JPH0758210B2 - 面発生の容積探索信号をもちいて流体流量を測定するための方法および装置 - Google Patents

面発生の容積探索信号をもちいて流体流量を測定するための方法および装置

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JPH0758210B2
JPH0758210B2 JP61170962A JP17096286A JPH0758210B2 JP H0758210 B2 JPH0758210 B2 JP H0758210B2 JP 61170962 A JP61170962 A JP 61170962A JP 17096286 A JP17096286 A JP 17096286A JP H0758210 B2 JPH0758210 B2 JP H0758210B2
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wave
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ロレンス・シー・リンワース
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パナメトリクス・インコ−ポレイテツド
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の背景〕 本発明は流体流量を測定するための方法および装置に関
し、特に流体の流量を測定するのに使用されることの多
い超音波測定方法および超音波測定装置に関する。
非侵入型で押付け形の通過時間ドツプラー式または相関
式超音波流量計が、流体（特に液体）を測定または探索
するのに使用されてきた。この押付け形流量計は流体を
探索するのに縦波またはせん断波圧電結晶を使用するの
が普通である。多くの場合、流体中の探索信号は狭帯域
の斜め信号であり、流量計は被測定流体の所望の特性を
決定するのに通過時間測定を用いる。
探索源としていわゆる“ワイドビーム”または“ブロー
ドビーム”と呼称されるもの（たとえば、管またはチユ
ーブなどのコンジツトの軸線方向に延長するビーム）を
使用するのがより望ましいものとなるにつれて、ラム波
（Lamb wave）を使用することが多くなつてきた。管壁
中のラム波は、押付け形の探索システムでの縦波または
せん断波探索源よりも優れた効果を与える。なぜなら、
その軸線方向への広いビーム拡がりによつて、一対の伝
送変換器を一層容易に配置できるからである。狭ビーム
のせん断波または縦波システムでは得ることのできない
この自由自在の離間配置によつて、流体中の音速にほと
んど依存しない離間配置が行われる。しかし、ラム波は
散乱性であるという欠点をもつ。それゆえ、ラム波が使
われる際には、管の厚さおよび組成の関数として最適の
周波数が計算されねばならない。残念なことに、管の厚
さおよび組成は、一方または両方の変換器場所で必ずし
も正確に知られるとは限らない。
管壁でせん断波を使うことの利益の一つが縦波よりも遅
いせん断波の速度であることもよく知られている。さら
に、レイリー波（Rayleigh wave）などの表面波が、所
定の管材料で標準的にはせん断波よりもさらに10％程度
遅い位相速度をもつことが知られている。それゆえ、表
面波は、実現可能なより都合のよい屈折角のゆえに流体
の斜め探索により適している。しかし残念なことに、レ
イリー波も、中実体中を“貫通”する際に相当に減衰す
ることが知られている。このように、もしプレートの厚
さｗが、１レイリー波長程度の厚さ（中実体中のレイリ
ー波の波長に対応する波長）よりも厚いならば、相当の
減衰がプレート中で起こる。減衰は、中実体中への深さ
が大きくなるにつれて、指数関数的に増大する。それゆ
え、レイリー波またはレイリー様の波は、流体へ伝達す
る信号の強さが常にシステムの雑音と比較すると相当に
小さいと考えられるので、押付け形の変換器と組み合わ
せるのは実用的ではないと考えられてきた。本発明は人
工的または擬似的な開口法を用いて減衰制約を克服する
ものである。
それゆえ、本発明の目的は、流体流量を決定するのにレ
イリー波またはレイリー様の波を使う流体測定装置およ
び流体測定方法を提供することである。本発明の他の目
的は、 流体流量を効果的に測定するためのレイリー波発生装置
およびその方法の構成に際してのまた流体流量を決定す
るためのレイリー様の波の使用に際してのおよび 信頼性があり敏感な流量計検出装置およびその方法の設
定に際しての種々の限定指示にある。
本発明のさらに他の目的は、低コストである押付け形超
音波変換器システムおよび液レベル測定システムおよび
信頼性があり廉価である流体探索システムにある。
〔発明の概要〕
本発明は一般的には流体の流量を測定するための装置お
よび方法に関する。本装置は、流体と接触しているリモ
ート面およびローカル面を有するプレート様の材料と組
み合わせて使用される。変換器がプレート様の材料のロ
ーカル面と接触して配置され、このプレートでλRの波
長をもつレイリー様の波をローカル面に沿つて発生させ
るために、複数の部材が、変換器の先の中実の材料のロ
ーカル面に結合させるために用意される。ローカル面と
リモート面とは、探索方向に４レイリー波長（４λR）
よりも小さい間隔を有し、この探索方向はローカル面に
垂直な方向に延びている。
他の態様において、流体流量を測定する本方法および本
装置は、非散乱性でありかつリモート面での強さがロー
カル面での強さよりも相当に弱いレイリー様の表面波の
発生を行う。
本発明のさらに他の態様において、プレート様の材料は
1/2レイリー波長よりも大きな厚さを有しており、本方
法および本装置は、発生されたエネルギーの内壁干渉を
回避するのに十分短いパルス信号を用いて変換器を動作
させることを特徴としている。本発明のこの態様におい
て、レイリー様の表面波は、リモート面とローカル面の
両方で通常ほぼ同様のエネルギー強度をもつラム波から
はつきりと区別される。特に、パルス持続時間は、プレ
ート様の材料の壁厚を中実材料中の波の速度で除したも
のよりも小さくされる。
〔好ましい実施例の説明〕
本発明は、人工的または擬似的な変換器開口を用いてブ
ロードビーム探索の利益を実現するための表面波法に向
けられるものであり、また狭帯域スペクトルをもつ周波
数臨界散乱波であるラム波の欠点を回避するものであ
る。また、例示の表面波法では、その上限が1MHzおよび
その近傍にあり周波数１桁で動作する容易に入手可能な
非破壊検査（NDT,non−destrcective testing）用の表
面波変換器を使うことができる。この上限周波数は、直
径が約30mmないし300mmの範囲の標準壁厚の管を貫流す
る様々の液体の斜め探索に有効である。実際に選択され
る実周波数は流体の伝搬特性に大幅に依存し、本発明の
基礎となる他の種々の制約が満たされるよう設定され
る。
このようにここに述べられる変換方法および変換装置
は、表面波が投入ないし発生されるプレートの厚さがも
しほぼ無限の厚さであるならばレイリー波に相当に似た
ものである表面波を使用している。しかし、これと同様
の種々の変換方法が、１波長よりも非常に薄いプレート
を通つて効果的に放射させるために使用されることも可
能である。しかし、先の厚さのプレートまたは膜では、
波は種々の点でレイリー波と相当に異なる。たとえば、
ソース領域と検出領域は、約1/2レイリー波長ないし４
レイリー波長の間の厚さをもつプレートの場合のように
は拡張されない。本発明によりまた以後詳細に述べられ
るように、拡張されるソース領域および検出領域に対応
する人工的または擬似的な変換器開口を与えることによ
り、先に述べたように、拡張された領域によつてコンジ
ツトの軸線方向にて変換器間の距離を相当に変化させる
ことができ、またこのことにより、流体中の音速C3の不
確定さまたは変動に影響を受けないようにすることがで
きる。さらに使われるプレート、管または他の構造体に
対して、差パス測定法を応用することによりレイリー波
の速度CRを決定することができる。その値CRは変換器間
の距離Ｓ対通過時間のグラフの傾きによつて決定されよ
う。
このように本発明はプレートまたは他のプレート様構造
体の面での理想的にはレイリー波の発生および流体探索
に際してのこの波の使用に向けられるものである。しか
し先に述べたようにプレートの厚さの制約により、完全
なレイリー波は発生されない。しかし、発生されるレイ
リー様の波（以後“レイリー様表面波”と呼ぶ）は、た
とえばラム波などの類似した種類の波と区別されるいく
つかの顕著な特性をもつ。すなわち、レイリー様表面波
はプレートの一方の面近傍に集中しかつ深さと共に指数
関数的に減小するそのエネルギーを有する。他方、ラム
波はプレートの各境界でほぼ同等の強さをもつ。レイリ
ー様表面波の位相速度および群速度は周波数にほとんど
依存せずまたほぼ等しい（すなわち非散乱性である）。
以後述べられるように、好ましいレイリー様表面波は、
広帯域の短パルス特性をもつ短いスパイク様の励振によ
り得られる。このことは、たとえばラム波などの特性で
あるエネルギーの内壁干渉の発生を回避する。パルス持
続時間は一周期以下とされ、壁厚を中実材料中の波の速
度で割つた値よりも明らかに小さくされる。これによ
り、たとえばラム波の場合に生ずる固有共振の干渉また
は増強（ビルドアツプ）を回避する。また、レイリー波
は、所望の波を投入するのに、最小の臨界空間幅制約を
もたない。この最後の特性によつて、ラム波を使う場合
に利用されたものよりも小さい変換器構造体を組み立て
ることができる。
プレート中に見出されるレイリー様表面波およびラム様
波の違いは、以後に詳細に述べられる種々の条件のもと
での プレート厚さのばらつきに対する全体的許容度と プレート深さの関数としての波の相当の減衰と 異なる速度で伝搬する高次のモードの有無とにある。
ラム波およびレイリー波を投入するための数学的理論は
当業者には周知である（たとえば、クラウトクレーメル
（Krautkrmer）、ウルトラソニツク テステイング
オブ マテリアルズ （Ultrasonic Testing of Materials）、第３版（198
3）、p.44〜45,p。608,p。618を参照されたい）。ダイ
トン（Deighton）は、ウルトラ（ULTRA）３ 23(4)、19
85年に対する補遺で、1985年７月２日〜４日のロンドン
でのユーアイ（UI）85会議のアブストラクト7.4でラム
波の散乱を論じている。
第１図を参照すると、代表的な本発明の実施例が例示さ
れ、第１の変換器10と第２の変換器12が、水などの流体
が貫流するコンジツト14に沿つて配置されている。変換
器10、12は押付け形とされ、磁力または機械力によりコ
ンジツト壁16に保持される。本発明によれば、変換器10
は、コンジツトの壁面20に沿つて参照番号18にて例示さ
れるレイリー様表面波を発生するために、当業者には周
知の超音波流量計作動システム17からの励振パルス信号
に応答する構成を有する。励振パルス信号は先に述べた
ようにパルス持続時間の制限された短いスパイク様の信
号である。
以下に続く説明の便宜上、変換器が表面波を伝達または
受容するために接触しているコンジツトの壁面20（また
は別のプレート様構造体の面）は変換器に対するローカ
ル面と呼称され、レイリー様表面波が流体中へまたは流
体から“漏洩”するコンジツトの壁面（または他のプレ
ート様構造体の面）は以後“リモート面”と呼称され
る。かくして、本発明によれば、変換器10はコンジツト
壁16のローカル面20に表面波を投入する。先に述べたよ
うに、この表面波はレイリー様表面波であり、表面波が
中実体中へ貫通してローカル面から離れるにつれ相当に
減衰する。例示のレイリー様表面波は、変換器10から遠
方へ中実体表面に沿つて軸線方向に伝搬する。
本出願人は、変換器10により投入されたレイリー様表面
波のエネルギーの一部がコンジツト14を貫流する流体22
中へ漏洩することを見出した。流体と壁との界面では、
強さの相当に減衰した波が“投入され”、たとえば波24
によつて表わされている。波24はコンジツトの軸線方向
に対してある斜めの角度で流体を横断する。波24の屈折
角θ3はスネル（Snell）の法則により決定されよう。こ
の液体伝搬の波が反対側の壁（変換器10のリモート面2
6）に到達する時に、新しい波が管壁に投入され、さら
にローカル面27でなお一層相当に減衰したレイリー様表
面波が参照番号28にて例示の様に反対側の管壁内の波に
よつて発生される。このレイリー様表面波は、変換器10
での初期の強さと比較するとその強さは大幅に減衰して
いるけれども、所望の強さの信号を生成するのに十分な
コヒーレントなエネルギーを依然として有しているの
で、バツクグラウンドの雑音を超えて検出される変換器
12での受信信号を与える。信号の強さの適当さの主要原
因は、多数の平行射線が同時に受信変換器に到達するこ
とによる。受信信号は、たとえば流体での通過時間など
を決定するために、当業者には周知の超音波流量計作動
システム17によつて処理される。第１図の構成はこのよ
うにたとえば通過時間流量計などに適合せられよう。
第１図はさらに管の周囲に選択的に配置され、締付けま
たは他の方法により適所に保持される防振装置30を例示
する。もし防振装置（ダンパー）の音響波インピーダン
スと干渉するタイプの表面波（すなわち円周方向に拡が
るレイリー様表面波）と が近似的に整合さているならば、短絡回路が効果的にダ
ンパーに結合されるので波のエネルギーが吸収される。
このようにして、レイリー様表面波は、プレートまたは
管の有効領域にのみ閉じ込められよう。
第２図を参照すると、本発明の一実施例において管また
はコンジツトに結合される変換器の一形態がより詳細に
例示されており、変換器10、12は、リンワース（Lynnwo
rth）のトランス。インステイテユート・エムシー（Tra
ns。Inst.MC）、第４巻、ナンバー１、６ページ（1982
年１月〜３月）に例示のようなせん断波を投入および検
出するのに使われるものと同様のくさび（ウエツジ）変
換器とされる。管を横断して斜めに放射されるエネルギ
ー束のコヒーレントな要素が、たとえば波40、42、44、
48などの斜めの波によつて表されている。第２図の変換
器10、12は、リンワース（Lynnworth）の米国特許第4,2
86,470号明細書に示されているものと同様の環状のつば
50、52を用いて管にしつかりと締め付けられる。
また、実行可能性研究または流体研究の場合のように少
なくとも短期間の間だけ、鉄または鋼などで作られた磁
性管の適当な場所に変換器を保持するのに、磁石クラン
プを使用することも可能である。第10図に例示のこの種
の一配列は、リンワースらの米国特許第4,320,659号明
細書の第６図の変換器配列構造と同様である。変換器は
水平管の側部に取り付けられることが多いので、変換器
の重さは、磁石の保持力と結合力とこれら以外の他の力
（たとえば変換器に接続されるケーブルの引張力）より
も小さくされねばならない。
第２図に再び戻ると、コンジツト14は先に述べたように
２つのつば50、52によつて包囲されている。つばは、た
とえばルーランド（Rulamd）およびスタツフオード（St
afford）などの製造業者から商業的に入手可能な標準規
格部品とすることも可能である。変換器を保持するハウ
ジング54は、接続箱またはコンジツト接続ユニオン継手
を収容するために一端部にねじ山が切られておりまたレ
イリー様表面波を投入または検出するのに必要とされる
正しい入射角（標準的には30°ないし60°）を与えるた
めに、他端部に面取りが施された約191cm（3/4in）のニ
ツプル管から形成されたほぼ円筒状のハウジングであ
る。ニツプル管54は、励振波長と比較して薄いかまたは
半波長の整数倍とされるプレート58により２つのキヤビ
テイに分割されている。ウエツジは、面取りの施された
方のキヤビテイにその後装着される。結晶60は通常垂直
方向に分極されるシヤー（せん断）モードタイプとされ
るが必ずしもそうである必要はなく、プレート58の一側
に装着される。代替的に結晶は、このようなプレートの
ない場合にはウエツジ62に直接装着することも可能であ
る。結晶60の直径または幅は約１レイリー波長ないし10
レイリー波長（λRないし10λR）の範囲が好ましい。
ウエツジは、薄いステンレス鋼のシム（間隔調整板、標
準的には50μｍ（0.002in）の厚さ）によつてキヤビテ
イ内に密閉されることもできる。組立て体は、シリコー
ンゴム、エポキシ、グリースまたは他の材料によつて、
コンジツトの外面（ローカル面）20に結合されるので、
レイリー様表面波はコンジツトの拡張面に沿つて投入ま
たは検出される。かくしてレイリー様表面波は変換せら
れ、射線40、42、44、48によつて表わされるように管中
の流体を斜めに横切つて漏洩する。
波の屈折角θ3は流体中の斜め方向のパスの長さを決定
する。この斜め方向のパス長さは“P"として示されまた
管の内径は“D"によつて示されている。２つの変換器間
の軸線方向の間隔Ｓは、各変換器組立体の斜め中心線と
管外面との交差によつて画成される。使い易くするため
に、これらの交差は好ましくは、市販装置については、
例示の実施例のようにつば50、52の外側部と符号して形
成される。しかし、実際問題としては、ウエツジでのビ
ーム拡がりおよび音速C1の変動またはクランプ製造での
機械的公差などによりこの理想的な描画からのずれが発
生する。
第３図を参照すると、本発明によればレイリー様表面波
の場合のようにもし波の波長がλRと示されるならば、
本発明により最大の壁厚またはプレート厚さｗは約４波
長（４λR）よりも小さくされねばならない。また、弾
性の“半空間”での表面波の減衰は、種々の場合での隣
り合う液体、後方への放射により、約10波長のパスにわ
たり（1/e）のフアクターに達することが見出された。
一般に、プレートと遠方の流体との間の密度差が大きく
なれば、遠方の流体中への漏洩による波長あたりの過剰
の減衰は小さくなる。かくして、第３図に示されるよう
に、“拡張された開口”は、この場合レイリー波伝搬方
向で計つて、少なくとも10レイリー波長（10λR）の距
離であるよう画成される。このように、ローカル面20に
結合されパルス源64により励振される変換器10に関して
軸線方向に少なくとも10レイリー波長拡がつた人工的ま
たは擬似的な開口が期待される。さらに、減衰したレイ
リー波が隣りの流体の中へ“漏洩”すべく横切る構造体
の厚さは、その構造体のローカル面で約４波長よりも小
さくされ好ましくは約1/2波長よりも小さくされない。
第２図を参照するに、この例示された本発明の実施例に
よれば、流体中の軸線方向の相互作用長さＬは Ｌ＝Dtanθ3 で与えられる。伝搬時間超音波流量計では、パスＰなど
に沿つて測定される流速は、式 から測定されよう。
例示の実施例の場合、間隔Ｓは重要でなく既知の量であ
ることに注意することが必要である。壁厚もまた既知で
あるので、第一に誤つた周波数を用いて測定を試みて時
間を浪費することがなく（本方法および本装置は他の方
法に比べて壁厚の不確定さに対しての許容度がより相当
に大きい）、しかも第二に壁厚を通る時間の遅れが適当
に考慮できる。また、容積流量を計算するためには、管
の面積が知られねばならない。
標準的な例において、水が満たされ室温に近い空気によ
つて取り囲まれた鋼管を考える。空気中へのレイリー波
の漏洩は、ローカル面側で屈折角θ1Rがsin-1（343/300
0）すなわち6.6°またはその近傍で起こる。水への漏洩
は、屈折角30°で起こる。本発明の一実施例において、
水中の音速C3は1500m/sまたは鋼管でのレイリー速度CR
は3000m/sまたウエツジ変換器12での入射波の音速は212
1m/sとするならば、レイリー波は約45°の入射角で管の
中へ投入されよう。水中で縦波に変換されたモードの漏
洩は、屈折角30°（θ3）で起こる。比較のために、323
0m/sの管内での速度をもち鋼と水との界面で角度60°で
入射するせん断波は、水中へわずか23.7°の角度で屈折
しよう。さらに屈折角30℃を実現することは、中間半径
の弦にわたる探索が必要とされる場合に流れ分布（プロ
フアイル）の不確定さが計器フアクタに与える影響をで
きるだけ小さくするために特に重要である。
レイリー波を投入し表面波を検出するために他の方法を
使うこともできる。たとえば、支持体に対してウエツジ
が付加するよりも小さい質量を付加するよう企図される
周期的な配列が種々の応用のために、ウエツジを超える
利益を与える。また、周知のように、インターデイジタ
ル（交差指形）法は、約10MHz以上の高周波表面波応用
に通常使用されている。レーザーエネルギーの吸収でさ
えもが、レイリー波を発生するのに適用されよう。
第１図〜第３図の軸線方向に拡張されたソース領域およ
び検出領域との対比において、第４図について述べる
と、変換器10、12は超音波相関式流量計の種々の形態で
有利な円周方向に導かれる拡張された領域を与えるよう
配向される。本発明のこの様相によれば、変換器組立体
10、12は参照番号82、84で示される各レイリー様表面波
を伝達および受信する。相関式流量計では弦パス86、8
8、90による分布が、受信および検出されるレイリー様
表面波84を形成するのに重要である。スネルの法則を用
いると、標準的な状態下で、鋼管内の水に対して、弦パ
スは、リンワースの米国特許第4,103,551号明細書で述
べられた特定の利益である中間半径の弦パスとされよ
う。中間半径の弦パスは、層流および乱流のために好ま
しい分布重み特性（およびほぼ一定の計器フアクター）
をもつ。円管での押付け式の応用のために、中間半径の
弦探索は、円管の端面図から測られるように30°の屈折
角を必要とする。
本発明による相関式流量計の他の実施例において、第５
図を参照すると、２対の変換器10′、12′および10″、
12″が第５図に例示されているように、管の半径の１倍
〜４倍の間隔だけ、軸線方向に離間されている。伝送変
換器は、第４図に例示のようにレイリー様表面波を投入
する。測定は、伝送を通じてまたはパルスエコー技術に
よつてなされる。ここに述べられるタイプの相関測定に
おいて、音響学的な短絡回路の管壁雑音の抑制は先に述
べたダンプ方法またはヤコブソン（Jacobson）らのウル
トラソニツク（Ultrasonics）（1985年５月発行）に述
べられている直角位相法によつて実現される。
第６図〜第９図を参照すると、対向壁91、92の厚さが異
なる場合（第６図）またはこれらの壁のどちらか一方
（壁93）がテーパをもつ場合または不均等な厚さ（壁9
4）である場合（第７図）に、第１図〜第３図の押付け
式の方法および装置が、コンジツト（または他のプレー
ト様構造体）と関連して有効に用いられている。さら
に、第８図を参照すると、プレートまたは壁98には、ロ
ーカル面100に垂直である方向に流体中へ放射を行うよ
う意図的にテーパが施される。第８図に例示の本発明の
この実施例によれば、テーパの角度は波の屈折角に等し
く、そのため流体中へ投入される波はローカル面に垂直
な方向とされる。
同様に、第９図を参照すると、流体中の屈折されて生じ
た波がたとえば流体領域内のある選択された場所に集中
するように、壁は湾曲されている。本発明のこの実施例
によれば、壁101の曲率は、漏洩するレイリー様表面波1
02に対して正しい「指向性」を与えるようその弧に沿つ
て変化する。
第10図を参照すると、変換器組立体103が、これにまた
がる一対の小さな磁石105、106により与えられる結合力
を用いて管壁104に結合されている。変換器は、ウエツ
ジ部材110にせん断波出力を与えるよう配列される圧電
性結晶を備える。ウエツジと結晶との構造体はステンレ
ス鋼のハウジング112に収められている。この構成の出
力は、第２図に例示のように、角度θ3で屈折される広
いビーム波である。本発明の別の実施例では、いくらか
強力な馬蹄形磁石が、変換器を管壁102に当接して適所
に保持するのに使用することも可能である。どちらの磁
石配置でも、たとえばカンチレバー式のクランプ120
が、変換器組立体をコンジツトに固定するのに使用でき
る。例示の実施例では、クランプ120により支持された
ねじ部材118が変換器組立体103を適所に保持する。クラ
ンプ120は、ねじ部材126により磁石組立体に固定され
る。ねじ部材118は、通常はハウジング112に指で力一杯
締めることによつてのみ締め付けられる。
第11図を参照すると、第11図は、変換器組立体と第10図
に例示の構造体のコンジツトとの接触状態を示す端面図
であり、ウエツジ部材は円形のコンジツトと線接触を行
う。即座に生ずるビーム拡がりにも拘らず、線接触は普
通適当である。なぜなら結合部は通常、実効的な接触面
積をいくぶん拡げるからである。線接触では、一対の平
らな面のウエツジが、広範な範囲の曲率または直径をも
つ種々の管または湾曲した容器と結合できる。壁の厚さ
が４レイリー波長よりも小さいことのみ必要とされる開
放状態は、広範な範囲の壁の種々の厚さにわたる同様の
一対の変換器の使用を可能にする。受信される波形（広
帯域とされる）は壁の厚さとともにいくらか変化する。
一例として、第12図を参照すると、水か満たされた約1
0.16cm（4in）の鋼管を用いて１回の横断で得られた500
kHzの広帯域の受信信号が例示されている。励振源は伝
送変換器へのパルス信号である。電気的な広い帯域幅
は、１サイクル内で、全最大振幅への急速な立上りによ
つて示されている。これは、たとえば散乱性のラム波を
用いて得られ最大振幅に到達する（成熟）までに数回の
サイクルを必ず経る狭帯域の波形とは非常に異なる。例
示のこの波形を生成するのに使われる特定の一対の変換
器は、約5.08、10.16、20.32および472.44cm（２、４、
８、16および186in）の公称直径をもつ鋼管に有効であ
つた。
第13図を参照すると、レイリー様表面波発生構造体は、
横断数に比例してデータの分解能を高めるために、ジグ
ザグ形の押付け式探索形態にて使用することも可能であ
る。かくして、（直径の小さな管に対して）第13図に例
示の配置では、５倍の増加が得られる。
第14図を参照すると、本発明の他の態様では、レイリー
様表面波発生変換器10、12は、各々箱構造体150、152に
収容され完全に囲包される。各変換器が、浸漬され密閉
された区画室内（箱構造体150、152）にある場合に、こ
れらはいわゆる浸漬変換器と呼称され、流体154はその
間を貫流する。動作的には、箱構造体は機能的にたとえ
ば第３図のそれと同様である。特に、箱構造体150は、
“ローカル”面156と接触してその内に装着された変換
器組立体10を有しているので、変換器はレイリー様表面
波を箱構造体150の内側のローカル面に投入する。得ら
れたレイリー様表面波158は、浸漬変換器が浸漬されて
いる流体154を横断する漏洩波を発生する。もう一方の
箱構造体152は、ここに到達する信号エネルギーの検出
が行える。この箱構造体152は、受信されるレイリー様
表面波160を検出する受信変換器組立体12を包有してい
るので、容積流量または質量流量などの探索されるべき
流体流量の識別が行える。
第15図を参照すると、本発明の他の態様では、変換器組
立体10、12は、たとえばアルミニウムの曲板をもつ浮き
船内に装着することも可能である。伝達変換器10から投
入され生じたレイリー様表面波170は、水中の障害物を
検出するのに使われる外方向に導かれた探索信号172を
提供する。水中の障害物から反射される信号174によ
り、受信されるレイリー様表面波178が生成され受信変
換器12により受信されそして検出される。
パルスエコー法または透過法のいずれかを使う本発明の
他の応用では、リモート面からのエネルギーの隣り合う
液体へのカツプリングは、液レベル測定の点から判断さ
れる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明を実施するための通常の配列の模式図
である。第２図は本発明による管に機械的に締め付けら
れた変換器をもつレイリー様表面波伝搬時間流量計の斜
視図である。第３図は、本発明を限定する実際の要件を
例示する模式図である。第４図は、本発明による中間半
径の弦に沿う円周方向に発生されたレイリー波を示す管
の端面図である。第５図は、円周方向に向けられた２対
のレイリー変換器を使用する第４図に対応する正面図で
ある。第６図〜第８図は、本発明による壁の厚さの変化
する場合の種々の押付け形態を示す模式図である。第９
図は、ある選択された場所に流体波を集めるために、あ
る曲率をもつプレートの断面図である。第10図は、本発
明による磁力によつて結合された変換器組立体の斜視図
である。第11図は、本発明による平らな面の変換器の線
接触を示す端面図である。第12図は、本発明による水の
満たされた約10.16cm（4in）のスケジユール40の鋼管を
用いて得られた広帯域の500kHzの受信信号のグラフ図で
ある。第13図は、本発明によるジグザグの探索パスを有
する一実施例の模式図である。第14図は、本発明の一実
施例による「浸漬」変換器組立体の模式図である。第15
図は、本発明による浮き船内の変換器組立体の模式図で
ある。 図中の各参照番号が示す名称を以下に挙げる。 10、10′、10″、12、12′、12″：（第１・第２の）変
換器 14:コンジツト 16:コンジツト壁 17:超音波流量計作動システム 18、28:レイリー様表面波 20:（コンジツトの）壁面 22:流体 24:波 26:リモート面 27:ローカル面 30:防振装置（ダンパー） 40、42、44、48:波（射線） 50、52:つば 54:ハウジング（ニツプル管） 58:プレート 60:結晶 62:ウエツジ 64:パルス源 82、84:レイリー様表面波 86、88、90:弦パス 91、92:対向壁 93、94、98、101:壁 100:ローカル面 102:レイリー様表面波 103:変換器組立体 104:管壁 105、106:磁石 110:ウエツジ部材 112:ハウジング 118:ねじ部材 120:クランプ 126:ねじ部材 150、152:箱構造体 154:流体 156:ローカル面 158、160、170、178:レイリー様表面波 172:探索信号 174:反射信号

Claims (40)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】流体の流量を測定するための装置におい
    て、 流体と接触しているリモート面とローカル面とを備える
    中実のプレート様材料と、 変換器手段と、 この変換器手段を前記中実材料のローカル面に結合する
    ための手段と、 前記中実材料にてλRの波長をもつレイリー様表面波を
    前記ローカル面に沿って発生させるために、この変換器
    手段を励振するための手段とを備え、 前記ローカル面と前記リモート面は、探索方向にて４波
    長（４λR）よりも小さいある間隔を有し、 前記探索方向はローカル面に垂直に延びている装置。
  2. 【請求項２】前記中実のプレート様材料はコンジットの
    壁を形成し、測定される前記流体流量はコンジット内の
    流体流量である特許請求の範囲第１項記載の装置。
  3. 【請求項３】前記コンジットは変化する厚さのコンジッ
    ト壁を有する特許請求の範囲第２項記載の装置。
  4. 【請求項４】前記コンジットは、第２のコンジット壁の
    厚さとは異なる厚さである第一のコンジット壁を有する
    特許請求の範囲第２項記載の装置。
  5. 【請求項５】前記結合手段は、 コンジットに沿って軸線方向にレイリー様表面波を発生
    するために、前記変換器を結合するための手段と、 第二の変換器手段と、 レイリー様表面波を受信するために、この第二の変換器
    手段を前記コンジットに結合するための手段とから構成
    される特許請求の範囲第２項記載の装置。
  6. 【請求項６】前記結合手段は、 レイリー様表面波をコンジットに関して円周方向に投入
    するために、このコンジットへ前記変換器を結合するた
    めの手段から構成される特許請求の範囲第２項記載の装
    置。
  7. 【請求項７】前記結合手段は、 コンジットの中間半径の弦に沿ってこのコンジット内に
    探索波を発生するために、ある角度で前記変換器を結合
    するための手段から構成される特許請求の範囲第６項記
    載の装置。
  8. 【請求項８】前記プレート様の中実材料は、 レイリー様表面波から発生された流体伝搬の探索信号を
    流体中のある場所に集中させるために、変化する曲率を
    有する湾曲されたプレート様材料から構成される特許請
    求の範囲第１項記載の装置。
  9. 【請求項９】前記結合手段は、 コンジット壁のリモート面に沿って少なくとも10波長
    （10λR）の広がりをもつ擬似開口を生成させるため
    に、変換器を前記ローカル面に結合するための手段から
    構成される特許請求の範囲第２項記載の装置。
  10. 【請求項１０】流体の流量を測定するための装置におい
    て、 流体と接触しているリモート面とローカル面とを備える
    中実のプレート様材料と、 変換器手段と、 この変換器手段を前記中実材料のローカル面に結合する
    ための手段と、 前記中実材料にてλRの波長をもつレイリー様表面波を
    前記ローカル面に沿って発生するために、この変換器手
    段を励振するための手段とを備え、 前記ローカル面と前記リモート面は、探索方向にて1/2
    波長（λR/2）よりも大きなある間隔を有し、 前記探索方向はローカル面に垂直に延びており、 前記レイリー様表面波は非散乱性であり、リモート面で
    の強さがローカル面での強さよりも相当に小さい装置。
  11. 【請求項１１】前記中実のプレート様材料はコンジット
    であり、測定される前記流量はコンジット内の流体流量
    である特許請求の範囲第10項記載の装置。
  12. 【請求項１２】前記コンジットは変化する厚さのコンジ
    ット壁を有する特許請求の範囲第11項記載の装置。
  13. 【請求項１３】前記コンジットは、第二のコンジット壁
    の厚さとは異なる厚さである第一のコンジット壁を有す
    る特許請求の範囲第12項記載の装置。
  14. 【請求項１４】前記結合手段は、 コンジットに沿って軸線方向にレイリー様表面波を発生
    するために、前記変換器を結合するための手段と、 第二の変換器手段と、 レイリー様表面波を受信するために、この第二の変換器
    手段を前記コンジットに結合するための手段とから構成
    される特許請求の範囲第11項記載の装置。
  15. 【請求項１５】前記結合手段は、 レイリー様表面波をコンジットに関して円周方向に投入
    するために、このコンジットへ前記変換器を結合するた
    めの手段から構成される特許請求の範囲第11項記載の装
    置。
  16. 【請求項１６】前記結合手段は、 コンジットの中間半径の弦に沿ってこのコンジット内に
    探索波を発生するために、ある角度で前記変換器を結合
    するための手段から構成される特許請求の範囲第15項記
    載の装置。
  17. 【請求項１７】前記プレート様の中実材料は、 レイリー様表面波から発生された流体伝搬の探索信号を
    流体中のある場所に集中させるために、変化する曲率を
    有する湾曲されたプレート様材料から構成される特許請
    求の範囲第10項記載の装置。
  18. 【請求項１８】前記励振手段は、 変換器手段のために、前記プレート様の中実材料の壁厚
    を中実の材料での波の速度で割ったものよりも小さいパ
    ルス持続時間をもつパルス励振信号を発生するための手
    段を備える特許請求の範囲第10項記載の装置。
  19. 【請求項１９】流体の流量を測定するための装置におい
    て、 流体と接触しているリモート面とローカル面とを備える
    中実のプレート様材料と、 変換器手段と、 この変換器手段を前記中実材料のローカル面に結合する
    ための手段と、 前記中実材料にてλRの波長をもつレイリー様表面波を
    ローカル面に沿って発生させるために、エネルギーの内
    壁干渉を回避するのに十分短いパルス信号を用いて前記
    変換器を励振するための手段とを備え、 前記ローカル面と前記リモート面は、探索方向にて４波
    長（４λR）よりも小さいある間隔を有し、 前記探索方向はローカル面に垂直に延びており、 前記レイリー様表面波は非散乱性であり、リモート面で
    の強さがローカル面での強さよりも相当に小さい装置。
  20. 【請求項２０】前記励振手段は、 変換器手段のために、前記プレート様の中実材料の壁厚
    を中実の材料での波の速度で割ったものよりも小さいパ
    ルス持続時間をもつパルス励振信号を発生するための手
    段を備える特許請求の範囲第19項記載の装置。
  21. 【請求項２１】ローカル面およびリモート面を有するコ
    ンジットを貫流する流体の流量を測定するための押付け
    形超音波流量計において、 第１・第２の変換器手段と、 この第１・第２の変換器手段をコンジットの前記ローカ
    ル面に沿って軸線方向に離間された関係にてコンジット
    の前記ローカル面に結合するための手段と、 励振される変換器手段につき、コンジットのローカル面
    に沿って前記プレートにてλRの波長をもつレイリー様
    表面波を発生させるために、前記変換器手段を選択的に
    励振するための手段とを備え、 前記コンジットは、 このコンジットに沿う前記表面波の伝搬方向に垂直な方
    向で測られる壁厚が、４波長（４λR）よりも小さい壁
    厚をもつ押付け形超音波流量計。
  22. 【請求項２２】ローカル面およびリモート面を有するコ
    ンジットを貫流する流体の流量を測定するための押付け
    形超音波流量計において、 第１・第２の変換器手段と、 この第１・第２の変換器手段をコンジットのローカル面
    の外側に沿って軸線方向に離間された関係にてコンジッ
    トのローカル面に結合するための手段と、 前記コンジットにてλRの波長をもつレイリー様表面波
    をローカル面に沿って発生させるために、前記第１・第
    ２の変換器手段を選択的に励振するための手段とを備
    え、 前記コンジットは、1/2レイリー波長（λR/2）よりも大
    きな壁厚を有し、 前記レイリー様表面波は非散乱性であり、コンジットと
    流体との界面での強さが、ローカル面での強さよりも相
    当に小さい押付け形超音波流量計。
  23. 【請求項２３】ローカル面およびリモート面を有するコ
    ンジットを貫流する流体の流量を測定するための押付け
    形超音波流量計において、 第１・第２の変換器手段と、 この第１・第２の変換器手段をコンジットの前記ローカ
    ル面に沿って軸線方向に離間された関係にてコンジット
    の前記ローカル面に結合するための手段と、 流体流量測定波をコンジット−流体界面に発生するため
    に、前記コンジットにてλRの波長をもつレイリー様表
    面波をローカル面に沿って発生させるために、エネルギ
    ーの内壁干渉を回避するのに十分短いパルス信号を用い
    て前記第１・第２の変換器手段を選択的に励振すること
    により、伝達される信号はレイリー様表面波である押付
    け形超音波流量計。
  24. 【請求項２４】流体の流量を測定するための方法におい
    て、 プレート様中実材料のリモート面を流体と接触させ、 中実材料にレイリー様表面波を伝達するために、この中
    実材料のローカル面に変換器を結合し、 前記中実材料でλRの波長をもつレイリー様表面波を発
    生させるために前記変換器を励振させ、 この変換器のための励振の周波数を選択して、前記プレ
    ートのリモート面とローカル面との間の壁厚を４レイリ
    ー波長（４λR）よりも小さくする諸段階を備える方
    法。
  25. 【請求項２５】前記中実材料はコンジットの壁として形
    成され、 前記結合手段は、 レイリー様表面波を前記コンジットに沿って軸線方向に
    発生させるために前記変換器を結合する段階と、 レイリー様表面波を受信するために前記コンジットに第
    ２の変換器組立体を結合する段階とから構成され、前記
    中実材料は円筒形コンジットの壁として形成される特許
    請求の範囲第24項記載の方法。
  26. 【請求項２６】前記結合段階は、 前記コンジットに関し円周方向にレイリー様表面波を投
    入するために、このコンジットに前記変換器を結合する
    段階から構成される特許請求の範囲第24項記載の方法。
  27. 【請求項２７】前記結合段階は、 前記コンジット内でこのコンジットの中間半径の弦に沿
    って探索波を発生させるために、ある角度で前記変換器
    を結合する段階から構成される特許請求の範囲第26項記
    載の方法。
  28. 【請求項２８】前記結合段階は、 コンジット壁のリモート面に沿って、少なくとも10波長
    （10λR）の広がりをもつ擬似開口を生成させるため
    に、前記ローカル面に変換器を結合させる段階から構成
    される特許請求の範囲第25項記載の方法。
  29. 【請求項２９】流体の流量を測定するための方法におい
    て、 プレート様中実材料のリモート面を流体と接触させ、 前記プレート様中実材料のローカル面にレイリー様表面
    波を伝達するために、このプレート様中実材料のローカ
    ル面に変換器を結合させ、 流体流量測定波をコンジット−流体界面に発生するため
    に、エネルギーの内壁干渉を回避するのに十分短いパル
    ス信号を用いて前記変換器手段を励振させる方法。
  30. 【請求項３０】前記プレート様中実材料はコンジットの
    壁として形成され、 前記結合段階は、 レイリー様表面波を前記コンジットに沿って軸線方向に
    発生させるために前記変換器を結合させる段階と、 レイリー様表面波を受信するために前記コンジットに第
    ２の変換器手段を結合させる諸段階から構成される特許
    請求の範囲第29項記載の方法。
  31. 【請求項３１】前記結合段階は、 前記コンジットに関し円周方向にレイリー様表面波を投
    入するために、このコンジットに前記変換器を結合させ
    る段階から構成され、プレート様中実材料はコンジット
    の壁として形成される特許請求の範囲第29項記載の方
    法。
  32. 【請求項３２】前記結合段階は、 前記コンジット内でこのコンジットの中間半径の弦に沿
    って探索波を発生させるために、ある角度で前記変換器
    を結合する段階から構成される特許請求の範囲第31項記
    載の方法。
  33. 【請求項３３】前記結合段階は、 コンジット壁のリモート面に沿って、少なくとも10波長
    （10λR）の広がりをもつ擬似開口を発生させるため
    に、前記ローカル面に変換器を結合させる段階から構成
    させる特許請求の範囲第30項記載の方法。
  34. 【請求項３４】流体の流量を測定するための方法におい
    て、 中実のプレート様材料のリモート面を流体と接触させ、 前記プレート様中実材料のローカル面に変換器手段を結
    合させ、 前記プレートでλRの波長をもつレイリー様表面波をロ
    ーカル面に沿って発生させるために前記変換器を励振さ
    せる諸段階から構成され、 前記レイリー様表面波は非散乱性であり前記中実材料の
    リモート面での強さが、ローカル面での強さよりも相当
    に弱いことを特徴とする方法。
  35. 【請求項３５】前記プレート様中実材料はコンジットの
    壁として形成され、 前記結合段階は、 レイリー様表面波を前記コンジットに沿って軸線方向に
    発生させるために前記変換器を結合させる段階と、 レイリー様表面波を受信するために前記コンジットに第
    ２の変換器組立体を結合させる段階から構成される特許
    請求の範囲第34項記載の方法。
  36. 【請求項３６】前記結合段階は、 前記コンジットに関し円周方向にレイリー様表面波を投
    入するために、このコンジットに前記変換器を結合させ
    る段階から構成され、プレート様中実材料はコンジット
    の壁として形成される特許請求の範囲第34項記載の方
    法。
  37. 【請求項３７】前記結合段階は、 前記コンジット内でこのコンジットの中間半径の弦に沿
    って探索波を発生させるために、ある角度で前記変換器
    を結合させる段階から構成される特許請求の範囲第36項
    記載の方法。
  38. 【請求項３８】前記結合段階は、 コンジット壁のリモート面に沿って、少なくとも10波長
    （10λR）の広がりをもつ擬似開口を生成させるため
    に、前記ローカル面に変換器を結合させる段階から構成
    される特許請求の範囲第35項記載の方法。
  39. 【請求項３９】流体の流量を測定するための方法におい
    て、 中実のプレート用材料のリモート面を流体と接触させ、 前記中実材料のローカル面に変換器手段を結合させ、 前記プレートでλRの波長をもつレイリー様表面波をロ
    ーカル面に沿って発生させるために、エネルギーの内壁
    干渉を回避するのに十分短いパルス信号を用いて変換器
    手段を励振させ、 この変換器のための励振の周波数を選択して、ローカル
    面とリモート面は、1/2波長（λR/2）よりも大きく、４
    波長（４λR）よりも小さい間隔を探索方向にもたせる
    諸段階から構成され、 前記探索方向はローカル面に垂直に延び、 前記レイリー用表面波は非散乱性であり、前記中実材料
    のリモート面での強さが、ローカル面での強さよりも相
    当に弱いことを特徴とする方法。
  40. 【請求項４０】前記変換器手段は、約１波長ないし10波
    長（λR〜10λR）の幅を有する特許請求の範囲第１項記
    載の装置。
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