(57)【要約】【課題】  流速の付加的測定誤差を最小となる音響的結合を提供すること。【解決手段】  本発明は、超音波クランプオン流量測定ヘッドを高温の測定管に結合する装置に関する。この装置は、管壁（３）と測定ヘッド（１）との間に厚さの薄い結合プレート（２）が設けられている。測定ヘッド温度はこの結合プレートによって最大許容値まで低下される。結合プレート（２）の形状によって、生じる温度プロフィールが次のように調整される。すなわち、等温線（７）が管壁領域では管壁に対して平行であり、測定ヘッド領域では音波の進行方向に対して直交して延在するよう調整される。このことによって、貫通流れ測定で生じる測定誤差は最小となる。
2007508556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管壁に取り付けるべき超音波クランプオン測定ヘッドの結合装置において、
管壁（３）と測定ヘッド（１）との間に配置された結合プレート（２）が次のような形状を備える、すなわち、
生じる温度プロフィールの等温線（７）が、管壁領域では管壁（３）に対して平行に延在し、測定ヘッド領域では音波の進行方向に対して直交して延在し、移行領域は僅かな広がりしか有していない形状を備えることを特徴とする結合装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、結合プレート（２）は、実質的に矩形の構成部を有し、管壁（３）に向いた側に当該結合プレート（２）への熱伝達を制限するために段を有し、
該段は、音響的結合の機能を有しかつ管壁（３）に直接接触する領域（４）と、管壁に直接接触せず、段付けされた領域とからなる装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の装置において、結合プレート（２）の矩形領域は、実質的に不等四辺形（梯形）状の領域へ、音響放射の方向で測定ヘッド（１）の結合のために延びている装置。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一項記載の装置において、結合プレート（２）は、温度がすべてのプレート深度で近似的に同じ大きさであるような厚さを有する装置。
【請求項５】
請求項４記載の装置において、結合プレート（２）の厚さは、その幅および高さよりも格段に小さい装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波クランプオン型貫通流れ測定ヘッドを高温（１５０℃超）の管路に、音響的に結合する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体及び気体状の媒体の貫通する流れの検出（流速ないし流量検出）は、工業的および測定技術的に広く重要である。例えばＤＥ４１１４２３３Ｃ２に記載されたような超音波クランプオンシステムは完全に無接触で動作する。このシステムでは、２つの超音波測定ヘッドが外側から管壁に留め金で固定され、このことにより測定媒体に直接接触することがなく、通流に影響を与えることもない。音波伝播方向と測定媒体の通流方向との角度は、屈折法則と入射角、並びに測定ヘッドの音速によって決められる。測定ヘッド、管壁および測定媒体の種々異なる材料間の移行部は相互に平行に延在している。音速と入射角のサインとの比
ｃｉ／ｓｉｎθｉ
は屈折法則に相応して、関与するすべての媒体ｉにおいて同じ大きさである。従って測定された流速は商
ｃｉ／ｓｉｎθｉ
に比例する。この商は測定ヘッドの材料と幾何形状によって設定され、センサ定数
ｋａ
と称される。
【０００３】
測定ヘッドは、いわゆる超音波クランプオン型貫通流れ測定システムの場合、管壁に直接結合される。測定ヘッドは、管壁と測定ヘッドとの間の直接的熱伝達によって媒体温度ないし管温度をうける。ＤＥ４１２４６９２Ａ１には、高温対象物に適用するための特別の測定ヘッドが記載されており、この測定ヘッドは耐熱性材料（複数）の使用を特徴とする。
【０００４】
測定媒体と管壁が例えば２００℃超の非常に高い温度を有していれば、測定ヘッドも相応に加熱される。これと結び付いた強い熱的負荷によって老化（劣化）が促進され、例えば（超）音波変換器として使用される圧電セラミックの減極（Depolarisation）により、測定ヘッドが機能しなくなる。高温対象物に対する前記測定ヘッドも、この負荷に持続的に堪えられるものではない。
【０００５】
ＵＳ６０４７６０２に提案された高温測定ヘッドは、超音波エネルギーを測定ヘッドに伝達するために特別の導波管構造を使用する。ここでは導波管と管壁にせん断波が励振される。
【特許文献１】ＤＥ４１１４２３３Ｃ２
【特許文献２】ＤＥ４１２４６９２Ａ１
【特許文献３】ＵＳ６０４７６０２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の基礎とする課題は、次のような音響的結合を提供することである。すなわち、
・通常のクランプオン測定ヘッドと管壁との間で良好な音響的結合を可能とし、
・測定ヘッドと管壁との間の顕著な温度差を許容し、これにより最大許容測定ヘッド温度を上回ることがなく、
・流速の付加的測定誤差が最小となるような音響的結合を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によればこの課題は、請求項１の装置によって解決される。即ち、管壁に取り付けるべき超音波クランプオン測定ヘッドの結合装置において、管壁と測定ヘッドとの間に配置された結合プレートが次のような形状を備える、すなわち、生じる温度プロフィールの等温線が、管壁領域では管壁に対して平行に延在し、測定ヘッド領域では音波の進行方向に対して直交して延在し、移行領域は僅かな広がりしか有していない形状を備えることを特徴とする。さらなる有利な構成は従属請求項に記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１に相応して管壁３と測定ヘッド１との間には特別に構成された結合プレート２が挿入される。結合プレートは音響的に減衰が小さく、かつ伝熱性も小さい材料からなり、有利には高級特殊鋼（炭素以外の元素を含む合金鋼）（Edelstahl）である。厚さはプレートの他の寸法よりも非常に小さく、有利には２から７ｍｍの間である。管壁３と結合プレート２との間の熱伝達、並びに結合プレート２と測定ヘッド１との間の熱伝達に対して作用する比較的小さな面４と５はわずかな熱流だけを許容する。従って管から放出される熱エネルギーはほとんど留まらない。結合プレートの側面が大きいことで、プレートに供給される熱の大部分が放出される。従って測定ヘッド結合面５の温度は、管壁の温度をうける管結合面４の温度よりも格段に低い。結合プレートの高さは、管結合面と測定ヘッド結合面との間の温度差を規定する。
【０００９】
結合面間の温度差によって結合プレート内に温度プロフィールが生じる。厚さが薄いので温度はすべてのプレート深度で近似的に同じ大きさである。結合プレート内の温度変化は音速変化と結び付いている。従って結合プレート内に延在する音波経路６は湾曲している。そのため貫通流れ測定（管内流れの測定；Durchflussmessung）に対して作用する商
ｃＦｌｕｉｄ／ｓｉｎθＦｌｕｉｄ
は一般的にはセンサ定数ｋａに相応しない。
【００１０】
図２に示した結合プレートの特殊形状に対しては、作用する商
ｃＦｌｕｉｄ／ｓｉｎθＦｌｕｉｄ
のセンサ定数との差が最小であることが示された。この結合プレートは、管に結合するための、実質的に矩形状の領域を備え、この領域には測定ヘッド結合のための、実質的に台形状の延長部が補充される。管から結合プレートへの熱伝達を制限するために、音響的結合に使用される結合プレートの領域だけが管壁に直接接触している。結合のための矩形状領域の残りの部分は結合プレート内の温度経過を規定し、段（階段状構成）によって管壁からずらされている。温度経過の分析により、相互に平行にかつ管壁に対して平行に延在する等温線（複数）７が結合プレートの矩形状領域に示されている。この領域では比
ｃｉ／ｓｉｎθｉ
が一定である。結合プレートの斜めに延在する上方部分では、音波の流れ（伝播方向）が等温線に対して直交して経過する。従って（この部分では）音波は湾曲しない。全体として貫通通れ測定に対して重要な商
ｃｉ／ｓｉｎθｉ
は、結合プレートの音波の伝播経過全体にわたって僅かな影響しか受けない。管壁とセンサ結合面との間で実現すべき温度差が、結合プレートの高さと、階段状延長部の長さを規定する。達成すべき温度差が小さければ（７０℃）、階段状延長部を省略することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、測定管とクランプオン測定ヘッドとの間の結合プレートを示す図である。
【図２】図２は、結合プレートの温度経過（分布）を示す図である。
【図１】
2007508556.tif 000003
【図２】
2007508556.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成18年11月6日(2006.11.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波クランプオン型貫通流れ測定ヘッドを高温（１５０℃超）の管路に、音響的に結合する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体及び気体状の媒体の貫通する流れの検出（流速ないし流量検出）は、工業的および測定技術的に広く重要である。例えばＤＥ４１１４２３３Ｃ２に記載されたような超音波クランプオンシステムは完全に無接触で動作する。このシステムでは、２つの超音波測定ヘッドが外側から管壁に留め金で固定され、このことにより測定媒体に直接接触することがなく、通流に影響を与えることもない。音波伝播方向と測定媒体の通流方向との角度は、屈折法則と入射角、並びに測定ヘッドの音速によって決められる。測定ヘッド、管壁および測定媒体の種々異なる材料間の移行部は相互に平行に延在している。音速と入射角のサインとの比
ｃｉ／ｓｉｎθｉ
は屈折法則に相応して、関与するすべての媒体ｉにおいて同じ大きさである。従って測定された流速は商
ｃｉ／ｓｉｎθｉ
に比例する。この商は測定ヘッドの材料と幾何形状によって設定され、センサ定数
ｋａ
と称される。
【０００３】
測定ヘッドは、いわゆる超音波クランプオン型貫通流れ測定システムの場合、管壁に直接結合される。測定ヘッドは、管壁と測定ヘッドとの間の直接的熱伝達によって媒体温度ないし管温度をうける。ＤＥ４１２４６９２Ａ１には、高温対象物に適用するための特別の測定ヘッドが記載されており、この測定ヘッドは耐熱性材料（複数）の使用を特徴とする。
【０００４】
測定媒体と管壁が例えば２００℃超の非常に高い温度を有していれば、測定ヘッドも相応に加熱される。これと結び付いた強い熱的負荷によって老化（劣化）が促進され、例えば（超）音波変換器として使用される圧電セラミックの減極（Depolarisation）により、測定ヘッドが機能しなくなる。高温対象物に対する前記測定ヘッドも、この負荷に持続的に堪えられるものではない。
【０００５】
ＵＳ６０４７６０２に提案された高温測定ヘッドは、超音波エネルギーを測定ヘッドに伝達するために特別の導波管構造を使用する。ここでは導波管と管壁にせん断波が励振される。
【特許文献１】ＤＥ４１１４２３３Ｃ２
【特許文献２】ＤＥ４１２４６９２Ａ１
【特許文献３】ＵＳ６０４７６０２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の基礎とする課題は、次のような音響的結合を提供することである。すなわち、
・通常のクランプオン測定ヘッドと管壁との間で良好な音響的結合を可能とし、
・測定ヘッドと管壁との間の顕著な温度差を許容し、これにより最大許容測定ヘッド温度を上回ることがなく、
・流速の付加的測定誤差が最小となるような音響的結合を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によればこの課題は、請求項１の装置によって解決される。即ち、管壁に取り付けるべき超音波クランプオン測定ヘッドの結合装置において、管壁と測定ヘッドとの間に配置された結合プレートが次のような形状を備える、すなわち、生じる温度プロフィールの等温線が、管壁領域では管壁に対して平行に延在し、測定ヘッド領域では音波の進行方向に対して直交して延在し、移行領域は僅かな広がりしか有していない形状を備えることを特徴とする。さらなる有利な構成は以下のとおりである。
【０００８】
好ましくは、請求項１記載の装置において、結合プレートは、実質的に矩形の構成部を有し、管壁に向いた側に当該結合プレートへの熱伝達を制限するために段を有し、該段は、音響的結合の機能を有しかつ管壁に直接接触する領域と、管壁に直接接触せず、段付けされた領域とからなる。
【０００９】
また好ましくは、請求項１または２記載の装置において、結合プレートの矩形領域は、実質的に不等四辺形（梯形）状の領域へ、音響放射の方向で測定ヘッドの結合のために延びている。
【００１０】
また好ましくは、請求項１から３までのいずれか一項記載の装置において、結合プレートは、温度がすべてのプレート深度で近似的に同じ大きさであるような厚さを有する。
【００１１】
さらに好ましくは、請求項４記載の装置において、結合プレートの厚さは、その幅および高さよりも格段に小さい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に相応して管壁３と測定ヘッド１との間には特別に構成された結合プレート２が挿入される。結合プレートは音響的に減衰が小さく、かつ伝熱性も小さい材料からなり、有利には高級特殊鋼（炭素以外の元素を含む合金鋼）（Edelstahl）である。厚さはプレートの他の寸法よりも非常に小さく、有利には２から７ｍｍの間である。管壁３と結合プレート２との間の熱伝達、並びに結合プレート２と測定ヘッド１との間の熱伝達に対して作用する比較的小さな面４と５はわずかな熱流だけを許容する。従って管から放出される熱エネルギーはほとんど留まらない。結合プレートの側面が大きいことで、プレートに供給される熱の大部分が放出される。従って測定ヘッド結合面５の温度は、管壁の温度をうける管結合面４の温度よりも格段に低い。結合プレートの高さは、管結合面と測定ヘッド結合面との間の温度差を規定する。
【００１３】
結合面間の温度差によって結合プレート内に温度プロフィールが生じる。厚さが薄いので温度はすべてのプレート深度で近似的に同じ大きさである。結合プレート内の温度変化は音速変化と結び付いている。従って結合プレート内に延在する音波経路６は湾曲している。そのため貫通流れ測定（管内流れの測定；Durchflussmessung）に対して作用する商
ｃＦｌｕｉｄ／ｓｉｎθＦｌｕｉｄ
は一般的にはセンサ定数ｋａに相応しない。
【００１４】
図２に示した結合プレートの特殊形状に対しては、作用する商
ｃＦｌｕｉｄ／ｓｉｎθＦｌｕｉｄ
のセンサ定数との差が最小であることが示された。この結合プレートは、管に結合するための、実質的に矩形状の領域を備え、この領域には測定ヘッド結合のための、実質的に台形状の延長部が補充される。管から結合プレートへの熱伝達を制限するために、音響的結合に使用される結合プレートの領域だけが管壁に直接接触している。結合のための矩形状領域の残りの部分は結合プレート内の温度経過を規定し、段（階段状構成）によって管壁からずらされている。温度経過の分析により、相互に平行にかつ管壁に対して平行に延在する等温線（複数）７が結合プレートの矩形状領域に示されている。この領域では比
ｃｉ／ｓｉｎθｉ
が一定である。結合プレートの斜めに延在する上方部分では、音波の流れ（伝播方向）が等温線に対して直交して経過する。従って（この部分では）音波は湾曲しない。全体として貫通通れ測定に対して重要な商
ｃｉ／ｓｉｎθｉ
は、結合プレートの音波の伝播経過全体にわたって僅かな影響しか受けない。管壁とセンサ結合面との間で実現すべき温度差が、結合プレートの高さと、階段状延長部の長さを規定する。達成すべき温度差が小さければ（７０℃）、階段状延長部を省略することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、測定管とクランプオン測定ヘッドとの間の結合プレートを示す図である。
【図２】図２は、結合プレートの温度経過（分布）を示す図である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2007508556.tif 000005
【図２】
2007508556.tif 000006
【国際調査報告】
2007508556.tif 000007
2007508556.tif 000008
2007508556.tif 000009
2007508556.tif 000010