JP2000298049A

JP2000298049A - 超音波センサの入射角の測定方法および測定装置

Info

Publication number: JP2000298049A
Application number: JP11105608A
Authority: JP
Inventors: Tomoyoshi Okamura; 共由岡村; Yutaka Sato; 佐藤　　裕
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2000-10-24

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波センサによる流量などの計測精度を高
める上で必要な超音波の計測対象液体への入射角を簡易
にしかも正確に把握できるようにする。【解決手段】流速などの計測対象となる液体と同種の
液体Ｌを満たした液槽１の外面に超音波センサ５を所定
の条件で設置し、この超音波センサから超音波Ｕを放射
して液槽に入射させる。そしてこの超音波の液槽内での
強さ分布をマイクロフォン２などで測定すると共に、測
定された強さ分布から液槽内における超音波の主伝播方
向を求め、この主伝播方向に基づいて超音波センサにお
ける特性値としての入射角θを求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば揚水装置に
おける揚水管などの流路を流れる液体の流速や流量の計
測に用いられる超音波センサに関し、特に超音波センサ
からの超音波が計測対象の液体流に対し入射する角度
を、個々の超音波センサごとに異なる特性値として、予
め測定するための方法およびそれに用いる測定装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】超音波センサを用いた流速・流量計測装
置は、例えば揚水管の外面に所定の条件で設置した超音
波センサから揚水管内に向けて超音波を放射し、この超
音波が揚水管における水流によりその周波数を変化させ
る程度を検出することで、水流の流速や流量を計測す
る。このため超音波センサ式流速・流量計測装置は、流
量などを計測すための手段が設けらていない既設の設
備、例えば既設の揚水設備における老朽化したポンプの
揚水能力を検査するなどの場合に適している。このよう
な超音波センサ式流速・流量計測装置については、例え
ば特開昭６１−８６２２号、特開平３−１８８３７７
号、特開平４−２４９７１６号、特開平８−２２０１２
４号、特開平１０−３８６５１号などの各公報に開示の
例が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】超音波を用いて液体の
流量などを計測する方式の有力な一つとして、パルスド
ップラ方式がある（例えば特開平１０−３８６５１号公
報）。パルスドップラ方式では、図８に示すように、計
測対象である流路、例えば揚水管Ｐの外面に超音波セン
サＳを所定の条件で設置し、この超音波センサＳからパ
ルス化した超音波Ｕを揚水管Ｐに流れる水流の流れ方向
Ａ（これは揚水管Ｐの軸方向に一致する）に対しある入
射角θで入射させて流速を計測する。この場合の流速Ｖ
は、下記の数式１で表される。式中のＣは計測対象の液
体中における音速、Δｆはドップラシフト周波数、ｆ₀
は超音波の周波数である。

【数１】

【０００４】上記式における音速Ｃは何れも正確に把握
することが可能な液体の種類と温度にて定まる定数であ
り、超音波の周波数ｆ₀ は予め設定される定数である。
またドップラシフト周波数Δｆは計測により得られる変
数である。したがって入射角θを正確に定めることがで
きれば、精度の高い計測が可能である。つまりパルスド
ップラ方式による計測の精度は入射角θを如何に正確に
把握するかに係っているといえる。しかし入射角θは、
これを計測現場において実測することは一般に困難であ
る。

【０００５】そこで入射角θを理論的に求めることが考
えられる。図９に示すのは計測対象の液体が流れる流路
の管壁に超音波センサを所定の条件で設置した状態での
超音波の入射経路である。図に見られるように、超音波
センサＳが内蔵する振動子Ｓａから発射された超音波Ｕ
は、振動子Ｓａを封止している例えば樹脂材Ｓｂと流路
の管壁Ｗを通過した後に計測対象の液体Ｌに入射し、そ
の間にその入射経路における上記のような媒質による屈
折を受ける。したがって超音波Ｕの液体Ｌに対する入射
角θ（図９中のθ₃ がこれに相当する）はその入射経路
に存在する上記のような媒質の屈折率により定まること
になり、理論的には下記の数式２から求めることができ
る。

【数２】

【０００６】数式２において、Ｃ₁ は樹脂材Ｓｂにおけ
る音速、Ｃ₂ は管壁Ｗにおける音速、そしてＣ₃ は計測
対象の液体Ｌにおける音速であり、またθ₁ は超音波セ
ンサＳを所定の条件で管壁Ｗに設置した際に超音波セン
サＳの設置面Ｓｆに対し振動子Ｓａからの超音波の発射
方向がとる角、θ₂ は樹脂材Ｓｂと管壁Ｗの屈折率差に
応じて生じる管壁Ｗへの入射角、そしてθ₃ は入射角θ
である。これらの変数の内、音速値は便覧などの文献か
ら求めることができる場合もあるが、それが実際の材料
のそれに合致している保証はない。また角θ₁ は超音波
センサの設計図があればそれから求めることも可能であ
るが、この場合にもやはり、実際の製品における角θ₁
が設計図におけるそれと合致している保証は必ずしもな
い。このため文献や設計図に頼って理論的に求めた入射
角は実際の入射角とかなり異なってしまうのが実情であ
る。

【０００７】したがって、より高い精度で入射角θを理
論的に求めるには、例えば樹脂材Ｓｂと同じ材料につい
て試験を行なって音速値を実測する必要があるし、また
実際の超音波センサについてＸ線撮影などにより角θ₁
を実測する必要がある。しかしそれには多大な作業時間
と経費がかかってしまう。

【０００８】本発明は上記のような事情を背景になされ
たものであり、超音波センサによる流量などの計測精度
を高める上で必要な超音波の入射角、つまり超音波セン
サからの超音波が計測対象の液体に対し入射する角度を
簡易にしかも正確に把握することを可能とする技術の提
供を目的としており、より具体的には、超音波の入射角
を個々の超音波センサごとに異なる特性値として予め把
握できるように測定するための方法およびそれに用いる
測定装置の提供を目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による方法は、流
路を流れる液体の流速や流量の計測に用いられる超音波
センサを前記流路の外面に所定の設置条件で設置した状
態で当該超音波センサから発射される超音波が前記流路
中の液体に対し入射する角度を、個々の超音波センサご
との特性値として、予め測定するための方法であって、
流速や流量の計測対象となる液体と同種の液体を満たし
た液槽の外面に前記流路の外面に設置する場合と同様の
設置条件で超音波センサを設置し、前記超音波センサか
ら超音波を放射して前記液槽に入射させ、この超音波の
前記液槽内での強さ分布を測定すると共に、測定された
強さ分布から前記液槽内における前記超音波の主伝播方
向を求め、そしてこの主伝播方向に基づいて前記超音波
センサにおける特性値としての前記入射角を求めること
を含んでなる。

【００１０】また本発明による測定装置は、流路を流れ
る液体の流速や流量の計測に用いられる超音波センサを
前記流路の外面に所定の設置条件で設置した状態で当該
超音波センサから発射される超音波が前記流路中の液体
に対し入射する角度を、個々の超音波センサごとの特性
値として、予め測定するために用いる測定装置であっ
て、測定対象の超音波センサを設置することのできる側
壁を有し且つ、前記超音波センサで流速や流量を計測す
る対象となる液体と同種の液体を満たせるようにした液
槽と、前記超音波センサから放射された超音波の前記液
槽内における強さ分布を検出するための検出手段とを備
えてなる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施形態で用いる
測定装置の模式化した構成を図１に示す。測定装置は、
液槽１と、その内部に検出手段として設けられたマイク
ロフォン２を主な要素としている。液槽１は、４面以
上、この例では５面の側壁３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３
ｄ、３ｅ）を有しており、その一つの側壁３ａに、例え
ばパルスドップラ式の超音波流速・流量計４における超
音波センサ５を設置するための設置壁部６が設けられて
いる。この設置壁部６は側壁３ａに対し着脱可能とさ
れ、必要に応じて交換できるようにされている。つまり
超音波流速・流量計４で流速や流量を計測する対象の流
路を形成している材料、例えば雨水排水ポンプの揚水管
を計測対象とする場合であればその揚水管の管壁の材料
同じかまたはそれを近似する条件の材料で設置壁部６を
形成できるようにされてい。このようにすることで、図
９に関して上述した入射経路における媒質の条件を実際
の計測時の条件と同一化でき、したがって測定の実効性
を高めることができる。

【００１２】また液槽１の各側壁３は、互いに平行にな
ったり直角に交差することがないように、それぞれが異
なる交角を有するようにされている。このため、超音波
センサ５から放射された超音波は、対向面に達して反射
した後に直接的に超音波センサ５に向かうことなく各側
壁３での反射を繰り返しながら減衰することになるし、
また大きなノイズの原因となる定在波の発生も効果的に
避けることができ、測定精度を向上させることができ
る。

【００１３】マイクロフォン２は、例えばＸ・Ｙテーブ
ルのような適宜な移動手段（図示を省略）によりＸ方向
とＹ方向に移動可能とされ、液槽１の内部において走査
しながら超音波センサ５からの超音波を検出するように
されている。

【００１４】以上のような測定装置を用いた入射角の測
定作業は次のようにして進められる。先ず準備作業とし
て、液槽１の側壁３ａに目的に応じた設置壁部６を取り
付けると共に、液槽１に超音波流速・流量計４で流速や
流量を計測する対象の流路を流れる液体と同種の液体Ｌ
を満たす。また設置壁部６に流速などの計測対象とする
流路におけると同一の条件で超音波センサ５を設置す
る。つまり例えば計測対象とする流路が揚水管であり、
その管壁の外面に超音波センサ５の設置面５ｆを密着さ
せるようにする場合であれば、それと同様に超音波セン
サ５の設置面５ｆを設置壁部６に密着させるようにして
設置する。

【００１５】このようにして準備が完了したら超音波セ
ンサ５を作動させて測定を開始する。超音波センサ５か
ら放射された超音波Ｕは超音波センサ５に固有な角度で
液槽１の内部に入射し、その主伝播方向に応じて液槽１
の内部に固有のパターンで強さ分布を形成する。この分
布パターンは、図１中に一例として点線で示す格子線に
沿ってＸ・Ｙ動を行ないつつ超音波を検出するマイクロ
フォン２の出力から求めることができる。すなわちマイ
クロフォン２が格子線の各交点ごとに超音波の強さを測
定するのに応じて、その結果を例えば等高線形式で表示
するとすれば、図２に示すような分布図が得られる。そ
してこの分布図を解析することで超音波Ｕの主伝播方向
（超音波Ｕを示す矢印と同じ）を求めることができる。
図２の例の場合であれば、各等高線群の極大点をつなぐ
方向が主伝播方向つまり超音波の液槽１への入射角θで
ある。なお、本実施形態では幾つかの超音波パルスから
なるバースト波を超音波センサ５から放射する構成とし
ているが、バースト波の代りに超音波の波が連続する連
続波を放射する構成とすることも可能である。

【００１６】本発明の第２の実施形態では図３および図
４に示すような構成の測定装置を用いる。本実施形態に
おける測定装置では、ベース盤１０の上でＸ・Ｙ動する
台座１１に支持棒１２をＺ動が可能となるように組み付
けた構造とされ、Ｘ、Ｙ、Ｚの３方向の移動を可能とす
る移動手段１３がその支持棒１２の先端でマイクロフォ
ン２を支持している。このような測定装置によると、液
槽１の内部における超音波の強さの測定位置の定量化が
可能となり、入射角θの測定精度をさらに向上させるこ
とができる。その他の構成は第１の実施形態におけるそ
れと共通である。

【００１７】本発明の第３の実施形態では図５に示すよ
うな構成の測定装置を用いる。本実施形態における測定
装置は、その液槽１の側壁３の内面に例えば多孔積層ゴ
ム板などを用いた吸音材１４を張り付けてある点で上記
第１の実施形態における測定装置と相違する。このよう
な測定装置によると、超音波センサ５から液槽１内に放
射された超音波を吸音材１４で吸収して減衰させること
ができる。つまりノイズの原因となる反射波を減少させ
ることができ、したがって測定精度をより一層向上させ
ることができる。

【００１８】本発明の第４の実施形態では図６に示すよ
うな構成の測定装置を用いる。本実施形態における測定
装置では、上記各実施形態において超音波の強さ分布を
検出するのに機能していたマイクロフォンに代えて、超
音波を反射する反射体１５と超音波流速・流量計４から
なる検出手段を用いている。反射体１５は、例えば円筒
状に形成され、第２の実施形態におけると同様な移動手
段１３で支持されつつ超音波の進行方向に直交する方向
の軸の回りに回転するようにされている。したがって反
射体１５の表面には液槽１内の液体がその粘性により連
れ回されることで液体の回転流が誘起される。そしてパ
ルスドップラ式の超音波流速・流量計４は、液体中の流
れを検出可能であることから、上記の回転流を介するこ
とで、それ自体が反射体１５と協働して反射体１５の位
置における超音波の強さを検出するのに機能する。この
ような構成によると、高価なマイクロフォンやその信号
処理装置を必要とせず、したがって測定の低コスト化が
可能となる。

【００１９】本発明の第５の実施形態では図７に示すよ
うな構成の測定装置を用いる。本実施形態における測定
装置は、超音波流速・流量計４、マイクロフォン２から
の出力を処理して超音波の強さ分布データを形成する処
理装置１６、および移動手段１３の制御装置１７をパ−
ソナルコンピュータ１８に接続し、一連の測定処理を自
動的に行なえるようにした構成とされている。このよう
にすることで測定作業の省力化を図れる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、超
音波センサから放射される超音波の計測対象液体への入
射角を簡単な試験で正確に把握することができ、流速や
流量の高精度な測定を低コストで行なうことが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態における測定装置の模式化した
平面図である。

【図２】液槽内での超音波の強さ分布についての説明図
である。

【図３】第２の実施形態における測定装置の模式化した
平面図である。

【図４】第２の実施形態における測定装置の模式化した
側面図である。

【図５】第３の実施形態における測定装置の模式化した
平面図である。

【図６】第３の実施形態における測定装置の模式化した
側面図である。

【図７】第４の実施形態における測定装置の模式化した
平面図である。

【図８】超音波センサを用いた計測についての説明図で
ある。

【図９】超音波センサからの超音波が計測対象の流路に
おける液流に入射する経路についての説明図である。

【符号の説明】

１液槽２マイクロフォン（検出手段）３側壁４超音波流速・流量計５超音波センサ１４吸音材１５反射体Ｌ液体Ｕ超音波 θ 入射角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F035 DA12 2G047 AA01 BA03 BB02 BC00 BC03 BC05 EA10 GB26 2G064 AB01 AB06 AB24 BD02 CC18 CC41 CC45

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流路を流れる液体の流速や流量の計測に
用いられる超音波センサを前記流路の外面に所定の設置
条件で設置した状態で当該超音波センサから発射される
超音波が前記流路中の液体に対し入射する角度を、個々
の超音波センサごとの特性値として、予め測定するため
の方法であって、流速や流量の計測対象となる液体と同
種の液体を満たした液槽の外面に前記流路の外面に設置
する場合と同様の設置条件で超音波センサを設置し、前
記超音波センサから超音波を放射して前記液槽に入射さ
せ、この超音波の前記液槽内での強さ分布を測定すると
共に、測定された強さ分布から前記液槽内における前記
超音波の主伝播方向を求め、そしてこの主伝播方向に基
づいて前記超音波センサにおける特性値としての前記入
射角を求めることを含んでなる測定方法。
【請求項２】超音波の強さ分布を、液槽内に移動可能
に設けたマイクロフォンの出力または液槽内に移動可能
に設けた反射体による超音波の反射波を測定対象の超音
波センサで受信して得られる出力から求めるようにした
請求項１に記載の測定方法。
【請求項３】流路を流れる液体の流速や流量の計測に
用いられる超音波センサを前記流路の外面に所定の設置
条件で設置した状態で当該超音波センサから発射される
超音波が前記流路中の液体に対し入射する角度を、個々
の超音波センサごとの特性値として、予め測定するため
に用いる測定装置であって、測定対象の超音波センサを
設置することのできる側壁を有し且つ、前記超音波セン
サで流速や流量を計測する対象となる液体と同種の液体
を満たせるようにした液槽と、前記超音波センサから放
射された超音波の前記液槽内における強さ分布を検出す
るための検出手段とを備えてなる測定装置。
【請求項４】超音波センサを設置する液槽の側壁に、
前記超音波センサによる流速や流量の計測対象となる液
体流の管路を形成する材料と同じかまたはそれを近似す
る条件の材料を用いることができるようにされている請
求項３に記載の測定装置。
【請求項５】液槽が４面以上の側壁を有し且つこれら
各側壁がそれぞれ異なる交角を有するようにされた請求
項３または請求項４に記載の測定装置。
【請求項６】液槽の壁の内面に、超音波センサからの
超音波の入射を阻害することのない範囲で、超音波に対
する吸音材が施されている請求項３〜請求項５の何れか
１項に記載の測定装置。