JPH0375807B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波センサ装置に係り、とくに漏
洩波を利用して流動体等の音速をリモート計測し
得るようにした超音波センサ装置に関する。

〔従来の技術〕

超音波を利用した物体の音速測定又は物体の温
度測定では、一方の超音波センサから出力される
縦波超音波を被測定物を介して他方の超音波セン
サへ直接伝播させるという構成を採つている。そ
して、この間に繰り返し授受される超音波の伝播
時間およびその変化により、音速又は温度および
これらの変化等を測定しようとするものが大多数
を占めている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

高温流動体又は危険な状況下にある流動体の監
視或いは液状危険物等に対する温度変化の監視に
使用される超音波センサは、これらの劣悪環境下
でも充分耐えることが必要とされている。

しかしながら、一般の超音波センサは、振動子
と保護体との複合体から成り、これらが接合材に
より一体化されているため、使用温度に上限（約
400〔℃〕）があり、500〜800〔℃〕の温度を定常的
に連続測定することが不可能に近い状況となつて
いた。また、振動子や保護体は、化学的にも汚損
され易いものが多く、特に温度変化の激しい環境
下では、劣化の進行が著しく早いという不都合が
ある。

〔発明の目的〕

本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善
し、とくひ、流動体や軟質部材を対象として、こ
れらが例え有害物であり或いは常時高温下におか
れているものであつても、これら被測定物の音速
およびその変化を高精度にリモート測定すること
ができ、これによつて当該被測定物の温度や粘性
およびそれらの変化等を高精度に特定することを
可能とした超音波センサ装置を提供することを、
その目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明では、一定距離を隔てて配設さ
れた弾性体からなる一定の超音波導波路と、これ
ら一対の超音波導波路の各一端部に装備された超
音波送受波器とを有し、前記各超音波導波路の他
端部に超音波反射手段を設ける等の構成を採り、
これによつて前記目的を達成しようとするもので
ある。

〔発明の第１実施例〕 以下、本発明の第１実施例を第１図ないし第４
図に基づいて説明する。

第１図において、超音波センサ装置は、一定距
離Ｄを隔てて配設された一対の板状（帯状でも
可）の超音波導波路（以下、単に「導波路」とい
う）１，２と、この各導波路１，２の一端部に装
備された超音波送受波器３，４とを備えている。

導波路１，２は、本実施例ではステンレス製で
同一長さのものが使用されている。この導波路
１，２の他端部は、図に示すように被測定媒体５
内に配設されるようになつている。

超音波送受波器３，４は、本実施例では一方の
超音波送受波器３が送波器として使用され、他方
の超音波送受波器４が受波器として使用されてい
る。この送波器３及び受波器４の各々は、導波路
１，２の一端部の側面に装着されている。そし
て、送波器３から導波路１に対して超音波（縦
波）が斜入射されるようになつている。受波器４
は送波器３の送信作用と略同一条件で導波路２か
ら超音波を受信し得るようになつている。

１Ａ，２Ａは各々超音波反射手段としての導波
路１，２の端面を示す。

ここで、導波路１，２内を伝播する波動及び被
測定媒体５内の伝播状況について説明する。

導波路を液体又は固体に接すると、導波路中を
伝搬する音波エネルギの一部は接触媒体に漏洩す
る性質がある。この性質を利用し、上記接触媒体
を介在させて、一対の導波路を配置すると、一方
を伝搬していた音波のエネルギの一部は接触媒体
を介してもう一方の音波導波路に伝播する。この
時、接触媒体中を伝播するのに要する時間を測定
することにより、被接媒体の音速を検出できる。

送波器３から導波路１に超音波が送信される
と、この波動は被測定媒体５の方向に向けて導波
路１内を伝搬する。この場合、超音波が導波路１
中を伝搬する速度の内、位相速度をV_p、群速度
をV_gとする。導波路１が被測定媒体５に接し、
この時の被測定媒体５の音速Ｖが、導波路１の位
相速度V_pより小さい場合、導波路１中を伝搬す
る超音波エネルギの一部は被測定媒体５内に被射
される。そして、この時の被射角θは次式により
決まる。

θ＝sin^-1（Ｖ／V_p） 被測定媒体５に入つた超音波は、導波路２に到
達し、この導波路２に沿つて伝搬する波と、ここ
で反射して媒体５側に戻る波とがある。このよう
にして、導波路２に沿つて進み、その先端２Ａで
反射して、受波器４に到達する波が存在する。

今、２つの導波路１，２の長さが等しい場合、
導波路間の間隔をＤとすると、被測定媒体中経路
がＮ行程の受信波の到達時間は、 t_N＝〔（2L−ND tanθ）／V_g〕 ＋〔ND／Ｖ cosθ〕＋τ₁＋τ₂ …… ここで、τ₁、τ₂は送受信の際の固定遅延量であ
る。

次に、Ｎ＝１、３の場合についてその差を求め
ると、 Δt＝2D〔(1/V cosθ)−（tanθ／V_g）〕 …… 従つて、被測定媒体５の音速Ｖは次式から求ま
る。

（4D²＋V_g ²Δt²）V⁴ −（8D²V_pV_g＋V_p ²V_g ²Δt²）V² ＋4D²V_p ²V_g ²＝０ …… 従つて、Δtを測定すれば、即知のＤ、V_g、V_p
により式から被測定媒体５の音速Ｖが求まる。

これら一連の演算は、表示機能を備えた本体の
演算部（図示せず）にて行われる。

次に、上記第１実施例における具体的な実験結
果について説明する。

導波路１，２として、板厚0.95〔mm〕の鋼板を
使用し、送受波器３，４として周波数１〔ＭHz〕
の可変角探触子を使つた。可変角探触子のクサビ
をアクリルで、入射角は31.5度に固定し、S_pモー
ドの板波が被導波となるようにした。被測定媒体
として水道水（21〔℃〕）を用いた。従つて、この
場合、被導波の群速度V_g、及び位相速度V_pは、
被測定媒体５内でもほぼS_pモードに等しいと考え
て良い（I.A.Viktrov.「Rayleigh and Lamb
Waves」P.117）。

印加した電気パルスは、200〔V_pp〕の正弦２波
である。観測された受信波形の１例を第２図に示
す。図中、Ｔは送波器の波形を示し、Ｐは受波器
の受信波形を示す。Ｎ＝１、３はそれぞれ水中経
路が１行程及び３行程となる波を示す。＊印はＮ
＝１の波がさらに導波路２を１往復した波の受信
波形を示す。本例では、Δt＝75.1〔μs〕であつた。
＊印の波とＮ＝１の波の到達時間差から被導波の
群速度が実験的に求まり、V_g≒5200〔ｍ／ｓ〕と
なる。また、アクリルの音速2720〔ｍ／ｓ〕と可
変角探触子の設定入射角31.5度とから位相速度が
計算でき、V_p≒5300〔ｍ／ｓ〕であつた。

一方、式の関係を、導波路間隔Ｄを変えて実
測により確認した結果を第３図に示す。これよ
り、Δt／Ｄ＝1.26〔μs／mm〕を得ることができた。
先に求めたV_g、V_pにより式から水の音速が算
出できる。その結果を第４図に示す。温度は、３
点をとつて測定した。結果は、一般に公表されて
いる値と非常に良く一致している。

このように、この第１実施例によると、導波路
１，２の長さに無関係に被測定媒体５の音速Ｖを
有効に求めることができ、受信波の内の第１波と
第３波の受信波の時間差を検出するだけで、当該
被測定媒体５の音速Ｖを求めることができ、導波
路１，２の長さが無関係であることから、例えば
高温流体又は危険性の高い流体に対し遠方からの
リモート計測が可能となり、従つて送波器３及び
受波器４として通常のものを使用しても、充分耐
久性を確保することができるという利点がある。
また、被測定媒体５に対する導波路１，２の挿入
寸法を大きく設定すると受信感度が大きくなるが
測定精度には直接の関係がないことから、導波路
１，２の長さおよび被測定媒体５内への投入寸法
も特に厳密さを要求されず、従つて取扱いがいた
つて容易となるというリモート計測用として優れ
た性質を備えた超音波センサ装置を得ることがで
きる。

また、被測定媒体５への挿入寸法がそのまま受
波器４で受信する超音波レベルの大小に直接関係
することから、被測定媒体５の液面水位等も同時
に検知することができるという利点もある。

更に、上記第１実施例において導波路を板状部
材により形成した場合を例示したが、他の部材、
例えば丸棒部材、適当な針金状部材、パイプ状部
材などで導波路を形成したものであつてもよい。

〔第２実施例〕 次に、第２実施例を第５図に基づいて説明す
る。

ここで、前述した従来例と同一の構成部材につ
いては同一の付号を用いることとする。

この第５図において、超音波センサ装置は、一
定距離Ｄを隔てて配設されたステンレス製の板部
材からなる一対の導波路１，２と、この各導波路
１，２の一方の端部に装着された送受波器３，４
と、前記導波路１，２の一方の端部の相互間に介
挿されたスペーサ１０とを備えている。

送受波器３は、本実施例では送波器として使用
され圧電振動子３Ａと有機ガラス製のクサビ３Ｂ
とを備えた斜角探触子型のものが使用されてい
る。

また、受波器として作用する送受波器４も送波
器３と全く同様に構成されている。そして、これ
ら各送受波器３，４は、第５図に示す如く対応す
る導波路１，２の一端部に固着されている。

スペーサ１０は、絶縁材から成るブロツク１０
Ａと、このブロツク１０Ａの両端部に固着された
遮音部材１０Ｂとにより構成されている。遮音部
材１０Ｂとしては、導波路１，２の音響インピー
ダンスとは大幅に異なる音響インピーダンスを有
する部材が使用されている。また、このスペーサ
１０は、前述した送受波器３，４の反対側に位置
するように導波路１，２によつて挟持されてい
る。

送受波器３，４の外側には、吸音部材１１，１
２が各々設けられている。そして、この吸音部材
１１，１２を介して前述した送受波器３，４、導
波路１，２及びスペーサ１０の全体がクランプ機
構１５によつてクランプされ、該クランプ機構１
５の有する止めねじ１５Ａ，１５Ｂによつて第５
図の如く固定されるようになつている。

この場合、スペーサ１０の遮音部材１１，１２
は、全体的には遮音性あるアスベスト等の断熱材
又は発泡プラスチツクを用いて構成されている。
この発泡プラスチツクの前記導波路１，２に対す
る音響インピーダンスは、その差が1000〜10000
倍となつている。このため、ブロツク６側に伝播
する超音波エネルギはほとんど無視し得る状態と
なつている。

このようにしても、前述した第１実施例と同一
の作業効果を有し、更にスペーサ１０の作用によ
り弾性波の伝播を妨害することなく導波路１，２
の相互間の寸法を有効に維持することができると
いう利点がある。

〔第３実施例〕 次に、第３実施例を第６図に基づいて説明す
る。

この実施例は、前述した第２実施例において、
受波器４側の導波路２が送波器３側の導波路１よ
りもΔLだけ短い寸法に設定されている。その他
の構成は前述した第２実施例と全く同一となつて
いる。

ここで、この第３実施例における超音波の伝播
状況について説明する。

この実施例の場合も、導波路１の長さがＬでそ
の先端で反射して、なおかつ、被測定媒体中経路
がＮ行程の受信波の到達時間が式で表わせる。
次に、他方の導波路２の先端で反射して、なおか
つ、被測定媒体中の経路が３行程である受信波の
到達時間t₂′は、次式で求まる。

t₂′＝〔２(L-ΔL)−3D tanθ）／V_g ＋〔（3D／Ｖ cosθ）／Ｖ〕＋τ₁＋τ₂ …… tτ₁とt₂′の時間差Δt′は次式となる。

Δt′＝2ΔL／V_g …… 従つて、この場合は、式より導波路そのもの
の群速度が得られる。

一方、このことを逆に利用し、予めこの導波路
の群速度の温度依存性を測定して知つていれば、
被測定媒体５の温度が求まり、このセンサは、温
度センサとなる。これは、被測定媒体５の音速の
温度依存性を予め知らなくても温度が測定でき、
なおかつ、被測定媒体５の音速も測定できるの
で、音速と温度の関係をも知ることができて都合
がよい。

〔第４実施例〕 次に、第４実施例を第７図に基づいて説明す
る。

この第４実施例は、同一長さの導波路４１，４
２を断面円形状とするとともに、これら各導波路
４１，４２の一端部に集音ガイド部４３Ａ，４４
Ａを各々設け、この集音ガイド部４３Ａ，４４Ａ
を介して送受波器４３，４４を装着し、更にこの
送受波器４３，４４に近接して導波路４１，４２
の相互間にスペーサ４５を装備した構造となつて
いる。このスペーサ４５は、導波路４１，４２と
の当接部に遮音部材４５Ａ，４５Ｂを有してい
る。

導波路４１，４２の他端部は比較的尖鋭に形成
され、この尖鋭端部４１Ａ，４２Ａに近接した導
波路４１，４２上に、超音波反射手段としてのノ
ツチ部４１Ｂ，４２Ｂが形成されている。

このため、この第４実施例では、導波路４１，
４２に沿つて伝播した波動は、ノツチ部４１Ｂ，
４２Ｂで各々反射されて受波器４４で検知される
ようになつている。このため、この第４実施例の
もものは、軟質部材を対象とした固形物の音速測
定に好適なものとなつている。その他の構成及び
作用効果は、前述した第１実施例と略同様となつ
ている。

なお、上記各実施例ではスペーサ１０，４５を
導波路１，２又は４１，４２の一端部に装備する
か又は特に使用しない場合を例示したが、このス
ペーサについては、漏洩波の伝播に支障をきたさ
ない範囲又は構造であれば例えば先端部（他端
部）にも装備する等、複数箇所に装備してもよ
い。

また、上記各実施例では、導波路１，２又は４
１，４２を、それぞれ一対とした場合を例示した
が、例えば導波路を第８図に示す如く三本として
両側を受信用としたものであつてもよい。被測定
媒体が例えば層状のものに対しては、その位相速
度Ｖと温度及び群速度を同時に検出することがで
きる。この第８図において、５５，６５はスペー
サを示し、４２，５２は受信側の導波路を示す。
また４３は送信器を、又４４，５４はそれぞれ受
信器を示す。更に、スペーサ１０，４５と同等に
機能するものであれば、例えば各導波路の対向側
とは反対の側から当該各導波路を支持する構造の
ものを採用してもよい。

さらに、導波路対の形状を第１０図に示すよう
に、互いに向きあつた半円筒状のものにする実施
例もある。この場合には、導波路対が互いにレン
ズの役目をしているので、一方の導波路から他方
の導波路に音波エネルギが移動する際の効率が極
めて良いことと同時に、導波路の幅Ｂを余り大き
くとれないときに導波路の剛性を高める効果を有
するので、軟質組織等の音速を測定する際に有効
となる。

また、これまでは一対の超音波送受波器のいず
れか一方を送波器として、他方を受波器として使
用したが、２つの送受波器をともに送波器として
利用し、且つ、受波器としても利用することによ
り送受信感度の向上が期待できるとともに、第１
１図に示すように、受信波として被測定媒体中の
経路が奇数行程のものばかりでなく、偶数行程の
ものも受信できるので、確実な情報を多く得るこ
とができ、信号処理に際しての精度向上等を充分
に図り得るという利点がある。

〔発明の効果〕

本発明は以上のように構成され機能するので、
これによると、導波路の長さに無関係に被測定媒
体の音速を高精度に測定することができ、これが
ため、被測定媒体が例えば高温流体又は危険性の
高い流体であつても、遠方からリモート計測が充
分に可能となり、従つて、超音波送受波器として
通常のものを使用しても、充分な耐久性を確保す
ることができるという従来にない使い易く且つ耐
久性良好な、そしてリモート計測用として好適な
超音波センサ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す一部省略し
た正面図、第２図は第１図の構成に基づく実験に
より得られた送信波と受信波の波形を示す説明
図、第３図は第１図の実験結果を示す線図、第４
図は第１図の実験結果に基づいて得られた水の音
速を示す図表、第５図は第２実施例を示す一部省
略した正面図、第６図は第３実施例を示す一部省
略した正面図、第７図は第４実施例を示す一部省
略した正面図、第８図は第７図の右側面図、第９
図は他の実施例を示す説明図、第１０図は他の実
施例を示す導波路部分の断面図、第１１図はその
他の異なつた方式の実施例により検出された信号
波形を示す説明図である。 １，２，４１，４２……導波路、３，４，４
３，４４……超音波送受波器、１Ａ，２Ａ……超
音波反射手段としての端面、４１Ｂ，４２Ｂ……
超音波反射手段としてのノツチ部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一定距離を隔てて配設された弾性体からなる
   一対の超音波導波路と、これら一対の超音波導波
   路の各一端部に装備された超音波送受波器とを有
   し、前記各超音波導波路の他端部に超音波反射手
   段を設けたことを特徴とする超音波センサ装置。 ２ 前記一対の超音波導波路が、一対の弾性板で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の超音波センサ装置。 ３ 前記一対の超音波導波路が、一対の丸棒状の
   部材により形成されていることを特徴とした特許
   請求の範囲第１項記載の超音波センサ装置。 ４ 前記一対の超音波導波路が、一対のパイプ状
   部材により形成されていることを特徴とした特許
   請求の範囲第１項記載の超音波センサ装置。 ５ 前記一対の超音波導波路は、超音波の伝播方
   向の長さが同一寸法の超音波導波路により形成さ
   れていることを特徴とした特許請求の範囲第１、
   ２、３又は４項記載の超音波センサ装置。 ６ 前記一対の超音波導波路は、超音波の伝播方
   向の長さが異なつた寸法の超音波導波路により形
   成されていることを特徴とした特許請求の範囲第
   １、２、３又は４項記載の超音波センサ装置。 ７ 前記超音波送受波器を、前記各超音波導波路
   の側面に装着したことを特徴とした特許請求の範
   囲第１項記載の超音波センサ装置。 ８ 前記超音波送受波器を、前記各超音波導波路
   の中心線に直交して装着したことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の超音波センサ装置。 ９ 一定距離を隔てて配設された弾性体からなる
   一対の超音波導波路と、これら一対の超音波導波
   路の各一端部に装備された超音波送受波器とを有
   し、前記各超音波導波路の他端部に超音波反射手
   段を設け 前記各超音波導波路の一端部の相互間にスペー
   サを配設するとともにこのスペーサの前記各超音
   波導波路との当接部に遮音部材を装備したことを
   特徴とする超音波センサ装置。 １０ 前記超音波送受波器を、前記各超音波導波
   路を介して前記遮音部材の反対側に装備したこと
   を特徴とする特許請求の範囲第９項記載の超音波
   センサ装置。 １１ 一定距離を隔てて配設された弾性体からな
   る一対の超音波導波路と、これら一対の超音波導
   波路の各一端部に装備された超音波送受波器とを
   有し、前記各超音波導波路の他端部に超音波反射
   手段を設け 前記各超音波導波路の両端部相互間にスペーサ
   を各々配設するとともに、この各スペーサの前記
   各超音波導波路との当接部に遮音部材を装備し、
   前記他方の端部のスペーサの内側に位置する超音
   波導波路に超音波反射手段を設けたことを特徴と
   する超音波センサ装置。 １２ 一定距離を隔てて配設された弾性体からな
   る一対の超音波導波路と、これら一対の超音波導
   波路の各一端部に装備された超音波送受波器とを
   有し、前記各超音波導波路の他端部に超音波反射
   手段を設け 前記各超音波導波路の他端部の先端を比較的鋭
   く形成するとともに、この先端に近接した適当な
   位置に超音波反射手段を設けたことを特徴とする
   超音波センサ装置。