(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体が通流する導電性の対象における媒体の流速または流量を測定するための方法であって、
送信トランスデューサ（１１）を用いて少なくとも１つの超音波（１６）が前記対象内で生成され、
前記超音波（１６）は、前記対象の内側において縦波（８）として媒体内に入力され、
前記入力箇所から空間的に離間して、前記縦波（８）によって少なくとも部分的に生じた超音波信号が、受信トランスデューサ（１２）によって受信されて、前記流速または流量の評価に用いられ、
前記送信トランスデューサ（１１）は、前記対象の表面近傍領域において、可変の第１の磁場を生成し、さらに前記領域において、前記可変の第１の磁場と、静的または準静的磁場との相互作用によって、第１の超音波が生成され、
さらに前記送信トランスデューサ（１１）は、前記対象の前記領域において、可変のさらなる第２の磁場を生成し、さらに前記領域において、前記可変のさらなる第２の磁場と、静的または準静的磁場との相互作用によって、さらなる第２の超音波が、前記対象内で、前記第１の超音波に対して、９０°だけ位相シフトされ、かつλ／４だけ空間シフトされて生成され、
前記さらなる第２の超音波は、前記受信トランスデューサ（１２）に向かう方向で生じる音波の振幅は拡大されかつ前記受信トランスデューサ（１２）から離れる方向で生じる音波の振幅は低減されるように、前記第１の超音波に重畳され、
前記第１および第２の磁場は、前記送信トランスデューサ（１１）の２つの高周波誘導コイル（１８，１９）によって生成されるようにしたことを特徴とし、
但し前記λは、前記対象内で生成された超音波の波長である、方法。
【請求項２】
前記送信トランスデューサ（１１）は、前記対象の表面との音響結合を除いて、前記対象の表面近傍領域において、可変の第１の磁場を生成する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記対象は金属製である、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記第１および第２の超音波は、前記受信トランスデューサ（１２）から離れる方向で互いに打ち消し合う、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記対象が管路状であり、
前記可変の磁場は、前記高周波誘導コイル（１８，１９）の１つ以上の導体路によって生成され、前記導体路は、前記管路状の対象の周面に沿って少なくとも９０°の範囲に亘って前記対象の長手軸に対して曲がって延在している、請求項１から４いずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記対象が、管路（１）またはパイプラインである、請求項５記載の方法。
【請求項７】
第１および第２の前記高周波誘導コイル（１８，１９）は、前記送信トランスデューサ（１１）の２つの異なる導体路によって形成される、請求項５または６記載の方法。
【請求項８】
前記送信トランスデューサ（１１）は、体積波（バルク波）を生成するように設計されているか、または、誘導波（ガイド波）を生成するように設計されている、請求項１から７いずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記体積波（バルク波）は、バルク剪断波である、または、前記誘導波（ガイド波）は、ｎ次のラム波であり、但し前記ｎは０以上の整数である、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記第１および第２の超音波は、少なくとも１つの高周波誘導コイルによって生成され、前記高周波誘導コイルのコイル巻線は、コイル中央が多重に巻回されている、請求項１から９いずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記送信トランスデューサ（１１）の信号は、窓関数によって変調される、請求項１から１０いずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
前記送信トランスデューサ（１１）と前記受信トランスデューサ（１２）は、前記受信トランスデューサ（１２）内で超音波信号が媒体内の複数のパスから生じるように互いに離間されている、請求項１から１１いずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
一対の送受信トランスデューサが前記対象の一方の側に配置され、さらなる一対の送受信トランスデューサが前記対象の他方の側に配置され、通流方向と逆方向の両方で測定がなされ、前記二対の送受信トランスデューサは互いに前記対象の上で離間して配置されている、請求項１から１２いずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
超音波信号が、前記受信トランスデューサの２つの高周波誘導コイル（２０，２１）によって捕捉され、前記受信トランスデューサの受信信号は、分析のために重畳される、請求項１から１３いずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
媒体が通流する導電性の対象における媒体の流速または流量を非侵襲的に測定するための音響流量計装置であって、請求項１から１４いずれか１項記載の方法を実施するための音響流量計装置において、
前記対象内で少なくとも１つの超音波（１６）を生成するための送信トランスデューサ（１１）と、前記対象内で超音波信号を検出するための受信トランスデューサ（１２）とを備え、
前記超音波（１６）は、前記媒体の側を向いた対象の内側において縦波（８）として媒体内に入力され、
前記超音波信号は、少なくとも部分的に前記縦波（８）によって出現し、
前記送信トランスデューサ（１１）は、前記対象の表面近傍領域において、可変の２つの磁場を生成するために、２つの高周波コイル（１８，１９）を有しており、前記２つの高周波コイルは、前記対象の長手方向に対する横断方向で見て空間的に相互にずらされて配置されており、
さらに前記領域における前記可変の磁場と、静的または準静的磁場との相互作用によって、２つの超音波を生成でき、
前記２つの超音波は、前記受信トランスデューサ（１２）に向かう方向で生じる音波の振幅は拡大されかつ前記受信トランスデューサ（１２）から離れる方向で生じる音波の振幅は低減されるように、前記対象内で重畳される
ことを特徴とする音響流量計装置。
【請求項１６】
前記送信トランスデューサ（１１）は、前記対象の表面との音響結合を除いて、前記対象の表面近傍領域において、可変の第１の磁場を生成する、請求項１５記載の音響流量計装置。
【請求項１７】
前記対象は金属製である、請求項１５または１６記載の音響流量計装置。
【請求項１８】
前記受信トランスデューサ（１２）は、前記対象の長手方向に対する横断方向で見て、相互に空間的にずらされて配置された２つの高周波コイル（２０，２１）を形成している、請求項１６または１７記載の音響流量計装置。
【請求項１９】
前記送信トランスデューサまたは受信トランスデューサは、２つの高周波コイルを形成するために２つの導体路を有しており、第１の導体路の転向によって接続されている複数の部分（３４）は、それぞれ第２の導体路の隣接する部分からλ／４の一定の間隔を有しており、但し前記λは、前記対象内の超音波（１６）の波長である、請求項１８記載の音響流量計装置。
【請求項２０】
同じ通流方向を有する導体路の部分（３４）は、λの間隔を有し、但し前記λは、前記対象内で誘起される超音波（１６）の波長である、請求項１５から１９いずれか１項記載の音響流量計装置。
【請求項２１】
前記送信トランスデューサまたは受信トランスデューサは、前記対象の長手方向に対する横断方向で見て中央に多重巻線を有している導体路を有している、請求項１５から２０いずれか１項記載の音響流量計装置。
【請求項２２】
前記送信トランスデューサまたは受信トランスデューサは、同じタイマを介して相互に接続されている、請求項１５から２１いずれか１項記載の音響流量計装置。
【請求項２３】
前記対象が、管路（１）またはパイプラインである、請求項１５から２２いずれか１項記載の音響流量計装置。
【請求項２４】
前記送信トランスデューサまたは受信トランスデューサの少なくとも２つの導体路は、曲がって、前記管路（１）に当接および／または巻回されるように構成されている、請求項２３記載の音響流量計装置。
【請求項２５】
前記導体路は、管状の前記対象の周面に沿って少なくとも９０°の範囲に亘って、前記対象の長手軸に対し曲がって延在するように構成されている、請求項２４記載の音響流量計装置。
【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対象、特に管路またはパイプライン内の媒体の流速ないし流量を測定するための方法に関している。さらに本発明は、そのような方法を実施するための音響流量計装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の非侵襲的な流量計は、管路やパイプラインにクランプオンする必要があり、それによって、送信ないし励起トランスデューサから生成された超音波がパイプ内部に入力される。このような機器のクランプオンも、その後の動作も、パイプ内を流れる媒体の移送には影響を与えることがないため、非侵襲的な流量測定は多用されている。さらに多くのケースでは楔形の音響カプラが付加的に用いられ、この音響カプラは圧電素子と対象との間に配置され、送信トランスデューサから出力された音響信号を、付加的結合媒体の使用のもとで積極的に管壁に入力させ得る。
【０００３】
送受信トランスデューサの管路への取付けとそれらの試運転は重要な作業工程の１つである。なぜなら媒体、壁厚及び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間隔距離は、管路内で生成する超音波のためにも正確に保持する必要があるからである。最適な間隔距離からのわずかなずれが既に信号の品質を著しく劣化させる。その上さらに、従来の超音波式流量計は、比較的狭い範囲の温度でしか用いることができず、その際には対象の温度、特に管路またはパイプラインの温度が重要である。トランスデューサの動作温度は、それらのキュリー温度よりも十分に低くなければならず、その温度は典型的には汎用のトランスデューサにおいて１５０度から３５０度の間である。そのような問題を克服する解決策の１つとして、例えば独国特許出願  ＤＥ  ４１２４６９２  Ａ１公報に開示があり、ここでは圧電セラミックを備えたトランスデューサが高温用に構成されている。この構成により１８０度までの温度を伴う対象内の媒体の流速または流量が測定可能となっている。但しここでは温度の問題の他に、急峻な温度勾配がもたらす音響カプラ材料内で生じる緊張に基づいて、さらに重大な問題が生じる可能性がある。その他にも、音響カプラと管路との間に挿入される通常はゲル状の結合媒体の経年劣化が問題になる。なぜならこの結合媒体は、使用年数が増えれば増えるほど、対象内で生成される超音波信号の品質を低下させてしまうからである。
【０００４】
従って本発明の課題は、従来技法による音響流量計装置において、より広範囲な用途のためのさらなる改善を施すことにある。さらに本発明の課題は、音響流量測定のためのさらに改善された方法を提供することにある。
【０００５】
前記課題は、請求項１に記載の本発明による方法によって解決され、さらに請求項１２に記載の本発明による装置によって解決される。本発明の有利な改善例は、従属請求項並びに以下の説明にも記載されている。
【０００６】
本発明による、媒体が通流する導電性の対象、特に管路またはパイプラインにおける媒体の流速または流量を測定するための方法では、送信トランスデューサを用いて少なくとも１つの超音波が対象内で生成される。前記超音波は、対象の内側において縦波として媒体内に入力され、前記入力箇所から空間的に離間して前記縦波によって少なくとも部分的に生じた超音波信号が、受信トランスデューサによって捕捉され、流速または流量の評価のために用いられる。前記送信トランスデューサは、対象表面との音響結合を除いて、特に金属対象の表面近傍領域において可変の第１の磁場を生成し、さらに前記領域において、前記可変の第１の磁場と、静的または準静的磁場との相互作用によって、第１の超音波が生成される。さらに前記送信トランスデューサは、前記対象の領域において可変のさらなる第２の磁場を生成し、前記領域において、前記可変のさらなる第２の磁場と、静的または準静的磁場との相互作用によって、さらなる第２の超音波が生成される。このさらなる第２の超音波は、前記第１の超音波と次のように重畳される。すなわち受信トランスデューサへ向かう方向で生じる音波の振幅は拡大され、かつ受信トランスデューサから離れる方向で生じる音波の振幅は低減されるように重畳される。この場合有利には前記第１及び第２の磁場は、送信トランスデューサの２つの高周波コイルによって生成される。前記送信トランスデューサも、前記受信トランスデューサも、前記対象の外側に配置されており、前記受信トランスデューサも、好ましくは前記対象と音響結合されない。この音響結合とは、前記送信トランスデューサ若しくは前記受信トランスデューサと、前記対象との間の結合と理解されたい。この結合は、音波の伝送に基づいて最適化されており、例えば、水、油脂、接着剤などを含有する結合である。ここでは音波のごく僅かな成分（振幅の１０％未満）のみを伝送する単なる物理的結合は理解不要である。
【０００７】
この手法を用いることによって、対象内でも媒体内でも大幅に改善された超音波信号が生成される。なぜなら、受信トランスデューサから見て送信トランスデューサ後方にある対象の一部からの、受信信号中に不所望な成分をもたらしかねない障害的な反射成分が最小化されるか完全に防止されるからである。さらにこのような管路反射に基づく障害的な超音波成分の低減に加えて、超音波信号が増幅される。このことは、受信トランスデューサ側での信号の良好な捕捉に結び付き、ひいては受信感度と測定品質の向上にもつながる。
【０００８】
その上さらに、改善された超音波信号に基づいて、この超音波信号が媒体内で多重に反射でき、それによって、受信トランスデューサの側で相応の多重信号が得られる。この多重信号も、評価の向上に寄与する。なぜならこの超音波信号は、対象の内側におけるさらなる各反射と共に媒体速度による影響を受けないからである。それ故に評価することができる付加的な変化を経験する。
【０００９】
有利には、前記第１および第２の超音波は、受信トランスデューサから離れる方向で見て、それらが互いに打ち消し合って、障害的な反射が何も生成されないように相互調整されている。とりわけ前記第２の超音波は、前記第１の超音波に対して９０°だけ位相シフトされλ／４だけ空間シフトされて媒体内へ入力される。ただし前記λは、対象内で生成された超音波の波長である。
【００１０】
本発明による方法は、特に有利には、前記変化する磁場が高周波誘導コイルの１つ以上の導体路によって生成され、前記１つ以上の導体路は、管状又はチャネル状の対象の周面に沿って実質的に少なくとも９０°にわたって、およびその長手軸に対して曲がって延在している。前記管状の対象とは好ましくはその断面形状が円形の対象である。但しその他の断面形状、例えば矩形のチャンネルも可能である。
【００１１】
前記１つまたは複数の導体路が前記対象の周面に沿って少なくとも９０°の範囲に亘って延在することにより、前記管路の自由断面のほぼ半分の領域が超音波照射される。媒体流のさらに良好な測定は、管路の自由断面がより高い被覆率でカバーされることによって実現される。この高い被覆率によれば、例えば１つ以上の導体路が管路周面を１８０°の範囲に亘って取り囲むように配置され、より好ましくは少なくとも３５０°の範囲に亘って取り囲むように配置される。導体路による管路の完全な巻回（すなわちほぼ３６０°の範囲に亘る巻回）は、対象の内周全体に亘って媒体内へ入力可能な超音波の生成をもたらす。これは対象、特に管路の内部自由断面をカバーする。その上さらに、周面方向への延在を制約されて対象上に載置され信号対雑音を悪化させていた従来の送信トランスデューサで起きていたような送信トランスデューサの可能なエッジにおける周面方向の障害的な超音波の生成あるいは当該エッチに起因する周面方向の障害的な超音波の生成は何も起きない。
【００１２】
エッジ回折を回避するために、有利には、前記導電路の対向する端部ないしは転向領域が部分的に重畳される。すなわち周面方向において検査すべき管路の長手方向延在部に対して横断方向に重畳部分が存在し、該重畳部分は、使用される波長より小さくてもよい。すなわち３ｍｍ乃至３６ｍｍの間の値より小さくてもよい。代替的に、前記導体路ないし導体路を有するリボンケーブルは、互いに隣接する対向端部において、検査すべき管路壁部から持ち上げられていてもよいし、この壁部から離れるように曲げられていてもよい。また場合によっては前記管路壁部に対して垂直方向に延在して互いに密着されてもよい。有利には円形の管路周りの導体路の延在は、片側に小さなピークを有するほぼ円形のものであってもよい。
【００１３】
ここでは、円形であるべきパイプラインの管路が、理想的な円形の断面から僅かなずれを有し得ることを考慮すべきである。本発明は、そのような僅かに楕円の管路断面に対しても適している。
【００１４】
コイルを形成するために要求される転向領域は除いて、導体路は、対象の長手軸に対して曲がって、ないしは、傾斜して配置される。とりわけ、前記配置は、厳密に見て前記対象の長手軸に対する横断方向に、すなわち９０°の方向で実施可能である。
【００１５】
それに伴い、前記導体路の通る対象の長手軸を横切る横断面では、送信トランスデューサの高周波誘導コイルの複数の導体路も曲がって構成されていてもよい。すなわち前記対象の外表面の経過に整合させることが可能である。
【００１６】
既に説明したように、並びに引き続き以下でもさらに詳細に説明するように、冒頭で述べた課題は、上記した方法ないしは下記に説明する方法を実施するように構成された本発明による流速または流量を非侵襲的に測定するための音響流量計によって解決される。本発明によれば、この音響流量計は、対象内で少なくとも１つの超音波を発生させるための送信トランスデューサを備え、この超音波は、媒体から見て当該対象の内側にて縦波として媒体内へ入力される。さらに当該音響流量計は、当該対象内で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ており、ここでは前記縦波によって、超音波信号が少なくとも部分的に出現している。前記送信トランスデューサは、前記対象の表面との音響結合を除き、とりわけ金属製の対象の表面に近い領域において、２つの可変の磁場を生成するために２つの高周波コイルを有している。これらの高周波コイルは、前記対象の長手軸に対して横断する方向で見て、それぞれ相互にずらされて配置され、それぞれ１つの可変の磁場を生成している。これらの各可変の磁場は、当該流量計によって生成される静的または準静的磁場と共に、表面領域において超音波を発生する。そのようにして生成された２つの超音波は重畳されて所望の配向の超音波となる。本発明による流量計と対象、例えば管路やパイプラインとの音響結合は、必ずしも必要ない。この音響流量計の送信トランスデューサと受信トランスデューサは、前記対象から離間させた配置が可能である。その際には、前述したような音響結合が省略可能である。１８０℃以上の領域の測定の他にも、コーティングされた対象、例えば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を通る流量も測定することが可能である。ここでの唯一の前提条件は、コーティングが電磁場に対して透過性であるということだけである。それと同時に、２つの結合された超音波によって、前記対象内で超音波は、送信トランスデューサの受信トランスデューサから離れた側ではもはや拡張されないか、最小範囲内でのみ拡張し、それによって、測定信号の劣化を招く障害的反射は全く発生しないか、極僅かしか発生しないことが実現される。
【００１７】
本発明による流量計の送信トランスデューサは、対象との物理的接触が可能であるにもかかわらず、当該送信トランスデューサは、十分に通流対象の近傍に配置することが可能である。対象との離間距離は２ｃｍであってもよい。位置している場合、それは十分である。高温にも相応に耐え得る適切な材料を使用することによって、非常に高温の管路も問題なく測定することができる。
【００１８】
高周波誘導コイルを使用することにより、対象の表面近傍領域に交番磁場が生成される。高周波誘導コイルによって生成された第１の高周波磁場の一部は、前記対象内へ侵入し、渦電流を誘起するかないしは磁歪をもたらす。これらの渦電流およびローレンツ力ないし磁歪と、静的または準静的磁場との相互作用に基づいて、第１の超音波が生成される。同じ様に、さらなる第２の超音波も前記対象内で生成され、これは、前記第１の超音波と、一方の方向では減衰されるように、そして受信トランスデューサに向かう別の方向では増幅されるように重畳される。
【００１９】
準静的な磁場とは、計算の中で送信トランスデューサの高周波磁場に対して静的とみなすことができる磁場と理解すべきである。特に準静的な磁場とは、２００Ｈｚ以下の周波数、有利には１０Ｈｚ以下の周波数で変動するので、電磁的に生成される磁場も静的磁場とみなすことが可能であるが、特に永久磁石によって生成される磁場である。高周波磁場とは、特に振動磁場であり得る。さらに、管路の既存のコーティングも貫通して幅広い温度範囲で測定することができる利点の他に、装置も、結合媒体が存在しないことに基づいて僅かな経年劣化にしかさらされない。既知の従来技術において頻繁に交換されていた結合媒体は不要となる。
【００２０】
本発明による流量計は、大抵の場合、当該流量計が対象上に配置されるかないしは対象の近傍領域に配置されるものを参照して説明される。しかしながら、そのような例えば管路として構成される対象のみが、本発明の対象ではなく、それどころか本発明の対象は、そのような管路上で動作させるために構成される。
【００２１】
信号適応化の目的のために、トランスデューサないしは誘導コイルを動作させ得る周波数が、好ましくは自動的に変更可能である。送信トランスデューサのコイルが動作される高周波数の変動性または適応化によって、対象内で生成される超音波も、媒体内で生成される縦波も、受信トランスデューサに関して最適に調整される。それにより、送信トランスデューサと受信トランスデューサとの間の間隔の許容誤差、ないしは、従来技法において頻繁に手動での後調整の必要があった不正確な位置付けが、電子的に補償されるようになる。このことは、トランスデューサの設計のために用いる、生成された横波の角度依存性から生じ、特に使用される周波数のバルク剪断波（体積剪断波）の角度依存性から生じる。トランスデューサ角度依存の設計に使用から生じる。また管路内の圧力変動ないしは温度変化に基づく信号伝搬の変動もこのようにして補償することができる。
【００２２】
測定精度とシステムの適合性は、特に従来技術に比べて、個別に入力される２つの超音波の重畳から得られる著しく改善された超音波信号に基づいて飛躍的に向上する。送信トランスデューサを動作させる高周波は、媒体内で誘起される縦波が受信トランスデューサの方向で最適化されて誘導されるように、受信した信号の最適化のために可変である。
【００２３】
２つの高周波コイルが、異なるスイッチを用いて回路技術的に複数のコイルに分割可能な同一の導体路によって形成可能であるのに対して、第１および第２のコイルを、送信トランスデューサの２つの異なる導体路によって形成することは、製造技術的にも回路技術的にも簡単なことである。この場合は、各導体路に、固有の電子送信回路が備わっていてもよいし、代替的に、共通のコントローラがこれらの２つの導体路のための電子回路を制御してもよい。２つのコイルを備えた送信ないし受信トランスデューサの代わりに、２つの送信ないし受信トランスデューサを代替的に動作させてもよい。
【００２４】
２つの導体路を備えた送信トランスデューサは、好ましくは体積波（バルク波）の生成に基づいて、とりわけバルクせん断波の生成に基づいて設計されているか、あるいは誘導波（ガイド波）の生成、とりわけｎ次のラム波（但しｎは０以上の整数）の生成に基づいて設計されている。
【００２５】
ｎ次のラム波が生成される場合には、特に媒体の均質な伝播が達成される。０次のモードあるいは０次以上のモードの利用、特にｎ＝０，１，または２であるモードの利用は、特に水分ないし油分を含んだ媒体の流量測定のために適しており、縦波の明確な形成のためにふさわしいことが示されている。トランスデューサの周波数適合化によって、所望の最適なモードが設定できる。比較的小さな特に管状の対象、有利には５ｃｍ未満の直径を有する対象のために、１つまたは複数のトランスデューサを、所期のように屈曲波の形態の誘導波を発生することができるように設計することが可能である。
【００２６】
変換器の設計の下で、特にそれらの設定すべき周波数と、静的（若しくは準静的）磁場の配列構成と、単一若しくは複数の導体路の配置構成とを意味するものと理解されたい。ラム波または剪断波の生成のためのトランスデューサの高周波の設定は、特にその内部で超音波が生成される対象の壁厚に依存して行われる。
【００２７】
送受信トランスデューサの他に、音響流量計は、上述したように対象の磁化のための装置、励起用の電子系、並びに信号評価も含めた受信電子系を有する。
【００２８】
前記対象内への干渉のない超音波の入力を行うために、第１または第２の超音波、または両方の超音波が、そのコイル巻線が中央で多重に巻回されている少なくとも１つの高周波コイルによって生成されると有利であることがわかっている。このアポダイゼーションによって、波長純度が改善される。すなわち、波長がより高精度に定められる。ここでの多重の巻回とは、同じ導体路の相互に密に存在しているが周面側では相互に分離した導体路区分であって、どちらも次に隣接する導体路区分に対してほぼ同じ間隔を有している導体路区分を意味するものと理解されたい。
【００２９】
付加的または代替的に、送信トランスデューサの信号は、窓関数によって変調することができる。その最も簡単なケースは、ガウス関数である。これにより、生成される超音波の周波数を良好に定めることが可能となり、アポダイゼーションの場合と全く同じように、送信トランスデューサから生成された２つの超音波が正確に表現され、かつ良好に定めることが可能なこれら２つの超音波の重畳の結果として、所望の超音波が得られるようになる。
【００３０】
有利には、送信および受信トランスデューサが相互に離間されている限り、受信トランスデューサにおける超音波信号は、媒体中の複数の伝播から生じる。この場合送信トランスデューサと受信トランスデューサとの間の間隔は、特に１.５０ｍ以下の範囲にある。
【００３１】
対象内への超音波の入力は、送信トランスデューサと媒体内への移行パスとの間で（対象の長手軸方向で）空間的にずらされて行われる。このことは、媒体を通過する所期の多重伝播に結び付けることができる。その結果生じる受信信号は、より正確に測定することが可能である。その後装置の設定は、送信トランスデューサと受信トランスデューサが相互に十分に離間するように選択される。代替的または補足的に有利には、送受信トランスデューサの第１の対が対象内で一方の側に配置され、送受信トランスデューサの別のさらなる対は、前記第１の対から離間されて対象に配置される。媒体の通流方向でも、それとは逆方向でも測定することが可能になる。特に媒体内への未知の長い入力区間に基づいて生じる不確定な結果は評価において消去することができる。
【００３２】
有利には、超音波信号は、受信トランスデューサの２つの高周波誘導コイルによって捕捉され、それらの受信信号は、分析のために重畳される。その結果からは、送信周波数で有利に復調可能な波動パケットの形態の受信信号が得られる。
【００３３】
本発明による流量計の有利な構成によれば、前記対象の周面に沿って実質的に並行にかつ前記対象の長手軸に対して横断方向に配置されるべき高周波コイルの同じ通流方向を有する導体路部分は、λの一定の間隔を有し、但し前記λは、対象内で生成される超音波の波長に相応している。この考察によれば、各導体路部分の長手方向にも伝播されるべき転向が考慮されなくなる。しかしながらこれらの転向は、対象内での障害的な影響を避けるためにもできるだけ緩い角度で形成された方が有利である。
【００３４】
送信トランスデューサによって生成された２つの超音波の良好な干渉を可能にするために、前記流量計は、高周波コイル毎にそれぞれ１つの導体路を有し、転向によって結合された第１の導体路部分が、それぞれ隣接する第２の導体路部分からλ／４の一定の間隔を有する。但し前記λは、生成された超音波の波長に相応する。
【００３５】
送受信トランスデューサの簡単な同期と、それに対応する評価の利点は、送受信トランスデューサが同じタイマを介して相互接続されることによって得られる。
【００３６】
既に述べたように、前記送受信トランスデューサの少なくとも２つの導体路は曲がって、管路に当接および／または巻回するように形成されている。
【００３７】
この場合、前記導体路は特に次のように曲がって構成される。すなわち、実質的に前記導体路は、管状の対象の周面に沿って少なくとも９０°の範囲に亘って延在し、かつ前記対象の長手軸線に対して曲がって延在するように構成され、その断面は、円形でも矩形でもよい。
【００３８】
本発明のさらなる利点及び詳細は、以下の明細書かも明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来技法による流量計の断面図
【図２】図１による流量計に本発明の一部を適用した図
【図３】コーティングされた対象に本発明を適用した図
【図４】本発明の原理図
【図５】図４による設定からの受信信号のグラフ図
【図６】本発明のさらなる実施形態を示した図
【図７】図６による設定からの受信信号のグラフ図
【図８】本発明による送信トランスデューサの巻線例を示した図
【図９】本発明の基本原理図
【００４０】
同一の作用または類似の作用を有する部材には、可能な限り同一の符号を付している。以下で説明する実施例の個々の技術的な特徴は、前述した実施例の特徴と共に本発明の更なる改善例にも応用することが可能である。
【００４１】
図１には、破断図で示されている管路１内の媒体、特に気体若しくは液体の流量Ｆを測定するための従来技術から公知の設定構成が示されている。圧電式超音波トランスデューサ２は、圧電式超音波トランスデューサ３と同じように、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とができる。例えば、送信トランスデューサ２から、超音波信号が、楔形音響カプラ４を介して、φ１の角度（管路表面に対する垂線５に対して測定された角度）で対象の管壁６に入力される。超音波は管壁６内をビーム状に伝播するという前提の下、この音波は、管内側７に到達し、そこからφ３の角度で媒体内へ入力される。この媒体内に縦波８として入力された超音波は、媒体の流れによって変化し、図中下方の管壁の内側に到達する。それは、管路内壁の周面方向に関して、入力箇所とは反対側の管路内壁にあり、Ｆの方向に向いた超音波ベクトル成分に基づいて軸方向でずれた位置にある。この下方側でも、さらなる音響カプラ９までの管壁６内への入力が行われる。これにより、媒体によって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トランスデューサ３まで到達する。さらなる動作モードにおいては、受信トランスデューサ３は、次のステップにおいて送信トランスデューサとして機能し、これまで入力トランスデューサとして機能していたトランスデューサ２の方向へ向けて超音波を結合手段９を介して放出する。機能的な構造については、このステップにおける結合手段４ないしは９と、管壁６との間の超音波信号のパス間隔Ｌに依存する。２つの音響カプラ相互間の間隔における僅かなずれは、信号の減衰や完全な消失につながり、そのため測定結果の悪化や全くの欠落を招く。
【００４２】
図２には、本発明による音響流量計が（部分的に）示されている。この音響流量計では、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１１の他に、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。超音波８，８′並びに管壁内でさらなる矢印によって示される超音波が含まれているように、本実施形態では、一方では、送信トランスデューサ１１が、付加的に受信トランスデューサとして機能し、他方では、受信トランスデューサ１２が付加的に送信トランスデューサとして機能している。例えば図４に詳細に示されているこれらの２つのトランスデューサは、ここでは単に例示的に複数の導体路が図平面内へ引き込まれ、そこから引き出されているように示されている。前記２つのトランスデューサ１１および１２はそれぞれ、２つの高周波誘導コイルと、ここには示されていないさらなる部品、例えば所要の電流強度を形成するためのパワーエレクトロニクスなどを含んでいる。前記トランスデューサの２つの高周波誘導コイルは、外表面１３に近い管壁６領域内に渦電流を誘起し得る。それらは、図２の実施形態によれば、磁極片状の２つの永久磁石１４及び１５によって管壁６内に生成される静磁場と相互作用する。この相互作用によって前記管壁６内では方向付けられた超音波が発生する。そのような超音波１６は、例えばバルク剪断波として形成され、フローＦの方向に流れる媒体に入力される。管路内壁の対向側では縦波が再び管路内壁に入力され、そこで受信トランスデューサとして機能している高周波誘導コイル１２によって検出される。この装置は、前記トランスデューサ１１及び１２のための様々なセットアップと、前記磁石に１４及び１５に関する様々なセットアップとによって動作することができる。
【００４３】
既に図２にでも示されたように、結合媒体の利用は必ずしも必要ではない。これにより、管路近傍へのトランスデューサの取り付け又は管路への取付けが簡単になる。送受信トランスデューサと管路６との間で可能な離間によって、若しくは断熱層の使用によって、非常に高温の管路でも測定が可能になる。
【００４４】
次に、コーティング１７を備えた管路６に対する測定構造の概略図を図３に示す。このコーティングは、管路６内で超音波を発生するために、従来技術では必要とされていたように除去する必要はない。したがって、コーティングされた管路を通る流量の測定が簡単に実施され得る。
【００４５】
本発明による流量計は、図４によれば、フローＦの長手方向（これは同時に管路６の長手方向にも相応している）で相前後して配置された２つの高周波誘導コイル１８及び１９を有する送信トランスデューサ１１を備えている。図４中、管路の長手方向を横切る方向から見て、前記高周波誘導コイル１８及び１９の隣接して存在する導体路部分の間の間隔はλ／４である。但し前記λは管壁内で誘起される音波の波長である。高周波誘導コイル１８及び１９は、管壁の表面近傍層内に交番磁場を誘起し、それらは、空間的にλ／４だけオフセットされ、時間的に９０°だけ位相シフトされた音波の形成につながる。これにより、媒体の通流方向Ｆと反対に、高周波コイルないし高周波誘導コイル１８及び１９から離れる方向で負の干渉、すなわち音波の相殺が生じ、それに対して通流方向Ｆでは、高周波コイルから出発して構造的な干渉により、管壁内で音波の増幅された振幅が生じる。また媒体内へ入力される縦波８の振幅も相応に増幅される。
【００４６】
図４の概略図において、複数の導体路は、流れ方向Ｆへの転向区間を形成する短い部分を除いて実質的に管路の長手方向に対して横断方向に形成されている。これらの導体路は、管路の周りに完全に巻き付けられており、換言すれば、当該管路の外壁は、その周面に沿って３６０°の範囲に亘り複数の導体路で完全に覆われている。これにより、管路内壁内で発生する音波の最適な形成が生じる。
【００４７】
受信トランスデューサ１２の側にも２つの高周波誘導コイル２０及び２１が配置され、これらはまず管路内を伝播する音波２２と、媒体による影響を受けて管壁内へ再び入力される縦波８に起因する超音波信号とを検出し、また送信トランスデューサ１１から見て受信トランスデューサ１２の後方へ伝播する反射された超音波２３も検出している。この反射された超音波２３は、例えば管壁内を伝播する音波に起因する溶接継ぎ目１０から反射された反射波であり得る。高周波誘導コイルの通流方向が同じ導体路は、間隔距離λを有している（図２、図４、図８参照）。
【００４８】
前述の望ましくない信号２３の除去のために、前記高周波誘導コイル２０及び２１の受信信号は、再び位相シフトされて加算され、それによって、図５に示されている振幅信号５が生じる。この図では、時間軸Ｔに亘って信号振幅がプロットされている。このことから、縦波８と相応の媒体によって影響を受けた領域２４の信号が、流量評価のために使用され得る。
【００４９】
わずかに異なる設定を伴う代替的な構成は図６に示されている。ここでの送受信コイルは、縦波８が少なくとも管路内部で部分的に複数回反射されるくらいに互いに離間されており、それによって複数の超音波信号２５，２６，２７および２８が生じている。これらの超音波信号は、再び受信トランスデューサ１２の２つの導体路２０及び２１によって捕捉される。本発明による送信トランスデューサの設計とこれによって生じる特に顕著な縦波は、是認できる信号対雑音比を備え妥当な評価が可能である。
【００５０】
図７の２つの上方の特性曲線から生じる、まだ反射によるノイズが含まれていない、図５でも別の形態ではあるが導体路２０，２１によって受信されていた受信信号は、再び位相シフトされて加算され、それによって図７下方に示されているように形成される超音波信号が生じる。個々の信号領域２４の間隔からは、渦電流フィールドの生成と媒体内への入力との間の入力区間の影響を再度計算によって取り除くことが可能である。
【００５１】
同じような効果は、送信及び受信トランスデューサの対を、管路の第１の周面領域に配置し、そこから間隔をおいてさらなる別の送信及び受信トランスデューサの対を例えば下流側に配置するような設定を介しても達成することができる。ここでは、一回は流れと同じ方向そして一回は流れと反対の方向の双方向で管路内を伝播されるので、差分を考慮することでエラー成分が除去され得る（図９参照）。
【００５２】
送信トランスデューサのさらに改善された形態の実施例は図８に示されている。そこには（縮尺通りではないが）、中央領域に多重の巻線を有し、外方端部へ向けて単一の巻線を有しているコイルの導体路の巻線が示されている。前記導体路の一部分３４は、多重巻線領域において中央が密に隣接して配置されており、有利には互いに上下に密に配置されている。コイルの中央では全部で３つの導体路部分３４の組み合わせによって形成されるコイル部分が存在するのに対して、縁部方向には唯１つの二重巻線だけで最終的に単一の巻線しか存在していない。この高周波誘導コイルによっても良好な測定結果が得られる。ここでの符号Ｕは、管路の長手方向ないし流れ方向Ｆに対して横方向の管路周面に亘る周面方向を指している。
【００５３】
図９には、本発明に係る流量計の原理図が示されており、ここでは、送信及び受信トランスデューサ１１，１２の対が長手方向Ｆで互いに離間されて配置されている。それにより、図中右側の受信トランスデューサ１２は、図９中左側の送信トランスデューサ１１からの信号を受信するように構成され、それに対して図中左側の受信トランスデューサ１２は、図９中右側の送信トランスデューサ１１によって生成された信号を受信するように構成されている。本発明によれば、前記２つの送信トランスデューサ１１も、前記２つの受信トランスデューサ１２も、Ｆ方向にシフトされると共に管路の長手方向に対して横方向にずらされて配置されたそれぞれ２つの導体路を備えた構成となっている。所要の電流強度を生成するために、各送信トランスデューサは、それぞれ一方の導体路に対応付けされた送信電子回路２９を有している。これらの送信電子回路は、コントローラ３０によって制御されている。受信トランスデューサ１２の各導体路にも、プリアンプ３１が対応付けられており、それらは前記導体路の相応の信号をデータ収集部３２に転送している。この収集部３２は、正確な評価のために、クロック及びトリガ接続を介してコントローラ３０と同期化され、データの評価、出力、記憶を司っている本来の計算ユニット３３にデータを転送している。
【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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