(57)【要約】  本発明は、オブジェクトにおける少なくとも１つの超音波を生成するための送信トランスデューサを備え、前記超音波は、前記媒体に向けられた前記オブジェクトの内壁にて縦波として前記媒体内に入力結合され、前記オブジェクトにおける超音波信号を検出するための受信トランスデューサを備え、前記超音波信号は少なくとも部分的に前記縦波によって生じる、媒体が通流する導電性のオブジェクト内の流量又は流速を非侵襲的に測定するための音響式流量計に関する。ここでは送信トランスデューサが高周波誘導コイルとして前記送信トランスデューサと前記オブジェクト表面との音響結合なしで前記オブジェクトの表面領域に可変の磁場を生成し、前記可変の磁場と静的若しくは準静的磁場との相互作用により当該表面領域に超音波を発生させている。
2014510920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体が通流する導電性のオブジェクト、とりわけ配管若しくはパイプライン内の流れ又は流量を非侵襲的に検出するための音響式流量計であって、
前記オブジェクトにおける少なくとも１つの超音波を生成するための送信トランスデューサを備え、前記超音波は、前記媒体に向けられた前記オブジェクトの内壁にて縦波として前記媒体内に入力結合され、
前記オブジェクトにおける超音波信号を検出するための受信トランスデューサを備え、前記超音波信号は少なくとも部分的に前記縦波によって生じる、音響式流量計において、
前記送信トランスデューサは高周波誘導コイルとして、前記送信トランスデューサと前記オブジェクト表面との音響結合なしで、前記オブジェクトの、特に金属製オブジェクトの表面領域に可変の磁場を生成するように構成されており、さらに、
前記可変の磁場と静的若しくは準静的磁場との相互作用により、当該表面領域に超音波を発生させるようにしたことを特徴とする音響式流量計。
【請求項２】
特に高周波誘導コイルとして構成されている前記受信トランスデューサは、前記オブジェクトとの音響結合なしで超音波信号を検出するように構成されている、請求項１記載の音響式流量計。
【請求項３】
静的若しくは準静的磁場を生成するための構成は、特に永久磁石及び／又は電磁石によって形成され、かつ前記オブジェクトの軸方向に沿って配向されているか又は前記オブジェクトの法線に沿って配向されている、請求項１または２記載の音響式流量計。
【請求項４】
前記高周波誘導コイルの導体線路、特に巻線は、所定の用途のための、前記オブジェクトの長手軸に垂直に配向されている、請求項１から３いずれか1項記載の音響式流量計。
【請求項５】
前記送信トランスデューサは、バルク波、特にバルク剪断波を生成するように構成されている、請求項１から４いずれか1項記載の音響式流量計。
【請求項６】
前記送信トランスデューサは、ガイド波、特にｎ次のラム波を生成するように構成されており、但し前記ｎは０以上の整数である、請求項１から４いずれか1項記載の音響式流量計。
【請求項７】
前記送信トランスデューサ及び／又は受信トランスデューサの、前記オブジェクトに面する側は、湾曲状に形成されている、請求項１から６いずれか1項記載の音響式流量計。
【請求項８】
管路内の流れを検出するために、前記送信トランスデューサ及び／又は受信トランスデューサは、前記管路に当接するように、及び／又は、前記管路の周りに巻き付けられるように構成されている、請求項１から７いずれか1項記載の音響式流量計。
【請求項９】
前記送信トランスデューサ及び受信トランスデューサは、前記オブジェクトの周りに巻き付けられる又は当接する導体線路を有している、請求項８記載の音響式流量計。
【請求項１０】
前記送信トランスデューサ及び／又は受信トランスデューサは、種々異なる管外径に整合できるように少なくとも部分的に可撓性に構成されている、請求項８または９記載の音響式流量計。
【請求項１１】
前記送信トランスデューサ及び／又は受信トランスデューサは、少なくとも部分的に前記管路に巻き付け可能である、電気的な導体線路を備えたフィルム及び／又はフラットケーブルを有している、請求項８から１０いずれか1項記載の音響式流量計。
【請求項１２】
導体線路を備えた（送信及び／又は受信）トランスデューサを有し、前記導体線路は蛇行状に形成されている、請求項１から１１いずれか1項記載の音響式流量計。
【請求項１３】
前記送信トランスデューサ及び／又は受信トランスデューサは、前記管路の全断面領域の流量を検出するように設計されている、請求項１から１２いずれか1項記載の音響式流量計。
【請求項１４】
液体内の気泡を検出する及び／又は液体内の気泡の大きさを検出するように評価装置が構成されている、請求項１から１３いずれか1項記載の音響式流量計。
【請求項１５】
前記媒体内で生成すべき縦波の最適な配向調整のために、前記送信トランスデューサの動作周波数が、有利には、自動的に可変である、請求項１から１４いずれか1項記載の音響式流量計。
【請求項１６】
前記媒体の圧力の測定及び／又は壁厚の測定が、超音波信号に基づいて行われるように構成されている、請求項１から１５いずれか1項記載の音響式流量計。
【請求項１７】
前記送信トランスデューサ及び／又は受信トランスデューサは、耐熱性の材料を含み、それによって前記送信トランスデューサ及び／又は受信トランスデューサは、１８０°以上の高温、有利には３５０°以上の高温のオブジェクト内の流量の、有利には無接触の測定が実施できるように構成されている、請求項１から１６いずれか1項記載の音響式流量計。
【請求項１８】
モジュラー方式の構造を備えることによって、前記送信トランスデューサ及び／又は受信トランスデューサは、前記オブジェクトに恒久的に位置付け可能であり、さらに流量の測定のために、特に操作者によって携帯可能な制御及び評価ユニットと前記送信トランスデューサ及び／又は受信トランスデューサは接続可能であり、前記流量計は有利には静的磁場を形成するための装置を有している、請求項１から１７いずれか1項記載の音響式流量計。
【請求項１９】
前記超音波を生成するための高周波コイルは、２０ｋＨｚから５０ＭＨｚの周波数領域、有利には５０ｋＨｚから３ＭＨｚの周波数領域で動作可能である、請求項１から１８いずれか1項記載の音響式流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、媒体が通流する導電性のオブジェクト、とりわけ配管若しくはパイプライン内の流れ又は流量を非侵襲的に検出するための音響式流量計であって、前記オブジェクトにおける少なくとも１つの超音波を生成するための送信トランスデューサを備え、前記超音波は、前記媒体に向けられた前記オブジェクトの内壁にて縦波として前記媒体内に入力結合され、前記オブジェクトにおける超音波信号を検出するための受信トランスデューサを備え、前記超音波信号は少なくとも部分的に前記縦波によって生じる、音響式流量計に関している。
【背景技術】
【０００２】
従来の非侵襲性の流量計は、配管上若しくはパイプライン上に固定的にクランプされる必要があり、それによって送信トランスデューサから発生した超音波が配管内に入力結合される。しかし装置の固定的クランプも、その後の動作も、配管内の媒体伝送を損なわせることはない。それ故これは非侵襲性の流量測定と呼ばれている。さらにここではくさび状の音響トランスデューサがよく用いられるが、このトランスデューサは圧電素子と対象との間に付加的に設けられるものであり、送信トランスデューサによって出力される音響信号を結合媒体の付加的利用のもとでパイプライン壁部に入力結合させている。
【０００３】
配管内に発生する超音波のための媒体と壁厚と材料に依存して定められる、送受信トランスデューサ間の距離は、正確に維持される必要があるので、配管における送受信トランスデューサの設置と試運転は、重要なステップである。最適な距離からのわずかなずれは既に信号を著しく低下させる。その上さらに、従来の超音波流量計は、比較的狭い温度範囲でしか使用することができないものである。ここでの温度とは、オブジェクト、好ましくは配管若しくはパイプラインの温度である。また前記トランスデューサの動作温度はキュリー温度を遙かに下回るものでなければなければならない。この温度は広義のトランスデューサに対して典型的には１５０℃から３５０℃の間である。この問題を克服するための解決手段としては、例えばＤＥ  ４１２４６９２  Ａ１号明細書に、高温用途のために構成された特定の圧電セラミックを有するトランスデューサが開示されている。ここでは、オブジェクト内の媒体の流速又は流量が、１８０℃までの温度で測定可能である。しかしながらここでは前記温度の問題に加えて、音響変換器の材料の急激な温度勾配に起因する緊張に基づいて重要な問題が時折発生し得る。さらに、音響結合器と配管の間の通常はジェル状の結合媒体の経年劣化にも問題がある。なぜならオブジェクト内で発生した超音波の信号品質が結合媒体の劣化に伴って低下するからである。
【０００４】
本発明の目的は、従来技法による音響式流量計において、その適用範囲がさらに拡大するように改善を行うことである。
【０００５】
前記課題は、請求項１に記載の本発明によって解決される。本発明の有利な改善例は、特許請求の範囲の従属請求項並びに以下の明細書に開示されている。
【０００６】
本発明は、送信トランスデューサは高周波誘導コイルとして、前記送信トランスデューサと前記オブジェクト表面との音響結合なしで、前記オブジェクトの、特に金属製オブジェクトの表面領域に可変の磁場を生成するように構成されており、さらに、前記可変の磁場と静的若しくは準静的磁場との相互作用により、当該表面領域に超音波を発生させるようにしたことを特徴としている。ここでの表面近傍領域とは、高周波誘導コイルによって生成される渦電流の浸透深さによって定められるオブジェクトの領域である。
【０００７】
本発明による流量計によれば、例えば配管若しくはパイプラインなどのオブジェクトとの間の音響結合は不要となる。そのため本発明による音響式流量計の送受信トランスデューサは、オブジェクトから離間させた位置に配置することが可能である。さらに１８０℃を超える領域の測定の他にも、セメントやプラスチックでコーティングされたパイプラインのようなコーティング層を備えたオブジェクトを通って流れる流量も測定することができる。これは、コーティング層が電磁場に対して透過的であることに由来している。従って従来技法では必須であったオブジェクトにおけるコーティング除去等の余分な前処理もここでは不要となる。
【０００８】
本発明に係る流量計の送信トランスデューサは、オブジェクトと物理的に接触可能であっても、通流オブジェクトの近傍に配置されるだけで十分である。その距離はセンチメートルの範囲、例えば２ｃｍまでにしてもよい。
【０００９】
高周波誘導コイル（High Frequency Induction Coil）を使用することにより、磁場はオブジェクトの表面近傍領域に生成される。単一若しくは複数の高周波誘導コイルによって生成された高周波磁場の一部は、オブジェクト内に浸透し、渦電流を誘起する。この渦電流と、静的若しくは準静的な磁場との相互作用によって、ローレンツ力または磁歪に基づき超音波がオブジェクト内に生成される。
【００１０】
準静的な磁場とは、高周波磁場に対して計算上静的とみなすことができる磁場と理解されたい。特に準静的な磁場は、２００Ｈｚ以下、好ましくは１０Ｈｚ以下の周波数でもって変化する。そのため電磁的に発生する磁場も静磁場と見なすことが可能である。高周波磁場とは振動磁場である。
【００１１】
配管の既存のコーティングを透過して、広い温度範囲で測定することができる利点の他に、この装置は、結合媒体が省かれることに基づいて劣化現象も僅かで済む。従来技法のもとでは頻繁に交換しなければならなかった結合媒体もここでは不要である。
【００１２】
本発明に係る流量計は、本願明細書では、この流量計が直接若しくはその近傍に設けられるオブジェクトに関連して説明している。しかしながらそのような例えば配管状に構成されたオブジェクトが本発明の対象というわけではなく、それどころか本発明に係る対象は、そのような配管上で動作するための構成を担うものである。
【００１３】
信号整合のためにも、トランスデューサの動作周波数は自動的に可変であることが好ましい。送信トランスデューサの動作周波数の変更又は整合によって、オブジェクト内に発生した超音波のみでなく、媒体内に発生した縦波も、受信トランスデューサに最適に調整することができる。これにより、送受信トランスデューサ間の距離の誤差やそれらの不正確な位置付けは、これまでの従来技術では面倒な手動による後調整が必要であったが、電子的に補償されるようになる。このことは、変換器の設計に用いられる生成された横波、特に使用周波数のバルク剪断波（ボリューム剪断波）の角度依存性から生じる。配管内の圧力変化又は温度変化に基づく超音波の伝播変動は、このようにして補償することができる。このシステムの測定精度と適応性は、従来技術に比べて著しく向上する。送信トランスデューサの動作周波は受信信号の最適化のために、媒体内で誘起された縦波が受信トランスデューサの方向に最適に案内されるように可変である。特に、周波数変更によって、誘起された超音波のオブジェクト表面上の垂線に対する角度φ２１と、オブジェクト−媒体移行部における結合角度が設定調整可能である。この垂線は、とりわけ矩形状の管路として形成されたオブジェクトの法線、すなわち当該管路の外表面に対して垂直な線である。この場合この表面は、特に媒体流の主方向によって規定される軸方向に平行に延在する。
【００１４】
有利には、バルク剪断波の生成のためのビーム状に伝搬される音波の単純化した仮定のもとでは以下の式、
ｓｉｎ（φ２１）＝ｃwall／（ｆ*Ｄ），
が有効である。ここで、前記ｃwallはオブジェクト内の音波速度、前記ｆは送信トランスデューサ−の高周波、前記Ｄは、同一の電流方向に隣接するトレースのトランスデューサのセットアップから生じる間隔である。
【００１５】
有利には、オブジェクトとの音響結合を省くもとで、送信トランスデューサだけが動作可能なわけではない。むしろこのことは、本発明のさらなる構成例においては、超音波信号を検出するための受信用トランスデューサにも当てはまる。この受信トランスデューサは、特に高周波誘導コイルも形成する。別の実施形態によれば、受信トランスデューサも送信トランスデューサも送受信可能である。このようにして、例えば、流速ないし流量の評価のために使用される伝搬時間差を測定する公知の方法が、本発明による装置上でただ２つのトランスデューサを介して実現される。唯１つだけのトランスデューサの利用も可能である。
【００１６】
本発明の装置は、有利にはパルス方式又はバースト方式で動作する。この場合、高周波パルス又はバーストを介して、送信トランスデューサがより少ない数の周期の間、有利には５０以下の周期の間、高周波で動作する。それに続いて超音波がオブジェクト内を伝播する。特に前記送信トランスデューサは、オブジェクト／媒体の移行部においてそれぞれ所望の縦波を生成するラム波又はバルク剪断波を生成するために設計される。縦波は、オブジェクトの相対向する内壁への入射の際に超音波を生成する。この超音波は、オブジェクト内で直接生成され、オブジェクトの壁部を伝播する超音波よりも時間遅延を伴って受信トランスデューサに検出される。この時間遅延に基づいて、音波信号が分離されるため、媒体の速度によって変化する超音波信号を測定することができるようになる。前記送受信トランスデューサの送受信の切り替えと、逆方向への媒体の通流によって、媒体によって変化する信号間の伝搬時間差が測定され、それに基づいて、最終的に流速及び流量が推定可能となる。
【００１７】
前記切り替えの代わりに、２つの付加的コイルを用いてもよい。それらのうちの一方は受信トランスデューサとして送信トランスデューサのすぐ近くに配置し、他方は送信トランスデューサとして前記受信トランスデューサのすぐ近くに配置されている。とりわけ互いに近接して配置されるコイルの導体路は相互に並列配置及び／又は上下配置することが可能である。切り替えられたトランスデューサを用いた測定では、スイッチング周波数は１０Ｈｚから２００Ｈｚの間の範囲、有利には５０Ｈｚから１００Ｈｚの間の範囲にある。ここでは多数の測定によって非常に高い精度を達成することが可能である。
【００１８】
本発明による流量計のさらなる実施形態によれば、さらに付加的に、オブジェクトの軸方向又は法線方向に沿って配向可能な静的または準静的な磁場を生成するように構成されている。このために前記流量計は永久磁石及び/又は電磁石を有している。永久磁石の使用が技術的にさほど困難ではないのに対して、電磁石は主に自動振幅調整に用いられる。電磁石は、オブジェクトの巻回、例えば管路の螺旋状の巻回によって生成されてもよいし、あるいは電流通流が可能な導体線路が巻回された強磁性材料からなる磁極片によって形成されてもよい。
【００１９】
有利には、測定信号の最適化のために、所定の利用に対し、高周波コイルの導体線路が、長手方向に対して垂直方向で、かつオブジェクトの周面方向に配向される。すなわち音響式流量計のセットアップは、例えば配管に対して次のように配向される。すなわち高周波コイルの単一若しくは複数の導体線路がオブジェクトの長手軸に対して実質的に垂直に延在するように配向される。これにより、媒体内に入力結合される縦波が、円形断面のパイプライン又は配管のもとで常にそれらの長手中心軸（パイプライン軸）において交差する。本発明において設けられる蛇行状の高周波コイル導体線路に対してこのことは、それらの長手区分が長手方向軸に対して垂直に配向されることを意味する。この場合往復する導体線路間の狭い移行は無視できる。特にこれらの複数の導体線路は巻線として構成可能であり、この場合の誘導コイルは、"伝統的"に巻回されたコイルである。
【００２０】
有利には、本発明による装置の送信トランスデューサとして機能するトランスデューサは、「バルク」波の生成、すなわち、バルク音響波、特にバルク剪断波の生成のために設計されている。しかしながら強磁性ではない導電性材料の場合でも、トランスデューサをバルク縦波の生成に適した設計にすることが可能である。
【００２１】
特に均一な超音波は、送信トランスデューサをｎ次のラム波を生成するように設計することで達成される。この場合前記ｎは、０以上の整数である。ゼロ次のモードかそれよりも大きい数値のモードの使用、特にｎ＝０.１又は２であるモードの利用は、特に水性、油性、ガス状の媒体の流量測定に適し、縦波の有意な形成に特に好適であることがわかっている。トランスデューサの周波数整合によって、所望の最適なモードを設定することが可能である。
【００２２】
比較的小さくて特に管状の形態を有し、好ましくは５ｃｍ未満の直径を有するオブジェクトに対してトランスデューサは、伝播波からたわみ波の形態を生成するように具体的に設計することができる。
【００２３】
トランスデューサの設計とは、とりわけトランスデューサの調整すべき周波数と、静的（または準静的）磁場の配置と、単一若しくは複数の導体線路の配置とを意味するものと理解されたい。ラム波および剪断波を生成するための高周波トランスデューサの設定調整は、特に、超音波が発生されるべきオブジェクトの壁の厚みに依存して行われる。
【００２４】
音響式流量計は、一般に、送受信トランスデューサの他に、上述したようなオブジェクトの磁化のための装置と、励起のための電子部品と、信号評価を含む電子受信機器とを有し得る。送受信トランスデューサは、単一の高周波誘導コイルによって実現することができる。また、流量計は、個々のネットワークデバイス、コンピュータまたはその他の指示ないし表示ユニットを接続するためのインターフェイスも有し得る。
【００２５】
有利には、高周波コイルは、超音波を生成するために、２０ｋＨｚから５０ＭＨｚの周波数範囲、より好ましくは５０ｋＨｚから３ＭＨｚの周波数範囲で動作可能である。特に、壁の厚みが１ｍｍ未満の場合には、３〜５０ＭＨｚの周波数が有利である。それに対して１ｍｍ〜１０ｍｍの典型的な壁の厚みに対しては、２０ｋＨｚから３ＭＨｚの間の周波数が有利である。この領域では、強磁性かまたはスチールを含む複数のパイプライン材料に対して、特に５〜２０ｋＡ／ｍの範囲の磁場強度のもとで超音波の励起が可能である。
【００２６】
オブジェクト内でより良好な超音波を生成するために、本発明のさらに別の実施形態によれば、送受信トランスデューサのオブジェクトに面する側が湾曲に形成される。それにより例えば完全に若しくは均等な僅かな間隔で、湾曲形態の管外壁若しくはそのコーティング部分に導くことができる。ここでの目的は、オブジェクトに当接させる場合若しくはオブジェクトに近接配置する場合に、その表面に面するトランスデューサの側の少なくとも実質的に平行な配向であり、それによって、一般的に、前記表面に面する側に平行に延在するトランスデューサの導体線路を得ることである。
【００２７】
前記送受信トランスデューサのさらに改善された実施形態によれば、配管に当接するような構成及び／又は配管に巻き付けるようなラッピング構成が可能である。そのようなケースでは、例えば、配管は、定常的な流量計が巻き付けられるか若しくは含まれた構成で実現される。完全に巻き付けられる形態では、超音波は管の全周に沿って生成することができ、したがって、縦波が完全に媒体に入力結合され、管断面全体を伝播し得る。すべての側面からの入力結合と、管路内部空間における対向側への縦波の拡がりが二重にカバーされることによって、高周波誘導コイルを用いた管路内部空間の完全な検出に対しては、管路に対する半分の巻き付け量で既に十分となる。
【００２８】
有利には、前記送信トランスデューサ及び／又は受信トランスデューサは、オブジェクトの周囲に巻き付けるべき、若しくは取り囲むように設置すべき複数の導体線路を用いて構成される。このことは、装置の低コストで且つ簡単な構成を可能にすると同時にオブジェクト周囲の完全な検出も可能になる。これによって従来技術とは異なった、管路内部空間全体のカバーが可能になる。導体線路の湾曲は、有利には、整合性の向上のためにも可変である。また、オブジェクトの完全なとりわけ多重的な巻き付けによって、蛇行状の導体線路の短い移行部分に基づくエッジ波の障害的な影響を最小化される。オブジェクトを導体線路でエッジ作用を伴わせずに３６０°巻き付けることは、干渉信号の回避につながる。
【００２９】
本発明による流量計の適応性は、例えば送受信トランスデューサの少なくとも一部を可撓性に、すなわち曲げやすく構成することでさらに高められる。これによりオブジェクトの種々異なる外径や形態に容易に整合可能になる。例えばこれは有利には、配管に少なくとも部分的に巻き取り可能である導電線路やフラットケーブルを備えたフィルムであってもよい。流量計の保持装置は、前記フィルムやフラットケーブルのそれぞれ２つの側面を収容する相互に旋回可能なアームを有し得る。この場合特に頻繁に使用されるのは、フィルムよりも通常は耐熱性の高い公知の安価なフラットケーブルである。
【００３０】
例えばフィルム状の高周波誘導コイルの導体線路は、蛇行状に形成することも可能である。それらはまた、管路の周りに螺旋状に巻かれてもよい。ここで言う蛇行状とは、それぞれ平行に隣接する導体線路の電流方向が（検査すべきオブジェクトの周面方向で）相互に対向的に配向されることを意味する。前記導体線路として、例えば、隣接する導体線路の通電方向が交番するように導線が終端部側で相互に接続されている多芯フラットケーブルが挙げられる。
【００３１】
本発明に係る流量計は、とりわけ２対の送受信トランスデューサが設けられている。それにより送信トランスデューサから受信トランスデューサへの切り替えなしで二対間での伝送が可能である。これに対して、各対のトランスデューサの導体線路は、好ましくは、相互に平行に配設され、上下に若しくは左右に隣接して配置される。
【００３２】
媒体が流れる前記管路ないしオブジェクトの内部自由空間のフルカバーについては、前述したように、送受信トランスデューサが管路の対向側に対して位置付け可能であり、それぞれが管路周面の１８０°の範囲をカバーしている。これにより、管路内の自由断面のフルカバーが可能である。
【００３３】
送受信トランスデューサの簡単な位置付けのために、相互に接続され旋回可能なアームが設けられこのアームを介してオブジェクトへのクランプが実行されるようにしてもよい。
【００３４】
有利には、管路の内部自由空間全体をカバーする流量計の適用のもとで、評価装置が媒体内のバブル、例えば水性媒体内の気泡を検出し、及び／又はサイズ確定を行うように構成される。ここでの例えば信号振幅の監視と評価は、気泡の存在のみでなく、気泡の大きさ（これは評価信号中の振幅減衰として反映される）も確定し得る。
【００３５】
ラム波生成のための流量計の有利なセットアップによれば、流量計が補足的に壁厚を測定するように（有利には分散曲線の評価によって）、及び／又は、超音波信号に基づき媒体圧力を測定するように構成されている。それにより、受信した流量信号が周辺条件の変化に伴って自動的に最適化されるようになる。圧力測定に対しては特に、伝播速度に対する圧力の依存性が利用される。音速の変動は、周波数整合を用いることによって追従制御できる。その他の一定のパラメータ、例えば温度などを前提条件にすれば、設定した周波数が圧力に対する尺度として利用できる。
【００３６】
本発明による構成に基づいて可能になる数ミリ単位のごく僅かな離間距離と、それに関連するオブジェクトからの本発明による流量計の機械的な分離とによって、１８０℃以上の高温、有利には３５０℃以上の高温のオブジェクトの測定が実施可能になる。さらに送受信トランスデューサが、１８０℃以上の高温、有利には３５０℃以上の高温のオブジェクト内の無接触の測定ができるように適切な材料を用いて耐熱的に設計されている。
【００３７】
本発明に係る装置は、有利には単独の操作者によって携帯可能であり、そのため５０ｋｇの重さ、好ましくは２５ｋｇの重さを超えることはないので、本発明のさらなる実施形態では、モジュール式に構成することができる。以下に述べる流量計ないし測定装置は、その送信及び／又は受信トランスデューサが恒久的にオブジェクトに配置可能であり、それらが流量測定のために操作者によって携帯可能な駆動及び評価ユニットに接続することができるものであることを理解されたい。また前記流量計はさらに、静的又は準静的な磁場を生成する装置も含むことができる。
【００３８】
そのため、例えば複数の導体線路が配管に設置されたままか配管の周りに巻き付けられたままでよく、既に巻き付けられた複数の配管における迅速な測定のためのコストが、従来技術と比べて大幅に減少されたものになる。
【００３９】
本発明のさらなる利点及び詳細は、以下の図面の説明からも明らかとなる。これらの図面には模式的な方法が示されている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】従来に係る流量計の断面図
【図２】図１による図面において本発明の一部を示した図
【図３】コーティングされたオブジェクトに本発明を適用した図
【図４ａ】本発明のさらなる実施例の部分を示した図
【図４ｂ】本発明のさらなる実施例の部分を示した図
【図５】本発明のさらに別の適用例を示した図
【図６】本発明のさらに別の適用例を示した部分図
【図７】本発明のさらに別の適用例を示した部分図
【図８】本発明の送受信トランスデューサの構成例を示した図
【図９】本発明の送受信トランスデューサの構成例を示した図
【図１０】本発明の送受信トランスデューサの構成例を示した図
【図１１】本発明の送受信トランスデューサの構成例を示した図
【図１２】本発明の送受信トランスデューサの構成例を示した図
【図１３】様々な磁場形成に関する本発明の種々のセットアップを示した図
【図１４】様々な磁場形成に関する本発明の種々のセットアップを示した図
【図１５】様々な磁場形成に関する本発明の種々のセットアップを示した図
【図１６】様々な磁場形成に関する本発明の種々のセットアップを示した図
【図１７】自動整合機能を備えた本発明の基本原理図
【図１８】図１７による本発明の動作に対する機能フローチャート
【図１９】本発明の全体構成図
【図２０】本発明の全体構成図
【図２１】本発明による方法の機能フローチャート
【図２２】本発明のさらなる構成図
【００４１】
発明を実施するための形態の説明
これらの図面では、同一または類似の作用部分には、それが適切である限り、同一の符号が付されている。以下の明細書では説明する個々の技術的な特徴は、前述してきた例示的な実施形態と共に、本発明のさらなる改善につなげることが可能である。
【００４２】
図１には、媒体、特にガス又は液体の流れＦの測定のための従来技法から公知のセットアップが示されており、ここで破断して示されているのは配管１である。圧電式超音波トランスデューサ２は、並びに圧電式超音波トランスデューサ３は、送信トランスデューサとしてだけでなく、受信トランスデューサとしても機能し得る。例えば、送信トランスデューサ２からは、超音波信号がくさび形音響結合器４を介して所定の角度φ１（これは配管表面に対する垂線との間で測定されたもの）のもとで管壁部６に入力結合される。超音波が管壁部６内をビーム状に伝搬することを前提に、この音波は管内側７に到達し、そこからは所定の角度φ３のもとで媒体内に入力結合する。その状態で縦波として入力結合された音波は媒体の流れによって変化し、図中下方の管壁部の内側に到達する。管内壁の周方向に対して管内壁の対向側の入力結合箇所は、Ｆ方向に向けられる波動ベクトル成分に基づいて、軸方向にずれている。この下側でもさらなる別の音響結合器９まで、管壁部６内部に向けた入力結合が行われる。この結合器９を貫通して、媒体の影響を受けた超音波信号が、このケースでは受信トランスデューサとして機能する変換器３に到達する。別の動作モードでは、この受信トランスデューサ３は、次のステップにおいては送信トランスデューサとして機能し、今度は受信トランスデューサとして機能する変換器２の方向に結合手段９を介して超音波を発する。このセットアップで機能する構造に対しては、結合手段４ないし９と管壁部６との間の遷移区間の離間距離Ｌが重要である。これらの２つの音響結合器相互の間隔の僅かなずれは、信号の減衰や完全な逸失につながりかねず、測定結果の悪化や測定結果が全く得られないことにつながる。
【００４３】
図２には、本発明による音響式流量計が（部分的に）示されている。この図では送受信トランスデューサとして機能する第１のトランスデューサ１１の他に、送受信トランスデューサとして機能するさらなるトランスデューサ１２が示されている。これら２つのトランスデューサ１１及び１２は、高周波誘導コイルとして構成されている。２つの高周波誘導コイル１１，１２は、管壁部６の外表面１３近傍領域内に渦電流を誘起する。これらの渦電流は、図２の本発明による実施例において、磁極片状の２つの永久磁石１４と１５から管壁部６内に生成された静磁場と相互作用する。この相互作用によって管壁部内では、配向された超音波が生じる。そのような超音波１６は例えばバルク剪断波として構成され、流れＦの方向に通流する媒体内に入力結合される。管内壁の対向側には、縦波が再び管内壁に入力し、そこで、受信トランスデューサとして機能する高周波誘導コイル１２によって検出される。この装置は、高周波誘導コイル１１及び１２に対する様々なセットアップと、永久磁石１４及び１５に対する様々なセットアップによって動作させることができる。このことは既に詳述してきたが以下の明細書でもさらに説明する。
【００４４】
既に図２でも示したように、結合媒体の使用は必ずしも重要ではない。これにより、管路の近傍への若しくは管路へのトランスデューサの設置が容易になる。送受信トランスデューサと管路壁部６との間の可能な離間又は断熱層の使用によって、非常に高温の管路上でも測定が可能になる。
【００４５】
図３にはコーティング層１７を備えた管路壁部６の測定構造の概略図が示されている。このコーティング層は、従来技術において必要であったように、管路壁部６内での超音波の発生のために除去される必要はない。したがって、コーティングされた管路を通る流れの測定が簡単に実施できる。
【００４６】
送受信トランスデューサは、可撓性のトランスデューサとして、例えば電気的な導体線路を用いて形成することができる。この導体線路は例えば図４ａによれば、コーティングされた管路の周りに巻き付けることができる。図４ａによる本発明による流量計は、導体線路１８及び１９を含んだ２つの送受信トランスデューサを有している。これらの導体線路はそれらによる管路の完全な巻き付けに基づいて自由な管路導体断面を二重に覆う。そのため管路内では全周に沿って（図４ｂを参照）管路内側から超音波が媒体内に入力結合され、対向する側に伝播される。図４ｂでは、これが全部で４つの双方向矢印８′によって表されている。このような完全なカバーは、従来技術において公知の不連続な離散的測定装置に対して測定精度を高め、特に乱流に適している。さらにまたこのような完全なカバーに基づいて信頼性の高い検出と、気泡の大きさの計算を行うことも可能である。
【００４７】
前記２つのトランスデューサ１８及び１９は、図４ａによるセットアップにおいて２つの磁石によって当該管路から離れた側で重なっており、これらの磁石は管路断面全体に亘って磁化を引き起こす。これらの磁石は管路全体をそっくり取り囲んでもよい。管路断面が大きい場合には、複数の磁石を周面方向で管路の周りに配置してもよい。
【００４８】
図５には、１８０℃以上の高温の管路壁部６においても信頼性の高い流量測定を実行することのできる、本発明の利点が示されている。これに対しては、管路の外表面１３とトランスデューサないし流量計との間の間隔ａは、有利には０.１ｃｍ〜５ｃｍの間、より好ましくは０.１ｃｍ〜１ｃｍの間である。
【００４９】
図２から図５においては、反対方向のパスに沿って伝播する超音波間の時間差を評価するのに対して、図６には本発明によるさらに別の装置が示されており、ここではドップラー原理に従って評価が行われる。この場合この装置は高周波誘導コイルの形態の唯１つのトランスデューサを備えている。このトランスデューサが送信トランスデューサとしても受信トランスデューサとしても機能する。ここでのトランスデューサは、評価電子系と共に、反射された超音波における可動する粒子に基づいて生じた周波数変化（ドップラー効果）を測定している。
【００５０】
乱流に対しては図７に示す測定方法とセットアップが利用可能である。特にここでは乱流に対して次のようなことを前提とする。すなわち乱流構造は所定の距離内では変化しないということである（いわゆる相関長）。送信および受信トランスデューサはそれぞれ、オブジェクト（この場合も配管）の長手方向で離間されて配置されている。２つのトランスデューサ対１１.１，１２.１及び１１.２，１２.２からは、乱流の識別特性が測定され、相互相関信号評価を介して時間遅延が検出される。この時間遅延は、媒体の流速Ｆないし搬送レートに対する尺度である。
【００５１】
図８〜図１２には、種々異なる巻線の配列構成や１つ若しくは複数の高周波コイルの設定構成が示されている。有利にはこれらの巻線ないしコイルは、可撓性の導体線路から形成され、例えば、オブジェクトの外周面に当接させるための可撓性のフィルムで包むことができる。これにより、柔軟性を伴う高周波誘導コイルは、管径が種々異なる多くの配管に適合可能になるという利点を有する。
【００５２】
トランスデューサは、例えば図１１に例示しているように、管の全周を覆うように形成されてもよい。この場合高周波コイルの導体線路２５の導体線路部分若しくは個々の巻線は、相互に蛇行状に配置されている。そのため管路の上方に示されているような通流方向が生じる。類似のトランスデューサは、図８にも示されているが、ここでのトランスデューサは、図１０に類似のように管路の一部の周面にわたってのみ延在している。図１０のトランスデューサは、図８とは異なり、管の曲率に適合されている。図８のトランスデューサは、断面が円形の管路には適していない。
【００５３】
コンパクトな流量計を構成するために、２つの導体線路２６，２７の重ね合わせが用いられてもよい（図９）。送受信トランスデューサは、相互に平行な導体線路部分を有するほぼ同一の管路領域に固定することができ、送受信トランスデューサ対を形成する。本発明に係る流量計は、有利には、２つの同一の送受信トランスデューサを有し、その場合の導体線路の構成は図９の構成に必ずしも対応している必要はない。それどころかここでは他の図面に示すような導体線路であってもよい。
【００５４】
導体線路の蛇行状の形態によって、一般に、軸方向において渦電流の通流方向に変化が生じ、このことは、所定の角度で管路内へ及び一部は軸方向に入力結合される超音波の形成を引き起こす。図中の破線の部分は、オブジェクトの見えない側での導体線路の延在方向を示している。また導体経路が蛇行状に延びている形態に代えて、周期的に交番する静的若しくは準静的磁場を用いることも可能である。そのような磁場は、例えば、Ｎ−Ｓ配向とＳ−Ｎ配向を有する永久磁石をそれぞれ交互に入れ替えて配置することで生成可能である。
【００５５】
図１２によれば、単一の導体路２８が管路の周囲に蛇行状ではなく螺旋状に巻かれている。この場合巻線における距離と、相互に隣接する個々の導体線路間の距離が有利には次のような大きさに設定される。すなわち、個々の巻線によって励起される渦電流領域間で比較的僅かな振幅が形成されるような大きさである。
【００５６】
図１３から図１６には、磁場を形成するための様々な構成を有する本発明による（概略的に若しくは部分的に示された）流量計のセットアップが示されている。これは通常、管路の表面に又はオブジェクトの軸方向に形成される。
【００５７】
図１３の実施例では、送信トランスデューサ１１が、永久磁石によって生成された磁場Ｂにおかれ、この磁場Ｂは管路１の軸方向に配向されている。図１４には、これとは代替的な本発明に係る流量計の構成が示されている。ここで印加されている磁場Ｂは、管路１の外表面１３に垂直に配向されている。ここでは、２つの永久磁石２０と２１のＳ極が外表面１３に向いている。これらの永久磁石２０，２１と管路の外表面１３との間に、送受信トランスデューサ１１および１２が設けられている。管路に対して平行な磁場の配向も管路に対して垂直な磁場の配向も、流量計の電磁石によって生成することができる。
【００５８】
図１５には、２つの電磁石２２及び２３によって管路長手方向に配向される磁場が形成される配向例を示す。従ってここでの磁場は電磁石の長手方向に形成されている。
【００５９】
電磁石のさらなる構成は図１６に示されている。これは、例えば、管路１の周りに巻回可能な導体線路２４によるものである。この導体線路には相応に直流電流又は低周波交流電流が供給される。このようなケースでは高周波誘導コイルは、図１５に示すように、管路と磁石の間に配置され、磁石の極間に置くことができる。また簡単に、図１６に示されているような導体線路２４の巻線上で巻回されていてもよい。
【００６０】
本発明によれば、音響式流量計は次のように構成可能である。すなわち、オブジェクト内、例えば図１７に示された管路１内への複数の入力結合箇所間の可変の間隔Ｌが、自動的にかつ電子的に補償されるように構成可能である。
【００６１】
トランスデューサの正確な位置付けは必ずしも必要なく、トランスデューサを駆動している周波数の整合を介して適応化が行われるだけである。図１７には、２つの異なる周波数ｆ１，ｆ２に対するそれぞれの超音波のパスが示されている。周波数ｆ１で生成された超音波は所定の角度φ２１で管路壁部６内へ入力結合し、さらに所定の角度φ３１で媒体内へ入力結合する。同様に周波数ｆ２によって生成された超音波には所定の角度φ２２とφ３２が付されている。周波数を変化させることによって、受信トランスデューサ１２における最適な受信のためのビームの配向調整が実施できる。
【００６２】
図１８の概略図に従って自動的に行うこともできる周波数整合によれば、例えばそれ自体変化している媒体や温度変動若しくは圧力変動に起因する媒体内の音速の変化も補償することができるようになる。さらに、ラム波の所期の励起によって軸方向でオフセットされた複数の縦波を管路内で生成することができる。それにより十分に正確な受信信号が軸方向でずらされて配置されている受信器で得られる確率が高められる。
【００６３】
測定期間中に交互に実施される図１８に示されたフィードバックループを介して信号強度が適合化され、場合によっては改善される。ここでは最適な信号が検出される（"自動アライメント"）。
【００６４】
以下では、信号を適合化するための本発明による方法を説明する。送信トランスデューサ１１は、バースト発生器ないしは周波数発生器と増幅器を介して動作する。受信トランスデューサ１２で受信された信号は、流速を算出するために使用される。前記フィードバックループでは、実際の測定の間、またはその一部において時折「周波数掃引」が始まる。送信トランスデューサから出力される複数の周波数の中から、最適な受信信号を導く周波数が抽出される。
【００６５】
本発明に係る流量計の部分構造は、図１９及び図２０にも示されている。ここでは磁場発生器は示されていない。図１９によれば、流量計の２つの保持部３０，３１が、管路１の周囲に配置できるように構成されている。それらは有利には、可変の直径を備えたホースクランプないしマウントである。管路１内ではトランスデューサ３５及び３６を用いて、符号３２で示すような超音波が生成される。関連する永久磁石は、図１９及び図２０の実施形態では前記トランスデューサ３５，３６のハウジング内に設けられている。
【００６６】
送信トランスデューサ３５によって生成された信号は、受信トランスデューサ３６によって受信され、電子ユニット３３に転送され、そこで信号処理が行われる。引き続きそこからはこの信号がネットワークに供給され得る。また、本発明による流量計は、情報を表示するディスプレイを備えていてもよい。１８０℃以上、有利には３００℃以上の高温領域での使用の場合には、前記送受信トランスデューサ３５，３６は、保持部３０，３１を用いて付加的な支持システム３４に取り付けられる（図２０参照）。これにより、前記トランスデューサ３５，３６は、管路から離され、機械的にそこから分離されて保持される。それ以外は図１９に示す構造と同じである。
【００６７】
本発明による方法の完全な処理フローは図２１に示されている。ここでは、流量の検出のために、周波数発生器と増幅器を介して信号が送信トランスデューサに送出され、この送信トランスデューサは前述のセットアップによって超音波を発生する。図示のセットアップは、並列して管路の全周に亘って巻き付けられた２対の送受信トランスデューサである。受信トランスデューサによって受信された信号は、プリアンプに転送される。プリアンプからの信号は、重畳周波数受信器に転送される。下流の積分器では、信号検出器、例えば直交振幅変調器によって検出された信号が増幅されて振幅計算と位相計算のために使用される。超音波の位相計算からは流速が得られる。それに対して振幅評価からは液体中の気泡の検出を行うことができる。
【００６８】
図２２には、本発明に係る流量計のさらなる構成が示されている。ここでの送信トランスデューサは、ラム波４０を生成するように設計されている。ここでの圧力波ないし剪断波は、ガイド波としてオブジェクト内に伝播される。その結果として、非常に均一に内部自由空間を伝播する複数の縦波４１が生じる。このような複数の縦波によって、本発明による流量計は、送信トランスデューサから受信トランスデューサまでの離間距離に関して特に不感となる。トランスデューサの設計は、図２２の実施例の場合には、特にオブジェクトの壁厚ｂに依存して行われる。つまりトランスデューサの高周波はオブジェクトの壁厚ｂに依存して適合化される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ−４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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2014510920.tif 000026
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