JP4558114B2 - Non-contact fluid temperature measurement method using electromagnetic ultrasonic waves - Google Patents

Non-contact fluid temperature measurement method using electromagnetic ultrasonic waves Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は配管内を流動する流体の温度の測定方法に関し、更に詳細には、電磁超音波を用いることにより、配管の外側に超音波発信器と超音波検出器を非接触状態に配置して流体温度を測定できるようにした電磁超音波を用いた非接触型流体温度測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
超音波により物体の温度を測定する超音波温度計は、特開平7−243921号公報に開示されている。この公報では、人体やマグロ肉等の物体をプラスチック容器内に配置し、プラスチック容器の外側に容器に接触させた状態で超音波発振素子と超音波受信素子を対向状に配置し、超音波の伝達時間から物体中の音速を測定し、物体中の音速が物体温度によって変化することを利用して、物体の温度を決定するようにしたものである。
【0003】
この方法は、プラスチック容器内部の物体温度が常温程度の場合には何等問題はないが、物体温度が数百℃の高温やプラスチック容器が振動する場合には、多くの問題を生じることになる。
一般に、超音波発振素子や超音波受信素子には圧電素子が用いられている。この圧電素子は、プラスチック表面に密着させなければ内部に超音波が伝達しない性質を有しており、そのため、プラスチック表面に接触媒質の介在を不可欠としている。特開平9−138149号公報等では、この接触媒質を超音波伝達子とよんでいる。
【0004】
測定される物体が高温である場合、プラスチック表面も高温になる。その結果、圧電素子は誤作動を起し易くなり、温度を正常に測定できなくなる。又、物体温度が超低温や極超低温の場合にも圧電素子は誤作動を起こし、正確な温度測定が困難になる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、配管外から流体の温度を正確に測定することは、多くの産業分野から要請されている。例えば、原子力工学における増殖炉では、約400℃の液体ナトリウムが作動流体として用いられているが、配管外からの安全確実な液体ナトリウムの温度測定が必須の課題となっている。
【0006】
しかし、従前の超音波温度計は、実際的には圧電素子による超音波の発生とその検出ということであるため、配管外表面への密着剤として接触媒質が必要となり、長期の測定環境には適さない。又、圧電素子を接着するとしても、高温・振動等の厳しい環境下では、安定した計測の実例がないのが現状である。更に、圧電素子の交換においても、このような極端な環境下では圧電素子の交換自体が困難となり、補修を容易に行なえないと云う問題がある。
【0007】
本願発明は、従前の超音波温度計を用いた温度測定に於ける上述の如き問題の解決を課題とするものであり、超音波発信器と超音波検出器を配管の外周面に非接触状態に配置して、配管内の流体の温度を安定に、しかも高精度で測定できるようにした非接触型流体温度測定方法を提供することを、発明の第1目的とするものである。
又、本発明は、超音波発振器や超音波検出器を配管と非接触にすることにより、機械的振動や高温等の極端な悪条件が発振器や検出器へ直接に伝達しないようにして、安定した温度測定や保守点検、部品交換等をできるようにした非接触型流体温度測定方法を提供することを、発明の第2目的とするものである。
更に、上記超音波の検出において、本発明者が既に出願している高分解能超音波センサーを用いれば、高精度に音速を測定でき、従って流体温度を正確に導出できることを、発明の第3目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、流体が流通する配管の外周面に非接触状に電磁超音波発信器を近接して配置し、この電磁超音波発信器の上流側および下流側の前記電磁超音波発信器から第1次干渉超音波が到達する位置に超音波検出器を配管の外周面に非接触状に配置し、前記電磁超音波発信器により配管又は流体中に超音波を生起し、流体中を伝播してきた超音波エネルギーにより流体及び配管を振動させ、配管又は流体中の磁場を前記超音波の振動により変動させ、この変動磁場を前記超音波検出器により検出して超音波伝達時間τと上流側超音波到達点と下流側超音波到達点を検知し、電磁超音波発信器を基準点として前記両到達点までの距離、即ち、上流側距離Lと下流側距離Lを算定し、これらのパラメータから流体の音速cを導出し、この音速cから流体温度Tを測定することを発明の基本構成とするものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明者は、高温や振動等の影響を回避するには、超音波発信器や超音波検出器を配管の外周面近傍に非接触状態に配置するのが望ましいとの着想を得た。そして、この非接触条件を実現するために鋭意研究した結果、超音波発信器としては電磁超音波発信器を用い、また超音波検出器としては磁場変動を検出する超音波検出器が最適であるとの結論に到った。
【0013】
流体温度を測定するためには、まず流体中を伝播する超音波の音速cを測定する。超音波の伝達媒質である流体が決まれば、流体温度Tと音速cとの間には関数関係T=g(c)が成立している。例えば、空気を考えると、音速c(m/s)と温度T(℃)の間には、c=331+0.6Tの線形関係が成立している。従って、T=(c−331)/0.6=g(c)が成立する。全ての気体・液体に対して、このような関係式が成立している。つまり、音速cから一義的に流体温度Tが求まり、各流体毎に、T=g(c)の関係式が異なるだけに過ぎない。
【0014】
従って、流体温度Tを決めるためには、流体の配管内での流速cを決定することが前提となる。流速cは、前述した電磁超音波発信器と変動磁場検出型の超音波検出器により、高温や振動等の極端条件下であっても容易に決定することができる。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【0015】
図1は本発明に係る非接触型流体温度測定方法の第1実施形態の概要説明図である。直径Dの配管6の中を流体8が流速uで矢印方向に流動している。配管6の外周面近傍には、電磁超音波発信器2と超音波検出器4が配管の直径方向に非接触状態で配置されている。
【0016】
音速cと流速uの測定方法を簡単に説明すると、電磁超音波発信器2が超音波を発信してから時間τ後に超音波検出器4がその超音波を検出したとする。もし流体8が静止していれば点線で表わす静止到達点Oに到達するが、実際には媒質である流体8が流速uで流動しているため、実線の流動到達点Pに到達する。
【0017】
もし流体8が静止していた場合、点線で示すように静止伝達距離PTは直径Dになる。超音波は、音速cで静止伝達距離PTを走行するのに時間τだけ掛ることになり、PT=cτが成立する。従って、c=PT/τ=D/τにより音速cが求まる。他方、間隔OPをΔLで表わすと、ΔLはuτに等しいはずであり、これから流速uはu=ΔL/τで算出できる。
【0018】
図2は電磁超音波発信器2の斜視図であり、複数の永久磁石2aを磁極を相互に反転させながら組み合わせ、その上面にコイル2bを蛇行して構成されている。間隔dは磁極の反復単位を与え、2本の同極磁石間の間隔である。磁石の本数は任意に選択でき、最終的に、横W、縦K、高さHのサイズに構成される。
【0019】
図3は電磁超音波発信器2の発信機構の説明図である。本図では、図2に示す電磁超音波発信器2が逆転して配管6の近傍に非接触に配置されている。
コイル2bに高周波電流(例えば700〜200KHZ)を記号方向に流すと、配管6内に図示方向に渦電流が流れる。この渦電流は磁石2aの磁力線Mと相互作用して、実線矢印方向にローレンツ力Fが作用する。このローレンツ力Fが配管内の金属に縦波超音波を生起し、高周波電流の周波数と同じ振動数の超音波が発生する。
【0020】
このようにして発生した超音波はL波(Longitudinal Wave)であるが、本発明で使用する電磁超音波発信器は如何なる構成のものであってもよいが、発生する超音波は流体8を伝播する必要性から縦波が選ばれる。また、電磁超音波発信器は配管6と非接触であっても近接さえしていれば、超音波を流体8に伝達することができる。
【0021】
図3では配管6の金属部に超音波を誘起する場合を示したが、流体に超音波を直接誘起することもできる。流体8が液体金属の場合には、渦電流を流体中に生起できる。例えば、原子力工学の増殖炉で用いられる液体ナトリウムは高い電気伝導性を有しているため、渦電流が流体中に生起し、流体に直接、超音波を誘起できる。
【0022】
図4は超音波の伝播方向の説明図である。電磁超音波発信器2の磁石2aの個々から超音波が発生していると考えると、超音波の干渉により、超音波は特定方向にのみ射出されることになる。角度θ方向に射出される2本の超音波の位相差ΔはΔ=dsinθで与えられ、これが波長λの整数倍のときに強め合い、dsinθ=nλが成立する角度θ方向にのみ超音波は伝播してゆく。
【0023】
従って、n=0ではθ=0となり、第0次干渉超音波は配管6の直径方向に伝播する。n=1ではdsinθ=λ、即ちθ=sin-1(λ/d)の角度方向に第1次干渉超音波が伝播する。更に、θ=sin-1(nλ/d)で与えられる角度方向に第n次干渉超音波が伝播し、それ以外の方向では超音波が弱め合って伝播しない。但し、次数(order)nが大きくなるに従って、超音波強度は減衰してゆく。つまり、超音波測定には第0次や第1次等の低次干渉超音波が有効である。
【0024】
図5は図1の要部拡大図で、第0次干渉超音波の検出状態図である。超音波検出器4は複数の検出器ユニット4aを列設して構成されたアレイ型検出器である。このアレイ型検出器では、到達点の検出はデジタル的に行なわれる。例えば、超音波は多少拡がっているため、静止到達点Oは複数の検出器ユニット4aで検出されるが、その検出出力のピーク値を与える検出器ユニット4aの位置が静止到達点Oを与える。流動到達点Pも同様に決定され、間隔OP=ΔLは検出器ユニット何個分の間隔として定められる。また、超音波伝達時間τは高精度に測定できる。
【0025】
一般に、音速は流速に比べ非常に速いため、ΔLは小さな値となる。従来型の検出素子では検出面積が大きいためΔLを分解受信することが困難であった。本発明者は、既に非接触型で超高分解能の検出素子を開発し、出願している。この検出素子は超薄型の検出器ユニット4aであり、これを用いることによりΔLを高精度に測定することが可能になった。
【0026】
超音波検出器4としては前記アレイ型検出器であってもよいが、1つの検出器ユニット4aを配管軸方向に移動できるようにしてもよい。つまり、検出器ユニット4aを掃引して検出強度の最大点を流動到達点Pとする。
その他、超音波検出器4には種々の型式のものが利用できる。
【0027】
図6は検出器ユニット4aの一例の構成図である。コ字型のコアー4bの先端には磁石4c、4cが設けられ、また中央部には検出コイル4dがコアーに巻回されている。今、配管6が超音波により垂直矢印方向に動いたとすると、磁石4cの作用で配管内に渦電流が生起する。この渦電流による磁力線がコアー4b内に侵入して検出コイル4dにより超音波が検出される。コアーギャップ4eの大きさが超音波の検出分解能を与える。
この検出器ユニット4aは変動磁場を検出するため、配管6に対し非接触に配置できる。磁石4cがなくても、配管6の中に残留磁気があったり、流体8中に磁気があれば、これらの磁気により渦電流が生起して超音波が検出できる。
【0028】
この検出器ユニット4aについては図示の構成に限られず、既に本発明者が公開している特願平10−363453号、特願平10−363454号、特願平11−202643号に記載のユニットも利用できる。勿論、その他公知の超音波検出器も利用できるが、配管6に対し非接触に配置して検出できるものならば、本発明に利用できる。
【0029】
本発明の重要点は、電磁超音波発信器2と超音波検出器4が配管の外周面に対し非接触に配置できる点である。配管が高温等の極端条件にあっても、非接触であるから、直接的な影響を受け難い。また、非接触であるから、電磁超音波発信器と超音波検出器の冷却も可能であり、これらの機器の耐久性を保証することができる。同時に、交換作業も容易に行なえる等の効果を有する。
【0030】
図7は本発明の第2実施形態の概要説明図である。図1が第0次干渉超音波を用いるのに対し、図7は第1次干渉超音波を用いる点に特徴を有する。例えば、超音波検出器4を電磁超音波発信器2の直径方向前方に置く余地が物理的にない場合や、配管直径Dが超音波パルス幅に比して小さい場合には検出精度が悪くなるので、径路の長い第1次干渉超音波が用いられる。
【0031】
図8は本発明の第3実施形態の概要説明図である。超音波検出器4を電磁超音波発信器2と同じ側に設けている。例えば、配管6の奥側の空間がない場合には、両装置2、4を同じ側に置く必要がある。この場合には反射波を検出するので、第1次干渉超音波を用いる。より高次の干渉超音波を用いてもよいが、高次になる程信号強度が低下するので、注意が必要である。
【0032】
図7及び図8の測定方法は図1と全く同様である。点線の全長である静止伝達距離PTは角度θが決まれば、図7ではPT=D/cosθ、図8ではPT=2D/cosθからPTが定まる。超音波伝達時間τは、超音波発射時刻と超音波検出時刻の差として決定できるから、音速cはc=PT/τを通して算出できる。
【0033】
一方、静止到達点Oと流動到達点Pの間隔OPがΔLとなり、ΔL=uτの関係式が成立する。従って、超音波到達時間τを計測することにより、u=ΔL/τにより流速uが測定される。
【0034】
図9は流体の流速および流量の測定フローチャートである。ステップn1でt=0の時刻に電磁超音波を発射し、t=τの時刻に超音波を検出(n2)する。この時間間隔τが超音波到達時間となる。静止伝達距離PTはシステムが決まれば幾何学的に定まるから、音速cをc=PT/τ(n3)から求める。次に、T=g(c)の温度音速関係式(n4)から流体温度Tを最終的に導出する。
【0035】
図10は本発明の第4実施形態の概要説明図である。配管6の中には流体8が流速uで矢印方向に流動している。配管6の上側には電磁超音波発信器2が配置され、逆側には上流側超音波検出器4uと下流側超音波検出器4dが配置されている。両検出器4u、4dが複数の検出器ユニットの集合体であるのは超音波検出器4と同様である。
【0036】
本実施形態では第1次干渉超音波(n=1)を用いるが、その理由は超音波パルスの間隔に比して伝達径路を長くとるために斜行径路を用い、超音波パルスを正確に検出して、測定精度を高めるためである。点線は静止流体での径路を表わし、角度θはθ=sin-1(λ/d)で与えられる。もし流体が静止していれば、上流側及び下流側とも超音波は静止到達点O1 、O2 に到達するであろう。しかし、流体は流速uで流動しているため、超音波は上流側超音波到達点P1 と下流側超音波到達点P2 に到達する。超音波伝達時間をτとすると、O1 1 =uτ、O2 2 =uτとなる。
【0037】
まず、第n次干渉超音波を用いた場合の一般式を導出する。中心点をOとし、OP1 =Lu 、OP2 =Ld 、OO1 =L、OO2 =Lとすると、Lu =L−uτ、Ld =L+uτとなる。
これからLu +Ld =2Lとなる。一方、点線で表わされる斜辺の長さ、つまり静止伝達距離cτからL=cτ・sinθとなり、Lu +Ld =2cτ・sinθとなる。またdsinθ=nλよりsinθ=nλ/dである。超音波振動数fよりλ=c/fとなり、sinθ=nc/dfとなる。故に、Ld +Lu =2nc2 τ/dfから、c={df(Ld +Lu )/2nτ}1/2 となる。
【0038】
従って、上流側距離Lu 、下流側距離Ld および超音波伝達時間τの3個のパラメータを検出すれば音速cが算出できる。干渉次数n、間隔d、振動数fは事前に与えられている。通常は第1次干渉超音波(n=1)を用いるから、c={df(Ld +Lu )/2τ}1/2 により音速は求められる。
【0039】
また、流速uはu=(Ld −Lu )/2τで算出されることが分る。つまり流速uも上流側距離Lu 、下流側距離Ld および超音波伝達時間τの3種類のパラメータで算出できることが分る。上流側および下流側の超音波到達点P1 、P2 は超音波検出器4u、4dにより正確に求められるから、上式により音速cと流速uは正確に導出できる。
【0040】
図11は本発明の第5実施形態の概要説明図である。図10との相違点は、上流側超音波検出器4uと下流側超音波検出器4dを電磁超音波発信器2と同じ側に配置したことである。配管6の逆側にこれら装置を配置する空間がない場合に有効である。従って、本実施形態では第1次干渉超音波を反射させて測定する。
【0041】
図12は図11の展開図である。従って、上下間隔が配管直径Dの2倍になる。この展開図で超音波の検出を考えると図10と全く同様になる。流速uはu=(Ld −Lu )/2τ、音速cはc={df(Ld +Lu )/2τ}1/2 で算出される。超音波伝達時間τは一回反射して到達した時間であり、上流側距離Lu と下流側距離Ld は図示の通りである。
【0042】
図13は、図10および図11に対する流体の温度の測定フローチャートである。ステップn11でt=0の時刻に電磁超音波を発射し、t=τの時刻に超音波を検出(n12)する。同時に、上流側距離Lu と下流側距離Ld を算出(n13)し、干渉次数n(n14)を用いて、音速cが導出(n15)される。最後に、温度・音速関係式(n16)を通して流体温度Tが決定される。
【0043】
図14〜図16は電磁超音波発信器2の発信器ユニット2cの実施例である。図14の発信器ユニット2cを連接すれば前記した電磁超音波発信器2を構成できる。図15および図16の発信器ユニット2cは形状が異なるが、発信器2の単位となる点では同様である。
【0044】
各発信器ユニット2cのコイル2bを接続してもよいし、各コイル2bを個々に分離してもよい。分離した場合には、各コイル2bを流れる電流の位相を制御することが必要になる。接続して1本線にした場合には、図2に示すように位相制御は必要でなくなる。いずれにしても、公知の技術を適用することができる。
【0045】
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更等をその技術的範囲内に包含するものである。
【0046】
【発明の効果】
本願発明によれば、配管の外周面上に非接触状態で電磁超音波発信器と超音波検出器を配置して流体温度を測定するようにしているため、流体の高温性や配管の機械的振動などの影響を受けることなしに極端な悪条件下での測定が可能となる。その結果、測定系の長寿命化を図れると共に、保守点検や部品交換などの作業を容易化することができる。
【0047】
また、本願発明によれば、配管直径が短かい場合でも、第1次干渉超音波を利用して超音波の走行径路を長くして温度測定の精度向上を図ることが出来ると共に、電磁超音波発信器の対向面の空間に余裕がない場合にも活用することができ、測定系の配置の多様化を図ることができる。
【0049】
更に、本願発明によれば、超音波強度の大きな第1次干渉超音波を利用するから、流体温度測定の正確性を期することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る非接触型流体温度測定方法の第1実施形態の概要説明図である。
【図2】電磁超音波発信器の斜視図である。
【図3】電磁超音波発信器の発信機構の説明図である。
【図4】超音波の伝播方向の説明図である。
【図5】図1の要部を拡大した第0次干渉超音波の検出状態図である。
【図6】検出器ユニットの一例の構成図である。
【図7】本発明の第2実施形態の概要説明図である。
【図8】本発明の第3実施形態の概要説明図である。
【図9】流体温度の測定フローチャートである。
【図10】本発明の第4実施形態の概要説明図である。
【図11】本発明の第5実施形態の概要説明図である。
【図12】図11の展開図である。
【図13】図10および図11に対する流体温度の測定フローチャートである。
【図14】電磁超音波発信器の発信器ユニットの第1実施例である。
【図15】電磁超音波発信器の発信器ユニットの第2実施例である。
【図16】電磁超音波発信器の発信器ユニットの第3実施例である。
【符号の説明】
2は電磁超音波発信器、2aは磁石、2bはコイル、2cは発信器ユニット、4は超音波検出器、4aは検出器ユニット、4bはコアー、4cは磁石、4dは検出コイル、4eはコアーギャップ、4uは上流側超音波検出器、4dは下流側超音波検出器、6は配管、8は流体、cは音速、Dは配管直径、dは間隔、fは超音波振動数、Fはローレンツ力、Hは高さ、Kは縦、Lu は上流側距離、Ld は下流側距離、Mは磁力線、nは干渉次数、PTは静止伝達距離、Wは横、Δは位相差。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for measuring the temperature of a fluid flowing in a pipe, and more specifically, by using electromagnetic ultrasonic waves, an ultrasonic transmitter and an ultrasonic detector are arranged in a non-contact state outside the pipe. The present invention relates to a non-contact type fluid temperature measurement method using electromagnetic ultrasonic waves that can measure a fluid temperature.
[0002]
[Prior art]
An ultrasonic thermometer that measures the temperature of an object using ultrasonic waves is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-243922. In this publication, an object such as a human body or a tuna meat is placed in a plastic container, and an ultrasonic oscillation element and an ultrasonic receiving element are arranged opposite to each other with the container in contact with the outside of the plastic container. The speed of sound in the object is measured from the transmission time, and the temperature of the object is determined by utilizing the fact that the speed of sound in the object changes according to the object temperature.
[0003]
This method has no problem when the object temperature inside the plastic container is about room temperature, but it causes many problems when the object temperature is a high temperature of several hundred degrees Celsius or the plastic container vibrates.
Generally, a piezoelectric element is used for an ultrasonic oscillation element and an ultrasonic reception element. This piezoelectric element has a property that ultrasonic waves are not transmitted to the inside unless it is in close contact with the plastic surface. Therefore, it is indispensable to interpose a contact medium on the plastic surface. In JP-A-9-138149 and the like, this contact medium is called an ultrasonic transmitter.
[0004]
If the object being measured is hot, the plastic surface will also be hot. As a result, the piezoelectric element is liable to malfunction and the temperature cannot be measured normally. Even when the object temperature is very low or extremely low, the piezoelectric element malfunctions, making accurate temperature measurement difficult.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, it is requested from many industrial fields to accurately measure the temperature of the fluid from outside the pipe. For example, in a breeding reactor in nuclear engineering, liquid sodium at about 400 ° C. is used as a working fluid. However, it is essential to measure the temperature of liquid sodium safely and reliably from outside the pipe.
[0006]
However, since the conventional ultrasonic thermometer is actually the generation and detection of ultrasonic waves by a piezoelectric element, a contact medium is required as an adhesive to the outer surface of the pipe. Not suitable. Even if the piezoelectric element is bonded, there is no actual example of stable measurement under severe environments such as high temperature and vibration. Further, in the replacement of the piezoelectric element, it is difficult to replace the piezoelectric element itself under such an extreme environment, and the repair cannot be easily performed.
[0007]
The present invention is intended to solve the above-described problems in temperature measurement using a conventional ultrasonic thermometer, and the ultrasonic transmitter and the ultrasonic detector are not in contact with the outer peripheral surface of the pipe. It is a first object of the present invention to provide a non-contact type fluid temperature measuring method that is arranged in the above-described manner so that the temperature of the fluid in the pipe can be measured stably and with high accuracy.
In addition, the present invention provides an ultrasonic oscillator and an ultrasonic detector that are not in contact with piping so that extreme adverse conditions such as mechanical vibrations and high temperatures are not directly transmitted to the oscillator and detector. It is a second object of the present invention to provide a non-contact type fluid temperature measurement method capable of performing temperature measurement, maintenance inspection, and part replacement.
Furthermore, in the detection of the ultrasonic wave, the third object of the invention is that if the high resolution ultrasonic sensor already filed by the present inventor is used, the speed of sound can be measured with high accuracy and the fluid temperature can be accurately derived. It is what.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to the invention of claim 1, an electromagnetic ultrasonic transmitter is arranged in a non-contact manner on the outer peripheral surface of a pipe through which a fluid flows, and the electromagnetic ultrasonic transmission on the upstream side and the downstream side of the electromagnetic ultrasonic transmitter is arranged. An ultrasonic detector is arranged in a non-contact manner on the outer peripheral surface of the pipe at a position where the primary interference ultrasonic wave reaches from the vessel, and an ultrasonic wave is generated in the pipe or the fluid by the electromagnetic ultrasonic transmitter. The fluid and the pipe are vibrated by the ultrasonic energy propagated through the pipe, the magnetic field in the pipe or the fluid is fluctuated by the vibration of the ultrasonic wave, and the fluctuating magnetic field is detected by the ultrasonic detector and the ultrasonic transmission time τ is obtained. detecting the upstream ultrasonic arrival point and the downstream ultrasonic arrival point, a distance until said both arrival point electromagnetic ultrasonic transmitter as a reference point, i.e., to calculate the upstream distance L u and the downstream distance L d Deriving the sound velocity c of the fluid from these parameters, It is an basic configuration of the invention to measure the fluid temperature T from the sound velocity c in.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present inventor has come up with the idea that in order to avoid the influence of high temperature, vibration, etc., it is desirable to dispose the ultrasonic transmitter and the ultrasonic detector in a non-contact state in the vicinity of the outer peripheral surface of the pipe. And as a result of earnest research to realize this non-contact condition, an ultrasonic detector that uses an electromagnetic ultrasonic transmitter as an ultrasonic transmitter and an ultrasonic detector that detects magnetic field fluctuations are optimal as an ultrasonic detector. The conclusion was reached.
[0013]
In order to measure the fluid temperature, first, the sound velocity c of the ultrasonic wave propagating in the fluid is measured. If the fluid that is the ultrasonic transmission medium is determined, a functional relationship T = g (c) is established between the fluid temperature T and the sound velocity c. For example, considering air, a linear relationship of c = 331 + 0.6T is established between the sound velocity c (m / s) and the temperature T (° C.). Therefore, T = (c-331) /0.6=g (c) is established. Such a relational expression holds for all gases and liquids. That is, the fluid temperature T is uniquely determined from the sound velocity c, and only the relational expression of T = g (c) is different for each fluid.
[0014]
Therefore, in order to determine the fluid temperature T, it is premised that the flow velocity c in the fluid piping is determined. The flow velocity c can be easily determined even under extreme conditions such as high temperature and vibration by the above-described electromagnetic ultrasonic transmitter and the variable magnetic field detection type ultrasonic detector.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0015]
FIG. 1 is a schematic explanatory view of a first embodiment of a non-contact type fluid temperature measuring method according to the present invention. A fluid 8 is flowing in the direction of the arrow at a flow velocity u in the pipe 6 having a diameter D. Near the outer peripheral surface of the pipe 6, the electromagnetic ultrasonic transmitter 2 and the ultrasonic detector 4 are arranged in a non-contact state in the diameter direction of the pipe.
[0016]
The measurement method of the sound velocity c and the flow velocity u will be briefly described. It is assumed that the ultrasonic detector 4 detects the ultrasonic wave after a time τ after the electromagnetic ultrasonic transmitter 2 transmits the ultrasonic wave. If the fluid 8 is stationary, it reaches a stationary arrival point O indicated by a dotted line. However, since the fluid 8 that is a medium is flowing at a flow velocity u, the fluid 8 reaches a flow arrival point P indicated by a solid line.
[0017]
If the fluid 8 is stationary, the stationary transmission distance PT becomes the diameter D as indicated by the dotted line. The ultrasonic wave takes time τ to travel the stationary transmission distance PT at the speed of sound c, and PT = cτ is established. Therefore, the speed of sound c is obtained by c = PT / τ = D / τ. On the other hand, if the interval OP is expressed by ΔL, ΔL should be equal to uτ, and the flow velocity u can be calculated from u = ΔL / τ.
[0018]
FIG. 2 is a perspective view of the electromagnetic ultrasonic transmitter 2, which is configured by combining a plurality of permanent magnets 2a while reversing the magnetic poles, and meandering a coil 2b on the upper surface thereof. The distance d gives a repetitive unit of magnetic poles and is a distance between two homopolar magnets. The number of magnets can be selected arbitrarily, and is finally configured in a size of horizontal W, vertical K, and height H.
[0019]
FIG. 3 is an explanatory diagram of a transmission mechanism of the electromagnetic ultrasonic transmitter 2. In this figure, the electromagnetic ultrasonic transmitter 2 shown in FIG. 2 is reversely disposed in the vicinity of the pipe 6 in a non-contact manner.
When a high-frequency current (for example, 700 to 200 KHZ) is passed through the coil 2b in the symbol direction, an eddy current flows in the pipe 6 in the illustrated direction. This eddy current interacts with the magnetic force line M of the magnet 2a, and the Lorentz force F acts in the direction of the solid line arrow. This Lorentz force F generates longitudinal ultrasonic waves on the metal in the pipe, and ultrasonic waves having the same frequency as the frequency of the high-frequency current are generated.
[0020]
The ultrasonic wave thus generated is an L wave (Longitudinal Wave), but the electromagnetic ultrasonic wave transmitter used in the present invention may have any configuration, but the generated ultrasonic wave propagates through the fluid 8. Longitudinal waves are chosen because of the need to do. In addition, even if the electromagnetic ultrasonic transmitter is not in contact with the pipe 6, it can transmit ultrasonic waves to the fluid 8 as long as it is in close proximity.
[0021]
Although FIG. 3 shows the case where the ultrasonic wave is induced in the metal part of the pipe 6, the ultrasonic wave can also be directly induced in the fluid. When the fluid 8 is a liquid metal, an eddy current can be generated in the fluid. For example, liquid sodium used in breeding reactors of nuclear engineering has high electrical conductivity, so that eddy currents are generated in the fluid and ultrasonic waves can be directly induced in the fluid.
[0022]
FIG. 4 is an explanatory diagram of the propagation direction of ultrasonic waves. If it is considered that an ultrasonic wave is generated from each of the magnets 2a of the electromagnetic ultrasonic transmitter 2, the ultrasonic wave is emitted only in a specific direction due to the interference of the ultrasonic wave. The phase difference Δ between the two ultrasonic waves emitted in the direction of the angle θ is given by Δ = d sin θ, and is strengthened when this is an integral multiple of the wavelength λ, and the ultrasonic wave is only in the direction of the angle θ where d sin θ = nλ is established. Propagating.
[0023]
Therefore, when n = 0, θ = 0, and the 0th-order interference ultrasonic wave propagates in the diameter direction of the pipe 6. When n = 1, the primary interference ultrasonic wave propagates in the angle direction of dsin θ = λ, that is, θ = sin −1 (λ / d). Furthermore, the n-th order interference ultrasonic waves propagate in the angle direction given by θ = sin −1 (nλ / d), and the ultrasonic waves weaken and do not propagate in other directions. However, the ultrasonic intensity decreases as the order n increases. That is, low-order interference ultrasonic waves such as 0th order and 1st order are effective for ultrasonic measurement.
[0024]
FIG. 5 is an enlarged view of a main part of FIG. 1, and is a detection state diagram of the 0th-order interference ultrasonic wave. The ultrasonic detector 4 is an array type detector configured by arranging a plurality of detector units 4a. In this array type detector, the arrival point is detected digitally. For example, since the ultrasonic wave has spread a little, the stationary arrival point O is detected by the plurality of detector units 4a, but the position of the detector unit 4a that gives the peak value of the detection output gives the stationary arrival point O. The flow arrival point P is similarly determined, and the interval OP = ΔL is determined as an interval corresponding to how many detector units. Further, the ultrasonic transmission time τ can be measured with high accuracy.
[0025]
In general, since the speed of sound is much faster than the flow velocity, ΔL is a small value. Since the conventional detection element has a large detection area, it is difficult to decompose and receive ΔL. The present inventor has already developed and applied for a non-contact and ultra-high resolution detection element. This detection element is an ultra-thin detector unit 4a, and by using this, ΔL can be measured with high accuracy.
[0026]
The ultrasonic detector 4 may be the above-described array type detector, but one detector unit 4a may be movable in the pipe axis direction. That is, the detector unit 4a is swept and the maximum point of the detected intensity is set as the flow arrival point P.
In addition, various types of ultrasonic detectors 4 can be used.
[0027]
FIG. 6 is a configuration diagram of an example of the detector unit 4a. Magnets 4c and 4c are provided at the tip of the U-shaped core 4b, and a detection coil 4d is wound around the core at the center. If the pipe 6 is moved in the direction of the vertical arrow by the ultrasonic wave, an eddy current is generated in the pipe by the action of the magnet 4c. The lines of magnetic force due to this eddy current enter the core 4b, and ultrasonic waves are detected by the detection coil 4d. The size of the core gap 4e provides the ultrasonic detection resolution.
Since this detector unit 4a detects a variable magnetic field, it can be arranged in a non-contact manner with respect to the pipe 6. Even if there is no magnet 4c, if there is residual magnetism in the pipe 6 or if there is magnetism in the fluid 8, eddy currents are generated by these magnetisms, and ultrasonic waves can be detected.
[0028]
The detector unit 4a is not limited to the configuration shown in the figure, and the units described in Japanese Patent Application Nos. 10-363453, 10-363454, and 11-202443, which have already been disclosed by the present inventors. Can also be used. Of course, other known ultrasonic detectors can also be used. However, any ultrasonic detector that can be detected in a non-contact manner with respect to the pipe 6 can be used in the present invention.
[0029]
The important point of the present invention is that the electromagnetic ultrasonic transmitter 2 and the ultrasonic detector 4 can be arranged in a non-contact manner with respect to the outer peripheral surface of the pipe. Even if the piping is in extreme conditions such as high temperature, it is not contacted and is not directly affected. Moreover, since it is non-contact, the electromagnetic ultrasonic transmitter and the ultrasonic detector can be cooled, and the durability of these devices can be guaranteed. At the same time, the replacement work can be easily performed.
[0030]
FIG. 7 is a schematic explanatory diagram of the second embodiment of the present invention. While FIG. 1 uses the 0th order interference ultrasonic wave, FIG. 7 is characterized in that the 1st order interference ultrasonic wave is used. For example, when there is no room to physically place the ultrasonic detector 4 in the diameter direction of the electromagnetic ultrasonic transmitter 2, or when the pipe diameter D is smaller than the ultrasonic pulse width, the detection accuracy is deteriorated. Therefore, a primary interference ultrasonic wave having a long path is used.
[0031]
FIG. 8 is a schematic explanatory diagram of a third embodiment of the present invention. The ultrasonic detector 4 is provided on the same side as the electromagnetic ultrasonic transmitter 2. For example, when there is no space on the back side of the pipe 6, it is necessary to place both devices 2 and 4 on the same side. In this case, since the reflected wave is detected, the primary interference ultrasonic wave is used. Higher order interfering ultrasonic waves may be used, but care must be taken because the signal strength decreases as the order increases.
[0032]
7 and 8 are exactly the same as those in FIG. If the angle θ is determined, the stationary transmission distance PT, which is the entire length of the dotted line, is determined from PT = D / cos θ in FIG. 7 and PT = 2D / cos θ in FIG. Since the ultrasonic transmission time τ can be determined as the difference between the ultrasonic emission time and the ultrasonic detection time, the sound speed c can be calculated through c = PT / τ.
[0033]
On the other hand, the distance OP between the stationary arrival point O and the flow arrival point P is ΔL, and the relational expression ΔL = uτ holds. Therefore, the flow velocity u is measured by u = ΔL / τ by measuring the ultrasonic arrival time τ.
[0034]
FIG. 9 is a flow chart for measuring the flow rate and flow rate of the fluid. In step n1, electromagnetic ultrasonic waves are emitted at time t = 0, and ultrasonic waves are detected at time t = τ (n2). This time interval τ becomes the ultrasonic wave arrival time. Since the static transmission distance PT is geometrically determined once the system is determined, the speed of sound c is obtained from c = PT / τ (n3). Next, the fluid temperature T is finally derived from the temperature sound velocity relational expression (n4) of T = g (c).
[0035]
FIG. 10 is a schematic explanatory diagram of the fourth embodiment of the present invention. A fluid 8 flows in the pipe 6 at a flow velocity u in the direction of the arrow. The electromagnetic ultrasonic transmitter 2 is disposed on the upper side of the pipe 6, and the upstream ultrasonic detector 4 u and the downstream ultrasonic detector 4 d are disposed on the opposite side. Both the detectors 4u and 4d are an aggregate of a plurality of detector units, as in the ultrasonic detector 4.
[0036]
In the present embodiment, the primary interference ultrasonic wave (n = 1) is used because the oblique path is used to make the transmission path longer than the interval between the ultrasonic pulses, and the ultrasonic pulse is accurately detected. This is to detect and increase measurement accuracy. The dotted line represents the path in the stationary fluid, and the angle θ is given by θ = sin −1 (λ / d). If the fluid is stationary, the ultrasonic waves will reach the stationary arrival points O 1 and O 2 on both the upstream and downstream sides. However, since the fluid flows at the flow velocity u, the ultrasonic waves reach the upstream ultrasonic wave arrival point P 1 and the downstream ultrasonic wave arrival point P 2 . If the ultrasonic transmission time is τ, O 1 P 1 = uτ and O 2 P 2 = uτ.
[0037]
First, a general formula in the case of using nth-order interference ultrasonic waves is derived. If the center point is O, OP 1 = L u , OP 2 = L d , OO 1 = L, OO 2 = L, then L u = L−uτ and L d = L + uτ.
From this, L u + L d = 2L. On the other hand, L = cτ · sin θ from the length of the hypotenuse represented by the dotted line, that is, the static transmission distance cτ, and L u + L d = 2cτ · sin θ. Further, since dsin θ = nλ, sin θ = nλ / d. From the ultrasonic frequency f, λ = c / f and sin θ = nc / df. Therefore, from L d + L u = 2nc 2 τ / df, c = {df (L d + L u ) / 2nτ} 1/2 .
[0038]
Therefore, the sound speed c can be calculated by detecting three parameters, the upstream distance L u , the downstream distance L d, and the ultrasonic transmission time τ. The interference order n, interval d, and frequency f are given in advance. Since the primary interference ultrasonic wave (n = 1) is usually used, the speed of sound can be obtained by c = {df (L d + L u ) / 2τ} 1/2 .
[0039]
It can also be seen that the flow velocity u is calculated by u = (L d −L u ) / 2τ. That is, it can be seen that the flow velocity u can also be calculated by three types of parameters, the upstream distance L u , the downstream distance L d, and the ultrasonic transmission time τ. Since the ultrasonic arrival points P 1 and P 2 on the upstream side and the downstream side are accurately obtained by the ultrasonic detectors 4u and 4d, the sound velocity c and the flow velocity u can be accurately derived from the above equations.
[0040]
FIG. 11 is a schematic explanatory diagram of a fifth embodiment of the present invention. The difference from FIG. 10 is that the upstream ultrasonic detector 4 u and the downstream ultrasonic detector 4 d are arranged on the same side as the electromagnetic ultrasonic transmitter 2. This is effective when there is no space for arranging these devices on the opposite side of the pipe 6. Therefore, in the present embodiment, the first interference ultrasonic wave is reflected and measured.
[0041]
FIG. 12 is a development view of FIG. Therefore, the vertical distance is twice the pipe diameter D. Considering the detection of ultrasonic waves in this developed view, it is exactly the same as FIG. The flow velocity u is calculated by u = (L d −L u ) / 2τ, and the sound velocity c is calculated by c = {df (L d + L u ) / 2τ} 1/2 . The τ ultrasonic transmission time is the time reaching reflected once, the upstream distance L u and the downstream distance L d is as shown.
[0042]
FIG. 13 is a flow chart for measuring the temperature of the fluid with respect to FIGS. In step n11, electromagnetic ultrasonic waves are emitted at time t = 0, and ultrasonic waves are detected at time t = τ (n12). At the same time, the upstream distance L u and the downstream distance L d are calculated (n13), and the sound speed c is derived (n15) using the interference order n (n14). Finally, the fluid temperature T is determined through the temperature / sound velocity relational expression (n16).
[0043]
14 to 16 show an embodiment of the transmitter unit 2 c of the electromagnetic ultrasonic transmitter 2. If the transmitter unit 2c of FIG. 14 is connected, the electromagnetic ultrasonic transmitter 2 described above can be configured. The transmitter unit 2c in FIGS. 15 and 16 is different in shape, but is similar in that it is a unit of the transmitter 2.
[0044]
The coil 2b of each transmitter unit 2c may be connected, or each coil 2b may be individually separated. When separated, it is necessary to control the phase of the current flowing through each coil 2b. When connected to a single line, phase control is not necessary as shown in FIG. In any case, a known technique can be applied.
[0045]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications, design changes, and the like within the technical scope without departing from the technical idea of the present invention.
[0046]
【The invention's effect】
According to the present invention , the electromagnetic ultrasonic transmitter and the ultrasonic detector are arranged in a non-contact state on the outer peripheral surface of the pipe so as to measure the fluid temperature. Measurement under extreme adverse conditions is possible without being affected by vibration. As a result, it is possible to extend the life of the measurement system and facilitate work such as maintenance and inspection and part replacement.
[0047]
Further, according to the present invention, even when the pipe diameter is short, it is possible to improve the accuracy of temperature measurement by lengthening the traveling path of the ultrasonic wave by using the primary interference ultrasonic wave, and to improve the accuracy of the electromagnetic ultrasonic wave. This can be utilized even when the space on the facing surface of the transmitter is not sufficient, and the arrangement of the measurement system can be diversified.
[0049]
Furthermore, according to the present invention, since the first interference ultrasonic wave having a high ultrasonic intensity is used, the accuracy of fluid temperature measurement can be expected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a first embodiment of a non-contact type fluid temperature measuring method according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of an electromagnetic ultrasonic transmitter.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a transmission mechanism of an electromagnetic ultrasonic transmitter.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a propagation direction of ultrasonic waves.
FIG. 5 is a detection state diagram of the 0th-order interference ultrasound in which the main part of FIG. 1 is enlarged.
FIG. 6 is a configuration diagram of an example of a detector unit.
FIG. 7 is a schematic explanatory diagram of a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic explanatory diagram of a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a flow chart for measuring a fluid temperature.
FIG. 10 is a schematic explanatory diagram of a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic explanatory diagram of a fifth embodiment of the present invention.
12 is a development view of FIG. 11. FIG.
13 is a fluid temperature measurement flowchart for FIGS. 10 and 11. FIG.
FIG. 14 is a first embodiment of a transmitter unit of an electromagnetic ultrasonic transmitter.
FIG. 15 is a second embodiment of a transmitter unit of an electromagnetic ultrasonic transmitter.
FIG. 16 is a third embodiment of a transmitter unit of an electromagnetic ultrasonic transmitter.
[Explanation of symbols]
2 is an electromagnetic ultrasonic transmitter, 2a is a magnet, 2b is a coil, 2c is a transmitter unit, 4 is an ultrasonic detector, 4a is a detector unit, 4b is a core, 4c is a magnet, 4d is a detection coil, 4e is Core gap, 4u is upstream ultrasonic detector, 4d is downstream ultrasonic detector, 6 is piping, 8 is fluid, c is sound velocity, D is pipe diameter, d is interval, f is ultrasonic frequency, F Lorentz force, H is height, K is vertical, L u upstream distance, L d downstream distance, M is the magnetic field lines, n represents the order of interference, PT is stationary transmission distance, W is horizontal, delta phase difference .

Claims (1)

流体が流通する配管の外周面に非接触状に電磁超音波発信器を近接して配置し、この電磁超音波発信器の上流側および下流側の前記電磁超音波発信器から第1次干渉超音波が到達する位置に超音波検出器を配管の外周面に非接触状に配置し、前記電磁超音波発信器により配管又は流体中に超音波を生起し、流体中を伝播してきた超音波エネルギーにより流体及び配管を振動させ、配管又は流体中の磁場を前記超音波の振動により変動させ、この変動磁場を前記超音波検出器により検出して超音波伝達時間τと上流側超音波到達点と下流側超音波到達点を検知し、電磁超音波発信器を基準点として前記両到達点までの距離、即ち、上流側距離Lと下流側距離Lを算定し、これらのパラメータから流体の音速cを導出し、この音速cから流体温度Tを測定することを特徴とする電磁超音波を用いた非接触型流体温度測定方法。An electromagnetic ultrasonic transmitter is disposed close to the outer peripheral surface of the pipe through which the fluid flows in a non-contact manner. From the electromagnetic ultrasonic transmitters on the upstream side and the downstream side of the electromagnetic ultrasonic transmitter, the primary interference ultrasonic wave is transmitted. Ultrasonic energy that has been propagated in the fluid by placing an ultrasonic detector on the outer peripheral surface of the pipe in a non-contact manner at the position where the sound wave reaches, generating ultrasonic waves in the pipe or fluid by the electromagnetic ultrasonic transmitter The fluid and the pipe are vibrated by, the magnetic field in the pipe or the fluid is fluctuated by the vibration of the ultrasonic wave, the fluctuating magnetic field is detected by the ultrasonic detector, and the ultrasonic transmission time τ and the upstream ultrasonic wave arrival point are detecting the downstream ultrasonic arrival point, a distance until said both arrival point electromagnetic ultrasonic transmitter as a reference point, i.e., to calculate the upstream distance L u and the downstream distance L d, of the fluid from these parameters The sound speed c is derived, and the fluid is derived from the sound speed c. A non-contact type fluid temperature measuring method using electromagnetic ultrasonic waves, characterized by measuring a temperature T.
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