JP2020537129A5 - - Google Patents

Description

以下、サンプル（例えば、管壁、容器壁、又は板）の音速を知っていることに依存せずに壁厚を測定することを可能にする、方法と測定装置について説明する。このことは、管の壁厚と内径の測定不確実性を減少させ、従ってクランプオン式超音波流量測定器の測定不確実性を減少させる。本方法により、多層システム（例えばコーティング又はライニングを有する管壁）の個々の層厚を、それらの音速を事前に知ることなく測定することができる。
即ち本発明の第１の視点により、
少なくとも２つの異なる音響経路でサンプルを通って走行する超音波信号の走行時間差を測定することにより、超音波を用いて単層又は多層のサンプルにおける層の層厚と音速を測定するための方法であって、
それらの音響経路は、同一層内では同じ音速をもって異なる角度で進行し、
それらの音響経路は、単層又は多層のサンプルの表面上に、少なくとも２つの音響変換器を備えた少なくとも１つの連結体が配設されていることにより生成され、それらの音響変換器は、超音波信号を２つの異なる音響経路で連結体を通ってサンプル内に送出し、また受信し、これらの超音波信号は、それぞれ、サンプル内の多重反射により発生する一連のエコーから成り、
これらのエコーは、それぞれ、サンプル内で異なる所定数の音響経路を走行したものであり、そして、
走行時間差は、相次ぐエコーの互いの時間的な間隔であり、層厚と、層内の音速の計算は、以下の方程式、即ち、

を用いて行われ、ここで、
ｃは、サンプルの１つの層内の音速であり、
ｗは、サンプルの１つの層の層厚であり、
Δｔ _１ は、サンプル内の一方の音響経路を介した超音波信号内のエコーの時間的な間隔であり、
Δｔ _２ は、サンプル内の他方の音響経路を介した超音波信号内のエコーの時間的な間隔であり、
Ｋ _α１ 、Ｋ _α２ は、音響変換器のセンサ定数であり、センサ定数は、

を介して定義され、ここで、
ｉ＝｛１、２｝であり、
ｃ _α は、連結体内の音速であり、
α _ｉ は、連結体内の垂線に対する音響ビームの角度である
こと、
を特徴とする方法が提供される。
更に本発明の第２の視点により、
超音波を用いて単層又は多層のサンプルの層厚と音速を測定するための測定装置であって、
単層又は多層のサンプルの表面上には、少なくとも２つの音響変換器を備えた少なくとも１つの連結体が配設され、それらの音響変換器は、規定の角度で前記連結体上に配設されており、それにより超音波が、所定の入射角で前記連結体を通ってサンプル内に達し、サンプルの１つの層内で少なくとも２つの音響経路を通過し、そこから対応の音響変換器に向かって所定の角度で反射されること、
を特徴とする測定装置が提供される。

本発明において、以下の形態が可能である。
（形態１）
少なくとも２つの異なる音響経路でサンプルを通って走行する超音波信号の走行時間差を測定することにより、超音波を用いて単層又は多層のサンプルにおける層の層厚と音速を測定するための方法であって、
それらの音響経路は、同一層内では同じ音速をもって異なる角度で進行し、
それらの音響経路は、単層又は多層のサンプルの表面上に、少なくとも２つの音響変換器を備えた少なくとも１つの連結体が配設されていることにより生成され、それらの音響変換器は、超音波信号を２つの異なる音響経路で連結体を通ってサンプル内に送出し、また受信し、これらの超音波信号は、それぞれ、サンプル内の多重反射により発生する一連のエコーから成り、
これらのエコーは、それぞれ、サンプル内で異なる所定数の音響経路を走行したものであり、そして、
走行時間差は、相次ぐエコーの互いの時間的な間隔であり、層厚と、層内の音速の計算は、以下の方程式、即ち、

を用いて行われ、ここで、
ｃは、サンプルの１つの層内の音速であり、
ｗは、サンプルの１つの層の層厚であり、
Δｔ _１ は、サンプル内の一方の音響経路を介した超音波信号内のエコーの時間的な間隔であり、
Δｔ _２ は、サンプル内の他方の音響経路を介した超音波信号内のエコーの時間的な間隔であり、
Ｋ _α１ 、Ｋ _α２ は、音響変換器のセンサ定数であり、センサ定数は、

を介して定義され、ここで、
ｉ＝｛１、２｝であり、
ｃ _α は、連結体内の音速であり、
α _ｉ は、連結体内の垂線に対する音響ビームの角度である
こと。
（形態２）
一方の走行時間差は、１つのエコーシーケンスの自己相関関数の一番目の副極大の位置として決定され、そのエコーシーケンスは、複数の超音波信号から成り、これらの超音波信号は、音響変換器から、サンプル表面の垂線に対して所定の角度で、少なくともｎ回及びｎ＋１回、サンプルの測定すべき層を通り、ｎ回及びｎ＋１回の後壁反射を介して対応の音響変換器に戻るようにサンプルを通って走行したものであること、及び、
他方の走行時間差は、１つのエコーシーケンスの自己相関関数の一番目の副極大の位置として決定され、そのエコーシーケンスは、複数の超音波信号から成り、これらの超音波信号は、音響変換器から、サンプル表面の垂線に対して所定の角度で、少なくともｎ回及びｎ＋１回、サンプルの測定すべき層を通り、ｎ回及びｎ＋１回の後壁反射を介して対応の音響変換器に戻るようにサンプルを通って走行したものであること、が好ましい。
（形態３）
複数のピエゾ素子を含んだ音響変換器のアクティブ音響変換器面の個々のピエゾ素子のスイッチオンとスイッチオフにより、サンプルを所定の音響経路で通過して対応の音響変換器に当たる信号部分が選択されること、が好ましい。
（形態４）
少なくとも二層のサンプルでは、音響変換器のアクティブ音響変換器面の個々のピエゾ素子のスイッチオンとスイッチオフにより、個々の各層について、層厚と音速が決定されること、が好ましい。
（形態５）
超音波を用いて単層又は多層のサンプルの層厚と音速を測定するための測定装置であって、
単層又は多層のサンプルの表面上には、少なくとも２つの音響変換器を備えた少なくとも１つの連結体が配設され、それらの音響変換器は、規定の角度で前記連結体上に配設されており、それにより超音波が、所定の入射角で前記連結体を通ってサンプル内に達し、サンプルの１つの層内で少なくとも２つの音響経路を通過し、そこから対応の音響変換器に向かって所定の角度で反射されること。
（形態６）
前記連結体は、その基本形状において直方体であり、その上部のデッキ面は、長手方向に関して傾斜した側縁部を有すること、が好ましい。
（形態７）
サンプルの上に又はサンプルの層の上に反射器が配設されており、それにより送信された超音波信号は、少なくとも２回、音響経路でサンプルを通過し、また対応の音響変換器により受信されること、が好ましい。
（形態８）
少なくとも２つの音響変換器が、規定の角度で連結体上に配設され、１つの音響変換器が、サンプル表面に対して垂直方向に配設されていること、が好ましい。
（形態９）
クランプオン式流量センサの形式の少なくとも２つの音響変換器と、超音波壁厚測定器の形式の１つの音響変換器とが配設されていること、が好ましい。
（形態１０）
それぞれ２つの音響変換器から成る２つの送信機受信機対が、所定の角度で連結体上に、第１の送信機受信機対が、サンプル表面に対し、第２の送信機受信機対の角度とは異なる角度を有するように、配設されていること、が好ましい。
（形態１１）
音響変換器は、１つ又は複数のピエゾ素子を備えた音響変換器アレイから成ること、が好ましい。
（形態１２）
複数のピエゾ素子を備えた音響変換器のアクティブ音響変換器面は、個々のピエゾ素子のスイッチオンとスイッチオフにより決定されること、が好ましい。
尚、本願の特許請求の範囲に付記された図面参照符号は、専ら本発明の理解の容易化のためのものであり、図示の形態への限定を意図するものではないことを付言する。

異なる入射角を有する測定装置により、サンプル内の異なる走行時間が、エコーシーケンス内のパルス間隔の測定により決定される。第１の走行時間差は、１つのエコーシーケンスの自己相関関数の一番目の副極大の位置として算出され、この際、そのエコーシーケンスは、複数の超音波信号から成り、これらの超音波信号は、音響変換器から、サンプル表面の垂線に対して第１の角度で、少なくともｎ回及びｎ＋１回、サンプルを通り、ｎ回及びｎ＋１回の後壁反射を介して音響変換器に戻るように、即ちサンプルの測定すべき層を通り、ｎ回及びｎ＋１回の後壁反射を介して音響変換器に戻るようにサンプルを通って走行したものである。第２の走行時間差も、１つのエコーシーケンスの自己相関関数の一番目の副極大の位置として同様に算出されるが、そのエコーシーケンスは、複数の超音波信号から成り、これらの超音波信号は、音響変換器から、サンプル表面の垂線に対して第２の角度で、少なくともｎ回及びｎ＋１回、サンプルの測定すべき層を通り、ｎ回及びｎ＋１回の後壁反射を介して音響変換器に戻るようにサンプルを通って走行したものである。

Δｔ_{Ｓｅｎｋｒｅｃｈｔ}は、音響経路Ｓ_２（図３）上の走行時間差であり、送信機８からサンプル表面に対して垂直に、ｎ回及びｎ＋１回、サンプル１を通り（サンプル１内のｎ回及びｎ＋１回の後壁反射を介して）受信機８に戻るように走行した超音波信号の間のエコーシーケンス間隔に対応する。垂直測定の場合には、送信機と受信機は、同じ音響変換器である。傾斜測定の場合には、送信機３と受信機６は、異なる音響変換器である。

Δｔ_１は、音響経路Ｓ_１（図３）上の走行時間差であり、送信機３からサンプル表面の垂線に対して角度β_１で、ｎ回及びｎ＋１回、サンプル１を通り（ｎ回及びｎ＋１回の後壁反射を介してサンプル１を通って）受信機６に戻るように走行した超音波信号の間のエコーシーケンス間隔に対応する。音響経路１０、１１は、ｎ＞＝０のときの超音波信号の走行状況を表している。

Claims (12)

1. 少なくとも２つの異なる音響経路（Ｓ_１、Ｓ_２）でサンプル（１）を通って走行する超音波信号の走行時間差（Δｔ_１、Δｔ_２）を測定することにより、超音波を用いて単層又は多層のサンプル（１）における層の層厚（ｗ）と音速（ｃ）を測定するための方法であって、
   それらの音響経路（Ｓ_１、Ｓ_２）は、同一層内では同じ音速（ｃ）をもって異なる角度（β_１、β_２）で進行し、
   それらの音響経路（Ｓ_１、Ｓ_２）は、単層又は多層のサンプル（１）の表面上に、少なくとも２つの音響変換器（３、４、５、６、８、１３、１４、１５）を備えた少なくとも１つの連結体（２）が配設されていることにより生成され、それらの音響変換器は、超音波信号を２つの異なる音響経路（９、１０、１１、１２、１８、１９）で連結体（２）を通ってサンプル（１）内に送出し、また受信し、これらの超音波信号は、それぞれ、サンプル（１）内の多重反射により発生する一連のエコーから成り、
   これらのエコーは、それぞれ、サンプル（１）内で異なる所定数の音響経路（Ｓ_１、Ｓ_２）を走行したものであり、そして、
   走行時間差（Δｔ_１、Δｔ_２）は、相次ぐエコーの互いの時間的な間隔であり、層厚（ｗ）と、層内の音速（ｃ）の計算は、以下の方程式、即ち、
   

   

   を用いて行われ、ここで、
   ｃは、サンプル（１）の１つの層内の音速であり、
   ｗは、サンプル（１）の１つの層の層厚であり、
   Δｔ_１は、サンプル（１）内の一方の音響経路（Ｓ_１）を介した超音波信号内のエコーの時間的な間隔であり、
   Δｔ_２は、サンプル（１）内の他方の音響経路（Ｓ_２）を介した超音波信号内のエコーの時間的な間隔であり、
   Ｋ_α１、Ｋ_α２は、音響変換器（３、４、５、６、８、１３、１４、１５）のセンサ定数であり、センサ定数（Ｋ_αｉ）は、
   

   

   を介して定義され、ここで、
   ｉ＝｛１、２｝であり、
   ｃ_αは、連結体（２）内の音速であり、
   α_ｉは、連結体（２）内の垂線に対する音響ビームの角度である
   こと、
   を特徴とする方法。
2. 一方の走行時間差（Δｔ_１）は、１つのエコーシーケンスの自己相関関数の一番目の副極大の位置として決定され、そのエコーシーケンスは、複数の超音波信号から成り、これらの超音波信号は、音響変換器（３）から、サンプル表面の垂線に対して所定の角度（β_１）で、少なくともｎ回及びｎ＋１回、サンプル（１）の測定すべき層を通り、ｎ回及びｎ＋１回の後壁反射を介して対応の音響変換器（３、６）に戻るようにサンプル（１）を通って走行したものであること、及び、
   他方の走行時間差（Δｔ_２）は、１つのエコーシーケンスの自己相関関数の一番目の副極大の位置として決定され、そのエコーシーケンスは、複数の超音波信号から成り、これらの超音波信号は、音響変換器（８、４）から、サンプル表面の垂線に対して所定の角度（β_２）で、少なくともｎ回及びｎ＋１回、サンプル（１）の測定すべき層を通り、ｎ回及びｎ＋１回の後壁反射を介して対応の音響変換器（８、４、５）に戻るようにサンプル（１）を通って走行したものであること
   を特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 複数のピエゾ素子（３０１、６０１、８０１、１３１、１４１）を含んだ音響変換器（３、４、５、６、８、１３、１４、１５）のアクティブ音響変換器面の個々のピエゾ素子（３０１、６０１、８０１、１３１、１４１）のスイッチオンとスイッチオフにより、サンプル（１）を所定の音響経路（Ｓ_１、Ｓ_２）で通過して対応の音響変換器（３、４、５、６、８、１３、１４、１５）に当たる信号部分が選択されること
   を特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 少なくとも二層のサンプル（１）では、音響変換器（３、４、５、６、８、１３、１４、１５）のアクティブ音響変換器面の個々のピエゾ素子（３０１、６０１、８０１；１３１、１４１）のスイッチオンとスイッチオフにより、個々の各層について、層厚（ｗ）と音速（ｃ）が決定されること
   を特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 超音波を用いて単層又は多層のサンプル（１）の層厚（ｗ）と音速（ｃ）を測定するための測定装置であって、
   単層又は多層のサンプル（１）の表面上には、少なくとも２つの音響変換器（３、４、５、６、８、１３、１４、１５）を備えた少なくとも１つの連結体（２）が配設され、それらの音響変換器は、規定の角度で前記連結体（２）上に配設されており、それにより超音波が、所定の入射角（α_１、α_２）で前記連結体（２）を通ってサンプル（１）内に達し、サンプル（１）の１つの層内で少なくとも２つの音響経路（Ｓ_１、Ｓ_２）を通過し、そこから対応の音響変換器（３、４、５、６、８、１３、１４、１５）に向かって所定の角度（β_１、β_２）で反射されること、
   を特徴とする測定装置。
6. 前記連結体（２）は、その基本形状において直方体であり、その上部のデッキ面（２０２）は、長手方向に関して傾斜した側縁部（２０３、２０４、２０５、２０６）を有すること
   を特徴とする、請求項５に記載の測定装置。
7. サンプル（１）の上に又はサンプル（１）の層（１６、１７）の上に反射器（７）が配設されており、それにより送信された超音波信号は、少なくとも２回、音響経路（Ｓ_１、Ｓ_２）でサンプル（１）を通過し、また対応の音響変換器（３、４、５、６、８、１３、１４、１５）により受信されること
   を特徴とする、請求項５に記載の測定装置。
8. 少なくとも２つの音響変換器（３、４、５、６、１３、１５）が、規定の角度で連結体（２）上に配設され、１つの音響変換器（８、１４）が、サンプル表面に対して垂直方向に配設されていること
   を特徴とする、請求項５に記載の測定装置。
9. クランプオン式流量センサの形式の少なくとも２つの音響変換器（１３）と、超音波壁厚測定器の形式の１つの音響変換器（１４）とが配設されていること
   を特徴とする、請求項５に記載の測定装置。
10. それぞれ２つの音響変換器（３、４、５、６）から成る２つの送信機受信機対が、所定の角度（α_１、α_２）で連結体（２）上に、第１の送信機受信機対が、サンプル表面に対し、第２の送信機受信機対の角度（β_２）とは異なる角度（β_１）を有するように、配設されていること
    を特徴とする、請求項５に記載の測定装置。
11. 音響変換器（３、６、８、１３、１４）は、１つ又は複数のピエゾ素子（３０１、６０１、８０１、１３１、１４１）を備えた音響変換器アレイから成ること
    を特徴とする、請求項５〜１０のいずれか一項に記載の測定装置。
12. 複数のピエゾ素子（３０１、６０１、８０１、１３１、１４１）を備えた音響変換器（３、６、８、１３、１４）のアクティブ音響変換器面は、個々のピエゾ素子（３０１、６０１、８０１、１３１、１４１）のスイッチオンとスイッチオフにより決定されること
    を特徴とする、請求項１１に記載の測定装置。

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