(57)【要約】      （修正有）【課題】ウェッジ中の音速を測定できる形状にした超音波送受信用ウェッジおよび音速の決定方法を提供する。【解決手段】ウェッジ１１０は、反射壁１２０を含み、超音波トランスデューサ１３０によって送信された超音波信号の一部が反射され、超音波トランスデューサ１３０へと戻るように構成される。音速を、ウェッジ中の超音波信号が反射壁まで進んだ距離および伝播時間に基づいて決定する。【選択図】図１
2014021116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波トランスデューサから検査対象物への超音波信号をカップリングするためのウェッジであって、
前記検査対象物に前記超音波信号をカップリングするために構成された検査対象物界面壁であり、第１の平面が前記検査対象物界面壁に対して垂直に延びる、検査対象物界面壁と、
前記ウェッジに前記超音波トランスデューサを搭載するために構成されたトランスデューサ界面壁であり、前記トランスデューサ界面壁は、前記超音波トランスデューサから送信された主超音波信号が前記第１の平面に対しては第１の角度を形成し、前記主超音波信号の一部を前記第１の平面に対して反射角で反射するように向きを決められ、前記第１の角度が前記反射角に等しい、トランスデューサ界面壁と、
反射壁に対して垂直な第２の平面が前記第１の平面と第２の角度を形成するように向きを決められた反射壁であって、前記第２の角度が前記第１の角度に等しく、前記反射した超音波信号が前記反射壁に対して垂直である、反射壁と
を備えた、ウェッジ。
【請求項２】
前記反射壁が平坦である、請求項１記載のウェッジ。
【請求項３】
前記反射壁が湾曲する、請求項１記載のウェッジ。
【請求項４】
頂部壁と、
第１の側壁と
をさらに備え、
前記トランスデューサ界面壁の第１の端部が、前記検査対象物界面壁の第１の端部に近接し、前記トランスデューサ界面壁の第２の端部が、前記頂部壁の第１の端部に近接し、前記頂部壁の第２の端部が、前記反射壁の第１の端部に近接し、前記反射壁の第２の端部が、前記側壁の第１の端部に近接し、前記側壁の第２の端部が、前記検査対象物界面壁の第２の端部に近接する、
請求項１記載のウェッジ。
【請求項５】
前記第１の側壁と反対の第２の側壁をさらに備え、前記第２の側壁が前記トランスデューサ界面壁と前記検査対象物界面壁との間にある、請求項４記載のウェッジ。
【請求項６】
前記ウェッジがプラスチックからなり、前記プラスチック中の音速が温度に依存する、請求項１記載のウェッジ。
【請求項７】
前記プラスチックが、ポリエーテルイミド、ポリアミド−イミド、ポリイミド、またはポリエーテルエーテルケトンのうちの１つである、請求項６記載のウェッジ。
【請求項８】
超音波トランスデューサから検査対象物への超音波信号をカップリングするためのウェッジであって、
前記検査対象物に前記超音波信号をカップリングするために構成された検査対象物界面壁であり、第１の平面が前記検査対象物界面壁に対して垂直に延びる、検査対象物界面壁と、
前記ウェッジに前記超音波トランスデューサを搭載するために構成されたトランスデューサ界面壁であり、前記トランスデューサ界面壁は、前記超音波トランスデューサから送信された主超音波信号が前記第１の平面に対しては第１の角度を形成し、前記主超音波信号の一部を前記第１の平面に対して反射角で反射するように向きを決められ、前記第１の角度が前記反射角に等しい、トランスデューサ界面壁と、
反射壁に対して垂直な第２の平面が前記第１の平面と第２の角度を形成するように向きを決められた反射壁であり、前記第２の角度が前記第１の角度に等しく、前記反射した超音波信号が前記反射壁に対して垂直である、反射壁と、
頂部壁と、
第１の側壁と
を備え、
前記トランスデューサ界面壁の第１の端部が、前記検査対象物界面壁の第１の端部に近接し、前記トランスデューサ界面壁の第２の端部が、前記頂部壁の第１の端部に近接し、前記頂部壁の第２の端部が、前記反射壁の第１の端部に近接し、前記反射壁の第２の端部が、前記側壁の第１の端部に近接し、前記側壁の第２の端部が、前記検査対象物界面壁の第２の端部に近接する、
ウェッジ。
【請求項９】
前記反射壁が平坦である、請求項８記載のウェッジ。
【請求項１０】
前記反射壁が湾曲する、請求項８記載のウェッジ。
【請求項１１】
前記第１の側壁と反対の第２の側壁をさらに備え、前記第２の側壁が前記トランスデューサ界面壁と前記検査対象物界面壁との間にある、請求項８記載のウェッジ。
【請求項１２】
前記ウェッジがプラスチックからなり、前記プラスチック中の音速が温度に依存する、請求項８記載のウェッジ。
【請求項１３】
前記プラスチックが、ポリエーテルイミド、ポリアミド−イミド、ポリイミド、またはポリエーテルエーテルケトンのうちの１つである、請求項１２記載のウェッジ。
【請求項１４】
検査対象物に結合されたウェッジ中の音速を決定するための方法であって、
超音波トランスデューサから前記ウェッジ中へと主超音波信号を送信するステップと、
前記主超音波信号の一部を前記超音波トランスデューサへと前記ウェッジを介して反射して戻すステップと、
前記ウェッジ中の前記主超音波信号および前記反射した超音波信号のタイムオブフライトを測定するステップと、
前記ウェッジ中の前記主超音波信号および前記反射した超音波信号の前記タイムオブフライトおよび進んだ距離に基づいて前記ウェッジの前記音速を決定するステップと
を含む方法。
【請求項１５】
前記ウェッジの前記音速および前記ウェッジ中の前記主超音波信号の前記進んだ距離に基づいて前記ウェッジ中の前記主超音波信号の前記タイムオブフライトを決定するステップをさらに含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記送信するステップは、第１の主超音波パスが検査対象物界面壁に対して垂直な第１の平面と第１の角度を形成するように、前記ウェッジの前記検査対象物界面壁に向けて前記第１の主超音波パス上の第１の方向に前記主超音波信号を送信するサブステップを含み、
前記反射するステップは、
反射した超音波パスが前記検査対象物界面壁に対して垂直な前記第１の平面と反射角を形成するように、前記検査対象物界面壁から離れる前記反射した超音波パス上の第２の方向に、前記検査対象物界面壁で前記主超音波信号の一部を反射するサブステップであって、前記反射角が前記第１の角度に等しい、反射するサブステップと、
前記検査対象物界面壁に向けて前記反射した超音波パス上の第３の方向に、前記ウェッジの反射壁で前記反射した超音波信号をさらに反射するサブステップであって、前記第３の方向が前記第２の方向の反対である、さらに反射するサブステップと、
前記超音波トランスデューサに向けて前記検査対象物界面壁から離れる前記第１の主超音波パス上の第４の方向に、前記検査対象物界面壁で前記反射した超音波信号をさらに反射するサブステップであって、前記第４の方向が前記第１の方向の反対である、さらに反射するサブステップと
を含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記検査対象物中を流れる流体の流量を決定するステップをさらに含み、前記流量が前記ウェッジの前記音速に基づいて決定される、請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として超音波流量測定に関し、特に、外面に固定された超音波ウェッジおよび超音波ウェッジ中の音速を決定するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波流量計は、パイプまたは他の検査対象物中を流れる様々な流体（例えば、液体、ガス、等）の流量を決定するために使用される。通過時間流量測定法を採用する１つのタイプの超音波流量計では、超音波トランスデューサが互いに上流および下流に設置される状態で、一対の超音波トランスデューサがパイプ壁の外面に取り付けられ、これらの間に超音波パスを形成する。各超音波トランスデューサは、他の超音波トランスデューサによって受信され、検出される超音波信号（例えば、音波）を、パイプ中を流れる流体を介して超音波パスに沿って送信する。超音波パスに沿った流体の速度を、（ｉ）流れ方向に逆らって下流超音波トランスデューサから上流へと上流超音波トランスデューサまで超音波パスに沿って進む超音波信号の通過時間と、（ｉｉ）流れ方向で上流超音波トランスデューサから下流へと下流超音波トランスデューサまで超音波パスに沿って進む超音波信号の通過時間との間の差の関数として決定することができる。
【０００３】
一部の超音波流量測定用途では、超音波トランスデューサは、パイブ壁上へと固定される超音波ウェッジに搭載される。流体の流量を測定するために、一例では、一対の超音波トランスデューサ間の全タイムオブフライトを測定し、これは超音波ウェッジ、パイプ壁、および流体を通るタイムオブフライトを含む。流体を通るタイムオブフライトを決定するために、パイプ壁および超音波ウェッジを通るタイムオブフライトを、やはり決定しなければならず、次に全タイムオブフライトから引き算しなければならず、パイプ壁中のおよび超音波ウェッジ中の音速の知見を必要とする。
【０００４】
典型的にはステンレス鋼から作られるパイプ壁中の音速は比較的温度に依存しない（すなわち、パイプ壁の温度が変化するときに、音速が著しくは変化しない）、ところが、典型的に超音波ウェッジ中で使用されるプラスチック材料中の音速は、これらのプラスチック中の音速がプラスチックのバルク温度に強く依存するので、温度に依存する。例えば、プラスチック超音波ウェッジの温度が高いほど、プラスチック超音波ウェッジ中の音速は遅くなる。
【０００５】
プラスチック超音波ウェッジの温度依存性によって引き起こされる音速の変動は、補正されない場合には不正確なタイムオブフライト測定値および流量の誤差をもたらす。例えば、測定した全タイムオブフライトは、超音波ウェッジの温度が高いときには（例えば、砂漠における日中の屋外の期間または超音波ウェッジの温度を上昇させる高温のところを流体が流れるときには）、同じ超音波ウェッジの温度が低いときに（例えば、砂漠における夜の屋外の期間または超音波ウェッジの温度を低くする低温のところを流体が流れるときに）測定したタイムオブフライトよりも長いであろう。これは、流体が２つの測定について同じ流量で実際に流れたとしても、異なる測定流量を生じさせる。
【０００６】
超音波ウェッジ中の温度変動を考慮するために、一部の超音波トランスデューサ用の超音波ウェッジは、超音波ウェッジの温度を測定し、その測定した温度に基づいて（例えば、ルックアップテーブルを使用して）音速を決定するために挿入型の温度プローブを含む。この温度プローブがタイムオブフライト測定の精度を向上させるとはいえ、超音波トランスデューサのコストおよび複雑さを増加させる。これに加えて、温度プローブは、超音波ウェッジの１点のところの温度を与えるだけであり、これが誤ったタイムオブフライト補正を与えることがある。
【０００７】
別の超音波トランスデューサでは、細長い音響カプラを、超音波トランスデューサからの超音波信号とパイプ壁とをカップリングさせるために使用し、ここでは、音響カプラは、典型的には少なくとも１つの波長と同じ幅の主超音波パスから離れたスロットを含む。このスロットは、音響カプラを通るタイムオブフライトが音速の変動を補正するために決定されることを可能にするエコーを作り出すように設計される。このスロットが低い方の超音波周波数信号（例えば、５００ｋＨｚ）用に１波長（例えば、４ｍｍから６ｍｍ）幅と同程度の幅を必要とするので、スロットは、主超音波パス上を進む主超音波信号に悪影響を及ぼし、不正確なタイムオブフライト測定値を導くことがある。
【０００８】
上記の考察は、一般的な背景情報を単に提供し、特許請求の範囲の対象事項の範囲を決定する際の一助として使用されることを意味しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７，３４３，８２１号明細書
【発明の概要】
【００１０】
超音波ウェッジ中の音速を決定するためのウェッジおよび方法を開示する。超音波ウェッジは、反射壁を含み、超音波トランスデューサによって送信された主超音波信号の一部を反射し、超音波トランスデューサへと超音波ウェッジを介して進んで戻るように構成される。音速を、超音波ウェッジ中の主超音波信号および反射した超音波信号の進んだ距離およびタイムオブフライトに基づいて決定することができる。超音波ウェッジのいくつかの開示した実施形態を実行することによって実現することができる利点は、温度変動によって生じる超音波ウェッジ中の音速の変動によって引き起こされる不正確なタイムオブフライト測定値を、補正することができることであり、より正確な流量測定値をもたらす。
【００１１】
一実施形態では、超音波トランスデューサからの超音波信号を検査対象物にカップリングするためのウェッジを開示する。ウェッジは、超音波信号を検査対象物にカップリングするために構成された検査対象物界面壁であって、第１の平面が検査対象物界面壁に対して垂直に延びる、検査対象物界面壁と、ウェッジに超音波トランスデューサを搭載するために構成されたトランスデューサ界面壁であって、トランスデューサ界面壁は、超音波トランスデューサから送信された主超音波信号が第１の平面に対しては第１の角度を形成し、主超音波信号の一部を第１の平面に対して反射角で反射するように向きを決められ、第１の角度が反射角に等しい、トランスデューサ界面壁と、反射壁に対して垂直な第２の平面が第１の平面と第２の角度を形成するように向きを決められた反射壁であって、第２の角度が第１の角度に等しく、反射した超音波信号が反射壁に対して垂直である、反射壁とを備える。
【００１２】
別の一実施形態では、ウェッジは、頂部壁と、第１の側壁とを備え、トランスデューサ界面壁の第１の端部が、検査対象物界面壁の第１の端部に近接し、トランスデューサ界面壁の第２の端部が、頂部壁の第１の端部に近接し、頂部壁の第２の端部が、反射壁の第１の端部に近接し、反射壁の第２の端部が、側壁の第１の端部に近接し、側壁の第２の端部が、検査対象物界面壁の第２の端部に近接する。
【００１３】
さらに別の一実施形態では、検査対象物に結合されたウェッジ中の音速を決定するための方法を開示する。本方法は、主超音波信号を超音波トランスデューサからウェッジ中へと送信するステップと、主超音波信号の一部を超音波トランスデューサへとウェッジを介して反射して戻すステップと、ウェッジ中の主超音波信号および反射した超音波信号のタイムオブフライトを測定するステップと、ウェッジ中の主超音波信号および反射した超音波信号のタイムオブフライトおよび進んだ距離に基づいてウェッジの音速を決定するステップとを含む。
【００１４】
本発明のこの簡単な説明は、１つまたは複数の説明のための実施形態にしたがって本明細書中に開示された対象事項の簡単な概観を提供することだけを目的とし、特許請求の範囲を解釈するため、または別記の特許請求の範囲によってのみ規定される本発明の範囲を規定するもしくは限定するためのガイドとして機能しない。この簡単な説明は、単純化した形式で概念の説明のための選択を導入するために提供され、この概念は、詳細な説明において下記にさらに説明される。この簡単な説明は、特許請求の範囲の対象事項の鍵となる特徴または本質的な特徴を特定することを目的としないし、特許請求の範囲の対象事項の範囲を決定する際の一助として使用されることも目的としていない。特許請求の範囲の対象事項は、背景において言及したいずれかの欠点またはすべての欠点を解決する実装形態に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本発明の特徴を理解することができるような様式にするために、本発明の詳細な説明を、一部の実施形態が添付した図面に図示されているある種の実施形態を参照することによって得ることができる。しかしながら、図面は本発明のある種の実施形態だけを図示し、それゆえ、本発明の範囲が他の同様に有効な実施形態を包含するために、本発明の範囲を限定するようにはみなされないことに留意すること。図面は、一定の縮尺である必要はなく、本発明のある種の実施形態の特徴を図示することを一般的に重視している。図面では、様々な図の全体を通して類似の構成要素を示すために類似の番号を使用する。したがって、本発明をさらに理解するために、下記の詳細な説明を参照することができ、図面と関係させて読むことができる。
【図１】流体の流量を決定するために通過時間流量測定法を採用しパイプ上に据え付けられた例示的な超音波流量計を、部分的に断面で図示する。
【図２】パイプに結合された例示的な超音波ウェッジを示す図１の例示的な超音波流量計の一部の拡大図である。
【図３】超音波ウェッジ中の音速を決定するための例示的な方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、流体の流量を決定するために通過時間流量測定法を採用し、パイプ２０上に据え付けられた例示的な超音波流量計１００を図示する。図２は、パイプ２０に結合された例示的な上流超音波ウェッジ１１０を示す図１の例示的な超音波流量計１００の一部の拡大図である。例示的な超音波流量計１００はパイプ２０中を流れる流体の流量を測定するために使用されるが、他の検査対象物を使用することができることが、理解されるであろう。流れ方向１０に基づいて、第１の超音波トランスデューサ１３０を、パイプ２０上で第２の超音波トランスデューサ２３０の上流に据え付けることができる。流体を通る主超音波パス１５３は、パイプ２０の中心軸を通ることができ、またはコーダルパス（ｃｈｏｒｄａｌ  ｐａｔｈ）（すなわち、パイプ２０の中心軸を通らないパス）上とすることができる。各超音波トランスデューサ１３０、２３０は、流れている流体を通る超音波信号を送信し、この超音波信号は、他方の超音波トランスデューサ２３０、１３０によって受信され、検出される。
【００１７】
簡単にするために、図１および図２は、一方向に単一パス上で第１の超音波トランスデューサ１３０から第２の超音波トランスデューサ２３０への超音波信号の送信を示すだけであるが、典型的な超音波流量計では、第２の超音波トランスデューサ２３０から第１の超音波トランスデューサ１３０へまたは複数のパスに沿った超音波信号の送信もやはりあるはずである。また、図示しない別の一実施形態では、超音波信号がパイプ２０の反対側で反射される状態で、超音波トランスデューサ１３０、２３０をパイプ２０の同じ側に設置することができる。
【００１８】
図１は単一の主超音波パス１５３を形成する一対の超音波トランスデューサ１３０、２３０を示すが、各々が別々の超音波パスを形成する二対以上の対の超音波トランスデューサを、多重パス超音波流量計を形成するために使用することができることを、当業者なら理解するであろう。また、対の超音波トランスデューサ１３０、２３０がパイプ２０上に固定された角度ビーム超音波トランスデューサとして示されるが、別の構成の別の超音波トランスデューサを使用することができることが、理解されるであろう。
【００１９】
流体を通る主超音波パス１５３に沿って平均した流体のパス速度（Ｖp）を、超音波信号の上流通過時間（ｔup）（すなわち、流れ方向１０に逆らって第２の超音波トランスデューサ２３０から上流に第１の超音波トランスデューサ１３０へと、流体を通る主超音波パス１５３に沿って進む超音波信号の時間）と下流通過時間（ｔdn）（すなわち、流れ方向１０で第１の超音波トランスデューサ１３０から下流に第２の超音波トランスデューサ２３０へと、流体を通る主超音波パス１５３に沿って進む超音波信号の時間）との間の差分の関数として決定することができる。流れている流体が存在すると、流れ方向１０に進む下流通過時間（ｔdn）は、流れ方向１０に逆らって進む上流通過時間（ｔup）よりも速い（短い）。
【００２０】
通過時間差分（Δｔ）が流体のパス速度（Ｖp）に比例するので、流体を通る主超音波パス１５３に沿って平均した流体のパス速度（Ｖp）を、通過時間差分（Δｔ）ならびにパイプ２０内径（Ｄ）、流体を通る超音波パス長（ＰF）、流体を通る主超音波パス１５３と上流超音波ウェッジ１１０の検査対象物界面（底面）壁１１２に対して垂直な（Ｎ）第１の平面１９１との間に形成される角度（θ3）、および図１および図２に示したようなパイプ軸に沿ったパス長（ＰF）の投影（Ｌ）等の他の既知のパラメータの関数として決定することができる。
【００２１】
【数１】
2014021116.tif 000003
【００２２】
【数２】
2014021116.tif 000004
【００２３】
【数３】
2014021116.tif 000005
第１の超音波トランスデューサ１３０によって発生された主超音波信号は、流体を通る第３の主超音波パス（ＰF）１５３を形成する前に、上流超音波ウェッジ１１０を通る長さ（Ａ）の第１の主超音波パス（ＰW1）１５１および壁厚（ＷＴ）を有する上側パイプ壁３０を通る第２の主超音波パス（ＰWL1）１５２を形成する。同様に、流体を通過した後で、第１の超音波トランスデューサ１３０によって発生された主超音波信号は、第２の超音波トランスデューサ２３０によって受信される前に、壁厚（ＷＴ）を有する下側パイプ壁３２を通る第４の主超音波パス（ＰWL2）１５４および下流超音波ウェッジ２１０を通る主超音波パス（ＰW2）１５５を形成する。
【００２４】
一実施形態では、超音波ウェッジ１１０、２１０は、温度依存性のある音速を有するプラスチック（例えば、ポリエーテルイミド（ＵＬＴＥＭ）、ポリアミド−イミド（ＴＯＲＬＯＮ）、ポリイミド（ＶＥＳＰＥＬ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ））から作られる。例えば、プラスチック材料の音速は、１℃温度が上昇する毎にほぼ０．５から１．０ｍ／ｓ低下することがあり、その結果、屋外超音波流量計にとって季節的なまたは１日の温度変化に基づく温度の１０℃の上昇が、超音波ウェッジ１１０を通る音速に５．０から１０．０ｍ／ｓの低下をもたらすことがある。
【００２５】
図１および図２に示したように、一実施形態では、上流超音波ウェッジ１１０を通過する第１の超音波トランスデューサ１３０からの主超音波信号は、上流超音波ウェッジ１１０と上側パイプ壁３０との第１の界面１４１のところで上側パイプ壁３０中へと屈折する。同様に、上側パイプ壁３０を通過する主超音波信号は、上側パイプ壁３０と流体との第２の界面１４２のところで流体中へと屈折する。主超音波信号が２つの異なる材料の界面を通過するので、スネルの法則によって与えられる関係で、入射角、屈折角、および対象物の材料の音速に基づいて、その角度および速度が変化する。
【００２６】
【数４】
2014021116.tif 000006
ここでは、
ｃ1＝上流超音波ウェッジ１１０中の音速、
ｃ2＝上側パイプ壁３０中の音速、
ｃ3＝流体中の音速、
θ1＝上流超音波ウェッジ１１０を通る第１の主超音波パス（ＰW1）１５１と上流超音波ウェッジ１１０の検査対象物界面（底面）壁１１２に対して垂直な（Ｎ）第１の平面１９１との間に形成される第１の角度、
θ2＝上側パイプ壁３０を通る第２の主超音波パス（ＰWL1）１５２と上流超音波ウェッジ１１０の検査対象物界面（底面）壁１１２に対して垂直な（Ｎ）第１の平面１９１との間の第１の界面１４１のところに形成される第２の角度、
θ3＝流体を通る第３の主超音波パス（ＰF）１５３と上流超音波ウェッジ１１０の検査対象物界面（底面）壁１１２に対して垂直な（Ｎ）第１の平面１９１との間の第２の界面１４２のところに形成される第３の角度、
である。
【００２７】
図１に見ることができるように、第１の超音波トランスデューサ１３０から第２の超音波トランスデューサ２３０への全タイムオブフライト（ＴTOTAL）を、下記の式によって決定することができ、
【００２８】
【数５】
2014021116.tif 000007
ここでは、
ＴW1＝上流超音波ウェッジ１１０を通るタイムオブフライト、
ＴWL1＝上側パイプ壁３０を通るタイムオブフライト、
ＴF＝流体を通るタイムオブフライト、
ＴWL2＝下側パイプ壁３２を通るタイムオブフライト、
ＴW2＝下流超音波ウェッジ２１０を通るタイムオブフライト、
である。
【００２９】
式（５）によれば、流体を通るタイムオブフライト（ＴF）を決定するために、超音波流量計１００は、全タイムオブフライト（ＴTOTAL）を測定し、次に超音波ウェッジ１１０、２１０（ＴW1、ＴW2）を通りパイプ壁３０、３２（ＴWL1、ＴWL2）を通る計算したタイムオブフライトを差し引くことができる。上流超音波ウェッジ１１０を通るタイムオブフライトが下流超音波ウェッジ２１０を通るタイムオブフライトに等しい（ＴW1＝ＴW2）と仮定し、上側パイプ壁３０を通るタイムオブフライトが下側パイプ壁３２を通るタイムオブフライトと同じである（ＴWL1＝ＴWL2）と仮定すると、
【００３０】
【数６】
2014021116.tif 000008
式（５）および式（６）は、流体を通るタイムオブフライト（ＴF）を正確に決定することが、超音波ウェッジ１１０、２１０を通るタイムオブフライト（ＴW1、ＴW2）についての正確な計算を必要とし、これは、超音波ウェッジ１１０、２１０を通る音速（ｃ1）の正確な知識を必要とすることを示す。超音波ウェッジ１１０、２１０について仮定した音速が正しくない場合には（例えば、音速が超音波ウェッジ１１０、２１０の温度に基づいて見積もった音速とは異なる場合には）、流体を通るタイムオブフライト（ＴF）および関係する流量決定は、不正確になるであろう。例えば、より高い温度の超音波ウェッジ１１０、２１０を通る実際のタイムオブフライトが計算したものよりも長く、補正が超音波ウェッジ１１０、２１０を通るタイムオブフライト（ＴW1、ＴW2）を計算するために使用した超音波ウェッジ１１０、２１０の見積もった音速に対して行われないという理由で、測定した全タイムオブフライト（ＴTOTAL）が増加する場合には、流体を通るタイムオブフライト（ＴF）がやはり増加し、不正確な流量をもたらすことを、超音波流量計１００は誤って決定するであろう。
【００３１】
プラスチック超音波ウェッジの温度依存性のために必要な音速の補正を説明するために、下記のパラメータが既知であるまたは測定されると仮定する、
Ａ＝上流超音波ウェッジ１１０を通るパス長＝２０ｍｍ、
Ｂ＝上流超音波ウェッジを通る反射したパス長（Ｂ）＝４０ｍｍ、
ＷＴ＝上側および下側パイプ壁３０、３２の壁厚＝３．９ｍｍ、
Ｄ＝パイブ２０の内径＝５２ｍｍ、
ｃ1＝上流超音波ウェッジ１１０中の見積もった音速＝２，４００ｍ／ｓ、２５℃で、
ｃ2＝上側パイプ壁３０中での音速＝３，２３０ｍ／ｓ、２５℃で、
θ1＝第１の角度＝４２°、および
ＴTOTAL＝６１．２５μｓ。
【００３２】
上流超音波ウェッジ１１０を通るタイムオブフライト（ＴW1）を、上流超音波ウェッジ１１０中の音速（ｃ1）の関数として決定することができる。
【００３３】
【数７】
2014021116.tif 000009
式（４）に基づいて、θ2を上流超音波ウェッジ１１０中の音速（ｃ1）の関数としてやはり決定することができる。
【００３４】
【数８】
2014021116.tif 000010
上側パイプ壁を通るタイムオブフライト（ＴWL1）を、上流超音波ウェッジ１１０中の音速（ｃ1）の関数として決定したθ2の関数として計算することができる。
【００３５】
【数９】
2014021116.tif 000011
式（６）を使用して、流体を通るタイムオブフライト（ＴF）を次式として計算することができる。
【００３６】
【数１０】
2014021116.tif 000012
式（４）を使用して、θ3に対する流体中の音速（ｃ3）の比率を、次式として計算することができる。
【００３７】
【数１１】
2014021116.tif 000013
式（１０）および式（１１）の結果は、ｃ3およびθ3についての値を決定するために繰り返しを認め、これは次に、流体のパス速度（Ｖp）を計算するために式（１）から式（３）において使用され、
ｃ3＝流体中の音速＝１，４６９ｍ／ｓ、および
θ3＝流体を通る主超音波パス１５３と上流超音波ウェッジ１１０の検査対象物界面（底面）壁１１２に対して垂直な（Ｎ）第１の平面１９１との間に形成される第３の角度＝２４．２°。
【００３８】
この例において図示したように、上流超音波ウェッジ１１０中の見積もった音速が２５℃で２，４００ｍ／ｓであり、ｃ1の仮定した値が、異なる温度で動作している上流超音波ウェッジ１１０中の実際の音速と一致しない場合には、例えば、ＴW1、ｃ3、およびθ3の正しくない値に基づくので、流体のパス速度（Ｖp）の計算は正しくないであろう。上流超音波ウェッジ１１０中の見積もった音速を当てにするよりはむしろ、本発明の上流超音波ウェッジ１１０は、超音波ウェッジ中の音速のリアルタイム決定を可能にする。図１および図２に示し、説明されるように、上流超音波ウェッジ１１０は、上流超音波ウェッジ１１０中の実際の音速、ｃ1Aを決定することを可能にする反射壁１２０、１２４を含む。
【００３９】
一実施形態では、上流超音波ウェッジ１１０は、トランスデューサ界面壁１０２（第１の端部１０１および第２の端部１０３を有する）、頂部壁１０６（第１の端部１０５および第２の端部１０７を有する）、平坦な反射壁１２０（第１の端部１１９および第２の端部１２１を有する）、側壁１１６（第１の端部１１５および第２の端部１１７を有する）、ならびに検査対象物界面（底面）壁１１２（第１の端部１１１および第２の端部１１３を有する）を有する。トランスデューサ界面壁１０２の第１の端部１０１は、検査対象物界面（底面）壁１１２の第１の端部１１１に近接する。トランスデューサ界面壁１０２の第２の端部１０３は、頂部壁１０６の第１の端部１０５に近接する。頂部壁１０６の第２の端部１０７は、平坦な反射壁１２０の第１の端部１１９に近接する。平坦な反射壁１２０の第２の端部１２１は、側壁１１６の第１の端部１１５に近接する。側壁１１６の第２の端部１１７は、検査対象物界面（底面）壁１１２の第２の端部１１３に近接する。上流超音波ウェッジ１１０が、トランスデューサ界面壁１０２の第１の端部１０１と検査対象物界面（底面）壁１１２の第１の端部１１１との間に設置された追加の側壁１０４を含む異なる構成を有することが可能であることが、理解されるであろう。これに加えて、検査対象物界面（底面）壁１１２を、上流超音波ウェッジ１１０用のベース構造の一部とすることができる。
【００４０】
一実施形態では、第１の超音波トランスデューサ１３０は、トランスデューサ界面壁１０２上に搭載され、上流超音波ウェッジ１１０中へと主超音波信号を送信する。ここでは主超音波信号が、上流超音波ウェッジ１１０を通る長さＡ（例えば、２０ｍｍ）の第１の主超音波パス１５１（ＰW1）上の検査対象物界面（底面）壁１１２に向かって第１の方向１８１に進む。第１の主超音波パス１５１（ＰW1）が検査対象物界面（底面）壁１１２に対して垂直な（Ｎ）第１の平面１９１と第１の角度（θ1）を形成するように、トランスデューサ界面壁１０２は向きを決められる。検査対象物界面（底面）壁１１２は、上側パイプ壁３０に結合される。
【００４１】
主超音波信号の一部（例えば、１０パーセント以下）は、上流超音波ウェッジ１１０の検査対象物界面（底面）壁１１２で反射される。反射した超音波信号は、長さＢ（例えば、４０ｍｍ）の反射した超音波パス１６１（ＰB）上の検査対象物界面（底面）壁１１２から離れる第２の方向１８２に進む。反射した超音波パス１６１（ＰB）は、検査対象物界面（底面）壁１１２に対して垂直な（Ｎ）第１の平面１９１と反射角（θR）を形成する。ここでは、反射角（θR）は、第１の角度（θ1）に等しい。
【００４２】
反射した超音波信号は、次に上流超音波ウェッジ１１０の平坦な反射壁１２０で反射される。反射した超音波信号は、長さＢの反射した超音波パス１６１（ＰB）上で検査対象物界面（底面）壁１１２に向けて第３の方向１８３に進む。ここでは、第３の方向１８３は、第２の方向１８２の反対である。図１および図２に示したように、平坦な反射壁１２０は、頂部壁１０６と側壁１１６との間に設置され、反射した超音波パス１６１（ＰB）に対して垂直である反射面１２２を形成する。平坦な反射壁１２０に対して垂直な（Ｎ）第２の平面１９２が検査対象物界面（底面）壁１１２に対して垂直な（Ｎ）第１の平面１９１と反射角（θR）を形成するように、平坦な反射壁１２０は向きを決められる。ここでは、反射角（θR）は、第１の角度（θ1）に等しい。
【００４３】
一実施形態では、従来型の長方形超音波ウェッジは、平坦な反射壁１２０を形成するために除去されたまたは削られた頂部コーナを有することができる。図２に示したような一代替実施形態では、湾曲した反射壁１２４を、角度広がりを有する超音波信号を反射するために使用することができる。
【００４４】
反射した超音波信号は、次に、上流超音波ウェッジ１１０の検査対象物界面（底面）壁１１２で再び反射する。反射した超音波信号は、第１の超音波トランスデューサ１３０に戻る前に、長さＡの第１の主超音波パス１５１（ＰW1）上で検査対象物界面（底面）壁１１２から離れる第４の方向１８４に進む。ここでは、第４の方向１８４は、第１の方向１８１の反対である。
【００４５】
超音波流量計１００は、上流超音波ウェッジ１１０を通る主超音波信号の全タイムオブフライト（例えば、ＴCORR＝５０．２１μｓ）を測定することができ、進んだ全距離を測定したタイムオブフライトで割り算することによって、上流超音波ウェッジ１１０中の実際の音速（ｃ1A）（これは、見積もった音速よりも遅い）を決定することができる。
【００４６】
【数１２】
2014021116.tif 000014
上流超音波ウェッジ１１０を通る主超音波信号の実際のタイムオブフライト（ＴW1A）（これは、見積もった音速に基づいて決定したタイムオブフライトよりも長い）を、次に、超音波パスの長さ（Ａ、Ｂ）の比率を使用して決定することができる。
【００４７】
【数１３】
2014021116.tif 000015
現在の温度において上流超音波ウェッジ１１０中の短い方の実際の音速（ｃ1A）および長い方の実際のタイムオブフライト（ＴW1A）を、上に説明した式（１）から式（１１）を使用して正確な流量を決定するために、次に使用することができる。
【００４８】
図３は、上に論じた超音波ウェッジ中の音速を決定するための例示的な方法３００の流れ図である。ステップ３１０のところでは、主超音波信号は、超音波トランスデューサから超音波ウェッジ中へと送信される。ステップ３２０のところでは、主超音波信号の一部が、超音波ウェッジを介して超音波トランスデューサに反射して戻る。ステップ３３０のところでは、超音波ウェッジ中の主超音波信号のタイムオブフライトおよび反射した超音波信号のタイムオブフライトを測定する。ステップ３４０のところでは、超音波ウェッジの音速を、超音波ウェッジ中で主超音波信号および反射した超音波信号のタイムオブフライトおよび進んだ距離に基づいて決定する。ステップ３５０のところでは、超音波ウェッジ中の主超音波信号のタイムオブフライトを、超音波ウェッジの音速および超音波ウェッジ中の主超音波信号の進んだ距離に基づいて決定する。
【００４９】
この明細書は、最良の形態を含む本発明を開示するため、ならびにいずれかの装置またはシステムを作成することおよび使用すること、およびいずれかの組み込んだ方法を実行することを含む本発明を当業者が実施することをやはり可能にするために例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者なら思い付く別の例を含むことができる。かかる別の例が特許請求の範囲の文面から逸脱しない構造的要素を有する場合、またはかかる別の例が特許請求の範囲の文面とは実質的でない差異しか有さない等価な構造的要素を含む場合には、かかる別の例は、特許請求の範囲の範囲内であるものとする。
【符号の説明】
【００５０】
１０  流れ方向
２０  パイプ
３０  上側パイプ壁
３２  下側パイプ壁
１００  超音波流量計
１０１  第１の端部
１０２  トランスデューサ界面壁
１０３  第２の端部
１０５  第１の端部
１０６  頂部壁
１０７  第２の端部
１１１  第１の端部
１１２  検査対象物界面（底面）壁
１１３  第２の端部
１１５  第１の端部
１１６  側壁
１１７  第２の端部
１１９  第１の端部
１２０  反射壁
１２１  第２の端部
１２２  反射面
１２４  湾曲した反射壁
１３０  第１の超音波トランスデューサ
１４１  第１の界面（上流超音波ウェッジ１１０と上側パイプ壁３０）
１４２  第２の界面（上側パイプ壁３０と流体）
１５１  第１の主超音波パス（上流超音波ウェッジ１３０）
１５２  第２の主超音波パス（上側パイプ壁３０）
１５３  第３の主超音波パス（流体）
１５４  主超音波パス（下側パイプ壁３２）
１５５  主超音波パス（下流超音波ウェッジ２１０）
１６１  反射した超音波パス（パスＢ）
１９１  検査対象物界面（底面）壁１１２に対して垂直な（Ｎ）第１の平面
１９２  平坦な反射壁１２０に対して垂直な（Ｎ）第２の平面
２１０  下流超音波ウェッジ
２３０  下流超音波トランスデューサ
３００  方法
３１０  送信するステップ
３２０  反射するステップ
３３０  測定するステップ
３４０  決定するステップ
３５０  決定するステップ
【図１】
2014021116.tif 000016
【図２】
2014021116.tif 000017
【図３】
2014021116.tif 000018
【外国語明細書】
2014021116000001.pdf