(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体メルトの局所的な流速を測定するための超音波センサであって、前記センサが、低分散の超音波導波管であって、超音波を搬送する構造の材料厚さが、送信方向に対し横方向に、送信されるべき超音波信号の最小波長未満である低分散の超音波導波管と、圧電変換器と、電気信号整合回路とからなり、前記圧電変換器（１）に接続される前記低分散の超音波導波管（２）が、用途に関連する２００℃超の温度範囲でα＜１０ｄＢ／ｍの音響減衰係数を有する低い音響減衰を有しかつ前記メルトに対し化学的に抵抗性である材料から構成され、および前記メルトに面する前記低分散の超音波導波管（２）の端面が閉鎖され、前記メルトによって湿潤されることができる超音波センサであって、
前記電気信号整合回路（５）と、前記圧電変換器（１）と、前記超音波導波管（２）とが軸方向に沿って直列に配置され、
前記圧電変換器（１）は、前記液体メルトと反対側の前記超音波導波管（２）の側にあり、
前記液体メルトと反対側の前記超音波導波管（２）の側および前記電気信号整合回路（５）および前記圧電変換器（１）は、保護ハウジング（６）内に収容され、
前記保護ハウジング（６）には、冷却液の通路が形成されている
こと特徴とする、超音波センサ。
【請求項２】
前記超音波導波管（２）が、イリジウム、モリブデン、ニオブ、タンタル、タングステン、ジルコニウム、ステンレス鋼、チタン、モネルの金属、あるいは前記金属の合金又はそれらの組み合わせから構成されることを特徴とする、請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記超音波導波管（２）が、２次元に上下に積層される複数のフィルムからなり、前記超音波の伝搬方向が表面法線に対し直角であることを特徴とする、請求項２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記超音波導波管（２）が、上下に積層される金属フィルムからなることを特徴とする、請求項３に記載の超音波センサ。
【請求項５】
前記超音波導波管（２）が、金属とセラミック及び／又はガラス材料との材料の組み合わせから構成されることを特徴とする、請求項３に記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記超音波導波管（２）の長さが、１００ｍｍ〜１０００ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波センサ。
【請求項７】
保護シース（３）が、前記メルトに対し化学的に抵抗性であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波センサ。
【請求項８】
保護シース（３）が断熱性を備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の超音波センサ。
【請求項９】
冷却液が流れることができる中間空間が、前記超音波導波管（２）と前記保護シース（３）との間に設けられることを特徴とする、請求項８に記載の超音波センサ。
【請求項１０】
前記保護シースが二重壁構造であり、冷却液が前記保護シースを通して流れることができることを特徴とする、請求項８又は９に記載の超音波センサ。
【請求項１１】
前記メルトの反対側にあり、かつ前記圧電変換器（１）及び電気構成要素（５）を有する前記超音波センサの部分が、保護ハウジング（６）によって囲まれることを特徴とする、請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項１２】
前記保護ハウジング（６）が二重壁構造であり、冷却液が中間空間（８）を通して流れることができることを特徴とする、請求項１１に記載の超音波センサ。
【請求項１３】
前記メルトに面する前記超音波導波管（２）の端面から汚れ及び酸化物が機械的及び／又は化学的に除去されることを特徴とする、請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項１４】
前記超音波導波管（２）の前記端面に滑らかな保護層が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項１５】
追加の滑らかなカバープレート又はフィルムが前記低分散の超音波導波管（２）の前記端部に取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項１６】
前記低分散の超音波導波管（２）及び前記カバープレート又は前記フィルムが、異なる材料から構成されることを特徴とする、請求項１５に記載の超音波センサ。
【請求項１７】
前記カバープレート（４）に、イオン注入あるいは電気化学的方法又は物理的方法によって適用される薄い滑らかな材料層が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項１８】
前記超音波導波管（２）及び前記圧電変換器（１）が互いに直接背後に配置され、かつ接着結合、半田付け又はプレスによって互いに接続されることを特徴とする、請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項１９】
前記圧電変換器が、コンデンサ及び／又はコイルによって前記超音波センサの外側の評価装置に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項２０】
前記圧電変換器（１）と前記評価装置との間の電気信号送信のために、対称的に撚られた導体が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項２１】
ＤＣ絶縁部が前記圧電変換器（１）と評価装置との間に取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温における液体メルトの局所的な流速を測定するための超音波センサに関し、前記センサは、低分散の超音波導波管と、圧電変換器と、電気信号整合回路とからなる。
【背景技術】
【０００２】
流体技術で広く普及している光学式測定法と対照的に、超音波測定法はまた、原則として、不透明の流体に使用するために適切である。測定装置の基本的な構成要素は、周波数発生器及び評価装置に電気的に接続される圧電発振器の形態の超音波変換器（圧電結晶または圧電変換器とも呼ばれる）である。超音波変換器は、直接又は流体を囲む容器の外壁を介して、検査されるべき流体内に超音波を送信する。
【０００３】
管又は溝内の流動媒体の流量を決定するための超音波流量計が広く普及している。独国特許発明第１９８１２４５８Ｃ２号明細書は、超音波流量計用の送信及び／又は受信ヘッドを記載しており、超音波流量計は、伝搬時間法に基づいており、高い熱伝導抵抗を有する超音波導波管の使用によって区別される。超音波信号を送信するために超音波導波管を使用することにより、ホットメルトと圧電変換器とを空間的に分離することが可能となる。超音波導波管を構成するために、高い熱伝導抵抗を有する材料を使用することは、超音波導波管の実際的な長さを有する圧電変換器の温度を制限するために適切である。
【０００４】
超音波によって流量を測定するための方法に加えて、技術的な流量の速度プロファイルを測定するために超音波ドップラー法も開発された（Ｙ．Ｔａｋｅｄａ：Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ａｎ  ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｐｒｏｆｉｌｅ  ｍｏｎｉｔｏｒ．Ｎｕｃｌ．Ｅｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎ、１２６巻、１９９１年、２７７−２８４）。超音波ドップラー法の場合、予め設定された周波数の超音波測定信号が流れに入力される。媒体内の最小の粒子は、超音波測定信号を反射し、入力されかつ出力される超音波測定信号の周波数偏移を使用して流量を決定することができる。
【０００５】
超音波導波管が一体化された超音波センサの超音波ドップラー法における使用には、超音波導波管内の超音波の分散のない送信が必要である。したがって、特別な要件が超音波導波管の構造に課せられる。したがって、超音波を搬送する構造の材料厚さは、送信方向に対し横方向に、送信されるべき超音波信号の最小波長未満でなければならない。用語「低分散の超音波導波管」が、以下、かような超音波導波管に対して常に使用される。対応する超音波導波管を設計するための様々な概念が公知である。
【０００６】
国際公開第９６／４１１５７号パンフレットに、互いに平行である１束の細いロッドの使用、又は分散のない信号送信を達成するために対応して段階的な直径を有する管の同心の配置が提案されている。
【０００７】
独国特許発明第１００２１１８７Ｃ１号明細書に、巻かれたフィルムから製造された超音波導波管の構造が記載されており、フィルムの層厚は、超音波導波管の材料内の超音波の最も短い波長よりも小さいように選択される。これにより、超音波導波管における超音波信号のほとんど干渉のない伝搬が達成される。
【０００８】
独国特許出願公開第１００５３５０８Ａ１号明細書は、高いエネルギ送信でより良好な結合を達成するために適切なディスクを使用して、フィルムから巻かれる超音波導波管の端部を閉鎖する方法について記載している。
【０００９】
それゆえ、以前に提案された技術的な解決策は、次の２つの基準を満たしている。
【００１０】
長さが有限でありかつ熱伝導率が十分に低い材料から製造された超音波導波管は、測定環境の反対側に配置される圧電変換器の過熱を防止する。
【００１１】
十分に細い構造から製造された超音波導波管の構造は、超音波導波管内の超音波の拡散及び分散によって引き起こされる送信損失を最小にする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、ホットメルト（Ｔ＞２００℃）における局所的に連続的でかつ確実な速度測定を実施するための超音波センサを開発する目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的は、本発明に従って、液体メルトの局所的な流速を測定するための超音波センサによって達成され、前記センサは、低分散の超音波導波管であって、超音波を搬送する構造の材料厚さが、送信方向に対し横方向に、送信されるべき超音波信号の最小波長未満である低分散の超音波導波管と、圧電変換器と、電気信号整合回路とからなり、圧電変換器に接続される低分散の超音波導波管は、用途に関連する２００℃超の温度範囲でα＜１０ｄＢ／ｍの音響減衰係数を有する低い音響減衰を有しかつメルトに対し化学的に抵抗性である材料から構成され、およびメルトに面する低分散の超音波導波管の端面が閉鎖され、メルトによって湿潤されることができる。
【００１４】
低分散の超音波導波管は、イリジウム、モリブデン、ニオブ、タンタル、タングステン、ジルコニウム、ステンレス鋼、チタン、モネルの金属、あるいは前記金属の合金又はそれらの組み合わせから構成され得る。
【００１５】
本発明の一発展形態において、超音波導波管は、２次元に上下に積層される複数のフィルムからなり、超音波の伝搬方向は表面法線に対し直角である。低分散の超音波導波管は、上下に積層される金属フィルムからなることが好ましい。
【００１６】
代わりに、低分散の超音波導波管は、金属とセラミック及び／又はガラス材料との材料の組み合わせから構成してもよい。
【００１７】
低分散の超音波導波管の長さは、１００ｍｍ〜１０００ｍｍである。
【００１８】
本発明の形態において、保護シースは、メルトに対し化学的に抵抗性であり、さらに断熱性を備えることができる。
【００１９】
さらに、低分散の超音波導波管と保護シースとの間に中間空間を設けることが可能であるか、又は保護シースを二重壁構造とし得、冷却液が前記保護シースを通して流れることができる。
【００２０】
本発明の他の改良において、メルトの反対側にありかつ圧電変換器及び電気構成要素を有する超音波センサの部分は、保護ハウジングによって囲まれる。保護ハウジングは、二重壁構造であることが有利であり、冷却液は中間空間を通して流れることができる。
【００２１】
メルト内へ超音波エネルギを良好に注入するために、メルトに面する低分散の超音波導波管の端面から汚れ及び酸化物が機械的及び／又は化学的に除去され、滑らかな保護層を端面にさらに設けることができる。
【００２２】
追加して又は代わりに、追加の滑らかなカバープレート又はフィルムを低分散の超音波導波管の端部に取り付けてもよく、低分散の超音波導波管及びカバープレート又はフィルムは、異なる材料から構成することができる。
【００２３】
最後に、カバープレートには、イオン注入あるいは電気化学的方法又は物理的方法によって適用される薄い滑らかな材料層が設けられる。
【００２４】
本発明の他の改良は、低分散の超音波導波管及び圧電変換器が互いに直接背後に配置され、かつ接着結合、半田付け又はプレスによって互いに接続されることを特徴とする。さらに、圧電変換器は、コンデンサ及び／又はコイルによって超音波センサの外側の評価装置に接続される。
【００２５】
圧電変換器と評価装置との間の電気信号送信のために、対称的に撚られた導体が設けられ、またＤＣ絶縁部が圧電変換器と評価装置との間に取り付けられる。
【００２６】
漏洩電流を低減するために、メルトと評価装置との間に電流補償インダクタが取り付けられる。
【００２７】
例示的な実施形態により、本発明についてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】超音波センサの概略図である。
【図２】上下に積層される複数の個々のフィルムからなる低分散の超音波導波管の特別な構造の図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、超音波ドップラー法に従って動作する本発明による超音波センサの基本構造を示している。このことにより、流動メルトの速度を決定するために必要なセンサは１つのみとなることが保証される。センサは、９０°とは異なる角度でメルトに浸漬されなければならない。２つ以上の超音波センサを使用することができる。
【００３０】
本発明による超音波センサは、変換器１を制御するための、及び内部で信号を調整、整合及び評価するための関連の電子構成要素５と、軸方向配置の低分散の結合超音波導波管２とを有する圧電変換器１の主構造群からなる。この場合、圧電変換器１は、流れと反対側の超音波導波管２の側にある。低分散の超音波導波管２は、保護シース３によって囲まれる。
【００３１】
出力信号は、電子構成要素５の軸方向に下流にある接続ソケット７に印加され、したがって、ケーブルを介してセンサの外側の評価装置（図示せず）に送信することができる。
【００３２】
圧電変換器１及び電気信号整合構成要素５は、保護ハウジング６に収容される。
【００３３】
保護ハウジング６の内側のセンサ構成要素のすべては、１００℃未満の温度レベルに永続的に維持しなければならない。対応する熱負荷に応じて、保護ハウジング６は二重壁構造とし得、保護ハウジング６の中間空間８は、対応する接続部を介して冷却液リザーバに接続でき、かつ冷却液は、測定中に前記中間空間を通して流れることができる。
【００３４】
２次元に上下に積層される複数の金属フィルムからなる低分散の超音波導波管２の特別な構造は、図２に見ることができる。超音波の伝搬方向は、個々のフィルムの表面法線に対し直角に延びる。個々のフィルム層の各々は、例えば、７５μｍの厚さを有する５×３００ｍｍ２の大きさを有する。
【００３５】
低分散の超音波導波管２には、保護シース３が設けられ、保護シースの形状は超音波導波管２の断面に整合される。超音波導波管２の機能を確実にするため、メルトに面する超音波導波管２の保護シース３の端部は、カバープレート４（図１）で閉鎖することが可能である。
【００３６】
低分散の超音波導波管２のカバープレート４とフィルム層との間に均質な材料接続部がある。超音波導波管２、保護シース３及びカバープレート４は、同一の材料から構成する必要はない。
【００３７】
錫メルトを約１０００℃で使用するために、低分散の超音波導波管２は、例えば、前端でステンレス鋼カバープレート４によって閉鎖されるステンレス鋼管のモリブデンフィルムから製造することが可能である。超音波センサと錫メルトとの間の良好な音響移行に十分な湿潤を生成するために、ステンレス鋼カバープレート４の表面は、機械的に研磨され、次にリン酸で処理される。次に、洗浄された表面に錫が電解蒸着される。
【００３８】
圧電変換器の用途分野は、そのキュリー温度によって制限される。この温度閾値を超えた場合、変換器の材料はその圧電特性を失う。商業的に対象となる多数の金属、半導体又はガラスの溶融温度は、従来の圧電セラミックのキュリー温度を著しく上回る。
【００３９】
これらのメルトに超音波ドップラー法を使用するには、超音波変換器２と流体との間の安定した音響的な接触を確立し、同時に、検査されるべきメルトの影響から圧電変換器を保護する技術的な解決策が必要である。
【００４０】
使用可能な測定データを獲得するために、超音波ドップラー法では、可能な限り小さな損失での無線周波数の超音波信号の送信が、超音波流動測定法の場合よりもはるかに必要である。検査されるべきメルトが高温である結果、低分散の超音波導波管が測定概念に統合される。しかし、このことは、回避することができない送信損失に関連付けられる。
【００４１】
追加の損失が容器壁部の超音波試験中に生じ、ホットメルトを貯蔵するための容器の壁部材料の構造は、特に、極めて劣る超音波送信特性によって区別されることが多い。この結果、メルトで直接測定されるべき流動にセンサを直接結合する必要が生じる。高い適用温度ならびに低分散の超音波導波管を介したメルトとの直接接触は、センサの設計に、特に超音波導波管材料の物理的特性及びメルトのその化学的な安定性又は溶解度に特定の要件を課する。
【００４２】
連続的な音波の機械的エネルギの一部は連続的に熱に変換されるので、音の伝搬には損失が伴うことが公知である。このプロセスは吸音と称され、経路ｘに沿った平坦な高調波音波の音圧ｐの指数関数的な減少を次式のように説明する吸音率αによって特徴づけられる（Ｈ．Ｋｕｔｔｒｕｆｆ：  Ｐｈｙｓｉｋ  ｕｎｄ  Ｔｅｃｈｎｉｋ  ｄｅｓ  Ｕｌｔｒａｓｃｈａｌｌｓ．Ｈｉｒｚｅｌ  Ｖｅｒｌａｇ  Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ，１９８８，１９１  ｆｆ．）。
ｐ（ｘ）＝ｐ０ｅ−αｘ
【００４３】
吸音率αは、送信材料及び超音波の周波数に依存し、伝搬波と送信媒体の原子構造との間の相互作用から生じる異なる損失機構の寄与によって決定される。結晶構造の欠陥、熱フォノンにおける拡散又は同様のプロセスによって引き起こされる吸音に帰すことができる吸音率の部分は、温度が上昇するにつれて増加する。例えば、４００℃の値を超える温度上昇は、多くの材料について測定可能な音響減衰の増加を容易にもたらす。
【００４４】
７００℃を超える温度では、超音波導波管として関連材料の有意義な使用が妨げられる可能性があるような送信損失の劇的な増加を観測することができる。したがって、慎重に選択し得る超音波導波管の材料のごく僅かのみが、これらの特別な用途に適切であるに過ぎない。高温における異なる材料の音響減衰挙動に関するそれらの適合性が、包括的な一連の試験で検査された。
【００４５】
高温範囲（Ｔ＞２００℃）のイリジウム、モリブデン、ニオブ、タンタル、タングステン、ジルコニウム、ステンレス鋼、チタン、モネル又はこれらの材料の合金は、超音波ドップラー法に十分な対応する超音波送信特性を有することが確認されている。
【００４６】
重要な要件は、メルトに対する良好な音響結合を確実にするために、超音波導波管の端面を十分に湿潤させることである。超音波導波管がメルトによって湿潤されない場合、超音波エネルギのわずかな部分のみしか流体に注入できず、この結果、有用な測定信号が生成されないことが分かっている。
【００４７】
本発明は、超音波導波管の材料とメルトとの間の湿潤を達成するために、超音波導波管の端面のために異なる機械的及び化学的な処理方法を提供する。個々の処理ステップの数及び順序は、対象のメルトの種類、超音波導波管の材料及び測定の実施が意図される温度範囲にそれぞれ依存する。
【００４８】
湿潤のための重要な必要条件は、低分散の超音波導波管２のカバープレート４の端面における汚染物、堆積物及び酸化物層の除去である。この除去は、機械的に、例えば研削及び研磨によって、及び／又は適切な化学物質、例えば無機酸又は適切なフラックスの時間的に限定された作用によって化学的に行うことが可能である。
【００４９】
この準備と測定開始との間の期間に、低分散の超音波導波管２のカバープレート４は、再酸化及び／又は汚染から適切に保護されなければならない。このことは、カバープレート４の端面に機械的に及び／又は熱的に適用された例えば金属製の適切な保護層によって達成することが可能である。この保護層は、測定中に、予め設定した期間内にメルトに溶解しなければならず、その結果、メルトとカバープレート４の準備された端面との間の直接接触がその場合に達成される。
【００５０】
いくつかの材料の組み合わせにおいて、超音波導波管の材料自体は、理想的に洗浄された表面であっても原則的に湿潤されないか、あるいは特定の温度超でのみ湿潤される。これらの適用では、カバープレート４の端部を、測定用に設けられた温度範囲でメルトによって容易に湿潤される材料の層で覆うことが必要である。この層と低分散の超音波導波管との間に均質な材料接続部がなければならない。追加のカバー層は、ディスク又はフィルムをカバープレート４に取り付けることによって、又は電気化学蒸着法によって実装することが可能である。
【００５１】
他の可能な方法は、イオン注入又は同様の物理的な方法によって表面に近い低分散の超音波導波管の構造を修正することである。
【００５２】
超音波ドップラー法のための低分散の超音波導波管を有するセンサを使用するための他の必要条件は、低分散の超音波導波管内の超音波の分散のない送信が必要である。このことを達成するために、超音波導波管は薄い構造から構成される。このことは、一般に、断面を材料で不完全に充填することを伴うに過ぎない。低分散の超音波導波管２がメルトに浸漬されているときに、メルトがキャビティに沿って超音波導波管の内部構造に進む場合、干渉のない、減衰の低い送信はもはや保証されない。
【００５３】
これを防止するために、メルトに面する低分散の超音波導波管２の端面がカバープレート４によって閉鎖され（既述）、さらにカバープレートを設けることが可能である。
【００５４】
圧電変換器及び信号整合のため下流側に接続された電子構成要素は、一般に、最高１００℃までの温度に永続的に露出することが可能である。したがって、特定の用途に応じて、これらの温度感受性のセンサ構成要素をさらに冷却することが必要であり得る。このため、例えば、二重壁の保護シース８を有する保護ハウジング６の対応する構成要素を収容することが適切であり、冷却液は、使用中に保護シースのキャビティを通して流れる。
【００５５】
超音波ドップラー法を使用して速度を測定するときの信号品質は、圧電変換器を評価装置に対し適切に電気的に整合することによって、著しく改善することができる。本発明において、この整合は、適切に寸法決めされたコンデンサ及び／又はコイルの回路を使用して達成される。圧電変換器１のインピーダンスは、一般に、信号を搬送するために使用されるケーブルの特性インピーダンス未満であるべきであり、その結果、超音波フィールドは、コイル及びコンデンサを用いたインピーダンス変換の場合、はるかに高い強度で送信される。
【００５６】
検査されるべきメルトは、サイリスタ制御器を有する誘導加熱装置又は電気加熱装置を使用して加熱されて、融合されることが多い。これにより、メルト内又はさもなければ低分散の超音波導波管２内の直接的な電流誘導が行われる。流動に影響を及ぼすための電磁気ポンプ又は磁場システムの使用は、高調波を生じさせそれゆえ測定結果を損なう可能性がある電気的な干渉信号の別の源である。
【００５７】
本発明は、変圧器、電流補償インダクタ及びこの電気干渉を有効に低減するための撚られた信号線から製造された特別な電気的構造を使用する。
【符号の説明】
【００５８】
１  圧電変換器
２  低分散の超音波導波管
３  保護シース
４  カバープレート
５  制御部及びおそらくは内部評価部の電気回路
６  保護ハウジング
７  接続ソケット
８  保護シースの中間空間／中空壁構造
【図１】
0005716247.tif 000002
【図２】
0005716247.tif 000003