(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流量測定システムのフローチューブ内の流体の流量を決定する方法であって、前記システムは少なくとも３つの超音波トランスデューサ回路を備え、各回路は、送信段階において前記流体を介して超音波信号を送信するように、且つ、受信段階において前記少なくとも３つの超音波トランスデューサの別のものから送信信号を受信するように構成された超音波トランスデューサを備え、前記方法は、
ａ１）前記送信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの第１のものを励起して前記超音波信号を送信し、前記受信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出し、且つ、前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサの２つの前記読み出しの間の第１の時間差を決定するステップと、
ｂ）少なくとも前記決定された差にもとづいて前記流体を通る前記超音波信号の速度を決定し、それにより前記少なくとも３つのトランスデューサの前記第１のものの送信遅延を除去するステップと、
前記少なくとも３つのトランスデューサの前記読み出された前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサに基づいて、前記受信された超音波信号の振幅の減衰を決定するステップと、
前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサの間で前記送信された超音波信号に対して生じる媒体遷移に関する伝達係数を、前記決定された振幅の減衰に基づいて決定するステップと、
前記流体の質量流量を決定するために、前記決定された減衰および前記決定された伝達係数に基づいて、前記流体の質量密度を決定するステップと、
を備える流量を決定する方法。
【請求項２】
前記方法は、
ａ２）前記送信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの第２のものを励起して前記超音波信号を送信し、前記受信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出し、且つ、前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサの２つの前記読み出しの間の第２の時間差を決定するステップをさらに備え、
前記ステップｂ）は、
ｂ）少なくとも前記決定された第１の時間差および前記第２の時間差にもとづいて、前記流体を通る前記超音波信号の速度を決定することをさらに備える、請求項１に記載の流量を決定する方法。
【請求項３】
前記方法は、
ａ３）前記送信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの第３のものを励起して前記超音波信号を送信し、前記受信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出すステップをさらに備える、請求項１から２のいずれかに記載の流量を決定する方法。
【請求項４】
前記方法は、
ａ４）前記送信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの残りを交互に励起して前記超音波信号を送信し、それらの受信段階において、交互に励起されたトランスデューサのそれぞれに関して、前記少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出すステップをさらに備える、請求項３に記載の流量を決定する方法。
【請求項５】
前記方法のステップの各々が複数回実行される、請求項１から４のいずれか記載の流量を決定する方法。
【請求項６】
前記伝達係数を決定するステップは、
前記少なくとも３つのトランスデューサの前記読み出された少なくとも２つの非送信のトランスデューサの間の時間差に基づいてショルテ波の速度を決定することを備える、請求項１から５のいずれかに記載の流量を決定する方法。
【請求項７】
前記方法は、
前記決定された前記ショルテ波の速度に基づいて、前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサの間の前記送信された超音波信号に関する媒体遷移の数を決定するステップを備え、前記質量密度は前記決定された媒体遷移の数に基づいてさらに決定される、請求項６に記載の流量を決定する方法。
【請求項８】
前記媒体遷移は、前記フローチューブから前記流体への、および、前記流体から前記フローチューブへの前記超音波信号の遷移を備える、請求項１から７のいずれかに記載の流量を決定する方法。
【請求項９】
流量測定システムのフローチューブ内の流体の流量を決定する方法であって、前記システムは少なくとも３つの超音波トランスデューサ回路を備え、各回路は、送信段階において前記流体を介して超音波信号を送信するように、且つ、受信段階において前記少なくとも３つの超音波トランスデューサの別のものから送信信号を受信するように構成された超音波トランスデューサを備え、前記システムは、少なくとも２つの受信回路であって、前記受信回路は、それぞれ、受信段階で前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出すように構成されている、少なくとも２つの受信回路と、前記受信回路を前記トランスデューサに選択的に接続するように構成されたマルチプレクサ回路とを備え、前記方法は、
ａ１）前記送信段階で前記少なくとも３つのトランスデューサの第１のものを励起して前記超音波信号を送信し、前記受信段階で前記少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出すステップとを備え、各励起するステップは、
前記マルチプレクサ回路を使用して、前記少なくとも２つの受信回路のそれぞれを前記少なくとも２つの非送信の超音波トランスデューサの１つにそれぞれ選択的に接続することを備え、各励起ステップ（ａ１）は少なくとも１回繰り返され、それぞれの繰り返された励起ステップに関して、前記少なくとも２つの受信回路は、前記マルチプレクサ回路を使用して前記少なくとも２つの非送信の超音波トランスデューサの異なる１つに接続されることを特徴とし、
前記方法は、
前記少なくとも３つのトランスデューサの前記読み出された前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサに基づいて、前記受信された超音波信号の振幅の減衰を決定するステップと、
前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサの間で前記送信された超音波信号に対して生じる媒体遷移に関する伝達係数を、前記決定された振幅の減衰に基づいて決定するステップと、
前記流体の質量流量を決定するために、前記決定された減衰および前記決定された伝達係数に基づいて、前記流体の質量密度を決定するステップと、
をさらに備える、流量を決定する方法。
【請求項１０】
前記方法は、
ａ２）前記送信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの第２のものを励起して前記超音波信号を送信し、それらの受信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出すステップをさらに備え、
前記ステップａ２）も少なくとも１回繰り返され、それぞれの繰り返された励起ステップ（ａ１，ａ２）に関して、前記少なくとも２つの受信回路は、前記マルチプレクサ回路を使用して前記少なくとも２つの非送信の超音波トランスデューサの異なる１つに接続される、請求項９に記載の流量を決定する方法。
【請求項１１】
請求項１から８のいずれかと組み合わせた請求項９または１０に記載の流量を決定する方法。
【請求項１２】
流量が決定されるべき流体のためのフローチューブを備える流量測定システムであって、前記システムは、少なくとも３つの超音波トランスデューサ回路を備え、各回路は、超音波信号を送信段階で前記流体を通して送信するように、且つ、受信段階において前記少なくとも３つの超音波トランスデューサの別のものから送信信号を受信するように構成された超音波トランスデューサを備え、前記システムは、
ａ１）前記送信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの第１のものを励起して前記超音波信号を送信し、前記受信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出し、且つ、前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサの前記読み出しの間の第１の時間差を決定し、且つ、
ｂ）少なくとも前記決定された差に基づいて前記流体を通る前記超音波信号の速度を決定し、それにより前記少なくとも３つのトランスデューサの前記第１のものの送信遅延を除去するように構成され、
前記システムは、
前記少なくとも３つのトランスデューサの前記読み出された少なくとも２つの非送信のトランスデューサに基づいて、前記受信された超音波信号の振幅の減衰を決定し、
前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサの間で前記送信された超音波信号に対して生じる媒体遷移に関する伝達係数を、前記決定された振幅の減衰に基づいて決定し、
前記流体の質量流量を決定するために、前記決定された減衰および前記決定された伝達係数に基づいて、前記流体の質量密度を決定する、
ようにさらに構成されている、流量測定システム。
【請求項１３】
前記システムは、
ａ２）前記送信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの第２のものを励起して前記超音波信号を送信し、前記受信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出し、且つ、前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサの２つの前記読み出しの間の第２の時間差を決定するようにさらに構成され、
前記システムは、
ｂ）少なくとも前記決定された第１の時間差および前記第２の時間差に基づいて、前記流体を通る前記超音波信号の速度を決定するようにさらに構成されている、請求項１２に記載の流量測定システム。
【請求項１４】
前記システムは、
ａ３）前記送信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの第３のものを励起して前記超音波信号を送信し、且つ、前記受信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出すようにさらに構成されている、請求項１３に記載の流量測定システム。
【請求項１５】
流量が決定されるべき流体のためのフローチューブを備える流量測定システムであって、前記システムは、
少なくとも３つの超音波トランスデューサ回路であって、各回路は、送信段階において超音波信号を前記流体を通して送信するように、且つ、受信段階において前記少なくとも３つの超音波トランスデューサの別のものから送信信号を受信するように構成された、少なくとも３つの超音波トランスデューサ回路と、
少なくとも２つの受信回路であって、各受信回路は、対応する受信段階において少なくとも２つの非送信の超音波トランスデューサを読み出すように構成された、少なくとも２つの受信回路と、
前記少なくとも３つの超音波トランスデューサの間で前記少なくとも２つの受信回路を選択的に接続するように構成されたマルチプレクサ回路と、
を備え、
前記システムは、
前記少なくとも３つのトランスデューサの前記読み出された少なくとも２つの非送信のトランスデューサに基づいて、前記受信された超音波信号の振幅の減衰を決定し、
前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサの間で前記送信された超音波信号に対して生じる媒体遷移に関する伝達係数を、前記決定された振幅の減衰に基づいて決定し、
前記流体の質量流量を決定するために、前記決定された減衰および前記決定された伝達係数に基づいて、前記流体の質量密度を決定する、
ようにさらに構成されている、流量測定システム。
【請求項１６】
前記少なくとも３つのトランスデューサは、前記超音波信号を交互に送信するように構成され、前記マルチプレクサ回路は、前記少なくとも２つの受信回路のそれぞれを前記非送信の超音波トランスデューサの１つにそれぞれ交互に接続するように構成される、請求項１５に記載の流量測定システム。
【請求項１７】
前記システムは少なくとも３つの超音波回路を備え、前記少なくとも３つの超音波トランスデューサは、互いに連続して配置され、２つの連続して配置された超音波トランスデューサの間の物理的距離は実質的に等しい、請求項１５または１６に記載の流量測定システム。
【請求項１８】
前記流量測定システムは、３つの超音波トランスデューサ回路と、２つの受信回路とを備える、請求項１５から１７のいずれかに記載の流量測定システム。
【請求項１９】
前記超音波トランスデューサ回路のそれぞれは、単一の負荷インピーダンスを備え、それを介して対応する超音波トランスデューサが前記送信段階に励起され、且つ、それを介して前記対応する超音波トランスデューサが前記受信段階中に読み出される、請求項１５から１８のいずれかに記載の流量測定システム。
【請求項２０】
前記少なくとも３つの超音波トランスデューサ回路のそれぞれは、電子スイッチを備え、超音波トランスデューサは、対応する電子スイッチを介して、対応する負荷インピーダンスを高電源電圧に、その後で低電源電圧に、短時間接続することによって前記送信段階に励起される、請求項１９に記載の流量測定システム。
【請求項２１】
前記少なくとも３つのトランスデューサ回路のそれぞれの前記単一の負荷インピーダンスは、同じ値を有する、請求項１９または２０に記載の流量測定システム。
【請求項２２】
前記複数の受信回路のそれぞれは、演算増幅器を備える、請求項１５から２１のいずれかに記載の流量測定システム。
【請求項２３】
前記少なくとも３つのトランスデューサは圧電トランスデューサである、請求項１５から２２のいずれかに記載の流量測定システム。
【請求項２４】
請求項１２から１４のいずれかと組み合わせた請求項１５から２３のいずれかに記載の流量測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流量測定システムのフローチューブ（流管）内の流体の流量を決定する方法に関し、そのシステムは少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路を備え、各回路は、送信段階において流体を介して超音波信号を送信するように、且つ、受信段階において少なくとも２つの超音波トランスデューサの別のものから送信信号を受信するように構成された超音波トランスデューサを備える。
【背景技術】
【０００２】
このような流量測定システムは、例えば、米国特許第６，０５５，８６８号から知られており、それは２つのリング状の発振器を備える流量測定システムを記載している。発振器は、交互に作動されて超音波信号を放射し、それらの信号は他方の非送信の発振器によって受信され、検出される。超音波信号が上流に伝搬するのに必要な時間と、超音波信号が下流に伝搬するのに必要な時間と、それらの間の時間差が、フローチューブ内の流体の速度を決定するために使用される。
【０００３】
国際特許出願ＷＯ２０１１０３９３１１は、弾性波を発生させるための少なくとも１つのエミッタと、弾性波を受信するためにエミッタからある距離に配置された少なくとも１つの受信器とを用いて媒体の流速を測定する方法を開示している。この目的のために、媒体に面する表面を有する基板上のエミッタによって弾性表面波が誘導され、この波が媒体内を伝播する弾性波を誘導し、その結果、複数の波列がエミッタと受信器との間で伝播経路上を伝搬し、それらの少なくとも一部は媒体を通過し、且つ、少なくとも１つの受信器によって受信される。
【発明の概要】
【０００４】
流体の流量を決定する分野において常に存在する課題の１つは、測定の精度を改善することである。すなわち、フローチューブ内の流体の流量は、可能な限り正確に決定されるべきである。
【０００５】
従って、本発明の目的は、より正確な方法でフローチューブ内の流体の流量を決定する方法を提供することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、対応する流量測定システムを提供することである。
【０００７】
第１の目的を達成するために、本発明は、その第１の態様において、流量測定システムのフローチューブ内の流体の流量を決定する方法であって、前記システムは少なくとも３つの超音波トランスデューサ回路を備え、各回路は、送信段階において前記流体を介して超音波信号を送信するように、且つ、受信段階において前記少なくとも３つの超音波トランスデューサの別のものから送信信号を受信するように構成された超音波トランスデューサを備え、前記方法は、
ａ１）前記送信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの第１のものを励起して前記超音波信号を送信し、前記受信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出し、且つ、前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサの２つの前記読み出しの間の第１の時間差を決定するステップと、
ｂ）少なくとも前記決定された差にもとづいて前記流体を通る前記超音波信号の速度を決定し、それにより前記少なくとも３つのトランスデューサの前記第１のものの送信遅延を除去するステップと、
を備える方法を提供する。
【０００８】
本発明者らは、超音波トランスデューサ回路に生じる時間遅延および／または時間誤差が流量測定の精度に悪影響を与えることを見出した。
【０００９】
流量測定システムが少なくとも３つのトランスデューサを含み、１つのトランスデューサが励起されて超音波信号を送信し、少なくとも２つの他のトランスデューサがそれらの送信された超音波信号を受信し、且つ、流体を通る超音波信号の速度が読み出しの正確な瞬間の間の時間差に基づく場合には、これらの時間遅延および／または時間誤差は、除去、すなわち無視されうる。このように、超音波信号の送信と、非送信のトランスデューサのいずれかによるそれの受信との間の時間差は、考慮されない。したがって、第１の非送信のトランスデューサでの超音波信号の受信と、第２の非送信トランスデューサでの同じ超音波信号の受信との間の時間差が、流体を通る超音波信号の速度を決定するために使用される。
【００１０】
そのような場合、１つのトランスデューサが励起されるように１つのトランスデューサの送信段階への制御の間に起こる時間遅延および／または時間誤差は、送信された超音波信号を２つの異なるトランスデューサで受信することにより、除去されうる。例えば、２つの異なるトランスデューサが両方、励起されたトランスデューサに対して上流または下流に配置される場合、これらの２つの異なるトランスデューサでの超音波信号の受信の間の時間差は、流量を決定するために使用されうる。
【００１１】
本発明によれば、この方法は、流体の流量、流体の質量流量、および、流体の体積流量などの異なるタイプの流量を正確に決定するために使用されうる。
【００１２】
一実施形態では、前記方法は、ａ２）前記送信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの第２のものを励起して前記超音波信号を送信し、前記受信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出し、且つ、前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサの２つの前記読み出しの間の第２の時間差を決定するステップをさらに備え、
前記ステップｂ）は、
ｂ）少なくとも前記決定された第１の時間差および前記第２の時間差にもとづいて、前記流体を通る前記超音波信号の速度を決定することをさらに備える。
【００１３】
ここでは、上述した実施形態の利点の説明が、正確に３つの超音波トランスデューサ回路に関して提供され、３つの超音波トランスデューサはフローチューブ内またはフローチューブにおいて互いに連続して配置され、これら３つの超音波トランスデューサの間の物理的な距離は事前に知られている。
【００１４】
しかし、この推論は、当業者には明らかなように、３つより多い超音波トランスデューサ回路に拡張されてもよい。それは、３つより多い非送信のトランスデューサが、送信しているトランスデューサの上流および／または下流に配置される場合に有利であり得る。このような場合、非送信のトランスデューサで受信された超音波信号の間の複数の別々の時間差が決定されることがあり、流量の決定は、これらの決定された複数の時間差すべてにわたって平均されうる。
【００１５】
この方法のステップａ１）における励起されたトランスデューサは、超音波信号を、流体を介して２つの非送信のトランスデューサに向けて送信する。
【００１６】
これらの２つの非送信のトランスデューサにおける受信信号間の時間差は、とりわけ、超音波信号が流体を伝搬する速度および流体自体の流量に依存する。
【００１７】
この方法のステップａ２）における励起されたトランスデューサはまた、超音波信号を、流体を介して２つの非送信のトランスデューサに向けて送信する。明確にするために、ステップａ２）において励起されたトランスデューサは、ステップａ１）で励起されたトランスデューサと比較して異なる。
【００１８】
上記に基づいて、１つは、１）流体中の超音波信号の速度、および、２）流体自体の流量を得るために解かれることができる２つの方程式および２つの未知の変数の組とともに残る。
【００１９】
上記から明らかなように、３つの超音波トランスデューサの場合、ステップａ１）において、３つのトランスデューサの第１の外側のトランスデューサが励起され、そして、ステップａ２）において、３つのトランスデューサの第２の外側のトランスデューサが励起される。中央のトランスデューサがステップａ１）およびａ２）のいずれかで励起されることも可能である。
【００２０】
一実施形態では、前記方法は、
ａ３）前記送信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの第３のものを励起して前記超音波信号を送信し、前記受信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出すステップをさらに備える。
【００２１】
測定の精度をさらに向上させるために、一度により多くのトランスデューサを励起することができ、少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサが毎回読み出されることができ、その結果、流量の複数の測定になる。これらの測定値は平均化され、不正確さをさらに除去することができる。
【００２２】
一実施形態では、前記方法は、
ａ４）前記送信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの残りを交互に励起して前記超音波信号を送信し、それらの受信段階において、交互に励起されたトランスデューサのそれぞれに関して、前記少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出すステップをさらに備える。
【００２３】
別の実施形態では、方法ステップは複数回実行され、測定の精度をさらに向上させ、例えば、各ステップは２回実行される。
【００２４】
一実施形態では、前記方法は、
前記少なくとも３つのトランスデューサの前記読み出された前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサに基づいて、前記受信された超音波信号の振幅の減衰を決定するステップと、
前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサの間で前記送信された超音波信号に対して生じる媒体遷移に関する伝達係数を、前記決定された振幅の減衰に基づいて決定するステップと、
前記流体の質量流量を決定するために、前記決定された減衰および前記決定された伝達係数に基づいて、前記流体の質量密度を決定するステップと、
をさらに備える。
【００２５】
本発明者らは、少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み取ることによって、それらの受信された超音波信号の振幅の減衰を決定することができることを見出した。本発明者らはさらに、送信された超音波信号が媒体遷移（medium transitions）を受けることに注目し、これについては、さらに詳細に説明する。最後に、本発明者らは、媒体遷移に関する伝達係数が少なくとも流体の質量密度に依存するため、決定された減衰および決定された透過係数に基づいて、流体の質量密度を決定できることを見出した。
【００２６】
流体の流量および流体の質量密度が決定されると、流体の質量流量を確立することができる。
【００２７】
本発明の文脈において、伝達係数は、第１の媒体から第２の媒体へと通過する送信された超音波信号の減衰、すなわち媒体遷移に関連する。
【００２８】
例えば、少なくとも３つのトランスデューサがフローチューブに配置されている場合、またはフローチューブに対して配置されている場合、媒体遷移が起こる。そのような場合、送信のトランスデューサは、超音波信号をフローチューブを介して流体に入れる。さらに、送信された超音波信号は、それらが少なくとも２つの非送信のトランスデューサに達する少し前に、流体からフローチューブに、またその逆に伝播してもよい。
【００２９】
例えば、フローチューブが鋼を含む場合、フローチューブから流体への超音波信号の伝達係数は、およそ０と０．１の間である。流体からフローチューブへの超音波信号の伝達係数は、およそ１．９と２．０の間である。
【００３０】
少なくとも３つのトランスデューサがフローチューブ内に、すなわち流体内に配置されている場合には、媒体遷移も起こり得る。従って、超音波信号は、例えば、超音波トランスデューサに含まれるピエゾ素子から流体に、またその逆に伝搬することができる。
【００３１】
本発明に関連して、受信された超音波信号の振幅の減衰を決定するステップは、受信された超音波信号の増幅を決定することに置き換えることもできる。
【００３２】
一実施形態では、前記伝達係数を決定するステップは、
前記少なくとも３つのトランスデューサの前記読み出された少なくとも２つの非送信のトランスデューサの間の時間差に基づいてショルテ波（Scholte wave）の速度を決定することを備える。
【００３３】
ショルテ波は、流体とフローチューブなどの固体媒体との間の界面で伝播する表面波の界面波である。波は界面で最大強度であり、指数関数的に減少して界面から離れてフローチューブと流体の両方に入る。
【００３４】
他の実施形態では、前記方法は、
前記決定された前記ショルテ波の速度に基づいて、前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサの間の前記送信された超音波信号に関する媒体遷移の数を決定するステップを備え、前記質量密度は前記決定された媒体遷移の数に基づいてさらに決定される。
【００３５】
典型的には、送信のトランスデューサは、ある周波数または一組の周波数で信号を送信するように設定される。少なくとも２つの非送信のトランスデューサ間の既知の所定の距離、ショルテ波の速度、および、送信のトランスデューサに関する印加される周波数に基づいて、少なくとも２つの非送信のトランスデューサの間の送信された超音波信号に関する媒体遷移の数を決定することが可能である。
【００３６】
第２の態様では、本発明は、流量測定システムのフローチューブ内の流体の流量を決定する方法であって、前記システムは少なくとも３つの超音波トランスデューサ回路を備え、各回路は、送信段階において前記流体を介して超音波信号を送信するように、且つ、受信段階において前記少なくとも３つの超音波トランスデューサの別のものから送信信号を受信するように構成された超音波トランスデューサを備え、前記システムは、
少なくとも２つの受信回路であって、前記受信回路は、それぞれ、受信段階で前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出すように構成されている、少なくとも２つの受信回路と、
前記受信回路を前記トランスデューサに選択的に接続するように構成されたマルチプレクサ回路とを備え、前記方法は、
ａ１）前記送信段階で前記少なくとも３つのトランスデューサの第１のものを励起して前記超音波信号を送信し、前記受信段階で前記少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出すステップとを備え、
各励起するステップは、
前記マルチプレクサ回路を使用して、前記少なくとも２つの受信回路のそれぞれを前記少なくとも２つの非送信の超音波トランスデューサの１つにそれぞれ選択的に接続することを備え、
各励起ステップ（ａ１）は少なくとも１回繰り返され、それぞれの繰り返された励起ステップに関して、前記少なくとも２つの受信回路は、前記マルチプレクサ回路を使用して前記少なくとも２つの非送信の超音波トランスデューサの異なる１つに接続される方法を提供する。
【００３７】
本発明者らはさらに、少なくとも２つの受信回路に生じる時間遅延、時間誤差および／または時間オフセットが、流量測定の精度に悪影響を及ぼすことも見出した。
【００３８】
流量測定システムが、受信回路を非送信のトランスデューサに選択的に接続するように構成されたマルチプレクサ回路を含む場合、これらの時間遅延、時間誤差および／または時間オフセットは、補償、すなわち除去されうる。したがって、マルチプレクサ回路は、例えば、非送信のトランスデューサのそれぞれを受信回路の１つに接続し、各励起ステップ、例えばステップａ１）−ａ４）に関してそのように行う。
【００３９】
以下では、上記の特定された実施形態は、例として、３つのトランスデューサおよび正確に２つの受信回路を参照してより明瞭に説明される。しかしながら、当業者には明らかなように、基本概念は２つより多い受信回路に適用可能である。
【００４０】
ステップａ１）において、第１のトランスデューサが励起されて超音波信号を送信する。次に、第２および第３のトランスデューサはそれぞれ、マルチプレクサ回路を使用して、２つの受信回路のうちの１つに接続され、続いて読み出される。
【００４１】
次に、ステップａ１）が繰り返されて、第１のトランスデューサが再び励起されて超音波信号を送信する。第２および第３のトランスデューサはそれぞれ、再度、マルチプレクサ回路を使用して受信回路の１つに接続され、続いて読み出される。しかし、この場合、第２および第３のトランスデューサは、マルチプレクサを使用して、前のステップａ１）と比較して異なる受信回路に接続される。
【００４２】
一例では、前記方法は、
ａ２）前記送信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの第２のものを励起して前記超音波信号を送信し、それらの受信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出すステップをさらに備え、
前記ステップａ２）も少なくとも１回繰り返され、それぞれの繰り返された励起ステップ（ａ１，ａ２）に関して、前記少なくとも２つの受信回路は、前記マルチプレクサ回路を使用して前記少なくとも２つの非送信の超音波トランスデューサの異なる１つに接続される。
【００４３】
さらに、本発明の第２の態様に関して提供される方法の実施例は、本発明の第１の態様に関して提供される方法の実施例と組み合わされ得ることに留意されたい。
【００４４】
第３の態様によれば、本発明は、流量が決定されるべき流体のためのフローチューブを備える流量測定システムであって、前記システムは、少なくとも３つの超音波トランスデューサ回路を備え、各回路は、超音波信号を送信段階で前記流体を通して送信するように、且つ、受信段階において前記少なくとも３つの超音波トランスデューサの別のものから送信信号を受信するように構成された超音波トランスデューサを備え、前記システムは、
ａ１）前記送信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの第１のものを励起して前記超音波信号を送信し、前記受信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出し、且つ、前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサの前記読み出しの間の第１の時間差を決定し、且つ、
ｂ１）少なくとも前記決定された差に基づいて前記流体を通る前記超音波信号の速度を決定し、それにより前記少なくとも３つのトランスデューサの前記第１のものの送信遅延を除去するように構成されたシステムを提供する。
【００４５】
ここで、前記システムは、
ａ２）前記送信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの第２のものを励起して前記超音波信号を送信し、前記受信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出し、且つ、前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサの２つの前記読み出しの間の第２の時間差を決定するようにさらに構成され、
前記システムは、
ｂ）少なくとも前記決定された第１の時間差および前記第２の時間差に基づいて、前記流体を通る前記超音波信号の速度を決定するようにさらに構成されてもよい。
【００４６】
より詳細な例では、前記システムは、
ａ３）前記送信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの第３のものを励起して前記超音波信号を送信し、且つ、前記受信段階において前記少なくとも３つのトランスデューサの少なくとも２つの非送信のトランスデューサを読み出すようにさらに構成されている。
【００４７】
他の例では、前記システムは、
前記少なくとも３つのトランスデューサの前記読み出された少なくとも２つの非送信のトランスデューサに基づいて、前記受信された超音波信号の振幅の減衰を決定し、
前記少なくとも２つの非送信のトランスデューサの間で前記送信された超音波信号に対して生じる媒体遷移に関する伝達係数を、前記決定された振幅の減衰に基づいて決定し、
前記流体の質量流量を決定するために、前記決定された減衰および前記決定された伝達係数に基づいて、前記流体の質量密度を決定する、
ようにさらに構成されている。
【００４８】
方法の例に関して言及した利点は、システムの例に関する利点に対応することに留意されたい。
【００４９】
第４の態様によれば、本発明は、流量が決定されるべき流体のためのフローチューブを備える流量測定システムであって、前記システムは、
少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路であって、各回路は、送信段階において超音波信号を前記流体を通して送信するように、且つ、受信段階において前記少なくとも２つの超音波トランスデューサの別のものから送信信号を受信するように構成された、少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路と、
少なくとも１つの受信回路であって、各受信回路は、対応する受信段階において前記少なくとも２つの超音波トランスデューサの１つを読み出すように構成された、少なくとも１つの受信回路と、
前記少なくとも２つの超音波トランスデューサの間で前記少なくとも１つの受信回路を選択的に接続するように構成されたマルチプレクサ回路と、
を備える流量測定システムを提供する。
【００５０】
本発明のこの第４の態様は、少なくとも１つの受信回路で生じる時間遅延、時間誤差および／または時間オフセットが流量測定の精度に悪影響を与えるという洞察に基づいている。
【００５１】
流量測定システムが、少なくとも１つの受信回路を非送信のトランスデューサのうちの１つに選択的に接続するように構成されたマルチプレクサ回路を含む場合、これらの時間遅延、時間誤差および／または時間オフセットは補償、すなわち除去されうる。
【００５２】
一実施形態では、前記少なくとも２つのトランスデューサは、前記超音波信号を交互に送信するように構成され、前記マルチプレクサ回路は、前記少なくとも１つの受信回路のそれぞれを前記非送信の超音波トランスデューサの１つにそれぞれ交互に接続するように構成される。
【００５３】
この実施形態の文脈では、少なくとも２つのトランスデューサは、超音波信号を交互に送信するように構成されており、これは、少なくとも２つのトランスデューサの各々が、交替で超音波信号を送信することを意味する。このように、少なくとも２つのトランスデューサが超音波信号を送信する特定の順序がある。
【００５４】
少なくとも２つのトランスデューサの残りの部分、すなわち送信していないトランスデューサは、それぞれ少なくとも１つの受信回路の１つにそれぞれ一意に接続されている。このように、これらの非送信のトランスデューサは、１つの送信のトランスデューサからの送信信号を受信するための受信段階に制御される。
【００５５】
前述のように、少なくとも２つのトランスデューサが超音波信号を送信する交互の順序の利点、したがって少なくとも２つのトランスデューサの残りの部分が受信段階にある交互の順序の利点は、受信回路または複数の受信回路に起因する任意のエラー、ミスマッチ、時間遅延などが平均化されることである。
【００５６】
一実施形態では、少なくとも１つの受信回路のそれぞれを非送信の超音波トランスデューサの１つにそれぞれ接続する交互の順序は、超音波信号を交互に送信する少なくとも２つの超音波トランスデューサの同じ交互の順序である。
【００５７】
この実施例の利点は、少なくとも１つの受信回路の各々が、少なくとも２つの超音波トランスデューサのそれぞれに１回接続され、それにより、少なくとも１つの受信回路によって生じる任意の時間誤差を効率的に平均化することである。
【００５８】
一実施形態では、システムは、少なくとも３つの超音波回路を備え、少なくとも３つの超音波トランスデューサは、互いに連続して配置され、２つの連続する超音波トランスデューサ間の物理的距離は実質的に等しい。
【００５９】
上記のことは、超音波信号が２つの連続して配置された超音波トランスデューサ間の流体を通って伝播する必要がある各距離が、実質的に同じであることを意味する。例えば、流量測定システムが３つの超音波トランスデューサを備える場合、第１の超音波トランスデューサと第２の超音波トランスデューサとの間の距離は、第２の超音波トランスデューサと第３の超音波トランスデューサとの間の距離に実質的に等しい。
【００６０】
一実施形態では、流量測定システムは、３つの超音波トランスデューサ回路と、２つの受信回路とを含む。
【００６１】
実際の状況では、３つの超音波トランスデューサ回路、したがって３つの独立したトランスデューサを適用すると、十分に正確な流量の結果が得られるように見える。
【００６２】
一実施形態では、超音波トランスデューサ回路の各々は、単一の負荷インピーダンスを備え、それを介して対応する超音波トランスデューサが送信段階に励起され、且つ、それを介して対応する超音波トランスデューサが受信段階中に読み出される。
【００６３】
本発明者らは、超音波トランスデューサをその送信段階に作動させ、且つ、同じトランスデューサを少なくとも１つの受信回路の１つで読み取るために単一の負荷インピーダンスが使用されると有利でありうることに気付いた。
【００６４】
一実施形態では、少なくとも２つのトランスデューサ回路のそれぞれの単一の負荷インピーダンスは、同じ値を有する。
【００６５】
この実施形態の利点は、測定の精度がさらに改善されることである。すなわち、それぞれの送信の超音波トランスデューサの送信振幅および／または音波特性をより均一にすることができる。さらに、それらの受信段階における超音波トランスデューサの受信感度および受信器特性もより均一になる。
【００６６】
一実施形態では、少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路のそれぞれは、電子スイッチを備え、超音波トランスデューサは、対応する電子スイッチを介して、対応する負荷インピーダンスを高電源電圧に、その後で低電源電圧に、短時間接続することによって送信段階に励起される。
【００６７】
本発明によれば、超音波トランスデューサをその送信段階に励起するために、超音波トランスデューサは高電源電圧に短時間接続され得、その後で低電源電圧に接続され得、このことは超音波トランスデューサへの励起パルスをもたらすことができる。
【００６８】
励起パルスの後、超音波トランスデューサは、グランドに接続され、徐々にゼロに減衰する自由振動の周期を継続する。自由振動の間、超音波トランスデューサは、その超音波トランスデューサが受信段階にある場合と同じ負荷インピーダンスで自身を放電する。
【００６９】
毎回、少なくとも２つの超音波トランスデューサを高電源電圧および低電源電圧に接続することは、マイクロコントローラによってタイムリーに制御される電界効果トランジスタ、ＦＥＴなどの電子スイッチによって達成することができる。
【００７０】
一実施形態では、複数の受信回路のそれぞれは、演算増幅器、例えば演算増幅器ベースのバッファを含む。
【００７１】
演算増幅器ベースのバッファ増幅器の利点は、そのような増幅器の入力抵抗が非常に高く、受信段階のトランスデューサによる受信された超音波トランスデューサ信号が少なくとも１つの受信回路によって影響を受けないことである。
【００７２】
一実施形態では、少なくとも３つのトランスデューサは、圧電トランスデューサである。
【００７３】
上記に基づいて、少なくとも１つの受信回路は、立ち下りまたはトレーリング（trailing）エッジを検出するためのスロープまたはエッジ検出器を含むことができる。超音波トランスデューサが励起されるたびに、それはフローチューブ内の流体を介して音の形態で動きを生成する。生成された音は、その後、他の超音波トランスデューサによって受信される。３つの超音波トランスデューサの場合、以下のシーケンスに従うことができる。
【００７４】
１）第１の超音波トランスデューサが励起され、流体を介して超音波信号を送信する。これらの信号は、他の２つの超音波トランスデューサによって受信され、２つの受信回路を介してそれぞれ読み出される。マルチプレクサは、第１の受信回路が第２のトランスデューサに接続され、第２の受信回路が第３のトランスデューサに接続されていることを確実にする。
【００７５】
２）次に、第１の超音波トランスデューサが非作動にされ、第２の超音波トランスデューサが励起されて超音波信号が流体を介して送信される。他の２つの超音波トランスデューサ、すなわち第１および第３のトランスデューサは、これらの送信された超音波信号を受信する。次に、第１および第３のトランスデューサは、同じ２つの受信回路を介してそれぞれ読み出される。しかし、この場合、マルチプレクサは、第１の受信回路が第３のトランスデューサに接続され、第２の受信回路が第１のトランスデューサにそれぞれ接続されていることを確実にする。
【００７６】
３）次に、第２の超音波トランスデューサが非作動にされ、第３の超音波トランスデューサが励起されて超音波信号が流体を介して送信される。他の２つの超音波トランスデューサ、すなわち第１および第２のトランスデューサは、これらの送信された超音波信号を受信する。次に、第１および第２のトランスデューサは、同じ２つの受信回路を介してそれぞれ再び読み出される。しかし、この場合、マルチプレクサは、第１の受信回路が第１のトランスデューサに接続され、第２の受信回路が第２のトランスデューサに接続されていることをそれぞれ確実にする。
【００７７】
最後に、上述の３つのステップのすべてを再度実行することができる。しかしながら、この場合、各ステップについて、２つの受信回路は２つの非送信のトランスデューサに異なって接続される。
【００７８】
従って、第１のステップでは、
マルチプレクサは、第２の受信回路が第２のトランスデューサに接続され、第１の受信回路が第１のトランスデューサに接続されていることをそれぞれ確実にする。
【００７９】
第２のステップでは、
マルチプレクサは、第２の受信回路が第３のトランスデューサに接続され、第１の受信回路が第１のトランスデューサに接続されていることをそれぞれ確実にする。
【００８０】
第３のステップでは、
マルチプレクサは、第２の受信回路が第１のトランスデューサに接続され、第１の受信回路が第２のトランスデューサに接続されていることをそれぞれ確実にする。
【００８１】
本発明の第３の態様に関するシステムの例は、本発明の第４の態様に関するシステムの例と組み合わせることができることに留意されたい。
【００８２】
本発明は、第５の態様において、上述の実施形態のいずれかによる流量測定システムを用いて流体の流量を測定する方法であって、前記方法は、
前記超音波トランスデューサの１つを交互に励起するステップと、
前記マルチプレクサ回路を使用して、前記トランスデューサの前記残りのそれぞれを前記少なくとも１つの受信回路の異なる１つにそれぞれ選択的に接続することにより、前記超音波トランスデューサの残りに前記受信段階を提供するステップと、を備える方法を提供する。
【００８３】
一実施形態では、前記超音波トランスデューサの１つを前記送信段階に交互に励起するステップは、
前記超音波トランスデューサを有する前記少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路に別々の制御信号を供給することを備え、前記別々の制御信号は、前記少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路の前記超音波トランスデューサの１つを前記送信段階に交互に励起するように構成されている。
【００８４】
別の実施形態では、別々の制御信号を供給するステップは、
前記マルチプレクサ回路により、前記別々の制御信号のそれぞれを、前記少なくとも２つの超音波トランスデューサ回路の異なる１つに交互にそれぞれ接続するステップをさらに備える。
【００８５】
本発明による流量測定システムおよび／または方法に含まれる異なる態様の表現、すなわち言い回しは、文字通り取られるべきではない。態様の言い回しは、態様の実際の機能の背後にある理論的根拠を正確に表現するために選択されただけである。
【００８６】
本発明によれば、その利点を含む本方法の上記の例に適用可能な異なる態様は、本発明による流量測定システムに適用可能な態様に対応する。
【００８７】
本発明の上記ならびに他の特徴および利点は、添付図面を参照した以下の説明から最もよく理解されるであろう。図面において、同一の部品、または、同一もしくは同等の機能もしくは動作を実行する部品は、同一の参照番号で示されている。
【００８８】
本発明は、特定のタイプの流量測定システムに関連して以下に開示される特定の例に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】図１は、フローチューブを通る流体の流量を決定するための回路トポロジーの例である
【図２】図２は、３つの超音波トランスデューサを含むフローチューブの例である。
【発明を実施するための形態】
【００９０】
図１は、流量測定システム１の一部、より具体的には電気的部分を開示する。図示されていないのは、それを通って流体が流れ、且つ、その流体の流速、すなわち流体の速度が決定されるフローチューブである。
【００９１】
この特定の例では、流量測定システム１は、それぞれが単一の超音波トランスデューサＣ１−８，Ｃ２−１５およびＣ３−１６を備える３つの超音波トランスデューサ回路７，１３，１４を備える。
【００９２】
これらの超音波トランスデューサＣ１−８，Ｃ２−１５およびＣ３−１６は、送信段階において流体を介して超音波信号を送信するために使用され、受信段階において送信信号を受信するように構成される。
【００９３】
流量測定システム１は、２つの受信回路１０，１２をさらに備え、各受信回路１０，１２は、対応する受信段階において、３つの超音波トランスデューサＣ１−８，Ｃ２−１５およびＣ３−１６のうちの１つを読み出すように構成される。
【００９４】
この例では、流量測定システム１は、２つの受信回路１０，１２のそれぞれを、３つの超音波トランスデューサＣ１−８，Ｃ２−１５およびＣ３−１６の異なる１つに選択的に接続するためのマルチプレクサ回路９を含む。これは、各受信回路１０，１２が３つのトランスデューサＣ１−８，Ｃ２−１５およびＣ３−１６のうちの１つに一意的に結合、すなわち接続されていることを意味する。例えば、第１の超音波トランスデューサＣ１−８が励起されている場合、すなわちそれが超音波信号を送信している場合、他の２つの超音波トランスデューサＣ２−１５およびＣ３−１６は受信段階にあり得、すなわち第１の超音波トランスデューサＣ１−８により送信された超音波信号を受信しうる。マルチプレクサ回路は、次に、第２のトランスデューサＣ２−１５を第１の受信回路１０に接続し、第３のトランスデューサＣ３−１６を第２の受信回路１２に接続する。
【００９５】
流量測定システム１は、３つのトランスデューサＣ１−８，Ｃ２−１５およびＣ３−１６のうちの１つを交互に励起または作動させて超音波信号を流体を介して送信するようにさらに構成される。したがって、例えば、最初に、第１のトランスデューサＣ１−８が励起されて超音波信号を流体を介して送信する。次に、第１のトランスデューサＣ１−８が非作動にされ、第２のトランスデューサＣ２−１５が励起されて流体を介して超音波信号を送信する。最後に、第２のトランスデューサＣ２が非作動にされ、第３のトランスデューサＣ３−１６が励起されて超音波信号を流体を介して送信する。この処理は、連続的に、好ましくはトランスデューサが合計で６回励起されるように２回繰り返してもよい。
【００９６】
上述の処理の利点は、３つの超音波トランスデューサ回路７，１３，１４によって、および、受信回路１０，１２によって生じる任意の時間誤差、ミスマッチ、時間遅延などが平均化されることである。
【００９７】
このように、上記の処理を容易にするために、本発明者らは、２つの受信回路１０，１２が、毎回、超音波信号を送信するように励起されていないトランスデューサ、すなわち受信段階にされるべき非送信のトランスデューサに接続されるべきであることを見出した。本発明者らは、非送信の超音波トランスデューサのそれぞれを受信回路１０，１２の１つにそれぞれ一意的に接続するように構成されたマルチプレクサ回路９を組み込むことによって解決策を見出した。
【００９８】
その利点は、２つの受信回路１０，１２に起因する任意のエラー、ミスマッチ、時間遅延などが平均化されることである。この例では、これは、３つの超音波トランスデューサＣ１−８，Ｃ２−１５およびＣ３−１６、例えば圧電トランスデューサのそれぞれが少なくとも１回送信段階にあった場合に最も効率的に働き、上述の平均化の効果が最も効率的である。
【００９９】
本発明の有利な実施形態では、各超音波トランスデューサＣ１−８，Ｃ２−１５およびＣ３−１６は２回励起される。マルチプレクサ回路９は、超音波トランスデューサＣ１−８，Ｃ２−１５およびＣ３−１６が励起された２回目で異なる動作をする。２回目において、受信回路１０，１２は、対応する受信トランスデューサに異なって接続され、すなわち異なる方法で接続される。
【０１００】
例えば、第１トランスデューサＣ１−８が最初に励起されると、マルチプレクサ回路９は第１受信回路１０を第２超音波トランスデューサＣ２−１５に接続し、第２受信回路１２を第３超音波トランスデューサＣ３−１６に接続する。
【０１０１】
第１のトランスデューサＣ１−８が２回目に励起されると、マルチプレクサ回路９は受信回路１０，１２を異なる方法で第２および第３超音波トランスデューサＣ２−１５，Ｃ３−１６に接続する。マルチプレクサ回路９は、第１受信回路１０を第３超音波トランスデューサＣ３−１６に接続し、第２受信回路１２を第２超音波トランスデューサＣ２−１５に接続する。
【０１０２】
これにより、フローチューブを流れる流体の流速をより正確に測定することができる。
【０１０３】
本発明によれば、流量は、流体の流量、流体の質量流量、および／または、流体の体積流量を含みうる。これらの異なるタイプの流量の各々は、本発明による流量測定システムおよび／または方法によって正確に決定されうる。
【０１０４】
図１に示すように、各超音波トランスデューサ回路７，１３，１４は、超音波トランスデューサＣ１−８，Ｃ２−１５およびＣ３−１６、負荷インピーダンスＲ１−６，Ｒ２−１７，Ｒ３−１８、ならびに、電界効果トランジスタ、ＦＥＴ、すなわちＦｅｔ’ｓ１−５，Ｆｅｔ’ｓ２−１９およびＦｅｔ’ｓ３−２０の形態の電子スイッチのような複数のコンポーネントをさらに備えてもよい。
【０１０５】
特定のトランスデューサ回路の負荷インピーダンス、例えばＲ１−６は、超音波トランスデューサ８の自由振動段階の間に、またその対応する受信段階の間にも、対応する超音波トランスデューサ８を送信段階に励起するために使用される。
【０１０６】
Ｆｅｔ’ｓ１−５，Ｆｅｔ’ｓ２−１９およびＦｅｔ’ｓ３−２０の各々は、実際にはインバータ回路に類似しており、対応する制御信号２，２１，２２は、負荷インピーダンスＲ１−６，Ｒ２−１７，Ｒ３−１８が高電源電圧、すなわち＋Ｖ−ｅｘ−４に、または、低電源電圧、例えばグランド３に接続されるか決定する。制御信号２，２１，２２はそれぞれ、対応するＦｅｔ’ｓ１−５，Ｆｅｔ’ｓ２−１９およびＦｅｔ’ｓ３−２０のゲートに供給される。
【０１０７】
超音波トランスデューサＣ１−８，Ｃ２−１５およびＣ３−１６をその送信段階に作動させるために、超音波トランスデューサＣ１−８，Ｃ２−１５およびＣ３−１６が励起される必要がある。これは、トランスデューサＣ１−８，Ｃ２−１５およびＣ３−１６を、対応する負荷インピーダンスＲ１−６，Ｒ２−１７，Ｒ３−１８を介して高電源電圧＋Ｖ−ｅｘ−４に、そしてその後、低電源電圧、すなわちグランド３に短時間接続することによって達成される。
【０１０８】
励起は、トランスデューサＣ１−８，Ｃ２−１５およびＣ３−１６に、超音波信号、すなわち音を、流体を介して放射し始めさせ、その信号は、他のトランスデューサ、すなわち非送信のトランスデューサによってピックアップされる、すなわち受信される。
【０１０９】
上記のすべての利点は、各トランスデューサＣ１−８，Ｃ２−１５およびＣ３−１６が励起され、同じ負荷インピーダンス値で読み出されることである。例えば、第１トランスデューサＣ１−８は、その対応する負荷インピーダンスＲ１−６を介して作動され、そしてまた、トランスデューサ８がその負荷インピーダンスＲ１−６を介して例えばグランド３に放電されるときに、受信回路１０，１２の１つによって読み出される。
【０１１０】
異なる超音波トランスデューサ回路７，１３，１４を互いに同調させるために、負荷インピーダンスＲ１−６，Ｒ２−１７，Ｒ３−１８は同じ値を有しうる。
【０１１１】
図１に示すように、受信回路１０，１２は、演算増幅器ベースのバッファ増幅器１１，２３を備えてもよい。その利点は、受信回路１０，１２がトランスデューサＣ１−８，Ｃ２−１５およびＣ３−１６の放電に、その読み出し中に影響を及ぼさないように、そのような増幅器の入力インピーダンスが大きい、すなわちメガオームまたはギガオームのオーダであることである。
【０１１２】
制御信号２，２１，２２は、フィールドプログラマブルゲートアレイ、ＦＰＧＡ、マイクロプロセッサなどによって提供され、これらのデバイスは、トランスデューサが送信段階および受信段階にあるタイミング、すなわち瞬間を制御するために使用される。
【０１１３】
前述したように、本発明による方法は、フローチューブを通る流体の質量流量を決定するのに適している。この原理については、以下でより詳細に説明する。
【０１１４】
まず、トランスデューサＣ１−８，Ｃ２−１５およびＣ３−１６のうちの１つ、例えば第１トランスデューサＣ１−８が励起され、すなわちそれが超音波信号を送信し、且つ、他の２つの超音波トランスデューサＣ２−１５およびＣ３−１６は、受信段階にされ、すなわち第１トランスデューサＣ１−８によって送信された超音波信号を受信する。マルチプレクサ回路９は、例えば、第２トランスデューサＣ２−１５を第１受信回路１０に接続し、且つ、第３トランスデューサＣ３−１６を第２受信回路１２に接続する。
【０１１５】
第２トランスデューサＣ２−１５と第３トランスデューサＣ３−１６は共に、第１トランスデューサＣ１−８の上流または下流のいずれかに配置される。したがって、第２トランスデューサＣ２−１５および第３トランスデューサＣ３−１６における受信された超音波信号の振幅の減衰または増幅は、以下で導出される。
【数１】
0006726269.tif 000002
【０１１６】
ここで、αは、第２トランスデューサＣ２−１５で受信された超音波信号の振幅Ａ２と、第３トランスデューサＣ３−１６で受信された超音波信号の振幅Ａ３とに関する増幅度を表す。
【０１１７】
超音波信号の振幅の減少は、流体とフローチューブとの間の超音波信号の伝達によって主に決定され、逆もまた同様であることは、本発明者の洞察であった。
【０１１８】
超音波信号の固体から流体への遷移に関連する伝達係数は、以下のように定義される。
【数２】
0006726269.tif 000003
【０１１９】
ここで、第１の材料はフローチューブの材料、例えば鋼を表し、第２の材料は流体を表す。記号「ρ」は、対応する材料の密度を表し、記号「ｃ」は、対応する材料を通る超音波信号の速度を表す。
【０１２０】
同様に、超音波信号の流体から固体への遷移に関連する伝達係数は、以下のように定義される。
【数３】
0006726269.tif 000004
【０１２１】
ここで、第１の材料はしたがって流体であり、第２の材料はしたがって鋼であり、すなわちフローチューブを表している。
【０１２２】
ショルテ波の速度が予め分かっているか、または本発明による方法を用いて決定される場合、トランスデューサＣ１−８，Ｃ２−１５およびＣ３−１６の間の距離が分かっている場合、ならびに、送信された超音波信号の周波数が分かっている場合、超音波信号が固体から流体におよび／またはその逆に遷移する回数は、以下のように決定される。
【数４】
0006726269.tif 000005
【０１２３】
ここで、記号「λ」は送信された超音波信号の波長を表し、記号「ｆ」は送信された超音波信号の周波数を表し、記号「ｎ」は超音波信号が固体から流体におよび／またはその逆に遷移する回数を表し、記号「ｘ」は、第２トランスデューサＣ２−１５と第３トランスデューサＣ３−１６との間の距離を表す。
【０１２４】
次に、流体の密度「ρ」の値は、以下のように反復して決定されてもよい。まず、流体は水であると仮定する。水から鋼への超音波信号の遷移のための伝達係数は既知であり、すなわち、「Ｔｒｂ」は約１．９４であることが知られている。残りのパラメータは既知であるか、または本発明による方法によって決定することができるので、密度「ρ」の値を決定することができる。次に、決定された密度「ρ」の値を用いて「Ｔｒｂ」の値が再度決定される。このプロセスは、密度「ρ」の妥当な一定値が得られるまで、例えば１回または数回繰り返される。
【０１２５】
流体の密度「ρ」および（決定された）流体の流量に基づいて、流体の質量流量を確立することができる。
【０１２６】
図２は、本発明によるシステムのための流量計１０１を斜視図で示す。流量計１０１は、その流量が測定されるべき媒体用のフローチューブ１０２を備えている。フローチューブは、外側ジャケット１０３を有する。フローチューブには、入口Ａおよび出口Ｂが設けられている。フローチューブは、好ましくは、長手方向Ｌに延びる細長い直管１０２である。
【０１２７】
フローチューブ１０２の外側ジャケット１０３には、図示された実施形態では環状であり、且つ、管１０２の全周に設けられた第１超音波トランスデューサ１１１が設けられている。第１発振器１１１は、音響的に伝導性の層１２１を介して、フローチューブ１０２の外側ジャケット１０３に音響的に接触している。
【０１２８】
第１超音波トランスデューサ１１１から長手方向に離れた位置には、音響的に伝導性の層１２３によってフローチューブ１０２の外側ジャケット１０３と接触する第２超音波トランスデューサ１１３が設けられている。
【０１２９】
第２超音波トランスデューサ１１３から長手方向に離れた位置に、第３超音波トランスデューサ１１２が設けられ、それは、この場合音響的に伝導性の層１２２を介して、フローチューブ１０２の外側ジャケット１０３と同様に接触している。
【０１３０】
第１超音波トランスデューサ１１１、第２超音波トランスデューサ１１３および第３超音波トランスデューサ１１２は、ピエゾ素子として構成されうる。この場合、ピエゾ素子はピエゾフィルムを備えてもよい。さらに、受信素子は、ＰＺＴ素子であるか、ＰＶＤＦ材料を含むか、または、セラミック結晶であることが考えられる。
【０１３１】
本発明によれば、３つのトランスデューサ１１１，１１３，１１２はそれぞれ、ある順序で励起され、励起されないトランスデューサは対応する受信回路を介して読み出される。表１は、３つのトランスデューサ１１１，１１３，１１２が励起される順序の例、および、３つのトランスデューサ１１１，１１３，１１２のどれが受信回路に接続されるかを提供する。
【０１３２】
【表１】
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【０１３３】
したがって、上の表は、トランスデューサが励起される順序（第１列）、どのトランスデューサが第１受信回路に接続されるか（第２列）、および、どのトランスデューサが第２受信回路に接続されるか（第３列）を示す。
【０１３４】
当業者であれば、本発明の好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明したことを理解するであろう。しかし、本発明はこれらの実施形態に限定されない。
【０１３５】
したがって、例えば、追加の超音波トランスデューサ回路および／または受信回路が設けられることが考えられる。
【０１３６】
従って、本発明の範囲内で種々の変更が考えられる。求められる保護の範囲は添付の請求項によって決定される。
【図１】
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【図２】
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