JP4843790B2

JP4843790B2 - 超音波を用いた温度測定方法

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Publication number: JP4843790B2
Application number: JP2006251806A
Authority: JP
Inventors: 郁夫井原; 学高橋; 大輔釜親
Original assignee: Nagaoka University of Technology NUC
Current assignee: Nagaoka University of Technology NUC
Priority date: 2006-09-15
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-09-15
Also published as: JP2008070340A

Description

本発明は、超音波を用いて媒体の温度分布を測定する超音波を用いた温度測定方法に関する。

従来、被測定物の表面温度の測定は熱電対などを利用した接触式温度計或いは放射などを利用した放射温度計により測定することができる。

また、媒体に入射された超音波の伝播速度が媒体の温度に依存する温度依存性を利用した超音波による温度測定が知られており、気体や固体材料等の媒体の温度測定方法（例えば特許文献１〜３）が提案されている。

ところで、産業界では、高温環境での材料加工プロセスが多数あり、各種材料の温度及びその内部の温度分布を非破壊的に且つインプロセスで測定したいという要望が多数あるが、従来の温度測定方法では、内部の温度を測定できても、その温度分布までは測定することができなかった。
特開昭５３−１２４４８６号公報特開昭５７−１６８７４号公報特開２０００−２３４９６３号公報

そこで、本発明は、媒体内に超音波を伝播することにより該媒体内の温度分布を測定できる超音波を用いた温度測定方法を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、媒体の一側面に超音波探触子を配置し、前記媒体の他側面を加熱し、前記媒体中の一定距離を伝播する超音波パルスの伝播時間と前記媒体の既知のデータとから前記媒体中の温度分布を測定する超音波を用いた温度測定方法であって、
前記既知のデータに、前記媒体の温度に対する前記超音波パルスの伝播速度と、前記媒体の温度伝導率とを用い、前記超音波探触子により前記超音波パルスを前記媒体の一側面から入射すると共に、前記媒体の他側面で反射した超音波パルスの伝播時間を測定し、
前記媒体の初期温度と、前記媒体の前記温度伝導率と、前記加熱後の測定時間とにより定まる前記媒体の温度分布を示す関数Ｔ（ｘ，ｔ）を仮定し、前記加熱前に前記媒体の表面の温度を測定して得られた前記初期温度と、前記媒体の既知の前記温度伝導率と、前記加熱後の測定時間と、測定した前記超音波パルスの前記伝播時間とから、前記既知の前記媒体の温度に対する前記超音波パルスの伝播速度により求める超音波パルスの伝播時間の数式及び前記関数Ｔ（ｘ，ｔ）を用いて、前記媒体の他側面温度及び温度分布を算出する方法である。

また、請求項２の発明は、前記伝播時間の数式が

であり、数１において、ｔ _L は超音波パルスの伝播時間、Ｖ（Ｔ）は温度Ｔの関数で表される媒体の音速であり、この音速Ｖ（Ｔ）は下記の数２で表され、

上記数２において、Ａ，Ｂは、それぞれ媒体固有の定数であり、
前記関数Ｔ（ｘ，ｔ）が

であり、数３において、ηは下記の数４により表され、

数３及び数４において、Ｔsは他側面温度、Ｔ ₀ は媒体の初期温度、αは温度伝導率（α＝λ/ρＣ：λは媒体の熱伝導率、ρは媒体の密度、Ｃは媒体の比熱容量）、ｘは他側面からの距離、ｔは加熱後の測定時間、ｕは確率変数である方法である。

また、請求項３の発明は、前記媒体の表面が一側面であり、前記媒体の一側面の温度を測定して前記初期温度を得る方法である。

また、請求項４の発明は、前記超音波パルスを一側面から斜めに入射する方法である。

また、請求項５の発明は、前記超音波パルスの周波数が１００ｋＨｚ以上である方法である。

上記構成によれば、媒体中の一定距離を伝播する超音波の伝播時間と前記媒体の既知のデータとから前記媒体中の温度分布を測定する方法であるから、超音波の媒体内の速度が温度に依存することを利用し、熱電対などを測定物の内部に挿入することなく、媒体の初期温度と、媒体の温度伝導率と、加熱後の測定時間とにより定まる媒体の温度分布を示す関数Ｔ（ｘ，ｔ）と、既知の媒体の温度に対する超音波パルスの伝播速度により求める超音波パルスの伝播時間の数式とを用い、超音波パルスの伝播速度と媒体に関する既知のデータから媒体内の温度分布を測定することが可能となる。また、従来の温度測定法より、時間応答性に優れたものになる。

また、媒体の既知のデータには、媒体の温度に対する超音波速度のデータと、媒体の温度伝導率を用いることができる。

さらに、超音波パルスを用いて、超音波パルスエコー法やピッチキャッチ法（斜入射法）を用いることができ、また、媒体の一側で測定が可能となり、媒体の他側に温度の異なる物体が配置された状態で測定することができる。

さらにまた、媒体の表面温度や一側面の温度を測定することもでき、超音波パルスは１００ｋＨｚ〜数ＭＨｚ（１０ＭｋＨｚ未満）とすることが好ましい。

本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。各実施例では、従来とは異なる超音波を用いた温度測定方法を採用することにより、従来にない超音波を用いた温度測定方法が得られ、その超音波を用いた温度測定方法を夫々記述する。

以下、本発明の実施例１について図１〜図４を参照して説明する。

工学・工業の幅広い分野において、物体内部の温度をリアルタイムで精度良く測定したいというニーズは数多くある。本実施例では、ダイカスト型材として用いられているＳＫＤ鋼を媒体として用いた。

図１に温度測定装置１を示し、同図に示すように、媒体として厚さ３０ｍｍのＳＫＤ製の板材２を用い、この板材２は、ブロック状をなし、平行な上面３と底面４とを有し、容器５に入れた温水６に前記底面４が接するように配置される。

前記上面３にはカプラ11を介して超音波探触子12が配置され、この超音波探触子12は、超音波を発生する振動子（図示せず）と、該振動子からの超音波を前記板材２に入射し、該板材２から戻ってきた超音波を検出するものであって、送波手段と受波手段の機能を備え、この例では、底面４で反射した超音波パルスエコーを検出する。

前記超音波探触子12は、検出制御手段13に接続され、この検出制御手段13により、板材２に入射する超音波パルスを制御すると共に、戻ってきた超音波パルスエコーの波形や戻るまでの伝播時間などを検出し、これら検出データが波形等データ出力手段14により演算処理制御手段15に出力される。この演算処理制御手段15には、記憶手段を備えたコンピュータなどが用いられ、演算処理制御手段15は、前記波形等データ出力手段14から入力した検出データと前記板材２の既知のデータなどとから、理論式に基き、板材２の内部を含む温度分布を算出し、これをディスプレーなどの表示手段16に表示し、また、超音波パルスの各状態の波形を表示するように制御する。

また、実験のために装置１に付随して接触式の温度測定手段を設けた。この温度測定手段には、７個の熱電対21，21…を用いた。尚、実験に用いた板材２の厚さＷは３０ｍｍであり、この板材２の底面位置Ｗ１と上面位置Ｗ６と、底面４から５ｍｍ間隔の位置Ｗ２,Ｗ３,Ｗ４,Ｗ５の６箇所に熱電対21を配置し、さらに、温水６の温度を測定する位置Ｗ７にも熱電対21を配置した。これら熱電対21で検出した検出データから温度検出手段22が温度を演算し、その温度データが前記演算処理制御手段15に送られ、演算処理制御手段15は、熱電対21により測定した温度を前記表示手段16に表示することができる。尚、この例では、前記厚さＷの２倍が媒体中の超音波の伝播距離である。

次に、本発明の温度測定に係る原理を説明する。一次元の温度分布を有する物体（媒体）を仮定すると、その物体内を伝播する超音波の伝播時間は、下記に数１で表すことができる。

上記数１で、Ｖ（Ｔ）は温度Ｔの関数として表される物体の音速であり、近似的に下記の数２で表すことができる。

上記数２で、Ａ，Ｂは、それぞれ物体固有の定数である。今、一様な温度Ｔ₀を持つ半無限物体物の片面が高温物体と接触することにより熱せされる状態を考えると、一次非定常状態において物体内部での発熱や対流がなく温度伝導率が温度に依存しないとき、接触後（加熱後）の接触面温度は、一定値Ｔ_Sに保持される。このときの物体内の温度分布Ｔ(x,t)は、下記の数３及び数４で表すことができる。

上記数３及び数４で、Ｔsは接触面温度、Ｔ₀はその初期温度、αは温度伝導率（α＝λ/ρＣ：λは熱伝導率、ρは密度、Ｃは比熱容量）、ｘは接触面からの距離、ｔは接触後（加熱後）の測定時間である。数３の右辺第二項は確率変数ｕで表される誤差関数に（Ｔ₀−Ｔs）を乗じた形となっている。超音波伝播時間ｔ_Lを計測することで、数１〜数４を用いて、温度Ｔsを求めることができる。但し、初期温度Ｔ₀、温度伝導率α、時間ｔは既知とする。

図１に示した装置により実験を行い、上述したように板材２の厚さは３０ｍｍで、この板材２の上面３に周波数５ＭＨｚの超音波探接子12を設置し、超音波パルスエコーの計測を行った。尚、板材２中の超音波の伝播時間ｔの計測には相互相関法を用いた。また、演算処理制御手段15には、汎用ソフトウエアを用いたモニタリングシステムにより、超音波パルスエコーと温度とを同時計測し、超音波波形と温度はそれぞれ５回/秒の速度で記録し、板材２1の底面４が７５℃の温水６に接した状態をモニタリングした。

図２は一方の縦軸に超音波パルスエコーの振幅、他方の縦軸に温度を取り、横軸を測定時間としたグラフであり、温度は板材２の底面４から上面側に５ｍｍの位置Ｗ１と同２５ｍｍの位置Ｗ５の測定結果であり、板材２の底面４側と上面３側の温度変化を示している。超音波パルスエコーの強度（振幅）が急激に減少しているのが観察されるが、これは板材２の底面４と温水６との接触に基くものである。すなわち、底面４と温水６との接触による超音波の反射率の低下によるもので、超音波パルスエコーの強度減少は理論的に計算した反射率の変化（６％）と略一致している。このように超音波パルスエコーを指標とすることで温水６との接触を精度よく検出することができる。

尚、底面４から５ｍｍの位置Ｗ１に設置した熱電対21による温度変化が確認されたのは、超音波パルスエコーの強度減少が開始した時刻から約０．５秒後であった。

図３は縦軸を温度、横軸を測定時間とした温度変化を示すグラフであり、「超音波」を用いた本発明による温度測定（以下、超音波法という）の結果と共に、対比のために「熱電対」を用いた温度測定の結果を示した。両者の傾向はよく一致している。底面４から５ｍｍの位置Ｗ１では、両者に差が見られるが、超音波法は、熱電対21を用いた温度測定より約０．５秒早く温度上昇を捉えている。

図４は縦軸に温度、横軸に底面５からの距離を取ったグラフであり、「超音波」を用いた本発明による温度測定の結果と共に、対比のために「熱電対」を用いた温度測定の結果を示した。底面４が温水６に接触した後１秒での温度分布は、熱電対21によるものと略一致するが、時間の経過と共に底面４近傍で両者に差がでた。この原因としては、温水６の対流や板材２の側面からの加熱などの影響が考えられ、これら影響を抑える又は計算上補正することにより、実用可能な温度測定が可能になると考えられる。

このように本実施例では、請求項１に対応して、媒体たる板材２中の一定距離を伝播する超音波の伝播時間ｔと板材２の既知のデータとから板材２中の温度分布Ｔ(x,t)を測定するから、超音波の板材２内の速度が温度に依存することを利用し、熱電対21などを測定物たる板材２の内部に挿入することなく、超音波の伝播速度とに関する既知のデータから板材２内の温度分布Ｔ(x,t)を測定することが可能となる。また、従来の温度測定法より、時間応答性に優れたものになる。

また、このように本実施例では、請求項１に対応して、既知のデータに、板材２の温度に対する超音波の速度のデータを用い、また、請求項１に対応して、既知のデータに、板材２の温度伝導率αのデータを用いるから、温度分布Ｔ(x,t)の推定による算出が可能となる。

また、このように本実施例では、請求項１に対応して、超音波が超音波パルスであるから、超音波パルスエコー法やピッチキャッチ法（斜入射法）を用いることができ、また、板材２の一側たる上面３で測定が可能となり、板材２の他側たる底面４に温度の異なる物体たる温水６が配置された状態で測定することができる。

また、このように本実施例では、請求項１に対応して、超音波パルスを媒体たる板材２の一側面たる上面３から入射し、板材２の他側面たる底面４で反射した超音波パルスエコーの伝播速度を測定するから、板材２の一側たる上面３で測定が可能となり、板材２の他側たる底面４に温度の異なる物体たる温水６が配置された状態で測定することができる。

また、このように本実施例では、請求項１に対応して、超音波パルスを媒体たる板材２の一側面たる上面３から入射し、板材２の他側面たる底面４に該板材２と温度の異なる物体たる温水６を配置したから、板材２の一側での測定が可能となる。

また、このように本実施例では、請求項１に対応して、媒体たる板材２の表面温度を測定するから、内部の温度分布と共に、表面温度を推定して算出することにより測定できる。

また、このように本実施例では、請求項３に対応して、媒体たる板材２の一側面たる上面３を測定するから、内部の温度分布と共に、表面温度を推定して算出することにより測定できる。

また、このように本実施例では、請求項５に対応して、超音波パルスの周波数が１００ｋＨｚ以上である。

また、請求項２に対応して、上記数１〜数４を用い、ここで、Ｔsは接触面温度、Ｔ₀はその初期温度、αは温度伝導率（α＝λ/ρＣ：λは熱伝導率、ρは密度、Ｃは比熱容量）、ｘは接触面からの距離、ｔは接触後（加熱後）の測定時間、ｕは確率変数であり、超音波伝播時間ｔLを計測することで、温度Ｔsを求め、媒体の温度分布Ｔ(x,t)を求めることができる。

参考例１
図５〜図８は本発明の参考例１を示し、上記実施例１と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述し、この参考例の温度測定装置１は、前記容器５の代わりに鋳型５Ａを用いると共に、前記温水６の代わりに溶融アルミニウム６Ａを前記鋳型に６Ａに入れている。また、板材２の表面位置Ｗ６，板材２の底面４から４ｍｍ上方の位置Ｗ１´，，この位置Ｗ１´から５.５ｍｍ間隔の位置Ｗ２´，Ｗ３´,Ｗ４´,Ｗ５´に前記熱電対21を配置しており、上面位置Ｗ６と位置Ｗ５´とは４ｍｍの距離を置いている。また、溶融アルミニウム６Ａの温度を測定する熱電対21（位置Ｗ７）を備える。

また、実施例１では、温度分布Ｔ(x,t)を数３及び数４で表した。この参考例では、物体内の温度分布Ｔ(x,t)は境界条件に依存するが、ここでは近似的に下記の数５のような指数関数を仮定した。

上記数５で、ｘは距離、Ｃ，Ｄ，Ｅは定数である。超音波パルスエコーの計測二より物体内の超音波伝播時間ｔLを精度良く測定すれば、上記の式から物体内の任意の位置での温度を求めることができ、また、近似的に内部の温度勾配を推測することもできる。尚、この例では、物体内の一点の温度を既知情報として用いることとする。

図６は、前記板材２の音速の温度依存性を測定した結果である。この実験は別途用意した加熱用ヒータを用いて板材２の板厚方向の温度を均一にした状況で行った。この結果より、この温度範囲内では、前記数２で仮定したように音速は温度の一次式で表せることが分かる。後の温度推定にはここで最小二乗法により求めた関係式を用いた。

図７は一方の縦軸に超音波パルスエコーの振幅、他方の縦軸に温度を取り、横軸を測定時間としたグラフであり、板材２の底面４に溶融アルミニウム６Ａが接触する前後の板材２の底面４からの超音波パルスエコーの強度と、板材２の位置Ｗ１´，Ｗ５´の温度の変化を示す。超音波パルスエコーに着目すると、点ａにおいて強度の減少が明瞭に確認される。これは溶融アルミニウム６Ａが板材２の底面４に接触したことにより、超音波エネルギーの一部が底面４から溶融アルミニウム６Ａに透過したことによるものであり、このような反射強度の挙動から溶融アルミニウム６Ａとの接触状況を正確に捉えることができる。以後、このａ点を接触開始の基準時間とする。尚、底面４から最も近い位置にある熱電対21（位置Ｗ１´）に温度上昇が見られるのはａ点から約１.７秒後であることから、超音波振幅による溶融接触状況モニタリングは熱電対21によるものよりも時間応答性に優れることがわかる。底面４から遠い位置Ｗ５´の熱電対21の温度変化は当然のことながら位置Ｗ１´の熱電対21よりも緩慢であった。尚、この例では、内部温度の推定に、超音波伝播時間ｔLと上面３付近の温度を測定既知情報として用いるが、ここでは上面３に近いＷ５´の温度を既知情報とすることとしており、このように媒体の既知の物性的データに加えて、測定時の温度に関する１つの情報（データ）を付加して用いてもよい。

図８は縦軸を温度、横軸を測定時間とした温度変化を示すグラフであり、「超音波」を用いた本発明による温度測定の結果と共に、対比のために「熱電対」を用いた温度測定の結果を示した。両者の傾向はよく一致しており、本参考例の測定方法の有効性が確認された。

参考例２
図９は本発明の参考例２を示し、上記実施例１と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述し、この参考例では、媒体たる板材２の一側面に発信用の超音波探触子12Ａを設け、前記板材２の他側面に受信用の超音波探触子12Ｂを設けている。前記超音波探触子12Ｂは前記超音波探触子12Ａから板材２内に入射した超音波パルスを受信し、媒体の一定距離は厚さＷとなる。

また、上記実施例１及び参考例１では、所謂パルスエコー法を説明したが、ピッチキャッチ法（斜入射法）を用いてもよく、すなわち、図示しないが、超音波探触子12Ａ，12Ｂを媒体の一側面に設け、超音波探触子12Ａから超音波パルスを前記一側面に斜めに入射し、他側面で反射した超音波パルスエコーを前記超音波探触子12Ｂで受信してもよい。

また、このように本参考例では、超音波パルスを一側面に斜めに入射するから、ピッチキャッチ法（斜入射法）を用いて媒体内の温度分布を推測して温度分布を測定することができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、媒体は、固体に限らず、気体や液体でもよい。

本発明の実施例１を示す装置の全体説明図である。同上、測定時間に対する振幅と測定温度の変化を示すグラフ図である。同上、測定時間に対する測定温度の変化を示すグラフ図である。同上、底面からの距離毎の温度の変化を示すグラフ図である。本発明の参考例１を示す装置の全体説明図である。同上、媒体における温度と音速の関係を示すグラフ図である。同上、測定時間に対する振幅と測定温度の変化を示すグラフ図である。同上、同上、測定時間に対する測定温度の変化を示すグラフ図である。本発明の参考例３を示す装置の要部の断面図である。

１測定装置
２板材（媒体）
３上面（一側面）
４底面（接触面）
６温水（媒体と温度の異なる物体）
６Ａ溶融アルミニウム（媒体と温度の異なる物体）
Ｔs 接触面温度
Ｔ ₀ 初期温度
α 温度伝導率
λ 熱伝導率
ρ 密度
Ｃ比熱容量
ｘ接触面からの距離
ｔ接触後（加熱後）の測定時間
ｕ確率変数
ｔ _L 超音波伝播時間

Claims

媒体の一側面に超音波探触子を配置し、前記媒体の他側面を加熱し、前記媒体中の一定距離を伝播する超音波パルスの伝播時間と前記媒体の既知のデータとから前記媒体中の温度分布を測定する超音波を用いた温度測定方法であって、
前記既知のデータに、前記媒体の温度に対する前記超音波パルスの伝播速度と、前記媒体の温度伝導率とを用い、
前記超音波探触子により前記超音波パルスを前記媒体の一側面から入射すると共に、前記媒体の他側面で反射した超音波パルスの伝播時間を測定し、
前記媒体の初期温度と、前記媒体の前記温度伝導率と、前記加熱後の測定時間とにより定まる前記媒体の温度分布を示す関数Ｔ（ｘ，ｔ）を仮定し、
前記加熱前に前記媒体の表面の温度を測定して得られた前記初期温度と、前記媒体の既知の前記温度伝導率と、前記加熱後の測定時間と、測定した前記超音波パルスの前記伝播時間とから、前記既知の前記媒体の温度に対する前記超音波パルスの伝播速度により求める超音波パルスの伝播時間の数式及び前記関数Ｔ（ｘ，ｔ）を用いて、前記媒体の他側面温度及び温度分布を算出することを特徴とする超音波を用いた温度測定方法。
前記媒体の表面が一側面であり、前記媒体の一側面の温度を測定して前記初期温度を得ることを特徴とする請求項１記載の超音波を用いた温度測定方法。
前記伝播時間の数式が

であり、数１において、ｔ _L は超音波パルスの伝播時間、Ｖ（Ｔ）は温度Ｔの関数で表される媒体の音速であり、この音速Ｖ（Ｔ）は下記の数２で表され、

上記数２において、Ａ，Ｂは、それぞれ媒体固有の定数であり、
前記関数Ｔ（ｘ，ｔ）が

であり、数３において、ηは下記の数４により表され、

数３及び数４において、Ｔsは他側面温度、Ｔ ₀ は媒体の初期温度、αは温度伝導率（α＝λ/ρＣ：λは媒体の熱伝導率、ρは媒体の密度、Ｃは媒体の比熱容量）、ｘは他側面からの距離、ｔは加熱後の測定時間、ｕは確率変数であることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波を用いた温度測定方法。
前記超音波パルスを一側面から斜めに入射することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波を用いた温度測定方法。
前記超音波パルスの周波数が１００ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波を用いた温度測定方法。