JPH07167687A - 弾性波感知装置 - Google Patents
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Abstract
延びる感知路を画定する手段、シートの第1の側面上に
取り付けられ、感知路に沿って伝搬する弾性波エネルギ
信号を発生、感知するためのトランスジューサ手段1
2,14、前記信号を処理して、シートの第2の側面と
接触する物質の特性に依存する信号伝搬の変化を決定す
るように信号を処理するための手段、シートの前記領域
の基準状態を設定し、前記特性を確認するため該基準状
態に関する信号伝搬を決定する基準手段等をもって構成
される。装置は、トランスジューサ間に加えられる音響
負荷で、種々の環境における特性を判別する。装置は、
物質の密度、固さ、存在、結合の程度、厚さあるいは充
填高さを検出でき、航空機の翼の氷測定、貯蔵タンクの
充填高さ検出、質量流量のような種々の領域への応用を
有する。
Description
に関し、特定すると、壁により境界を画定された物質の
存在すなわち比特性を検出する装置に関する。装置の例
としては、タンク内の液体レベルおよび界面、導管内の
流体路、または外被、翼または胴体上に蓄積された氷の
存在または厚さを感知するための装置等が挙げられる。
経路に沿って超音波を伝搬させ、電波時間、ドップラシ
フトあるいは信号の流体との相互作用のその他の特性を
測定することによって、流量や、質量流量や、密度や温
度のような関連するパラメータを測定するための非常に
多くの技術が開発されてきた。
ランスジューサ取付けおよびハウジングの幾何形態の影
響を補償するため、最初の準備または後続の信号処理に
おいてある種の補正をなさねばならないが、基本的処理
としては、流体中を伝搬する超音波信号の測定および比
較が含まれる。例えば、Saul A. Jacobson等の米国特許
第4,787,252 号を参照。他の装置においては、波エネル
ギが特別に賦型された導波管中を伝搬せしめられ、質問
(測定)波の特性が、導波管と導波管を充填する、ある
いはこれを取り巻く流体との相互作用の影響を受ける。
Haim H.Bau等の米国特許第4,893,496 号は、この形式の
装置を示しているが、この装置にあっては、多角形また
はその他の特別に賦型された棒またはシリンダがねじれ
波により励起され、棒またはシリンダからのエネルギの
隣接する流体への結合で、流体密度または粘度の大きさ
の直接的指示を与える。この形式の装置にあっては、波
は固体のボディにより案内され、そしてその伝搬は、隣
接する流体と結合するエネルギの影響を受ける。
ともに使用して、流体高さや氷被覆のような静的状態を
測定することも示唆された。
より流体センサについての研究がなされてきたが、この
研究にあっては、管が流体中に延ばされ、一端にてたわ
み波で励起される。このたわみ波は、空気/流体界面に
て反射され、ついで検出される。長い管内におけるたわ
み波の比較的緩やかな伝搬速度(1960年のAgeevaにより
報告された方法に従うと薄いストリップにおける)のた
め、流体レベル高さの分析が可能になる。
号歯、航空機の翼上に形成される氷の累積および付着の
程度を検出する方法を示している。この装置は、翼の表
面を形成するシート(薄板)中を圧縮およびたわみモー
ドの両方で伝搬する音響信号を使用する。この特許は、
たわみ波の振幅が表面の付着物とともに変わるが、圧縮
モードの波はシート中を減衰されずに伝搬し、したがっ
て受信されたたわみ波信号の振幅を正規化するのに使用
できることを報告している。
作用を含むこの後者の形式の装置はかなり特殊化されて
いるようであるということができ、案内されるたわみ波
信号に顕著な定性的影響が観察されたが、この種の装置
は、流体それ自身を伝搬する非被誘導波を採用するさら
に従来の装置により享受される十分に展開された論理モ
デルを有さない。したがって、それらの教示は、かなり
特定の構造に限定される。
ようなシート構造体内における弾性波に対するより汎用
の波検出または測定装置を開発することが望まれる。
ンサ、導管または閉じ込め容器との使用に限定されない
弾性波装置を開発することが望まれる。
およびその他の望ましい特徴は、検出されるべき物体の
境界を画定するシートまたは壁内に弾性波を発生しかつ
それを検出するための1または複数のトランスジューサ
を提供し、検出信号を処理して決定をなし、任意的に、
基準決定を行うため壁に音響的負荷を選択的に適用する
ことにより達成される。壁は、パイプまたは導管の壁、
エアフォイルの表面、外被または胴体、貯蔵タンクのよ
うな容器の壁とし得る。
上に取り付けられ、少なくとも一つのトランスジューサ
を壁との音響的接触下に保持し、トランスジューサの作
動で、壁に対して垂直な圧縮波インパルスを供給し、そ
の中にたわみ波の伝搬を開始させるようにする。ハウジ
ングは、壁を周囲の付随的負荷から保護し、壁とともに
閉鎖セルを形成する。選択された時点にセルを液体で充
填する手段が設けられており、それにより壁の外側に音
響負荷をかける。たわみ波伝搬特性の基準の決定は、こ
の液体と接触している壁の外側でなされる。次いで、液
体は排出され、無攪乱の伝搬特性が決定される。音響負
荷を有する場合および音響負荷を有さない場合のたわみ
波伝搬の比較は、広動作範囲にわたる検出位相速度を正
規化し、予測される信号伝搬特性を決定するための追加
のパラメータの完全なモデル化または感知が不可能であ
るような感知環境において装置の使用を可能にする。
機体外板上に蓄積する氷を検出するのに使用してもよい
し、高さを測定したり、貯蔵タンク内のあふれ警報や、
圧力容器内における高圧力警報やあふれ警報を作動した
り、直立パイプ内における流体圧力のような特性を測定
したりするように構成してもよい。クランプオン(取り
付け)の実施例は、導管内の流体密度、流量、あるいは
その両者を直接的に測定するように適合される。
は、図面を参照して行った以下の説明から明らかとなろ
う。図1は、燃料オイル貯蔵タンクのような液体貯蔵タ
ンク2上に例示的に設置された本発明に従うたわみ波感
知装置10を例示する線図である。一例として、この種
のタンクは、約1センチ厚の鋼板より形成してよく、こ
れが直径3〜50メートルおよび高さ10〜15メート
ルの円筒状構造体に鋲付けまたは溶接されている。鋼板
は高さ8フィートとし、逐次的に(段階的に)タンクの
頂部に向って薄くし、最高の板に対するおおむね5mm厚
に減じていくようにしてよい。この種のタンクは、固定
の導管4を介して最大の充填高さS、タンクの頂部より
小距離下の点、まで充填される。これれらのタンク上に
は、閉鎖屋根でなく、種々の形式の浮動カバーまたは封
止構造体が採用されており、液体の上方に煙霧が充填し
た空間が生ずるのを防ぐ。このような煙霧充填空間は爆
発を招く恐れがある。これらのカバー組立体は、タンク
の内壁と接触する、またはそれを封止するためのシー
ル、バンパまたはスクレイパを備えることができる。以
下に論述されるように、これらの要素は、本発明の感知
装置により遠隔的に検出できる。しかしながら、本発明
のこの実施例の1側面においては、センサ10は、充填
レベルSにてタンク内の流体の存在を検出し、それゆえ
溢れ警告装置として働く。
することが望まれる特定の充填高さSにて信号伝搬路を
画定する閉鎖表面領域Rの両端に1対のトランスジュー
サ12、14を含む。領域Rは、16により総括的に指
示され、L字状断面の薄い鋼輪より形成された境界フレ
ームまたはハウジングで囲まれる。。しかして、L字状
の断面は、タンク壁に対して平坦に固定するための第1
の面と、壁から外方に延びる第1面に垂直な第2の面と
を備える。トランスジューサ12,14は各々、第1面
上に取り付けられており、タンク壁に音響的に結合さ
れ、他方薄い鋼輪を形成するフレームは、両トランスジ
ューサ間に固定の間隔を画定している。
6はカバーを有しており、図2および図3にもっともよ
く示されるように、領域R上に閉鎖領域を画定するよう
になされている。領域は、フレーム16およびカバー部
材18により境界を画定されており、それにより表面領
域R上に流体だめを形成する。フレーム16は、はん
だ、エポキシ、接着剤等により、タンク壁に密封態様で
取り付けられており、タンク壁が、このようにして形成
されたためを閉鎖する他の境界面を形成している。
ム16は、比較的薄い材料例えば18〜22ゲージの薄
鋼板より形成されるが、これは、測定領域の近傍におい
てタンク壁の全質量やスティフネスの影響を及ぼすほど
厚くなることなくタンク壁に正確に順応し、またトラン
スジューサ間に干渉音響路の導入を避けることを可能に
する。棒原材料から機械加工されたねじ付き接触アセン
ブリ22が、フレーム16に直径を挟んで相対する二つ
の位置にて溶接されており、機械加工されたステンレス
スチール釦22aを備えている。このステンレススチー
ル釦は、壁平面に向けて千分の数インチ突出しており、
音響信号を壁に結合するための、垂直入射による接触音
響結合部を形成する。種々の追加のスペーサ、パッキン
グおよび接地または遮蔽部材(特定の参照番号なし)
は、燃料タンクに適合する爆発防止型トランスジューサ
を例示するために図示されている。重要な部材からの、
あるいはこれら部材を通るフレーム路を減ずるように、
すべての許容誤差は小さく維持されている。
Remendur材料の磁歪棒24が接触釦22a中にねじ込ま
れており、ソレノイドコイル26により取り囲まれてい
る。ソレノイドコイル26は、棒中に圧縮波を発生する
ために電気導管25中を通る電気的電流信号バースとに
より作動される。これらの波は、棒に沿って接触釦中に
移動し、表面に垂直なタンク壁の瞬間的な運動を生じさ
せる。たわみ波は、領域Rの他側への伝搬後、第2の棒
24a内において圧縮波に再変換され、ピックアップコ
イル26aによりピックアップされる。好ましくは、伝
送コイル26は、高電流駆動信号、例えば10ボルトのレ
ベルにて0.3 アンペアの信号バーストに順応するよう
に、小巻数の低小ゲージワイヤを有しているのがよい。
他方、ピックアップコイル26aは、減衰波を検出する
ため高電圧出力を有する敏感な受信機を構成するため高
ゲージワイヤの多数巻線を有する。λ/4共振器として一
端が解放されている真直ぐな棒を使用することによっ
て、タンク表面に垂直な棒の突出できるだけ小さくされ
る。
に伝搬するたわみ波に効率的に変換するように選択され
る。普通、約5〜25kHz の周波数が厚い鋼板壁に適当で
ある。約5mm〜6mm厚の鋼板に対しては12.5kHz の周波
数が好ましいが、この厚さは、「高」または「高−高」
充填レベルSにおける貯蔵タンクの頂部の近傍にてしば
しば遭遇する厚さである。図1に略示される高−高警報
レベルは、溢れのほぼ5分前に、代表的には95%充填に
おけるポンプ容量に関係して設定される。
壁内を伝搬するたわみ波の位相速度が、トランスジュー
サ12、14が接触する表面に相対する壁の表面に対す
る物質例えば燃料オイルの存在を検出するために測定さ
れる。詳述すると、棒24から壁中への圧縮波の発射
と、棒24aにおける遅延信号の受信との間の伝搬時間
は、タンク2内における流体が領域Rの高さに達すると
き増大し、そしてこの公称伝搬時間からの遅延が検出さ
れて、流体高さの指示を与える。
10マイクロ秒以上の伝搬時間の増加が、1/2 ないし1セ
ンチメートル厚の鋼タンク上に約20センチメートルのト
ランスジューサ間距離を置いて設けられたトランスジュ
ーサで観察された。これらの伝搬時間の増加は、トラン
スジューサのタンクへの結合または接合の品質に依存し
ないから、伝搬時間式装置として、例えばLynnworth, S
egerおよびBradshawの米国特許第4,320,659 号(1982)の
方法において先にタンクに応用されたような液体レベル
の振幅式の決定に優る利点をもたらす。
てLamb波)の特質について短い論述を加えることは、本
発明の他の側面および好ましい実施例を理解する上で助
けになろう。
たは音響波の音響速度は、スティフネス対密度の平方根
に比例する。すなわち、
なくとも低ヘッドでのタンク壁に対する液体の存在は、
密度の増加、したがってたわみ波伝搬速度の減少に類似
の態様で動作する。氷よりの密度の大きい金属より成る
翼または外被のようなシート構造体の外部上に蓄積する
氷の場合、主たる影響は、スティフネスを増し、したが
って伝搬時間を増大することである。例えばホッパまた
はサイロ内において起こるように粒状または固まってい
ない固形物質が壁に担持される場合、壁と物質間に凝集
的結合はなく、波伝搬に対する主たる影響は、振幅減衰
の影響である。
察以上に、他のファクタが測定装置の考慮事項に入る。
体の低次のたわみ弾性波、さらに好ましくは、a0に対応
する周波数、あるいは二次またはより高次のモードのカ
ットオフ周波数より低い周波数に対応する周波数で作動
されるのが好ましい。これらのより高モードの範囲にお
けるより高い周波数を避けることにより、数種の異なる
位相速度における表面漏洩、反射およびマルチモード伝
搬から生ずる複雑性は、受信信号に現れない。厚い鋼板
から形成されるタンクの場合、5〜25kHz の範囲の周波
数が適当であるが、薄く固いアルミニウムまたは合金の
航空機外板上の氷を検出する場合、約100kHzの周波数が
適当であると考えられる。
に板の波を使用するときに適用されることであるが、表
面漏洩について詳しく考察すると、たわみ波エネルギの
流体中への結合が、たわみ波の振幅を減衰させ、測定を
複雑にし、さらにはそれを断念させる。この問題を減ず
るために、トランスジューサまたはインパルス始動装置
は、シート構造体内におけるたわみ波の速度が、測定さ
れるべきシートと境界を接する、すなわちこれと接触す
る圧縮波の伝搬速度よりも低くなるような周波数で駆動
される。以下に述べる本発明の興味ある側面は、12.5kH
z の励起を使用して、低スティフネスおよび低密度(約
1g/cm2に等しい) のPVC パイプ中の流体流を検出するた
わみ波感知装置にある。本発明の他の実施例におけるの
と同様に、たわみ波は、導管内の流体中よりもその壁中
を伝搬するから、設定は導管に沿う間隔の問題だけであ
り、意味のある測定をなすのに液体または壁屈折角度の
計算する要がない。この場合、軽重量のプラスチック壁
から流体中へのエネルギの放射を最小にするため、12.5
kHz の周波数が選択される。
高」レベルS1 およびS2 が観察されるべき場合に起こ
る。ここで、WS=S2-S1 は1フート位よりも小さ
い。この場合、好ましいセンサアセンブリは両高さを跨
ぎ、数個のトランスジューサが、S1 に一つ、他方がS
2 にというように二つの経路に沿って測定するように配
置される。
は、図示されるトランスジューサ配置が厚い鋼板壁を有
する大型の流体タンク上に取り付けられる場合、トラン
スジューサ12、14間の信号伝搬時間は、流体レベル
がフレームアセンブリの水平中央線の数インチ内に上昇
するまで実質的に一定に留まることを見出した。その
後、伝搬時間は、タンクがさらに充填されるときに上昇
し始め、そして増分Wt は、一度フレームの頂部に達す
ると、約16〜20マイクロ秒の最大値に増加する。増
加は、トランスジューサ間の水平中央線のすぐ近傍にお
いては、すなわち中央線の上下1または2インチ内にお
いては直線的である。この伝搬時間増分は、流体密度に
依存し、かつそれにおおむね比例しており、16マイク
ロ秒の数値は、約0.3g/cm3の密度を有する燃料密度で得
られ、大きな数字は密度の大きい水のような流体に対応
する。壁のトランスジューサ側も流体と接触するように
フレーム16ないのためを充填することによって、増分
WTtは、タンクの内側の液体に比較される較正用液体の
密度に一部依存しておおむね倍加される。両液体がレベ
ルSにあるとき実際の液体により発生されるのと同じW
t を生ずる較正液体を選択することができる。
は外側への流体の負荷に関するWtの対称性または加算
率が、充填高さの正確な測定を可能にする標準的な伝搬
時間の測定値を決定するのに使用される。これは下記の
ように達成される。
出、排出する流体充填および排出管18a、18bに接
続された1対の電気作動弁を有する充填弁アセンブリが
取り付けられている。上述のように板の波は、壁のステ
ィフネスおよび密度に依存する速度で壁内を伝搬する。
しかしながら、温度変化や、タンク壁上のスケール、塗
料または他の付加物、構造的応力およびその他の付随的
なファクタまたは事象に起因して、伝搬時間に変動が予
測される。かくして、公称伝搬時間の数%より多くない
Δtを忠実に検出するためには、ある種の標準化測定が
望ましい。このような測定は、本発明のこの側面に従う
と、ためを基準液体(例えば燃料オイル、アルコールま
たは水)で充填し、伝搬時間を測定し、ためを排出し、
ついで伝搬時間測定を繰り返すことによって得られる。
好ましい基準液体は、非毒性で、残留物を生ぜず、耐火
性のものであり、実際の液体の流動学的特性に類似の特
性を有するものである。さらに、ためは、好ましくは、
壁から外に約1インチ以上延び出ているのがよい。これ
らの条件下では、壁の外側上における流体の接触は、壁
の内側上において上昇する流体と同じ量の遅延を生じさ
せることが予測されようから、ための充填状態と空状態
でなされた、たわみ波の伝搬時間についての2つの連続
する測定間の差、Δtrefは、スレッショルドの時間変化
を与えるから、タンクレベルがセンサアセンブリを越え
て上昇するとき警報をトリガするのにこれを使用でき
る。本件発明者は、基準流体がタンク内の物質と同じで
あると、Δtrefは、タンクがその充填高さSに達するこ
とを指示する時間スレッショルドを精密に与えることを
見出した。基準流体が異なるときに(例えば燃料オイル
の代わりに水)、得られるΔtrefは、経験的に決定され
る比例ファクタkrefにより係数倍されて、Δtfluidに対
するフルスケールスレッショルド値を与える。
プによりために一時的または永久的に連結される小さい
(例えば1リットル)容器に入れたアルコールのような
較正用溶液を用意し、ため内のレベルがSに達するまで
容器を手動的に高めることによって、手動的に行える。
この場合ためは、好ましくは排出口を有するのがよい。
確認と確認の間隔の間、充填および排出口は、較正用流
体容器が除去されたならばキャップや網で覆う。
ートの充填高さに取り付けられた図1〜3のたわみ波セ
ンサセル上まで、そしてそれより若干上まで充填された
ときの伝搬時間の変化Δtを例示している。タンクは滑
らかなシュー型封止体を備えるが、これは、高さ数フィ
ートの鋼薄板の封止リングまたはバンドが浮動のふた上
に取り付つけられ、重みを付されたパントグラフハンガ
によりタンク壁の内側に外方に押圧された構造である。
図4に示されるように、最初、たわみ波の伝搬時間は、
この金属バンドが感知ユニット16を通過したとき数マ
イクロ秒だけ減じた。その後、燃料オイルが内壁に接触
しつつセンサのレベルを越えて上昇したとき、伝搬時間
は、20センチメートル経路1aを越えて最高17マイ
クロ秒の遅延まで高さとともに直線的に漸増的に増加し
た。最高の遅延は、隣接する流体のレベルがセンサおよ
びためフレームを完全に覆うように上昇した時点に起き
た。
屋根、例えば弾撥性のフォーム封止ブロックを使用する
ものは、封止部分がたわみ波感知セルに隣接して上昇す
るとき減衰の増加のような異なるΔtの異常を示すこと
が予期される。しかしながら、容易な場合には、一度流
体レベルがトランスジューサに対向する壁面に接触する
と、伝搬時間の特徴的増加は容易に検出される。
般に、数百〜数千ガロン/分のポンプ速度で固定パイプ
を介して充填され、したがって、各タンクを危険を伴う
あふれを生ずることなく充填することが望ましいことが
認められよう。もしも充填センサが故障すると、あふれ
の危険が大きい。したがって、たわみ波感知アセンブリ
は、流体が高さSに達したことを確認することができる
(例えば10マイクロ秒を越える伝搬時間の増加により
立証される)だけでなく、約1インチの精度で、すなわ
ち60フィートの直径のタンクに対して約1000ガロンの
燃料量に対応する増分で、正確な高さを指示できること
が非常に望ましかろう。
の別個の充填高さレベル検出器、すなわちタンクが完全
には充填されていないタンクに関する伝搬時間と、数分
後の満杯タンクに関する伝搬時間の間のΔtの測定を遂
行できる応用について特に言及した。
は、二つのトランスジューサ間における水平測定路の近
傍における流体高さの極めて直線的な関数である。かく
して、図2の基本的なたわみ波測定セルは、一つの高さ
における別個のセンサのみでなく、高レベルS1 および
高−高レベルS2 の両レベルにおいて、ならびに両レベ
ル間において連続的に流体を検出するユニットを提供す
るように変更できる。
リの略示である。図5は、伝送形式Tまたは受信形式R
のいずれかの4つのトランスジューサA,B,C,Dを
示している。各対ABまたはCDは、図2に図示される
形式の単一のアセンブリに属し、そしてこれが高さS1
またはS2 に配置されている。しかしながら、電気導線
および作動順序は、2つの異なるアセンブリのトランス
ジューサ間に1または複数の垂直路を提供するように制
御できる。これらの経路に沿う信号は、1フィートまた
はそれ以上の範囲の充填レベルに関して連続的に変わ
る。図6は、関連する配置を示しているが、この配置に
あっては、4つのトランスジューサが、S1 ないしS2
の全距離を跨ぐ単一のため/ハウジングに取り付けられ
ている。この図はまた、垂直路でなく、対角線の伝搬経
路を例示している。
おけるたわみ波伝搬が10メートルまたはそれ以上の経路
長にわたり明確な信号を生ずるから、同じ装置をあふれ
スレッショルドの局部的交叉のみでなく、タンク内の任
意の高さの充填レベルを検出するのに使用できることを
見出した。この場合、Δtは、好ましくは、充填高さ経
路にわたる実際の伝搬時間を測定し、これを空タンクに
おける予め編成された伝搬時間表と比較することによっ
て決定されるのがよい。この場合、流体で充填されるタ
ンク部分が大きければ大きいほど、増分Δtは長くなろ
う。
ル感知装置用の異なる可能なトランスジューサ配置を備
えるタンク100を例示するものである。送信トランス
ジューサAおよび受信トランスジューサBは、タンクの
底部および頂部の近傍に配置してよく(またはその
逆)、それにより長い感知路を提供する。代わりに、1
対のトランスジューサAB 、B0 を、タンクのらせん階
段105と平行するらせん的にずらされた位置に配置し
て、一般性を損なうことなくタンク長を跨ぐようにして
もよい。階段の上または下への配置は、階段の安全な使
用が阻害されないように、接近および規約上の条件に依
存する。他の実施例では、2つのトランスジューサA
1 、B1 を同じレベルにおく。この場合、ピッチ/キャ
ッチ信号路が使用されるが、たわみ波は、タンクの頂部
に向かって伝搬し、受信トランスジューサに向かって戻
る。外部のふた付きのためは、全経路にわたって延在さ
せてよい。適当な送信/ 受信特性を有するトランスジ
ューサの場合、装置はまた、タンクの底部(または頂
部)に配置された単一のトランスジューサを採用しても
よく、そしてこのトランスジューサで、信号を発射し、
その反射波を受け取る。
ある。図示のように、壁は、鋼板P1 、P2 ---- Pn
より形成され、逐次の各一つは直下にあるものより薄
く、そして板は互いに突合せ溶接されて、段階的に先細
の積層体を形成しており、外側の壁はまっすぐな滑らか
な垂直壁を形成している。各突合せ溶接Wは、たわみ波
の小反射を導入するが、溶接間の距離は十分の精度で既
知であるから、この反射は、距離または速度較正をもた
らすように処理できる。
(右曲線)であるとき、タンク壁内を伝送されるたわみ
波の長経路の伝搬時間を示す。速度は各板において一定
であり、板の段階的厚さに起因して部分的に直線的な関
数を形成する。図10は、満杯の伝送時間と空の伝送時
間との間の差関数Δtを例示するものである。図示のよ
うに、差の影響は、板が頂部近傍で薄くなるにつれより
顕著となる。
定をなすのに使用される信号バーストは、単位秒当り5
回または10回反復してよく、それにより多数の測定値を
得、これを、統計的に信頼できる測定結果を決定するた
めに平均化またはその他の方法で処理する。本発明者
は、各単バーストはある距離で聞き取ることができ、ク
リケットのチュッチュ音のような非常に顕著なタップ音
である。本発明に従う一つの好ましい測定装置にあって
は、この顕著なチュッチュ音はコード化条件警報として
使用され、タンク(より普通にはタンクファームと称さ
れる貯蔵タンク群)の近くを歩く人は、その測定トラン
スジューサが異常パルス繰返し速度で動作しているとい
う事実により、特定のタンクにおける警報条件の存在を
「聞く」ことができる。
度、例えば2,5,10,15または20バースト/秒または
その他の時間間隔の任意のもので送信機を駆動するトラ
ンスジューサ作動回路を提供することによって遂行され
る。プロセッサ出力は、受信された信号を、空近く、一
部満杯、高、または高−高のような数種の別個の条件を
指示するものとして識別し得る。充填レベルがより高い
条件に達するときパルス速度をより高い速度にジャンプ
させるように、条件コードが、パルス速度セレクタに供
給できる。この配置の場合、充填パイプゲート弁にいる
人は、充填レベルが部分から高に、さらに高−高にシフ
トするとき、チュッチュ音のシフト、例えば単位秒当た
り5から10、ついで15チュッチュ音/秒へのシフトを聞
くことができる。さらに、一つのタンクにおける高速度
のチュッチュ音は、より低い速度でポーリングしている
多数のタンクにより囲まれてさえ容易に聞くことができ
る。かくして、感知装置は、1または複数のタンク上で
付勢されるとき、迅速で、非侵入性で、かつ容易に監視
される警報装置として働く。また、トランスジューサの
チュッチュ音の高方向性のため、監視または検査員は、
どのタンクが異常条件音を放射しているかを簡単に聞く
ことができる。それゆえ、これは、中央警報表示ボード
の普通のハード−ワイヤード接続に対する二重のチェッ
ク機能を提供する。
慮事項の中には、センサの一体性の問題がある。本発明
者は、板の波は、被誘導圧縮波をソレノイド駆動ロッド
中に供給することにより忠実に発射できることを見出し
た。板に平行なソレノイドまたはその他の作動部分を有
しかつ一端にて板と接触するように湾曲する彎曲案内ロ
ッドを使用することによって、トランスジューサ構造体
は、浅いハウジング内にうまく入れることができ、ある
いは偶然的な衝撃から保護できる。図11はこの種の配
置50を示しているが、この配置にあっては、ロッド5
2はコイル54によって付勢され、滑らかなL字状で湾
曲しており、その先端55にて垂直の入射角にて導管ま
たは容器(機体、船体)壁と接触している。この形態
は、壁から遠く突出せず、さらに、外部表面上の氷の感
知に関係して以下に論述されるように、このトランスジ
ューサ構造は、翼やエアフォイル内のような小空間にう
まく入れることができる。この割合で行くと、シートと
接触する端部は、1インチ以下の曲率半径で湾曲してよ
く、主ロッド本体は、表面からその位遠くへしか延び出
ていない。
サが、ラベルAおよびBを付して示されている。セット
Aは、直径16分の1インチの真直ぐなRemendurロッドで
あり、シート表面に垂直に0.175 インチ離して取りつけ
られている。セットBは、シートに平行に延びる同じに
離間したロッドであり、垂直入射角度のろう付け接触点
に対する端部のところで1/2 インチ半径で湾曲してい
る。約25mm幅×0.3 mm厚×30cm長の薄いステンレススチ
ールストリップにたわみ波を誘導するためにこの配置を
使用して、本発明者は、彎曲導入ロッドで明確な信号が
得られることを見出した。励起は、100kHz信号の5サイ
クルトーンのバーストで、10回/秒遂行し、300 マイク
ロ秒の伝搬時間で明確な信号を検出した。真直ぐなもの
(A)と彎曲導入端部を有する背が低いもの(B)両方
の1対の送信ロッドの両方を作動したとき信号の明確度
はより良好であった。
導管の内側の流体を感知するのに適合した本発明の関連
する実施例60を示す。実施例60は、導管の回りに閉
鎖スリーブを形成するように一緒に締めつけられる二つ
のハウジング半体体64a,64bを含む。各ハウジン
グ半体の各端部は、剛性のカラーまたはクランプリング
半体65a,65bを有しており、ハウジング半体の一
方64bは、その両端にトランスジューサマウント61
a,61bを有している。図1〜3の貯蔵タンクにおけ
ると同様に、スリーブ部の中央すなわちため部に、充填
および排出口および弁を備えることができる。
トの詳細を例示しているが、このマウントにあっては、
トランスジューサロッドがカラー65中にねじ込まれて
おり、その先端が導管80の壁に当接し、ロックナット
28により適所にロックされるようになされている。こ
の形態は、長い導管に対して有用であると認められ、導
管との点接触はたわみ波を効率的に励起し得る。小導管
の場合(例えば数インチ直径以下)励起トランスジュー
サはパイプと接触しないが、剛性のカラーリング65
a、65bを全体として動かし、パイプ内に鞭状のたわ
み波を誘起する。この場合、中間スリーブは薄い材料で
形成される。すなわち、中間スリーブは、物理的に、あ
るいは少なくとも音響的に分離された部材を残して、別
個の軽重量の外被で置き換えてよい。図14は、関連す
る充填および排出管、ならびに信号処理回路を有する図
12の装置を例示している。この装置は、2チャンネル
のインタバロメータ/流量計110を示しており、1チ
ャンネルは、流体密度計算のためにプログラムされてお
り、たわみ波セル60に取り付けられている。メータの
第2チャンネルは、従来のクランプオン式検出装置に取
り付けられている。装置は、この態様で使用されると
き、流量および密度を同時に測定し、質量流量の測定値
を与える。
イルのため測定が困難になる大型の精製導管において有
利に使用できる。この場合、導管の回りの閉鎖スリーブ
は、主として、試験長のパイプの腐食や、汚染、不注意
な塗料付着を防ぐ働きをする。このような事態は、その
エネルギ伝搬特性を変える。一方、これはまた、所与の
導管に対して検出された信号の計算を標準化するための
基準流体被覆を提供する働きをする
流れの影響をモデル化した線図である。これは波が流れ
方向に伝搬するとき伝搬速度の増大をもたらす。伝搬速
度は、たわみ波が流れ方向に反対に伝搬するときは、低
減される。図16は、流量計として構成された本発明の
たわみ波検出装置を示す。上述の3つのクランプオント
ランスジューサカラーは、均一なたわみ特性を有するパ
イプに取り付けられ、中央のものが送信機であり、他の
二つが上流受信機および下流受信機であり、後者の二つ
は、送信機から1フィートの等距離にある。
PVC パイプ上に12.5kHz トーンのバーストを使用する
と、上流および下流の伝送時間の差は、流速の、明確で
容易に検出される本質的に直線関数であることがわかっ
た。図17は、非流れ状態における両受信機に対する検
出された信号伝搬時間(トレースX)、および流れが開
始されたときの、上流および下流トランスジューサ(ト
レースYおよびトレースZ)間の対応する時間シフトを
示すものである。装置は、両方向において、同時または
別々(逐次的)に測定することにより、Cflex に対する
影響を相殺する。これは、低密度(エラストマまたはプ
ラスチック)管に対してより重要であり、鋼管に対して
は余り重要でない。
対するたわみ波伝搬時間の差が公称たわみ波伝搬時間の
約10%以上であると、流体流からの寄与も相当であるこ
とを観察した。上述のPVC パイプは約20%のΔtno flow
を有し、そして位相速度は、流体が3メートル/秒まで
の普通の流速で流れているとき、追加の±数%だけ変化
した。しかして、その極性は流れの方向に依存する。一
般に、たわみ波速度の約10%より大きいΔtno flowに対
しては、上流および下流伝搬時間の差は、相当な時間間
隔を与えることが予測される。これは流れ速度の忠実な
測定値である。これらの条件は、導管内の液体密度が導
管の密度に匹敵すると通用する。逆に、もしもパイプ密
度が包含される液体の密度より相当大きいと、Δtflow
≪1%であり、流れ速度はたわみ波から容易には決定で
きない。これは、1インチ鋼パイプ、ならびに本願発明
者が流量とたわみ波伝搬時間との相関について測定した
種々の寸法の多数の他の金属導管に対して同様であるこ
とがわかった。
密度または低重量導管を感知するのに特に適当であり、
双方向たわみ波伝搬時間測定を行うトランスジューサ配
置と、正味の流れの影響を抹消して、導管内における流
体密度を指示し得るΔt を生成するプロセッサとを備え
る。たわみ波伝送の遅延の影響は、同様な寸法の導管間
においても変わることがあり、導管の表面荒さに若干依
存しることがあることを認められたい。例えば水を運ぶ
導管の表面を意図的に粗くすると、より大きなΔt が観
察される。かくして、所与の装置において、導管の内面
を研磨または粗面化することによって感度を制御または
向上できる。微視的な表面組織(例えばタイヤトレッド
または「のこぎり波状)パターン化)もΔt を増すため
に使用できる。本発明はさらに、固い低密度の材料より
形成される高感度のたわみ波流量セルを企画する。
ものにおいては、温度に依存する補正をなすことがで
き、温度は例えば、Rayleigh波超音波温度測定法により
感知できる。この場合、たわみ波感知装置に対して使用
されるためのふたは、Rayleigh感知路も保護できる。
ちパイプ密度が流体密度よりずっと大きくない)、伝搬
時間Δt は流体密度に非常に依存するから、流れ速度の
補正後、Δtfluidは、製品の密度の高感度な測定値を与
える。
図示されるフローセンサを有する。ここでは、直径Dの
パイプ内にスプールピース態様で装着された精密質量流
量計の湿潤マウントに、流れの方向においてほぼD/4 以
下の間隔で、二つのセンサ/トランスジューサT1 、T
2 が取り付けられている。しかして、1例として、直径
Dは約4〜約12または16インチの間で変えてよい。トラ
ンスジューサは、相互に音響的に隔絶されるが、これ
は、トランスジューサ周波数で非常に吸収性のシリコー
ンゴムの絶縁リング内に取り付けることにより遂行で
き、そして各トランスジューサは、流体内において信号
を送受するようにうまく動作するクランプされた構造体
より成る。トランスジューサT1 およびT2 は、各々、
対向するパイプ壁で跳ね返る上流下流のV経路に沿って
信号を交互に送受するように作動される。パイプの反射
率が乏しい場合には、仮想線で示されるように、流路の
一部を横切る平均流速を表わす反射信号を提供するよう
に、1または複数の反射器アセンブリR1 、R2 を使用
してよい。各反射器は、一組の支持腕A上に調節可能に
取り付けられた固い反射板P(例えば耐腐食および耐付
着性のテフロン被覆チタン板)を含む。
材料は、被測定流体のそれとほぼ同密度であり、低い1
2.5kHz の励起周波数が、流体系への波漏洩機構により
実質的な損失を伴わずたわみ波のエネルギを有効に保存
することを認められたい。一方、流体は、PVC パイプと
ともにたわむ。他の材料および構造体は、誘導たわみ波
信号効率を維持し、他方において流量のたわみ伝搬への
意味のある結合作用を検出するために異なる周波数を必
要とする。
び感知装置の他の実施例170を例示するものである。
分割カラーまたはその他のたわみ波トランスジューサ1
72が、約6ミリメートルの壁厚を有する1インチ表定
160 のステンレススチールパイプ175に取り付けられ
て示されている。パイプ175は、圧力境界178と関
連するΔPセンサの基準枝として例示されている。この
特定の応用は、測定装置に多数の挑戦ないし課題を与え
る。何故ならば、関係のある状態----沸騰を開始させ、
あふれや蒸気に誘発される制御の問題をもたらすような
急激な圧力降下----は、多くの装置状態やパラメータに
依存するであろうからである。しかしながら、本願発明
者は、非粘性流体で充填されたときの導管内で伝搬する
たわみ波の位相遅延は、約1%の小空隙割合の場合パイプ
と接触する流体の密度の実質的に直線関数であることを
見出した。図19の測定装置は、検出のためにこの観察
を利用するが、ΔP それ自体ではなく、相の遷移、すな
わち沸騰の開始を利用する。この事象は、流体密度に対
応する降下をもたらすような流体中における微小気泡の
急激な形成によって特徴づけられる。
ンチ表定160 のステンレススチールパイプにおいてトラ
ンスジューサをxインチ離間した場合、流体カラムに含
まれる気泡の体積%当り140 xの伝搬時間の減少が大気
圧下で起きた。かくして、トランスジューサ172間に
数フィートの間隔がある場合、相変化点における圧力降
下が流体体積の1または2%以下の量で気泡の形成を開
始するとき、数マイクロ秒の伝搬時間の変化が起こる。
このセンサ装置は、警報状態の忠実な指示を与えること
が予測されるが、この場合、実際の状態測定が、既存の
システム基準またはモデル基準の状態感知警報に取って
代わる。さらに、上述の電磁的、圧電気または磁歪ロッ
ドトランスジューサへの導線は圧力境界178を通るよ
うに容易に構成できるから、すべての回路は境界の外側
に設けてよい。
または選択的に充填されたためを、スケールの成長から
守るように、あるいは一導管壁の種々の流体負荷条件化
において標準化測定がなされることを可能にするためセ
ンサ間に設けることができる。
トの遠隔側と接触する流体の性質を感知することを含む
ことが理解されよう。ここで「遠隔」とは、流体および
トランスジューサが、それぞれ、シートの互いに反対側
に配置されることを意味する。測定は、この意味におい
て、完全に非侵入性である。一般的には好ましくはない
が、トランスジューサを流体と同じ側に配置することも
可能である。しかしながら、カバーまたはために対して
は、この部材は、非流体当接面上のたわみ波依存性を制
御するため、流体と反対のシート面上に配置されること
が必須である。
に従う装置は、移動体ないし車両の風防ガラスのような
シートの曇りを、Rayleighまたは表面波を風防ガラスに
対して発射および受信することによって検出できる。風
防ガラスの外側上における連続的水膜の形成、または内
側の曇りは、伝搬時間に比較的少ないが顕著な特徴のあ
る遅延を導入し、また波の減衰を生じさせる。この原理
はまた、本発明に従い露点センサを作るのに応用でき
る。
的液体を包含するが、本発明はまた、付着固体の静的蓄
積、特に翼表面や外被のようなシート上の氷の感知に応
用を有する。氷は、技術的に流体の流動学的性質と固さ
のような固体の特性を有するが、若干異なるたわみ波応
答を与える。これは、氷が、外被を固くすることなく質
量や密度を増す半解けまたは液体として、あるいは反対
の方向において波伝搬に影響を及ぼす固さを増すことが
ある固体として異なる状態を与える能力を有することに
起因する。滑走路において、航空機は流体の除氷、氷結
を受ける。
210上に使用するように構成された本発明に従う氷結
検出器200を例示している。図20は航空機を断面で
示しており、翼210は、総括的に外部シート部分21
2と、支柱およびトラスのような内部構造部材211に
より構成されそしてこの内部構造部材は、小さい内部空
間を、燃料タンクや制御線や機械的、燃料およびパワー
の付属品系を普通収納する多数の区画室、通路およびコ
ンジットに分割する。航空機産業において周知のよう
に、大面積の露出金属シート212は、特に航空機が滑
走路上に停止しているとき氷を累積し、そして累積の程
度は、翼の空気力学的浮揚特性を変え、制御運動に影響
を及ぼし、究極的に航空機に多量の重量を加えることが
あり得る。本発明に従うと、たわみ波セルM、Nが翼外
被212の下側に取り付けられていてたわみ波を発射、
検出し、そしてこれが以下のように処理される。
セルM、Nは、各々、たわみ波感知路を形成する送信ト
ランスジューサおよび受信トランスジューサ215a,
215bおよび216a,216bを備えており、送信
および受信トランスジューサを覆う充填可能な流体セル
C,C、およびセルを充填および排出するように接続さ
れた1または複数の弁付き口Pを有している。入口は、
高圧燃料管に接続してよく、それにより装置を作動する
ために燃料管および制御弁以上の追加の部品は必要とさ
れず、他方出口は翼の開口を経て直接排出する。
係のある主領域を越えて信号路画定するように設定され
るのがよく、1または複数のセルが、数フィートまたは
メート長のたわみ波路を形成している。固体の氷付着物
の存在は、氷の厚さとともに変わる波伝搬時間の変化を
導入する。貯蔵タンクにおける充填高さの長経路の測定
と同様に、遅延は、同様に覆われる感知路の相対的割合
の関数である。かくして、離間されたトランスジューサ
間のたわみ波の遅延は、感知路にわたる総氷蓄積量の被
積分関数である。外被に次々接触する作動ロッドまたは
トランスジューサ部材対を使用することによって(図4
に示すように)、感知路部分は高度に方向性となり得、
それにより翼の精確に限定された領域における氷結の程
度が決定される。
いてのみ氷を検出でき、あるいは翼表面の孔を介しての
取付けを必要とする従来形式の氷センサに優る顕著な利
点をもたらすことが分かろう。
クの測定について記述した立場と相違する。何故なら
ば、セルC内の充填流体Fの存在は、一般に、翼の遠隔
(外)表面上における固体氷片の存在が導入するものと
異なる位相遅延を導入するからである。しかしながら、
遅延作用の大きさ(充填および非充填だめC間における
ような)は、氷の厚さが反対表面上において増大するに
つれ低減することが予測されるから、氷が存在しないと
きの測定されたΔtfluid cell対Δt の比は、氷厚さに
ついての追加の情報を与える。例えば、上述のように、
薄い固い氷の存在は、伝搬時間が実際に低減する程度に
翼を固くする可能性がある。その場合、Δtfluidは、反
対符号の伝搬時間の変化を導入して、薄い固い氷層の存
在を迅速に確認する働きをするであろう。
下側へトランスジューサを適用する本発明の任意の実施
例の場合、液体だめは、シート表面に押圧される固体負
荷により置き替えることができる。例えば、シリコーン
ゴムブロックをシートの下側に一時的に押圧して、たわ
み波測定路を音響的に負荷し、標準化用読取り値を取る
こともできる。
振幅変化を独立の圧縮波信号と比較して、氷結の程度を
決定する装置が先に提案されてきた。本発明のたわみ波
位相センサへのこの種の測定値の追加は、氷の累積、特
にみぞれや半解け雪のような混合された、または固まっ
ていない層について、追加の情報を提供することが予測
される。しかしながら、この追加の情報を提供する本発
明の標準化負荷測定値のみでさえ、簡単なマイクロプロ
セッサで、測定され、標準化された条件の多数の比較を
なし、氷の存在および形式を決定し、加えて測定路の領
域にわたる概略の厚さや集積された質量を決定できる。
の数種の予備的実験において、本願発明者は、数ミリメ
ートルまでの厚さに対して実質的に直線的伝送時間の変
化を観察した。それゆえ、本発明によると、初氷結速度
の非常に精確な測定値が得られ、氷負荷が限界レベル前
に修正動作が取られることを可能にする。
よび移動体、導管、タンクまたは容器の一部を形成する
殻体または板の遠隔側と接触する関係のある媒体または
物質の異なる特性および実際の条件を検出し、指示する
ための代表的実施例についての説明を完結する。以上の
説明から、本発明に従う測定は、斯界において既知の他
の装置と組み合わせて種々の応用において利用可能な情
報の範囲を広げることができ、そして斯界の技術に精通
したものであれば他の変更や変形を思いつくことができ
ることが明らかであろう。このような変化、変更は、本
発明の技術思想内において種々なし得るを理解された
い。
図である。
ラフである。
る。
る。
である。
である。
図である。
示す線図である。
発明の他の実施例およびその用法を示す線図である。
発明の他の実施例およびその用法を示す線図である。
発明の他の実施例およびその用法を示す線図である。
図である。
図である。
図である。
図である。
線図である。
る。
る。
Claims (21)
- 【請求項1】 シート内の所定の領域を横切って延びる
感知路を画定する手段と、 シートの第1の側面上に取り付けられ、感知路に沿って
伝搬する弾性波エネルギ信号を発生、感知するためのト
ランスジューサ手段と、 前記信号を処理して、シートの第2の側面と接触する物
質の特性に依存する信号伝搬の変化を決定するように信
号を処理するための手段と、 シートの前記領域の基準状態を設定し、前記特性を確認
するため該基準状態に関する信号伝搬を決定する基準手
段とを備えることを特徴とする、シートと接触する物質
の特性を測定するための音響測定装置。 - 【請求項2】 前記感知路画定手段と前記基準手段が、
シートの第1側面の前記領域を囲む表面取付けため構造
体内に含まれており、前記基準状態を設定するため前記
ため構造体を一時的に充填するための手段を備える請求
項1記載の音響測定装置。 - 【請求項3】 前記シートがタンクまたは導管壁であ
り、物質が該タンクまたは導管内に包含される液体であ
る請求項2記載の音響測定装置。 - 【請求項4】 弾性波エネルギがたわみ(低次非対称)
波エネルギである請求項3記載の音響測定装置。 - 【請求項5】 前記トランスジューサ手段が、シートの
前記第1側面に垂直な入射角で圧縮波を加えて、シート
中を伝搬するたわみ波を誘導するように取り付けられて
いる請求項4記載の音響測定装置。 - 【請求項6】 前記シートが金属シートであり、前記弾
性波エネルギが、シート内における波エネルギの位相速
度がシートと接触する物質内における音響エネルギの位
相速度より低速であるように選択された周波数で発生さ
れる請求項2記載の音響測定装置。 - 【請求項7】 シートが導管壁であり、信号が導管直径
に比して大きい波長を有する音響信号である請求項2記
載の音響測定装置。 - 【請求項8】 シートが貯蔵タンクの壁であり、前記感
知路がタンクの充填間を横切って延びている請求項2記
載の音響測定装置。 - 【請求項9】 前記感知路が、実質的にタンクの前流体
貯蔵高さに沿って延びている請求項8記載の音響測定装
置。 - 【請求項10】 前記シートが器の外被であり、前記処
理手段が前記感知路に沿ってシートの前記第2側面上に
付着する氷の特性を決定する請求項2記載の音響測定装
置。 - 【請求項11】 前記波エネルギが、前記シートの高次
モードのカットオフ以下の周波数のたわみ波エネルギで
ある請求項6記載の音響測定装置。 - 【請求項12】 固体壁と接触する媒体の特製を決定す
るための音響感知装置であって、前記媒体と接触する側
面から遠隔の壁の一側面に固定され、たわみ(低次非対
称)波を壁内に発車するための伝送トランスジューサ
と、 前記一側面に固定され、かつ前記伝送トランスジューサ
から離間されていて、たわみ波を検出し、それを指示す
る信号を発生するための受信トランスジューサと、 たわみ波伝搬測定値を決定するための間隔プロセッサ
と、 前記伝搬時間測定値に応答して、媒体の特性を決定する
ための手段とを備えることを特徴とする音響感知装置。 - 【請求項13】 決定される特性が、充填高さ、密度、
厚さ、被積分質量または相転換の一つである請求項12
記載の音響感知装置。 - 【請求項14】 基準伝搬時間測定値を決定するため基
準物質を前記一側面と接触するように配置するための手
段を備える請求項12記載の音響感知装置。 - 【請求項15】 該基準物質を配置するための手段が、
流体基準物質を前記一側面と接触するように配置するた
めのためである請求項14記載の音響感知装置。 - 【請求項16】 前記基準物質が前記一側面と接触して
配置された固体物質ブロックである請求項14記載の音
響感知装置。 - 【請求項17】 第1の側面と第2の側面を有するシー
トの第2側面と接触する物質の特性を検出する方法であ
って、 シートの第1側面に、性質が検出されるべきシート領域
の信号路に沿って離間されるように第1および第2のト
ランスジューサを取り付け、 シートを前記領域において基準物質と接触させることに
よって、シートの前記第1側面上に基準条件を設定し、 トランスジューサ間の信号伝搬を、基準条件が設定され
たときの伝搬と比較して、前記第2側面上の物質の性質
を検出する諸段階を含むことを特徴とする物質の性質を
検出するための方法。 - 【請求項18】 前記トランスジューサが、作動される
とき可聴音響を発生し、感知される状態とともに変わる
前記可聴音響のパターンを作り、その可聴指示を与える
請求項1記載の音響測定装置。 - 【請求項19】 前記感知状態が警報状態である請求項
18記載の音響測定装置。 - 【請求項20】 前記特性が密度であり、シートと接触
する物質の流量を測定するための流量測定手段を含む請
求項1記載の音響測定装置。 - 【請求項21】 シートと接触する物質の性質を測定す
るための音響測定装置であって、 シートの所定の領域を横切って延びる感知路を画定する
手段と、 シートの第1の側面上に取り付けられ、前記感知路に沿
って伝搬する弾性波エネルギ信号を発生し、感知するた
めの1対のトランスジューサと、 前記信号を処理して、シートの第2の側面と接触する物
質の特性を決定する処理手段と、 シートの前記第1側面を前記感知路の領域にわたって被
覆するための手段とを備え、 前記信号路に沿って伝搬される信号が、前記第2側面上
の物質との接触で変化する基準を生成するように処理さ
れることを特徴とする音響測定装置。
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