JPH0375808B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、音速測定方法およびその装置に係
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音速測定方法および
その装置に関する。

〔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媒体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、とくに、流動体や軟質部材等の被測定物が例
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測定することのできる音
速測定方法およびその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、同一に形成された一対の
超音波導波路を一定距離をおいて相互に対向させ
るとともに、これら超音波導波路の各他端部相互
間に被測定媒体を介在せしめ、その後、前記一方
もしくは他方の超音波導波路の使用超音波におけ
る位相速度V_pと群速度V_gとを測定し、これらの
測定に相前後して当該超音波導波路の一端部から
他端部に向けて超音波を伝播せしめるとともに当
該超音波導波路から漏洩した超音波が被測定媒体
を介して他方の超音波導波路の一端部で最初に受
信されるまでの時間と、当該他方の超音波導波路
から更に被測定媒体内へ漏洩した超音波が前記一
方の超音波導波路との間を往復伝播して受信され
るまでの時間との差Δtを求め、これらの各測定
値に基づいて下式、すなわち、 F₁（V_p、V_g、Δt、Ｖ）＝０ を演算することにより被測定媒体の音速Ｖを特定
する等の構成を採り、これによつて前記目的を達
成しようとするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第７図
に基づいて説明する。

第１図において、音速測定装置は、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の送信作用とほぼ同一条件で導波路２
から超音波を受信し得るようになつている。

１Ａ，２Ａ，１Ｂ，２Ｂ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液体又は固体の被
接触媒体に漏洩する性質がある。この性質を利用
し、上記被接触媒体内に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
被接触媒体を介してもう一方の導波路に伝播す
る。この時、被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、被接触媒体の音速を
算定できる。

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内に放射
される。そして、この時の放射角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。導波路２
に沿つて進んだ波は、その先端２Ａで反射して、
受波器４に到達する。

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行程の各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）〕 …… この式及び前述した式より、被測定媒体５
の音速Ｖを求める式として次式を得る。

F₁（V_p、V_g、Δt、Ｖ）＝（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、これと即知のＤ及
び別に測定するV_g、V_pにより式から被測定媒
体５の音速Ｖが求まる。

ここで、前記導波路１を伝播する超音波の位相
速度V_pと群速度V_gを求める場合の動作原理につ
いて説明する。

まず、第４図に、超音波送受波器３のクサビ部
材３Ａと超音波振動子３Ｂとを示す。このクサビ
部材３Ａは、断面が台形状をなし、その一方の斜
面３ａに超音波振動子３Ｂが固着されている。ま
た、他方の斜面３ｃは、超音波振動子３Ｂから発
信された超音波が入射面３ｂで反射してクサビ部
材３Ａ内を伝播する場合の当該伝播経路に直交す
る面を構成するようになつている。このため、ク
サビ部材３Ａ内を伝播する内部反射波は、その一
部が超音波振動子３Ｂに戻るようになつている。
l₁、l₁′は、その場合の伝播経路及び距離を示す。

従つて、この時のクサビ部材３Ａ内の超音波の
全伝播時間T₀を測定することにより、クサビ部
材３Ａ内の音速C_pは次式によつて算出し得る。

C_p＝２（l₁＋l₁′）／T₀ …… また、クサビ部材３Ａの音速C_Pと導波路１を
伝播する超音波の位相速度V_pとの間には、次式
の関係がある。

V_p＝C_P／sinθ_i …… 但し、θ_i：入射角（第４図参照） さらに、第１図に示す如く、導波路１の長さを
Ｌとし、超音波振動子３Ｂから発信された超音波
が導波路１を伝播してその先端で反射して超音波
振動子３Ｂに到達する場合の伝播時間をＴとする
と、導波路１を伝搬する超音波の群速度V_gは、
次式で表される。

V_g＝2L／Ｔ …… となる。ここで、Ｌは固定値であることから、結
局、式における全伝播時間Ｔを計時し当該式
を演算することにより、必要とする導波路１の群
速度を極く容易に算定することができる。

この群速度及び位相速度の演算は、後述する信
号処理部２０の第１演算部１３Ｂでとり行われ
る。

ここで、信号処理系について更に詳述すると、
受信回路部２１で受信される信号は、信号選択手
段１３Ａを介して計時手段１３へ送られ、ここで
伝播時間の計時が行われたのち信号処理部２０に
て所定の処号処理がなされる。この信号処理部２
０は、第１図に示すように第１のメモリ１４と、
時間差算定手段１５と、記憶手段としての第２の
メモリ１６と、第２演算部１７とを有し、更に前
記計時手段１３と第２のメモリ１６との間に第１
演算部１３Ｂを備えた構成となつている。この信
号処理部２０では、導波路１（又は２）の位相速
度V_p、群速度V_g及び被測定媒体の音速Ｖが演算
される。この信号処理部２０における演算結果
は、表示手段１８で表示されるようになつてい
る。

信号処理部２０及び前述した計時手段１３等の
各電気系は、それぞれ主制御部３０によつて駆動
制御されるようになつている。

この主制御部３０は回路全体の動作のタイミン
グを一致させるための全体的な駆動制御信号を出
力するほか、測定時の導波路１又は２における超
音波位相速度を求める第１の制御機能と、同じく
導波路１又は２の超音波群速度を求める第２の制
御機能と、被測定媒体の音速を求める第３の制御
機能とを有している。主制御部３０のこれらの制
御機能は、本実施例では測定条件設定部３０Ａを
用いてオペレータの外部指令によつて切換えられ
るようになつている。

次に、上記実施例の全体的な動作について説明
する。

まず最初に、被測定媒体に対して導波路１，２
及び超音波送受波器３，４を第１図の如く配設す
る。続いて、装置全体を稼働させると、受信側で
は第２図又は第３図に示す受信波形が得られる。

この内、第２図のものは、超音波送受波器４を
電気的に切り離して一方の超音波送受波器３だけ
で送信動作と受信動作とを行わせた場合に得られ
る波形、すなわち導波路２を反射部材として使用
した場合に得られる波形を示す。ここで、TRは
送信波を又REは受信波を示す。受信波REのう
ち、W₁は超音波送受波器３内の反射面３Ｃで反
射されてきた受波を、W₂は超音波送受波器３内
の反射面３Ｃで２回反射されてきた受波を示す。
また、Ｎ＝２は被測定媒体中経路を２行程通つて
きた受波を、Ｎ＝４は同様に４行程通つてきた受
波を各々示す。＊印は、Ｎ＝２の波が受波されて
から導波路１を１往復するのに要する時間分だけ
遅れてきた受波を示す。

また、第３図のものは、超音波送受波器３を送
波器とし超音波送受波器４と受波器とした場合に
得られる波形を示す。ここで、Ｎ＝１は被測定媒
体中経路を１行程だけ通つてきた受波を、Ｎ＝３
は同様に３行程通つてきた受波を各々示す。ま
た、＊印はＮ＝１の波が受波されてから導波路２
を１往復するのに要する時間分だけ遅れたきた受
波を示す。

Ｎ＝１の受信波については、次の二つの伝播経
路が存在する。第１の伝播経路は、導波路１を他
端に向つて伝播中に漏洩した超音波が導波路２へ
伝播し、当該導波路２の他端で反射して超音波送
受波器４に到達する場合がそれである。

第２の伝播経路は、導波路１の他端にて反射し
た超音波が超音波送受波器３の方向へ戻る途中に
被測定媒体中に漏洩して導波路２へ伝播し超音波
送受波器４に到達する場合がそれである。

いづれの場合も伝播時間は同一である。

次に、主制御部３０の第１の制御機能を稼働さ
せ、回路全体を測定時における導波路１（又は
２）部分の位相速度V_pの測定状態（位相速度測
定モード）に設定する。回路全体がこの位相速度
測定モードに設定されると、他方の超音波送受波
器４が送受信切換部１０から電気的に切離され、
一方の超音波送受波器３だけで送信動作と受信動
作を行い得るように設定される（この場合、送受
波器３の代りに送受波器４を用いてもよい）。第
５図はこの場合の送受信信号の伝送状態を示すも
ので、発信回路部１１から送信された送信信号
TRは、超音波送受波器３及び受信回路部１２へ
同時に送られ、また超音波送受波器３からの内部
反射波REも受信回路部１２へ送られる。この各
信号TR及びREは、信号選択手段１３Ａを通過
して計時手段１３へ送られ、ここで前述した時間
T₀（但し、T₀＝t₁＝t₂）が計時され、その時間デ
ータが第１演算部１３Ｂへ送られる。第１演算部
１３Ｂでは、測定時間T₀に基づいて式及び式
の演算が行われ、その結果が第２のメモリ１６
に記憶されるとともに表示手段１８に表示される
ようになつている。

次にオペレータによつて主制御部３０の第２の
制御機能が稼働されると、回路全体が導波路１の
群速度測定モードに設定される。

この場合、本実施例では一方の超音波送受波器
３が送信動作をなし他方の超音波送受波器４が受
信動作をなす。すなわち、送信信号TRと受信信
号REとは第６図の如く伝送される。この各信号
TR，REは、信号選択手段１３Ａを通過（信号
選択手段がＮ＝１と＊印の信号を選択）して計時
手段１３Ａへ送られ、ここで前述した時間Ｔ（但
し、Ｔ＝t₃）がＮ＝１と＊印の受信信号の到達時
間差として計時され、その時間データが第１演算
部１３Ｂへ送られる。第１演算部１３Ｂでは、測
定時間Ｔに基づいて式の演算が行われ、これに
より求められた群速度V_gが位相速度V_pの時と同
様に記憶され、同様に表示手段１８に表示される
ようになつている。

続いて、オペレータによる入力指令によつて主
制御部３０の第３の制御機能が稼働されると、回
路全体が被測定媒体の音速測定モードに設定され
る。この被測定媒体の音速測定モードにおいて
は、信号選択手段１３Ａの働きにより第３図にお
けるＮ＝１とＮ＝３の受信波を通過せしめその伝
搬時間が計時手段１３で具体的に計測される。

計時手段１３では、二つの入力信号の伝播時間
を計時した後その時間データを第１のメモリ１４
の順次送り込む。この第１のメモリ１４は、Ｎ＝
３の時間データを入力するとＮ＝１の時間データ
とともにこれを時間差算定手段１５へ出力する。
この時間差算定手段１５では、直ちに時間差Δt
（但し、Δt＝t₄）を算定し第２のメモリ１６へ記
憶させるようになつている。

第２のメモリ１６では、このΔtが入力される
と、これらとともに予め記憶されている導波路１
の超音波の位相速度V_p及び群速度V_gとを第２演
算部１７へ出力する。この第２演算部１７では、
これらの入力情報に基づいて式の演算し、その
結果得られる被測定媒体の音速Ｖをリアルタイム
で表示手段１８へ出力し表示する。

次に、上記実施例における具体的な実験結果を
第８図ないし第１１図に基づいて説明する。

第８図に示す実験モデルにおいて、導波路１及
び２としては、それぞれ板厚0.95〔mm〕の鋼板を
使用し、超音波送受波器として周波数１〔ＭHz〕
の可変角探触子３３，３４を使つた。可変角探触
子のクサビをアクリル樹脂で形成し、入射角は
31.5度に固定し、S₀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
S₀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９図に示
す。図中、Ｔは送波器の波形を示し、Ｒ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当該使用
超音波における導波路２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℃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１及び２との間隔
Ｄを変えて実測により確認した結果を第１０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Ｖが算出できる。その結果を第１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、この実施例によると、導波路１及
び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Ｎ＝１とＮ
＝３の受信時間差を検出するとともに、これに前
後して導波路１の位相速度V_pと群速度V_gとを同
時に測定することができ、従つて超音波送受波器
３，４を被測定媒体内に没入させることなく直ち
に当該被測定媒体５の音速Ｖを求めることがで
き、導波路１及び２の長短には無関係であること
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
超音波送受波器３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
及び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及び２の長さ及び被測定媒体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測定
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超
音波送受波器３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いう利点もあ
る。

更に、上記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。

なお、上記実施例においては、導波路１の群速
度V_gの測定に際し、第３図で測定されるt₃を使用
する場合を例示したが、第２図で測定されるt₃を
使用してもよい。また、Δtの測定に際して、上
記実施例では第３図の場合について例示したが、
第１２図の如き構成のもとに第２図の受信信号を
得たのち、これに基づいて得られるt₄（但し、t₄
＝Δt）を用いてもよい。また、上記実施例にお
いては、とくに導波路１の超音波の位相速度V_p
と群速度V_gとをΔtの測定に先だつて求める場合
を例示したが、これらは逆の順序であつてもよ
い。

更に、上記実施例では、オペレータの入力指令
によつて第１、第２および第３の制御機能が稼働
する場合を例示したが、これらの制御機能は、逐
次、自動的に稼働するものであつてもよい。ま
た、液体の音速測定が高精度に可能であることか
ら、例えば水のように温度と音速の関係が詳細に
知られている場合は、これに対応する液体の温度
変化も高精度に測定することができる。

〔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、導波路の長短には無関係に被測定
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、導波路の位相速度及び群速度
が不明であつてもこれらを同時に測定することが
でき、従つて演算に必要な変数のすべてをリアル
タイムで測定したのち音速の演算を行うことから
温度補正を全く不要とした高精度の音速測定を行
うことができるという従来にない優れた音速測定
方法およびその装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す全体的構成
図、第２図ないし第３図は各々第１図における送
信波形および受信波形の一例を示す説明図、第４
図は第１図で使用される超音波送受波器を示す一
部省略した断面図、第５図ないし第７図は各々第
１図の動作説明図、第８図ないし第１１図は各々
一実験例を示す説明図、第１２図は他の実施例を
示す全体的構成図である。 １，２……超音波導波路、１Ａ，２Ａ，１Ｂ，
２Ｂ……超音波反射手段、３，４……超音波送受
波器、１０……送受信切換部、１１……発信回路
部、１２……受信回路部、１３……計時手段、１
３Ａ……信号選択手段、１５……時間差算定手
段、１６……記憶手段としての第２のメモリ、１
７……音速演算手段としての第２演算部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 同一に形成された一対の超音波導波路を一定
   距離をおいて相互に対向させるとともに、これら
   超音波導波路の各他端部相互間に被測定媒体を介
   在せしめ、その後、前記一方もしくは他方の超音
   波導波路の使用超音波における位相速度V_pと群
   速度V_gとを測定し、これらの測定に相前後して
   当該超音波導波路の一端部から他端部に向けて超
   音波を伝播せしめるとともに、該超音波導波路か
   ら漏洩した超音波が被測定媒体を介して他方の超
   音波導波路の一端部で最初に受信されるまでの時
   間と、当該他方の超音波導波路から更に被測定媒
   体内へ漏洩した超音波が前記一方の超音波導波路
   との間を往復伝播して受信されるまでの時間との
   差Δtを求め、これらの各測定値に基づいて下式、
   すなわち、 F₁（V_p、V_g、Δt、Ｖ）＝０ を演算し前記被測定媒体の音速Ｖを特定すること
   を特徴とした音速測定方法。 ２ 一端部に超音波送受波器を装備するとともに
   被測定媒体内に配設される他端部に超音波反射手
   段を備えた一対の超音波導波路と、前記各超音波
   送受波器の各々に発信回路部と受信回路部とを必
   要に応じて交互に切換接続する送受信切換部とを
   有し、 前記受信回路部に、前記各導波路の一方から他
   方へ漏洩する超音波が被測定媒体内を伝播して他
   方の超音波導波路の超音波送受波器に受信される
   までの時間と、当該他方の超音波導波路から更に
   被測定媒体内へ漏洩した超音波が前記一方の超音
   波導波路との間を往復伝播して受信されるまでの
   時間とをそれぞれ測定する計時手段と、この計時
   手段にて測定される二つの受信波の到達時間差を
   算定する時間差算定手段と、この時間差算定手段
   の出力を記憶する記憶手段とを併設し、 この記憶手段に、前記導波路の当該音速測定時
   における使用超音波の位相速度及び群速度を測定
   し記憶せしめるとともに、この記憶手段の出力情
   報に基づいて所定の演算を行い前記被測定媒体の
   音速を算定する音速演算手段を併設したことを特
   徴とする音速測定装置。