JP3745535B2

JP3745535B2 - 超音波計測方法及び装置

Info

Publication number: JP3745535B2
Application number: JP17656598A
Authority: JP
Inventors: 秀幸鈴木; 久永田中; 一蜂須賀
Original assignee: Fuji Industrial Co Ltd
Current assignee: Fuji Industrial Co Ltd
Priority date: 1998-06-10
Filing date: 1998-06-10
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2018-06-10
Also published as: JPH11352114A; US6094987A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
超音波による音速計測方法は超音波送信部から測定対象物内に超音波を送信し、この送信波に基づいて生ずる反射信号を超音波受信部で受信し、その受信波より求められる伝搬時間（ｔ_ｔ）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】
従来の音速計測方法としては、シングアラウンド方法、オーバーラップ方法等がある。
【０００４】
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り使用されているが、伝搬時間（ｔ_ｓ）を計測すると（図４）、
ｔ_ｓ＝２ｔ_ｅ＋２ｔ_ａ＋２ｔ_ｔ …（１）
ｔ_ｅ：電気的遅延時間
ｔ_ａ：送信板伝搬時間
となり、真に必要な伝搬時間（ｔ_ｔ）以外にｔ_ｅ、ｔ_ａを含む。送信板伝搬時間（ｔ_ａ）は温度、圧力等の外的要因の影響を受け易く、電気的遅延時間（ｔ_ｅ）は電気回路系及び部品毎の個差の影響があり、高精度及び互換性を得るのが困難である。
【０００５】
オーバーラップ方法は、相対する送信板と受信板に挟まれる測定対象物内で、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の多重波伝搬時間ｔ_ｏ１、ｔ_ｏ２（図３）を測定することにより、伝搬時間（ｔ_ｔ）が
ｔ_ｔ＝（ｔ_ｏ２−ｔ_ｏ１）÷２ …（２）
で求められる。然しながら、現実の問題として、製造上、反射板と送信板を完全な平行に設置することは困難で、圧力、外力によっても平行度は変化し、この平行度に対するずれ、角度により測定誤差が発生する。
【０００６】
また、反射板の反射率が小さい場合、多重波を利用する方法では受信波の信号エネルギが小さく、計測が不安定となり計測不能になることもある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、超音波の伝搬時間を、外的要因の影響を受けにくい方法で高精度に安定的に計測可能とすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、第１と第２の超音波センサを対向配置し、それら両超音波センサの表面のそれぞれに第１と第２の反射板を設け、それら両反射板の対向間隔を距離Ｌとし、測定対象物内で、第１超音波センサから送信した超音波を第２超音波センサで受信するまでの時間ｔ_１と、第１超音波センサから送信した超音波を第２反射板で反射し、第１超音波センサで受信するまでの時間ｔ_２と、第２超音波センサから送信した超音波を第１超音波センサで受信するまでの時間ｔ_３と、第２超音波センサから送信した超音波を第１反射板で反射し、第２超音波センサで受信するまでの時間ｔ_４のそれぞれを計測し、測定対象物内での距離Ｌにおける超音波の伝搬時間ｔ_ｔを、ｔ_ｔ＝（ｔ_４−ｔ_３＋ｔ_２−ｔ_１）／２で求め、測定対象物の絶対音速Ｖを、Ｖ＝Ｌ／ｔ_ｔで求めるようにしたものである。
【０００９】
請求項２に記載の本発明は、第１と第２の超音波センサを対向配置し、それら両超音波センサの表面のそれぞれに第１と第２の反射板を設け、それら両反射板の対向間隔を距離Ｌとしてなる超音波計測装置であって、測定対象物内で、第１超音波センサから送信した超音波を第２超音波センサで受信するまでの時間ｔ_１と、第１超音波センサから送信した超音波を第２反射板で反射し、第１超音波センサで受信するまでの時間ｔ_２と、第２超音波センサから送信した超音波を第１超音波センサで受信するまでの時間ｔ_３と、第２超音波センサから送信した超音波を第１反射板で反射し、第２超音波センサで受信するまでの時間ｔ_４のそれぞれを計測する時間計測回路と、測定対象物内での距離Ｌにおける超音波の伝搬時間ｔ_ｔを、ｔ_ｔ＝（ｔ_４−ｔ_３＋ｔ_２−ｔ_１）／２で求め、測定対象物の絶対音速ＶをＶ＝Ｌ／ｔ_ｔで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。
【００１０】
【作用】
本発明にあっては、図１に示す如く、センサ１（第１超音波センサ）とセンサ２（第２超音波センサ）を対向配置し、それら両センサ１、２の表面のそれぞれに反射板１（第１反射板）、反射板２（第２反射板）を設け、それら両反射板１、２の対向間隔を距離Ｌとし、両反射板１、２に挟まれる測定対象物を気体、液体、もしくは固体とするものである。そして、センサ１より超音波を送信し、センサ２で受信する迄の時間（ｔ_１）を計測する。センサ１より送信し、反射板２で反射し、センサ１で受信した時間（ｔ_２）を計測する。センサ２より送信し、センサ１て受信した時間（ｔ_３）を計測する。センサ２より送信し、反射板１で反射し、センサ２で受信した時間（ｔ_４）を計測する。それらのデータに基づき

の演算を行なうことにより測定対象物中の伝搬時間（ｔ_ｔ）が求められる。
【００１１】
但し、ｔ_ｅ１、ｔ_ｅ２は電気的遅延時間であり、ｔ_ａ１、ｔ_ａ２は樹脂製反射板等の内部を透過する反射板伝搬時間とする。
【００１２】
本発明では、反射板１と反射板２の間隔である伝搬距離をＬとするとき、測定対象物の絶対音速Ｖを、
Ｖ＝Ｌ÷ｔ_ｔ …（４）
で求める。
【００１３】
（メリット１）
本発明によれば、センサ１とセンサ２を対向配置したから、反射板１、２の平行度に角度ずれがあっても、音速計測を従来方法に比して以下の如くに高精度にできる。
【００１４】
即ち、従来のオーバーラップ方法では、図５の送信板と受信板の平行度にずれ角度（θ）があるとき（図２）、センサは、
【数１】

の距離の伝搬時間を計測しており、測定誤差（ε_ｕ）は、
【数２】

となり、ｓｉｎθ≒θとおくと

となる。
【００１５】
これに対し、本発明方法では、反射板１、２の平行度にずれ角度θがあるとき（図２）、センサ１、２は、
【数３】

の距離の伝搬時間を計測しており、測定誤差（ε_ｎ）は
【数４】

となる。
【００１６】
ε_ｎとε_ｕを比較すると
【数５】

となるから、本発明方法によれば、従来方法に比して誤差が１／４、精度は４倍になる。
【００１７】
（メリット２）
本発明によれば、センサから測定対象物への不純物やイオンの析出を防止したり、センサの耐食性を向上するために、反射板を合成樹脂製とする場合にも、計測時の全送受信過程における超音波の反射回数を最大１回（ｔ_２、ｔ_４検出時の反射回数）とし、音速計測を従来方法に比して以下の如くに高精度且つ安定化できる。
【００１８】
即ち、反射板を合成樹脂等にした場合、超音波の反射率（Ｒ_ｏ）は
【数６】

となる。但しＺ_１：水の音響インピーダンス
Ｚ_２：合成樹脂（ＰＦＡ）の音響インピーダンス
【００１９】
このとき、本発明方法では、ｔ_１、ｔ_３検出時の超音波の反射回数は０回、ｔ_２、ｔ_４検出時の超音波の反射回数は１回であり、全送受信過程における超音波の反射回数は最大１回となり、その反射率Ｒｎは、
Ｒｎ＝Ｒ_ｏ ^１＝１／３．３ …（１２）
である。これに対し、従来のオーバーラップ方法では、図５のｔ_ｏ１検出時の超音波の反射回数は１回、ｔ_ｏ２検出時の超音波の反射回数は３回であり、全送受信過程における超音波の反射回数は最大３回となり、その反射率Ｒｕは、
Ｒｕ＝Ｒ_ｏ ^３＝１／３６ …（１３）
となる。本発明方法によれば、従来方法に比して、全送受信過程での総合的な反射率が１０倍以上になり、１０倍以上の受信波の信号エネルギを得ることが可能となるから、安定した計測ができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図３は超音波計測装置を示すブロック図である。
【００２１】
超音波計測装置は、超音波送受信装置１００、計測回路２００とを有して構成される。
【００２２】
超音波送受信装置１００は、センサ１を備える反射板１とセンサ２を備える反射板２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、液体又は固体）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１０１を備えている。
【００２３】
計測回路２００は、第１と第２の送信回路２０１Ａ、２０１Ｂ、第１と第２の受信回路２０２Ａ、２０２Ｂ、スイッチ１〜４（ｓｗ−１〜４）、ＡＧＣ回路２０３、検波回路２０４、信号選択回路２０５、信号選択制御回路２０６、位相比較回路２０７、電圧−周波数変換回路２０８、時間計測回路２０９、絶対音速演算ユニット２１０、温度計測回路２１１、演算処理ユニット２１２、出力部２１３で構成される。
【００２４】
計測回路２００は、時間計測回路２０９とを用いて、下記（１）〜（４）により、本発明の時間ｔ_１〜ｔ_４を計測する。
（１）時間ｔ_１
ｓｗ−１、ｓｗ−４を閉じ、センサ１より超音波を送信し、これをセンサ２で受信し、この間の伝搬時間（ｔ_１）を計測する。
【００２５】
このとき、計測回路２００は、ｔ_１（ｔ_２〜ｔ_４も同じ）を例えば以下の如くに求める。
【００２６】
超音波を、センサ１より送信し、センサ２と受信回路２０２Ｂで受信する。ｓｗ−４、ＡＧＣ回路２０３を経て検波回路２０４で検波し、信号選択回路２０５で信号を取出す。
【００２７】
位相比較回路２０７、電圧−周波数変換回路２０８、信号選択制御回路２０６はＰＬＬを構成しており、送信から受信の時間（ｔ_１）をｎ倍した時間を１周期とした周波数（ｆ_１）に変換する。その周期毎に信号選択制御回路２０６からｓｗ−１、送信回路２０１Ａを経てセンサ１より超音波を送信する。計測に多重波の影響が無いような時間を得るよう整数ｎを設定する。
【００２８】
周波数（ｆ_１）を、時間計測回路２０９で計測し、伝搬時間（ｔ _１）を求める。
【００２９】
（２）時間ｔ_２
ｓｗ−１、ｓｗ−３を閉じ、センサ１より超音波を送信し、これを反射板２で反射させた後、センサ１で受信し、この間の伝搬時間（ｔ_２）を計測する。
【００３０】
（３）時間ｔ_３
ｓｗ−２、ｓｗ−３を閉じ、センサ２より超音波を送信し、これをセンサ１で受信し、この間の伝搬時間（ｔ_３）を計測する。
【００３１】
（４）時間ｔ_４
ｓｗ−２、ｓｗ−４を閉じ、センサ２より超音波を送信し、これを反射板１で反射させた後、センサ２で受信し、この間の伝搬時間（ｔ_４）を計測する。
【００３２】
次に、計測回路２００は、絶対音速演算ユニット２１０を用いて、上記（１）、（２）、（３）、（４）で求めた時間（ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、ｔ_４）を前述（３）式で演算処理し、反射板１、２の間の距離Ｌにおける超音波の伝搬時間ｔ_ｔを求める。
【００３３】
そして、計測回路２００は、演算処理ユニット２１２を用いて、絶対音速演算ユニット２１０が求めた伝搬時間ｔ_ｔを前述（４）式で演算処理し、絶対音速（Ｖ）を求める。また、計測回路２００は、温度センサ１０１、温度計測回路２１１により測定対象物の温度Ｔを計測し、この温度Ｔと絶対音速Ｖとから、測定対象物の水分、濃度等の情報を得て出力部２１３より出力する。
【００３４】
【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、外的要因の影響を受けにくい方法で高精度に安定的に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の超音波対向型センサを示す模式図である。
【図２】図２は超音波計測装置を示すブロック図である。
【図３】図３は本発明方法と従来方法の計測誤差原理を示す模式図である。
【図４】図４は従来のシングアラウンド方法を示す模式図である。
【図５】図５は従来のオーバーラップ方法を示す模式図である。

Claims

第１と第２の超音波センサを対向配置し、それら両超音波センサの表面のそれぞれに第１と第２の反射板を設け、それら両反射板の対向間隔を距離Ｌとし、
測定対象物内で、第１超音波センサから送信した超音波を第２超音波センサで受信するまでの時間ｔ_１と、第１超音波センサから送信した超音波を第２反射板で反射し、第１超音波センサで受信するまでの時間ｔ_２と、第２超音波センサから送信した超音波を第１超音波センサで受信するまでの時間ｔ_３と、第２超音波センサから送信した超音波を第１反射板で反射し、第２超音波センサで受信するまでの時間ｔ_４のそれぞれを計測し、
測定対象物内での距離Ｌにおける超音波の伝搬時間ｔ_ｔを、ｔ_ｔ＝（ｔ_４−ｔ_３＋ｔ_２−ｔ_１）／２で求め、測定対象物の絶対音速Ｖを、Ｖ＝Ｌ／ｔ_ｔで求めることを特徴とする超音波計測方法。
第１と第２の超音波センサを対向配置し、それら両超音波センサの表面のそれぞれに第１と第２の反射板を設け、それら両反射板の対向間隔を距離Ｌとしてなる超音波計測装置であって、
測定対象物内で、第１超音波センサから送信した超音波を第２超音波センサで受信するまでの時間ｔ_１と、第１超音波センサから送信した超音波を第２反射板で反射し、第１超音波センサで受信するまでの時間ｔ_２と、第２超音波センサから送信した超音波を第１超音波センサで受信するまでの時間ｔ_３と、第２超音波センサから送信した超音波を第１反射板で反射し、第２超音波センサで受信するまでの時間ｔ_４のそれぞれを計測する時間計測回路と、
測定対象物内での距離Ｌにおける超音波の伝搬時間ｔ_ｔを、ｔ_ｔ＝（ｔ_４−ｔ_３＋ｔ_２−ｔ_１）／２で求め、測定対象物の絶対音速ＶをＶ＝Ｌ／ｔ_ｔで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。