JP2016080609A - 超音波式漏洩検知装置及びそれを用いた漏洩検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
水等の液中における気泡あるいは微粒子等のトレーサを、超音波を用いて高精度に検出可能とすることで、高信頼な超音波式漏洩検知装置及びそれを用いた漏洩検知方法を提供する。
【解決手段】
超音波式漏洩検知装置１は、容器２１内の液中に浸漬するよう配置される超音波センサ１０と、容器２１内の液中に投入される気泡あるいは微粒子等からなるトレーサ２４へ、超音波センサ１０より所定の発信時間間隔及び所定の発信回数にて超音波を送信し、受信される受信波形の経時変化により、所望の超音波伝搬時間における各発信回数に対応する受信波形の振幅値に基づき直交波形を生成する信号処理部１３と、生成された直交波形を表示又は、直交波形及び受信波形の経時変化を合わせて表示する表示部１２を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は超音波式漏洩検知装置及びそれを用いた漏洩検知方法に係り、特に、超音波センサを液体などの媒体の存在する環境中に設置し、液体中の物体からの反射信号を用いて、液体の漏洩を検知するものに好適な超音波式漏洩検知装置及びそれを用いた漏洩検知方法に関する。

水等の液体が満たされた容器から外部へ液体が漏洩する場合、あるいは、外部から容器内へ液体が漏洩する場合において、補修等により漏洩を止めるためには、先ず漏洩を検知し、漏洩箇所を特定する必要がある。

このような漏洩の検知及び漏洩個所の特定を、超音波を用いて行うものとして、特許文献１が知られている。特許文献１には、水中に超音波センサを浸漬させ、気泡発生装置により水中に気泡を発生させると共に、当該気泡による超音波の反射を計測するものが開示されている。そして、計測される気泡からの反射波により、気泡の重心位置を求め、当該気泡の重心位置の移動を検知することで、容器内における水等の液体の流れを推定し、容器内における漏洩個所の特定を行うものである。

特開２０１３−１１３６２８号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、目標物である気泡からの反射波が、容器内の側壁等の構造体からの反射波に埋没され、漏洩検知及び漏洩個所の特定が困難となる可能性がある。すなわち、超音波を用いて漏洩検知する場合におけるＳ／Ｎの向上について改善の余地がある。

そこで、本発明は、水等の液中における気泡あるいは微粒子等のトレーサを、超音波を用いて高精度に検出可能とすることで、高信頼な超音波式漏洩検知装置及びそれを用いた漏洩検知方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の超音波式漏洩検知装置は、容器内の液中に浸漬するよう配置される超音波センサと、前記容器内の液中に投入される気泡あるいは微粒子等からなるトレーサへ、前記超音波センサより所定の発信時間間隔及び所定の発信回数にて超音波を送信し、受信される受信波形の経時変化により、所望の超音波伝搬時間における前記各発信回数に対応する受信波形の振幅値に基づき直交波形を生成する信号処理部と、前記生成された直交波形を表示又は、前記直交波形及び前記受信波形の経時変化を合わせて表示する表示部を備えることを特徴とする。

また、本発明の漏洩検知方法は、容器内の液中に浸漬するよう配置される超音波センサより、前記容器内の液中に投入される気泡あるいは微粒子等からなるトレーサへ、超音波を送信し得られる受信波形により液体の漏洩を検知する方法であって、前記超音波センサより所定の発信時間間隔及び所定の発信回数にて超音波を、前記トレーサへ送信する工程と、前記超音波の送信により得られる受信波形の経時変化により、所望の超音波伝搬時間における前記各発信回数に対応する受信波形の振幅値に基づき直交波形を生成する直交波形生成工程と、前記生成された直交波形又は、前記直交波形及び前記受信波形の経時変化を合わせて表示部へ表示する表示工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、水等の液中における気泡あるいは微粒子等のトレーサを、超音波を用いて高精度に検出可能とすることで、高信頼な超音波式漏洩検知装置及びそれを用いた漏洩検知方法を実現することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る超音波式漏洩検知装置の主要部の構成図である。 本発明の一実施形態に係る超音波式漏洩検知装置を構成するトレーサ投入装置を含み使用状態の説明図である。 本発明の一実施形態に係る超音波式漏洩検知装置を構成するトレーサ投入装置を含み使用状態の他の説明図である。 本発明の一実施形態に係る超音波式漏洩検知装置の送信および受信タイミングを示す図である。 本発明の一実施形態に係る超音波式漏洩検知装置の表示部に表示される受信波形の表示形態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る超音波式漏洩検知装置の表示部に表示される受信波形の他の表示形態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る超音波式漏洩検知装置を構成する超音波センサの一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る超音波式漏洩検知装置を構成する超音波センサの一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る超音波式漏洩検知装置を構成する超音波センサによる構造体の形状測定を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る超音波式漏洩検知装置を構成する超音波センサによる漏洩検知の状況を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る超音波式漏洩検知装置による流速の測定を説明するための図である。 本発明の一実施例に係る実施例１の超音波式漏洩検知装置による流速測定に用いる直交波形の説明図である。 実施例１の超音波式漏洩検知装置による流速測定に用いる時間をシフトした直交波形を説明するための図である。 実施例１の超音波式漏洩検知装置の表示部に表示される直交波形の表示形態を示す図である。 実施例１の超音波式漏洩検知装置の漏洩検知処理を示すフローチャートである。 本発明の他の実施例に係る実施例２の超音波式漏洩検知装置の表示部に表示される直交波形の表示形態を示す図である。 実施例２の超音波式漏洩検知装置の主要部の構成図である。 実施例２の超音波式漏洩検知装置の漏洩検知処理を示すフローチャートである。 本発明の他の実施例に係る実施例３の超音波式漏洩検知装置による相関結果の統計量により得られる高信頼伝搬時間領域を説明するための図である。 実施例３の超音波式漏洩検知装置の漏洩検知処理を示すフローチャートである。

以下、本明細書において、トレーサとは、気泡あるいは微粒子の総称であり、微粒子として、例えば、酸化ケイ素、アルミナ（酸化アルミニウム）、塩化第二鉄等の凝集剤及び当該凝集剤に水中に溶存あるいは含有される有機物が捕捉され形成されるフロック等が用いられる。微粒子の粒径については、容器内に満たされる媒体、例えば水との比重すなわち、液面に浮遊することなく、また、容器の底面に沈降（沈殿）することなく水中に存在し、容器内の水の対流により移動可能なサイズを適宜選択すればよい。

図１に、本発明の一実施形態に係る超音波式漏洩検知装置の主要部の構成図を示す。超音波式漏洩検知装置１は、超音波センサ１０、超音波送受信部１１、表示部１２、信号処理部１３、及び後述するトレーサ投入装置２３を有する。

超音波送受信部１１は、送信部１１Ａ、受信部１１Ｂ、制御部１１Ｃ、及び記憶部１１Ｄから構成され、制御部１１Ｃが全体をコントロールしている。送信部１１Ａは超音波センサ１０と接続され、制御部１１Ｃで制御され、一定の時間間隔（発信時間間隔ΔＴｐ、例えばΔＴｐ＝０．０５ｓｅｃ）と発信回数（例えば、Ｎｐ回、Ｎｐ＝２５６）にて超音波を送信する。ここで、超音波センサ１０は、図示しない圧電素子を、例えば２次元状に配列した２次元センサアレイであり、送信部１１Ａからの発信周波数に応じて振動し、超音波センサ１０より超音波が送信され、超音波による反射波（受信波）を超音波センサ１０にて受信し、受信部１１Ｂに取り込む。受信部１１Ｂに取り込まれた反射波は、ある時間間隔（サンプリング間隔（サンプリング周期）ΔＴｓ、例えばΔＴｓ＝０．２μｓｅｃ）でデジタルデータに変換され、記憶部１１Ｄに記憶される。

信号処理部１３は、直交波形生成部１３Ａ及び相関処理部１３Ｂから構成される。直交波形生成部１３Ａは、記憶部１１Ｄに記憶された複数回の受信波形のうち、例えば、伝搬時間が同一となる受信波形の振幅値を上記超音波の発信時間順に並べることで、直交波形を生成する。なお、直交波形は、受信波形の伝搬時間毎に生成される。サンプリング間隔ΔＴｓが０．２μｓｅｃで、得られるデジタルデータのデータ点数ＮｓがＮｓ＝５０００点（１ｍｓｅｃ）の場合、直交波形は５０００個生成される。なお、媒体が水の場合、超音波の音速はおよそ１５００ｍ／ｓｅｃであることから、１ｍｓｅｃで往復する距離は１５００ｍｍ（片道では７５０ｍｍ）となる。したがって、伝搬時間毎に生成された直交波形は、音速を用いて、伝搬距離ごとの直交波形に変換することができる。ここで、直交波形生成部１３Ａにより生成された、ある伝搬時間における直交波形は、記憶部１１Ｄに格納される。

相関処理部１３Ｂは、ある伝搬時間の第一の直交波形の自己相関処理又は、ある伝搬時間の第一の直交波形と、例えば、受信波形の伝搬時間がｎ×ΔＴｓ（ここでｎは整数）だけ異なる第二の直交波形の相互相関処理を行う。例えば、ｎ＝０の場合は、自己相関となり、相関結果の個数、すなわち自己相関処理結果の個数は超音波の発信回数Ｎｐ個と一致する。また、ｎ＝１の場合は、ある伝搬時間の第一の直交波形と、この第一の直交波形の伝搬時間よりΔＴｓだけ伝搬時間が異なる第二の直交波形との相互相関となり、相互相関処理の個数、すなわち、相互相関処理結果の個数は超音波の発信回数より少なく、Ｎｐ−１個となる。

伝搬時間ｊ×ΔＴｓの第一の直交波形をφｊ（ｔ）、伝搬時間ｋ×ΔＴｓの第二の直交波形をφｋ（ｔ）とする。ここで引数のｔは、超音波の発信時間間隔ΔＴｐと発信回数Ｎｐによってきまるため、ｔ＝ｉ×ΔＴｐ（ｉ＝０〜Ｎｐ−１）である。

なお、第一の直交波形φｊ（ｔ）と第二の直交波形φｋ（ｔ）の相互相関処理結果Ｒｊｋ（τ）は、例えば、以下の式（１）により計算することが可能である。ここで、τは発信時間ｔにおける時間差を表わすパラメータである。なお、式（１）で関数Ｅはアンサンブル平均を、関数Ｃ（Ｃｊ，Ｃｋ，Ｃｊｋ）は相関係数を、関数Ｒ（Ｒｊｋ）は規格化された相関係数を意味する。

また、図１に示す超音波送受信部１１を構成する制御部１１Ｃ、信号処理部１３を構成する直交波形生成部１３Ａ及び相関処理部１３Ｂは、ＲＯＭに格納された各種プログラムを読出し、読み出されたプログラムを実行するＣＰＵ等のプロセッサにより実現される。

ここで、図２に本発明の一実施形態に係るトレーサ投入装置２３を有する超音波式漏洩検知装置１の使用状態を示す。図２に示すように、容器２１内には、媒体として、例えば水等の液体を収容する状況を表している。容器２１内に収容される媒体の量は、容器２１内ほぼ全体を満たす量でも、部分的に満たす量でもいずれでも良い。また、媒体は液体など、流体としての性質をもつ物質であればよいが、以下では、一例として水を例に説明する。

図２に示すように、本実施形態による超音波式漏洩検知装置１は、超音波センサ１０をその先端部で保持し水中で所望の位置に位置付け可能なアクセス治具２２Ａ及び、トレーサ投入装置２３をその先端部で保持し水中で所望の位置に位置付け可能なアクセス治具２２Ｂを備える。アクセス治具２２Ａ、２２Ｂとして、例えば、多関節マニピュレータあるいはポール等が用いられる。図２では、媒体である水を収容する容器２１の底面に、漏洩個所である壁面の穴２５が形成された場合を示している。アクセス治具２２Ａにより超音波センサ１０は、容器２１の上部より液面２６を通過し、容器２１の底面に形成された壁面の穴２５付近に位置付けられる。また、同様に、アクセス治具２２Ｂによりトレーサ投入装置２３は、容器２１の上部より液面２６を通過し、壁面の穴２５と超音波センサ１０との間に位置付けられる。トレーサ投入装置２３は、ある一定の期間、ある一定量のトレーサ２４を水中に投入する。ここでトレーサ２４は、上述のとおり気泡あるいは微粒子であり、超音波センサ１０より送信される超音波に対し反射源となる。すなわち、トレーサ２４は超音波を反射し、反射波は受信波として超音波センサ１０を介して図１に示す受信部１１Ｂに取り込まれる。

図３に本発明の一実施形態に係るトレーサ投入装置２３を有する超音波式漏洩検知装置１の他の使用状態を示す。図３に示すように、容器２１の上面に、移動装置３２Ａ、３２Ｂを挿入するための移動装置投入用開口３１が形成されている。そして、図３では、媒体である水を収容する容器２１の側面の下部に、漏洩個所である壁面の穴２５が形成された場合を示している。超音波センサ１０が搭載された移動装置３２Ａは、移動装置投入用開口３１より容器２１内に投入される。移動装置３２Ａは、図示しない例えば、スラスタ及びクローラを備え、水中を移動あるいは容器２１の壁面に沿って移動可能に構成されている。図３では、移動装置３２Ａが液面２６を航行し、容器２１の側面にて、その側面に沿って壁面の穴２５の付近に位置付けられた状態を示している。また、同様にトレーサ挿入装置２３を搭載する移動装置３２Ｂが容器２１の底面であって壁面の穴２５に対向する位置に位置付けられた状態を示している。トレーサ投入装置２３は、ある一定の期間、ある一定量のトレーサ２４を水中に投入する。ここでトレーサ２４は、上述のとおり気泡あるいは微粒子であり、超音波センサ１０より送信される超音波に対し反射源となる。すなわち、トレーサ２４は超音波を反射し、反射波は受信波として超音波センサ１０を介して図１に示す受信部１１Ｂに取り込まれる。

図２及び図３において、トレーサ投入装置２３は、超音波センサ１０の近傍に位置付けることが望ましい。また、トレーサ投入装置２３より水中に投入するトレーサ２４が、微粒子の場合には、必ずしもトレーサ投入装置２３を水中に浸漬させる必要はなく、容器２１内の気相中より液面２６へ向かいトレーサ２４を投入するよう位置付けても良い。なお、いずれの場合においても、超音波センサ１０は、全体が浸漬するよう位置付けられる。

図４に超音波式漏洩検知装置１の送信および受信タイミングを示す。図４の上図に示すように、超音波送受信部１１を構成する送信部１１Ａは、制御部１１Ｃの指令により、一定の時間間隔（発信時間間隔ΔＴｐ）及び発信回数Ｎｐに応じて、一定周期の送信パルス４１を超音波センサ１０へ出力する。ここで送信パルス４１の波形は、スパイクパルス、矩形波、サイン波、などが用いられる。

また、図４の下図に示すように、送信パルス４１と同期して、超音波センサ１０から発信された超音波が、容器２１内のトレーサ２４等からの反射波を含んで、受信波形４２が複数個、繰り返し受信され、受信部１１Ｂにてデジタルデータに変換される。なお、図４の下図では、発信回数（送信回数）Ｊ回目に相当するＪ個目からＪ＋２回目に相当するＪ＋２個目の送信パルス４１に同期して得られる受信波形、Ｊ個目からＪ＋２個目の受信波形４２を、横軸を時間、縦軸を振幅として示している。受信部１１Ｂでの受信波のアナログデータからデジタルデータへの変換は、サンプリング間隔（サンプリング周期）ΔＴｓ、データ点数Ｎｓによって行われる。なお、サンプリング間隔ΔＴｓの逆数は、サンプリング周波数ｆｓであり、ナイキストの定理から、測定したい超音波信号の中心周波数ｆ_０に対して、ｆｓは２倍以上（ｆｓ≧２×ｆ０）である必要がある。例えば、受信波形４２の中心周波数が２ＭＨzの場合、例えば、サンプリング周波数ｆｓは５Ｍｈｚ、サンプリング間隔は０．２μｓｅｃであればよい。

図５は、超音波式漏洩検知装置１の表示部１２に表示される受信波形の表示形態を示す図である。表示部１２では、例えば、図５に示すように、送信回数（Ｊ−１回目からＪ＋１回目）に対応する、受信回数（Ｊ−１回目からＪ＋１回目）における受信波形４２をそれぞれ表示する。受信波形４２は、横軸に伝搬時間、縦軸に振幅をとり表示部１２の画面上に表示される。なお、横軸は、伝搬時間に替えて、媒体である水中を伝わる超音波の音速を用いて伝搬距離に変換しても良い。また、縦軸は、振幅の絶対値を表示しても良い。

また、図６は、超音波式漏洩検知装置１の表示部１２に表示される受信波形の他の表示形態を示す図である。図６の下図に示すように、超音波の発信回数（送信回数）に対応した受信回数（例えば、Ｊ回目）の受信波形に対して、振幅値をカラーバー等で、グラデーション表示あるいはカラーで色分け表示し、その色により伝搬時間毎の振幅値の大小を表わすものとすれば、例えば、縦軸に送信回数を、横軸に伝搬時間を取り、２次元マップ状に受信波形を表示することができる。図６では、発信時間間隔ΔＴｐで発信回数（送信回数）Ｎｐの場合を示しており、送信回数１回目からＮｐ回目に対応する受信波形のうち、Ｊ−１回目、Ｊ回目及びＪ＋１回目の受信波形を、伝搬時間毎の振幅値をカラーバーでグラデーション表示する例を示している。このように、表示部１２の画面上に図６の下図に示すマップ状の受信波形が表示される。このマップ状の受信波形内で、ユーザにより、仮にＪ回目の受信波形が指定されると、図６の上図に示すＪ回目の受信波形（縦軸：振幅、横軸：伝搬時間）が、表示部１２の画面上にポップアップ表示される。なお、２次元マップ状の受信波形を表示する際、縦軸を送信回数に替えて、例えば、送信時間または受信回数あるいは受信時間としても良い。また、横軸を伝搬時間に替えて伝搬距離としても良い。

なお、超音波センサ１０は、容器２１内を満たす媒体である水中に超音波を発信、受信するものである。超音波センサ１０は、単一の圧電素子で構成することも可能であるが、例えば、図７及び図８に示すように、複数の圧電素子３３Ｂで構成された超音波アレイセンサ３３Ａとしても良い。超音波アレイセンサ３３Ａを構成する圧電素子３３Ｂが１軸配列の場合（１次元に配列される場合）は、図７の如く、機械走査と組み合せることで、３次元走査が可能である。また、図８の如く、圧電素子３３Ｂを２次元的に配列することで超音波アレイセンサ３３Ａを構成する場合は、電子的に３次元走査をすることも可能である。

図９に、超音波センサ１０として、アレイセンサを用いる場合についての、構造体の形状測定を行う手順を説明する。アレイセンサを用いて、媒体である水中を可視化する方法として、例えば、遅延加算方式を用いる。

遅延加算方式とは、フェーズドアレイ方式、電子走査方式又は電子スキャン方式とも呼ばれるもので、例えば、圧電素子からなる複数の超音波発生素子をアレイ状に配置した探触子、いわゆる超音波アレイセンサ３３Ａを用い、超音波発生の契機となる電気信号を、この超音波アレイセンサ３３Ａの各素子に所定の時間だけ遅延させて与え、各素子から発生した超音波が重ね合わされ、合成波を形成することで、被検査体への超音波の送信角度と受信角度、送信位置と受信位置、或いは合成波が干渉して互いにエネルギーを強め合う位置、すなわち、焦点位置などの条件が電気的な制御により高速で変化させることができるようにしている。例えば、あるセンサ位置Ｘｋにおいて、角度θｉ方向から受信した信号の振幅Ａ(ｔ、θｉ)について、伝搬時間ｔと音速ｃの積から、伝搬距離Ｗを求め、センサ位置Ｘｋを基準として、角度θｉ、距離Ｗの点の画素値として、Ａ(ｔ、θｉ)を設定し、θｉを変化させることで扇状の画像を形成したり、或いはθｉを固定し、センサ位置Ｘｋを移動させることで、平行四辺形状の画像を形成したりする、超音波の総送受信映像化法のことである。

映像化するには、図９に示すように、送受信位置Ｘｋにおいて、方向θｉに伝搬する超音波伝搬径路４３を有する、遅延合成させた受信波形Ａ（ｔ；θｉ）４４について、ある伝搬時間ｔにおける振幅値４４Ｂと角度θｉから、θｉを変化させながら、振幅値の大きさに対応した画素値で可視化することで、扇形の領域であるセクタスキャンの表示範囲４６で超音波測定結果を画像化できる。形状変化部として、例えば配管２７の表面からの反射波の振幅値により、領域（形状からの反射波全体）４５のように映像化される。この領域４５の境界、すなわち、受信波形Ａ（ｔ；θｉ）の振幅の立ち上がり（形状からの反射波部分の開始位置）４４Ａとして、配管２７の表面が、超音波画像の境界４５Ａとして映像化される。

遅延加算法にて可視化する場合において、例えば、上記の手順によって、ある平面での断面画像を形成することができるので、図７に示すように、機械走査により超音波アレイセンサ３３Ａから発生する超音波が伝搬する面を、その面に直交する成分を含む方向に面を移動させることで、平面画像を複数枚形成することができ、立体画像を形成できる。あるいは図８に示すように、超音波アレイセンサ３３Ａを形成する圧電素子３３Ｂを２次元的に配置することで、電子走査を３次元的に行い、同様に平面画像を複数枚形成して、立体画像を形成できる。

例えば、図９に示すように、遅延加算法の画像化手法によって反射体（構造物）である配管２７の表面を映像化する場合、横軸に時間（又は距離）、縦軸に振幅をとったある特定の方向（入射角度θｉ）に伝搬する受信波形の振幅値Ａ（ｔ；θｉ）と、伝搬方向（入射角度θｉ）から、扇状の断面図を描画する。扇状の表示においては、画素値を白黒またはカラーのカラーバーと対応させて、画素として可視化する。
なお、ある角度θｉに注目すると、受信波形４４の立ち上がり点（形状からの反射部分の開始位置）４４Ａ、伝搬時間ｔの振幅値Ａ（ｔ；θｉ）を、振幅値Ａの大きさを色や濃淡値に変換して、扇状の画像として表示した際、配管２７等の構造物からの反射波は領域４５として広い分布として表示される。超音波センサ１０から配管２７までの距離は、受信波形４４の立ち上がりに相当する画像４４Ｂで測定することができる。このように、漏洩の可能性のある構造物について、超音波により外形を可視化することができる。

超音波による漏洩検知を行うためには、さらに、測定対象となる媒体としての水中において、漏洩に伴って流れる微小なトレーサ２４（気泡あるいは微粒子）の流れをとらえる必要がある。図１０は、超音波式漏洩検知装置１を構成する超音波センサ１０による漏洩検知の状況を説明するための図である。図１０に示すように、媒体である水を収容する容器２１のある壁面２１Ａには、容器２１の内部へと突き出るよう配される配管２７と、配管２７の根元を容器２１の壁面２１Ａに固定するための二重管構造部２８が設けられている。ここで仮に、この二重管構造部２８に漏洩が生じたと想定すると、図示しないトレーサ投入装置２３より、容器２１内の水中に投入されたトレーサ２４は、時間の経過と共に、漏洩個所である二重管構造部２８へと漏洩に伴う流れによって、トレーサ２４Ａからトレーサ２４Ｂへと、トレーサ移動方向２９に沿って移動する。ここで、漏洩個所と想定される二重管構造物２８へと流れる媒体である水（漏洩水）の流速は、約１ｍｍ／ｓｅｃ〜１００ｍｍ／ｓｅｃと非常に緩やかな流れとなる。図１０に示されるように、アクセス治具２２Ａの先端に保持される超音波センサ１０は、配管２７及び二重管構造２８の付近に位置付けられている。これは、図９に示したように、漏洩個所と想定される二重管構造部２８の形状を把握した後、この二重管構造部２８付近における漏洩水の水流を計測する。図１０に示すように、ある時刻におけるトレーサ２４Ａ群と、そこから所定時間経過後のトレーサ２４Ｂ群からの反射波を、超音波センサ１０を介して、超音波式漏洩検知装置１を構成する超音波送受信部１１の受信部１１Ｂで、受信波形として検出することにより、漏洩水の水流を計測するものである。

ここで、図１１を用いて、超音波式漏洩検知装置１による漏洩水の流速測定について説明する。図１１は、一定の発信時間間隔ΔＴｐで複数回超音波を送信した場合に、媒体である水中のトレーサ２４より得られる受信波形の変化を模式的に示したものである。なお、図１１では、説明を分かり易くするため、制御部１１Ｃより送信部１１Ａへ出力される発信回数（送信回数）Ｎｐのうち、５回目までの送信回数を示し、送信回数毎に対応する受信波形を示している。上述のとおり、発信時間間隔ΔＴｐは、例えば、０.０５ｓｅｃであり、受信部１１Ｂに取り込まれたトレース２４からの反射波は、サンプリング間隔（サンプリング周期ΔＴｓ、例えばΔＴｓ＝０．２μｓｅｃ）でデジタルデータに変換されるものであるため、図１１の右図に示すように、超音波センサ１０より送信される超音波の送信回数（１回目〜５回目）に、それぞれ対応する受信波形が得られる。図１１の左図に示すように、漏洩に伴う水の流れ（漏洩水の流れ）が超音波センサ１０から遠ざかる方向に形成されている場合、媒体である水中のトレーサ２４も漏洩水の流れにのって、超音波センサ１０から遠ざかる。このトレーサ２４による反射波を含む受信波形は、右図に示すように伝搬時間が少しずつ長くなるような傾向を有する。なお、図１１では、説明の便宜上、受信波形の変化を強調して描いているが、実際には、複数個のトレーサ２４が含まれていたり、トレーサ２４からの反射波の強度が弱かったり、という理由で、受信波形の時間的な変化そのものを直接観察することが困難である場合が想定される。

しかし、本実施形態による超音波式漏洩検知装置１では、信号処理部１３に設けられた直交波形生成部１３Ａにより、上記トレーサ２４より得られる送信回数毎の反射波、すなち、送信回数に対応する受信波形のうち、例えば、伝搬時間が同一となる受信波形の振幅値を、送信回数順に整列することで直交波形が生成される。そして、信号処理部１３に設けられた相関処理部１３Ｂにより、ある伝搬時間の第一の直交波形の自己相関処理、または、ある伝搬時間の第一の直交波形と、この第一の直交波形の伝搬時間より例えばΔＴｓだけ伝搬時間が異なる第二の直交波形との相互相関処理を行うことにより、トレーサ２４からの受信波形検出のＳ／Ｎを向上できる。これにより、トレーサ２４の移動方向あるいは移動箇所が特定できることから、高精度な漏洩検知及び漏洩個所の特定が図られる。

以下、図面を用いて、信号処理部１３を構成する直交波形生成部１３Ａ及び相関処理１３Ｂを主として、実施例を説明する。

図１２に、本発明の一実施例に係る実施例１の超音波式漏洩検知装置１による流速測定に用いる直交波形の説明図を示す。本実施例のトレーサ投入装置２３を有する超音波式漏洩検知装置１は、図１〜図３、図７〜図１０に示す構成と同様である。

図１２に示すように、超音波式漏洩検知装置１を構成する信号処理部１３の直交波形生成部１３Ａは、受信波形を発信時間間隔ΔＴｐ毎、すわなち、送信回数順に整列する。そして直交波形生成部１３Ａは、ある伝搬時間ｔとなる各送信回数に対応する受信波形の振幅値を抽出し、図１２の右側に示すように送信回数あるいは送信時間を軸とする伝搬時間ｔにおける直交波形を生成する。なお、図１２では、説明の便宜上分かり易くするため、送信回数の間隔（発信時間間隔ΔＴｐ）を広くし、送信回数を１回目〜５回目のみ記載しているが、実際には、上述のとおりΔＴｐは例えば、０.０５ｓｅｃに設定されるものであり、送信回数の間隔は狭い。従って、直交波形生成時における、ある伝搬時間ｔとなる各送信回数に対応する受信波形の振幅値は図１２に示すより多く、特に、補間演算を要することなく、ある伝搬時間ｔにおける直交波形を生成できるものである。なお、このようにある伝搬時間ｔにおける直交波形を生成することにより、受信波形の微小な時間変化を差分する効果があることから、微小な変化を強調することができる。これは、上述のとおり、漏洩水の流速は、例えば、約１ｍｍ／ｓｅｃ〜１００ｍｍ／ｓｅｃと非常に緩やかな流れ（低速）であり、当然、この漏洩水の流れに伴い移動するトレーサ２４の移動速度も同様に低速となる。しかし、本実施例によれば、このように媒体である水中を低速で移動するトレーサ２４を、直交波形を生成することにより確実に検出することが可能となる。

また、図１３に、本実施例の超音波式漏洩検知装置１による流速測定に用いる時間をシフトした直交波形の説明図を示す。図１２では、同一の伝搬時間ｔにおける各送信回数の受信波形の振幅値を抽出し、直交波形を生成した。これに対し、図１３に示すように、直交波形生成部１３Ａは、送信回数に線形となるように、伝搬時間を所定の等間隔で遅らせ、各送信回数に対応する受信波形の振幅値を抽出する。すなわち、送信回数毎に所定の時間間隔（等間隔）にてシフトされた伝搬時間における受信波形の振幅値を抽出する。そして、抽出された振幅値を用いて、図１３の右図に示すように送信回数あるいは送信時間を軸とするシフトされた伝搬時間における直交波形を生成する。図１３はもっとも極端な場合であるが、シフトされた直交波形では振動がみられず、直流的な変化となっていることがわかる。このことから、例えば、直交波形の振動が速く、直交波形のサンプリング間隔が、ナイキストの定理の限界を超える場合には、直交波形のサンプリングを送信回数に線形に、受信波形の伝搬時間を変化させながら、シフトした直交波形を生成することで、原理的な限界を超えて、流速の評価をすることが可能となる。

図１４に、本実施例に係る超音波式漏洩検知装置１の表示部１２に表示される直交波形の表示形態を示す。制御部１１Ｃにより、記憶部１１Ｄに格納された送信回数に対応する受信回数における受信波形に基づき、図１４の下図に示すように、振幅値をカラーバー等で、グラデーションあるいは色分けし、表示部１２の画面上に表示する。グラデーション表示における濃淡値あるいは色分け表示における各色が、伝搬時間毎の振幅値の大小関係に対応する。具体的には、縦軸に発信時間間隔ΔＴｐで発信回数（送信回数）Ｎｐ、横軸に伝搬時間をとり、２次元マップ状に表示する。図１４の下図においては、送信回数Ｊ−１回目からＪ＋１回目に対応する受信波形を、伝搬時間毎の振幅値をカラーバーでグラデーション表示する場合を例示している。図１４では、説明の便宜上、Ｊ―１回目からＪ＋１回目のみを示しているが、実際の表示部１２の画面上には、送信回数１回目から送信回数Ｎｐ回目に対応する全ての受信波形が２次元マップ状に表示される。この２次元マップ内で、仮にカーソルあるいはポインタによりユーザによる、所望の伝搬時間ｔが指定されると、制御部１１Ｃは、図１４の上図に示されるように、横軸に送信時間、縦軸に振幅をとり、伝搬時間ｔにおける直交波形を表示部１２の画面上にポップアップ表示するよう制御する。ここで、図１４の上図に示す伝搬時間ｔにおける直交波形は、上述の図１２の右側に示した直交波形と同様の場合を例示しており、直交波形生成部１３Ａにより生成され、超音波送受信部１１の記憶部１１Ｄに格納される直交波形が、制御部１１Ｃにより読み出され、表示部１２の画面上にポップアップ表示される。なお、このようにポップアップ表示される直交波形は、図１２に示す直交波形に限らず、送信回数に線形となるように、伝搬時間を所定の等間隔で遅らせ、各送信回数に対応する受信波形の振幅値を抽出することにより生成される図１３に示す直交波形としても良い。なお、直交波形の表示において、横軸を送信時間に替えて送信回数としても良い。

次に、本実施例の超音波式漏洩検知装置１による漏洩検知処理について説明する。図１５は、漏洩検知処理のフローチャートである。

まず、図２に示すように、超音波センサ１０及びトレーサ投入装置２３等をアクセス治具２２Ａ，２２Ｂにより、容器２１内の水等の媒体中に投入する（ステップＳ１０）。その後、アクセス治具２２Ａにより超音波センサ１０を移動、及び／又はアクセス治具２２Ｂによりトレーサ投入装置２３を移動させ、容器内２１内の形状変化部（例えば、図２に示す壁面の穴２５）を探索する。このとき、超音波センサ１０により、超音波の送信及び容器２１内の反射体である構造物からの反射波を受信することで、上述の図９に示すように反射体の形状を計測する（ステップＳ１１）。

ステップＳ１１での形状計測により、容器２１内で、漏洩の可能性を有する形状変化部が検出されると、アクセス治具２２Ａによる超音波センサ１０の移動及び、アクセス治具２２Ｂによるトレーサ投入装置２３の移動を停止する。これにより、超音波センサ１０及びトレーサ投入装置２３は、検出された形状変化部に位置付けられ固定される（ステップＳ１２）。

続いて、トレーサ投入装置２３より所定の期間、所定量のトレーサ２４を水等の媒体中に投入する。また、制御部１１Ｃからの指令により、超音波送受信部１１を構成する送信部１１Ａは、超音波センサ１０へ一定周期の送信パルスを出力する。ここで、送信部１１Ａより超音波センサ１０へ出力される一定周期の送信パルスは、例えば、上述の図４に示す送信パルス４１となる。すなわち、制御部１１Ｃにより設定される発信時間間隔ΔＴｐ及び送信回数（発信回数）Ｎｐに応じた送信パルスを送信部１１Ａが生成する。超音波センサ１０は、この送信パルスに対応する発信時間間隔ΔＴｐにて、漏洩の可能性のある形状変化部の近傍へ超音波を複数回送信する（ステップＳ１３）。制御部１１Ｃは、超音波センサ１０及び超音波送受信部１１を構成する受信部１１Ｂを介して得られる、超音波の送信回数に対応する複数個の受信波形を記憶部１１Ｄに格納（収録）する（ステップＳ１４）。ステップＳ１５にて、信号処理部１３を構成する直交波形生成部１３Ａは、記憶部１１Ｄに格納された上記送信回数に対応する受信波形を読み出し、上述の図１２に示す直交波形を生成し、記憶部１１Ｄに格納する。

次に、信号処理部１１を構成する相関処理部１３Ｂは、ステップＳ１５にて直交波形生成部１１Ａにより生成された直交波形の自己相関処理を演算する（ステップＳ１６）。ここで直交波形の自己相関処理は、上述の式（１）において、規格化された相関係数Ｒｊｋ（τ）において、ｋ＝ｊとしで計算することで求めることができる。このように自己相関処理を行うことにより、受信波形中にホワイトノイズのような雑音成分（高調波成分）が含まれている場合であっても、ロウパスフィルタ等のアナログ回路を用いることなく、ホワイトノイズを除去することが可能となる。なお、図１２に示すように、雑音成分の含まれない理想的な直交波形は振動しており、相関性の高い波形であるため、自己相関処理によりホワイトノイズ成分を除去することで、微小な反射体であるトレーサ２４からの反射波の変化、すなわち、直交波形の振動を強調することができる。これにより、漏洩の可能性を有する形状変化部の近傍において、トレーサ投入装置２３より投入されたトレーサ２４を高精度に検出することが可能となる。また、得られるトレーサ２４からの反射波により生成される直交波形の振動（周波数）に基づき、容器２１内において、水等の媒体の漏洩に伴い水中を移動するトレーサ２４の移動速度を計測することができ、結果として、漏洩水の流速を得ることが可能となる。

次に、制御部１１Ｃは、ステップＳ１６にて相関処理部１３Ｂによる直交波形の自己相関処理を設定回数実行したか否か判定する（ステップＳ１７）。ここで設定回数とは、送信部１１Ａより超音波センサ１０へ送信する送信パルスの生成に用いられる、上記発信時間間隔ΔＴｐと共に、制御部１１Ｃにより設定される送信回数（発信回数）Ｎｐである。これは、上述のとおり、相関処理部１３Ｂにより得られる自己相関処理
結果の個数は、超音波センサ１０より送信する超音波の発信回数と一致することによる。従って、制御部１１Ｃは、相関処理部１３Ｂより得られる自己相関処理結果の個数が、設定回数であるＮｐに到達したか否かを判定する。判定の結果、自己相関処理結果の個数がＮｐに到達していない場合には、ステップＳ１３に戻り、ステップＳ１７までの処理を繰り返す。また、判定結果がＮｐに達した場合、ステップＳ１８へ進む。

ステップＳ１８では、制御部１１Ｃは、記憶部１１Ｄに格納される、受信波形、直交波形及び自己相関処理結果等を読み出し、表示部１２の画面上に表示するよう制御する。ここで、表示部１２の画面上の表示形態としては、上述の図１４に示す受信波形の２次元マップ表示、ユーザにより指定される伝搬時間ｔにおける直交波形のポップアップ表示、及びＮｐ個の自己相関処理結果が表示される。

ステップＳ１８に続き、ステップＳ１９では、制御部１１Ｃは、自己相関処理結果を求めた、容器２１内の形状変化部での漏洩の有無及び、当該形状変化部の位置を記憶部１１Ｄに格納し、ステップＳ１１へ戻る。すなわち、漏洩個所が１箇所に限られるものではないことから、ステップＳ１１へ戻り、容器２１内の次の形状変化部の探索を実行する。なお、直交波形の自己相関処理結果のみでは、容器２１内の漏洩水の流れに伴うトレーサ２４の移動方向まで特定することが困難であるため、Ｓ／Ｎが向上され高精度に検出される、容器２１内の水等の媒体中におけるトレーサ２４に対し、例えば、特許文献１に示されるように、トレーサ２４の群の重心位置又はトレーサ２４が移動と共に拡散される領域全体の移動方向を検出することにより、上記容器２１内の形状変化部が漏洩個所であるか否かを判定することができる。すなわち、漏洩の有無を判定することができる。

なお、上述のステップＳ１０からステップＳ１２において、アクセス治具２２Ａ，２２Ｂに替えて、図３に示す移動装置３２Ａ，３２Ｂを用いても良い。

また、ステップＳ１５において、直交波形生成部１３Ａが、図１２に示すように、同一の伝搬時間ｔにおける各送信回数の受信波形の振幅値を抽出し、直交波形を生成する場合を例に説明したがこれに限られない。例えば、直交波形生成部１３Ａが、送信回数に線形となるように、送信回数毎に所定の時間間隔（等間隔）にてシフトされた伝搬時間における受信波形の振幅値を抽出する。そして、直交波形生成部１１Ａが、これら抽出された振幅値を用いて、図１３に示すように送信回数あるいは送信時間を軸とするシフトされた伝搬時間における直交波形を生成するよう構成しても良い。このようにシフトされた伝搬時間における直交波形を用いることで、仮に、超音波の発信時間間隔ΔＴｐに対して、容器２１内に生じた漏洩個所による水等の媒体の流速、すなわち、漏洩水の流速の変化が小さすぎる場合、あるいは、逆に漏洩水の流速の変化が大きすぎる場合においても、流速の変化量を仮想的にシフトすることができ
る。これにより、トレーサ２４の移動速度の測定、すなわち漏洩水の流速測定に十分なトレーサ２４が含まれた状態であるか否か可視化することが可能となり、更に、漏洩検知の精度を向上することが可能となる。

本実施例によれば、漏洩の可能性のある容器２１内の水等の媒体中に含まれるトレーサ２４からの受信波形検出のＳ／Ｎを向上できる。

また、トレーサ２４の移動方向を特定することにより、漏洩検知精度の向上及び漏洩個所の特定が可能となる。

図１６に、本発明の他の実施例に係る実施例２の超音波式漏洩検知装置１’の表示部に表示される直交波形の表示形態を示す。実施例１では信号処理部１３を構成する相関処理部１３Ｂが、直交波形生成部１３Ａにより生成された直交波形に基づき自己相関演算を行う構成としたのに対し、本実施例では、信号処理部１３が、生成された直交波形に基づき相互相関処理を行うよう構成した点が異なる。

本実施例では、制御部１１Ｃにより、記憶部１１Ｄに格納された送信回数に対応する受信回数における受信波形に基づき、縦軸を時間差（τ）、横軸を伝搬時間とし、受信波形の振幅値をカラーバー等でグラデーション表示あるいは色分け表示した状態を図１６に示す。縦軸に示す時間差（τ）は、実施例１の図１４の下図に示した縦軸送信回数に対し、ある送信回数を基準とし、発信時間間隔ΔＴｐ毎の各送信回数における時間差分を示している。また、横軸は、図１４の下図に示した伝搬時間と同様である。本実施例では、後述する相関処理部１３Ｂが相互相関処理を演算するものであることから、仮に、図示する伝搬時間ｔを基準としたとき、伝搬時間ｔ−Δｔにおける直交波形（第一の直交波形）と伝搬時間ｔにおける直交波形（第二の直交波形）とを一組とし、これら２つの直交波形を用いて相互相関処理を実行することで、ｎ１個目の相互相関処理結果が得られる。また、同様に伝搬時間ｔにおける直交波形（第一の直交波形）と伝搬時間ｔ＋Δｔにおける直交波形（第二の直交波形）とを次の一組とし、これら２つの直交波形を用いて相互相関処理することにより、ｎ２個目（（ｎ１＋１）個目）の相互相関処理結果が得られる。ここで、図１６の下図に示される２次元マップ状の表示画面において、１画素は伝搬時間Δtに相当し、隣接するΔｔ間の２つの直交波形を一組とし、Δｔ毎にシフトしながら相互相関処理を行う２つの直交波形を特定する。なお、上述のとおり、自己相関処理結果は、発信回数（送信回数）Ｎｐと一致するが、相互相関処理結果は、Δｔ毎、すなわち１画素毎シフトして２つの直交波形の組により求めるものであるため、上述のように、相互相関処理結果は、発信回数（送信回数）Ｎｐより少なく、（Ｎｐ―１）個となる。

図１６の下図に示される２次元マップ表示状態において、仮にカーソルあるいはポインタによりユーザによる、所望の伝搬時間ｔが指定されると、伝搬時間ｔにおける直交波形Ｊ（第一の直交波形）と、伝搬時間ｔ＋Δｔにおける直交波形Ｊ＋１（第二の直交波形）を用いた相互相関処理結果、すなわち、ｎ２個目（（ｎ１＋１）個目）の相互相関処理結果が図１６の上図に示すように、表示部１２の画面上にポップアップ表示される。ポップアップ表示される相互相関処理結果は、横軸に時間差（τ）、縦軸に相関結果の相関値をとり、図１６に示す波形状に表示される。図１６の下図の２次元マップ表示及び、図１６の上図に示すポップアップ表示において、相関値のピーク位置は時間差（τ）のマイナス側に現れる。このように、相互相関処理結果（Ｎｐ−１）個を得ることにより、相関値のピーク位置の変化により、容器２１内でのトレーサ２４の移動方向を検知することができる。具体的には、相関値のピーク位置の変化が、時間差（τ）のマイナス側に増大する場合、トレーサ２４が超音波センサ１０側に近づくことを示す。また、逆に、相関値のピーク位置の変化が、時間差（τ）のプラス側に増大する場合、トレーサ２４が超音波センサ１０より遠ざかる方向へ移動することを示す。

図１７に、本実施例のトレーサ投入装置２３を有する超音波式漏洩検知装置１’の主要部の構成図を示す。図１７に示すように、本実施例の超音波式漏洩検知装置１’は、超音波アレイセンサ３３Ａを有する超音波センサ１０、超音波送受信部１１、信号処理部１３、送受信条件最適処理部１４及び表示部１２より構成され、表示部１２は、形状表示部１２Ａ、処理表示部１２Ｂ及び流速表示部１２Ｃからなる。

超音波アレイセンサ３３Ａは複数の圧電素子からなり、各圧電素子は超音波送受信部１１内のコネクタ１１Ｆに接続される。そして、送信部１１Ａより送信される一定周期の送信パルスに応じて、所定の発信時間間隔ΔＴｐ及び発信回数（送信回数）Ｎｐとなるよう、圧電素子から水等の媒体中に縦波超音波を発生し、媒体中を伝搬させる。

媒体中に、構造物（例えば、容器２１内に突き出るよう接続される配管２７（図９）等）あるいは、気泡あるいは微粒子などのトレーサ２４等の反射体が存在する場合、縦波超音波は、これら反射体の表面で、主に縦波超音波として反射する。反射体で反射された超音波（反射波）は、媒体中を伝搬し、再び超音波アレイセンサ３３Ａを構成する圧電素子に伝搬される。圧電素子に伝搬された反射波は、受信波としてコネクタ１１Ｆ及びスイッチ１１Ｇを介して受信部１１Ｂに受信され、デジタルデータに変換され記憶部１１Ｄへ格納される。デジタルデータに変換され記憶部１１Ｄに格納された受信波は、例えば、受信波形、２次元断面画像あるいは３次元画像として表示部１２に表示される。

ここで、超音波アレイセンサ３３Ａを構成する圧電素子は、例えば、圧電セラミックス、その圧電セラミックスの細棒を高分子材の中に埋めこんだ複合圧電体（コンポジットともいう）が用いられる。圧電素子は、通常、等間隔に配置されている。

本実施例の超音波送受信部１１は、遅延加算方式の場合を例示しており、制御部１１Ｃは遅延時間制御部１１Ｅを制御し、送信部１１Ａから出力される送信パルス（駆動信号）のタイミング及び受信部１２Ｂによる受信波形の入力タイミングを制御する。これにより遅延制御方式による超音波アレイセンサ３３Ａの動作が得られる。

表示部１２を構成する形状表示部１２Ａは、超音波の送信により、上記構造物あるいはトレーサ２４等の反射体から得られる反射波の受信角度（本実施例では、送信方向と受信方向が同一である場合を示しており、送信角度と受信角度は同一となる）に対応した受信波形を表示する。図１７では、開始角度から終了角度までの範囲で超音波を送受信した場合の受信波形のデジタルデータを、角度を円周方向に、片道伝搬距離を軸方向とする扇型の表示例を示す。なお、このように超音波の送信角度を変化させて走査する方法は、セクタスキャンと呼ばれる。

送信角度を開始角度から終了角度まで走査すると、超音波アレイセンサ３３Ａが浸漬されている容器２１内の構造物、例えば、図９に示す配管２７等の形状変化部からの反射波、及び、気泡や微粒子等のトレーサ２４の微小な反射体からの反射波が受信される。そして、形状表示部１２Ａに示されるように、扇形の領域内に、上記形状変化部からの反射波全体の領域４５及びトレーサ２４からの反射波の領域４７が、それぞれ、その信号強度に応じた色または濃さの異なる領域として表示される。

信号処理部１３は、受信部１１Ｂで受信され、記憶部１１Ｄに格納されたデジタルデータに変換後の受信波形に基づき直交波形を生成する。また、信号処理部１３は、生成した直交波形を用いて相互相関処理を実行し、相互相関処理結果である相関画像を、制御部１１Ｃを介して処理表示部１２Ｂに表示する。ここで、処理表示部１２Ｂに表示される相関画像は、上述の図１６に示す表示形態にて表示される。例えば、直交波形の相互相関処理結果を表示部１２Ｂにおいて、一方の軸を送信時間に関する量（例えば、送信時間の時間差（τ））、他方の軸を伝搬時間に関する量（例えば、伝搬時間）とし、式（１）に示す相関値Ｒｊｋ（τ）をマッピング表示する。これにより、受信波形において、どの時間領域において、流速測定に対して十分な条件（量、濃度、粒径、等）のトレーサ２４が容器２１内に投入されているか、また、どの時間領域の流速測定結果は相対的に高い信頼性があるデータであるかを、表示することが可能となる。また、更に、流速表示部１２Ｃに、直交波形の相関値から、伝搬時間に対する流速の変化を表示することも可能となる。

なお、図１７においては、信号処理部１３が、直交波形生成処理及び相互相関処理を実行する場合を例に説明したが、これに限られず、例えば、実施例１と同様に、信号処理部１３内に直交波形生成部１３Ａ及び相関処理部１３Ｂを設け、それぞれにて直交波形生成処理、相互相関処理を実行するよう構成しても良い。

次に、本実施例の超音波式漏洩検知装置１’による漏洩検知処理について説明する。図１８は、漏洩検知処理のフローチャートである。図１８中、実施例１に示した図１５と同様の処理ステップに同一の符号を付し、以下では説明を省略する。

ステップＳ１０からステップＳ１５までは、実施例１において説明した図１５に示す処理と同様に実行される。信号処理部１３は、ステップＳ１５にて生成され記憶部１１Ｄに格納された直交波形を読み出し、直交波形の相互相関処理を演算する（ステップＳ２０）。ここで、直交波形の相互相関処理は、上述の式（１）における規格化された相関係数Ｒｊｋ（τ）を計算することにより求める。なお、実施例１に示した自己相関と比較した場合、直交波形の振動（周波数）から、トレーサ２４の移動速度を計測することができ、結果として、漏洩水の流速を得ることが可能となることに加えて、漏洩水の流れの向きを推定することが可能となる。これは、自己相関処理の場合、相関値のピークが必ず時間差がないところで出現するのに対して、相互相関処理では、図１６に示したように相関値のピークの出現は、異なる伝搬時間の２つの直交波形間で、振動の位相ずれの度合いを評価できることによる。

次に、制御部１１Ｃは、ステップＳ２０にて信号処理部１３による直交波形の相互相関処理を設定回数実行したか否か判定する（ステップＳ１７）。ここで設定回数とは、実施例１とは異なり、送信部１１Ａより超音波センサ１０へ送信する送信パルスの生成に用いられる、発信時間間隔ΔＴｐと共に、制御部１１Ｃにより設定される送信回数（発信回数）Ｎｐより１減じた回数、すなわち、（Ｎｐ−１）回となる。従って、制御部１１Ｃは、信号処理部１３より得られる相互相関処理結果の個数が（Ｎｐ−１）に到達していない場合には、ステップＳ１３に戻り、ステップＳ１７までの処理を繰り返す。また、判定結果が（Ｎｐ−１）に達した場合、ステップＳ２１へ進む。

ステップＳ２１では、制御部１１Ｃは、記憶部１１Ｄに格納される、受信波形、直交波形及び相互相関処理結果を読み出し、表示部１２を構成する形状表示部１２Ａ、処理表示部１２Ｂ及び流速表示部１２Ｃに表示するよう制御する。流速表示部１２Ｃへの表示は、上述のように、直交波形の相互相関処理により得られる相関値から、伝搬時間に対する流速の変化を表示する。

ステップＳ２１に続き、ステップＳ１９では、制御部１１Ｃは、相互相関処理結果を求めた、容器２１内の形状変化部での漏洩の有無（あるいは、受信波形の伝搬時間に対する流速の大きさと向き、等）及び、当該形状変化部の位置を記憶部１１Ｄに格納し、ステップＳ１１へ戻る。すなわち、漏洩個所が１箇所に限られるものではないことから、ステップＳ１１へ戻り、容器２１内の次の形状変化部の探索を実行する。

本実施例によれば、実施例１の効果に加え、直交波形の相互相関処理によりトレーサ２４の移動方向を特定できることから、直ちに、漏洩個所を特定することが可能となる。また、実施例１に比較し、漏洩個所の特定のための演算ステップを低減することが可能となる。

また、本実施例によれば、更に実施例１の効果に加え、相互相関処理により得られた相関値を２次元マップ状に表示することにより、流速測定に対して十分な条件（量、濃度、粒径、等）のトレーサ２４が容器２１内に投入されているか、また、どの時間領域の流速測定結果は相対的に高い信頼性があるデータであるかを、表示することが可能となる。

図１９は、本発明の他の実施例に係る実施例３の超音波式漏洩検知装置による相関結果の統計量により得られる高信頼伝搬時間領域を説明するための図である。実施例２では信号処理部１３が直交波形を生成し、生成された直交波形に基づき相互相関処理を行う構成としたのに対し、本実施例では、信号処理部１３が直交波形の相互相関処理の結果として得られた相関値に対し、更に伝搬時間に対する平均値及び標準偏差を求めるよう構成した点が異なる。相本実施例におけるトレーサ投入装置２３を有する超音波式漏洩検知装置１’は、実施例２と同様に、図１７に示す構成を備える。

図１９に示すように、信号処理部１３は、図１６に示す相互相関処理により得られた相関値に対し、伝搬時間に対する平均値及び標準偏差等の統計量を計算する。例えば、図１９の上図に示すように、横軸に伝搬時間、縦軸に相関値の平均値をとり、相互相関処理の結果得られる相関値の平均値の伝搬時間に対する変化が得られる。また、図１９の下図に示すように、横軸に伝搬時間、縦軸に相関値の標準偏差をとり、相互相関処理の結果得られる相関値の標準偏差の伝搬時間に対する変化が得られる。

ここで、具体的には、信号処理部１３は、相関値の時間的な振動の程度を抽出するため、相関値のパワースペクトルの平均値を計算し、さらに、相関値のパワースペクトルの標準偏差を計算する。そして、図１９の上図に示すように、予め平均値に対するしきい値Ｔｈ１として上限しきい値５１Ａ及び下限しきい値５１Ｂを設定する。伝搬時間に対する相関値の平均値のうち、上限しきい値５１Ａ及び下限しきい値５１Ｂの範囲内の領域ａ及び領域ｂが、それぞれ高信頼伝搬時間領域５３Ａ及び高信頼伝搬時間領域５３Ｂとして抽出される。

さらに、図１９の下図に示すように、予め標準偏差に対するしきい値Ｔｈ２として、しきい値５２を設定する。伝搬時間に対する標準偏差のうち、しきい値５２以上となる領域ｃが高信頼伝搬時間領域５３Ｃとして抽出される。そして、これら高信頼伝搬時間領域５３Ａ、５３Ｂ及び５３ＣのＡＮＤをとった領域を最終的な高信頼伝搬時間領域として抽出する。

図１９に示す例では、最終的な高信頼伝搬時間領域として高信頼伝搬時間領域５３Ｃが抽出される。高信頼伝搬時間領域５３Ｃは、標準偏差がしきい値５２以上であることから、相関値の振動にノイズ成分が少なく、流速を高い信頼性で測定できていることに対応し、且つ、相関値の平均値が絶対値として、上限しきい値５１Ａ及び下限しきい値５１Ｂの範囲内に入っていることから、想定する流速の範囲に入っていることが確認できる。このことから、相関値に関する統計量により、容器２１内のトレーサ２４の流速、すなわち、漏洩水の流速を高信頼性で測定でき、漏洩検知及び漏洩個所の特定を高精度に実現することが可能となる。

なお、仮に、図１９の上図及び下図に示されるような高信頼伝搬時間領域５３Ａ、５３Ｂ及び５３Ｃが抽出されない場合には、図１７に示す送受信条件最適処理部１４は、超音波送信の電圧、送信パルスの性状（送信パルスの発信時間間隔ΔＴｐや、発信回数（相違送信回数）Ｎｐ）、超音波受信のインピーダンスあるいは図示しない周波数フィルタ等を調整する。これにより高信頼伝搬時間領域の抽出が可能となる、あるいは、高信頼伝搬時間領域の時間領域が長くなるよう、送受信条件を最適化することができる。また、図１７の流速表示部１２Ｃに示すように、伝搬時間に対して、高信頼伝搬時間領域５３Ｄと共にトレーサ２４の流速、すなわち、漏洩水の流速を表示することも可能となる。

次に、本実施例の超音波式漏洩検知装置１’による漏洩検知処理について説明する。図２０は、漏洩検知処理のフローチャートである。図２０中、実施例２に示した図１８と同様の処理ステップに同一の符号を付し、以下では説明を省略する。

ステップＳ１０からステップＳ１５までは、実施例２において説明した図１８に示す処理と同様に実行される。信号処理部１３は、ステップＳ１５にて生成され記憶部１１Ｄに格納された直交波形を読み出し、直交波形の相互相関処理を演算する（ステップＳ３０）。ここで、直交波形の相互相関処理は、上述の式（１）における規格化された相関係数Ｒｊｋ（τ）を計算することにより求める。なお、実施例１に示した自己相関と比較した場合、直交波形の振動（周波数）から、トレーサ２４の移動速度を計測することができ、結果として、漏洩水の流速を得ることが可能となることに加えて、漏洩水の流れの向きを推定することが可能となる。これは、自己相関処理の場合、相関値のピークが必ず時間差がないところで出現するのに対して、相互相関処理では、図１６に示したように相関値のピークの出現は、異なる伝搬時間の２つの直交波形間で、振動の位相ずれの度合いを評価できることによる。

次に、制御部１１Ｃは、ステップＳ３０にて信号処理部１３による直交波形の相互相関処理を設定回数実行したか否か判定する（ステップＳ１７）。ここで設定回数とは、実施例１とは異なり、送信部１１Ａより超音波センサ１０へ送信する送信パルスの生成に用いられる、発信時間間隔ΔＴｐと共に、制御部１１Ｃにより設定される送信回数（発信回数）Ｎｐより１減じた回数、すなわち、（Ｎｐ−１）回となる。従って、制御部１１Ｃは、信号処理部１３より得られる相互相関処理結果の個数が（Ｎｐ−１）に到達していない場合には、ステップＳ１３に戻り、ステップＳ１７までの処理を繰り返す。また、判定結果が（Ｎｐ−１）に達した場合、ステップＳ３１へ進む。

ステップＳ３１では、制御部１１Ｃは、記憶部１１Ｄに格納される、受信波形、直交波形及び相互相関処理結果を読み出し、実施例２と同様に、図１７に示す表示部１２を構成する形状表示部１２Ａ、処理表示部１２Ｂ及び流速表示部１２Ｃに表示するよう制御する。流速表示部１２Ｃへの表示は、上述のように、直交波形の相互相関処理により得られる相関値から、伝搬時間に対する流速の変化を表示する。ステップＳ３１に続き、ステップＳ３２では、信号処理部１３は、相互相関処理により得られた相関値に対し、伝搬時間に対する平均値及び標準偏差等の統計量を計算し、得られた統計量に基づき信頼性を評価する。ここで、信頼性の評価とは、上述の図１９の上図及び下図にて説明した、高信頼伝搬時間時間領域５３Ａ、５３Ｂ及び５３ＣのＡＮＤをとった領域を最終的な高信頼伝搬時間領域として抽出することで実行される。

ステップＳ３３では、制御部１１Ｃは、測定対象となる伝搬時間領域が高信頼領域に該当しているが否か判定する。すなわち、ステップＳ３２により、最終的な高信頼伝搬領域が抽出されたか、あるいは、高信頼伝搬時間領域５３Ａ、５３Ｂ及び５３Ｃが抽出されなかったかを判定する。判定の結果、高信頼伝搬時間領域５３Ａ、５３Ｂ及び５３Ｃが抽出されなかった場合には、ステップＳ３４へ進む。また、判定の結果、最終的な高信頼伝搬時間領域が抽出された場合、ステップＳ１９へ進む。なお、本実施例では、ステップＳ３２を信号処理部１３が実行する構成としたが、これに替えて、ステップＳ３２を制御部１１Ｃが実行するよう構成しても良い。また、ステップＳ３２及びステップＳ３３の双方を信号処理部１３が実行するよう構成しても良い。

ステップＳ３４では、図１７に示す送受信条件最適処理部１４は、超音波送信の電圧、送信パルスの性状（送信パルスの発信時間間隔ΔＴｐや、発信回数（相違送信回数）Ｎｐ）、超音波受信のインピーダンスあるいは図示しない周波数フィルタ等を調整し、ステップＳ１３へ戻る。
また、ステップＳ１９では、制御部１１Ｃは、相互相関処理結果を求めた、容器２１内の形状変化部での漏洩の有無あるいは、受信波形の伝搬時間に対する流速の大きさと向き、等）及び、当該形状変化部の位置を記憶部１１Ｄに格納し、ステップＳ１１へ戻る。すなわち、漏洩個所が１箇所に限られるものではないことから、ステップＳ１１へ戻り、容器２１内の次の形状変化部の探索を実行する。

本実施例によれば、実施例２の効果に加え、相関値に関する統計量により、容器２１内のトレーサ２４の流速、すなわち、漏洩水の流速を更に高信頼性で測定でき、漏洩検知及び漏洩個所の特定を高精度に実現することが可能となる。

また、本実施例によれば、送受信条件最適処理部１４により、超音波送信の電圧、送信パルスの性状（送信パルスの発信時間間隔ΔＴｐや、発信回数（相違送信回数）Ｎｐ）、超音波受信のインピーダンスあるいは図示しない周波数フィルタ等が調整されるため、高信頼伝搬時間領域の抽出が可能となる、あるいは、高信頼伝搬時間領域の時間領域が長くなるよう、送受信条件を最適化することができる。

上述の実施例１から実施例３において、伝搬時間毎の直交波形の振幅値をそれぞれ規格化するよう構成しても良い。

受信波形に重畳されるノイズ成分（雑音成分）としては、例えば、本来目標とするトレーサ２４以外の、容器２１内の配管２７あるいは容器２１の壁面による高強度の反射波又はこれらの多重反射、超音波センサ１０を保持し容器２１内の水中にて移動可能とする多関節マニピュレータ等のアクセス治具２２Ａ又はスラスタ等を有する移動装置３２Ａによる電気的ノイズ、また、漏洩検知対象となる場所が、原子炉圧力容器又は原子炉格納容器などの高線量下の環境においては、必然的に超音波センサ１０からの信号を受信する受信部１１Ｂ及び超音波センサ１０を接続する信号ケーブルの長さが増大し受信部到達時に信号強度の減衰が生じ得る。直交波形を生成する際における、各受信波形、すなわち各発信時間間隔ΔＴｐに対応する受信波形中の振幅を所定の閾値により正規化（伝搬時間毎の直交波形の振幅値の規格化）することで、このような環境下においても、上記重畳ノイズを除去し、確実にトレーサ２４による反射波を抽出することが可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…超音波式漏洩検知装置
１０…超音波センサ
１１…超音波送受信部
１１Ａ…送信部
１１Ｂ…受信部
１１Ｃ…制御部
１１Ｄ…記憶部
１１Ｅ…遅延時間制御部
１１Ｆ…コネクタ
１１Ｇ…スイッチ
１２…表示部
１２Ａ…形状表示部
１２Ｂ…処理表示部
１２Ｃ…流速表示部
１３…信号処理部
１３Ａ…直交波形生成部
１３Ｂ…相関処理部
１４…送受信条件最適処理部
２１…容器
２１Ａ…容器の壁面
２２Ａ，２２Ｂ…治具
２３…トレーサ投入装置
２４，２４Ａ，２４Ｂ…トレーサ
２５…壁面の穴
２６…液面
２７…配管
２８…二重管構造部
２９…トレーサの移動方向
３１…移動装置投入用開口
３２Ａ，３２Ｂ…移動装置
３３Ａ…超音波アレイセンサ
３３Ｂ…圧電素子
４１…送信パルス
４２…受信波形
４３…超音波伝搬経路
４４…受信波形
４４Ａ…形状からの反射波部分の開始位置
４４Ｂ…伝搬時間ｔにおける振幅値
４５…形状からの反射波全体
４５Ａ…超音波画像の境界
４６…セクタスキャンの表示範囲
４７…トレーサからの反射波
５１Ａ…上限しきい値
５１Ｂ…下限しきい値
５２…しきい値
５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄ…高信頼伝搬時間領域

Claims (20)

1. 容器内の液中に浸漬するよう配置される超音波センサと、
   前記容器内の液中に投入される気泡あるいは微粒子等からなるトレーサへ、前記超音波センサより所定の発信時間間隔及び所定の発信回数にて超音波を送信し、受信される受信波形の経時変化により、所望の超音波伝搬時間における前記各発信回数に対応する受信波形の振幅値に基づき直交波形を生成する信号処理部と、
   前記生成された直交波形を表示又は、前記直交波形及び前記受信波形の経時変化を合わせて表示する表示部を備えることを特徴とする超音波式漏洩検知装置。
2. 請求項１記載の超音波式漏洩検知装置において、
   前記信号処理部は、前記各発信回数に対応する複数の受信波形に対し同一の超音波伝播時間における振幅値を抽出し、当該抽出された複数の振幅値を前記発信回数順に整列し前記直交波形を生成することを特徴とする超音波式漏洩検知装置。
3. 請求項１記載の超音波式漏洩検知装置において、
   前記信号処理部は、前記各発信回数に対応する複数の受信波形に対し、前記発信回数と線形となるよう超音波伝搬時間を所定の等間隔で遅らせ、前記発信回数毎に前記等間隔にて遅延された超音波伝搬時間における受信波形の振幅値を抽出し、当該抽出された複数の振幅値を前記発信回数順に整列し前記直交波形を生成することを特徴とする超音波式漏洩検知装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載の超音波式漏洩検知装置において、
   前記信号処理部は、前記生成された直交波形の自己相関処理を行う相関処理部を備え、前記自己相関処理により前記受信波形に含まれる雑音成分を除去することを特徴とする超音波式漏洩検知装置。
5. 請求項４に記載の超音波式漏洩検知装置において、
   前記表示部は、
   前記発信回数に対応する受信波形を、前記発信回数及び超音波伝搬時間で規定される２次元状に、受信波形のサンプリング間隔を１画素として、各サンプリング時間における受信波形の振幅値の大きさに応じた濃淡値またはカラーでマップ表示すると共に、
   前記マップ表示された画面上で、所望の超音波伝搬時間が指定されると、当該指定された超音波伝搬時間に対応する直交波形をポップアップ表示することを特徴とする超音波式漏洩検知装置。
6. 請求項２又は請求項３に記載の超音波式漏洩検知装置において、
   前記信号処理部は、前記生成された直交波形のうち第一の超音波伝搬時間における第一の直交波形と、前記第一の超音波伝搬時間と異なる第二の超音波伝搬時間における第二の直交波形との相互相関処理を行う相関処理部を備えることを特徴とする超音波式漏洩検知装置。
7. 請求項６に記載の超音波式漏洩検知装置において、
   前記相関処理部は、前記生成された直交波形のうち、受信波形のサンプリング間隔分、超音波伝搬時間が異なる隣接する２つの直交波形をそれぞれ前記第一の直交波形及び第二の直交波形として相互相関処理を行うことを特徴とする超音波式漏洩検知装置。
8. 請求項７に記載の超音波式漏洩検知装置において、
   前記表示部は、
   前記発信回数に対応する受信波形を、ある発信回数を基準とし前記発信時間間隔毎の各発信回数との差分である時間差及び超音波伝搬時間で規定される２次元状に、受信波形のサンプリング間隔を１画素として、各サンプリング時間における受信波形の振幅値の大きさに応じた濃淡値またはカラーでマップ表示すると共に、
   前記マップ表示された画面上で、所望の超音波伝搬時間が指定されると、当該指定された超音波伝搬時間に対応する直交波形を第一の直交波形とし、前記指定された超音波伝搬時間と前記受信波形のサンプリング間隔分だけ超音波伝搬時間の異なる直交波形を第二の直交波形とする相互相関処理結果をポップアップ表示することを特徴とする超音波式漏洩検知装置。
9. 請求項６に記載の超音波式漏洩検知装置において、
   前記信号処理部は、
   前記相関処理部により得られる相互相関処理結果である相関値に対し、超音波伝搬時間に対する平均値及び標準偏差を求め、前記求めた平均値のうち予め設定された上限しきい値及び下限しきい値の範囲内となる超音波伝搬時間領域を第一の高信頼伝搬時間領域として抽出すると共に、前記求めた標準偏差が予め設定されたしきい値以上となる超音波伝搬時間領域を第二の高信頼伝搬時間領域として抽出することを特徴とする超音波式漏洩検知装置。
10. 請求項９に記載の超音波式漏洩検知装置において、
    前記信号処理部により、前記第一の高信頼伝搬時間領域及び第二の高信頼伝搬時間領域のいずれも抽出されない場合に、少なくとも、前記超音波センサより送信する超音波の送信電圧及び前記発信時間間隔並びに前記発信回数のうちいずれか１つを調整する送受信条件最適処理部を備えることを特徴とする超音波式漏洩検知装置。
11. 請求項２又は請求項３に記載の超音波式漏洩検知装置において、
    前記信号処理部は、前記生成される直交波形の振幅値を規格化することを特徴とする超音波式漏洩検知装置。
12. 容器内の液中に浸漬するよう配置される超音波センサより、前記容器内の液中に投入される気泡あるいは微粒子等からなるトレーサへ、超音波を送信し得られる受信波形により液体の漏洩を検知する方法であって、
    前記超音波センサより所定の発信時間間隔及び所定の発信回数にて超音波を、前記トレーサへ送信する工程と、
    前記超音波の送信により得られる受信波形の経時変化により、所望の超音波伝搬時間における前記各発信回数に対応する受信波形の振幅値に基づき直交波形を生成する直交波形生成工程と、
    前記生成された直交波形又は、前記直交波形及び前記受信波形の経時変化を合わせて表示部へ表示する表示工程と、を有することを特徴とする超音波式漏洩検知装置を用いた漏洩検知方法。
13. 請求項１２に記載の超音波式漏洩検知装置を用いた漏洩検知方法において、
    前記直交波形生成工程は、前記各発信回数に対応する複数の受信波形に対し同一の超音波伝播時間における振幅値を抽出し、当該抽出された複数の振幅値を前記発信回数順に整列することで直交波形を生成することを特徴とする超音波式漏洩検知装置を用いた漏洩検知方法。
14. 請求項１２に記載の超音波式漏洩検知装置を用いた漏洩検知方法において、
    前記直交波形生成工程は、前記各発信回数に対応する複数の受信波形に対し、前記発信回数と線形となるよう超音波伝搬時間を所定の等間隔で遅らせ、前記発信回数毎に前記等間隔にて遅延された超音波伝搬時間における受信波形の振幅値を抽出し、当該抽出された複数の振幅値を前記発信回数順に整列することで直交波形を生成することを特徴とする超音波式漏洩検知装置を用いた漏洩検知方法。
15. 請求項１３又は請求項１４に記載の超音波式漏洩検知装置を用いた漏洩検知方法において、
    前記直交波形生成工程により生成された直交波形の自己相関処理を行い、前記受信波形に含まれる雑音成分を除去する相関処理工程を有することを特徴とする超音波式漏洩検知装置を用いた漏洩検知方法。
16. 請求項１５に記載の超音波式漏洩検知装置を用いた漏洩検知方法において、
    前記表示工程は、
    前記発信回数に対応する受信波形を、前記発信回数及び超音波伝搬時間で規定される２次元状に、受信波形のサンプリング間隔を１画素として、各サンプリング時間における受信波形の振幅値の大きさに応じた濃淡値またはカラーでマップ表示すると共に、
    前記マップ表示された画面上で、所望の超音波伝搬時間が指定されると、当該指定された超音波伝搬時間に対応する直交波形をポップアップ表示することを特徴とする超音波式漏洩検知装置を用いた漏洩検知方法。
17. 請求項１３又は請求項１４に記載の超音波式漏洩検知装置を用いた漏洩検知方法において、
    前記直交波形生成工程により生成された直交波形のうち、第一の超音波伝搬時間における第一の直交波形と、前記第一の超音波伝搬時間と異なる第二の超音波伝搬時間における第二の直交波形との相互相関処理を行う相関処理工程を有することを特徴とする超音波式漏洩検知装置を用いた漏洩検知方法。
18. 請求項１７に記載の超音波式漏洩検知装置を用いた漏洩検知方法において、
    前記相関処理工程は、前記直交波形生成工程により生成された直交波形のうち、受信波形のサンプリング間隔分、超音波伝搬時間が異なる隣接する２つの直交波形をそれぞれ前記第一の直交波形及び第二の直交波形として相互相関処理を行うことを特徴とする超音波式漏洩検知装置を用いた漏洩検知方法。
19. 請求項１７に記載の超音波式漏洩検知装置を用いた漏洩検知方法において、
    前記相関処理工程により得られる相互相関処理結果である相関値に対し、超音波伝搬時間に対する平均値及び標準偏差を求め、前記求めた平均値のうち予め設定された上限しきい値及び下限しきい値の範囲内となる超音波伝搬時間領域を第一の高信頼伝搬時間領域として抽出すると共に、前記求めた標準偏差が予め設定されたしきい値以上となる超音波伝搬時間領域を第二の高信頼伝搬時間領域として抽出する工程を有することを特徴とする超音波式漏洩検知装置を用いた漏洩検知方法。
20. 請求項１９に記載の超音波式漏洩検知装置を用いた漏洩検知方法において、
    前記第一の高信頼伝搬時間領域及び第二の高信頼伝搬時間領域のいずれも抽出されない場合に、少なくとも、前記超音波センサより送信する超音波の送信電圧及び前記発信時間間隔並びに前記発信回数のうちいずれか１つを調整する工程を有することを特徴とする超音波式漏洩検知装置を用いた漏洩検知方法。

Images