(57)【要約】  本発明は、超音波流速流量センサ、殊に、管路（３）内の液体（１）の体積流量または質量流量を測定するための超音波流速流量センサに関する。この超音波流速流量センサは、少なくとも１つの超音波変換器（２ａ〜２ｎ）を有しており、この超音波変換器は超音波信号（７）を送受信することができる。特に簡単に構成され、放射偏流の原則に従って作動する低コスト超音波流速流量センサは、複数の超音波変換器（２ａ〜２ｎ）から成るアレイ（２）を有しており、このアレイは管路（３）の面に配置されている。さらのこのセンサはこのアレイ（２）に対向している反射面（４）を有しており、この反射面で、送出された超音波信号（７）が反射される。さらにこのセンサは、受信電子回路（６）を有しており、当該受信電子回路は超音波変換器（２ａ〜２ｎ）で受信された超音波信号（９）を評価する。
2007529725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波流速流量センサであって、
殊に、管路（３）内を流れる液体（１）の体積流量または質量流量を測定するための超音波流速流量センサであって、
超音波信号（７、９）の送信および受信のための少なくとも１つの超音波変換器（２ａ〜２ｎ）を有する形式のものにおいて、
・複数の超音波変換器（２ａ〜２ｎ）から成るアレイ（２）を有しており、当該アレイは管路（３）に配置されており、液体（１）内を走行する超音波信号（７）を送出し、
・前記アレイ（２）に対向している反射面（４）を有しており、
・受信電子回路（６）を有しており、当該受信電子回路は前記反射面（４）で反射され、前記アレイ（２）で受信される超音波信号（９）を検出し、評価する、
ことを特徴とする超音波流速流量センサ。
【請求項２】
前記変換器アレイ（２）はパルスで作動される、請求項１記載の超音波流速流量センサ。
【請求項３】
送信電子回路（５）が設けられており、当該送信電子回路によって個々の超音波変換器（２ａ〜２ｎ）が個別にかつ、相互に依存しないで駆動制御される、請求項１または２記載の超音波流速流量センサ。
【請求項４】
個々の超音波変換器（２ａ〜２ｎ）は、実質的に円筒状、球状、楕円状またはそうでない場合には湾曲された波面を有する超音波（７）が生じるように作動される、請求項３記載の超音波流速流量センサ。
【請求項５】
個々の超音波変換器（２ａ〜２ｎ）は、実質的に平らな波面を有する超音波が生じるように作動される、請求項１から３までのいずれか１項記載の超音波流速流量センサ。
【請求項６】
前記変換器アレイは管路（３）の内壁に同一平面状に取り付けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の超音波流速流量センサ。
【請求項７】
前記変換器アレイは、管路（３）の上半分または側方に取り付けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の超音波流速流量センサ。
【請求項８】
前記反射面（４）は管内壁の一部であり、当該反射面の形は他の管部分に対して変更されない、請求項１から７までのいずれか１項記載の超音波流速流量センサ。
【請求項９】
前記反射面（４）は管内壁の突出部に設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の超音波流速流量センサ。
【請求項１０】
遮蔽装置（１１）が前記反射面（４）の近傍に設けられている、請求項１から９までのいずれか１項記載の超音波流速流量センサ。
【請求項１１】
前記反射面（４）で反射された波（９）が実質的に点状または線状に前記変換器アレイ（２）に入射するように前記変換器アレイ（２）の変換器（２ａ〜２ｎ）が駆動制御される、請求項１から１０までのいずれか１項記載の超音波流速流量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の特徴部分に記載された、殊に液体の体積流量または質量流量を測定するための超音波流速流量センサに関する。
【０００２】
超音波流速流量センサは、殊に、管路を流れる気体媒体または液体媒体の体積流量または質量流量または流速を測定するために使用される。典型的な超音波流速流量センサは、流れ方向においてずらして配置された２つの超音波変換器を含む。ここでこの変換器は超音波信号を生成し、この超音波信号を受信するそれぞれ他の超音波変換器へ送出する。放射方向に従って超音波信号は流体によって加速されるか、または減速される。従って超音波信号は２つの変換器によって異なる伝搬時間で受信される。流れ方向における超音波信号と逆方向における超音波信号の伝搬時間差から、評価電子回路は最終的に所望の測定量を計算することができる。
【０００３】
他のタイプの超音波流速流量センサは、放射偏流（Strahlverwehung）の効果を使用する。このタイプは通常は、管路で対向して配置されている２つの変換器アレイ（複数の変換器の直列配置）を有しており、そのうちの１つが送信アレイとして作用し、他方の１つが受信アレイとして作用する。送信アレイは、ここで超音波信号を対向している受信アレイに送信する。ここでこの信号が検出される。液体が流速ｖで管路を流れると、流れ方向に対して横断して送出された音波が流体によって共に導かれ、これによって流れ方向に方向が変えられる（放射偏流）。２つの変換器アレイを伴うこのような超音波流速流量センサの構成は比較的コストがかかり、複雑である。
【０００４】
従って本発明の課題は、簡単に構成されており、格段に低コストで実現される、放射偏流の原理に即して作動する超音波流速流量センサを実現することである。
【０００５】
本発明のこの課題は、請求項１に記載された特徴部分の構成によって解決される。本発明のさらなる構成は、従属請求項に記載されている。
【０００６】
本発明の重要な観点は、唯一の変換器アレイと、対向する反射面を有する超音波流速流量センサを実現し、当該流速流量センサを次のように作動させることである。すなわち、変換器アレイが超音波信号を対向する反射面に送出し、反射された信号を再び受信するように作動させることである。ここで放射偏流の程度は流れている媒体の流速に対する尺度である。この流速流量センサの重要な利点は、必要とされる変換器アレイは１つだけであり、この種のセンサが特に低コストに製造可能であるということである。
【０００７】
「変換器アレイ」という概念はここでは、特に複数の超音波変換器の直列接続配置のことである。これらの変換器は有利には直接的に相互に接して配置されている。個々の変換器は有利には面が揃って配置され、例えば平坦なまたは円筒状の超音波を生じさせる。しかし変換器アレイを次のように構成することもできる。すなわち、球状、楕円状またはその他には湾曲された波面が生じるように構成することもできる。
【０００８】
本発明の変換器アレイは有利には、パルスで作動される。すなわち、変換器アレイの個々の超音波変換器がパルス状に電気的に励起され、相応する超音波信号を生成する。この超音波信号は、その伝搬時間の後に再びその変換器によって受信される。ここでこの伝搬時間は実質的に管直径および液体内の音速に依存する。
【０００９】
時間毎の励起の頻度、すなわち同時に測定距離を走行する超音波信号の数は基本的に自由に選択可能である。ここでは、従来の変換器が同時に送信および受信を行うことができず、従って送信と受信は１つの時点で同時に行われてはならなということのみが留意されるべきである。
【００１０】
センサは第１の作動様式では、例えば「シングアラウンド（sing-around）（注意：シングアラウンドは通常は、伝搬時間測定が実行されることに関する）」方法と類似して作動される。ここでは変換器アレイでの超音波信号の受信はそれぞれ新たな超音波信号の生成をトリガする。これによって、超音波信号は連続的に往復して走行する。
【００１１】
第２の作動様式では、発振器による超音波信号の生成は制御されて周期的に次のようにトリガされる。すなわち、超音波信号の受信後に常に、新たな超音波信号が送信されるようにトリガされる。
【００１２】
第３の作動様式では、変換器アレイは次のように駆動制御される。すなわち、循環時間（つまり超音波信号が変換器アレイから反射面に達し、変換器アレイに戻って来るのに必要な時間）の間、複数の超音波信号から成るシーケンスが送信されるように駆動制御される。この場合には、第１の超音波信号が変換器アレイに再び達する前に、少なくとも１つの別の信号が測定経路内に入力結合される。これによって時間毎の測定の数は格段に高められ、従って測定精度も高められる。ここでｎ個の個別測定に対する測定持続時間は格段に短くなる。１つのシーケンスの個々の超音波信号間の時間間隔はここで次のように選択される。すなわち変換器が受信準備できているように選択される。すなわち反射された超音波信号が変換器に到達したときに、まさに送信モードで作動しているのではないように選択される。
【００１３】
超音波流速流量センサは有利には送信電子回路を含む。この送信電子回路によって、個々の超音波変換器は個別に、かつ相互に依存しないで励起される。これによって、個々の、超音波変換器によって送出された信号の経路差を次のように調整することができる。すなわち干渉によって、設定可能な波面を伴う大局的な超音波が生じる。従って例えば実質的に円筒状または球状の波面が形成される。これは、対向する反射面で反射され、再び変換器アレイに焦点合わせされて入射する。反射面はこの場合には単に管内壁の一部であり、壁の特別な整合は必要ないだろう。
【００１４】
本発明の別の実施形態では変換器アレイの個々の変換器は同期して励起されるので、個々の信号の干渉によって、平らな波面を有する波が生じる。この場合には、反射面は有利には次のように湾曲される。すなわち、平らな波が焦点合わせされ、束にされて変換器アレイに入射するように湾曲される。流体ができるだけ妨害されないようにするために、さらに反射面は次のように設計されるべきである。すなわち、反射面が流体に与える抵抗が僅かであり、渦を生じさせないように設計されるべきである。この目的のために反射面は、例えば管内壁内に存在する突出部として実現され得る。
【００１５】
本発明の別の実施形態では、反射面の面に遮蔽装置（Abblendeinrichtung）が設けられている。この遮蔽装置によって、遮蔽装置に入射する超音波信号の部分が変換器アレイに戻り反射されない、または遮蔽されてのみ変換器アレイに戻り反射される。遮蔽装置は、例えば次のように実現される。すなわち入射する超音波信号が吸収され、散乱され、または有効信号の音波路から外されて反射されるように実現される。これによって、変換器アレイ上に強度パターンが構成される。その境界は比較的シャープであり、従って良好に検出される。
【００１６】
遮蔽装置は例えば内壁面の領域であり得る。これは例えば粗面化される、または微細な溝が設けられ、これによって超音波信号は拡散して散乱される。溝は流体技術的な理由から有利には流れ方向に配向されている。
【００１７】
変換器アレイは有利には同一面状に管路の内壁に取付けられる。これによって液体の流れは妨害されず、殊に渦は生じない。
【００１８】
本発明の変換器アレイはさらに有利には、管路の上半分に取り付けられている。これは次の利点を有している。すなわち、変換器アレイに僅かな塵埃または浮遊物質しか蓄積されないという利点を有している。変換器アレイおよび反射面が側面で対向して管路に配置されている場合には、２つの素子はそれほど汚れない。
【００１９】
超音波流速流量センサは有利には送信電子回路および受信電子回を含む。これは変換器アレイを所望のように励起し、反射された超音波信号を検出し、評価する。
【００２０】
本発明を以下で、添付図面に基づき例としてより詳細に説明する。すなわち：
図１には、本発明の第１の実施形態に従った超音波流速流量センサの概略図が示されており、
図２には、本発明の第２の実施形態に従った超音波流速流量センサの概略図が示されており、
図３には、本発明の第３の実施形態に従った超音波流速流量センサの概略図が示されている。
【００２１】
図１には、流体１の体積流量または質量流量を測定するための、超音波流速流量センサが示されている。この流体は管路３を通って流れる。この流速流量センサは実質的に超音波変換器アレイ２を含み、この変換器アレイは複数の個々の、平行に配置されたストリップ状の複数の超音波変換器２ａ〜２ｎから成る。ここでこれらの超音波変換器はそれぞれ超音波信号を形成し、これらの超音波信号を対向する反射面４へ送出する。個別信号の干渉によって包括的な波面７が生じる。この波面は、流れている液体１を通って流れ方向に対して横方向に広がる。これは反射面４で反射され、再び変換器アレイ２に入射する。像点（Bildpunkt）Ｐの位置はここでは液体１の流速ｖに対する尺度である。
【００２２】
この実施例では、変換器アレイ２の個別の超音波変換器２ａ〜２ｎが別個に駆動制御される。従って個別信号の行路差に基づいて、放射方向において凹に湾曲された、ほぼ円筒状の波面７が生じる。この波面の縁部領域８ははじめに反射面４に入射する。波７はこれによって焦点合わせされ、実質的に線状に点Ｐで変換器アレイ２に入射する。流速ｖに応じて、像点Pは多かれ少なかれ強く流体方向１２に流れる（放射偏流の作用）。流速ｖが比較的高い場合の放射経過は点線および像点P' によって示されている。
【００２３】
図１の右上方には、種々異なる流速ｖのもとで受信された超音波信号９の強度分布１０ないし１０'が示されている。流速が低い場合には（ないし流れがない場合には）、変換器アレイ２で強度分布１０が生じる。この強度分布１０の極大値は、変換器アレイ２のほぼ中央に位置する。流速が高い場合には、この極大値は変換器アレイ２の縁部に近づいてシフトする。音強度の属する強度分布はここでは参照番号１０'で示されている。受信電子回路６は、超音波変換器２ａ〜２ｎで検出された超音波信号を評価し、ここから所望の測定量を計算する。
【００２４】
反射面４はこの実施例では単に変換器アレイ２に対向している、管内壁部分である。反射特性を改善するために、管内壁を反射面４の領域において例えば研磨すること、またはこの領域に特別な反射層を設けることができる。
【００２５】
変換器アレイ２は、ここでは上側に管路３上に取り付けられている。これによって、塵埃または浮遊物質が変換器アレイ２に蓄積することが回避される。択一的に変換器アレイ２を管路３の側面に取り付けることも可能である。従って反射する壁領域は同じように管路３で側面に位置し、結果的に汚れが僅かになるだろう。
【００２６】
図２には、個々の変換器アレイ２と対向する反射面４を有する超音波流速流量センサの別の実施形態の概略図が示されている。送信回路および評価回路５ないし６は分かりやすくするために省かれている。同じ構成部分は同じ参照番号で示されている。この実施例では、変換器アレイ２の個々の超音波変換器２ａ〜２ｎが次のように駆動制御される。すなわち、個々の信号の干渉によって平らな波面７が生じるように駆動制御される。これは反射面４の方向に走行する。反射面４は次のように湾曲される。すなわち、超音波信号７が焦点合わせされて、ほぼ線状または点状に変換器アレイ２上に入射するように湾曲される。正確な点状焦点合わせは必ずしも必要ではない。
【００２７】
図２の実施例では反射面４は、突出部として管３の管壁に構成され、液体１の流れを阻止することなく、殊に生じる渦はできるだけ少なくなる。
【００２８】
図３には、唯一の変換器アレイ２および対向する反射面４を伴う超音波流速流量センサの別の実施形態が示されている。反射面４の拡がりはこの実施例では、変換器アレイ２の長さよりも小さい。反射面４に接して、遮蔽装置１１が設けられている。この遮蔽装置は入射する音波信号を減衰するないしフィルタリングする。すなわち、遮蔽装置１１に入射する超音波信号７の部分は変換器アレイ２に戻り反射されない、または減衰されてのみ変換器アレイ２に戻り反射される。遮蔽装置１１は例えば特別に粗面化した表面を有する壁領域として実現される、または例えば溝が設けられた管内壁領域として実現される。
【００２９】
従って変換器アレイ２には、反射面４で反射された信号７の部分によるより高い音強度と、遮蔽装置１１で減衰された信号７の部分によるより低い音強度を有するパターンが生じる。このパターンの境界は同じように液体１の流速ｖに依存してシフトする。パターンの位置から同じように所望の測定量が求められる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施形態に従った超音波流速流量センサの概略図
【図２】本発明の第２の実施形態に従った超音波流速流量センサの概略図
【図３】本発明の第３の実施形態に従った超音波流速流量センサの概略図
【符号の説明】
【００３１】
１  液体、  ２  変換器アレイ、  ２ａ〜２ｎ  超音波変換器、  ３  管路、  ４  反射面、  ５  送信電子回路、  ６  受信電子回路、  ７  送信された波、  ８  波境界、  ９  反射された波、  １０、１０'   強度分布、  １０  遮蔽装置、  １１  流れ方向、  Ｐ、Ｐ'   像点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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