が用意される。パイプの頂部を見
つけ、「整合マーク」を使つて型板をパイプの回
りに巻き付ける。ついで結合の中心位置（後で使
用される）に、センタポンチで、またはけがき線
の交点により印を付けることができる。他の具体
例では、輪郭形成管表面に垂直に真位置穴をドリ
ル明けしてもよい。

第７図を参照すると、ボス５０は、ジグ５２を
正確に位置づけるのに採用され、ジグ５２はパイ
プスタグ５４を溶接のため適所に保持するのに使
用されるものとする。各パイプ寸法に対するボス
が、種々の形式の傾斜ホツトタツプすなわち90°、
63°または45°のタツプに対して用意される。整列
は、少なくとも２つの手法にしたがつて行なえ
る。１つの手法においては、ボスは、マイラーオ
ーバーレイからパイプに転写されたけがき線を使
用してパイプと整列される。本発明の第２の手法
にあつては、ボスは、導管の表面と整合するよう
に輪郭を形成される。いずれの手法においても、
普通ボス底部の輪郭形成表面の中心にて該表面に
垂直にボス中にドリル孔明けされた位置づけ孔５
３が、ボスに対する規準取付け位置を提供する。
かくして、針のような先の尖つたロツドが、位置
づけ孔５３を介してパイプ上の凹み（センタポン
チにより形成された）に滑入される。この位置づ
け点と、ボスの輪郭形成表面（第２の手法にした
がう）とで、ボスを独特のやり方で位置づける。
いずれにしても、ボスはパイプに仮付け溶接その
他の方法で堅固に取り付けられる。

次に、ボスの回りに嵌め合いカツプリング６０
が位置づけられる。このカツプリングは、普通、
素材片の滑合フランジ６４が溶接されたノズルな
いしスタブ５４の溶接組立体であり、滑合フラン
ジ６４には、プレス嵌め状態で孔が穿たれてい
る。スタブの端部６６をパイプ壁の輪郭と嵌合す
るように切除するため、型板が採用される。スタ
ブ端部はついで傾斜がつけられる。

ジグ５２はついでスタグ５４にボルトで結合さ
れ、そしてボルト付けされ溶接されたカツプリン
グ組立体６０は、ボスにボルトで結合される。ボ
スは、パイプに関して適正な配向を維持するた
め、必要に応じて両側でパイプにゆつくり溶接さ
れる。（他の具体例では、嵌め合いカツプリング、
スタブ５４は、導管と接触させてスタートブロツ
クすなわちボス５０の回りに直接位置づけ、そし
て例えば溶接により接続されている。）この代り
の例についての詳述は、Advance in Test
measuement，Vol.20，Instrument Society of
America，1983年５月発行のWarburton及び
Lynnworthの「Hot Tapped Vltorasonic
Flowmeter Ports in Hot Steel Pipe」と題す
る論文に見出される。溶接後、ジグは除去され、
溶接部が試験され、弁が取り付けられ、そして熱
間タツピングがなされる。

熱間タツピングは、ホツトタツプマシンの弁お
よびパツキング押えを介してドリルを挿入し、つ
いでパイプを貫通することにより実行できる。つ
いで、ドリルを弁およびパツキング押えを介して
引き出し、次いで、クーポン（パイプ壁から切除
された部片）を捕捉するのに適当な装置を備える
長孔のこぎりまたはカツタ片が設置される。パイ
プ壁の切断がなされ、クーポンが引き出され、そ
してタップはセンサの取付けの用意が整う。つい
で、センサが斯界で周知の態様で取り付けられ
る。しかして、カツプリングの内部ねじは、テフ
ロンテープその他の受け入れられる封止材で封止
される。ついで、第２のトランスジユーサが、対
応する相対する位置に取り付けられる。この手法
は、マシンシヨツプまたは現場サービス部隊で
「活」パイプでも空のパイプでも実施できる。本
方法が利益があることは、入手し得る工場スライ
ス盤またはボーリング盤に比して非常に大形のパ
イプの場合全く明らかである。

音響トランスジユーサの取付け位置 次に第８ａ〜８ｑ図を参照して説明すると、音
響トランスジユーサすなわちセンサは、普通、製
造設備に既存の導管すなわちパイプ６０上に取り
付けられる。製造設備は、普通、近接離間された
複数のパイプを有しており（第８図参照）、トラ
ンスジユーサの取付けに少しの余裕しかない。

トランスジユーサの幾何学的関係は自在的であ
り、数種の幾何学的形態を満足に使用できる。代
表的形態として、(a)側面中央45°傾斜経路（第８
ｂ〜８ｄ図）、(b)上面中央45°傾斜経路（第８ｅ〜
８ｇ図）、(c)側面中央45°−90°経路（第８ｈ〜８
ｊ図）、(d)側面中央63°−90°経路（第８ｋ〜８ｍ
図）、およびパイプを45°で横切る90°バイアス経
路（第８ｎ〜８ｑ図）が挙げられる。これらの
種々の形態の使用は、一部は取付け者が利用でき
る特定の幾何形態に依存する。加えて、パイプの
幾何形態に依存して他の変形も使用でき、例えば
経路はパイプ軸線と平行とし得る。

第１の形態、すなわち従来の傾斜直径すなわち
側面中央45°傾斜経路（第８ｂ〜８ｄ図）は、恐
らくもつとも有用性が大きい。トランスジユーサ
は、パイプ内壁またはその近傍に位置し、軸方向
成分Ｌを有する傾斜直径路に対する音速値を提供
する。

しかしながら、トランスジユーサはまた、ガス
特性により指示されるところにしたがつて、パイ
プ直径に関して異なる位置に配置することもでき
る。すなわち、音響経路が長すぎる程大きいパイ
プの場合、またはパイプに対するアクセスが限定
されて側面中央45°傾斜経路が使用できない場合
には、一方をパイプの中央に移動したり（第８
ｈ，８ｉ，８ｊ図）、両者を中央に向つて内方に
動かしたりしてセンサを接近させることもでき
る。弦を使用することもできる。また、パイプ側
壁の普通の配置では音響経路が短すぎるような小
形のパイプの場合には、センサをパイプスタブ中
に戻したり、多重反射（第９図）を使用したりで
きる。トランスジユーサを引込ませるのは、流路
を一定に維持しながら異なる直径のパイプの流れ
を測定する１つの方法である。

隣接するパイプがアクセスを制限する場合、層
流および乱流両者において高精度を得る可能性の
かなり高い第２の形態は、上面中央経路（第８
ｅ，８ｆ，８ｇ図）である。トランスジユーサ
は、パイプ壁の上面中央位置またはその近傍に取
り付けられる。１つの組合せとして、パイプタブ
は、パイプに対して約63°の角度に位置づけられ、
トランスジユーサの軸線（この例示の具体例にお
いては質問路６９と同軸と仮定される）とトラン
ジスタホルダ管７１ａの軸７１間の角度が150°と
なるようになつている。他の形態では、スタブ軸
線はパイプに垂直である。これは熱間タツピング
に容易な幾何形態である。いずれの形態において
も、センサはパイプを横切つて一定角度で、普通
45°で配置される。いずれの形態においても、測
定は、上述のように、上流向きおよび下流向きに
交互に質問することにより行なわれる。

いずれのパイプ取付け形態が採用されるにせ
よ、測定値をメータフアクタと呼ばれるものに関
して適正に較正するように配慮がなされねばなら
ない。このフアクタは、サンプルされた流量を、
種々の流れ断面分布でパイプ中を流れる流体の面
積平均流量に関係づけるものである。乱流の場
合、パイプの中心近傍の流体の流速は、パイプの
内側またはその近傍の流速より大きい。それゆ
え、パイプの中心軸線にある軸線方向流路では、
測定された流量を減ずることを必要とし、すなわ
ち１より小さいフアクタを掛けることを必要と
し、内壁近傍の軸方向測定値は、測定流量が増大
されること、すなわち１より大きいフアクタを掛
けることを必要とする。例えば、従来のパイプ側
面中央45°の傾斜経路に対するメータフアクタＫ
は周知であり、乱流に対して次のごとくである。
すなわち、 Ｋ＝（1.119−0.011ogRe） ここでReはレイノルズ数である。

上に言及されるメータフアクタＫは、サンプル
される流路の平均速度と面積平均流速との対比に
依存する。例えば、傾斜弦の場合（第８ｎ，８
ｐ，８ｑ図）に対して、メータフアクタＫは少な
くとも３つのフアクタに依存する。すなわち、軸
線から経路を含む平面までの距離、垂直中心線の
回りに対称的に分布され得る投影経路長およびレ
イノルズ数である。分布したがつてメータフアク
タに影響する他のフアクタは、パイプの粗さ、ト
ランスジユーサそれ自体、上流条件等である。

第８ｎ，８ｐ，８ｑ図の傾斜弦経路の場合、お
よび14.5インチの内径を有する滑らかな壁の直線
パイプの場合、メータフアクタは下記のフアクタ
で計算できる。経路が、垂直中心線の回りに水平
な平面内にあり、端面図で12インチの投影経路長
を有し、そしてプローブそれ自体に起因する分布
の乱れが無視できるものとすると、10⁵のレイノ
ルズ数でメータフアクタは0.89となる。このＫの
値は、水平弦経路が両壁まで延びている場合に比
し、約11％小さい。後者の経路の場合、周知のよ
うに、Ｋは層分布および乱流分布両者に対して、
Ｋは実質的に１である。

第９図を参照して説明すると、上述のように、
液体中の質問路が十分に長くないことがあり、そ
の場合質問路を実効的に長めるためにパイプ内面
からの反射を利用することがある。同じ形態は、
パイプへのアクセスが例えば埋込みパイプのよう
に一側のみに制限される場合にも必要とされる。
第９図においては、特別の反射器７２，７４，７
６が「フローセル」内に導入されており、(a)きれ
いな状態に保たれるか保守作業により容易に浄化
されるステンレススチール、テフロンまたはチタ
ンのような物質より成る反射器により十分の反射
を得るか、(b)反射器が不存在の場合に実際にあつ
た限界を超えて質問ビームの有効軸線方向投影線
を増すようになされている。例示の具体例におい
ては、折り曲げ質問路上に３つの反射器が設けら
れているが、他の具体例においては、これ以上ま
たはこれ以下の数の反射器を採用し得る。反射器
７２は、ステンレススチールとしえ得るものであ
るが、フローセル内から（例えば開口７７を介し
て）取り付けられ、パイプ壁７８の逆くり孔によ
り捕捉される。パイプは普通炭素鋼であるが、あ
る応用ではガラス繊維その他の材料から作ること
ができる。溶接シンボル８０は、漏洩を防ぐため
に反射器を壁部に固定する好ましい方法を指示し
ている。

反射器７４は同様の方法で捕捉固定してもよい
し、エポキシにより適所に保持し、密封を維持す
るように従来のＯ輪（図示せず）と協働させても
よい。第３の反射器７６は、パイププラグ８２の
延長部分である。プラグ８２は、カツプリング８
４に除去できるように取り付けられ、そしてカツ
プリング８４はパイプ壁に溶接できる。端面図
（第９Ａ図）は、反射器が流れ中に若干突出して
いる状態を示している。この突出は意図的なもの
であり、流動流体の浄化作用を増すように設計さ
れている。他の場合には、反射器をパイプ内面と
同一平面にしたり、パイプ内面から凹ませたりし
てもよい。

実際に、反射器の平坦な反射面（面８６のよう
な）の直径ｄまたは最大の主寸法の好ましい上限
は、トランスジユーサポート８８および９０に形
成されるトランスジユーサ孔の直径の２倍に等し
い。

導管が一側からしか利用できない場合や反射器
を採用する「Ｖ」字型経路が、例えば擾乱や吸収
に起因する流体中の減衰のために長すぎる場合に
は、トランスジユーサ３６および３８を担持する
挿入可能なプローブ９２を採用できる。プローブ
９２は、単一の開口を介して導管中に挿入され
る。挿入可能なプローブは、タービン流量計、ピ
トー管および運動量装置等との関連において周知
であるが、超音波流量計において特に有利であ
る。何故ならば、このプローブは、可動部品を有
せず、詰りがなく、応答が迅速であり、高精度を
有するからである。一方、超音波挿入プローブと
関連する特に困難な問題は、送信要素を受信要素
から音響的に隔絶することである。プローブにか
かる流体力に抗し、また、装置に対して小直径ポ
ートしか得られない場合に渦巻の発生により誘起
される振動に起因する疲労や故障を避けるために
強い支持が必要とされるため、送信器および受信
器間の距離は余り大きくない。この結果、例示の
超音波挿入プローブは、トランスジユーサ間の最
大の音響的隔絶を提供するように構成されてお
り、十分の音響的隔絶を提供するため異なる音響
インピーダンスの交互の材料、繊維状材料のよう
な高減衰のガスケツトまたは封止材、隔絶される
べき部品間の接触面積の最小化、迂回減衰路部材
を採用している。

第１０図には、これらの隔絶原理を組み合わせ
た挿入式流量計構造体が示されているが、この構
造体にあつては、トランスジユーサ３６および３
８がスエージ型取付具９２，９４にエポキシ接着
され、そして該取付具は、金属製またはより良好
な隔絶性を得るためテフロンフエルール（接合部
を固定するためのブツシング）を採用することに
より円筒状表面を封止している。ある場合には、
ロツドまたは支持管９８の回りに迂回路部材９６
が設けられよう。フエルールは迂回路９６を封止
している。

構造体のできるだけ多くのものと接触させた減
衰材１００を導入することもできる。迂回路部材
９６は、適当にスエージ加工された薄い管の回り
に金属フエルールを封止する手段を提供してい
る。しかして、迂回路部材内の構造部材すなわち
支持管は、標準的な締付け作業では、安全封止に
所望される程度のスエージ変形が達成されるのを
阻止するような厚さの壁とし得る。音響経路１０
２を介しての尋問から面積平均流速を正確に決定
するには、通常の較正、適当なメータフアクタの
選択、質問経路の幾何形態の精確な情報を必要と
する。

電気的機能 例示の目的のためやはりフレアスタツクシステ
ムを使用して説明すると、電気的分析および測定
装置３２は、複数のフレアスタツクヘツダから信
号データを受信し、体積流量および質量流量に関
する出力情報を各ヘツダに対して時間の関数とし
て供給する。流体の性質を表わすパラメータが迅
速に（例えば10Hzの速さで）変化しつつあると
き、流体媒体中の音速および流速の正確な測定値
を提供するためには、電気装置は上流向きおよび
下流向き伝播時間を迅速かつ反復的に測定する。
したがつて、例示の具体例においては、トランス
ジユーサ３６および３８を使用しての音響的質問
は、約８回／秒の割合で、好ましくは交番的に行
なわれる。そのため、質問の方向は、１秒当り約
８回の割合で変化し、迅速な圧力および媒体組成
の変動に拘らず正確な測定値を供給する。かくし
て、この例においては、音響信号の逆転は、音速
または流速の最高有意周波数の変化割合の２倍よ
りもかなり速い。これは、Nyquist規準を満足さ
せる「サンプリング」速度を提供する。

Nyquist規準を満足させるように設定された他
の迅速質問パターンも採用できよう。

例示の具体例において、「交番」という言葉は、
本発明との関連において、質問経路を上流向きか
ら下流向きに変化させることを記述するために使
用されている。しかしながら、重要なことは、有
限の（普通少ない）回数ｎの質問が所定の方向で
行なわれた後方向を変えることを含むことをも意
図することである。事実、パルスが普通のガス充
填導管の0.3〜1mを横断するのに要する数ミリ秒
内において、励起されたトランスジユーサが平常
状態の受信トランスジユーサとして振舞うに十分
鎮静化されるほどトランスジユーサが十分に減衰
されていれば、「交番」という言葉は両トランジ
スタを同時に付勢することをも含むことができ、
受信されたパルスは、導管内における実質的に同
じ流体部分をサンプルしたことになろう。ここで
鎮静化とは、流体中で生まれる音響圧力パルスの
受信で発生されるレベルの少なくとも20dB以下
のレベルへの低下をいう。かくして極端な場合、
方向の交番とは、上流−下流トランスジユーサの
同時励起を含むこともあり得る。いずれにして
も、上述のように、大事なことは収集されたデー
タがNyquist規準を満足するサンプリング割合で
得られるということである。

また、ここで使用される「パルス」という言葉
は、振幅、位相または周波数においてコード化な
いし変調でき、かつ所与の時間間隔中導管中の所
与の空間を連続的でなく反復的に占有するという
ことができる音響エネルギパケツトを意味すると
いうことを確認することも重要である。かくし
て、極端な場合、「パルス」という言葉は、整合
波法を使用して周期的に変調、受信される持続
波を含む。

本発明のマイクロプロセツサ制御の電気的装置
３２は、１つのトランスジユーサからのパルスの
送信と、必須ではないが一般に異なるトランスジ
ユーサにおける受信との間の時間間隔を精確、忠
実しかも迅速に測定するように設計されている。
例示される電気的励起信号は、第１１図の線ａに
例示されるパルスのごとき時限パルス１０４であ
る。伝送される音響パルスは、トランスジユーサ
共振およびトランスジユーサハウジング共振に起
因して周波数が比較的狭く、受信パルスは、さら
に流体による減衰波により影響されて、第１１
図の線ｂに例示されるようなパルス外観１０６を
有する。このパルスは、比較的に緩やかに増大す
る振幅を有することが多い。すなわち、ピーク対
ピークの振幅差は、適当な広帯域トランスジユー
サを作ることが不可能なこと、ノイズ低減のため
の意図的な狭帯域化、媒体による波、またはこ
れらの理由の組合せのため比較的小さい。本発明
の他の具体例においては、他の音響励起、例え
ば、変調持続波信号、方形波信号バースト、切頭
型ガウス曲線（頭部が切られた形状のガウス曲
線）波形またはcosⁿ波形（ここにｎは正数）によ
り変調された正弦波信号等のごときものを採用し
得よう。これらの場合には、電気回路は、異なる
励起信号を受け入れるため必然的に異なるものと
なろう。

第１１図の線ｂに示されるパルスの場合、パル
スは約10の「Ｑ」を有し、パルスの開始時近傍の
振幅ピーク対ピークの振幅差は、ほんの10％、す
なわち約1dB低であろう。したがつて、小量の雑
音その他の干渉があると、振幅スレツシヨルドア
ーミング手法は容易に打破されることがあり、ア
ーミング（動作準備完了）後、最初のＯ交叉でパ
ルス信号の到達時間が決定される。上述のよう
に、第１１図の線ｂのパルスの形状は、主とし
て、例えばパイプ壁の構造体やパルスが通過する
層状媒体の共振作用、あるいは超音波パルス伝送
および受信に使用されるトランスジユーサの固有
の共振に起因して起こる。物質の固有の共振も、
受信される信号パルスの形状に影響を及ぼすこと
がある。

したがつて、受信信号の振幅のみに基づく普通
のスレツシヨルドアーミング方法は、狭帯域の信
号に十分に確実性がない。上述のように、約10の
Ｑを有する信号に対しては、１つのサイクルから
次のサイクルの振幅の変化は、約10％すなわち
1dBを越えない。それゆえ、受信信号のジツタが
1dBを越えると、従来の振幅基準アーミング方法
が使用された場合には、誤つたサイクルで不正に
動作準備状態におかれることがしばしばある。

それゆえ、本発明にしたがえば、異なつたアー
ミング方法および装置が採用される。第１２図を
参照すると、本発明の具体例においては、トラン
スジユーサ１１４は、線１１８を介して受信出力
信号を供給する。トランスジユーサ１１４は、ヘ
ツダ内に取り付けられた複数のトランスジユーサ
を表わす。下に説明される電気回路に対応する電
気回路が、各トランスジユーサとの関連において
採用される（あるいは同じ回路がスイツチで切替
接続される）。例示の具体例において、受信信号
は、自動利得制御回路１１９により処理され、整
流回路１２０により半波整流される（本発明の他
の具体例においては全波整流される）。整流出力
は、線１２２を介して積分回路の出力１２８を各
パルス毎に予定されたスレツシヨルド値と比較す
る。積分回路の出力がスレツシヨルド値と交叉す
ると、装置は動作準備状態に置かれ、そして事象
検出器１３０（ここではＯ交叉検出器として示さ
れる）は、線１３１を介して入力受信信号の次の
事象（次のＯ交叉）を検出する。整流は、全波で
も半波でもよいが、本発明の好ましい具体例にし
たがえば半波整流が好ましい。ここに採用される
特定のアーミング方法および装置は特に動作確実
であり、後述のように雑音およびジツタにかなり
不感知である。

本積分スレツシヨルドアーミング方法および装
置に依ると、第１１図、線ｃに見られるように、
受信信号の整流結果は、振幅が最初増大しついで
減少する複数の半サイクル正弦波１３４である。
本具体例に依れば、エネルギパルスの実際の到達
時間を決定するのに使用されるＯ交叉（または他
の事象）をマークするのに採用されるのは、例え
ば受信信号の各（正）の半サイクルの下の面積の
累積値である。

次に第１３図を参照して説明すると、本発明の
特定の好ましい具体例において、積分回路１２４
は、演算増幅器１５２と、その負入力１５５に至
るフイードバツク回路に接続されたコンデンサ１
５４を含む。増幅器１５２の正入力１５６は接地
されている。ポテンシヨメータ１５７と直列の抵
抗１５８を採用するオフセツト調節器が、増幅器
１５２のＯ設定を行なう。

演算増幅器１５２の負の入力端子１５５に対す
る入力信号は、整流回路１２０から得られる。回
路１２０は、入力端子１６４，１６６（端子１６
６は接地されている）から入力を受け取る変圧器
１６２を備えており、整流器１６８から線１７０
を介して整流出力（半波整流）を供給する。抵抗
１７２は、増幅器１５２がその直線動作領域にな
いとき、バイアス回路１７３に対して負荷を提供
する。バイアス回路１７３は、ダイオード１６８
に対する温度補償を行なう整流ダイオード１７３
ａを有している。両ダイオード１６８および１７
３ａともシヨツトキーダイオードである。

本発明に依ると、積分回路１２４は、受信パル
ス信号の半サイクルを積分する。雑音の問題を減
じ受信パルスの開始時における積分回路の出力を
０にするため、積分回路は、入力信号パルスの受
信が予想される直前迄リセツト状態にある。リセ
ツト機能は、エミツタおよびコレクタがコンデン
サ１５４に接続されたトランジスタ１７４を使つ
て提供される。ターンオン（すなわちリセツト）
にて、積分回路の出力は約−0.1Vに傾斜する。
これは約0.1〜0.2ミリ秒かかるが、その時間はポ
テンシヨメータ１５７により設定される。トラン
ジスタ１７４の状態はそのベースの信号により制
御されるが、この信号は、トランジスタのターン
オフ時、エネルギパルスが得られることが予測さ
れる受信窓に対応する。積分回路１２４は、トラ
ンジスタ１７４のターンオフで、線１７０上の整
流信号を積分する。

雑音不感知性は、さらに、不感帯、すなわちそ
れ以下では入力信号を積分しないスレツシヨルド
電圧の設定により向上される。例示の具体例にお
いて、不感帯は、ダイオード１６８に対して必要
とされるターンオン電圧、シヨツトキーダイオー
ドの場合、普通約0.4〜0.5Vである。この電圧は
さらにバイアス回路１７３により有効に減ぜられ
る。

受信ゲート信号は、線１８０を介して得られ
る。ゲート信号はインバータ１８２により反転さ
れ、トランジスタ１７４に供給される。積分回路
１２４の出力は、抵抗分割器から線１８４を介し
て得られ、コンパレータに結合される。コンパレ
ータ１２６はコンパレータ集積回路１８６を採用
しており、その一方の入力は線１８４を介して積
分回路の出力に接続され、その他方の入力はポテ
ンシヨメータ１８８の出力に接続されている。ポ
テンシヨメータ１８８は、基準電圧と接地間に接
続されている。コンパレータ出力はアーミング信
号（動作準備完了信号）であり、ゲート回路１９
０を介して線１９２上に現われる。この信号は、
積分回路１２４からの積分信号がポテンシヨメー
タ１８８により決定されるスレツシヨルド値と交
叉するとき状態を変える。

第１４図を参照すると、線１９２を介して供給
されるスレツシヨルド回路の出力、すなわちアー
ミング信号は、積分値がスレツシヨルド値と交叉
して出力信号状態を変えるときのみアーミング状
態を指示する。「この状態の変化」により、事象
確認回路、ここではＯ交叉検出器１３０は動作を
可能化される。検出器１３０はフリツプフロツプ
２００を採用しており、該フリツプフロツプは、
最初に動作可能化状態に置かれるとき、リセツト
状態にある。フリツプフロツプ２００は、線１８
０（およびインバータ２０２）を介して供給され
るゲート窓信号によりリセツトされている。フリ
ツプフロツプ２００は、線２０４からの信号によ
りクロツクされるとき、トランスジユーサにより
発生される受信信号のＯ交叉を指示し、線２０６
を介して供給されるフリツプフロツプ２００のＯ
交叉信号出力は、受信パルスの到達時間を設定す
るため、マイクロコントローラ２２０を含む他の
回路に供給される。

Ｏ交叉検出器１３０はさらに、コンパレータ集
積回路２３２を有するゲート付コンパレータ２３
０を採用しており、該コンパレータの一例は、線
２３４を介して供給されるトランスジユーサから
の電気的パルス受信信号を受信している。ゲート
２３５は、線１８０を介して供給されるゲート信
号により動作を可能化される。線２３４上のパル
ス信号は、自動利得制御（AGC）回路を通過し
たものであり、監視されつつある物理的媒体に変
化が生じても実質的に一定の入力信号振幅レベル
を供給する。

Ｏ交叉検出器は、Ｏ交叉検出精度を改善するた
め変化するスレツシヨルドレベルを採用する。動
作に際して、信号が存在しないと、Ｏ交叉検出器
コンパレータ２３０の出力は、線２３６を介して
MOSFET２３８を「オン」状態に維持する。そ
れによりスレツシヨルドレベルは、アーミングレ
ベルポテンシヨメータ２４０により設定される。
例示の具体例において、この静止レベルは０でな
い正電圧である。その後、信号パルスが受信され
ると、コンパレータ２３０はその出力信号の状態
を変え、静止スレツシヨルドレベルを越える。こ
のため、MOSFET２３８はターンオフされ、可
変抵抗２４２はポテンシヨメータ２４０と直列に
入る。スレツシヨルドレベルはそれにより有効に
降下される。しかして、可変抵抗２４２は、ポテ
ンシヨメータ２４０の抵抗より相当大きい抵抗を
有している。かくして、入力信号が０に近づき正
電圧から負電圧に向うとき（スイツチ２４４が例
示の位置にあるとき）、線２３６上の信号状態の
変化により低位のスレツシヨルド交叉がマークさ
れる。フリツプフロツプ２００をクロツクする働
きをするのはこの状態変化であり、それにより、
線２０６上の信号によつて、線１９２上のアーミ
ング信号が受信された後発生する最初の負向きＯ
交叉をマークする。スイツチ２４４は、反対の位
置にあつては、インバータ２４８をコンパレータ
２３０の出力と直列に入れ、それによりポテンシ
ヨメータ２４０により設定されるスレツシヨルド
レベルにて負から正に向うＯ交叉が検出される。

以上本発明をＯ交叉検出器との関連で説明した
が、準備完了状態（アーミング）後時間を測定す
る実際の点は、種々の信号スレツシヨルドレベル
の任意のものとし得ることが分ろう。例えば、到
着時間と決定されるレベルは、任意の都合のよい
絶対信号レベルでもよいし、ピーク信号レベルの
何分の一かでもよいし、特定のサイクルの最大値
より大きい値、例えばアーミングに続く最初のサ
イクルのピーク値より50％大きいレベルであつて
さえよい。この最後の方法は、信号対雑比が特に
高精度を得るのに十分大きい点にて時間を測定す
るのに選択できる。

このようにして、積分スレツシヨルドレアーミ
ング技術は、線１１８から受信される各信号パル
スの同じサイクルで事象検出器を正確に、忠実に
かつ反復的に動作準備状態におく。

トランスジユーサ、媒体および質問構造体によ
り広帯域の音響パルスの受信が可能となるような
具体例にあつては、より従来的なアーミング方
法、例えば固定振幅スレツシヨルドやピーク振幅
の一定パーセントを採用できる。

自動利得制御 例示の具体例に依ると、自動利得制御回路１１
９は、迅速に増大する振幅および迅速に減少する
振幅の両方を有する信号のエンベロープを追跡す
ることができる。第１５図において、例示の回路
１１９は、両設定可能なゲート付きピーク検出器
３０２、記憶素子３０４（普通コンデンサであ
る）、スイツチ３０６および３０８、フイードバ
ツクループに積分用コンデンサ３１１を有する差
動「チヤージドポンプド」積分回路３１０および
利得制御増幅器３１２（利得は線３１４上の自動
利得制御信号レベルにより制御される）を有す
る。利得制御増幅器の入力は、例えば液体内の超
音波パルスエネルギを受信するトランスジユーサ
１１４からの「生の」入力信号である。トランス
ジユーサの出力は、線１１８を介して利得制御回
路１１９に供給される。かくして、線１３１上の
利得制御増幅器の出力は安定化信号出力であり、
この出力は、就中、整流回路１２０およびＯ交叉
検出器１３０に供給される。この安定化信号出力
は、両設定可能なゲート付検出器３０２にも供給
され、そして自動利得制御増幅器はフイードバツ
クループ形態で動作する。

第１５図および第１６図を参照して動作につい
て説明すると、パルスの開始時、時点Ａにて、ピ
ーク検出器３０２は０にリセツトされている。ピ
ーク検出器は、例えば線１８０上の受信機窓パル
ス（第１３図および第１４図参照）を使用して０
にリセツトできる。所望の信号の受信にて、ピー
ク検出器は、記憶素子３０４を受信信号のピーク
に対応する電圧に充電する。この時間中、スイツ
チ３０６は閉成されており、スイツチ３０８は開
放されている。エネルギパルスが受信された後、
スイツチ３０６は開放され、スイツチ３０８はそ
の後閉成される。これは、エネルギパルスの受信
後、ただし次の信号エネルギパルスの受信前に起
こる。

スイツチ３０８が開成されると、記憶素子３０
４に蓄積された電荷は、差動積分回路３１０内に
放出される。積分回路３１０内に放電される電荷
の量は、ポテンシヨメータ３２０により決定され
る信号振幅制御電圧と、実際の受信ピーク信号振
幅の差に比例する。放出された電荷は、積分回路
３１０に自動利得制御信号電圧である出力を生じ
させ、増幅器３１２にその利得を制御する制御電
圧を印加する。その後、ピーク検出器は、線１８
０を介して供給されるゲート信号によりリセツト
され、スイツチ３０６および３０８はその状態を
変えるから、記憶素子は放電され、次の受信パル
スに対してサイクルが繰り返される。

次に第１７図を参照して説明すると、本発明に
依ると、同期スイツチ装置を各測定路と関連する
記憶素子とともに採用することにより、単一の自
動利得制御増幅器受信回路を多重の測定路と関連
して採用できる。本発明のこの側面にしたがう
と、回路はマルチ位置スイツチ４００，４０２備
えており、そしてこれらのスイツチは、自動利得
制御増幅器４０４、および増幅器４０８と関連し
て動作する自動利得制御ピーク検出器４０６を、
異なる測定路（１，２，…，ｎ−１，ｎ）および
異なる記憶素子４１０ａ，４１０ｂ，…４１０_o-
１，４１０_oと同期的に接続する。このように、本
発明にしたがえば、各記憶素子は、関連する伝送
路に対して正確な自動利得制御レベルデータを保
持するのに採用される。各測定路に対して以前に
記憶された自動利得制御レベルを使用することに
より、自動利得制御回路は、各測定路の選択の際
直ちに各測定路に対して正しい補償を行なうこと
ができる。

このように、スイツチ４００および４０２は同
期的に動作するから、スイツチの測定路「ｎ」へ
の移動は、自動的に、記憶素子４１０ｎを回路に
接続するスイツチ４０２の切替えを伴なう。記憶
素子はまた、１つの測定路が選択される度ごとに
更新し、自動利得制御ループにより測定路依存性
の信号強度の変化を補償するようにすることもで
きる。

加えて、単一の自動利得制御受信機を使用して
マルチ測定路を使用する場合、第１５図と関連し
て前述した自動利得制御回路を採用するのが好ま
しい。第１５図の回路は、第１７図に示されるマ
ルチ記憶素子に類似のマルチ記憶素子を使用でき
るように変更できる。第１８図に例示される得ら
れたAGC回路は、同期スイツチ３０６，３０８
が採用される以外第１５図と関連して説明したも
のと同様に動作する。同期スイツチ３０６，３０
８は、AGC制御信号をコンデンサ３１１ａ，３
１１ｂ，…３１１ｎに保持、蓄積し、増幅器３１
２を正しい入力線に接続するのを同期的に行なう
に必要なスイツチング回路を提供する。

第１２図を参照して説明すると、マイクロプロ
セツサコントローラは、流速および音速を時間の
関数として測定するためにヘツダを質問する目的
で、トランスジユーサ３６および３８を反復的か
つ交番的に作動させるように動作する。マイクロ
プロセツサコントローラはまた、質問されつつあ
る特定の経路にしたがつて自動利得制御回路を同
期、作動させる。それゆえ、マイクロプロセツサ
は、それに相応してＯ交叉検出器からデータを受
信し、そのデータを質問されつつある特定の経路
と同期させる。

マイクロプロセツサまたは、第１８図のAGC
回路を利用してヘツダの種々のトランスジユーサ
対間の確実かつ迅速な切替えを行ない、所定時間
の間ヘツダ内の流量および質量流量を反映する出
力を提供するように適合される。かくして、第１
８図のマルチ測定路AGCは、異なる質問路また
は同じ質問路に沿う反対方向における信号減衰が
変わることがあつても、迅速な切替えを可能にす
る。しかしながら、さらに、誤出力読取りを避け
るため、平均化がメモリフエーデイング技術とと
もに採用される。これは、加重中、古いデータの
寄与度合がより最近のデータによる寄与度合と同
じに作用しないような形式の平均と見ることがで
きる。これは、平均が、一時的な値に調節自在に
応答できることを意味する。代表的な加重手法
は、２進切りつめ加重法であり、下表に例示され
る。

データNo. 加重 １ ８ ２ ４ ３ ３ ４ ２ ５以上 ０ トランジエントに対して応答性の低い滑らかな
出力を得るために、より「エレフアント態様」の
メモリ、すなわちより以前になされた測定値から
の寄与が大きいメモリが採用され得ることに留意
されたい。かくして、得られた流量測定装置は、
数種の測定経路間で迅速に切り替わり、自動利得
制御増幅回路を使つて各測定経路に対して迅速に
調節され、到来パルスの到来時刻を正確に決定
し、もつて絶対伝播時間の値（これにより流体内
のエネルギパルスの速度、したがつて質量流量を
決定できる）および上流向き伝播時間および下流
向き伝播時間間の時間差の値（これにより体積流
量を決定できる）を正確に提供できる。

マイクロプロセツサ制御装置は、実際に追加の
温度センサを使用することなく流体の温度を測定
することができる。トランスジユーサを励起する
パルスジエネレータの設計によつて、伝送パルス
の中心周波数が、トランスジユーサの共振周波数
またはトランスジユーサ組立体の主構造部材によ
り制御されるようになされていると、そしてまた
共振周波数あ温度の既知の関数であると、パルス
の中心周波数は流体温度の測定値として採用でき
る。それゆえ、式２−11との関連において上述し
たごとき質量流量の決定を、追加の温度測定値の
必要なしに果すことができる。この場合、マイク
ロプロセツサは、受信されたパルスの共振周波数
を表わす信号を追加の入力として有することとな
ろう。これを遂行する回路は技術的に周知であ
る。

同様に、静流について、受信された音響信号レ
ベルを流体内の圧力に関係づけることができるこ
とも周知である。それゆえ、マイクロプロセツサ
は、音響測定値から流体圧力および温度の値を決
定できる。かくして、質量流量は、式９にしたが
い単に音響トランスジユーサを使用して決定でき
る。

上述の具体例に対する追加、省略その他の変更
が本発明の技術思想の範囲内で可能なことは、本
技術に精通したものには明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用するのが特に有用な代表
的精製設備の概略線図、第２図は上流および下流
音響質問装置の概略線図、第３図がガス中の音響
速度および分子量の関係を例示するグラフ、第４
図はガス中の音響速度およびガスに対する温度修
正フアクタの関係を示すグラフ、第５図はγおよ
び分子量を関係づける実験データの直線による近
似を表わすグラフ、第６図は本発明の好ましい具
体例のオーバーレイ型板パターンの線図、第７図
は導管壁内にトランスジユーサを正確に取り付け
るための装置の組立図、第７Ａ図は第７図のボス
の詳細図、第８ａ〜８ｑ図はトランスジユーサの
導管への異なつた取付け法を示す概略図、第９図
は制限されたパイプ形態内におけるマルチ反射経
路を略示するパイプの断面図、第９Ａ図は第９図
の９Ａ〜９Ａ線に依る断面図、第１０図は本発明
の挿入式超音波構造体の好ましい具体例の正面
図、第１１図は本発明を説明するための送信、受
信および整流信号のグラフ、第１２図は本発明の
主要素を示す電気的ブロツク図、第１３図および
第１４図は本発明の電気回路の特に好ましい実施
例の詳細回路図、第１５図は本発明の自動利得制
御回路の回路図、第１６図は第１５図の自動利得
制御回路の動作を説明するためのグラフ、第１７
図は本発明の多測定路式自動利得制御回路の概略
ブロツク図、第１８図は多測定路方式における第
１５図の自動利得制御増幅器を示す回路図であ
る。 １２ａ，１２ｂ…，１２ｎ……処理ステーシヨ
ン、１６ａ，１６ｂ，…，１６ｎ……安全弁、１
８，２０，２２および２４……ヘツダ、２６……
大形ヘツダ、２８……流量測定トランスジユーサ
装置、３２……マイクロプロセツサ制御測定分析
決定装置、３４……音響流量計、３６，３８……
トランスジユーサ、４２……ヘツダ、５０……ボ
ス、５２……ジグ、５４……パイプスタブ、６０
……カツプリング、６４……滑合フランジ、１１
４……トランスジユーサ、１１９……AGC、１
２０……整流回路、１２４……積分回路，比較回
路、１３０……Ｏ交叉検出器、２２０……マイク
ロプロセツサコントローラ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 導管中の経路を横切る音響エネルギの伝播時
   間を測定する伝播時間測定手段と、 該伝播時間に応答して、前記伝播時間測定時に
   導管中を流れる未知の比熱比を有するガスの平均
   分子量を正確に決定する手段と を備え、 該決定手段が、前記平均分子量を決定するた
   め、ガスの分子量と比熱比間の実験的関係を採用
   する ことを特徴とする導管中を流れるフレアガスの平
   均分子量を決定する装置。 ２ 前記関係が直線により近似され得る特許請求
   の範囲第１項記載の平均分子量決定装置。 ３ 前記伝播時間を上流および下流向き方向にお
   いて交番的かつ反復的に測定する手段を備え、前
   記決定手段が前記伝播時間の測定に応答して前記
   測定値を平均化する特許請求の範囲第１項記載の
   平均分子量決定装置。 ４ 前記決定手段が、伝播時間の新しい測定値に
   応答しかつ過去の測定値を無視するため、前記伝
   播時間測定値を一時的に濾波する手段を含む特許
   請求の範囲第３項記載の平均分子量決定装置。 ５ 前記濾波手段が、前記伝播時間測定値の２進
   切詰め重み付けを行う手段を備える特許請求の範
   囲第４項記載の平均分子量決定装置。