(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流れ用の流体流路を定義する手段を有するハウジングを備えた計測部分であって、
超音波信号を生成して、前記流体流路を定義する前記手段内の前記流体流れ内に前記超音波信号を放射するように構成され、非侵襲的測定構成で流体流路を定義する前記手段の外壁と接触する遅延線素子と共に使用されるように構成された、少なくとも1つのトランスデューサと、
前記流体流れ内の反射物から少なくとも1つの遅延線トランスデューサによって放射された前記超音波信号の反射を受信するように構成された受信機と
を含む計測部分と、
データを記憶するためのメモリと、
前記メモリに動作可能に接続され、
1つもしくは複数の速度推定アルゴリズムを前記超音波信号の受信された反射または前記受信された反射を示すデータに適用して、前記流体流路を定義する前記手段内の流体流れの速度プロフィールを判断するように構成された速度推定モジュールと、
逆重畳アルゴリズムを少なくとも前記判断された速度プロフィールに適用して、前記流体流路を定義する前記手段内の前記流体流れの真の速度プロフィールを判断するように構成された逆重畳モジュールと、
前記判断された速度プロフィールおよび/または前記真の速度プロフィールを使用することによって、前記流体流路を定義する前記手段内で流体および/または前記流体流れの特性を判断するように構成された流体可視化および流体特性化モジュールと
を備えたプロセッサと
を備えた流体可視化および流体特性化システムであって、
前記少なくとも1つのトランスデューサが、前記超音波信号の焦点が測定部分の液-壁界面に配置されるように構成される
システム。
【請求項２】
前記受信機が、第1のトランスデューサと一列に並んだ、または前記第1のトランスデューサに隣接する第2のトランスデューサを含み、各トランスデューサが、パルス超音波流速計用に構成された音響トランスデューサを含む、請求項1に記載のシステム。
【請求項３】
前記計測部分の前記ハウジングが、流体網もしくは流体回路に取り付け可能であるように、または前記流体網もしくは前記流体回路の一部として設置されるように成形および/あるいは寸法決定された、請求項1または2のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４】
前記遅延線素子が、ビーム形成、ビーム集束、音響結合、インピーダンス整合、ビーム経路、およびセンサ保護のうちの1つまたは複数を含む、前記少なくとも1つのトランスデューサの音響特性を最適化するように構成された、請求項1から3のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記速度推定モジュールが、前記流体流れの前記速度プロフィールを判断するために、時間領域アルゴリズムおよび/または周波数領域アルゴリズムを前記超音波信号の受信された反射、もしくは前記受信された反射を示すデータに同時に適用するように構成された、請求項1から4のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記逆重畳モジュールが、
前記速度推定モジュールからの前記流体流れの前記判断された速度プロフィール、音速パラメータ、および前記受信された超音波信号に対応する、測定された波形形状を受信することと、
前記測定された波形形状のエンベロープを検出して、サンプル窓上のすべてのサンプル点を前記サンプル窓の最大強度値で除算することによって、前記測定された波形形状から正規化されたサンプル窓を判断することと、
前記測定された波形に関連する時間軸を前記音速パラメータで乗算することによって、前記正規化されたサンプル窓の長さを判断することと、
サンプルの数が前記サンプル窓の正確な距離と前記記憶された速度プロフィールの半径方向距離とに対応するように、記録された速度プロフィールと判断されたサンプル窓の両方をリサンプリングすることと、
前記記憶された速度プロフィールを流場内の前記正規化されたサンプル窓の積分で乗算して、第1の乗算の積を得ることと、
高速フーリエ変換(FFT)アルゴリズムを前記第1の乗算の積に適用して、第1のFFT結果を得ることと、
FFTアルゴリズムを前記サンプル窓/サンプル体積に適用して、第2のFFT結果を得ることと、
前記第1のFFT結果を前記第2のFFT結果で除算して、第1の除算の商を得ることと、
ローパスフィルタを前記第1の除算の商に適用して、ローパスフィルタリングされた第1の除算の商を得ることと、
逆FFTを前記ローパスフィルタリングされた第1の除算の商に適用して、逆重畳された速度プロフィールを得ることと、
不要な雑音を除去して、前記データの品質を向上させるために、平滑化フィルタを前記逆重畳されたプロフィールに適用することと
を行うように構成された、請求項1から5のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記逆重畳モジュールが、
前記速度推定モジュールからの前記流体流れの前記判断された速度プロフィールと、音速パラメータと、前記受信された超音波信号に対応する測定された波形形状とを受信することと、
適切な平滑化フィルタを適用して、前記速度プロフィールの品質を向上させることと、
逆重畳手順を前記速度プロフィールに適用することと、
速度勾配または剪断速度分布を得るステップに先立って、平滑化フィルタを前記判断された速度プロフィールおよび/または前記逆重畳された速度プロフィールに適用することと、
数値微分を処理された速度プロフィールに適用することと、
前記流体流れ内の最大剪断速度および前記剪断速度分布を計算することと
を行うように構成された、請求項1から6のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記システムが、
前記ハウジングの長さに沿ったそれぞれの位置同士の間の圧力差を得るための1つもしくは複数の絶対または差動圧力センサと、
1つまたは複数の温度センサと
を含む、請求項1から7のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記流体特性化モジュールが、前記速度プロフィールと組み合わせて前記圧力センサからの前記圧力差を使用して、前記流体流れの剪断粘度とレオロジーモデルパラメータとを判断するように構成された、請求項8に記載のシステム。
【請求項１０】
開水路内または水路内を流れる流体の流体深度/流体高さのデータを受信するように構成された流体深度センサを備え、流体高さ/流体深度の測定値と組み合わされた単一の速度プロフィールを得ることによって、前記水路内または前記開水路内を流れる流体の特性を判断するように構成された、請求項1から9のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
三次元速度プロフィールを得るために、複数のトランスデューサ構成を含む、請求項1から10のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１２】
請求項1から11のいずれか一項に記載の流体可視化および流体特性化システムを含む、流体流路を定義する手段のネットワーク。
【請求項１３】
流体流路を定義する手段内を流れる流体を視覚化および特性化するための方法であって、
少なくとも1つのトランスデューサによって、流体流路を定義する前記手段内の流体流れ内に超音波信号を放射するステップと、
前記流体流路内の反射物から、前記少なくとも1つのトランスデューサによって放射された前記超音波信号の反射を受信するステップと、
1つもしくは複数の速度推定アルゴリズムを、前記超音波信号の前記受信された反射、または前記受信された反射を示すデータに適用して、前記流体流路を定義する前記手段内の流体流れの速度プロフィールを判断するステップと、
逆重畳アルゴリズムを前記判断された速度プロフィールに適用して、前記流体流路を定義する前記手段内の前記流体流れの逆重畳された速度プロフィールを判断するステップと、
前記判断された速度プロフィールおよび/または前記逆重畳された速度プロフィールを使用することによって、前記流体流路を定義する前記手段内を流れる前記流体の流体流れ特性を判断するステップと
を含み、
前記少なくとも1つのトランスデューサの音響特性を最適化するように構成された遅延線素子を備えた前記少なくとも1つのトランスデューサを動作させるステップと、非侵襲的測定構成で流体流路を定義する前記手段の外部壁と接触する、前記1つのトランスデューサの前記遅延線素子を備えた前記少なくとも1つのトランスデューサを構成するステップとを含む方法であって、前記少なくとも1つのトランスデューサが、前記超音波信号の焦点が測定部分の液-壁界面に配置されるように構成される方法。
【請求項１４】
第1のトランスデューサに関連する第2のトランスデューサによって、前記第1のトランスデューサによって放射された前記超音波信号の反射および/または送信を受信するステップを含む、請求項13に記載の方法。
【請求項１５】
流体の速度プロフィール、音速、および音響特性を測定するために、前記第1のトランスデューサが送信モード/受信モードで動作し、前記第2のトランスデューサが受信モードだけで動作する、請求項14に記載の方法。
【請求項１６】
経過時間計算方法を使用して、対称性に関して前記流体流路の反対側の速度プロフィール、音速、音響特性、および流量を測定するために、前記第1のトランスデューサと前記第2のトランスデューサの両方が送信モード/受信モードで動作する、請求項14に記載の方法。
【請求項１７】
音速および音響特性を測定するために、前記第1のトランスデューサが送信モードだけで動作し、前記第2のトランスデューサが受信モードだけで動作する、請求項14に記載の方法。
【請求項１８】
前記逆重畳アルゴリズムを適用する前記ステップが、
前記速度プロフィールと、測定された音速パラメータと、測定された波形形状とを受信および記憶するステップと、
前記測定された波形形状のエンベロープを検出して、サンプル窓上のすべてのサンプル点を前記サンプル窓の最大強度値で除算することによって、前記測定された波形形状から正規化されたサンプル窓を判断するステップと、
時間軸を前記測定された音速パラメータで乗算することによって、前記正規化されたサンプル窓の長さを判断するステップと、
サンプルの数が前記サンプル窓の正確な距離と前記記憶された速度プロフィールの半径方向距離とに対応するように、前記記憶された速度プロフィールと前記判断されたサンプル窓の両方をリサンプリングするステップと、
前記記憶された速度プロフィールを流場内のサンプル窓の積分で乗算して、第1の乗算の積を得るステップと、
高速フーリエ変換(FFT)アルゴリズムを前記第1の乗算の積に適用して、第1のFFT結果を得るステップと、
FFTアルゴリズムを前記サンプル窓に適用して、第2のFFT結果を得るステップと、
前記第1のFFT結果を前記第2のFFT結果で除算して、第1の除算の商を得るステップと、
ローパスフィルタを周波数領域内で前記第1の除算の商に適用して、ローパスフィルタリングされた第1の除算の商を得るステップと、
逆FFTを前記ローパスフィルタリングされた第1の除算の商に適用して、逆重畳された速度プロフィールを得るステップと、
不要な雑音を除去して、前記データの品質を向上させるために、平滑化フィルタを前記逆重畳されたプロフィールに適用するステップと
を含む、請求項14から17のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記逆重畳アルゴリズムを適用するステップが、
速度推定モジュールからの前記流体流れの前記判断された速度プロフィールと、音速パラメータと、前記受信された超音波信号に対応する測定された波形形状とを受信するステップと、
適切な平滑化フィルタを適用して、前記速度プロフィールの品質を向上させるステップと、
逆重畳手順を前記速度プロフィールに適用するステップと、
速度勾配もしくは剪断速度分布を得るステップに先立って、平滑化フィルタを前記判断された速度プロフィールおよび/または前記逆重畳された速度プロフィールに適用するステップと、
数値微分を処理された速度プロフィールに適用するステップと、
前記流体流れ内の最大剪断速度と前記剪断速度分布とを計算するステップと
を含む非モデル手法アルゴリズムを含む、請求項14から18のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
複数の超音波信号を放射および受信して、三次元速度プロフィールを得るために、前記複数の超音波信号の関連反射を受信するように複数のトランスデューサの対を構成するステップを含む、請求項14から19のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
剪断応力分布および壁剪断応力が圧力差の測定と実質的に同時に判断されるように、前記流体流路を定義する前記手段内の固定距離にわたって圧力差を測定するステップを含む、請求項14から20のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記判断された速度プロフィールおよび/または前記逆重畳された速度プロフィールを積分して、前記手段内の流体の体積流量を判断するステップを含む、請求項14から21のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体流路を定義する手段内を流れる流体を可視化および特性化するための方法ならびにシステムに関する。
【０００２】
パルス超音波流速計(Pulsed Ultrasound Velocimetry)(PUV)は、パルス超音波ビーム軸(pulsed ultrasonic beam axis)に沿った液体の流れの中の瞬時の速度プロフィールを測定するための技法である。瞬時の速度プロフィールは、連続的なパルス放射同士の間に移動する粒子から後方散乱された超音波エコーの相対時間差を検出することによって得られる。参照により本明細書に組み込まれている、D.W.Bakerによる論文、「Pulsed Ultrasonic Doppler Blood-Flow Sensing」、IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics、vol.SU-17、No.3、1970年7月に示されているように、流速の非侵襲的測定のために超音波信号を使用することが可能である。
【０００３】
流体流れ(fluid flow)の測定、可視化、およびレオロジー特性化のための方法を提供するために、そのような技法を適合することが望ましいであろう。
【０００４】
市販の超音波流量計は、移動時間方法またはパルスドップラー方法のいずれかに基づく。移動時間方法とパルス超音波方法の組合せを使用して、体積流量測定を改善し、それによって、インラインレオメトリ(in-line rheometry)の精度をやはり改善することが望ましいであろう。
【０００５】
インラインレオメトリのための方法は、剪断速度が管内の体積流量の測定から得られ、内管壁における剪断応力が管に沿った固定距離にわたる圧力差の同時測定から判断される、旧来の管粘度測定概念に基づくことが多い。
【０００６】
通常、UVP+PD方法と呼ばれる、圧力差(PD)測定を用いるUVP技法は、流体流路内、例えば、管内を流れる流体を特性化するために使用される。
【０００７】
UVP+PD方法は、長さが数ナノメートルから最大で数センチメートルまでの直径を有する軟質および硬質の粒子と繊維の両方を含む、様々なモデル流体および懸濁液ならびに工業用の流体および懸濁液を含めて、幅広い範囲の流体系に適用されてきた。UVP+PD方法は、ポリマー溶解レオロジー、製紙用パルプ、濃縮鉱物懸濁液、および脂肪結晶化など、いくつかの潜在的な工業利用に関しても評価されている。
【０００８】
しかし、いずれの市販のUVP+PDシステムも市場で容易に入手できず、現在まで使用されてきたシステムは、一般に、既製のトランスデューサおよび電子機器に基づいており、したがって、工業要件を満たさない、限定された精度の単純な流体特性化により適している。
【０００９】
また、一般に、研究環境、システム/計器、および方法で使用される従来のUVP+PD計器は、工業利用で必要とされる頑強さおよび精度を有さない。1つの問題は、UVP(および、UVP+PD)システムで使用される、従来の既製のタイプのトランスデューサならびに計器は、工業処理用管など、小さく複雑なジオメトリ内の測定用に設計されていないことである。また、従来のUVP計器は、血流の測定に関して医療産業で見出される、簡素化された設計および方法から適応されている。しかし、人間の血液、そしてやはり水も、現在の工業用流体系と比較して減衰せず、したがって、既存のUVP計器は、所望の機能性を工業用流体系に提供することができない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】D.W.Baker、「Pulsed Ultrasonic Doppler Blood-Flow Sensing」、IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics、vol.SU-17、No.3、1970年7月
【非特許文献２】Barber、W.D.、Eberhard、J.W.&Karr、S.G.1985年。A New Time Domain Technique for Velocity Measurements Using Doppler Ultrasound. IEEE Transactions on Biomedical Engineering、BME-32(3):213-229
【非特許文献３】Jorgensen、J.E.、Campau、D.N.&Baker、D.W.1973年。Physical characteristics and mathematical modelling of the pulsed ultrasonic flowmeter. Medical and Biological Engineering、11(4):404-421
【非特許文献４】Jorgensen、J.E. &Garbini、J.L. 1974年。An Analytical Procedure of Calibration for the Pulsed Ultrasonic Doppler Flow meter. Journal of Fluids Engineering、96:158-167
【非特許文献５】Flaud、P.、Bensalah、A.&Peronneau、P.1997年。Deconvolution process in measurement of arterial velocity profiles via an ultrasonic pulsed Doppler velocimeter for evaluation of the wall shear rate. Ultrasound in Medicine & Biology、23(3):425-436
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、前述の問題および課題に少なくとも対処することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第1の態様によれば、流体流路を定義する手段内を流れる流体を可視化および特性化するための方法であって、
遅延線材料を有する第1のトランスデューサによって、流体流路を定義する手段内の流体流れ内に高周波(超音波)音響信号を放射するステップと、
流体流路内の反射物から少なくとも1つの遅延線トランスデューサ(delay line transducer)によって放射された超音波信号の少なくとも反射を受信するステップと、
1つもしくは複数のアルゴリズムを超音波信号の受信された反射、または、それらの受信された反射を示すデータに適用して、流体流路を定義する手段内の流体流れの速度プロフィール、ならびに個々のゲートサンプリング領域(gated sampling regions)の性質/品質に関する情報を判断するステップと、
逆重畳アルゴリズムを判断された速度プロフィールに適用して、流体流路を定義する手段内の流体流れの逆重畳された速度プロフィールを判断するステップと、
判断された速度プロフィールおよび/または逆重畳された速度プロフィールを使用することによって、流体流路を定義する手段内を流れる流体の流体流れの特性を判断するステップと
を含む方法が提供される。
【００１３】
この方法は、例えば、当てはめ手順(fitting procedure)、または非モデル手法によって、流体および流体流れの特性を判断するステップを含むことが可能である。
【００１４】
第1のトランスデューサは、遅延線トランスデューサであってよい。この方法は、第1の遅延線トランスデューサとインラインの第2の遅延線トランスデューサによって高周波信号の反射を受信するステップを含むことが可能である。両方のトランスデューサは、送受信モードで動作することが可能であり、すなわち、各トランスデューサは、速度プロフィールを独立して測定することが可能である。流体媒質内の音速を計算するために使用される飛行時間測定値を記録するために、一方が信号を送信するとき、他方が受信する(または、その逆の)ように、トランスデューサは両側に取り付けられる。
【００１５】
この方法は、手段内を流れる流体内に一連の高周波音響信号を放射して、関連反射を受信するステップを含むことが可能である。放射された高周波信号は、超音波周波数範囲内の音響信号でありうる。
【００１６】
この方法は、複数の速度判断アルゴリズムを同時に適用して、速度プロフィールを判断するステップを含むことが可能である。速度判断アルゴリズムは、測定された速度プロフィール(スペクトル情報および速度推定)の向上した精度と品質とのために実質的に同時に適用される時間領域アルゴリズムおよび周波数領域アルゴリズムであってよい。
【００１７】
流体流路を定義する手段は、流体回路または流体網と流体連通する(in fluid communication with)管を備えることが可能である。
【００１８】
逆重畳アルゴリズムを適用するステップは、
速度プロフィールと、測定された音速パラメータと、測定された波形形状とを受信および記憶するステップと、
測定された波形形状のエンベロープを検出して、サンプル窓上のすべてのサンプル点をサンプル窓の最大強度値で除算することによって、測定された波形形状から正規化されたサンプル窓を判断するステップと、
時間軸を測定された音速パラメータで乗算することによって、サンプル窓の長さを判断するステップと、
サンプルの数がサンプル窓の正確な距離と記憶された速度プロフィールの半径方向距離とに対応するように、記録された速度プロフィールと判断されたサンプル窓の両方をリサンプリングする(re-sampling)ステップと、
記憶された速度プロフィールを流場内のサンプル窓の積分で乗算して、第1の乗算の積を得るステップと、
高速フーリエ変換(FFT)アルゴリズムを第1の乗算の積に適用して、第1のFFT結果を得るステップと、
FFTアルゴリズムをサンプル窓に適用して、第2のFFT結果を得るステップと、
第1のFFT結果を第2のFFT結果で除算して、第1の除算の商を得るステップと、
ローパスフィルタを周波数領域内で第1の除算の商に適用して、ローパスフィルタリングされた第1の除算の商を得るステップと、
逆FFTをローパスフィルタリングされた第1の除算の商に適用して、逆重畳された速度プロフィールを得るステップと
を含むことが可能である。
【００１９】
この方法は、必要に応じて、(移動平均フィルタなど)平滑化フィルタを逆重畳された速度プロフィールに適用するステップを含むことが可能である。この方法は、時間利得補償アルゴリズムおよびウォールフィルタ、例えば、チェビシェフ(Chebyshev)II型フィルタなど、ローパス(および、ハイパス)フィルタを高周波信号の受信された反射に適用するステップを含むことが可能である。
【００２０】
単一のトランスデューサだけを使用して音速を判断することができる。
【００２１】
サンプル窓の最大強度値は、エンベロープのピークでありうる。
【００２２】
正規化電圧と時間の関係の観点からサンプル窓を提供することができる。
【００２３】
サンプル窓は、正確な逆重畳のために、少なくとも10個のサンプル点によって記述される必要がありうる。
【００２４】
リサンプリングのステップに関して、速度プロフィールが半径方向距離20mmにわたって測定され、プロフィールが100個のサンプル点からなり、サンプル窓長=5mmである場合、サンプル窓は25個のサンプル点からなるはずであることを理解されよう。
【００２５】
この方法は、超音波信号または超音波ビームの焦点が遅延線材料の表面に位置し、それによって、圧力場が極めて不規則な、トランスデューサの近距離場内で何の速度測定も行われないことを確実にするように第1のトランスデューサを動作させるステップを含むことが可能である。この設計は、ビームの最大振幅と最狭直径とが遅延線材料の表面に位置し、それによって、トランスデューサ表面から直接的に正確な測定を可能にすることを確実にする。
【００２６】
この方法は、複数の超音波信号を放射するステップと、複数の遅延線トランスデューサの対からの高周波信号の反射によって、反射物からそれらの複数の超音波信号の関連反射を受信するステップとを含むことが可能である。
【００２７】
この方法は、複数の音響信号を放射するステップと、流体内の多数のサンプリング領域に対応する、事前定義された時間窓にわたって関連反射を受信するステップとを含むことが可能である。
【００２８】
この方法は、流体流路を定義する手段内の固定距離にわたって圧力差を測定するステップを含むことが可能である。剪断応力分布は、圧力差の測定と実質的に同時に判断可能である。これは、速度プロフィール判断、逆重畳された速度プロフィール、またはそれら両方と実質的に同時に発生する。この方法は、逆重畳された速度プロフィールと組み合わせて圧力差測定を使用して、剪断粘度とレオロジーパラメータとを判断するステップを含むことが可能であることを理解されよう。
【００２９】
判断された速度プロフィールは、瞬時の半径方向速度プロフィールでありうる。この方法は、管内に互いに反対側に設置された2つのダイレクトライン(direct-line)トランスデューサによって、流体流れの方向と、流体流れの方向とは反対の方向の両方で、管内の流体流れの速度プロフィールをリアルタイムで継続的に判断するステップを含むことが可能である。
【００３０】
この方法は、高周波信号の受信された反射に、例えば、特異値分解、有限インパルス応答、無限インパルス応答、移動平均フィルタなど、平滑化フィルタを適用するステップを含むことが可能である。この方法は、判断された速度プロフィールおよび/または逆重畳された速度プロフィール、例えば、サビツキーゴーレイ(Savitzky-Golay)フィルタまたは移動平均平滑化フィルタに平滑化フィルタを適用するステップを含むことが可能である。
【００３１】
この方法は、判断された速度プロフィールおよび/または逆重畳された速度プロフィールを積分して、管内の流体の体積流量を判断するステップを含むことが可能である。代わりに、または加えて、この方法は、経過時間、例えば、飛行時間測定値を使用して、体積流量を判断することができる。
【００３２】
この方法は、超音波および音速の減衰など、音響特性が、実質的にリアルタイムで、連続的にインライン直結する(directly in-line)ことを判断するステップを含むことが可能である。
【００３３】
この方法は、音速測定および減衰測定を使用することによって、インライン直結した管内の固体濃度(例えば、固体脂含量、SFC)を判断するステップを含むことが可能である。
【００３４】
この方法は、実験データに対して理論的な速度プロフィールと半径方向位置の関係、すなわち、固定距離にわたるそのサンプリング領域に関連するドップラーシフトと対応する圧力損失とから得られた点速度と半径方向位置の関係を整合させるステップと、最も整合する数学的関係曲線から流体流れの1つまたは複数のレオロジー特性を識別するステップとを含むことが可能である。記録された速度プロフィールおよび圧力損失の測定はデータベース内に記憶された利用可能なレオロジーモデルと「整合される」ことに留意されたい。また、速度と位置曲線の関係は、一般的には、判断された速度であることに留意されたい。
【００３５】
管内を流れる流体の特性は、流体一致指数、流体挙動指数、降伏応力などを含めて、レオロジー特性および/またはパラメータを含むことが可能である。
【００３６】
この方法は、流体流れ内の複数の位置のそれぞれにおける剪断速度および剪断応力を計算するステップを含むことが可能である。
【００３７】
この方法は、判断された速度プロフィールと測定された圧力差とをレオロジーモデルに非線形に当てはめる手順から剪断粘度とレオロジーモデルパラメータとを判断するステップを含むことが可能である。あるいは、この方法は、非モデル手法を使用して、判断された速度プロフィールの速度勾配から剪断速度分布を判断し、オプションで、例えば、三次スプライン補間または多項式モデル当てはめの後に数値微分(numerical derivation)を続けることによって、管の壁における剪断応力を判断するステップを含むことが可能である。このようにして、本発明は、有利には、使用される数学的当てはめ方法(例えば、三次スプラインまたは多項式)の固有の変動によって引き起こされる不正確な剪断速度分布を伴う既存の問題を改善する。
【００３８】
この方法は、速度勾配(剪断速度分布)を得るステップに先立って、判断された速度プロフィールおよび/または逆重畳された速度プロフィールに平滑化フィルタ、例えば、サビツキーゴーレイ平滑化フィルタを適用するステップを含むことが可能であることを理解されよう。
【００３９】
本発明の第2の態様によれば、
流体流れ用の流体流路を定義する手段を有するハウジングを備えた計測部分であって、
高周波信号を生成して、流体流路を定義する手段内の流体流れ内にその高周波信号を放射するように構成された、遅延線材料を備えることが可能な第1のトランスデューサと、
流体流れ内の反射物から少なくとも1つの遅延線トランスデューサによって放射された高周波信号の反射を少なくとも受信するように構成された受信機と
を少なくとも含む計測部分と、
データを記憶するためのメモリと、
メモリに動作可能に接続され、
1つもしくは複数の速度推定アルゴリズム(時間領域および周波数領域)を高周波信号の受信された反射、またはそれらの受信された反射を示すデータに適用して、流体流路を定義する手段内の流体流れの速度プロフィールを判断するように構成された速度推定モジュールと、
逆重畳アルゴリズムを判断された速度プロフィールに適用して、流体流路を定義する手段内の流体流れの真の速度プロフィールを判断するように構成された逆重畳モジュールと、
判断された速度プロフィールおよび/または真の速度プロフィールを使用することによって、流体流路を定義する手段内の流体流れの特性を少なくとも判断するように構成された流体特性化モジュールと
を備えたプロセッサと
を備えた流体可視化および流体特性化システムが提供される。
【００４０】
流体流路を定義する手段は、流体回路または流体網と流体連通する管を備えることが可能である。
【００４１】
受信機は、第1のトランスデューサとインラインであるか、または第1のトランスデューサに隣接する第2のトランスデューサであってよい。このシステムは、複数の遅延線トランスデューサの対を備えることが可能である。ある例示的な実施形態では、必要に応じて、またはそうすることが好都合である場合、第1のトランスデューサは受信機をやはり備えることが可能である。
【００４２】
計測部分は、差圧センサおよび温度センサ用のハウジングを収納するように構成される。この手段は、管ループ内または流体網内もしくは流体回路内の一部として設置されるべきユニットを備えることが可能である。その他の例示的な実施形態では、測定システム、詳細には、計測部分は、管ループ内または流体網内の管に取り付け可能である。
【００４３】
このシステムは、第1の遅延線トランスデューサによって放射するための一連の高周波信号または高周波パルスを生成するように構成された信号生成器を備えることが可能である。放射される高周波信号は、超音波周波数範囲内の音響信号であってよい。信号生成器は、第1の遅延線トランスデューサによって放射するためのパルス音響信号を生成するように構成可能である。
【００４４】
プロセッサまたはシステムは、例えば、時間利得補償を使用して、送信された信号、波形、またはパルスと、受信された信号、波形、またはパルスの両方を増幅するための1つもしくは複数の増幅器を備えることが可能である。詳細には、プロセッサは、時間利得補償アルゴリズムおよびウォールフィルタ、例えば、チェビシェフII型フィルタなど、ローパス(および、ハイパス)フィルタを高周波信号の受信された反射に適用するように構成可能である。
【００４５】
速度推定モジュールは、複数の速度判断アルゴリズムを同時に適用して、速度プロフィールを判断するように構成可能である。速度判断アルゴリズムは、測定された速度プロフィール(スペクトル情報および速度推定)の向上した精度と品質とのために実質的に同時に適用される時間領域アルゴリズムおよび周波数領域アルゴリズムであってよい。
【００４６】
逆重畳モジュールは、
速度プロフィールと、音速パラメータと、波形形状とを受信することと、
測定された波形形状のエンベロープを検出して、サンプル窓上のすべてのサンプル点をサンプル窓の最大強度値で除算することによって、測定された波形形状から正規化されたサンプル窓を判断することと、
時間軸を測定された音速パラメータで乗算することによって、サンプル窓の長さを判断することと、
サンプルの数がサンプル窓の正確な距離と記憶された速度プロフィールの半径方向距離とに対応するように、記録された速度プロフィールと判断されたサンプル窓の両方をリサンプリングすることと、
記憶された速度プロフィールを流場内のサンプル窓の積分で乗算して、第1の乗算の積を得ることと、
高速フーリエ変換(FFT)アルゴリズムを第1の乗算の積に適用して、第1のFFT結果を得ることと、
FFTアルゴリズムをサンプル窓/サンプル体積に適用して、第2のFFT結果を得ることと、
第1のFFT結果を第2のFFT結果で除算して、第1の除算の商を得ることと、
ローパスフィルタを第1の除算の商に適用して、ローパスフィルタリングされた第1の除算の商を得ることと、
逆FFTをローパスフィルタリングされた第1の除算の商に適用して、逆重畳された速度プロフィールを得ることと、
不要な雑音を除去して、データの品質を向上させるために、平滑化フィルタを逆重畳されたプロフィールに適用することと
を行うように構成可能である。
【００４７】
サンプル窓は、正確な逆重畳のために、一般的には、少なくとも10個のサンプル点によって記述される必要がありうる。
【００４８】
第1のトランスデューサは、超音波信号または超音波ビームの焦点が液界面/壁界面に位置し、それによって、圧力場が極めて不規則な、トランスデューサの近距離場内で何の速度測定も行われないことを確実にするように構成可能である。
【００４９】
トランスデューサは、パルス超音波流速計に関して使用可能であり、好ましくは、各トランスデューサ前面に「遅延線」が取り付けられた、任意の種類の音響トランスデューサを含むことが可能であることを理解されよう。遅延線はトランスデューサ前面に固定可能である。
【００５０】
遅延線は、ビーム形成のために設計された材料を含むことが可能であり、音圧が不均一な近距離場を含み、一連の最大値/最小値を受ける。(ビーム形成)
【００５１】
遅延線は、トランスデューサと研究中の流体との間に最適音響ビーム経路と結合とを提供することも可能である。
【００５２】
遅延線の形状/寸法および材料特性を最適化して、トランスデューサの集束帯(focal zone)内の妨害エコー(parasitic echoes)と死角とを削減して、トランスデューサ前面から増大した音響透過深度のために拡張された焦点帯を有する狭ビームを生み出すことができる。(ビーム集束)
【００５３】
遅延線の長さは、最大音圧を有する焦点が使用中の液界面/壁界面に位置するように、トランスデューサの動作周波数で4分の1波長に連結されうる。(音響結合/音響整合、最大エネルギー転送)
【００５４】
「遅延線」、「アコースティックウェッジ(acoustic wedge)」、「アコースティックカプラント(acoustic couplant)」などの用語は、時として、非破壊試験用に設計された特別なタイプのトランスデューサまたはトランスデューサアクセサリに関して使用されることに留意されたい。しかし、この例示的な実施形態の場合、置換可能な「遅延線」材料は、当該材料がビーム形成、ビーム集束、音響結合、インピーダンス整合、最適ビーム経路、およびセンサ保護など、最適音響ビーム特性を得るために使用されるように、放射超音波信号を遅延させるために使用される。
【００５５】
他方で、「アコースティックウェッジ」は、非侵襲的測定のために使用可能な、何らかの固体材料または半固体材料で、例えば、異なるタイプの波(例えば、剪断波/縦波)を生成または除去するように設計される。「アコースティックカプラント」は、超音波トランスデューサと材料との間の最大エネルギー転送を確実にするために使用される材料と定義される。本発明では、パルス超音波測定用の非侵襲的センサセットアップを使用することが好ましい。
【００５６】
本発明において、「遅延線」材料という用語は、ビーム形成、ビーム集束、音響結合、インピーダンス整合、所望されるビーム経路の生成および/または除去、ならびにセンサ保護など、複数の機能を有する、「アコースティックウェッジ」、「アコースティックカプラント」、またはそれらの組合せを意味する場合があることに留意されたい。
【００５７】
このシステムは、管の長さに沿った位置同士の間の圧力差を得るための絶対圧センサまたは差圧センサを備えることが可能である。このシステムは、1つまたは複数の温度センサを備えることも可能である。
【００５８】
このシステムは、伝送波形(パルス波)に対して調整可能な時間窓内で受信信号の部分を渡して、それによって、フィルタリングおよび復調が可能なゲート受信信号を提供して、周波数シフトサンプル信号を生み出し、流体流れの領域に関連する周波数シフト、時間遅延、または位相遅延を判断するための動作を実行するための手段を備えることが可能である。
【００５９】
このプロセッサは、時間窓を調整して、各サンプリング量内の局所速度を判断して、各測定軸、測定線に沿った時間または距離に応じて瞬時の速度分布を計算するように構成可能である。
【００６０】
このプロセッサは、1つまたは複数の剪断依存性粘度と流体流さのモデルパラメータとを判断することと、剪断速度と剪断応力分布とを計算することとを行うように構成可能である。
【００６１】
このプロセッサは、超音波の減衰およびインライン直結した音速など、1つまたは複数の音響特性をリアルタイムで判断するようにさらに構成可能である。この情報は、例えば、インライン直結した固体脂含量(SFC)の総濃度および粒度を判断するために使用可能である(周波数掃引)。
【００６２】
このシステムは、開水路内または水路内を流れる流体の流体深度/流体高さのデータを受信するように構成された流体深度センサ(flow depth sensor)を備えることが可能である。このシステムは、流体高さ/流体深度の測定値と組み合わされた単一の速度プロフィールを得ることによって、水路内または開水路内を流れる流体の特性を判断するように構成可能である。(UVP+FD方法)
【００６３】
流体特性化モジュールは、圧力差の測定と実質的に同時に剪断速度分布を判断するように構成可能である。詳細には、流体特性化モジュールは、逆重畳された速度プロフィールと組み合わせて、圧力センサからの圧力差を使用して、剪断粘度とレオロジーモデルパラメータとを判断するように構成可能である。
【００６４】
流体特性化モジュールは、判断された速度プロフィールおよび/または測定された圧力差をレオロジーモデルに非線形に当てはめる手順によって、剪断粘度とレオロジーモデルパラメータとを判断するように構成可能である。あるいは、流体特性化モジュールは、傾斜法として知られている、非モデル手法を使用して、例えば、三次スプライン補間または多項式モデル当てはめの後に数値微分を続けることによって、判断された速度プロフィールの速度勾配から剪断速度分布を判断し、オプションで、管の壁における剪断応力を判断するように構成可能である。
【００６５】
ハウジングの計測部分は、一般的に、実質的に互いと反対に、管壁と同一平面上に第1の遅延線トランスデューサと第2の遅延線トランスデューサとを収納するための2つのトランスデューサポートを備えることが可能である。トランスデューサの遅延線材料は管の内面直径と同一平面にあり、これにより、先の方法で使用されたキャビティによって引き起こされる流体に歪みがないことを確実にする。このハウジングは、圧力センサを収納するための圧力センサポートと、1つまたは複数の温度センサを収納するための1つまたは複数の温度センサポートとをやはり備えることが可能である。
【００６６】
このハウジングは、一般に、計測部分から上流および下流に1つまたは複数の圧力アダプタをやはり備えることが可能であるか、または当該圧力アダプタと流体連通することが可能である。各圧力アダプタは、互いと直線整列されていない、フローチャンバによって間隔が空けられた入口ポートと出口ポートとを備えることが可能である。この入口ポートおよび出口ポートは、入口ポートが出口ポートから上流に配置された状態でフローチャンバと流体連通することが可能である。この入口ポートは、出口ポートから横方向に間隔が空けられる場合がある。
【００６７】
本発明の第3の態様によれば、
ハウジングと、
超音波信号を受信および/または送信するためのトランスデューサ素子と、
トランスデューサ素子に動作可能に接続された遅延線素子であって、ビーム形成、ビーム集束、音響結合、インピーダンス整合、所望されるビーム経路の生成および/または除去、ならびにセンサ保護のうちの1つもしくは複数を含めて、1つもしくは複数の機能性を有する遅延線素子と
を備えたトランスデューサが提供される。
【００６８】
このトランスデューサ素子は圧電素子であってよい。
【００６９】
遅延線材料は、ポリカーボネート(PC)、パリレン、エポテックまたはレクソラン(Rexolan)、あるいはその他の音響的に適した材料のうちの1つもしくは複数で作られることが可能である。
【００７０】
音響インピーダンスと音速とが水(もしくは、その他の工業用流体)、または、例えば、スチールなど、固体/半固体材料の音響インピーダンスおよび音速と可能な限り近いように、遅延線材料の音響特性を選択することが可能である。
【００７１】
遅延線材料は、トランスデューサの前面整合材料もしくは圧電素子に直接的に接着またはダイカスト鋳造されてよい。既存の遅延線は、通常、ゲル、または類似の音響結合材料を使用して、前面整合材料と単に接触し、2つの材料層の間に音響結合(インピーダンス整合)を単に提供する。
【００７２】
遅延線素子の直径は、圧電素子の直径と実質的に同一であってよい。
【００７３】
遅延線を特徴とする既存のトランスデューサは、ゼロ振幅を有する、いくつかの局所的な死角を生み出し、トランスデューサの感度をやはり劇的に低減する妨害エコー(内部リンギング(internal ringing)または反射)を受ける。さらに、材料壁層を介して非侵襲的に測定するとき、同じ悪影響が発生する。
【００７４】
本発明では、外周領域、すなわち、遅延線材料の管状形の輪郭領域(outline area)は平滑でない場合がある。通常、遅延線材料の性能に影響を及ぼし、トランスデューサの感度を低減する、遅延線材料内部の所望されない内部反射がなくなるように、輪郭領域を修正することが可能である。このために、輪郭領域は、「平滑でなく」てよく、例えば、段々が付けられるか、もしくはステップが付けられてよく、または死角を生じさせる定在波現象(複数の反射)がなくなるように、圧電素子から一定の距離に突起および割れ目を与えてもよい。遅延線の長さおよび角度の最適化と組み合わせて、これは、最大音響エネルギーが当該液体内に送られることが可能であるだけでなく、既存の遅延線材料およびトランスデューサほど帰還エコー信号の振幅が減衰可能でないことをやはり確実にすることができる。
【００７５】
さらに、遅延線材料の前面(したがって、トランスデューサ前面)は、管の半径曲率すなわち内部曲率を整合するようにさらに構成可能である。トランスデューサ前面の曲率は、これにより、管の曲率と正確に整合することが可能であるが、トランスデューサ前面の曲率は若干異なってもよい。曲率と平滑でない外周とを有する前面は、トランスデューサの前面により小さなビーム直径とより長い集束帯とにより、より集中的なビームを生み出し、これにより、結果として、さらにいっそう正確な速度測定をもたらす、追加の利点を有することが可能である。管壁に近接した壁近傍層内の正確な速度を測定することも可能である。
【００７６】
このハウジングは、ステンレス鋼の円筒形または類似の形状であってよい。ハウジングの材料および形状は、複合型のものであってよく、トランスデューサ軸に沿って温度勾配および振動を削減するように構成可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】使用の際、パイプループ、流体網、または流体回路の管に動作可能に接続される、本発明のある例示的な実施形態による、流体可視化および流体特性化システムの概念ブロック図である。
【図２】本発明と同じ一般的なタイプの、従来の先行技術システムの断面図である。
【図３】図1のシステムを使用して得られる、管内の流体流れの測定された速度プロフィールのグラフである。
【図４】ある例示的な実施形態による、流体可視化および流体特性化システム、詳細には、その計測部分の概略的な部分断面図である。
【図５】ある例示的な実施形態による、角度補償を伴わない2 MHz遅延線トランスデューサを例示する概略図である。
【図６】ある例示的な実施形態による、角度補償を伴う2 MHz遅延線トランスデューサを例示する概略図である。
【図７】非侵襲センサ構成の関連遅延線素子を備えたトランスデューサの簡素化された概略図である。
【図８】ある例示的な実施形態による、圧力アダプタの平断面図および側断面図を例示する概略図である
【図９】図8の2つの圧力アダプタの間で接続されたシステム、詳細には、その計測部分の概念ブロックを例示する概略図である。
【図１０】その電子構成要素/ハードウェア構成要素をより詳細に例示する、流体可視化および流体特性化システムの部分の概略図である。
【図１１】その機能構成要素を例示する、流体可視化および流体特性化システムの部分、詳細には、プロセッサの概略図である。
【図１２】ある例示的な実施形態による、遅延線トランスデューササンプル体積を例示する図である。
【図１３】ある例示的な実施形態による、トランスデューサ応答を例示する図である。
【図１４】ある例示的な実施形態による、逆重畳アルゴリズムのステップを例示する概念的プロセス流れ図である。
【図１５】ある例示的な実施形態による方法のハイレベル流れ図である。
【図１６】ある例示的な実施形態による方法の別のハイレベル流れ図である。
【図１７】ある例示的な実施形態による、流体可視化および流体特性化システム、詳細には、その計測部分の別の構成の概略的な部分断面図である。
【図１８】ある例示的な実施形態による、水路プロフィールを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００７８】
以下の記述では、説明のために、本開示のある実施形態の徹底的な理解を与えるために多数の特定の詳細が記載される。しかし、本発明はこれらの特定の詳細なしに実践可能であることは当業者には明らかであろう。
【００７９】
図面の図1を参照すると、本発明による流体の可視化および特性化システムが、一般に、参照番号10によって示される。システム10の少なくとも一部、例えば、その計測部分は、一般的に、流体網内で流れる流体用の流体経路を定義する手段を備えた流体網に統合されるか、または当該流体網に接続可能である。この手段は、一般的に、管網内の管12である。有利には、管12は、工業用処理管網または流体網の回路の一部を形成しうる。この手段は、代わりに、流体を搬送することが可能な他の導管であることが可能である。
【００８０】
システム10は、下で説明されるように、計測部分から得られた測定値を処理するための電子機器および信号処理要素をやはり備える。これらの電子機器および信号処理要素に測定部分を提供する必要はなく、これらの電子機器および信号処理要素は、測定部分から遠隔に配置されてよく、測定信号、またはそれらの測定信号を示すデータ、もしくはそれらの測定信号に関連するデータを、例えば、(例えば、Bluetooth（登録商標）、無線周波数信号を経由して、無線通信ネットワークを経由してなど)無線で、または配線接続を経由して受信するように構成可能である。
【００８１】
システム10は、一般的に、下でより詳細に議論されるように、圧力差(UVP+PD)/流体深度(UVP+FD)技法と共に超音波速度プロフィールを使用して、システムが接続される管12内の流体流れの瞬時の半径方向速度プロフィールおよびレオロジー特性を少なくとも判断するように構成される。
【００８２】
前述のように、次に、図2および図3を参照すると、従来のUVP+PDシステム、システム14および方法は、トランスデューサ16を使用して、測定線または測定軸に沿って音響信号を流体に送信して、その流体の特性を判断する。この点で、研究中の流体は、最高速度勾配を有する(管20の)壁近傍領域18内で最強剪断を受けやすく、かつ最強剪断によって最も影響を受けることを理解されよう。レオロジー特性化、およびレオロジー特性の監視のために、最高速度勾配を有する、この壁近傍領域18は、したがって、非常に重要であり、この空間領域内で正確な速度測定が行われなければならない。
【００８３】
従来のUVP+PDシステムは、従来の、例えば、既製のトランスデューサセットアップまたは単純なトランスデューサセットアップを使用し、この場合、トランスデューサは、流体、例えば、(最大エネルギー転送のために)液体と直接接触する形で配置されるか、または測定値を得るために薄い透明管を介する形で配置される。しかし、従来のトランスデューサ設計により、超音波トランスデューサによって生み出される圧力場は、トランスデューサの表面から非常に不規則であり、その焦点までずっと延びる。この距離は、通常、非常に長く(一般に、水中の4MHzトランスデューサの場合、およそ17mm)、近距離場として知られている。この領域内では正確な速度測定は不可能であり、これは、トランスデューサの設置を複雑にし、これは、したがって、工業利用のためのUVP+PD方法の現実的な適用可能性を制限する。この問題を克服するために、トランスデューサ表面が試験流体と直接接触するのを可能にし、それにより、流体系内への最大超音波エネルギー転送、ならびに、いかなるビーム屈折も除去することを確実にする、トランスデューサハウジング用の単純なフローアダプタ設計が使用されている。
【００８４】
しかし、(図2に例示される)上述のセットアップは、壁界面18の前にキャビティ22を残し、これは、流体流れと、実際の管壁を超えた速度の増大とにより、測定不確実性を引き起こす(図3を参照されたい)。さらに、より複雑な工業用流体を測定するとき、キャビティ22内部の粒子の沈降の問題は、音速およびドップラー角度の変化を引き起こし、これは測定されたプロフィールをかなり歪める可能性がある。キャビティ22内部の粒子蓄積および密度の変化のそれ以外の結果は、温度勾配および流体濃度勾配の悪影響である。これはやはり音速変化を引き起こし、温度勾配が測定線にわたって速度プロフィール推定のエラーを引き起こす可能性があることが示されている。
【００８５】
固体材料層を通して測定し、液-壁界面からトランスデューサを引き戻し、それにより、キャビティ問題と近距離場問題の両方を除去することが可能である。しかし、超音波ビームの屈折および吸収は、ドップラー角度および音速など、パラメータにエラーを引き起こし、これは減衰流体の侵入深度をかなり削減する。材料層を通して測定するとき、物理的な超音波ビーム形状は変化することが示されている。例えば、固体界面を介して伝搬することにより、トランスデューサによって放射および受信されたパルスの音響特性が変化する場合、増大したサンプル体積寸法(超音波ビームの拡大)により、より多くのエラーが速度測定にもたらされ、これは、特に、最も重要な、壁近傍領域内の不正確な結果につながる。
【００８６】
速度プロフィールは、したがって、有限サンプル体積特性、および固体境界または壁材料層を介した伝搬の影響の結果として、一般的に、十分な正確さで測定されない。サンプル体積のジオメトリおよび強度の影響が下でより詳細に説明される。壁近傍領域内で測定された速度を補正するためのシステムおよび方法がこれまでに提案されているが、成功は限定されている。
【００８７】
(材料層を介して測定するとき)実際の壁界面または(試験流体に直接接触して測定するとき)液-壁界面を判断することは、したがって、レオロジー測定にとって非常に重要である。上で述べた要因により、特に、制限された空間分解能で速度プロフィールを測定するとき、または減衰が壁近傍速度データの品質を歪めるとき、界面の判断は非常に複雑である。壁位置を0.37mm未満(または、1つの水路)だけ変化させることによって、UVP+PD方法を使用して判断されるレオロジーパラメータはかなり変化することが示されている。これは、上で説明されたように、研究中の流体が最高速度勾配を有する壁近傍領域内で最強剪断を受けやすく、かつ最強剪断によって最も影響を受けることによる。
【００８８】
不確実な壁位置の問題は、ユーザが、正確な流体特性を生み出す壁界面位置を調整するために、オフライン回転式レオメトリなど、他の方法を使用して試験流体のレオロジーデータを取得することを余儀なくさせた。しかし、流体特性のいかなる先験的な知識もなしに、レオロジー特性を測定することができる、完全なUVP+PDベースの測定システムおよび方法を有することが望ましいため、これはインラインレオメトリ用のUVP+PD方法の目的に矛盾する。
【００８９】
例えば、視覚検査または事後データ解析によって、正確な壁位置を得ることができるときですら、実験速度プロフィールに対する理論的な当てはめは容易ではなく、それにより、遠隔のユーザは、正確なレオロジーパラメータを得るために、依然として、境界条件および当初の推定を調整する必要がある。異なる次数の多項式、無理冪乗方程式(irrational power equation)、スプラインを使用すること、または異なるレオロジーモデルを使用することなど、モデル当てはめ手順に異なる手法が試みられてきた。しかし、これらの技法を使用してすら、境界条件および当初の推定の知識、ならびに/または異なるモデルの当てはめを必要とするという問題は、ユーザが事前に流体特性の知識を有することを余儀なくさせ、これは、この方法を実行可能な独立したレオメトリックな(rheometric)測定方法にしない。この問題を克服するために、本発明で、新世代のトランスデューサが紹介される。
【００９０】
次に、本発明による流体可視化および流体特性化システム10の計測部分、すなわち測定部分が一般に参照番号30によって示される、図面の図4を参照する。計測部分30は、下で説明されるような、システム10のいくつかの要素もしくはすべての要素を備えるか、またはこれらの構成要素のうちのいくつかは計測部分30から遠隔に配置可能であることに留意されよう。
【００９１】
システム10は、超音波流速分布法(UVP)を圧力差(PD)測定と組み合わせることによって、レオロジーパラメータの判断を可能にするUVP+PD方法を使用することに留意されよう。システム10は、不透明な複合流体系のインライン非侵襲的レオロジー特性化に関して使用される。
【００９２】
システム10の計測部分30は、流体流路34を画定するハウジング32、例えば、流体が通過するための中空の円筒状流体通路と、流路34に隣接して配置された第1のトランスデューサポート36と、第1のトランスデューサポートと第2のトランスデューサポートとがインラインであり、流路34によって隔たれて、互いと反対であるように、やはり流路34に隣接して配置された第2のトランスデューサポート38とを備える。
【００９３】
1つの例示的な実施形態では、ハウジング32は、流体流路34がパイプシステムの管上にぴったりと合うように、パイプシステム上にフィットするように構成されたフローアダプタである。しかし、ハウジング32は、流体流路34がパイプシステムと流体連通するように、パイプシステムと一体化して設置されるように適合可能であることを理解されよう。
【００９４】
パイプシステム内の管は円筒管であってよ。しかし、本発明は、それに限定されず、様々な幾何学的な中空の形をとってよい。説明を簡単にするために、本明細書の文脈で「管」は、その特性が、有利には、本明細書に記述されるシステム10によって判断される流体物質/液体物質がその中を流れる、中空の円筒部材を意味することを理解されよう。
【００９５】
いずれの場合も、所望される機能性を達成するために、システム10、詳細には、その計測部分30は、流路34内の流体流れ内に高周波信号を放射するように構成された第1の遅延線トランスデューサ40を備える。高周波信号は、音響信号、一般に、超音波信号である。
【００９６】
遅延線トランスデューサ40は、下で議論されるように、所望される超音波信号を生成するための遅延線41材料を備える。
【００９７】
計測部分30は、反射信号、すなわち、流体流れ内で反射物44から第1の遅延線トランスデューサ40によって放射された超音波信号の反射である反射信号を少なくとも受信するように構成された受信機42をやはり備える。受信機42は、反射信号を受信するための任意の回路などを備えることが可能である。しかし、受信機42は第2の遅延線トランスデューサ42を備える。第1のトランスデューサ40と第2のトランスデューサ42とが、測定ライン、すなわち、ビーム軸43に沿って互いに対して方向付けられるか、または互いとインラインになるように、第1のトランスデューサ40はハウジング32の第1のトランスデューサポート36内で受信可能であり、第2のトランスデューサ42は第2のトランスデューサポート38内で受信可能である。システム10は、複数の遅延線トランスデューサの対を備えることが可能である。しかし、説明を簡単にするために、1つの遅延線トランスデューサの対だけが例示されている。
【００９８】
(下で記述される)1つの例示的な実施形態では、第1のトランスデューサ40は、超音波信号を放射または送信して、それに応じて、反射信号を受信することができるように、必要に応じて、または、そうすることが好都合である場合、受信機42をやはり備えることが可能である。この例示的な実施形態では、それに応じて、ハウジング32を適合することが可能である。
【００９９】
第2のトランスデューサ42は、第2のトランスデューサ42と類似の形で第1のトランスデューサ40が受信することができる超音波を上で述べたように容易に放射することがやはり可能である。しかし、説明を簡単にするために、本明細書で上に記述されたように、第1のトランスデューサ40が超音波を放射するように構成され、第2のトランスデューサ42が反射を受信するように構成された、例示的な実施形態を参照する。
【０１００】
(下で議論される)速度プロフィールを成功裏に測定するためには、超音波トランスデューサ40、42の良好、かつ安定した位置決めが必須であることを理解されよう。
【０１０１】
トランスデューサ40、42は、管壁46と同一平面上に設置され、それにより、トランスデューサ40、42と壁界面との間に何のキャビティも残さない。先に述べたように、キャビティをなくすことは、実際の管壁界面を超えた非現実的な流れが不可能なため、より正確な速度プロフィール測定を可能にする。これは、やはり先に述べた、(粘性の流体懸濁液を試験するときの)トランスデューサの前方のキャビティの沈降および目詰まりの問題をやはり解決する。
【０１０２】
「遅延線」、「アコースティックウェッジ」、「アコースティックカプラント」などの用語は、時として、非破壊試験用に設計された、特別なタイプのトランスデューサまたはトランスデューサアクセサリに関して使用されることに留意されたい。しかし、この例示的な実施形態の場合では、置換可能な「遅延線」材料は、ビーム形成、ビーム集束、音響結合、インピーダンス整合、ビーム経路、およびセンサ保護など、最適な音響ビーム特性を得るために使用可能であるように、放射された超音波信号を遅延させるために使用される。
【０１０３】
他方で、「アコースティックウェッジ」は、非侵襲的測定のために使用可能な、例えば、何らかの固体材料もしくは半固体材料で異なるタイプの波(例えば、剪断波/縦波)を生成または除去するように設計される。「アコースティックカプラント」は、超音波トランスデューサと材料との間の最大エネルギー転送を確実にするために使用される材料と定義される。
【０１０４】
本発明の文脈で、「遅延線」材料という用語は、ビーム形成、ビーム集束、音響結合、インピーダンス整合、所望されるビーム経路の生成および/もしくは除去、ならびにセンサ保護など、複数の機能性を有する「アコースティックウェッジ」、「アコースティックカプラント」、またはそれらの組合せを意味する場合があることに留意されたい。
【０１０５】
本発明では、遅延線41は、いくつかの目的を達成するのに適切な材料から構築される。第1に、遅延線41は、ビーム形成のために使用され、それが構築される材料は、トランスデューサ40、42の(音圧が不均一であり、一連の最大値/最小値を受ける)近距離音場を含む。遅延線材料は、一般に、ポリカーボネート(PC)、パリレン、エポテック、およびレクソラン、または類似の材料のうちの1つもしくはそれらの組合せから作られる。遅延線41の材料の音響特性は、音響インピーダンスと音速とが水(もしくは、その他の工業用流体)、ならびに管壁(例えば、ステンレス鋼)の音響インピーダンスおよび音速と可能な限り近いように最適化される。それにより、遅延線は、トランスデューサと研究中の流体との間に最適な音響結合を提供する。
【０１０６】
第2に、この遅延線41は、設計の一体部分として、トランスデューサ40、42の前方に固定され、管壁46と同一平面上にある。遅延線材料は、トランスデューサもしくは圧電素子の前面整合材料に直接的に(適切な接着剤を使用して)接着されるか、またはダイカスト鋳造され、あるいは、音響結合材料を使用して、トランスデューサに連結される。
【０１０７】
整合材料は、超音波整合層の一部を形成することが可能であることに留意されよう。この層は、伝送媒体との間のエネルギーの結合を改善するために、超音波トランスデューサの前面に固定された受動態層であってよい。狭帯域条件下で、整合層の厚さが波長の4分の1(または、4分の1波長の奇数倍)に等しいとき、結合は最大化される。
【０１０８】
加えて、トランスデューサ40、42は、最も一般的には、大いに減衰し、かつ非常に高密度の材料であり、圧電素子の裏面から放射するエネルギーを吸収することによって、トランスデューサクリスタル(transducer crystal)/圧電素子の振動を制御するために使用される裏あて材(backing material)をやはり備えることが可能である。裏あて材の音響インピーダンスが圧電性結晶の音響インピーダンスと整合するとき、その結果は、優れた解像度を有する高減衰トランスデューサである。裏あて材と圧電性結晶との間のインピーダンスの差を変えるために、裏あて材を変化させることによって、トランスデューサは、若干、損害を被ることになり、信号振幅または信号感度の点で、解像度はより一層高まる可能性がある。
【０１０９】
遅延線41の先端部分は、異なる形を有してよく、そのジオメトリが管壁46の半径曲率すなわち内部曲率のジオメトリと正確に整合して、壁近傍層内の流線(速度勾配)に対して何の歪みもないことを確実にするように、例えば、角度および曲率を変化させることが可能である。遅延線41の前面、すなわち先端部分の曲率は、管の曲率と正確に整合する場合があるが、若干異なってもよい。曲率および平滑でない外周領域を有する前面は、トランスデューサの前面により小さいビーム直径と、より長い集束帯とにより、より集中的なビームを生み出し、それにより、はるかに正確な速度測定をもたらす、追加の利点を有する。管に近接する壁近傍層内で正確な速度を測定することも可能である。
【０１１０】
第3に、トランスデューサ40、42は、超音波ビームの焦点が、最大音圧で、液-壁界面にちょうど位置するように構成され、それによって、有利には、トランスデューサ40、42のまさに前面部分で正確な測定を可能にする。このために、焦点が、最大音圧で、遅延線41の先端部分の前面に位置するように、遅延線の長さは、上に記述されたように、4分の1波長と、トランスデューサの超音波周波数とに関連付けられることを理解されよう。
【０１１１】
外周領域、すなわち、遅延線材料の円筒形の輪郭領域は平滑でないことに留意されよう。通常、遅延線材料の性能に影響を及ぼし、トランスデューサの感度を低減する、遅延線材料内部の所望されない内部反射がなくなるように表面領域は修正される。遅延線の長さの最適化と組み合わせて、これは、最大音響エネルギーが当該液体内に送られるだけでなく、既存の遅延線材料およびトランスデューサほど帰還エコー信号の振幅を減衰しないこともやはり確実にする。
【０１１２】
さらに、本発明では、超音波トランスデューサ40、42と流体との間の最大エネルギー転送が確実にされるだけでなく、トランスデューサビーム軸に沿った寄生的エコーおよび「死角」がやはり回避されるように、遅延線41に加えて、トランスデューサ構成要素の設計が最適化される。これは、そのうちのいくつかが本明細書において先に記述された、遅延線材料41のジオメトリ、長さ、形状、および音響特性、トランスデューサ40、42の圧電活性素子、トランスデューサ40、42の裏あて材、前面およびウェアプレート(wear plate)などの最適化によって達成される。遅延線41の長さは、4分の1波長の倍数に関連付けられ、トランスデューサ40、42の効率を削減することになる誘導反射を回避するように注意深く選択される。
【０１１３】
トランスデューサの圧電素子は、高周波信号を生み出すため、および高周波信号を受信するための圧電セラミックス素子結晶であることを理解されよう。圧電素子は、一般に、PbTiO2から作られる。圧電素子のチタン酸ジルコン酸鉛セラミックスの特殊ドーピングは、必要に応じて、個々の圧電パラメータおよび誘電パラメータを調整することを可能にする。圧電素子の直径、長さ、および形状などが、一般的に、トランスデューサの周波数と音響特性とを決定する。
【０１１４】
遅延線41とその先端部分とを含めて、トランスデューサ40、42全体は、幅広い圧力範囲および温度範囲にわたって実際の工業処理条件下で動作し、液体に懸濁した固体研磨粒子からの摩耗にやはり耐えるようにさらに最適化される。ハウジングは、ステンレス鋼円筒形または類似の形状であってよい。ハウジングの材料および形状は、複合型のものであってよく、トランスデューサ軸に沿って温度勾配と振動とを削減するように構成可能である。
【０１１５】
ある種の例示的な実施形態では、遅延線トランスデューサは、遅延線材料に固定された、追加の前面材料を特色としうる。この材料は、音響的に整合するセラミック材料であってよく、この材料は、バッファゾーンを提供することによって、摩耗性、研磨性、または腐食性の流体および材料、ならびに高温からトランスデューサを保護するために使用される。
【０１１６】
この点で、例えば、絶縁セラミックス層を使用することによって、トランスデューサに沿った温度勾配が除去されるように、ハウジングの材料および形状が選ばれる。
【０１１７】
いずれの場合も、温度および圧力に関する現在の限度は、0〜150°Cおよび0〜30Bar(0〜3000kPa)であるが、応用例によって、例えば、非侵襲的遅延線材料を使用するとき、これは拡張可能である。
【０１１８】
上で議論されたが、次に、遅延線トランスデューサ40、42のより特定の例示的な実施形態が示される、図面の図5から図7を参照する。図5および図6に例示される遅延線トランスデューサ40、42は、一般に、素子48に隣接して取り付け可能な遅延線材料41を有するハウジング50内に配置された、少なくとも圧電素子を備える。遅延線41は、トランスデューサ40、42の終端部に取り外し可能に取り付け可能であるか、または、先に説明されたように、トランスデューサ40、42と一体であってもよい。その短い波長による空間解像度と侵入深度(より少ない減衰)との間の良好な妥協を得るために、2MHzの中央基本周波数(図5および図6)と10mmまたは5mmのビーム直径とを有する管流量測定トランスデューサ40、42が、通常、使用される。
【０１１９】
超音波周波数が定義されるとき、以下の点を考慮に入れて、圧電素子48の直径を最適化することができる。すなわち、小さな直径はより低い感度のトランスデューサ40、42を意味し、大きな直径は発散がより少ないビームを意味し、これは、より小さいサンプリング量を暗示し、大きな直径はより長い近距離場を意味し、これは、トランスデューサ40、42に近接する測定が超音波圧力場の振動によって影響を受けることを意味し、これは、本明細書で上に述べられるように、より長い遅延線41を使用することによって補償されなければならないことである。ハウジング50の直径は、一般に、8〜12mmの間であり、その長さは20〜100mmである。
【０１２０】
図5および図6に例示されるトランスデューサ40、42の焦点52に留意されよう。図6にやはり例示されるのは、角度補償を有するトランスデューサ40、42に関する角度補償54である。角度補償は、トランスデューサ設置物の管径、流量、および流体特性角度に応じて、任意の角度になるように選択可能であり、この例では、20度の設置角度が使用された。この角度は、実験的に決定可能である。しかし、小さな管径の場合、角度は、速度プロフィール勾配全域の平均化の影響を回避するために、横方向に関して90度に近接すべきである。
【０１２１】
下のTable 1(表1)では、図5および図6を参照した上の説明による、2MHzトランスデューサ40、42に関する典型的な幾何学的寸法および主な音響パラメータが与えられる。
【０１２２】
【表１】
0005972373.tif 000002
【０１２３】
超音波トランスデューサ40、42は、0.5〜15MHzの周波数範囲を有し、上に記述されたように、個々にまたは対(例えば、第1のトランスデューサ40が専用放射モードで動作し、第2のトランスデューサ42が専用受信モードで動作するか、またはその逆)で、送信モードおよび/または受信モードの両方で動作するように設計されることに留意されよう。トランスデューサ40、42は、連続モードとパルス励起モードの両方で動作し、一般に、正弦波タイプもしくは方形波の超音波のショートバーストまたはロングバーストを生み出すことが可能であるが、所望される場合、チャープなど、他の波形も可能である。個々および対の両方で使用され、設置ならびに動作されるのに加えて、流れの方向と流れの方向とは反対方向の両方を測定するために、(互いと反対に、VおよびZ、リング構成など)異なる構成でトランスデューサ40、42を実現することが可能である。本発明は、上に記述されたように、遅延線41を備えた直線配列/位相配列のトランスデューサ設計をやはり網羅する。
【０１２４】
さらに、通常、食品業界または製薬業界で見出される応用例において必須条件である、トランスデューサ40、42の簡単かつ衛生的な設置のために、オプションで、例えば、トライクランプディスク(tri-clamp disc)56(Table 1(表1)ならびに図5および図6を参照されたい)をトランスデューサ40、42に取り付けることが可能である。
【０１２５】
(非侵襲的センサセットアップを使用するとき)遅延線トランスデューサの正確な位置決めのために、オプションで、クランプシステムをトランスデューサに取り付けることも可能である。
【０１２６】
しかし、より重要なことには、本発明では、トランスデューサ40、42は、トランスデューサ40、42の簡単かつ衛生的な設置のために、最適化された遅延線41とディスク56とを備え、トランスデューサ40、42の的確な位置決めと、やはり固定壁位置とを可能にする。これは、下で記述されるように、トランスデューサ前面からの直接的な、かつ壁46に近接する勾配層内での正確な測定だけでなく、壁位置を判断する際の不確実性を除去することによって、正確なレオロジー特性化およびレオロジーパラメータの判断も確実にし、かつこれらを可能にする。
【０１２７】
非侵襲的測定セットアップの代替実施形態が図7に示される。本発明の目的で、「非侵襲的」セットアップという用語は、トランスデューサまたは遅延線材料のいずれの部分も試験流体と接触していないことを示す。すなわち、トランスデューサおよび遅延線素子は、特性化されることになる流体が搬送される管またはその他の手段12の外部に配置される。
【０１２８】
トランスデューサ40、42に固体材料層(例えば、管壁)を音響的に結合するために、遅延線材料の適切に成形された要素、すなわち、ブロック43が使用される。先に記述されたように、遅延線材料は、(ビーム形成、ビーム集束、音響結合、インピーダンス整合、材料層を介した流体媒質内への最適ビーム経路、ならびにセンサ保護など)最適な音響ビーム特性を提供すべきである。先に記述されたように、遅延線は非侵襲的測定のために使用可能な、任意の固体材料もしくは半固体材料の異なるタイプの波を生成または除去するように設計される。
【０１２９】
遅延線材料のブロックは、例えば、トランスデューサの一体部分および/または材料壁層(例えば、管壁)、またはクランプオンデバイス(clamp-on device)のいずれかであってよい。図7では、ビーム経路の方向は、単なる例示であることに留意されたい。
【０１３０】
図4に戻ると、システム10、詳細には、その計測部分30は、壁剪断応力測定のための差圧センサ60も備えることを理解されよう。センサ60は、膜60.1および60.2によって、流体流れ34に沿った2つの地点間の圧力差を測定するように構成される。このために、センサ60は、流体を伝送する圧力で満たされた真空管62をやはり含むことが可能である。流体媒質内の音速は流体温度の変化と共にかなり変化する可能性があるため、システム10は温度センサ64をやはり含むことも可能である。流体レオロジーが重要であるとき、流体の温度も特定の流体の粘性特性に著しい役割を果たす可能性があることに留意されよう。システム10の計測部分30は、インラインの速度プロフィールおよび音響特性の同時測定用に設計される。
【０１３１】
システム10は、圧力流アダプタ66(図8&図9)をさらに備えることが可能であるか、または計測部分30は圧力流アダプタ66と流体連通することが可能である。圧力流アダプタ66は、より正確な圧力損失測定(図10)のために、計測部分30の上流および下流に接続可能である。圧力流アダプタ66は、入口流体流れ68を受けるための入口ポート67と、流体流れの出口70を提供するための出口ポート69とを備えることが可能である。入口ポート67および出口ポート69は、互いとインラインでない円筒フローチャンバ72によって間隔を開けることが可能である。入口ポートおよび出口ポート67、69の非対称構成は、計測部分30に対する流体の連続的な定流を確実にする。ある種の例示的な実施形態では、圧力センサ60は、センサ60の膜60.1および60.2の間の圧力差を正確に測定するために、管が流体で完全に満たされ、定流が膜60.1および60.2を通過することを必要とすることを理解されよう。圧力の小さな変化または測定のエラーと共に、不良なセンサハウジング設計は、従って、システム10によって誤りのあるレオロジー特性を判断させる可能性がある。
【０１３２】
図9に例示されるように、アダプタ66は、流体流れの上流と下流とに提供可能であり、管によって相互接続されうる。
【０１３３】
管は、システム10の計測部分30を備えることが可能であるか、または計測部分30は管上に取り付け可能であってよい。
【０１３４】
いずれの場合も、測定部分30によって測定値を単に得ることに加えて、システム10は、パルス超音波流速分布技法(pulsed ultrasound velocity profiling technique)(UVP)を少なくとも使用して、本明細書で上に述べられたように、流体流れ34の少なくとも速度プロフィールを判断する機能性を達成する。この技法は、流動液体内の粒子もしくはバブルを反射する後方散乱信号の周波数シフトまたは時間領域シフトの判断に依存する。このシフトは、多数の空間位置/時間に関する空間的範囲に応じてリアルタイムで得られる。これらの測定値から、流体流れ34の瞬時の速度プロフィールが判断される。同時に測定された圧力勾配における単一の速度プロフィールから、システム10は、管の中央におけるゼロから管壁46における最大剪断速度に及ぶ剪断速度にわたって流体レオロジー特性を判断することが可能であることを理解されよう。
【０１３５】
このために、本発明のシステム10が例示される、図面の図10を参照する。計測部分30の概念ブロックに加えて、図10は、それによって、システム10に所望される機能性を提供するために、配線接続された接続を経由してまたは無線で、測定部分30のセンサおよびトランスデューサ40、42から測定信号を受信ならびに処理するための電子機器および信号処理要素80をやはり備えるシステム10を例示する(例えば、測定部分30は、測定された信号を適切な受信機に送信するための無線送信機を備えることが可能である)。一般に、電子機器および信号処理要素80ならびに計測部分30がシステム10を作り上げる。先に述べたように、要素80は、計測部分30に配置可能である。しかし、例示および説明を簡単にするために、例えば、本明細書で上に述べられたように、無線で計測部分30と通信可能に結合されているにもかかわらず、要素80が計測部分30から遠隔にある状態で、これらは別個に記述される。
【０１３６】
ある種の例示的な実施形態では、要素80は、パーソナルコンピュータ(PC)、ラップトップ、またはその他の適切なコンピューティングデバイスの中に提供される。しかし、この例示的な実施形態では、要素80は、これらのタイプのコンピューティングデバイスとインターフェースをとることが可能であるが、別個のシステム10の一部を形成する。
【０１３７】
電子機器および信号処理要素80は、計測部分30の構成要素を制御するように、ならびに、本明細書に記述されるような受信された測定値を処理するように好都合に構成される。電子機器および信号処理要素80のうちのいくつかの機能性を複数の異なる様式で達成することが可能であることを当業者は理解されよう。しかし、これは本明細書に記述される本発明の趣旨を損ねるべきではない。
【０１３８】
詳細には、システム10は、トランスデューサ40、42の1つまたは両方、詳細には、(説明を簡単にするために)トランスデューサ42から信号またはパルスを受信するためのパルス受信機ユニット82を備える。ユニット82は、マルチプレクサ84と、システム10のユーザがいくつかの異なるタイプの利得曲線を使用することができるように、ユーザによってプログラム可能なハードウェアベースの可変利得および時間利得補償(TGC)デバイス86とを備える。
【０１３９】
一実施形態では、システム10は、パルス繰り返し周波数(PRF)で一連の信号またはパルスを生み出す、図示されていない、任意の波形または信号生成器(AWG)を備える。説明を簡単にするために、信号およびパルスは同じものを指すと見なされてよい。
【０１４０】
出力信号の形状、振幅、存続期間、および周波数を制御する目的でPRF波形信号の高度な成形のために、最新式信号生成器を提供することが可能である。出力信号は、電力増幅器88によって増幅され、次いで、トランスデューサ42によって音響信号に変換される前に、送信機90と多重化ユニット84とを通過する。
【０１４１】
本明細書で、信号周波数は、好ましくは、0.1〜150MHzのメガヘルツ範囲内であり、パルス幅はパルス当たり0.5サイクルから最高で20サイクルに及び(例えば、正弦波信号)、パルス繰り返し率は、最大予測ドップラー周波数シフトの二倍を上回る(ナイキスト定理)。パルス間の「オフ」期間は、後続のパルスが送信される前に、1つのパルスからのいかなる反響およびエコーもなくなることを可能にするのに十分長い。
【０１４２】
電子機器および信号処理要素80は、トランスデューサ40、42が連続モードとパルス励起モードの両方で動作し、一般に、正弦波タイプもしくは方形波タイプの、超音波のショートバーストまたはロングバーストを生み出すことが可能であるように設計されるが、チャープなど、他の波形も本発明によって使用可能である。(流体を通した)測定軸に沿った超音波の短い放射/送信の後で、電子機器80は、受信(「聴取」)モードに切り替わる。超音波パルスが液体/流体内の小さな粒子44にぶつかるとき、超音波エネルギーの一部は粒子44上で散乱して、エコーバックする(echoes back)。エコー信号または反射信号は、ある時間遅延の後に、受信トランスデューサ42に達する。散乱粒子44が非ゼロ速度成分と共にトランスデューサ42の音響軸内に移動している場合、エコー周波数のドップラーシフトが発生して、受信信号周波数は、ドップラーシフト周波数に等しい周波数によって「ドップラーシフト」される。
【０１４３】
トランスデューサ42は、流動液体内の小さな移動する反射粒子もしくは反射バブル44から音響エネルギーまたは反射信号/反射パルスを検出する。データ獲得ブロックは、サンプル領域が隣接すること、または間隔を開けることが可能であるように、遅延反射信号を受信して、受信信号を「時間ゲーティング(time-gating)」するためのタイミング回路が使用される。選択された範囲の音響移動時間に対応する信号だけが処理のために選択される。好ましい実施形態では、複数のサンプル領域が並行して処理されるが、単一のサンプル領域だけを一度に処理することも可能である。遅延および範囲ゲートを調整して、(下で議論される)制御ソフトウェアによって判断される、1つまたは複数のサンプル領域内で周波数シフトまたは時間領域シフトを得ることが可能である。
【０１４４】
受信トランスデューサ42によって受信された音響信号または音響パルスは、時間利得補償(TGC)デバイスを備えた受信増幅器86によってバッファリングおよび増幅される電気信号に変換されることを理解されよう。好ましい実施形態では、受信RF信号は、復調およびローパスフィルタリングされて、速度推定のために周波数シフトされた信号を提供することが可能であるが、本発明のシステム10は、受信信号をハイパスフィルタリングして、例えば、壁46および管の反響によって生じるどんな低周波数信号も除去する。本発明のシステム10は、やはり、受信信号をローパスフィルタリングして、所望されない高周波成分を除去することができる。ここで、RF(無線周波数)という用語は、超音波音場内の未処理「生」データを記述するために一般に使用され、時として、この略語は電子通信アプリケーションにおけるデータの無線転送を示すためにも使用されることに留意されたい。
【０１４５】
下で議論される速度推定アルゴリズムで使用されるが、高速フーリエ変換(FFT)アルゴリズムを使用して得られたドップラーシフト周波数のスペクトルコンテンツの可視化および監視に関してもやはり使用される、各パルスから得られた生RFエコーデータが記録される。
【０１４６】
本発明の電子機器80が粒子44に反射する後方散乱信号の遅延および周波数シフトまたは時間領域シフトを測定するのに成功した場合、電子機器80は、粒子の位置と速度の両方を計算することが可能である。散乱粒子は液体の流れを追うのに十分小さいことが推定されるため、システム10は所与の空間点内の流体流れ成分を確立するように動作可能であることがやはり推定される。これにより、(下で議論される)測定された速度プロフィールの向上した精度と品質とのために同時にいくつかの異なる速度推定アルゴリズム(時間領域および周波数領域)を使用して、完全な瞬時の速度プロフィールをリアルタイムで得ることが可能である。システムは生RFデータだけを測定するが、エコーデータから判断された速度プロフィールは本システムを使用して測定されたプロフィールであることに留意されよう。好ましい実施形態は、センサ入力を有するアナログデータ獲得モジュール(例えば、アナログデジタルモジュール、DAQ)92と、測定部分30内の適切なセンサから圧力差、温度、体積流量などの測定を同時に受信するための信号調整モジュールとをさらに含む。このように、システム10は、下でさらに記述されるように、剪断応力プロフィールを判断するために使用される測定圧力損失を、速度プロフィールから得られた対応する剪断速度プロフィールと組み合わせて、レオロジー特性を判断するように構成される。
【０１４７】
加えて、システム10は、例えば、2つのトランスデューサ40、42の間で飛行時間測定値を使用して、各トランスデューサビーム軸または測定軸43に沿った流体内の瞬時の平均音速を判断するように構成される。各トランスデューサビーム軸43に沿った流体内の超音波の音響エネルギーの減衰も測定される。この情報は、例えば、測定された速度プロフィールの統合から、かつ送信時間(シングアラウンド(sing-around))差分方法によって得ることも可能な様々なサンプル領域の半径方向位置、固体濃度、および体積流量を計算するために使用される。
【０１４８】
この方法は、(本発明のように)両側に取り付けられた2つのトランスデューサを使用して、一方のトランスデューサを使用して送信して、他方のトランスデューサを使用して受信し、逆も同様であり、それにより、流体流れに伴って、かつ流体流れの方向に反して飛行時間測定値を記録することによって、移動時間差分法を使用することが可能であることを理解されよう。流速プロフィールが研究中の特定の流体であると推定される場合、体積流量を判断するためにこの情報を使用することができる。より正確な流量を得るために、速度プロフィール統合と移動時間方法の組合せを使用することが可能であることに留意されよう。
【０１４９】
システム10、詳細には、電子機器および信号処理要素80は、有利には、システム10、特に、要素80の動作を導くためのプロセッサ94を備える。電子機器および信号処理要素80は、プロセッサ94の動作を導くための、上述のような命令または制御ソフトウェアのセットを搬送する機械可読媒体、すなわち、メモリ96、例えば、プロセッサ94内、メインメモリ内、および/またはハードディスクドライブ内のメモリを含むことが可能である。プロセッサ94は、1つまたは複数のマイクロプロセッサ、コントローラ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、または任意のその他の適切なコンピューティングデバイス、リソース、ハードウェア、ソフトウェア、もしくは埋め込み式論理であってよく、あるいはそれらの組合せであってよいことを理解されたい。
【０１５０】
これらの命令は、制御ソフトウェアまたは埋め込み式制御ソフトウェアであってよい。
【０１５１】
図面の図11を参照すると、プロセッサ94は、一般に、プロセッサ94によって実行されることになる機能タスクに対応する、1つまたは複数のモジュールを備える。この点で、本明細書の文脈で「モジュール」は、特定の機能、動作、処理、もしくは手順を達成するためのコードの識別可能な部分、計算命令もしくは実行命令、データ、または計算オブジェクトを含むことを理解されよう。当然、モジュールはソフトウェア内で実施されなくてよく、(さらに議論されない)他の例示的な実施形態では、モジュールは、ソフトウェア内、ハードウェア内、またはソフトウェアとハードウェアの組合せ内で実施可能であることになる。さらに、モジュールは、必ずしも1つのシステム内に統合される必要はなく、複数のシステム全体に分散されてよい。
【０１５２】
個別の構成要素として提供され、そういうものとして記述される電子機器および信号処理要素80の一部の構成要素の代わりに、またはそれらに加えて、プロセッサ94は、本明細書で上に記述されたコードモジュールなどの構成要素のうちのいくつか、例えば、本明細書に記述される様々なフィルタを備えることも可能であることにさらに留意されよう。
【０１５３】
いずれの場合も、プロセッサ94は、1つまたは複数の速度判断アルゴリズムを受信反射信号、または受信反射信号を示すデータに適用して、管内の流体流れ34の速度プロフィールを判断するように構成された速度推定モジュール98を備える。速度推定モジュール98は、複数の速度判断アルゴリズムを同時に適用して、速度プロフィールを判断するように構成可能である。速度判断アルゴリズムは、測定された速度プロフィール(スペクトル情報および速度推定)の向上した精度と品質とのために実質的に同時に適用される時間領域アルゴリズムおよび周波数領域アルゴリズムであってよい。
【０１５４】
帰還エコー信号/サンプルエコー信号からの流動流体の速度プロフィールを判断または推定すること、例えば、バーグアルゴリズムおよび複素FFT方法が知られている。バーグアルゴリズム(自己回帰方法)は、より少ない分散を有するパワースペクトル(ドップラー周波数推定におけるより高い精度)を提供する。しかし、完全なスペクトルプロフィールが考慮されるとき、FFTはドップラー信号の詳細なスペクトル解析に関して使用可能であるため、両方の方法に対するアクセスを有することが理想的である。
【０１５５】
広いスペクトル拡散と低い信号対雑音比とを有する信号から正確なドップラー周波数を判断することは非常に複雑な場合があり、したがって、科学者は常に代替の信号処理技法に関心がある。時間領域信号処理技法は、標準FFT方法と比較したとき、広い範囲の信号対雑音比をより良好に実行することが分かっている。
【０１５６】
時間領域アルゴリズムは、(i)ベースバンド信号の自己相関技法を用いる位相シフト推定と、(ii)RF信号の相互相関を頻繁に使用して、流体媒質34内の散乱体44の動きを追跡する時間シフト推定とに分離可能である。いずれの場合も、2つのアルゴリズム、すなわち、スペクトル解析に関するFFT方法、およびピーク周波数に関するバーグ自己回帰方法アルゴリズムの可用性が理想的であることを理解されよう。
【０１５７】
受信反射信号は、モジュール94による処理のために好都合にデジタル化される。また、モジュール94は、ドップラーシフト周波数または時間遅延を検出するためのアルゴリズムを適用するように好都合に構成され、これらはスペクトル(FFT)アルゴリズムと時間領域アルゴリズムとに分割可能であることを理解されよう。
【０１５８】
電子機器および信号処理要素80は、信号品質および利得増幅レベルの増大した制御、信号アーティファクトの検出、ならびにエイリアシング現象の補正を可能にするために、トランスデューサ40および42からの「生データ」に対する直接アクセスを好都合に有する。
【０１５９】
いずれの場合も、上述のように、モジュール94は、オプションで、システム10のユーザによって選択可能な、時間領域内または周波数領域内の流体流れ34の速度プロフィールを判断するように構成される。複素ドップラー信号は、
f(t)=I(t)+iQ(t)
(式1)
によって与えられ、式中、I(t)およびQ(t)は、それぞれ、同相信号成分および正相信号成分である。ドップラー信号のフーリエ変換は、
【０１６０】
【数１】
0005972373.tif 000003
【０１６１】
のように計算され、パワースペクトルS(ω)は以下によって与えられる:
【０１６２】
【数２】
0005972373.tif 000004
【０１６３】
周波数領域アルゴリズムを実施するモジュール94は、同相(I)および正相(Q)のエコーデータ(生データ)から構築される複素エコー信号(反射信号)のパワースペクトルの推定を判断するバーグアルゴリズム、すなわち、パラメータスペクトル推定方法を実施するように構成される。最大電力点すなわちピークに対応するドップラー周波数は、速度推定のためにモジュール94によって選択され、以下によって計算される:
【０１６４】
【数３】
0005972373.tif 000005
【０１６５】
モジュール94によって適用される時間領域アルゴリズムは、(例えば、Barber、W.D.、Eberhard、J.W.&Karr、S.G.1985年。A New Time Domain Technique for Velocity Measurements Using Doppler Ultrasound. IEEE Transactions on Biomedical Engineering、BME-32(3): 213-229からの)複素実験ドップラー信号(complex experimental Doppler signal)の測定されたI成分およびQ成分に関してドップラー周波数シフトを判断する:
【０１６６】
【数４】
0005972373.tif 000006
【０１６７】
この手法は、ゆっくりと変化する期間から急速に変化する期間を分離する瞬時の位相変化率に関する式に基づく。この技法は、時間領域内の信号処理だけに依存し、これは、有利には、旧来のFFT手法に対して、この技法を実施するのをかなり簡素化する。
【０１６８】
当然、いくつかの速度推定アルゴリズム(時間領域および周波数領域)を同時に使用することによって、モジュール94は、有利には、測定された速度プロフィールの向上した精度と品質とを提供することになる。
【０１６９】
速度推定モジュール94によって判断される速度プロフィールは、一般に、有限サンプル体積特性および固体境界または壁材料層を通じた伝搬の影響の結果として、十分正確に知られていない。これは、管の遅延線材料、フロントプレート、または壁でありうることを理解されよう。
【０１７０】
図12を参照すると、サンプル体積104は、ティアドロップ形またはドロップ形のジオメトリを有する。短い駆動パルスの場合、電気パルスに続く、トランスデューサ40リンギング相による徐々の衰退(格納エネルギーの指数関数的減衰)が終わるまで、超音波強度は指数関数的に増大する。サンプル体積104の音場特性は、超音波トランスデューサ40焦点特性、流動媒質内の音波散乱体44、および受信機回路の感度によって判断される。トランスデューサ40によって送信される音響信号は、音響バーストであり、音響強度の三次元領域であり、この領域を通過して流れるいかなる粒子も、第2のトランスデューサ42によって検出されるドップラー信号を生み出す。
【０１７１】
異なる速度で流れる複数の散乱体44が実際の環境に存在するため、受信信号はすべての移動する粒子44のドップラーシフトを含む周波数のスペクトルである。このスペクトル広がりの結果は、速度勾配が高い、小さなチューブ/管内で、速度プロフィールはかなり歪むということである。この歪みは、サンプル体積104にわたって発生する平均化によって引き起こされる。測定された速度は、測定量の関連する強度分布によって重み付けされた、サンプル体積104内の速度の平均に比例すると仮定する。数学的に、測定された速度プロフィールを(例えば、Jorgensen、J.E.、Campau、D.N.&Baker、D.W.1973年。Physical characteristics and mathematical modelling of the pulsed ultrasonic flowmeter. Medical and Biological Engineering、11(4):404-421からの)サンプル体積強度関数を有する、実際の速度プロフィールの三次元重畳として表現することができる:
【０１７２】
【数５】
0005972373.tif 000007
【０１７３】
式中、rは範囲変数(超音波伝搬の経路に沿った距離)である。
【０１７４】
サンプル体積104が一次元、すなわち、その長さだけを有し、超音波ビーム軸43に沿った音響強度によって特徴づけられると仮定することによって、重畳手順を大幅に簡素化することができる。サンプル体積の長さは、その最大寸法であるとともに、重畳の方向と一致するため、かつその強度はビーム中央で最大であるため、これらの仮定は合理的であろう(Jorgensen、J.E. &Garbini、J.L. 1974年。An Analytical Procedure of Calibration for the Pulsed Ultrasonic Doppler Flow meter. Journal of Fluids Engineering、96:158-167)。その場合、式6は、一次元重畳に縮小する。
【０１７５】
【数６】
0005972373.tif 000008
【０１７６】
測定されたプロフィールを計算するもう1つの様式は、2つの関数の重畳(*)のフーリエ変換が2つのフーリエ変換の積に等しい、すなわち、
【０１７７】
【数７】
0005972373.tif 000009
【０１７８】
と述べる時間重畳定理を適用することによるものであり、式中、
【０１７９】
【数８】
0005972373.tif 000010
【０１８０】
は、フーリエ変換演算子であり、F1(w)およびF2(w)は、それぞれ、f1(t)およびf2(t)のフーリエ変換である。いくらか追加の変換の後で、逆重畳プロセス
【０１８１】
【数９】
0005972373.tif 000011
【０１８２】
を使用して、実際の、すなわち「真の」速度プロフィールを計算することができ、式中、kは、空間座標の逆次元を有する(Flaud、P.、Bensalah、A.&Peronneau、P.1997年。Deconvolution process in measurement of arterial velocity profiles via an ultrasonic pulsed Doppler velocimeter for evaluation of the wall shear rate. Ultrasound in Medicine&Biology、23(3):425-436)。
【０１８３】
上記に照らして、プロセッサ94は、有利には、逆重畳アルゴリズムを速度推定モジュール98によって判断された速度プロフィールに適用して、管内の流体流れ34の重畳速度プロフィールすなわち真の速度プロフィールを判断して、それにより、先に判断された速度プロフィールのサンプリング量特性の有限サイズによって引き起こされる、誤りのある速度データが補正されるように構成された逆重畳モジュール100を備える。
【０１８４】
次に、モジュール100によって適用される逆重畳アルゴリズムの概念的なプロセス流れ図が参照番号110によって示される図14をやはり参照する。第1に、モジュール100は、速度推定モジュール98によって判断された速度プロフィールに続き、音速パラメータおよび波形形状を受信して、メモリ96内に記憶するように構成される。
【０１８５】
音速パラメータは、有利には、音速計算モジュール103によって判断される。音速パラメータは、(2つの反対に取り付けられたトランスデューサ40、42を使用して測定された)流体媒質内で送信された音波の速度である。音速値は、サンプル体積の長さを速度=距離/時間として判断するために使用される。サンプル体積(すなわち、波形)は、例えば、時間に応じてオシロスコープ上で測定され、したがって、その後の計算を簡単にするために、(速度プロフィールは半径方向距離の関数であるため)サンプル体積が測定される時間軸を距離に変換する必要がある。
【０１８６】
他方で、波形形状は、実際の測定信号、すなわち、正弦波信号である。サンプル窓は、波形形状のエンベロープを判断し、次いで、サンプル窓を正規化することによって、波形形状から判断される。
【０１８７】
次に、モジュール100によって使用される、測定された波形(サンプリング量)から構築されるサンプリング窓106(波形形状のエンベロープ)を示す図13を参照する。
【０１８８】
「サンプル窓」は、「サンプル体積」(3D形状)ではなく、(図13に示される)2D波形測定のエンベロープであることを理解されよう。窓が管壁境界を出入りするにつれて、サンプル窓の領域が(積分によって)判断され、したがって、窓全体が流域内部に位置しないため、入場時および退去時の窓の領域は一定でないことになる。すなわち、波形形状は、1つのトランスデューサによって送信された(反対側のトランスデューサによって受信された、またはその逆の)超音波信号の単なるエンベロープである。「サンプル体積」は、流体媒質内に送信される物理的圧力波パルスを記述するために使用される用語であり、すなわち、「サンプル体積」は、実際には、3D「ティアドロップ」形(図12を参照されたい)を形成するために、その横軸の周りを回転する、測定された波形形状のエンベロープ(図13を参照されたい)である。
【０１８９】
余談として、窓106は、サンプル体積軸上にある指数関数的な増大および強度の減衰のエンベロープによって記述されることを理解されよう。システムは、逆重畳に関して使用されるサンプル窓、すなわちメートル単位の窓の実際の長さ、ならびに(例えば、オシロスコープまたはその他の手段を使用して、電圧と時間の関係の形で測定される)測定された波形形状の正規化されたエンベロープを判断する。
【０１９０】
サンプリング窓106の形状および長さは、逆重畳モジュール100によって実施された逆重畳手順の結果を著しく制御し、すなわち、いずれのエラーも、大量の雑音および歪みを含む逆重畳プロフィールをもたらすことになる。逆重畳された速度プロフィールの大きさは、やはり、サンプリング窓106の形状および領域全体に特に敏感である。したがって、媒体内の音速、特定の試験流体の温度、密度、ならびに減衰特性に従って、窓の形状および長さは変化するため、記述された、サンプリング窓106を連続的に監視する技法は特に重要である。
【０１９１】
連続的なサンプリング窓106に関して明瞭にするために、1つのトランスデューサ40は流体媒質内で波動を送信し、反対側のトランスデューサ42は処理のためにデジタル記録された波形を受信することに留意されよう。これは、両方向で連続的に監視可能である(トランスデューサ42が送信し、トランスデューサ40が受信する)。
【０１９２】
いずれの場合も、電子要素80、またはプロセッサ94は、有限サンプリング窓の重畳および管内またはその他のジオメトリ内の真の流れプロフィールによって引き起こされる、誤りのある速度データを補正するために、モジュール100が逆重畳アルゴリズムを実施する前に、波形またはサンプリング窓106を正規化するように構成される。
【０１９３】
詳細には、測定された波形形状のエンベロープ(サンプル窓)を検出して、サンプル窓上のすべてのサンプル点をサンプル窓の最大強度値で除算することによって、測定された波形形状から正規化されたサンプリング窓が判断される。
【０１９４】
次いで、時間軸を測定された音速パラメータで乗算することによって、サンプル窓の長さが判断される。
【０１９５】
次いで、サンプルの数がサンプル窓の正確な距離と、記憶された速度プロフィールの半径方向距離とに対応するように、記録された速度プロフィールおよび判断されたサンプル窓がリサンプルされる。
【０１９６】
いずれの場合も、モジュール100は、ブロック112で、(111として例示される)測定された速度プロフィールまたはドップラープロフィールを流場内のサンプリング窓106の積分で乗算して、一次モデル仮定内の正規化関数を明らかにし、それによって、第1の乗算の積を得るように構成される。これが一定値でないのは、入場時および退出時に、サンプリング窓106の一部だけが流場内に含まれるためである。説明を簡潔にするために、「流場」は、サンプル窓が管径を通過してトランスデューサから移動するにつれて、管径を渡る流れであることを理解されよう。サンプル窓は、当初、流域内に完全に含まれておらず、窓が流域の反対側を退去するときも同様であり、窓はトランスデューサ表面から管径を通過して移動し、同じように退去することになる。
【０１９７】
モジュール100は、次いで、ブロック114で、高速フーリエ変換(FFT)アルゴリズム、詳細には、離散フーリエ変換(DFT)を第1の乗算の積に適用して、第1のFFT結果を得るように構成される。モジュール100は、ブロック116で、FFTアルゴリズムをサンプル窓/サンプル体積106に適用して、第2のFFT結果を得るようにやはり構成される。
【０１９８】
次いで、モジュール100は、ブロック118で、第1のFFT結果を第2のFFT結果で除算して、第1の除算の商を得るように好都合に構成される。
【０１９９】
これを、オプションで、上述のリサンプリングごとに、上に記述され、例示されたように繰り返すことが可能である。
【０２００】
モジュール100は、ブロック120で、(121として例示される)ローパスフィルタを第1の除算の商に適用して、ローパスフィルリングされた第1の除算の商を得るようにやはり構成される。このように、詳細な流れ解析のために最終的な逆重畳プロフィールが使用される前に、不要な雑音はデジタルローパスフィルタで除去される。オプションで、さらなる計算のために、未処理のプロフィールまたはデータを使用することも可能であることに留意されよう。
【０２０１】
モジュール100は、ブロック122で、逆FFT(IFFT)をローパスフィルタリングされた第1の除算の商に適用して、ブロック124で、逆重畳された速度プロフィールを得るようにやはり構成される。不要な雑音を除去して、データの品質を向上させるために、ブロック125で、平滑化フィルタが適用され、結果として生じる逆重畳された速度プロフィールがブロック126で例示される。
【０２０２】
モジュール100は、ブロック108で、本明細書で上に記述されたように、サンプル体積106を計算するようにやはり好都合に構成される。
【０２０３】
有利には、モジュール100によって実行される逆重畳ステップは、測定されたプロフィール、ならびにサンプリング窓の長さおよび形状の情報だけを必要とする。真の速度プロフィールの性質の事前知識は何も必要とされない。
【０２０４】
逆重畳された速度プロフィールおよび判断された速度プロフィール、ならびにセンサからの測定値を用いて、システム10は、管内の流体流れ34の特性を好都合に判断することができる。このために、システム10、一般に、プロセッサ94は、センサ60、および64から受信された入力、ならびに判断された速度プロフィール、および逆重畳された速度プロフィールを使用することによって、流体流れ34の流体特性、レオロジーパラメータなどを少なくとも判断するステップを行うように構成された流体特性化モジュール102を備える。
【０２０５】
流体特性化モジュール102は、圧力センサ60からの圧力差の測定と実質的に同時に剪断速度分布を判断するように構成可能である。詳細には、流体特性化モジュール102は、逆重畳された速度プロフィールと組み合わせて、圧力センサ60からの圧力差を使用して、剪断粘度とレオロジーモデルパラメータとを判断するように構成可能である。
【０２０６】
流体特性化モジュール102は、判断された速度プロフィールと測定された圧力差とをレオロジーモデルに非線形に当てはめることによって剪断粘度とレオロジーモデルパラメータとを判断するように構成可能である。あるいは、好ましくは、流体特性化モジュール102は、勾配方法として知られている、非モデル手段を使用して、例えば、三次スプライン補間または多項式モデル当てはめの後に数値微分を続けることによって、判断された速度プロフィールの速度勾配から剪断速度分布を判断し、オプションで、管の壁46における剪断応力を判断するように構成可能である。
【０２０７】
いずれの場合も、モジュール102は、管の直径としても知られる固定距離にわたって圧力損失から壁における剪断応力(したがって、やはり、分布)を判断するように構成可能であることを理解されよう。
【０２０８】
他方で、剪断速度分布は、2つの様式でモジュール102によって判断可能であることを理解されよう。1)半径に応じた管内の速度分布を記述する数学的モデルがよく知られており、(冪法則、Bingham、Herschel-Bulkleyなど)この数学的モデルを導出することができる。これにより、上で判断された逆重畳された速度プロフィールをそのようなモデルに当てはめることができる。
【０２０９】
あるいは、2)逆重畳されたプロフィールを記述するために、(多項式、冪、三次スプラインなど)若干放物型の形状を記述することが可能な任意のその他の数学方式をモジュール102によって使用することが可能である。しかし、例えば、上位多項式およびスプラインに関する主な問題は、これらは、(よくあることだが)データが雑音を含む場合、逆重畳されたプロフィールの不正確な記述をもたらす変動を起こす傾向にあることである。モジュール102は、したがって、有利には、例えば、記述された変動を除去して、逆重畳されたプロフィールの真の数学的表現をもたらす平滑化フィルタを必要とする別の手順を使用する。
【０２１０】
速度分布の第1の微分は剪断速度であり、したがって、それは、モデル当てはめ手順、または、非モデル手法、例えば、三次スプライン補間もしくは多項式モデル当てはめの後に数値微分を続けて使用して、直接的に速度プロフィールから取得可能である。モデル当てはめ手順を省略することが可能であり、したがって、剪断速度を直接数値微分によって得ることが可能であることにやはり留意されたい。
【０２１１】
剪断粘度は、剪断速度分布に対する剪断応力の商から得られる。
【０２１２】
判断された速度プロフィールと測定された圧力差とをレオロジーモデルに非線形に当てはめることによって、レオロジーモデルパラメータを得ることができる。
【０２１３】
システム10は、判断された情報および/または測定された情報をユーザに提供するための入出力ユーザインターフェース87を備えることが可能であるか、または流体特性化モジュール102は、入出力ユーザインターフェース87と相互作用するように好都合に構成される。ユーザインターフェース87は、例えば、ディスプレイデバイス(例えば、LCD(液晶ディスプレイ)スクリーン、LED(発光ダイオード)スクリーン、CRT(陰極線管)スクリーンなど)によって、システム10から情報を受信して、情報をユーザに提供するためのラップトップ、PC(パーソナルコンピュータ)、または適切なコンピューティングデバイスを備えることが可能である。ユーザ入力は、ユーザから入力を受信するためのキーボード、マウス、タッチスクリーンなどを備えることが可能である。情報は、一般的に、ユーザインターフェース87によって表示可能な適切なグラフィカルユーザインターフェース(GUI)またはHMI(ヒューマンマシンインターフェース)によってユーザに提供されうる。
【０２１４】
モジュール102は、ユーザインターフェース87によって、判断された速度プロフィール、逆重畳された速度プロフィール、圧力測定値、および温度測定値を視覚的フォーマットでユーザに表示するように構成可能であることを理解されよう。ある種の例示的な実施形態では、モジュール102は、ユーザに表示するために判断された速度プロフィール、逆重畳された速度プロフィール、圧力測定値、および温度測定値を示すグラフを生成するように構成される。モジュール102は、当該管内を流れる流体の特性を可視化するためのモデルを生成することも可能である。
【０２１５】
システム10、詳細には、電子機器および信号処理要素80は、伝送波形(パルス波)に対して調整可能な時間窓内の受信反射信号の部分を通過して、それによって、周波数シフトサンプル信号を生み出して、流体流れの領域に関連する周波数シフト、時間遅延、または位相遅延を判断するための動作を実行するためにフィルタリングされること、および復調されることが可能なゲート受信信号を提供するための手段を備えることが可能であることを理解されよう。
【０２１６】
プロセッサ94は、それぞれのサンプリング量内の局所速度を判断して、各測定軸、測定線に沿った時間または距離に応じて瞬時の速度分布を計算するために時間窓を調整するように構成可能である。
【０２１７】
プロセッサ94は、1つまたは複数の剪断依存粘性と流体流れのモデルパラメータとを判断し、剪断速度と剪断応力分布とを計算するように構成可能である。
【０２１８】
本明細書で説明されたシステムは、速度プロフィールを判断すること、したがってまた、完全に構築された、安定した層流内のレオロジーパラメータだけでなく、レイノルズ数が2300を超える中間流内および乱流内のレオロジーパラメータも判断することが可能であることを理解されよう。
【０２１９】
次に、図15および図16を参照して、例示的な実施形態がさらに記述される。図15および図16に示される例示的な方法が図1から図14を参照して記述されるが、これらの例示的な方法はその他のシステム(例示されず)にも同様に適用可能でありうることを理解されたい。
【０２２０】
管内を流れる流体を特性化するための方法の流れ図が参照番号130によって、一般に示される、図面の図15をまず参照する。方法130は、一般に、管内の流体の流体特性を知り、視覚化することが望まれる、(例えば、液体、乳液、懸濁液、汚泥などの)流体を含む管網を備える工業用処理工場で実行される。
【０２２１】
方法130は、ブロック132で、第1の遅延線トランスデューサ40によって、流体流れ34内に高周波信号を放射するステップを含む。
【０２２２】
次いで、方法130は、ブロック134で、第2の遅延線トランスデューサ42によって、流体流れ34内の測定軸43に沿って反射信号を受信するステップを含む。
【０２２３】
方法130は、ブロック136で、速度推定モジュール98によって、1つまたは複数の速度判断アルゴリズムを受信された反射信号に適用して、本明細書で上に記述されたような形で研究中/解析中の管内の流体流れ34の速度プロフィールを判断するステップを含む。
【０２２４】
次いで、方法130は、有利には、ブロック138で、モジュール100によって、逆重畳アルゴリズムを判断された速度プロフィールに適用して、実質的に、先に記述されたような様式で管内の流体流れの逆重畳された速度プロフィールを判断するステップを含む。
【０２２５】
方法130は、ブロック139で、本明細書で上に述べられたように、圧力を判断および記録するステップを含む。
【０２２６】
次いで、方法130は、ブロック140で、流体特性化モジュール102によって、上に記述された、判断された速度プロフィールおよび/または逆重畳された速度プロフィールを使用することによって、流体流路を定義する手段内を流れる流体の流体流れ特性を判断するステップを含む。
【０２２７】
次に、ある例示的な実施形態による方法の別の流れ図が一般に参照番号150によって示される図面の図16を参照する。
【０２２８】
方法150は、自動化方法であり、一般に、リアルタイムで実行される。PCとインターフェースをとるデジタルデータ獲得デバイス92を使用して、実験パラメータ(RFエコーデータ、音速、圧力、温度、流量、パルス波形、減衰)が記録される。先に記述されたように、本発明は、時間アルゴリズムと周波数領域アルゴリズムとを使用して、速度を推定することができる。速度推定アルゴリズムにおいてだけでなく、速度測定の向上した品質制御に関するドップラーシフト周波数のスペクトルコンテンツを可視化および監視するためにも使用される、各パルスから得られた生のRFエコーデータが記録される。エイリアシングによって引き起こされたエラーは、(例えば、プロセッサ94によって)エラー補正ソフトウェアを測定されたデータに適用することによって、やはり補正することができる。
【０２２９】
これは、UVP技法が大きな流体深度を通して、高い流速で測定する必要がある(下で議論される)開水路流アプリケーションにとって特に重要である。UVP技法がこの点で二重制限を受けるのは、開水路内のより高い流速がより高い流体深度またはより大きな侵入深度を同時にもたらすためである。
【０２３０】
データ獲得の後で、本発明のGUIを介してユーザによって選択可能な(特異値分解、有限インパルス応答、無限インパルス応答、および移動平均フィルタなど)様々な平滑化フィルタを適用することによって、測定されたデータの品質を向上させることができる。市販のUVP計器は、通常、一般に、ハードウェア内または計器のDSP内に組み込まれた1つの単純なローパスフィルタを用いる。アプリケーションに応じて、これは、雑音のある不良品質のデータをもたらす可能性があり、これは、プロフィール測定、そして最終的には、UVP+PD方法を使用して判断されたレオロジーパラメータにかなりのエラーをもたらす可能性がある。GUIを介して異なるフィルタにアクセスすることは、ユーザが、特定のアプリケーションに関して最良に動作するカスタムフィルタを選択することによって、記録されたデータの品質を最大化するのを可能にする。
【０２３１】
速度プロフィールがソフトウェアによって計算および可視化された後で、壁近傍の速度データおよび勾配を補正して、(積分による)流量ならびにレオロジーパラメータを正確に計算するために、逆重畳手順が適用される。実験パラメータ(圧力、RFエコーデータ、速度プロフィール)の精度と品質とが許容可能レベルになることが確定された後で、レオロジーパラメータ、体積流量、ならびに、減衰特性および固体濃度など、その他のパラメータが従来の様式でモジュール102によって計算される。固体濃度は、例えば、当該流体媒質内の音速パラメータを連続的に監視することによって監視される。他方で、減衰は、波形形状(電圧と時間との関係)を記録して、波形形状のエネルギー(すなわち、電圧)の大きさを監視することによって監視される。ユーザは、(冪法則、Binghamモデル、Herschel-Bulkleyモデル、Siskoモデル、Cassonモデル、Crossモデル、Ellisモデル、Carreauモデル、または類似のモデルなど)様々なモデル当てはめ技法およびレオロジーモデルに対するアクセスを有する。
【０２３２】
剪断粘度およびレオロジーモデルパラメータを2つの様式で、すなわち、上に記述されたように、測定された速度プロフィールと圧力損失データとを適切なレオロジーモデルに非線形に当てはめることから得ること、または非モデル手法を使用して、速度プロフィールと圧力損失とから直接的に得ることが可能である。本発明は、モジュール102によって、流体系の流動挙動の「先験的な」知識を必要としないという利点を有する後者の手法を主に使用する。本発明は、遅延線トランスデューサ40、42に加えて、逆重畳を使用して得ることが可能な、高空間解像度および高データ品質を必要とするという欠点をやはり有する。
【０２３３】
一実施形態では、次いで、例えば、直接数値微分によって、または三次スプライン補間もしくは多項式モデル当てはめの後に数値微分を続けることによって、獲得された速度プロフィールの速度勾配から剪断速度分布が直接的に判断される。好ましい実施形態では、平滑化フィルタを測定された、逆重畳された速度プロフィールに適用して、剪断速度分布、剪断粘度および/またはレオロジーパラメータを判断するステップに先立って、各点に関して平滑値を判断する。この手法の主な利点は、通常、(例えば、移動平均のように)他の隣接平均化技法(adjacent averaging techniques)によって「扁平にされる」、相対的な最大値、最小値、および幅など、分布の特徴を維持することである。
【０２３４】
上述の非モデル手法の主なステップを以下のように要約することができる。
1.速度プロフィールおよび音速を記録する
2.適切な平滑化フィルタを適用して、速度の品質プロフィールデータを向上させる
3.必要に応じて、逆重畳手順を適用する
4.速度プロフィールに対して三次スプライン補間または多項式モデル当てはめを実行する(これはオプションのステップである)
5.速度勾配(剪断速度分布)を得るステップに先立って、最新式Savitzky-Golay平滑化フィルタを判断された速度プロフィールおよび/または逆重畳された速度プロフィールに適用する
6.数値微分を処理された速度プロフィールに適用する
7.最大剪断速度および最大剪断速度分布を計算する
【０２３５】
非モデル当てはめ技法は、UVP+PD方法を使用して判断されたインラインレオロジーパラメータの精度全体を高める。
【０２３６】
これらの解説は、下に記述されるUVP+FD方法にも実質的に当てはまる。
【０２３７】
次に、非ニュートン開水路流(non-Newtonian open channel flow)内のインラインレオロジーに関して必要とされる、システム、詳細には、その計測部分の別の例示的な実施形態または構成が一般に参照番号200によって示される図17を参照する。
【０２３８】
測定部分200は測定部分30に類似し、類似の部品は同じ参照番号によって参照される。
【０２３９】
水路202内の開水路流の場合、まさに管流(上に記述されたUVP+PD方法)に関するように、当てはめ論理モデルを実験データに当てはめることによってレオロジーパラメータを確定することが可能である。水路または開水路の中央、および層流内の対応する流体深度/流体高さにおける1つの速度プロフィール測定値だけが必要とされる。この方法は、本明細書で上に記述された遅延線トランスデューサ技法、ならびに、本明細書で上に記述された同じ電子機器および信号処理要素をやはり使用する。
【０２４０】
第1のトランスデューサおよび第2のトランスデューサ40、42が水路または開水路202の底部中央面204で温度センサ64と並んで設置される。センサと流体レベルとの間の距離を測定し、それによって、水路202の流体深度を測定することができる流体深度測定センサ206がトランスデューサ40、42の上位に設置される。次いで、総較正距離から測定距離を単に減算することによって、センサ206の表面が較正された距離と流体レベルとの間の総距離が判断されることを理解されよう。
【０２４１】
センサ206は、一般に、空中で正確に動作するように構成された従来の超音波センサまたは赤外線距離センサである。流体深度は実験データへのモデル当てはめによって判断されるレオロジーパラメータにかなり影響を及ぼす可能性があるため、このパラメータは非常に正確に測定される必要があることを理解されよう。第1のトランスデューサ40は、測定軸43に沿って超音波トランスデューサ40の表面と流動液界面/空気界面208との間を往来する超音波パルスの飛行時間を記録することによって音速を測定するために、例えば、主要流体流れ34に対して90度に交差するように設置される。液界面/空気界面208は、超音波トランスデューサ40に向かって良好なエコーを提供する、大きな音響インピーダンスを有する。しかし、この構成は、超音波が流体流れ深度距離の二倍移動しなければならないという欠点を有し、これは、減衰流体に問題を生じさせる可能性がある。この点で、管流内の音速速度の測定システムおよび方法(上に記述されたUVP+PD)は、2つのトランスデューサ40および42が測定軸45に沿って互いと反対側に取り付けられ、一方のトランスデューサが送信し、他方のトランスデューサが受信するため、この欠点がないことを理解されよう。音速測定のために1つのトランスデューサを放射および受信モードで使用することによって、前述の欠点を除去することが可能であることにも留意されたい。
【０２４２】
トランスデューサ40は、送信モード/放射モード、ならびに受信モードで動作して、流速34内に超音波信号を放射し、それに応じて、反射信号を受信することを理解されよう。
【０２４３】
オプションで、やはり送受信モードで動作するように構成された、もう1つのトランスデューサ42は、水路流れ部分の全域で瞬時の速度プロフィールを測定するための角度に設置することが可能である。空気界面からの複数の反射により、測定軸の液界面/空気界面に近接する速度データは歪むが、これはいずれのUVP計器またはUVPアプリケーションにおいても固有である。管流内では、直管の対称的ジオメトリにより、測定線の全域のプロフィールの半分だけが必要とされるため、これは問題にならない。水路202内の流動挙動は、流体深度すなわち測定軸47にわたって非対称であり、したがって、補間など、信号処理技法を適用することによって、液界面/空気界面に近接する速度データを補正する必要がある。
【０２４４】
図18を参照すると、参照される補正は、液界面/空気界面300の領域における速度規模の増大および減少を補正するためであることに留意されよう。この領域300に関連するデータは廃棄され、この領域のこれらの「欠けた」点は、液界面/空気界面の前で測定されたプロフィール、ならびに液界面/空気界面の後でプロットされた虚のプロフィール(imaginary profile)を通して補間することによって補正される。記録された虚のプロフィールは、空気界面からの複数の超音波反射(高い音響インピーダンス)により発生する。この効果は、反射波効果として知られている。
【０２４５】
いずれの場合も、計測部分200によって得られた測定値は、本明細書で上に記述されたUVP+PD要素を応用せずに、本明細書で上に記述されたのと類似の形で電子機器および信号処理要素80によって好都合に使用可能である。
【０２４６】
本発明は、インライン流体可視化およびレオロジー特性化が可能な、好都合な独立型UVP+PDシステムを提供する。本発明は、複数のトランスデューサの対と共に使用可能であり、それによって、いくつかの測定線に沿った測定を可能にし、これは、流れの対称性を監視するのを可能にするが、また、逆重畳手順と組み合わせて、これは、有限サンプルまたは材料境界層を交差する体積を測定することによって発生する、歪んだ速度データを補正する。トランスデューサは、管の内径と同一平面に設置されて、このセットアップを工業処理制御および監視に関して理想的にする。壁管に近接して高い精度で管流内の速度プロフィールを判断するための機能性を有することは、正確な流体特性化にとって重要なため、この機能性も有利である。
【０２４７】
互いの反対方向に設置された2つのトランスデューサを使用することによって、媒体内の音速および超音波減衰など、流れ特性をインラインで監視することも可能である。さらに、本発明は、有利には、流動挙動、レオロジーパラメータ、音速、SFC、流体減衰特性、ならびに固体濃度勾配など、測定値の向上した品質と精度とに関する、いくつかの異なるアルゴリズム(時間領域および周波数領域)、様々な平滑化フィルタおよびウォールフィルタ、ならびに最新式モデル当てはめ技法を使用して、速度プロフィールを推定することが可能である。
【０２４８】
本明細書で上に記述された遅延線トランスデューサは、工業利用において一般に見出される大きな管径にわたって侵入することができる音響パルスを提供し、同時に、ビーム/パルスの形状(測定量)を維持する。これらのトランスデューサはさらに、トランスデューサ前面から直接的に、かつ壁近傍層内で初めて正確な速度測定を可能にする。
【０２４９】
加えて、本発明は、半径方向速度プロフィール、および、インライン直結した降伏応力など、レオロジー特性のリアルタイム測定を可能にするシステムならびに方法を提供する。本発明は、市販のプロセス流量計およびオフライン計器と比べて、小さなセンサ寸法を有し、比較的低コストで、非侵襲的であり、不透明な濃縮された懸濁液に適用可能であるという点で利点を有する。
【０２５０】
本発明は、リアルタイムデータ処理のためのシステムおよび方法をやはり提供し、異なるフォーマットまたは仕様、例えば、粘度と剪断速度との関係、剪断応力と剪断速度との関係、log-logスケール(log-log scales)などで提示可能な瞬時の結果を表示することが可能である。さらに、現在の市販のUVP計器は、通常、デジタル信号プロセッサ(DSP)に一体化された1つのアルゴリズムを使用して、超音波ビーム軸の全域で速度を推定することだけが可能である。既存のシステムは、雑音のあるデータおよび誤った速度推定をもたらす、測定の間の低い信号対雑音比またはその他のアーティファクトによって引き起こされる雑音を削減するために、簡単な標準フィルタをやはり用いる。本発明およびソフトウェアは、オプションで、データ品質、ならびに精度全体を改善するために、ユーザによって選択可能な異なる速度推定アルゴリズム(時間領域および周波数領域)間、ならびに異なるフィルタ間で切り替えが可能である。
【符号の説明】
【０２５１】
10  システム、液体の可視化および特性化システム
12  管、その他の手段
14  システム
16  トランスデューサ
18  壁近傍領域、壁界面
20  管
22  キャビティ
30  計測部分、測定部分
32  ハウジング
34  流体流路、流路、流速
36  第1のトランスデューサポート
38  第2のトランスデューサポート
40  第1の遅延線トランスデューサ、第1のトランスデューサ、超音波トランスデューサ、トランスデューサ、遅延線トランスデューサ、管流量測定トランスデューサ
41  遅延線、遅延線材料
42  受信機、第2の遅延線トランスデューサ、第2のトランスデューサ、トランスデューサ、受信トランスデューサ、遅延線トランスデューサ、管流量測定トランスデューサ
43  測定ライン、ビーム軸、トランスデューサビーム軸または測定軸、測定軸、超音波ビーム軸、音波散乱体
44  反射物、粒子、散乱粒子、反射粒子または反射バブル、散乱体
46  管壁
48  素子
50  ハウジング
52  焦点
54  角度補償
56  トライクランプディスク、ディスク
60  差圧センサ、圧力センサ、センサ
60.1  膜
60.2  膜
62  真空管
64  温度センサ、センサ
66  圧力流アダプタ、アダプタ
67  入口ポート
68  入口流速
69  出口ポート
70  出口
72  円筒フローチャンバ
80  電子機器および信号処理要素、要素、電子機器、電子要素
82  パルス受信機ユニット、ユニット
84  マルチプレクサ、多重化ユニット
86  ハードウェアベースの可変利得および時間利得補償(TGC)デバイス、受信増幅器
87  入出力ユーザインターフェース
88  電力増幅器
90  送信機
92  アナログデジタルモジュール、デジタルデータ獲得デバイス
94  プロセッサ、モジュール
96  機械可読媒体、メモリ
98  速度推定モジュール
100  逆重畳モジュール、モジュール
102  流体特性化モジュール、モジュール
103  音速計算モジュール
104  サンプル体積
106  サンプリング窓、窓、サンプル体積
130  方法
200  測定部分
202  水路、開水路
204  底部中央面
206  流体深度測定センサ、センサ
208  液界面/空気界面
300  液界面/空気界面、領域
【図１】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図１１】
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【図１５】
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【図１６】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１７】
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【図１８】
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