(57)【要約】  本発明は、超音波発生器を使用して２００℃超の温度範囲の液体メルトの流量を測定するための方法と、超音波ドップラー法による関連の超音波導波管とに関する。本発明の目的は、良好な信号インカップリング及びアウトカップリングを提供することである。このことは、測定操作の前に超音波導波管の端面の湿潤性を生成すること、引き続き、超音波導波管の端面をメルト内に浸漬することによって、９０°に等しくない角度で超音波測定信号をメルトに直接インカップリングすること、超音波導波管の端面を介してメルトに反射された超音波信号をアウトカップリングして、前記信号を評価回路に導くことによって達成される。端面の湿潤性を生成するために、端面は、機械的にまた化学的に洗浄され、次に、適切な材料で被覆される。【選択図】図１
2010529469.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波ドップラー法に基づく、超音波発生器と、関連の超音波導波管とを使用して２００℃超の温度範囲の液体メルトの流量を測定するための方法において、
−測定操作の前に前記超音波導波管（１）の端面（４）の湿潤性を生成することと、
−少なくとも前記超音波導波管（１）の前記端面（４）を前記メルトに浸漬することによって、９０°とは異なる角度で超音波測定信号を前記メルトに直接入力することと、
−前記超音波導波管（１）の前記端面（４）を介して前記メルトに反射された前記超音波信号を出力して、前記信号を評価回路に転送することと
を特徴とする方法。
【請求項２】
少なくとも前記超音波導波管（１）が前記測定操作中に冷却されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記メルトに浸漬される前に、前記メルトに面する前記超音波導波管（１）の前記端面（４）から汚れ及び酸化物が機械的及び／又は化学的に除去されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記端面（４）が有機酸によって洗浄されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記超音波導波管（１）の前記端面（４）に滑らかな保護層が設けられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記滑らかな保護層がフィルム又はカバープレートの形態で適用されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記メルトに面する前記超音波変換器（１）の前記端面（４）が、その間に保護層を適用することによって再酸化から保護されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
測定されるべき前記メルトに対応する材料から製造された保護層が、前記超音波変換器（１）の端面（４）に適用されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
金属保護層が前記端面（４）に適用されることを特徴とする、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記保護層が、前記測定操作の開始時又は前記測定操作中に前記メルトに溶解されることを特徴とする、請求項５又は７〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記保護層が、イオン注入あるいは電気化学的方法又は物理的方法によって適用されることを特徴とする、請求項５又は７〜９のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波ドップラー法に基づく、超音波発生器と、関連の超音波導波管とを使用して２００℃超の温度範囲の液体メルトの流量を測定するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
十分な精度でホットメルトの局所的な流量を決定するために使用できるであろう方法は、従来技術では知られていない。液体金属又は半導体のようなホットメルトは透明でない。この理由で、光学式測定法は、もっぱらメルトの自由表面に限定される。実際に、例えば、フロートが自由表面に配置され、前記フロートの運動が追跡される。試験片がメルトに浸漬され、これらの試験片に対する力の作用が測定されるか又は材料の溶解速度が決定される侵襲的な方法が公知である。
【０００３】
これらの方法は、一般に、それぞれの工程に対し無視できない相当の介入及び干渉を行い、非常におおまかな測定値を提供するに過ぎない。
【０００４】
相関測定法も公知である。例えば、特定の測定経路にわたる温度変動を追跡することが可能である。信号の伝搬時間により、２つの測定点の間の速度に関する値が提供される。しかし、この結果は、測定点の間に必要な距離のために、局所的な測定値として解釈することができない。
【０００５】
流体技術で広く普及している光学式測定法と対照的に、超音波測定法は、原則として、不透明の流体に使用するために適切である。測定装置の基本的な構成要素は、周波数発生器及び評価装置に電気的に接続される圧電結晶の形態の超音波変換器（圧電変換器とも呼ばれる）である。超音波変換器は、直接又は流体を囲む容器の外壁を介して、検査されるべき流体内に超音波を送信する。
【０００６】
管又は溝内の流動媒体の流量を決定するための超音波流量計が広く普及している。独国特許発明第１９８１２４５８Ｃ２号明細書に、超音波流量計用の送信及び／又は受信ヘッドが記載されており、超音波流量計は、伝搬時間法に基づいており、高い熱伝導抵抗を有する超音波導波管の使用によって区別される。超音波信号を送信するために超音波導波管を使用することにより、ホットメルトと圧電変換器とを空間的に分離することが可能となる。超音波導波管を構成するために、高い熱伝導抵抗を有する材料を使用することは、超音波導波管の実際的な長さを有する圧電変換器の温度を制限するために適切である。上述の特許には、メルトの局所的な速度を測定するために特に高温メルトにおける方法の使用に関し、これ以上の特定の情報は含まれていない。伝搬時間法を用いてメルトの局所的な速度を測定できない。
【０００７】
超音波によって流量を測定するための方法に加えて、技術的な流量の速度プロファイルを測定するために超音波ドップラー法も開発された（Ｙ．Ｔａｋｅｄａ：Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ａｎ  ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｐｒｏｆｉｌｅ  ｍｏｎｉｔｏｒ．Ｎｕｃｌ．Ｅｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎ、１２６巻、１９９１年、２７７−２８４）。超音波導波管が一体化された超音波センサの超音波ドップラー法における使用には、超音波導波管内の超音波の分散のない送信が必要である。したがって、特別な要件が超音波導波管の構造に課せられる。したがって、超音波を搬送する構造の材料厚さは、送信方向に対し横方向に、送信されるべき超音波信号の最小波長未満でなければならない。対応する超音波導波管を設計するための様々な概念が公知であり、例えば、国際公開第９６／４１１５７号パンフレット及び独国特許発明第１００２１１８７Ｃ１号明細書に記載されている。
【０００８】
独国特許出願公開第１００５３５０８Ａ１号明細書は、高いエネルギ送信でより良好な結合を達成するために適切なディスクを使用して、フィルムから巻かれる導波管の端部を閉鎖する方法について記載している。
【０００９】
適切に構造化された超音波導波管を提供することに加えて、超音波ドップラー法を使用して高温におけるメルトの局所的な速度を決定するための方法を首尾よく実施するために、低い損失の超音波送信について適切に注意を払わなければならない。これに関する問題が、ここで述べた高温における適用の特別な形態に生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、良好な信号入力及び出力が特に保証される、ホットメルトの超音波ドップラー法に基づき局所的な速度測定を実施するための方法を開発する目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、上記目的は、測定操作の前に超音波導波管の端面の湿潤性を生成することと、次に、少なくとも超音波導波管の端面をメルトに浸漬することにより、９０°とは異なる角度で超音波測定信号をメルトに直接入力することと、超音波導波管の端面を介してメルトに反射された超音波信号を出力して、前記信号を評価回路に転送することとによって達成される。
【００１２】
測定操作中に、少なくとも超音波導波管を冷却することが有利である。
【００１３】
本発明の第１の形態において、メルトに浸漬される前に、メルトに面する超音波導波管の端面から汚れ及び酸化物が機械的及び／又は化学的に除去される。このことは、有機酸によって簡単に実施することが可能である。
【００１４】
超音波導波管の端面が洗浄された後、前記端面に滑らかな保護層を設けることが可能であり、滑らかな保護層は、フィルム又はカバープレートの形態で適用されることができる。
【００１５】
本発明の他の改良において、メルトに面する超音波変換器の端面は、その間に保護層を適用することによって再酸化から保護することができる。
【００１６】
本発明の他の改良によれば、測定されるべきメルトに対応する材料から製造された保護層は、超音波変換器の端面に適用される。保護層は金属保護層とし得る。
【００１７】
超音波信号の最適な結合を達成するために、保護層は、測定操作の開始時又は測定操作中にメルトに溶解される。
【００１８】
保護層は、イオン注入あるいは電気化学的方法又は物理的方法によって簡単に適用することが可能である。
【００１９】
例示的な実施形態により、本発明についてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】超音波センサの概略図である。
【図２】上下に積層される複数の個々のフィルムからなる超音波導波管の特別な構造の図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、超音波ドップラー法に従って動作する本発明による超音波センサの基本構造を示している。このことにより、流動メルトの速度を決定するために必要なセンサは１つのみとなることが保証される。センサは、９０°とは異なる角度でメルトに浸漬されなければならない。２つ以上の超音波センサを使用することができる。
【００２２】
本発明による超音波センサは、変換器１を制御するための、及び内部で信号を調整、整合及び評価するための関連の電子構成要素５と、軸方向配置の超音波導波管２とを有する圧電変換器１の主構造群からなる。この場合、圧電変換器１は、流れと反対側の超音波導波管２の側にある。超音波導波管２は、保護シース３によって囲まれる。
【００２３】
出力信号は、電子構成要素５の軸方向に下流にある接続ソケット７に印加され、したがって、ケーブルを介してセンサの外側の評価装置（図示せず）に送信することができる。
【００２４】
圧電変換器１及び電気信号整合構成要素５は、保護ハウジング６に収容される。
【００２５】
保護ハウジング６の内側のセンサ構成要素のすべては、１００℃未満の温度レベルに永続的に維持しなければならない。対応する熱負荷に応じて、保護ハウジング６は二重壁構造とし得、保護ハウジング６の中間空間８は、対応する接続部を介して冷却液リザーバに接続でき、かつ冷却液は、測定中に前記中間空間を通して流れることができる。
【００２６】
２次元に上下に積層される複数の金属フィルムからなる超音波導波管２の特別な構造は、図２に見ることができる。超音波の伝搬方向は、個々のフィルムの表面法線に対し直角に延びる。個々のフィルム層の各々は、例えば、７５μｍの厚さを有する５×３００ｍｍ２の大きさを有する。
【００２７】
超音波導波管２には、保護シース３が設けられ、保護シースの形状は超音波導波管２の断面に整合される。超音波導波管２の機能を確実にするため、メルトに面する超音波導波管２の保護シース３の端部は、カバープレート４（図１）で閉鎖することが可能である。
【００２８】
超音波導波管２のカバープレート４とフィルム層との間に均質な材料接続部がある。超音波導波管２、保護シース３及びカバープレート４は、同一の材料から構成する必要はない。
【００２９】
錫メルトを約１０００℃で使用するために、超音波導波管２は、例えば、前端でステンレス鋼カバープレート４によって閉鎖されるステンレス鋼管のモリブデンフィルムから製造することが可能である。超音波センサと錫メルトとの間の良好な音響移行に十分な湿潤を生成するために、ステンレス鋼カバープレート４の表面は、機械的に研磨され、次にリン酸で処理される。次に、洗浄された表面に錫が電解蒸着される。
【００３０】
圧電変換器の用途分野は、そのキュリー温度によって制限される。この温度閾値を超えた場合、変換器の材料はその圧電特性を失う。商業的に対象となる多数の金属、半導体又はガラスの溶融温度は、従来の圧電セラミックのキュリー温度を著しく上回る。
【００３１】
これらのメルトに超音波ドップラー法を使用するには、超音波変換器と流体との間の安定した音響的な接触を確立し、同時に、検査されるべきメルトの影響から圧電変換器を保護する技術的な解決策が必要である。
【００３２】
使用可能な測定データを獲得するために、超音波ドップラー法では、可能な限り小さな損失での無線周波数の超音波信号の送信が、超音波流動測定法の場合よりもはるかに必要である。検査されるべきメルトが高温である結果、超音波導波管が測定概念に統合される。しかし、このことは、回避することができない送信損失に関連付けられる。
【００３３】
追加の損失が容器壁部の超音波試験中に生じ、ホットメルトを貯蔵するための容器の壁部材料の構造は、特に、極めて劣る超音波送信特性によって区別されることが多い。この結果、メルトで直接測定されるべき流れにセンサを直接結合する必要が生じる。高い適用温度ならびに超音波導波管を介したメルトとの直接接触は、センサの設計に、特に超音波導波管材料の物理的特性及びメルトのその化学的な安定性又は溶解度に特定の要件を課する。
【００３４】
連続的な音波の機械的エネルギの一部は連続的に熱に変換されるので、音の伝搬には損失が伴うことが公知である。このプロセスは吸音と称され、経路ｘに沿った平坦な高調波音波の音圧ｐの指数関数的な減少を次式のように説明する吸音率αによって特徴づけられる（Ｈ．Ｋｕｔｔｒｕｆｆ：  Ｐｈｙｓｉｋ  ｕｎｄ  Ｔｅｃｈｎｉｋ  ｄｅｓ  Ｕｌｔｒａｓｃｈａｌｌｓ．Ｈｉｒｚｅｌ  Ｖｅｒｌａｇ  Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ，１９８８，１９１  ｆｆ．）。
ｐ（ｘ）＝ｐ０ｅ−αｘ
【００３５】
吸音率αは、送信材料及び超音波の周波数に依存し、伝搬波と送信媒体の原子構造との間の相互作用から生じる異なる損失機構の寄与によって決定される。結晶構造の欠陥、熱フォノンにおける拡散又は同様のプロセスによって引き起こされる吸音に帰すことができる吸音率の部分は、温度が上昇するにつれて増加する。例えば、４００℃の値を超える温度上昇は、多くの材料について測定可能な音響減衰の増加を容易にもたらす。
【００３６】
７００℃を超える温度では、超音波導波管として関連材料の有意義な使用が妨げられる可能性があるような送信損失の劇的な増加を観測することができる。したがって、慎重に選択し得る超音波導波管の材料のごく僅かのみが、これらの特別な用途に適切であるに過ぎない。高温における異なる材料の音響減衰挙動に関するそれらの適合性が、包括的な一連の試験で検査された。
【００３７】
高温範囲（Ｔ＞２００℃）のイリジウム、モリブデン、ニオブ、タンタル、タングステン、ジルコニウム、ステンレス鋼、チタン、モネル又はこれらの材料の合金は、超音波ドップラー法に十分な対応する超音波送信特性を有することが確認されている。
【００３８】
重要な要件は、メルトに対する良好な音響結合を確実にするために、超音波導波管の端面を十分に湿潤させることである。超音波導波管がメルトによって湿潤されない場合、試験によれば、超音波エネルギのわずかな部分のみしか流体に注入できず、この結果、有用な測定信号が生成されないことが示されている。
【００３９】
本発明は、超音波導波管の材料とメルトとの間の湿潤を達成するために、超音波導波管の端面のために異なる機械的及び化学的な処理方法を提供する。個々の処理ステップの数及び順序は、対象のメルトの種類、超音波導波管の材料及び測定の実施が意図される温度範囲にそれぞれ依存する。
【００４０】
湿潤のための重要な必要条件は、超音波導波管２のカバープレート４の端面における汚染物、堆積物及び酸化物層の除去である。この除去は、機械的に、例えば研削及び研磨によって、及び／又は適切な化学物質、例えば無機酸又は適切なフラックスの時間的に限定された作用によって化学的に行うことが可能である。
【００４１】
この準備と測定開始との間の期間に、超音波導波管２のカバープレート４は、再酸化及び／又は汚染から適切に保護されなければならない。このことは、カバープレート４の端面に機械的に及び／又は熱的に適用された例えば金属製の適切な保護層によって達成することが可能である。この保護層は、測定中に、予め設定した期間内にメルトに溶解しなければならず、その結果、メルトとカバープレート４の準備された端面との間の直接接触がその場合に達成される。
【００４２】
いくつかの材料の組み合わせにおいて、超音波導波管の材料自体は、理想的に洗浄された表面であっても原則的に湿潤されないか、あるいは特定の温度超でのみ湿潤される。これらの適用では、カバープレート４の端部を、測定用に設けられた温度範囲でメルトによって容易に湿潤される材料の層で覆うことが必要である。この層と超音波導波管との間に均質な材料接続部がなければならない。追加のカバー層は、ディスク又はフィルムをカバープレート４に取り付けることによって、又は電気化学蒸着法によって実装することが可能である。
【００４３】
他の可能な方法は、イオン注入又は同様の物理的な方法によって表面に近い超音波導波管の構造を修正することである。
【００４４】
超音波ドップラー法のための超音波導波管を有するセンサを使用するための他の必要条件は、超音波導波管内の超音波の分散のない送信が必要である。このことを達成するために、超音波導波管は薄い構造から構成される。このことは、一般に、断面を材料で不完全に充填することを伴うに過ぎない。超音波導波管がメルトに浸漬されているときに、メルトがキャビティに沿って超音波導波管の内部構造に進む場合、干渉のない、減衰の低い送信はもはや保証されない。
【００４５】
これを防止するために、メルトに面する超音波導波管２の端面がカバープレート４によって閉鎖され（既述）、さらにカバープレートを設けることが可能である。
【００４６】
圧電変換器及び信号整合のため下流側に接続された電子構成要素は、一般に、最高１００℃までの温度に永続的に露出することが可能である。したがって、特定の用途に応じて、これらの温度感受性のセンサ構成要素をさらに冷却することが必要であり得る。このため、例えば、二重壁の保護シース８を有する保護ハウジング６の対応する構成要素を収容することが適切であり、冷却液は、使用中に保護シースのキャビティを通して流れる。
【００４７】
超音波ドップラー法を使用して速度を測定するときの信号品質は、圧電変換器を評価装置に対し適切に電気的に整合することによって、著しく改善することができる。本発明において、この整合は、適切に寸法決めされたコンデンサ及び／又はコイルの回路を使用して達成される。圧電変換器１のインピーダンスは、一般に、信号を搬送するために使用されるケーブルの特性インピーダンス未満であるべきであり、その結果、超音波フィールドは、コイル及びコンデンサを用いたインピーダンス変換の場合、はるかに高い強度で送信される。
【００４８】
検査されるべきメルトは、サイリスタ制御器を有する誘導加熱装置又は電気加熱装置を使用して加熱されて、融合されることが多い。これにより、メルト内又はさもなければ超音波導波管２内の直接的な電流誘導が行われる。流れに影響を及ぼすための電磁気ポンプ又は磁場システムの使用は、高調波を生じさせそれゆえ測定結果を損なう可能性がある電気的な干渉信号の別の源である。
【００４９】
本発明による方法は、測定操作の前に超音波導波管１の端面４の湿潤性を生成することと、次に、少なくとも超音波導波管１の端面４をメルトに浸漬することにより、９０°とは異なる角度で超音波測定信号をメルトに直接入力することと、超音波導波管１の端面４を介してメルトに反射された超音波信号を出力して、前記信号を評価回路に転送することとによって区別される。この操作では、送信挙動の劣化に対処するために、測定操作中に少なくとも超音波導波管を冷却することが適切である。
【００５０】
この場合、超音波導波管１の端面４の湿潤性は、メルトに浸漬する前に汚れ及び酸化物を前記端面から機械的及び／又は化学的に除去することによって生成される。このことは、有機酸によって簡単に実施することが可能である。
【００５１】
超音波導波管１の端面４が洗浄された後、前記端面に滑らかな保護層を設けることが可能であり、滑らかな保護層は、フィルム又はカバープレートの形態で適用されることができる。
【００５２】
メルトに面する端面４はまた、その間に保護層を適用することによって再酸化から少なくとも一時的に保護することができる。
【００５３】
メルト内への超音波信号のさらに良好な入力を達成するために、測定されるべきメルトに対応する材料から製造された保護層を超音波変換器の端面に適用することができる。保護層は、金属保護層であることが可能である。
【００５４】
超音波信号の最適な結合を達成するために、保護層は、測定操作の開始時又は測定操作中にメルトに溶解する。
【００５５】
保護層は、イオン注入あるいは電気化学的方法又は物理的方法によって簡単に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１  圧電変換器
２  超音波導波管
３  保護シース
４  カバープレート／端面
５  制御部及びおそらくは内部評価部の電気回路
６  保護ハウジング
７  接続ソケット
８  保護シースの中間空間／中空壁構造
【図１】
2010529469.tif 000003
【図２】
2010529469.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成22年2月17日(2010.2.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波ドップラー法に基づく、超音波発生器と、関連の超音波導波管とを使用して２００℃超の温度範囲の液体メルトの局所的な流量を測定するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
十分な精度でホットメルトの局所的な流量を決定するために使用できるであろう方法は、従来技術では知られていない。液体金属又は半導体のようなホットメルトは透明でない。この理由で、光学式測定法は、もっぱらメルトの自由表面に限定される。実際に、例えば、フロートが自由表面に配置され、前記フロートの運動が追跡される。試験片がメルトに浸漬され、これらの試験片に対する力の作用が測定されるか又は材料の溶解速度が決定される侵襲的な方法が公知である。
【０００３】
これらの方法は、一般に、それぞれの工程に対し無視できない相当の介入及び干渉を行い、非常におおまかな測定値を提供するに過ぎない。
【０００４】
相関測定法も公知である。例えば、特定の測定経路にわたる温度変動を追跡することが可能である。信号の伝搬時間により、２つの測定点の間の速度に関する値が提供される。しかし、この結果は、測定点の間に必要な距離のために、局所的な測定値として解釈することができない。
【０００５】
流体技術で広く普及している光学式測定法と対照的に、超音波測定法は、原則として、不透明の流体に使用するために適切である。測定装置の基本的な構成要素は、周波数発生器及び評価装置に電気的に接続される圧電結晶の形態の超音波変換器（圧電変換器とも呼ばれる）である。超音波変換器は、直接又は流体を囲む容器の外壁を介して、検査されるべき流体内に超音波を送信する。
【０００６】
管又は溝内の流動媒体の流量を決定するための超音波流量計が広く普及している。独国特許発明第１９８１２４５８Ｃ２号明細書に、超音波流量計用の送信及び／又は受信ヘッドが記載されており、超音波流量計は、伝搬時間法に基づいており、高い熱伝導抵抗を有する超音波導波管の使用によって区別される。超音波信号を送信するために超音波導波管を使用することにより、ホットメルトと圧電変換器とを空間的に分離することが可能となる。超音波導波管を構成するために、高い熱伝導抵抗を有する材料を使用することは、超音波導波管の実際的な長さを有する圧電変換器の温度を制限するために適切である。上述の特許には、メルトの局所的な速度を測定するために特に高温メルトにおける方法の使用に関し、これ以上の特定の情報は含まれていない。伝搬時間法を用いてメルトの局所的な速度を測定できない。
【０００７】
超音波によって流量を測定するための方法に加えて、技術的な流量の速度プロファイルを測定するために超音波ドップラー法も開発された（Ｙ．Ｔａｋｅｄａ：Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ａｎ  ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｐｒｏｆｉｌｅ  ｍｏｎｉｔｏｒ．Ｎｕｃｌ．Ｅｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎ、１２６巻、１９９１年、２７７−２８４）。超音波導波管が一体化された超音波センサの超音波ドップラー法における使用には、超音波導波管内の超音波の分散のない送信が必要である。したがって、特別な要件が超音波導波管の構造に課せられる。したがって、超音波を搬送する構造の材料厚さは、送信方向に対し横方向に、送信されるべき超音波信号の最小波長未満でなければならない。用語「低分散の超音波導波管」が、以下、かような超音波導波管に対して常に使用される。対応する超音波導波管を設計するための様々な概念が公知であり、例えば、国際公開第９６／４１１５７号パンフレット及び独国特許発明第１００２１１８７Ｃ１号明細書に記載されている。
【０００８】
独国特許出願公開第１００５３５０８Ａ１号明細書は、高いエネルギ送信でより良好な結合を達成するために適切なディスクを使用して、フィルムから巻かれる導波管の端部を閉鎖する方法について記載している。
【０００９】
適切に構造化された超音波導波管を提供することに加えて、超音波ドップラー法を使用して高温におけるメルトの局所的な速度を決定するための方法を首尾よく実施するために、低い損失の超音波送信について適切に注意を払わなければならない。これに関する問題が、ここで述べた高温における適用の特別な形態に生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、良好な信号入力及び出力が特に保証される、ホットメルトの超音波ドップラー法に基づき局所的な速度測定を実施するための方法を開発する目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、上記目的は、超音波ドップラー法に基づく、超音波発生器と、関連の低分散の超音波導波管とを使用して２００℃超の液体メルトの局所的な流量を測定するための方法であって、超音波を搬送する構造の材料厚さが、送信方向に対し横方向に、送信されるべき超音波信号の最小波長未満である方法によって、測定操作の前に低分散の超音波導波管の端面の湿潤性を生成することと、次に、少なくとも低分散の超音波導波管の端面をメルトに浸漬することにより、９０°とは異なる角度で超音波測定信号をメルトに直接入力することと、低分散の超音波導波管の端面を介してメルトに反射された超音波信号を出力して、前記信号を評価回路に転送することとによって、達成される。
【００１２】
測定操作中に、少なくとも低分散の超音波導波管を冷却することが有利である。
【００１３】
本発明の第１の形態において、メルトに浸漬される前に、メルトに面する低分散の超音波導波管の端面から汚れ及び酸化物が機械的及び／又は化学的に除去される。このことは、有機酸によって簡単に実施することが可能である。
【００１４】
低分散の超音波導波管の端面が洗浄された後、前記端面に滑らかな保護層を設けることが可能であり、滑らかな保護層は、フィルム又はカバープレートの形態で適用されることができる。
【００１５】
本発明の他の改良において、メルトに面する低分散の超音波変換器の端面は、その間に保護層を適用することによって再酸化から保護することができる。
【００１６】
本発明の他の改良によれば、測定されるべきメルトに対応する材料から製造された保護層は、低分散の超音波変換器の端面に適用される。保護層は金属保護層とし得る。
【００１７】
超音波信号の最適な結合を達成するために、保護層は、測定操作の開始時又は測定操作中にメルトに溶解される。
【００１８】
保護層は、イオン注入あるいは電気化学的方法又は物理的方法によって簡単に適用することが可能である。
【００１９】
例示的な実施形態により、本発明についてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】超音波センサの概略図である。
【図２】上下に積層される複数の個々のフィルムからなる低分散の超音波導波管の特別な構造の図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、超音波ドップラー法に従って動作する本発明による超音波センサの基本構造を示している。このことにより、流動メルトの速度を決定するために必要なセンサは１つのみとなることが保証される。センサは、９０°とは異なる角度でメルトに浸漬されなければならない。２つ以上の超音波センサを使用することができる。
【００２２】
本発明による超音波センサは、変換器１を制御するための、及び内部で信号を調整、整合及び評価するための関連の電子構成要素５と、軸方向配置の低分散の超音波導波管２とを有する圧電変換器１の主構造群からなる。この場合、圧電変換器１は、流れと反対側の低分散の超音波導波管２の側にある。超音波導波管２は、保護シース３によって囲まれる。
【００２３】
出力信号は、電子構成要素５の軸方向に下流にある接続ソケット７に印加され、したがって、ケーブルを介してセンサの外側の評価装置（図示せず）に送信することができる。
【００２４】
圧電変換器１及び電気信号整合構成要素５は、保護ハウジング６に収容される。
【００２５】
保護ハウジング６の内側のセンサ構成要素のすべては、１００℃未満の温度レベルに永続的に維持しなければならない。対応する熱負荷に応じて、保護ハウジング６は二重壁構造とし得、保護ハウジング６の中間空間８は、対応する接続部を介して冷却液リザーバに接続でき、かつ冷却液は、測定中に前記中間空間を通して流れることができる。
【００２６】
２次元に上下に積層される複数の金属フィルムからなる低分散の超音波導波管２の特別な構造は、図２に見ることができる。超音波の伝搬方向は、個々のフィルムの表面法線に対し直角に延びる。個々のフィルム層の各々は、例えば、７５μｍの厚さを有する５×３００ｍｍ２の大きさを有する。
【００２７】
低分散の超音波導波管２には、保護シース３が設けられ、保護シースの形状は超音波導波管２の断面に整合される。低分散の超音波導波管２の機能を確実にするため、メルトに面する低分散の超音波導波管２の保護シース３の端部は、カバープレート４（図１）で閉鎖することが可能である。
【００２８】
低分散の超音波導波管２のカバープレート４とフィルム層との間に均質な材料接続部がある。超音波導波管２、保護シース３及びカバープレート４は、同一の材料から構成する必要はない。
【００２９】
錫メルトを約１０００℃で使用するために、低分散の超音波導波管２は、例えば、前端でステンレス鋼カバープレート４によって閉鎖されるステンレス鋼管のモリブデンフィルムから製造することが可能である。超音波センサと錫メルトとの間の良好な音響移行に十分な湿潤を生成するために、ステンレス鋼カバープレート４の表面は、機械的に研磨され、次にリン酸で処理される。次に、洗浄された表面に錫が電解蒸着される。
【００３０】
圧電変換器の用途分野は、そのキュリー温度によって制限される。この温度閾値を超えた場合、変換器の材料はその圧電特性を失う。商業的に対象となる多数の金属、半導体又はガラスの溶融温度は、従来の圧電セラミックのキュリー温度を著しく上回る。
【００３１】
これらのメルトに超音波ドップラー法を使用するには、超音波変換器と流体との間の安定した音響的な接触を確立し、同時に、検査されるべきメルトの影響から圧電変換器を保護する技術的な解決策が必要である。
【００３２】
使用可能な測定データを獲得するために、超音波ドップラー法では、可能な限り小さな損失での無線周波数の超音波信号の送信が、超音波流動測定法の場合よりもはるかに必要である。検査されるべきメルトが高温である結果、超音波導波管が測定概念に統合される。しかし、このことは、回避することができない送信損失に関連付けられる。
【００３３】
追加の損失が容器壁部の超音波試験中に生じ、ホットメルトを貯蔵するための容器の壁部材料の構造は、特に、極めて劣る超音波送信特性によって区別されることが多い。この結果、メルトで直接測定されるべき流れにセンサを直接結合する必要が生じる。高い適用温度ならびに超音波導波管を介したメルトとの直接接触は、センサの設計に、特に超音波導波管材料の物理的特性及びメルトのその化学的な安定性又は溶解度に特定の要件を課する。
【００３４】
連続的な音波の機械的エネルギの一部は連続的に熱に変換されるので、音の伝搬には損失が伴うことが公知である。このプロセスは吸音と称され、経路ｘに沿った平坦な高調波音波の音圧ｐの指数関数的な減少を次式のように説明する吸音率αによって特徴づけられる（Ｈ．Ｋｕｔｔｒｕｆｆ：  Ｐｈｙｓｉｋ  ｕｎｄ  Ｔｅｃｈｎｉｋ  ｄｅｓ  Ｕｌｔｒａｓｃｈａｌｌｓ．Ｈｉｒｚｅｌ  Ｖｅｒｌａｇ  Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ，１９８８，１９１  ｆｆ．）。
ｐ（ｘ）＝ｐ０ｅ−αｘ
【００３５】
吸音率αは、送信材料及び超音波の周波数に依存し、伝搬波と送信媒体の原子構造との間の相互作用から生じる異なる損失機構の寄与によって決定される。結晶構造の欠陥、熱フォノンにおける拡散又は同様のプロセスによって引き起こされる吸音に帰すことができる吸音率の部分は、温度が上昇するにつれて増加する。例えば、４００℃の値を超える温度上昇は、多くの材料について測定可能な音響減衰の増加を容易にもたらす。
【００３６】
７００℃を超える温度では、低分散の超音波導波管として関連材料の有意義な使用が妨げられる可能性があるような送信損失の劇的な増加を観測することができる。したがって、慎重に選択し得る超音波導波管の材料のごく僅かのみが、これらの特別な用途に適切であるに過ぎない。高温における異なる材料の音響減衰挙動に関するそれらの適合性が、包括的な一連の試験で検査された。
【００３７】
高温範囲（Ｔ＞２００℃）のイリジウム、モリブデン、ニオブ、タンタル、タングステン、ジルコニウム、ステンレス鋼、チタン、モネル又はこれらの材料の合金は、超音波ドップラー法に十分な対応する超音波送信特性を有することが確認されている。
【００３８】
重要な要件は、メルトに対する良好な音響結合を確実にするために、低分散の超音波導波管の端面を十分に湿潤させることである。低分散の超音波導波管がメルトによって湿潤されない場合、試験によれば、超音波エネルギのわずかな部分のみしか流体に注入できず、この結果、有用な測定信号が生成されないことが示されている。
【００３９】
本発明は、超音波導波管の材料とメルトとの間の湿潤を達成するために、低分散の超音波導波管の端面のために異なる機械的及び化学的な処理方法を提供する。個々の処理ステップの数及び順序は、対象のメルトの種類、低分散の超音波導波管の材料及び測定の実施が意図される温度範囲にそれぞれ依存する。
【００４０】
湿潤のための重要な必要条件は、低分散の超音波導波管２のカバープレート４の端面における汚染物、堆積物及び酸化物層の除去である。この除去は、機械的に、例えば研削及び研磨によって、及び／又は適切な化学物質、例えば無機酸又は適切なフラックスの時間的に限定された作用によって化学的に行うことが可能である。
【００４１】
この準備と測定開始との間の期間に、低分散の超音波導波管２のカバープレート４は、再酸化及び／又は汚染から適切に保護されなければならない。このことは、カバープレート４の端面に機械的に及び／又は熱的に適用された例えば金属製の適切な保護層によって達成することが可能である。この保護層は、測定中に、予め設定した期間内にメルトに溶解しなければならず、その結果、メルトとカバープレート４の準備された端面との間の直接接触がその場合に達成される。
【００４２】
いくつかの材料の組み合わせにおいて、超音波導波管の材料自体は、理想的に洗浄された表面であっても原則的に湿潤されないか、あるいは特定の温度超でのみ湿潤される。これらの適用では、カバープレート４の端部を、測定用に設けられた温度範囲でメルトによって容易に湿潤される材料の層で覆うことが必要である。この層と低分散の超音波導波管との間に均質な材料接続部がなければならない。追加のカバー層は、ディスク又はフィルムをカバープレート４に取り付けることによって、又は電気化学蒸着法によって実装することが可能である。
【００４３】
他の可能な方法は、イオン注入又は同様の物理的な方法によって表面に近い低分散の超音波導波管の構造を修正することである。
【００４４】
超音波ドップラー法のための低分散の超音波導波管を有するセンサを使用するための他の必要条件は、超音波導波管内の超音波の分散のない送信が必要である。このことを達成するために、低分散の超音波導波管は薄い構造から構成される。このことは、一般に、断面を材料で不完全に充填することを伴うに過ぎない。低分散の超音波導波管がメルトに浸漬されているときに、メルトがキャビティに沿って低分散の超音波導波管の内部構造に進む場合、干渉のない、減衰の低い送信はもはや保証されない。
【００４５】
これを防止するために、メルトに面する低分散の超音波導波管２の端面がカバープレート４によって閉鎖され（既述）、さらにカバープレートを設けることが可能である。
【００４６】
圧電変換器及び信号整合のため下流側に接続された電子構成要素は、一般に、最高１００℃までの温度に永続的に露出することが可能である。したがって、特定の用途に応じて、これらの温度感受性のセンサ構成要素をさらに冷却することが必要であり得る。このため、例えば、二重壁の保護シース８を有する保護ハウジング６の対応する構成要素を収容することが適切であり、冷却液は、使用中に保護シースのキャビティを通して流れる。
【００４７】
超音波ドップラー法を使用して速度を測定するときの信号品質は、圧電変換器を評価装置に対し適切に電気的に整合することによって、著しく改善することができる。本発明において、この整合は、適切に寸法決めされたコンデンサ及び／又はコイルの回路を使用して達成される。圧電変換器１のインピーダンスは、一般に、信号を搬送するために使用されるケーブルの特性インピーダンス未満であるべきであり、その結果、超音波フィールドは、コイル及びコンデンサを用いたインピーダンス変換の場合、はるかに高い強度で送信される。
【００４８】
検査されるべきメルトは、サイリスタ制御器を有する誘導加熱装置又は電気加熱装置を使用して加熱されて、融合されることが多い。これにより、メルト内又はさもなければ超音波導波管２内の直接的な電流誘導が行われる。流れに影響を及ぼすための電磁気ポンプ又は磁場システムの使用は、高調波を生じさせそれゆえ測定結果を損なう可能性がある電気的な干渉信号の別の源である。
【００４９】
本発明による方法は、測定操作の前に超音波導波管１の端面４の湿潤性を生成することと、次に、少なくとも超音波導波管１の端面４をメルトに浸漬することにより、９０°とは異なる角度で超音波測定信号をメルトに直接入力することと、超音波導波管１の端面４を介してメルトに反射された超音波信号を出力して、前記信号を評価回路に転送することとによって区別される。この操作では、送信挙動の劣化に対処するために、測定操作中に少なくとも低分散の超音波導波管を冷却することが適切である。
【００５０】
この場合、低分散の超音波導波管２の端面４の湿潤性は、メルトに浸漬する前に汚れ及び酸化物を前記端面から機械的及び／又は化学的に除去することによって生成される。このことは、有機酸によって簡単に実施することが可能である。
【００５１】
低分散の超音波導波管２の端面４が洗浄された後、前記端面に滑らかな保護層を設けることが可能であり、滑らかな保護層は、フィルム又はカバープレートの形態で適用されることができる。
【００５２】
メルトに面する端面４はまた、その間に保護層を適用することによって再酸化から少なくとも一時的に保護することができる。
【００５３】
メルト内への超音波信号のさらに良好な入力を達成するために、測定されるべきメルトに対応する材料から製造された保護層を低分散の超音波変換器の端面に適用することができる。保護層は、金属保護層であることが可能である。
【００５４】
超音波信号の最適な結合を達成するために、保護層は、測定操作の開始時又は測定操作中にメルトに溶解する。
【００５５】
保護層は、イオン注入あるいは電気化学的方法又は物理的方法によって簡単に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１  圧電変換器
２  低分散の超音波導波管
３  保護シース
４  カバープレート／端面
５  制御部及びおそらくは内部評価部の電気回路
６  保護ハウジング
７  接続ソケット
８  保護シースの中間空間／中空壁構造
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波ドップラー法に基づく、超音波発生器と、関連の低分散の超音波導波管とを使用して２００℃超の温度範囲の液体メルトの局所的な流量を測定するための方法において、
−測定操作の前に前記低分散の超音波導波管（２）の端面（４）の湿潤性を生成することと、
−少なくとも前記低分散の超音波導波管（２）の前記端面（４）を前記メルトに浸漬することによって、９０°とは異なる角度で超音波測定信号を前記メルトに直接入力することと、
−前記低分散の超音波導波管（２）の前記端面（４）を介して前記メルトに反射された前記超音波信号を出力して、前記信号を評価回路に転送することと
を特徴とする方法。
【請求項２】
少なくとも前記低分散の超音波導波管（２）が前記測定操作中に冷却されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記メルトに浸漬される前に、前記メルトに面する前記低分散の超音波導波管（２）の前記端面（４）から汚れ及び酸化物が機械的及び／又は化学的に除去されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記端面（４）が有機酸によって洗浄されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記低分散の超音波導波管（２）の前記端面（４）に滑らかな保護層が設けられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記滑らかな保護層がフィルム又はカバープレートの形態で適用されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記メルトに面する前記低分散の超音波変換器（２）の前記端面（４）が、その間に保護層を適用することによって再酸化から保護されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
測定されるべき前記メルトに対応する材料から製造された保護層が、前記低分散の超音波変換器（２）の端面（４）に適用されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
金属保護層が前記端面（４）に適用されることを特徴とする、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記保護層が、前記測定操作の開始時又は前記測定操作中に前記メルトに溶解されることを特徴とする、請求項５又は７〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記保護層が、イオン注入あるいは電気化学的方法又は物理的方法によって適用されることを特徴とする、請求項５又は７〜９のいずれか１項に記載の方法。
【国際調査報告】
2010529469.tif 000005
2010529469.tif 000006
2010529469.tif 000007
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