JP2016217722A - 計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の内外に存在する物体の形状と当該流体の流速分布を同時的に計測する。【解決手段】本発明によれば、複数の振動子を含むリニアアレイセンサーと、順次異なる位置の振動子からパルス超音波を発信させるとともに、該パルス超音波のエコー信号を各振動子を介して検出するパルサ・レシーバと、２以上の振動子を介して検出されたエコー信号に基づいて開口合成処理を行うことにより前記パルス超音波を反射する物体の表面形状を計測する物体形状計測手段と、所定以上の距離をおいて離間する第１の振動子および第２の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を検出し、検出した２つのドップラー周波数に基づいて流速ベクトルを計測する流速ベクトル計測手段とを含む、計測装置が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、計測装置に関し、より詳細には、流体の内外に存在する物体の形状と当該流体の流速分布を同時的に計測する計測装置に関する。

現在、福島第一原子力発電所の廃炉に向けて作業が進められている。福島第一原子力発電所では、溶け落ちた燃料が構造材や制御棒と共に冷えて固まってなる燃料デブリが圧力容器内や格納容器下部に散在していると考えられている。

現在、このような燃料デブリを回収する方法として、作業員の被ばくを最小限にする観点から、燃料デブリを冠水させた状態で格納容器の上部からこれを取り出す「冠水工法」の採用が検討されている。

ここで、冠水工法においては、水没する燃料デブリの位置・形状を正確に捉えることが求められるが、滞留水の透明度が低いため、カメラでは目的物の鮮明な画像を得ることができない。

この点につき、非特許文献１は、アレイ超音波計測によって取得した波形から開口合成法を用いて計測対象の画像を作成する方法を開示する。

木本和志，廣瀬壮一，"アレイ超音波深傷試験による水平き裂のサイジング"，日本非破壊検査協会平成２０年度秋季講演大会講演概要集，p４７−５０，２００８．

冠水工法においては、燃料デブリが完全に冠水していることを確認してからでないと作業を開始することができない。したがって、その全体が空中に露出した状態、一部を空中に露出して水に浸漬された状態、完全に水没した状態など、様々な状態にある燃料デブリの形状を１つの計測系で検知することが求められる。また、格納容器の破損により注入した水が漏えいしているような場合、作業中に燃料デブリが水面から露出してくる危険性があるため、燃料デブリの形状を検知する計測系で同時に漏えい箇所を検知できることが望ましい。

本発明は、上記の要請に鑑みてなされたものであり、本発明は、流体の内外に存在する物体の形状と当該流体の流速分布を同時的に計測することができる新規な計測装置を提供することを目的とする。

本発明者は、流体の内外に存在する物体の形状と当該流体の流速分布を同時的に計測する計測装置の構成につき鋭意検討した結果、以下の構成に想到し、本発明に至ったのである。

すなわち、本発明によれば、流体の内外に存在する物体の形状と該流体の流速分布を計測するための計測装置であって、複数の振動子が列をなして配置されたアレイセンサーと、前記複数の振動子の駆動を制御して順次異なる位置の振動子からパルス超音波を発信させるとともに、該パルス超音波のエコー信号を各振動子を介して検出するパルサ・レシーバと、２以上の振動子を介して検出されたエコー信号に基づいて開口合成処理を行うことにより前記パルス超音波を反射する物体の表面形状を計測する物体形状計測手段と、所定以上の距離をおいて離間する第１の振動子および第２の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を検出し、検出した２つのドップラー周波数に基づいて流速ベクトルを計測する流速ベクトル計測手段とを含み、前記流速ベクトル計測手段は、検出した２つの前記ドップラー周波数と、前記パルス超音波の反射位置と該パルス超音波を発信する前記振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルと、前記パルス超音波の反射位置と前記第１の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第１のベクトルと、前記パルス超音波の反射位置と前記第２の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第２の単位ベクトルと、に基づいて流速ベクトルを算出する、計測装置が提供される。

上述したように、本発明によれば、流体の内外に存在する物体の形状と当該流体の流速分布を同時的に計測することができる新規な計測装置が提供される。

本実施形態の計測装置の構成を示す模式図。 本実施形態の超音波アレイセンサの駆動制御を説明するための概念図。 エコー信号の波形を模式的に示す図。 開口合成の原理を説明するための概念図。 物体の表面形状を計測する態様を示す図。 マトリックス状に振動子を配置した超音波アレイセンサを示す図。 流速ベクトル分布計測部を説明するための模式図。 流速ベクトルの計測原理を説明するための概念図。 物体の表面形状と流速ベクトル分布を提示する可視化データを示す図。 本実施形態の計測装置が実行する処理を表すフローチャート。

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。

図１は、本発明の実施形態である計測装置１００の構成を示す模式図である。本実施形態の計測装置１００は、超音波アレイセンサ１０と、パルサ・レシーバ２０と、ＡＤコンバータ３０と、コンピュータ４０を含んで構成されている。ここで、コンピュータ４０は、物体形状計測部４２、流速ベクトル分布計測部４４および計測結果出力部４６として機能する。

図１に示すように、超音波アレイセンサ１０は、複数の振動子１２が列をなして配置されたリニアアレイセンサとして構成されており、本実施形態においては、パルサ・レシーバ２０が各振動子１２をパルスドップラー方式で駆動することによって各振動子１２が超音波の短パルス信号を発信するように構成されている。一方、各振動子１２が発信した超音波のエコー（反射波）は、各振動子１２によって受信されるように構成されており、各振動子１２は、受信したエコーを電気信号（以下、エコー信号という）に変換してパルサ・レシーバ２０に出力する。パルサ・レシーバ２０は、各振動子１２を介して検出したエコー信号（アナログ信号）をＡＤコンバータ３０に出力し、ＡＤコンバータ３０は、これをデジタル信号に変換してコンピュータ４０に出力する。

本実施形態において、パルサ・レシーバ２０は、超音波を発信する期間（以下、発信期間という）とエコーを受信する期間（以下、受信期間という）が交互に繰り返されるように振動子１２の駆動タイミングを制御する。パルサ・レシーバ２０は、発信期間が到来する度に、超音波アレイセンサ１０を構成するＮ個の振動子１２の中から順次異なる位置に配置される１つの振動子１２を選択して駆動し、受信期間が到来する度に、２以上Ｎ以下の振動子１２を介してエコー信号を検出する。例えば、パルサ・レシーバ２０は、図２に示すように、発信期間が到来する度に、列の左端（１ｃｈ）から右端（Ｎｃｈ）にかけて、走査方向に隣接する振動子１２を１つずつ順番に駆動し、受信期間が到来する度に、全ての（Ｎ個の）振動子１２を介してエコー信号を検出することができる。

なお、本実施形態においては、Ｎ個の振動子１２のそれぞれに対して固有のパルサ・レシーバ２０とＡＤコンバータ３０を１組ずつ用意し、Ｎ個の振動子１２から検出されるエコー信号を同時に処理することが望ましいが、１組のパルサ・レシーバ２０とＡＤコンバータ３０を使用して計測を行う場合は、マルチプレクサ（Ｎ対１）を用いて、Ｎ個の振動子１２から検出されるエコー信号を時分割で処理するようにしてもよい。

また、本実施形態は、発信期間における振動子１２の駆動順序を限定するものではなく、発信期間が到来する度に異なる位置の振動子１２からパルス超音波が発信される態様であればよい。また、図２に示すように、受信期間において全ての振動子１２からエコー信号を検出することは必須ではなく、計測値に関して所望の精度を達成しうる態様（数および位置）で振動子１２からエコー信号を検出するように構成すればよい。

以上、本実施形態の計測装置１００の構成の概要を説明してきたが、続いて、物体形状計測部４２が実行する処理を説明する。なお、以下の説明においては、適宜、図１を参照するものとする。

本実施形態においては、発信期間に１つの振動子１２がパルス超音波を発信し、受信期間に複数の振動子１２がそのエコーを受信する。図３は、受信期間に各振動子１２から検出されるエコー信号の波形を模式的に示す。図３に示すように、各振動子１２から検出されるエコー信号は、流れ５０の中に水没する静止物体５２に反射したエコーに対応する成分Ｅ１を含む。ここで、静止物体５２は、例えば、圧力容器内や格納容器下部に散在する燃料デブリである。

本実施形態において、物体形状計測部４２は、コンピュータ４０に入力されたエコー信号の成分Ｅ１に基づいて静止物体５２の表面形状を計測する。具体的には、物体形状計測部４２は、２以上の振動子１２を介して検出された成分Ｅ１に基づいて開口合成処理を行うことで静止物体５２の表面形状を計測する。ここで、開口合成とは、異なる位置で受信した受信信号を合成することにより仮想的に大口径の開口（受信素子）を得る手法である。以下、図４に基づいて、本実施形態に適用される開口合成の原理を概説する。

ここでは、振動子１２ａが発信したパルス超音波が静止物体５２上の位置Ｘで反射し、３つの振動子１２ｂ、１２ｃ、１２ｄがそのエコーを受信する場合について考える。

この場合、振動子１２ａがパルス超音波を発信してからそのエコーが振動子１２ｂで受信されるまでの所要時間Ｔ_ｂと、流れ５０の媒質の音速ｃと、振動子１２ａの中心と振動子１２ｂの中心の離間距離Ｌ_ａｂから位置Ｘが存在しうる曲線ｂが幾何学的に求まる。同様に、パルス超音波が発信されてからそのエコーが振動子１２ｃで受信されるまでの所要時間Ｔ_ｃと、音速ｃと、振動子１２ａの中心と振動子１２ｃの中心の離間距離Ｌ_ａｃから位置Ｘが存在しうる曲線ｃが幾何学的に求まり、パルス超音波が発信されてからそのエコーが振動子１２ｄで受信されるまでの所要時間Ｔ_ｄと、音速ｃと、振動子１２ａの中心と振動子１２ｄの中心の離間距離Ｌ_ａｄから位置Ｘが存在しうる曲線ｄが幾何学的に求まる。そして、この場合、３つの曲線ｂ、ｃ、ｄが交差する領域近傍に位置Ｘの存在が推定されることになる。

なお、ここでは、３つの振動子１２から検出されたエコー信号を合成する態様を示したが、合成するエコー信号を多くするほど推定の確度が高くなることはいうまでもない。物体形状計測部４２は、計測値に関して所望の精度を達成するために必要と考えられる２以上の振動子１２を選択し、そこから検出されたエコー信号に基づいて開口合成処理を行う。

本実施形態においては、先述したように、パルサ・レシーバ２０がパルス超音波を発信する振動子１２の位置を順次変更して計測線を１次元的に走査する。一方、物体形状計測部４２は、計測線の走査に同期して、複数の振動子１２から検出されるエコー信号を開口合成し、これにＤＢＦ法やＭＵＳＩＣ法といった既知の位置推定アルゴリズムを適用することで各計測線上の位置Ｘを推定する処理を繰り返す。その結果、静止物体５２の２次元表面形状が計測される。

図５は、本実施形態の計測装置１００によって静止物体５２の２次元表面形状が計測される態様を模式的に示す。計測対象となる物体が複雑な形状を有する場合、パルス超音波が入射する位置によって、そのエコーの伝搬方向が大きく異なることがある。例えば、図５（ａ）に示すように、パルス超音波が位置Ｘ１に入射する場合、そのエコーはパルス超音波の伝搬線上を戻るように伝搬する。この場合、高い強度のエコー信号が検出されるので位置Ｘ１につき確度の高い位置情報が得られる。一方、パルス超音波が位置Ｘ２に入射する場合、そのエコーはパルス超音波の伝搬線上からずれた方向に伝搬する。この場合、パルス超音波の伝搬線上近傍の振動子１２から検出されるエコー信号の強度は弱くなるが、エコーの伝搬方向に配置された複数の振動子１２から検出されるエコー信号に基づいて開口合成処理を行うことで位置Ｘ２の位置情報が得られるので、図５（ｂ）に示すように、結果として欠損のない表面形状を取得することができる。

なお、超音波アレイセンサとして、上述したリニアアレイセンサに代えて、図６（ａ）に例示するような複数の振動子がマトリックス状に配置されたアレイセンサを採用した上で、計測線を２次元的に走査することによって静止物体５２の３次元表面形状を計測することができる。

以上、物体形状計測部４２が実行する処理を説明してきたが、続いて、流速ベクトル分布計測部４４が実行する処理を説明する。

本実施形態においては、先述したように、発信期間に１つの振動子１２がパルス超音波を発信し、受信期間に複数の振動子１２がそのエコーを受信する。このとき、振動子１２が発信したパルス超音波は、流れ５０を移動する微小粒子に反射し、そのエコー（反射波）を各振動子１２が受信する。各振動子１２から検出されるエコー信号は、図３に示すように、微小粒子に反射したエコーに対応する成分Ｅ２を含む。

ここで、流速ベクトル分布計測部４４は、コンピュータ４０に入力されたエコー信号の成分Ｅ２に基づいて流れ５０の２次元流速ベクトル分布を計測する。具体的には、流速ベクトル分布計測部４４は、所定以上の距離をおいて離間する２つの振動子１２を介して検出された成分Ｅ２に基づいて流れ５０の２次元流速ベクトル分布を計測する。以下、図８に示す概念図に基づいて、２次元流速ベクトルの計測原理を説明する。

図８に示すように、振動子ｅが基本周波数ｆ_０のパルス超音波を発信する場合、当該パルス超音波が流れを速度Ｖで移動する微小粒子Ｓに反射し、その反射波が所定以上の距離をおいて離間する２つの振動子αおよび振動子βによって受信される。流速ベクトル分布計測部４４は、２つの振動子α、βから検出される２つのエコー信号（成分Ｅ２）について、自己相関法等の適切な方法により周波数分析を行い、それぞれのエコー信号からドップラー周波数ｆ_Ｄを検出する。ここでいう所定以上の距離とは、以下に述べる計測原理に照らして適切な距離を意味する。

ここで、振動子αのエコー信号から検出されるドップラー周波数ｆ_Ｄαは下記式（１）で表すことができ、振動子βのエコー信号から検出されるドップラー周波数ｆ_Ｄβは下記式（２）で表すことができる。

上記式（１）、（２）において、ｆ_０は振動子ｅが発信するパルス超音波の基本周波数を示し、ｃは媒質の音速を示し、ｅ_ｅは微小粒子Ｓと振動子ｅの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅ_αは微小粒子Ｓと振動子αの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅ_βは微小粒子Ｓと振動子βの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、Ｖは微小粒子Ｓの２次元流速ベクトルを示す。

ここで、上記式（１）と上記式（２）を連立し、行列を用いて表すと下記式（３）の様になる。

そして、上記式（３）を整理すると、流速ベクトルＶは、下記式（４）で表される。

本実施形態において、流速ベクトル分布計測部４４は、２つの振動子α、βのエコー信号から検出したドップラー周波数ｆ_Ｄαおよびｆ_Ｄβを上記式（４）に投入して微小粒子Ｓの２次元流速ベクトルＶを算出する。ここで、上記式（４）におけるｅ_ｅ、ｅ_αおよびｅ_βは、計測線上の微小粒子Ｓの位置（超音波の反射位置）と、振動子ｅ、αおよびβのぞれぞれの中心位置から幾何学的に求まる。そして、計測線上の微小粒子Ｓの位置は、振動子ｅ、αおよびβのぞれぞれの中心位置と、２つの振動子α、βのそれぞれで計測される超音波の伝播時間（振動子ｅがパルス超音波を発信してからそのエコーとして戻ってくるまでの時間）と、振動子ｅから発信されるパルス超音波の出射角度θから幾何学的に求まる。

本実施形態においては、パルサ・レシーバ２０がパルス超音波を発信する振動子ｅの位置を順次変更して計測線を１次元的に走査する。一方、流速ベクトル分布計測部４４は、計測線の走査に同期して、上記式（４）に則って各計測線上に存在する微小粒子Ｓの２次元流速ベクトルＶを計算する処理を繰り返す。その結果、流れ５０の２次元平面上の流速ベクトル分布が計測される。

なお、超音波アレイセンサとして、図８に示したリニアアレイセンサに代えて、図６（ｂ）に例示するような複数の振動子がマトリックス状に配置されたアレイセンサを採用することによって流れの３次元流速ベクトルを計測することができる。

この点を図６（ｂ）に基づいて説明すると、流速ベクトル分布計測部４４は、振動子ｅから基本周波数ｆ_０のパルス超音波を発信した場合において、所定以上の距離をおいて離間する３つの振動子（α、β、γ）から検出される３つのエコー信号について、自己相関法等の適切な方法により周波数分析を行い、それぞれのエコー信号からドップラー周波数ｆ_Ｄを検出する。流速ベクトル分布計測部４４は、３つの振動子（α、β、γ）のエコー信号から検出したドップラー周波数ｆ_Ｄα、ｆ_Ｄβ、ｆ_Ｄγを下記式（５）に投入して微小粒子Ｓの３次元流速ベクトルＶを算出する。

上記式（５）において、ｆ_０は振動子ｅが発信するパルス超音波の基本周波数を示し、ｃは媒質の音速を示し、ｅ_ｅは微小粒子Ｓと振動子ｅの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅ_αは微小粒子Ｓと振動子αの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅ_βは微小粒子Ｓと振動子βの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅ_γは微小粒子Ｓと振動子γの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、Ｖは微小粒子Ｓの３次元流速ベクトルを示す。

ここで、上記式（５）におけるｅ_ｅ、ｅ_α、ｅ_βおよびｅ_γは、計測線上の微小粒子Ｓの位置（超音波の反射位置）と、振動子ｅ、α、βおよびγのそれぞれの中心位置から幾何学的に求まる。そして、計測線上の微小粒子Ｓの位置は、振動子ｅ、α、βおよびγのそれぞれの中心位置と、３つの振動子（α、β、γ）のそれぞれで計測される超音波の伝播時間（振動子ｅがパルス超音波を発信してからそのエコーとして戻ってくるまでの時間）と、振動子ｅから発信されるパルス超音波の出射角度θから幾何学的に求まる。

この場合、パルサ・レシーバ２０がパルス超音波を発信する振動子ｅの位置を順次変更して計測線を２次元的に走査する。一方、流速ベクトル分布計測部４４は、計測線の走査に同期して、上記式（５）に則って各計測線上に存在する微小粒子Ｓの３次元流速ベクトルＶを計算する処理を繰り返す。その結果、流れ５０の３次元空間内の流速ベクトル分布が計測される。

以上、流速ベクトル分布計測部４４が実行する処理を説明してきたが、続いて、計測結果出力部４６が実行する処理を説明する。

本実施形態の計測結果出力部４６は、物体形状計測部４２が出力する物体の表面形状と流速ベクトル分布計測部４４が出力する流速ベクトル分布を合成して可視化データを生成し、生成した可視化データを計測結果として出力する。図９は、計測結果出力部４６が出力する計測結果を例示的に示す。本実施形態によれば、図９に示すように、計測結果として、流体内に存在する静止物体５２の表面形状と当該流体の流速ベクトル分布を同時的に提示する可視化データがユーザに提供される。

なお、図９は、静止物体５２の２次元表面形状と２次元流速ベクトル分布を同時的に提示する可視化データを示したが、超音波アレイセンサとして複数の振動子がマトリックス状に配置されたアレイセンサを採用する場合においては、計測結果出力部４６は、静止物体５２の３次元表面形状と３次元流速ベクトル分布を同時的に提示する可視化データを生成・出力する。

最後に、本実施形態の計測装置１００が実行する処理を図１０に示すフローチャートに基づいて説明する。

計測が開始されると、ステップ１０１で、超音波アレイセンサ１０を構成するＮ個の振動子１２のうち、１つの振動子１２からパルス超音波を発振し、その反射波（エコー）を複数の振動子１２で受信する。続くステップ１０２では、複数の振動子１２が検出した複数のエコー信号に基づいてパルス超音波の反射位置を推定する。以降、Ｎ本の計測線（すなわち、Ｎ個の振動子１２）について上記処理を繰り返す（Ｓ１０３、Ｎｏ）。

その後、全ての計測線について処理が終了した時点で（Ｓ１０３、Ｙｅｓ）、ステップ１０４に進み、推定したＮ個の反射位置から静止物体５２の表面形状の画像を再構成する。

続くステップ１０５では、流速ベクトルの計測のために超音波を送受信する素子（振動子１２）の組み合わせを決定する。具体的には、超音波アレイセンサ１０を構成するＮ個の振動子１２のそれぞれについて、その振動子１２が発振したパルス超音波のエコー信号を検出する一組の振動子１２を決定する。ここで、超音波アレイセンサ１０としてリニアアレイセンサを使用する場合は、１つの振動子１２に対して、２つの振動子１２からなる組を決定し、超音波アレイセンサ１０としてマトリックスアレイセンサを使用する場合は、１つの振動子１２に対して、３つの振動子１２からなる組を決定する。

なお、本実施形態においては、１つの振動子１２に対して、エコー信号を検出する振動子１２の組を２組以上決定してもよい。また、本実施形態においては、ステップ１０４で取得した静止物体５２の表面形状から反射波（エコー）を受信することができない振動子１２を幾何的に特定し、特定した振動子１２をエコー信号を検出する振動子の候補から外すことによって計測精度を向上させることができる。

続くステップ１０６では、超音波アレイセンサ１０を構成するＮ個の振動子１２のうち、１つの振動子１２からパルス超音波を発振し、パルス超音波を発振する振動子１２について決められた一組の振動子１２でその反射波（エコー）を受信する。続くステップ１０７では、受信した反射波（エコー）から検出したエコー信号に基づいてドップラー周波数を検出する。以降、Ｎ本の計測線（すなわち、Ｎ個の振動子１２）について上記処理を繰り返す（Ｓ１０８、Ｎｏ）。

その後、全ての計測線について処理が終了した時点で（Ｓ１０８、Ｙｅｓ）、ステップ１０９に進み、Ｎ本の計測線において検出されたドップラー周波数に基づいて各計測線上の流速ベクトルを算出する。なお、先のステップ１０５において、１つの振動子１２に対して、エコー信号を検出する振動子１２の組を２組以上決定した場合は、１つの計測点に対して２以上の流速ベクトルが算出されることになるが、この場合は、算出された流速ベクトルをエコー信号の強度に応じて適宜合成することで計測精度を向上させることができる。

続くステップ１１０では、先のステップ１０４で取得した静止物体５２の表面形状の画像情報と、先のステップ１０９で取得した流速ベクトルに係る情報に基づいて、静止物体５２の表面形状と流速ベクトル分布を同時的に提示する可視化データを生成する。そして、最後のステップ１１１で、生成した可視化データを計測結果として出力し、処理を終了する。

以上、説明したように、本実施形態の計測装置１００によれば、流体の内外に存在する物体の形状と当該流体の流速分布を同時的に計測することができる。本実施形態によれば、燃料デブリの位置・形状を確認するとともに、その周辺の流速分布から燃料デブリの浸漬状態を確認することが可能になる。また、燃料デブリ周辺の流速分布から流体の熱対流を検知することができ、間接的に燃料デブリの発熱性状を推測することが可能になる。さらに、各所で計測される流速分布から滞留水の漏えい箇所を検知することができるので、作業員を危険に晒す前に燃料デブリの回収作業を中止して漏洩箇所を修繕することが可能になる。

なお、これまで、本発明の計測装置の適用シーンとして、専ら、原子力発電所の廃炉に伴う燃料デブリの回収作業を例に挙げて説明してきたが、本発明の計測装置は、その用途を限定するものではないことはいうまでもない。その他、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

なお、上述したコンピュータ４０の各機能は、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ（登録商標）などで記述された装置実行可能なプログラムにより実現でき、本実施形態のプログラムは、ハードディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、フレキシブルディスク、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭなどの装置可読な記録媒体に格納して頒布することができ、また他装置が可能な形式でネットワークを介して伝送することができる。

１０…超音波アレイセンサ
１２…振動子
２０…パルサ・レシーバ
３０…ＡＤコンバータ
４０…コンピュータ
４２…物体形状計測部
４４…流速ベクトル分布計測部
４６…計測結果出力部
５０…流れ
５２…静止物体

Claims (6)

1. 流体の内外に存在する物体の形状と該流体の流速分布を計測するための計測装置であって、
   複数の振動子が列をなして配置されたアレイセンサーと、
   前記複数の振動子の駆動を制御して順次異なる位置の振動子からパルス超音波を発信させるとともに、該パルス超音波のエコー信号を各振動子を介して検出するパルサ・レシーバと、
   ２以上の振動子を介して検出されたエコー信号に基づいて開口合成処理を行うことにより前記パルス超音波を反射する物体の表面形状を計測する物体形状計測手段と、
   所定以上の距離をおいて離間する第１の振動子および第２の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を検出し、検出した２つのドップラー周波数に基づいて流速ベクトルを計測する流速ベクトル計測手段とを含み、
   前記流速ベクトル計測手段は、
   検出した２つの前記ドップラー周波数と、
   前記パルス超音波の反射位置と該パルス超音波を発信する前記振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルと、
   前記パルス超音波の反射位置と前記第１の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第１のベクトルと、
   前記パルス超音波の反射位置と前記第２の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第２の単位ベクトルと、
   に基づいて流速ベクトルを算出する、
   計測装置。
2. 前記流速ベクトル計測手段は、下記式（１）に基づいて２次元流速ベクトルＶを計測する、請求項１に記載の計測装置。
   （上記式において、ｆ_０はパルス超音波の基本周波数を示し、ｃは音速を示し、ｅ_ｅは前記単位ベクトルを示し、ｅ_αは前記第１のベクトルを示し、ｅ_βは前記第２のベクトルを示し、ｆ_Ｄαは前記第１の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示し、ｆ_Ｄβは前記第２の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示す。）
3. さらに、前記物体の表面形状と前記流速ベクトルを同時的に提示する可視化データを計測結果として出力する計測結果出力手段を含む、
   請求項１または２に記載の計測装置。
4. 流体の内外に存在する物体の形状と該流体の流速分布を計測するための計測装置であって、
   複数の振動子がマトリックス状に配置されたアレイセンサーと、
   前記複数の振動子の駆動を制御して順次異なる位置の振動子からパルス超音波を発信させるとともに、該パルス超音波のエコー信号を各振動子を介して検出するパルサ・レシーバと、
   ２以上の振動子を介して検出されたエコー信号に基づいて開口合成処理を行うことにより前記パルス超音波を反射する物体の表面形状を計測する物体形状計測手段と、
   所定以上の距離をおいて互いに離間し、且つ、同一直線上にない第１の振動子、第２の振動子および第３の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を検出し、検出した３つのドップラー周波数に基づいて流速ベクトルを計測する流速ベクトル計測手段とを含み、
   前記流速ベクトル計測手段は、
   検出した３つの前記ドップラー周波数と、
   前記パルス超音波の反射位置と該パルス超音波を発信する前記振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルと、
   前記パルス超音波の反射位置と前記第１の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第１のベクトルと、
   前記パルス超音波の反射位置と前記第２の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第２の単位ベクトルと、
   前記パルス超音波の反射位置と前記第３の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第３の単位ベクトルと、
   に基づいて流速ベクトルを計測する、
   計測装置。
5. 前記流速ベクトル計測手段は、下記式（２）に基づいて３次元流速ベクトルＶを計測する、請求項４に記載の計測装置。
   （上記式（２）において、ｆ_０はパルス超音波の基本周波数を示し、ｃは音速を示し、ｅ_ｅは前記単位ベクトルを示し、ｅ_αは前記第１のベクトルを示し、ｅ_βは前記第２のベクトルを示し、ｅ_γは前記第３のベクトルを示し、ｆ_Ｄαは前記第１の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示し、ｆ_Ｄβは前記第２の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示し、ｆ_Ｄγは前記第３の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示す。）
6. さらに、前記物体の表面形状と前記流速ベクトルを同時的に提示する可視化データを計測結果として出力する計測結果出力手段を含む、
   請求項４または５に記載の計測装置。