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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-15
(45)【発行日】2024-02-26
(54)【発明の名称】流れる流体における超音波測定のための超音波測定装置
(51)【国際特許分類】
G01F 1/667 20220101AFI20240216BHJP
G01F 1/66 20220101ALI20240216BHJP
H04R 17/00 20060101ALI20240216BHJP
【ＦＩ】
G01F1/667 A
G01F1/66 B
H04R17/00 330G
H04R17/00 332
【請求項の数】
15
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2019200128
(22)【出願日】2019-11-01
(65)【公開番号】P2020085896
(43)【公開日】2020-06-04
【審査請求日】2022-10-04
(31)【優先権主張番号】18206814.8
(32)【優先日】2018-11-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(73)【特許権者】
【識別番号】511081820
【氏名又は名称】レヴィトロニクス ゲーエムベーハー
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】マチェイ ボベール
(72)【発明者】
【氏名】エドガー ホフマン
【審査官】大森 努
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－１８６０６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１５４８９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－１４６６４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０６－２０１４２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭５６－０５３８８９（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開２０１２－０２７０１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表平０６－５０１５４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０４４５４７６７（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００８／０２３６２９７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００７／０２３４７９１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３０７４２４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１８／１３２８７０（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｆ １／６６－１／６６７
Ｇ０１Ｐ ５／２０－５／２４
Ｈ０４Ｒ １７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
流れ方向（Ａ）を画定する中心軸線（Ｍ）を有する連続測定チャネル（３）を有する、閉鎖可能なハウジング（４）を有する、パイプにおいて流れる流体を測定するための超音波測定装置であって、前記ハウジング（４）は、前記ハウジング（４）の閉鎖された状態において、前記測定チャネル（３）が前記パイプ（１００）を受容することができ、且つそれを前記ハウジング（４）に対して固定することができて、前記流体が前記測定チャネル（３）を通って前記流れ方向（Ａ）に流れることができるように、前記パイプ（１００）に対する解放可能な取り付けのために設計され、
少なくとも４つの超音波トランスデューサ（１１、１２、２１、２２、３１、３２）、すなわち、少なくとも２つの第１の超音波トランスデューサ（１１、１２）及び２つの第２の超音波トランスデューサ（２１、２２）が、それぞれの超音波信号の発信及び受信のために前記ハウジング（４）に更に設けられ、前記第１の超音波トランスデューサ（１１、１２）は、第１の対のトランスデューサを形成し、前記２つの第１の超音波トランスデューサ（１１、１２）が互いに超音波信号を交換することができる第１の測定部分（８１）を画定し、前記２つの第２の超音波トランスデューサ（２１、２２）は、第２の対のトランスデューサを形成し、前記２つの第２の超音波トランスデューサ（２１、２２）が互いに超音波信号を交換することができる第２の測定部分（８２）を画定し、
前記超音波トランスデューサ（１１、１２、２１、２２）は、前記第１の測定部分（８１）と前記第２の測定部分（８２）との両方がそれぞれ前記流れ方向（Ａ）に斜めに延伸するように更に配置及び整列され、
前記超音波トランスデューサ（１１、１２、２１、２２、３１、３２）は、前記測定チャネル（３）の前記中心軸線（Ｍ）及び前記第１の測定部分（８１）によって画定される第１の測定面（Ｍ１）が、前記測定チャネル（３）の前記中心軸線（Ｍ）及び前記第２の測定部分（８２）によって画定される第２の測定面（Ｍ２）とは異なるように配置及び整列されていることを特徴とする、超音波測定装置。
【請求項2】
少なくとも６つの超音波トランスデューサ（１１、１２、２１、２２、３１、３２）、すなわち、前記２つの第１の超音波トランスデューサ（１１、１２）、前記２つの第２の超音波トランスデューサ（２１、２２）、及び２つの第３の超音波トランスデューサ（３１、３２）が設けられ、前記第３の超音波トランスデューサ（３１、３２）は、第３の対のトランスデューサを形成し、前記２つの第３の超音波トランスデューサ（３１、３２）が互いに超音波信号を交換することができる第３の測定部分（８３）を画定し、前記第３の超音波トランスデューサ（３１、３２）は、前記測定チャネル（３）の前記中心軸線（Ｍ）及び前記第３の測定部分（８３）によって画定される第３の測定面（Ｍ３）が、前記第１の測定面（Ｍ１）とは異なり、或いは前記第２の測定面（Ｍ２）とは異なるように配置及び整列されている、請求項１に記載の超音波測定装置。
【請求項3】
前記第３の測定面（Ｍ３）は、前記第１の測定面（Ｍ１）とは異なり、且つ前記第２の測定面（Ｍ２）とは異なる、請求項２に記載の超音波測定装置。
【請求項4】
前記測定チャネル（３）は、前記ハウジング（４）の閉鎖された状態においてその中心軸線（Ｍ）に垂直にｎ角形断面を有し、ｎ個のチャネル表面（３５）によって境界付けられ、ｎは４以上の整数である、請求項１～３の何れか一項に記載の超音波測定装置。
【請求項5】
前記測定チャネル（３）は、前記ハウジング（４）の閉鎖された状態においてその中心軸線（Ｍ）に垂直にｎ角形断面を有し、ｎ個のチャネル表面（３５）によって境界付けられ、ｎは６に等しく、或いは８に等しい、請求項１～４の何れか一項に記載の超音波測定装置。
【請求項6】
前記超音波トランスデューサ（１１、１２、２１、２２、３１、３２）は、それらが少なくとも２つの異なる非平行チャネル表面（３５）に超音波信号を印加することができるように配置及び整列されている、請求項４又は５に記載の超音波測定装置。
【請求項7】
前記超音波トランスデューサ（１１、１２、２１、２２、３１、３２）は、各対のトランスデューサがそれぞれ、異なるチャネル表面（３５）に超音波信号を印加することができるように配置及び整列されている、請求項４～６の何れか一項に記載の超音波測定装置。
【請求項8】
前記超音波トランスデューサ（１１、１２、２１、２２、３１、３２）は、各トランスデューサ（１１、１２、２１、２２、３１、３２）がそれぞれ、異なるチャネル表面（３５）に超音波信号を印加することができるように配置及び整列されている、請求項４～７の何れか一項に記載の超音波測定装置。
【請求項9】
超音波トランスデューサ（１１、１２、２１、２２、３１、３２）の数は、チャネル表面（３５）の数に等しい、請求項４～８の何れか一項に記載の超音波測定装置。
【請求項10】
前記２つの第３の超音波トランスデューサ（３１、３２）は、前記第３の測定部分（８３）が前記測定チャネル（３）の前記中心軸線（Ｍ）に垂直に延伸するように配置及び整列されている、請求項２又は３に記載の超音波測定装置。
【請求項11】
前記超音波トランスデューサ（１１、１２、２１、２２、３１、３２）のうちの少なくとも２つはそれぞれ、湾曲された発信及び受信表面を備える、請求項１～１０の何れか一項に記載の超音波測定装置。
【請求項12】
前記超音波測定装置は、前記パイプ（１００）、前記ハウジング（４）の第１のハウジング部分（４１）、及び前記ハウジング（４）の第２のハウジング部分（４２）で、締め付け接続のための締め付け装置として設計され、前記第１のハウジング部分（４１）及び前記第２のハウジング部分（４２）は、接合部によって関節式に互いに接続され、前記ハウジングの閉鎖された状態において前記測定チャネル（３）を共に境界付けている、請求項１～１０の何れか一項に記載の超音波測定装置。
【請求項13】
各対のトランスデューサの２つの超音波トランスデューサの一方は、前記第１のハウジング部（４１）に配置され、他方は、前記第２のハウジング部（４２）に配置されている、請求項１２に記載の超音波測定装置。
【請求項14】
前記接合部（４３）は、第１の接合部分（４３１）及び第２の接合部分（４３２）を備え、前記第１の接合部分（４３１）は、前記第１のハウジング部分（４１）にトルク耐性があるように接続され、前記第２の接合部分（４３２）は、前記第２のハウジング部分（４２）にトルク耐性があるように接続され、前記第１の接合部分（４３１）及び前記第２の接合部分（４３２）は、少なくとも１つの信号線（１１ａ、２１ａ、３１ａ）が前記第１のハウジング部分（４１）から前記接合部分（４３１、４３２）の内部を通って前記第２のハウジング部分（４２）に案内されることができるように設計及び配置されている、請求項１２又は１３に記載の超音波測定装置。
【請求項15】
前記測定チャネル（３）は、前記ハウジング（４）の閉鎖された状態において、入口領域（３６）、中央領域（３７）、及び出口領域（３８）を有し、これらは、前記流れ方向（Ａ）において見られる場合に互いに前後に配置され、前記入口領域（３６）及び前記出口領域（３８）はそれぞれ、前記中心軸線（Ｍ）に垂直に円形断面を有し、前記中央領域（３７）は、前記中心軸線（Ｍ）に垂直にｎ角形断面を有し、ｎは４以上の整数であり、前記中央領域（３７）の前記ｎ角形断面は、前記入口領域（３６）と前記出口領域（３８）との両方の円形断面に連続的に融合する、請求項１～１４の何れか一項に記載の超音波測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、独立請求項の前文に記載のパイプにおいて流れる流体を測定するための超音波測定装置に関する。
【背景技術】
【0002】
パイプにおいて流れる流体を測定するための超音波測定装置は、例えば、可撓性プラスチックホース等のパイプを通る流体の流れを決定するために使用される。測定装置が可撓性パイプに締め付けられることができ、又はパイプが測定装置によって締め付けられることができるように、測定装置を締め付け装置として設計することは既知の方策である。そして、流体が流れるパイプに超音波信号が印加される。パイプ及び流体を通過した後、超音波信号は超音波トランスデューサによって受信され、受信された信号が評価される。
【0003】
流れる流体のこの非侵襲的な測定方法は、例えば、流体が汚染されないように、流体と測定装置との間の接触が回避されるべきである、特にこのような高純度又は非常に敏感な流体のために使用される。製薬及びバイオテクノロジ産業はこの例である。ここでは、流体の純度及び／又は完全性において非常に高い要求を課す、溶液及び懸濁液が多くの場合に製造及び運搬される。多くの場合において、このような流体は更に無菌状態で処理される必要がある。このような流れる流体における非侵襲的測定を適用するための更なる例は、医療又は食品産業において見つけられることができる。半導体産業においては、流れる流体における非侵襲的測定がまた使用される。ここでは、測定される物質が多くの場合に化学的に非常に攻撃的であるという更なる側面があり、例えば、物質は、硫酸、塩酸、硝酸、アンモニア水のような酸又はアルカリである。
【0004】
高純度物質の非侵襲的測定に特に適するこのような超音波測定装置は、商品名ＬＥＶＩＦＬＯＷで出願人によって提供及び配布されている、締め付け装置として設計される流量計である。この超音波測定装置は、関節接合部によって互いに接続される２つのハウジング部分を有する。開放された状態において、測定がなされる可撓性又は変形可能なパイプがハウジングに挿入される。そして、２つのハウジング部分は、パイプが締め付け接続によってハウジングに固定されるように、共に折り畳まれて共に締め付けられる。ハウジングには２つの超音波トランスデューサが設けられ、それらの各々が超音波信号を発信及び受信することができる。それによって、第１の超音波トランスデューサが締め付けられたパイプの一方の側に配置され、第２の超音波トランスデューサがパイプの他方の側に配置される。
【0005】
２つの超音波トランスデューサは、流体の流れ方向に対してオフセットして配置され、第１の超音波トランスデューサが第２の超音波トランスデューサによって発信される信号を受信することでき、第２の超音波トランスデューサが第１の超音波トランスデューサによって発信される信号を受信できるように整列される。互いに対するオフセットに起因して、２つの超音波トランスデューサは、それらがそれぞれ流体の流れ方向に斜めにそれらの超音波信号を発信するように整列され、一方の超音波トランスデューサは、流れ方向と同じ方向に斜めに信号を発信し、一方、他方の超音波トランスデューサは、流れ方向に逆らって斜めに信号を発信する。ここで、測定信号は、第１の超音波トランスデューサによって発信され、それは、第２の超音波トランスデューサによって受信され、そして、測定信号は、第２の超音波トランスデューサによって発信され、それは、第１の超音波トランスデューサによって受信される。
【0006】
流れ方向に斜めに発信される測定信号は流れにおいて加速され、流れ方向に逆らって斜めに発信される測定信号は流れによって減速される。２つの測定信号の通過時間差は、可撓性パイプを通る流量がこの通過時間差から検出されることができるように、流体の流速に比例する。
【0007】
Ｘ字型に配置された４つの超音波トランスデューサを有する、流体の非侵襲的流量測定のための超音波測定装置がまた既知である。測定原理は同じである。４つの超音波トランスデューサは、２つの対を形成し、各対は互いに超音波信号を交換することができる。超音波トランスデューサは、超音波信号が流れ方向に斜めに発信されるように配置され、各対は、流れ方向において及び流れ方向に逆らって測定することができる。そして順に、流量が、通過時間差から決定されることができる。
【0008】
これらのタイプの超音波測定装置は実際に実証されているが、更に高い要件、例えば、測定の精度又は測定の再現性に対して、まだ改善の余地がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
従って、この従来技術から出発して、本発明の目的は、パイプにおいて流れる流体を測定するための超音波測定装置を提案することであり、それは、流体における音の伝播に依存するパラメータの非常に正確な検出を可能にする。特に、超音波測定装置はまた、流体の流量を検出するために適する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
この目的を満たす本発明の主題は、独立特許請求項の機構によって特徴付けられる。
【0011】
本発明によれば、流れ方向を画定する中心軸線を有する連続測定チャネルを有する閉鎖可能なハウジングを有する、パイプにおいて流れる流体を測定するための超音波測定装置が提案され、ハウジングは、ハウジングの閉鎖された状態において、測定チャネルがパイプを受容することができ、且つそれをハウジングに対して固定することができて、流体が測定チャネルを通って流れ方向に流れることができるように、パイプに対する解放可能な取り付けのために設計され、少なくとも４つの超音波トランスデューサ、すなわち、少なくとも２つの第１の超音波トランスデューサ及び２つの第２の超音波トランスデューサが、それぞれの超音波信号の発信及び受信のためにハウジングに更に設けられ、第１の超音波トランスデューサは、第１の対のトランスデューサを形成し、２つの第１の超音波トランスデューサが互いに超音波信号を交換することができる第１の測定部分を画定し、２つの第２の超音波トランスデューサは、第２の対のトランスデューサを形成し、２つの第２の超音波トランスデューサが互いに超音波信号を交換することができる第２の測定部分を画定し、超音波トランスデューサは、第１の測定部分と第２の測定部分との両方がそれぞれ流れ方向に斜めに延伸するように更に配置及び整列され、超音波トランスデューサは、測定チャネルの中心軸線及び第１の測定部分によって画定される第１の測定面が、測定チャネルの中心軸線及び第２の測定部分によって画定される第２の測定面とは異なるように配置及び整列される。
【0012】
この結果、本発明による超音波測定装置は、少なくとも４つの超音波トランスデューサを備え、２つの超音波トランスデューサはそれぞれ、流れ方向に斜めに超音波信号を交換することができる一対のトランスデューサを形成する。これは、一対のトランスデューサを形成する２つの超音波トランスデューサがそれぞれ、一対のトランスデューサのうちの一方の超音波トランスデューサが同じ対のトランスデューサのうちの他方の超音波トランスデューサによって発信される信号を受信することができ、逆に、他方の超音波トランスデューサが、一方の超音波トランスデューサによって発信される信号を受信することができるように配置及び整列されることを意味する。そうすることで、既に上記で議論されたように、流れ方向に斜めに発信された測定信号が受信されることができ、流れ方向に逆らって斜めに発信された測定信号が受信されることができる。そして、流体の流速は、これらの２つの測定信号の通過時間差から検出されることができる。
【0013】
本発明によれば、超音波トランスデューサが２つの異なる測定面に配置されるという事実に起因して、測定チャネルは、全てのトランスデューサが１つの測定面にのみ配置される、従来技術から既知である装置よりはるかにより良好に又ははるかに均一に超音波で印加されることができる。測定チャネルは、本発明による超音波測定装置で少なくとも非常に良好な近似において超音波で完全に印加されることができ、大幅により正確でまたより良好な再現性の測定をもたらす。このようにして、例えば、局所的な渦の蓄積によって引き起こされる場合のある、例えば、測定チャネルにおける不均一な流れ状態の妨害的な影響は、完全に除去されない場合であっても、少なくとも大幅に低減される。この結果、測定体積全体への超音波信号の少なくともほぼ完全な印加が、大幅により正確で信頼性のある測定につながる。この目的のために、超音波トランスデューサが少なくとも２つの異なる測定面に配置されることが重要な側面である。
【0014】
測定面は、測定チャネルの中心軸線及び測定部分の方向ベクトルによって画定される平面を参照する。所与の超音波トランスデューサのために、関連する測定部分の方向ベクトルは、通常、超音波トランスデューサの発信及び受信領域の中心における表面法線である。この方向ベクトルは、超音波トランスデューサよって発信される超音波信号の主伝播方向を指す、超音波トランスデューサの音ベクトルと同じ方向に延伸する。そして、共に一対のトランスデューサを形成する、２つの超音波トランスデューサが測定チャネルの異なる側に配置される場合、すなわち、測定チャネルの中心軸線がこれらの２つの超音波トランスデューサの間に配置される場合、中心軸線と共に関連する測定面を画定する、関連する測定部分は、２つの超音波トランスデューサの発信及び受信表面の中心の間の接続線である。
【0015】
４つの超音波トランスデューサが設けられるものを含む、従来技術から既知である配置は、単一の測定面のみを使用し、それは、多くの場合に、測定チャネルにおいて、超音波で非常に弱く印加される領域のみ、又は超音波で全く印加されない領域があるので、測定チャネルの体積がそれぞれの測定中に超音波で完全に印加されないことを意味する。従って、超音波センサが少なくとも２つの異なる測定面において測定する本発明による配置は、測定チャネルへの超音波の大幅により良好でより均一な印加を可能にし、この結果、はるかにより正確で安定した信頼性のある測定を可能にする。
【0016】
好ましい実施形態によれば、少なくとも６つの超音波トランスデューサ、すなわち、２つの第１の超音波トランスデューサ、２つの第２の超音波トランスデューサ、及び２つの第３の超音波トランスデューサが設けられ、第３の超音波トランスデューサは、第３の対のトランスデューサを形成し、２つの第３の超音波トランスデューサが互いに超音波信号を交換することができる第３の測定部分を画定し、第３の超音波トランスデューサは、測定チャネルの中心軸線及び第３の測定部分によって画定される第３の測定面が、第１の測定面とは異なり、或いは第２の測定面とは異なるように配置及び整列される。
【0017】
三対のトランスデューサを形成する少なくとも６つの超音波トランスデューサを使用することによって、測定の精度及び信頼性を更に向上させることができる。
【0018】
この実施形態では、第３の測定面が、第１の測定面とは異なり、且つ第２の測定面とは異なる場合が特に好ましい。これは、互いに異なる３つの異なる測定面が測定され、それは、測定チャネルへの超音波の特に良好で均一な印加を可能にすることを意味する。
【0019】
好ましい実施形態によれば、測定チャネルは、ハウジングの閉鎖された状態においてその中心軸線に垂直にｎ角形断面を有し、ｎ個のチャネル表面によって境界付けられ、ｎは４以上の整数である。
【0020】
測定チャネルのｎ角形断面に起因して、測定チャネルは、平坦な、つまり、湾曲していない表面、すなわち、ｎ個のチャネル表面によって専ら境界付けられる。これは、ハウジングを閉鎖した後、測定チャネルに挿入されたパイプがチャネル表面と可能な限り完全に接触することを意味する。これは、パイプと測定チャネルのチャネル表面との間の空気で満たされる空の空間が最小化されることができ、又は完全に回避されることさえできるという利点を有する。空気は非常に貧弱な超音波導体であるので、このような空気体積を回避することによって測定精度を向上させることができる。加えて、平坦な、すなわち、湾曲していないチャネル表面は、超音波が本質的に平担な表面にのみ遭遇し、湾曲された表面又は境界面には遭遇しないので、測定チャネルへのそれぞれの超音波信号のより単純な又はより良好な供給を可能にする。更に、レンズ効果がまた回避され、超音波信号若しくは超音波ビームの信号を通過させる境界面における散乱又は集束は、少なくとも大幅に低減され、又は完全に回避さえされる。
【0021】
ｎが４に等しい場合には、すなわち、測定チャネルがその中心軸線に垂直に正方形断面を有する場合には、測定チャネルは、ハウジングが開放される場合にパイプがＶ字形断面に挿入されることができるように好ましくは設計される。これは、測定チャネルが、ハウジングが開放される場合に、それが最大の可能な開口部をパイプが挿入されるために提供するように設計されることを意味する。ハウジングが開放される場合にパイプが測定チャネルのＵ字形断面に挿入される必要がある正方形設計とは対照的に、Ｖ字形設計は挿入をはるかに容易にする。パイプが測定チャネルのＵ字形断面に挿入される必要がある場合には、これは、通常、パイプの好ましくない非対称な変形を生じさせ、不均一な流れ状態をもたらす場合がある。ハウジングの開放された状態におけるＶ字形設計では、パイプが垂直に整列されたチャネル表面に沿って摺動する必要があることがまた回避されることができる。
【0022】
測定チャネルがｎ角形断面（ｎは４より大きい）で設計される場合には、隣接するチャネル表面の間の開放角度は、正方形の測定チャネルのＶ字形設計と同じ利点がここで生じるようにそれぞれ９０°より大きい。
【0023】
特に好ましい実施形態によれば、測定チャネルは、ハウジングの閉鎖された状態においてその中心軸線に垂直にｎ角形断面を有し、ｎ個のチャネル表面によって境界付けられ、ｎは６に等しく、或いは８に等しい。測定チャネルの六角形又は八角形設計によって、測定における妨害壁波の悪影響を少なくとも大幅に低減させることができる。このような壁波は、測定チャネルを通過することなく発信する超音波トランスデューサから受信する超音波トランスデューサに、ハウジングの壁又は測定チャネルを境界付ける壁を通過する音響信号である。このような壁波は干渉信号を表し、測定の精度及び信頼性に悪影響を及ぼす。測定チャネルの六角形又は八角形の形状で、この干渉を少なくとも大幅に低減させることができる。
【0024】
超音波トランスデューサは、それらが少なくとも２つの異なる非平行チャネル表面に超音波信号を印加することができるように好ましくは配置及び整列される。これは、測定チャネルへの超音波の可能な限りの完全な印加のために特に有利である。この配置においては、各測定面はチャネル表面の１つに垂直である。
【0025】
測定体積への超音波の可能な限りの完全な印加に関して、超音波トランスデューサが、各対のトランスデューサがそれぞれ、異なるチャネル表面に超音波信号を印加することができるように配置及び整列される場合に有利である。そして、例えば、６つの超音波トランスデューサでの設計の場合には、合計３つの異なるチャネル表面が超音波で印加される。好ましくは、これらの３つのチャネル表面の何れも、これらの３つのチャネル表面の他の何れとも平行ではない。
【0026】
超音波トランスデューサが、各トランスデューサがそれぞれ、異なるチャネル表面に超音波信号を印加することができるように配置及び整列されることが更なる有利な方策である。そして、超音波で印加されるチャネル表面の数は、超音波トランスデューサの数に等しい。１つの可能な配置は、一対のトランスデューサを形成する２つの超音波トランスデューサがそれぞれ、平行なチャネル表面に超音波信号を印加することである。
【0027】
好ましい実施形態によれば、超音波トランスデューサの数は、チャネル表面の数に等しい。しかし、これは必要な場合ではない。
【0028】
２つの第３の超音波トランスデューサが、第３の測定部分が測定チャネルの中心軸線に垂直に延伸するように配置及び整列されることが更に好ましい方策である。この結果、第３の測定部分は、流れ方向に垂直に進行する測定信号を発信及び受信するために使用されることができる。これは、この測定信号の通過時間が少なくとも非常に良好な近似においてパイプにおける流体の流速に依存しないという利点を有する。この結果、この測定信号は、流体における音速又は音響減衰に依存する、流体のパラメータを検出するために使用されることができる。そうすることで、測定装置の柔軟性及び可能な用途が大幅に増加する。加えて、通過時間における変化及び／又は流れの方向に垂直に進行する測定信号の減衰における変化が、流体における変化、例えば、流体の成分の濃度における変化を検出するために使用されることができる。
【0029】
このような実施形態は、少なくとも２つの超音波トランスデューサがそれぞれ湾曲された発信及び受信表面を装備することがまた可能である。この目的のために、超音波トランスデューサはリングセグメントとして設計され、さもなければ湾曲されることができる。
【0030】
超音波測定装置は、パイプ、第１のハウジング部分、及び第２のハウジング部分で、締め付け接続のための締め付け装置として特に好ましくは設計され、第１のハウジング部分及び第２のハウジング部分は、接合部によって関節式に互いに接続され、ハウジングの閉鎖された状態において測定チャネルを共に境界付ける。そして、開放された状態においては、パイプは測定チャネルに挿入されることができる。そして、２つのハウジング部分は、この閉鎖された状態において超音波測定装置がパイプに締め付けられるように、単に共に折り畳まれて共にロックされ、それによって、パイプはハウジングに対して固定される。
【0031】
好ましい実施形態によれば、各対のトランスデューサの２つの超音波トランスデューサの一方はそれぞれ、第１のハウジング部に配置され、２つの超音波トランスデューサの他方は、第２のハウジング部に配置される。この実施形態においては、各対のトランスデューサの２つの超音波トランスデューサの一方はそれぞれ、測定チャネルの一方の側に横方向に配置され、２つの超音波トランスデューサの他方は測定チャネルの他方の側に横方向に配置されて、測定チャネルの中心軸線は、一対のトランスデューサのこれらの２つの超音波トランスデューサの間に延伸する。
【0032】
特にこの実施形態においては、接合部が、第１の接合部分及び第２の接合部分を備え、第１の接合部分が、第１のハウジング部分にトルク耐性があるように接続され、第２の接合部分が、第２のハウジング部分にトルク耐性があるように接続され、第１の接合部分及び第２の接合部分が、少なくとも１つの信号線が第１のハウジング部分から接合部分の内部を通って第２のハウジング部分に案内されることができるように設計及び配置されることが好ましい。
【0033】
別の実施形態によれば、全ての超音波トランスデューサは第１のハウジング部分に配置され、又全ての超音波トランスデューサは第２のハウジング部分に配置される。そして、一対のトランスデューサを形成する２つの超音波トランスデューサはそれぞれ、反射を介して超音波信号を交換する。例えば、第１の超音波トランスデューサの一方は、チャネル表面の１つに流れ方向に斜めに第１の測定部分に沿って測定信号を発信する。測定信号は、測定チャネルを流れ方向に斜めに、例えば、流れ方向において斜めに通過し、反対側のチャネル表面において反射され、そして、２つの第１の超音波トランスデューサの他方に到達する。そして、これはまた、流れ方向に逆らって斜めに進み、反対側のチャネル表面において反射され、そして、２つの第１の超音波トランスデューサの最初に言及されたものによって受信される、測定信号を発信することができる。
【0034】
この点において、超音波信号が反射されるこれらのチャネル表面に追加の反射器を設けることがまた可能である。
【0035】
勿論、少なくとも一対のトランスデューサが反射を介して互いに超音波信号を交換し、別の対のトランスデューサが互いに直接、すなわち、それらの間で反射することなく超音波信号を交換する、これらの２つの実施形態の混合形態がまた可能である。
【0036】
別の好ましい方策は、ハウジングの閉鎖された状態において、測定チャネルが、入口領域、中央領域、及び出口領域を有し、これらは、流れ方向において見られる場合に互いに前後に配置され、入口領域及び出口領域はそれぞれ、中心軸線に垂直に円形断面を有し、中央領域は、中心軸線に垂直にｎ角形断面を有し、ｎは４以上の整数であり、中央領域のｎ角形断面は、入口領域と出口領域との両方の円形断面に連続的に融合することである。
【0037】
入口領域と出口領域との両方の円形断面から測定がなされる中央領域のｎ角形断面への円周方向の滑らかな移行に起因して、測定チャネルに挿入されるパイプの断面における急激な変化が回避される。これは、測定チャネルにおける測定体積の特に均一な流れをもたらす。全ての部分的な流れベクトルは、超音波トランスデューサを通過する順序付けられた経路において案内される。滑らかな断面の変化に起因して、測定チャネルにおける望ましくない乱流又はその他の好ましくない流れ状態が回避される。
【0038】
例えば、パイプを通って流れる流体の超音波測定のために、例えば、
－ パイプを超音波測定装置の測定チャネルに挿入するステップ
－ パイプが測定チャネルにおいて受容され、ハウジングに対して固定されるように、超音波測定装置のハウジングをパイプに取り付けるステップ
－ 少なくとも４つの超音波トランスデューサによって測定信号を発信及び受信するステップ
－ 受信される測定信号を評価ユニットに送信するステップ
－ 受信される測定信号によって、流体における音の伝播に依存する少なくとも１つのパラメータを検出するステップ
のような手順がある。
－ パイプを超音波測定装置の測定チャネルに挿入するステップ
－ パイプが測定チャネルにおいて受容され、ハウジングに対して固定されるように、超音波測定装置のハウジングをパイプに取り付けるステップ
－ 少なくとも４つの超音波トランスデューサによって測定信号を発信及び受信するステップ
－ 受信される測定信号を評価ユニットに送信するステップ
－ 受信される測定信号によって、流体における音の伝播に依存する少なくとも１つのパラメータを検出するステップ
のような手順がある。
【0039】
好ましくは、パラメータは、測定信号の通過時間若しくは２つの測定信号の通過時間差によって、又は測定信号の減衰によって検出される。測定信号の減衰と通過時間との両方が考慮されることができるという事実に起因して、用途範囲が拡張される。加えて、そのパラメータ又はあるパラメータを検出するために、測定信号の周波数又は周波数シフトを使用することがまた可能である。測定信号の周波数シフトは、例えば、ドップラー効果によって引き起こされることができる。
【0040】
例えば、パイプを通る流体の流量、流体の成分の体積又は質量分率、流体中に含有される成分の濃度、流体中での固形分、流体の光学密度、流体中での細胞密度、流体の粘度、流体の物理的密度、流体中でのガス濃度、流体の組成における変化の１つ以上のパラメータが検出される。
【0041】
ここで具体的な例として、体積パーセントでの流体中のアルコール濃度、例えば、メタノール濃度、体積パーセントでの流体中の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）濃度、生物流体中での１リットル当たりのグラム数での酵素又はタンパク質濃度、例えば、水中でのウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）又は別のグロブリンの濃度、懸濁液（スラリー）、例えば、水中のシリカ（ＳｉＯ２）の懸濁液中での固形分、又は通常、光学密度、例えば、６００ｎｍの波長の大腸菌細胞懸濁液中での光学密度ＯＤ６００によって決定される、バイオリアクタ中での細胞密度が言及されてもよい。
【0042】
本発明の更なる有利な測定及び実施形態は、従属請求項から生じる。
【0043】
以下において、本発明が、実施形態を参照して及び図面を参照して、装置及びプロセス技術に関してより詳細に説明される。図面は以下を示す。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1】本発明による超音波測定装置のハウジングの設計の実施形態である。
【図2】本発明による超音波測定装置の第１の実施形態の概略斜視図である。
【図3】測定面を明確にするための第１の実施形態の更なる図である。
【図4】概略図での測定チャネルの設計のための一変形である。
【図5】概略図での測定チャネルの設計のための一変形である。
【図6】概略図でのパイプの設計のための一変形である。
【図9】第３の対のトランスデューサの設計のための一変形である。
【図10】第１及び第２の対のトランスデューサの設計のための一変形である。
【図12】第４の実施形態の一変形である。
【図13】測定チャネルの入口領域及び出口領域の好ましい設計である。
【図14】測定チャネルにおける超音波トランスデューサの好ましい配置である。
【図15】超音波トランスデューサ間の異なる測定経路の図である。
【図16】測定信号を生成するための一パルスシーケンスの図である。
【図17】測定信号を生成するための一パルスシーケンスの図である。
【図18】測定信号を生成するための一パルスシーケンスの図である。
【図19】測定信号を生成するための一パルスシーケンスの図である。
【図20】測定信号を生成するための一パルスシーケンスの図である。
【図21】測定信号を生成するための一パルスシーケンスの図である。
【図22】接合部の回転軸線を通る断面における２つのハウジング部品の関節接続の実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【0045】
図１は、本発明による超音波測定装置のハウジングの設計の実施形態を斜視図で示す。この例示的な設計は、以下で説明する全ての実施形態及びそれらの変形のために使用されることができる。超音波測定装置は、全体として参照符号１で指定され、超音波測定装置１のハウジングは、参照符号４で指定される。
【0046】
超音波測定装置１は、好ましくは、パイプ１００との締め付け接続のための締め付け装置として設計され、すなわち、超音波測定装置１のハウジング４は、パイプ１００がハウジング４に対して固定されるようにパイプ１００に締め付けられることができる。図１に示されるハウジング４の基本設計は、それ自体、例えば、ＬＥＶＩＦＬＯＷという商品名で出願人によって提供及び販売される超音波流量計から既知である。
【0047】
以下において、パイプ１００は、可撓性のパイプ１００、すなわち、その壁１０１が変形可能であるパイプ１００である、実際に特に重要である場合が参照される。可撓性のパイプ１００は、例えば、シリコーンゴム又はＰＶＣで作られたプラスチックホースである。勿論、パイプ１００はまた、他の材料で作られることができ、特に別のプラスチック又はゴムで作られることができる。パイプ１００はまた、より硬い材料で作られることができるが、パイプ１００は、変形可能である必要がある。特に、Ａ１０～Ｄ９３のショア硬度を有するようなパイプ１００が適する。
【0048】
ハウジング４は、閉鎖可能なハウジング４として設計され、関節接合部４３によって互いに接続される、第１のハウジング部分４１及び第２のハウジング部分４２を備える。図１は、開放された状態のハウジング４を示す。ハウジング４は、ハウジング４全体を通って延伸し、パイプ１００を受容するために役立つ連続的に中央に配置された測定チャネル３を更に有する。測定チャネル３は、流体がパイプ１００又はハウジング４を通って流れる流れ方向Ａを画定する中心軸線Ｍを有する。
【0049】
測定チャネル３は、通常、流れ方向Ａにおいて視た場合に互いに前後に配置されている、入口領域３６、中央領域３７、及び出口領域３８を有する。
【0050】
ハウジング４は、ハウジング４を閉鎖し、この結果、測定チャネル３においてパイプ１００を締め付けるために閉鎖機構４４を更に有する。ここで、閉鎖機構４４は、第１のハウジング部分４１に配置され、ブラケット４６、及びブラケット４６を引っ張るための折り畳みストラップ４５を備える。パイプ１００は、測定チャネル３に挿入にされ、そして、２つのハウジング部分４１、４２は共に折り畳まれ、すなわち、第１のハウジング部分４１はパイプ１００上に折り畳まれる。ブラケット４６は、第２のハウジング部分４２における突起４７と係合され、２つのハウジング部分４１、４２は、ストラップ４５を作動させることによって共に引っ張られる。そして、ハウジング４は、パイプ１００が測定チャネル３において締め付けられ、この結果、ハウジング４に対して固定される、その閉鎖された状態にある。測定チャネル３の断面及びパイプ１００の断面の形状に応じて、ハウジング４が閉鎖される場合に、パイプ１００は変形されることが可能であり、望ましく、これは下記で議論される。
【0051】
第１の挿入部５１が、第１のハウジング部分４１に設けられ、それは、その全長に亘って測定チャネル３の一方の半分を境界付ける。第２の挿入部５２が、第２のハウジング部分４２に設けられ、その全長に亘って測定チャネル３の他方の半分を境界付ける。ハウジング４の閉鎖された状態においては、第１の挿入部５１及び第２の挿入部５２の対向する表面は、互いの上部にあり、そして、パイプ１００が挿入される測定チャネル３を共に境界付ける。
【0052】
示されない接続ケーブルのための接続部４８がハウジング４に設けられ、それで、ハウジング４は、図１に示されない制御装置１０（図２）に接続されることができる。勿論、制御装置１０はハウジング４に組み込まれるような設計がまた可能である。測定信号の評価はハウジング４において行われ、そして、評価によって検出されるパラメータは接続部４８を介して出力される。接続部４８はまた、超音波測定装置１の電源のために役立つ。
【0053】
流体が超音波測定装置１を通って流れる流れ方向を画定する、マーキング要素４９がまたハウジング４に設けられることができる。図１に示す実施形態においては、マーキング要素４９は、ストラップ４５に配置され、流れ方向Ａを指す矢印として設計される。そして、パイプ１００は、流体が測定チャネル３を通って矢印４９の方向に流れるように測定チャネル３に挿入される。
【0054】
図２は、本発明による超音波測定装置の第１の実施形態を概略的な斜視図で示す。より良好な概観の理由のために図２には示されない超音波測定装置１のハウジング４は、特に図１において説明されるように設計されることができる。測定チャネル３又はそれを円周方向に境界付ける領域のみが図２に示される。より良好に理解するために、図３は、測定チャネル３の中心軸線Ｍに対する方向における図において、第１の実施形態の非斜視図を更に示す。
【0055】
この第１の実施形態においては、合計６つの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２、すなわち、２つの第１の超音波トランスデューサ１１、１２、２つの第２の超音波トランスデューサ２１、２２、及び２つの第３の超音波トランスデューサ３１、３２が、それぞれ超音波信号の発信及び受信のためにハウジング４に設けられる。ハウジング４の閉鎖された状態においては、全ての超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２は、第１のハウジング部分４１の第１の挿入部５１若しくは第２のハウジング部分４２の第２の挿入部５２の上に又はその中に測定チャネル３に対して横方向に配置される。
【0056】
第１の超音波トランスデューサ１１、１２は、第１の対のトランスデューサを形成し、第１の測定部分８１を画定し、それを介して、２つの第１の超音波トランスデューサ１１、１２は、互いに超音波信号を交換することができる。
【0057】
第２の超音波トランスデューサ２１、２２は、第２の対のトランスデューサを形成し、第２の測定部分８２を画定し、それを介して、２つの第２の超音波トランスデューサ２１、２２は、互いに超音波信号を交換することができる。
【0058】
第３の超音波トランスデューサ３１、３２は、第３の対のトランスデューサを形成し、第３の測定部分８３を画定し、それを介して、２つの第３の超音波トランスデューサ３１、３２は、互いに超音波信号を交換することができる。
【0059】
より良好な概観のために、図２及び図３においては、第１の測定部分８１及び第２の測定部分８２はそれぞれ破線で示され、第３の測定部分８３は点線で示され、図２においては、測定チャネル３の中心軸線Ｍは一点鎖線で示される。
【0060】
各対のトランスデューサのために、対のトランスデューサによって画定される測定部分８１、８２、又は８３は、超音波信号が、この超音波信号を発信した一方の超音波トランスデューサ、例えば１１、２１、又は３１からこの超音波信号を受信する同じ対のトランスデューサの他方の超音波トランスデューサ１２、２２、又は３２に通過するように進む部分である。通常、与えられた超音波トランスデューサ１１若しくは１２又は２１若しくは２２又は３１若しくは３２のために、関連する測定部分８１、８２、又は８３は、この超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２の発信及び受信表面の中心における表面法線である方向ベクトルによって画定される。この方向ベクトルは、超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２によって発信される超音波信号の主伝搬方向を指す、超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２の音ベクトルと同じ方向に延伸する。
【0061】
各対のトランスデューサの一方の超音波トランスデューサ１１、２１、及び３１は、それぞれ第１のハウジング部分４１に配置され、他方の超音波トランスデューサ１２、２２、又は３２は、第２のハウジング部分４２に配置される。これは、各対のトランスデューサが、測定チャネル３又は測定チャネル３の中心軸線Ｍがそれぞれ２つの第１の超音波トランスデューサ１１、１２の間、２つの第２の超音波トランスデューサ２１、２２の間、及び２つの第３の超音波トランスデューサ３１、３２の間に位置するように配置されることを意味する。
【0062】
共に一対のトランスデューサを形成する２つの超音波トランスデューサ１１、２１又は２１、２２又は３１、３２が測定チャネル３の異なる側に配置される、この配置においては、すなわち、測定チャネル３の中心軸線Ｍがこれらの２つの超音波トランスデューサの間に配置される場合には、それぞれの関連する測定部分８１、８２、８３は、各々が一対のトランスデューサを形成する、２つの超音波トランスデューサの発信及び受信表面の中心の間の接続線である。
【0063】
更に、超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２は、第１の測定部分８１、第２の測定部分８２、及び第３の測定部分８３の全てがそれぞれ流れ方向Ａに斜めに、すなわち、ゼロ度でも９０度でもない角度で延伸するように配置及び整列される。２つの第１の超音波トランスデューサ１１及び１２は、測定チャネル３の中心軸線Ｍに対して、すなわち、流れ方向Ａにおいて視た場合にオフセットして配置される。同じことが２つの第２の超音波トランスデューサ２１、２２及び２つの第３の超音波トランスデューサ３１、３２に同様に当てはまる。この結果、各測定部分８１、８２、８３において、それぞれ、１回の測定が流れ方向Ａにおいて斜めに、１回の測定が流れ方向Ａに逆らって斜めに行われることができる。
【0064】
ハウジング４の閉鎖された状態においては、測定チャネル３は、好ましくは正六角形の形態で、その中心軸線Ｍに垂直に六角形断面を有する。この結果、測定チャネル３は、ハウジング４の閉鎖された状態において合計６つのチャネル表面３５によって境界付けられる。六角形断面が好ましい実施形態であるが、例として理解されるべきであることは明らかである。以下で説明されるように、断面の他の形がまた測定チャネル３に適する。
【0065】
本発明によれば、超音波測定装置１の超音波トランスデューサは、少なくとも２つの異なる測定面Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３が超音波信号によって測定されることができるように配置され、それは、第１の実施形態を使用して以下に詳細に説明される。
【0066】
第１の実施形態においては、合計３つの測定面Ｍ１、Ｍ２、及びＭ３が設けられる。各測定面Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３はそれぞれ、測定チャネル３の中心軸線Ｍ及び測定部分８１、８２、８３の１つによって画定される。
【0067】
第１の測定面Ｍ１は、測定チャネル３の中心軸線Ｍ及び第１の測定部分８１によって画定され、すなわち、中心軸線Ｍ及び第１の測定部分８１の方向ベクトルは、第１の測定面Ｍ１に及ぶ。第２の測定面Ｍ２は、測定チャネル３の中心軸線Ｍ及び第２の測定部分８２によって画定され、すなわち、中心軸線Ｍ及び第２の測定部分８２の方向ベクトルは、第２の測定面Ｍ２に及ぶ。第３の測定面Ｍ３は、測定チャネル３の中心軸線Ｍ及び第３の測定部分８３によって画定され、すなわち、中心軸線Ｍ及び第３の測定部分８３の方向ベクトルは、第３の測定面Ｍ３に及ぶ。
【0068】
測定チャネル３の中心軸線Ｍは、この結果、測定面Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の各々に位置し、この結果、全ての測定面Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の交線を形成する。
【0069】
超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２を少なくとも２つ（ここでは３つ）の異なる測定面Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３に配置することによって、測定チャネル３における測定体積全体に対する、超音波信号の特に良好で均質且つ少なくともほぼ完全な印加が達成されることができ、測定の精度、信頼性、再現性を大幅に向上させる。
【0070】
図２及び図３から明らかに見られることができるように、第１の実施形態においては、全ての３つの測定面Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は互いに異なり、それは測定体積に対する超音波の完全な印加に関して特に有利である。しかし、２つの測定面のみが提供されることが可能な実施形態、例えば、４つの超音波トランスデューサのみを有する実施形態（例えば、図７を参照）、又は１つの測定面のために３つ以上の超音波トランスデューサが提供される実施形態がまたある。
【0071】
測定チャネル３がその中心軸線Ｍに垂直に六角形断面を有し、６つのチャネル表面３５によって境界付けられる第１の実施形態においては、６つの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２が、各超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２が異なるチャネル表面３５に超音波信号を印加することができるように配置及び整列される。図３において特に明らかに見られることができるように、６つの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２は、６つの平坦なチャネル表面３５の各々が厳密に６つの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２のうちの１つによって超音波信号で印加されることができるように円周方向に対して測定チャネル３の周りに配置される。
【0072】
特に、六角形断面はまた、それぞれのチャネル表面３５が直角ではなく鈍角で挿入部５１、５２の表面に開いているので（図１をまた参照）、パイプ１００がハウジング４の開放された状態において測定チャネル３に特に容易に挿入されることができるという利点を有する。隣接するチャネル表面３５が互いに対して当接する角度αがそれぞれまた、鈍角、すなわち、９０°より大きい。
【0073】
超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２の各々はそれぞれ、信号線１１ａ、１２ａ、２１ａ、２２ａ、３１ａ、又は３２ａを介して制御装置１０と信号接続される。それぞれの信号線１１ａ、１２ａ、２１ａ、２２ａ、３１ａ、又は３２ａを介して、制御装置１０は、超音波信号を発信するための超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２を作動させ、超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２から受信された信号を受信する。超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２によって受信された測定信号は、制御装置１０に統合されることができる評価ユニット２０に送信される。受信された測定信号は、評価ユニット２０で分析され、流体における音の伝播、音速、又は音の減衰に依存する少なくとも１つのパラメータが検出される。特に、パイプ１００における流体の流速が検出されることができる。既に言及されたように、制御装置１０が超音波測定装置１のハウジング４に評価ユニット２０と共に配置されるような実施形態がまた可能である。
【0074】
より良好な概観の理由のために、評価ユニット２０を有する制御装置１０及び信号線１１ａ、１２ａ、２１ａ、２２ａ、３１ａ、３２ａは、図３に再び示されない。
【0075】
超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２は、それ自体既知の任意の方法で、特に圧電トランスデューサとして設計されることができる。典型的には、超音波信号の周波数は、１００ｋＨｚ～２０ＭＨｚの範囲、又は３０ＭＨｚまでである。超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２は、例えば、図２及び図３に示されるように長方形又は正方形の発信又は受信表面で、又は図８に示されるように、例えば、丸い発信及び受信表面で設計されることができる。超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２は、特にセラミック要素として設計されることができる。しかし、フィルム状の発信及び受信表面を有する超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２を設計することがまた可能である。発信及び受信表面がフィルムとして設計される場合には、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）のような強力な圧電効果を有するポリマーが特に適する。
【0076】
各々が一対のトランスデューサを形成する２つの超音波トランスデューサ１１、１２又は２１、２２又は３１、３２が異なるチャネル表面３５に配置される場合、それらはそれぞれ、好ましくは、典型的には圧電結晶によって形成されるそれらの発信及び受信表面が互いに平行であるように配置及び整列される。
【0077】
既に言及されたように、３つの測定部分８１、８２、８３の全てはそれぞれ、３つの測定部分８１、８２、８３の各々における全ての超音波信号の主伝播方向が、ゼロとは異なる流れ方向Ａの成分、及びゼロとは異なる流れ方向Ａに垂直な成分を有するように流れ方向Ａに斜めに延伸する。
【0078】
例えば、パイプ１００を通る流体の流量を決定するための手順は以下の通りである。パイプ１００がハウジング４に挿入され、ハウジング４が閉鎖された後、流体は超音波測定装置１を通って流れる。
【0079】
一方の第１の超音波トランスデューサ１２は、第１の測定部分８１に沿って流れ方向Ａに斜めに、他方の第１の超音波トランスデューサ１１によって受信される超音波信号を発信する。続いて、この超音波トランスデューサ１１は、第１の測定部分に沿って逆方向に、この結果、流れ方向Ａに逆らって斜めに、第１の超音波トランスデューサ１２によって受信される超音波信号を発信する。それぞれの受信された超音波信号は、２つの第１の超音波トランスデューサ１１又は１２からそれぞれの信号線１１ａ又は１２ａを介して、測定信号として評価ユニット２０に送信される。同様に同一の信号交換が、２つの第２の超音波トランスデューサ２１、２２の間、及び２つの第３の超音波トランスデューサ３１、３２の間で行われる。それぞれの受信された超音波信号は、２つの第２及び第３の超音波トランスデューサ２１、２２、３１、３２からそれぞれの信号線２１ａ、２２ａ、３１ａ、３２ａを介して、測定信号として評価ユニット２０に送信される。
【0080】
この結果、評価ユニット２０は、合計６つの受信された測定信号を受信し、そのうちの３つは、流れる流体を流れ方向Ａにおいて斜めに通過し、そのうちの３つは、流れる流体を流れ方向Ａに逆らって斜めに通過する。
【0081】
評価ユニット２０において、流れる流体によって加速されたそれらの測定信号と、流れる流体によって減速されたそれらの測定信号との間の送信時間差が検出される。流れ方向Ａにおける測定信号と流れ方向Ａに逆らう測定信号との間のこの送信時間差は、パイプ１００における流体の流速に直接依存する。この結果、流速、この結果パイプ１００を通る流体の流量は、送信時間差から検出されることができる。
【0082】
特別な利点は、３つの独立した測定がそれぞれ、流れ方向Ａにおいて、及び流れ方向Ａに逆らって実行されることである。これが、流量の決定の精度及び信頼性を大幅に向上させる。超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２がまた、測定チャネル３の周りに配置され、３つの異なる測定面Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３において測定するので、測定チャネル３における測定体積は完全に超音波信号で印加される。これは更に、測定の信頼性及び再現性を向上させる。特に、測定チャネル３における流れの不均一性の影響が大幅に減少する。
【0083】
図４及び図５においては、測定チャネル３の設計のための２つの変形が概略図で示される。理解するために充分であるように、これらの図には超音波トランスデューサは示されない。図４及び図５の各々において、ハウジング４は、完全に開放されておらず、完全に閉鎖されていない中間状態で示される。
【0084】
図４に示される一変形においては、測定チャネル３は、円形、より正確にはハウジング４の閉鎖された状態においてその中心軸線Ｍに垂直に円形断面を有するように設計される。これは、数ｎが非常に大きく選択される場合のｎ角形断面の境界ケースとして看做されることができる。壁１０１を有するパイプ１００がまた図４に示される。第１のハウジング部分４１と第２のハウジング部分４２との間に挿入されるパイプ１００はまた、円形断面を有する。測定チャネル３の直径及びパイプ１００の外径は、パイプ１００が閉鎖されたハウジング４に締め付けられ、従って、ハウジング４に対して測定チャネル３に堅く固定されるように互いに適合されることが理解される。示されない超音波トランスデューサは、上記で説明されたような同様に同一の方法で測定チャネル３の周りに配置される。
【0085】
図５に示される一変形においては、測定チャネル３は、ハウジング４の閉鎖された状態においてその中心軸線Ｍに垂直に八角形断面を有し、すなわち、測定チャネル３は、合計８つのチャネル表面３５によって境界付けられる。この設計においては、８つのチャネル表面３５の各々において超音波トランスデューサが設けられる必要はないが可能ではある。図５による一変形においては、４つの超音波トランスデューサ、すなわち、２つの第１の超音波トランスデューサ１１、１２及び２つの第２の超音波トランスデューサ２１、２２を有する設計、並びに２つの第３の超音波トランスデューサ３１、３２が追加で設けられる、合計６つの超音波トランスデューサの設計が可能である。６つより多い超音波トランスデューサを有する設計がまた可能であることが理解される。
【0086】
測定チャネル３に対して、測定チャネル３がハウジング４の閉鎖された状態においてその中心軸線Ｍに垂直にｎ角形断面を有し、ｎチャネル表面３５によって境界付けられるような設計が好ましく、ここで、ｎは４以上の自然数である。チャネル表面３５の各々は、好ましくは平坦に設計され、すなわち、湾曲していない。
【0087】
測定チャネル３のｎ角形断面に起因して、測定チャネル３に挿入されたパイプ１００は、ハウジング４を閉鎖した後、チャネル表面３５に可能な限り完全に戴置する。そうすることで、パイプ１００とチャネル表面３５との間の空気で満たされる空の空間が最小化されることができ、又は完全に回避されることさえできる。空気は非常に貧弱な超音波導体であるので、このような空気体積を回避することによって測定精度を向上させることができる。加えて、平坦な、すなわち、湾曲していないチャネル表面３５は、超音波が本質的に平坦な表面にのみ遭遇し、湾曲された表面又は境界面には遭遇しないので、測定チャネル３への超音波信号のより単純な又はより良好な供給を可能にする。
【0088】
ｎが４より大きい場合には、六角形設計のために既に説明された利点はまた、それぞれのチャネル表面３５が直角ではなく鈍角で挿入部５１、５２の表面に開いているので、ハウジング４の開放された状態においてパイプ１００が測定チャネル３に特に容易に挿入されることができるという事実から生じる。特に、隣接するチャネル表面３５が互いに対して当接する角度α（図５）はそれぞれ９０°より大きい。
【0089】
隣接するチャネル面３５が互いに対して当接する角度αは、全てのチャネル表面３５のために同じである必要はなく、すなわち、測定チャネル３のｎ角形断面は、通常のｎ角の形状が断面として好ましい場合であっても、通常のｎ角の形態にある必要はない。
【0090】
また、測定チャネル３の断面のｎ角形設計においては、数ｎが偶数である必要はない。また、測定チャネル３が、例えば、その中心軸線Ｍに垂直に五角形又は七角形の断面を有する可能な実施形態であってもよい。
【0091】
超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２の総数は、チャネル表面３５の数ｎと同じとすることができるが、特に、超音波トランスデューサの総数がチャネル表面３５の数ｎより少ないことがまた可能である。
【0092】
また、超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１の総数は、チャネル領域３５の数ｎより大きい可能な実施形態であってもよい。例えば、チャネル表面３５において異なる対のトランスデューサに属する２つの超音波トランスデューサを提供することが可能であり、これらの２つの超音波トランスデューサは、好ましくは、これらの２つの超音波トランスデューサが異なる角度でチャネル表面３５に超音波信号を印加することができるようにチャネル表面３５に対して異なる配向で配置される。
【0093】
各々が一対のトランスデューサを形成する２つの超音波トランスデューサ１１、１２又は２１、２２又は３１、３２が、測定チャネル３の異なる側に、すなわち、測定チャネル３の中心軸線Ｍがこれらの２つの超音波トランスデューサの間に位置するように配置されるような実施形態においては、超音波トランスデューサは、各超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２がそれぞれ、異なるチャネル表面３５に超音波信号を印加することができるように配置及び整列されることが好ましい。これは、好ましくは、チャネル表面３５の何れかに１つ以下の超音波センサが設けられることを意味する。
【0094】
パイプが挿入され、及び／又はハウジング４が閉鎖される場合には、パイプ１００は、その断面が測定チャネル３の断面に対応するように変形されることが理解される。
【0095】
図６は、図４及び図５に類似する図で、測定チャネル３に挿入されるパイプ１００がｎ角形断面（ここでは六角形断面）を有する一変形を示す。従って、断面（プロファイル）が丸くないが、ｎ角形であるパイプ１００を使用することがまた可能である。それは、パイプ１００の断面の角の数が測定チャネル３の断面の角の数ｎに対応する場合に好ましい。図６に示す一変形においては、測定チャネル３は、その中心軸線Ｍに垂直に六角形断面で設計される。ｎ角形のプロファイルで設計されたパイプ１００は、パイプ１００を測定チャネル３に挿入し、ハウジング４を閉鎖するために要求される力が更に小さいという利点を有する。
【0096】
測定チャネル３の設計に応じて、超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２と測定チャネル３との間に、それぞれの超音波信号の波面が影響を受けることができる手段、例えば、音響レンズが配置されることができることが理解される。
【0097】
図７は、本発明による超音波測定装置１の第２の実施形態を、図３に類似する概略図で示す。以下の第２の実施形態の説明においては、第１の実施形態との違いのみがより詳細に見られる。その他の点においては、第１の実施形態又はその変形の説明が、第２の実施形態に同じ方法で又は類似する同じ方法で適用される。第２の実施形態においては、第１の実施形態若しくはその変形と同じ部分又は同じ機能を有する部分には同じ参照符号が付される。
【0098】
第２の実施形態においては、合計４つの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、すなわち、第１の測定面Ｍ１で測定を行う、第１の対のトランスデューサを形成する２つの第１の超音波トランスデューサ１１、１２、及び第２の測定面Ｍ２で測定を行う、第２の対のトランスデューサを形成する２つの第２の超音波トランスデューサ２１、２２が設けられる。第１の対のトランスデューサ１１、１２によって、測定チャネル３の中心軸線Ｍと共に第１の測定面Ｍ１を画定する、第１の測定方向８１が画定される。第２の対のトランスデューサ２１、２２によって、測定チャネル３の中心軸線Ｍと共に第２の測定面Ｍ２を画定する、第２の測定方向８２が画定される。
【0099】
第２の実施形態においては、測定チャネル３は、ハウジング４の閉鎖された状態において、それが正方形、好ましくはその中心軸線Ｍに垂直に正方形のような断面を有し、４つの平面チャネル表面３５によってそれぞれ境界付けられるように設計される。測定チャネル３は、第１のハウジング部分４１と第２のハウジング部分４２との両方にそれぞれＶ字形断面を有するように設計される。これは、第１のハウジング部分４１と第２のハウジング部分４２との間の境界面が、測定チャネル３の正方形断面の対角線の表面に沿って延伸することを意味する。
【0100】
この方策に起因して、ハウジング４の開放された状態における測定チャネル３へのパイプ１００の特に簡単な挿入は、それぞれのチャネル表面３５が直角ではなく鈍角で挿入部５１、５２の表面に開くと（図７に示されない）、その中心軸線Ｍに垂直な測定チャネル３の正方形断面でも保証されることができる。この結果、ハウジング４が開放された状態においては、パイプ１００は、非常に簡単にＶ字形断面に挿入されることができる。
【0101】
４つの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２は再び測定チャネル３の周りに配置される。２つの第１の超音波トランスデューサ１１、１２は、測定チャネル３の中心軸線Ｍに対して、すなわち、流れ方向Ａにおいて視た場合にオフセットして配置される。２つの第２の超音波トランスデューサ２１、２２はまた、測定チャネル３の中心軸線Ｍに対して、すなわち、流れ方向Ａにおいて視た場合にオフセットして配置される。
【0102】
４つの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２は、各超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２がそれぞれ超音波信号を４つのチャネル表面３５の異なるものに印加するように測定チャネル３の円周方向に対して配置及び整列される。２つの第１の超音波トランスデューサ１１、１２はそれぞれ、平行なチャネル表面３５において配置され、２つの第２の超音波トランスデューサ２１、２２はそれぞれ、平行なチャネル表面３５において配置される。この結果、超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２の１つはそれぞれ、４つのチャネル面３５の各々に設けられる。
【0103】
図８は、本発明による超音波測定装置１の第３の実施形態を、図２に類似する概略斜視図で示す。しかし、より良好な概観の理由のために、評価ユニット２０を有する制御装置１０及び信号線１１ａ、１２ａ、２１ａ、２２ａ、３１ａ、３２ａは、図８には示されない。
【0104】
以下の第３の実施形態の説明においては、第１及び第２の実施形態との違いのみがより詳細に見られる。その他の点においては、第１及び第２の実施形態又はそれらの変形の説明がまた、第３の実施形態に同じ方法で又は類似する同じ方法で適用される。第３の実施形態においては、第１及び第２の実施形態若しくはその変形と同じ部分又は同じ機能を有する部分には同じ参照符号が付される。
【0105】
第１の実施形態と同様に、合計６つの超音波センサ１１、１２、２１、２２、３１、３２、すなわち、第１の対のトランスデューサを形成する２つの第１の超音波センサ１１、１２、第２の対のトランスデューサを形成する２つの第２の超音波センサ２１、２２、及び第３の対のトランスデューサを形成する２つの第３の超音波センサ３１、３２が第３の実施形態に設けられる。更に、第３の実施形態においては、測定チャネル３は、それがハウジングの閉鎖された状態においてその中心軸線Ｍに垂直に六角形断面を有するように再び設計される。
【0106】
第１の実施形態とは対照的に、第３の実施形態においては、２つの第３の超音波トランスデューサ３１、３２は、それらによって画定される第３の測定部分８３が測定チャネル３の中心軸線Ｍに垂直に、この結果、流れ方向Ａに垂直に延伸するように配置及び整列される。２つの第３の超音波トランスデューサ３１、３２は、それらのそれぞれの発信及び受信表面の表面法線が測定チャネル３の中心軸線Ｍに垂直であるように整列される。
【0107】
この構成においては、第３の測定部分８３が流れ方向Ａに垂直に流体を通過するので、
第３の測定部分８３上で発信又は受信される超音波信号は、流体を通るそれらのそれぞれの送信時間及び流体によるそれらのそれぞれの減衰に対して、流体がパイプ１００を通って流れる流速とは無関係である。従って、流体における音伝搬特性は、パイプ１００における流体の流速とは無関係に、第３の測定部分８３上で発信及び受信されるこれらの超音波信号によって検出されることができる。
第３の測定部分８３上で発信又は受信される超音波信号は、流体を通るそれらのそれぞれの送信時間及び流体によるそれらのそれぞれの減衰に対して、流体がパイプ１００を通って流れる流速とは無関係である。従って、流体における音伝搬特性は、パイプ１００における流体の流速とは無関係に、第３の測定部分８３上で発信及び受信されるこれらの超音波信号によって検出されることができる。
【0108】
この結果、第３の測定部分８３によって、流体における音速又は音の減衰に依存する、流体の少なくとも１つのパラメータが検出されることができる。このようなパラメータは、例えば、流体の粘度、空気又は気泡の発生、流体における成分の濃度、例えば、メタノール濃度、又は懸濁液における固形分、又は生体流体における細胞密度である。
【0109】
特に、流体における変化、特に、成分の濃度若しくは密度の増加若しくは減少、又は空気若しくは気泡の発生のような、その組成における変化は、流れ方向Ａに垂直に流体を通過するこの第３の測定部分８３によって検出されることができる。従って、超音波測定装置１はまた、例えば、半導体産業のプロセスにおいて、製薬若しくは生物学的プロセスにおいて、若しくはそのようなプロセスの制御のために、柔軟で変形可能なパイプ１００における流れる流体のプロセス監視又は監視に特に適する。例えば、細胞密度、タンパク質濃度、塩濃度、栄養溶液濃度、糖濃度、又はメタノール濃度が、１つのプロセスにおいて監視及び制御されることができる。パラメータにおける変化が超音波測定装置１によって検出された場合には、パラメータをその設定値に戻すために、適切に設計された制御ループによって是正の方策が着手されることができる。
【0110】
そして、第３の超音波トランスデューサ３１、３２が、第３の測定部分８３が流れ方向Ａに垂直に延伸するように整列及び配置される場合に、パイプ１００を通る流れに加えて、パイプ１００における流体の流速とは無関係の流体のパラメータがまた検出されることができる。この目的のために、第３の測定部分８３上で発信又は受信される超音波信号は、それらの送信時間に対して、又はそれらの減衰に対して、又はそれらの送信時間及びそれらの減衰に対して分析されることができる。
【0111】
図９は、測定チャネル３の中心軸線Ｍに垂直であり、この結果、流体の流れ方向Ａに垂直である、第３の測定部分８３を画定する、２つの第３の超音波トランスデューサ３１、３２を有する第３の対のトランスデューサの設計のための一変形を示す。より良好な概観の理由から、第１及び第２の対のトランスデューサは表されない。この変形においては、２つの第３の超音波トランスデューサ３１、３２はそれぞれ、湾曲された発信及び受信表面を有するように設計される。２つの第３の超音波トランスデューサ３１、３２の各々は、２つの第３の超音波トランスデューサ３１、３２が互いに補完して、測定チャネル３を同心円状又は同軸状に取り囲むリングを形成するように、ハーフリング形状に設計される発信及び受信表面を有する。この設計においては、２つの第３の超音波トランスデューサ３１、３２のそれぞれの湾曲された発信及び受信表面は、好ましくは、フィルム、例えば、ＰＶＤＦフィルムで作られる。
【0112】
図１０においては、第１及び第２の対のトランスデューサの設計の変形が示され、それは、説明された全ての実施形態及び変形のために使用されることができる。この変形によれば、２つの第１の超音波トランスデューサ１１、１２、及び２つの第２の超音波トランスデューサ２１、２２はそれぞれ、湾曲された発信及び受信表面を有するように設計される。第１の超音波トランスデューサ１１、１２の各々及び第２の超音波トランスデューサ２１、２２の各々はそれぞれ、ハーフリングの形態で設計される。これらのハーフリングの各々は、それぞれのリングの軸線が測定チャネル３の中心軸線Ｍに斜めに、この結果、流体の流れ方向Ａに斜めに延伸するように配置される。これは、第１の超音波トランスデューサ１１、１２又は第２の超音波トランスデューサ２１、２２の１つを形成するハーフリングの各々が、２つの第１の超音波トランスデューサ１１、１２のハーフリング形状の発信及び受信表面が互いに平行であり、第２の超音波トランスデューサ２１、２２の２つのハーフリング形状の発信及び受信表面が互いに平行であるように、測定チャネル３の中心軸線Ｍに対して傾斜することを意味する。各対のトランスデューサの２つの超音波トランスデューサ１１、２１の一方はそれぞれ、第１のハウジング部分４１に配置され、２つの超音波トランスデューサ１２、２２の他方は、第２のハウジング部分４２に配置される。勿論、図８又は図９に示されるもののような第３の対のトランスデューサが、図１０に表される変形において設けられることができることが理解される。
【0113】
また、図１０で表される変形においては、超音波トランスデューサ１１、２１、２１、２２のハーフリング形状の発信及び受信表面は、好ましくは、フィルム、例えば、ＰＶＤＦフィルムで作られる。
【0114】
更なる変形は、図１０における超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２をセグメントとして形成するハーフリングを設計することである。例えば、それぞれのハーフリングの１つのセグメントのみが、超音波信号を発信及び受信するための発信及び受信表面としてそれぞれ設計されることができる。しかし、ハーフリングの各々において、超音波信号のそれぞれの発信及び受信のために、幾つかの別個の発信及び受信表面が設けられることがまた可能であり、それによって、各別個の発信及び受信表面は、それぞれのハーフリングにおけるセグメントとして設計される。発信及び受信表面はまた、それらによって発信される超音波信号が測定チャネル３を印加せず、測定チャネル３に隣接するハウジング４を通過するように提供及び配置されることができる。このような信号は、例えば、超音波測定装置１を評価又は較正するために適する。
【0115】
図１１は、概略図で本発明による超音波測定装置１の第４の実施形態を、図２と類似する斜視図で示す。しかし、より良好な概観の理由のために、評価ユニット２０を有する制御装置１０及び信号線１１ａ、１２ａ、２１ａ、２２ａ、３１ａ、３２ａは、図１１には示されない。
【0116】
第４の実施形態の以下の説明においては、他の実施形態との違いのみがより詳細に見られる。その他の点においては、第１の３つの実施形態又はそれらの変形の説明がまた、第４の実施形態に同じ方法で又は類似する同じ方法で適用される。第４の実施形態においては、第１の３つの実施形態と同じ部分又は同じ機能を有する部分には同じ参照符号が付される。
【0117】
第１の実施形態と同様に、第４の実施形態においては、合計６つの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２、すなわち、第１の対のトランスデューサを形成し、第１の測定部分８１を画定する２つの第１の超音波トランスデューサ１１、１２、第２の対のトランスデューサを形成し、第２の測定部分８２を画定する２つの第２の超音波トランスデューサ２１、２２、及び第３の対のトランスデューサを形成し、第３の測定部分８３を画定する２つの第３の超音波トランスデューサ３１、３２が設けられる。更に、第４の実施形態においては、測定チャネル３は、それがハウジングの閉鎖された状態においてその中心軸線Ｍに垂直に六角形断面を有するように再び設計される。３つの測定面Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は、他の実施形態と類似する同じ方法で、３つの測定部分８１、８２、８３及び測定チャネル３の中心軸線Ｍによって再び画定される。
【0118】
第１の実施形態とは対照的に、第４の実施形態においては、全ての超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２は、２つのハウジング部分４１、４２の一方（ここでは、第２のハウジング部分４２であり、図１１には詳細に示されない、下側のハウジング部分）に配置される。勿論、全ての超音波トランスデューサが第１のハウジング部分４１に配置されるような実施形態がまた可能である。
【0119】
そして、各々が一対のトランスデューサを形成する２つの超音波トランスデューサ１１、１２又は２１、２２又は３１、３２は、反射を介して互いに超音波信号を交換する。例えば、第１の超音波トランスデューサ１１又は１２の１つは、第１の測定部分８１に沿って流れ方向Ａに斜めに、チャネル表面３５の１つに超音波信号を発信する。超音波信号は、流れ方向Ａに斜めに、例えば、流れ方向Ａにおいて斜めに測定チャネル３を通過し、反対側のチャネル表面３５において反射され、そして、２つの第１の超音波トランスデューサ１２又は１１の他方に到達する。そして、これはまた、流れ方向Ａに逆らって斜めに進む超音波信号を発信することができ、反対側のチャネル表面３５において反射され、そして、２つの第１の超音波トランスデューサ１１又は１２の最初に言及されたものによって受信される。
【0120】
類似する同じ方法で、第２の対のトランスデューサの２つの第２の超音波トランスデューサ２１、２２、及び第３の対のトランスデューサの２つの第３の超音波トランスデューサ３１、３２はそれぞれ、対応する第２の測定部分８２又は第２の測定部分８３を介して超音波信号を交換する。図１１に示されるように、６つの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２は、３つの測定セクション８１、８２、８３の全てが斜めに延伸する、すなわち、特に測定チャネル３の中心軸線Ｍ、この結果、流れ方向Ａに直角に延伸しないように配置及び整列される。同じ対のトランスデューサに属する２つの超音波トランスデューサ１１、１２又は２１、２２又は３１、３２はそれぞれ、同じチャネル表面３５に配置される。これは、例えば、２つの第１の超音波トランスデューサ１１、１２が同じチャネル表面３５に超音波信号を印加することができるように配置されることを意味する。同じことが２つの第２のトランスデューサ２１、２２及び２つの第３のトランスデューサ３１、３２に当てはまる。図１１に示されるように、超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３３が、各対のトランスデューサがそれぞれ異なるチャネル表面３５に超音波信号を印加するように配置及び整列されることが好ましい。
【0121】
勿論、このような変形は、第３の対のトランスデューサの超音波トランスデューサ３１、３２が、第３の測定部分８３が測定チャネル３の中心軸線Ｍに垂直であり、この結果、流れ方向Ａに垂直であるように配置及び整列される、第４の実施形態においてまた可能である。そして、この第３の測定部分８３に亘って、パイプ１００における流体の流速とは無関係な流体のパラメータが再び検出されることができる。それぞれの用途において使用されるパイプ１００の特性を説明するパラメータ、例えば、壁１０１の厚さ又はパイプ１００を構成する材料を参照するパイプパラメータを、チャネル３の中心軸線Ｍに垂直な第３の測定部分８３上で測定することがまた可能である。
【0122】
中心軸線Ｍに垂直な第３の測定部分８３の配置は、例えば、図８又は図９に関連して説明されたものと類似する同じ方法で実現されることができる。中心軸線Ｍが２つの第３の超音波トランスデューサ３１又は３２の間に延伸するように、２つの第３の超音波トランスデューサ３１又は３２の一方が第１のハウジング部分４１に配置され、２つの第３の超音波トランスデューサ３２又は３１の他方が第２のハウジング部分４２に配置されることが可能である。
【0123】
別の変形によれば、第１のハウジング部分４１又は第２のハウジング部分４２の何れかに配置される第３の超音波トランスデューサ３１又は３２のみを設けることがまた可能である。この第３の超音波トランスデューサ３１又は３２は、それがその中心軸線Ｍに垂直に測定チャネル３に超音波信号を印加して、第３の超音波トランスデューサ３１又は３２によって画定される第３の測定部分８３が流体の流れ方向Ａに垂直であるように整列される。そして、この変形においては、超音波測定装置１は、５つの超音波センサのみ、すなわち、２つの第１の超音波トランスデューサ１１、１２、２つの第２の超音波トランスデューサ２１、２２、及び２つの第３の超音波トランスデューサ３１又は３２のうちの１つのみを有する。
【0124】
この変形においては、第３の超音波トランスデューサ３１又は３２のみが、流れ方向Ａに垂直に超音波信号を発信する。そして、この信号は、測定チャネル３を通過した後、反対側のチャネル表面３５において少なくとも部分的に反射され、結果として生じるエコー信号は、超音波信号を発信した第３のトランスデューサ３１又は３２のみによって受信される。
【0125】
図１２は、第４の実施形態の変形例を図１１に類似する図で示す。この変形においては、反射器３６１、３６２、３６３が、超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２によって発信される超音波信号を反射するために、一対のトランスデューサによって印加されるチャネル表面３５の反対側に位置するそれらのチャネル表面３５に設けられる。合計３つの反射器３６１、３６２、３６３が設けられ、すなわち、第１の反射器３６１は第１の対のトランスデューサの反対側に配置され、第２の反射器３６２は第２の対のトランスデューサの反対側に配置され、第３の反射器３６３は第３の対のトランスデューサの反対側に配置される。これは、第１の反射器３６１が第１の超音波トランスデューサ１１、１２によって印加されるチャネル表面３５の反対側に位置するチャネル表面３５に配置され、第２の反射器３６２が第２の超音波トランスデューサ２１、２２によって印加されるチャネル表面３５の反対側に位置するチャネル表面３５に配置され、第３の反射器３６３が第３の超音波トランスデューサ３１、３２によって印加されるチャネル表面３５の反対側に位置するチャネル表面３５に配置されることを意味する。反射器３６１、３６２、３６３は、測定チャネル３の外側に配置される。各反射器３６１、３６２、３６３は、それぞれのチャネル表面３５に平行に配置される平坦な、すなわち、湾曲していない板状構造として設計される。
【0126】
図１３においては、測定チャネル３の特に好ましい実施形態が概略図で示され、それは、測定チャネル３がハウジング４の閉鎖された状態においてその中心軸線Ｍに垂直にｎ角形断面を有する全ての実施形態及びそれらの変形のために好ましい。この実施形態においては、測定チャネル３は、流れ方向Ａから視た場合に互いに前後に配置される、入口領域３６（図１をまた参照）、中央領域３７、及び出口領域３８を有する。出口領域３８は、図１３においては見られないが、それは、入口領域３６と類似する同じ方法で設計される。入口領域３６及び出口領域３８は、流れ方向Ａに対してハウジング４の２つの端部に配置された測定チャネル３の２つの端部領域であり、中央領域３７は、超音波信号が印加される測定体積を境界付ける領域である。図１３に示される好ましい実施形態によれば、入口領域３６及び出口領域３８はそれぞれ、測定チャネル３の中心軸線Ｍに垂直に円形断面を有し、中央領域３７はｎ角形を有する（ここでは、ハウジングの閉鎖された状態において中心軸線Ｍに垂直な六角形断面）。ここでは、測定チャネル３は、中央領域３７のｎ角形断面が入口領域３６と出口領域３８との両方の円形断面に連続的且つ滑らかに融合するように設計される。円形プロファイル（例えば、ハウジングの外側のパイプ１００）から測定チャネル３のｎ角形プロファイルへのこの連続的且つ滑らかな移行に起因して、急激な断面変化が回避される。この結果、パイプ１００における全ての流れベクトルは、規則正しい経路で測定チャネル３の中に導かれ、規則正しい経路で測定チャネル３の外に導かれる。この方策に起因して、測定チャネル３における乱流又はその他の好ましくない流れ状態が、完全に回避されない場合であっても少なくとも大幅に低減されることができる。
【0127】
図１４においては、超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２の好ましい配置が、第３の超音波トランスデューサ３１の例を使用する概略図で表される。この配置は、超音波センサ１１、１２、２１、２２、３１、３２が平坦な発信及び受信表面を有する全ての実施形態及びそれらの変形形態のために特に好ましい。既に言及されたように、全ての超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２は、好ましくは、ハウジング４の内側に、又は第１のハウジング部分４１若しくは第２のハウジング部分４２に設けられた２つの挿入部５１、５２に配置される。第３の超音波トランスデューサ３１の例を使用して図１４に表されるように、超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２が、それぞれの超音波トランスデューサ（ここでは３１）が測定チャネル３から離れるように、測定チャネル３又はチャネル表面３５に直接配置されず、基部６に配置される場合には好ましい。基部６は、所望の測定部分８１、８２、８３を横切る方向又は主伝搬方向を横切る方向に発信される干渉超音波の結合を防ぐという利点を有する。このような干渉超音波は、ハウジング全体の周りに進む場合があり、例えば、測定信号と干渉する場合があり、それによって、これらの測定信号を変造又は変更する場合がある。このような干渉信号は、少なくとも基部６によって低減することができる。
【0128】
図１４は、第３の超音波トランスデューサ３１が測定チャネル３の中心軸線Ｍに垂直な第３の測定部分８３のために整列される場合を示す。勿論、それぞれの超音波トランスデューサが流れ方向Ａに斜めに延伸する測定部分８１、８２、８３のために基部６に斜めに配置されることが理解される。
【0129】
一対のトランスデューサ１１、１２又は２１、２２又は３１、３２の２つの超音波トランスデューサがそれぞれ互いに超音波信号を交換する測定部分８１、８２、８３は、それぞれの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２の主伝播方向によって画定される。これらの測定部分８１、８２、８３に加えて、他の測定経路Ｐ（図１５）が、超音波信号を受信し、それらを評価のために使用するために使用されることができる。圧力波を表す、それぞれの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２によって発信される超音波信号が、主伝播方向に伝播するだけでなく、他の方向に伝播する信号成分がまたある。この結果、例えば、超音波信号の主な最大値は通常こん棒状であり、すなわち、それは、超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２の発信及び受信表面に厳密に垂直に伝播するだけではない。加えて、主伝播方向以外の方向に伝播するこれらの信号成分は、例えば、それぞれの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２によって発信される超音波信号の非主要最大値又は側方最大値（多くの場合にマイナーローブ又はラテラルローブとも呼ばれる）とすることができる。測定部分８１、８２、８３に沿って伝播しないこれらの信号成分はまた、測定の評価のために使用されることができる。
【0130】
これらの追加の測定経路Ｐが、測定チャネル３の周りに配置される、合計６つの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２が設けられ、その中心軸線Ｍに垂直に六角形断面を有する、実施形態の概略図で図１５に示される。それぞれの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２によって発信される超音波信号の主伝搬方向によって画定される３つの測定部分は、参照符号８１、８２、８３で順に示される。他の接続線は、上記で説明された意味で測定経路Ｐを表す。ｎ個の超音波トランスデューサ１１、２１、２１、２２、３１、３２のための測定部分８１、８２、８３及び測定経路Ｐの総数は、ｎと（ｎ－１）との積の半分、すなわち、０．５×ｎ×（ｎ－１）によって与えられる。ｎが６に等しい場合には、合計１５個の測定セクション８１、８２、８３及び測定経路Ｐ、すなわち、３つの測定部分８１、８２、８３及び１２個の測定経路Ｐが生じる。
【0131】
それぞれの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２によって発信される超音波信号に関しては、多くの可能性があり、その幾つかは、図１６～図２１を参照して以下で言及される。簡単にするために、及び理解には充分であるので、２つの測定部分、すなわち、第１の測定部分８１及び第２の測定部分８２で、並びに４つの超音波トランスデューサ、すなわち、第１の対のトランスデューサを形成する２つの第１の超音波トランスデューサ１１、１２及び第２の対のトランスデューサを形成する２つの第２の超音波トランスデューサ２１、２２で、測定がなされる実施形態が参照される。３つ以上の測定部分への類似の拡張は、当業者にとって問題ではない。
【0132】
図１６～図２１においては、時間ｔがそれぞれ、横軸にプロットされ、超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２によって発信される超音波信号の振幅Ｕが、縦軸にプロットされる。超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２は、それぞれの超音波信号を発信するために、それぞれの信号線１１ａ、１２ａ、２１ａ、２２ａを介して制御装置１０によって作動される。
【0133】
図１６に表される超音波信号では、それぞれの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２は、連続信号ＳＣ（ＣＷ：連続波）を発信する。「連続」超音波信号という用語は、信号の整定時間又は減衰時間、すなわち、信号の過渡部分より大幅に長い一定期間に亘って、信号の振幅が実質的に一定である超音波信号を指す。その期間中の信号の振幅における変化が最大で７％、特に最大で５％、好ましくは最大で３％、特に好ましくは最大で１％である場合には、信号の振幅は、一定期間に亘って「実質的に」一定と呼ばれる。
【0134】
代替的に、それぞれの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２が、各測定のためにパルスパケットＳＢ（バースト）を発信することがまた可能である。このような超音波信号は図１７に表され、各パルスパケットＳＢはそれぞれ１つの測定に属する。
【0135】
別の可能性が図１８に示される。ここでまた、２つの測定部分８１及び８２のために異なる周波数が使用されるが、各測定のためにパルスパケットＳＢ１又はＳＢ２が発信される。第１の測定部分８１のために使用されるパルスパケットＳＢ１は、第２の測定部分８２のために使用されるパルスパケットＳＢ２より低い周波数を有する。
【0136】
図１９に示される一変形においては、それぞれの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２は、各測定のためにパルスパケットＡＢ（バースト）を再び発信するが、パルスパケットＡＢは振幅変調され、すなわち、それぞれのパルスパケットＡＢにおける信号の振幅は時間ｔで変化する。
【0137】
図２０に示される一変形においては、それぞれの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２は、各測定のためにパルスパケットＡＢ（バースト）を再び発信するが、パルスパケットは周波数変調され、すなわち、それぞれのパルスパケットＡＦにおける信号の周波数は時間ｔで変化する。このようなパルスパケットＡＦはまた、チャープバーストと呼ばれる。
【0138】
勿論、周波数変調と振幅変調とを組み合わせることがまた可能である。
【0139】
図２１に示される一変形においては、それぞれの超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２は、各測定のためにパルスパケットＡＭＦ１、ＡＭＦ２を再び発信するが、それぞれのパルスパケットは、振幅変調と周波数変調との両方であり、すなわち、それぞれのパルスパケットＡＭＦ１、ＡＭＦ２における信号と振幅との両方が、時間ｔで変化する。このようなパルスパケットＡＭＦ１又はＡＭＦ２はまた、振幅変調チャープバーストと呼ばれる。図１８に示される一変形と同様に、図２１に示される一変形のための２つの測定部分８１、８２のために異なる周波数を使用することがまた可能である。２つの測定部分８１、８２のために異なる振幅及び／又は異なる周波数変調及び／又は異なる振幅変調を使用することがまた可能である。図２１においては、第１の測定部分８１のために使用される超音波信号はＡＭＦ１と示され、第２の測定部分８２のために使用される超音波信号はＡＭＦ２と示される。
【0140】
本発明による超音波測定装置１がまた、パイプ１００を通って流れる流体の特性が検出又は決定されることができる他のセンサ又は測定装置を備えることができることが理解される。
【0141】
この結果、本発明による超音波測定装置１は、例えば、パイプ１００における流体の温度を決定するための温度センサを備えることができる。温度センサは、例えば、温度センサがパイプ１００又はそれを流れる流体と熱接触することなく、流体の温度が検出されることができる非接触センサとして設計されることができる。この目的のために、温度センサは、例えば、赤外線センサとして設計されることができる。勿論、物理的接触を介して温度を決定する温度センサがまた設けられることができる。この場合には、温度センサは、好ましくは、ハウジングの閉鎖された状態においてパイプ１００と良好に熱接触するように、特に好ましくは、温度センサが測定チャネル３に挿入されるパイプ１００の領域と物理的に接触するように配置される。
【0142】
加えて、パイプ１００における流体の流れ方向Ａに垂直な少なくとも１つの測定部分が設けられる、本発明による超音波測定装置１のこれらの実施形態では、流体における音速又は音の減衰に依存するが、パイプ１００における流体の流速には依存しない、流体のパラメータが検出されることができる。
【0143】
特に、このような超音波測定装置１は、細胞懸濁液、タンパク質含有流体、又は有機成分を含む流体のような、製薬又はバイオテクノロジプロセスにおいて使用される流体における測定に適する。それらはまた、半導体産業において一般的に使用される流体、例えば、スラリーと呼ばれる水中の二酸化ケイ素の懸濁液、等であってもよい。本発明による超音波測定装置１はまた、アルコール、酸、若しくはアルカリのような、エタノール、イソプロパノール、アセトン、硫酸、塩酸、硝酸、若しくはアンモニア水のような、化学的に攻撃的な又は非常に攻撃的な物質であり、又はそれらを含む流体に適する。超音波測定装置１は、０～１４のｐＨ値範囲全体に亘る流体、及び少なくとも－４０℃～＋９５℃の温度範囲に適する。超音波測定装置１に適する材料は、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、又は被覆された材料である。
【0144】
本発明による超音波測定装置１は、例えば、流体が好ましくは可撓性又は変形可能なパイプ１００を通って流れる、バイオテクノロジ、製薬産業、又は半導体産業におけるプロセスの監督、監視、及び制御に特に適する。設計に応じて、濃度における変化又は流体の組成における他の変化のような、パラメータにおける変化、この結果、流体の特性における変化がまた確実に検出されることができる。
【0145】
可能な限りコンパクトな設計に関しては、超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２を作動させ、超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２から測定信号を受信する制御装置１０が超音波測定装置１のハウジング４に配置され、又はハウジング４に一体化されることが好ましい。このような設計が図２２に示される。評価ユニット２０を任意に備える制御装置１０が、第２のハウジング部分４２に配置され、接続部４８に信号接続される。接続部４８は、第２のハウジング部分４２にねじ込まれる。超音波測定装置１には、接続部４８を介してエネルギーが供給される。更に、測定信号及び／又は他のデータが、接続部４８を介して制御装置１０と外部インターフェース（示されない）又は別の外部デバイス（示されない）との間で交換されることができる。
【0146】
特に、超音波トランスデューサ１１、２１、３１又は１２、２２、３２が第１のハウジング部分４１と第２のハウジング部分４２との両方に配置される、これらの実施形態に関する、本発明の更なる側面（例えば、図２及び図３を参照）は、第２のハウジング部分４２に配置された制御装置１０と第１のハウジング部分４１に配置された超音波トランスデューサ１１、２１、３１との間の信号接続である。２つのハウジング部分４１及び４２が互いに対してそれらが回転又は旋回することができるように配置されるので、超音波トランスデューサ１１、２１、３１と制御装置１０との間の安全で信頼性のある信号接続がどのように実現されることができるかに関して問題が生じる。
【0147】
本発明の一側面によれば、接合部４３は、図２２を参照して以下で説明されるように、この信号接続のために使用される。図２２は、接合部４３の回転軸線Ｄを通る断面における２つのハウジング部分４１及び４２の関節接続の実施形態を示す。以下においては、一般性に限定することなく、超音波トランスデューサ１１、２１、３１が第１のハウジング部分４１に配置され、超音波トランスデューサ１２、２２、３２が第２のハウジング部分４２に配置されると仮定される。超音波トランスデューサ１１、１２、２１、２２、３１、３２は、図２２においては見られることができない。
【0148】
超音波トランスデューサ１２、２２、３２が制御装置１０と同じハウジング部分４２に配置されるので、それらの制御装置１０との信号接続は問題なく、従って、更なる説明は要求されない。
【0149】
第１のハウジング部分４１に配置された超音波トランスデューサ１１、２１、３１の信号接続のために、接合部４３は、第１の接合部分４３１及び第２の接合部分４３２を備え、第１の接合部分４３１は、第１のハウジング部分４１にトルク耐性があるように接続され、第２の接合部分４３２は、第２のハウジング部分４２に接続される。第１の接合部分４３１及び第２の接合部分４３２は、信号線１１ａ、２１ａ、３１ａが第１のハウジング部分４１に配置された超音波トランスデューサ１１、２１、３１から接合部分４３１、４３２の内部を通って第２のハウジング部分４２に案内されることができるように設計及び配置される。
【0150】
図２２に示される実施形態においては、接合部４３は回転軸線Ｄを有し、その周りに、２つのハウジング部分４１及び４２が互いに対して回転又は旋回することができる。回転軸線Ｄは、測定チャネル３の中心軸線Ｍに平行である。接合部４３は、流れ方向Ａにおいて見られるように、回転軸線Ｄの方向において、ハウジング４の２つの端部からハウジング４の中に延伸する２つの実質的に円筒形のピン４３３を備える。この目的のために、第２のハウジング部分４２におけるハウジング４のこれらの２つの端部の各々に開口部が設けられ、それを通ってそれぞれのピン４３３が延伸する。各ピン４３３はヘッド４３４を有し、それで、それぞれのピン４３３は、ハウジング４のそれぞれの端部に、好ましくは密封して当接する。各ピン４３３は、その長手方向軸線が回転軸線Ｄにあるように配置される。
【0151】
回転軸線Ｄの方向において見られると、第１の接合部分４３１及び第２の接合部分４３２は、２つのピン４３３の間に並んで配置される。各接合部分４３１、４３２は、円筒形領域４３５又は４３６を有し、その軸線はそれぞれ回転軸線Ｄに位置する。２つのピン４３３のうちの一方は、第１の接合部分４３１の円筒形領域４３５の底部に係合し、他方のピン４３３は、第２の接合部分４３２の円筒形領域４３６の底部に係合する。更に、２つの円筒形領域４３５及び４３６は、それぞれの底部から離れて面するそれらの開放側において互いに係合する。これは、例えば、第２の接合部分４３２の円筒形領域４３６が、底部から離れて面するその端部におけるその壁に環状凹部を有し、それにおいて、第１の接合部分４３１の円筒形領域４３５が、その底部から離れて面する端部で係合して、２つの円筒形領域４３５及び４３６が回転軸線Ｄの方向に対して重なり合うように設計される。２つの円筒形領域４３５及び４３６が重なり合う領域においては、２つの円筒形領域４３５及び４３６の間にシール、例えば、環状溝に挿入されたＯリング４３９が設けられる。
【0152】
第１の接合部分４３１は、測定チャネル３の方向において、回転軸線Ｄに実質的に垂直に円筒形領域４３５から第１のハウジング部分４１の中に延伸する中空の第１の延長部片４３７を更に有して、第１の延長部片４３７は、超音波トランスデューサ１１、２１、３１から来る信号線１１ａ、２１ａ、３１ａを受容することができる（図２も参照）。第１の接合部分４３１の中空の第１の延長部片４３７は、第１の接合部分４３１が第１ハウジング部分４１に対して回転軸線Ｄの周りに回転することができないという意味で、第１のハウジング部分４１にトルク耐性があるように接続される。これは、第１の接合部分４３１が回転軸線Ｄの周りを回転する場合に、第１のハウジング部４１が必然的に回転軸線Ｄの周りを回転することを意味する。
【0153】
第２の接合部分４３２は、回転軸線Ｄに実質的に垂直に円筒形領域４３６から第２のハウジング部分４２の中に、制御装置１０が配置される、第２のハウジング部分４２における空洞４２１まで延伸する中空の第２の延長部片４３８を更に有する。第２の接合部分４３２の中空の第２の延長部片４３８は、第２の接合部分４３２が第２のハウジング部分４２に対して回転軸線Ｄの周りに回転することができないという意味で、トルク耐性があるように第２のハウジング部４２に接続される。これは、第２の接合部分４３２が回転軸線Ｄの周りを回転する場合に、第２のハウジング部分４２が必然的に回転軸線Ｄの周りを回転することを意味する。
【0154】
この結果、第１のハウジング部分４１に配置された超音波トランスデューサ１１、２１、３１から来る信号線１１ａ、２１ａ、３１ａは、中空の第１の延長部片４３７を通って第１の接合部分４３１の円筒形領域４３５の中に、そこから、第２の接合部分４３２の円筒形領域４３６を通って、及び中空の第２の延長部片４３８を通って空洞４２１の中に案内されることができ、そこで制御装置１０に接続されることができる。これは、図２２において点線１１ａ、２１ａ、３１ａによって象徴的に表される。
【0155】
第１のハウジング部分４１は、好ましくは第１のハウジング部４１と一体に設計される２つの環状アイレット４１１を更に有する。組み立てられた状態においては、アイレット４１１の開口部は、２つのピン４３３が延伸する第２のハウジング部分４２における２つの開口部と整列されて、それぞれのピン４３３は、ハウジング４のそれぞれの端部から第２のハウジング部分４２におけるそれぞれの開口部及びそれぞれのアイレット４１１の開口部を通って、第１の接合部分４３１又は第２の接合部分４３２に延伸する。回転軸線Ｄの方向に対して、２つの接合部分４３１及び４３２は、２つのアイレット４１１の間に配置される。
【0156】
ねじ１５又は別の固定手段１５が第２のハウジング部分４２に更に設けられ、それで、制御装置１０は、空洞４２１において固定されることができる。図２２に示される実施形態においては、制御装置１０は、ねじ１５とハウジング４にねじ込まれた接続部４８との間に締め付けられる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
