JPH058366B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は流体の流れを超音波のモード変換を
利用して監視するための音エネルギー波モード変
換器とその使用方法に関するものである。

流体の流れを監視するためのモード変換器は従
来から知られており、例えばアメリカ特許第
3869915号、第3987674号および第4373401号など
にも開示されている。

これら開示された監視系においては、流体を移
送する導管の比較的長い軸方向距離に亘つて超音
波エネルギーが印加され、送信側の変換器に対し
て受信側の変換器を軸方向に正確に位置させなく
とも使用可能な信号を受信することができるよう
になつている。このために、変換器のケース内の
縦モード音エネルギー波に反応して、横モード音
エネルギー波をして管壁内を伝幡させている。即
ち、変換器ケースからの縦モード音エネルギー波
を管軸に対してある角度で印加して、管表面に達
した縦モード音エネルギー波の位相速度が管の横
モード速度に等しくなるようにしている。特に変
換器水晶体と管表面との間の角度は導管の横モー
ド速度に対するケースの縦モード速度の比に等し
くなるようにされている。この結果、変換器ケー
スと導管との間の整合がよくなり、導管軸に沿つ
てのエネルギーが著しく大となり、所謂軌跡とし
て知られているものが大となる。

このような考え方を実行するには、変換器ケー
スの縦モード速度が導管の横モード速度より小さ
くなければならない。これは、縦モード音エネル
ギー波の位相速度を管壁中の横モード速度に迄高
めねばならないからである。このような必要があ
るため、導管が例えば126×10³インチ／秒にも及
ぶ高い横モード速度を有する鋼鉄などの金属で形
成されているときには、これより小さな縦モード
速度を有した非金属性の材料で変換器の本体を形
成しなければならない。

このため従来は金属製の変換器ケースの使用が
阻まれていて、プラスチツクなどの材料を代りに
使わなければならなかつた。しかしプラスチツク
の場合は使用できる温度範囲が限られており、従
つて上記したような従来技術の応用は、比較的低
温のものに限るか、でなければポリイミド・アミ
ドのような特別に高品質で高価のプラスチツクを
使用しなければならなかつた。即ち、使用できる
温度範囲が広いという利点があるにも拘らず、そ
の縦モード速度が金属製導管の横モード速度より
も高いが故に、従来は金属製の変換器ケースを用
いることができなかつたのである。

この発明の目的は、金属製導管に変換器を締着
して管内の流れの状態を超音波監視するに際し
て、真ちゆう、亜鉛、鉛などの金属をもつて変換
器ケースを形成することを可能とすることに、あ
る。

即ちこの発明にあつては、変換水晶体からの縦
モード音エネルギー波をケースの表面で内部反射
させて横モード音エネルギー波に変換するような
形状を変換器のケースに与えるものである。反射
面の法線に対する縦モード音エネルギー波の入射
角を適正に選び、しかも材料のポアソン比を0.26
位にとれば、これを横モード音エネルギー波に変
換することができる。

しかも、ケース中における横モード音エネルギ
ー波の位相速度が導管の横モード速度に等しくな
るような角度で、変換後の横モード音エネルギー
波が導管の表面を指向するようにされる。かくし
て金属製変換器ケースと金属製導管との間に秀れ
た整合が得られるのである。

第１図に示すのは、例えばアメリカ特許第
3987674号に開示されたような型式の、従来装置
の一例である。こゝでは導管２０中における液体
などの物質の流速を測定しようとするもので、導
管の外表面には軸長方向に離間して１対の変換器
２１，２２が締着されている。この締着には例え
ばアメリカ特許第4373401号に開示されて締着機
構を用いるとよい。

変換器２１，２２はそれぞれケース２３，２４
を有しており、その中には変換水晶体２５，２６
が収容されている。変換水晶体としては単もしく
は多結晶装置などの周知の変換素子が用いられ
る。これらの水晶体２５，２６は通常の方法で励
振されて音波パルス列を形成出力し、これがケー
ス２３，２４内を縦モード変速を伴つて伝幡す
る。アメリカ特許第3987674号に記載のように、
好ましくは変換水晶体２５，２６の裏面にダンパ
ー２７，２８を付設する。

これらの変換器２１，２２は交互に超音波エネ
ルギーの送信器と受信器になる。例えばまず最初
に変換器２１が送信器となり、ケース２３内に縦
モード音エネルギー波を注入し、これが導管２０
の方に伝幡して、その壁内に横モード音エネルギ
ー波を励振する。この壁からの音エネルギー波は
導管２０内の流体その他の中に入りその内部を通
過する。この伝送されたパルスは最終的には変換
水晶体２６によつて受信される適宜な電子回路
（図示せず）により導管２０を通つての信号の通
過時間を測定する。次は水晶体２６が同様な音波
信号を返し、これが水晶体２５によつて受信さ
れ、通過時間が測定される。この往復の信号伝幡
時間から導管２０中の流体の流速の測定値を得
る。

導管２０内を伝送される音波信号の軌跡は第１
図に示すように非常に長い。従つて伝送器２１，
２２の相手に対する軸方向の位置には限度がな
い。第１図中の角度αを縦モード音エネルギー波
の位相速度が導管壁中の横モード速度Vpsと等し
くなるような角度で線３０と平行に走る縦モード
音エネルギー波が導管２０の壁に達するように調
節すると、上記の軌跡が長くなる。この結果横モ
ード音エネルギー波は導管２０の壁に沿つて軸方
向に伝幡し、導管２０内に導かれて最終的には受
信器位置に到る凝集信号の新たな源となる。

このような広ビーム構造によつた結果、非常に
感度はよいがルーズな変換系が得られ、温度もし
くは導管内容物が変つても変換器の一方の位置を
他方に対して調節する必要がなくなる。加えて同
じ変換器を種々の管材料や管径に亘つて用いるこ
とができる。しかし第１図に示すケース２３，２
４にについては、導管材料の横モード速度Vpsよ
り小さな縦モード速度を有するような材料を、選
ぶ必要がある。ケース２３，２４内の音エネルギ
ー波の位相速度を導管の横モード速度に合うよう
に調節できるため、以上のようにする必要がある
のである。

導管２０の材料は一般に鋼鉄であり、その横モ
ード速度は126×10³インチ／秒である。従つてケ
ース２３，２４に用いる材料はその縦モード速度
が126×10³インチ／秒より小さくなければならな
い。金属類の縦モード速度は一般に126×10³イン
チ／秒より大であるからして、変換器の本体には
プラスチツク材料を使う必要がある。しかし一般
にプラスチツク材料は広い温度領域に亘つての使
用には適してなく、例えば高温の流体を通す鋼管
などに使用することはできず、そのためには特に
品質的に高度でかつ高価なプラスチツク類を使わ
なければならない。

この発明にあつては比較的低い横モード速度音
波を変換器のケースから管中に注入しようとする
ものであつて、ケースを必ずしも金属性ではな
く、管の方も必ずしも金属性でなくともよいよう
にしたものである。即ち第２図に示すように、導
管２０の表面にはモード変換用の変換器４０，４
１が締着されている。変換器４０，４１はそれぞ
れ台形体状のケース４２，４３を有しており、そ
の中には裏面にダンパー４４ａ，４５ａを付設し
た変換水晶体４４，４５が収容されている。更に
水晶体４４，４５はケース４２，４３の頂面に傾
斜をつけてこれに位置せしめ、水晶体４４，４５
の音エネルギー波を所望の方向に伝幡させるよう
にすることもできる。

ケース４２，４３はそれぞれモード変換反射面
５０，５１を有しており、これらが変換水晶体４
４，４５からの縦モード音エネルギー波出力を受
けて、その大部分を横モード音エネルギー波とし
て反射し、角度αでもつて導管２０の表面に指向
させるのである。後に詳述するように、これらの
変換器４０，４１は、導管２０の材料の横モード
速度Vpsに等しい位相速度を有した横モード音エ
ネルギー波を、導管２０中に注入するものであ
る。

ケース４２内で横モード音エネルギー波に変換
することにより、モード変換現象のための適宜な
ポアソン比を有した金属類の横モード速度は例え
ば鋼鉄などのそれより低いから、ケースに金属類
を用いることもできる。一例を挙げると、縦モー
ド速度が170×10³インチ／秒位の真ちゆうでケー
ス４２，４３を形成することもできる。これは、
もし鋼鉄でできているとしたら、導管２０に締着
するには高過ぎる。しかし真ちゆうの横モード速
度は僅か80×10³インチ／秒である。であるから
して、従来必要とされていた高品質で縦モード速
度の低いプラスチツクに代えて、真ちゆう製のケ
ースと鋼鉄製の導管２０と組合せて用いることが
できるのである。

第３，４図にケース４２の詳細を示す。ケース
は適宜所望の金属、例えば亜鉛などから形成され
る。ニツケル板を施した真ちゆうCDA464番など
のような真ちゆうも使用される。

ケースは一般に台形体状に形成されており、そ
の頂面３８と底面３９とは平行であり、互に平行
でない１対の平端面４６，５０がこれらの間に延
在している。頂面３８には変換素子収容孔４７が
穿設されており、これに近接してネジ部４７ａ，
４７ｂを有した据付孔４８，４９が形成されてい
る。頂面３８に直接変換水晶体を受けることもで
き、その場合には頂面３８は収容孔４７と平行に
傾斜している。収容孔４７を用いた場合には、そ
の底面を平滑化して接触をよくしてから、変換水
晶体４４を入れてやる。

平端面５０はモード変換面として機能し、その
内面に指向された縦モード音エネルギー波を反射
横モード音エネルギー波（およびその逆に）変換
する。底面３９は変換器を音エネルギー波を受け
る側の導管２０に締着するの用いられる。変換素
子もしくは水晶体としては適宜公知のものが用い
られる。

真ちゆう製のケースの一例を挙げると、幅が約
1.6インチ、一方の平端面４６の長さが約4.37イ
ンチ、底面の長さが約4.81インチで頂面３８の長
さが約3.5インチである。縦モード音エネルギー
波から横モード音エネルギー波への変換を確実な
ものとするためには、収容孔４７の軸線と平端面
５０に対する法線５０ａとの間の角度βは65°に
とる。こうすれば、真ちゆうのポアソン比と一体
となつて、縦モード音エネルギー波の全んどの部
分が横モード音エネルギー波に確実に変換する。
横モード音エネルギー波は第７図中線５１（法線
５０ａに対して角度γ＝25.25°）の方向に伝幡す
る。こゝで法線５２と横モード音エネルギー波の
進行方向との間の角αは43.60°である。各部の関
係は次の式によつて定められる。

sinγ＝Vcs／Vclsinβ (1) sinα＝Vcs／Vps (2) φ＝α＋γ (3) ｈ＝ｄ／cosβ (4) l₀＝ｈ cosγ／cosα＝ｄ cosγ／cosβcosα (5) こゝで Vcs；変換器ケース４２の横モード速度 Vcl；変換器ケース４２の縦モード速度 Vps；変換器を取つける導管の横モード速度 ｈ；平端面５０に沿つてその底部から収容孔４
７が交叉する点迄の距離 l₀；音エネルギー波が導管に注入される底面３
９に沿つての長さ ｄ；変換水晶体４４の直径 変換水晶体４４は第２，５，６，７図に示すよ
うに適宜なダンパーおよび支持構造の底部に固定
される。第５図に示す水晶体のためのダンパーお
よび支持構造は、水晶体をケース内所定の位置に
保持しかつ水晶体の裏面から出力される後側に行
く音エネルギー波を緩衝している。金属製のケー
スを用いる場合にはダンパーは除いてもよい。

ダンパーを用いた場合には、変換水晶体４４の
裏面に密着させて音エネルギー波が自由にダンパ
ー中に流れ込めるようにする。しかしその後、こ
の音エネルギー波は拡散されて弱められ、ビーム
の凝集は可能な限り阻止される。アメリカ特許第
4373401号に記載されているように、入つてきた
中心と弱められた音エネルギー波とを拡散する金
属粒子やプラスチツク粒子を含んだエポキシ体で
ダンパーを形成すると効果的であつた。また円錐
状の孔が１個形成されていて、反射面として機能
してダンパー中における音エネルギー波の経路長
を増し、ダンパー中にある粒子による音エネルギ
ー波の弱体化の機会を大きくしていた。

ダンパー本体は真ちゆう、鉛、亜鉛などの金属
から形成してもよく、ダンパーの裏面には傾斜付
もしくは円錐状の孔をいくつか形成し、これらの
孔に弱音特性の良いプラスチツクを充填する。こ
の結果、音エネルギー波は自由にダンパーに入り
込むが、多数の円錐状孔壁による非凝集反射に
多々さらされる。円錐状内の材料に入り込んだ音
エネルギー波は次いで激しく弱体化されて緩衝さ
れる。このようなダンパーを用いた結果、非常に
鋭くかつよく画定されてリング特性を有していな
いパルスが変換器から出力される。

第５図にそのようなダンパーの一例を示す。即
ち真ちゆう製の本体８０は円錐孔８１，８２など
を多数有しており、これらはできる限り密に設け
られている。円錐孔８１，８２の頂角は19°位と
し、その長さは適宜なものとする。

次いで追加の拡散中心として機能する金属およ
びプラスチツク粒子を内蔵したエポキシでもつて
円錐孔８１，８２を充填する。水晶体４４の外周
面と本体８０の底部外周面にプラスチツク・リン
グ９０を接着して両者を一体に固定する。水晶体
４４と本体８０との間には適宜結合グリースを施
す。

水晶体４４の前面接点は適宜導線９１に電気的
に接続されている。またその裏面電極は適宜導線
９２に電気的に接続されている。これらの導線９
１，９２はそれぞれ端子９３，９４に接続され、
これら端子は変換器の駆動・受信回路に接続され
ている。

本体８０の頂面にはパツキン９５と押圧盤９６
とが設けられて支板９８に螺入された押圧ネジ９
７を受けている。第５図に示す機構をケース４２
の収容孔４７内に固定するボルト１００によつて
支板９８は第６図に示すように所定の位置に固定
される。

作用について述べると第６図に示すように、変
換水晶体４４の端子９３，９４に電気パルスが印
加されると、変換器は高周波の縦モードパルスを
出力する。この縦モード音エネルギー波はケース
４２内に注入され、モード変換面５０（平端面）
の内壁によつて阻止される。第７図に示すよう
に、変換面５０から反射された音エネルギー波は
法線５０ａに対して角度γをなし、水晶体４４に
よつて形成された縦モード音エネルギー波の速度
より小さい速度を有した横モード音エネルギー波
となる。この横モード音エネルギー波は底面３９
の長さl₀に沿つて出て、導管壁材料中の音エネル
ギー波の横モード速度に整合された位相速度で導
管２０（第２図）の壁に入り込む。従つて変換器
と導管との間には秀れたインピーダンス整合が得
られ、導管の壁およびその内側に非常に鋭いパル
ス信号が印加されるとともに、音エネルギー波の
伝送が最高となる。

変換水晶体４４の裏面反射信号は第５，６図に
示すダンパーによつて良好に吸収され弱体化され
る。かくして、主伝送パルス内の細い点の感知に
干渉する反射信号は回路内には入らないのであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図；従来の変換系の構成を示す断面側面
図、第２図；この発明の変換器を用いた変換系を
示す断面側面図、第３図；この発明による変換器
ケースの一例を示す断面側面図、第４図；第３図
中線４−４に沿つてみた図、第５図；第３，４図
に示すケースと組合せて用いるダンパーと水晶体
との組合せの一例を示す断面側面図、第６図；上
記両者を組合せたものを示す断面側面図、第７
図；音エネルギー波の伝幡状態を説明する説明
図。 ２０……導管、２１，２２……変換器、２５，
２６……変換水晶体、２３，２４……ケース、２
７，２８……ダンパー、４０，４１……変換器、
４２，４３……ケース、４４，４５……変換水晶
体、４４ａ，４５ａ……ダンパー、５０，５１…
…モード変換反射面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ モード変換素子と台形体状の金属ケースとを
   有してなり、 該金属ケースが出力エネルギー面を構成する第
   １の平端面３９と縦モード音エネルギー波の内部
   反射によるモード変換面を構成する第２の平端面
   ５０を有しており、 これらの平端面が夾角φをもつて互いに交叉し
   ており、 モード変換素子は平薄形で、金属ケースの収容
   孔内において、第２の平端面５０の法線５０ａに
   対して夾角βをなす法線を有した平面上に設けら
   れ、 モード変換素子からの縦モード音エネルギー波
   が第２の平端面５０の内面で反射されて横モード
   音エネルギー波に変換され、この横モード音エネ
   ルギー波が上記の法線５０ａに対して夾角βとは
   反対側に夾角γをなす方向を指向して第２の平端
   面５０から離間伝幡し、 横モード音エネルギー波の伝幡方向と第１の平
   端面３９の法線５２との夾角をαとしたときにφ
   ＝α＋γであつて、かつ、 Vcsを金属ケースの横モード速度とし、Vclを
   金属ケースの縦モード速度としたときに sinγ＝Vcs／Vclsinβ である ことを特徴とする音エネルギー波モード変換器。 ２ 内部を軸方向に伝幡する音エネルギー波に対
   して固有の横モード速度を有する流体移送用金属
   導管に超音波エネルギーを印加するに際し、 導管の外面に締着された音エネルギー波モード
   変換器の金属ケース内に縦モード音エネルギー波
   を発生させ、 金属ケース表面からの内部反射によつて縦モー
   ド音エネルギー波を横モード音エネルギー波に変
   換させ、 この横モード音エネルギー波を導管に印加する
   ものであつて、かつ、 導管の表面に達したときの横モード音エネルギ
   ー波のケース内位相速度が前記した固有の横モー
   ド速度に等しくなるように、横モード音エネルギ
   ー波の伝幡経路の導管々軸に対する角度が与えら
   れている ことを特徴とする音エネルギー波モード変換器を
   用いた金属導管への超音波エネルギー印加方法。