JP6093229B2 - 超音波流量測定システム - Google Patents

Description

本明細書に開示する対象は、超音波流量測定システムに関する。

超音波流量センサを含む流量計は、異なるサイズおよび形状のパイプ内を流れる液体、ガスなどの特徴（たとえば、流量、圧力、温度等）を決定するために使用される。流体のこれらの特徴を知ることにより、流体の他の物理的特性または品質を決定することが可能になる。たとえば、いくつかの流体管理輸送（ｃｕｓｔｏｄｙ―ｔｒａｎｓｆｅｒ）アプリケーションでは、流体の流量は、一定期間にわたって売主から買主にパイプを通じて輸送される流体（たとえば、石油またはガス）の量を決定して、取引コストを決定するために使用されうる。その量は、測定された流体の流量にパイプの断面積を乗じて、さらに流体の流れが測定される期間を乗じたものと等しい。

輸送時間流量計測を使用する、あるタイプの超音波流量センサでは、フローセルと呼ばれるパイプの一部に沿って１つまたは複数対の超音波流量センサを取り付けることができる。超音波流量センサのそれぞれの対は、互いの上流および下流に配置された超音波トランスデューサおよび超音波バッファを含み、パイプにわたって特定の弦の位置（ｃｈｏｒｄａｌ ｌｏｃａｔｉｏｎｓ）でこれらの超音波流量センサ間の超音波経路を形成している。

それぞれのトランスデューサは、通電されると、流動流体を通じて超音波経路に沿って超音波信号（たとえば、音波）を送信して、他のトランスデューサによって受信および検出される。特定の弦の位置で超音波経路に沿って平均化された流体の経路速度は、（１）流体の流れの方向に逆らって、下流トランスデューサから上流トランスデューサへと、超音波経路に沿って上流に移動する超音波信号の輸送時間と、（２）流体の流れの方向に従って、上流トランスデューサから下流トランスデューサへと、超音波経路に沿って下流に移動する超音波信号の輸送時間との間の差異の関数として決定されうる。超音波流量計は、流体の流量を決定するために使用される輸送時間を決定するために、信号処理技法を使用して、トランスデューサによって受信された超音波信号、およびそれらの超音波信号が受信された時間を識別する。

いくつかの超音波流量測定システム（たとえば、超音波信号の波長が明らかに超音波バッファの直径未満ではない、数メガヘルツ以下の超音波信号）では、超音波信号ビームの拡散は、それが超音波バッファ内で伝搬する際に、複数のリングダウン信号の形状における歪み、および受信した超音波信号におけるピークをもたらす場合がある。この歪みは、超音波バッファの壁から反射する超音波信号の角部の結果である。歪みによって生じるこれらのリングダウン信号およびピークは、超音波信号の主要（角がない）部分の振幅と同等またはそれ以上の振幅を有する場合、超音波流量計の信号処理は、輸送時間を決定する超音波信号の主要部分を正確に識別できない場合がある。

上記の説明は一般的な背景情報のために提供されるに過ぎず、特許請求の範囲に記載された対象の範囲を決定する際に役立つものとして使用されることを意図するものではない。

第１超音波バッファを備えた第１超音波センサと、第２超音波バッファを備えた第２超音波センサとを有する超音波流量測定システムが開示される。超音波信号の歪みを減らすために、第１超音波バッファと第２超音波バッファは異なる断面を有する。超音波流量測定システムの開示された実施形態のうちのいくつかを実施することによって実現されうる利点は、測定される輸送時間の精度が向上することである。

一実施形態では、超音波流量測定システムが開示される。本システムは、第１超音波トランスデューサおよび第１超音波バッファを備える第１超音波センサと、第２超音波トランスデューサおよび第２超音波バッファを備える第２超音波センサであって、軸に沿って第１超音波センサと整列している第２超音波センサとを備え、第１超音波バッファが軸に垂直である第１断面を有し、第２超音波バッファが軸に垂直である第２断面を有し、第１超音波バッファの第１断面は第２超音波バッファの第２断面と異なる。

他の実施形態では、超音波流量測定システムは、第１超音波トランスデューサおよび第１超音波バッファを備える第１超音波センサと、第２超音波トランスデューサおよび第２超音波バッファを備える第２超音波センサであって、軸に沿って第１超音波センサと整列している第２超音波センサとを備え、第１超音波バッファが軸に垂直である第１断面を有し、第２超音波バッファが軸に垂直である第２断面を有し、第１超音波バッファの第１断面が第１形状を有し、第２超音波バッファの第２断面が第２形状を有し、第１形状は第２形状と異なる。

他の実施形態では、超音波流量測定システムは、第１超音波トランスデューサおよび第１超音波バッファを備える第１超音波センサと、第２超音波トランスデューサおよび第２超音波バッファを備える第２超音波センサであって、軸に沿って第１超音波センサと整列している第２超音波センサとを備え、第１超音波バッファが軸に垂直である第１断面を有し、第２超音波バッファが軸に垂直である第２断面を有し、第１超音波バッファの第１断面が第１直径を有し、第２超音波バッファの第２断面が第２直径を有し、第１直径は第２直径と異なる。

本発明の、この「課題を解決するための手段」は、本明細書に開示される主題の簡単な概要を１つまたは複数の例示的実施形態によって提供するためのものに過ぎず、特許請求の範囲を解釈するためのガイドの機能を果たすものではなく、また本発明の範囲を定義または限定するものでもない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。この「課題を解決するための手段」は、以下の「発明を実施するための形態」においてさらに説明される概念の例示的選択を簡単な形式で紹介するために提供される。この「課題を解決するための手段」は、特許請求の範囲に記載された主題の主要な特徴または基本的な特徴を識別することを意図するものではなく、また、特許請求の範囲に記載された主題の範囲を決定する際に役立つものとして使用されることを意図するものでもない。特許請求の範囲に記載された主題は、「背景技術」に記載された任意または全ての欠点を解決する実装形態に限定されない。

本発明の特徴を理解できるように、特定の実施形態を参照することによって、「発明を実施するための形態」を有することができる。特定の実施形態のうちのいくつかは、添付の図面に示されている。しかしながら、図面は、本発明の特定の実施形態だけを示しており、したがって本発明の範囲を限定するものと見なされるべきではない点に留意されたい。それは、本発明の範囲は、他の同等に効果的な実施形態を包含するからである。図面は必ずしも正確な縮尺ではなく、一般的に、本発明の特定の実施形態の特徴を示すことに重点が置かれている。図面では、様々な図面を通して同様の部分を示すために、同様の番号が使用されている。したがって、本発明をさらに理解するために、以下の「発明を実施するための形態」を図面とともに読んで参照することができる。

例示的な超音波流量測定システムを示す図である。 図１の例示的な第１超音波バッファの断面図である。 図１の例示的な第２超音波バッファの断面図である。 図１〜３の、第１超音波バッファから第２超音波バッファへと移動する複数の超音波信号経路を示す図である。 図４の超音波信号経路を介して第２超音波トランスデューサによって受信される際の超音波信号に対応する、複数の受信された超音波信号波形を示す図である。 例示的な第３超音波バッファの断面図である。 第１超音波バッファから第３超音波バッファへと移動する複数の信号経路を示す図である。 第１超音波バッファから第３超音波バッファへと移動する複数の信号経路を示す図である。 図７〜８の超音波信号経路を介して第２超音波トランスデューサによって受信される際の超音波信号に対応する、複数の受信された超音波信号波形を示す図である。 例示的な第４超音波バッファの断面図である。 第１超音波バッファから第４超音波バッファへと移動する複数の超音波信号経路を示す図である。 図１１の超音波信号経路を介して第２超音波トランスデューサによって受信される際の超音波信号に対応する、複数の受信された超音波信号波形を示す図である。 例示的な第５超音波バッファの断面図である。 第１超音波バッファから第５超音波バッファへと移動する複数の超音波信号経路を示す図である。 図１４のそれぞれの超音波信号経路を介して第２超音波トランスデューサによって受信される際の超音波信号に対応する、複数の受信された超音波信号波形を示す図である。

図１は、例示的な超音波流量測定システム１００の図である。図示されるように、このシステム１００は、第１超音波流量センサ１７０と、第２超音波流量センサ１８０とを含む。第１超音波流量センサ１７０は、第１超音波バッファ１７２と第１トランスデューサ１７４とを含む。第２超音波流量センサ１８０は、第２超音波バッファ１８２と第２トランスデューサ１８４とを含む。それぞれの超音波流量センサ１７０、１８０は、超音波信号を送受信するように設計されている。パイプ１９０は、液状、ガス状、または液体とガスの組合せである流体１９２を輸送するように設計されている。第１超音波流量センサ１７０および第２超音波流量センサ１８０は、それぞれパイプ１９０に取り付けられ、それぞれが共通軸１５０に沿って整列した超音波バッファ１７２および１８２を有する。共通軸１５０は、流量が検出されない場合はパイプ１９０の軸に垂直な角度でもよく、流量を検出するためにパイプ１９０の軸に対して９０度以外の角度でもよい。

図２は、例示的な第１超音波バッファ１７２の断面図を示しており、図３は、図１の例示的な第２超音波バッファ１８２の断面図を示している。これらの図面に示されるように、第１超音波バッファ１７２は第１直径１７９を備える断面（すなわち、円形）を有し、第２超音波バッファ１８２は第２直径１８９を備える断面（すなわち、円形）を有する。本明細書内で記述される両方の断面および他の断面は、軸１５０（図１）に垂直な面に沿って定義される。図２と図３とを比較すると、第１超音波バッファ１７２の断面は、第２超音波バッファ１８２の断面と同じ形状および大きさであることが示されている。一実施形態では、直径１７９、１８９は０．５インチ（１２．７ミリメートル）である。説明されるように、第１超音波バッファ１７２の断面は第２超音波バッファ１８２の断面と同じなので、この類似性は受信された超音波信号に著しい歪み（リングダウン信号、ピーク）をもたらすことになる。

図４は、図１〜３の第１超音波バッファ１７２から第２超音波バッファ１８２へと移動する、複数の超音波信号経路１１０、１２０、１３０を示している。超音波信号は、第１トランスデューサ１７４から第１超音波バッファ１７２を介して、第２超音波バッファ１８２を介して第２超音波流量センサ１８０に送信される。超音波信号の一部は、図１の軸１５０と同軸である、第１（主要）超音波信号経路１１０に沿って送信される。この第１超音波信号経路１１０は、第１超音波バッファ１７２から第２超音波バッファ１８２への直線かつ直接の経路である。超音波信号のビーム拡散の結果として、超音波信号の角度成分は、第１超音波信号経路１１０に加えて他の多くの超音波信号経路に沿って移動する。たとえば、超音波信号の一部は、第２超音波信号経路１２０および第３超音波信号経路１３０に沿っても移動する。

第２超音波信号経路１２０は、最初は、第１超音波バッファ１７２の後壁１７５に沿った中央の位置１２１から１０度の角度１２２に向けられる。この第２超音波信号経路１２０は、第１超音波バッファ１７２の正面１７６で方向を変えて、流体１９２に屈折する。第２超音波信号経路１２０は第２超音波バッファ１８２の正面１８６で方向を変えて、流体１９２から第２超音波バッファ１８２に屈折する。第２超音波信号経路１２０は、第２超音波バッファ１８２の下壁１８７に反射すると、再び方向を変える。第２超音波信号経路１２０は、第２超音波バッファ１８２の上壁１８８に反射すると、再び方向を変える。第２超音波信号経路１２０は、第２超音波バッファ１８２の後壁１８５に沿って第２超音波バッファ１８２を出て、第２超音波トランスデューサ１８４によって受信される。図示されるように、第２超音波信号経路１２０は、第１超音波信号経路１１０より長い。

第３超音波信号経路１３０は、最初は、第１超音波バッファ１７２の後壁１７５に沿った非中央の位置１３１から１０度の角度１３２に向けられる。第３超音波信号経路１３０は、第１超音波バッファ１７２の下壁１７７に反射すると、方向を変える。第３超音波信号経路１３０は方向を変えて、第１超音波バッファ１７２の上壁１７８に反射する。次に、第３超音波信号経路１３０は、第１超音波バッファ１７２の正面１７６で方向を変えて、流体１９２に屈折する。第３超音波信号経路１３０は、第２超音波バッファ１８２の正面１８６で方向を変えて、流体１９２から第２超音波バッファ１８２に屈折する。第３超音波信号経路１３０は、第２超音波バッファ１８２の後壁１８５に沿って第２超音波バッファ１８２を出て、第２超音波トランスデューサ１８４によって受信される。図示されるように、第３超音波信号経路１３０は、第１超音波信号経路１１０より長いが、第２超音波信号経路１２０と同じ長さである。

図５は、図４のそれぞれの超音波信号経路１１０、１２０、１３０を介して第２超音波トランスデューサ１８４によって受信される際の超音波信号に対応する、複数の受信された超音波信号波形２１０、２２０、２３０を示している。図５のグラフ（および、本明細書に記載の他の全てのグラフ）は、それぞれの超音波波形の相対振幅を説明するために、同じ電圧（Ｙ）軸上の超音波信号波形を示す点に留意されたい。それぞれの超音波信号波形２１０、２２０、２３０は、超音波信号の代表的な部分である。図示されるように、第１超音波信号波形２１０は第１超音波信号経路１１０を介して受信され、第２超音波信号波形２２０は第２超音波信号経路１２０を介して受信され、第３超音波信号波形２３０は第３超音波信号経路１３０を介して受信される。第４（組み合わされた）超音波信号波形２４０は、超音波信号経路１１０、１２０、１３０の組合せから受信された超音波信号波形である。

それぞれの超音波信号波形２１０、２２０、２３０は、それぞれ特定の時間に到着する前縁２１２、２２２、２３２を含む。一例示的超音波流量測定システム（１ＭＨｚ超音波信号、第１超音波バッファ１７２および第２超音波バッファ１８２がＳＳ３１６ステンレス鋼から作られ、それぞれが０．５０インチ（１２．７０ミリメートル）の直径および０．７５インチ（１９．０５ミリメートル）の長さを有し、超音波バッファ１７２と超音波バッファ１８２との間に１．０インチ（２５．４ミリメートル）の水分離がある）では、第１超音波信号波形２１０の前縁２１２は、２３．５３マイクロ秒の時に第１超音波信号経路１１０を介して第２超音波トランスデューサ１８４によって受信される。第２超音波信号波形２２０の前縁２２２は、２７．１１マイクロ秒の時に第２超音波信号経路１２０を介して受信される。第３超音波信号波形２３０の前縁２３２は、第２超音波信号波形２２０の前縁２２２と同時に、２７．１１マイクロ秒の時に第３超音波信号経路１３０を介して受信される。

組み合わされた超音波信号波形２４０の第１部分２１４は、第１超音波信号経路１１０を介して受信された第１超音波信号波形２１０によって与えられた、受信された超音波信号の一部であり、そこから輸送時間が決定されるべきである。しかし、第２超音波信号波形２２０および第３超音波信号波形２３０が同時（２７．１１マイクロ秒）に到着するので、これらの超音波信号波形２２０、２３０の構成の組合せは、組み合わされた超音波信号波形２４０の第１部分２１４よりも大きい振幅を有する、組み合わされた超音波信号波形２４０の第２部分２４４を形成する。組み合わされた波形の第２部分２４４は、組み合わされた超音波信号波形２４０内に望まないリングダウン信号およびピークを生成する場合があり、超音波流量測定システムの信号処理電子機器が、超音波信号の輸送時間が決定される組み合わされた超音波信号波形２４０の第１部分２１４を正確に識別できなくなる可能性がある。

この問題に対処するために、本発明の実施形態は、角度超音波信号経路から受信される超音波信号波形の構成の組合せを減少させて、信号処理電子機器によって第１（主要）超音波信号経路の第１（主要）超音波信号波形をより容易に識別できるようにする。この減少は、超音波流量測定システムにおける超音波信号経路の類似性を減らすために、異なる断面を有する超音波バッファを使用して、超音波信号の角度成分のために異なる超音波信号経路長を作成して実現される。

図６は、例示的な第３超音波バッファ３８２の断面図を示している。図２と図６とを比較すると、第１超音波バッファ１７２の断面は第３超音波バッファ３８２の断面と異なることが示されている。図示されるように、第３超音波バッファ３８２は、円形の第１セクション３８３と、直線エッジ３９８を形成する第２セクション３８４とを有する断面を有する。この断面は、本明細書ではアルファベットの「Ｄ」の形を有すると呼ばれる。図６に示される「Ｄ」の形は、図２に示される第１超音波バッファ１７２の円形「Ｏ」の断面形状とは異なる。この「Ｄ」の形の断面は、第１寸法３９７と第２寸法３９９とを有する。一実施形態では、第１寸法３９７は０．４２７インチ（１０．８５ミリメートル）で、第２寸法３９９は０．５インチ（１２．７ミリメートル）である。

図７は、第１透視図に見られるように、第１超音波バッファ１７２（図２）から図６の第３超音波バッファ３８２へと移動する、複数の超音波信号経路３１０、３２０を示している。第３超音波バッファ３８２が示されており、第１寸法３９７は、第３超音波バッファ３８２の下壁３８７と、上壁を構成する直線エッジ３９８との間の距離である。超音波信号は、第１トランスデューサ１７４から第１超音波バッファ１７２を介して、第３超音波バッファ３８２を介して第２トランスデューサ１８４に送信される。超音波信号の一部は、図１の軸１５０と同軸である、第１（主要）超音波信号経路３１０に沿って送信される。この第１超音波信号経路３１０は、第１超音波バッファ１７２から第３超音波バッファ３８２への直線かつ直接の経路である。超音波信号のビーム拡散の結果として、超音波信号の角度成分は、第１超音波信号経路３１０に加えて他の多くの超音波信号経路に沿って移動する。たとえば、超音波信号の一部は、第２超音波信号経路３２０（図７）および第３超音波信号経路３３０（図８）に沿っても移動する。

第２超音波信号経路３２０は、最初は、第１超音波バッファ１７２の後壁１７５に沿った中央の位置１２１から１０度の角度１２２に向けられる。この第２超音波信号経路３２０は、第１超音波バッファ１７２の正面１７６で方向を変えて、流体１９２に屈折する。この第２超音波信号経路３２０は、第３超音波バッファ３８２の正面３８６で方向を変えて、流体１９２から第３超音波バッファ３８２に屈折する。第２超音波信号経路３２０は、第３超音波バッファ３８２の下壁３８７に反射すると、再び方向を変える。第２超音波信号経路３２０は、直線エッジ３９８または第３超音波バッファ３８２の上壁に反射すると、再び方向を変える。第２超音波信号経路３２０は、第３超音波バッファ３８２の後壁３８５に沿って第３超音波バッファ３８２を出て、第２超音波トランスデューサ１８４によって受信される。図示されるように、第２超音波信号経路３２０は、第１超音波信号経路３１０より長い。

図８は、第２透視図に見られるように、第１超音波バッファ１７２（図２）から図６の第３超音波バッファ３８２へと移動する、複数の超音波信号経路３１０、３３０を示している。第３超音波バッファ３８２が示されており、第２寸法３９９は、第３超音波バッファ３８２の下壁３８７と上壁３８８との間の距離である。図７と比較すると、第３超音波バッファ３８２は９０度回転している。

第３超音波信号経路３３０は、最初は、第１超音波バッファ１７２の後壁１７５に沿った中央の位置１２１から１０度の角度１２２に向けられる。この第３超音波信号経路３３０は、第１超音波バッファ１７２の正面１７６で方向を変えて、流体１９２に屈折する。この第３超音波信号経路３３０は、第３超音波バッファ３８２の正面３８６で方向を変えて、流体１９２から第３超音波バッファ３８２に屈折する。第３超音波信号経路３３０は、第３超音波バッファ３８２の下壁３８７に反射すると、再び方向を変える。第３超音波信号経路３３０は、第３超音波バッファ３８２の上壁３８８に反射すると、再び方向を変える。第３超音波信号経路３３０は、第３超音波バッファ３８２の後壁３８５に沿って第３超音波バッファ３８２を出て、第２超音波トランスデューサ１８４によって受信される。図示されるように、第３超音波信号経路３３０は、第１超音波信号経路３１０より長く、第２超音波信号経路３２０よりもわずかに長い。

図９は、図７〜８のそれぞれの超音波信号経路３１０、３２０、３３０を介して第２超音波トランスデューサ１８４によって受信される際の超音波信号に対応する、複数の受信された超音波信号波形４１０、４２０、４３０を示している。それぞれの超音波信号波形４１０、４２０、４３０は、超音波信号の代表的な部分である。図示されるように、第１超音波信号波形４１０は第１超音波信号経路３１０を介して受信され、第２超音波信号波形４２０は第２超音波信号経路３２０を介して受信され、第３超音波信号波形４３０は第３超音波信号経路３３０を介して受信される。第４（組み合わされた）超音波信号波形４４０は、超音波信号経路３１０、３２０、３３０の組合せである。

それぞれの超音波信号波形４１０、４２０、４３０は、それぞれ特定の時間に到着する前縁４１２、４２２、４３２を含む。一例示的超音波流量測定システム（１ＭＨｚ超音波信号、第１超音波バッファ１７２および第３超音波バッファ３８２がＳＳ３１６ステンレス鋼から作られ、それぞれが０．７５インチ（１９．０５ミリメートル）の長さであり、超音波バッファ１７２と超音波バッファ３８２との間に１．０インチ（２５．４ミリメートル）の水分離がある）では、第１超音波信号波形４１０の前縁４１２は、２３．５３マイクロ秒の時に第１超音波信号経路３１０を介して第２超音波トランスデューサ１８４によって受信される。第２超音波信号波形４２０の前縁４２２は、２７．１２マイクロ秒の時に第２超音波信号経路３２０を介して受信される。第３超音波信号波形４３０の前縁４３２は、２７．６１マイクロ秒の時に第３超音波信号経路３３０を介して受信され、超音波バッファ１７２、３８２の断面が異なるため、第２超音波信号波形４２０の前縁４２２の時間とは異なる。

組み合わされた超音波信号波形４４０の第１部分４１４は、第１超音波信号経路４１０を介して受信された第１超音波信号波形４１０によって与えられた、受信された超音波信号の一部であり、そこから輸送時間が決定されるべきである。第２超音波信号波形４２０および第３超音波信号波形４３０が約半分のサイクル／周期離れた（１ＭＨｚ信号につき０．５マイクロ秒）異なる時間に到着するので、これらの超音波信号波形４２０、４３０の破壊的な組合せは、組み合わされた超音波信号波形４４０の第１部分４１４よりも小さい振幅を有する、組み合わされた超音波信号波形４４０の第２部分４４４を形成する。第２部分４４４の振幅が、組み合わされた超音波信号波形４４０の第１部分４１４の振幅よりも小さいので、超音波流量測定システムの信号処理電子機器は、超音波信号の輸送時間が決定される、組み合わされた超音波信号波形４４０の第１部分４１４をより容易に識別できる。

図１０は、例示的な第４超音波バッファ５８２の断面図を示している。図２と図１０とを比較すると、第１超音波バッファ１７２の断面は第４超音波バッファ５８２の断面と異なることが示されている。図示されるように、第４超音波バッファ５８２は０．４２７インチ（１０．８５ミリメートル）の直径５９９を有し、０．５インチ（１２．７ミリメートル）である第１超音波バッファ１７２の直径１７９よりも小さい。

図１１は、第１超音波バッファ１７２（図２）から図１０の第４超音波バッファ５８２へと移動する、複数の超音波信号経路５１０、５２０、５３０を示している。超音波信号は、第１トランスデューサ１７４から第１超音波バッファ１７２を介して、第４超音波バッファ５８２を介して第２トランスデューサ１８４に送信される。超音波信号の一部は、図１の軸１５０と同軸である、第１（主要）超音波信号経路５１０に沿って送信される。この第１超音波信号経路５１０は、第１超音波バッファ１７２から第４超音波バッファ５８２への直線かつ直接の経路である。超音波信号のビーム拡散の結果として、超音波信号の角度成分は、第１超音波信号経路５１０に加えて他の多くの超音波信号経路に沿って移動する。たとえば、超音波信号の一部は、第２超音波信号経路５２０および第３超音波信号経路５３０に沿っても移動する。

第２超音波信号経路５２０は、最初は、第１超音波バッファ１７２の後壁１７５に沿った中央の位置１２１から１０度の角度１２２に向けられる。この第２超音波信号経路５２０は、第１超音波バッファ１７２の正面１７６で方向を変えて、流体１９２に屈折する。この第２超音波信号経路５２０は、第４超音波バッファ５８２の正面５８６で方向を変えて、流体１９２から第４超音波バッファ５８２に屈折する。第２超音波信号経路５２０は、第４超音波バッファ５８２の下壁５８７に反射すると、再び方向を変える。第２超音波信号経路５２０は、第４超音波バッファ５８２の上壁５８８に反射すると、再び方向を変える。第２超音波信号経路５２０は、第４超音波バッファ５８２の後壁５８５に沿って第４超音波バッファ５８２を出て、第２超音波トランスデューサ１８４によって受け入れられる。図示されるように、第２超音波信号経路５２０は、第１超音波信号経路５１０より長い。

第３超音波信号経路５３０は、最初は、第１超音波バッファ１７２の後壁１７５に沿った非中央の位置１３１から１０度の角度１３２に向けられる。第３超音波信号経路５３０は、第１超音波バッファ１７２の下壁１７７に反射すると、方向を変える。第３超音波信号経路５３０は方向を変えて、第１超音波バッファ１７２の上壁１７８に反射する。次に、第３超音波信号経路５３０は、第１超音波バッファ１７２の正面１７６で方向を変えて、流体１９２に屈折する。第３超音波信号経路５３０は、第４超音波バッファ５８２の正面５８６で方向を変えて、流体１９２から第４超音波バッファ５８２に屈折する。第３超音波信号経路５３０は、第４超音波バッファ５８２の後壁５８５に沿って第４超音波バッファ５８２を出て、第２超音波トランスデューサ１８４によって受信される。図示されるように、超音波信号経路５３０は、第１超音波信号経路５１０より長く、第２超音波信号経路５２０よりもわずかに長い。

図１２は、図１１の超音波信号経路５１０、５２０、５３０を介して第２超音波トランスデューサ１８４によって受信される際の超音波信号に対応する、複数の受信された超音波信号波形６１０、６２０、６３０を示している。それぞれの超音波信号波形６１０、６２０、６３０は、超音波信号の代表的な部分である。図示されるように、第１超音波信号波形６１０は第１超音波信号経路５１０を介して受信され、第２超音波信号波形６２０は第２超音波信号経路５２０を介して受信され、第３超音波信号波形６３０は第３超音波信号経路５３０を介して受信される。第４（組み合わされた）超音波信号波形６４０は、超音波信号経路５１０、５２０、５３０の組合せである。

それぞれの超音波信号波形６１０、６２０、６３０は、それぞれ特定の時間に到着する前縁６１２、６２２、６３２を含む。一例示的超音波流量測定システム（１ＭＨｚ超音波信号、第１超音波バッファ１７２および第４超音波バッファ５８２がＳＳ３１６ステンレス鋼から作られ、それぞれが０．７５インチ（１９．０５ミリメートル）の長さであり、超音波バッファ１７２と超音波バッファ５８２との間に１．０インチ（２５．４ミリメートル）の水分離がある）では、第１超音波信号波形６１０の前縁６１２は、２３．５３マイクロ秒の時に第１超音波信号経路５１０を介して第２超音波トランスデューサ１８４によって受信される。第２超音波信号波形６２０の前縁６２２は、２６．６１マイクロ秒の時に第２超音波信号経路５２０を介して受信される。第３超音波信号波形６３０の前縁６３２は、２７．１２マイクロ秒の時に第３超音波信号経路５３０を介して受信され、超音波バッファ１７２、５８２の断面が異なるため、第２超音波信号波形６２０の前縁６２２の時間とは異なる。

組み合わされた超音波信号波形６４０の第１部分６１４は、第１超音波信号経路５１０を介して受信された第１超音波信号波形６１０によって与えられた、受信された超音波信号の一部であり、そこから輸送時間が決定されるべきである。第２超音波信号波形６２０および第３超音波信号波形６３０が約半分のサイクル／周期離れた（１ＭＨｚ信号につき０．５マイクロ秒）異なる時間に到着するので、これらの超音波信号波形６２０、６３０の破壊的な組合せは、組み合わされた超音波信号波形６４０の第１部分６１４よりも小さい振幅を有する、組み合わされた超音波信号波形６４０の第２部分６４４を形成する。第２部分６４４の振幅が、組み合わされた超音波信号波形６４０の第１部分６１４の振幅よりも小さいので、超音波流量測定システムの信号処理電子機器は、超音波信号の輸送時間が決定される、組み合わされた超音波信号波形６４０の第１部分６１４をより容易に識別できる。

図１３は、例示的な第５超音波バッファ７８２の断面図を示している。図２と図１３とを比較すると、第１超音波バッファ１７２の断面は第５超音波バッファ７８２の断面とわずかに異なることが示されている。図示されるように、第５超音波バッファ７８２は０．５１インチ（１２．９５ミリメートル）の直径７９９を有し、０．５インチ（１２．７ミリメートル）である第１超音波バッファ１７２の直径１７９よりもわずかに大きい。さらに、この実施形態では、第１超音波バッファ１７２は本明細書ではモリブデンから作られ、第５超音波バッファ７８２はＳＳ３１６ステンレス鋼から作られる。超音波バッファに他の物質を使用することができ、それらのバッファのために異なる直径を使用することになる場合があることが理解されよう。

図１４は、第１超音波バッファ１７２（図２）から図１３の第５超音波バッファ７８２へと移動する、複数の超音波信号経路７１０、７２０，７３０を示している。超音波信号は、第１トランスデューサ１７４から第１超音波バッファ１７２を介して、第５超音波バッファ７８２を介して第２トランスデューサ１８４に送信される。超音波信号の一部は、図１の軸１５０と同軸である、第１（主要）超音波信号経路７１０に沿って送信される。この第１超音波信号経路７１０は、第１超音波バッファ１７２（図２）から第５超音波バッファ７８２への直線かつ直接の経路である。超音波信号のビーム拡散の結果として、超音波信号の他の角度成分は、第１超音波信号経路７１０に加えて他の多くの超音波信号経路に沿って移動する。たとえば、超音波信号の一部は、第２超音波信号経路７２０および第３超音波信号経路７３０に沿っても移動する。

第２超音波信号経路７２０は、最初は、第１超音波バッファ１７２の後壁１７５に沿った中央の位置１２１から１０度の角度１２２に向けられる。第２超音波信号経路７２０は、第１超音波バッファ１７２の正面１７６で方向を変えて、流体１９２に屈折する。第２超音波信号経路７２０は、第５超音波バッファ７８２の正面７８６で方向を変えて、流体１９２から第５超音波バッファ７８２に屈折する。第２超音波信号経路７２０は、第５超音波バッファ７８２の下壁７８７に反射すると、再び方向を変える。第２超音波信号経路７２０は、第５超音波バッファ７８２の上壁７８８に反射すると、再び方向を変える。第２超音波信号経路７２０は、第５超音波バッファ７８２の後壁７８５に沿って第５超音波バッファ７８２を出て、第２超音波トランスデューサ１８４によって受信される。図示されるように、第２超音波信号経路７２０は、第１超音波信号経路５１０より長い。

第３超音波信号経路７３０は、最初は、第１超音波バッファ１７２の後壁１７５に沿った非中央の位置１３１から１０度の角度１３２に向けられる。第３超音波信号経路７３０は、第１超音波バッファ１７２の下壁１７７に反射すると、方向を変える。第３超音波信号経路７３０は方向を変えて、第１超音波バッファ１７２の上壁１７８に反射する。次に、第３超音波信号経路７３０は、第１超音波バッファ１７２の正面１７６で方向を変えて、流体１９２に屈折する。第３超音波信号経路７３０は、第５超音波バッファ７８２の正面７８６で方向を変えて、流体１９２から第５超音波バッファ７８２に屈折する。第３超音波信号経路７３０は、第５超音波バッファ７８２の後壁７８５に沿って第５超音波バッファ７８２を出て、第２超音波トランスデューサ１８４によって受信される。図示されるように、第３超音波信号経路７３０は、第１超音波信号経路７１０より長く、第２超音波信号経路７２０よりもわずかに短い。

図１５は、図１４のそれぞれの超音波信号経路７１０、７２０、７３０を介して第２トランスデューサ１８４によって受信される際の超音波信号に対応する、複数の受信された超音波信号波形８１０、８２０、８３０を示している。それぞれの波形８１０、８２０、８３０は、超音波信号の代表的な部分である。図示されるように、第１超音波信号波形８１０は第１超音波信号経路７１０を介して受信され、第２超音波信号波形８２０は第２超音波信号経路７２０を介して受信され、第３超音波信号波形８３０は第３超音波信号経路７３０を介して受信される。第４（組み合わされた）超音波信号波形８４０は、超音波信号経路７１０、７２０、７３０の組合せである。

それぞれの超音波信号波形８１０、８２０、８３０は、それぞれ特定の時間に到着する前縁８１２、８２２、８３２を含む。一例示的超音波流量測定システム（１ＭＨｚ超音波信号、第１超音波バッファ１７２がモリブデンから作られ、第５超音波バッファ７８２がＳＳ３１６ステンレス鋼から作られ、それぞれが０．７５インチ（１９．０５ミリメートル）の長さであり、超音波バッファ１７２と超音波バッファ７８２との間に１．０インチ（２５．４ミリメートル）の水分離がある）では、第１超音波信号波形７１０の前縁８１２は、２３．１７マイクロ秒の時に第１超音波信号経路７１０を介して第２超音波トランスデューサ１８４によって受信される。第２超音波信号波形８２０の前縁８２２は、２６．８２マイクロ秒の時に第２超音波信号経路７２０を介して受信される。第３超音波信号波形８３０の前縁８３２は、２６．３０マイクロ秒の時に第３超音波信号経路７３０を介して受信され、超音波バッファ１７２、７８２の断面および物質が異なるため、第２超音波信号波形８２０の前縁８２２の時間とは異なる。

組み合わされた超音波信号波形８４０の第１部分８１４は、第１超音波信号経路７１０を介して受信された第１超音波信号波形８１０によって与えられた、受信された超音波信号の一部であり、そこから輸送時間が決定されるべきである。第２超音波信号波形８２０および第３超音波信号波形８３０が約半分のサイクル／周期離れた（１ＭＨｚ信号につき０．５マイクロ秒）異なる時間に到着するので、これらの超音波信号波形８２０、８３０の破壊的な組合せは、組み合わされた超音波信号波形８４０の第１部分８１４よりも小さい振幅を有する、組み合わされた超音波信号波形８４０の第２部分８４４を形成する。第２部分８４４の振幅が、組み合わされた超音波信号波形８４０の第１部分８１４の振幅よりも小さいので、超音波流量測定システムの信号処理電子機器は、超音波信号の輸送時間が決定される、組み合わされた超音波信号波形８４０の第１部分８１４をより容易に識別できる。

本明細書は、本発明を開示するために、また当業者の誰もがあらゆる装置またはシステムを作成および使用してあらゆる包含された方法を実行することを含む本発明の実施を可能にするためにも、最良の形態を含めて例を使用する。本発明の特許性の範囲は特許請求の範囲において定義され、当業者が想到する他の例を含みうる。そのような他の例は、それらの例が特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有する場合、またはそれらの例が特許請求の範囲の文言とは実質的に差のない同等の構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内であるものとする。たとえば、開示された実施形態では、キャップの第１セクションおよび第２セクションは、基板の第１の平坦な表面に対して実質的に平面状に配置されて示されているが、セクションは異なる配向で（たとえば、基盤の第１の平坦な表面に対して傾斜で）配置されうることが理解されよう。

１００ 例示的な超音波流量測定システム
１１０ 第１（主要）超音波信号経路
１２０ 第２超音波信号経路
１２１ 中央の位置
１２２ 角度
１３０ 第３超音波信号経路
１３１ 非中央の位置
１３２ 角度
１５０ 軸
１７０ 第１超音波流量センサ
１７２ 第１超音波バッファ
１７３ 第１超音波バッファ１７２の断面
１７４ 第１超音波トランスデューサ
１７５ 超音波バッファ１７２の後壁
１７６ 超音波バッファ１７２の正面
１７７ 超音波バッファ１７２の下壁
１７８ 超音波バッファ１７２の上壁
１７９ 第１超音波バッファ１７２の直径
１８０ 第２超音波流量センサ
１８２ 第２超音波バッファ
１８３ 第２超音波バッファの断面
１８４ 第２超音波トランスデューサ
１８５ 超音波バッファ１８２の後壁
１８６ 超音波バッファ１８２の正面
１８７ 超音波バッファ１８２の下壁
１８８ 超音波バッファ１８２の上壁
１８９ 第２超音波バッファ１８２の直径
１９０ パイプ
１９２ 流体
２１０ 第１超音波信号波形
２１２ 第１超音波信号波形２１０の前縁
２１４ 組合された超音波信号波形２４０の第１部分
２２０ 第２超音波信号波形
２２２ 第２超音波信号波形２２０の前縁
２３０ 第３超音波信号波形
２３２ 第３超音波信号波形２３０の前縁
２４０ 第４（組み合わされた）超音波信号波形
２４４ 第４（組み合わされた）超音波信号波形２４０の第２部分
３１０ 第１（主要）超音波信号経路
３２０ 第２超音波信号経路
３３０ 第３超音波信号経路
３８２ 第３超音波バッファ
３８３ 第１セクション
３８４ 第２セクション
３８５ 後壁
３８６ 正面
３８７ 下壁
３８８ 上壁
３９７ 第３超音波バッファ３８２の第１寸法
３９８ 第３超音波バッファ３８２の直線エッジ
３９９ 第３超音波バッファ３８２の第２寸法
４１０ 第１超音波信号波形
４１２ 第１超音波信号波形４１０の前縁
４１４ 第４（組み合わされた）超音波信号波形４４０の第１部分
４２０ 第２超音波信号波形
４２２ 第２超音波信号波形４２０の前縁
４３０ 第３超音波信号波形
４３２ 第３超音波信号波形４３０の前縁
４４０ 第４（組み合わされた）超音波信号波形
４４４ 組み合わされた超音波信号波形４４０の第２部分
５１０ 第１（主要）超音波信号経路
５２０ 第２超音波信号経路
５３０ 第３超音波信号経路
５８２ 第４超音波バッファ
５８３ 第４超音波バッファ５８２の断面
５８５ 後壁
５８７ 下壁
５８８ 上壁
５９９ 第４超音波バッファ５８２の直径
６１０ 第１超音波信号波形
６１２ 第１超音波信号波形６１０の前縁
６１４ 組み合わされた超音波信号波形６４０の第１部分
６２０ 第２超音波信号波形
６２２ 第２超音波信号波形６２０の前縁
６３０ 第３超音波信号波形
６３２ 第３超音波信号波形６３０の前縁
６４０ 第４（組み合わされた）超音波信号波形
６４４ 第４（組み合わされた）超音波信号波形６４０の第２部分
７１０ 第１（主要）超音波信号経路
７２０ 第２超音波信号経路
７３０ 第３超音波信号経路
７８２ 第５超音波バッファ
７８３ 第５超音波バッファの断面
７８５ 後壁
７８７ 下壁
７８８ 上壁
７９９ 第５超音波バッファ７８２の直径
８１０ 第１超音波信号波形
８１２ 第１超音波信号波形８１０の前縁
８１４ 組み合わされた超音波信号波形８４０の第１部分
８２０ 第２超音波信号波形
８２２ 第２超音波信号波形８２０の前縁
８３０ 第３超音波信号波形
８３２ 第３超音波信号波形８３０の前縁
８４０ 第４（組み合わされた）超音波信号波形
８４４ 組み合わされた超音波信号波形８４０の第２部分

Claims (11)

1. 第１超音波トランスデューサおよび第１超音波バッファを備える第１超音波センサと、
   第２超音波トランスデューサおよび第２超音波バッファを備える第２超音波センサであって、軸に沿って前記第１超音波センサと整列している第２超音波センサと、
   を備え、
   前記第１超音波バッファが前記軸に垂直である第１断面を有し、前記第２超音波バッファが前記軸に垂直である第２断面を有し、前記第１超音波バッファの前記第１断面が前記第２超音波バッファの前記第２断面と異なり、
   前記第１超音波バッファの前記第１断面が第１直径を有し、前記第２超音波バッファの前記第２断面が第２直径を有し、前記第１直径が前記第２直径と異なる、
   超音波流量測定システム。
2. 前記第１超音波バッファの前記第１断面が第１形状を有し、前記第２超音波バッファの前記第２断面が第２形状を有し、前記第１形状が前記第２形状と異なる、請求項１に記載の超音波流量測定システム。
3. 前記第１超音波バッファの前記第１断面が円形であり、前記第２超音波バッファの前記第２断面が円形の第１セクションと直線エッジの第２セクションとを有する、請求項１に記載の超音波流量測定システム。
4. 前記第１直径が前記第２直径よりも大きい、請求項１に記載の超音波流量測定システム。
5. 前記第１超音波バッファが第１物質で構成され、前記第２超音波バッファが第２物質で構成され、前記第１物質が前記第２物質と異なる、請求項１に記載の超音波流量測定システム。
6. 前記第１物質がモリブデンであり、前記第２物質がステンレス鋼である、請求項５に記載の超音波流量測定システム。
7. 第１超音波トランスデューサおよび第１超音波バッファを備える第１超音波センサと、
   第２超音波トランスデューサおよび第２超音波バッファを備える第２超音波センサであって、軸に沿って前記第１超音波センサと整列している第２超音波センサと、
   を備え、
   前記第１超音波バッファが前記軸に垂直である第１断面を有し、前記第２超音波バッファが前記軸に垂直である第２断面を有し、
   前記第１超音波バッファの前記第１断面が第１形状を有し、前記第２超音波バッファの前記第２断面が第２形状を有し、前記第１形状が前記第２形状と異なり、
   前記第１超音波バッファの前記第１断面が第１直径を有し、前記第２超音波バッファの前記第２断面が第２直径を有し、前記第１直径が前記第２直径と異なる、
   超音波流量測定システム。
8. 前記第１超音波バッファの前記第１断面が円形であり、前記第２超音波バッファの前記第２断面が円形の第１セクションと直線エッジの第２セクションとを有する、請求項７に記載の超音波流量測定システム。
9. 第１超音波トランスデューサおよび第１超音波バッファを備える第１超音波センサと、
   第２超音波トランスデューサおよび第２超音波バッファを備える第２超音波センサであって、軸に沿って前記第１超音波センサと整列している第２超音波センサと、
   を備え、
   前記第１超音波バッファが前記軸に垂直である第１断面を有し、前記第２超音波バッファが前記軸に垂直である第２断面を有し、
   前記第１超音波バッファの前記第１断面が第１直径を有し、前記第２超音波バッファの前記第２断面が第２直径を有し、前記第１直径が前記第２直径と異なる、
   超音波流量測定システム。
10. 前記第１直径が前記第２直径よりも大きい、請求項９に記載の超音波流量測定システム。
11. 前記第１超音波バッファの前記第１断面が円形であり、前記第２超音波バッファの前記第２断面が円形の第１セクションと直線エッジの第２セクションとを有する、請求項９に記載の超音波流量測定システム。