JP5222858B2 - 超音波流量計システム - Google Patents

Description

本発明は、超音波流量計技術に関するものである。

導管内の流れの流量を測定するために超音波トランスデューサが使用されている。走行時間(transit time)流量測定法は、平均導管流量を測定するための一般的な超音波法である。１つのトランスデューサが、電子制御装置によって励起又は付勢されたとき、流れの中に音波を放出し、この音波は別のトランスデューサによって検出される。制御装置は、流れに沿って進行する信号及び流れに逆らって進行する信号を受信するように受信器及び送信器を交代させる。次いで音波の走行時間を用いて流体の音速を計算し、更に音速、経路長、走行時間及び導管寸法データを用いることによって流量を計算する。

流速はその流れプロフィールによって表される半径方向分布を持ち、流れプロフィールは、流れ媒体についてのレイノルズ数、導管の粗さ、及び導管の構成の関数である。既存の一経路超音波流量計は、導管断面積Ｓと平均面積流速Ｖとを乗算し且つ分析又は経験によるプロフィール補正係数を用いることによって導管流量Ｑを測定する。しかしながら、分析又は経験によるプロフィール補正係数は、しばしば、流量依存性であり、流れプロフィールが対称でない場合は有効では無く、従って、精度が損なわれる。

また、流体の特性が未知である場合、又はトランスデューサの上流の状態が複雑である場合、酷く歪んだ流れプロフィールが生じる虞がある。そこで、平均導管流量を一層正確に推定するために複数のトランスデューサ対が用いられ、しばしば、流れを通る４つ以上の経路を規定する４つ以上のトランスデューサ対が用いられる。典型的には、導管流と接触状態にある湿式トランスデューサに関連して、弦方向経路（直径上にはない経路、すなわち、導管の中心を通らない経路）が用いられる。

流れを通る各々の追加の経路には追加のトランスデューサを１対ずつ設けることが必要であり、これは、典型的には、流量計のコスト及び複雑さを増大させる。また経路を多数設けると、流量計本体内に多数のポートが必要になり、その結果、流れプロフィールの乱れを招くことがある。トランスデューサ・ポートの同一平面内取り付けにより、このような乱れを低減することができるが、超音波信号の強度が低下する。従って、多数の湿式トランスデューサを使用すると、正確な測定値が得られない虞がある。

一種類のシステムでは、流れプロフィールを距離ゲート式ドップラー法によって確かめることができる。エネルギは粒子、泡又は任意の他の不均質さによって散乱され、そしてトランスデューサによって受け取られたそのエネルギは、入射信号とは異なる周波数成分を持ち、それらの差を分析することにより散乱体の速度が計算される。例えば、引用により本書に取り入れる米国特許第４７８７２５２号を参照されたい。この米国特許によれば、各々のクランプオン(clamp-on)・トランスデューサ対が（クランプオン・トランスデューサでは不可欠であるように）直径上に配置されていて、各々は送信器として作用した後、次いでそれ自身へ散乱されて戻ってくるエネルギの受信器として作用する。しかしながら、このようなトランスデューサは、産業用途に設計することが困難なことがある。

また、走行時間及び距離ゲート式ドップラー法を組み合わせることも知られている。例えば、エム・モリ等による論文「Development of a Novel Flow Metering System Using Ultrasonic Velocity Profile Measurement 」、Experiment in Fluids誌、２００１年、Springer-Vriag出版（これもまた引用により本書に取り入れる）を参照されたい。該論文によれば、各々のクランプオン・トランスデューサが直径経路に沿って配置されている。

米国特許第４７８７２５２号 米国特許第６７３２５９５号

「Development of a Novel Flow Metering System Using Ultrasonic Velocity Profile Measurement」by M. Mori et al., Experiment in Fluids, ２００１, Springer-Vriag

しかしながら、導管内の流体の特性が知られていないとき、直径経路上に配置されたトランスデューサ対は限られた情報を提供するに過ぎず、従って平均流量について不正確な結果を生じる虞がある。

本発明の実施形態では、４つよりも少ないトランスデューサ対を使用して平均流量を正確に検出することのできる流量計を提供する。用いられるトランスデューサは、標準的な低コストの湿式トランスデューサであってよいが、本発明はそれに制限されない。また、様々な実施形態は、特に流れの特性が知られていないときに平均流量をより正確に決定するために、コスト又は複雑さを著しく増大させず、流れを大幅に乱すことがなく、及び／又は１つ以上の弦方向経路上に配置されたトランスデューサ対を有利に利用することが可能である。

一面では、本願の流量計は、導管を通る弦方向経路及び直径経路上に配置された複数のトランスデューサ対を利用することによって、三次元流れプロフィール及び平均流量を決定する。限定ではない一例では、トランスデューサは、それ自身又は近隣のトランスデューサから流れの中に送出された音波による散乱されたエネルギの受信器として作用することができ、また走行時間信号及び距離ゲート式ドップラー信号の両方を生成することが可能である。必要とされるトランスデューサの数は、導管内の流速及び流量に関して与えられる情報の正確さを少なくとも維持し、典型的には増大させながら、現在使用されている数よりも少なくすることができる。

しかしながら、本発明の実施形態では、これらの結果を全て達成する必要はなく、またその特許請求の範囲はこれらの結果を達成することのできる構造及び方法に制限すべきでない。

本発明は、導管内を流れる流体を通る少なくとも１つの弦方向経路を規定するように導管に対して配列された複数のトランスデューサと、走行時間信号を生成するために弦方向経路上に設けられている少なくとも１つの送信用トランスデューサ及び受信用トランスデューサの対とを含む超音波流量計システムを特徴とする。少なくとも１つの受信用トランスデューサが、散乱エネルギを受け取って距離ゲート式ドップラー信号を生成するように位置決めされている。本システムはまた、少なくとも１つの送信用トランスデューサを励起し、走行時間信号及び距離ゲート式ドップラー信号に応答し、且つ導管内を流れる流体の速度プロフィール及び平均速度を生成するように構成されている処理サブシステムを含む。一実施形態では、少なくとも３つの送信用及び受信用トランスデューサの対が設けられる。これらの対の内の２つの対は弦方向経路上に配置することができ、また１つの対は直径経路上に配置される。各々のトランスデューサは散乱エネルギを受け取るように位置決めすることができる。処理サブシステムは、典型的には、各送信用トランスデューサが励起された後に各受信用トランスデューサからの距離ゲート式ドップラー信号を処理するように構成される。複数の送信用及び受信用トランスデューサの対を設け、各対は走行時間信号を生成するために弦方向経路上に配置し、また各対の受信用トランスデューサが散乱エネルギを受け取って距離ゲート式ドップラー信号を発生するようにすることができる。一構成では、２対のトランスデューサを相異なる弦方向経路上に配置し、且つ１対のトランスデューサを直径経路上に配置することができる。各トランスデューサは、そのトランスデューサが生成する走行時間信号からの散乱エネルギを受け取ることができ、及び／又は各トランスデューサは、異なるトランスデューサが生成する走行時間信号からの散乱エネルギを受け取ることができるようにする。一変形例では、各トランスデューサは湿式トランスデューサとすることができる。一構成では、受信用トランスデューサは走行時間及びドップラー偏移信号を処理サブシステムへ出力する。

一実施形態では、処理サブシステムは、走行時間信号の走行時間を測定し且つ流体の音速を決定し、また測定された走行時間及び音速を使用して少なくとも１つの走行時間経路に沿った流体の平均速度を計算するように構成される。流体の平均速度は、測定された走行時間及び音速を使用して計算することができる。処理サブシステムは更に、点速度を測定すべき場所である流体内の点位置を決定するように構成することができ、またそれらの点位置は音速を使用することによって決定することができる。一例では、処理サブシステムは、ドップラー偏移を測定して点位置における速度を計算するように構成され、且つ点位置における速度から速度プロフィールを生成するように構成される。速度プロフィールは三次元速度プロフィールとすることができる。処理サブシステムはまた、少なくとも１つの走行時間経路に沿った流体の平均速度を補正して平均流量を決定するように構成することができ、且つ速度プロフィールを使用してそうすることができる。本システムは更に、平均流量を表示するための手段、及び／又は流体の音速を表示するための手段を含むことができる。

本発明はまた、導管内を流れる流体を通る２つの弦方向経路を規定するように導管に対して配列された２つの送信用トランスデューサ及び受信用トランスデューサの対と、直径経路を規定するように導管上に配列された、走行時間信号を生成するための少なくとも１つの送信用トランスデューサ及び受信用トランスデューサの対と、を含む超音波流量計システムを特徴とする。受信用トランスデューサの少なくとも１つは、散乱エネルギを受け取って距離ゲート式ドップラー信号を生成するように位置決めされる。処理サブシステムが送信用トランスデューサを励起し、また走行時間信号及び距離ゲート式ドップラー信号に応答する。一実施形態では、処理サブシステムは、走行時間信号の走行時間を測定し且つ流体の音速を決定し、また測定された走行時間及び音速を使用して少なくとも１つの走行時間経路に沿った流体の平均速度を計算するように構成される。処理サブシステムは更に、点速度を測定すべき場所である流体内の点位置を決定し、ドップラー偏移を測定して点位置における速度を計算し、点位置における速度から速度プロフィールを生成し、そして少なくとも１つの走行時間経路に沿った流体の平均速度を補正して平均流量を決定するように構成される。流体の平均速度は、測定された走行時間及び音速を使用して計算することができ、また点位置は、音速を使用して決定することができる。少なくとも１つの走行時間経路に沿った流体の平均速度は、速度プロフィールを使用して補正することができる。速度プロフィールは三次元プロフィールとすることができる。

本発明は更に、超音波流量計測方法を特徴とし、本方法は、導管内を流れる流体を通る少なくとも１つの弦方向経路を規定するように導管に対してトランスデューサを配列する段階と、弦方向経路上に設けた少なくとも１つの送信用トランスデューサ及び受信用トランスデューサの対から走行時間信号を生成する段階と、散乱エネルギを受け取るように位置決めされた少なくとも１つの受信用トランスデューサから距離ゲート式ドップラー信号を生成する段階とを含む。本方法は更に、送信用トランスデューサを励起する段階と、走行時間信号及び距離ゲート式ドップラー信号から、導管内を流れる流体の速度プロフィール及び平均速度を生成する段階とを含む。一構成では、少なくとも３つの送信用及び受信用トランスデューサの対が設けられ、これらの対の内の２つの対は弦方向経路上に配置され、また１つの対は直径経路上に配置される。各々のトランスデューサは散乱エネルギを受け取るように位置決めすることができる。本方法は更に、各送信用トランスデューサが励起された後に各受信用トランスデューサからの距離ゲート式ドップラー信号を処理する段階を含むことができる。複数の送信用及び受信用トランスデューサの対を設けて、各対は走行時間信号を生成するために弦方向経路上に配置し、また各対の受信用トランスデューサが散乱エネルギを受け取って距離ゲート式ドップラー信号を発生するようにすることができる。一変形例では、２対のトランスデューサが相異なる弦方向経路上に配置され、且つ１対のトランスデューサが直径経路上に配置され、そして各トランスデューサは、そのトランスデューサが生成する走行時間信号からの散乱エネルギを受け取ることができ、及び／又は各トランスデューサは、異なるトランスデューサが生成する走行時間信号からの散乱エネルギを受け取ることができるようにする。各トランスデューサは湿式トランスデューサとすることができる。一構成では、受信用トランスデューサは走行時間及びドップラー偏移信号を出力する。

一実施形態では、本方法は、走行時間信号の走行時間を測定し且つ流体の音速を決定する段階と、少なくとも１つの走行時間経路に沿った流体の平均速度を計算する段階とを含み、流体の平均速度は、測定された走行時間及び音速を使用して計算することができる。本方法はまた、点速度を測定すべき場所である流体内の点位置を決定する段階を含み、この決定は音速を使用することによって行うことができる。ドップラー偏移を測定して、点位置における速度を計算し、また点位置における速度から速度プロフィールを生成する。速度プロフィールは三次元速度プロフィールとすることができる。一変形例では、本方法は、少なくとも１つの走行時間経路に沿った流体の平均速度を補正し、且つ速度プロフィールを使用して平均流量を決定する段階を含む。また、平均流量及び／又は流体の音速を表示するための手段を設けることができる。

本発明はまた、超音波流量計測方法を特徴とし、本方法は、導管内を流れる流体を通る２つの弦方向経路を規定するように導管に対して２つの送信用トランスデューサ及び受信用トランスデューサの対を配列する段階と、走行時間信号を生成するために直径経路を規定するように導管上に少なくとも１つの送信用トランスデューサ及び受信用トランスデューサの対を配列する段階と、受信用トランスデューサの少なくとも１つを、散乱エネルギを受け取って距離ゲート式ドップラー信号を生成するように位置決めする段階と、少なくとも１つの送信用トランスデューサを励起する段階とを含む。一実施形態では、本方法は更に、走行時間信号の走行時間を測定し且つ流体の音速を決定する段階と、測定された走行時間及び音速を使用して少なくとも１つの走行時間経路に沿った流体の平均速度を計算する段階と、点速度を測定すべき場所である流体内の点位置を決定する段階とを含む。本方法はまた、距離ゲート式ドップラー信号からドップラー偏移を測定して点位置における速度を計算する段階と、点位置における速度から速度プロフィールを生成する段階と、少なくとも１つの走行時間経路に沿った流体の平均速度を補正して、平均流量を決定する段階とを含む。本方法は、測定された走行時間及び音速を使用して流体の平均速度を計算する段階と、音速を使用して点位置を決定する段階とを含むことができる。本方法は更に、速度プロフィールを使用して少なくとも１つの走行時間経路に沿った流体の平均速度を補正する段階を含むことができる。速度プロフィールは三次元プロフィールである。

他の目的、特徴及び利点が、当業者には以下の説明及び添付の図面から考えられよう。

図１Ａは、典型的な従来技術のクランプオン超音波走行時間型流量計システムの概略側面図である。 図１Ｂは、図１Ａの従来技術のクランプオン超音波走行時間型流量計システムの概略断面図である。 図２Ａは、本発明に従った流量計システムの概略側面図であり、図２Ｂは、図２Ａの流量計システムの概略断面図である。 図３は、少なくとも１つの弦方向経路を含む本発明の流量計の実施形態の概略断面図である。 図４は、３つのトランスデューサ対及び２つの弦方向経路を示す本発明の流量計の一実施形態の概略断面図である。 図５は、別の構成の３つのトランスデューサ対を示す本発明の流量計の別の実施形態の概略断面図である。 図６は、３つのトランスデューサ対の更に別の構成を示す本発明の流量計の更に別の実施形態の概略断面図である。 図７は、走行時間及びドップラー偏移データから速度プロフィール及び平均流量を生成するための処理サブシステムの一実施形態における主要な処理段階を示す流れ図である。

以下に説明する実施形態の他に、本発明は他の実施形態も可能であり、また様々なやり方で実施し又は実行することが可能である。従って、本発明はその用途において、以下に説明し又は図面に示した構成の細部及び構成要素の配列に制限されないことを理解されたい。本発明の特許請求の範囲は本書で述べた実施形態に制限されるものではない。更に、本発明の特許請求の範囲は、或る特定の除外、制限又は放棄を明らかにする明瞭な確信のある証拠がなければ、制限的に解釈すべきではない。

図１Ａに示す１つの典型的な従来技術の流量計１０は１つのトランスデューサ対１２，１４を含み、該対は上流側の超音波トランスデューサ１２と下流側の超音波トランスデューサ１４とを持つ。超音波トランスデューサ１２及び１４は、導管１６の対向する両側面上に配置されたクランプオン・トランスデューサ又は湿式トランスデューサとすることができ、或いはこれらのトランスデューサは導管１６の同じ側面上に配置することができる（図示せず）。トランスデューサ１２は、トランスデューサ１４によって受信されるように導管１６内の流れ媒体２０（すなわち、液体及び／又は気体又は多相流体）を通して信号１８を送る。トランスデューサ１４はまた、トランスデューサ１２によって受信されるように導管１６内の流れを通して信号を送る。２つの信号の間の走行時間の差が流量計２０によって計算され、結果として導管１６内の流体の流量が求められる。

上記の「背景技術」の項で説明したように、典型的な走行時間測定システムでは、信号１８は直径又は直径方向経路に沿っており、すなわち、図１Ｂに示すように信号１８は、導管１６の直径に沿って導管の中心を通過する。また、１つの経路１８のみでは通常、高精度の測定を行うには充分ではないので、４つ以上のトランスデューサ対（図示せず）による４つ以上の信号経路が、より正確な平均流速Ｖを求めるために用いられる。多種の複数トランスデューサ・複数経路システムが知られているが、それらの１つの例が米国特許第６７３２５９５号に記載されており、その記載は引用によって本書に組み入れる。米国特許第６７３２５９５号は、走行時間測定のために流体を通る複数の直交平面内の複数の経路を使用することを教示している。

流れ媒体が小さい泡、粒子又は混入物質、或いは他の不均質さのような散乱体を含んでいる場合、散乱体は流れの速度で流れていると想定することができる。このような場合、送信された超音波信号のドップラー偏移の測定により、流体の流速についての情報を得ることができる。ドップラー偏移測定の場合、（導管内の流体の流れの中の或る特定の場所に位置している）散乱体から後方散乱された超音波信号が受信用トランスデューサへ戻って来ると考えられる既知の時間窓がある。その時間窓の間にドップラー偏移、すなわち、超音波周波数の変化が検出される。このような測定が導管内の多数の予め定められた点で為されるとき、これは距離ゲート法として知られている。

このようなドップラー偏移測定の一方法が、米国特許第４７８７２５２号に示されており、その記載は引用によって本書に組み入れる。米国特許第４７８７２５２号のシステムでは、導管内の異なる半径方向の点における直径経路に沿った散乱体（泡、粒子又は混入物質）からの後方散乱信号の周波数偏移が、それらの半径方向の点における速度を導き出すために使用され、それらの速度は所定の重み付け係数を使用して平均化されて、流れプロフィールを生成する。

一般的に云えば、送信用トランスデューサ及び受信用トランスデューサの対の数が増加するにつれて、システムのコストも増加する。逆に、トランスデューサ対の数を減らそうとして、送信と１８０°後方散乱する超音波信号の受信との両方を行うことのできるトランスデューサを使用することができる。しかしながら、このようなトランスデューサは、それらの複雑さのために、感度が低くなるか又はコストが高くなる。また前に述べたように、いずれかのトランスデューサ対が湿式である場合、すなわち、流れと接触する場合、トランスデューサ自身によって引き起こされる流れに対する障害が、複数のトランスデューサ対を使用することによって得られる精度の増大の幾分かを相殺することがある。

本発明の様々な実施形態は、コストを削減し且つ精度を高めるために、異なる種類、数及び配置のトランスデューサの組合せを利用する。

本発明の一面では、図２Ａ及び２Ｂに示す超音波流量計システム及び方法１００は、弦方向経路１２２を規定するように導管１２０に対して配列されたトランスデューサ１０２，１０４を含む。送信用トランスデューサ１０２及び受信用トランスデューサ１０４の対は、当該技術分野で公知のように走行時間信号を生成する。走行時間信号は処理システム又はサブシステム１２６へ出力される。典型的には、走行時間を用いる流速の測定には、ユーザーが流量計１２４に適切な情報、例えば、流れ媒体の種類、計器係数、トランスデューサの種類及び間隔、導管の直径など（これらは本発明を必然的に制限するものではない）を入力することを含む。走行時間は、送信された超音波信号が１つのトランスデューサから受信用トランスデューサまで直接に進行するように流れＦを通って導管１２０を横切るために必要とされる伝播時間(time of flight)を表す。

処理サブシステム１２６は、制御装置を含むことができるが、トランスデューサから流れＦを通して送られる超音波パルスを制御し、また送信用トランスデューサ１０２を励起して、弦方向経路１２２に沿った伝播時間を測定するためのパルス信号を送信させるように構成される。処理サブシステム１２６の構成は、該システムがまた送信用トランスデューサ１０２を励起して、導管１２０内の流れＦの中の複数の深さ点Ｒの各々について距離ゲート式ドップラー信号を送信させるようになっている。

図２Ａ及び２Ｂの実施形態では、トランスデューサ１０２は、走行時間による速度測定のための超音波信号の送信器として、また散乱エネルギ１３０を受け取って距離ゲート式ドップラー又はドップラー偏移信号を生成するように位置決めされた受信器として作用する。ドップラー偏移信号は処理サブシステム１２６へ出力される。散乱エネルギ１３０は、導管１２０内の流れＦの中の、泡、粒子又は他の混入物質、或いは不均質さのような散乱体から、従って超音波信号経路１２２に沿った様々な点Ｒから後方散乱する。トランスデューサ１０２によって受け取った後方散乱超音波における周波数偏移は処理することができる。前に述べたように、導管内の様々な点Ｒに位置する混入粒子から後方散乱された超音波信号が受信用トランスデューサ１０２へ戻るまでにかかる時間窓が知られている。その時間窓の間に、ドップラー偏移、すなわち、それらの様々な所定の点Ｒにおける信号の周波数変化が検出され、これは距離ゲート法として知られている。このような距離ゲート式ドップラー信号は、希望された多数の点Ｒからの後方散乱エネルギの受信器として作用するトランスデューサ１０２によって生成される。図２Ａ及び２Ｂに示されているように、トランスデューサ１０２は、ほぼ１８０°後方散乱された散乱エネルギ１３０を受け取る。また、図示のように、トランスデューサは導管の対向する側面上に位置している。これは必然的な制限事項ではなく、走行時間又は距離ゲート式ドップラー測定のいずれかのために、トランスデューサはパイプ又は導管の同じ側面上に配置することができる。

処理サブシステム１２６はまた、走行時間信号及び距離ゲート式ドップラー信号に応答するように構成される。典型的には、処理サブシステム１２６は、各送信用トランスデューサが励起された後で各受信用トランスデューサからの距離ゲート式ドップラー信号を処理するように構成される。本書で述べる各実施形態では、トランスデューサは流量計１２４に接続される。

従って、走行時間信号は、走行時間による方法に従って速度を計算するために生成されるが、弦方向経路（直径経路ではない）上にある一対のトランスデューサにより生成される。ドップラー偏移情報もまた得られるが、これは走行時間情報と組み合わされて、最少数のトランスデューサにより流速測定の精度を増大させることができる。以下により詳しく説明するように、走行時間信号及び距離ゲート式ドップラー信号情報から、処理サブシステム１２６は更に、導管１２０内の流れの速度プロフィールを生成するように構成され、また導管内を流れる流体の平均流量を含む流れデータをユーザーのために出力するように構成され、データは典型的には表示装置１２８を介して出力される。

別の実施形態では、追加のトランスデューサ又はトランスデューサ経路を、より高度に開発されたトランスデューサの代わりに用いることができる。図３に示されるように、トランスデューサ１０６は、散乱エネルギ１３０を受け取るように構成された受信用トランスデューサである。トランスデューサ１０２及び１０４は最初の実施形態と同様に動作するが、トランスデューサ１０２は１８０°後方散乱されたエネルギを受け取るように構成する必要がなく、従って、より簡単で且つより安価なものにすることができる。図２Ｂの実施形態と異なり、散乱エネルギ１３０は１８０°で散乱されずに、点Ｒの位置に依存して他の角度で散乱される。全ての実施形態と同様に、特定の用途で要望される通りに、散乱エネルギを受け取ろうとする点Ｒの数を任意の数にすることができ、従って、任意の数の角度にすることができる。また特に、一例では、トランスデューサ１０６は、異なる角度から散乱エネルギ１３０’を受け取るように別の位置（破線で示す）に配置することができる。更に別の例では、第２の走行時間経路１２５を設けるためにトランスデューサ１０８を追加することができ、この場合、トランスデューサ１０６，１０８は別の送信器／受信器対として構成されて第２の走行時間信号を生成する。本書で用いる「走行時間経路」とは、特定の用途で要望される通りに弦方向経路又は直径経路であってよいが、送信用トランスデューサと受信用トランスデューサとの間で導管内を流れる流体を通る直線経路として定義される。図示のように、走行時間経路１２５は直径経路である。以上のように、様々な実施形態では、特定の用途で要望される通りにトランスデューサの種類、数及び位置に関して融通性を与えることができる。

図４及び５に示されている実施形態は３つのトランスデューサ対を含む。図４に示されているトランスデューサ対１０２，１０４は、経路１２２に関連した走行時間信号を生成するために弦方向経路１２２上に送信器及び受信器として配列される。導管１２０の断面積全体にわたって流れに関する情報を改善するために、トランスデューサ対１１０，１１２がまた弦方向経路１３２上に送信器及び受信器として配列されて、経路１３２に関連した走行時間信号を生成する。直径経路１２５上のトランスデューサ１０６が、散乱エネルギ１３０を受け取るように位置決めされた受信器として配置されている。図から、全てのトランスデューサ対が互いに平行であるように表されているが、これは不可欠なことではなく、またそれらのトランスデューサ対は導管１２０に沿って互いに対して相隔てることができる。また導管１２０の断面積全体にわたって流れに関する情報を改善するために、受信用トランスデューサ１０６は、弦方向経路１３２に沿った点Ｒ’からの後方散乱エネルギ１４０を受け取ることができる。全てのトランスデューサ１０２，１０４，１０６，１０８，１１０，１１２は、処理サブシステム１２６（図２Ａ）のような処理サブシステムに接続される。処理サブシステムは、送信用トランスデューサを励起し且つ走行時間及び距離ゲート式ドップラー信号を受信するように構成されると共に、本書で述べるように流体についての速度プロフィール及び平均流量を生成するように構成される。

図５の実施形態では、トランスデューサ１０６は、走行時間を測定するために、またそれと交互に距離ゲート式ドップラー信号を生成するために、直径経路１２５で超音波信号を送信するように構成される。トランスデューサ１０２は後方散乱エネルギ１４５を受け取るように構成され、またトランスデューサ１１０は後方散乱エネルギ１５０を受け取るように構成される。一変形例では、トランスデューサ１０２及び１１０はそれぞれ弦方向経路１２２及び１３２に沿って超音波信号の送信及び受信を交互に行うように構成することができ、トランスデューサ１０４及び１１２はこれらの弦方向経路に沿ったそれぞれのトランスデューサ対を完成するように作用する。

図６に示されるように、各々のトランスデューサ１０２，１０６，１１０は、走行時間測定のため及びドップラー偏移測定のための送信器／受信器として構成することができる。この例では、各々のトランスデューサ１０２，１０６，１１０は走行時間信号を送信及び受信し、また距離ゲート式ドップラー信号を送信して散乱エネルギを受信する。図示のように、散乱エネルギ１６０，１７０，１８０はほぼ１８０°反射されてトランスデューサ１０２，１０６，１１０へそれぞれ戻る。

しかしながら、全ての実施形態と同様に、トランスデューサ１０２，１０６，１１０のような各トランスデューサは、異なる経路からの散乱エネルギを受け取るように位置決めすることができる。一例では、トランスデューサ１０６，１１０は、１８０°以外の角度の散乱エネルギ１６０’，１６０”をそれぞれ受け取る。別の例では、トランスデューサ対１１０，１１２は、破線で示すように、９０°（図示せず）を含む反射角で散乱エネルギ１６０’を受け取るように位置決めすることができる。別の実施形態では、トランスデューサ１０４、１０８及び１１２はまた、走行時間信号の送信器及び受信器として、また距離ゲート式ドップラー信号の送信器として、並びに散乱エネルギの受信器として構成される。

特に、超音波信号の強度が弱いときに異なる位置で測定するために、及び／又は冗長性のために測定値を検査するために、様々なトランスデューサ構成及び配置もまた用いることができる。

更に、実施形態によっては、受信用トランスデューサは、異なるトランスデューサ対が生成する経路に沿って生成された走行時間信号からの散乱エネルギを受け取ることができる。例えば、図４に示されているトランスデューサ１０６は、経路１２２に沿ってトランスデューサ１０２によって生成された走行時間信号からの散乱エネルギ１３０を受け取る。しかしながら、これは必ずしもそうなるとは限らない。代替実施形態では、受信用トランスデューサは、それ自身で生成する走行時間信号からの後方散乱エネルギを受け取ることができる。一例では、図６に示されているトランスデューサ１０２は、走行時間信号トランスデューサ１０２自身が経路１２５に沿って生成する後方散乱エネルギ１７０を受け取る。しかしながら、これらは制限例ではなく、これらの例とは異なるトランスデューサ配置を様々な他の実施形態で用いることができる。

更に、図面には示していないが、走行時間信号を生成するためにそれぞれの弦方向経路上に配置した（２つのトランスデューサ対だけなく）多数の送信用及び受信用トランスデューサの対を設けることができ、また各対の受信用トランスデューサが散乱エネルギを受け取って距離ゲート式ドップラー信号を発生するようすることができることは明らかである。これは、希望通りにトランスデューサ対を追加することによって達成することができる。

その上、任意の実施形態において、１つ以上のトランスデューサを湿式とすることができる。非湿式トランスデューサの場合、弦方向経路で超音波信号を送信するために、一般に導管の外面に何らかの修正を施すことが必要であり、既知の修正技術を用いることができる。

特に３つの経路を使用し、その３つの経路の内の１つ又は２つを弦方向経路とした場合、走行時間及び距離ゲート型散乱ドップラー信号の組合せにより、導管の断面全体にわたる導管の流れプロフィールの写像が得られる。

前に述べたように、流量計１２４内の処理サブシステム１２６（図２Ａ）は、トランスデューサを制御し、また受信用トランスデューサが走行時間信号を受信し且つ後方散乱信号を受信した後に受信用トランスデューサによって出力される情報に応答する。また、前に述べたように、処理サブシステム１２６は、トランスデューサの種類、位置及び数に依存して異なる構成を持つ。各々の場合に、処理サブシステム１２６は、走行時間及びドップラー偏移に関する情報を組み合わせて、速度プロフィールを生成し且つ三次元流れプロフィールを作成するように構成される。一例では、受信用トランスデューサが走行時間信号及びドップラー信号を処理サブシステムへ出力する。ドップラー信号は、導管内の様々な点における超音波信号の周波数のドップラー偏移を含む。処理サブシステム１２６は、受信用トランスデューサから出力された走行時間信号及びドップラー信号に応答するように構成され、また処理サブシステム１２６は更に、速度プロフィールを生成し且つそれから三次元流れプロフィールを作成するように構成される。

本発明のシステム及び方法の一面によれば、処理サブシステム１２６は図７に示されるように構成される。処理サブシステム１２６（図２Ａ）は、図７の段階２１０で示すように、走行時間信号の走行時間を測定し且つ導管内の流体の音速を決定する（音速は走行時間から決定することができる）と共に、走行時間及び音速を使用して走行時間経路に沿って流体の平均速度を計算するように構成される。一例では、図５のトランスデューサ構成の場合、走行時間経路１２５に沿った流体の平均速度、並びに流体の音速が計算される。この段階の測定、決定及び計算は、前に述べたように及び／又は当該技術で知られているシステム及び方法によって遂行することができる。しかしながら、気付かれるように、本発明のシステム及び方法はそれに制限されず、走行時間経路に沿った平均速度は弦方向又は直径経路に沿ったものであってよい。

更に、処理サブシステム１２６は、図７の段階２１２で示すように、音速を用いて点速度を測定すべき場所である流れの中の点の位置を決定するように構成される。前に述べたように、トランスデューサで受け取った後方散乱超音波の周波数偏移を決定することができる。従って、処理システム１２６は、段階２１４で示すように、周波数の変化（すなわち、ドップラー偏移）を測定し且つ周波数の変化を利用して様々な点位置における速度を計算するように構成される。再び図５の例を用いると、位置Ｒを決定すると共に、様々な点位置Ｒの各々について周波数の変化（すなわち、ドップラー偏移）を決定することができる。図７の段階２１６で示すように、計算された点速度から、速度プロフィールを生成する。生成された速度プロフィールは、典型的には、三次元速度プロフィールであり、データ取得構成によって決定される。例えば、送信用トランスデューサと受信用トランスデューサと散乱の位置との間の幾何学的関係により、散乱ベクトルを決定する。散乱ベクトルの方向に沿った測定されたドップラー偏移は、散乱の軸方向及び横方向速度に対応するパイプ又は導管の軸方向成分と横方向成分とに分解することができる。例えば、図５において、トランスデューサ１０２及び１１０はトランスデューサ１０６に対して対称に配置されている。トランスデューサ１０２及び１１０で受信した観測されたドップラー偏移は、それが同じ散乱体の軸方向速度によって引き起こされた場合は、事実上同じになるはずである。何らかの差が観測された場合は、それは、横方向速度成分が導管内の流体に存在することを示す。軸方向速度成分は、それが唯一の関心のある速度成分である場合は、既知の手段を用いて分離することができる。

本発明に従った一変形例では、段階２１８に示すように、走行時間経路に沿った平均速度が、生成された速度プロフィールを使用して補正され、そこから平均流量が決定される。このようにして、平均速度が、所定の分析又は経験による補正係数によるよりも動的に補正される。結果として、平均流量はより正確に決定される。その後、段階２２０に示すように、平均流量及び／又は流体の音速がユーザーに対して表示される。

図５の例は制限するものではなく、本発明のシステム及び方法は任意の所望のトランスデューサ構成で利用することができる。その上、本発明のシステム、サブシステム、処理サブシステム及び／又は方法の様々なパーツ又は部分は、当業者に知られているようにソフトウエアに埋め込むことができ、及び／又は残りのシステムとは別々であってよいコンピュータ又は他のプロセッサの一部とすることができる。例えば、処理サブシステムは、完全なシステムのためのプロセッサ及びメモリ要件を含めて本書で述べた全てのサブシステム及び方法などを含むことができる。これらの例は制限するものであることを意味するものではなく、また本発明の様々なパーツ又は部分は、ディジタル・コンピュータのようなコンピュータにおいて具現化することができ、並びに／又はコンピュータ又は他の従来の装置と適合可能な及び／又はそれらに埋め込まれたソフトウエア・モジュール及び／又はコンピュータ・プログラムの中に組み込むことができ、また、コンピュータの又は装置の主要な構成部品は、例えば、プロセッサ又は中央処理装置（ＣＰＵ）、（キーボード、マウス、コンパクト・ディスク（ＣＤ）ドライブなどのような）少なくとも１つの入出力（Ｉ／Ｏ）装置、コントローラ、表示装置、コンピュータ読取り可能なコードを読み出し及び／又は書き込みすることができる記憶装置、メモリを含むことができ、これらの全ては、例えば、通信ネットワーク又はバスによって相互接続される。本発明のシステム、サブシステム、及び／又は方法は、コンピュータとして、並びに／又は、コンピュータ又は計器内のコンピュータ読取り可能な媒体上に及び／又はテープ又はコンパクト・ディスクのようなコンピュータ読取り可能な媒体上に記憶されるソフトウエア・プログラムとして具現化することができる。本発明のシステム、サブシステム、及び／又は方法はまた、複数のコンピュータ又は装置において具現化することができ、それらの構成部品は物理的に接近して設け、或いは広範な地理的領域にわたって分布させて、例えば、通信ネットワークによって接続する。

本発明の様々な実施形態に従って得られた速度プロフィールは、直径経路のみに沿った従来知られているプロフィールよりも遙かに正確である。その結果、得られる流れプロフィール及び流量は遙かに正確である。

従って、本発明の様々な実施形態は、弦方向経路を用いて走行時間流量測定を距離ゲート式ドップラー測定と組み合わせて、より正確な流れプロフィール及び流量を生成する。走行時間は超音波信号パルスの伝播時間を測る。距離ゲート式ドップラーは、流体流の中で移動する物体又は散乱体の後方散乱を測定する。トランスデューサの複雑さを最小にしながら最少数のトランスデューサ及びトランスデューサ経路を用いることにより、精度を一層高くすることができ、またトランスデューサ及び経路の様々な組合せにより、ユーザーにとって一層多数の選択肢を提供することができる。更に、走行時間測定と距離ゲート式ドップラーとの組合せにより、速度及び流量の動的な補正が可能になり、且つ従来のシステムよりも一層正確な結果が提供される。

また更に、得られた流れプロフィールは一層正確な流量を求めるために使用できるだけでなく、他の用途にも役立つ。本発明の実施形態のシステム及び方法は、異なる時点におけるパイプのプロフィールを比較することによって、導管又はパイプの内部に対する変化を監視するために使用することができる。従って、パイプの状態の変化は非侵襲的に知ることができ、破滅的又は緊急事態が生じる前に交換又は補修に関する決定を容易にする。また、導管内を流れる流体の種類の変化を監視できると共に、多相の流れを監視できる。

本明細書は、最良の実施形態を含めて、本発明を開示するために、また当業者が本発明を作成し使用できるようにするために、様々な例を使用した。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲の記載に定めており、また当業者に考えられる他の例を含み得る。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの記載から実質的に差異のない構造的要素を持つ場合、或いはそれらが特許請求の範囲の文字通りの記載から実質的に差異のない等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。

本発明の特定の特徴は幾つかの図面に示されて他の図面に示されていないが、これは便宜のために過ぎず、各々の特徴は本発明に従って他の特徴のいずれか又は全てと組み合わせることができる。本書で用いられる「含む」、「有する」、「持つ」などの言葉は、広義に且つ包括的に解釈されるべきであり、如何なる物理的な相互接続に制限されない。また更に、本出願で開示したどの実施態様も唯一の可能な実施態様として取るべきではない。当業者には他の実施態様を考えつくであろうが、それらは特許請求の範囲内にある。

更に、本特許出願の審査中に何らかの補正が提示された場合、該補正は出願時に記載された特許請求の範囲のいずれかの構成要素を放棄するものではない。全ての可能な等価物を完全に含むような特許請求の範囲を書くことを当業者に期待することができないことは妥当であり、多くの等価物は補正の時点で予測できないものであり且つ何を放棄すべきか（あった場合）についての正しい解釈とは別物であり、補正の論理的根拠は多くの等価物に対して僅かな関係しかないことがあり、そして／又は補正される特許請求の範囲の構成要素の代わりに或る特定の実体のない置換物を記述することを出願人に期待することができない多数の他の理由がある。

１０ 流量計
１２ 上流側の超音波トランスデューサ
１４ 下流側の超音波トランスデューサ
１６ 導管
１８ 信号
２０ 流れ媒体
２０ 流量計
１００ 超音波流量計システム及び方法
１０２ 送信用トランスデューサ
１０４ 受信用トランスデューサ
１０６ トランスデューサ
１０８ トランスデューサ
１１０ トランスデューサ
１１２ トランスデューサ
１２０ 導管
１２２ 弦方向経路
１２４ 流量計
１２５ 直径経路
１２６ 処理サブシステム
１２８ 表示装置
１３０ 散乱エネルギ
１３０’ 散乱エネルギ
１３２ 弦方向経路
１４０ 後方散乱エネルギ
１４５ 後方散乱エネルギ
１５０ 後方散乱エネルギ
１６０ 散乱エネルギ
１６０’ 散乱エネルギ
１６０” 散乱エネルギ
１７０ 散乱エネルギ
１８０ 散乱エネルギ

Claims (14)

1. 導管内を流れる流体を通る少なくとも１つの弦方向経路を規定するように導管に対して配置された複数のトランスデューサと、
   走行時間信号を生成するために弦方向経路上に設けた少なくとも１つの送信用トランスデューサ及び受信用トランスデューサの対と、
   前記液体の点位置からのすべての角度からの散乱エネルギを受け取って距離ゲート式ドップラー信号を生成するように位置決めされた少なくとも１つの受信用トランスデューサと、
   少なくとも１つの送信用トランスデューサを励起し、走行時間信号及び距離ゲート式ドップラー信号に応答し、且つ導管内を流れる流体の速度プロフィール及び平均速度を生成するように構成されている処理サブシステムと、
   を備え、
   前記受信用トランスデューサは走行時間及びドップラー偏移信号を前記処理サブシステムに出力し、
   前記処理サブシステムは、
   走行時間信号の走行時間を測定し且つ前記流体の音速を決定し、
   測定された走行時間及び前記音速を使用して少なくとも１つの走行時間経路に沿った前記流体の平均速度を計算し、
   流体内の点位置を決定して前記点位置における点速度を測定する
   ように構成され、
   前記点位置は前記音速を使用することによって決定される、
   超音波流量計システム。
2. 前記処理サブシステムは、ドップラー偏移を測定して前記点位置における速度を計算するように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記処理サブシステムは、前記点位置における前記速度から速度プロフィールを生成するように構成される、請求項２に記載のシステム。
4. 前記速度プロフィールは三次元速度プロフィールである、請求項３に記載のシステム。
5. 前記処理サブシステムは、少なくとも１つの走行時間経路に沿った前記流体の平均速度を補正して、平均流量を決定するように構成される、請求項３に記載のシステム。
6. 前記処理サブシステムは、前記速度プロフィールを使用して、少なくとも１つの走行時間経路に沿った前記流体の平均速度を補正する、請求項５に記載のシステム。
7. 前記平均流量を表示するための手段をさらに備える、請求項５に記載のシステム。
8. 導管内を流れる流体を通る２つの弦方向経路を規定するように導管に対して配列された２つの送信用トランスデューサ及び受信用トランスデューサの対と、
   直径経路を規定するように導管上に配列された、走行時間信号を生成するための少なくとも１つの送信用トランスデューサ及び受信用トランスデューサの対と、
   前記液体の点位置からのすべての角度からの散乱エネルギを受け取って距離ゲート式ドップラー信号を生成するように位置決めされた、前記受信用トランスデューサの少なくとも１つと、
   少なくとも１つの前記送信用トランスデューサを励起し、また走行時間信号及び距離ゲート式ドップラー信号に応答する処理サブシステムと、
   を備え、
   前記処理サブシステムは、
   走行時間信号の走行時間を測定し且つ前記流体の音速を決定し、
   測定された走行時間及び前記音速を使用して少なくとも１つの走行時間経路に沿った前記流体の平均速度を計算し、
   流体内の点位置を予め決定して前記点位置における点速度を測定し、
   ドップラー偏移を測定して前記点位置における速度を計算し、
   前記点位置における速度から速度プロフィールを生成し、
   少なくとも１つの走行時間経路に沿った前記流体の平均速度を補正して平均流量を決定する
   ように構成された、
   超音波流量計システム。
9. 前記流体の前記平均速度は、測定された走行時間及び音速を使用して計算される、請求項８に記載のシステム。
10. 前記点位置は、前記音速を使用して決定される、請求項８に記載のシステム。
11. 少なくとも１つの走行時間経路に沿った前記流体の前記平均速度は、前記速度プロフィールを使用して補正される、請求項８に記載のシステム。
12. 前記速度プロフィールは、三次元プロフィールである、請求項８に記載のシステム。
13. 導管内を流れる流体を通る少なくとも１つの弦方向経路を規定するように導管に対してトランスデューサを配列する段階と、
    弦方向経路上に設けた少なくとも１つの送信用トランスデューサ及び受信用トランスデューサの対から走行時間信号を生成する段階と、
    前記液体の点位置からのすべての角度からの散乱エネルギを受け取るように位置決めされた少なくとも１つの受信用トランスデューサから距離ゲート式ドップラー信号を生成する段階と、
    送信用トランスデューサを励起する段階と、
    走行時間信号及び距離ゲート式ドップラー信号から、導管内を流れる流体の速度プロフィール及び平均速度を生成する段階と、
    含み、
    前記受信用トランスデューサは走行時間及びドップラー偏移信号を出力し、
    さらに、
    走行時間信号の走行時間を測定し且つ前記流体の音速を決定する段階と、
    測定された走行時間及び前記音速を使用して少なくとも１つの走行時間経路に沿った前記流体の平均速度を計算する段階と、
    測定された前記走行時間及び前記音速を使用して、前記流体の前記平均速度を計算する段階と、
    流体内の点位置を決定して前記点位置における点速度を測定する段階と、
    前記音速を使用することによって前記点位置を予め決定する段階と、
    を含む、
    超音波流量計測方法。
14. 導管内を流れる流体を通る２つの弦方向経路を規定するように導管に対して２つの送信用トランスデューサ及び受信用トランスデューサの対を配列する段階と、
    走行時間信号を生成するために直径経路を規定するように導管上に少なくとも１つの送信用トランスデューサ及び受信用トランスデューサの対を配列する段階と、
    受信用トランスデューサの少なくとも１つを、前記液体の点位置からのすべての角度からの散乱エネルギを受け取って距離ゲート式ドップラー信号を生成するように位置決めする段階と、
    少なくとも１つの送信用トランスデューサを励起する段階と、
    前記走行時間信号の走行時間を測定し且つ前記流体の音速を決定する段階と、
    測定された前記走行時間及び前記音速を使用して少なくとも１つの走行時間経路に沿った前記流体の平均速度を計算する段階と、
    前記流体内の前記点位置を予め決定して前記点位置における点速度を測定する段階と、
    前記距離ゲート式ドップラー信号からドップラー偏移を測定して前記点位置における速度を計算する段階と、
    前記点位置における速度から速度プロフィールを生成する段階と、
    少なくとも１つの走行時間経路に沿った前記流体の前記平均速度を補正して平均流量を決定する段階と、
    を含む、超音波流量計測方法。