JP2019066217A

JP2019066217A - 超音波を用いた埋設物深さ測定装置及び方法

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Publication number: JP2019066217A
Application number: JP2017189411A
Authority: JP
Inventors: 永島　良昭; Yoshiaki Nagashima; 良昭永島
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2019-04-25

Abstract

【課題】超音波を用いた埋設物深さ測定装置において、超音波が伝搬する媒質の音速を特定して、埋設物深さを測定する装置及び方法を提供する。【解決手段】超音波を用いた埋設物深さ測定装置において、埋設物が埋設された媒質に超音波を送信する超音波センサ１と、前記超音波センサに接続される超音波送受信器５と、前記超音波送受信器からの信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器６と、前記Ａ／Ｄ変換器からのデジタルデータを基に減衰係数と粒径を算出する減衰係数算出・粒径算出部７ａと、算出した粒径データを基に媒質厚さ算出する媒質厚さ算出部７ｂを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を用いて媒質中に埋設された埋設物の深さを非破壊で測定する装置及び方法に関する。

産業・社会インフラの老朽化に伴い、発電・化学プラントや道路・上下水などの社会インフラでは、地下に埋設された配管やタンクなどの主に金属製の物体（以下、埋設物）の位置を、土を掘削せずに把握するニーズが高まりつつある。特に古い時代の埋設物では、その施工図面が残っていない場合がある。仮に残っていても、埋設作業中に現場合わせで変更される場合があって、必ずしも施工図面が正確である保証は無い。すなわち、施工図面の有無に関わらず、土を掘削せずに非破壊で埋設物の位置を正確に測定する技術が求められる。

埋設物の位置を測定する技術として、電磁波や超音波（音響）を使う方法が知られている。電磁波は、水分含有量の大きな土質や地下の電気伝導度が大きな場所では、減衰が大きくなる傾向がある。一方で、超音波は、水分含有量の大きな土質でむしろ減衰が少ない傾向がある。特に水分含有量の大きな土に埋設された構造物の深さを超音波を用いて測定する場合、深さが超音波の伝搬速度（以下、音速）と超音波の伝搬時間から算出されるため、音速を正確に把握することが重要となる。

音速を変化させる要因の一つに、土砂の粒径があることが知られている。例えば、「海底堆積物の音響研究」（非特許文献１）のＦｉｇ．３には、音速が、土砂の粒径と超音波周波数に依存して、約１４８０ｍ／ｓから約１８００ｍ／ｓまで変化することが記載されている。

超音波が伝搬する媒質の音速がわからない課題を解決するための従来技術として、特開２００６−７８２４３号公報（特許文献１）に開示された非破壊形状診断方法およびその装置がある。この方法では埋没物体の音速Ｖが不明な場合に、土中から露出している部分の距離Ｌａと反射波の到達時間Ｔを実測することにより、Ｖ＝Ｔ×２／Ｌａから音速Ｖを求める。

特開２００６−７８２４３号公報

木村正雄、「海底堆積物の音響研究」、海洋音響学会誌、特定非営利活動法人海洋音響学会、２０１５年１２月２２日、第４０巻、３号、ｐ．１６５

しかしながら、上記従来技術には次のような問題点がある。すなわち、特許文献１に記載の埋没物体の非破壊形状診断方法およびその装置は、埋没物体の音速Ｖが不明な場合に、土中から露出している部分の距離Ｌａと反射波の到達時間Ｔを実測することにより、Ｖ＝Ｔ×２／Ｌａから音速Ｖを求めるが、露出部分を用いて音速を測定できない場合、例えば、埋没物体の土中から露出している部分が平面状や凹面状である場合には、実際の測定で用いる波動と同じモードの波動を距離Ｌａの間で伝搬させることができないため、音速を測定できない。また、埋没物体の音速が均一でない場合も、露出部分を用いて測定した音速と実際に測定する位置の音速に違いが生じるため、深さ測定の精度が悪化することになる。

そこで、本発明は上記に鑑みてなされたものであり、超音波が伝搬する媒質の音速を特定して、埋設物深さを測定する装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、超音波を用いた埋設物深さ測定装置において、埋設物が埋設された媒質に超音波を送信する超音波センサと、前記超音波センサに接続される超音波送受信器と、前記超音波送受信器からの信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器からのデジタルデータを基に減衰係数と粒径を算出する減衰係数算出・粒径算出部と、算出した粒径データを基に媒質厚さ算出する媒質厚さ算出部を有することを特徴とする。

また、上記目的を達成するための本発明は、超音波を用いた埋設物深さ測定方法において、周波数を掃引して超音波の伝搬時間を測定して仮定した音速から減衰係数を算出し、減衰係数測定結果から媒質の粒径を推定し、推定した粒径における超音波周波数と音速の関係を参照して媒質厚さを求めることを特徴とする。

埋設物が音速不明な媒質に埋設されている場合でも、媒質の減衰係数を測定し、その測定結果から媒質の粒径を推定し、粒径から音速を推定することで、埋設物深さを精度良く測定することが可能になる。

実施例１による超音波を用いた埋設物深さ測定装置の概略構造を示す図である。実施例１の超音波を用いた埋設物深さ測定装置の動作を示すフローチャートである。コンピュータ７が表示部８に出力する画面の表示例である。超音波を用いた埋設物深さ測定装置の減衰係数算出・粒径算出部７ａに格納されたデータ（粒径毎の周波数と減衰係数の関係）を説明する図である。実施例１による超音波を用いた埋設物深さ測定装置の媒質厚さ算出部７ｂに格納されたデータ（粒径毎の周波数と音速の関係）を説明する図である。実施例２による超音波を用いた埋設物深さ測定装置の動作を説明するフローチャートである。実施例３によるコンピュータ７が表示部８に出力する画面の表示例を説明する図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。なお、下記はあくまでも実施の例であり、発明の内容を下記具体的態様に限定することを意図する趣旨ではない。発明自体は、特許請求の範囲に記載された内容に即した限りにおいて種々の態様で実施することが可能である。

以下、実施例１を図１乃至図５を用いて説明する。図１は、実施例１による超音波を用いた埋設物深さ測定装置の概略構造を示す図である。なお、検査対象も合わせて示している。

超音波を用いた埋設物深さ測定装置は、伝達媒質２を介して埋設媒質３に超音波４を送信する超音波センサ１、超音波センサ１に送信信号波形を印加するとともに超音波センサ１からの受信信号波形を受信するバースト波送受信器５、バースト波送受信器５が出力する受信信号波形をデジタル信号波形に変換するＡ／Ｄ変換器６、超音波の減衰係数を算出して埋設媒質３の粒径を算出する減衰係数算出・粒径算出部７ａ、埋設媒質３の粒径から埋設媒質３の厚さを算出する媒質厚さ算出部７ｂを備えたコンピュータ７、及び表示部８を備える。

超音波センサ１は、水などの伝達媒質２に対して効率的に超音波を送受信可能なように音響インピーダンスマッチングされた市販の超音波センサなどを利用可能であり、バースト波送受信器５と同軸ケーブルで接続される。

バースト波送受信器５は、超音波センサ１に送信信号波形を印加するとともに超音波センサ１からの受信信号波形を受信し、受信した受信信号波形を増幅して、Ａ／Ｄ変換器６に同軸ケーブルを介して出力するもので、市販の超音波バースト波パルサレシーバを利用できる。

Ａ／Ｄ変換器６は、アナログ信号である超音波の受信波形をテジタル信号であるテジタル信号波形に変換する機能を有する。Ａ／Ｄ変換器６は、例えば、市販の外付けＡ／Ｄ変換器、またはコンピュータ組み込み式のボードタイプのＡ／Ｄ変換器が利用される。

コンピュータ７は市販のコンピュータで構成でき、後述する計算アルゴリズムを組み込んだ減衰係数算出・粒径算出部７ａと媒質厚さ算出部７ｂを有する。

表示部８は、コンピュータ７から出力を表示するものであり、市販の液晶モニタ等を利用できる。

実施例１の埋設物深さ測定装置の動作を、図２乃至図５を用いて以下に説明する。図２は実施例１の超音波を用いた埋設物深さ測定装置の動作を示すフローチャート、図３はコンピュータ７が表示部８に出力する画面の表示例、図４は超音波を用いた埋設物深さ測定装置の減衰係数算出・粒径算出部７ａに格納されたデータ（粒径毎の周波数と減衰係数の関係）を説明する図、図５は実施例１による超音波を用いた埋設物深さ測定装置の媒質厚さ算出部７ｂに格納されたデータ（粒径毎の周波数と音速の関係）を説明する図である。

図２のステップＳ１０１において、埋設物深さ測定装置のオペレータは、コンピュータ７を操作し、送信する超音波の周波数とサイクル数を選択する。具体的には、オペレータは、図３の周波数設定ウィンドウ８１１に値を入力するか選択することで周波数を設定し、さらに、図３のサイクル数設定ウィンドウ８１２に値を入力するか選択することでサイクル数を設定する。コンピュータ７は、設定された周波数とサイクル数の制御信号をバースト波送受信器５に送るとともに、その送信信号波形を送信信号波形表示ウィンドウ８１３に表示する。バースト波送受信器５は、ある一定の繰り返し周期で超音波センサ１に送信信号波形（バースト波）を印加し続けているが、媒質厚さ算出部７ｂからの制御信号によって、印加する送信信号波形（バースト波）の周波数とサイクル数を変更する。

印加された送信信号波形（バースト波）によって、超音波センサ１は超音波４を送信する。超音波４は、伝達媒質２と埋設媒質３の境界面、埋設媒質３と埋設物９の境界面で反射し、各々反射波４ａ、４ｂとして再び超音波センサ１で受信される。受信された反射波４ａ、４ｂは、受信信号波形に変換され、バースト波送受信器５で増幅された後に、Ａ／Ｄ変換器６に出力される。Ａ／Ｄ変換器６からデジタル信号波形としてコンピュータ７の減衰係数算出・粒径算出部７ａのメモリに格納される。コンピュータ７は、デジタル信号波形を受信信号波形表示ウィンドウ８１４に表示する。

ステップＳ１０２において、減衰係数算出・粒径算出部７ａは、メモリに格納されたデジタル信号波形を読み出し、反射波４ａの受信信号波形Ｓａと、反射波４ｂの受信信号波形Ｓｂの伝搬時間差Δｔを算出する。伝搬時間差Δｔは、ピーク間の時間差、ゼロクロス点間の時間差などで算出できる。

ステップＳ１０３において、減衰係数算出・粒径算出部７ａは、伝搬時間差Δｔとオペレータがウィンドウ８１６に入力した仮の音速ｃ_０＝１４８０ｍ／ｓから、式Ｌ_０＝ｃ_０×Δｔ／２によって、仮の片道伝搬距離Ｌ_０を算出する。ここで算出した片道伝搬距離Ｌ_０は、仮の音速ｃ_０＝１４８０ｍ／ｓを用いて算出した埋設物９の深さに相当するものであり、音速誤差を含んでいる。

ステップＳ１０４において、減衰係数算出・粒径算出部７ａは、受信信号波形Ｓａの振幅Ｖａと、受信信号波形Ｓｂの振幅Ｖｂの比を求め、その比の仮の片道伝搬距離Ｌ_０から減衰係数を算出し、表示部８の減衰係数表示ウィンドウ８１７に表示する。ここで算出した減衰係数には、実際は、吸収・散乱減衰など埋設媒質３の性質に依存する減衰係数と、超音波４の指向性や埋設物９の形状に依存する拡散による減衰係数が含まれるが、超音波４の指向性を極力狭くし、埋設物９の反射位置の形状で平面に近い箇所を選べば、ほぼ吸収・散乱減衰など埋設媒質３の性質に依存する減衰係数として取り扱うことができる。

ステップＳ１０５において、減衰係数算出・粒径算出部７ａは、粒径毎の周波数と減衰係数の関係のデータ８１５ａを参照し、ステップＳ１０１でオペレータが設定した周波数とステップＳ１０４で算出した減衰係数の交点から、粒径を算出し、表示部８の粒径表示ウィンドウ８１８に表示する。図４は、粒径毎の周波数と減衰係数の関係のデータにおいて、周波数３０ｋＨｚと減衰係数３０ｄＢ／ｍの交点から、粒径を２２μｍと算出した例を示している。実際の粒径毎の周波数と減衰係数の関係のデータは、図４に例示したように、粒径２２μｍ、８８μｍ、３５４μｍだけでなく、さらに多くの粒径に対するデータを準備しておく。

ステップＳ１０６において、媒質厚さ算出部７ｂは、粒径毎の周波数と音速の関係のデータ８１５ｂを参照し、ステップＳ１０１でオペレータが設定した周波数と、ステップＳ１０５で算出した粒径から、音速ｃ１を推定し、表示部８の推定音速表示ウィンドウ８１９に表示する。図５は、粒径毎の周波数と音速の関係のデータにおいて、周波数３０ｋＨｚと粒径２２μｍの音速を示す実線の交点から音速を１５２５ｍ／ｓと推定した例を示している。粒径毎の周波数と音速の関係のデータは、図５に例示したように、粒径２２μｍ、８８μｍ、３５４μｍだけでなく、さらに多くの粒径に対するデータを準備しておく。

ステップＳ１０７において、媒質厚さ算出部７ｂは、音速ｃ１と伝搬時間差Δｔから埋設物深さを算出し、表示部８の埋設物深さ表示ウィンドウ８２０に表示する。

以上のように構成した実施例１の効果を説明する。従来技術としては、例えば、埋没物体の音速Ｖが不明な場合に、土中から露出している部分の距離Ｌａと反射波の到達時間Ｔを実測することにより、Ｖ＝Ｔ×２／Ｌａから音速Ｖを求める技術があった。しかしながら、上記従来技術には次のような問題点があった。すなわち、露出部分を用いて音速を測定できない場合、例えば、埋没物体の土中から露出している部分が平面状や凹面状である場合には、実際の測定で用いる波動と同じモードの波動を距離Ｌａの間で伝搬させることができないため、音速を測定できない。また、埋没物体の音速が均一でない場合も、露出部分を用いて測定した音速と実際の測定位置の音速に違いが生じるため、深さ測定の精度が悪化することになる。

これに対して、実施例１においては、超音波を用いた埋設物深さ測定装置において、埋設物が埋設された媒質に超音波を送信する超音波センサと、前記超音波センサに接続される超音波送受信器と、前記超音波送受信器からの信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器からのデジタルデータを基に減衰係数と粒径を算出する減衰係数算出・粒径算出部と、算出した粒径データを基に媒質厚さ算出する媒質厚さ算出部を有する手段を備えたので、埋設物が音速不明な媒質に埋設されている場合でも、媒質の減衰係数を測定し、その測定結果から媒質の粒径を推定し、粒径から音速を推定することで、埋設物深さを精度良く測定することが可能になる。

実施例２を図６を用いて説明する。図６は、実施例２による超音波を用いた埋設物深さ測定装置の動作を説明するフローチャートである。

ステップＳ２０１からＳ２０２は、実施例１のステップＳ１０１からＳ１０２と同じであるので、説明を省略する。

ステップＳ２０３において、減衰係数算出・粒径算出部７ａは、変数ｉにゼロを代入する。

ステップＳ２０４において、減衰係数算出・粒径算出部７ａは、音速ｃ_ｉに１４８０（ｍ／ｓ）を代入する。

ステップＳ２０６からＳ２１０は、ステップＳ２０５の条件が成立するまで要求される繰り返しループである。ここで、ステップＳ２０６からＳ２０９は、実施例１のステップＳ１０３からＳ１０６と基本的に同じであって、０をｉに、１をｉ＋１に置き換えたものである。また、ステップＳ２１０は、ｉ＋１をｉに代入する手続きである。このループは、音速の推定値ｃ_ｉとｃ_ｉ−１の差が、しきい値ａよりも大きい間は、繰り返される。

音速の推定値ｃ_ｉとｃ_ｉ−１の差が、しきい値ａよりも小さくなったらループを抜け、ステップＳ２１１で、媒質厚さ算出部７ｂは、音速ｃ_ｉと伝搬時間差Δｔから埋設物深さを算出し、表示部８の埋設物深さ表示ウィンドウ８２０に表示する。

以上のように構成した実施例２の効果を説明する。

実施例２においては、超音波を用いた埋設物深さ測定方法において、超音波を送信して超音波の伝搬時間を測定し、次のステップ、すなわち、仮定した音速から減衰係数を算出し、減衰係数測定結果から媒質の粒径を推定し、推定した粒径における超音波周波数と音速の関係を参照して音速を推定するステップを繰り返し、音速変化があらかじめ定めた数値以下になった段階で、音速と伝搬時間から媒質厚さを求めるので、媒質の音速の推定精度が高くなり、埋設物深さをさらに精度良く測定することが可能になる。

実施例３を図７を用いて説明する。図７は、実施例３によるコンピュータ７が表示部８に出力する画面の表示例を説明する図である。

実施例３では、表示部８に、開始周波数設定ウィンドウ８３１、終了周波数設定ウィンドウ８３２、ステップ周波数設定ウィンドウ８３３を備える。開始周波数設定ウィンドウ８３１に入力または選択した周波数から、終了周波数設定ウィンドウ８３２に入力または選択した周波数まで、ステップ周波数設定ウィンドウ８３３に入力または選択した周波数のステップで、複数の周波数の送信信号波形（バースト波）を変更しながら、実施例１と同じ動作を繰り返す。これによって、図４の粒径毎の周波数と減衰係数の関係のデータにおいて、周波数と減衰係数に複数の交点ができ、それら複数の交点に対して、誤差が最小になるように粒径を算出する。また、図５の粒径毎の周波数と音速の関係のデータにおいて、複数の周波数毎に対して音速を推定して埋設物深さを算出し、それらの平均値を算出することで、埋設物深さの測定精度を向上することができる。

以上のように構成した実施例３の効果を説明する。

実施例３においては、超音波を用いた埋設物深さ測定方法において、送信する超音波の周波数を複数とするので、媒質の粒径の推定精度が高くなり、埋設物深さをさらに精度良く測定することが可能になる。

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、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、算出部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｒｉｖｅ等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

１：超音波センサ
２：伝達媒質
３：埋設媒質
４：超音波
４ａ、４ｂ：反射波
５：バースト波送受信器
６：Ａ／Ｄ変換器
７：コンピュータ
７ａ：減衰係数算出・粒径算出部
７ｂ：媒質厚さ算出部
８：表示部
９：埋設物
８１１：周波数設定ウィンドウ
８１２：サイクル数設定ウィンドウ
８１３：送信信号波形表示ウィンドウ
８１４：受信信号波形表示ウィンドウ
８１５ａ、８１５ｂ：データ
８１６：ウィンドウ
８１７：減衰係数表示ウィンドウ
８１８：粒径表示ウィンドウ
８１９：推定音速表示ウィンドウ
８２０：表示ウィンドウ
８３１：開始周波数設定ウィンドウ
８３２：終了周波数設定ウィンドウ
８３３：周波数設定ウィンドウ

Claims

超音波を用いた埋設物深さ測定装置において、
埋設物が埋設された媒質に超音波を送信する超音波センサと、
前記超音波センサに接続される超音波送受信器と、
前記超音波送受信器からの信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器からのデジタルデータを基に減衰係数と粒径を算出する減衰係数算出・粒径算出部と、
算出した粒径データを基に媒質厚さ算出する媒質厚さ算出部を有することを特徴とする埋設物深さ測定装置。
請求項１における埋設物深さ測定装置において、
前記減衰係数算出・粒径算出部は、第一の受信信号波形の振幅と、第二の受信信号波形の振幅の比を求め、その比から仮の片道伝搬距離を用いて減衰係数を算出することを特徴とする埋設物深さ測定装置。
請求項２における埋設物深さ測定装置において、
前記減衰係数算出・粒径算出部は、粒径毎の周波数と減衰係数の関係のデータベースを参照し、オペレータが設定した周波数と前記算出した減衰係数の交点から、粒径を算出することを特徴とする埋設物深さ測定装置。
請求項３における埋設物深さ測定装置において、
前記媒質厚さ算出部は、粒径毎の周波数と音速の関係のデータベースを参照し、オペレータが設定した周波数と、前記算出した粒径から、音速を推定し、前記音速と伝搬時間差から埋設物深さを算出する埋設物深さ測定装置。
請求項４における埋設物深さ測定装置において、
前記減衰係数、前記粒径、前記埋設物深さを表示する表示部を備えた埋設物深さ測定装置。
超音波を用いた埋設物深さ測定方法において、
超音波を送信して超音波の伝搬時間を測定し、
仮定した音速から減衰係数を算出し、
減衰係数測定結果から媒質の粒径を推定し、
推定した粒径における超音波周波数と音速の関係を参照して媒質厚さを求めることを特徴とする超音波を用いた埋設物深さ測定方法。
超音波を用いた埋設物深さ測定方法において、
超音波を送信して超音波の伝搬時間を測定し、
仮定した音速から減衰係数を算出し、
減衰係数測定結果から媒質の粒径を推定し、
推定した粒径における超音波周波数と音速の関係を参照して音速を推定するステップを繰り返し、
音速変化があらかじめ定めた数値以下になった段階で、音速と伝搬時間から媒質厚さを求めることを特徴とする超音波を用いた埋設物深さ測定方法。
請求項６又は７に記載の超音波を用いた埋設物深さ測定方法において、
前記送信する超音波の周波数を複数とすることを特徴とする超音波を用いた埋設物深さ測定方法。