JP6366313B2 - 流体識別装置及び流体識別方法 - Google Patents
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Description
このような各探触子及び各斜角装着部材の位置決めは非常に労力の掛かる作業であり、また、位置決めが確実になされていないと超音波の送受信を正確に行うことができず、管状部材の内部の流体の識別を精度良く行うことができない虞がある。
超音波を送信する送信用探触子と、
前記送信用探触子から送信された超音波のうち、管状部材を透過して管内を伝搬する透過伝搬波、及び、前記管状部材の本体部内を伝搬する本体内伝搬波を受信する受信用探触子と、
前記管状部材の表面に設けられ、前記送信用探触子から送信される超音波を前記管状部材の表面に対して斜角入射させる状態で、前記送信用探触子を前記管状部材の表面に装着させる送信側斜角装着部材と、
前記管状部材の表面に設けられ、前記送信用探触子から送信された超音波を前記管状部材の表面から斜角受信させる状態で、前記受信用探触子を前記管状部材の表面に装着させる受信側斜角装着部材と、
前記送信側斜角装着部材と前記受信側斜角装着部材とを、前記管状部材の軸芯に沿う方向において相互に対向する位置に位置決めした状態で一体化自在な一体化部材と、
少なくとも前記送信側斜角装着部材と前記受信側斜角装着部材との間における前記管状部材の表面を被覆し、前記本体内伝搬波を減衰させる減衰部材と、
前記送信用探触子で超音波が送信されてから前記受信用探触子で前記透過伝搬波が受信されるまでの時間差に基づいて、前記管状部材の内部での超音波の伝搬速度を算出する音速算出部と、
前記音速算出部により算出された前記管状部材の内部での超音波の伝搬速度に基づいて、前記管状部材の内部に存在する流体の種別を識別する流体種別識別部と、を備える流体識別装置であって、
前記送信側斜角装着部材及び前記受信側斜角装着部材の夫々が、各装着部材内を反射伝搬する反射波を減衰する減衰部を備え、
前記送信側斜角装着部材及び前記受信側斜角装着部材の夫々が、中実部材により構成されるとともに、前記送信用探触子及び前記受信用探触子と前記一体化部材とを位置決めする位置決め具を貫通自在な前記減衰部としての貫通孔を備えている点にある。
送信用探触子から送信される超音波を管状部材の表面に対して斜角入射させる状態で、前記送信用探触子を前記管状部材の表面に装着させる、中実部材により構成される送信側斜角装着部材と、前記送信用探触子から送信された超音波のうち、前記管状部材を透過して管内を伝搬する透過伝搬波、及び、前記管状部材の本体部内を伝搬する本体内伝搬波を前記管状部材の表面から受信用探触子に斜角受信させる状態で、前記受信用探触子を前記管状部材の表面に装着させる、中実部材により構成される受信側斜角装着部材とを、前記管状部材の軸芯に沿う方向で相互に対向する位置に位置決めした状態で、前記送信側斜角装着部材及び前記受信側斜角装着部材の夫々に各装着部材内を反射伝搬する反射波を減衰する減衰部として設けられた貫通孔に位置決め具を貫通させて、一体化部材により一体化するステップと、
少なくとも前記送信側斜角装着部材と前記受信側斜角装着部材との間における前記管状部材の表面を、前記本体内伝搬波を減衰させる減衰部材により被覆した状態で、前記送信用探触子から超音波を送信し、前記受信用探触子により前記透過伝搬波及び前記本体内伝搬波を受信するステップと、
前記送信用探触子で超音波が送信されてから前記受信用探触子で前記透過伝搬波が受信されるまでの時間差に基づいて、前記管状部材の内部での超音波の伝搬速度を算出するステップと、
算出された前記管状部材の内部での超音波の伝搬速度に基づいて前記管状部材の内部に存在する流体の種別を識別するステップと、を備える点にある。
このため、送信用探触子が超音波を管状部材の表面から斜角入射し、受信用探触子が、当該受信用探触子に到達する超音波を斜角受信する。この受信用探触子が受信した超音波には、主として管状部材を透過して管内を伝搬する透過伝搬波、及び、管状部材の本体部内を伝搬する本体内伝搬波が含まれている。従って、本体内伝搬波と透過伝搬波との伝搬距離が比較的長くなるため、本体内伝搬波と透過伝搬波とが受信用探触子に到達する時間差を比較的大きくでき、本体内伝搬波の方が透過伝搬波よりも速く受信用探触子に到達する特性を利用した本体内伝搬波と透過伝搬波との判別を精度良く行うことができる。
また、管状部材の内部での超音波の伝搬速度は媒質となる流体の種別により異なることから、流体種別識別部は、上記のように算出された伝搬速度に基づいて、管状部材の内部に存在する流体の種別を識別することができる。
具体的には、送信用探触子から送信される超音波を管状部材の表面に対して斜角入射させる状態で、送信用探触子を管状部材の表面に装着させる送信側斜角装着部材と、送信用探触子から送信された超音波のうち、管状部材を透過して管内を伝搬する透過伝搬波、及び、管状部材の本体部内を伝搬する本体内伝搬波を管状部材の表面から受信用探触子に斜角受信させる状態で、受信用探触子を管状部材の表面に装着させる受信側斜角装着部材とを、管状部材の軸芯に沿う方向で相互に対向する位置に位置決めした状態で一体化部材により一体化することができる。
これにより、管状部材の表面において、送信用探触子及び受信用探触子を、管状部材の軸芯に沿う方向で相互に対向する位置に配置された送信用探触子から超音波を斜角入射し且つ当該超音波を受信用探触子にて確実に斜角受信することができる位置に、確実に配置することができ、受信用探触子にて斜角受信された超音波のうち透過伝搬波を確実に受信することができる。即ち、管状部材の表面に対して、送信用探触子、受信用探触子、送信側斜角装着部材及び受信側斜角装着部材を所期の相対位置関係に位置決めする労力を、確実に低減しながら、受信用探触子における斜角受信を確実に行い得る構成とすることができる。
よって、管状部材の内部に存在する流体の種別の識別を、簡便且つ容易な構成で精度良く行うことができる。
しかしながら、このような場合であっても、上記構成によれば、送信側斜角装着部材及び受信側斜角装着部材の夫々が、各装着部材内を反射伝搬する反射波を減衰する減衰部を備えるので、各装着部材に入射した超音波のうち、各装着部材内で反射して伝搬する本体内伝搬波を当該減衰部にて減衰することができる。
よって、簡便且つ容易な構成であるにも拘らず、本体内伝搬波の影響を一層低減した状態で、受信用探触子にて受信される透過伝搬波を一層正確に判別することができ、S/N比を一層向上させることができる。
また、送信側斜角装着部材及び受信側斜角装着部材の夫々が、一体化部材と位置決めするための位置決め具を貫通自在な貫通孔を備えているので、各貫通孔に位置決め具を貫通させて、一体化部材と送信側斜角装着部材及び受信側斜角装着部材とを一体化することができる。これにより、管状部材の表面において送信用探触子、受信用探触子、送信側斜角装着部材及び受信側斜角装着部材を、所期の相対位置関係に、より簡便且つより容易に位置決めすることができる。
これにより、送信側斜角装着部材及び受信側斜角装着部材と一体化部材とを一体化させ位置決めするために用いられる各貫通孔を、送信側斜角装着部材及び受信側斜角装着部材の内部を乱反射する超音波を減衰させるために利用することができる。
よって、簡便且つ容易な構成であるにも拘らず、本体内伝搬波の影響をより一層低減した状態で、受信用探触子にて受信される透過伝搬波をより一層正確に判別することができ、S/N比をより一層向上させることができる。
前記送信用探触子により送信された超音波が前記送信側斜角装着部材のアクリル樹脂に入射された後、当該アクリル樹脂から前記鋼管へ入射する際の入射角が57度となるように、前記送信側斜角装着部材が前記送信用探触子を前記管状部材の表面に装着する点にある。
この際、透過伝搬波が、送信側斜角装着部材、管状部材の本体部、管状部材の内部に存在する流体の順に伝搬して、管状部材の内面で反射後、管状部材の内部に存在する流体、管状部材の本体部、受信側斜角装着部材、受信用探触子の順に伝搬する超音波であると、より強度の強い透過伝搬波を受信用探触子で受信することができ、好ましい構成となる。
従って、より精度良く透過伝搬波を判別でき、精度良く識別された透過伝搬波に基づいて精度良く鋼管の内部での超音波の伝搬速度を算出し、鋼管の内部に存在する流体の種別をより精度良く識別することができる。
前記一体化部材を、前記管状部材の軸芯方向に沿わせた状態で、前記送信側斜角装着部材の外面側と前記受信側斜角装着部材の外面側とに亘って装着し、前記長手部材の一端部に形成された一対の貫通穴と前記送信側斜角装着部材に形成された前記減衰部としての貫通孔とに亘って前記位置決め具が貫通されるとともに、前記長手部材の他端部に形成された一対の貫通穴と前記受信側斜角装着部材に形成された前記減衰部としての貫通孔とに亘って前記位置決め具が貫通されて、前記一体化部材と前記送信側斜角装着部材及び前記受信側斜角装着部材とが一体化されている点にある。
そして、この位置決めは、長手部材において横断面視で概略コ字形状の一端部に形成された一対の貫通穴と送信側斜角装着部材における減衰部としての貫通孔とに亘って位置決め具を貫通させるとともに、長手部材において横断面視で概略コ字形状の他端部に形成された一対の貫通穴と受信側斜角装着部材における減衰部としての貫通孔とに亘って位置決め具を貫通させることで容易に行うことができる。
これにより、管状部材の表面において送信用探触子、受信用探触子、送信側斜角装着部材及び受信側斜角装着部材を、所期の相対位置関係に、より簡便且つより容易に位置決めすることができる。
本実施形態に係る流体識別装置50は、鋼管からなるガス管等の管状部材1の内部に存在するガス(流体の一例)の種別を、非破壊的に(管状部材1を破壊することなく)識別するためのガス種識別装置である。
これにより、管状部材1の内部に存在するガスの種別の識別を、簡便且つ容易な構成で精度良く行うことができる。以下、本実施形態に係る流体識別装置50について、詳細に説明する。
ここで、透過伝搬波Wtは、送信用探触子2から送信される超音波のうち、管状部材1を透過して管状部材1の内部に存在するガスを媒質として管内(管状部材1の内面で区画される空間内)を伝搬する超音波である。この透過伝搬波Wtについての詳細は、後述する。
一方、本体内伝搬波Wbは、送信用探触子2から送信される超音波のうち、管状部材1の本体部を構成する材料(例えば、鋼(炭素鋼)、ステンレス等)を媒質として管状部材1の本体部内を伝搬する超音波である。送信用探触子2から超音波が送信されたとき、その一部は管状部材1を透過することなく本体内伝搬波Wbとして管状部材1の本体部内を伝搬する。この本体内伝搬波Wbは、管状部材1の本体部内を、軸芯X方向や周方向、或いはこれら両方向成分を備えた方向に伝搬する。
これにより、送信用探触子2を当該傾斜面4dに装着固定した状態で、超音波を当該傾斜面4dに対して直交する方向に送信可能に構成されている。
これにより、受信用探触子3を当該傾斜面5dに装着固定した状態で、超音波を当該傾斜面5dに対して直交する方向から受信可能に構成されている。
この減衰部材7の材料は、管状部材1から減衰部材7に本体内透過波Wbを効率よく入射させるために、管状部材1の音響インピーダンスにできるだけ近いものが選ばれる。また、管状部材1の表面1aの曲率に一致する屈曲性を持つ程度の粘性を有することが好ましい。このような減衰部材7としては、油粘土の他、パテ、ゴムシート、プラスティックシート(PPシート)、不織布等を例示することができる。
また、上述した送信用探触子2、受信用探触子3、送信側斜角装着部材4、受信側斜角装着部材5、一体化部材6、減衰部材7、及び、以下に説明する制御装置20の各機能部とが有機的に連携して協働することにより、本発明に係る流体識別方法が実行される。
なお、送信用探触子2は予め送信側斜角装着部材4の傾斜面4dに装着固定され、受信用探触子3も予め受信側斜角装着部材5の傾斜面5dに装着固定されている。
具体的には、長手部材6Aの一端部に形成された凹部6aを送信側斜角装着部材4の外面4b及び両側面4c、4cに外嵌させるとともに、他端部に形成された凹部6aを受信側斜角装着部材5の外面5b及び両側面5c、5cに外嵌させる。
そして、長手部材6Aの一端部に形成された一対の貫通穴6bと送信側斜角装着部材4に形成された貫通孔4Aとを位置合わせして、一対の貫通穴6b及び貫通孔4Aに亘ってボルト10Aを挿通し、同様に、長手部材6Aの他端部に形成された一対の貫通穴6bと受信側斜角装着部材5に形成された貫通孔5Aとを位置合わせして、一対の貫通穴6b及び貫通孔5Aに亘ってボルト10Aを挿通して、両ボルト10Aにナット10Bを螺合させて締付ける。なお、このように締め付けても、送信用探触子2や受信用探触子3の振動が一体化部材6や位置決め具10に伝搬しないように(或いは、振動の強度を低減できるように)構成されている。
これにより、送信側斜角装着部材4及び受信側斜角装着部材5を一体化部材6により一体化することができ、これら部材を所期の相対位置関係に簡便且つ容易に位置決めすることができる。
なお、一体化部材6を、予め送信側斜角装着部材4及び受信側斜角装着部材5の一方又は両方と一体化した状態で、管状部材1の表面1aに取付けるように構成してもよい。
しかしながら、このような場合であっても、送信側斜角装着部材4及び受信側斜角装着部材5の夫々には、一体化部材6と一体化して位置決めするための位置決め具10を貫通自在な貫通孔4A、5Aが形成されているので、送信側斜角装着部材4及び受信側斜角装着部材5の内部を乱反射する超音波は、反射を繰り返すにつれて、これら貫通孔4A、5A内を透過したり貫通孔4A、5Aの内面により反射等することで拡散され減衰することとなる。
これにより、送信側斜角装着部材4及び受信側斜角装着部材5と一体化部材6とを一体化させ位置決めするために用いられる各貫通孔4A、5Aを、送信側斜角装着部材4及び受信側斜角装着部材5の内部を乱反射する超音波を減衰させるために利用することができる。
よって、簡便且つ容易な構成であるにも拘らず、本体内伝搬波Wbの影響をより一層低減した状態で、受信用探触子3にて受信される透過伝搬波Wtをより一層正確に判別することができ、S/N比をより一層向上させることができる。
一方で、送信側斜角装着部材4及び受信側斜角装着部材5のいずれにも、貫通孔4A、5Aを設けない場合(図6の構成を参照)において、受信用探触子3で受信された超音波受信信号の波形を、図7に示す。
これら超音波受信信号の波形には、透過伝搬波Wt及び本体内伝搬波Wbの各受信信号が混在している状態である。
これにより、受信用探触子3が受信した超音波受信信号から透過伝搬波Wtの判別を精度良く容易に行うことができるとともに、透過伝搬波WtのS/N比を向上させることが確認された。
よって、送信用探触子2から超音波が送信されてから受信用探触子3に透過伝搬波Wtが到達するまでの時間差ΔTをより精度良く得ることができ、管内音速V及びガスの種別の識別を精度良く行うことができる。
具体的には、音速算出部23は、計測された時間差ΔTの情報と、既知の管状部材1の内径φの情報とに基づいて、管内音速Vを算出する。すなわち、音速算出部23は、管状部材1の内径φを時間差ΔTで除算することにより管内音速Vを算出する(V=φ/ΔT)。
具体的には、流体種別識別部24は、算出された管内音速Vと音速データ41とを比較して、算出された管内音速Vに一致する(完全に一致するものがない場合には最も近い)音速に対応付けられた流体の情報を音速データ41から読み出す。
(1)上記実施形態では、管状部材1を鋼管とし、送信側斜角装着部材4及び受信側斜角装着部材5を中実部材からなるアクリル樹脂とし、送信用探触子2により送信された超音波が送信側斜角装着部材4から管状部材1に入射する入射角度を57度に設定した。
しかしながら、当該入射角度は、管状部材1に確実に入射できる角度であれば、57度未満の角度とすることもできる。
また、これら部材の構成は、上記構成に限定されるものではなく、管状部材1をステンレス管等のその他の金属や樹脂等とすることもでき、また、送信側斜角装着部材4及び受信側斜角装着部材5を中空部材(中空部分に超音波を伝搬可能な気体や液体が存在する部材)としたり、アクリル樹脂以外の樹脂や金属等その他の超音波を伝搬可能な部材とすることもできる。この場合、送信側斜角装着部材4から管状部材1に入射する入射角度は、管状部材1に確実に入射できる適宜角度に設定することができる。
例えば、図6に示すように、送信側斜角装着部材4及び受信側斜角装着部材5から貫通孔4A、5Aを省略した構成とすることもできる。この場合、上述の図7に関する説明のとおり、貫通孔4A、5Aが存在することによる本体内伝搬波Wbの信号強度の低減は期待できない。しかしながら、送信側斜角装着部材4及び受信側斜角装着部材5を、一体化部材6により一体化することにより、管状部材1の表面1aに対して、送信用探触子2、受信用探触子3、送信側斜角装着部材4及び受信側斜角装着部材5を所期の相対位置関係に位置決めする労力を、確実に低減しながら、受信用探触子3における斜角受信を確実に行い得る構成とすることができる点で利点がある。
また、これら減衰部としての貫通孔4A及び貫通孔5Aを設ける場合であっても、貫通孔4A及び貫通孔5Aの設置位置及び設置数は、送信用探触子2から送信された超音波及び当該超音波のうちの受信用探触子3に到達する透過伝搬波Wtの拡散を発生させない(減衰させない)限りにおいて、適宜変更することができる。
1a 表面
2 送信用探触子
3 受信用探触子
4 送信側斜角装着部材
4A 貫通孔(減衰部)
5 受信側斜角装着部材
5A 貫通孔(減衰部)
6 一体化部材
6b 貫通穴
6A 長手部材(一体化部材)
7 減衰部材
10 位置決め具
20 制御装置
50 流体識別装置
Wt 透過伝搬波
Wb 本体内伝搬波
X 軸芯
Claims (4)
- 超音波を送信する送信用探触子と、
前記送信用探触子から送信された超音波のうち、管状部材を透過して管内を伝搬する透過伝搬波、及び、前記管状部材の本体部内を伝搬する本体内伝搬波を受信する受信用探触子と、
前記管状部材の表面に設けられ、前記送信用探触子から送信される超音波を前記管状部材の表面に対して斜角入射させる状態で、前記送信用探触子を前記管状部材の表面に装着させる送信側斜角装着部材と、
前記管状部材の表面に設けられ、前記送信用探触子から送信された超音波を前記管状部材の表面から斜角受信させる状態で、前記受信用探触子を前記管状部材の表面に装着させる受信側斜角装着部材と、
前記送信側斜角装着部材と前記受信側斜角装着部材とを、前記管状部材の軸芯に沿う方向において相互に対向する位置に位置決めした状態で一体化自在な一体化部材と、
少なくとも前記送信側斜角装着部材と前記受信側斜角装着部材との間における前記管状部材の表面を被覆し、前記本体内伝搬波を減衰させる減衰部材と、
前記送信用探触子で超音波が送信されてから前記受信用探触子で前記透過伝搬波が受信されるまでの時間差に基づいて、前記管状部材の内部での超音波の伝搬速度を算出する音速算出部と、
前記音速算出部により算出された前記管状部材の内部での超音波の伝搬速度に基づいて、前記管状部材の内部に存在する流体の種別を識別する流体種別識別部と、を備える流体識別装置であって、
前記送信側斜角装着部材及び前記受信側斜角装着部材の夫々が、各装着部材内を反射伝搬する反射波を減衰する減衰部を備え、
前記送信側斜角装着部材及び前記受信側斜角装着部材の夫々が、中実部材により構成されるとともに、前記送信用探触子及び前記受信用探触子と前記一体化部材とを位置決めする位置決め具を貫通自在な前記減衰部としての貫通孔を備えている流体識別装置。 - 前記管状部材が鋼管により構成され、前記送信側斜角装着部材及び前記受信側斜角装着部材がアクリル樹脂により構成されるとともに、
前記送信用探触子により送信された超音波が前記送信側斜角装着部材のアクリル樹脂に入射された後、当該アクリル樹脂から前記鋼管へ入射する際の入射角が57度となるように、前記送信側斜角装着部材が前記送信用探触子を前記管状部材の表面に装着する請求項1に記載の流体識別装置。 - 前記一体化部材が長手部材により構成され、少なくとも前記長手部材の両端部は横断面視で概略コ字形状に形成されるとともに、当該両端部の夫々には、短手方向に貫通形成される一対の貫通穴が形成され、
前記一体化部材を、前記管状部材の軸芯方向に沿わせた状態で、前記送信側斜角装着部材の外面側と前記受信側斜角装着部材の外面側とに亘って装着し、前記長手部材の一端部に形成された一対の貫通穴と前記送信側斜角装着部材に形成された前記減衰部としての貫通孔とに亘って前記位置決め具が貫通されるとともに、前記長手部材の他端部に形成された一対の貫通穴と前記受信側斜角装着部材に形成された前記減衰部としての貫通孔とに亘って前記位置決め具が貫通されて、前記一体化部材と前記送信側斜角装着部材及び前記受信側斜角装着部材とが一体化されている請求項1又は2に記載の流体識別装置。 - 送信用探触子から送信される超音波を管状部材の表面に対して斜角入射させる状態で、前記送信用探触子を前記管状部材の表面に装着させる、中実部材により構成される送信側斜角装着部材と、前記送信用探触子から送信された超音波のうち、前記管状部材を透過して管内を伝搬する透過伝搬波、及び、前記管状部材の本体部内を伝搬する本体内伝搬波を前記管状部材の表面から受信用探触子に斜角受信させる状態で、前記受信用探触子を前記管状部材の表面に装着させる、中実部材により構成される受信側斜角装着部材とを、前記管状部材の軸芯に沿う方向で相互に対向する位置に位置決めした状態で、前記送信側斜角装着部材及び前記受信側斜角装着部材の夫々に各装着部材内を反射伝搬する反射波を減衰する減衰部として設けられた貫通孔に位置決め具を貫通させて、一体化部材により一体化するステップと、
少なくとも前記送信側斜角装着部材と前記受信側斜角装着部材との間における前記管状部材の表面を、前記本体内伝搬波を減衰させる減衰部材により被覆した状態で、前記送信用探触子から超音波を送信し、前記受信用探触子により前記透過伝搬波及び前記本体内伝搬波を受信するステップと、
前記送信用探触子で超音波が送信されてから前記受信用探触子で前記透過伝搬波が受信されるまでの時間差に基づいて、前記管状部材の内部での超音波の伝搬速度を算出するステップと、
算出された前記管状部材の内部での超音波の伝搬速度に基づいて前記管状部材の内部に存在する流体の種別を識別するステップと、を備える流体識別方法。
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