JPH11271205A - 容器内の流体の粘度を測定する方法及び装置 - Google Patents

容器内の流体の粘度を測定する方法及び装置

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JPH11271205A JP11024692A JP2469299A JPH11271205A JP H11271205 A JPH11271205 A JP H11271205A JP 11024692 A JP11024692 A JP 11024692A JP 2469299 A JP2469299 A JP 2469299A JP H11271205 A JPH11271205 A JP H11271205A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成で容器内の流体の粘度を測定す
る。 【解決手段】 本発明は、パイプ等の容器内の流体の粘
度を測定する装置及び方法に関する。該装置は、容器内
の流体に信号を送信する送信手段を具える。送信手段
は、容器に接触し、容器内の流体に信号を提供する。装
置は、流体を通過した信号を受信する受信手段を具え
る。受信手段は、容器に接触し、容器内の流体から信号
を受信する。装置は、流体を通過した信号から、容器内
の流体を決定し、振幅及び音速から流体の粘度を測定す
る測定手段を具える。測定手段は、受信手段に接続され
る。前記方法は、信号を流体に送信する工程を含む。次
に、流体を通過した信号を受信する工程がある。次に、
信号が流体中を進む際における信号の減衰を測定する工
程がある。次に、信号の減衰と伝播時間から容器内の流
体の粘度を見出す工程がある。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】本発明は、例えば、ドラム、タンクまた
はパイプのような容器内の流体粘度を測定することに関
する。具体的には、本発明は、流体を通過する音響信号
の減衰と、流体の音速を測定することにより、容器内の
流体の粘度を測定することに関する。該流体は、静止し
ていても、動いていてもよい。
【０００２】
【発明の背景】石油その他のパイプラインでは、通常は
流動している流体における或る特性を計測する必要性が
ある。具体的には、粘度（viscosity）（絶対または動
的の何れか）を測定することは、以下のために必要であ
る。 (a)流体を識別すること、(b)異なる２流体の界面を検出
すること、(c)漏れを検出し、その位置を特定するため
に、パイプライン内の圧力勾配を特徴付けること、(d)
流体間の変化または界面が発生する時間を測定するこ
と、および(e)パイプラインにおけるポンプ出力および
圧力評価によって設定される粘度最大値の制限を満たす
ために要求される希釈剤の量を決定すること。
【０００３】前記計測に関して現在利用可能な手段は、
複雑かつ高価であり、信用できないこともある。例え
ば、粘性力は、振動システムによって計測されることが
ある。前記手段や、その他の大部分については、流動す
る流体のごく一部を測定手段に向けるために、バイパス
ラインが必要である。バイパスは、流動する流体が運ぶ
ワックスやその他の要素により妨害されることがある。
さらに、前記測定手段の運動部分によって、メンテナン
スおよび校正の問題が生じることがある。パイプライン
操作者の多くは、オンライン手段の精度および信頼度
が、彼らの要求を満たさないことから、流動する流体の
グラブサンプルを採って、密度および粘度を測定してい
る。サンプリング手法に費用がかかることは明らかであ
る。さらに、該手法は、前記特性を継続的に監視してリ
アルタイムに制御するパイプライン操作者の能力を奪う
ことになる。
【０００４】
【発明の要約】本発明は、パイプ等の容器内の流体の粘
度を計測する計測装置に関する。該計測装置は、容器内
の流体を介して音響信号を送信する送信手段を具える。
送信手段は、音響信号を容器内の流体に供給する。計測
装置は、流体を通過した音響信号を受信する受信手段を
具える。受信手段は、容器内の流体から音響信号を受信
する。測定装置は、流体を通過した音響信号から、容器
内の流体の粘度を測定する測定手段を具える。測定手段
は受信手段に接続される。
【０００５】本発明は、パイプ等の容器内の流体の粘度
を計測する計測方法に関する。該計測方法は、流体に信
号を送信する工程を含む。次に、流体を通過した信号を
受信する工程が存在する。次に、流体を通過した信号の
減衰を測定する工程が存在する。次に、信号の減衰と伝
播時間（transit time）から、パイプ内の流体の粘度を
見出す工程が存在する。前記伝播時間は、流体の音速を
計測する。
【０００６】該手段としては、パイプ等の容器の外側に
貼り付けたトランスデューサ（すなわち、外部トランス
デューサ）、または容器を貫通するトランスデューサ
（すなわち、湿式トランスデューサ（wetted transduce
r））が使用できる。
【０００７】
【作用及び効果】本発明は、サンプリング手法を用いる
こと無しに、簡単な構成で容器内の流体の粘度を測定で
き、粘度測定による経済的および人的損失を低減でき
る。
【０００８】
【望ましい実施形態の説明】以下、図面を参照して説明
する。ここで、図中の同じ参照数字は、幾つかの図を通
じて、特に図６に対して、同様または一致した部分を示
す。図６には、パイプ等の容器(12)に入っている流体の
粘度を計測する計測装置(10)が示されている。該計測装
置(10)は、容器(12)内の流体に信号を送信する送信手段
(14)を具える。送信手段(14)は、容器(12)に接触して、
容器(12)内の流体に信号を供給するようにしている。計
測装置(10)は、流体を通過した信号を受信する受信手段
(16)を具える。受信手段(16)は、容器(12)に接触して、
容器(12)内の流体から信号を受信する。計測装置(10)
は、流体を通過した信号から、容器(12)に入った流体の
粘度を測定する測定手段(15)を具える。測定手段(15)
は、受信手段(16)に接続される。測定手段(15)は、受信
手段(16)および送信手段(14)に接続される。
【０００９】送信手段(14)および受信手段(16)は、パイ
プ(12)の外面(18)に配備され、信号は、送信手段(14)か
ら、パイプ壁(20)、パイプ(12)内の流体、およびパイプ
壁(20)を通って、受信手段(16)に到達することが望まし
い。送信手段(14)および受信手段(16)は、送信手段(14)
からの信号が、（直径または斜め（diagonal）の何れか
の）経路(22)に従い、パイプ(12)を通って受信手段(16)
に到達するように、パイプ(12)の壁と接触し、或いは、
パイプ(12)を貫通することが望ましい。送信手段(14)お
よび受信手段(16)は、送信手段(14)からの信号が、経路
(22)に従って受信手段(16)に到達するように、パイプ(1
2)上の互いに対向する位置に配備されることが望まし
い。流体は、液体であり、送信手段(14)は、音響信号を
生成する第１トランスデューサ(24)を含み、受信手段(1
6)は、第１トランスデューサ(24)から音響信号を受信す
る第２トランスデューサ(26)を含むことが望ましい。第
１トランスデューサ(24)が生成する音響信号は、パイプ
壁(20)を通って、パイプ(12)内の液体中を通過し、パイ
プ壁(20)を通って、第２トランスデューサ(26)に到達す
ることが望ましい。
【００１０】送信手段(14)は、第１電圧信号を第１トラ
ンスデューサ(24)に印加するトランスミッタ（transmit
ter）(28)を含むことが望ましく、該印加により、第１
トランスデューサ(24)は、周波数ｆの音響信号を生成す
る。トランスミッタ(28)は、第１トランスデューサ(24)
に接続される。送信手段(14)は、トランスミッタ(28)に
接続され、トランスミッタ(28)から第１トランスデュー
サ(24)に印加された電圧を計測し、且つ電圧を印加した
時刻を記録する第１電圧計測手段(30)を含むことが望ま
しい。
【００１１】受信手段(16)は、第２トランスデューサ(2
6)に接続されたレシーバ(34)を含むことが望ましい。第
２トランスデューサ(26)は、音響信号を第２電圧信号に
変換する。レシーバ(34)は、第２トランスデューサ(26)
からの第２電圧信号を増幅する。受信手段(16)は、レシ
ーバ(34)に接続され、第２電圧信号の電圧を計測し、電
圧を受け取った時刻を記録する第２電圧計測手段(32)を
含むことが望ましい。
【００１２】測定手段(15)は、第１および第２電圧計測
手段(30)(32)に接続されたプロセッサ手段(36)を含むこ
とが望ましく、該プロセッサ手段(36)は、第１および第
２電圧計測手段(30)(32)が計測した電圧および伝播時間
（第１電圧計測手段(30)が記録した送信時刻と、第２電
圧計測手段(34)が記録した受信時刻の間の時間）の関数
として、パイプ(12)内の流体の粘度を測定する。測定手
段(15)は、液体中の既知の距離を通過する超音波信号の
伝播時間を計測するタイミング手段(32)を含み、プロセ
ッサ手段(36)は、液体の音速を測定することが望まし
い。プロセッサは、第１トランスデューサ(24)が生成
し、液体中の既知の距離を通過する際に第２トランスデ
ューサ(26)が受信した音響信号における減衰と、伝播時
間から測定される液体の音速との関数として、粘度を測
定することが望ましい。プロセッサは、音響信号が液体
を通過する時間および条件における粘度を、音響信号の
減衰と、該時間での流体の音速およびパイプ(12)の音速
から測定することが望ましい。第１トランスデューサ(2
4)が生成し、第２トランスデューサ(26)が受信する音響
信号は、超音波信号であることが望ましい。
【００１３】別の実施形態（図７）では、送信手段(14)
は、液中に送信される超音波信号を生成するトランスデ
ューサ(24)を含むことが望ましい。送信手段(14)は、ト
ランスデューサ(24)に電圧信号を印加するトランスミッ
タ(28)を含むことが望ましい。送信手段(14)は、印加電
圧を計測し、伝播時間を記録する電圧計測手段(30)を含
むことが望ましい。送信手段(14)は、トランスミッタ(2
8)およびトランスデューサ(24)に接続されたマルチプレ
クサ(40)を含んでおり、該マルチプレクサ(40)は、切替
により第１電圧信号をトランスデューサ(24)に印加す
る。
【００１４】マルチプレクサ(40)は、送信手段(14)と受
信手段(16)の間でトランスデューサ(24)を時分割（time
sare）するために使用されることが望ましい。受信手
段(16)に接続される場合には、トランスデューサ(24)
は、パイプ(12)内で反射した後に流体から受信する超音
波信号を電圧信号に変換する。また、電圧信号を受信し
て増幅するレシーバ(34)が存在する。レシーバ(34)は、
マルチプレクサ(40)に接続される。マルチプレクサ(40)
は、切替により、後の電圧信号をトランスデューサ(24)
からレシーバ(34)に送信する。
【００１５】受信手段(16)は、レシーバ(34)に接続され
た第２電圧計測手段(32)を含むことが望ましく、第２電
圧計測手段(32)は、後の電圧信号の電圧を受信すると、
該電圧を計測して記録する。測定手段(15)は、第１およ
び第２電圧計測手段(30)(32)に接続されたプロセッサ手
段(36)を含み、該プロセッサ手段(36)は、第１および第
２電圧計測手段(30)(32)が測定した電圧と、第１電圧計
測手段(30)が記録した送信信号（transmit signal）、
および第２電圧計測手段(32)が記録した受信信号の間の
伝播時間との関数として、パイプ(12)内の流体の粘度を
測定することが望ましい。
【００１６】一般に、音響経路（図３および図４を参
照。）には、以下のような、多数のインターフェース、
減衰媒体および反射が含まれる。 〔１〕トランスデューサ(１)／音響ハウジング(24)のイ
ンターフェース（図３および図４） 〔２〕トランスデューサハウジング(24)による減衰（図
３および図４） 〔３〕（外部トランスデューサに関して）トランスデュ
ーサハウジング(24)／容器壁(20)のインターフェース
（図３） 〔４〕（外部トランスデューサに関して）容器壁(20)に
よる減衰（図３） 〔５〕（外部トランスデューサに関して）容器壁(20)／
流体(15)のインターフェース（図３）、および（湿式ト
ランスデューサに関して）ハウジング(24)対流体(15)の
インターフェース（図４） 〔６〕流体による減衰（図３および図４） この減衰は、数ある要因のなかでも、流体の粘度、音響
経路の長さ、および超音波周波数に依存するであろう。 〔７〕容器壁(20)における反射（適用可能な場合のみ） 〔８〕（外部トランスデューサに関して）流体(15)／容
器壁(20)のインターフェース（図３）、および（湿式ト
ランスデューサに関して）流体(15)／ハウジング(20)の
インターフェース（図４）
〔９〕（外部トランスデューサに関して）容器壁(20)に
よる減衰（図３） 〔10〕（外部トランスデューサに関して）容器壁(20)／
トランスデューサハウジング(26)／のインターフェース
（図３） 〔11〕トランスデューサハウジング(26)による減衰（図
３および図４） 〔12〕トランスデューサハウジング(26)／トランスデュ
ーサ(２)のインターフェース（図３および図４）
【００１７】送信されたエネルギーは、電気トランスミ
ッタから電気レシーバへ進行するにつれて、電気的に
も、音響学的にも減衰するだろう。電気ケーブル、送信
用および受信用トランスデューサの電気的／音響学的変
換特性、および電気レシーバの電圧増幅特性が、電気レ
シーバの出力において計測される信号の正味の大きさを
測定することに関与する。また、インターフェース
〔１〕〔３〕〔10〕の非理想的結合による減衰のポテン
シャルソースが存在する。
【００１８】計測装置(10)（図６および図７）は、次に
説明する物理学的原理に依ることが望ましい。音響トラ
ンスデューサは、相互的（reciprocal）である。トラン
スデューサは、電圧パルスにより励振する際に圧力波を
生成し、圧力波を受ける際に電圧を生成する。圧力は、
送信用トランスデューサから各媒体を通って受信用トラ
ンスデューサに伝搬する。計測装置(10)は、伝播した音
響エネルギーと同様に、反射した音響エネルギーを利用
する。
【００１９】１．非流体による減衰ＡEXT パイプ内の流体には依存しない数多くのソースに起因す
る減衰をＡEXT（デシベル）と記載する。これには、送
信用および受信用トランスデューサにより、電気エネル
ギーを超音波エネルギーに変換する効率、および超音波
エネルギーを電気エネルギーに変換する効率、トランス
デューサからパイプ壁への結合効率、およびパイプ壁か
らトランスデューサへの結合効率、レシーバのゲイン等
が含まれる。通常、これらの減衰ソースの全ては結合さ
れる。
【００２０】２．媒体の境界にて送信されるエネルギー
ＡTRANS及びＡREF 密度と超音波の伝播速度とが相違する２媒体の境界に音
響エネルギーが出会うと、伝播する波（の音響エネルギ
ー）は、以下の式に従って（デシベルで）減衰される。
【数１】 同様に、音響エネルギーは、以下のように（デシベル
で）減衰される。
【数２】 ここで、 ρi＝媒体ｉの密度 Ｃi＝媒体ｉ中における超音波の伝搬速度 １＝入射側媒体に関する下添字 ２＝屈折側媒体に関する下添字 ＡTRANS＝媒体の境界を通過するエネルギーに関するｄ
Ｂ単位での減衰 ＡREF＝媒体の境界にて反射したエネルギーに関するｄ
Ｂ単位での減衰
【００２１】３．流体の音響吸収ＡVIS 超音波エネルギーが粘性流体を通過する際に、エネルギ
ーの幾らかは散逸され、その損失の大きさは、粘度、密
度、並びに超音波の伝搬速度および周波数に関連づけら
れる。これらの損失は、以下の関係式によって与えられ
る減衰定数によって特徴付けられる。
【数３】 ここで、 α＝長さの逆数（inverse length）を単位とする減衰定
数 ω＝角周波数（ラジアン/秒） Ｃ＝超音波の伝搬速度（in/s） η＝絶対剪断粘度（poise） ηB＝絶対体積粘度（poise） ρ＝流体の質量密度（gm/cm3） ａ,ｂ＝剪断粘度および体積粘度に関する定数 この定数は、流体の分子構造によって決まる。理論的に
は、石油産出物（oilproducts）は、ａ＝4/3であり、ｂ
＝１である。 Ｋv＝｜ａ＋ｂηB／η｜＝粘性修正因子
【００２２】粘性流体における音響エネルギーの減衰
は、減衰係数と、音響エネルギーが流体を通過する距離
に対し、指数関数的に関連づけられる。パイプを横切る
音響波の場合、向こうの壁に到達する音響エネルギー
は、次式によって与えられる。
【数４】 ここで、ＡVIS＝粘性損失による減衰（ｄＢ） Ｌ＝経路長 粘性修正因子は、一般に未知であるが、出会うと予想さ
れ得る全流体に関して決められることが理想的である。
実際には、粘性修正因子は、水以外に出会う流体の大部
分に関しては２と近似され、水に関しては約３である。
【００２３】４．拡がり（Spreading）減衰ＡSPREAD 超音波エネルギーのビームが媒体中を或る距離伝搬する
と、該ビームは拡がる、すなわち、ソースからの距離が
増加するにつれて、ビームの幅が増大する。このとき、
受信用トランスデューサのサイズは固定であるから、送
信用トランスデューサおよび受信用トランスデューサ間
の距離が増加するにつれて、受信用トランスデューサに
おけるエネルギー入射量が減少する。長い距離の範囲内
で、拡がり減衰は、次式によって与えられる。
【数５】 ここで、ＡSPREADは、ｄＢを単位とする拡がり減衰であ
り、ｆ、ＣfおよびＬは、前述の通りであり、ＫSは、ト
ランスデューサの寸法および特性に依存する定数であ
る。
【００２４】ＫSは、固定値であり、即ち流体に依存し
ないから、時には、ＡEXTに含まれることがある。図８
は、直径１インチのトランスデューサ２個を種々の内径
（inside diameters）のパイプに配備したシステムに関
して、拡がり減衰の周波数に対する依存性を計算したも
のを示している。図示のように、ＩＤが16インチより大
きいパイプに対する挙動は、上記方程式とリーズナブル
に一致しており、より小さいサイズのパイプに対して
は、拡がり減衰が音速にほぼ関係しない独立した領域が
存在しており、より小さい距離に対しては、音速が増加
するにつれて該減衰が増加する。
【００２５】計測装置(10)は、上記リストにおける流体
の減衰特性〔６〕と同様に、インターフェース〔５〕お
よび〔７〕の減衰特性に対する受信した電圧信号の依存
性を利用している。
【００２６】先に提供された本発明の基礎をなす物理原
理を説明する方程式は、容器壁／流体インターフェース
における音響信号の減衰が、流体とパイプ壁の材料とに
関する密度と音速の積の関数であることを示している。
減衰を計算するために、流体の音速は、非流体の媒体に
関する遅延時間と共に、音響経路に関して計測されたパ
ルス状の伝播時間データを用いて測定される。具体的に
は、超音波の速度は、次式によって与えられる。 Ｃf＝Ｌ／ｔf ここで、 ｔf＝パイプ軸の法線方向に流体中を進む音響パルスの
平均伝播時間 ｔf＝ｔtotal−ｔnon-fluid Ｌ＝流体における音響経路の長さ ここで、ｔtotal＝エレクトロニクストランスミッタか
らエレクトロニクスレシーバまでの総伝播時間ｔ
non-fluid＝ケーブル間、トランスデューサおよびハウ
ジング間、パイプ壁間、並びに受信用エレクトロニクス
間の伝播時間を含む非流体による全遅延の合計
【００２７】通常、パイプ壁の材料の密度は、周知であ
るか、または流体特性の計測を行なう前に測定できる。
パイプ壁の材料の音速は、周知であることが多いが、そ
うでない場合には、超音波厚さ手段（ultrasonic thick
ness means）を用いて測定できる。密度に関する特性を
計測するデバイスを校正するため、パイプ内を流れる或
る未知の流体の密度は、グラブサンプルにより計測で
き、または音速と密度の関係により測定できる。
【００２８】送信用および受信用トランスデューサの固
有周波数は、計測されるべき粘度の全範囲に関して、流
体自体に著しい減衰が起きるように選択される。粘度計
測用の音響経路の校正は、グラブサンプルにより粘度が
正確に測定される流体を用いて、減衰を計測することに
より可能である。次に、校正用流体に関して計測された
減衰に関連して、別の流体に関して計測された減衰から
該流体の粘度を測定できる。
【００２９】或る実施形態では、粘度の測定に必要な減
衰の計測は、振幅および伝播時間を測定するために、受
信した音響パルスを処理するレシーバ増幅器に、自動ゲ
イン制御の特徴を適用することにより行われる。自動ゲ
イン制御は、受信した信号の増幅後の振幅を感知し、該
振幅をプリセット基準と比較する。信号が基準より下で
ある場合には、ゲインを増加し、基準より上である場合
には、ゲインを減少する。この釣り合い（equilibriu
m）に達するのに必要なゲインの大きさは、計測される
べき減衰の直接の計測値である。未知の流体に関して要
求されるゲインが、基準の流体により要求されるゲイン
と比較されると、粘度は、上述した関係を用いて計算さ
れ得る。
【００３０】流体の入った１本のパイプにおいて、２個
の超音波トランスデューサが直径方向の対向する位置に
配備されている場合を考える。図６に示されるように、
トランスミッタ(28)は、既知の電圧パルスを第１超音波
トランスデューサ(24)に印加する。第１電圧計測手段(3
0)（例えば、簡単な電圧計）は、第１トランスデューサ
(24)に印加された電圧を計測する。電圧パルスが第１ト
ランスデューサ(24)に印加されると、周波数ｆの超音波
信号を生成し、該信号は、パイプ壁(20)、流体(21)およ
び反対側のパイプ壁(20)を通って、第２トランスデュー
サ(26)に伝搬する。第２トランスデューサ(26)におい
て、超音波信号は、電気信号に変換され、該電気信号
は、レシーバ(34)によって増幅され、第２電圧計測手段
(32)に連絡される。ｄＢ単位で表される減衰は、次式に
よって計算される。 ＡMES＝20・Log10（Ｖ1／Ｖ2） （式Ｅ） ここで、Ｖ1は、第２電圧計測手段(32)が計測した電圧
であり、Ｖ2は、第１電圧計測手段(30)が計測した電圧
である。計測された減衰ＡMESは、全種類の減衰、すな
わち、ＡEXT、ＡTRANS、ＡVIS、ＡREFおよびＡSPREADの
総和に由来する。図６に示ような配置の場合、ＡMESは
次式に等しい。 ＡMES＝ＡEXT＋ＡVIS＋ＡSPREAD＋２・ＡTRANS （式Ｆ）
【００３１】別の可能な配置としては、図７に示される
ような１個のトランスデューサを使用する配置がある。
ここでは、流体中を２回（行きと戻り）通過した後の信
号電圧と、パイプ壁により３回反射されて、流体中を４
回（行きと戻りを各２回）通過した後の信号電圧とが計
測される。このとき、２回通過した場合の減衰の総和
は、次式で与えられる。 ＡMES2＝ＡEXT＋ＡVIS2＋ＡSPREAD2＋２・ＡTRANS＋ＡREF （式Ｇ） 流体中を４回通過した後のパルスを検出する場合、減衰
の総和は、次式で与えられる。 ＡMES4＝ＡEXT＋ＡVIS4＋ＡSPREAD4＋２・ＡTRANS＋３・ＡREF （式Ｈ） 式Ｈから式Ｇを引くと次式となる。 ＡMES4−ＡMES2＝ＡVIS4−ＡVIS2＋ＡSPREAD4−ＡSPREAD2＋２・ＡREF （式Ｉ） この手法の利点は、ＡTRANSおよびＡEXTを測定する必要
がないことである。さらに、システムが要求するトラン
スデューサの数が少ない。
【００３２】
【実施例１】１回の通過および２個のトランスデューサ
と、音速および密度に関する方程式とを用いての粘度の
測定 内径が23.23インチであるパイプラインにおいて、３つ
の異なる原油サンプルを計測した。パイプを形成する鋼
鉄の密度は、7.71グラム／立方ｃｍであり、該鋼鉄にお
ける圧縮波の音速は、232437インチ／秒であった。これ
らの流体の音速は、米国特許第５５４６８１３号（この
引用を以て本願に記載加入する。）に記載のように計測
され、減衰は、上述のように計測され、式Ｅを用いて計
算される。以下の結果が得られた。 １８Ｇ Ｃf＝50101インチ／秒 ＡMES＝−29.0ｄＢ ＷＣＨ Ｃf＝52307インチ／秒 ＡMES＝−36.4ｄＢ ＯＣＳ Ｃf＝55452インチ／秒 ＡMES＝−46.4ｄＢ
【００３３】この種の材料に関して（上述の産物中の種
々のサンプル多数を得て、密度および音速を測定した。
結果をプロットし、最小二乗法を用いて線形方程式に適
合させたところ）、グラム／立方ｃｍを単位とする密度
が、インチ／秒を単位とする音速の計測値に対し、次式
によって関係付けられることが判明した。ρf＝0.130＋
0.0000144・Ｃf
【００３４】これらの流体の粘度を測定するためには、
ＡEXTの値を知ることが必要である。しかしながら、こ
の量を直接測定することは困難であるから、該産物の中
の１つの既知の粘度を用いることにより推定されるであ
ろう。この目的のために、１８Ｇが選択される。という
のは、１８Ｇは、減衰の合計が最低値であり、従って、
粘度の測定値の誤差に敏感であるからである。さらに、
パイプの直径が大きいから、式Ｄを適用できる。１８Ｇ
に関して、減衰計測時におけるパイプ内の流体の温度に
おける粘度の測定値は、3.43センチポアズであった。音
速の測定値を用い、Ｋv＝2.0と仮定し、式Ａ、式Ｄおよ
び式Ｃを用いると、 ＡTRANS＝−20.83ｄＢ ＡSPREAD＝−1.32ｄＢ ＡVIS＝−0.53ｄＢ と計算でき、ＡMES＝−29ｄＢであるから、式ＦからＡ
EXT＝−6.32ｄＢが見出される。ＷＣＨに関して式Ａお
よび式Ｄを用いてＡTRANSおよびＡSPREADを計算する
と、 ＡTRANS＝−19.28ｄＢ ＡSPREAD＝−1.69ｄＢ が見出され、次に、式Ｆから、 ＡVIS＝−8.22ｄＢ が見出され、式Ｃから計算された粘度は、63.1センチポ
アズである。ＯＣＳに関して式Ａおよび式Ｄを用いてＡ
TRANSおよびＡSPREADを計算すると、 ＡTRANS＝−19.28ｄＢ ＡSPREAD＝−2.20ｄＢ が見出され、次に、式Ｆから、 ＡVIS＝−18.60ｄＢ が見出され、Ｋv＝2.0と仮定すると、式Ｃから計算され
た粘度は、179.0センチポアズである。これは、ＯＣＳ
のサンプルの計測値180センチポアズと同程度である。
【００３５】
【実施例２】４回の通過マイナス２回の通過および１個
のトランスデューサと、拡がり減衰の推定を用いての高
粘度の測定 （内寸が9.5インチ×5.5インチである）短い長さの長方
形パイプにおいて、音が長辺方向と平行に伝搬する場合
の４回通過および２回通過に関する減衰の差（ＡMES4−
ＡMES2）が、３つの液体に関して計測された。該液体
は、夫々について音速が異なり、全てについて、低粘性
の結果として、測定周波数（1.0ＭＨＺ）における流体
の減衰が小さい。（ＡMES4−ＡMES2）の結果を以下に示
す。 水 −8.2ｄＢ エチルアルコール −4.2ｄＢ 灯油 −5.4ｄＢ
【００３６】これらの材料の特性と、拡がり減衰の計算
は、式Ｄ、ＢおよびＫを用いて、次表にまとめられる。
【表１】 最小二乗法を用いて、拡がり減衰における差を次式に当
てはめる。 ＡSPREAD4−ＡSPREAD2＝14.215−0.000361・ｃf （Ｅ２） 粘度が未知である鉱油のサンプルに関して、同じ断面の
パイプにおけるＡMES4−ＡMES2の計測値は、−21.3ｄＢ
であった。音速の計測値は、57304インチ／秒であっ
た。別の実験における密度の計測値は、0.93グラム／ｃ
ｃであった。式Ｂ、Ｅ２およびＫを用いて、 ２・ＡREF＝−0.871ｄＢ ＡSPREAD4−ＡSPREAD2＝−6.42ｄＢ と計算され、次に式Ｋから、 ＡVIS＝−14.0ｄＢ と計算され、ＫVが2.84であることを用いて、式Ｂか
ら、 η＝128センチポアズ と計算される。これは、計測値125〜130ｃＳと同程度で
ある。
【００３７】
【実施例３】４回の通過マイナス２回の通過および１個
のトランスデューサと、拡がり減衰の推定を用いての低
粘度の測定 （内寸が9.5インチ×5.5インチである）短い長さの長方
形パイプにおいて、音が短辺方向と平行に伝搬する場合
の４回通過および２回通過に関する減衰の差（ＡMES4−
ＡMES2）が、２つの液体に関して計測された。該液体
は、音速が異なり、粘度が低く、その結果、測定周波数
（5.0ＭＨＺ）における流体の減衰が小さい。（ＡMES4
−ＡMES2）の結果を以下に示す。 水 −6.3ｄＢ エチルアルコール −12.3ｄＢ
【００３８】これらの材料の特性と、拡がり減衰の計算
は、式Ｄ、ＢおよびＫを用いて、次表にまとめられる。
【表２】 直線適合（straight line fit）を用いると、拡がり減
衰は、次式に当てはまる。 ＡSPREAD4−ＡSPREAD2＝20log(.31452−0.012025ｆ／Ｃf) （Ｅ３）
【００３９】灯油のサンプルに関して、同じ容器におけ
るＡMES4−ＡMES2の計測値は、12.3ｄＢであった。音速
の計測値は、50848インチ／秒であった。別の実験にお
ける密度の計測値は、0.843グラム／ｃｃであった。式
Ｂ、Ｅ３およびＫを用いて、 ２・ＡREF＝−0.8ｄＢ ＡSPREAD4−ＡSPREAD2＝−5.31ｄＢ と計算され、次に式Ｋから、 ＡVIS4−ＡVIS2（ｄＢ）＝−6.17ｄＢ と計算され、式Ｂから、 η＝2.3センチポアズ と計算される。これは、予想値2.5センチポアズと同程
度である。
【００４０】本発明を、例示の目的で、上記実施形態に
詳述してきたが、その細部は例示に過ぎず、特許請求の
範囲に記載されるような本発明の精神及び範囲から離れ
ることなしに、当該分野の専門家によって変更を為し得
ることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】パイプに配備されたトランスデューサを側方か
ら見た概要図である。
【図２】パイプに配備されたトランスデューサを軸方向
から見た概要図である。
【図３】外部トランスデューサによる音響経路を示す概
要図である。
【図４】湿式トランスデューサによる音響経路を示す概
要図である。
【図５】本発明に関する典型的なオシロ図のうち、時間
遅延および信号減衰を示す図である。
【図６】本発明の概要図である。
【図７】本発明の他の実施形態の概要図である。
【図８】ＡSPREAD対Ｃfのグラフである。
【符号の説明】
(10) 装置 (12) 容器、パイプ (14) 送信手段 (15) 測定手段 (16) 受信手段 (20) 容器壁、パイプ壁 (21) 流体 (22) 経路 (24) 第１トランスデューサ (26) 第２トランスデューサ (28) トランスミッタ (30) 第１電圧計測手段 (32) 第２電圧計測手段 (34) レシーバ (36) プロセッサ手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハーバート エストラーダ アメリカ合衆国 21401 メリーランド, アナポリス，エピング フォレスト ロー ド 514 (72)発明者 スチーブン ジェイ．ジョンソン アメリカ合衆国 15237 ペンシルベニア, ピッツバーグ，プリンス アンドリュー コート 1168 (72)発明者 ロバート シー．ミラー アメリカ合衆国 15670 ペンシルベニア, ニューアレキサンドリア，ボックス 176, アールディー ＃２ (72)発明者 ドナルド アール．オージンスタイン アメリカ合衆国 15216 ペンシルベニア, ピッツバーグ，シャドーローン アベニュ ー 302

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 容器内の流体の粘度を計測する装置であ
    って、 容器内の流体に信号を送信する送信手段であって、前記
    容器に接触し、容器内の流体に信号を提供するようにし
    ている送信手段、 流体を通過した信号を受信する受信手段であって、前記
    容器に接触し、容器内の流体から該信号を受信する受信
    手段、及び受信手段に接続され、流体を通過した信号か
    ら容器内の流体の粘度を測定する測定手段を具える装
    置。
  2. 【請求項２】 送信手段及び受信手段は、パイプの外面
    に配備され、信号は、送信手段から、パイプ壁を通過
    し、パイプ内の流体を通過し、パイプ壁を通過して、受
    信手段に到達する、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 送信手段及び受信手段は、送信手段から
    の信号が、経路に従ってパイプを通過し受信手段に到達
    するように、パイプと接触する、請求項２に記載の装
    置。
  4. 【請求項４】 送信手段は、音響信号を生成する第１ト
    ランスデューサを含んでおり、受信手段は、第１トラン
    スデューサからの音響信号を受信する第２トランスデュ
    ーサを含む、請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 第１トランスデューサが生成した音響信
    号は、パイプ壁を通ってパイプ内の液体に進行し、パイ
    プ壁を通って第２トランスデューサに到達する、請求項
    ４に記載の装置。
  6. 【請求項６】 送信手段は、第１トランスデューサに接
    続され、第１トランスデューサに第１電圧信号を印加す
    るトランスミッタを含んでおり、これにより、第１トラ
    ンスデューサは、周波数ｆの音響信号を生成する、請求
    項５に記載の装置。
  7. 【請求項７】 送信手段は、トランスミッタに接続され
    た第１電圧計測手段を含んでおり、第１電圧計測手段
    は、トランスミッタから第１トランスデューサに印加さ
    れた電圧と、該電圧を印加した時刻を計測する、請求項
    ６に記載の装置。
  8. 【請求項８】 受信手段は、第２トランスデューサに接
    続されたレシーバを含んでおり、第２トランスデューサ
    は、音響信号を第２電圧信号に変換し、レシーバは、第
    ２トランスデューサからの第２電圧信号を増幅する、請
    求項７に記載の装置。
  9. 【請求項９】 受信手段は、レシーバに接続された第２
    電圧計測手段を含んでおり、第２電圧計測手段は、第２
    電圧信号の電圧と、該信号を受信した時刻を計測する、
    請求項８に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 測定手段は、第１電圧計測手段及び第
    ２電圧計測手段に接続されたプロセッサ手段を含んでお
    り、プロセッサ手段は、パイプ内の流体の粘度を、第１
    及び第２電圧計測手段が計測した電圧と伝播時間の関数
    として測定する、請求項９に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 測定手段は、超音波信号が液体中の既
    知の距離を通過する伝播時間を計測するタイミング手段
    を含んでおり、プロセッサ手段は、液体の粘度及び音速
    からパイプ中の液体を決定する、請求項１０に記載の装
    置。
  12. 【請求項１２】 プロセッサは、第１トランスデューサ
    が生成して、第２トランスデューサが受信する音響信号
    に関して、液体中の既知の距離を通過することによる減
    衰と、伝播時間から決定される液体の音速との関数とし
    て、粘度を決定する、請求項１１に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 プロセッサは、音響信号が液体中を通
    過する時刻及び条件における粘度を、音響信号の減衰
    と、前記時刻における流体の音速及びパイプの音速とか
    ら測定する、請求項１２に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 第１トランスデューサが生成し、第２
    トランスデューサが受信する音響信号は、超音波信号で
    ある、請求項１３に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 流体は液体であり、送信手段は、液体
    中に送信される超音波信号を生成する第１トランスデュ
    ーサを含む、請求項３に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 送信手段は、第１トランスデューサに
    第１電圧信号を印加するトランスミッタと、トランスミ
    ッタから第１トランスデューサに印加された電圧を計測
    する第１電圧計測手段と、トランスミッタ及び第１トラ
    ンスデューサに接続され、第１電圧信号が第１トランス
    デューサに進むことを制御するマルチプレクサとを含
    む、請求項１５に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 受信手段は、パイプにて反射した超音
    波信号を流体から受信して第２電圧信号に変換する第１
    トランスデューサと、第２電圧信号を受信して増幅する
    レシーバを含んでおり、前記レシーバは、マルチプレク
    サに接続されており、マルチプレクサは、第１トランス
    デューサからの第２電圧信号がレシーバに進むことを制
    御する、請求項１６に記載の装置。
  18. 【請求項１８】 受信手段は、レシーバに接続され、第
    ２電圧信号の電圧と受信した時刻を計測する第２電圧計
    測手段を含む、請求項１７に記載の装置。
  19. 【請求項１９】 測定手段は、第１電圧計測手段及び第
    ２電圧計測手段に接続され、パイプ内の流体を、第１及
    び第２電圧計測手段が計測した電圧、及び音速の関数と
    して測定する、請求項１８に記載の装置。
  20. 【請求項２０】 送信手段及び受信手段は、パイプ壁を
    貫通し、パイプの内部に接触する、請求項１に記載の装
    置。
  21. 【請求項２１】 送信手段は、第１トランスデューサを
    含んでおり、受信手段は、第２トランスデューサを含ん
    でおり、第１トランスデューサ及び第２トランスデュー
    サは、信号がトランスデューサ間を進むようにパイプに
    接触する、請求項２０に記載の装置。
  22. 【請求項２２】 流体の粘度を計測して、パイプ内の流
    体の境界を特定する方法であって、 信号を流体中に送信する工程、 流体を通過した信号を受信する工程、 信号が流体中を通過することによる信号の減衰を測定す
    る工程、及び信号の減衰と音速からパイプ内の流体の粘
    度を見出す工程を含む方法。
  23. 【請求項２３】 送信する工程は、パイプ壁を通って流
    体内に信号を送信する工程を含み、受信する工程は、流
    体及びパイプ壁を通過した信号を受信する工程を含む、
    請求項２２に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 測定する工程は、流体中に送信される
    前の信号を、流体を通過した信号と比較する工程を含
    む、請求項２３に記載の方法。
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