JP6516358B2 - Measuring device - Google Patents

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Description

本発明は、計測装置に関し、より詳細には、流体の内外に存在する物体の形状と当該流体の流速分布を同時的に計測する計測装置に関する。   The present invention relates to a measuring device, and more particularly to a measuring device that simultaneously measures the shape of an object existing inside and outside the fluid and the flow velocity distribution of the fluid.

現在、福島第一原子力発電所の廃炉に向けて作業が進められている。福島第一原子力発電所では、溶け落ちた燃料が構造材や制御棒と共に冷えて固まってなる燃料デブリが圧力容器内や格納容器下部に散在していると考えられている。   Currently, work is being carried out toward the decommissioning of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station. At the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station, it is thought that fuel debris, which is melted and solidified together with the structural material and the control rods, is scattered in the pressure vessel and in the lower part of the containment vessel.

現在、このような燃料デブリを回収する方法として、作業員の被ばくを最小限にする観点から、燃料デブリを冠水させた状態で格納容器の上部からこれを取り出す「冠水工法」の採用が検討されている。   At present, as a method of recovering such fuel debris, from the viewpoint of minimizing the exposure of workers, adoption of “submersion method” is considered to take fuel debris from the upper part of the containment vessel in a state of being flooded. ing.

ここで、冠水工法においては、水没する燃料デブリの位置・形状を正確に捉えることが求められるが、滞留水の透明度が低いため、カメラでは目的物の鮮明な画像を得ることができない。   Here, in the submersion method, it is required to accurately capture the position and shape of the fuel debris to be submerged, but since the transparency of the stagnant water is low, a camera can not obtain a clear image of the object.

この点につき、非特許文献1は、アレイ超音波計測によって取得した波形から開口合成法を用いて計測対象の画像を作成する方法を開示する。   In this regard, Non-Patent Document 1 discloses a method of creating an image of an object to be measured using an aperture synthesis method from a waveform acquired by array ultrasonic measurement.

木本和志,廣瀬壮一,“アレイ超音波深傷試験による水平き裂のサイジング”,日本非破壊検査協会平成20年度秋季講演大会講演概要集,p47−50,2008.K. Kimoto and S. Hirose, “Sizing of Horizontal Cracks by Array Ultrasonic Deep Scratch Test,” Proceedings of the Annual Meeting of the Fall Meeting of the Japanese National Institute of Non-Destructive Inspections, p. 47-50, 2008.

冠水工法においては、燃料デブリが完全に冠水していることを確認してからでないと作業を開始することができない。したがって、その全体が空中に露出した状態、一部を空中に露出して水に浸漬された状態、完全に水没した状態など、様々な状態にある燃料デブリの形状を1つの計測系で検知することが求められる。また、格納容器の破損により注入した水が漏えいしているような場合、作業中に燃料デブリが水面から露出してくる危険性があるため、燃料デブリの形状を検知する計測系で同時に漏えい箇所を検知できることが望ましい。   In the submersion method, work can not be started unless it is confirmed that fuel debris is completely submersed. Therefore, one measurement system is used to detect the shape of fuel debris in various states, such as a state in which the whole is exposed in the air, a state in which a part is exposed in the air and immersed in water, and a state in which the whole is completely submerged. Is required. Also, if there is a risk that fuel debris may be exposed from the water surface during work if there is a leak of water injected due to damage to the containment vessel, there will be a risk that fuel debris will be exposed from the water surface. It is desirable to be able to detect

本発明は、上記の要請に鑑みてなされたものであり、本発明は、流体の内外に存在する物体の形状と当該流体の流速分布を同時的に計測することができる新規な計測装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described needs, and the present invention provides a novel measuring device capable of simultaneously measuring the shape of an object existing inside and outside the fluid and the flow velocity distribution of the fluid. The purpose is to

本発明者は、流体の内外に存在する物体の形状と当該流体の流速分布を同時的に計測する計測装置の構成につき鋭意検討した結果、以下の構成に想到し、本発明に至ったのである。   As a result of intensive investigation into the configuration of a measuring device that simultaneously measures the shape of an object existing inside and outside the fluid and the flow velocity distribution of the fluid, the present inventors have arrived at the following configuration and reached the present invention. .

すなわち、本発明によれば、流体の内外に存在する物体の形状と該流体の流速分布を計測するための計測装置であって、複数の振動子が列をなして配置されたアレイセンサーと、前記複数の振動子の駆動を制御して順次異なる位置の振動子からパルス超音波を発信させるとともに、該パルス超音波のエコー信号を各振動子を介して検出するパルサ・レシーバと、2以上の振動子を介して検出されたエコー信号に基づいて開口合成処理を行うことにより前記パルス超音波を反射する物体の表面形状を計測する物体形状計測手段と、所定以上の距離をおいて離間する第1の振動子および第2の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を検出し、検出した2つのドップラー周波数に基づいて流速ベクトルを計測する流速ベクトル計測手段とを含み、前記流速ベクトル計測手段は、検出した2つの前記ドップラー周波数と、前記パルス超音波の反射位置と該パルス超音波を発信する前記振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルと、前記パルス超音波の反射位置と前記第1の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第1のベクトルと、前記パルス超音波の反射位置と前記第2の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第2の単位ベクトルと、に基づいて流速ベクトルを算出する、計測装置が提供される。   That is, according to the present invention, it is a measuring device for measuring the shape of an object existing inside and outside the fluid and the flow velocity distribution of the fluid, and an array sensor in which a plurality of transducers are arranged in a row; Two or more pulsers and receivers for controlling the drive of the plurality of transducers to cause pulse ultrasound waves to be emitted sequentially from transducers at different positions and detecting echo signals of the pulse ultrasound waves via the respective transducers; Object shape measuring means for measuring the surface shape of an object that reflects the pulse ultrasonic wave by performing aperture synthesis processing based on an echo signal detected via a vibrator, and separating at a predetermined distance or more A flow velocity vector meter that detects the Doppler frequency of an echo signal detected via the first and second transducers and measures the flow velocity vector based on the detected two Doppler frequencies And said flow velocity vector measuring means comprises: two detected Doppler frequencies; a unit vector in a direction connecting a reflection position of the pulse ultrasonic wave and a center of the vibrator for transmitting the pulse ultrasonic wave; A first vector, which is a unit vector in a direction connecting the reflection position of the pulse ultrasound and the center of the first transducer, and a unit in the direction connecting the reflection position of the pulse ultrasound and the center of the second transducer A measuring device is provided that calculates a flow velocity vector based on the second unit vector, which is a vector.

上述したように、本発明によれば、流体の内外に存在する物体の形状と当該流体の流速分布を同時的に計測することができる新規な計測装置が提供される。   As described above, according to the present invention, a novel measuring device capable of simultaneously measuring the shape of an object existing inside and outside the fluid and the flow velocity distribution of the fluid is provided.

本実施形態の計測装置の構成を示す模式図。The schematic diagram which shows the structure of the measuring device of this embodiment. 本実施形態の超音波アレイセンサの駆動制御を説明するための概念図。FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining drive control of the ultrasonic array sensor of the present embodiment. エコー信号の波形を模式的に示す図。The figure which shows the waveform of an echo signal typically. 開口合成の原理を説明するための概念図。The conceptual diagram for demonstrating the principle of aperture synthetic | combination. 物体の表面形状を計測する態様を示す図。The figure which shows the aspect which measures the surface shape of an object. マトリックス状に振動子を配置した超音波アレイセンサを示す図。The figure which shows the ultrasonic array sensor which arranged the vibrator | oscillator in matrix form. 流速ベクトル分布計測部を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the flow velocity vector distribution measurement part. 流速ベクトルの計測原理を説明するための概念図。The conceptual diagram for demonstrating the measurement principle of flow velocity vector. 物体の表面形状と流速ベクトル分布を提示する可視化データを示す図。The figure which shows the visualization data which present the surface shape of an object, and flow velocity vector distribution. 本実施形態の計測装置が実行する処理を表すフローチャート。5 is a flowchart showing processing executed by the measuring device of the present embodiment.

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。   Hereinafter, the present invention will be described with the embodiment shown in the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments shown in the drawings. In the drawings referred to below, the same reference numerals are used for the common elements, and the description thereof will be omitted as appropriate.

図1は、本発明の実施形態である計測装置100の構成を示す模式図である。本実施形態の計測装置100は、超音波アレイセンサ10と、パルサ・レシーバ20と、ADコンバータ30と、コンピュータ40を含んで構成されている。ここで、コンピュータ40は、物体形状計測部42、流速ベクトル分布計測部44および計測結果出力部46として機能する。   FIG. 1 is a schematic view showing the configuration of a measuring apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. The measuring apparatus 100 according to this embodiment includes an ultrasonic array sensor 10, a pulsar receiver 20, an AD converter 30, and a computer 40. Here, the computer 40 functions as an object shape measurement unit 42, a flow velocity vector distribution measurement unit 44, and a measurement result output unit 46.

図1に示すように、超音波アレイセンサ10は、複数の振動子12が列をなして配置されたリニアアレイセンサとして構成されており、本実施形態においては、パルサ・レシーバ20が各振動子12をパルスドップラー方式で駆動することによって各振動子12が超音波の短パルス信号を発信するように構成されている。一方、各振動子12が発信した超音波のエコー(反射波)は、各振動子12によって受信されるように構成されており、各振動子12は、受信したエコーを電気信号(以下、エコー信号という)に変換してパルサ・レシーバ20に出力する。パルサ・レシーバ20は、各振動子12を介して検出したエコー信号(アナログ信号)をADコンバータ30に出力し、ADコンバータ30は、これをデジタル信号に変換してコンピュータ40に出力する。   As shown in FIG. 1, the ultrasonic array sensor 10 is configured as a linear array sensor in which a plurality of transducers 12 are arranged in a row, and in the present embodiment, the pulsar / receiver 20 is each transducer Each transducer 12 is configured to emit a short pulse signal of an ultrasonic wave by driving 12 by a pulse Doppler method. On the other hand, the echo (reflected wave) of the ultrasonic wave transmitted by each transducer 12 is configured to be received by each transducer 12, and each transducer 12 receives the received echo as an electric signal (hereinafter referred to as an echo). It converts into a signal and outputs to the pulser receiver 20. The pulser / receiver 20 outputs an echo signal (analog signal) detected through each vibrator 12 to the AD converter 30, and the AD converter 30 converts the echo signal into a digital signal and outputs the digital signal to the computer 40.

本実施形態において、パルサ・レシーバ20は、超音波を発信する期間(以下、発信期間という)とエコーを受信する期間(以下、受信期間という)が交互に繰り返されるように振動子12の駆動タイミングを制御する。パルサ・レシーバ20は、発信期間が到来する度に、超音波アレイセンサ10を構成するN個の振動子12の中から順次異なる位置に配置される1つの振動子12を選択して駆動し、受信期間が到来する度に、2以上N以下の振動子12を介してエコー信号を検出する。例えば、パルサ・レシーバ20は、図2に示すように、発信期間が到来する度に、列の左端(1ch)から右端(Nch)にかけて、走査方向に隣接する振動子12を1つずつ順番に駆動し、受信期間が到来する度に、全ての(N個の)振動子12を介してエコー信号を検出することができる。   In this embodiment, the pulser / receiver 20 drives the vibrator 12 so that the period for transmitting ultrasonic waves (hereinafter referred to as transmission period) and the period for receiving an echo (hereinafter referred to as reception period) are alternately repeated. Control. The pulser / receiver 20 selects and drives one transducer 12 sequentially arranged at a different position among the N transducers 12 constituting the ultrasonic array sensor 10 each time a transmission period comes, Every time a reception period arrives, an echo signal is detected via the transducer 12 of 2 or more and N or less. For example, as shown in FIG. 2, the pulser / receiver 20 sequentially switches the transducers 12 adjacent in the scanning direction one by one from the left end (1ch) to the right end (Nch) of the row each time the transmission period arrives. The echo signal can be detected through all (N) transducers 12 each time the drive period is received and a reception period arrives.

なお、本実施形態においては、N個の振動子12のそれぞれに対して固有のパルサ・レシーバ20とADコンバータ30を1組ずつ用意し、N個の振動子12から検出されるエコー信号を同時に処理することが望ましいが、1組のパルサ・レシーバ20とADコンバータ30を使用して計測を行う場合は、マルチプレクサ(N対1)を用いて、N個の振動子12から検出されるエコー信号を時分割で処理するようにしてもよい。   In the present embodiment, one set of unique pulser / receiver 20 and AD converter 30 is prepared for each of N transducers 12, and echo signals detected from N transducers 12 are simultaneously obtained. Although it is desirable to process, when performing measurement using one set of pulser receiver 20 and AD converter 30, echo signals detected from N transducers 12 using a multiplexer (N to 1) May be processed by time division.

また、本実施形態は、発信期間における振動子12の駆動順序を限定するものではなく、発信期間が到来する度に異なる位置の振動子12からパルス超音波が発信される態様であればよい。また、図2に示すように、受信期間において全ての振動子12からエコー信号を検出することは必須ではなく、計測値に関して所望の精度を達成しうる態様(数および位置)で振動子12からエコー信号を検出するように構成すればよい。   Further, the present embodiment does not limit the driving order of the transducers 12 in the transmission period, and it may be an aspect in which pulse ultrasonic waves are transmitted from the transducers 12 at different positions each time the transmission period arrives. Further, as shown in FIG. 2, it is not essential to detect the echo signals from all the transducers 12 in the reception period, but from the transducers 12 in a mode (number and position) that can achieve the desired accuracy with respect to the measured value. It may be configured to detect an echo signal.

以上、本実施形態の計測装置100の構成の概要を説明してきたが、続いて、物体形状計測部42が実行する処理を説明する。なお、以下の説明においては、適宜、図1を参照するものとする。   The outline of the configuration of the measurement apparatus 100 according to the present embodiment has been described above, and subsequently, the process performed by the object shape measurement unit 42 will be described. In the following description, FIG. 1 will be referred to as appropriate.

本実施形態においては、発信期間に1つの振動子12がパルス超音波を発信し、受信期間に複数の振動子12がそのエコーを受信する。図3は、受信期間に各振動子12から検出されるエコー信号の波形を模式的に示す。図3に示すように、各振動子12から検出されるエコー信号は、流れ50の中に水没する静止物体52に反射したエコーに対応する成分E1を含む。ここで、静止物体52は、例えば、圧力容器内や格納容器下部に散在する燃料デブリである。   In the present embodiment, one transducer 12 transmits pulsed ultrasonic waves in the transmission period, and the plurality of transducers 12 receive the echoes in the reception period. FIG. 3 schematically shows the waveform of an echo signal detected from each transducer 12 during the reception period. As shown in FIG. 3, the echo signal detected from each transducer 12 includes a component E 1 corresponding to the echo reflected by the stationary object 52 submerged in the stream 50. Here, the stationary object 52 is, for example, fuel debris scattered in the pressure vessel or in the lower part of the containment vessel.

本実施形態において、物体形状計測部42は、コンピュータ40に入力されたエコー信号の成分E1に基づいて静止物体52の表面形状を計測する。具体的には、物体形状計測部42は、2以上の振動子12を介して検出された成分E1に基づいて開口合成処理を行うことで静止物体52の表面形状を計測する。ここで、開口合成とは、異なる位置で受信した受信信号を合成することにより仮想的に大口径の開口(受信素子)を得る手法である。以下、図4に基づいて、本実施形態に適用される開口合成の原理を概説する。   In the present embodiment, the object shape measurement unit 42 measures the surface shape of the stationary object 52 based on the component E1 of the echo signal input to the computer 40. Specifically, the object shape measurement unit 42 measures the surface shape of the stationary object 52 by performing the aperture combining process based on the component E1 detected through the two or more vibrators 12. Here, aperture combining is a method of virtually obtaining an aperture (receiving element) having a large aperture by combining received signals received at different positions. The principle of aperture synthesis applied to the present embodiment will be outlined below based on FIG.

ここでは、振動子12aが発信したパルス超音波が静止物体52上の位置Xで反射し、3つの振動子12b、12c、12dがそのエコーを受信する場合について考える。   Here, it is assumed that the pulse ultrasonic wave transmitted by the vibrator 12a is reflected at the position X on the stationary object 52, and the three vibrators 12b, 12c, and 12d receive the echoes.

この場合、振動子12aがパルス超音波を発信してからそのエコーが振動子12bで受信されるまでの所要時間Tと、流れ50の媒質の音速cと、振動子12aの中心と振動子12bの中心の離間距離Labから位置Xが存在しうる曲線bが幾何学的に求まる。同様に、パルス超音波が発信されてからそのエコーが振動子12cで受信されるまでの所要時間Tと、音速cと、振動子12aの中心と振動子12cの中心の離間距離Lacから位置Xが存在しうる曲線cが幾何学的に求まり、パルス超音波が発信されてからそのエコーが振動子12dで受信されるまでの所要時間Tと、音速cと、振動子12aの中心と振動子12dの中心の離間距離Ladから位置Xが存在しうる曲線dが幾何学的に求まる。そして、この場合、3つの曲線b、c、dが交差する領域近傍に位置Xの存在が推定されることになる。 In this case, the required time T b to the echo transducer 12a from to disseminate the pulsed ultrasound is received by the transducer 12b, a sound speed c of the medium flow 50, the center of the vibrator 12a and the transducer A curve b in which the position X can exist is geometrically determined from the separation distance L ab at the center of 12 b. Similarly, from the required time Tc from when the pulse ultrasonic wave is transmitted to when the echo is received by the transducer 12c, the speed of sound c, and the distance L ac between the center of the transducer 12a and the center of the transducer 12c. A curve c in which the position X can exist is geometrically determined, and a required time T d from the transmission of the pulse ultrasonic wave to the reception of the echo by the vibrator 12 d , the speed of sound c, and the center of the vibrator 12 a a distance L ad from position X can exist curve d of the center of the transducer 12d is determined geometrically. And in this case, the presence of the position X is estimated in the vicinity of the area where the three curves b, c, d intersect.

なお、ここでは、3つの振動子12から検出されたエコー信号を合成する態様を示したが、合成するエコー信号を多くするほど推定の確度が高くなることはいうまでもない。物体形状計測部42は、計測値に関して所望の精度を達成するために必要と考えられる2以上の振動子12を選択し、そこから検出されたエコー信号に基づいて開口合成処理を行う。   Here, although an aspect is shown in which echo signals detected from the three transducers 12 are combined, it is needless to say that the estimation accuracy becomes higher as the number of echo signals to be combined is increased. The object shape measurement unit 42 selects two or more transducers 12 considered to be necessary for achieving a desired accuracy in terms of measurement values, and performs aperture synthesis processing based on the echo signals detected therefrom.

本実施形態においては、先述したように、パルサ・レシーバ20がパルス超音波を発信する振動子12の位置を順次変更して計測線を1次元的に走査する。一方、物体形状計測部42は、計測線の走査に同期して、複数の振動子12から検出されるエコー信号を開口合成し、これにDBF法やMUSIC法といった既知の位置推定アルゴリズムを適用することで各計測線上の位置Xを推定する処理を繰り返す。その結果、静止物体52の2次元表面形状が計測される。   In the present embodiment, as described above, the pulser / receiver 20 sequentially changes the position of the transducer 12 that transmits pulse ultrasonic waves to scan the measurement line in a one-dimensional manner. On the other hand, the object shape measurement unit 42 performs aperture synthesis on echo signals detected from the plurality of transducers 12 in synchronization with the scanning of the measurement line, and applies known position estimation algorithms such as DBF method and MUSIC method to this. Thus, the process of estimating the position X on each measurement line is repeated. As a result, the two-dimensional surface shape of the stationary object 52 is measured.

図5は、本実施形態の計測装置100によって静止物体52の2次元表面形状が計測される態様を模式的に示す。計測対象となる物体が複雑な形状を有する場合、パルス超音波が入射する位置によって、そのエコーの伝搬方向が大きく異なることがある。例えば、図5(a)に示すように、パルス超音波が位置X1に入射する場合、そのエコーはパルス超音波の伝搬線上を戻るように伝搬する。この場合、高い強度のエコー信号が検出されるので位置X1につき確度の高い位置情報が得られる。一方、パルス超音波が位置X2に入射する場合、そのエコーはパルス超音波の伝搬線上からずれた方向に伝搬する。この場合、パルス超音波の伝搬線上近傍の振動子12から検出されるエコー信号の強度は弱くなるが、エコーの伝搬方向に配置された複数の振動子12から検出されるエコー信号に基づいて開口合成処理を行うことで位置X2の位置情報が得られるので、図5(b)に示すように、結果として欠損のない表面形状を取得することができる。   FIG. 5 schematically shows an aspect in which the two-dimensional surface shape of the stationary object 52 is measured by the measuring device 100 of the present embodiment. When the object to be measured has a complicated shape, the propagation direction of the echo may be largely different depending on the position where the pulse ultrasonic wave is incident. For example, as shown in FIG. 5A, when the pulse ultrasonic wave is incident on the position X1, its echo propagates back on the propagation line of the pulse ultrasonic wave. In this case, since high intensity echo signals are detected, highly accurate position information can be obtained for the position X1. On the other hand, when the pulse ultrasonic wave is incident on the position X2, its echo propagates in a direction deviated from the propagation line of the pulse ultrasonic wave. In this case, although the intensity of the echo signal detected from the transducer 12 in the vicinity of the propagation line of the pulse ultrasonic wave becomes weak, the aperture is generated based on the echo signals detected from the plurality of transducers 12 arranged in the echo propagation direction. Since the position information of the position X2 can be obtained by performing the combining process, as shown in FIG. 5B, it is possible to obtain a surface shape free from defects as a result.

なお、超音波アレイセンサとして、上述したリニアアレイセンサに代えて、図6(a)に例示するような複数の振動子がマトリックス状に配置されたアレイセンサを採用した上で、計測線を2次元的に走査することによって静止物体52の3次元表面形状を計測することができる。   As an ultrasonic array sensor, in place of the above-described linear array sensor, an array sensor in which a plurality of transducers as illustrated in FIG. The three-dimensional surface shape of the stationary object 52 can be measured by scanning dimensionally.

以上、物体形状計測部42が実行する処理を説明してきたが、続いて、流速ベクトル分布計測部44が実行する処理を説明する。   The process performed by the object shape measurement unit 42 has been described above. Subsequently, the process performed by the flow velocity vector distribution measurement unit 44 will be described.

本実施形態においては、先述したように、発信期間に1つの振動子12がパルス超音波を発信し、受信期間に複数の振動子12がそのエコーを受信する。このとき、振動子12が発信したパルス超音波は、流れ50を移動する微小粒子に反射し、そのエコー(反射波)を各振動子12が受信する。各振動子12から検出されるエコー信号は、図3に示すように、微小粒子に反射したエコーに対応する成分E2を含む。   In the present embodiment, as described above, one transducer 12 transmits pulse ultrasonic waves in the transmission period, and the plurality of transducers 12 receive the echoes in the reception period. At this time, the pulse ultrasonic wave transmitted by the vibrator 12 is reflected by the moving fine particles on the moving particle 50, and each vibrator 12 receives its echo (reflected wave). The echo signal detected from each transducer 12 includes a component E2 corresponding to the echo reflected by the fine particle, as shown in FIG.

ここで、流速ベクトル分布計測部44は、コンピュータ40に入力されたエコー信号の成分E2に基づいて流れ50の2次元流速ベクトル分布を計測する。具体的には、流速ベクトル分布計測部44は、所定以上の距離をおいて離間する2つの振動子12を介して検出された成分E2に基づいて流れ50の2次元流速ベクトル分布を計測する。以下、図8に示す概念図に基づいて、2次元流速ベクトルの計測原理を説明する。   Here, the flow velocity vector distribution measurement unit 44 measures a two-dimensional flow velocity vector distribution of the flow 50 based on the component E2 of the echo signal input to the computer 40. Specifically, the flow velocity vector distribution measurement unit 44 measures the two-dimensional flow velocity vector distribution of the flow 50 based on the component E2 detected via the two transducers 12 separated by a predetermined distance or more. The principle of measurement of the two-dimensional flow velocity vector will be described below based on the conceptual diagram shown in FIG.

図8に示すように、振動子eが基本周波数fのパルス超音波を発信する場合、当該パルス超音波が流れを速度Vで移動する微小粒子Sに反射し、その反射波が所定以上の距離をおいて離間する2つの振動子αおよび振動子βによって受信される。流速ベクトル分布計測部44は、2つの振動子α、βから検出される2つのエコー信号(成分E2)について、自己相関法等の適切な方法により周波数分析を行い、それぞれのエコー信号からドップラー周波数fを検出する。ここでいう所定以上の距離とは、以下に述べる計測原理に照らして適切な距離を意味する。 As shown in FIG. 8, when the transducer e transmits a pulse ultrasonic wave of the fundamental frequency f 0 , the pulse ultrasonic wave reflects the flow to the minute particles S moving at the velocity V, and the reflected wave is a predetermined wave or more. It is received by two transducers α and β, which are separated by a distance. The flow velocity vector distribution measurement unit 44 performs frequency analysis on the two echo signals (component E2) detected from the two transducers α and β by an appropriate method such as an autocorrelation method, and the Doppler frequency from each echo signal f Detect D. Here, the predetermined distance or more means an appropriate distance in light of the measurement principle described below.

ここで、振動子αのエコー信号から検出されるドップラー周波数fDαは下記式(1)で表すことができ、振動子βのエコー信号から検出されるドップラー周波数fDβは下記式(2)で表すことができる。 Here, the Doppler frequency f detected from the echo signal of the oscillator α can be expressed by the following equation (1), and the Doppler frequency f detected from the echo signal of the oscillator β is represented by the following equation (2) Can be represented.

上記式(1)、(2)において、fは振動子eが発信するパルス超音波の基本周波数を示し、cは媒質の音速を示し、eは微小粒子Sと振動子eの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、eαは微小粒子Sと振動子αの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、eβは微小粒子Sと振動子βの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、Vは微小粒子Sの2次元流速ベクトルを示す。 In the above equations (1) and (2), f 0 represents the fundamental frequency of the pulsed ultrasonic wave emitted by the transducer e, c represents the velocity of sound of the medium, and e e represents the center of the microparticle S and the transducer e. Represents a unit vector in the connecting direction, e α represents a unit vector in the direction connecting the particle S with the center of the oscillator α, and e β represents a unit vector in the direction connecting the center of the particle S with the oscillator β, V represents a two-dimensional flow velocity vector of the microparticles S.

ここで、上記式(1)と上記式(2)を連立し、行列を用いて表すと下記式(3)の様になる。   Here, when the above equation (1) and the above equation (2) are simultaneously established and expressed using a matrix, the following equation (3) is obtained.

そして、上記式(3)を整理すると、流速ベクトルVは、下記式(4)で表される。   And if the said Formula (3) is arranged, the flow velocity vector V will be represented by following formula (4).

本実施形態において、流速ベクトル分布計測部44は、2つの振動子α、βのエコー信号から検出したドップラー周波数fDαおよびfDβを上記式(4)に投入して微小粒子Sの2次元流速ベクトルVを算出する。ここで、上記式(4)におけるe、eαおよびeβは、計測線上の微小粒子Sの位置(超音波の反射位置)と、振動子e、αおよびβのぞれぞれの中心位置から幾何学的に求まる。そして、計測線上の微小粒子Sの位置は、振動子e、αおよびβのぞれぞれの中心位置と、2つの振動子α、βのそれぞれで計測される超音波の伝播時間(振動子eがパルス超音波を発信してからそのエコーとして戻ってくるまでの時間)と、振動子eから発信されるパルス超音波の出射角度θから幾何学的に求まる。 In the present embodiment, the flow velocity vector distribution measurement unit 44 inputs the Doppler frequencies f and f detected from the echo signals of the two transducers α and β into the above equation (4) to generate the two-dimensional flow velocity of the microparticles S. Calculate the vector V. Here, e e , e α and e β in the above equation (4) are the position of the micro particle S on the measurement line (the reflection position of the ultrasonic wave) and the centers of each of the vibrator e, α and β. Geometrically determined from the position. The position of the microparticle S on the measurement line is determined by the central position of each of the transducers e, α and β, and the propagation time of the ultrasonic wave measured by each of the two transducers α and β It is geometrically determined from the emission time θ of the pulse ultrasonic wave transmitted from the transducer e) and the time from e transmitting the pulse ultrasonic wave to returning as its echo).

本実施形態においては、パルサ・レシーバ20がパルス超音波を発信する振動子eの位置を順次変更して計測線を1次元的に走査する。一方、流速ベクトル分布計測部44は、計測線の走査に同期して、上記式(4)に則って各計測線上に存在する微小粒子Sの2次元流速ベクトルVを計算する処理を繰り返す。その結果、流れ50の2次元平面上の流速ベクトル分布が計測される。   In the present embodiment, the pulser / receiver 20 sequentially changes the position of the transducer e that transmits the pulse ultrasonic wave to scan the measurement line one-dimensionally. On the other hand, the flow velocity vector distribution measurement unit 44 repeats the process of calculating the two-dimensional flow velocity vector V of the minute particle S present on each measurement line according to the above equation (4) in synchronization with the scanning of the measurement line. As a result, the flow velocity vector distribution on the two-dimensional plane of the flow 50 is measured.

なお、超音波アレイセンサとして、図8に示したリニアアレイセンサに代えて、図6(b)に例示するような複数の振動子がマトリックス状に配置されたアレイセンサを採用することによって流れの3次元流速ベクトルを計測することができる。   In addition, it replaces with the linear array sensor shown in FIG. 8 as an ultrasonic array sensor, and employ | adopts the array sensor by which several vibrator | oscillators illustrated in FIG.6 (b) are arrange | positioned in matrix form. A three-dimensional flow velocity vector can be measured.

この点を図6(b)に基づいて説明すると、流速ベクトル分布計測部44は、振動子eから基本周波数fのパルス超音波を発信した場合において、所定以上の距離をおいて離間する3つの振動子(α、β、γ)から検出される3つのエコー信号について、自己相関法等の適切な方法により周波数分析を行い、それぞれのエコー信号からドップラー周波数fを検出する。流速ベクトル分布計測部44は、3つの振動子(α、β、γ)のエコー信号から検出したドップラー周波数fDα、fDβ、fDγを下記式(5)に投入して微小粒子Sの3次元流速ベクトルVを算出する。 This point will be described based on FIG. 6B. The flow velocity vector distribution measurement unit 44 separates at a predetermined distance or more when the pulse ultrasonic wave of the fundamental frequency f 0 is transmitted from the vibrator e. With respect to three echo signals detected from one oscillator (α, β, γ), frequency analysis is performed by an appropriate method such as an autocorrelation method, and a Doppler frequency f D is detected from each echo signal. The flow velocity vector distribution measurement unit 44 inputs Doppler frequencies f , f and f detected from echo signals of the three transducers (α, β and γ) into the following equation (5) and Calculate the dimensional flow velocity vector V.

上記式(5)において、fは振動子eが発信するパルス超音波の基本周波数を示し、cは媒質の音速を示し、eは微小粒子Sと振動子eの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、eαは微小粒子Sと振動子αの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、eβは微小粒子Sと振動子βの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、eγは微小粒子Sと振動子γの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、Vは微小粒子Sの3次元流速ベクトルを示す。 In the above equation (5), f 0 represents the fundamental frequency of the pulsed ultrasonic wave transmitted by the transducer e, c represents the velocity of sound of the medium, and e e represents a unit connecting the center of the microparticle S and the center of the transducer e. Represents a vector, e α represents a unit vector in a direction connecting the microparticle S and the center of the oscillator α, e β represents a unit vector in a direction connecting the microparticle S and the center of the oscillator β, and e γ represents a micro A unit vector in a direction connecting the center of the particle S and the oscillator γ is shown, and V is a three-dimensional flow velocity vector of the particle S.

ここで、上記式(5)におけるe、eα、eβおよびeγは、計測線上の微小粒子Sの位置(超音波の反射位置)と、振動子e、α、βおよびγのそれぞれの中心位置から幾何学的に求まる。そして、計測線上の微小粒子Sの位置は、振動子e、α、βおよびγのそれぞれの中心位置と、3つの振動子(α、β、γ)のそれぞれで計測される超音波の伝播時間(振動子eがパルス超音波を発信してからそのエコーとして戻ってくるまでの時間)と、振動子eから発信されるパルス超音波の出射角度θから幾何学的に求まる。 Here, e e , e α , e β and e γ in the above equation (5) are the position of the micro particle S on the measurement line (the reflection position of the ultrasonic wave) and the transducers e, α, β and γ, respectively. Geometrically determined from the center position of And, the position of the micro particle S on the measurement line is the propagation time of the ultrasonic wave measured by the center position of each of the transducers e, α, β and γ and each of the three transducers (α, β, γ) It is geometrically determined from (the time from when the vibrator e emits pulse ultrasonic wave to when it returns as echo thereof) and the emission angle θ of the pulse ultrasonic wave emitted from the vibrator e.

この場合、パルサ・レシーバ20がパルス超音波を発信する振動子eの位置を順次変更して計測線を2次元的に走査する。一方、流速ベクトル分布計測部44は、計測線の走査に同期して、上記式(5)に則って各計測線上に存在する微小粒子Sの3次元流速ベクトルVを計算する処理を繰り返す。その結果、流れ50の3次元空間内の流速ベクトル分布が計測される。   In this case, the pulser / receiver 20 scans the measurement line two-dimensionally by sequentially changing the position of the transducer e that transmits pulse ultrasonic waves. On the other hand, the flow velocity vector distribution measurement unit 44 repeats the process of calculating the three-dimensional flow velocity vector V of the minute particles S present on each measurement line according to the above equation (5) in synchronization with the scanning of the measurement line. As a result, the flow velocity vector distribution in the three-dimensional space of the flow 50 is measured.

以上、流速ベクトル分布計測部44が実行する処理を説明してきたが、続いて、計測結果出力部46が実行する処理を説明する。   The process performed by the flow velocity vector distribution measurement unit 44 has been described above. Subsequently, the process performed by the measurement result output unit 46 will be described.

本実施形態の計測結果出力部46は、物体形状計測部42が出力する物体の表面形状と流速ベクトル分布計測部44が出力する流速ベクトル分布を合成して可視化データを生成し、生成した可視化データを計測結果として出力する。図9は、計測結果出力部46が出力する計測結果を例示的に示す。本実施形態によれば、図9に示すように、計測結果として、流体内に存在する静止物体52の表面形状と当該流体の流速ベクトル分布を同時的に提示する可視化データがユーザに提供される。   The measurement result output unit 46 of the present embodiment generates visualization data by combining the surface shape of the object output by the object shape measurement unit 42 and the flow velocity vector distribution output by the flow velocity vector distribution measurement unit 44 and generating visualization data Is output as the measurement result. FIG. 9 exemplarily shows the measurement result output from the measurement result output unit 46. According to the present embodiment, as shown in FIG. 9, visualization data is provided to the user as the measurement result, which simultaneously presents the surface shape of the stationary object 52 present in the fluid and the flow velocity vector distribution of the fluid. .

なお、図9は、静止物体52の2次元表面形状と2次元流速ベクトル分布を同時的に提示する可視化データを示したが、超音波アレイセンサとして複数の振動子がマトリックス状に配置されたアレイセンサを採用する場合においては、計測結果出力部46は、静止物体52の3次元表面形状と3次元流速ベクトル分布を同時的に提示する可視化データを生成・出力する。   FIG. 9 shows visualization data that simultaneously presents the two-dimensional surface shape of the stationary object 52 and the two-dimensional flow velocity vector distribution, but an array in which a plurality of transducers are arranged in a matrix as an ultrasonic array sensor In the case of employing a sensor, the measurement result output unit 46 generates and outputs visualization data that simultaneously presents the three-dimensional surface shape of the stationary object 52 and the three-dimensional flow velocity vector distribution.

最後に、本実施形態の計測装置100が実行する処理を図10に示すフローチャートに基づいて説明する。   Finally, the process executed by the measuring device 100 of the present embodiment will be described based on the flowchart shown in FIG.

計測が開始されると、ステップ101で、超音波アレイセンサ10を構成するN個の振動子12のうち、1つの振動子12からパルス超音波を発振し、その反射波(エコー)を複数の振動子12で受信する。続くステップ102では、複数の振動子12が検出した複数のエコー信号に基づいてパルス超音波の反射位置を推定する。以降、N本の計測線(すなわち、N個の振動子12)について上記処理を繰り返す(S103、No)。   When measurement is started, in step 101, pulse ultrasound is oscillated from one of the N transducers 12 constituting the ultrasound array sensor 10, and the reflected waves (echoes) thereof are divided into a plurality of echoes. The signal is received by the vibrator 12. In the subsequent step 102, the reflection position of the pulse ultrasonic wave is estimated based on the plurality of echo signals detected by the plurality of transducers 12. Thereafter, the above process is repeated for N measurement lines (that is, N transducers 12) (S103, No).

その後、全ての計測線について処理が終了した時点で(S103、Yes)、ステップ104に進み、推定したN個の反射位置から静止物体52の表面形状の画像を再構成する。   Thereafter, when the processing is completed for all the measurement lines (S103, Yes), the process proceeds to step 104, and an image of the surface shape of the stationary object 52 is reconstructed from the estimated N reflection positions.

続くステップ105では、流速ベクトルの計測のために超音波を送受信する素子(振動子12)の組み合わせを決定する。具体的には、超音波アレイセンサ10を構成するN個の振動子12のそれぞれについて、その振動子12が発振したパルス超音波のエコー信号を検出する一組の振動子12を決定する。ここで、超音波アレイセンサ10としてリニアアレイセンサを使用する場合は、1つの振動子12に対して、2つの振動子12からなる組を決定し、超音波アレイセンサ10としてマトリックスアレイセンサを使用する場合は、1つの振動子12に対して、3つの振動子12からなる組を決定する。   In the subsequent step 105, a combination of elements (vibrator 12) for transmitting and receiving ultrasonic waves for measuring the flow velocity vector is determined. Specifically, for each of the N transducers 12 constituting the ultrasound array sensor 10, a set of transducers 12 for detecting an echo signal of the pulsed ultrasound wave oscillated by the transducer 12 is determined. Here, when a linear array sensor is used as the ultrasonic array sensor 10, a set of two transducers 12 is determined for one transducer 12, and a matrix array sensor is used as the ultrasonic array sensor 10. In the case where one vibrator 12 is used, a set of three vibrators 12 is determined.

なお、本実施形態においては、1つの振動子12に対して、エコー信号を検出する振動子12の組を2組以上決定してもよい。また、本実施形態においては、ステップ104で取得した静止物体52の表面形状から反射波(エコー)を受信することができない振動子12を幾何的に特定し、特定した振動子12をエコー信号を検出する振動子の候補から外すことによって計測精度を向上させることができる。   In the present embodiment, two or more sets of transducers 12 for detecting an echo signal may be determined for one transducer 12. Further, in the present embodiment, the vibrator 12 which can not receive the reflected wave (echo) is geometrically specified from the surface shape of the stationary object 52 obtained in step 104, and the specified vibrator 12 is used as an echo signal. Measurement accuracy can be improved by removing from the candidate of the transducer to be detected.

続くステップ106では、超音波アレイセンサ10を構成するN個の振動子12のうち、1つの振動子12からパルス超音波を発振し、パルス超音波を発振する振動子12について決められた一組の振動子12でその反射波(エコー)を受信する。続くステップ107では、受信した反射波(エコー)から検出したエコー信号に基づいてドップラー周波数を検出する。以降、N本の計測線(すなわち、N個の振動子12)について上記処理を繰り返す(S108、No)。   In the subsequent step 106, among the N transducers 12 constituting the ultrasound array sensor 10, one set of transducers 12 that oscillates pulse ultrasound and oscillates pulse ultrasound from one of the transducers 12 is determined. The reflected wave (echo) is received by the vibrator 12 of FIG. In the following step 107, the Doppler frequency is detected based on the echo signal detected from the received reflected wave (echo). Thereafter, the above process is repeated for N measurement lines (that is, N transducers 12) (S108, No).

その後、全ての計測線について処理が終了した時点で(S108、Yes)、ステップ109に進み、N本の計測線において検出されたドップラー周波数に基づいて各計測線上の流速ベクトルを算出する。なお、先のステップ105において、1つの振動子12に対して、エコー信号を検出する振動子12の組を2組以上決定した場合は、1つの計測点に対して2以上の流速ベクトルが算出されることになるが、この場合は、算出された流速ベクトルをエコー信号の強度に応じて適宜合成することで計測精度を向上させることができる。   Thereafter, when the process is completed for all the measurement lines (S108, Yes), the process proceeds to step 109, and the flow velocity vector on each measurement line is calculated based on the Doppler frequencies detected in the N measurement lines. If two or more sets of transducers 12 for detecting an echo signal are determined for one transducer 12 in step 105 above, two or more flow velocity vectors are calculated for one measurement point. In this case, the measurement accuracy can be improved by appropriately combining the calculated flow velocity vector according to the intensity of the echo signal.

続くステップ110では、先のステップ104で取得した静止物体52の表面形状の画像情報と、先のステップ109で取得した流速ベクトルに係る情報に基づいて、静止物体52の表面形状と流速ベクトル分布を同時的に提示する可視化データを生成する。そして、最後のステップ111で、生成した可視化データを計測結果として出力し、処理を終了する。   In the following step 110, based on the image information of the surface shape of the stationary object 52 acquired in the previous step 104 and the information on the flow velocity vector acquired in the previous step 109, the surface shape and flow velocity vector distribution of the stationary object 52 are Generate visualization data to be presented simultaneously. Then, in the final step 111, the generated visualization data is output as a measurement result, and the process is ended.

以上、説明したように、本実施形態の計測装置100によれば、流体の内外に存在する物体の形状と当該流体の流速分布を同時的に計測することができる。本実施形態によれば、燃料デブリの位置・形状を確認するとともに、その周辺の流速分布から燃料デブリの浸漬状態を確認することが可能になる。また、燃料デブリ周辺の流速分布から流体の熱対流を検知することができ、間接的に燃料デブリの発熱性状を推測することが可能になる。さらに、各所で計測される流速分布から滞留水の漏えい箇所を検知することができるので、作業員を危険に晒す前に燃料デブリの回収作業を中止して漏洩箇所を修繕することが可能になる。   As described above, according to the measuring device 100 of the present embodiment, it is possible to simultaneously measure the shape of an object present inside and outside the fluid and the flow velocity distribution of the fluid. According to the present embodiment, it is possible to confirm the position and the shape of the fuel debris and to confirm the immersion state of the fuel debris from the flow velocity distribution around it. Further, thermal convection of the fluid can be detected from the flow velocity distribution around the fuel debris, and it becomes possible to indirectly estimate the heat generation property of the fuel debris. Furthermore, since it is possible to detect the leak point of stagnant water from the flow velocity distribution measured in various places, it becomes possible to stop the work of collecting fuel debris and repair the leak point before exposing workers to danger. .

なお、これまで、本発明の計測装置の適用シーンとして、専ら、原子力発電所の廃炉に伴う燃料デブリの回収作業を例に挙げて説明してきたが、本発明の計測装置は、その用途を限定するものではないことはいうまでもない。その他、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。   In addition, as an application scene of the measuring apparatus of the present invention, the recovery work of fuel debris accompanying the decommissioning of a nuclear power plant has been described as an example, but the measuring apparatus of the present invention is used for its application It goes without saying that there is no limitation. In addition, within the scope of the embodiment that those skilled in the art can consider, the present invention is included in the scope of the present invention as long as the functions and effects of the present invention are exhibited.

なお、上述したコンピュータ40の各機能は、C、C++、C#、Java(登録商標)などで記述された装置実行可能なプログラムにより実現でき、本実施形態のプログラムは、ハードディスク装置、CD−ROM、MO、DVD、フレキシブルディスク、EEPROM、EPROMなどの装置可読な記録媒体に格納して頒布することができ、また他装置が可能な形式でネットワークを介して伝送することができる。   Each function of the computer 40 described above can be realized by a device executable program described in C, C ++, C #, Java (registered trademark) or the like, and the program of this embodiment is a hard disk device, a CD-ROM It can be stored and distributed in a device readable recording medium such as an MO, a DVD, a flexible disk, an EEPROM, an EPROM, etc., and can be transmitted via a network in a format that other devices can use.

10…超音波アレイセンサ
12…振動子
20…パルサ・レシーバ
30…ADコンバータ
40…コンピュータ
42…物体形状計測部
44…流速ベクトル分布計測部
46…計測結果出力部
50…流れ
52…静止物体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Ultrasonic array sensor 12 ... Vibrator 20 ... Pulsar receiver 30 ... AD converter 40 ... Computer 42 ... Object shape measurement part 44 ... Flow velocity vector distribution measurement part 46 ... Measurement result output part 50 ... Flow 52 ... Stationary object

Claims (6)

流体の内外に存在する物体の形状と該流体の流速ベクトル分布を計測するための計測装置であって、
複数の振動子が列をなして配置されたアレイセンサーと、
前記複数の振動子の駆動を制御して順次異なる位置の振動子からパルス超音波を発信させるとともに、該パルス超音波のエコー信号を各振動子を介して検出するパルサ・レシーバと、
2以上の振動子を介して検出されたエコー信号に基づいて開口合成処理を行うことにより前記パルス超音波を反射する物体の表面形状を計測する物体形状計測手段と、
所定以上の距離をおいて離間する第1の振動子および第2の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を検出し、検出した2つのドップラー周波数に基づいて流速ベクトルを計測する流速ベクトル計測手段とを含み、
前記流速ベクトル計測手段は、
検出した2つの前記ドップラー周波数と、
前記パルス超音波の反射位置と該パルス超音波を発信する前記振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルと、
前記パルス超音波の反射位置と前記第1の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第1のベクトルと、
前記パルス超音波の反射位置と前記第2の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第2の単位ベクトルと、
に基づいて流速ベクトルを算出する、
計測装置。
A measuring device for measuring the shape of an object existing inside and outside a fluid and the flow velocity vector distribution of the fluid,
An array sensor in which a plurality of transducers are arranged in a row;
A pulser receiver that controls driving of the plurality of transducers so as to emit pulse ultrasonic waves from transducers at different positions one after another, and detects an echo signal of the pulse ultrasonic waves through each transducer;
An object shape measurement unit that measures the surface shape of an object that reflects the pulse ultrasonic wave by performing aperture synthesis processing based on echo signals detected through two or more transducers;
A flow velocity that detects a Doppler frequency of an echo signal detected through a first transducer and a second transducer separated by a predetermined distance or more and measures a flow velocity vector based on the detected two Doppler frequencies Including vector measurement means,
The flow velocity vector measuring means
The two detected Doppler frequencies,
A unit vector in a direction connecting a reflection position of the pulse ultrasonic wave and a center of the vibrator that transmits the pulse ultrasonic wave;
A first vector which is a unit vector in a direction connecting the reflection position of the pulse ultrasonic wave and the center of the first transducer;
A second unit vector that is a unit vector in a direction connecting the reflection position of the pulse ultrasonic wave and the center of the second transducer;
Calculate the flow velocity vector based on
Measuring device.
前記流速ベクトル計測手段は、下記式(1)に基づいて2次元流速ベクトルVを計測する、請求項1に記載の計測装置。
(上記式において、fはパルス超音波の基本周波数を示し、cは音速を示し、eは前記単位ベクトルを示し、eαは前記第1のベクトルを示し、eβは前記第2のベクトルを示し、fDαは前記第1の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示し、fDβは前記第2の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示す。)
The measuring device according to claim 1, wherein the flow velocity vector measuring means measures a two-dimensional flow velocity vector V based on the following equation (1).
(In the above equation, f 0 represents the fundamental frequency of pulse ultrasound, c represents the speed of sound, e e represents the unit vector, e α represents the first vector, and e β represents the second A vector is shown, f indicates the Doppler frequency of an echo signal detected through the first transducer, and f indicates a Doppler frequency of an echo signal detected through the second transducer. )
さらに、前記物体の表面形状と前記流速ベクトルを同時的に提示する可視化データを計測結果として出力する計測結果出力手段を含む、
請求項1または2に記載の計測装置。
Furthermore, it includes measurement result output means for outputting as a measurement result visualization data that simultaneously presents the surface shape of the object and the flow velocity vector.
The measuring device according to claim 1 or 2.
流体の内外に存在する物体の形状と該流体の流速ベクトル分布を計測するための計測装置であって、
複数の振動子がマトリックス状に配置されたアレイセンサーと、
前記複数の振動子の駆動を制御して順次異なる位置の振動子からパルス超音波を発信させるとともに、該パルス超音波のエコー信号を各振動子を介して検出するパルサ・レシーバと、
2以上の振動子を介して検出されたエコー信号に基づいて開口合成処理を行うことにより前記パルス超音波を反射する物体の表面形状を計測する物体形状計測手段と、
所定以上の距離をおいて互いに離間し、且つ、同一直線上にない第1の振動子、第2の振動子および第3の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を検出し、検出した3つのドップラー周波数に基づいて流速ベクトルを計測する流速ベクトル計測手段とを含み、
前記流速ベクトル計測手段は、
検出した3つの前記ドップラー周波数と、
前記パルス超音波の反射位置と該パルス超音波を発信する前記振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルと、
前記パルス超音波の反射位置と前記第1の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第1のベクトルと、
前記パルス超音波の反射位置と前記第2の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第2の単位ベクトルと、
前記パルス超音波の反射位置と前記第3の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第3の単位ベクトルと、
に基づいて流速ベクトルを計測する、
計測装置。
A measuring device for measuring the shape of an object existing inside and outside a fluid and the flow velocity vector distribution of the fluid,
An array sensor in which a plurality of transducers are arranged in a matrix,
A pulser receiver that controls driving of the plurality of transducers so as to emit pulse ultrasonic waves from transducers at different positions one after another, and detects an echo signal of the pulse ultrasonic waves through each transducer;
An object shape measurement unit that measures the surface shape of an object that reflects the pulse ultrasonic wave by performing aperture synthesis processing based on echo signals detected through two or more transducers;
Detecting Doppler frequencies of echo signals detected via the first transducer, the second transducer, and the third transducer that are separated from each other by a predetermined distance or more and are not on the same straight line; Flow velocity vector measuring means for measuring a flow velocity vector based on the three detected Doppler frequencies;
The flow velocity vector measuring means
The three detected Doppler frequencies,
A unit vector in a direction connecting a reflection position of the pulse ultrasonic wave and a center of the vibrator that transmits the pulse ultrasonic wave;
A first vector which is a unit vector in a direction connecting the reflection position of the pulse ultrasonic wave and the center of the first transducer;
A second unit vector that is a unit vector in a direction connecting the reflection position of the pulse ultrasonic wave and the center of the second transducer;
A third unit vector which is a unit vector in a direction connecting the reflection position of the pulse ultrasonic wave and the center of the third transducer;
Measure the flow velocity vector based on
Measuring device.
前記流速ベクトル計測手段は、下記式(2)に基づいて3次元流速ベクトルVを計測する、請求項4に記載の計測装置。
(上記式(2)において、fはパルス超音波の基本周波数を示し、cは音速を示し、eは前記単位ベクトルを示し、eαは前記第1のベクトルを示し、eβは前記第2のベクトルを示し、eγは前記第3のベクトルを示し、fDαは前記第1の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示し、fDβは前記第2の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示し、fDγは前記第3の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示す。)
The measuring device according to claim 4, wherein the flow velocity vector measuring means measures a three-dimensional flow velocity vector V based on the following equation (2).
(In the above equation (2), f 0 represents the fundamental frequency of pulse ultrasound, c represents the speed of sound, e e represents the unit vector, e α represents the first vector, and e β is the above Represents a second vector, e γ represents the third vector, f D α represents the Doppler frequency of an echo signal detected through the first transducer, and f D β represents the second transducer And the Doppler frequency of the echo signal detected via the third transducer is indicated by f D .gamma .).
さらに、前記物体の表面形状と前記流速ベクトルを同時的に提示する可視化データを計測結果として出力する計測結果出力手段を含む、
請求項4または5に記載の計測装置。
Furthermore, it includes measurement result output means for outputting as a measurement result visualization data that simultaneously presents the surface shape of the object and the flow velocity vector.
The measuring device according to claim 4 or 5.
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