(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝搬時間差式超音波流量計で流速を測定する装置であって、
第１の超音波素子用の第１コネクタ、
第２の超音波素子用の第２コネクタ、
インパルス信号を前記第１コネクタに送る送信器、
前記第１コネクタに接続されたＤ／Ａ変換器、
前記第２コネクタに接続されたＡ／Ｄ変換器、
測定信号を記憶するコンピュータで読み取り可能なメモリ、
前記インパルス信号に対する応答信号を、前記第２コネクタから受信する受信器、
前記受信した応答信号の一部分又は前記受信した応答信号から導出された信号の一部分を選択する選択部、
前記応答信号を時間反転し、反転信号を得る反転部、且つ、該反転部は、受信された応答信号を記録したサンプルの順序を逆にすることで、前記応答信号の選択部分を時間反転し、前記反転信号を得ることを含み、
前記応答信号又は前記応答信号から導出された信号の振幅をデジタル化することで、前記反転信号から測定信号を導出し、該測定信号を前記メモリに記憶する処理部、を備えた装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
前記第１コネクタ又は前記第２コネクタに接続可能な、前記測定信号を導出する測定信号生成器、及び、前記受信された応答信号から流速を導出する第２の処理部、を更に備え、
前記受信器は、前記第２コネクタからの前記測定信号に対する応答信号を受信するように構成されており、且つ、前記送信器は、さらに前記測定信号を前記第１コネクタに送信するように構成されている、装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置において、
Ｄ／Ａ変換器を備えたダイレクトデジタル信号シンセサイザ、及び
周波数制御レジスタ、標準発振器、数値制御式発振器、及び再構成ローパスフィルタを備え、前記Ｄ／Ａ変換器は再構成ローパスフィルタを経て前記第１及び第２コネクタに接続可能である装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置において、
前記第１コネクタに接続された第１の超音波トランスデューサ、及び
前記第２コネクタに接続された第２の超音波トランスデューサ、
を更に備えた装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置において、パイプの一部分を備え、第１の超音波トランスデューサが前記パイプの一部分の第１の箇所に取り付けられており、
第２の超音波トランスデューサが前記パイプの一部分の第２の箇所に取り付けられている装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は流量計に関し、特に伝搬時間差式超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、各種の流量計が、パイプを流れる液体や気体など流体の体積流量を測定するために使われている。超音波流量計としては、音響ドップラー効果を利用したドップラー式流量計や、超音波源と媒体の相対移動によって生じる伝搬時間差を利用した、伝送式流量計と呼ばれることもある、信号伝搬時間差式流量計が存在する。伝搬時間（travel time）は、タイムオブフライト（Time of flight）あるいはトランジットタイム（transit time）とも称される。
【０００３】
伝搬時間差式超音波流量計は、流れ方向及びその反対方向に伝搬する超音波パルスの伝搬時間差を評価する。各種の超音波流量計が、侵入（intrusive）式又は湿式流量計として知られるインライン流量計、または、非侵入式流量計として知られるクランプオン流量計として提供されている。その他の流量計として、ベンチュリ管方式、オーバフローシル（overflow sill）方式、レーダ式流量計、コリオリ式流量計、差圧式流量計、電磁誘導式流量計などの種類がある。
【０００４】
不規則な流量分布が存在する場合や開水路（open channel）では、平均流速を求めるために、１より多い伝搬路が必要になることがある。特にマルチパス方式の手順は、ＩＥＣ４１やＥＮ  ＩＳＯ  ６４１６などの流速測定規格に記載されている。更に別の応用として、超音波流量計は、例えば超音波ドップラー式流速計（ＡＤＣＰ）によって流量分布を測定するのにも使われている。ＡＤＣＰは、河川や開水域（open water）において水の速度や流出を測定するのにも適している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本明細書の目的は、一般には流体、特に水、油などの液体又は気体の平均流速あるいは流量分布を測定する改良型の伝搬時間差式流量計及びそれに対応した方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書による流量測定装置では、テスト信号及び測定信号を発信及び受信するために、圧電トランスデューサとしても知られる、圧電素子などの音響トランスデューサが用いられる。
【０００７】
また、音波送信器として、金属膜を励振して振動させるレーザや、単純なスピーカを備えてもよい。また、別の方法で圧力波を発生させることもできる。受信器側は、超音波を検出できれば、圧電トランスデューサと異なる他の手段を用いてもよい。
【０００８】
本明細書では「圧電トランスデューサ」という用語を多く用いるが、この用語は超音波を発生又は検出するその他の音波トランスデューサも意味する。
【０００９】
本明細書における測定信号は、整合フィルタによってモデル形成が可能である。プローブ又はテスト信号としてピークがシャープなインパルスが使われる場合、トランスデューサにおける受信信号は、流体の導管や流路でのインパルス応答となる。本出願によれば、インパルス応答の時間的な反転が、測定信号として、同じ流路を通して、逆方向又は同一方向に送信される。その結果、ピークを有する信号が、本来の発生源が存在する起点あるいは元の受信器において得られる。
【００１０】
時間的な反転は、いくつかの方法で実現できる。応答信号を記録するのにアナログ手段が使われる場合には、記録された応答信号を逆モードで再生すればよい。応答信号の各サンプルを記録するのにデジタル手段が使われる場合には、記録された各サンプルの順序を逆にすれば、反転信号が得られる。後者は、記録された各サンプルの時間スタンプの値を、それぞれの時間値に （−１） を掛けて反転することによって行える。得られた時間スタンプの各値を昇順で再生すれば、記録された各サンプルが逆の順序で再生される。すなわち、反転応答信号は、記録された応答信号が逆向きに再生されたものである。
【００１１】
本明細書による超音波流量計は、上記の反転信号又は同様の形状の信号を用いることで、超音波流量計に集束性を与え、空間及び時間両方において集束された応答信号を形成する。その結果、受信側の圧電素子でより大きい振幅が得られ、より優れたＳ／Ｎ比が得られる。
【００１２】
本明細書による超音波流量計では、上記の集束性は極めて一般的な条件下において得られる。例えば、集束性は、１つの超音波発振器だけを励起して、反転信号を振幅範囲で粗くデジタル化された信号にした場合でも、反転信号の時間分解能が充分であれば得られる。更に、本明細書による超音波流量計は、パイプに取り付け容易で、パイプの改造を必要としないクランプオン式トランスデューサでも使用可能である。
【００１３】
本明細書による流量測定方法では、測定信号の振幅に関するビット分解能を調整できる。特に、大きい振幅の応答信号が得られるように、ビット分解能を調整可能である。
【００１４】
一実施形態によれば、測定信号に対する応答信号の振幅を大きくするために、ビット分解能が高められる。一実施形態において、ビット分解能は予め決められた工程により高められ、最大の振幅を有する応答信号をもたらすビット分解能が選択され、対応する測定信号の表記がコンピュータのメモリに記憶される。
【００１５】
別の実施形態によれば、測定信号に対する応答信号の振幅を大きくするために、ビット分解能が減少される。一実施形態において、ビット分解能は予め決められた工程により減少され、最大の振幅を有する応答信号をもたらすビット分解能が選択され、対応する測定信号の表記がコンピュータのメモリに記憶される。
【００１６】
具体的には、ビット分解能は、１桁又は２桁などで記憶される分解能、特に、１個又は２個の２進数などで記憶される低ビット分解能でもよい。他の実施形態によれば、低ビット分解能は、最小で１ビット分解能、最大で６４ビット分解能とすることができる。
【００１７】
別の実施形態によれば、導管の壁厚の変化を求めるため、あるいは縦波及び横波の音波特性を測定して導管壁の素材特性を求め又は導くために、第１の応答信号が処理される。例えば、縦波及び横波の音波特性は、音波の異なる到着時間に対応する受信信号つまり応答信号の対応部分から導出し得る。
【００１８】
この実施形態では、流速を求めるのと、上記の素材特性を検出するのに、同じ応答信号を用いることができる。従って、汚れや素材欠陥などの影響を検出するために、別個の信号又は別個の装置を用いる必要がない。但し、別個の信号又は別個の装置を用いることもできる。更に、導き出された伝搬路特性は、流速をより正確に推定するために使うこともできる。
【００１９】
本明細書による超音波流量計においては、クランプオン式トランスデューサの連結性や方向性を良好にするための、あるいは、散乱を減少させるための技術的特徴が必要とされない。逆に、散乱が集束性を向上させることもある。散乱を増大させるために、液体やトランスデューサの屈折率に適合した連結材料を選択したり、より多くのせん断波を与えるトランスデューサ連結具を用いてもよい。
【００２０】
本明細書による流量計で使われる音波の周波数は、０．５ マイクロ秒（μs）の振動周期に対応する ２０ｋＨｚ超と２ＭＨｚとの間が好ましいが、８００ＭＨｚ程度の高い周波数でもよい。
【００２１】
多くの場合、超音波流量計は、可聴しきい値よりはるかに高い数百ｋＨｚ以上の周波数で作動する。伝搬時間差式超音波流量計の周波数は通常、ｋＨｚ又はＭＨｚの単位範囲である。
【００２２】
１の観点からすれば、本明細書は、流体導管又は流路中の流体の流速を、伝搬時間差式超音波流量計を用いて求めるための、コンピュータで実行される方法を開示する。特に本方法は、パイプ（管）やチューブだけでなく、排水路や灌漑路への応用など、開水路に関する用途にも使える。好ましい実施形態において、「コンピュータで実行される」とは、一般的にはワークステーションやメインフレームコンピュータより小さいサイズの、流体パイプに沿った必要箇所に設置可能な、可搬式もしくはコンパクトな固定デジタル信号処理装置で使用できるマイクロプロセッサ、ＡＳＩＣｓ、ＦＰＧＡｓなどの小規模電子構成要素において実行されることを意味する。
【００２３】
以下の説明において、用語「流路」、「導管」、「通路」、「パイプ」等は同義語として使われる。本出願の主題は、あらゆる種類の流体用導管に対して、それらの導管の形状や、それらの導管が開放されているか閉じられているか、もしくは全体に満たされているか部分的に満たされているかにかかわりなく、適用可能である。また本出願の主題は、あらゆる種類の流体又は気体に対して、それらが気体であるか液体であるか、もしくは両方の混合物であるかにかかわりなく適用可能である。
【００２４】
測定信号の生成フェーズでは、流体導管に対して所定の速度を有する流体、特に流体導管に対して実質上静止している流体が、流体導管に供給される。測定信号は、最初に与えられるインパルス信号に対して伝搬路が返信する応答信号から得られる。
【００２５】
インパルス信号は、例えば圧電トランスデューサである第１の超音波トランスデューサに与えられる。ここで、インパルス信号とは、特に短い時間に集中された信号エネルギーを有する信号を意味する。ある特定の実施形態において、インパルス信号は、１０〜２０以下の振動周期など、搬送波のわずかな振動周期の間だけ持続する。具体的には、インパルス信号の包絡線は矩形状でもよいが、その他の形状も可能である。例えば、インパルス信号は、１つの時間ピークつまり単一のインパルス、短い矩形バースト、又は鋸波状、矩形波状、チャープ（chirp） 、サイン波などその他任意の信号形状、もしくは１／ｆノイズとしても知られるホワイトノイズやピンクノイズなど所定のノイズバーストに対応するものであってもよい。本方法は、インパルス信号がほぼどんな信号形状でも機能する。
【００２６】
信号生成フェーズは、各測定毎に繰り返す必要はない。例えば、信号生成フェーズは、最初の測定の前と、それより後であって、沈殿、腐食及び熱応力などにより、流体導管の条件が変化した時点に実施することができる。
【００２７】
「較正フェーズ」という用語が、測定信号生成フェーズを指して使われることがある。しかし、これは全く正しくない。流量測定の場合、流量計は、流量の測定値と目標値が比較される較正装置に配置されるのが一般的である。それら２つの値間の関連因子が較正因子と呼ばれ、較正因子は、流量測定において特定できないハードウェア及びソフトウェア両方の誤差を含んでいる。本出願の主題においては、測定信号生成フェーズと較正フェーズを区別する方がより適切である。測定信号生成フェーズは、測定信号が使われた際、測定信号に対してシャープなピークを有する応答信号を生じさせる、測定信号を提供する一方、較正フェーズは、正確な流量測定をもたらす流量計を提供する。
【００２８】
本明細書による方法の下記の各ステップ：
−インパルス信号を、流体導管の第１の箇所に位置された第１の超音波トランスデューサに与えること、
−前記インパルス信号に対する応答信号を、前記流体導管の第２の箇所に位置された第２の超音波トランスデューサで得ること、
−前記応答信号から測定信号を導出すること、且つ該測定信号の導出は応答信号の一部分又は応答信号から導出され信号の一部分を選択すること、及び前記選択された信号部分を時間反転することを含むこと、
は、実際の信号を現実に実際の導管に与え、測定することで得られる。但し、インパルス信号がデジタル又はアナログ信号により与えられれば、インパルス信号に対する応答信号を第２の超音波トランスデューサで得るステップ、及び測定信号を導出するステップは、数値シミュレーション又はアナログシミュレーションによって得られることが判明している。それには、有限要素法ソフトウェアが使用可能である。
【００２９】
複数の圧電トランスデューサは、流体導管に配置される。すなわち、複数の圧電トランスデューサは、それぞれ流体導管に取り付けて配置可能である。第１の圧電トランスデューサは、流体導管周囲の第１の位置に取り付けて配置される。特定の一実施形態において、第１の圧電トランスデューサは流体導管の周囲にクランプ止めされる。インパルス信号に対する応答信号は、第２の圧電トランスデューサで受信される。
【００３０】
例えば圧電トランスデューサである第２の超音波トランスデューサは、流体導管周囲の第２の位置に取り付けて配置され、第２の位置は、第１の位置に対し導管の中心軸を通る断面に沿って、流体導管の長さ方向にずれている。ここで、流体導管の長さ方向は、流路を流れる平均流の方向に対応する。流体表面における反射及びその他の影響が望ましくないときは、流体導管が流体で完全に満たされる。
【００３１】
測定信号は、最初のインパルス信号に対する伝搬路の応答である応答信号から、アナログ的手段で又はデジタル的手段により導出される。測定信号の導出は、応答信号の一部分又は応答信号から導出された信号の一部分を選択すること、及び前記選択された信号部分を時間反転することを含む。またその導出は、測定信号をその後における使用のため、例えばデジタル化した形で、コンピュータで読み取り可能なメモリに記憶するステップを含んでもよい。その際、方法の各ステップは、異なる順序で実施可能である。例えば、信号の時間反転は、信号を記憶した後に行ってもよい。
【００３２】
流体が圧力、重力、パイプの傾斜などの外的条件に従い流体導管に対して移動する測定フェーズの間、測定信号が、圧電トランスデューサなどの第１及び第２の超音波トランスデューサの一方に与えられる。つまり、記憶した測定信号から導き出された電気信号が、上記トランスデューサに与えられる。
【００３３】
測定信号に対する第１の応答信号が、圧電トランスデューサなどの他方の超音波トランスデューサで測定され、流体の流速が、少なくとも第１の応答信号から導出される。具体的には、この測定は、上流又は下流両方向の伝搬時間を測定することを含む。速度の推定は、測定された伝搬時間と、例えば流体の温度を測定して得た現在の条件下における音速を考慮して較正した伝搬時間とを比較することによって得られる。別のステップにおいて、体積流量や質量流量を、流速や流速の分布から導出してもよい。
【００３４】
より正確な推定を得るため、測定は両方向、つまり各々が例えば圧電トランスデューサである第１の超音波トランスデューサから第２の超音波トランスデューサへの方向とその逆方向に行ってもよい。そのようにすれば特に、伝搬時間を音速として推定することが可能となり、また現時点における音速の信頼度の高い推定が可能になる。
【００３５】
本明細書による流量測定は、２つのトランスデューサを備えた構成だけでなく、図４３及び図４４の構成又は図４及び図５の構成などのように、２つよりも多いマルチトランスデューサの構成でも行える。具体的には、相互に対向して配置された一対のトランスデューサ又はマルチトランスデューサの構成によって流量測定を実施可能である。対のトランスデューサは、図４３に示すように導管の中心軸を通る平面に配置されてもよいし、図４４に示すように導管の中心軸に対してずれた平面に配置されてもよい。図４４の構成は、中心軸から所定の距離に位置する流体層における流速を求めるのに使える。
【００３６】
このように、測定信号を与えるステップと応答信号を測定するステップは、逆方向にも繰り返される。言い換えれば、先の受信器が送信器として使われ、先の送信器が受信器として使われ、各々が例えば圧電トランスデューサである２つの超音波トランスデューサのうち最初の他方の超音波トランスデューサから、最初の一方の超音波トランスデューサへと信号が送られ、第２の応答信号が得られる。流体の流速は、第１の応答信号と第２の応答信号から導出される。具体的には、この導出は下流及び上流両方向の伝搬時間を導くことを含む。
【００３７】
例えば圧電トランスデューサである１つの超音波トランスデューサから、例えば圧電トランスデューサである別の超音波トランスデューサへ測定信号を送ることができるが、流速又は流量測定を行う場合に、上記の送信を順方向と逆方向両方で行うのが有利である。
【００３８】
すなわち、その手順は次の通りである。
順方向：
−インパルス信号を、第１の超音波トランスデューサから第２の超音波トランスデューサへ送る、
−インパルス信号に対する応答信号を、第２の超音波トランスデューサで受信する、
−第２の超音波トランスデューサで受信した応答信号を時間反転し、測定信号を得る、
−測定信号を、第１の超音波トランスデューサから第２の超音波トランスデューサへ送る、
−測定信号に対する応答信号を、第２の超音波トランスデューサで受信する。
逆方向：
−インパルス信号を、例えば各々圧電トランスデューサである第２の超音波トランスデューサから第１の超音波トランスデューサへ送る、
−インパルス信号に対する応答信号を、第１の超音波トランスデューサで受信する、
−第１の超音波トランスデューサで受信した、インパルス信号に対する応答信号を時間反転し測定信号を得る、
−測定信号を、第２の超音波トランスデューサから第１の超音波トランスデューサへ送る、
−測定信号に対する応答信号を、第１の超音波トランスデューサで受信する、
−第２の超音波トランスデューサと第１の超音波トランスデューサで受信した応答信号間の時間差を測定する。この時間差は、例えば各々圧電トランスデューサである２つの超音波トランスデューサ間での流速に比例する。
なお、順方向での測定信号と逆方向での測定信号は異なるものであってもよい。簡単な構成とする場合には、同一の測定信号を使用できるが、通常、測定信号は各伝搬方向において特有の形状を有する。
【００３９】
本出願全体を通して、「コンピュータ」という用語がよく用いられている。コンピュータはラップトップやデスクトップコンピュータなどの装置を備えるものであるが、マイクロコントローラ、ＡＣＩＤｓ、ＦＰＧＡｓなどによって、信号の送信および受信も行える。
【００４０】
所定の層における流速を得るため、トランスデューサ間における想定接続線は流体導管の中心から幾何学的にずれていてもよく、また一対より多いトランスデューサを設けてもよい。さらに、測定信号を１より多いトランスデューサから与えること、及び測定信号に対する応答信号を１より多いトランスデューサで測定することの両方又は一方を行うようにしてもよい。
【００４１】
簡単な実施形態では、複数の受信トランスデューサからの応答信号を線形重畳して平均の応答信号が生成され、この平均の応答信号に上述した信号処理ステップを施して、測定信号が得られる。
【００４２】
さらに別の実施形態では、例えばＮ個の等しい数の送信および受信トランスデューサが設けられ、複数の送信トランスデューサの相対的な配置が、複数の受信トランスデューサの相対的な配置と同等にされる。Ｎ個の受信された応答信号がそれぞれ上述の信号処理ステップに従って処理され、Ｎ個の測定信号が各々得られる。
【００４３】
上記Ｎ個のトランスデューサは通例、例えばクランプオン式トランスデューサあるいは挿入式又は内部装着式トランスデューサとして配置される。一例として、図４３は８個のクランプオン式トランスデューサの配置を示し、図４４は８個の挿入式トランスデューサの配置を示す。図４３における８個のトランスデューサは、それぞれ導管の軸中心を通る４つの平面に配置されている。
【００４４】
図４４における８個の挿入式トランスデューサは、４つの平行な平面に配置されている。
【００４５】
トランスデューサ間における接続線は、トランスデューサの動作モードを示している。図４３の動作モードでは、各信号が第１のトランスデューサから、水導管の中心軸上の中心点を挟んで第１のトランスデューサと対向する第２のトランスデューサに送られる。
【００４６】
図４４の動作モードでは、各信号が第１のトランスデューサから、４つの平行な平面の１つ内で各方形配置の中心に位置する中心点を挟んで対向する第２のトランスデューサに送られる。
【００４７】
一実施形態によれば、応答信号のうち測定信号を導出するのに使われる信号部分は、応答信号の最大振幅の周囲の第１部分と、後続する信号部分とを含み、後続信号部分は最大振幅の到着時間より遅い時間側に延びている。後続信号部分は、ダイレクト信号の近傍における信号とは別の、他の反射から生じた信号も含み、さらに良好な集束をもたらすことができる。
【００４８】
より改善された測定信号を生成するために、インパルス信号を与えるステップ及び対応する応答信号を受信するステップは、一回行うだけでなく、複数回、少なくとも２回繰り返してもよい。繰り返すことによって、複数の応答信号が得られる。これら複数の受信された応答信号の平均から、測定信号が導出される。
【００４９】
一実施形態においては、測定が複数回繰り返されるが、超音波信号は一方向にだけ伝搬する。別の実施形態においては、超音波信号を両方向に伝搬させて、測定が複数回繰り返される。さらに別の実施形態においては、測定が両方向で複数回繰り返され、両方向についてそれぞれ別の平均が導出される。
【００５０】
更なる実施形態では、１つより多い受信信号からの測定信号の導出が、応答信号の包絡線又は応答信号から導出した信号の包絡線を求めることを含む。この場合、包絡線に基づいて振幅変調された信号である振幅変調振動信号が得られる。信号サンプルの代わりに、もしくはそれに加えて包絡線を用いることは、記憶スペース及び演算速度の点で有利である。
【００５１】
具体的には、変調振幅が、測定信号又はその一部分について求められた包絡線の形状を有してもよい。搬送波振動の振動周期は、少なくとも２０ｋＨｚである。別の実施形態では、周波数が少なくとも１００ｋＨｚ、少なくとも５００ｋＨｚ、あるいは少なくとも１ＭＨｚである。周波数の選択は散乱過程に影響を及ぼし、周波数が高いほど、導管壁のサンプリングがよりきめ細かくなり、ひいては超音波信号のより正確な形成を可能にすることがある。
【００５２】
更なる実施形態では、応答信号又は応答信号から導出した信号が、特に１ビットから８ビットの間の分解能で、振幅に関してデジタル化される。本明細書は、振幅を粗くデジタル化した場合でも、超音波信号の充分な集束が得られることを示している。低い分解能の使用が、演算時間及びメモリスペースを節約させる一方、より高い分解能は、導管を流れる流体の流量についてより正確な測定結果を必ずしも与えるものではない。応答信号又は測定信号の分解能の増減が、Ｓ／Ｎ比及び時間測定の精度を向上させるのに役立つことも判明している。分解能の減少は、測定信号に対する応答信号において、よりシャープな、つまり、より特徴的なピークをもたらす。これは、Ｓ／Ｎ比を高くするのに、測定信号の送信出力を大きくする代わりに、測定信号又は測定信号に対する応答信号の分解能を減少させてもよいことを意味している。
【００５３】
本明細書の別の観点によれば、流体導管つまりパイプ内の流体の流速を求める一部の方法において、伝搬時間差式超音波流量計の振幅変調測定信号又は振幅変調応答信号を用いてもよい。この方法では、信号生成フェーズのステップを必ずしも含まなくてもよいが、測定信号を得るために１回の信号生成フェーズのステップを用いてもよい。例えば、上記方法では、工場現場において予め生成した測定信号に依拠してもよい。その場合、例えば圧電トランスデューサである他方の超音波トランスデューサから送信された一連の発振を受信した、例えば圧電トランスデューサである一方の超音波トランスデューサからの時間反転された受信信号を、測定信号として生成することができる。
【００５４】
第１のステップでは、圧力、重力、パイプの傾斜などの外的条件下で流体導管に対して移動する流体が、流体導管に供給される。
【００５５】
第１の超音波トランスデューサは、流体導管の第１の位置に設けられる。例えば圧電トランスデューサである第２の超音波トランスデューサは、流体導管の第２の位置に設けられる。第２の位置は第１の位置に対して流体導管の長さ方向に沿ってずれており、流体導管の長さ方向は流体路の流体流方向に対応している。
【００５６】
測定信号は，例えば各々圧電トランスデューサである第１又は第２の超音波トランスデューサに与えられる。具体的には、振幅変調信号から導出された電気信号が、当該トランスデューサに送信可能である。
【００５７】
測定信号に対する第１の応答信号が、例えば圧電トランスデューサである他方の超音波トランスデューサで測定され、流体の流速が第１の応答信号から導出される。具体的には、この導出は下流又は上流方向の伝搬時間を導くことを含む。
【００５８】
前述の方法と同じく、測定を逆方向にも繰り返し下流及び上流両方向の伝搬時間を得ることで、より高い精度が達せられる。図４３及び図４４に示したように、例えば、平均フローをより正確に推定したり、流体導管の中心軸から所定の距離にある平面におけるフローを推定するために、Ｎ対のトランスデューサを用いることもできる。
【００５９】
具体的には、測定信号を与えるステップと応答信号を測定するステップとが逆方向に繰り返されて第２の応答信号が得られ、流体の流速が第１の応答信号および第２の応答信号から導出される。ここで、その導出は、下流及び上流両方向の伝搬時間を導くことを含む。
【００６０】
これらのステップは、各測定の前に装置の調整を行わずに複数の測定がなされる点を除けば、前述した方法のステップと非常に類似している。
【００６１】
下記の特徴は、各測定前における信号生成フェーズを含む方法および信号生成フェーズを含まない方法の、両方の方法に当てはまる。
【００６２】
更なる実施形態によれば、測定信号の振幅又は応答信号の振幅が、所定数の振動、例えば搬送波の５以上の振動周期にわたって、最大の振幅に高められる。振幅が所定の時間にわたって高められると、例えば圧電トランスデューサである超音波トランスデューサの反応時間における慣性が測定に及ぼす影響を減らすことができる。
【００６３】
１つの特定の実施形態では、測定信号又は応答信号が、搬送波信号の少なくとも５個の振動周期にわたり、最大振幅まで指数関数的に増大する。
【００６４】
更なる実施形態によれば、測定信号は先行部分を含み、この先行部分は測定信号の信号最大値の半値幅の複数倍の時間にわたって延びており、かつ、信号最大値の半値幅の少なくとも１つ分の領域だけ時間が先行している。
【００６５】
さらに別の実施形態によれば、測定信号が先行部分を含み、この先行部分は、受信信号のうち受信信号の信号最大値から時間的に後に続く後続部分から導出されたものである。
【００６６】
上記先行部分は、受信信号の信号最大値周囲において信号最大値の半値幅の少なくとも３倍にわたって延びている。
【００６７】
更なる実施形態によれば、上記先行部分は、測定信号の信号エネルギーの少なくとも１０％もしくは少なくとも５０％を含む。
【００６８】
信号Ｓ（ｔ）のある時間間隔における信号エネルギーＥは、下記式１
【数１】
0006682500.tif 000002
又は、その離散的表現である下記式２
【数２】
0006682500.tif 000003
によって定義できる。ここで、時間間隔は、［Ｔ１，Ｔ２］又は［−ｍ×Δｔ，ｎ×Δｔ］によってそれぞれ与えられる。
【００６９】
測定信号の先行部分は、空間及び時間においてピークとなる信号の生成に顕著に寄与することがある。
【００７０】
一部の特定の実施形態において、測定信号又は応答信号は、例えば１ビットから８ビットの間の分解能で振幅に関してデジタル化された振幅変調振動信号とすることができる。これは演算速度及びメモリスペースの点で有利であり、ひいては信号ピークを高めることにもなる。
【００７１】
更なる実施形態では、トランスデューサに与えられる測定信号が、所定の振幅かあるいは無振幅つまりゼロ振幅を与える０−１変調に従って変調された振動信号であってもよい。
【００７２】
具体的には、振幅変調された測定信号は、流体導管に対して所定の速度を有する流体又は流体導管に対して実質上静止している流体が流体導管に供給される信号生成フェーズに基づいて測定された応答信号から導出してもよい。
【００７３】
インパルス信号が、例えば圧電トランスデューサである第１の超音波トランスデューサに与えられ、そのインパルス信号に対する応答信号が、例えば圧電トランスデューサである第２の超音波トランスデューサで受信される。
【００７４】
測定信号は、応答信号から導出される。測定信号の導出は、応答信号の一部分又は応答信号から導出された信号の一部分を選択すること、及びその選択された信号部分を時間反転することを含み、デジタル化された測定信号は、後で使用するためコンピュータで読み取り可能なメモリに記憶可能である。
【００７５】
１つの特定の実施形態においては、測定信号又は応答信号の包絡線の振幅を、測定信号の先行信号部分から最大の振幅まで少なくとも１桁倍大きくすることができる。先行信号部分は、信号の最大値よりも時間的に先行する部分である。すなわち、先行信号部分は先に送信されたものとなる。更なる実施形態では、振幅が少なくとも２桁倍さらには少なくとも３桁倍増大される。
【００７６】
別の視点によれば、伝搬時間差式超音波流量計において流速を測定する装置が開示される。この装置は、第１の圧電素子と接続する第１コネクタと、第２の圧電素子と接続する第２コネクタと、第１コネクタと接続される任意のデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）と、第２コネクタと接続される任意のアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）とを備える。
【００７７】
また上記装置は、コンピュータで読み取り可能なメモリと、電子タイマーまたは発振器と、インパルス信号を第１コネクタに送る送信器と、インパルス信号に対する応答信号を第２コネクタから受信する受信器とを備える。
【００７８】
さらに上記装置は、受信した応答信号から測定信号を生成する手段、例えば、受信した応答信号の一部分又は受信した応答信号から導き出した信号の一部分を選択する選択部や、応答信号の上記選択部分を時間反転して反転信号を得る反転部を備える。任意の構成要素として、望ましくない信号成分を取り除く帯域フィルタを設けてもよい。少なくとも上記反転信号から測定信号を導出し、その測定信号をコンピュータで読み取り可能なメモリに記憶する処理部も設けられる。
【００７９】
さらに上記装置は、流速を測定する手段を備える。送信側には、第１コネクタ又は第２コネクタに接続可能な測定信号生成器と、測定信号を第１コネクタに送るＤＡＣや両コネクタなどの送信手段とが設けられる。受信側には、測定信号に対応する応答信号を第２コネクタから受信する受信器と、受信した応答信号から流速を導出する速度処理部とが設けられる。尚、本明細書において、「流れの速度（velocity of flow）」、「フロー速度（flow velocity）」、及び「流速（flow speed）」という用語は同義で使われる。
【００８０】
上記装置は、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、コンピュータ読み取り可能メモリを含まないアナログ装置としてもよいが、デジタルコンピュータシステムで上記装置あるいはその各部を構成することも可能である。
【００８１】
すなわち、速度処理部、選択部、及び反転部など各種の信号処理部は、全体的に又は部分的に、特定用途向けの電子部品もしくはコンピュータで読み取り可能な命令セットを有するプログラムメモリとしてもよい。同様に、送信器側の測定信号生成器及びインパルス信号生成器も、全体的に又は部分的に、特定用途向け電子部品でもよいし、もしくはコンピュータで読み取り可能な命令セットを有するプログラムメモリに含めてもよい。
【００８２】
別の実施形態によれば、上記装置は、上記ＡＤＣを含むダイレクトデジタル信号シンセサイザ（ＤＤＳ）を備える。ＤＤＳは、周波数制御レジスタ、標準発振器、数値制御発振器、及び再構成ローパスフィルタを備える。さらに、上記ＡＤＣは再構成ローパスフィルタを経て第１及び第２コネクタに接続可能である。
【００８３】
特にデジタル信号シンセサイザは、コンピュータで読み取り可能なメモリを含むメモリ部に記憶された所定のアルゴリズム又は所定の値を用いて、測定信号などの信号を合成するように構成可能である。信号は例えば、直接的な信号生成又はＤＤＳ（ダイレクトデジタル合成）によって生成可能である。
【００８４】
また本明細書は、第１コネクタに接続された第１の圧電トランスデューサと、第２コネクタに接続された、例えば圧電トランスデューサである第２の超音波トランスデューサとを備えた流量測定装置を開示する。具体的には、例えば圧電トランスデューサである両超音波トランスデューサは、クランプ止め機構など、それらをパイプに取り付けるための取り付け領域を備えてもよい。
【００８５】
さらに本明細書は、パイプ部を含む流量測定装置を開示する。例えば圧電トランスデューサである第１の超音波トランスデューサがパイプ部の第１の位置に取り付けられ、例えば圧電トランスデューサである第２の超音波トランスデューサがパイプ部の第２の位置に取り付けられる。具体的には、両トランスデューサがパイプ部にクランプ止めされてもよい。パイプ部を含む装置を提供することは、装置をパイプ部に関して予め較正しておくことができるため有利となる。
【００８６】
本装置は、コンパクトかつ可搬式に構成できる。クランプオン式トランスデューサなど表面装着可能なトランスデューサを備えた本発明による可搬装置は、アクセス可能などんな箇所にあるパイプをチェックするのにも使える。一般的に、本装置は固定式又は可搬式のどちらでもよい。本装置は、必要な箇所に設置できるよう充分にコンパクトであるとともに、湿度、熱及び腐食性物質などの環境条件に対して充分に保護されることが好ましい。
【００８７】
さらに本明細書は、本明細書による流量測定方法を実行するためのコンピュータで読み取り可能なコード、このコンピュータで読み取り可能なコードを記憶するコンピュータ読み取り可能なメモリ、及び本明細書による方法の各ステップを実行するように動作可能な特定用途向け電子部品を開示する。
【００８８】
具体的には、特定用途向け電子部品は、例えばＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリなどの上記コンピュータで読み取り可能なメモリを含む電子部品でもよい。他の実施形態によれば、特定用途向け電子部品が、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）やフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）など、配線接続された部品又は再構成可能な回路を備えた部品を備えてもよい。
【００８９】
別の実施形態において、本明細書による特定用途向け電子部品は、例えば、マルチダイ（チップ）構成で適切にプログラムされたＥＰＲＯＭに接続されているＦＰＧＡなど、複数の相互接続された電子部品を備える。特定用途向け電子部品の他の例は、プログラマブル論理アレイ（ＰＬＡ）やコンプレックスプログラマブル論理装置（ＧＰＬＤ）などのプログラマブル集積回路である。
【００９０】
既製品のテスト装置が、本出願に従って流体導管内における流体の流速を測定しているかどうかを判定することが有用である。そのためには、流体導管に対して所定の速度を有する流体を、流体導管に供給する。テストインパルス信号を、例えばテスト装置の圧電トランスデューサであって、流体導管の第１の位置に取り付けられた第１の超音波トランスデューサに与えた後、そのテストインパルス信号に対するテスト応答信号が、例えば流体導管の第２の位置に取り付けられた圧電トランスデューサである、テスト装置の第２の超音波トランスデューサによって受信される。
【００９１】
次いで、テスト測定信号が上記応答信号から導出される。このテスト測定信号の導出は、信号を時間反転することを含む。その後、テスト測定信号が、例えば各々圧電トランスデューサである第１及び第２の超音波トランスデューサの他方から発信される測定信号と比較される。この測定信号は、メーカーからの供給時に、テスト装置をしばしば管に取り付けた状態で製造した後、工場で１回生成させた測定信号に基づく、テスト装置が有する信号である。
【００９２】
テスト装置が本出願に従って流体導管内における流体の流速を求める方法を使用している場合、上記テスト測定信号と上記測定信号は同じである。言い換えれば、テスト測定信号と測定信号が同じになるまで、テスト信号を選択し、本出願の信号生成フェーズを繰り返すことで、本出願の主題が逆行分析（リバースエンジニアリング）される。ここで「同じ」という用語は、テスト測定信号と測定信号との間に有意な相関性が存在することを意味する。
【００９３】
本方法は、テスト応答信号の一部分又はテスト応答信号から導出した信号の一部分を選択すること、及び後で使用するためテスト測定信号を記憶することを含んでもよい。
【００９４】
従って、伝搬時間差式超音波流量計において流速を測定する装置は、機能的特徴によって表現すれば、第１の圧電素子用の第１コネクタと、第２の圧電素子用の第２コネクタと、インパルス信号を前記第１コネクタに送る送信器と、前記インパルス信号に対する応答信号を、前記第２コネクタから受信する受信器と、前記応答信号を時間反転して反転信号を得る反転部と、前記反転信号から測定信号を導出する処理部とを備える。流体導管における流体の流速を求める上記装置を使用する際は、流体導管に対して速度を有する流体を、流体導管に供給する。その後、例えば各々圧電トランスデューサである第１及び第２の超音波トランスデューサの一方に測定信号を与え、例えば各々圧電トランスデューサである第１及び第２の超音波トランスデューサの他方によって、上記測定信号に対する第１の応答信号を受信する。その後、第１の応答信号から流体の流速を導出することができる。本装置の逆行分析は、テストインパルス信号を、例えばテスト装置の圧電トランスデューサである第１の超音波トランスデューサに与え、そのテストインパルス信号に対するテスト応答信号を、例えば流体導管の第２の位置に取り付けられた圧電トランスデューサである、テスト装置の第２の超音波トランスデューサで受信し、更に信号を時間反転することを含め上記応答信号からテスト測定信号を導出した際、そのテスト測定信号と例えば各々圧電トランスデューサである第１及び第２の超音波トランスデューサの他方から発せられる測定信号とが同じであることを示す。かかる機能的記述は、本出願の装置を、発信される信号の構造及び形状を説明せずに特徴付けるのに有効である。
【００９５】
本装置が、前記第１コネクタに接続されたＤ／Ａ変換器と、前記第２コネクタに接続されたＡ／Ｄ変換器と、コンピュータ読み取り可能メモリとを備えてもよいことは明らかである。本装置はさらに、前記受信応答信号の一部分又は前記受信応答信号から導出された信号の一部分を選択する選択部を備えてもよい。その場合、前述の評価は、前記受信応答信号の選択された一部分又は前記受信応答信号から導出された信号の選択された一部分について行われる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
次に、本明細書の主題を、以下の図面を参照してさらに詳しく説明する。
【図１】図１は、２つの圧電素子を備えた第１の流量計装置を示す。
【図２】図２は、図１の流量計装置における１つのダイレクト信号を示す。
【図３】図３は、流れの方向から見た図１の流量計装置を示す。
【図４】図４は、４つの圧電素子と４つのダイレクト信号を備えた第２の流量計装置を示す。
【図５】図５は、流れの方向から見た図４の流量計装置を示す。
【図６】図６は、テスト信号の概略図を示す。
【図７】図７は、テスト信号の応答の概略図を示す。
【図８】図８は、反転信号の概略図を示す。
【図９】図９は、反転信号の応答の概略図を示す。
【図１０】図１０は、高分解能の第１反転信号を示す。
【図１１】図１１は、図１０の反転信号の応答を示す。
【図１２】図１２は、高分解能の別の反転信号を示す。
【図１３】図１３は、図１２の反転信号の応答を示す。
【図１４】図１４は、高分解能の別の反転信号を示す。
【図１５】図１５は、図１４の反転信号の応答を示す。
【図１６】図１６は、高分解能の別の反転信号を示す。
【図１７】図１７は、図１６の反転信号の応答を示す。
【図１８】図１８は、高分解能の別の反転信号を示す。
【図１９】図１９は、図１８の反転信号の応答を示す。
【図２０】図２０は、高分解能の別の反転信号を示す。
【図２１】図２１は、図２０の反転信号の応答を示す。
【図２２】図２２は、高分解能の別の反転信号を示す。
【図２３】図２３は、図２２の反転信号の応答を示す。
【図２４】図２４は、高分解能の別の反転信号を示す。
【図２５】図２５は、図２４の反転信号の応答を示す。
【図２６】図２６は、高分解能の別の反転信号を示す。
【図２７】図２７は、図２６の反転信号の応答を示す。
【図２８】図２８は、１２ビット分解能の別の反転信号を示す。
【図２９】図２９は、図２８の信号の応答を示す。
【図３０】図３０は、３ビット分解能の別の反転信号を示す。
【図３１】図３１は、図３０の信号の応答を示す。
【図３２】図３２は、２ビット分解能の別の反転信号を示す。
【図３３】図３３は、図３２の信号の応答を示す。
【図３４】図３４は、１ビット分解能の別の反転信号を示す。
【図３５】図３５は、図３４の信号の応答を示す。
【図３６】図３６は、図１の流量計の圧電素子における短いインパルスを示す。
【図３７】図３７は、図３６の信号の反転応答から導出した、図１の流量計における圧電素子の信号を示す。
【図３８】図３８は、図３７の信号の応答を示す。
【図３９】図３９は、上流側及び下流側の相互相関関数を示す。
【図４０】図４０は、図３９の拡大断面を示す。
【図４１】図４１は、本明細書に基づき流速を測定する装置を示す。
【図４２】図４２は、図４１の装置で使われるダイレクトデジタルシンセサイザを示す。
【図４３】図４３は、第１のマルチトランスデューサ配置を示す。
【図４４】図４４は、第２のマルチトランスデューサ配置を示す。
【図４５】図４５は、クランプオン式トランスデューサのＺ形構成を示す。
【図４６】図４６は、クランプオン式トランスデューサのＶ形構成を示す。
【図４７】図４７は、クランプオン式トランスデューサのＷ形構成を示す。
【図４８】図４８は、１サイクルの送信信号を示す。
【図４９】図４９は、１０サイクルの送信信号を示す。
【図５０】図５０は、ＴＲＡ送信信号を示す。
【図５１】図５１は、図４８の１サイクルの送信信号に対する応答信号を示す。
【図５２】図５２は、図４９の１０サイクルの送信信号に対する応答信号を示す。
【図５３】図５３は、図５０のＴＲＡ送信信号に対する応答信号を示す。
【図５４】図５４は、ＴＲＡ送信信号の圧力曲線とTRA送信信号に対する応答信号を示す。
【図５５】図５５は、ＴＲＡ送信信号の圧力曲線とTRA送信信号に対する応答信号を示す。
【図５６】図５６は、図５５の信号入力を生成するのに用いられるインパルス信号を示す。
【図５７】図５７は、チャネル特性を示す第１の応答信号を示す。
【図５８】図５８は、チャネル特性を表す第２の応答信号を示す。
【図５９】図５９は、別の応答信号を示す。
【図６０】図６０は、別の応答信号を示す。
【発明を実施するための形態】
【００９７】
以下の説明で、本明細書の実施形態を詳述する。但し、以下の詳細に拠らずとも各種の実施形態を実施可能なことは、当業者にとって自明である。
【００９８】
図１は、第１の流量計装置１０を示す。本流量計装置においては、第１の圧電素子１１が、管１２とも称されるパイプ１２の外壁に配置されている。第２の圧電素子１３がパイプ１２の反対側に配置され、第１の圧電素子１１と下流側の第２の圧電素子１３との間の直線が、パイプ１２の対称軸方向でもある平均流の方向１４に対して角度βを成している。角度βは図１の例では約４５度に選定されているが、その傾斜角度は、例えば６０度などもっと急でも、あるいは例えば３０度などもっと緩やかでもよい。
【００９９】
図１に示した圧電素子１１、１３等の圧電素子は一般的に、音響送信器及び音響センサとして作動可能である。音響送信器及び音響センサは、同じ圧電素子で構成してもよいし、同じ圧電素子の異なる領域によって構成してもよい。その場合、圧電素子又はトランスデューサは、送信器又は音響源として作動されるとき圧電送信器とも称され、また音響センサとして作動されるとき音響センサ又は受信器とも称される。
【０１００】
流れ方向が図１に示す向きの場合、第１の圧電素子１１は「上流側」圧電素子とも称され、第２の圧電素子１３は「下流側」圧電素子とも称される。本明細書による流量計は、両方向の流れに対して実質上同様に作動し、図１の流れ方向は例示としてのみ示してある。
【０１０１】
図１は、上流側圧電素子１１が圧電トランスデューサとして作動され、下流側圧電素子１３が音響センサとして作動される構成の場合の、図１における電気信号の流れも示している。分かり易くするため、本出願は上流側と下流側で同様に作動する。すなわち、両圧電素子の位置は交換可能である。
【０１０２】
第１の演算部１５が上流側圧電素子１１に接続され、第２の演算部１６が下流側圧電素子１３に接続されている。第１の演算部１５は、第１のデジタル信号プロセッサ、第１のデジタル-アナログ変換器（ＤＡＣ）、及び第１のアナログ-デジタル変換器（ＡＤＣ）を備える。同じく、第２の演算部１６は、第２のデジタル信号プロセッサ、第２のデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）、及び第２のアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を備える。第１の演算部１５は、第２の演算部１６に接続されている。
【０１０３】
図１に示した２つの演算部１５、１６を備えた構成は、例示としてのみ示したものである。他の実施形態として、図示と異なる数及び構成の複数の演算部を備えてもよい。例えば、１つの中央演算部だけでもよく、２つの ＡＤ／ＤＣ変換器と１つの中央演算部でもよく、もしくは各トランスデューサに設けた２つの小型演算部と１つの比較的大型の演算部でもよい。
【０１０４】
１つ又は複数の演算部は、例えばマイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ＡＣＩＤ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）によって得られる。特に、記憶されたデジタル信号からの電気信号の合成は、デジタル-アナログ変換器（ＤＡ,ＤＡＣ）からなるダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）で行ってもよい。
【０１０５】
本明細書に基づき測定信号を生成する方法は、以下のステップを含む。
【０１０６】
第１の演算部１５のデジタル信号プロセッサで音響信号を合成することにより、所定のデジタルテスト信号が生成される。このデジタル信号は、信号路１７を介して、第１の演算部１５から圧電素子１１へと送られる。圧電素子１１は、対応する超音波テスト信号を生成する。両演算部１５と１６を、１つの単一ユニットとして設けることもできる。
【０１０７】
テスト信号は、例えば単一の１ＭＨｚ振動または１０個の同様の振動により、短いパルスとして与えられる。具体的には、テスト信号は一定の振幅の少数の振動によって与えることで、矩形信号に近似させてもよい。単一又は複数の振動は、サイン波状、三角状、矩形状、又はその他の形状とし得る。
【０１０８】
超音波テスト信号は、パイプ１２内の液体を通り圧電素子１３まで伝搬する。図１において、超音波信号のダイレクト信号路が、矢印１８で示してある。同じく、逆方向における超音波信号のダイレクト信号路が、矢印１９で示してある。応答信号は、圧電素子１３によって検出され、信号路２０を介して第２の演算部１６に送られ、第２の演算部１６によってデジタル化される。
【０１０９】
別のステップでは、デジタル測定信号がデジタル化された応答信号から導出される。この測定信号の導出は、デジタル化応答信号の時間反転により行われる。別の実施形態によれば、上記測定信号の導出は、振幅範囲における低分解能への変換や、低周波ノイズ及び高周波ノイズなどのノイズを除去する、信号の帯域幅フィルタリングなどの更なるステップを含む。特に、帯域幅フィルタリングのステップは、信号を時間反転するステップの前に行ってもよい。
【０１１０】
信号の反転は、例えば、メモリ領域を逆方向に読み出したり、あるいはフーリエ表記のサイン成分の符号を逆にするなど、各種の方法で実施し得る。
【０１１１】
１の実施形態では、デジタル化応答信号のうち、ダイレクト信号からの応答を含む適切な一部分が選択される。次いで、その応答信号の一部分が、時間転回もしくは時間反転される。言い換えれば、応答信号のうち後で受信された信号部分が、反転測定信号においては先に送出される。例えば、信号が時系列の振幅サンプルによって表わされている場合、上記の信号反転では、振幅信号の順序が反転もしくは逆転される。
【０１１２】
時間の方向もしくは符号が反転されて得られた信号は、「反転信号」とも称される。ここでの「反転」という表現は、時間の方向に関する反転を意味し、振幅値など、値に関する反転を意味するものではない。
【０１１３】
図１０−１９は、本明細書によるデジタル信号を例示している。
【０１１４】
本明細書の一実施形態による流量計においては、上流及び下流方向の両方向１８、１９で同じ測定信号が使われ、単純且つ効率的な構成が得られる。他の実施形態によれば、異なる信号が両方向で使われる。具体的には、測定信号がテスト信号の本来の受信器に与えられてもよい。このような構成は、非対称な条件及びパイプ形状の場合に有利である。
【０１１５】
上記の反転信号を測定信号として用いて、パイプを流れる液体の流速を測定する方法は、以下のステップを含む。
【０１１６】
上記の測定信号が、第１の演算部１５から圧電トランスデューサ１１へ信号路１７を介して送られる。圧電トランスデューサ１１は、対応する超音波測定信号を生成する。このような測定信号の各例が、図１０、１２、１４，１６，１８，２０，２２，２４，２６，２８，３０，３２，３４，３７及び３８に示してある。
【０１１７】
超音波測定信号は、パイプ１２内の液体を通って圧電センサ１３まで伝搬する。応答信号が圧電センサ１３によって検出され、信号路２０に沿って第２の演算部１６に送られ、第２の演算部１６によりデジタル化される。
【０１１８】
第２の演算部１６は、デジタル化応答信号を第１の演算部１５に送る。第１の演算部１５は、例えば以下に詳しく説明する方法の１つを用い、受信信号の伝搬時間を求める。
【０１１９】
同様の処理が、逆方向に伝搬する信号に対しても行われる。つまり、上記の測定信号が下流側圧電トランスデューサ１３に与えられ、応答信号が上流側圧電トランスデューサ１１により測定されて、逆方向における上流伝搬時間ＴＯＦＵＰが得られる。第１の演算部１５は、例えば次式３に基づいて流れの速度を求める。
【数３】
0006682500.tif 000004
ここで、Ｌは両圧電素子１１と１３間のダイレクト路の長さ、βは両圧電素子１１と１３間のダイレクト路と平均流の方向との間の傾斜角、ｃは所定の圧力及び温度条件下における液体中の音速である。
【０１２０】
音速の二乗ｃ２は、次式４よって２次近似可能である。
【数４】
0006682500.tif 000005
この式から、次式５が得られる。
【数５】
0006682500.tif 000006
【０１２１】
これにより、温度や圧力を求めて、更に流体密度及び音速を求める必要がなくなり、もしくは音速や流体密度を直接測定する必要もなくなる。一方、１次の誤差は、１つの測定方向だけでは相殺されない。
【０１２２】
因子 （２・Ｌ・ｃｏｓβ）を用いる代わりに、既知の流速での較正測定から比例定数を得ることもできる。較正の比例定数では、流量分布、及び散乱し直線に沿って伝搬しない音波による寄与など別の影響も考慮する。
【０１２３】
別の実施形態によれば、インパルス信号を生成し、応答信号を記録し、応答信号から反転した測定信号を導出する処理が、コンピュータでシミュレートされる。パイプ１２の管径や各センサの位置など、関連のパラメータがシミュレーションのための入力パラメータとして与えられる。
【０１２４】
更に別の実施形態によれば、送信側圧電素子に供給される測定信号が、図３７及び図３８に示す信号形状のような、インパルス信号に対する典型的な応答信号の形状を用いて合成される。例えば、１ＭＨｚのサイン波振動を、半値幅１０ｍｓｅｃのガウス確率関数に基づき包絡線で振幅変調して測定信号を得てもよい。半値幅は、管径及びセンサ位置など実際の構成に応じた入力パラメータとして選択し得る。
【０１２５】
本明細書による流量計は、特に流量計がパイプ部分と一緒に提供される場合、工場でのテスト実施時に測定信号を生成させた事前設定した流量計としてもよい。
【０１２６】
本明細書の簡単な実施形態では、上流及び下流方向の伝搬時間が、受信信号のピーク振幅の時間を測定信号の送信時間に対して比較評価することで求められる。より高い精度を得るため、受信信号の包絡線を用いて最大値を求めてもよい。別の実施形態では、測定を複数回繰り返し、伝搬の平均時間を用いる。
【０１２７】
本明細書の別の実施形態によれば、信号の伝搬時間が、相互相関技法を用いて評価される。すなわち、各時間シフトは次式６に基づき、受信された上流又は下流信号を流速０における受信信号と相互相関させることによって評価できる。
【数６】
0006682500.tif 000007
ここで、ＳｉｇＦｌｏｗは、流体がパイプを流れる場合の測定条件下における上流又は下流信号を表し、ＳｉｇＮｏＦｌｏｗは、流速が０の場合の較正条件下における信号を表す。無限和の限界範囲は、充分に長い時間窓 [−Ｔ１，＋Ｔ２]を表す。より一般的に言えば、−Ｔ１と＋Ｔ２は同じである必要はなく、この点は流量計にとって実用上有利である。
【０１２８】
時間シフト（ＴＯＦＵＰ-ＴＯＦＤｏｗｎ） は、上流側相関関数の最大値が得られた時刻と、下流側相関関数の最大値が得られた時刻とを比較することによって得られる。最大値の位置をより正確に求めるため、相関関数の包絡線を用いてもよい。
【０１２９】
別の実施形態においては、第１の演算部１５と第２の演算部１６との間に別個の評価装置が設けられ、各信号到着時間及び流速の計算を行う。
【０１３０】
一般に、音響センサの測定信号は、散乱した信号とダイレクト信号が重畳して得られる。散乱信号は、パイプ壁で１回又は複数回散乱される。この点が、図２及び図３に例示されている。
【０１３１】
図１のトランスデューサ構成は、直線もしくはＺ形構成である。Ｖ形及びＷ形構成など、パイプの反対側での反射を利用したその他の構成も可能である。Ｖ形及びＷ形構成は、パイプ壁での反射に基づいて動作し、Ｚ形よりも多く散乱を生じる。本出願の主題は、経路が適切に考慮されている限り、上記のような構成でも効果が得られる。
【０１３２】
Ｖ形構成の場合、２つのトランスデューサが、パイプの同じ側に取り付けられる。４５度の反射を記録するため、２つのトランスデューサは、流れの方向に沿ってほぼ管径の距離だけ離れて配置される。Ｗ形構成では、３回の反射を利用する。Ｖ形構成の場合と同様、２つのトランスデューサがパイプの同じ側に取り付けられる。２回の４５度の反射後の信号を記録するため、２つのトランスデューサは、流れの方向に沿って管径の２倍の距離だけ離れて配置される。
【０１３３】
図２は、圧電素子１１から圧電素子１３へダイレクトに伝搬する第１の音響信号を例示している。
【０１３４】
単純化のため、図２-５では散乱事象を反射として示しているが、実際の散乱過程はもっと複雑である。具体的には、最も関連のある散乱は通常、パイプ壁や各圧電トランスデューサの前方に配置された素材において生じる。受信される散乱も、センサの配置に依存する。図４５，図４６及び図４７は、それぞれＺ、Ｖ及びＷ形のセンサ配置を例示している。図３は、図１を流れ方向に沿って矢視方向Ａ−Ａから見た図である。
【０１３５】
図４及び図５は、別の圧電素子２２が圧電素子１１に対して４５度の角度に配置され、さらに別の圧電素子２３が圧電素子１３に対して４５度の角度に配置された第２のセンサ配置を示す。
【０１３６】
また図４及び図５は、圧電素子１１、２２が圧電トランスデューサとして作動され、圧電素子１３，２３が音響センサとして作動される場合におけるダイレクト（つまり直線の）音響信号路を示している。図４中パイプ１２の後ろ側にある圧電素子２３は、図４において点線で示されている。
【０１３７】
図６-９は、テスト信号の応答から測定信号を生成する方法を単純化して示す。図６-９において、散乱による損失が、信号のうち斜線を施した部分と矢印で示してある。
【０１３８】
図６-９においては、音響信号が、直線路、遅延時間Δｔ後に第１の散乱路、遅延時間２Δｔ後に第２の散乱路を沿って伝搬するものと仮定する。経路における信号の減衰は、考慮しない。
【０１３９】
矩形状スパイクの形のテスト信号が、圧電素子１１に与えられる。散乱により、信号振幅の第１部分が第１の散乱路で失われて時間Δｔ後に現れ、信号振幅の第２部分が第２の散乱路で失われて時間２Δｔ後に現れる。その結果、図７に白い柱で示す信号が生じ、この信号が圧電素子１３で記録される。
【０１４０】
信号プロセッサが上記の記録信号を時間反転し、反転信号を圧電素子１１に与える。ここで、上記と同じ散乱過程が、３つの信号成分全てに加えられる。その結果、図９に示す信号が圧電素子１３で記録され、この信号はほぼ対称形である。
【０１４１】
実際には、受信信号は時間軸上で分布しており、パイプの素材中を伝搬し、ダイレクト信号よりも早く到着する「表面波」もしばしば存在する。この表面波は、反転測定信号を生成するための時間窓を、適切に選択することで排除される。同じように、多重反射によって生じ遅く到着する信号も、時間窓を限定する及び／又は信号の特定部分を選択することによって排除できる。
【０１４２】
以下の表は、ダイレクト配置の場合、つまりＤＮ２５０パイプの長さ方向に直角な平面においてＤＮ２５０パイプに配置されたクランプオン式圧電素子間を直線でつないだ場合の測定信号の遅延を示す。流量は、ＤＮ２５０パイプを通る水の流量を表す。
【０１４３】
表中、「ＴＯＦ  １サイクル」は、圧電素子で発生された図３６に示すようなインパルスが、１μｍの周期を有する１発振の電気信号により励起されたものを示す。「ＴＯＦ  １０サイクル」は、圧電素子で発生された信号が、１μｍの周期を有する定振幅の１０個のサイン波発振の電気信号により励起されたものを示す。
【表１】
0006682500.tif 000008
【０１４４】
図１０-２７は、高分解能の反転信号とそれぞれの応答信号を示す。マイクロ秒単位の時間に対して、電圧が任意単位で示してある。
【０１４５】
各対のうち上方の図（図１０-２７のうちの偶数の図）の時間軸は、反転信号の送信時間を示す。送信時間は、受信信号を記録するのに用いられる時間窓に限定される。図１０-２７の例において、時間窓はダイレクト信号から得られる最大値の始まりよりもわずか前にスタートし、その後１００マイクロ秒で終了する。
【０１４６】
下方の図（図１０-２７のうちの奇数の図）の時間軸は、応答信号の最大値付近を中心として、反転信号用の時間窓のサイズである１００マイクロ秒の範囲で、応答信号の最大値の前後に延びている。
【０１４７】
図２８-３５は、高分解能の反転デジタル信号で、振幅範囲が１２，３，２及び１ビットの分解能の信号と、それぞれの応答信号を示す。マイクロ秒単位の時間に対し、電圧はボルトで示してある。図２８〜３５の各信号は、水を満たしたＤＮ２５０パイプについて得られたものである。
【０１４８】
反転信号用の時間窓の長さは、４５０マイクロ秒である。従って、図２８-３５の時間窓は、前述した図８〜２７の時間窓の４倍以上である。
【０１４９】
図２８〜３５から分かるように、１ビット分解能のデジタル化でも、シャープなスパイクが得られる。また、分解能が低いほど、スパイクがよりシャープになることも分かる。この効果は恐らく、図２８〜３５の例においては、応答信号を時間的に集中させたまま、振幅範囲のデジタル化を次第に粗くしたことにより、入力信号の合計エネルギーが増加したためと思われる。
【０１５０】
図３６は、３．５７ＭＨｚの周波数と等価な約０．５６秒間持続した電気信号を受信した後、圧電素子によって発生された信号を示す。圧電素子の慣性のため、負の電圧における最大振幅は正の電圧における最大振幅よりも小さく、圧電素子が静止状態になる前に、複数の残響が生じている。
【０１５１】
図３７は、図１の上流側圧電素子１１などの圧電素子に与えられる電気信号を示す。図３７の信号は、図３６に示したような信号に対する１０個のデジタル化応答信号の平均を形成し、その信号を時間反転することによって得られ、各応答信号は図１の下流側圧電素子１３などの圧電素子によって受信される。
【０１５２】
図３７の例では、応答信号のうち、応答信号の包絡線の開始より約１０マイクロ秒前に始まり、応答信号の包絡線より約５５マイクロ秒後に終了する時間部分を切り出すことによって、デジタル化信号が得られる。図３７の応答信号の包絡線形状は、ガウス確率分布の形状、すなわち ｅｘｐ（−ｘ２）を適切にシフト及び倍率調整した形状に類似する。
【０１５３】
図３８は、図３７に示した信号に対する応答信号の一部を示し、図３７の信号が上流側圧電素子１１などの第１の圧電素子に与えられ、図１の下流側圧電素子１３などの第２の圧電素子で受信された場合に相当する。
【０１５４】
図３９は、図１の配置における上流側信号及び下流側信号を、流量０で得られた信号とそれぞれ相互相関させて得られた上流側相互相関関数と下流側相互相関関数を示す。
【０１５５】
図４０は、図３９の拡大断面を示す。２つの位置マーカが、上流側及び下流側相互相関関数それぞれの最大値の位置を示している。２つの最大値間の時間差が、上流側及び下流側信号間の時間差を示す尺度である。
【０１５６】
図４８，図４９及び図５０は３つの異なる送信信号を示す。図４８は通常のパルス（１サイクル）を示し、図４９は、上記のように生成される図５０の信号等の測定信号との比較のための、１０サイクルのパルスを示す。各トランスデューサは、ＤＮ２５０パイプにクランプ止めされている。
【０１５７】
図５１，図５２及び図５３は、それぞれ図４８，図４９及び図５０に示した各信号を送信後に受信された対応する信号を示す。これらの比較から、測定信号はエネルギーを集中させ、図４８及び図４９の通常の信号（例えば１又は１０サイクル）に応答した受信信号と比べ、振幅が２倍以上大きい受信信号を発生させることが容易にわかる。
【０１５８】
図４１は、図１に示した構成あるいは本明細書によるその他の構成において、流れの測定を行う流量測定装置６０を例示する。図１の構成において、フロー測定装置６０は、第１及び第２の演算部１５、１６を備える。
【０１５９】
流量測定装置６０は、第１の圧電素子を接続する第１コネクタ６１と、第２の圧電素子を接続する第２コネクタ６２とを有する。第１コネクタ６１は、マルチプレクサ６３を経てデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）６４に接続される。第２コネクタ６２は、デマルチプレクサ６６を経てアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）６５に接続される。
【０１６０】
ＡＤＣ６５は信号選択部６７に接続され、信号選択部６７は信号反転部６８に接続され、信号反転部６８は帯域フィルタ６９に接続され、帯域フィルタ６９はコンピュータ読み取り可能メモリ７０に接続されている。さらに、ＡＤＣ６５は速度演算部７１にも接続されている。
【０１６１】
ＤＡＣ６４は、インパルス信号生成器７２と測定信号生成器７３に接続される。測定信号生成器７３は、指令ライン７４を経てインパルス信号生成器７２に接続される。速度演算部７１は、別の指令ライン７５を経て測定信号生成器７３に接続される。
【０１６２】
一般に、インパルス信号生成器７２と測定信号生成器７３は、発振器などのハードウェア要素と、インパルス信号生成モジュール及び測定信号生成モジュールなど複数のソフトウェア要素を備える。この場合、指令ライン７４，７５は各モジュール間のソフトウェアインタフェースにより提供されてもよい。
【０１６３】
信号生成フェーズにおいて、インパルス信号生成器が信号をＤＡＣ６４に送り、選択部６７が対応する入力信号をＡＤＣ６５を経て受信し、入力信号の一部分を選択する。反転部６８が選択された信号部分を時間反転し、オプションの帯域フィルタ６９が範囲外の低周波及び高周波をフィルターして除去し、得られた測定信号がコンピュータメモリ７０に記憶される。信号操作のステップに関連して「信号」という用語が使われる場合、その信号は特にコンピュータメモリ中における信号を示す。
【０１６４】
具体的には、信号の表記は、デジタル化された振幅と、それに関連した離散的な時間との、一対の値によって定義が可能である。その他の表記としては、特にフーリエ係数、ウェーブレット係数、及び信号を振幅変調する際の包絡線がある。
【０１６５】
図４２は、図１に示した構成あるいは本明細書によるその他の構成において、流れの測定を行う流量測定装置６０’の第２の実施形態を示す。流量測定装置６０’は、ダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）７６を備える。単純化のため、ＤＤＳ７６の構成要素だけが示してある。ＤＤＳ７６は、任意波形生成器（ＡＷＧ）とも称される。
【０１６６】
ＤＤＳ７６は標準発振器７７を備え、標準発振器７７は周波数制御レジスタ７８、数値制御式発振器（ＮＣＯ）７９、及びＤＡＣ６４に接続される。Ｎチャネル用ＮＯＣ７９の入力が、周波数制御レジスタ７８の出力に接続される。Ｍチャネル用ＤＡＣ６４の入力がＮＯＣ７９に接続され、再構成ローパスフィルタ８０の入力が ＤＡＣ６４に接続される。一例として、１００ＭＨｚのクロック周波数を有するダイレクト数値制御式発振器７９を用いて、振幅変調された１ＭＨｚの信号を発生してもよい。
【０１６７】
再構成ローパスフィルタ８０の出力が、図１の圧電素子１１，１３に接続される。
【０１６８】
例えばダイレクトデジタルシンセサイザを用いて所定の振幅変調信号を得るためには、発振器結晶の慣性のため、搬送波の周波数より高い周波数の発振器を使用することが有利な場合が多い。
【０１６９】
図４５，図４６及び図４７は、それぞれ前述したＺ、Ｖ及びＷ形の流量測定構成を示す。図４５，図４６及び図４７の例では、クランプオン式トランスデューサがそれぞれの連結具を介して、導管に取り付けられている。
【０１７０】
図５４及び図５５は、時間反転手順を用いなかった場合と時間反転手順を用いた場合に発生された各送信信号に対する、それぞれの受信つまり応答信号を比較して示す。
【０１７１】
図５４の例では、ガウス型の包絡線を有する変調サイン波が、送信信号として使われている。送信信号の信号エネルギーは１．３×１０−７（Ｐａ／ｍ）２ｓに比例し、信号の振幅は０．１Ｐａである。この値は、単位長さ当たりの圧力の二乗を時間積分することによって得られる。応答信号は、極大値から極大値までの振幅が約０．０９Ｐａとなっている。
【０１７２】
図５５の例では、図５６のインパルス信号に対する応答信号から得られた時間反転信号が送信信号として使われている。この送信信号は、図５４の送信信号と同じ１．３×１０−７（Ｐａ／ｍ）２ｓの信号エネルギーを有するように調整されている。これにより、極大値から極大値までの振幅が約０．３７５Ｐａである受信信号が得られる。
【０１７３】
図５５の受信信号の振幅は、図５４の受信信号の振幅の４倍以上である。受信側における振幅の増大は、より容易で安定な信号認識を可能とする。振幅の増大は、時間反転信号の振幅のビット分解能を調整することで、特により大きい振幅を得るようにビット分解能を増減することで、調整可能である。
【０１７４】
図５６及び図５７は、伝送路に関する情報、特に導管の壁厚や壁への堆積物に関する情報を得るのに、受信信号をどのように使用できるかを示している。本明細書によれば、時間反転信号である測定信号に対する応答を分析して、クラックや付着物などのような、パイプ素材の性状変化を求めることができる。本明細書の一実施形態による流量測定においては、伝搬時間の測定に使われたのと同じ受信信号を分析することで、上記のような性状変化が求められる。
【０１７５】
図５７は、第１の伝送路に関する情報を含む第１の応答信号を示す。
【０１７６】
図５８は、第２の伝送路に関する情報を含む第２の応答信号を示す。中央の主ローブ（main lobe）に付した水平の矢印の長さは、主ローブに対してそれぞれ左右にある左側ローブと右側ローブとの間に延びている。図４６に従って信号が発生された場合、上記矢印の長さがパイプ壁の厚さを表す。測定される壁厚は、図４６におけるパイプの下方部で音波が反射された箇所で求められたものである。パイプ壁に堆積物があると、測定壁厚が大きくなる。
【０１７７】
図５９は別の応答信号を示す。図５９の信号を得るための試験設定は、複数のクランプオン式アングルトランスデューサ、アクリル製のトランスデューサ連結ヘッド、音速 ｃ＝２３７０ｍ／ｓ、連結角度４０°、ステンレス鋼製の壁、横波速度ｃ＝３２３０ｍ／ｓ、６１．１７°、流体は水、流体中の音速ｃ＝１４８０ｍ／ｓ、横波の軸角度２３．６７°、及びフロー角６６．３３°であり、図５９から得られた。
【０１７８】
図６０は別の応答信号を示す。図６０の信号を得るための試験設定は、アクリル製のトランスデューサ連結ヘッド、音速ｃ＝２３７０ｍ／ｓ、連結角度２０°、ステンレス鋼製の壁、縦波速度ｃ＝５７９０ｍ／ｓ、５６．６８°、横波速度ｃ＝３２３０ｍ／ｓ、流体は水、流体中の音速ｃ＝１４８０ｍ／ｓ、縦波の軸角度１２．３３°、横波の軸角度１２．３３°、及びフロー角６６．３３°であり、図６０から得られた。
【０１７９】
図５９及び図６０の代替の試験構成は、図４５，図４６及び図４７に示してある。
【０１８０】
本明細書の一実施形態によれば、図５７−６０に示した信号などの受信信号を分析することで、チャネル特性が導出される。
【０１８１】
図５９及び図６０の例は、パイプ素材中における縦波及び横波の存在に応じた受信信号の差を示している。それら両波の存在は、選択される素材及び幾何学形状にとって一般的であり、素材の分析に使用可能である。こうした超音波テスト波に基づく素材分析は、非破壊的テスト（ＮＤＴ）の応用分野で使われる。受信信号が伝送路と素材環境を含む測定系のインパルス応答を含んでいるため、本明細書は流量及び配管素材など両方の同時分析を可能とすることができる。
【０１８２】
受信信号の分析は、例えば壁厚を求めるために、受信信号を先に受信したインパルス応答と比較したり、インパルス応答を直接評価したりなど、各種の方法で行える。
【０１８３】
上記の説明は個別の限定を多く含んでいるが、それらは実施形態の範囲を制限するものでなく、予見可能な実施形態を例示するに過ぎないものと解されるべきである。方法の各ステップは説明した実施形態における順序と異なる順序で行われてもよく、また各測定装置の複数の処理ユニットへの再分割や、それらの間の相互接続は、説明した実施形態と異なってもよい。
【０１８４】
すなわち、上記方法のステップ中、信号のデジタル表記を記憶するステップ、信号部分の選択などの操作を行うステップ、信号を時間反転するステップ、及び信号をフィルターするステップは、相互に入れ替えてもよい。例えば、信号を時間反転した形で記憶したり、あるいは信号を逆の順序に読み出して時間反転信号を得てもよい。
【０１８５】
本発明を円形の ＤＮ２５０パイプに関連して説明したが、本発明はその他のパイプサイズやその他のパイプ形状にも適用可能である。また、実施形態をクランプオン式トランスデューサに関連して説明したが、パイプ内に突出させたり、開放路内に設置される湿式トランスデューサにも用い得る。
【０１８６】
特に、各実施形態の上述した利点は、実施形態の範囲を制限するものでなく、実施形態を実施した場合に考えられる利点を説明したにすぎないものであることが解されるべきである。つまり、実施形態の範囲は、上述した各例によってではなく、請求の範囲の記載及びそれらの均等物によって定まる。
【０１８７】
本明細書の実施形態は、各要素を項目別にまとめた下記のリストとして記述することもできる。項目リストに開示される特徴の各組み合わせは、それぞれ独立した主題と見なされ、本出願のその他の特徴と組み合わせることもできる。
【０１８８】
１．流体導管内の流体の流速を求める方法であって、
−前記流体導管に対して所定の速度を有する流体を、前記流体導管に供給すること、
−インパルス信号を、前記流体導管の第１の箇所に取り付けられた第１の超音波トランスデューサに与えること、
−前記インパルス信号に対する応答信号を、前記流体導管の第２の箇所に位置している第２の超音波トランスデューサで受信すること、
−前記応答信号から測定信号を導出すること、且つ該測定信号の導出は応答信号の一部分又は応答信号から得た信号の一部分を選択すること、及び前記選択された信号部分を時間反転することを含むこと、
−前記測定信号を後で使用するために記憶すること、
−前記流体導管に対して移動する前記流体を、前記流体導管に供給すること、
−前記測定信号を前記第１及び第２の超音波トランスデューサの一方に与えること、
−前記測定信号に対する第１の応答信号を、前記第１及び第２の超音波トランスデューサの他方で測定すること、及び
−前記第１の応答信号から前記流体の流速を導出すること、
を含む方法。なお、上記方法のうち、次のステップは、随意に選択され、前記測定信号が予め定められている場合には省略可能である。
−インパルス信号を、前記流体導管の第１の箇所に取り付けられた第１の超音波トランスデューサに与えること、
−前記インパルス信号に対する応答信号を、前記流体導管の第２の箇所に位置している第２の超音波トランスデューサで受信すること、
−前記応答信号から測定信号を導出すること、且つ該測定信号の導出は応答信号の一部分又は応答信号から得た信号の一部分を選択すること、及び前記選択された信号部分を時間反転することを含むこと、及び
−前記測定信号を後で使用するために記憶すること。
【０１８９】
２．項目１に記載の方法において、
−前記測定信号を与えるステップと、前記応答信号を測定するステップとを逆方向に繰り返し、第２の応答信号を得ること、及び
−前記第１の応答信号及び前記第２の応答信号から前記流体の流速を導出することを含む方法。
【０１９０】
３．項目１又は２に記載の方法において、前記測定信号を得るのに使われる前記信号部分は、前記応答信号の最大振幅周囲の第１部分と、それに後続する信号部分とを含み、該後続信号部分は、前記最大振幅の到着時間より遅い時間に属している方法。
【０１９１】
４．いずれかの前記項目に記載の方法において、
−インパルス信号を与えるステップと、対応する応答信号を受信するステップとを複数回繰り返し、複数の応答信号を得ること、及び
−前記受信された複数の応答信号の平均から測定信号を導出すること、
を含む方法。
【０１９２】
５．いずれかの前記項目に記載の方法において、前記測定信号の導出は、前記応答信号又は前記応答信号から導出された信号の振幅をデジタル化することを含む方法。
【０１９３】
６．項目５に記載の方法において、前記デジタル化信号のビット分解能を高めて、前記測定信号に対する応答信号の振幅を増大させることを含む方法。
【０１９４】
７．項目５に記載の方法において、前記デジタル化信号のビット分解能を減少させて、前記測定信号に対する応答信号の振幅を増大させることを含む方法。
【０１９５】
８．前記項目５−７の１つに記載の方法において、前記振幅に関するデジタル化信号の分解能が低ビット分解能である方法。
【０１９６】
９．前記各項目の１つに記載の方法において、複数の応答信号のうち少なくとも１つを処理することで、導管の壁厚の変化を求め、あるいは、縦波及び横波の音波特性を測定して前記導管壁の素材特性を求めることを含む方法。
【０１９７】
１０．伝搬時間差式超音波流量計で流速を測定する装置であって、
−第１の超音波素子用の第１コネクタ、
−第２の超音波素子用の第２コネクタ、
−インパルス信号を前記第１コネクタに送る送信器、
−前記インパルス信号に対する応答信号を、前記第２コネクタから受信する受信器、
−前記応答信号を時間反転し、反転信号を得る反転部、及び
−前記反転信号から測定信号を導出し、該測定信号を記憶する処理部、
を備えており、これらの構成要素のうち、下記の構成は、随意に選択され、前記測定信号が予め定められすぐに利用できる場合には省略可能である。
−インパルス信号を前記第１コネクタに送る送信器、
−前記インパルス信号に対する応答信号を、前記第２コネクタから受信する受信器、
−前記応答信号を時間に関して反転し、反転信号を得る反転部、及び
−前記反転信号から測定信号を導出し、該測定信号を記憶する処理部。
【０１９８】
１１．項目１０に記載の装置において、
−前記第１コネクタに接続されたＤ／Ａ変換器、
−前記第２コネクタに接続されたＡ／Ｄ変換器、及び
−前記測定信号を記憶するコンピュータで読み取り可能なメモリ、
を更に備えた装置。
【０１９９】
１２．項目１０又は１１に記載の装置において、前記受信した応答信号の一部分又は前記受信した応答信号から導出された信号の一部分を選択する選択部を更に備え、前記反転部は、前記応答信号の選択部分を時間反転し、前記反転信号を得る装置。
【０２００】
１３．項目１０−１２のいずれかに記載の装置において、
−前記第１コネクタ又は前記第２コネクタに接続可能な測定信号生成器、
−前記測定信号を前記第１コネクタに送信する送信手段、
−前記測定信号に対する応答信号を前記第２コネクタから受信する受信器、及び
−前記受信された応答信号から流速を導出する第２の処理部、
を更に備えた装置。
【０２０１】
１４．項目１０−１３のいずれかに記載の装置において、
−前記Ａ／Ｄ変換器を備えたダイレクトデジタル信号シンセサイザ、及び
−周波数制御レジスタ、標準発振器、数値制御式発振器、及び再構成ローパスフィルタを備え、前記Ａ／Ｄ変換器は再構成ローパスフィルタを経て前記第１及び第２コネクタに接続可能である装置。
【０２０２】
１５．項目１０−１４のいずれかに記載の装置において、
−前記第１コネクタに接続された第１の超音波トランスデューサ、及び
−前記第２コネクタに接続された第２の超音波トランスデューサ、
を更に備えた装置。
【０２０３】
１６．項目１０−１５のいずれかに記載の装置において、パイプの一部分を備え、前記第１の超音波トランスデューサが前記パイプの一部分の第１の箇所に取り付けられており、
前記第２の超音波トランスデューサが前記パイプの一部分の第２の箇所に取り付けられている装置。
【０２０４】
１７．項目１−９のいずれかに記載の方法を実行する複数のコンピュータで読み取り可能な命令を含むコンピュータ読み取り可能プログラムコード。
【０２０５】
１８．項目１７に記載のコンピュータ読み取り可能プログラムコードを含むコンピュータ読み取り可能メモリ。
【０２０６】
１９．項目１−９のいずれかに記載の方法を実行するように動作可能な特定用途向け電子部品。
【０２０７】
２０．テスト装置が項目１−５のいずれかに基づいて流体導管内の流体の流速を測定しているかどうかを判定する方法であって、
−前記流体導管に対して所定の速度を有する流体を、前記流体導管に供給すること、
−テストインパルス信号を、前記流体導管の第１の箇所に取り付けられた、前記テスト装置の第１の超音波トランスデューサに与えること、
−前記テストインパルス信号に対するテスト応答信号を、前記流体導管の第２の箇所に取り付けられた、前記テスト装置の第２の超音波トランスデューサで受信すること、
−前記応答信号からテスト測定信号を導出すること、且つ該テスト測定信号の導出は応答信号を時間反転することを含むこと、及び
−前記テスト測定信号を、前記第１及び第２の超音波トランスデューサのいずれか他方で発せられる測定信号と比較することを含み、
前記テスト測定信号と前記測定信号が同じである場合、前記テスト装置は項目１−５のいずれかに基づいて流体導管内の流体の流速を求める方法を用いていると判定する方法。
【０２０８】
２１．伝搬時間差式超音波流量計で流速を測定する装置であって、
−第１の超音波素子用の第１コネクタ、
−第２の超音波素子用の第２コネクタ、
−インパルス信号を前記第１コネクタに送る送信器、
−前記インパルス信号に対する応答信号を、前記第２コネクタから受信する受信器、
−前記応答信号のうち選択された一部分を時間反転し、反転信号を得る反転部、及び
−前記反転信号から測定信号を導出し、該測定信号をコンピュータ読み取り可能メモリに記憶する処理部を備えており、
流体導管内の流体の流速を求める前記装置が、
−前記流体導管に対して速度を有する流体を、前記流体導管に供給すること、
−測定信号を前記第１及び第２の超音波素子の一方に与えること、
−前記測定信号に対する第１の応答信号を、前記第１及び第２の超音波素子の他方で測定すること、及び
−前記第１の応答信号から前記流体の流速を導出すること
によって用いられ、
テストインパルス信号をテスト装置の第１の超音波素子に与える場合には、
−前記流体導管の第２の箇所に取り付けられた、前記テスト装置の第２の超音波素子で、前記テストインパルス信号に対するテスト応答信号を受信すること、及び
−前記応答信号からテスト測定信号を導出すること、且つ該テスト測定信号の導出は応答信号を時間反転することを含み、
−前記テスト測定信号と前記第１又は第２の超音波素子で発せられる測定信号が同じである装置。
【符号の説明】
【０２０９】
１０  流量計装置
１１  上流側圧電素子
１２  パイプ
１３  下流側圧電素子
１４  平均流の方向
１５  第１の演算部
１６  第２の演算部
１７  信号路
２０  信号路
２２  圧電素子
２３  圧電素子
３１−５２  圧電素子
６０，６０’  フロー測定装置
６１  第１コネクタ
６２  第２コネクタ
６３  マルチプレクサ
６４  ＤＡＣ
６５  ＡＤＣ
６６  デマルチプレクサ
６７  信号選択部
６８  信号反転部
６９  帯域フィルタ
７０  メモリ
７１  速度演算部
７２  インパルス信号生成器
７３  測定信号生成器
７４  指令ライン
７５  指令ライン
７６  ＤＤＳ
７７  標準発振器
７８  周波数制御レジスタ
７９  数値制御式発振器
８０  ローパスフィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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