JP3129563B2 - 超音波計測方法及び装置 - Google Patents
超音波計測方法及び装置Info
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- G01N29/04—Analysing solids
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は超音波計測方法及び装置
に係り、気体、液体、固体等の測定対象物の音速を測定
し、測定対象物が気体、液体である場合にはそれらの成
分、濃度、弾性率等を求め、測定対象物が固体である場
合にはその弾性率、強度、疲労、応力履歴、寿命等を求
めるに好適な超音波計測方法及び装置に関する。
に係り、気体、液体、固体等の測定対象物の音速を測定
し、測定対象物が気体、液体である場合にはそれらの成
分、濃度、弾性率等を求め、測定対象物が固体である場
合にはその弾性率、強度、疲労、応力履歴、寿命等を求
めるに好適な超音波計測方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】超音波計測方法では、測定対象物内で、
超音波送信部から送信された送信波に基づいて順次生ず
る多重反射信号を超音波受信部にて受信し、この受信波
から求められる伝搬時間（ｔt ）と伝搬距離（Ｌ）に基
づいて測定対象物の絶対音速（Ｖ）を求める。
超音波送信部から送信された送信波に基づいて順次生ず
る多重反射信号を超音波受信部にて受信し、この受信波
から求められる伝搬時間（ｔt ）と伝搬距離（Ｌ）に基
づいて測定対象物の絶対音速（Ｖ）を求める。
【０００３】ここで、従来の伝搬時間計測方法として
は、シングアラウンド方法、オーバーラップ方法、スー
パーインポーズ方法等がある。
は、シングアラウンド方法、オーバーラップ方法、スー
パーインポーズ方法等がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】然るに、シングアラウ
ンド方法は、計測安定性、自動計測等の要求によって多
用されてきたが、外的因子による影響を受け易い。他
方、オーバーラップ方法、スーパーインポーズ方法は外
的因子の影響を受け難いが、計測の自動化がコスト、技
術的難易度等によって不可能であった。
ンド方法は、計測安定性、自動計測等の要求によって多
用されてきたが、外的因子による影響を受け易い。他
方、オーバーラップ方法、スーパーインポーズ方法は外
的因子の影響を受け難いが、計測の自動化がコスト、技
術的難易度等によって不可能であった。
【０００５】本発明は、超音波の伝搬時間を高精度、高
安定的に自動計測可能とすることを目的とする。
安定的に自動計測可能とすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
は、測定対象物内で、超音波送信部から送信された送信
波に基づいて順次生ずる多重反射信号を超音波受信部に
て受信し、この受信波から求められる伝搬時間（ｔt ）
と伝搬距離（Ｌ）に基づいて測定対象物の絶対音速
（Ｖ）を求める超音波計測方法において、送信波毎に生
ずる多重受信波のうち、特定順位の少なくとも２個を選
択するとともに、連続発振波を出力し、先後の送信波の
それぞれについて選択した受信波の間で、同一順位の受
信波の時間間隔が、連続発振波の周期（ｔ3 ）の整数倍
に等しくなるように制御し、且つ、同一送信波について
選択した受信波の間で、隣り合う順位の受信波の時間間
隔が、連続発振波の周期（ｔ3 ）と等しくなるように制
御し、上記制御の成立状態下で求まる連続発振波の周期
（ｔ3 ）を測定し、この測定結果を、前記絶対音速
（Ｖ）を求めるための伝搬時間（ｔt ）として用いるよ
うにしたものである。
は、測定対象物内で、超音波送信部から送信された送信
波に基づいて順次生ずる多重反射信号を超音波受信部に
て受信し、この受信波から求められる伝搬時間（ｔt ）
と伝搬距離（Ｌ）に基づいて測定対象物の絶対音速
（Ｖ）を求める超音波計測方法において、送信波毎に生
ずる多重受信波のうち、特定順位の少なくとも２個を選
択するとともに、連続発振波を出力し、先後の送信波の
それぞれについて選択した受信波の間で、同一順位の受
信波の時間間隔が、連続発振波の周期（ｔ3 ）の整数倍
に等しくなるように制御し、且つ、同一送信波について
選択した受信波の間で、隣り合う順位の受信波の時間間
隔が、連続発振波の周期（ｔ3 ）と等しくなるように制
御し、上記制御の成立状態下で求まる連続発振波の周期
（ｔ3 ）を測定し、この測定結果を、前記絶対音速
（Ｖ）を求めるための伝搬時間（ｔt ）として用いるよ
うにしたものである。
【０００７】請求項２に記載の本発明は、測定対象物内
で、超音波送信部から送信された送信波に基づいて順次
生ずる多重反射信号を超音波受信部にて受信し、この受
信波から求められる伝搬時間（ｔt ）と伝搬距離（Ｌ）
に基づいて測定対象物の絶対音速（Ｖ）を求める超音波
計測装置において、送信波毎に生ずる多重受信波のう
ち、特定順位の少なくとも２個を選択するとともに、続
発振波を出力し、先後の送信波のそれぞれについて選択
した受信波の間で、同一順位の受信波の時間間隔が、連
続発振波の周期（ｔ3 ）の整数倍に等しくなるように制
御し、且つ、同一送信波について選択した受信波の間
で、隣り合う順位の受信波の時間間隔が、連続発振波の
周期（ｔ3 ）と等しくなるように制御する連続発振制御
回路と、連続発振制御回路による上記制御の成立状態下
で連続発振波の周期（ｔ3 ）を前記伝搬時間（ｔt ）と
して測定する時間計測回路と、時間計測回路の測定結果
を用いて前記絶対音速を求める演算処理回路とを有して
なるようにしたものである。
で、超音波送信部から送信された送信波に基づいて順次
生ずる多重反射信号を超音波受信部にて受信し、この受
信波から求められる伝搬時間（ｔt ）と伝搬距離（Ｌ）
に基づいて測定対象物の絶対音速（Ｖ）を求める超音波
計測装置において、送信波毎に生ずる多重受信波のう
ち、特定順位の少なくとも２個を選択するとともに、続
発振波を出力し、先後の送信波のそれぞれについて選択
した受信波の間で、同一順位の受信波の時間間隔が、連
続発振波の周期（ｔ3 ）の整数倍に等しくなるように制
御し、且つ、同一送信波について選択した受信波の間
で、隣り合う順位の受信波の時間間隔が、連続発振波の
周期（ｔ3 ）と等しくなるように制御する連続発振制御
回路と、連続発振制御回路による上記制御の成立状態下
で連続発振波の周期（ｔ3 ）を前記伝搬時間（ｔt ）と
して測定する時間計測回路と、時間計測回路の測定結果
を用いて前記絶対音速を求める演算処理回路とを有して
なるようにしたものである。
【０００８】
【作用】本発明は、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示す如くの超
音波送受信部を用いる。図４（Ａ）は距離Ｌを隔てた１
対の超音波送信部１Ａ、超音波受信部１Ｂからなるも
の、図４（Ｂ）は距離Ｌを隔てた超音波送受信部１、反
射板４からなるもの、図４（Ｃ）は距離Ｌを隔てた超音
波送受信部１、固体反射部４からなるものである。図４
（Ａ）、（Ｂ）は測定対象物を気体、液体、固体とし、
図４（Ｃ）は測定対象物を固体とするものである。
音波送受信部を用いる。図４（Ａ）は距離Ｌを隔てた１
対の超音波送信部１Ａ、超音波受信部１Ｂからなるも
の、図４（Ｂ）は距離Ｌを隔てた超音波送受信部１、反
射板４からなるもの、図４（Ｃ）は距離Ｌを隔てた超音
波送受信部１、固体反射部４からなるものである。図４
（Ａ）、（Ｂ）は測定対象物を気体、液体、固体とし、
図４（Ｃ）は測定対象物を固体とするものである。
【０００９】そして、超音波送受信部に電気的パルスバ
ースト信号を印加すると、超音波信号は、測定対象物内
を伝搬し反射部において反射され、再び測定対象物内を
伝搬し送受信部に到達する。この超音波信号は送受信部
にて更に反射し、これを波形が減衰することにより消失
するまで繰り返す多重反射信号となる。図２の１０１
は、超音波送受信部に接続された計測回路で検出した送
受信波であり、ＷS1、ＷS2は時間間隔ｔ1 で間欠的に送
信される送信波、ＷJ1、ＷJ2…はＷS1に基づいて順次生
ずる多重反射波（第１受信波、第２受信波…）、ＷJ3、
ＷJ4…はＷS2に基づいて順次生ずる多重反射波（第１受
信波、第２受信波…）である。本発明は、この多重反射
信号を利用して測定対象物内の超音波伝搬速度を求める
ものである。
ースト信号を印加すると、超音波信号は、測定対象物内
を伝搬し反射部において反射され、再び測定対象物内を
伝搬し送受信部に到達する。この超音波信号は送受信部
にて更に反射し、これを波形が減衰することにより消失
するまで繰り返す多重反射信号となる。図２の１０１
は、超音波送受信部に接続された計測回路で検出した送
受信波であり、ＷS1、ＷS2は時間間隔ｔ1 で間欠的に送
信される送信波、ＷJ1、ＷJ2…はＷS1に基づいて順次生
ずる多重反射波（第１受信波、第２受信波…）、ＷJ3、
ＷJ4…はＷS2に基づいて順次生ずる多重反射波（第１受
信波、第２受信波…）である。本発明は、この多重反射
信号を利用して測定対象物内の超音波伝搬速度を求める
ものである。
【００１０】然るに、超音波計測装置では、超音波送受
信部と計測回路との間にケーブル等の信号伝搬手段を介
在させている。このため、計測回路で検出する送受信波
（参照波形図１０１）にあっては、送信波ＷS1から第１
受信波ＷJ1までの時間間隔内に、超音波送受信部から計
測回路内の検出点（図１の点２８）までの間のケーブル
等を電気信号が伝搬する時間ｔw を含む。そのため、ケ
ーブル等の往復伝搬経路に対応する２ｔw の時間をキャ
ンセルしなければ正確な超音波の伝搬時間を測定できな
い。従って、ｔw をキャンセルするために、第１受信波
ＷJ1と第２受信波ＷJ2の時間間隔を測定するものとすれ
ば、ｔw の時間はキャンセルされ超音波が測定対象物中
だけを伝搬する時間を測定できる。このため、相対的な
伝搬時間の測定でなく、伝搬時間の絶対測定が可能とな
る。超音波伝搬時間ｔt の絶対測定ができれば、超音波
の伝搬速度Ｖは、伝搬距離Ｌを正確に測定することによ
り、単純に(1) 式により求められるものとなる。 Ｖ＝２Ｌ／ｔt …(1)
信部と計測回路との間にケーブル等の信号伝搬手段を介
在させている。このため、計測回路で検出する送受信波
（参照波形図１０１）にあっては、送信波ＷS1から第１
受信波ＷJ1までの時間間隔内に、超音波送受信部から計
測回路内の検出点（図１の点２８）までの間のケーブル
等を電気信号が伝搬する時間ｔw を含む。そのため、ケ
ーブル等の往復伝搬経路に対応する２ｔw の時間をキャ
ンセルしなければ正確な超音波の伝搬時間を測定できな
い。従って、ｔw をキャンセルするために、第１受信波
ＷJ1と第２受信波ＷJ2の時間間隔を測定するものとすれ
ば、ｔw の時間はキャンセルされ超音波が測定対象物中
だけを伝搬する時間を測定できる。このため、相対的な
伝搬時間の測定でなく、伝搬時間の絶対測定が可能とな
る。超音波伝搬時間ｔt の絶対測定ができれば、超音波
の伝搬速度Ｖは、伝搬距離Ｌを正確に測定することによ
り、単純に(1) 式により求められるものとなる。 Ｖ＝２Ｌ／ｔt …(1)
【００１１】伝搬時間ｔt を絶対測定するために、本発
明では、第１受信波ＷJ1と第２受信波ＷJ2の時間間隔ｔ
t を周期ｔ3 （＝ｔt ）とする連続発振波を作り、その
周期ｔ3 を測定することにて伝搬時間ｔt を求めること
としている。発振周期ｔ3 と伝搬時間ｔt とが等しくな
った状態の波形図が図２である。図２の（１０５）は伝
搬時間ｔt を周期ｔ3 とする連続発振波形である。この
波形（１０５）の周期ｔ3 を測定することにより、伝搬
時間ｔt を測定できるのである。（１０５）の波形は
（１０１）の波形のＷJ1、ＷJ2を波形整形したＷ1 、Ｗ
2 と同位相となっている。この状態を成立させるために
は、下記(2) 式、及び(3) 式の２つの条件を満足させる
必要がある。 ｔ1 ＝ｔ2 ＝ｔ3 ×ｍ（ｍは整数） …(2) ｆout ＝１／ｔ3 …(3) ｔ1 は送信波ＷS1、ＷS2の時間間隔、ｔ2 はＷS1に基づ
く第１整形受信波Ｗ1と、ＷS2に基づく第１整形受信波
Ｗ3 の時間間隔、ｔ3 は連続発振波の周期である。ｍは
整数であり、受信波の多重波の減衰量等により決定され
る。多重波の減衰が少なければ、多重波の影響を小さく
するためｍの値を大きく設定する。
明では、第１受信波ＷJ1と第２受信波ＷJ2の時間間隔ｔ
t を周期ｔ3 （＝ｔt ）とする連続発振波を作り、その
周期ｔ3 を測定することにて伝搬時間ｔt を求めること
としている。発振周期ｔ3 と伝搬時間ｔt とが等しくな
った状態の波形図が図２である。図２の（１０５）は伝
搬時間ｔt を周期ｔ3 とする連続発振波形である。この
波形（１０５）の周期ｔ3 を測定することにより、伝搬
時間ｔt を測定できるのである。（１０５）の波形は
（１０１）の波形のＷJ1、ＷJ2を波形整形したＷ1 、Ｗ
2 と同位相となっている。この状態を成立させるために
は、下記(2) 式、及び(3) 式の２つの条件を満足させる
必要がある。 ｔ1 ＝ｔ2 ＝ｔ3 ×ｍ（ｍは整数） …(2) ｆout ＝１／ｔ3 …(3) ｔ1 は送信波ＷS1、ＷS2の時間間隔、ｔ2 はＷS1に基づ
く第１整形受信波Ｗ1と、ＷS2に基づく第１整形受信波
Ｗ3 の時間間隔、ｔ3 は連続発振波の周期である。ｍは
整数であり、受信波の多重波の減衰量等により決定され
る。多重波の減衰が少なければ、多重波の影響を小さく
するためｍの値を大きく設定する。
【００１２】本発明では、(2) 式と(3) 式を同時に成立
させるため、「先後の送信波のそれぞれについて選択し
た受信波の間で、同一順位の受信波の時間間隔が、連続
発振波の周期（ｔ3 ）の整数倍に等しくなるように制御
し、且つ、同一送信波について選択した受信波の間で、
隣り合う順位の受信波の時間間隔が、連続発振波の周期
（ｔ3 ）と等しくなるように制御すること」としてい
る。(3) 式の条件は単独で成立することはできず、(2)
式の条件と同時に成立する。このようにして伝搬時間ｔ
t と連続発振波の周期ｔ3 とが等しくなったときに、連
続発振波の周期ｔ3 を測定すれば、ｔt ＝ｔ3 にて伝搬
時間ｔt を測定することができる。
させるため、「先後の送信波のそれぞれについて選択し
た受信波の間で、同一順位の受信波の時間間隔が、連続
発振波の周期（ｔ3 ）の整数倍に等しくなるように制御
し、且つ、同一送信波について選択した受信波の間で、
隣り合う順位の受信波の時間間隔が、連続発振波の周期
（ｔ3 ）と等しくなるように制御すること」としてい
る。(3) 式の条件は単独で成立することはできず、(2)
式の条件と同時に成立する。このようにして伝搬時間ｔ
t と連続発振波の周期ｔ3 とが等しくなったときに、連
続発振波の周期ｔ3 を測定すれば、ｔt ＝ｔ3 にて伝搬
時間ｔt を測定することができる。
【００１３】尚、連続発振波の多周期分を基準クロック
を用いたカウンタで測定し、その平均を取ることにて１
周期の時間ｔ3 を求める手法を用いれば、基準クロック
の周波数より高い精度での測定が可能となる。これが本
発明の有効な点でもある。例えば、単純なパルス方法に
よる測定では、平均しても測定精度は上がらず、精度は
基本クロックの周波数に依存してしまう。以上のように
して(1) 式の伝搬時間ｔt を求める。
を用いたカウンタで測定し、その平均を取ることにて１
周期の時間ｔ3 を求める手法を用いれば、基準クロック
の周波数より高い精度での測定が可能となる。これが本
発明の有効な点でもある。例えば、単純なパルス方法に
よる測定では、平均しても測定精度は上がらず、精度は
基本クロックの周波数に依存してしまう。以上のように
して(1) 式の伝搬時間ｔt を求める。
【００１４】他方、(1) 式の距離Ｌは次のようにして求
める。距離Ｌは温度により変化するが、その変化は伝搬
距離を決めている材質の熱膨張係数による。熱膨張係数
を含めた材質の長さの変化は、αを熱膨張係数、θを温
度、Ｌ0 を基準温度における長さとするとき、(4) 式で
表わされる。 Ｌ＝Ｌ0 （１＋αθ） …(4)
める。距離Ｌは温度により変化するが、その変化は伝搬
距離を決めている材質の熱膨張係数による。熱膨張係数
を含めた材質の長さの変化は、αを熱膨張係数、θを温
度、Ｌ0 を基準温度における長さとするとき、(4) 式で
表わされる。 Ｌ＝Ｌ0 （１＋αθ） …(4)
【００１５】ここで、αはＬを決定する材質の熱膨張係
数であることから予め決定することができる。また、Ｌ
0 は製作時のばらつき等により超音波送受信装置固有の
値となるが、これは水を用いて簡単に測定できる。即
ち、水の音速は文献値により(5) 式のようにわかってい
る。 Ｖ＝1402.736＋ 5.03358θ− 0.0579506θ2 ＋ 3.31636×10-4θ3 − 1.45262×10-6θ4 ＋3.0449×10-9θ5 …(5)
数であることから予め決定することができる。また、Ｌ
0 は製作時のばらつき等により超音波送受信装置固有の
値となるが、これは水を用いて簡単に測定できる。即
ち、水の音速は文献値により(5) 式のようにわかってい
る。 Ｖ＝1402.736＋ 5.03358θ− 0.0579506θ2 ＋ 3.31636×10-4θ3 − 1.45262×10-6θ4 ＋3.0449×10-9θ5 …(5)
【００１６】そのため、ある水の温度θと水の文献値に
よる音速Ｖと伝搬時間の実測値とからＬの値を求め、更
に(4) 式より超音波送受信装置固有の値であるＬ0 の値
を求めることができる。この方法により、予めＬ0 とα
の値を決定しておけば、超音波送受信装置の温度を測定
することにより、Ｌの値を決定することができる。
よる音速Ｖと伝搬時間の実測値とからＬの値を求め、更
に(4) 式より超音波送受信装置固有の値であるＬ0 の値
を求めることができる。この方法により、予めＬ0 とα
の値を決定しておけば、超音波送受信装置の温度を測定
することにより、Ｌの値を決定することができる。
【００１７】以上の伝搬時間ｔt の測定と、伝搬距離Ｌ
の測定により、(1) 式を用い、超音波の音速Ｖを高精度
で高安定的に計測することができるのである。
の測定により、(1) 式を用い、超音波の音速Ｖを高精度
で高安定的に計測することができるのである。
【００１８】
【実施例】図１は超音波計測装置の一例を示すブロック
図、図２は超音波計測装置の波形図、図３は連続発振制
御回路を示す回路図、図４は超音波送受信装置を示す模
式図である。
図、図２は超音波計測装置の波形図、図３は連続発振制
御回路を示す回路図、図４は超音波送受信装置を示す模
式図である。
【００１９】超音波計測装置は、超音波送受信装置１０
０、計測回路２００とを有して構成される。
０、計測回路２００とを有して構成される。
【００２０】超音波送受信装置１００は、発振板３と反
射板４とを距離Ｌを介して対向配置し、この間を測定対
象物（気体、液体または固体）を満たすようにしてい
る。また、超音波送受信装置１００は、温度センサ５を
備えている。
射板４とを距離Ｌを介して対向配置し、この間を測定対
象物（気体、液体または固体）を満たすようにしてい
る。また、超音波送受信装置１００は、温度センサ５を
備えている。
【００２１】超音波送受信装置１００の発振板３から送
信された送信波は、発振板３と反射板４との間での減衰
によりエネルギーがなくなるまで反射を繰り返し、超音
波送受信装置１００はこの多重反射信号を受信する。
信された送信波は、発振板３と反射板４との間での減衰
によりエネルギーがなくなるまで反射を繰り返し、超音
波送受信装置１００はこの多重反射信号を受信する。
【００２２】計測回路２００は、前置増幅器６、ゲート
付ＡＧＣ回路７、８、検波回路９、１０、連続発振制御
回路２７、送信回路２２、温度計測回路１４、時間計測
回路２４、デジタル演算処理回路２５、出力部２６で構
成される。
付ＡＧＣ回路７、８、検波回路９、１０、連続発振制御
回路２７、送信回路２２、温度計測回路１４、時間計測
回路２４、デジタル演算処理回路２５、出力部２６で構
成される。
【００２３】前置増幅器６は超音波受信信号を増幅させ
る。ＡＧＣ増幅部７、８は、送信波毎に生ずる多重受信
波のうち、第１受信波（ＷJ1、ＷJ3）と第２受信波（Ｗ
J2、ＷJ4）のみを増幅する。このとき、ＡＧＣ増幅部
７、８は、超音波受信信号レベルが媒質の変化により変
動しても信号の振幅を一定のレベルに保つように働く
（参照波形図１０２、１０３）。
る。ＡＧＣ増幅部７、８は、送信波毎に生ずる多重受信
波のうち、第１受信波（ＷJ1、ＷJ3）と第２受信波（Ｗ
J2、ＷJ4）のみを増幅する。このとき、ＡＧＣ増幅部
７、８は、超音波受信信号レベルが媒質の変化により変
動しても信号の振幅を一定のレベルに保つように働く
（参照波形図１０２、１０３）。
【００２４】検波回路９、１０は、基本的にアナログ比
較回路であるが、参照レベルは第１受信波、第２受信波
ともに同じ波形位置で比較するように設定され、ＡＧＣ
増幅部７、８で増幅された信号を単一パルスのデジタル
信号に変換する（参照波形図１０４) 。
較回路であるが、参照レベルは第１受信波、第２受信波
ともに同じ波形位置で比較するように設定され、ＡＧＣ
増幅部７、８で増幅された信号を単一パルスのデジタル
信号に変換する（参照波形図１０４) 。
【００２５】変換されたデジタル信号は、連続発振制御
回路２７に入力され、下記(1) 〜(5) の如くにより処理
され、超音波伝搬時間ｔt を周期ｔ3 （＝ｔt ）とする
周波数ｆout の連続発振信号に変換され、時間計測回路
２４へ入力される。
回路２７に入力され、下記(1) 〜(5) の如くにより処理
され、超音波伝搬時間ｔt を周期ｔ3 （＝ｔt ）とする
周波数ｆout の連続発振信号に変換され、時間計測回路
２４へ入力される。
【００２６】(1) デジタル化された第１受信波の信号は
図２の（１０６）、第２受信波の信号は（１０７）に示
されるように、信号選択回路１１にて分離され、（１０
６）は位相同期ループ回路（ＰＬＬ）２１の位相比較回
路１９、（１０７）は位相同期ループ回路（ＰＬＬ）１
６の位相比較回路１３に入力される。
図２の（１０６）、第２受信波の信号は（１０７）に示
されるように、信号選択回路１１にて分離され、（１０
６）は位相同期ループ回路（ＰＬＬ）２１の位相比較回
路１９、（１０７）は位相同期ループ回路（ＰＬＬ）１
６の位相比較回路１３に入力される。
【００２７】(2) 電圧−周波数変換回路１５から出力さ
れる連続発振信号（１０５）がｍ分周されて信号選択回
路１７より波形（１０８）として位相比較回路１９へ入
力される。
れる連続発振信号（１０５）がｍ分周されて信号選択回
路１７より波形（１０８）として位相比較回路１９へ入
力される。
【００２８】(3) 位相比較回路１９では（１０６）、
（１０８）の位相を比較し、同位相となるように、［即
ち、先後の送信波ＷS1、ＷS2のそれぞれについて選択し
た受信波（ＷJ1、ＷJ2）、（ＷJ3、ＷJ4）の間で、同一
順位である第１受信波ＷJ1、ＷJ3相互の時間間隔ｔ1
が、連続発振波の周期ｔ3 のｍ倍に等しくなるように］
電圧−周波数変換回路２０を制御する。電圧周波数変換
回路２０の出力信号はトリガ信号（１１０）となり、送
信回路２２から超音波信号（１０１）ＷS が送信され
る。（１０６）と（１０８）が同位相となるため、ｔ1
＝ｔ2 ＝ｔ3 ×ｍとなり、前述(2) 式の条件を満足す
る。
（１０８）の位相を比較し、同位相となるように、［即
ち、先後の送信波ＷS1、ＷS2のそれぞれについて選択し
た受信波（ＷJ1、ＷJ2）、（ＷJ3、ＷJ4）の間で、同一
順位である第１受信波ＷJ1、ＷJ3相互の時間間隔ｔ1
が、連続発振波の周期ｔ3 のｍ倍に等しくなるように］
電圧−周波数変換回路２０を制御する。電圧周波数変換
回路２０の出力信号はトリガ信号（１１０）となり、送
信回路２２から超音波信号（１０１）ＷS が送信され
る。（１０６）と（１０８）が同位相となるため、ｔ1
＝ｔ2 ＝ｔ3 ×ｍとなり、前述(2) 式の条件を満足す
る。
【００２９】(4) 電圧−周波数変換回路１５から出力さ
れた連続発振信号（１０５）は、信号（１０８）と同様
にｍ分周され、（１０８）より１周期遅れて信号選択回
路１７より（１０９）として出力され、位相比較器１３
に出力される。
れた連続発振信号（１０５）は、信号（１０８）と同様
にｍ分周され、（１０８）より１周期遅れて信号選択回
路１７より（１０９）として出力され、位相比較器１３
に出力される。
【００３０】(5) 位相比較器１３では、（１０７）と
（１０９）の位相を比較し、同位相となるように、電圧
−周波数変換回路１５を制御する。従って、（１０６）
上のＷ5 と（１０８）上のＷ9 は同位相となり、Ｗ11は
Ｗ9 の連続周波数ｆout の１周期分遅れ、また、Ｗ11は
Ｗ7 と同位相となるため、連続発振波（１０３）の周期
ｔ3 が（１０１）の受信波の時間間隔ｔt と等しくなる
（即ち、同一送信波ＷS1について選択した受信波ＷJ1、
ＷJ2の間で、隣り合う第１受信波ＷJ1と第２受信波ＷJ2
の時間間隔ｔt が連続発振波の周期ｔ3 と等しくな
る）。これにより、連続発振波ｆout の周期を測定する
ことにより、超音波の伝搬時間ｔt が測定されることに
なる。
（１０９）の位相を比較し、同位相となるように、電圧
−周波数変換回路１５を制御する。従って、（１０６）
上のＷ5 と（１０８）上のＷ9 は同位相となり、Ｗ11は
Ｗ9 の連続周波数ｆout の１周期分遅れ、また、Ｗ11は
Ｗ7 と同位相となるため、連続発振波（１０３）の周期
ｔ3 が（１０１）の受信波の時間間隔ｔt と等しくなる
（即ち、同一送信波ＷS1について選択した受信波ＷJ1、
ＷJ2の間で、隣り合う第１受信波ＷJ1と第２受信波ＷJ2
の時間間隔ｔt が連続発振波の周期ｔ3 と等しくな
る）。これにより、連続発振波ｆout の周期を測定する
ことにより、超音波の伝搬時間ｔt が測定されることに
なる。
【００３１】連続発振制御回路２７は、各送信波毎に上
記(1) 〜(5) を連続的に繰り返す。
記(1) 〜(5) を連続的に繰り返す。
【００３２】時間計測回路２４は基準クロックとカウン
タで構成され、入力された信号の周期ｔ3 を計測する時
間計測精度を上げるために、予め設定された周期数分
（例えば1000周期分）の時間を計測し、後段のデジタル
演算処理回路２５にて設定された周期数（例えば1000周
期）の平均を計算する。
タで構成され、入力された信号の周期ｔ3 を計測する時
間計測精度を上げるために、予め設定された周期数分
（例えば1000周期分）の時間を計測し、後段のデジタル
演算処理回路２５にて設定された周期数（例えば1000周
期）の平均を計算する。
【００３３】デジタル演算処理回路２５では温度計測回
路１４からの信号に基づいて伝搬媒質の温度を計算す
る。その温度から温度補正された超音波伝搬距離Ｌを計
算する。また時間計測回路２４からの信号に基づいて平
均伝搬時間を計算する。以上の計算結果より、(3) 式よ
り、超音波伝搬速度を計算する。そしてその結果を出力
部２６から出力する。
路１４からの信号に基づいて伝搬媒質の温度を計算す
る。その温度から温度補正された超音波伝搬距離Ｌを計
算する。また時間計測回路２４からの信号に基づいて平
均伝搬時間を計算する。以上の計算結果より、(3) 式よ
り、超音波伝搬速度を計算する。そしてその結果を出力
部２６から出力する。
【００３４】次に、計測回路２００を構成する連続発振
制御回路２７の制御動作について、図３を参照し具体的
に説明する。
制御回路２７の制御動作について、図３を参照し具体的
に説明する。
【００３５】超音波第１受信波、第２受信波がＡＧＣ回
路７、８を通り、検波回路９、１０でデジタル化された
パルス波（参照波形図１０４）が、図３のａ部に入力さ
れる。このパルス波形をＩＣ１−１とＩＣ１−２の制御
回路により制御されているＩＣ２の信号選択回路に入力
する。第２受信波がデジタル化された波形Ｗ2 、Ｗ
4（参照波形図１０４）はＩＣ２のＳ３へ出力され、波
形Ｗ7 、Ｗ8 （参照波形図１０６）となり、バッファＩ
Ｃ３−３を通り位相比較ＩＣ５へ入力される。ＩＣ６−
１は電圧制御発振ＩＣであり、常にＩＣ５の直流出力電
圧に対応する周波数で発振している（参照波形図１０
５）。この連続発振波はバッファＩＣ８−１、ＩＣ８−
２を通り信号選択ＩＣ１２へ出力される。
路７、８を通り、検波回路９、１０でデジタル化された
パルス波（参照波形図１０４）が、図３のａ部に入力さ
れる。このパルス波形をＩＣ１−１とＩＣ１−２の制御
回路により制御されているＩＣ２の信号選択回路に入力
する。第２受信波がデジタル化された波形Ｗ2 、Ｗ
4（参照波形図１０４）はＩＣ２のＳ３へ出力され、波
形Ｗ7 、Ｗ8 （参照波形図１０６）となり、バッファＩ
Ｃ３−３を通り位相比較ＩＣ５へ入力される。ＩＣ６−
１は電圧制御発振ＩＣであり、常にＩＣ５の直流出力電
圧に対応する周波数で発振している（参照波形図１０
５）。この連続発振波はバッファＩＣ８−１、ＩＣ８−
２を通り信号選択ＩＣ１２へ出力される。
【００３６】送信信号の周期ｔ1 （参照波形図１０１）
を伝搬時間のｍ倍に設定するｍ分周用のカウンタ回路Ｉ
Ｃ７−１、ＩＣ７−２と、制御回路ＩＣ１０−１、−
２、−３、ＩＣ１１−１、−２、ＩＣ８−３、−４とに
より、信号選択ＩＣ１２の出力Ｓ２が出力Ｓ３よりも電
圧制御発振ＩＣ６−１の発振周期の１周期分だけ位相が
遅れた信号になるよう（参照波形図１０８、１０９）に
ＩＣ１２を制御する。ｍ分周用カウンタのｍ値は４、
８、１６等任意に設定可能であり、伝搬距離Ｌ、伝搬媒
質の減衰量等により、多重波が影響をしないような数値
に設定される。
を伝搬時間のｍ倍に設定するｍ分周用のカウンタ回路Ｉ
Ｃ７−１、ＩＣ７−２と、制御回路ＩＣ１０−１、−
２、−３、ＩＣ１１−１、−２、ＩＣ８−３、−４とに
より、信号選択ＩＣ１２の出力Ｓ２が出力Ｓ３よりも電
圧制御発振ＩＣ６−１の発振周期の１周期分だけ位相が
遅れた信号になるよう（参照波形図１０８、１０９）に
ＩＣ１２を制御する。ｍ分周用カウンタのｍ値は４、
８、１６等任意に設定可能であり、伝搬距離Ｌ、伝搬媒
質の減衰量等により、多重波が影響をしないような数値
に設定される。
【００３７】信号選択ＩＣ１２の出力Ｓ２は、位相比較
ＩＣ５へ入力され、バッファＩＣ３−３の出力と位相比
較される。位相比較ＩＣ５はそれらの信号が同位相とな
るようにＩＣ５の出力、直流電圧を制御し、また次段の
電圧制御発振ＩＣ６−１も制御する。一方、信号選択Ｉ
Ｃ１２のＳ３の出力は、位相比較ＩＣ９へ入力される。
位相比較ＩＣ９はバッファＩＣ３−４より出力される超
音波第１受信波がデジタル化された信号と位相比較さ
れ、位相比較ＩＣ９はそれらの入力波形が同位相となる
ように、出力直流電圧を制御し、また次段の電圧制御発
振ＩＣ６−２の周波数を制御する。このＩＣ６−２の発
振信号の立下がり信号（参照波形図１１０）がトリガ信
号となり、超音波送信信号のタイミングを制御する。Ｉ
Ｃ５の入力位相、ＩＣ９の入力位相がそれぞれ同位相に
ロックされた状態が、超音波伝搬時間ｔt （参照波形図
１０１）と、電圧制御発振ＩＣ６−１の発振周波数ｆ
out の周期とが等しくなった状態となる。従って、この
発振周期ｔ3 を測定することにより、超音波伝搬時間ｔ
t の測定が可能となり、同時に、絶対超音波伝搬速度の
自動計測が可能となる。
ＩＣ５へ入力され、バッファＩＣ３−３の出力と位相比
較される。位相比較ＩＣ５はそれらの信号が同位相とな
るようにＩＣ５の出力、直流電圧を制御し、また次段の
電圧制御発振ＩＣ６−１も制御する。一方、信号選択Ｉ
Ｃ１２のＳ３の出力は、位相比較ＩＣ９へ入力される。
位相比較ＩＣ９はバッファＩＣ３−４より出力される超
音波第１受信波がデジタル化された信号と位相比較さ
れ、位相比較ＩＣ９はそれらの入力波形が同位相となる
ように、出力直流電圧を制御し、また次段の電圧制御発
振ＩＣ６−２の周波数を制御する。このＩＣ６−２の発
振信号の立下がり信号（参照波形図１１０）がトリガ信
号となり、超音波送信信号のタイミングを制御する。Ｉ
Ｃ５の入力位相、ＩＣ９の入力位相がそれぞれ同位相に
ロックされた状態が、超音波伝搬時間ｔt （参照波形図
１０１）と、電圧制御発振ＩＣ６−１の発振周波数ｆ
out の周期とが等しくなった状態となる。従って、この
発振周期ｔ3 を測定することにより、超音波伝搬時間ｔ
t の測定が可能となり、同時に、絶対超音波伝搬速度の
自動計測が可能となる。
【００３８】以下、本実施例の効果について説明する。 測定対象物中の伝搬時間のみを測定する絶対音速計測
法であるため、超音波送受信装置と計測回路との間のケ
ーブル等の信号伝搬手段の介在による伝搬時間測定の誤
差を生じない。よって、ケーブル長さ等の信号伝搬手段
の変更等にも容易に対応できる。
法であるため、超音波送受信装置と計測回路との間のケ
ーブル等の信号伝搬手段の介在による伝搬時間測定の誤
差を生じない。よって、ケーブル長さ等の信号伝搬手段
の変更等にも容易に対応できる。
【００３９】伝搬時間を周期とする連続発振波の周波
数に、伝搬時間を変換するため、パルス法ではあまり効
果がなかった測定時間の平均化による測定精度の向上を
図ることができる。
数に、伝搬時間を変換するため、パルス法ではあまり効
果がなかった測定時間の平均化による測定精度の向上を
図ることができる。
【００４０】絶対音速測定法であるため、広い範囲で
の高精度の測定ができ、また自動測定により音速の測定
を高速化できる。
の高精度の測定ができ、また自動測定により音速の測定
を高速化できる。
【００４１】超音波送受信装置固有の伝搬距離の温度
補正係数（発力補正係数等も同じ）を簡易に決定でき、
超音波送受信装置の交換等のメンテナンス時に極めて有
効である。
補正係数（発力補正係数等も同じ）を簡易に決定でき、
超音波送受信装置の交換等のメンテナンス時に極めて有
効である。
【００４２】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、超音波の
伝搬時間を高精度、高安定的に自動計測可能とすること
ができる。
伝搬時間を高精度、高安定的に自動計測可能とすること
ができる。
【図１】図１は超音波計測装置の一例を示すブロック図
である。
である。
【図２】図２は超音波計測装置の波形図である。
【図３】図３は連続発振制御回路を示す回路図である。
【図４】図４は超音波送受信装置を示す模式図である。
６ 前置増幅器 ７、８ ゲート付きＡＧＣ回路 ９ １０ 検波回路 ２４ 時間計測回路 ２５ デジタル演算処理回路 ２６ 出力部 ２７ 連続発振制御回路 １００ 超音波送受信装置 ２００ 計測回路
Claims (2)
- 【請求項１】 測定対象物内で、超音波送信部から送信
された送信波に基づいて順次生ずる多重反射信号を超音
波受信部にて受信し、この受信波から求められる伝搬時
間（ｔt ）と伝搬距離（Ｌ）に基づいて測定対象物の絶
対音速（Ｖ）を求める超音波計測方法において、 送信波毎に生ずる多重受信波のうち、特定順位の少なく
とも２個を選択するとともに、 連続発振波を出力し、 先後の送信波のそれぞれについて選択した受信波の間
で、同一順位の受信波の時間間隔が、連続発振波の周期
（ｔ3 ）の整数倍に等しくなるように制御し、 且つ、同一送信波について選択した受信波の間で、隣り
合う順位の受信波の時間間隔が、連続発振波の周期（ｔ
3 ）と等しくなるように制御し、 上記制御の成立状態下で求まる連続発振波の周期（ｔ
3 ）を測定し、この測定結果を、前記絶対音速（Ｖ）を
求めるための伝搬時間（ｔt ）として用いることを特徴
とする超音波計測方法。 - 【請求項２】 測定対象物内で、超音波送信部から送信
された送信波に基づいて順次生ずる多重反射信号を超音
波受信部にて受信し、この受信波から求められる伝搬時
間（ｔt ）と伝搬距離（Ｌ）に基づいて測定対象物の絶
対音速（Ｖ）を求める超音波計測装置において、 送信波毎に生ずる多重受信波のうち、特定順位の少なく
とも２個を選択するとともに、 連続発振波を出力し、 先後の送信波のそれぞれについて選択した受信波の間
で、同一順位の受信波の時間間隔が、連続発振波の周期
（ｔ3 ）の整数倍に等しくなるように制御し、 且つ、同一送信波について選択した受信波の間で、隣り
合う順位の受信波の時間間隔が、連続発振波の周期（ｔ
3 ）と等しくなるように制御する連続発振制御回路と、 連続発振制御回路による上記制御の成立状態下で連続発
振波の周期（ｔ3 ）を前記伝搬時間（ｔt ）として測定
する時間計測回路と、 時間計測回路の測定結果を用いて前記絶対音速を求める
演算処理回路とを有してなることを特徴とする超音波計
測装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05044371A JP3129563B2 (ja) | 1993-02-10 | 1993-02-10 | 超音波計測方法及び装置 |
| US08/189,873 US5557047A (en) | 1993-02-10 | 1994-02-01 | Method and apparatus for ultrasonic wave measurement |
| DE4403344A DE4403344C2 (de) | 1993-02-10 | 1994-02-03 | Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallwellenmessung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05044371A JP3129563B2 (ja) | 1993-02-10 | 1993-02-10 | 超音波計測方法及び装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06235721A JPH06235721A (ja) | 1994-08-23 |
| JP3129563B2 true JP3129563B2 (ja) | 2001-01-31 |
Family
ID=12689660
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05044371A Expired - Lifetime JP3129563B2 (ja) | 1993-02-10 | 1993-02-10 | 超音波計測方法及び装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5557047A (ja) |
| JP (1) | JP3129563B2 (ja) |
| DE (1) | DE4403344C2 (ja) |
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| DE19607681B4 (de) * | 1996-02-29 | 2009-07-09 | Fogra Forschungsgesellschaft Druck E.V. | Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung und Regelung der Zusammensetzung einer Feuchtmittellösung für den Offsetdruck |
| US6227040B1 (en) | 1998-02-03 | 2001-05-08 | Caldon, Inc. | Method and apparatus for determining the viscosity of a fluid in a container |
| JPH11295419A (ja) * | 1998-04-15 | 1999-10-29 | Sony Corp | 送受信分離型反射方式の超音波距離測定方法とその装置 |
| JP3745535B2 (ja) * | 1998-06-10 | 2006-02-15 | 富士工業株式会社 | 超音波計測方法及び装置 |
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| JP4169483B2 (ja) * | 2001-01-22 | 2008-10-22 | 帝人株式会社 | 超音波式ガス濃度流量測定方法及び装置 |
| TW520993B (en) * | 2001-01-22 | 2003-02-21 | Teijin Ltd | An apparatus for and a method of ultrasonically measuring concentration and flow rate of a gas |
| JP4536939B2 (ja) * | 2001-01-22 | 2010-09-01 | 帝人株式会社 | 超音波反射式ガス濃度測定方法及び装置 |
| IL166760A0 (en) * | 2004-05-13 | 2006-01-15 | Nexense Ltd | Method and apparatus for non-invasively monitoringconcentrations of glucose or other target substan ces |
| US7234610B2 (en) * | 2005-02-10 | 2007-06-26 | Northern Products Development Group Llc | Automatic napkin dispenser |
| US20080307885A1 (en) * | 2005-02-22 | 2008-12-18 | Nexense Ltd. | Method and Apparatus for Precisely Measuring Wire Tension and Other Conditions, and High-Sensitivity Vibration Sensor Constructed in Accordance Therewith |
| WO2006119511A2 (en) * | 2005-05-04 | 2006-11-09 | Luna Innovations, Incorporated | Ultrasonic method to determine bone parameters |
| DE102006053965A1 (de) * | 2006-11-16 | 2008-07-31 | Jäger, Frank-Michael | Verfahren und Vorrichtung zur Früherkennung von Bauwerksschäden |
| CA2626371A1 (en) * | 2007-03-19 | 2008-09-19 | Prec"Ice" Technology, Inc. | Ice thickness measuring system |
| US8806944B2 (en) * | 2009-09-18 | 2014-08-19 | Conocophillips Company | High precision ultrasonic corrosion rate monitoring |
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| JP5438596B2 (ja) * | 2010-05-24 | 2014-03-12 | パナソニック株式会社 | 火災感知器 |
| US20130081477A1 (en) * | 2010-06-11 | 2013-04-04 | Panasonic Corporation | Flow meter device |
| US10036733B2 (en) * | 2015-04-13 | 2018-07-31 | Zf Friedrichshafen Ag | Hardness verification utilizing ultrasonic velocities |
| EP3390987A4 (en) * | 2017-03-02 | 2019-10-09 | AML Oceanographic Ltd. | SOUND SPEED SENSOR FOR USE IN WATER AND METHOD FOR DETERMINING SPEED OF SOUNDS IN WATER |
| JP7278124B2 (ja) * | 2019-03-25 | 2023-05-19 | 三菱重工業株式会社 | パルサレシーバ |
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| US3697936A (en) * | 1970-02-27 | 1972-10-10 | Nusonics | Sound velocimeter |
| JPS5310454A (en) * | 1976-07-16 | 1978-01-30 | Nippon Kokan Kk | Apparatus for detecting change of fluid character by singgaround method |
| DE2908319A1 (de) * | 1979-03-03 | 1980-09-04 | Krautkraemer Gmbh | Elektronisches messverfahren zur bestimmung der zeitdifferenz zwischen zwei ereignissen |
| JP2658436B2 (ja) * | 1989-10-13 | 1997-09-30 | 日産自動車株式会社 | 超音波音速測定法 |
| US5214955A (en) * | 1991-08-26 | 1993-06-01 | The United States Of America As Represented By The United States National Aeronautics And Space Administration | Constant frequency pulsed phase-locked loop measuring device |
-
1993
- 1993-02-10 JP JP05044371A patent/JP3129563B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1994
- 1994-02-01 US US08/189,873 patent/US5557047A/en not_active Expired - Lifetime
- 1994-02-03 DE DE4403344A patent/DE4403344C2/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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