JP2020038119A - Ultrasonic wave measuring apparatus and ultrasonic wave measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、超音波を用いて板状部に接する液体の有無の判定を行う超音波測定装置及び超音波測定方法に関する。 The present invention relates to an ultrasonic measurement device and an ultrasonic measurement method for determining the presence or absence of a liquid in contact with a plate-shaped portion using ultrasonic waves.
近年、老朽化した各種の機器に対して、適切な維持管理が求められている。例えば、配電設備の一つである柱上開閉器は、電柱の上部に設置されており、構造としては密封された金属箱である。この柱上開閉器は、長期間使用すると、パッキン又は外枠の腐食等によって内部に雨水が浸入する。そして、柱上開閉器の滞水が限度を超えると停電等の事故に繋がるため、外部から浸水の有無を簡易に判定できる技術が求められている。
ここで、目視又は打音では浸水の有無を測定できない機器に対する上記判定としては、電磁波を用いた方法が挙げられる。しかしながら、柱上開閉器に対する上記判定は、金属箱の内部に対する判定であるため、電磁波を用いることは困難であり、超音波を用いた技術が期待されている。
In recent years, appropriate maintenance has been required for various aging devices. For example, a pole switch, which is one type of power distribution equipment, is installed above a power pole and is a sealed metal box as a structure. If this pole-mounted switch is used for a long period of time, rainwater will enter inside due to corrosion of the packing or the outer frame or the like. Then, if the water retention of the pole switch exceeds the limit, an accident such as a power failure may be caused. Therefore, there is a need for a technology that can easily determine the presence or absence of flooding from outside.
Here, a method using an electromagnetic wave may be used as the above-described determination for a device for which the presence or absence of inundation cannot be measured visually or by tapping sound. However, since the above determination for the pole switch is for the inside of the metal box, it is difficult to use electromagnetic waves, and a technique using ultrasonic waves is expected.
超音波を用い、金属箱の内部における浸水の有無を判定する技術は、例えば特許文献1に開示されている。この特許文献1に開示された技術では、超音波の送受信を送信用の超音波探触子と受信用の超音波探触子とで行い、その際の受信信号の振幅を用いて浸水の有無を判定している。
A technique for determining the presence or absence of water in a metal box using ultrasonic waves is disclosed in, for example,
一方、浸水が有る場合と無い場合とで受信信号の振幅の差が小さい場合がある。そのため、受信信号の振幅のみを用いた浸水の有無判定では、浸水の有無が判定できない場合がある。 On the other hand, the difference between the amplitudes of the received signals may be small when water is present and when water is not present. Therefore, in the presence / absence determination of the inundation using only the amplitude of the received signal, the presence / absence of the inundation may not be determined.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、液体が有る場合と無い場合とで受信信号の振幅の差が小さい場合でも、液体の有無を判定可能な超音波測定装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in order to solve the above-described problem, and has an ultrasonic measurement apparatus capable of determining the presence or absence of a liquid even when the difference in amplitude of a received signal is small between the presence and absence of a liquid. It is intended to provide.
この発明に係る超音波測定装置は、板状部に超音波を送信する送信探触子と、板状部から超音波を受信して電気信号に変換する受信探触子と、受信探触子により得られた電気信号を受信信号として受信する受信部と、受信部により受信された受信信号の数及び当該受信信号の継続時間に基づいて、板状部に接する液体の有無を判定する液体有無判定部とを備えたことを特徴とする。 An ultrasonic measurement device according to the present invention includes a transmission probe that transmits an ultrasonic wave to a plate-shaped portion, a reception probe that receives an ultrasonic wave from the plate-shaped portion and converts the ultrasonic wave into an electric signal, and a reception probe. A receiving unit that receives the electric signal obtained by the receiving unit as a received signal, and the presence or absence of a liquid that determines the presence or absence of a liquid in contact with the plate-shaped portion based on the number of received signals received by the receiving unit and the duration of the received signal A determination unit.
この発明によれば、上記のように構成したので、液体が有る場合と無い場合とで受信信号の振幅の差が小さい場合でも、液体の有無を判定可能である。 According to the present invention, since the configuration is as described above, it is possible to determine the presence / absence of liquid even when the difference between the amplitudes of the received signals is small when liquid is present and when liquid is not present.
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る超音波測定装置1の構成例を示す図である。
超音波測定装置1は、超音波を用いて、金属箱2の内部における水10の有無の判定を行う。図1に示す超音波測定装置1では、上記水10の有無の判定に加え、水深の推定も行う。なお図1では、金属箱2の内部を図示し、金属箱2が浸水している場合を示し、dは水深を表している。以下では、液体が水10である場合を示すが、その他の液体でもよい。また以下では、超音波測定装置1の測定対象が金属箱2である場合を示すが、これに限らず、測定対象は、箱等のように液体を留めておくことが可能な形状であり、且つ、当該液体が接する部分に板状部が存在する物体であればよい。
この超音波測定装置1は、図1に示すように、送信探触子11、受信探触子12、送信部13、受信部14及び信号処理部15を備えている。また図1に示す超音波測定装置1では、送信部13、受信部14及び信号処理部15が、送受信器16に内包されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an
The
As shown in FIG. 1, the
送信探触子11は、金属箱2の底面(板状部)に取付けられ、超音波を金属箱2の底面の内部に送信する超音波探触子である。送信探触子11により送信される超音波は、継続時間が有限なパルス波である。
受信探触子12は、金属箱2の底面に送信探触子11と間隙を設けて取付けられ、超音波を金属箱2の底面から受信して電気信号に変換する超音波探触子である。
The
The
送信部13は、信号処理部15からの制御信号に応じた励振信号(電気信号)を発生して送信探触子11に出力し、送信探触子11を励振する。
受信部14は、受信探触子12により得られた電気信号を受信信号として受信する。この際、受信部14は、必要に応じて受信信号を増幅してもよい。
The
The
信号処理部15は、送信部13を制御し、また、受信部14により受信された受信信号に基づいて、金属箱2の内部における水10の有無の判定及び水深の推定を行う。この信号処理部15は、図2に示すように、制御部151、格納部152、読出部153、液体有無判定部154、液体深さ推定部155及び表示部156を有している。
The
制御部151は、制御信号を生成して送信部13に出力する。
格納部152は、受信部14により受信された受信信号を格納する。また、格納部152は、液体有無判定部154による判定結果を示す情報及び液体深さ推定部155による推定結果を示す情報も適宜格納する。
読出部153は、格納部152に格納されている受信信号を読出す。
The
液体有無判定部154は、読出部153により読出された受信信号に基づいて、金属箱2の内部における水10の有無を判定する。この液体有無判定部154は、上記受信信号の数が複数であると判定した場合に、水10が有ると判定する。また、液体有無判定部154は、上記受信信号の数が複数ではないと判定した場合であって、当該受信信号の継続時間が基準値より長いと判定した場合に、水10が有ると判定する。また、液体有無判定部154は、上記受信信号の継続時間が基準値より長くはないと判定した場合であって、当該受信信号の振幅が閾値より小さいと判定した場合に、水10が有ると判定する。一方、液体有無判定部154は、上記受信信号の振幅が閾値より小さくはないと判定した場合には、水10が無いと判定する。
The liquid presence /
液体深さ推定部155は、読出部153により読出された受信信号に基づいて、金属箱2の内部における水深を推定する。この液体深さ推定部155は、液体有無判定部154により上記受信信号の数が複数であると判定されて水10が有ると判定された場合に、当該受信信号の時間差から水深を推定する。また、液体深さ推定部155は、液体有無判定部154により上記受信信号の数が複数ではないと判定され且つ水10が有ると判定された場合に、当該受信信号の周波数スペクトルから水深を推定する。
The liquid
なお、液体深さ推定部155は、上記のように、金属箱2の内部における水深を推定する。一方、金属箱2の内部の形状が既知であれば、金属箱2の内部における水深から金属箱2の内部における水量も推定可能である。よって、信号処理部15は、液体深さ推定部155により推定された水深に基づいて、金属箱2の内部における水量を推定する機能(液体量推定部)を有していてもよい。
The liquid
表示部156は、読出部153により読出された受信信号、液体有無判定部154による判定結果を示す情報及び液体深さ推定部155による推定結果を示す情報を表示する。
なおここでは、表示部156が超音波測定装置1の内部に設けられた場合を示している。しかしながら、これに限らず、表示部156は超音波測定装置1の外部に設けられていてもよい。
Here, the case where the
なお、図2では、超音波測定装置1が液体深さ推定部155を備えた場合を示している。しかしながら、これに限らず、超音波測定装置1は液体深さ推定部155を備えていなくてもよい。以下では、超音波測定装置1が液体深さ推定部155を備えていることを前提として説明を行う。
FIG. 2 illustrates a case where the
次に、信号処理部15のハードウェア構成例について、図3を参照しながら説明する。
信号処理部15は、例えば、パーソナルコンピュータ又はワークステーション等のCPU(Central Processing Unit)内蔵のコンピュータを用いて実現可能である。また、信号処理部15は、DSP(Digital Signal Processor)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)又はFPGA(Field−Programmable Gate Array)等のLSI(Large Scale Integrated circuit)を用いて実現されてもよい。
Next, an example of a hardware configuration of the
The
図3の例では、信号処理部15の実現手段として、CPUを含むプロセッサ501、ROM(Read Only Memory)502、RAM(Random Access Memory)503、記録媒体504、送受信インタフェース回路505、表示インタフェース回路506及び表示器507が設けられている。また、プロセッサ501、ROM502、RAM503、記録媒体504、送受信インタフェース回路505、表示インタフェース回路506及び表示器507は、バス回路等の信号路508を介して相互に接続されている。
In the example of FIG. 3, a
プロセッサ501は、制御部151、読出部153、液体有無判定部154及び液体深さ推定部155を実現するものであり、RAM503を作業用メモリとして使用してROM502から読出された超音波測定用のコンピュータプログラムを実行する。記録媒体504は、格納部152を実現するものであり、例えば、SDRAM(Synchronous DRAM)等の揮発性メモリ、HDD(ハードディスクドライブ)又はSSD(ソリッドステートドライブ)を用いて構成される。送受信インタフェース回路505は、送信部13との間での信号伝達及び受信部14との間での信号伝達に使用される回路である。表示インタフェース回路506は、表示器507との間での信号伝達に使用される回路である。
The
表示器507は、表示部156を実現するものである。なお、表示器507における表示方法は特に限定されず、数値を数字で表示してもよいし、LEDランプの明るさで表示してもよい。
The
次に、実施の形態1に係る超音波測定装置1の動作原理について説明する。
実施の形態1に係る超音波測定装置1では、図1に示すように、送信探触子11が金属箱2の底面の内部に超音波を送信する。これにより、金属箱2の底面の内部で、超音波(板波)が伝搬する。この超音波は、継続時間が有限なパルス波である。その後、受信探触子12によりこの超音波が受信される。ここで、超音波が金属箱2の底面の内部だけを伝搬する経路を第1経路(図1の符号101で示される経路)とする。
Next, the operation principle of the
In the
一方、金属箱2の内部に水10が有る場合、金属箱2の底面の内部を伝搬している超音波の一部が水10の中にも伝搬していく。その後、この超音波は水面で反射されて金属箱2の底面に戻り、再び金属箱2の底面の内部を伝搬する。このように、超音波が金属箱2の底面の内部だけではなく水10の中にも伝搬する経路を第2経路(図1の符号102で示される経路)とする。
On the other hand, when the
このように、金属箱2が浸水した場合、超音波の伝搬経路としては第1経路及び第2経路の2つの経路がある。ここで、第2経路は水10の中を伝搬する時間が存在するため、受信探触子12では、第1経路を伝搬した超音波よりも遅れて第2経路を伝搬した超音波を受信する。この際の遅延時間は水深によって変化し、例えば図4のようになる。
As described above, when the
図4は超音波測定装置1で受信された受信信号を模擬的に示したものである。図4Aは、金属箱2の内部に水10が無い場合での受信信号を示している。また、図4Bは、金属箱2の内部に水10が少量有り、水深が水中での超音波の波長以下又は同程度である場合(水深が浅い場合)での受信信号を示している。また、図4Cは、金属箱2の内部に水10が大量に有り、水深が水中での超音波の波長に比べて十分に大きい場合(水深が十分に深い場合)での受信信号を示している。なお図4において、λは水中での超音波の波長を表し、水中での超音波の波長は水中での音速と超音波の周波数とで決まる。
FIG. 4 schematically shows a reception signal received by the
金属箱2の内部に水10が無い場合には、第2経路は存在しないため、第1経路を伝搬した超音波のみが受信探触子12により受信される。そのため、図4Aに示すように、受信信号は1つであり、非常に簡単な受信波形となる。
When there is no
一方、金属箱2の内部に水10が有り、水深が浅い場合には、第1経路を伝搬した超音波と第2経路を伝搬した超音波とが重なり合うような状態となる。そのため、図4Bに示すように、受信信号は複雑な受信波形となる。
On the other hand, when the
また、金属箱2の内部に水10が有り、水深が十分に深い場合には、第1経路を伝搬した超音波と第2経路を伝搬した超音波とが明確に分離される。そのため、図4Cに示すように、受信部14で受信信号が複数受信される。
なお、図4Cに示すように、第2経路を伝搬した超音波は1つだけとは限らず、複数の超音波が伝搬することが考えられる。これは、超音波が水面と金属箱2の底面との間で反射を繰返して伝搬するためである。図4Cでは、符号401で示されるように、第2経路を伝搬した超音波が3つ存在している。
When the
In addition, as shown in FIG. 4C, the number of ultrasonic waves propagated along the second path is not limited to one, and a plurality of ultrasonic waves may be propagated. This is because the ultrasonic wave is repeatedly reflected and propagated between the water surface and the bottom surface of the
次に、超音波測定装置1で受信される受信信号が水深に対してどのように変化するのかをシミュレーションで検討する。
図5はシミュレーションで用いた送信探触子11の応答特性を示す図である。図5に示すように、送信探触子11の中心周波数は0.5MHzで比較的広帯域なものとした。なお、中心周波数を0.5MHzとした理由は、金属箱2の外部に厚さ400μm程度の塗膜が有る場合でも対応可能とするためである。また、送信探触子11の中心周波数は0.5MHzであるため、水中での超音波の波長は約3mmとなる。
Next, how the reception signal received by the
FIG. 5 is a diagram illustrating response characteristics of the
また、図5に示す送信探触子11により送信された超音波が金属箱2の底面を伝搬する際の分散特性(位相速度)を図6に示す。図6において、金属箱2の底面の材質は鋼とし且つ底面の厚さを2.3mmとした。また、実際には、高次モードの板波が多数伝搬するが、図6では2次モードまで示すものとした。
図6に示すように、超音波は、周波数によって位相速度が変化する。シミュレーションでは中心周波数を0.5MHzとしているので、この場合にはA0モードの位相速度が約2450m/sとなる。そこで、以下では、位相速度が2450m/sの板波を用いた場合について検討することとする。
FIG. 6 shows a dispersion characteristic (phase velocity) when the ultrasonic wave transmitted by the
As shown in FIG. 6, the phase speed of the ultrasonic wave changes depending on the frequency. Since the center frequency is set to 0.5 MHz in the simulation, the phase speed of the A0 mode is about 2450 m / s in this case. Therefore, hereinafter, a case where a plate wave having a phase velocity of 2450 m / s is used will be considered.
そして、位相速度が2450m/sのA0モードの板波を送受信した場合での受信信号を、シミュレーションで求めた。
シミュレーション条件を図7に示す。図7に示すように、金属箱2の底面に送信探触子11と受信探触子12とを対向させて設置し、送信探触子11と受信探触子12との間の距離を100mmとした。また、金属箱2の底面の内側及び外側には塗膜701,702があるとした。塗膜701の厚さは50μmとし、塗膜702の厚さは400μmとした。
Then, a received signal in the case of transmitting and receiving an A0 mode plate wave having a phase velocity of 2450 m / s was obtained by simulation.
FIG. 7 shows the simulation conditions. As shown in FIG. 7, the
水深を変えてシミュレーションを行い、受信信号を求めた結果を図8に示す。
図8Aに示すように、水10が無い場合(d=0mm)には、受信信号は1つとなり、簡単な受信波形となる。なお、図4Aでは振幅がプラス側だけの受信信号として模擬的に示したが、実際には図8Aに示すような交流波形となる。
FIG. 8 shows the result of obtaining a received signal by performing a simulation while changing the water depth.
As shown in FIG. 8A, when there is no water 10 (d = 0 mm), the number of received signals is one, and a simple received waveform is obtained. Although FIG. 4A simulates a received signal whose amplitude is only on the positive side, the AC signal actually has an AC waveform as shown in FIG. 8A.
また、例えば図8Bに示すように、水深が浅い場合(図8Bではd=0.8mm)には、受信信号の振幅が大幅に低減する。これは、第1経路を伝搬した超音波と第2経路を伝搬した超音波とが位相干渉で打ち消し合う条件となっているためである。
また、例えば図8Cの場合(d=1.6mm)には、受信信号が、水10が無い場合と同様の振幅となっている。これは、第1経路を伝搬した超音波と第2経路を伝搬した超音波とが位相干渉で強め合う条件となっているためである。
また、例えば図8D、図8Eの場合(d=2.4mm、d=3.0mm)には、受信信号は複雑な受信波形となっている。
すなわち、水深が水中での超音波の波長(約3mm)以下又は同程度である場合には、受信信号の波形は複雑になることが分かる。
Further, for example, as shown in FIG. 8B, when the water depth is shallow (d = 0.8 mm in FIG. 8B), the amplitude of the received signal is significantly reduced. This is because the condition is such that the ultrasonic wave transmitted through the first path and the ultrasonic wave transmitted through the second path cancel each other out due to phase interference.
For example, in the case of FIG. 8C (d = 1.6 mm), the received signal has the same amplitude as that in the case where there is no
8D and 8E (d = 2.4 mm, d = 3.0 mm), the received signal has a complicated received waveform.
That is, when the water depth is equal to or less than the wavelength of the ultrasonic wave in water (about 3 mm), the waveform of the received signal becomes complicated.
一方、図8Fの場合(d=5.0mm)には、第1経路を伝搬した超音波と第2経路を伝搬した超音波とが分離してくる。
また、図8Gの場合(d=7.0mm)には、第1経路を伝搬した超音波と第2経路を伝搬した超音波とが明確に分離してくる。また、図8Gでは、第2経路を伝搬した超音波は1つだけではなく、複数有ることが分かる。図8Gにおいて、符号801が第1経路を伝搬した超音波を示し、符号802が第2経路を伝搬した超音波を示している。
On the other hand, in the case of FIG. 8F (d = 5.0 mm), the ultrasonic wave propagated on the first path and the ultrasonic wave propagated on the second path are separated.
Further, in the case of FIG. 8G (d = 7.0 mm), the ultrasonic wave transmitted through the first path and the ultrasonic wave transmitted through the second path are clearly separated. Also, in FIG. 8G, it can be seen that there is not only one ultrasonic wave propagating in the second path, but a plurality of ultrasonic waves. In FIG. 8G,
次に、図8に示す受信信号の振幅(相対エコー高さ)と水深との関係を図9に示す。図9では、各振幅を水10が無い場合(d=0mm)での振幅で規格化している。
図9に示すように、水深が浅い場合には、振幅は複雑な特性を示す。これは上述したように、第1経路を伝搬した超音波と第2経路を伝搬した超音波とが位相干渉するためである。一方、水深が深くなり、4mm以上となると、受信信号の振幅はほとんど変化しない。
このように、受信信号の振幅だけでは、水深を推定する以前に、水10の有無を判定すること自体が困難である。例えば、d=0mmの場合とd=1.6mmの場合とでは受信信号の振幅はほとんど同じであり、両者を振幅のみで識別することは非常に困難である。
Next, FIG. 9 shows the relationship between the amplitude (relative echo height) of the received signal shown in FIG. 8 and the water depth. In FIG. 9, each amplitude is normalized by the amplitude when there is no water 10 (d = 0 mm).
As shown in FIG. 9, when the water depth is shallow, the amplitude shows a complicated characteristic. This is because, as described above, the ultrasonic waves propagated on the first path and the ultrasonic waves propagated on the second path cause phase interference. On the other hand, when the water depth becomes deep and becomes 4 mm or more, the amplitude of the received signal hardly changes.
As described above, it is difficult to determine the presence or absence of the
一方、受信信号の数、受信信号の継続時間及び受信信号の振幅という情報を効果的に用いれば、水10の有無を判定可能である。また、受信信号の尾引き部分の周波数スペクトルを用いれば、水10が浅い場合での深さ推定も可能である。
以下、実施の形態1における信号処理部15の動作例について、図10を参照しながら説明する。なお、送信探触子11は超音波を金属箱2の底面に送信し、受信探触子12はこの超音波を金属箱2の底面から受信して電気信号に変換し、受信部14はこの電気信号を受信信号として受信し、格納部152はこの受信信号を格納している。
On the other hand, if information such as the number of received signals, the duration of the received signal, and the amplitude of the received signal is effectively used, the presence or absence of the
Hereinafter, an operation example of the
実施の形態1における信号処理部15の動作例では、まず、読出部153は、格納部152に格納されている受信信号を読出す(ステップST1001)。
In the operation example of
次いで、液体有無判定部154は、読出部153により読出された受信信号の数をカウントし、当該受信信号の数が複数であるかを判定する(ステップST1002,ST1003)。
Next, liquid presence /
ここで、液体有無判定部154による受信信号のカウント方法の一例を図11に示す。図11では、受信信号を模擬的にプラス側だけ示しており、液体有無判定部154が受信信号の振幅のピーク(図11に示す矢印)の数をカウントすることで、受信信号の数をカウントする方法を示している。図11Aでは振幅のピークが1つである場合を示し、図11Bでは振幅のピークが4つである場合を示している。なお、液体有無判定部154による受信信号のカウント方法としては、図11に示す振幅のピークの数を用いる方法に限らず、例えば、振幅変化の数又は振幅の微分値等を用いる方法を採用してもよい。なおここでは、送信探触子11の応答特性が図5に示すような簡単なものであり、単一の信号としてみなすことができる場合を想定している。一方、送信探触子11の応答特性そのものが複雑であり、複数の信号としてみなされる場合は適用範囲外である。
Here, an example of a method of counting the reception signal by the liquid presence /
このステップST1003において、液体有無判定部154は、受信信号の数が複数であると判定した場合には、金属箱2の内部に水10が有ると判定する(ステップST1004)。例えば図8Gの場合(d=7.0mm)のように、受信信号が複数有れば、第2経路を伝搬した超音波が存在することになるので、液体有無判定部154は水10が有ると判定できる。
When determining in step ST1003 that the number of received signals is plural, liquid presence /
次いで、液体深さ推定部155は、読出部153により読出された受信信号の時間差から金属箱2の内部に有る水深を推定する(ステップST1005)。なお、液体深さ推定部155による受信信号の時間差を用いた深さ推定は、従来から知られる既存技術を適用可能であり、その詳細については説明を省略する。その後、シーケンスは終了する。
Next, liquid
一方、ステップST1003において、液体有無判定部154は、受信信号の数が複数ではないと判定した場合には、当該受信信号の継続時間を算出する(ステップST1006)。
On the other hand, when determining in step ST1003 that the number of received signals is not plural, liquid presence /
次いで、液体有無判定部154は、受信信号の継続時間が基準値より長いかを判定する(ステップST1007)。なお、基準値は、送信探触子11の応答特性に基づいて設定される。例えば送信探触子11の応答特性が図5に示す特性である場合、その時間波形から受信信号の継続時間は約6μsとなるので、基準値はこの値に基づいて設定される。
Next, liquid presence /
このステップST1007において、液体有無判定部154は、受信信号の継続時間が基準値より長いと判定した場合には、金属箱2の内部に水10が有ると判定する(ステップST1008)。
図12に、受信信号が1つであり、受信信号の継続時間が基準値より短い場合と長い場合の例を示す。図12において、符号1201は基準値を表している。図12Bがシミュレーションで求めたd=2.0mmでの受信信号であり、受信信号の継続時間が基準値よりも長くなっている。このような場合は、水面からの反射波が受信信号に影響を及ぼしているので、液体有無判定部154は水10が有ると判定できる。なお、基準値の開始位置は受信信号の立上がり部分とし、これは超音波の群速度及び送信探触子11と受信探触子12との間の距離に基づいて決められる。
In this step ST1007, when determining that the duration of the received signal is longer than the reference value, liquid presence /
FIG. 12 shows an example in which there is one received signal and the duration of the received signal is shorter and longer than the reference value. In FIG. 12,
次いで、液体深さ推定部155は、読出部153により読出された受信信号のうちのゲート内の周波数スペクトルを算出する(ステップST1009)。ゲートは、読出部153により読出された受信信号のうちの基準値を超えた点から開始し、適宜設定された点で終了するよう設定される。
Next, liquid
次いで、液体深さ推定部155は、周波数スペクトルからピーク周波数を算出する(ステップST1010)。
Next, liquid
次いで、液体深さ推定部155は、ピーク周波数から金属箱2の内部に有る水深を推定する(ステップST1011)。この際、液体深さ推定部155は、予め得られているピーク周波数と水深との関係から、水深を推定する。その後、シーケンスは終了する。
Next, liquid
この場合の受信波形は、第1経路を伝搬した超音波と第2経路を伝搬した超音波が干渉して複雑となるので、受信信号の振幅だけでは水深を推定することは困難である。そこで、尾引き部分の周波数スペクトルを用いる。ここで、尾引き部分とは、受信信号のうちの基準値を超えた部分である。図13に、受信信号と尾引き部分の周波数スペクトルの一例を示す。図13では、尾引き部分にゲートを掛けて示している。図13において、符号1301が基準値を表し、符号1302がゲートを表している。
In this case, the received waveform becomes complicated due to the interference between the ultrasonic waves transmitted through the first path and the ultrasonic waves transmitted through the second path. Therefore, it is difficult to estimate the water depth only by the amplitude of the received signal. Therefore, the frequency spectrum of the tail portion is used. Here, the trailing portion is a portion of the received signal that exceeds a reference value. FIG. 13 shows an example of the received signal and the frequency spectrum of the trailing portion. In FIG. 13, the tailing portion is shown with a gate. In FIG. 13,
図13に示すように、尾引き部分の周波数スペクトルは水深によって異なる。顕著な特徴として、水深によってピーク周波数が変化していく。図13では、d=1.0mm〜d=1.6mmまでの受信信号及び周波数スペクトルを示しており、水深が深くなるとピーク周波数が低下していく様子が分かる。 As shown in FIG. 13, the frequency spectrum of the trailing portion differs depending on the water depth. As a remarkable feature, the peak frequency changes with the water depth. FIG. 13 shows the received signal and the frequency spectrum from d = 1.0 mm to d = 1.6 mm, and it can be seen that the peak frequency decreases as the water depth increases.
図13に示すピーク周波数と水深との関係を図14に示す。
図14に示すように、d=1.6mm程度までは水深の増加に伴いピーク周波数は低下していく。一方、d=1.8mmになると急激に増加するが、これは位相が周期性を有しているためである。また、d=1.8mmからd=2.6mm程度までは水深の増加に伴いピーク周波数は低下していく。
液体深さ推定部155は、この特性を用いることで、水深を推定することが可能である。例えば、液体深さ推定部155は、尾引き部分の周波数スペクトルを求め、ピーク周波数が0.4MHzだった場合には図14から「水深1.3mm」と求めることができる。
FIG. 14 shows the relationship between the peak frequency and the water depth shown in FIG.
As shown in FIG. 14, the peak frequency decreases as the water depth increases up to about d = 1.6 mm. On the other hand, when d = 1.8 mm, it increases sharply because the phase has periodicity. Further, from d = 1.8 mm to d = 2.6 mm, the peak frequency decreases as the water depth increases.
The liquid
なお、図14に示した特性は、水中での音速を1480m/sとし、位相速度が約2450m/sであるA0モードの超音波を厚さ2.3mmの鋼板に伝搬させた場合の特性である。この特性は、種々の要因によって変化する。例えば、温度によって水中での音速が変化した場合、金属箱2の底面の厚さが2.3mmよりも僅かに薄い場合又は厚い場合、又は、金属箱2の材質が鋼ではなく他の金属であるような場合には、この特性は変化する。このように、水深とピーク周波数との関係は種々の要因によって変化するものであり、図14に示した特性は、あくまで一例である。
The characteristic shown in FIG. 14 is a characteristic when the acoustic velocity in water is 1480 m / s, and the A0 mode ultrasonic wave having a phase velocity of about 2450 m / s is transmitted to a 2.3 mm thick steel plate. is there. This characteristic changes depending on various factors. For example, when the speed of sound in water changes depending on temperature, when the thickness of the bottom surface of the
一方、ステップST1007において、液体有無判定部154は、受信信号の継続時間が基準値より長くはないと判定した場合には、当該受信信号の振幅を算出する(ステップST1012)。
受信信号が1つであり、且つ、受信信号の継続時間が基準値より短い場合には、2つのケースが考えられる。1つは、図12Aに示したように、水10が無い場合である。もう1つは、水10は有るが、第2経路を伝搬した超音波が受信探触子12で受信されない場合である。後者の一例を、図15に示す。図15に示すように、水10が大量に浸入していると、受信探触子12の位置によっては水面からの反射波が受信探触子12の位置よりも遠くに戻ってくる場合があり、この場合、第2経路を伝搬した超音波は受信探触子12では受信できない。図15において、符号1501が第1経路を表し、符号1502が第2経路を表している。また、金属箱2が傾斜して、送信探触子11及び受信探触子12から見ると水面が傾斜しているような場合にも、水面からの反射波が所望の方向に戻らず、第2経路を伝搬した超音波が受信探触子12では受信されない場合がある。これも、「水10は有るが、第2経路を伝搬した超音波が受信探触子12では受信されない場合」に含まれる。
On the other hand, when determining in step ST1007 that the duration of the received signal is not longer than the reference value, liquid
If the number of received signals is one and the duration of the received signal is shorter than the reference value, two cases can be considered. One is a case where there is no
次いで、液体有無判定部154は、算出した受信信号の振幅が閾値より小さいかを判定する(ステップST1013)。すなわち、液体有無判定部154は、上記の2つのケースを識別するため、受信信号の振幅を閾値と比較する。ここで、水10が有れば板波のエネルギーは水10の中へ伝搬するので、第1経路を伝搬した超音波に基づく受信信号の振幅は、水10が無い場合と比較すると小さくなる。したがって、液体有無判定部154は、受信信号の振幅が閾値より小さい場合、水10が有ると判定する。なお、閾値は、水10が無い場合での受信信号の振幅に基づいて決められる。この決め方は、試験体を用いて決めてもよいし、計算で求めた値を用いてもよい。
Next, liquid presence /
このステップST1013において、液体有無判定部154は、受信信号の振幅が閾値より小さいと判定した場合には、金属箱2の内部に水10が有ると判定する(ステップST1014)。その後、シーケンスは終了する。
In this step ST1013, when determining that the amplitude of the received signal is smaller than the threshold value, liquid presence /
一方、ステップST1013において、液体有無判定部154は、受信信号の振幅が閾値より小さくはないと判定した場合には、金属箱2の内部に水10は無いと判定する(ステップST1015)。すなわち、液体有無判定部154は、受信信号が1つであり、受信信号の継続時間が短く、且つ、受信信号の振幅が大きい、という3つの条件を満足するとき、水10が無いと判定する。その後、シーケンスは終了する。
On the other hand, in step ST1013, when determining that the amplitude of the received signal is not smaller than the threshold value, liquid presence /
なお、表示部156は、読出部153により読出された受信信号、液体有無判定部154による判定結果を示す情報及び液体深さ推定部155による推定結果を示す情報を表示する。また、格納部152は、液体有無判定部154による判定結果を示す情報及び液体深さ推定部155による推定結果を示す情報を適宜格納する。
The
以上のように、この実施の形態1によれば、超音波測定装置1は、板状部に超音波を送信する送信探触子11と、板状部から超音波を受信して電気信号に変換する受信探触子12と、受信探触子12により得られた電気信号を受信信号として受信する受信部14と、受信部14により受信された受信信号の数及び当該受信信号の継続時間に基づいて、板状部に接する液体の有無を判定する液体有無判定部154とを備えた。これにより、実施の形態1に係る超音波測定装置1は、液体が有る場合と無い場合とで受信信号の振幅の差が小さい場合でも、液体の有無を判定可能である。
As described above, according to the first embodiment, the
なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, it is possible to modify any components of the embodiment or omit any components of the embodiment within the scope of the invention.
1 超音波測定装置、2 金属箱、10 水、11 送信探触子、12 受信探触子、13 送信部、14 受信部、15 信号処理部、16 送受信器、151 制御部、152 格納部、153 読出部、154 液体有無判定部、155 液体深さ推定部、156 表示部、501 プロセッサ、502 ROM、503 RAM、504 記録媒体、505 送受信インタフェース回路、506 表示インタフェース回路、507 表示器、508 信号路。
Claims (8)
前記板状部から超音波を受信して電気信号に変換する受信探触子と、
前記受信探触子により得られた電気信号を受信信号として受信する受信部と、
前記受信部により受信された受信信号の数及び当該受信信号の継続時間に基づいて、前記板状部に接する液体の有無を判定する液体有無判定部と
を備えた超音波測定装置。 A transmission probe for transmitting ultrasonic waves to the plate portion,
A receiving probe that receives an ultrasonic wave from the plate-like portion and converts the ultrasonic signal into an electric signal,
A reception unit that receives an electric signal obtained by the reception probe as a reception signal,
An ultrasonic measurement device comprising: a liquid presence / absence determination unit configured to determine presence / absence of a liquid in contact with the plate-shaped portion based on a number of reception signals received by the reception unit and a duration of the reception signal.
ことを特徴とする請求項1記載の超音波測定装置。 The liquid presence / absence determination unit, when determining that the number of reception signals received by the reception unit is plural, determines that there is a liquid in contact with the plate-shaped portion. Ultrasonic measuring device.
ことを特徴とする請求項2記載の超音波測定装置。 The liquid presence determination unit, when it is determined that the number of received signals is not a plurality, when the duration of the received signal is longer than a reference value, it is determined that there is a liquid in contact with the plate-shaped portion. The ultrasonic measuring device according to claim 2.
ことを特徴とする請求項3記載の超音波測定装置。 The liquid presence / absence determination unit determines that the number of received signals is not plural and determines that the duration of the received signal is not longer than a reference value.If the amplitude of the received signal is smaller than a threshold value, The ultrasonic measurement device according to claim 3, wherein it is determined that there is a liquid in contact with the plate-shaped portion.
ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちの何れか1項記載の超音波測定装置。 A liquid depth estimating unit for estimating a depth of a liquid in contact with the plate-shaped portion based on a frequency spectrum of a received signal received by the receiving unit. The ultrasonic measurement device according to any one of the preceding claims.
ことを特徴とする請求項5記載の超音波測定装置。 The liquid depth estimating unit, when it is determined by the liquid presence / absence determining unit that the number of received signals is not plural and when it is determined that there is liquid, calculates a peak frequency from the frequency spectrum of the received signal, The ultrasonic measurement device according to claim 5, wherein a depth of the liquid is estimated from a peak frequency.
ことを特徴とする請求項1から請求項6のうちの何れか1項記載の超音波測定装置。 The display device according to any one of claims 1 to 6, further comprising: a display unit that displays a reception signal received by the reception unit and information indicating a determination result by the liquid presence / absence determination unit. Ultrasonic measuring device.
液体有無判定部が、前記受信部により受信された受信信号の数及び当該受信信号の継続時間に基づいて、前記板状部に接する液体の有無を判定するステップを有する
ことを特徴とする超音波測定方法。 A transmission probe that transmits ultrasonic waves to the plate-shaped portion, a reception probe that receives ultrasonic waves from the plate-shaped portion and converts the ultrasonic waves into an electric signal, and receives an electric signal obtained by the reception probe. An ultrasonic measurement method by an ultrasonic measurement device including a receiving unit that receives a signal,
A step of determining whether liquid is in contact with the plate-shaped portion based on the number of received signals received by the receiving unit and the duration of the received signals, Measuring method.
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