JP2014507667A - 超音波クランプオン式流量測定のための方法及び該方法を実行するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、走行時間法による超音波クランプオン式流量測定のための方法、及び該方法を実行するための装置に関する。本発明の基礎を成す課題は、測定管に起因する音響校正係数のずれを補償し、基準測定装置を使用しなくてすみ、音響変換器を測定管上のそれらの取付ポジションにそのまま置いておくことのできる、クランプオン式流量測定のための方法及び該方法を実行するための装置を創作する。
【解決手段】本発明による方法及び装置では、両方の音響変換器の少なくとも１つの電気機械的な変換器要素が、少なくとも２つのアレー要素を有するアレーとして実施されている。様々なアレー要素を使用して音響変換器間の走行時間の比較から、修正係数が検出される。
【選択図】図２

Description

クランプオン式流量測定装置（Clamp-on-Durchflussmessgeraete）は、多くの産業分野において幅広く使用されている。その本質的な利点の１つは、流量測定が流れる媒体との接触を伴わずに行われることにある。

クランプオン式流量測定時に使用される音響変換器（センサ）は、音響変換器プリトラベル部（音響変換器の予走行部 Schallwandlervorlauf）と、該音響変換器プリトラベル部上に固定された電気機械的な音響変換器要素とから構成され、該音響変換器要素は、以下簡略して変換器要素と称するものとし、該変換器要素は、特にピエゾセラミックにより実現されている。

流量が測定されるべき管上に外側で２つの音響変換器が固定される。該管は、以下では測定管と称するものとする。２つの音響変換器は、超音波信号が一方の音響変換器から測定管を通して他方の音響変換器へと送信可能であり且つ音響ビームが流れる媒体内で管軸線に対して９０°よりも小さい角度を有するように位置決めされる。

走行時間法（Laufzeitverfahren）に基づくクランプオン式流量測定装置では、流れに乗って或いは流れに抗して伝播する２つの音響信号の走行時間の差が測定され、それから容積流（Volumenstrom）が計算される。
［より詳しく述べると、所謂走行時間差法は、超音波信号の伝播速度が流体（液体や気体等）の流れ速度に依存するという事実を利用する。超音波信号は流体の流れ方向の反対方向では流れ方向よりも低速で移動する。この走行時間差法では、第１の超音波パルスが流れ方向において送信され、第２の超音波パルスが流れ方向の反対方向において送信される。この際、一対のセンサが交互に送信機及び受信機として作動する。流れ方向において流体を通過する音響信号の走行時間（トランジットタイム）は、流れ方向の反対方向において流体を通過する音響信号の走行時間よりも短い。それにより走行時間差Δｔが測定され、音が通過した経路上の平均流れ速度の決定が可能となる。分布修正により流れ速度の面平均値を計算することができ、この面平均値は容積流に比例する。超音波は固体も貫通するので、測定すべき流体の流れる導管の外壁上に前記センサを固定することができる。］
測定された走行時間と、流れ速度との間の関係は、例えば下記特許文献１に記載されている。音響経路上の平均流れ速度ＶＩは、走行時間差Δｔと流体内の走行時間ｔｌとから、以下の式で計算することができる：

ＶＩ＝Ｋａ×（Δｔ／２ｔｌ） 式（１）

この際、Ｋａは、流体内の入射角を決定するセンサ定数である：

Ｋａ＝ｃ＿ａｌｐｈａ／ｓｉｎ（ａｌｐｈａ） 式（２）

ここに、ａｌｐｈａ並びにｃ＿ａｌｐｈａは、入射角並びに音響変換器プリトラベル部内の音速度である。容積流を計算するためには、更に流体力学的な校正係数ＫＦを知る必要があり、該校正係数は、音響経路上の平均流れ速度ＶＩに対する流れ速度の面平均値ＶＡの比率を意味する：

ＫＦ＝ＶＡ／ＶＩ 式（３）

そして、管の横断面積Ａを用い、容積流Ｑが得られる：

Ｑ＝ＫＦ×Ａ×Ｋａ×（Δｔ／２ｔｌ） 式（４）

超音波クランプオン式流量測定の有利な構成は、例えば以下特許文献２に記載されている。管横断面のレイアウト（Gestaltung）により流体力学的な校正係数ＫＦは、該校正係数が流れ状態に依存しないように構成される。以下特許文献３では、互いに連続し、幾度も測定管を通過する超音波信号を検知することにより流体走行時間ｔｌの特に正確な決定を可能とする超音波流量測定法が記載されている。

下記特許文献４は、流体音速度の決定と、屈折の法則による流体内の音響経路の適合とにより、超音波クランプオン式流量測定装置に対し、流体の圧力及び温度依存性を補償するための方法を記載している。この際、音響変換器プリトラベル部の音速度と、温度依存性を有する管壁部の音速度とが、既知であることが前提とされる。

下記特許文献５は、超音波クランプオン式流量測定装置の測定変換器を校正するための方法が記載されている。そこでは、測定管と音響変換器の音響特性に依存しない校正であって上記式（１）により必要な時間測定の校正が可能である。この方法では、センサ定数Ｋａが既知で且つ不変であることが前提とされる。

WO 88/08516 A1 DE 198 08 642 C1 DE 103 12 034 B3 EP 0 733 885 A1 DE 10 2009 046 871 A1 DE 10 2004 031 274 B4 DE 102 21 771 A1 DE 10 2008 029 772 A1

原則的に流体内の入射角は、屈折の法則を介し、センサ定数Ｋａと流体内の音速度から得られることが前提とされる。しかし測定管の管壁部は、屈折の法則による音響伝播から無視することのできないずれをもたらす可能性がある。その際には上記式（１）で使用されたセンサ定数Ｋａが流れ速度ＶＩと走行時間差Δｔと走行時間ｔｌとの間の関係を正確には再現しないことが測定から分かった。つまり上記式（２）により音響変換器のパラメータから計算されたセンサ定数Ｋａに代わり、上記式（１）では、更に管壁部の影響をも含む係数（ファクタ）が使用される必要があるだろう。この係数は、一般的に音響校正係数と称することもできる。管壁部の影響がない理想的なケースにおいて、音響校正係数はＫａと同一であろうが、概して音響校正係数は、多かれ少なかれＫａとはかなりずれている。管壁部は音響変換器プリトラベル部内の音速度に影響を及ぼさないので、そのずれは入射角ａｌｐｈａの変化としてのみ解することができる。

クランプオン式流量測定の本質的な利点は、音響変換器が、測定箇所にある管へ取り付け可能であるということにある。つまりこの利点が利用されるべき場合には、流量測定装置を工場内で測定管と共に校正することはできないのである。つまり測定管による音響校正係数の生じうる影響は、測定箇所で測定管上に音響変換器を取り付けた後に補償されなくてはならない。そのためには、この影響を定量化する、即ち上記の音響校正係数を検出することが必要である。

既に測定箇所にある測定装置のための校正係数の検出は、現場校正（フィールド校正）とも称される。この際、測定装置の表示内容と基準測定装置の表示内容とが比較される。しかし多くの場合、測定箇所に基準測定装置はない。つまり音響校正係数を基準測定装置を利用しないで検出することが望まれる。

上記特許文献６に記載された方法は、原則的にそのために適している。しかしこの方法の適用は、そのために必要とされる複数の音響変換器の互いに対向する並進運動のために、もしもこの方法が校正用ラボではなく測定箇所で適用されるのであれば、多大な手間と費用と結び付いている。

上記特許文献７は、１つのピエゾアレーにまとめられている複数のピエゾ素子を備えた超音波流量測定装置のための音響変換器を示している。一般的にアレーとは、一平面内において、互いに依存しないで駆動制御可能な複数の変換器要素を配列構成したものであり、また該複数の変換器要素は、共同でそれらの相互接続により１つの変換器要素を形成する。アレーを構成するこれらの変換器要素は、アレー要素とも称される。１つのピエゾアレーにおいて複数のアレー要素は、複数のピエゾ素子である。従って測定管壁部上へ平らに装着された音響変換器を用い、測定管軸線に対し、測定媒体内へ入射され且つ波面（等位相面 Wellenfront）を有する超音波信号の様々な角度を達成することができる。しかしタイミングをずらした駆動制御は、極めて計算に手間がかかる。また該角度の変化は、制限された範囲内においてのみ有意義である。超音波が極めて平坦に入射されると、縦波の励起が起こり、管壁部を通した透過が減少し、音波の実質的な部分が反射される。

上記特許文献８は、１つの第１音響変換器と少なくと１つの第２音響変換器を用いて測定管を通る測定媒体の流量を決定及び監視するための測定システム及び方法を開示している。第２音響変換器は、少なくとも２つの変換器要素を有する。診断段階で獲得された信号が、測定段階で使用すべき第２音響変換器の変換器要素を選択するために使用される。従って例えば取り付け後に変化する音速度の影響を軽減することができる。この方法において現場校正は不可能である。

本発明の基礎を成す課題は、測定管に起因する音響校正係数のずれを補償し、基準測定装置を使用しなくてすみ、音響変換器を測定管上のそれらの取付ポジションにそのまま置いておくことのできる、クランプオン式流量測定のための方法及び該方法を実行するための装置を創作することである。

前記課題は、本発明に従い、以下の方法により解決される。
即ち、測定管上に取り付けられ且つ変換器要素を備えた２つの音響変換器を用いる方法であり、少なくとも１つの変換器要素が少なくとも２つのアレー要素から構成される、超音波クランプオン式流量測定のための方法が、
分析段階において、以下のステップ、即ち、
ａ．第１音響変換器（１）の変換器要素（３）と、第２音響変換器（２）の第１アレー要素（４ａ）との間の走行時間ｔ１を測定するステップと、
ｂ．第１音響変換器（１）の変換器要素（３）と、第２音響変換器（２）の第２アレー要素（４ｂ）との間の走行時間ｔ２を測定するステップと、
ｃ．前記走行時間ｔ１及びｔ２の間の時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを計算するステップと、
を含み、
計算された前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを用い、校正係数Ｋａｆが検出され、該校正係数Ｋａｆは、容積流Ｑの測定のための後続の稼働段階において、前記測定管の音響影響を補償するために使用されることにより特徴付けられている。

代替的な一解決策として、以下の方法がある。
即ち、測定管上に取り付けられ且つ変換器要素を備えた２つの音響変換器を用いる方法であり、少なくとも１つの変換器要素が少なくとも２つのアレー要素から構成される、超音波クランプオン式流量測定のための方法が、分析段階において、少なくとも２つの受信信号（ｓ１、ｓ２）の相互相関関数が計算され、但し、第１受信信号（ｓ１）は、第１音響変換器（１）の変換器要素（３）により送信され且つ第２音響変換器（２）の第１アレー要素（４ａ）により受信され且つデジタル化された信号であり、第２受信信号（ｓ２）は、第１音響変換器（１）の変換器要素（３）により送信され且つ第２音響変換器（２）の第２アレー要素（４ｂ）により受信され且つデジタル化された信号であり、前記相互相関関数の最大値の時間的な位置が検出され、この時間的な位置は、時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃであり、計算された該時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを用い、校正係数Ｋａｆが検出され、該校正係数Ｋａｆは、容積流Ｑの測定のための後続の稼働段階において、前記測定管の音響影響を補償するために使用されることにより特徴付けられている。

行路差ｄｅｌｔａ＿ｌｃの計算が、音響変換器プリトラベル部内の既知の音速度ｃａを前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃと乗じることにより前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを基礎にして行われ、それにより入射角の角度変化ｄｅｌｔａ＿ａｌｐｈａがａｒｃｓｉｎ（ｄｅｌｔａ＿ｌｃ／ｄｅｌｔａ＿ｓ）により得られ、但し、ｄｅｌｔａ＿ｓは、前記アレー要素（４ａ、４ｂ）の互いの間隔であり、従って前記校正係数Ｋａｆは、ｃａ／ｓｉｎ（ａｌｐｈａ＋ｄｅｌｔａ＿ａｌｐｈａ）により計算される。

前記校正係数Ｋａｆは、前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを基礎とし、Ｋａｆ＝Ｋａ／（１＋Ｋａ×ｃｏｓ（ａｌｐｈａ）×ｄｅｌｔａ＿ｔｃ／ｄｅｌｔａ＿ｓ）の式により計算され、但し、Ｋａは、音響変換器プリトラベル部内の入射角ａｌｐｈａのサインに対する音響変換器プリトラベル部内の音速度ｃａの比率であり、ｄｅｌｔａ＿ｓは、前記アレー要素（４ａ、４ｂ）の互いの間隔である。

選択的に、前記校正係数Ｋａｆは、近似関数ｆｃ（ｄｅｌｔａ＿ｔｃ）を介して時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃから計算され、該近似関数ｆｃ（ｄｅｌｔａ＿ｔｃ）は、総数Ｎの値ペア（Ｋａｆ＿ｉ、ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＿ｉ）から計算され、該値ペア（Ｋａｆ＿ｉ、ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＿ｉ）は、前記音響変換器が当該超音波クランプオン式流量測定にとって通常どおり取り付けられている総数Ｎの管ｉにおいて各々Ｋａｆ＿ｉとｄｅｌｔａ＿ｔｃ＿ｉが測定されることにより、測定前に獲得され、但し、Ｋａｆ＿ｉの測定は、各々、前記音響変換器（２）がポジションｘ１又はｘ２にあるときに走行時間ｔｘ１及びｔｘ２が測定されることにより行われ、該走行時間は、各々、第１音響変換器（１）の変換器要素（３）と第２音響変換器（２）の変換器要素（４）との間の走行時間であり、また（前記ポジションの）点ｘ１及びｘ２は、点ｘ０に対して対称に位置し、Ｋａｆ＿ｉは、Ｋａｆｘｉ＝（ｘ２−ｘ１）／（ｔｘ２−ｔｘ１）に対して計算され、ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＿ｉの測定は、前記音響変換器（２）がポジションｘ０にあるときに、請求項１による前記ステップａ〜ｃの後に行われる。

本方法は、クランプオン式流量測定装置において実行される。

本方法を実行するための装置は、送信ユニットと、少なくとも２つの入力部を有する少なくとも１つのアレーマルチプレスサ（アレー多重化装置）と、方向切替器と、受信増幅器と、評価ユニットと、制御ユニットと、計算ユニットとから構成され、アレーマルチプレクサは、第１アレー要素（４ａ）か又は第２アレー要素（４ｂ）か又は両方のアレー要素を前記受信増幅器と接続し、前記制御ユニットは、前記方向切替器も前記アレーマルチプレクサも、そして時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを決定する前記評価ユニットと、時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃから校正係数Ｋａｆを検出し且つ稼働段階において使用する前記計算ユニットＣＡＬＣとを管理することにより特徴付けられている。

前記評価ユニットは、アナログデジタル変換器と、バッファメモリと、デジタル相関器（デジタルコリレータ）とから構成される。該デジタル相関器は、一実施形態においてプログラミング可能なデジタル信号プロセッサにより実現される。

選択的に、前記評価ユニットは、時間測定装置と、バッファメモリと、差分構成器（Differenzbilder）とから構成される。

本方法及び本方法を実行するための本装置の利点は、流量測定装置が基準容積流を用いることなく校正可能なことである。従って音響変換器は、それらの取付ポジションにそのまま置いておくことが可能である。

以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。

測定管上の音響変換器装置を示す図である。 測定管上の音響変換器装置を示す図であり、音響変換器２の変換器要素がアレーとして実施されている。 測定管上の音響変換器装置を示す図であり、音響変換器２の変換器要素がアレーとして実施されている。 測定管上の音響変換器装置を示す図であり、両方の音響変換器の変換器要素がアレーとして実施されている。 測定管上の音響変換器装置を示す図である。 本方法を実行するための回路装置を示す図である。 評価ユニットを示す図である。 評価ユニットの別の実施形態を示す図である。 更なるアレーマルチプレクサを備えた、アレーとしての音響変換器の変換器要素の別の実施形態を示す図である。

図１の装置は、変換器要素３及び４を備えた両方の音響変換器１及び２と、測定管５とから構成される。それらの変換器要素の放射面が波長に比べて充分に大きい場合には、音伝播は、ほぼ平面波のかたちで行われる。図１には、そのような平面波面６が図示されている。測定管については、管がその（幾何学的）形状及びその材料特性に関して軸線対称であることが前提とされる。つまり図１に示された断面において管壁境界部は互いに平面平行である。つまり波が音響変換器１から管を通って音響変換器２へ送信される場合には、両方の音響変換器プリトラベル部（音響変換器の予走行部 Schallwandlervorlauf）内の入射角は同じ大きさである。このことは、変換器要素３から送信された波面が変換器要素４に対して平行に到達することを意味する。さて管壁部のフィルタ作用が、この理想的な特性からずれをもたらすことになる。管壁部の通過時に波の伝播方向に変化が起こり、この変化は、到達する音波を受信する変換器要素４に対して波面が正確に平行には到達しないことにより表われる。

本発明の考えは、音波を受信する音響変換器の変換器要素に対する波面の平行性からのこのずれを、受信する変換器要素の（幾何学的）形状に沿って得られる走行時間差に基づいて測定することを基礎としている。そのために、両方の音響変換器の少なくとも一方の変換器要素を、少なくとも２つのアレー要素から成るアレーとして実施することが提案される。

図２は、そのような装置を示している。該装置は、図１に示された装置とは、音響変換器２の変換器要素がアレー要素４ａ及び４ｂを有するアレーとして実施されていることにより区別される。この例において波面６は、測定管により、その伝播方向について、波面６が音響変換器２の変換器要素に対して平行には到達しないように変化されている。この際、その効果の図解のために角度変化は誇張して図示されているものとする。通常発生するこの影響は、図２では見ることのできないほど小さいものである。第１音響変換器１の変換器要素３と、第２音響変換器２のアレー要素４ａとの間の走行時間ｔ１と、第１音響変換器１の変換器要素３と、第２音響変換器２のアレー要素４ｂとの間の走行時間ｔ２とが測定される。受信する変換器要素に対する平行性からの波面のずれは、これらの両方の走行時間の間の時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃとして表される：

ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＝ｔ２−ｔ１ 式（５）

従って分析段階において、先ずは時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃの測定値を獲得するために、両方の走行時間ｔ１及びｔ２が測定され、時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃが計算される。時間差の測定値は、校正係数Ｋａｆを検出するために使用される。分析段階に続く稼働段階において流量測定（Durchflussmessung）が行われる。この際、分析段階中に検出された校正係数Ｋａｆが、測定管の音響影響を補償するために使用される。そのために式（４）におけるセンサ定数ＫａがＫａｆにより置き換えられる。

稼働段階中には、変換器要素４の両方のアレー要素４ａ及び４ｂは電気的に並列接続される。好ましくは変換器要素４の両方のアレー要素は、合わせて変換器要素３と同じ大きさの１つの変換器要素を形成する。その際、並列接続は、変換器要素４が変換器要素３とほぼ同じ音響特性をもつように作用する。

本発明の有利な一形態は、時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃが、予め走行時間ｔ１及びｔ２を測定することなく直接的に受信信号から決定されることにより得られる。そのために受信信号ｓ１及びｓ２の相互相関関数（Kreuzkorrelationsfunktion）が計算され、この際、ｓ１は、第１音響変換器１の変換器要素３により送信され、第２音響変換器２のアレー要素４ａにより受信され、デジタル化された信号であり、ｓ２は、第１音響変換器１の変換器要素３により送信され、第２音響変換器２のアレー要素４ｂにより受信され、デジタル化された信号である。両方の信号ｓ１及びｓ２が同じ走行時間をもつ場合には、相互相関関数の時間経過の最大値（Maximum）が箇所ｔ＝０のところに位置している。両方の信号の走行時間の差は、正にこの差の分だけの相互相関関数の最大値の移動（シフトないしスライド Verschiebung）により示される。つまり時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃは、信号ｓ１及びｓ２の相互相関関数の最大値が決定されることにより決定することができる。

本発明の別の有利な一形態を以下に説明する。時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃから、音響変換器プリトラベル部内の音速度ｃａを介し、行路差ｄｅｌｔａ＿ｌｃが計算される：

ｄｅｌｔａ＿ｌｃ＝ｃａ×ｄｅｌｔａ＿ｔｃ 式（６）

音響変換器プリトラベル部内の音速度ｃａは、既知のものとして前提とすることができる。この際、角度変化ｄｅｌｔａ＿ａｌｐｈａは、以下の値となる：

ｄｅｌｔａ＿ａｌｐｈａ
＝ａｒｃｓｉｎ（ｄｅｌｔａ＿ｌｃ／ｄｅｌｔａ＿ｓ） 式（７）

この際、ｄｅｌｔａ＿ｓでは、図２のような複数のアレー要素の間隔が定義されている。取り付けられた音響変換器の音響校正係数Ｋａｆは、式（２）において角度ａｌｐｈａに角度変化ｄｅｌｔａ＿ａｌｐｈａを加算することにより得られる：

Ｋａｆ
＝ｃａ／ｓｉｎ（ａｌｐｈａ＋ｄｅｌｔａ＿ａｌｐｈａ） 式（８）

本発明の別の可能な一形態は、校正係数Ｋａｆの計算のための式が、時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを基礎にして、以下の考察から導き出されることにより得られる。

図３に示された、長さｄｅｌｔａ＿ｘ分のアレー要素４ａの仮想上の移動（スライド）は、大きさｄｅｌｔａ＿ｔｘ分の変換器要素３とアレー要素４ａとの間の音伝播の走行時間変化をもたらす。この際、上記特許文献６に示されているように、ｄｅｌｔａ＿ｔｘとｄｅｌｔａ＿ｘの比率が正に音響校正係数である。そのために音響変換器が実際に管上で移動されるのであれば、それにより音響校正係数Ｋａｆｘが決定可能であり、該音響校正係数Ｋａｆｘは、管壁の場合による影響を含んでいる：

Ｋａｆｘ＝ｄｅｌｔａ＿ｘ／ｄｅｌｔａ＿ｔｘ 式（９）

物理的な移動（スライド）を回避するために、それに代わり走行時間ｔ２が測定され、それから仮想上のポジションにおいて変換器要素３とアレー要素４との間の走行時間ｔ２０が計算される。走行時間ｔ２０は、ｔ２から、音響変換器プリトラベル部を介する区間ｄｅｌｔａ＿ｌに沿った走行時間ｔａを減算することにより得られる：

ｔ２０＝ｔ２−ｔａ 式（１０）

つまり時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｘは、式（５）を用い、以下の値となる：

ｄｅｌｔａ＿ｔｘ
＝ｔ１−ｔ２０
＝ｔ１−（ｔ２−ｔａ）
＝ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＋ｔａ 式（１１）

従って式（９）から、次のようにＫａｆｘが得られる：

Ｋａｆｘ＝ｄｅｌｔａ＿ｘ／（ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＋ｔａ） 式（１２）

走行時間ｔａは、区間ｄｅｌｔａ＿ｌと音響変換器プリトラベル部内の音速度ｃａとから、次の式で得られる：

ｔａ＝ｄｅｌｔａ＿ｌ／ｃａ 式（１３）

この際、ｄｅｌｔａ＿ｌ、ｄｅｌｔａ＿ｓ、ｄｅｌｔａ＿ｘは、直角三角形を形成する。従ってｄｅｌｔａ＿ｘは、角度ａｌｐｈａを介し、ｄｅｌｔａ＿ｓにより置き換えることができる。即ち次の式が当てはまる：

ｄｅｌｔａ＿ｘ＝ｄｅｌｔａ＿ｓ／ｃｏｓ（ａｌｐｈａ） 式（１４）

式（１３）においてｄｅｌｔａ＿ｌが、ｔａｎ（ａｌｐｈａ）とｄｅｌｔａ＿ｓとの積により置き換えられる：

ｔａ＝ｔａｎ（ａｌｐｈａ）×ｄｅｌｔａ＿ｓ／ｃａ 式（１５）

式（１４）と式（１５）を式（１２）に代入すると、次の式が得られる：

Ｋａｆｘ
＝ｄｅｌｔａ＿ｓ／（ｃｏｓ（ａｌｐｈａ）（ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＋ｔａｎ（ａｌｐｈａ）×ｄｅｌｔａ＿ｓ／ｃａ）） 式（１６）

式（２）によるＫａを用い、式（１６）は、次のように簡素化される：

Ｋａｆｘ
＝Ｋａ／（１＋Ｋａ×ｃｏｓ（ａｌｐｈａ）×ｄｅｌｔａ＿ｔｃ／ｄｅｌｔａ＿ｓ） 式（１７）

つまり式（１７）による校正係数Ｋａｆｘの測定は、場所的な移動（スライド）ｄｅｌｔａ＿ｘを、音響変換器のパラメータを使用した時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃの等価の測定により置き換える。つまり式（１７）を用い、校正係数Ｋａｆを決定するための式が次のように得られる：

Ｋａｆ
＝Ｋａ／（１＋Ｋａ×ｃｏｓ（ａｌｐｈａ）×ｄｅｌｔａ＿ｔｃ／ｄｅｌｔａ＿ｓ） 式（１８）

式（８）及び式（１８）は、校正係数Ｋａｆを記述する選択的な可能性である。純粋なセンサ特性から得られるセンサ定数Ｋａに対するＫａｆの違いは、管壁部の影響により発生する。もしも管壁部の影響がまるでない場合には、特別なケースがあることになり、この際にはｄｅｌｔａ＿ｔｃ＝０である。その際には、式（８）及び式（１８）から各々Ｋａｆ＝Ｋａが得られる。

式（８）は、式（１８）と同じ結果をもたらす。つまりｓｉｎ（ａｌｐｈａ＋ｄｅｌｔａ＿ａｌｐｈａ）がテイラー級数の第１項により近似され、ａｒｃｓｉｎ（ｄｅｌｔａ＿ｌｃ／ｄｅｌｔａ＿ｓ）が独立変数ｄｅｌｔａ＿ｌｃ／ｄｅｌｔａ＿ｓにより置き換えられることにより、式（８）は式（１８）へ変えられる。

本発明の別の一形態は、時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃと校正係数Ｋａｆとの間の関係が実験的に検出されることにより得られる。この際、Ｋａｆは、上記特許文献６に記載された方法により決定することができる。該方法は、ラボにおいて、実際の適用において生じうる複数の測定管の充分な選択肢（選択肢の群）に対して適用される。そのために音響変換器は、各々、図５に示されているように管５上に位置決めされる。そして音響変換器２のポジションｘ１ないしｘ２における走行時間ｔｘ１及びｔｘ２が測定され、この際、点ｘ１及びｘ２は、点ｘ０に対して対称に位置している。（即ち点ｘ１とｘ２の間の間隔の中心に点ｘ０が位置している。従って点ｘ１とｘ０の間の間隔と点ｘ２とｘ０の間の間隔は同じである。）ここで、走行時間ｔｘ１及びｔｘ２は、各々、音響変換器１の変換器要素３と音響変換器２の変換器要素４との間の走行時間である。この際、変換器要素４の両方のアレー要素４ａ及び４ｂは、電気的に並列接続されている。

管壁部の影響を既に含む校正係数Ｋａｆは、上記特許文献６に記載されているように、次の式で得られる：

Ｋａｆ＝（ｘ２−ｘ１）／（ｔｘ２−ｔｘ１） 式（１９）

引き続き、音響変換器２がポジションｘ０に位置決めされ、時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃが測定される。このようにして、検査された管ｉのために、Ｋａｆ＿ｉとｄｅｌｔａ＿ｔｃ＿ｉという値ペアが得られる。校正係数に対して様々に強く影響を及ぼすように選択される総数Ｎの更なる管部分（管セグメント）のために試行が反復される。このようにして総数Ｎの値ペア（Ｋａｆ＿ｉ、ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＿ｉ）が得られる。従ってそのために通常の方法の１つにより、Ｋａｆをｄｅｌｔａ＿ｔｃから近似するのに適した近似関数ｆｃ（ｄｅｌｔａ＿ｔｃ）が計算される。

従ってその後、稼働段階中に校正係数Ｋａｆを測定値ｄｅｌｔａ＿ｔｃから計算することができる：

Ｋａｆ＝ｆｃ（ｄｅｌｔａ＿ｔｃ） 式（２０）

関数ｆｃは、実際において発生するＫａｆの変動範囲（バリエーション範囲）をできるだけ充分に網羅すべきである。そのためには、実験で使用される複数の管の特性の変動範囲が、流量測定装置の実際の適用において存在する複数の管の変動範囲に対応しなくてはならない。音響変換器が、例えば、４ｍｍ〜８ｍｍの壁厚の鋼材製（スチール製）及び特殊鋼材製（ステンレススチール製）の管に適している場合には、各々鋼材製及び特殊鋼材製の４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍの壁厚の管を検査することができるであろう。異なる弾性特性を有する各々異なる鋼材製箇所或いは特殊鋼材製箇所が検査されることにより、データベースを拡張することができるであろう。

本発明の有利な一形態は、図２に示された変換器要素４が２つのアレー要素ではなく４つのアレー要素から構成されることにより得られる。この際、直接的には隣接しない各々２つのアレー要素を並列接続することができる。値ｄｅｌｔａ＿ｘは、アレーの全幅の四分の一に減少する。この接続状態（配線）により発生する変換器要素の各々は、アレーの幅の３／４をもち、従ってその開口面（アパーチャ面）は、同様に、流量測定のために使用される、相互接続された全てのアレー要素の開口面の３／４の大きさである。

アレー要素の総数は、上述の方式で先へ進めることができる。この際、アレー要素の総数が増加した、分析段階において使用される変換器要素は、流量測定のために使用される、相互接続された全てのアレー要素に益々と似てくる。他方では、波面の所定の角度ずれを発生させる時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃが減少し、従って時間差の測定精度は、やや低くなる。

流量測定装置において走行時間法により使用される両方の音響変換器は、ゼロ点誤差を僅かに保つために、それらの特性に関してできるだけ類似しているべきである。それ故、本発明の有利な一形態は、稼働段階において両方のアレー要素４ａ及び４ｂが並列接続され、それにより音響変換器２の変換器要素が大きさに関して音響変換器１の変換器要素に充分に同等化されることにより得られる。更に音響変換器１の変換器要素３をアレーとして実施することも可能である。そのような装置が図４に示されている。音響変換器１の変換器要素のアレー要素３ａ及び３ｂは、分析段階において、そして稼働段階においても並列接続される。それにより音響変換器１及び２の変換器要素の電気機械的特性は、充分に同一である。

図４に示された装置では、流量測定中の信号伝達のために、アレー要素３ａ及び４ａだけ又は３ｂ及び４ｂだけを利用することができる。校正のために必要とされる走行時間ｔ１及びｔ２は、アレー要素３ａと４ａの間ないし３ａと４ｂの間、又はアレー要素３ｂと４ａの間ないし３ｂと４ｂの間で測定することができる。

本発明の更なる可能な種々形態は、複数のアレー要素の総数の上述の増加により得られる。

時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃの測定は、受信変換器要素に対する平行性からの波面のずれの影響だけを検知すべきである。しかし媒体が管内を流れる場合、音走行時間は流れにも影響を及ぼされる。流れ速度がｔ１及びｔ２の測定中に一定であるならば、その際に流れは差に影響を及ぼさない。しかしこのことは、実際には理想的なかたちとして保証されることはない。流れは、実際には多くの場合、みだれた（乱流）状態にある。その際、流れ速度は、平均値の周辺で予期せずに変動する。流れ速度の平均値が一定の場合におけるこの種の予期せぬ変動の影響は、相前後して獲得される時間差の複数の測定値が平均化されることにより排除することができる。しかし流れ速度の平均値が一定でない場合には、この措置は助けにならない。流れ速度の時間線形的な増加は、例えば走行時間ｔ１が走行時間ｔ２よりも系統的により強く流れ速度によって影響を及ぼされることをもたらす。休止時間は、個々の測定の間においてできるだけ小さく保たれるべきである。この措置は、本発明においても適用することができる。ｔ１及びｔ２の測定の間の時間的間隔がより小さいほど、流れの変化の影響は明らかに小さくなる。

既述の方法を実行するために、送信ユニットＳと、少なくとも１つのアレーマルチプレスサＡＭＵＸと、方向切替器ＤＭＵＸと、受信増幅器Ｖと、評価ユニットＳＰＵと、制御ユニットＣＴＲＬと、計算ユニットＣＡＬＣとから構成される装置が提案される（図６）。アレーマルチプレクサ（アレー多重化装置）ＡＭＵＸは、アレー要素４ａか又はアレー要素４ｂか又は両方のアレー要素を受信増幅器Ｖと接続する。制御ユニットＣＴＲＬは、方向切替器ＤＭＵＸもアレーマルチプレクサＡＭＵＸも、そして評価ユニットＳＰＵと計算ユニットＣＡＬＣを管理する。

分析段階中、方向切替器ＤＭＵＸは、送信ユニットＳが音響変換器１の端子（ターミナル）及び音響変換器１に付属の変換器要素と接続されており且つ受信増幅器ＶがアレーマルチプレクサＡＭＵＸと接続されているように切り替えられている。アレーマルチプレクサＡＭＵＸは、音響変換器２のアレー要素４ａか又はアレー要素４ｂだけが受信増幅器Ｖと接続されているように制御される。

受信増幅器Ｖに接続された評価ユニットＳＰＵは、検出すべき時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを決定する。評価ユニットＳＰＵ（図７）は、アナログデジタル変換器ＡＤＣと、バッファメモリＭＥＭと、相関器（コリレータ）ＫＯＲＲとから構成される。ｄｅｌｔａ＿ｔｃの測定のために第１ステップでは、アレー要素４ａがアレーマルチプレクサＡＭＵＸと受信増幅器Ｖを介して評価ユニットＳＰＵと接続され、送信信号が送信ユニットＳにより発生される。アレー要素４ａにおいて発生した受信信号は、評価ユニットＳＰＵにおいてアナログデジタル変換器ＡＤＣによりデジタル化され、バッファメモリＭＥＭ内に保存される。第２ステップでは、アレー要素４ｂが受信増幅器Ｖを介して評価ユニットＳＰＵと接続されており且つ更なる送信信号が送信ユニットＳにより発生されるように、制御ユニットＣＴＲＬによりアレーマルチプレクサＡＭＵＸが切り替えられる。アレー要素４ｂにおいて発生した受信信号は、評価ユニットＳＰＵにおいてアナログデジタル変換器ＡＤＣによりデジタル化され、同様にバッファメモリＭＥＭ内に保存される。デジタル化されてバッファメモリＭＥＭ内に保存されたアレー要素４ａ及び４ｂの受信信号から、デジタル相互相関器により時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃが直接的に決定される。このデジタル相関器ＫＯＲＲは、例えばプログラミング可能なデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）により実現される。

計算ユニットＣＡＬＣにおいて、式（８）又は式（１８）による校正係数Ｋａｆが、相関器ＫＯＲＲにおいて決定された時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃから計算される。

別の一実施形態（図８）において評価ユニットＳＰＵは、極めて高い分解能を有する時間測定装置ＴＤＣ、例えば所謂「Time to Digital Converter」と、バッファメモリＭＥＭとから構成される。この形態では、各々の受信信号からデジタル化を用いることなく直接的に走行時間ｔ１ないしｔ２が測定され、バッファメモリＭＥＭ内に保存される。両方の走行時間ｔ１及びｔ２が測定された後、それらの差が差分構成器（Differenzbilder）ＭＩＮＵＳにより算出され、校正係数Ｋａｆを決定するために計算ユニットＣＡＬＣへ転送される。

稼働段階においてアレーマルチプレクサＡＭＵＸは、制御ユニットＣＴＲＬにより、アレー要素４ａ及び４ｂが並列接続されているように切り替えられる。方向切替器ＤＭＵＸにより、交互に各々、音響変換器１が送信器として且つ音響変換器２が受信器として、或いは音響変換器２が送信器として且つ音響変換器１が受信器として稼働される。そして評価ユニットＳＰＵは、流れにより生じる走行時間差Δｔを測定し、流体走行時間ｔｆｌを測定し、それから計算ユニットＣＡＬＣにおいて式（４）により流量を決定するために使用され、この際、センサ定数Ｋａは、分析段階において検出された校正係数Ｋａｆにより置き換えられる。

別の一形態（図９）では、音響変換器１の変換器要素が同様にアレーとして実施され、音響変換器１の端子（ターミナル）と方向切替器ＤＭＵＸとの間に別のアレーマルチプレクサＡＭＵＸ２が挿入される。稼働段階において両方のアレーマルチプレクサＡＭＵＸ及びＡＭＵＸ２は、アレー要素３ａ及び３ｂが並列接続されておりアレー要素４ａ及び４ｂも並列接続されているように制御される。分析段階において両方のアレーマルチプレクサの１つは、付属のアレー要素が並列接続されているように制御され、他方のアレーマルチプレクサは、受信増幅器Ｖと評価ユニットＳＰＵとのアレー要素（複数）の連続した接続を実現する。

別の一形態では、変換器要素３及び４の少なくとも１つが２つよりも多くのアレー要素から構成される。その際、図６及び図９による装置の付属のアレーマルチプレクサは、アレー要素と同数の入力部を有する。分析段階において各々のアレーマルチプレクサは、第１ステップで、隣接していない少なくとも２つのアレー要素が並列接続されており、それらの受信信号が評価されるように制御される。第２ステップでは、隣接していない残りのアレー要素が並列接続され、それらの受信信号が評価される。

１ 音響変換器
２ 音響変換器
３ 変換器要素
３ａ アレー要素
３ｂ アレー要素
４ 変換器要素
４ａ アレー要素
４ｂ アレー要素
５ 測定管
６ 平面波面

Ｓ 送信ユニット
ＡＭＵＸ アレーマルチプレクサ
ＡＭＵＸ２ アレーマルチプレクサ
ＤＭＵＸ 方向切替器
Ｖ 受信増幅器
ＳＰＵ 評価ユニット
ＣＴＲＬ 制御ユニット
ＣＡＬＣ 計算ユニット
ＡＤＣ アナログデジタル変換器
ＭＥＭ バッファメモリ
ＫＯＲＲ 相関器（コリレータ）
ＴＤＣ 時間測定装置
ＭＩＮＵＳ 差分構成器

クランプオン式流量測定装置（Clamp-on-Durchflussmessgeraete）は、多くの産業分野において幅広く使用されている。その本質的な利点の１つは、流量測定が流れる媒体との接触を伴わずに行われることにある。

クランプオン式流量測定時に使用される音響変換器（センサ）は、音響変換器プリトラベル部（音響変換器の予走行部 Schallwandlervorlauf）と、該音響変換器プリトラベル部上に固定された電気機械的な音響変換器要素とから構成され、該音響変換器要素は、以下簡略して変換器要素と称するものとし、該変換器要素は、特にピエゾセラミックにより実現されている。

流量が測定されるべき管上に外側で２つの音響変換器が固定される。該管は、以下では測定管と称するものとする。２つの音響変換器は、超音波信号が一方の音響変換器から測定管を通して他方の音響変換器へと送信可能であり且つ音響ビームが流れる媒体内で管軸線に対して９０°よりも小さい角度を有するように位置決めされる。

走行時間法（Laufzeitverfahren）に基づくクランプオン式流量測定装置では、流れに乗って或いは流れに抗して伝播する２つの音響信号の走行時間の差が測定され、それから容積流（Volumenstrom）が計算される。
［より詳しく述べると、所謂走行時間差法は、超音波信号の伝播速度が流体（液体や気体等）の流れ速度に依存するという事実を利用する。超音波信号は流体の流れ方向の反対方向では流れ方向よりも低速で移動する。この走行時間差法では、第１の超音波パルスが流れ方向において送信され、第２の超音波パルスが流れ方向の反対方向において送信される。この際、一対のセンサが交互に送信機及び受信機として作動する。流れ方向において流体を通過する音響信号の走行時間（トランジットタイム）は、流れ方向の反対方向において流体を通過する音響信号の走行時間よりも短い。それにより走行時間差Δｔが測定され、音が通過した経路上の平均流れ速度の決定が可能となる。分布修正により流れ速度の面平均値を計算することができ、この面平均値は容積流に比例する。超音波は固体も貫通するので、測定すべき流体の流れる導管の外壁上に前記センサを固定することができる。］
測定された走行時間と、流れ速度との間の関係は、例えば下記特許文献１に記載されている。音響経路上の平均流れ速度ＶＩは、走行時間差Δｔと流体内の走行時間ｔｌとから、以下の式で計算することができる：

ＶＩ＝Ｋａ×（Δｔ／２ｔｌ） 式（１）

この際、Ｋａは、流体内の入射角を決定するセンサ定数である：

Ｋａ＝ｃ＿ａｌｐｈａ／ｓｉｎ（ａｌｐｈａ） 式（２）

ここに、ａｌｐｈａ並びにｃ＿ａｌｐｈａは、入射角並びに音響変換器プリトラベル部内の音速度である。容積流を計算するためには、更に流体力学的な校正係数ＫＦを知る必要があり、該校正係数は、音響経路上の平均流れ速度ＶＩに対する流れ速度の面平均値ＶＡの比率を意味する：

ＫＦ＝ＶＡ／ＶＩ 式（３）

そして、管の横断面積Ａを用い、容積流Ｑが得られる：

Ｑ＝ＫＦ×Ａ×Ｋａ×（Δｔ／２ｔｌ） 式（４）

超音波クランプオン式流量測定の有利な構成は、例えば以下特許文献２に記載されている。管横断面のレイアウト（Gestaltung）により流体力学的な校正係数ＫＦは、該校正係数が流れ状態に依存しないように構成される。以下特許文献３では、互いに連続し、幾度も測定管を通過する超音波信号を検知することにより流体走行時間ｔｌの特に正確な決定を可能とする超音波流量測定法が記載されている。

下記特許文献４は、流体音速度の決定と、屈折の法則による流体内の音響経路の適合とにより、超音波クランプオン式流量測定装置に対し、流体の圧力及び温度依存性を補償するための方法を記載している。この際、音響変換器プリトラベル部の音速度と、温度依存性を有する管壁部の音速度とが、既知であることが前提とされる。

下記特許文献５は、超音波クランプオン式流量測定装置の測定変換器を校正するための方法が記載されている。そこでは、測定管と音響変換器の音響特性に依存しない校正であって上記式（１）により必要な時間測定の校正が可能である。この方法では、センサ定数Ｋａが既知で且つ不変であることが前提とされる。

WO 88/08516 A1 DE 198 08 642 C1 DE 103 12 034 B3 EP 0 733 885 A1 DE 10 2009 046 871 A1 DE 10 2004 031 274 B4 DE 102 21 771 A1 DE 10 2008 029 772 A1

原則的に流体内の入射角は、屈折の法則を介し、センサ定数Ｋａと流体内の音速度から得られることが前提とされる。しかし測定管の管壁部は、屈折の法則による音響伝播から無視することのできないずれをもたらす可能性がある。その際には上記式（１）で使用されたセンサ定数Ｋａが流れ速度ＶＩと走行時間差Δｔと走行時間ｔｌとの間の関係を正確には再現しないことが測定から分かった。つまり上記式（２）により音響変換器のパラメータから計算されたセンサ定数Ｋａに代わり、上記式（１）では、更に管壁部の影響をも含む係数（ファクタ）が使用される必要があるだろう。この係数は、一般的に音響校正係数と称することもできる。管壁部の影響がない理想的なケースにおいて、音響校正係数はＫａと同一であろうが、概して音響校正係数は、多かれ少なかれＫａとはかなりずれている。管壁部は音響変換器プリトラベル部内の音速度に影響を及ぼさないので、そのずれは入射角ａｌｐｈａの変化としてのみ解することができる。

クランプオン式流量測定の本質的な利点は、音響変換器が、測定箇所にある管へ取り付け可能であるということにある。つまりこの利点が利用されるべき場合には、流量測定装置を工場内で測定管と共に校正することはできないのである。つまり測定管による音響校正係数の生じうる影響は、測定箇所で測定管上に音響変換器を取り付けた後に補償されなくてはならない。そのためには、この影響を定量化する、即ち上記の音響校正係数を検出することが必要である。

既に測定箇所にある測定装置のための校正係数の検出は、現場校正（フィールド校正）とも称される。この際、測定装置の表示内容と基準測定装置の表示内容とが比較される。しかし多くの場合、測定箇所に基準測定装置はない。つまり音響校正係数を基準測定装置を利用しないで検出することが望まれる。

上記特許文献６に記載された方法は、原則的にそのために適している。しかしこの方法の適用は、そのために必要とされる複数の音響変換器の互いに対向する並進運動のために、もしもこの方法が校正用ラボではなく測定箇所で適用されるのであれば、多大な手間と費用と結び付いている。

上記特許文献７は、１つのピエゾアレーにまとめられている複数のピエゾ素子を備えた超音波流量測定装置のための音響変換器を示している。一般的にアレーとは、一平面内において、互いに依存しないで駆動制御可能な複数の変換器要素を配列構成したものであり、また該複数の変換器要素は、共同でそれらの相互接続により１つの変換器要素を形成する。アレーを構成するこれらの変換器要素は、アレー要素とも称される。１つのピエゾアレーにおいて複数のアレー要素は、複数のピエゾ素子である。従って測定管壁部上へ平らに装着された音響変換器を用い、測定管軸線に対し、測定媒体内へ入射され且つ波面（等位相面 Wellenfront）を有する超音波信号の様々な角度を達成することができる。しかしタイミングをずらした駆動制御は、極めて計算に手間がかかる。また該角度の変化は、制限された範囲内においてのみ有意義である。超音波が極めて平坦に入射されると、縦波の励起が起こり、管壁部を通した透過が減少し、音波の実質的な部分が反射される。

上記特許文献８は、１つの第１音響変換器と少なくと１つの第２音響変換器を用いて測定管を通る測定媒体の流量を決定及び監視するための測定システム及び方法を開示している。第２音響変換器は、少なくとも２つの変換器要素を有する。診断段階で獲得された信号が、測定段階で使用すべき第２音響変換器の変換器要素を選択するために使用される。従って例えば取り付け後に変化する音速度の影響を軽減することができる。この方法において現場校正は不可能である。

本発明の基礎を成す課題は、測定管に起因する音響校正係数のずれを補償し、基準測定装置を使用しなくてすみ、音響変換器を測定管上のそれらの取付ポジションにそのまま置いておくことのできる、クランプオン式流量測定のための方法及び該方法を実行するための装置を創作することである。

本発明の第１の視点により、測定管上に取り付けられ且つ変換器要素を備えた２つの音響変換器を用いる方法であり、少なくとも１つの変換器要素が少なくとも２つのアレー要素から構成される、超音波クランプオン式流量測定のための方法であって、
分析段階において、以下のステップ、即ち、
ａ．第１音響変換器の変換器要素と、第２音響変換器の第１アレー要素との間の走行時間ｔ１を測定するステップと、
ｂ．第１音響変換器の変換器要素と、第２音響変換器の第２アレー要素との間の走行時間ｔ２を測定するステップと、
ｃ．前記走行時間ｔ１及びｔ２の間の時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを計算するステップと、
を含み、
計算された前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを用い、校正係数Ｋａｆが検出され、該校正係数Ｋａｆは、容積流Ｑの測定のための後続の稼働段階において、前記測定管の音響影響を補償するために使用されることを特徴とする方法が提供される。
また本発明の第２の視点により、測定管上に取り付けられ且つ変換器要素を備えた２つの音響変換器を用いる方法であり、少なくとも１つの変換器要素が少なくとも２つのアレー要素から構成される、超音波クランプオン式流量測定のための方法であって、
分析段階において、少なくとも２つの受信信号の相互相関関数が計算され、但し、第１受信信号は、第１音響変換器の変換器要素により送信され且つ第２音響変換器の第１アレー要素により受信され且つデジタル化された信号であり、第２受信信号は、第１音響変換器の変換器要素により送信され且つ第２音響変換器の第２アレー要素により受信され且つデジタル化された信号であり、前記相互相関関数の最大値の時間的な位置が検出され、
この時間的な位置は、時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃであり、該時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを用い、校正係数Ｋａｆが検出され、該校正係数Ｋａｆは、容積流Ｑの測定のための後続の稼働段階において、前記測定管の音響影響を補償するために使用されることを特徴とする方法が提供される。
更に本発明の第３の視点により、測定管上に取り付けられ且つ変換器要素を備えた２つの音響変換器を用いる超音波クランプオン式流量測定のための方法を実行する装置であって、
該装置は、送信ユニットと、少なくとも２つの入力部を有する少なくとも１つのアレーマルチプレスサと、方向切替器と、受信増幅器と、評価ユニットと、制御ユニットと、計算ユニットとから構成され、
第１アレー要素か又は第２アレー要素か又は両方のアレー要素が、前記アレーマルチプレクサを介して前記方向切替器の１つのチャネルと接続されており、
前記方向切替器の第２のチャネルが前記変換器要素と接続されており、
前記方向切替器の両方の残りの端子が、各々、前記送信ユニットと、前記受信増幅器とに接続されており、
前記受信増幅器は、時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを検出し且つ前記計算ユニットへ転送する前記評価ユニットと接続されており、
前記制御ユニットは、分析段階も稼働段階も同じコンポーネントで実現するために、前記方向切替器も前記アレーマルチプレスサも、そして前記受信増幅器と前記評価ユニットと前記計算ユニットを管理し、
前記分析段階中、前記方向切替器は、前記送信ユニットが第１音響変換器の端子及び第１音響変換器に割り当てられた変換器要素と接続されており且つ前記受信増幅器が前記アレーマルチプレクサと接続されているように切り替えられており、
前記アレーマルチプレクサは、前記変換器要素の第１アレー要素か又は第２アレー要素だけが前記受信増幅器と接続されているように制御され、
前記稼働段階中、前記アレーマルチプレクサは、前記制御ユニットにより、前記アレー要素が並列接続されているように切り替えられることを特徴とする装置が提供される。
尚、本願の特許請求の範囲に付記されている図面参照符号は、専ら本発明の理解の容易化のためのものであり、本発明を以下の具体的な実施形態に限定するものではないことを付言する。

前記課題は、上記のように、本発明に従い、以下の方法により解決される。
即ち、測定管上に取り付けられ且つ変換器要素を備えた２つの音響変換器を用いる方法であり、少なくとも１つの変換器要素が少なくとも２つのアレー要素から構成される、超音波クランプオン式流量測定のための方法が、
分析段階において、以下のステップ、即ち、
ａ．第１音響変換器（１）の変換器要素（３）と、第２音響変換器（２）の第１アレー要素（４ａ）との間の走行時間ｔ１を測定するステップと、
ｂ．第１音響変換器（１）の変換器要素（３）と、第２音響変換器（２）の第２アレー要素（４ｂ）との間の走行時間ｔ２を測定するステップと、
ｃ．前記走行時間ｔ１及びｔ２の間の時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを計算するステップと、
を含み、
計算された前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを用い、校正係数Ｋａｆが検出され、該校正係数Ｋａｆは、容積流Ｑの測定のための後続の稼働段階において、前記測定管の音響影響を補償するために使用されることにより特徴付けられている。

代替的な一解決策として、以下の方法がある。
即ち、測定管上に取り付けられ且つ変換器要素を備えた２つの音響変換器を用いる方法であり、少なくとも１つの変換器要素が少なくとも２つのアレー要素から構成される、超音波クランプオン式流量測定のための方法が、分析段階において、少なくとも２つの受信信号（ｓ１、ｓ２）の相互相関関数が計算され、但し、第１受信信号（ｓ１）は、第１音響変換器（１）の変換器要素（３）により送信され且つ第２音響変換器（２）の第１アレー要素（４ａ）により受信され且つデジタル化された信号であり、第２受信信号（ｓ２）は、第１音響変換器（１）の変換器要素（３）により送信され且つ第２音響変換器（２）の第２アレー要素（４ｂ）により受信され且つデジタル化された信号であり、前記相互相関関数の最大値の時間的な位置が検出され、この時間的な位置は、時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃであり、計算された該時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを用い、校正係数Ｋａｆが検出され、該校正係数Ｋａｆは、容積流Ｑの測定のための後続の稼働段階において、前記測定管の音響影響を補償するために使用されることにより特徴付けられている。

本発明において、以下の形態が可能である。
（形態１）測定管上に取り付けられ且つ変換器要素を備えた２つの音響変換器を用いる方法であり、少なくとも１つの変換器要素が少なくとも２つのアレー要素から構成される、超音波クランプオン式流量測定のための方法であって、
分析段階において、以下のステップ、即ち、
ａ．第１音響変換器の変換器要素と、第２音響変換器の第１アレー要素との間の走行時間ｔ１を測定するステップと、
ｂ．第１音響変換器の変換器要素と、第２音響変換器の第２アレー要素との間の走行時間ｔ２を測定するステップと、
ｃ．前記走行時間ｔ１及びｔ２の間の時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを計算するステップと、
を含み、
計算された前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを用い、校正係数Ｋａｆが検出され、該校正係数Ｋａｆは、容積流Ｑの測定のための後続の稼働段階において、前記測定管の音響影響を補償するために使用されること。
（形態２）測定管上に取り付けられ且つ変換器要素を備えた２つの音響変換器を用いる方法であり、少なくとも１つの変換器要素が少なくとも２つのアレー要素から構成される、超音波クランプオン式流量測定のための方法であって、
分析段階において、少なくとも２つの受信信号の相互相関関数が計算され、但し、第１受信信号は、第１音響変換器の変換器要素により送信され且つ第２音響変換器の第１アレー要素により受信され且つデジタル化された信号であり、第２受信信号は、第１音響変換器の変換器要素により送信され且つ第２音響変換器の第２アレー要素により受信され且つデジタル化された信号であり、前記相互相関関数の最大値の時間的な位置が検出され、
この時間的な位置は、時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃであり、該時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを用い、校正係数Ｋａｆが検出され、該校正係数Ｋａｆは、容積流Ｑの測定のための後続の稼働段階において、前記測定管の音響影響を補償するために使用されること。
（形態３）行路差ｄｅｌｔａ＿ｌｃの計算が、音響変換器プリトラベル部内の既知の音速度ｃａを前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃと乗じることにより前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを基礎にして行われ、それにより入射角の角度変化ｄｅｌｔａ＿ａｌｐｈａがａｒｃｓｉｎ（ｄｅｌｔａ＿ｌｃ／ｄｅｌｔａ＿ｓ）により得られ、但し、ｄｅｌｔａ＿ｓは、前記アレー要素（４ａ、４ｂ）の互いの間隔であり、従って前記校正係数Ｋａｆは、ｃａ／ｓｉｎ（ａｌｐｈａ＋ｄｅｌｔａ＿ａｌｐｈａ）により計算されることが好ましい。
（形態４）前記校正係数Ｋａｆは、前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを基礎とし、Ｋａｆ＝Ｋａ／（１＋Ｋａ×ｃｏｓ（ａｌｐｈａ）×ｄｅｌｔａ＿ｔｃ／ｄｅｌｔａ＿ｓ）の式により計算され、但し、Ｋａは、音響変換器プリトラベル部内の入射角ａｌｐｈａのサインに対する音響変換器プリトラベル部内の音速度ｃａの比率であり、ｄｅｌｔａ＿ｓは、前記アレー要素の互いの間隔であることが好ましい。
（形態５）前記校正係数Ｋａｆは、近似関数ｆｃ（ｄｅｌｔａ＿ｔｃ）を介し、計算された前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃから検出されることが好ましい。
（形態６）前記近似関数ｆｃ（ｄｅｌｔａ＿ｔｃ）は、前記音響変換器が当該超音波クランプオン式流量測定にとって通常どおり取り付けられている総数Ｎの管ｉにおいて各々Ｋａｆ＿ｉとｄｅｌｔａ＿ｔｃ＿ｉが測定されることにより、測定前に獲得される総数Ｎの値ペア（Ｋａｆ＿ｉ、ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＿ｉ）から計算され、但し、Ｋａｆ＿ｉの測定は、各々、前記音響変換器がポジションｘ１又はｘ２にあるときに走行時間ｔｘ１及びｔｘ２が測定されることにより行われ、該走行時間は、各々、第１音響変換器の変換器要素と第２音響変換器の変換器要素との間の走行時間であり、また点ｘ１及びｘ２は、点ｘ０に対して対称に位置し、Ｋａｆ＿ｉは、Ｋａｆｘｉ＝（ｘ２−ｘ１）／（ｔｘ２−ｔｘ１）に対して計算され、ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＿ｉの測定は、前記音響変換器がポジションｘ０にあるときに、形態１による前記ステップａ〜ｃの後に行われることが好ましい。
（形態７）測定管上に取り付けられ且つ変換器要素を備えた２つの音響変換器を用いる超音波クランプオン式流量測定のための方法を実行する装置であって、
該装置は、送信ユニットと、少なくとも２つの入力部を有する少なくとも１つのアレーマルチプレスサと、方向切替器と、受信増幅器と、評価ユニットと、制御ユニットと、計算ユニットとから構成され、
第１アレー要素か又は第２アレー要素か又は両方のアレー要素が、前記アレーマルチプレクサを介して前記方向切替器の１つのチャネルと接続されており、
前記方向切替器の第２のチャネルが前記変換器要素と接続されており、
前記方向切替器の両方の残りの端子が、各々、前記送信ユニットと、前記受信増幅器とに接続されており、
前記受信増幅器は、時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを検出し且つ前記計算ユニットへ転送する前記評価ユニットと接続されており、
前記制御ユニットは、分析段階も稼働段階も同じコンポーネントで実現するために、前記方向切替器も前記アレーマルチプレスサも、そして前記受信増幅器と前記評価ユニットと前記計算ユニットを管理し、
前記分析段階中、前記方向切替器は、前記送信ユニットが第１音響変換器の端子及び第１音響変換器に割り当てられた変換器要素と接続されており且つ前記受信増幅器が前記アレーマルチプレクサと接続されているように切り替えられており、
前記アレーマルチプレクサは、前記変換器要素の第１アレー要素か又は第２アレー要素だけが前記受信増幅器と接続されているように制御され、
前記稼働段階中、前記アレーマルチプレクサは、前記制御ユニットにより、前記アレー要素が並列接続されているように切り替えられること。
（形態８）前記評価ユニットは、アナログデジタル変換器と、バッファメモリと、デジタル相関器とから構成されることが好ましい。
（形態９）前記相関器は、プログラミング可能なデジタル信号プロセッサにより実現されることが好ましい。
（形態１０）前記評価ユニットは、時間測定装置と、バッファメモリと、差分構成器とから構成されることが好ましい。
（形態１１）前記変換器要素は、少なくとも２つのアレー要素から構成され、アレーマルチプレクサが、第１アレー要素か又は第２アレー要素か又は両方のアレー要素を、前記方向切替器の１つのチャネルと接続することが好ましい。

行路差ｄｅｌｔａ＿ｌｃの計算が、音響変換器プリトラベル部内の既知の音速度ｃａを前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃと乗じることにより前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを基礎にして行われ、それにより入射角の角度変化ｄｅｌｔａ＿ａｌｐｈａがａｒｃｓｉｎ（ｄｅｌｔａ＿ｌｃ／ｄｅｌｔａ＿ｓ）により得られ、但し、ｄｅｌｔａ＿ｓは、前記アレー要素（４ａ、４ｂ）の互いの間隔であり、従って前記校正係数Ｋａｆは、ｃａ／ｓｉｎ（ａｌｐｈａ＋ｄｅｌｔａ＿ａｌｐｈａ）により計算される。

前記校正係数Ｋａｆは、前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを基礎とし、Ｋａｆ＝Ｋａ／（１＋Ｋａ×ｃｏｓ（ａｌｐｈａ）×ｄｅｌｔａ＿ｔｃ／ｄｅｌｔａ＿ｓ）の式により計算され、但し、Ｋａは、音響変換器プリトラベル部内の入射角ａｌｐｈａのサインに対する音響変換器プリトラベル部内の音速度ｃａの比率であり、ｄｅｌｔａ＿ｓは、前記アレー要素（４ａ、４ｂ）の互いの間隔である。

選択的に、前記校正係数Ｋａｆは、近似関数ｆｃ（ｄｅｌｔａ＿ｔｃ）を介して時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃから計算され、該近似関数ｆｃ（ｄｅｌｔａ＿ｔｃ）は、総数Ｎの値ペア（Ｋａｆ＿ｉ、ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＿ｉ）から計算され、該値ペア（Ｋａｆ＿ｉ、ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＿ｉ）は、前記音響変換器が当該超音波クランプオン式流量測定にとって通常どおり取り付けられている総数Ｎの管ｉにおいて各々Ｋａｆ＿ｉとｄｅｌｔａ＿ｔｃ＿ｉが測定されることにより、測定前に獲得され、但し、Ｋａｆ＿ｉの測定は、各々、前記音響変換器（２）がポジションｘ１又はｘ２にあるときに走行時間ｔｘ１及びｔｘ２が測定されることにより行われ、該走行時間は、各々、第１音響変換器（１）の変換器要素（３）と第２音響変換器（２）の変換器要素（４）との間の走行時間であり、また（前記ポジションの）点ｘ１及びｘ２は、点ｘ０に対して対称に位置し、Ｋａｆ＿ｉは、Ｋａｆｘｉ＝（ｘ２−ｘ１）／（ｔｘ２−ｔｘ１）に対して計算され、ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＿ｉの測定は、前記音響変換器（２）がポジションｘ０にあるときに、請求項１による前記ステップａ〜ｃの後に行われる。

本方法は、クランプオン式流量測定装置において実行される。

本方法を実行するための装置は、送信ユニットと、少なくとも２つの入力部を有する少なくとも１つのアレーマルチプレスサ（アレー多重化装置）と、方向切替器と、受信増幅器と、評価ユニットと、制御ユニットと、計算ユニットとから構成され、アレーマルチプレクサは、第１アレー要素（４ａ）か又は第２アレー要素（４ｂ）か又は両方のアレー要素を前記受信増幅器と接続し、前記制御ユニットは、前記方向切替器も前記アレーマルチプレクサも、そして時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを決定する前記評価ユニットと、時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃから校正係数Ｋａｆを検出し且つ稼働段階において使用する前記計算ユニットＣＡＬＣとを管理することにより特徴付けられている。

前記評価ユニットは、アナログデジタル変換器と、バッファメモリと、デジタル相関器（デジタルコリレータ）とから構成される。該デジタル相関器は、一実施形態においてプログラミング可能なデジタル信号プロセッサにより実現される。

選択的に、前記評価ユニットは、時間測定装置と、バッファメモリと、差分構成器（Differenzbilder）とから構成される。

本方法及び本方法を実行するための本装置の利点は、流量測定装置が基準容積流を用いることなく校正可能なことである。従って音響変換器は、それらの取付ポジションにそのまま置いておくことが可能である。

以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。

測定管上の音響変換器装置を示す図である。 測定管上の音響変換器装置を示す図であり、音響変換器２の変換器要素がアレーとして実施されている。 測定管上の音響変換器装置を示す図であり、音響変換器２の変換器要素がアレーとして実施されている。 測定管上の音響変換器装置を示す図であり、両方の音響変換器の変換器要素がアレーとして実施されている。 測定管上の音響変換器装置を示す図である。 本方法を実行するための回路装置を示す図である。 評価ユニットを示す図である。 評価ユニットの別の実施形態を示す図である。 更なるアレーマルチプレクサを備えた、アレーとしての音響変換器の変換器要素の別の実施形態を示す図である。

図１の装置は、変換器要素３及び４を備えた両方の音響変換器１及び２と、測定管５とから構成される。それらの変換器要素の放射面が波長に比べて充分に大きい場合には、音伝播は、ほぼ平面波のかたちで行われる。図１には、そのような平面波面６が図示されている。測定管については、管がその（幾何学的）形状及びその材料特性に関して軸線対称であることが前提とされる。つまり図１に示された断面において管壁境界部は互いに平面平行である。つまり波が音響変換器１から管を通って音響変換器２へ送信される場合には、両方の音響変換器プリトラベル部（音響変換器の予走行部 Schallwandlervorlauf）内の入射角は同じ大きさである。このことは、変換器要素３から送信された波面が変換器要素４に対して平行に到達することを意味する。さて管壁部のフィルタ作用が、この理想的な特性からずれをもたらすことになる。管壁部の通過時に波の伝播方向に変化が起こり、この変化は、到達する音波を受信する変換器要素４に対して波面が正確に平行には到達しないことにより表われる。

本発明の考えは、音波を受信する音響変換器の変換器要素に対する波面の平行性からのこのずれを、受信する変換器要素の（幾何学的）形状に沿って得られる走行時間差に基づいて測定することを基礎としている。そのために、両方の音響変換器の少なくとも一方の変換器要素を、少なくとも２つのアレー要素から成るアレーとして実施することが提案される。

図２は、そのような装置を示している。該装置は、図１に示された装置とは、音響変換器２の変換器要素がアレー要素４ａ及び４ｂを有するアレーとして実施されていることにより区別される。この例において波面６は、測定管により、その伝播方向について、波面６が音響変換器２の変換器要素に対して平行には到達しないように変化されている。この際、その効果の図解のために角度変化は誇張して図示されているものとする。通常発生するこの影響は、図２では見ることのできないほど小さいものである。第１音響変換器１の変換器要素３と、第２音響変換器２のアレー要素４ａとの間の走行時間ｔ１と、第１音響変換器１の変換器要素３と、第２音響変換器２のアレー要素４ｂとの間の走行時間ｔ２とが測定される。受信する変換器要素に対する平行性からの波面のずれは、これらの両方の走行時間の間の時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃとして表される：

ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＝ｔ２−ｔ１ 式（５）

従って分析段階において、先ずは時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃの測定値を獲得するために、両方の走行時間ｔ１及びｔ２が測定され、時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃが計算される。時間差の測定値は、校正係数Ｋａｆを検出するために使用される。分析段階に続く稼働段階において流量測定（Durchflussmessung）が行われる。この際、分析段階中に検出された校正係数Ｋａｆが、測定管の音響影響を補償するために使用される。そのために式（４）におけるセンサ定数ＫａがＫａｆにより置き換えられる。

稼働段階中には、変換器要素４の両方のアレー要素４ａ及び４ｂは電気的に並列接続される。好ましくは変換器要素４の両方のアレー要素は、合わせて変換器要素３と同じ大きさの１つの変換器要素を形成する。その際、並列接続は、変換器要素４が変換器要素３とほぼ同じ音響特性をもつように作用する。

本発明の有利な一形態は、時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃが、予め走行時間ｔ１及びｔ２を測定することなく直接的に受信信号から決定されることにより得られる。そのために受信信号ｓ１及びｓ２の相互相関関数（Kreuzkorrelationsfunktion）が計算され、この際、ｓ１は、第１音響変換器１の変換器要素３により送信され、第２音響変換器２のアレー要素４ａにより受信され、デジタル化された信号であり、ｓ２は、第１音響変換器１の変換器要素３により送信され、第２音響変換器２のアレー要素４ｂにより受信され、デジタル化された信号である。両方の信号ｓ１及びｓ２が同じ走行時間をもつ場合には、相互相関関数の時間経過の最大値（Maximum）が箇所ｔ＝０のところに位置している。両方の信号の走行時間の差は、正にこの差の分だけの相互相関関数の最大値の移動（シフトないしスライド Verschiebung）により示される。つまり時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃは、信号ｓ１及びｓ２の相互相関関数の最大値が決定されることにより決定することができる。

本発明の別の有利な一形態を以下に説明する。時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃから、音響変換器プリトラベル部内の音速度ｃａを介し、行路差ｄｅｌｔａ＿ｌｃが計算される：

ｄｅｌｔａ＿ｌｃ＝ｃａ×ｄｅｌｔａ＿ｔｃ 式（６）

音響変換器プリトラベル部内の音速度ｃａは、既知のものとして前提とすることができる。この際、角度変化ｄｅｌｔａ＿ａｌｐｈａは、以下の値となる：

ｄｅｌｔａ＿ａｌｐｈａ
＝ａｒｃｓｉｎ（ｄｅｌｔａ＿ｌｃ／ｄｅｌｔａ＿ｓ） 式（７）

この際、ｄｅｌｔａ＿ｓでは、図２のような複数のアレー要素の間隔が定義されている。取り付けられた音響変換器の音響校正係数Ｋａｆは、式（２）において角度ａｌｐｈａに角度変化ｄｅｌｔａ＿ａｌｐｈａを加算することにより得られる：

Ｋａｆ
＝ｃａ／ｓｉｎ（ａｌｐｈａ＋ｄｅｌｔａ＿ａｌｐｈａ） 式（８）

本発明の別の可能な一形態は、校正係数Ｋａｆの計算のための式が、時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを基礎にして、以下の考察から導き出されることにより得られる。

図３に示された、長さｄｅｌｔａ＿ｘ分のアレー要素４ａの仮想上の移動（スライド）は、大きさｄｅｌｔａ＿ｔｘ分の変換器要素３とアレー要素４ａとの間の音伝播の走行時間変化をもたらす。この際、上記特許文献６に示されているように、ｄｅｌｔａ＿ｔｘとｄｅｌｔａ＿ｘの比率が正に音響校正係数である。そのために音響変換器が実際に管上で移動されるのであれば、それにより音響校正係数Ｋａｆｘが決定可能であり、該音響校正係数Ｋａｆｘは、管壁の場合による影響を含んでいる：

Ｋａｆｘ＝ｄｅｌｔａ＿ｘ／ｄｅｌｔａ＿ｔｘ 式（９）

物理的な移動（スライド）を回避するために、それに代わり走行時間ｔ２が測定され、それから仮想上のポジションにおいて変換器要素３とアレー要素４との間の走行時間ｔ２０が計算される。走行時間ｔ２０は、ｔ２から、音響変換器プリトラベル部を介する区間ｄｅｌｔａ＿ｌに沿った走行時間ｔａを減算することにより得られる：

ｔ２０＝ｔ２−ｔａ 式（１０）

つまり時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｘは、式（５）を用い、以下の値となる：

ｄｅｌｔａ＿ｔｘ
＝ｔ１−ｔ２０
＝ｔ１−（ｔ２−ｔａ）
＝ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＋ｔａ 式（１１）

従って式（９）から、次のようにＫａｆｘが得られる：

Ｋａｆｘ＝ｄｅｌｔａ＿ｘ／（ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＋ｔａ） 式（１２）

走行時間ｔａは、区間ｄｅｌｔａ＿ｌと音響変換器プリトラベル部内の音速度ｃａとから、次の式で得られる：

ｔａ＝ｄｅｌｔａ＿ｌ／ｃａ 式（１３）

この際、ｄｅｌｔａ＿ｌ、ｄｅｌｔａ＿ｓ、ｄｅｌｔａ＿ｘは、直角三角形を形成する。従ってｄｅｌｔａ＿ｘは、角度ａｌｐｈａを介し、ｄｅｌｔａ＿ｓにより置き換えることができる。即ち次の式が当てはまる：

ｄｅｌｔａ＿ｘ＝ｄｅｌｔａ＿ｓ／ｃｏｓ（ａｌｐｈａ） 式（１４）

式（１３）においてｄｅｌｔａ＿ｌが、ｔａｎ（ａｌｐｈａ）とｄｅｌｔａ＿ｓとの積により置き換えられる：

ｔａ＝ｔａｎ（ａｌｐｈａ）×ｄｅｌｔａ＿ｓ／ｃａ 式（１５）

式（１４）と式（１５）を式（１２）に代入すると、次の式が得られる：

Ｋａｆｘ
＝ｄｅｌｔａ＿ｓ／（ｃｏｓ（ａｌｐｈａ）（ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＋ｔａｎ（ａｌｐｈａ）×ｄｅｌｔａ＿ｓ／ｃａ）） 式（１６）

式（２）によるＫａを用い、式（１６）は、次のように簡素化される：

Ｋａｆｘ
＝Ｋａ／（１＋Ｋａ×ｃｏｓ（ａｌｐｈａ）×ｄｅｌｔａ＿ｔｃ／ｄｅｌｔａ＿ｓ） 式（１７）

つまり式（１７）による校正係数Ｋａｆｘの測定は、場所的な移動（スライド）ｄｅｌｔａ＿ｘを、音響変換器のパラメータを使用した時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃの等価の測定により置き換える。つまり式（１７）を用い、校正係数Ｋａｆを決定するための式が次のように得られる：

Ｋａｆ
＝Ｋａ／（１＋Ｋａ×ｃｏｓ（ａｌｐｈａ）×ｄｅｌｔａ＿ｔｃ／ｄｅｌｔａ＿ｓ） 式（１８）

式（８）及び式（１８）は、校正係数Ｋａｆを記述する選択的な可能性である。純粋なセンサ特性から得られるセンサ定数Ｋａに対するＫａｆの違いは、管壁部の影響により発生する。もしも管壁部の影響がまるでない場合には、特別なケースがあることになり、この際にはｄｅｌｔａ＿ｔｃ＝０である。その際には、式（８）及び式（１８）から各々Ｋａｆ＝Ｋａが得られる。

式（８）は、式（１８）と同じ結果をもたらす。つまりｓｉｎ（ａｌｐｈａ＋ｄｅｌｔａ＿ａｌｐｈａ）がテイラー級数の第１項により近似され、ａｒｃｓｉｎ（ｄｅｌｔａ＿ｌｃ／ｄｅｌｔａ＿ｓ）が独立変数ｄｅｌｔａ＿ｌｃ／ｄｅｌｔａ＿ｓにより置き換えられることにより、式（８）は式（１８）へ変えられる。

本発明の別の一形態は、時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃと校正係数Ｋａｆとの間の関係が実験的に検出されることにより得られる。この際、Ｋａｆは、上記特許文献６に記載された方法により決定することができる。該方法は、ラボにおいて、実際の適用において生じうる複数の測定管の充分な選択肢（選択肢の群）に対して適用される。そのために音響変換器は、各々、図５に示されているように管５上に位置決めされる。そして音響変換器２のポジションｘ１ないしｘ２における走行時間ｔｘ１及びｔｘ２が測定され、この際、点ｘ１及びｘ２は、点ｘ０に対して対称に位置している。（即ち点ｘ１とｘ２の間の間隔の中心に点ｘ０が位置している。従って点ｘ１とｘ０の間の間隔と点ｘ２とｘ０の間の間隔は同じである。）ここで、走行時間ｔｘ１及びｔｘ２は、各々、音響変換器１の変換器要素３と音響変換器２の変換器要素４との間の走行時間である。この際、変換器要素４の両方のアレー要素４ａ及び４ｂは、電気的に並列接続されている。

管壁部の影響を既に含む校正係数Ｋａｆは、上記特許文献６に記載されているように、次の式で得られる：

Ｋａｆ＝（ｘ２−ｘ１）／（ｔｘ２−ｔｘ１） 式（１９）

引き続き、音響変換器２がポジションｘ０に位置決めされ、時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃが測定される。このようにして、検査された管ｉのために、Ｋａｆ＿ｉとｄｅｌｔａ＿ｔｃ＿ｉという値ペアが得られる。校正係数に対して様々に強く影響を及ぼすように選択される総数Ｎの更なる管部分（管セグメント）のために試行が反復される。このようにして総数Ｎの値ペア（Ｋａｆ＿ｉ、ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＿ｉ）が得られる。従ってそのために通常の方法の１つにより、Ｋａｆをｄｅｌｔａ＿ｔｃから近似するのに適した近似関数ｆｃ（ｄｅｌｔａ＿ｔｃ）が計算される。

従ってその後、稼働段階中に校正係数Ｋａｆを測定値ｄｅｌｔａ＿ｔｃから計算することができる：

Ｋａｆ＝ｆｃ（ｄｅｌｔａ＿ｔｃ） 式（２０）

関数ｆｃは、実際において発生するＫａｆの変動範囲（バリエーション範囲）をできるだけ充分に網羅すべきである。そのためには、実験で使用される複数の管の特性の変動範囲が、流量測定装置の実際の適用において存在する複数の管の変動範囲に対応しなくてはならない。音響変換器が、例えば、４ｍｍ〜８ｍｍの壁厚の鋼材製（スチール製）及び特殊鋼材製（ステンレススチール製）の管に適している場合には、各々鋼材製及び特殊鋼材製の４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍの壁厚の管を検査することができるであろう。異なる弾性特性を有する各々異なる鋼材製箇所或いは特殊鋼材製箇所が検査されることにより、データベースを拡張することができるであろう。

本発明の有利な一形態は、図２に示された変換器要素４が２つのアレー要素ではなく４つのアレー要素から構成されることにより得られる。この際、直接的には隣接しない各々２つのアレー要素を並列接続することができる。値ｄｅｌｔａ＿ｘは、アレーの全幅の四分の一に減少する。この接続状態（配線）により発生する変換器要素の各々は、アレーの幅の３／４をもち、従ってその開口面（アパーチャ面）は、同様に、流量測定のために使用される、相互接続された全てのアレー要素の開口面の３／４の大きさである。

アレー要素の総数は、上述の方式で先へ進めることができる。この際、アレー要素の総数が増加した、分析段階において使用される変換器要素は、流量測定のために使用される、相互接続された全てのアレー要素に益々と似てくる。他方では、波面の所定の角度ずれを発生させる時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃが減少し、従って時間差の測定精度は、やや低くなる。

流量測定装置において走行時間法により使用される両方の音響変換器は、ゼロ点誤差を僅かに保つために、それらの特性に関してできるだけ類似しているべきである。それ故、本発明の有利な一形態は、稼働段階において両方のアレー要素４ａ及び４ｂが並列接続され、それにより音響変換器２の変換器要素が大きさに関して音響変換器１の変換器要素に充分に同等化されることにより得られる。更に音響変換器１の変換器要素３をアレーとして実施することも可能である。そのような装置が図４に示されている。音響変換器１の変換器要素のアレー要素３ａ及び３ｂは、分析段階において、そして稼働段階においても並列接続される。それにより音響変換器１及び２の変換器要素の電気機械的特性は、充分に同一である。

図４に示された装置では、流量測定中の信号伝達のために、アレー要素３ａ及び４ａだけ又は３ｂ及び４ｂだけを利用することができる。校正のために必要とされる走行時間ｔ１及びｔ２は、アレー要素３ａと４ａの間ないし３ａと４ｂの間、又はアレー要素３ｂと４ａの間ないし３ｂと４ｂの間で測定することができる。

本発明の更なる可能な種々形態は、複数のアレー要素の総数の上述の増加により得られる。

時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃの測定は、受信変換器要素に対する平行性からの波面のずれの影響だけを検知すべきである。しかし媒体が管内を流れる場合、音走行時間は流れにも影響を及ぼされる。流れ速度がｔ１及びｔ２の測定中に一定であるならば、その際に流れは差に影響を及ぼさない。しかしこのことは、実際には理想的なかたちとして保証されることはない。流れは、実際には多くの場合、みだれた（乱流）状態にある。その際、流れ速度は、平均値の周辺で予期せずに変動する。流れ速度の平均値が一定の場合におけるこの種の予期せぬ変動の影響は、相前後して獲得される時間差の複数の測定値が平均化されることにより排除することができる。しかし流れ速度の平均値が一定でない場合には、この措置は助けにならない。流れ速度の時間線形的な増加は、例えば走行時間ｔ１が走行時間ｔ２よりも系統的により強く流れ速度によって影響を及ぼされることをもたらす。休止時間は、個々の測定の間においてできるだけ小さく保たれるべきである。この措置は、本発明においても適用することができる。ｔ１及びｔ２の測定の間の時間的間隔がより小さいほど、流れの変化の影響は明らかに小さくなる。

既述の方法を実行するために、送信ユニットＳと、少なくとも１つのアレーマルチプレスサＡＭＵＸと、方向切替器ＤＭＵＸと、受信増幅器Ｖと、評価ユニットＳＰＵと、制御ユニットＣＴＲＬと、計算ユニットＣＡＬＣとから構成される装置が提案される（図６）。アレーマルチプレクサ（アレー多重化装置）ＡＭＵＸは、アレー要素４ａか又はアレー要素４ｂか又は両方のアレー要素を受信増幅器Ｖと接続する。制御ユニットＣＴＲＬは、方向切替器ＤＭＵＸもアレーマルチプレクサＡＭＵＸも、そして評価ユニットＳＰＵと計算ユニットＣＡＬＣを管理する。

分析段階中、方向切替器ＤＭＵＸは、送信ユニットＳが音響変換器１の端子（ターミナル）及び音響変換器１に付属の変換器要素と接続されており且つ受信増幅器ＶがアレーマルチプレクサＡＭＵＸと接続されているように切り替えられている。アレーマルチプレクサＡＭＵＸは、音響変換器２のアレー要素４ａか又はアレー要素４ｂだけが受信増幅器Ｖと接続されているように制御される。

受信増幅器Ｖに接続された評価ユニットＳＰＵは、検出すべき時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを決定する。評価ユニットＳＰＵ（図７）は、アナログデジタル変換器ＡＤＣと、バッファメモリＭＥＭと、相関器（コリレータ）ＫＯＲＲとから構成される。ｄｅｌｔａ＿ｔｃの測定のために第１ステップでは、アレー要素４ａがアレーマルチプレクサＡＭＵＸと受信増幅器Ｖを介して評価ユニットＳＰＵと接続され、送信信号が送信ユニットＳにより発生される。アレー要素４ａにおいて発生した受信信号は、評価ユニットＳＰＵにおいてアナログデジタル変換器ＡＤＣによりデジタル化され、バッファメモリＭＥＭ内に保存される。第２ステップでは、アレー要素４ｂが受信増幅器Ｖを介して評価ユニットＳＰＵと接続されており且つ更なる送信信号が送信ユニットＳにより発生されるように、制御ユニットＣＴＲＬによりアレーマルチプレクサＡＭＵＸが切り替えられる。アレー要素４ｂにおいて発生した受信信号は、評価ユニットＳＰＵにおいてアナログデジタル変換器ＡＤＣによりデジタル化され、同様にバッファメモリＭＥＭ内に保存される。デジタル化されてバッファメモリＭＥＭ内に保存されたアレー要素４ａ及び４ｂの受信信号から、デジタル相互相関器により時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃが直接的に決定される。このデジタル相関器ＫＯＲＲは、例えばプログラミング可能なデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）により実現される。

計算ユニットＣＡＬＣにおいて、式（８）又は式（１８）による校正係数Ｋａｆが、相関器ＫＯＲＲにおいて決定された時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃから計算される。

別の一実施形態（図８）において評価ユニットＳＰＵは、極めて高い分解能を有する時間測定装置ＴＤＣ、例えば所謂「Time to Digital Converter」と、バッファメモリＭＥＭとから構成される。この形態では、各々の受信信号からデジタル化を用いることなく直接的に走行時間ｔ１ないしｔ２が測定され、バッファメモリＭＥＭ内に保存される。両方の走行時間ｔ１及びｔ２が測定された後、それらの差が差分構成器（Differenzbilder）ＭＩＮＵＳにより算出され、校正係数Ｋａｆを決定するために計算ユニットＣＡＬＣへ転送される。

稼働段階においてアレーマルチプレクサＡＭＵＸは、制御ユニットＣＴＲＬにより、アレー要素４ａ及び４ｂが並列接続されているように切り替えられる。方向切替器ＤＭＵＸにより、交互に各々、音響変換器１が送信器として且つ音響変換器２が受信器として、或いは音響変換器２が送信器として且つ音響変換器１が受信器として稼働される。そして評価ユニットＳＰＵは、流れにより生じる走行時間差Δｔを測定し、流体走行時間ｔｆｌを測定し、それから計算ユニットＣＡＬＣにおいて式（４）により流量を決定するために使用され、この際、センサ定数Ｋａは、分析段階において検出された校正係数Ｋａｆにより置き換えられる。

別の一形態（図９）では、音響変換器１の変換器要素が同様にアレーとして実施され、音響変換器１の端子（ターミナル）と方向切替器ＤＭＵＸとの間に別のアレーマルチプレクサＡＭＵＸ２が挿入される。稼働段階において両方のアレーマルチプレクサＡＭＵＸ及びＡＭＵＸ２は、アレー要素３ａ及び３ｂが並列接続されておりアレー要素４ａ及び４ｂも並列接続されているように制御される。分析段階において両方のアレーマルチプレクサの１つは、付属のアレー要素が並列接続されているように制御され、他方のアレーマルチプレクサは、受信増幅器Ｖと評価ユニットＳＰＵとのアレー要素（複数）の連続した接続を実現する。

別の一形態では、変換器要素３及び４の少なくとも１つが２つよりも多くのアレー要素から構成される。その際、図６及び図９による装置の付属のアレーマルチプレクサは、アレー要素と同数の入力部を有する。分析段階において各々のアレーマルチプレクサは、第１ステップで、隣接していない少なくとも２つのアレー要素が並列接続されており、それらの受信信号が評価されるように制御される。第２ステップでは、隣接していない残りのアレー要素が並列接続され、それらの受信信号が評価される。

１ 音響変換器
２ 音響変換器
３ 変換器要素
３ａ アレー要素
３ｂ アレー要素
４ 変換器要素
４ａ アレー要素
４ｂ アレー要素
５ 測定管
６ 平面波面

Ｓ 送信ユニット
ＡＭＵＸ アレーマルチプレクサ
ＡＭＵＸ２ アレーマルチプレクサ
ＤＭＵＸ 方向切替器
Ｖ 受信増幅器
ＳＰＵ 評価ユニット
ＣＴＲＬ 制御ユニット
ＣＡＬＣ 計算ユニット
ＡＤＣ アナログデジタル変換器
ＭＥＭ バッファメモリ
ＫＯＲＲ 相関器（コリレータ）
ＴＤＣ 時間測定装置
ＭＩＮＵＳ 差分構成器

Claims (11)

1. 測定管上に取り付けられ且つ変換器要素を備えた２つの音響変換器を用いる方法であり、少なくとも１つの変換器要素が少なくとも２つのアレー要素から構成される、超音波クランプオン式流量測定のための方法であって、
   分析段階において、以下のステップ、即ち、
   ａ．第１音響変換器（１）の変換器要素（３）と、第２音響変換器（２）の第１アレー要素（４ａ）との間の走行時間ｔ１を測定するステップと、
   ｂ．第１音響変換器（１）の変換器要素（３）と、第２音響変換器（２）の第２アレー要素（４ｂ）との間の走行時間ｔ２を測定するステップと、
   ｃ．前記走行時間ｔ１及びｔ２の間の時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを計算するステップと、
   を含み、
   計算された前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを用い、校正係数Ｋａｆが検出され、該校正係数Ｋａｆは、容積流Ｑの測定のための後続の稼働段階において、前記測定管の音響影響を補償するために使用されること
   を特徴とする方法。
2. 測定管上に取り付けられ且つ変換器要素を備えた２つの音響変換器を用いる方法であり、少なくとも１つの変換器要素が少なくとも２つのアレー要素から構成される、超音波クランプオン式流量測定のための方法であって、
   分析段階において、少なくとも２つの受信信号（ｓ１、ｓ２）の相互相関関数が計算され、但し、第１受信信号（ｓ１）は、第１音響変換器（１）の変換器要素（３）により送信され且つ第２音響変換器（２）の第１アレー要素（４ａ）により受信され且つデジタル化された信号であり、第２受信信号（ｓ２）は、第１音響変換器（１）の変換器要素（３）により送信され且つ第２音響変換器（２）の第２アレー要素（４ｂ）により受信され且つデジタル化された信号であり、前記相互相関関数の最大値の時間的な位置が検出され、
   この時間的な位置は、前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃであり、計算された該時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを用い、校正係数Ｋａｆが検出され、該校正係数Ｋａｆは、容積流Ｑの測定のための後続の稼働段階において、前記測定管の音響影響を補償するために使用されること
   を特徴とする方法。
3. 行路差ｄｅｌｔａ＿ｌｃの計算が、音響変換器プリトラベル部内の既知の音速度ｃａを前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃと乗じることにより前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを基礎にして行われ、それにより入射角の角度変化ｄｅｌｔａ＿ａｌｐｈａがａｒｃｓｉｎ（ｄｅｌｔａ＿ｌｃ／ｄｅｌｔａ＿ｓ）により得られ、但し、ｄｅｌｔａ＿ｓは、前記アレー要素（４ａ、４ｂ）の互いの間隔であり、従って前記校正係数Ｋａｆは、ｃａ／ｓｉｎ（ａｌｐｈａ＋ｄｅｌｔａ＿ａｌｐｈａ）により計算されること
   を特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記校正係数Ｋａｆは、前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを基礎とし、Ｋａｆ＝Ｋａ／（１＋Ｋａ×ｃｏｓ（ａｌｐｈａ）×ｄｅｌｔａ＿ｔｃ／ｄｅｌｔａ＿ｓ）の式により計算され、但し、Ｋａは、音響変換器プリトラベル部内の入射角ａｌｐｈａのサインに対する音響変換器プリトラベル部内の音速度ｃａの比率であり、ｄｅｌｔａ＿ｓは、前記アレー要素（４ａ、４ｂ）の互いの間隔であること
   を特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
5. 前記校正係数Ｋａｆは、近似関数ｆｃ（ｄｅｌｔａ＿ｔｃ）を介し、計算された前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃから検出されること
   を特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
6. 前記近似関数ｆｃ（ｄｅｌｔａ＿ｔｃ）は、前記音響変換器が当該超音波クランプオン式流量測定にとって通常どおり取り付けられている総数Ｎの管ｉにおいて各々Ｋａｆ＿ｉとｄｅｌｔａ＿ｔｃ＿ｉが測定されることにより、測定前に獲得される総数Ｎの値ペア（Ｋａｆ＿ｉ、ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＿ｉ）から計算され、但し、Ｋａｆ＿ｉの測定は、各々、前記音響変換器（２）がポジションｘ１又はｘ２にあるときに走行時間ｔｘ１及びｔｘ２が測定されることにより行われ、該走行時間は、各々、第１音響変換器（１）の変換器要素（３）と第２音響変換器（２）の変換器要素（４）との間の走行時間であり、また点ｘ１及びｘ２は、点ｘ０に対して対称に位置し、Ｋａｆ＿ｉは、Ｋａｆｘｉ＝（ｘ２−ｘ１）／（ｔｘ２−ｔｘ１）に対して計算され、ｄｅｌｔａ＿ｔｃ＿ｉの測定は、前記音響変換器（２）がポジションｘ０にあるときに、請求項１による前記ステップａ〜ｃの後に行われること
   を特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 測定管上に取り付けられ且つ変換器要素を備えた２つの音響変換器を用いる超音波クランプオン式流量測定のための方法を実行する装置であって、
   該装置は、送信ユニットと、少なくとも２つの入力部を有する少なくとも１つのアレーマルチプレスサと、方向切替器と、受信増幅器と、評価ユニットと、制御ユニットと、計算ユニットとから構成され、
   第１アレー要素（４ａ）か又は第２アレー要素（４ｂ）か又は両方のアレー要素（４ａ、４ｂ）が、前記アレーマルチプレクサ（ＡＭＵＸ）を介して前記方向切替器（ＤＭＵＸ）の１つのチャネルと接続されており、
   前記方向切替器（ＤＭＵＸ）の第２のチャネルが前記変換器要素（３）と接続されており、
   前記方向切替器（ＤＭＵＸ）の両方の残りの端子が、各々、前記送信ユニット（Ｓ）と、前記受信増幅器（Ｖ）とに接続されており、
   前記受信増幅器（Ｖ）は、前記時間差ｄｅｌｔａ＿ｔｃを検出し且つ前記計算ユニット（ＣＡＬＣ）へ転送する前記評価ユニット（ＳＰＵ）と接続されており、
   前記制御ユニット（ＣＴＲＬ）は、分析段階も稼働段階も同じコンポーネントで実現するために、前記方向切替器（ＤＭＵＸ）も前記アレーマルチプレスサ（ＡＭＵＸ）も、そして前記受信増幅器（Ｖ）と前記評価ユニット（ＳＰＵ）と前記計算ユニット（ＣＡＬＣ）を管理し、
   前記分析段階中、前記方向切替器（ＤＭＵＸ）は、前記送信ユニット（Ｓ）が第１音響変換器（１）の端子及び第１音響変換器（１）に割り当てられた変換器要素と接続されており且つ前記受信増幅器（Ｖ）が前記アレーマルチプレクサ（ＡＭＵＸ）と接続されているように切り替えられており、
   前記アレーマルチプレクサ（ＡＭＵＸ）は、前記変換器要素（４）の第１アレー要素（４ａ）か又は第２アレー要素（４ｂ）だけが前記受信増幅器（Ｖ）と接続されているように制御され、
   前記稼働段階中、前記アレーマルチプレクサ（ＡＭＵＸ）は、前記制御ユニット（ＣＴＲＬ）により、前記アレー要素（４ａ、４ｂ）が並列接続されているように切り替えられること
   を特徴とする装置。
8. 前記評価ユニット（ＳＰＵ）は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）と、バッファメモリ（ＭＥＭ）と、デジタル相関器（ＫＯＲＲ）とから構成されること
   を特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 前記相関器（ＫＯＲＲ）は、プログラミング可能なデジタル信号プロセッサにより実現されること
   を特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 前記評価ユニット（ＳＰＵ）は、時間測定装置（ＴＤＣ）と、バッファメモリ（ＭＥＭ）と、差分構成器（ＭＩＮＵＳ）とから構成されること
    を特徴とする、請求項７に記載の装置。
11. 前記変換器要素（３）は、少なくとも２つのアレー要素（３ａ、３ｂ）から構成され、アレーマルチプレクサ（ＡＭＵＸ２）が、第１アレー要素（３ａ）か又は第２アレー要素（３ｂ）か又は両方のアレー要素を、前記方向切替器（ＤＭＵＸ）の１つのチャネルと接続すること
    を特徴とする、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の装置。

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