JP2007271555A - 直接型電磁超音波送信方法、直接型電磁超音波受信方法、直接型電磁超音波測定方法、直接型電磁超音波探触子及び直接型電磁超音波測定装置 - Google Patents

Abstract

【目的】本発明の目的は、高精度な流体の状態測定や構造物の非破壊検査を行うことができる電磁超音波探触子を提供することである。
【構成】本発明は、磁石と交流電流の通電手段又は誘導起電力の測定手段から構成され、電磁相互作用を利用して超音波を被測定対象物中に送信する又は被測定対象物中を伝播する超音波を受信する電磁超音波探触子において、前記被測定対象物が導電性被測定対象物であり、この導電性被測定対象物中の超音波発振部４又超音波受信部に接続される電流端子対５ａ、５ｂと、前記交流電流７の通電方向又は前記超音波１４の伝播方向に直交又は斜交する磁界１１を形成する１対以上の磁石対から構成され、前記電流端子対５ａ、５ｂにより交流電流７を前記導電性被測定対象物中に直接通電させる又は前記磁界中の超音波振動により発生する誘導起電力を直接計測する直接型電磁超音波探触子である。
【選択図】 図５

Description

本発明は、被測定対象物に超音波を送受信する電磁超音波送受信方法及び電磁超音波探触子に関し、更に詳細には、電磁相互作用により超音波を送信又は受信して、被測定対象物の非破壊検査や厚さ測定などに用いられる電磁超音波送受信方法、電磁超音波探触子及びこれらを用いた被測定対象物における超音波の測定方法と測定装置に関する。

従来、固体中や液体中に超音波を送信又はその超音波を受信して被測定対象物の温度や流量の測定を行う、もしくは被測定対象物中の探傷を行う非破壊検査等には、特開平９−１３８１４９号公報（特許文献１）に記載されるように、超音波探触子として圧電素子を利用する超音波送信器及び超音波受信器が用いられてきた。しかし、圧電素子を用いた被測定対象物の超音波測定装置において、超音波を高効率に送信又は超音波を高感度で受信するためには、超音波を伝播させる接触媒体を必要とし、超音波の再現性を著しく低減させていた。

上述のような課題を解消するため、本発明者等の一部は、接触媒体を必要せず、被測定対象物と非接触状態で超音波を送受信する非接触型電磁超音波探触子を開発しており、これを流体温度測定方法に利用することが特開２００１−７４７５９号公報（特許文献２）及び特開２００１−７４５６７号公報（特許文献３）に開示されている。図１９は、特許文献１及び２における従来の電磁超音波探触子１０１を用いた超音波測定装置の概略図である。超音波測定装置は、超音波送信器として配管１１３に配設された電磁超音波探触子１０１と超音波受信器１０３から構成されている。図中の超音波測定装置は、超音波１１４の伝達時間及び超音波受信器１０３上で受信される伝播位置から配管１１３中を流通する流体１１２の流速を測定し、この流速から流量を導出するができる。また、特許文献２では、超音波１１４の伝播速度に基づいて流体１１２の温度が導出されている。例えば、原子力工学における増殖炉では、約４００℃の液体ナトリウムが作動流体として用いられているが、配管中の液体ナトリウムの高精度な流量及び流体温度の測定が重要な課題となっている。

図２０は、従来の電磁超音波探触子１０１における超音波の発振機構の概略説明図である。従来の電磁超音波探触子１０１は、電流線１０６と、この電流線１０６に高周波電流を通電させる交流電流供給手段１０８と、配管１１３中に外部から磁界１１１を形成する磁石（図示せず）から構成されている。電流線１０６に電流が矢印１０７ａの方向に通電すると、導電性の配管１１３中に誘導電流１０７ｂが流れる。この誘導電流１０７ｂは、前記磁石体によって形成される磁界１１１と相互作用して、ローレンツ力１２４が作用する。このローレンツ力１２４の作用方向は、前記電流線１０６に通電される高周波電流に連動して振動し、この振動するローレンツ力１２４により縦波超音波１１４ａ、１１４ｂが発生する。波動１１４ｃは、前記縦波超音波１１４ａの波動を模式的に表記したものである。これらの縦波超音波１１４ａ、１１４ｂは、配管１１３中の流体に伝播し、図１に示した超音波受信器１０３へ送信される。
特開平９−１３８１４９号公報 特開２００１−７４７５９号公報 特開２００１−７４５６７号公報

しかしながら、従来の電磁超音波探触子１０１の場合、前述のように、前記電流線１０６に通電される高周波電流により誘導電流１０７ｂを誘起し、この誘導電流１０７ｂと磁界１１１の電磁相互作用により超音波を発生させている。従って、配管１１３を介して超音波１１４ａ、１１４ｂを送信しているため、前記配管１１３と流体１１２との境界面における超音波１１４ａ、１１４ｂの多重反射やこの多重反射や境界面の凹凸による散乱等によってモード変換が発生し、超音波信号の解析や処理が複雑となり、超音波の測定には熟練した技術が必要とされていた。

更に、高周波電流により誘起される誘導電流１０７ｂと磁界１１１との相互作用により超音波を発生させるから、高強度の超音波を伝播させ、超音波の受信精度を向上させるためには、電流線１０６に高電圧の高周波を印加する必要があった。この場合、電磁超音波探触子１０１には、大型の交流電流供給手段１０８を設置するため、電磁超音波探触子１０１の小型化と製造コストの低減化を困難にしていた。また、超音波の強度が電流線１０６と配管の間隔Ｄｓに大きく依存しており、流体１１２中の所定方向に超音波１１４を送信する場合、前記間隔Ｄｓを高精度に調整するか、もしくは超音波信号の処理段階で補正を加える必要があり、超音波測定を複雑なものにしていた。更に、長期間の使用による電磁超音波探触子１０１の僅かな配置のずれに対しても超音波信号が変化し、高精度な流体１１２の流量や温度測定を困難なものにしていた。

上述のように、圧電素子を利用した超音波探触子や非接触型の電磁超音波探触子を用いた構造物の非破壊検査や流体の状態測定等では、簡易で高精度な超音波測定を行うことが非常に困難であった。従って、本発明の目的は、簡易に安定して高強度の超音波を送信又は高感度で受信して、高精度な流体の状態測定や構造物の非破壊検査を簡単に行うことができる電磁超音波の送受信方法及び電磁超音波探触子を提供することである。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の第１の形態は、磁界と交流電流との電磁相互作用により超音波を発生させ、この超音波を被測定対象物中に送信する電磁超音波送信方法において、前記被測定対象物が導電性被測定対象物であり、この導電性被測定象物中に交流電流を直接通電させると同時にこの交流電流に直交又は斜交する磁界を形成し、前記交流電流に連動する前記磁界との電磁相互作用により前記導電性被測定象物中に作用方向が振動するローレンツ力を発生させ、この振動ローレンツ力の作用により前記被測定対象物中に超音波を直接発生させる直接型電磁超音波送信方法である。

本発明の第２の形態は、第１の形態において、前記導電性被測定対象物に突設された突状部に前記交流電流を直接通電させると同時に前記磁界を形成して、前記突状部内に前記振動ローレンツ力を発生させ、この突状部内から超音波を送信する直接型電磁超音波送信方法である。

本発明の第３の形態は、第１の形態において、前記導電性被測定対象物が流路内を流通する導電性流体であり、この導電性流体を前記流路側面に設けられた発振槽内に流入させ、この発振槽内の導電性流体に交流電流を直接通電させると同時に前記磁界を形成し、前記振動ローレンツ力を発生させて前記発振槽内から超音波を送信する直接型電磁超音波送信方法である。

本発明の第４の形態は、第１〜３のいずれかの形態において、前記超音波の伝播経路における送信側端部からの距離ｄがｄ＝（λ／４＋（ｎ−１）λ／２）（ここで、λは超音波の波長、ｎは自然数）となる位置又はその近傍に前記振動ローレンツ力を作用させる直接型電磁超音波送信方法である。

本発明の第５の形態は、第１〜４のいずれかの形態において、前記超音波を前記導電性被測定対象物中の複数の点で発生させ、所定の方向に伝播する各超音波が互いに強め合うように各超音波の振動数及び／又は位相を調整する直接型電磁超音波受信方法である。

本発明の第６の形態は、被測定対象物中を伝播する超音波を受信する電磁超音波受信方法において、前記被測定対象物が導電性被測定対象物であり、この導電性被測定対象物中の一部又は全体に磁界を形成し、この磁界と超音波の伝達により振動する導電性被測定対象物の電磁相互作用によって前記磁界の直交方向に誘導起電力を発生させ、前記導電性被測定対象物に直接接続された電流端子対を介して前記誘導起電力又は誘導電流を計測し、前記超音波を受信する直接型電磁超音波受信方法である。

本発明の第７の形態は、第６の形態において、前記被測定対象物に突設された突状部内に磁界を形成し、この突状部内に前記超音波が伝播して発生する誘導起電力又は誘導電流を直接計測する直接型電磁超音波受信方法である。

本発明の第８の形態は、第６の形態において、前記被測定対象物が流路内を流通する導電性流体であり、この導電性流体を前記流路に設けられた受信槽内に流入させ、この受信槽内の導電性流体に対して磁界を形成し、前記受信槽内に前記超音波が伝達して発生する誘導電流又は誘導起電力を直接計測する直接型電磁超音波受信方法である。

本発明の第９の形態は、第１〜５のいずれかの形態の直接型電磁超音波送信方法により前記被測定対象物中に超音波を送信し、第６〜８のいずれかの形態の直接型電磁超音波受信方法により前記超音波を受信する直接型電磁超音波測定方法である。

本発明の第１０の形態は、第１又は２の形態の直接型電磁超音波送信方法により発生する横波超音波を伝播させ、この横波超音波の伝播方向に配設された超音波受信器により前記横波超音波を受信する直接型電磁超音波測定方法である。

本発明の第１１の形態は、第１〜５のいずれかの形態の直接型電磁超音波送信方法により前記被測定対象物中に超音波を送信し、圧電素子又は電磁超音波探触子から構成される超音波受信器により前記超音波を受信する直接型電磁超音波測定方法である。

本発明の第１２の形態は、磁石と交流電流の通電手段又は誘導起電力の測定手段から構成され、電磁相互作用を利用して超音波を被測定対象物中に送信する又は被測定対象物中を伝播する超音波を受信する電磁超音波探触子において、前記被測定対象物が導電性被測定対象物であり、この導電性被測定対象物中の超音波発振部又超音波受信部に接続される電流端子対と、前記交流電流の通電方向又は前記超音波の伝播方向に直交又は斜交する磁界を形成する１対以上の磁石対から構成され、前記電流端子対により交流電流を前記導電性被測定対象物中に直接通電させる又は前記磁界中の超音波振動により発生する誘導起電力又は誘導電流を直接計測する直接型電磁超音波探触子である。

本発明の第１３の形態は、第１２の形態において、前記超音波発振部又は前記超音波受信部が前記導電性被測定対象物の一部を突出させて設けられた１つ以上の突状部であり、この突状部側面に前記電流端子対と前記磁石対が配設される直接型電磁超音波探触子である。

本発明の第１４の形態は、第１２の形態において、前記導電性被測定対象物が流路を流通する導電性流体であり、前記超音波発振部又は超音波受信部が前記流路に設けられた１つ以上の発振槽内又は受信槽に流入する導電性流体である直接型電磁超音波探触子である。

本発明の第１５の形態は、第１４の形態において、前記発振槽又は受信槽が複数槽設けられ、各発振槽に一対以上の電流端子が配設される直接型電磁超音波探触子である。

本発明の第１６の形態は、第１２〜１５のいずれかの形態において、前記超音波の伝播経路における送信側端部からの距離ｄがｄ＝（λ／４＋（ｎ−１）λ／２）（ここで、λは超音波の波長、ｎは自然数）で表される位置又はその近傍に前記振動ローレンツ力が作用するように又は誘導電流が通電するように前記電流端子対と磁石対が配設される直接型電磁超音波探触子である。

本発明の第１７の形態は、第１２〜１６のいずれかの形態において、前記超音波発振部が複数配設され、これらの発振部から所定の方向に伝播する各超音波が互いに強め合うように各超音波の振動数及び／又は位相を調整する制御手段が設けられる直接型電磁超音波探触子である。

本発明の第１８の形態は、第１２〜１７のいずれかの形態において、前記磁石対が電磁石対であり、この電磁石対により発生する磁界の強さが自在に調整される直接型電磁超音波探触子である。

本発明の第１９の形態は、第１２〜１８のいずれかの形態の直接型電磁超音波探触子を超音波送信器及び／又は超音波受信器として具備する直接型超音波測定装置である。

本発明の第２０の形態は、第１２又は１３の形態の直接型電磁超音波探触子から発生する横波超音波を前記被測定対象物中に伝播させるように前記電流端子対と磁石対が配設され、前記横波超音波の伝播方向に超音波受信器が設置される直接型電磁超音波測定装置である。

本発明の第２１の形態は、第１２〜１８のいずれかの形態の直接型電磁超音波探触子を超音波送信器として具備し、超音波受信器として圧電素子又は電磁超音波探触子から構成される超音波受信器が配設される直接型超音波測定装置である。

本発明の第１の形態によれば、前記被測定対象物が導電性被測定対象物であり、この導電性被測定象物中に交流電流を直接通電させるから、従来の電磁超音波送信方法において磁界と相互作用する誘導電流に比べ、電磁相互作用に寄与する電流値を増大させることができ、高効率に超音波を発生させることができる。即ち、前記電磁相互作用により誘起されて振動するローレンツ力の発生に交流電流を直接寄与させることができるから、この振動ローレンツ力の作用により発生する超音波の駆動効率を格段に増大させることができる。更に、前記導電性被測定象物中に振動ローレンツ力を直接発生させて超音波を駆動することにより、前記導電性被測定象物のケーシング（流体を流通させる配管など）による超音波の多重反射及びこれを起因とする多重エコーを抑制できると共に、この多重反射による干渉や前記導電性被測定象物とケーシングの境界面における散乱等によって発生する超音波のモード変換を防止することができる。従って、超音波信号のＳ／Ｎ比や安定性が格段に向上して、超音波信号の処理が単純化されるから、高精度な導電性構造物の探傷測定や導電性流体の状態測定を簡易に行うことができる。
更に、前記電極端子対を導電性被測定対象物の所望の位置に設置し、この電極端子対間に通電する交流電流に直交又は斜交する磁界を形成することにより、前記導電性被測定対象物中の所望の位置に超音波を発生させることができる。従って、導電性被測定対象物に作用する圧力や加重等が大きい領域や導電性被測定対象物の状態を検出する上で重要な部位及びその近傍などに超音波を発生させ、この超音波を受信することにより、超音波による状態測定の精度を格段に向上させることができる。例えば、原子力工学における増殖炉では、導電性の液体である約４００℃の液体ナトリウムが作動流体として用いられており、本発明に係る直接型電磁超音波送信方法によれば、配管中の液体ナトリウムの高精度な流量及び流体温度の測定を行うことができる。液体ナトリウムは、配管の材料として用いられるステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６など）より高い電気伝導度を有しており、直接液体ナトリウム中に超音波を駆動することにより、高強度の超音波を高効率に発生させることができる。

本発明の第２の形態によれば、前記導電性被測定対象物に突設された突状部に前記交流電流を直接通電させると同時に前記磁界を形成し、この突状部内から超音波を送信するから、導電性被測定対象物の機能や状態に対する影響が抑制され、前記導電性被測定対象物の固有状態を高精度に測定することができる。即ち、前記導電性被測定対象物中における前記交流電流や前記磁界の影響が抑制され、前記超音波振動と導電性被測定対象物及び／又はこの導電性被測定対象物中の不純物や欠陥等との相互作用のみを反映した超音波信号を受信することができる。従って、より高精度で簡易な導電性被測定対象物中の超音波測定を実現することができる。ここで、前記突状部は、導電性被測定対象物と一体形成されており、同一の物質から形成されている。導電性被測定対象物と突状部に界面が存在すると、前述のように、多重反射や超音波のモード変換により超音波信号の解析が非常に困難になる。従って、導電性被測定対象物が固体の場合、前記突状部は、固体物の製造時に一体形成されることが好ましい。または固体物を切削して、前記突状部を形成しても良い。
更に、導電性被測定対象物に突設された突状部を電磁超音波の送信源とすることにより、前記交流電流の通電方向や形成される磁界の方向を簡単に設定変更することができる。従って、導電性被測定対象物の状態や測定量に応じて、この導電性被測定対象物中に送信される超音波の伝播方向や特性を簡易に調整することができる。

本発明の第３の形態によれば、この導電性流体を流路側面に設けられた発振槽内に流入させ、この発振槽内から超音波を送信するから、前記導電性流体の流動状態に与える影響を抑制し、前記導電性流体の状態をより高精度に測定することができる。更に、第２の形態と同様に、流路側面に設けられた発振槽内を電磁超音波の送信源とすることにより、前記交流電流の通電方向や形成される磁界の方向を簡単に設定変更することができ、導電性流体の状態や測定量に応じて送信される超音波の伝播方向や特性を簡易に調整することができる。

本発明の第４の形態によれば、前記伝播経路上の送信側端部からの距離ｄがｄ＝（λ／４＋（ｎ−１）λ／２）（ここで、λは超音波の波長、ｎは自然数(ｎ＝１，２，・・)）となる位置又はその近傍に前記振動ローレンツ力を作用させることにより、単一周波数で一定振幅の断続波（バースト波）を安定に発生させることができる。従って、前記バースト波の伝達時間を高精度に測定することができ、導電性被測定対象物中の探傷や物理量の測定精度を向上させることができる。前記振動ローレンツ力を作用する位置は、発生する超音波の腹の中心位置に相当し、ｄ＝（λ／４＋（ｎ−１）λ／２）となる位置に前記振動ローレンツ力を作用させるから、前記伝播経路上の送信側端部が超音波の節と一致する。従って、導電性流体が流通する配管の送信側内壁や導電性固体の送信側界面又は表面で超音波が反射される場合、反射超音波における腹の中心位置が発生する超音波の腹の中心位置と一致し、超音波の安定したバースト波を高効率に発生させることができる。更に、上記した導電性流体配管の送信側内壁や導電性固体の送信側界面又は表面に超音波の振動エネルギーが伝達することが抑制され、導電性被測定対象物以外に超音波が伝播することを低減できる。また、超音波の周波数は、交流電流の周波数ｆに一致し、超音波の波長λは、音速ｖと交流電流の周波数ｆより、λ＝ｖ／ｆで与えられるから、前記電流端子対や磁石対の設置位置に応じて、交流電流の周波数ｆを調整して、前記振動ローレンツ力を作用する位置をｄ＝（λ／４＋（ｎ−１）λ／２）に設定することができる。更に、ｎ＝１に設定することが好適であるが、前記電流端子対や磁石対の設置位置やバースト波における超音波振動の持続時間に応じてｎの値を適宜選択することができる。

本発明の第５の形態によれば、前記超音波を導電性被測定対象物中の複数の点で発生させ、所定の方向に伝播する各超音波が互いに強め合うように各超音波の振動数及び／又は位相が調整されるから、所定方向に高強度の超音波を送信することができる。例えば、前記導電性被測定対象物中の超音波の発振点が直線上に配置され、各超音波が同一振動数を有し、隣り合う発振点の位相差がλ／２に設定された場合、各超音波は、隣り合う発振点から送信される超音波の行路差がλ／２となる方向に伝播すると互いに強め合う。従って、発振点間の距離を設定されると、各超音波の位相差を調整することにより、所望の方向に伝播する超音波の強度を増大させることができる。また、超音波の伝播方向と同一線上に前記発振点が配列された場合、各超音波の振動数を同一に設定し、各発振点間の距離を波長の整数倍に設定することにより、超音波の強度を増強させることができる。上述のように、超音波が発生する発振点の間隔を設定し、振動数及び／又は位相を調整することにより、各超音波が強め合う方向を自在に選択することが可能である。従って、前記導電性被測定対象物中の所望の方向に高強度の超音波を送信でき、超音波による探傷検査や種々の物理量測定の精度を格段に向上させることができる。

本発明の第６の形態によれば、前記被測定対象物が導電性被測定対象物であり、この導電性被測定対象物中の一部又は全体に磁界を形成し、この磁界と超音波の伝達により振動する導電性被測定対象物との電磁相互作用によって前記磁界の直交方向に誘導起電力を発生させるから、高精度な超音波測定を実現することができる。即ち、前記導電性被測定対象物に直接接続された電流端子対を介して前記誘導起電力を計測することにより、高強度の超音波信号を受信することができ、Ｓ／Ｎ比が向上すると共に、前記ケーシングの影響が低減化することができる。測定対象となる流体を流通させる配管などからなるケーシングによって引き起こされる超音波の多重反射の影響が抑制され、受信信号の処理が単純化される。また、前記導電性被測定対象物とケーシングの境界面における散乱や多重反射によって超音波のモード変換が発生する場合がある。しかし、前記電流端子対により前記導電性被測定対象物中の誘導起電力を直接測定することにより、モード変換された超音波信号成分を受信することが抑制される。従って、受信した超音波信号から送信された信号のみを簡易に抽出することができ、超音波による探傷検査や種々の物理量の測定精度を向上させることができる。
更に、前記導電性被測定対象物中の所望の位置に磁界を形成し、超音波の伝達により発生する誘導起電力又はその誘導電流を測定することにより、所望の位置で超音波信号を受信することができる。従って、前記導電性被測定対象物に作用する圧力や加重等が大きな領域や前記導電性被測定対象物の状態を検出する上で重要な部位等の近傍で超音波信号を受信することができ、前記導電性被測定対象物の構造、検査対象、測定物理量などに応じて超音波の受信位置を設定することができる。

本発明の第７の形態によれば、前記被測定対象物に突設された突状部内に伝播する超音波を直接計測するから、前記導電性被測定対象物に接続された電流端子や形成される磁界が前記導電性被測定対象物の状態に与える影響を低減化することができ、より高精度で簡易な導電性被測定対象物中の超音波測定を実現することができる。即ち、前記超音波振動と導電性被測定対象物及び／又はこの導電性被測定対象物中の不純物や欠陥等の作用のみを反映した超音波信号を受信することができる。また、前記突状部は、超音波を送信する場合と同様に、導電性被測定対象物と一体形成されており、同一の物質から形成されている。従って、導電性被測定対象物と突状部との界面における多重反射や超音波のモード変換等を防止することができ、より簡易に超音波信号の解析を行うことができる。前述のように、導電性被測定対象物が固体の場合、前記突状部は、固体物の製造時に一体形成されることが好ましく、固体物を切削して前記突状部を形成しても良い。更に、前記突状部で超音波を受信することにより、超音波の伝播方向に応じて形成される磁界の方向を簡単に調整することができ、超音波送信器の設置位置の変更した場合においても、高い測定精度を保持することができる。

本発明の第８の形態によれば、導電性流体が流入する流路に設けられた受信槽内で超音波を受信するから、磁界の形成や電流端子の設置によって導電性流体の流動状態に与える影響が低減化され、前記導電性流体の固有状態を受信信号から解析することができる。更に、第７の形態と同様に、流路側面に設けられた受信槽が受信器としての機能を有することにより、超音波振動により誘導起電力を誘起する磁界の方向を自在に設定することができ、測定対象となる導電性流体の流路形態や物理量によって受信器の設定を簡易に調整することができる。

本発明の第９の形態によれば、第１〜５のいずれかの形態の直接型電磁超音波送信方法により前記被測定対象物中に超音波を送信し、第６〜８のいずれかの形態の直接型電磁超音波受信方法により前記超音波を受信するから、より高精度な電磁超音波の測定方法を提供することができる。上述のように、本発明に係る電磁超音波の送受信方法は、導電性被測定対象物中の超音波を前記電流端子対により直接送信又は受信することができ、送信する超音波の強度や超音波の受信感度を格段に向上させることができる。更に、前記ケーシング等の外部構造の影響を低減化させ、超音波信号の処理や解析をより単純化することができる。

本発明の第１０の形態によれば、第１又は２の形態の直接型電磁超音波送信方法により固体中に発生する横波超音波を伝播させるから、横波超音波を利用した導電性被測定対象物の探傷や物理量の測定方法を提供することができる。前記振動ローレンツ力により駆動される超音波は、ローレンツ力の振動方向に直交する面方向に拡がっていく。従って、複数の超音波受信器を横波超音波の伝播方向に配設することにより、前記導電性被測定対象物中の広範囲な領域の情報を超音波により測定することができる。更に、縦波超音波と横波超音波を併用して測定することにより、本発明に係る超音波測定方法により導電性被測定対象物の多くの情報を得ることができる。前記超音波受信器としては、本発明に係る直接型電磁超音波探触子と共に、圧電素子を用いたものや従来の電磁超音波探触子（図２０に示したような非接触型電磁超音波探触子など）から構成される受信器を用いることができる。

本発明の第１１の形態によれば、第１〜５のいずれかの形態の直接型電磁超音波送信方法により前述の多重反射やモード変換等の影響が低減化された高強度の超音波を送信できると共に、従来の圧電型超音波受信器や電磁超音波探触子（図２０に示したような非接触型電磁超音波探触子など）を用いて超音波測定を行うことができる。従って、既存の圧電型超音波受信器又は電磁超音波受信器とそれらの信号処理方法を用いて、本発明に係る直接型電磁超音波測定方法を簡易に実施することが可能であり、イニシャルコストを低減化することができる。

本発明の第１２の形態によれば、導電性被測定対象物中の超音波発振部に電流端子対が直接接続されるから、磁界と相互作用する交流電流を前記導電性被測定対象物中に直接通電することができ、高効率に超音波を発生させる直接型電磁超音波送信器を提供することができる。即ち、前記交流電流が超音波の発振点に直接供給されるから、従来の電磁超音波探触子に比べ、電磁相互作用に寄与する電流値を増大させることができ、磁界との相互作用により誘起されて振動するローレンツ力の強度を増大させ、超音波の駆動効率を格段に向上させることができる。更に、本発明に係る直接型電磁超音波探触子によれば、前記導電性被測定象物中に超音波の発振部が設けられるから、ケーシングによる超音波の多重反射及びこれを起因とする多重エコーを抑制できると共に、モード変換の発生を防止することができる。従って、超音波信号のＳ／Ｎ比や安定性が格段に向上して、超音波信号の処理が単純化され、高精度な導電性構造物の探傷測定や導電性流体の状態測定を簡易に行うことができる直接型電磁超音波探触子を提供することができる。
また、本発明に係る直接型電磁超音波探触子は、導電性被測定対象物中の所望の位置に前記発振部を設定することができ、この発振点から超音波を送信することができる。従って、導電性被測定対象物に作用する圧力や加重等が大きい領域や導電性被測定対象物の状態を検出する上で重要な部位及びその近傍などに、本発明に係る直接型電磁超音波探触子を設置することができる。
更に、本発明に係る直接型電磁超音波探触子によれば、磁石対により超音波の伝播方向に直交又は斜交する磁界を形成し、前記磁界中の超音波振動により発生する誘導起電力を前記電流端子により直接受信する直接型電磁超音波受信器を提供することができる。即ち、電磁超音波を直接送信場合と同様に、Ｓ／Ｎ比が改善されると共に、前記ケーシングの影響を低減化することができ、多重反射やモード変換の発生を抑制し、受信した超音波の信号処理を単純化することができる。また、前記導電性被測定対象物中の所望の位置に前記受信部を設定することができ、前記導電性被測定対象物中において圧力や加重等の付加が比較的高い部位などの近傍に前記受信部を設定し、導電性被測定対象物の状態を観測することができる。従って、前記導電性被測定対象物の構造、検査対象、測定物理量などに応じて直接型電磁超音波探触子の設置位置を設定することができる。

本発明の第１３の形態によれば、前記超音波発振部又は前記超音波受信部が導電性被測定対象物の一部を突出させて設けられた１つ以上の突状部であるから、直接型電磁超音波探触子を導電性被測定対象物に設置することによって、被測定対象物固有の機能や状態に影響を及ぼすことを抑制することができる。即ち、前記導電性被測定対象物中に通電される前記交流電流や形成される磁界の影響が抑制され、傷の存在や物理量のみを反映した超音波信号を受信することができる。
従って、より高精度で簡易な導電性被測定対象物中の超音波測定を実現することができる。ここで、前記突状部は、導電性被測定対象物と一体形成されており、導電性被測定対象物と同一の物質から形成されている。導電性被測定対象物と突状部に界面が形成されないことにより、前述のように、多重反射や超音波のモード変換を防止することができ、Ｓ／Ｎ比が良く、超音波信号における所望の伝播成分を高効率に受信することができる。従って、前記超音波信号の解析を簡易に行うことができる。前記導電性被測定対象物が固体の場合、前記突状部は、固体物の製造時に一体形成されることが好ましく、固体物を切削して、前記突状部を形成しても良い。
更に、前記突状部側面に前記電流端子対と磁石対が配設され、この突状部を前記超音波発振部又は前記超音波受信部とすることにより、前記交流電流の通電方向や形成される磁界の方向を簡易に設定することができる。従って、導電性被測定対象物の形態や測定物理量に応じて超音波の伝播方向や受信位置を簡易に調整することができる。

本発明の第１４の形態によれば、前記超音波発振部又は超音波受信部が導電性流体を流通させる流路に設けられた１つ以上の発振槽内又は受信槽内に形成されるから、前記導電性流体の流動状態に与える影響を低減化することができる。従って、前記導電性流体の流量や温度等をより高精度に測定することができる。更に、第１３の形態と同様に、流路側面に設けられた発振槽内又は受信槽に形成される磁界や前記発振槽内に供給される前記交流電流の通電方向を簡単に設定することができ、導電性流体の流路形態や測定物理量に応じて超音波の伝播方向又は受信方向を簡易に調整することができる。

本発明の第１５の形態によれば、前記発振槽又は受信槽が複数槽設けられ、各発振槽に一対以上の電流端子が配設されるから、直接型電磁超音波探触子によって送信される超音波の強度又は受信される超音波信号の受信感度を格段に向上させることができる。本発明に係る直接型電磁超音波探触子により超音波を送信する場合、各発信槽内に通電される交流電流の周波数や位相を調整する制御手段を設置することが好ましい。この制御手段により各発振槽内から送信される各々の超音波の振動数や位相を制御することができる。また、各受信槽内に誘起されるそれぞれの誘導起電力を計測し、複数の電圧値又は電流値から前記導電性流体の物理量を解析・導出する超音波信号処理手段を具備することが好ましく、より高精度な導電性流体の状態測定を行うことができる。

本発明の第１６の形態によれば、前記伝播経路上の送信側端部からの距離ｄがｄ＝（λ／４＋（ｎ−１）λ／２）となる位置又はその近傍に前記振動ローレンツ力を作用させる前記電流端子対と磁石対が配設されるから、前記バースト波を安定に発生させることができる。従って、前記バースト波の伝達時間を高精度に測定することができ、導電性被測定対象物中の探傷や物理量の測定精度を向上させることができる。前記振動ローレンツ力を作用する位置は、発生する超音波の腹の中心位置に相当し、ｄ＝（λ／４＋（ｎ−１）λ／２）となる位置に前記振動ローレンツ力を作用させるから、前記伝播経路上の送信側端部が超音波の節と一致する。従って、導電性流体が流通する配管の送信側内壁や導電性固体の送信側界面又は表面で超音波が反射される場合、反射超音波における腹の中心位置が発生する超音波の腹の中心位置と一致し、超音波の安定したバースト波を高効率に発生させることができる。第４の形態と同様に、上記した導電性流体配管の送信側内壁や導電性固体の送信側界面又は表面に超音波の振動エネルギーが伝達することが抑制され、導電性被測定対象物以外に超音波が伝播することを低減できる。また、交流電流の周波数ｆを調整して、前記振動ローレンツ力が作用する位置をｄ＝（λ／４＋（ｎ−１）λ／２）に設定することができる。また、上記の位置がｄからずれる場合においても、そのずれはλ／１６以下に設定されることが好ましい。
また、本発明に係る電磁超音波探触子により超音波を受信する場合においても前記伝播経路上の受信側端部からの距離ｄがｄ＝（λ／４＋（ｎ−１）λ／２）となる位置又はその近傍で受信することが好ましく、ｎ＝１、つまりｄ＝λ／４となる位置で受信することがより好適である。即ち、ｄ＝（λ／４＋（ｎ−１）λ／２）の位置を誘導電流が通電するように電流端子対を配設することにより、超音波の腹の中心位置が電流端子対間に位置するから、前記回路中を貫く磁束数の変化量が増大し、受信する超音波信号を増強することができる。

本発明の第１７の形態によれば、前記超音波発振部が複数配設され、前記制御手段により、所定の方向に伝播する各超音波が互いに強め合うように各超音波の振動数及び／又は位相を調整するから、高強度の超音波を送信する直接型電磁超音波探触子を提供することができる。前記超音波発振部における超音波の発振点が直線上に配置された場合、各超音波が同一振動数に設定し、隣り合う発振点の位相差をπに設定することにより、隣り合う発振点から送信される超音波の行路差がλ／２となる方向に伝播する超音波が互いに強め合う。ここで、隣り合う発振点間の間隔Ｗに設定され、前記発振点が配設される直線に対する角度が（π／２−θ）となる方向に各超音波が強め合う場合、上記の行路差はＷ・ｓｉｎθで表される。従って、前記交流電流の周波数を調整して、Ｗ・ｓｉｎθ＝λ／２となるように超音波の波長を設定すればよい。従って、発振点間の距離を設定されると、各超音波の位相差を調整することにより、所望の方向に伝播する超音波の強度を増大させることができる。
また、超音波の伝播方向と同一線上に前記発振点が配列された場合、各超音波の振動数を同一に設定し、各発振点間の距離を波長の整数倍に設定することにより、超音波の強度を増強させることができる。上述のように、超音波が発生する発振点の間隔を設定し、振動数及び／又は位相を調整することにより、各超音波が強め合う方向を自在に選択することができる。

本発明の第１８の形態によれば、前記磁石対が電磁石対であり、この電磁石対により発生する磁界の強さが調整されるから、超音波の強度又は受信感度を必要に応じて自在に設定できる直接型電磁超音波探触子を提供することができる。前記振動ローレンツ力ＦはＦ＝Ｊ×Ｂ（ここで、Ｊは交流電流、Ｂは磁界の強さ）で表され、電磁石対により形成される磁界の強さＢを調整することにより、超音波の強度を自在に設定することができる。また、前記誘導起電力Ｖｅは、Ｖｅ∝−（ｄΦ／ｄｔ）（ここで、Φは前記電流端子対と測定手段から構成される回路を貫く磁束、ｔは時間）で表される。従って、電磁石対により形成される磁束Φ（ｔ＝０）を増大させることにより、超音波振動により変動する磁束Φ（ｔ）の変化量ｄΦを増加させ、前記誘導起電力Ｖｅを増強することができ、超音波信号の受信感度を向上させることができる。

本発明の第１９の形態によれば、第１２〜１８のいずれかの形態の直接型電磁超音波探触子を超音波送信器及び／又は超音波受信器として具備するから、前記導電性被測定対象物の探傷検査や物理量の測定を高精度に行う直接型超音波測定装置を提供することができる。更に、本発明に係る直接型超音波測定装置を用いることにより、前述のように、前記ケーシングの影響を低減化することができ、超音波信号の解析・処理を単純化することができる。

本発明の第２０の形態によれば、横波超音波を前記被測定対象物中に伝播させ、前記横波超音波の伝播方向に超音波受信器が設置されるから、この横波超音波により前記導電性被測定対象物の情報を得る直接型電磁超音波測定装置を提供することができる。前述のように、前記振動ローレンツ力により駆動される超音波は、振動方向に対して直交する面方向に拡がっていく。従って、本発明の第２０の形態によれば、複数の超音波受信器を配設することにより、前記導電性被測定対象物中における広範囲な領域の情報を得ることができる。更に、縦波超音波と横波超音波を併用することにより、前記導電性被測定対象物に関する多くの情報を得ることができる。

本発明の第２１の形態によれば、第１２〜１８のいずれかの形態の直接型電磁超音波探触子により多重反射やモード変換等の影響が低減化された高強度の超音波を送信できると共に、従来の圧電型超音波受信器や電磁超音波探触子（図２０に示したような非接触型電磁超音波探触子など）を用いて超音波測定を行うことができる。従って、既存の圧電型超音波受信器又は電磁超音波受信器とそれらの信号処理方法を用いることができ、直接型電磁超音波探触子から構成される直接型超音波測定装置を低コストで提供することができる。

以下に、本発明に係る直接型電磁超音波探触子の実施形態を図面に従って詳細に説明する。

図１は本発明に係る直接型電磁超音波探触子から構成される超音波測定装置の概略図である。この超音波測定装置は、（１Ａ）に示すように、直接型電磁超音波探触子からなる直接型電磁超音波送信器１と超音波受信器３から構成され、導電性流体１２が流通する配管１３の側面に配設さている。前記超音波送信器１の超音波発振部は、流動する導電性流体１２に形成されており、（１Ａ）のＡ−Ａ線断面図である（１Ｂ）に示すように、前記導電性流体１２に交流電流７を通電させる電流端子５ａ、５ｂ（電流端子対）が超音波発振部に接続されている。これらの電流端子５ａ、５ｂに通電される交流電流７に直交又は斜項する磁界１１を形成する磁石体１０ａ、１０ｂが配設され、前記交流電流７と磁界１１の電磁相互作用によりこの交流電流７に連動して振動するローレンツ力が超音波発振部に発生する。従って、前記振動ローレンツ力により駆動される超音波１４が導電性流体１２中に送信される。また、前記電流端子５ａ、５ｂには電流線６を介して交流電流を通電させる交流電流供給手段８が接続され、この交流電流供給手段８に交流電流制御手段（図示せず）を接続して、前記交流電流の周波数及び位相を制御することができる。更に、（１Ａ）及び（１Ｂ）に示すように、本発明に係る直接型電磁超音波送信器１は、既成の導電性流体が流通する配管に簡易に設置することができる。

図２は本発明に係る直接型電磁超音波測定装置が配設された配管１３の拡大断面図であり、（２Ａ）は流通方向に直交する面の拡大断面図を示している。この実施例では、配管１３の本体内を超音波１４により検査することができる。配管１３には、電流端子５ａ、５ｂ（電流端子対）が接続され、配管１３の壁面中に交流電流７を直接通電させる。流通方向に平行な拡大断面図である（２Ｂ）に示すように、磁石体１０ａ、１０ｂが配設され、交流電流７に直交又は斜項する磁界１１が形成され、前記交流電流７と磁界１１の電磁相互作用により振動ローレンツ力２４が超音波発振部に発生する。従って、前記振動ローレンツ力により駆動される超音波１４が配管１３の壁面中に送信され、超音波受信器３を所定の位置に配設することにより、配管本体の探傷検査等を行うことができる。（２Ｂ）では、配管１３の内面で反射した超音波１４を超音波受信器３により受信して、配管本体の検査を行っている。図２においても、図１と同様に、既成の配管１３に電磁超音波発信器１を容易に設置することができる。

図３は本発明に係る直接型電磁超音波探触子から構成される超音波測定装置の概略図である。これ以降、同一の機能を有する同一部材については、説明を一部省略する。前記超音波測定装置は、直接型電磁超音波探触子からなる直接型電磁超音波送信器１と超音波受信器３から構成され、導電性流体１２が流通する配管１３の側面に配設さている。前記直接型超音波送信器１の超音波発振部４は、後に詳述するように、前記配管１３に設けられた発振槽内に流入する導電性流体１２から形成されている。

図４は本発明に係る直接型電磁超音波測定装置が配設された配管１３の断面図であり、（４Ａ）は図３のＡ−Ａ線断面図を示している。（４Ａ）に示すように、前記交流電流に直交する磁界１１を形成する磁石体１０ａ、１０ｂが配設され、前記交流電流と磁界１１の電磁相互作用によりこの交流電流１１に連動して振動するローレンツ力が作用し、この振動ローレンツ力により駆動される超音波１４が導電性流体１２中に送信される。前記超音波受信器３には、圧電素子からなる従来の圧電型超音波受信器が用いられ、既存の超音波信号の処理システムを利用することができる。

（４Ｂ）には、本発明に係る直接型電磁超音波探触子を超音波受信器として用いた直接型電磁超音波測定装置が示されている。直接型電磁超音波受信器２は、超音波受信部１６、磁石対１８及び電流端子対１５から構成され、前記超音波受信部１６の両側面に磁石対１８を形成する磁石体１８ａ、１８ｂが配設されている。前記超音波受信部１６は、配管１３の側面に形成された受信槽と受信槽内に流入する導電性流体１２から構成される。前記磁石体１８ａ、１８ｂ間に形成される磁界２２中に前記導電性流体１２内を伝播する超音波１４が伝達すると、誘導起電力が発生し、この誘導起電力を電圧計２０によって測定することにより、超音波信号を受信することができる。

次に、本発明に係る直接型電磁超音波測定装置による超音波を用いた流速ｕの測定方法を簡単に説明する。図１及び図３に示すように、前記直接型超音波送信器１から超音波を矢印１４ａの方向に送信し、時間τ後に超音波検出器３がその超音波を検出したとする。もし導電性流体１２が静止していれば静止到達点Ｏに到達するが、実際には媒質である導電性流体１２が流動しているため、矢印１４ｂの経路で超音波が伝播して流動到達点Ｐに到達する。間隔ＯＰをΔＬで表わすと、ΔＬはｕτに等しいはずであり、これから流速ｕがｕ＝ΔＬ／τから算出できる。従って、この方法では、間隔ΔＬおよび超音波伝達時間τを測定して流速ｕを導出する。また、直径Ｄの配管１の断面積ＳはＳ＝πＤ^２／４となるから、この配管を流通する導電性流体１２の流量ＱがＱ＝πｕＤ^２／４として導出される。本発明に係る直接型電磁超音波測定装置によれば、前記超音波が導電性流体１２中に直接駆動されるから、前記超音波伝達時間τを高精度に測定することができ、より正確な流量Ｑを導出することができる。

また、前記導電性流体１２の温度Ｔを測定する場合には、先ず導電流体１２中を伝播する超音波の音速ｃを測定する。超音波の伝達媒質である導電性流体が決まれば、流体温度Ｔと音速ｃの間には関係式Ｔ＝ｇ（ｃ）が成立し、音速ｃから一義的に流体温度Ｔを導出することができる。超音波が矢印１４ａの方向に送信された場合、音速ｃは前記超音波伝達時間τと配管１の直径Ｄからｃ＝Ｄ／τとなり、上記の関係式Ｔ＝ｇ（ｃ）から温度Ｔが導出される。上記した増殖炉の作動流体として用いられる液体ナトリウムは、配管１３の材料として用いられるステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６など）より高い電気伝導度を有しており、直接液体ナトリウム中に超音波を駆動することにより、高強度の超音波を発振することができる。従って、配管中を流通する液体ナトリウムの高精度な流量・温度測定を行うことができる。

図５は、本発明に係る直接型電磁超音波送信器１の断面概略図である。前述のように、前記超音波発振部４は、前記配管１３に設けられた発振槽４ａとこの発振槽４ａ内に流入する導電性流体１２から構成され、この発振槽４ａの側面に配設された電流端子５ａ、５ｂ間に通電する交流電流７と磁界１１の電磁相互作用によりローレンツ力２４が発生する。図中に示した、ローレンツ力２４の矢印の向きは、交流電流７が矢印の向きに通電し、磁界１１が図のように形成されたときに作用するローレンツ力２４の向きを示しており、交流電流７の通電方向に連動して、ローレンツ力２４の向きと大きさが振動し、前記超音波１４が駆動される。また、前記電流端子５ａ、５ｂ間の距離を近づけることにより、前記発振槽４ａ内に流入する導電性流体１２に対して局所的に電流を通電させることができ、超音波１４の発振領域を微小な領域又は略点状に設定することができる。従って、模式的に示した超音波波形１４ｃに近い超音波１４を発生させることができ、後述するように、定常波や超音波１４の重ね合わせによる高強度の超音波ビームを形成することができる。また、磁界１１が形成される領域を狭めることによっても微小な領域又は略点状の超音波発振点が形成される。

更に、前記振動ローレンツ力を作用させる位置は、発生する超音波の腹１４ｇの中心位置に相当する。従って、前記伝播経路上の送信側端部３２ａからの距離ｄがｄ＝λ／４（ここで、λは超音波の波長）となる位置に前記振動ローレンツ力を作用させることにより、前記伝播経路上の送信側端部３２ａが超音波の節１４ｈと一致する。前記振動ローレンツ力は、ｄ＝（λ／４＋（ｎ−１）λ／２）（ここで、ｎは自然数）となる位置又はその近傍に作用させることが好ましく、上述のように、ｎ＝１、つまりｄ＝λ／４となる位置に前記振動ローレンツ力を作用させることがより好適である。上記した機構については、次に詳述する。

図６は、本発明に係る直接型電磁超音波発信器１の設置位置を示す断面概略図である。超音波１４は、単一周波数で一定振幅の断続波（バースト波）から形成され、交流電流の断続的に通電させることにより、バースト波を発生させることができる。また、交流電流の連続通電時間を調整することによりバースト波の単位持続長Ｌ_ｂを自在に設定することができる。前記バースト波を受信側端部３２ｂに伝達させることにより、超音波受信器３により超音波の伝播時間が測定される。図５に示したように、超音波１４が導電性流体１２を流通させる配管１３の送信側端部３２ａ（配管内壁）で反射される場合、反射超音波における腹の中心位置が発生する超音波１４の腹１４ｇの中心位置と一致し、高強度で安定した超音波のバースト波を高効率に発生させることができる。更に、上記した導電性流体配管１３に超音波１４の振動エネルギーが伝達することが抑制され、導電性流体の外部に超音波１４が伝播することが低減される。

以上のことから、外部から配管壁面を介して超音波を送信する又は配管壁面内に超音波を発生させる従来の超音波送信器に対し、本発明に係る直接型電磁超音波探触子を用いて導電性液体１２中に超音波を直接発生させる顕著な利点としては、以下のことが挙げられる。
（１）λ／４又はλ／４近傍に超音波を発生させるので、配管壁面からの反射成分と強め合い、高強度の超音波が発生できる。
（２）配管壁面内での多重反射による多重エコーの影響が抑制され、信号処理が容易になる。
（３）配管壁面内部からの超音波発生に比べると、壁面内でロスするエネルギーを抑制でき、結果として、超音波強度を高めることができる。

図７は、本発明に係る直接型電磁超音波受信器の断面概略図である。直接型電磁超音波受信器は、前述のように、超音波受信部１６が配管１３の側面に形成された受信槽１６ａと受信槽１６ａ内に流入する導電性流体１２から構成される。この受信槽１６ａの側壁には、この側壁を貫通させて電流端子１５ａ、１５ｂが配設され、これらの電流端子１５ａ、１５ｂには、電流線２２を介して電圧計２０が接続され回路を形成している。導電性流体１２内を伝播する超音波１４が前記超音波受信部１６に伝達すると、超音波振動により超音波受信部１６が振動し、前記回路中を貫く磁界１１の磁束数が変化して回路に誘導起電力が発生する。この誘導起電力を電圧計２０によって測定することにより、超音波信号を受信される。また、電圧計２０に換えて電流計（図示せず）を接続し、前記誘導起電力によって通電する誘導電流３０を測定しても良い。更に、超音波振動によって誘起される誘導起電力又は誘導電流３０を受信側端部３２ｂからの距離ｄがｄ＝（λ／４＋（ｎ−１）λ／２）となる位置又はその近傍で受信することが好ましく、ｎ＝１、つまりｄ＝λ／４となる位置で受信することがより好適である。超音波１４の腹１４ｇの中心位置が電流端子対間に位置するから、前記回路中を貫く磁束数の変化量が増大し、高強度の超音波信号を受信することができる。

図８は、本発明に係る複数の超音波発振部４１、４２、４３を具備する直接型電磁超音波送信器１の断面概略図である。各超音波発振部を構成する各々の発振槽には電流端子対が配設されており、中心に位置する超音波発振部４２の側壁には、電流端子５ｂ、５ｃが両端に形成された電流線６ａを貫通させて配設されている。従って、超音波発振部４２には、電流線６ａ、６ｂに形成された電流端子５ｃ、５ｅにより交流電流が供給される。複数の超音波発振部４１、４２、４３を具備することにより、高強度の超音波を送信することができる。

図９は、本発明に係る複数の超音波発振部４１、４２を具備する直接型電磁超音波送信器１の断面概略図である。この実施例では、超音波発振部４１、４２の各々に交流電流供給手段８ａ、８ｂが接続されており、これらの交流電流供給手段８ａ、８ｂにより超音波１４ｄ、１４ｅの位相や振動数を独立に調整することができ、後述するように、各超音波１４ｄ、１４ｅの位相や振動数を調整することにより互いの超音波が強め合うように設定することができる。

図１０は、本発明に係る直接型電磁超音波測定装置の他の配置例を示す概略図である。本発明に係る直接型電磁超音波送信器１及び超音波受信器３は、設置される位置や条件などに応じて、それらの配置を設定することができる。（１０Ａ）は、配管１３の屈曲部近傍に直接型電磁超音波測定装置を配設した場合を示している。配管１３の側面に磁石体１０ａ、１０ｂを磁極の向きが逆になるように対向配置し、発生する超音波１４が配管１３に沿って伝播するように配置されている。従って、超音波１４は、配管１３の屈曲部に配設された超音波受信器３で受信され、屈曲部を流通する導電性流体の状態を測定することができる。また、前記屈曲部では、流通による負荷が大きく、配管１３の損傷等による流動状態の変化を高精度に検出することができる。（１０Ｂ）は、（１０Ａ）において、磁石体１０ａ、１０ｂの位置をずらしたものであり、流動方向に斜交する磁界１１を形成することにより、配管１３の向きに傾斜した方向に超音波１４を送信することができる。即ち、磁石体１０ａ、１０ｂの位置を自在に変更して、超音波１４の送信方向を適宜調整することができる。

図１１は、本発明に係る直接型電磁超音波測定装置を被測定対象物である導電性固体９に配設した場合の構成概略図である。本発明に係る直接型電磁超音波探触子は、導電性の被測定対象物であれば、液体や固体を問わず電磁超音波を発生又は受信することができる。この実施例では、導電性固体９に電流端子５ａ、５ｂが直接接続され、電流端子５ａ、５ｂ間に通電される交流電流と磁石体１０ａ、１０ｂ間に形成される磁界との電磁相互作用により振動ローレンツ力が発生して、導電性固体９中に超音波１４が送信される。この超音波１４により金属材料や導電性の有機材料等を用いた構造物の探傷や物性測定を行うことができる。

図１２は、本発明に係る超音波発振部４が導電性固体９に突設された直接型電磁超音波送信器１の構成概略図である。ここで、前記突状部は、導電性固体と一体形成されると共に、同一の物質から形成されている。導電性固体と突状部に界面が形成されないことにより、前述のように、多重反射や超音波のモード変換を防止することができる。前記突状部は、固体物の製造時に一体形成されることが好ましく、直接型電磁超音波送信器１が配設される導電性固体を切削して前記突状部を形成しても良い。前記超音波発振部４が導電性固体９に突設された突状部から形成され、この突状部に電流端子対（図１２には電流端子５ａのみが示されている）が接続されて直接交流電流が通電される。更に、磁石体１０ａ、１０ｂにより磁界１１が形成され、電磁相互作用によって発生する振動ローレンツ力により超音波１４が駆動される。前記突状部に超音波発振部４を設けることにより、前記交流電流や磁界の影響が抑制され、導電性固体固有の状態を反映した超音波信号を受信することができる。また、前記突状部を前記超音波発振部とすることにより、前記交流電流の通電方向や形成される磁界の方向を簡単に調整することができる。

図１３は、本発明に係る直接型電磁超音波探触子により導電性固体中に横波超音波が送信される実施例の１つを示す構成概略図である。縦波超音波は振動するローレンツ力２４の振動方向に送信されるが、固体中では弾性により横波超音波１４が前記振動ローレンツ力２４の振動方向に対して垂直な面方向に送信される。従って、超音波１４の強度は、伝播距離の逆数に比例して減衰していく。しかしながら、超音波１４が振動方向に対して垂直な面方向に伝播することにより、広範囲に亘り導電性固体中に超音波１４が送信される。従って、超音波受信器３の位置を適宜調整して、導電性固体中おける所望の領域に対して超音波測定を行うことができる。また、超音波受信器３を複数配置して（図示せず）、導電性固体中の拡範囲な領域を同時に測定することも可能である。

図１４は、本発明に係る直接型電磁超音波受信器２の構成概略図である。直接型電磁超音波受信器２は、導電性固体と一体に突設された超音波受信部１６、磁石体１８ａ、１８ｂ、電流端子１５ａ、１５ｂ及びこの電流端子対に接続された電圧計から構成されている。また、電圧計に換えて電流計（図示せず）を接続し、前記誘導起電力によって通電する誘導電流を測定しても良い。

前述のように、超音波受信部１６は、超音波１４が伝播してきた導電性固体と同一の物質から形成されると共に、一体形成されていることが好ましく、導電性固体と超音波受信部１６との界面における多重反射やモード変換が防止される。前記超音波受信部１６の両側面に磁石体１８ａ、１８ｂが非接触状態で配設されている。この超音波受信部１６は、導電性固体の側面に突設された突出部として形成されている。前記磁石体１８ａ、１８ｂ間に形成される磁界１１中に前記導電性流体１２内を伝播する超音波１４の振動が伝達すると、電流端子１５ａ、１５ｂ、電流線２２、電圧計２０及び導電性固体の一部からなる回路を貫く磁束量が変動して、誘導起電力が発生する。この誘導起電力を電圧計２０によって測定することにより、超音波信号を受信することができる。例えば、超音波１４により矢印３４の方向に振動した場合、前記回路を貫く磁束数が減少し、前記誘導起電力により誘導電流３０が誘起される。

図１５は、本発明に係る２つの超音波発振部４から送信される超音波１４ａ、１４ｂが互いに強め合うように構成された直接型電磁超音波送信器１の構成概略図である。この実施例において、直接型電磁超音波送信器１は、２つの超音波発振部４から構成され、これらの超音波発振部４１、４２には、互いに逆向きの磁界が形成されている。従って、同一位相の交流電流を通電させることにより、作用するローレンツ力Ｆの振動方向が逆向きとなり、超音波１４ａ、１４ｂの位相がπずれる。各超音波１４ａ、１４ｂの波長をλとすると、これらの伝播経路の行路差がλ／２ずれたとき、各超音波１２が強め合う。即ち、超音波発振点間隔をＷとすると、超音波が強め合う方向は条件（Ｗ／２）・ｓｉｎθ＝λ／２が満足される方向であり、θ＝ｓｉｎ^−１（λ／Ｗ）の関係式を満たす入射角θの方向となる。

図１６は、図１１に示した直接型電磁超音波送信器１により送信された超音波信号の測定結果である。図１１に示す導電性固体９としては、ステンレス鋼が用いられ、直接型電磁超音波送信器１により駆動された超音波１４が距離Ｌを伝播して、超音波受信器３で受信される。また、図９における超音波１４の伝播距離Ｌは、Ｌ＝２００ｍｍに設定されている。受信超音波信号の測定では、超音波受信器３として圧電素子型超音波受信器が用いられ、図１４の縦軸は圧電素子型超音波受信器からの出力電圧を示している。図に示すように、直接型電磁超音波送信器１によって高強度の超音波１４を駆動することにより、良好なＳ／Ｎ比を有する超音波信号の第１波Ｗ_１が測定されている。従って、第１波Ｗ_１が伝達するまでの時間Δｔの高精度な値が得られ、超音波の音速ＶがＶ＝Ｌ／ΔｔよりＶ＝５６３０ｍ／ｓと見積もられる。

図１７は、本発明に係る直接型電磁超音波送信器１により導電性液体５２中に超音波１４を送信する場合の受信超音波の測定配置図である。この実施例では、導電性液体５２として、容器３６中の水（塩化ナトリウム溶液）が用いられている。超音波発振部４は、受信槽４ａに流入した導電性液体５２から構成され、交流電源により電流端子５ａ、５ｂ間に通電される交流電流と磁石対（図示せず）により形成される磁界の電磁相互作用により振動ローレンツ力２４を作用させ、導電性液体５２中に超音波１４を発生させている。この測定では、超音波受信器３には、圧電素子型超音波受信器が用いられている。また、超音波１４の伝播距離Ｌは、Ｌ＝７５ｍｍに設定されている。

図１８は、図１７に示した直接型電磁超音波送信器１により送信された超音波信号の測定結果である。図１８の縦軸は圧電素子型超音波受信器からの出力電圧を示しており、直接型電磁超音波送信器１により導電性液体中に高強度の超音波１４を直接駆動することにより、良好なＳ／Ｎ比を有する超音波信号の第１波Ｗ_１が測定されている。更に、第１波Ｗ_１が伝達するまでの時間Δｔの高精度な値が得られており、導電性液体中の超音波の音速ＶがＶ＝Ｌ／ΔｔよりＶ＝１５４０ｍ／ｓと見積もられる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例や設計変更などをその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。

本発明に係る直接型電磁超音波探触子は、導電性被測定対象物中に直接超音波を発生させるから、高強度の超音波を送信又は高感度で受信できると共に、ケーシングによる多重反射や超音波のモード変換等を防止して、良好なＳ／Ｎ比を有する超音波信号を送受信することができる。従って、超音波測定装置や探傷装置の超音波送信器として用いることにより、導電性流体や導電性個体の物理量測定や金属試料の検査方法の精度を格段に向上させることができ、微細な材質劣化や物理量を検出・測定することができる。従って、本発明に係る直接型電磁超音波探触子を用いることにより、原子力発電所や有害な化学物資を取り扱う化学プラント等において、金属材料中の材料劣化や金属管中の流体温度等を高精度に測定することができる。

本発明に係る直接型電磁超音波探触子から構成される超音波測定装置の概略図である。 本発明に係る直接型電磁超音波測定装置が配設された配管の拡大断面図である。 本発明に係る直接型電磁超音波探触子から構成される超音波測定装置の概略図である。 本発明に係る直接型電磁超音波測定装置が配設された配管の断面図である。 本発明に係る直接型電磁超音波送信器の断面概略図である。 本発明に係る直接型電磁超音波発信器の設置位置を示す断面概略図である。 本発明に係る直接型電磁超音波受信器の断面概略図である。 本発明に係る複数の超音波発振部を具備する直接型電磁超音波送信器の断面概略図である。 本発明に係る複数の超音波発振部を具備する直接型電磁超音波送信器の断面概略図である。 本発明に係る直接型電磁超音波測定装置の他の配置例を示す概略図である。 本発明に係る直接型電磁超音波測定装置を被測定対象物である導電性固体に配設した場合の構成概略図である。 本発明に係る超音波発振部が導電性固体に突設された直接型電磁超音波送信器の構成概略図である。 本発明に係る直接型電磁超音波探触子により導電性固体中に横波超音波が送信される実施例の１つを示す構成概略図である。 本発明に係る直接型電磁超音波受信器の構成概略図である。 本発明に係る２つの超音波発振部から送信される超音波が互いに強め合うように構成された直接型電磁超音波送信器の構成概略図である。 図９に示した直接型電磁超音波送信器により送信された超音波信号の測定結果である。 本発明に係る直接型電磁超音波送信器により導電性液体中に超音波を送信する場合の受信超音波の測定配置図である。 図１５に示した直接型電磁超音波送信器１により送信された超音波信号の測定結果である。 従来の電磁超音波探触子を用いた超音波測定装置の概略図である。 従来の電磁超音波探触子における超音波の発振機構の概略説明図である。

符号の説明

１ 直接型電磁超音波送信器
２ 直接型電磁超音波受信器
３ 超音波受信器
４ 超音波発振部
４ａ 発振槽
５ａ 電流端子
５ｂ 電流端子
６ 電流線
７ 交流電流
８ 交流電流供給手段
９ 導電性固体
１０ａ 磁石体
１０ｂ 磁石体
１１ 磁界
１２ 導電性流体
１３ 配管
１４ 超音波
１４ａ 矢印
１４ｂ 矢印
１４ｃ 波動
１４ｄ 超音波
１４ｅ 超音波
１４ｆ 超音波
１４ｇ 腹
１４ｈ 節
１５ａ 電流端子
１５ｂ 電流端子
１６ 超音波受信部
１８ａ 磁石体
１８ｂ 磁石体
２０ 電圧計
２２ 電流線
２４ ローレンツ力
３０ 誘導電流
３２ａ 送信側端部
３２ｂ 受信側端部
３４ 矢印
３６ 容器
４１ 超音波発振部
４２ 超音波発振部
４３ 超音波発振部
５２ 導電性液体
１０１ 電磁超音波探触子
１０３ 超音波受信器
１０６ 電流線
１０７ａ 矢印
１０７ｂ 誘導電流
１０８ 交流電流供給手段
１１１ 磁界
１１２ 流体
１１３ 配管
１１４ａ 超音波
１１４ｂ 超音波
１１４ｃ 波動
１２４ ローレンツ力
Ｄｓ 間隔
ｄ 距離
Ｌ 伝播距離
Ｗ 間隔
θ 入射角
δ 行路差

Claims (21)

1. 磁界と交流電流との電磁相互作用により超音波を発生させ、この超音波を被測定対象物中に送信する電磁超音波送信方法において、前記被測定対象物が導電性被測定対象物であり、この導電性被測定象物中に交流電流を直接通電させると同時にこの交流電流に直交又は斜交する磁界を形成し、前記交流電流に連動する前記磁界との電磁相互作用により前記導電性被測定象物中に作用方向が振動するローレンツ力を発生させ、この振動ローレンツ力の作用により前記被測定対象物中に超音波を直接発生させることを特徴とする直接型電磁超音波送信方法。
2. 前記導電性被測定対象物に突設された突状部に前記交流電流を直接通電させると同時に前記磁界を形成して、前記突状部内に前記振動ローレンツ力を発生させ、この突状部内から超音波を送信する請求項１に記載の直接型電磁超音波送信方法。
3. 前記導電性被測定対象物が流路内を流通する導電性流体であり、この導電性流体を前記流路側面に設けられた発振槽内に流入させ、この発振槽内の導電性流体に交流電流を直接通電させると同時に前記磁界を形成し、前記振動ローレンツ力を発生させて前記発振槽内から超音波を送信する請求項１に記載の直接型電磁超音波送信方法。
4. 前記超音波の伝播経路における送信側端部からの距離ｄがｄ＝（λ／４＋（ｎ−１）λ／２）（ここで、λは超音波の波長、ｎは自然数）となる位置又はその近傍に前記振動ローレンツ力を作用させる請求項１〜３のいずれかに記載の直接型電磁超音波送信方法。
5. 前記超音波を前記導電性被測定対象物中の複数の点で発生させ、所定の方向に伝播する各超音波が互いに強め合うように各超音波の振動数及び／又は位相を調整する請求項１〜３のいずれかに記載の直接型電磁超音波送信方法。
6. 被測定対象物中を伝播する超音波を受信する電磁超音波受信方法において、前記被測定対象物が導電性被測定対象物であり、この導電性被測定対象物中の一部又は全体に磁界を形成し、この磁界と超音波の伝達により振動する導電性被測定対象物の電磁相互作用によって前記磁界の直交方向に誘導起電力を発生させ、前記導電性被測定対象物に直接接続された電流端子対を介して前記誘導起電力又は誘導電流を計測し、前記超音波を受信することを特徴とする直接型電磁超音波受信方法。
7. 前記被測定対象物に突設された突状部内に磁界を形成し、この突状部内に前記超音波が伝播して発生する誘導起電力又は誘導電流を直接計測する請求項６に記載の直接型電磁超音波受信方法。
8. 前記被測定対象物が流路内を流通する導電性流体であり、この導電性流体を前記流路に設けられた受信槽内に流入させ、この受信槽内の導電性流体に対して磁界を形成し、前記受信槽内に前記超音波が伝達して発生する誘導起電力又は誘導電流を直接計測する請求項６に記載の直接型電磁超音波受信方法。
9. 請求項１〜５のいずれかに記載の直接型電磁超音波送信方法により前記被測定対象物中に超音波を送信し、請求項６〜８のいずれかに記載の直接型電磁超音波受信方法により前記超音波を受信することを特徴とする直接型電磁超音波測定方法。
10. 請求項１又は２に記載の直接型電磁超音波送信方法により発生する横波超音波を伝播させ、この横波超音波の伝播方向に配設された超音波受信器により前記横波超音波を受信することを特徴とする直接型電磁超音波測定方法。
11. 請求項１〜５のいずれかに記載の直接型電磁超音波送信方法により前記被測定対象物中に超音波を送信し、圧電素子又は電磁超音波探触子から構成される超音波受信器により前記超音波を受信することを特徴とする直接型電磁超音波測定方法。
12. 磁石と交流電流の通電手段又は誘導起電力の測定手段から構成され、電磁相互作用を利用して超音波を被測定対象物中に送信する又は被測定対象物中を伝播する超音波を受信する電磁超音波探触子において、前記被測定対象物が導電性被測定対象物であり、この導電性被測定対象物中の超音波発振部又超音波受信部に接続される電流端子対と、前記交流電流の通電方向又は前記超音波の伝播方向に直交又は斜交する磁界を形成する１対以上の磁石対から構成され、前記電流端子対により交流電流を前記導電性被測定対象物中に直接通電させる又は前記磁界中の超音波振動により発生する誘導起電力又は誘導電流を直接計測することを特徴とする直接型電磁超音波探触子。
13. 前記超音波発振部又は前記超音波受信部が前記導電性被測定対象物の一部を突出させて設けられた１つ以上の突状部であり、この突状部側面に前記電流端子対と前記磁石対が配設される請求項１２に記載の直接型電磁超音波探触子。
14. 前記導電性被測定対象物が流路を流通する導電性流体であり、前記超音波発振部又は超音波受信部が前記流路に設けられた１つ以上の発振槽内又は受信槽に流入する導電性流体である請求項１２に記載の直接型電磁超音波探触子。
15. 前記発振槽又は受信槽が複数槽設けられ、各発振槽に一対以上の電流端子が配設される請求項１４に記載の直接型電磁超音波探触子。
16. 前記超音波を伝播させる伝播経路上の端部からの距離ｄがｄ＝（λ／４＋（ｎ−１）λ／２）（ここで、λは超音波の波長、ｎは自然数）となる位置又はその近傍に前記振動ローレンツ力が作用するように又は誘導電流が通電するように前記電流端子対と磁石対が配設される請求項１２〜１５のいずれかに記載の直接型電磁超音波探触子。
17. 前記超音波発振部が複数配設され、これらの発振部から所定の方向に伝播する各超音波が互いに強め合うように各超音波の振動数及び／又は位相を調整する制御手段が設けられる請求項１２〜１６のいずれかに記載の直接型電磁超音波探触子。
18. 前記磁石対が電磁石対であり、この電磁石対により発生する磁界の強さが自在に調整される請求項１２〜１７に記載の直接型電磁超音波探触子。
19. 請求項１２〜１８のいずれかに記載の直接型電磁超音波探触子を超音波送信器及び／又は超音波受信器として具備することを特徴とする直接型超音波測定装置。
20. 請求項１２又は１３に記載の直接型電磁超音波探触子から発生する横波超音波を前記被測定対象物中に伝播させるように前記電流端子対と磁石対が配設され、前記横波超音波の伝播方向に超音波受信器が設置されることを特徴とする直接型電磁超音波測定装置。
21. 請求項１２〜１８のいずれかに記載の直接型電磁超音波探触子を超音波送信器として具備し、超音波受信器として圧電素子又は電磁超音波探触子から構成される超音波受信器が配設されることを特徴とする直接型超音波測定装置。

Images