JPS63233335A - 音速測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、音速測定用信号処理装置に係り、とくに漏洩
波を利用して流体等の音速をリモート計測し得るように
した音速測定用信号処理装置に関する。

〔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
いう構成を採っている。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（”Ｃ））があ
り、５００〜８００（’Ｃ）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っていた。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っても、超音
波送受波器用の当接部材を介して被測定物の音速および
その変化を迅速且つ高精度にリモート灘定することを可
能とした音速測定用信号処理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、音速測定用の超音波送受波器に発
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
する送受信切換部を設け、前記受信回路部に、信号選択
手段と、この信号選択手段を通過した受信信号の到達時
間を計時する計時手段と、この計時手段から出力される
時間データに基づいて所定の演算を行い被測定媒体の音
速を測定する信号処理部とを連結するとともに、これら
各部を同一のタイミングで駆動制御する主制御部を設け
、この主制御部が、測定時の超音波送受波器の当接部材
における超音波の位相速度を求める第１の制御機能と、
同じく当接部材の超音波の群速度を求める第２の制御機
能と、被測定媒体の音速を演算せしめる第３の制御機能
とを備える等の構成を採り、これによって前記目的を達
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、一定距離りを隔てて
配設された一対の板状（帯状でも可）被当接部材として
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の一端部に各別に装備された超
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
っている。

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
音波が斜入射されるようになっている。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っている。

ＩＡ、２Ａ、ＩＢ、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及び固体の接触媒体に漏洩す
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他方の導波路に伝
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、導波路１中の超音波の位相速度を■２２群
速度合Ｖ、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
、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　−’　（Ｖ／ＶＤ　）　　　　　　　　　
・・・・・・■被測定媒体５に入った超音波は、導波路
２に到達し、この導波路２に沿って伝搬する波と、ここ
で反射して媒体５側に戻る波とがある。導波路２に沿っ
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、 ｔＮ＝　（（２Ｌ　　ＮＤｔａｎθ）　／Ｖ９　）　＋
（ＮＤ／Ｖｃｏｓ　θ〕＋τ、＋ｒ、−・・−■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／Ｖｃｏｓ　θ）　−（ｔａｎ　θ
／Ｖ、　））・・・・・・■この式■及び前述した式■
より、被測定媒体５の音速■を求める式として次式を得
る。

（４Ｄ”　＋Ｖ、”　Ａ　ｔ”　）ｙ’　−（８Ｄ”　
Ｖ、Ｖ、＋Ｖ、”　Ｖ、”　Ａｔ”　）Ｖ”＋４Ｄ”　
Ｖ、”　Ｖ、”　−０−−−・−■従って、Ａｔを測定
すれば、既知のＤ及び別に測定するＶ、、Ｖ、により０
式から被測定媒体５の音速■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、
と群速度Ｖ、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っている。このため、ク
サビ部材３Ａ内を伝播する内部反射波は、超音波振動子
３Ｂに戻るようになっている。Ｉｌ＋＋’１′は、その
場合の伝播経路及び距離を示す。

従って、この時のクサビ部材３Ａ内の超音波の伝播時間
Ｔ０を測定することにより、クサビ部材３Ａ内の音速Ｃ
２は次式によって算出し得る。

Ｃｐ　＝２　　（ｌ＋　　＋Ｊ、’　）／’ｒｏ　　　
　　・・・・・・■また、クサビ部材３Ａの音速ＣＰと
導波路ｌを伝播する超音波の位相速度Ｖ、との間には、
次式の関係がある。

Ｖ　ｐ　”＝　Ｃｐ　／　ｓｉｎ　θ１　　　　　　　
　・・・・・・■但し、θ、：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ｖ９は、次式で表される。

Ｖ、＝２Ｌ／Ｔ　　　　　　　　　　　　・・・・・・
■となる。ここで、Ｌは固定値であることから、結局、
式■における伝播時間Ｔを計時し当該式〇を演算するこ
とによって、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１２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にて所定の信号処理がなされる
。この信号処理部２０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１
３と第２のメモリ１６との間に第１演算部１３Ｂを備え
た構成となっている。この信号処理部２０では、導波路
１の位相速度■２２群速度合、及び被測定媒体５の音速
■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っている。

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によって駆動制御されるよう
になっている。

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からのオ
゛ベレータの外部指令によって切換えられるようになっ
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図の受信波形は、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のみで送信動作
と受信動作とを機能さ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、Ｗｌは超音波送受波器３内の反
射面３Ｃで反射されてきた受信波を、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信波を示
す。また、Ｎ＝Ｏは、導波路１を伝播し、端面ＩＡで反
射して被測定媒体５内に漏洩することなく超音波送受波
器３に戻ってきた受信波を示す。Ｎ＝２は被測定媒体中
経路を２行程通ってきた受信波を示す。また、Ｎ−４は
同様に４行程通ってきた受信波を各々示す。＊印は、Ｎ
−０の波が受信されてから導波路１を１往復するのに要
する時間分だけ遅れてきた受信波を示す。

また、第３図のものは、超音波送受波器４を送波器とし
超音波送受波器３を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
通ってきた受信波を、Ｎ＝３は同様に３行程通ってきた
受信波を各々示す。

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信波を示す
。

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部分の超音波位相速度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だけが送受波器として作
動するように設定される（超音波送受波器３の代りに超
音波送受波器４としてもよい）。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Ｔｏ　　（但
し、Ｔ、＝ｔ、＝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に基づいて弐〇及び式■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っている。

次にオペレータによって主制御部３０の第２の制御機能
が稼働されると、回路全体が導波路１０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＝Ｏと＊印の信号を選
択）して計時手段１３へ送られ、ここで前述した時間Ｔ
（但し、Ｔ＝ｔ、）がＮ＝Ｏ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１３
Ｂ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、その結果が位相速度Ｖｐの
時と同様に記憶され、同様に表示手段１８に表示される
ようになっている。

続いて、オペレータによる入力指令によって主制御部３
０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へ順次送り込む
。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
、Δ１−１４）を算定し第２のメモリ１６へ記憶させる
ようになっている。

第２のメモリ１６では、このΔｔが人力されると、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、及び群速度ｖｇ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
て弐■を演算し、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１、それぞれ板＊０．９５　　［ｍｍ）の鋼板を使
用し、超音波送受波器として周波数１　　（Ｍ１１２　
）の可変角探触子３３．３４を使った。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、Ｓｏ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。従っ
て、この場合、被導波の群速度ｖ９及び位相速度■２は
、被測定媒体５内でもほぼＳ。モードに等しいと考えて
良い（１，Ａ。

ν１ｋｔｒｏｖ、　ｒＲａｙｌｅｉｇｈ　ａｎｄ　Ｌａ
ｍｂ　Ｗａｖｅｓ　Ｊ　Ｐ、１１７）。

印加した電気パルスは、２００　（Ｖｐ、）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は送波の波形を示し、Ｒは受渡の波形を示す。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１を１往復
した波の受信波形を示す。本例では、Δｔ　＝７５．１
　（μｓ〕であった。

＊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１の群速度が実験的に求まり、ｖ、＝５
２００　（、／＊　）　となる。マタ、アクリルの音速
２７２０’（、／、）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、＝５３００　（
、／、）であった。

一方、０式の関係を、導波路工及び２との間隔りを変え
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　（μ３／鶴〕を得ることが
できた。先に求めたＶ、、Ｖ、により０式から水の音速
Ｖが算出できる。その結果を第１１図に示す。温度は３
点をとって測定した。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■を有効に求めること
ができ、受信波の内のｒＮ＝ＩＪとｒＮ＝３Ｊ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１０位
相速度Ｖ、と群速度Ｖ９とを同時に測定することができ
、従って超音波送受波器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、従って超音波送受
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ｌ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、従って取扱
いがいたっ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。

なお、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２例えば丸棒部材、適
当な針金部材、バイブ状部材などで導波路を形成したも
のであってもよい。

更に、上記実施例においては、導波路１の群速度Ｖｇの
測定に際し、第３図で測定されるｔ、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、１．＝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
■、と群速度■、とをΔｔの測定に先だって求める場合
を例示したが、これらは逆の順序であってもよい。更に
、上記実施例では、オペレータの入力指令によって第１
．第２及び第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
あってもよい。また、液体の音速測定が高精度に可能で
あることから、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。

また、本発明は第１３図に示す配管内の流体の音速測定
においても、その技術思想をそっくり適用し得るもので
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、当接部材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っても、遠
方からリモート計測が充分に可能となり、当接部材の位
相速度及び群速度が不明であってもこれらを同時に測定
することができ、更にこれらの変数の測定に際しては主
制御部の作用によって信号処理モードを順次切換えるよ
うにしたことから、装置全体の誤動作が少なくなり動作
の安定化を図ることができ、従って演算に必要な変数の
すべてをリアルタイムで迅速且つ高精度に測定したのち
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
れた音速測定用信号処理装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第４図は本発明の一実施例を示す全体的構成図、第２図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図 （Ｊ５） 第１１図 第１２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）、音速測定用の超音波送受波器に発信回路部と受
   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
   換部を設け、 前記受信回路部に、信号選択手段と、この信号選択手段
   を通過した受信信号の到達時間を計時する計時手段と、
   この計時手段から出力される時間データに基づいて所定
   の演算を行い流体の音速を測定する信号処理部とを連結
   するとともに、これら各部を同一のタイミングで駆動制
   御する主制御部を設け、 この主制御部が、測定時の超音波送受波器の当接部材に
   おける超音波の位相速度を求める第１の制御機能と、同
   じく当接部材の超音波の群速度を求める第２の制御機能
   と、被測定媒体の音速を演算せしめる第３の制御機能と
   を備えていることを特徴とした音速測定用信号処理装置
   。