JPWO2018229914A1 - 超音波計測装置および流体監視システム - Google Patents
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Abstract
測定流体を収容する容器の器壁の外部から、この器壁の法線に対して、斜方向から横波探触子により横波の超音波を容器の内部に向けて発生する。そして、容器の器壁の法線方向から縦波探触子により縦波の超音波を容器の内部に向けて発生する。発生された超音波は横波探触子及び縦波探触子に受信され、信号処理される。探傷子測定流体における超音波ビームの広がり角を良好に維持し、発生された超音波を受信することで、器壁を有する容器内の測定流体の状態を、画質の低下を抑制して、高精度に計測することができる。
Description
本発明は、反応槽や配管などの容器内の流体の状態を計測する超音波計測装置および流体監視システムに関する。
反応槽や配管などの容器内の流体の状態を計測する技術が求められている。
ここで、容器の具体例を挙げると、食品プラントや化学プラントなどで用いられる反応槽や混合槽などのプロセス容器や、原料の流体が流れる配管などがある。また、石油プラントや原油採掘場に設置された配管や貯蔵容器なども例として挙げられる。
このような容器の内部(内部空間)には、液体などの流体が入っている。流体には、気泡などの気相や反応生成物などの固相などの液相以外の物質が混合した「多相流体」である場合もある。このような多相流体において、気泡や反応生成物などの異相の有無や大きさ、位置などの情報を得たいという要求がある。
また、流体内の温度の不均一性などの情報を得たいという要求もある。
このような、流体中の異相の位置(空間分布)や物理量の不均一性(空間分布)に関する状態を「流体状態」と呼ぶ。
流体内の流体状態を検知する手法としてトモグラフィ法がある。
X線トモグラフィ法は、計測対象である物体に種々の方向からX線を照射してX線の減衰率を計測し、それらの減衰率情報から、物体内部の密度分布を画像として計測するものである。X線トモグラフィ法は、医療分野や産業分野などで適用されている。
また、超音波トモグラフィ法は、X線の代わりに超音波ビームを用いたものである。計測対象である物体に種々の方向から超音波ビームを照射し、超音波の減衰率などから物体内部の状態を計測する計測技術である。超音波トモグラフィ法は、X線源などの大がかりな装置を必要としないので、X線トモグラフィ法と比べ、小型な計測装置で計測できるという利点がある。
超音波トモグラフィ法は、特許文献1に記載されている。
特許文献1に記載された技術は、人体など生体組織を計測対象にした超音波トモグラフィ法であり、扇型に広がる超音波ビームを用いて、計測対象である生体組織を通過後の超音波の信号を検出し、その受信信号から計測対象の情報を得る。
また、特許文献2には超音波を用いた画像処理方法が記載されている。
特許文献2に記載された技術においては、超音波信号を被観測物体に送信し、被観測物体からの複数の散乱波信号を異なる位置で受信し、散乱波信号の2次音源の位置を検出し、位置情報を生成して被観測物体の断層画像を表示している。
しかしながら、特許文献1及び特許文献2に記載された超音波トモグラフィ法を、器壁を有する容器の内部にある流体を対象とした計測に適用しようとすると、下記の新たな課題が発生することを発明者らは見出した。
その課題とは、容器の器壁中の音速と容器の内部空間内の流体の音速とが大きく異なる計測対象では、器壁〜内部空間の間の界面で超音波ビームの屈折が起こり、超音波ビームを扇型に広げることが困難になるということである。
一例を挙げると、プラントなどで多用される鋼製の容器に、流体として水を入れた場合を考える。
水中の音速が1480m/secであるのに対し、鋼中では音速が5900m/secである。このように流体中と容器器壁中とで音速が大きく異なるため、器壁〜流体界面において、超音波ビームは屈折し、角度が変わり、扇型超音波ビームの広がり角が小さくなる。
超音波トモグラフィにおいて、扇型超音波ビームの広がり角が小さくなると、計測対象の周辺部の画質が低下する。
このように、器壁を備えた容器内の流体の状態を超音波トモグラフィで計測しようとすると、新たな課題が生じる。
なお、特許文献1及び特許文献2に記載の発明が対象としている生体組織では、皮膚や筋肉などでの音速の差は小さいので、超音波はほぼ直進する。生体組織内が水を主成分とする流体である場合でも、その流体を囲む皮膚の音速は水と概ね同じなので、皮膚の外側から超音波ビームを入射した場合、超音波ビームは概ね直進する。すなわち、超音波の屈折という観点では、皮膚は「容器」とは見なされず、実質的に器壁が無い計測対象となる。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、器壁を有する容器内の流体の状態を、器壁外部に備えた超音波探触子を用いて画質の低下を抑制して高精度に計測可能な超音波計測装置及び流体監視システムを実現することである。
上記目的を達成するため、本発明は、以下のように構成される。
超音波計測装置において、計測対象流体が収容される容器の器壁の法線に対して斜方角度で設置される横波探触子と、上記容器の器壁に対して垂直角度で設置される縦波探触子とを有し、上記容器の外側に配置される複数の探触子ユニットと、上記複数の探触子ユニットが接続される計測回路部と、を備え、上記横波探触子及び上記縦波探触子から発生された超音波を受信し、上記容器に収容された計測対象流体の流体状態を計測する。
流体監視システムにおいて、上記超音波計測装置と、上記計測回路部に接続された異常検知部と、上記異常検知部が出力する異常検知信号を表示する監視表示部と、を備える。
本発明によれば、器壁を有する容器内の流体の状態を、器壁外部に備えた超音波探触子を用いて画質の低下を抑制して高精度に計測可能な超音波計測装置及び流体監視システムを実現することができる。
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
(実施例1)
図1は、本発明の実施例1である超音波計測装置の概略構成図である。
図1は、本発明の実施例1である超音波計測装置の概略構成図である。
図1において、計測対象の流体を含む容器510は器壁512を備える。器壁512の中を「器壁内」と呼び、器壁512に囲まれた空間を「内部空間」と呼ぶ。例えば、ステンレス製の器壁512の場合、器壁512内はステンレスである。内部空間514には、測定対象の流体が入っている。
容器510の器壁512は開放系であっても良い。すなわち、器壁512の一部が開いており、内部空間514が容器510の外部とつながっていても良い。例えば、開放型の水槽も本明細書の容器510に含まれる。
「容器外部」または、「器壁外」とは、器壁512で隔てられた空間のうち、内部空間514と反対側の空間を意味する。
ここで、容器の具体例を挙げると、食品プラントや化学プラントなどで用いられる反応槽や混合槽などのプロセス容器や、原料の流体が流れる配管などがある。また、石油プラントや原油採掘場に設置された配管や貯蔵容器なども例として挙げられる。
このような容器の内部(内部空間)には、液体などの流体が入っている。流体には、気泡などの気相や反応生成物などの固相などの液相以外の物質が混合した「多相流体」である場合もある。このような多相流体において、気泡や反応生成物などの異相の有無や大きさ、位置などの情報を得たいという要求がある。
本明細書において、「流体状態」とは,流体中の異相の位置(空間分布)や物理量の不均一性(空間分布)に関する状態を意味する。
流体状態の具体例としては、多相流体における、気泡や反応生成物などの異相の有無や大きさ、位置などの情報がある。他の具体例としては,流体内の温度などの物理量の不均一性(空間分布)の情報がある。
流体内の流体状態を検知する手法としてトモグラフィ法がある。
容器510の器壁512の外部には、探触子ユニット20が複数個設置されている。
複数の探触子ユニット20は、ケーブル(図1には示さず)を介して後述する計測回路部に接続されている。
(本発明と異なる探触子ユニットの構成例)
次に、本発明と異なる探触子ユニットの構成の概略を述べて、その課題を説明する。
次に、本発明と異なる探触子ユニットの構成の概略を述べて、その課題を説明する。
図2は、本発明と異なる探触子ユニットにおける課題を説明するための図である。容器の器壁512の外部に超音波探触子121が設置されている。超音波探触子121は扇型超音波ビームを発生する。すなわち、超音波探触子121は、種々の角度のビーム成分を持つ。超音波探触子121が発信した超音波ビームは、器壁512の内部を通過して容器の内部空間に入る。
ここで、器壁内に向かって壁内屈折角θ2の角度で入射するビーム成分がどのように屈折するかを考える。
壁内屈折角をθ2、内部空間514における屈折角をθ1とする。図2に示すように、壁内屈折角θ2は、器壁512内でのビーム角度であり、内部空間514における屈折角θ1は内部空間514に超音波ビームが入射する際の屈折角である。
図2に示した通り、いずれの屈折角も器壁512の面の法線600(器壁法線と呼ぶ)を基準にした角度である。
器壁512内の音速をc2、内部空間514に入っている流体内の音速をc1とする。すると、スネルの法則により次式(1)の関係が成り立つ。
典型的な例として、器壁512の材料が鋼(音速c2=5900m/sec)、流体が水(音速c1=1480m/sec)の場合を考える。
図3は、壁内屈折角θ2と内部空間屈折角θ1との関係を、上記式(1)を用いて示した図である。この図3を見ると、θ2=90°で入射させても内部空間屈折角θ1は14.5°にとどまることがわかる。壁内屈折角θ2を90°で入射させるということは、超音波ビームが器壁512と内部514との界面において全反射を起こすということである。すなわち、この場合、内部空間屈折角θ1が取り得る最大値は14.5°であり、それ以上の屈折角は取り得ない。
内部空間屈折角θ1が取り得る最大値を内部空間放出角θ1maxと呼ぶことにする。上記の考察から、器壁512を備えた測定対象において、容器内の内部空間514に入射する超音波ビームの広がりは、内部空間放出角θ1maxに制限されてしまうことがわかる。
内部空間放出角θ1maxは、臨界角(critical angle)とも呼ばれ、以下の式(2)で求められる。
ここで、c1は内部空間にある流体の音速であり、c2は器壁内での縦波の音速である。
図16は、流体音速を基準にした音速比c2/c1と臨界角(内部空間放出角)θ1maxとの関係を示したグラフであり、縦軸が臨界角θ1maxを示し、横軸が音速比c2/c1を示している。
図16において、流体音速基準の音速比c2/c1が1.1の場合は、臨界角θ1maxは72°であり、超音波トモグラフィに必要な充分に広がったビームが得られる。しかし、音速比c2/c1が1.3以上になると(c2/c1≧1.3)、臨界角θ1maxは50°以下になり、ビーム広がり量に制限が生じる。
すなわち、容器器壁内での縦波音速c2を水の音速c1で除した値、すなわち音速比c2/c1が、1.3を超える場合において、課題が生じる。本発明は、このような場合でも、充分なビーム広がりをもって計測可能にする超音波計測装置および流体監視システムを実現するものである。
ここで、特許文献1及び特許文献2に記載の技術における計測対象である生体組織の場合を考える。
生体内組織の音速は概ね水(c1=1480m/sec)と同じであり、c1=1480m/sec程度である。そして、生体内組織は、筋肉や皮膚で被覆されている。筋肉の音速は1533m/sec、皮膚の音速は1518m/secであるから、流体音速基準の音速比c2/c1は、1.05以下である。
したがって、図16からわかるように、超音波トモグラフィに必要な充分に広がったビームが得られる。このため、課題は生じない。
一方、産業用途などで用いられる容器の例を考える。
内部空間にある流体としては、典型例として水(音速c1=1480m/sec)を考える。容器の材料が鋼の場合、縦波音速c2は5900m/secなので、音速比はc2/c1=4である。容器の材料がアクリルの場合、縦波音速c2は2730m/secなので、音速比c2/c1=1.8である。
このように、産業用途などで用いられる容器の外側から超音波トモグラフィで計測する場合には、臨界角(内部空間放出角)θ1maxが制約を受ける。
超音波トモグラフィにおいて、ビームの広がり角が小さくなると、観測領域の周辺部での超音波測線の本数が減少する。そのため、観測領域の周辺部での画質が劣化するという課題が発生する。具体的には、解像度低下やノイズ増大、アーティファクトの発生などが発生する。
このように、器壁512の内部空間514に存在する流体に対して超音波トモグラフィを適用すると、器壁512〜内部空間514の界面における屈折現象により、超音波ビームの広がり角が制限されるという課題に発明者らは思い至った。
(本発明の探触子ユニットの構成)
本発明による実施例1での探触子ユニット20の構成を以下に述べる。
本発明による実施例1での探触子ユニット20の構成を以下に述べる。
図4は本実施例1で用いる探触子ユニット20の概略構成図である。図4において、探触子ユニット20は、横波超音波を発信・受信する横波探触子31a(第1の横波探触子)、31b(第2の横波探触子)と、縦波超音波を発信・受信する縦波探触子34と、を備える。
図4では、計測対象流体を収容する容器510の器壁512の内部と、横波探触子31a、31bと、縦波探触子34のシュー40の内部に点線が示してあるが、これは横波探触子31aからの超音波の経路を示したものである。
超音波の縦波(Longitudinal wave)とは、波による媒質構成原子の変位が音波の進行方向と同じである波である。縦波は粗密波である。
一方、超音波の横波(Shear wave)とは、音波の進行方向と直角方向に媒質構成原子が変位する波である。横波はせん断波とも呼ばれる。
本明細書において、横波探触子とは、横波成分を含む超音波を発生及び受信する探触子と定義される。すなわち、横波探触子31a、31bは、放出する超音波が横波成分を含むものであればよく、放出する超音波が縦波成分も含むものであってもよい。
横波は、器壁512表面との幾何学的関係により、SV波とSH波の2種類がある。図11は、SV波とSH波との違いの説明図である。
図11では超音波の進行方向を点線で示している。横波の偏波方向が器壁512の表面に垂直なものをSV波(Vertically polarized shear wave)と呼ぶ。図11において実線矢印で示したのが、SV波の偏波方向である。
一方、横波の偏波方向が器壁512表面と平行なものをSH波(Horizontally polarized shear wave)と呼ぶ。SH波の偏波方向は図11で紙面に垂直方向(裏面から表面への方向)である。
本発明では、SV波の横波、すなわち、偏波方向が器壁512の表面と垂直な横波を用いることが望ましい。
その理由は、以下の通りである。
容器510の内部空間514には液体などの流体が入っているが、流体中では超音波は縦波として伝搬する。器壁512の内部の横波超音波は容器510の内部空間514に入射する際、モード変換により縦波に変換される。このモード変換においては、横波の偏波方向が器壁512の表面と垂直な成分が内部空間514の中での縦波に変換される。したがって、器壁512の表面と垂直な偏波成分を多く含む横波を用いることで、内部空間514に超音波を効率的に入射することが出来る。
横波探触子31a及び31bの具体的構成としては、圧電素子がある。その他にも、横波探触子31a及び31bとして、磁歪素子を用いても良いし、電磁超音波素子(Electro−Magnetic Acoustic Transducer、 EMAT)を用いても良い。本実施例1では、圧電素子を用いた。
縦波探触子34は、器壁512の法線方向に設置されている。すなわち、縦波探触子34は、器壁512の表面に垂直角度で器壁512の外側に設置されている。本明細書では、これを「垂直入射角度で探触子を設置する」と呼ぶ。
本明細書において、「垂直入射角度」での設置とは、入射した超音波が器壁512に垂直な成分を含むものであればよい。超音波探触子から放出される超音波ビームには空間的な広がりがある。したがって、超音波探触子が斜めに設置されても、器壁512内に入射する超音波ビームが器壁512の法線方向成分を含むものであれば、「垂直入射角度」で設置された縦波探触子と見なされる。縦波探触子とは、縦波を含む超音波を発生及び受信する探触子と定義される。
一方、横波探触子は、器壁512の法線に対して斜方角度で器壁512の外側に設置されている。本明細書では、これを「斜方入射角度で探触子を設置する」と呼ぶ。
縦波探触子34と横波探触子31a及び31bは、シュー40に設置されている。そして、シュー40は計測対象が収容される容器510の器壁512に設置されている。本実施例1では、シュー40の材料は、容器510の器壁512と同じ材料で構成している。但し、本発明においては、容器510の器壁512とは異なる材料でシュー40を構成しても構わない。
(作用)
次に、本発明の動作原理を以下に述べる。
次に、本発明の動作原理を以下に述べる。
横波探触子31a、31bから器壁に壁内屈折角θ2で入射した超音波ビームを考える。
容器510の器壁512の材料が鋼の場合について、壁内屈折角θ2と内部空間屈折角θ1との関係を図5に示した。図5の縦軸は、内部空間屈折角θ1を示し、横軸は、壁内屈折角θ2を示す。
本発明とは異なる探触子ユニットの場合、図2、図3に示したように、内部空間屈折角θ1は最大でも14.5°だったが、本実施例1の構成の場合、図5からわかるように内部空間屈折角θ1は28°まで大きくすることができる。
内部空間屈折角θ1が大きくなる(広がる)理由は、横波の超音波を用いているためである。すなわち、横波超音波では音速がc2S=3200m/secになり、縦波の音速c2L=5900m/secよりも小さくなり、内部空間514内の流体(本実施例1では水)の音速と近い値になるためである。
表1は、いくつかの物質(鋼、アルミニウム、アクリル)中における、縦波の音速と横波の音速を示したものである。
表1からわかるように、多くの材料では横波の音速は縦波の音速のおよそ半分である。
このため、斜方入射角度で設置した横波探触子31a、31bを用いると、内部空間屈折角θ1を大きくすることが可能になり、内部空間放出角θ1maxを大きくすることが可能になる。
本発明の構成の第2のポイントは、垂直入射角度で設置した縦波探触子34を組み合わせていることである。斜方入射角度で設置した横波探触子31a、31bでは、内部空間屈折角θ1=0のビーム、すなわち、器壁512の法線方向で入射するビームを生成することができない。
そこで、垂直入射角度で設置した縦波探触子34により、内部空間屈折角θ1がゼロに近いビームを生成することができる。
なお、器壁−流体界面ではモード変換により、器壁512中の横波は流体中では縦波になる。器壁512中の縦波は流体中でも縦波のままである。
したがって、本発明による実施例1の構成の超音波探触子ユニット20が発生する超音波は、流体中では縦波の超音波である。
このようにすることで、内部空間放出角θ1maxが大きな超音波ビームを発生させることが出来る。
これにより、超音波トモグラフィにおいて、観測領域周辺部でも良好な画像を得ることが出来る。
以上の説明は、送信側の探触子ユニット20について述べた。しかし、受信側の探触子ユニットも送信側の探触子と同様な構成となっており、本発明の効果は、受信側の探触子ユニットについても同じである。すなわち,受信側の探触子ユニットについても,容器510の器壁の法線に対して斜方角度で設置された横波探触子と,器壁に対して垂直角度で設置される縦波探触子とを備える。
受信側では、超音波ビームが内部空間514から器壁512に入射する。この際、内部空間屈折角θ1が臨界角θ1max(すなわち,内部空間放出角)よりも大きいと全反射が起きるため,超音波は受信側探触子に到達しないので、信号を検出できない。臨界角θ1maxは,受信側についても上記式(2)により決まる。本発明の構成では,器壁内の横波の超音波を横波探触子により受信する。前述の通り,横波超音波の音速は縦波よりも遅いので,このようにすると,臨界角θ1maxが大きくなる。そのため,受信可能な内部空間屈折角θ1の範囲が拡大する効果が得られる。
なお,器壁内の横波超音波は,内部空間での縦波超音波が器壁内に入射する際に,モード変換により発生する。
よって、本発明の構成の探触子ユニット20を用いると、より大きな内部空間屈折角θ1に対しても超音波が受信側探触子に到達するようになる。
(容器への設置)
図6は、本発明の実施例1における探触子ユニット20内の配線を示す図である。図6において、横波探触子31a、31bは共通の配線で電気的に接続され、共に横波探触子端子61に結線され、縦波探触子34は縦波探触子端子62に結線される。このように、探触子ユニット20は、横波探触子端子61と縦波探触子端子62の2つの端子を備える。
図6は、本発明の実施例1における探触子ユニット20内の配線を示す図である。図6において、横波探触子31a、31bは共通の配線で電気的に接続され、共に横波探触子端子61に結線され、縦波探触子34は縦波探触子端子62に結線される。このように、探触子ユニット20は、横波探触子端子61と縦波探触子端子62の2つの端子を備える。
図6に示した探触子ユニット20を、図1に示したように計測対象の容器510の器壁512の外面に設置する。探触子ユニット20の個数は、トモグラフィで得ようとする情報の精度により変わるが、典型的には16〜130個程度である。本実施例1では32個の探触子ユニット20を設置した。
各々の探触子ユニット20の横波探触子端子31a、31bと縦波探触子端子34とは、ケーブルにより後述する計測回路部に結線する。なお、図1では、横波探触子端子61、縦波探触子端子62、ケーブルの図示は省略している。
(用語の定義)
本明細書では、以下のように用語を定義する。
本明細書では、以下のように用語を定義する。
Nsは探触子ユニット20の個数を示す。
n番目の探触子ユニットを「チャネルn」と呼ぶ。超音波を送信する探触子ユニット20を送信チャネルと呼ぶ。送信チャネルは順次変わるが、ある時点で送信する探触子ユニット20を送信チャネルn1とする。その時点でチャネルn1と対向する位置にある探触子ユニットを対向チャネルn0とする。
その時点で、超音波を受信する探触子ユニット20を受信チャネルn2と呼ぶ。n2は複数個ある。より具体的には、Msを受信チャンネルの範囲の個数を定義するものとすると、対向チャネルn0を中心にして、チャネル(n0−Ms)からチャネル(n0+Ms)までの(2Ms+1)個が受信チャネルn2として動作する。
流体は、超音波の縦波のみの成分を有し、横波成分は有さないものであり、液体と気体とを含むものと定義する。
また、容器は固体であり、容器器壁内での縦波音速c2を水の音速c1で除した値が、1.3を超えるものが容器であると定義する。
本実施例1では、探触子ユニット20の個数Nsが32個であり、受信チャネル範囲の個数Ms=5とした。すなわち、ある送信チャネルn1が送信した超音波ビームを、(2Ms+1)=11個の受信チャネルn2が受信する。
(計測回路部の構成)
図7は、本発明の実施例1における計測回路部200の構成を示す図である。
図7は、本発明の実施例1における計測回路部200の構成を示す図である。
計測回路部200は、マルチプレクサ部210と、横波送信部221と、縦波送信部224と、複数の横波受信部241と、複数の縦波受信部244と、タイミング制御部260と、信号処理部270とを備える。
各々の探触子ユニット20からのケーブルは、計測回路部200のマルチプレクサ部210に結線される。第1の探触子ユニット20の横波探触子端子は端子1−Lに、縦波探触子端子は1−Sに結線される。以下、探触子ユニットNsまで同様であり、それぞれ、2−L、2−S、・・・、(Ns)−L、(Ns)―Sに結線される。
前述の通り、本実施例1では探触子ユニット20の個数Ns=32、受信チャネル範囲の個数Ms=5とした。
送信チャネルn1は順次変わるが、ここでは、送信チャネルn1=1の場合を例にして、信号処理部270の動作を説明する。本実施例1では、探触子ユニット20の個数Nsは32個なので、対向チャネルn0=17である(送信チャンネルn0から17番目に位置する)。受信チャネルn2は、(n0−Ms)から(n0+Ms)の範囲である、すなわち、チャネル12〜チャネル22の範囲の11個である。
マルチプレクサ部210で適切に配線することにより、以下の通り配線する。
チャネル1の探触子ユニット20の横波探触子31a、31bに横波送信部(TS)221を配線し、縦波探触子34に縦波送信部(TL)224を配線する。チャネル12〜チャネル22の探触子ユニット20の横波探触子31a、31bに横波受信部241の受信回路RS−1〜RS−M0をそれぞれ配線し、縦波探触子34に縦波受信部244の受信回路RL−1〜RL−M0をそれぞれ配線する。
タイミング制御部260からのトリガ信号により横波送信部(TS)221、または縦波送信部(TL)224を励起し、チャンネル1の探触子31a、31b、34から超音波ビームを送信する。横波送信部(TS)221と縦波送信部(TL)224とを同時に励起しても良い。
そして、横波受信部241の受信回路RS−1〜RS−M0、または縦波受信部244の受信回路RL−1〜RL−M0は、タイミング制御部260の制御信号により設定された遅延時間の後に、受信信号の波形または振幅値を取得する。横波受信部241は、受信回路RS−1〜RS−M0までのM0個あり、縦波受信部244も、同様に受信回路RL−1〜RL−M0までのM0個ある。ここで、M0=2Ms+1=11である。
横波受信部241および縦波受信部244が取得した受信信号波形は、信号処理部270に送られ、ノイズ除去などの信号整定処理や、アナログ−デジタル変換などの信号処理を行う。そして、特徴抽出部271に送られる。
特徴抽出部271では、適切な遅延時間における受信信号の特徴量を抽出する。特徴量の例としては、信号の振幅値や位相などがある。抽出された信号特徴量は、送信チャネルと受信チャネル毎にメモリ部272に格納する。また、特徴抽出部271により抽出された信号特徴量は、計測回路200の外部に表示部273に送信され、表示される。この場合、特徴抽出部271は、信号特徴量から流体状態を画像化し、それを表す画像信号を表示部273に供給するように構成することも可能である。その場合、信号処理部270及び特徴抽出部271により、流体状態画像化部が構成される。
受信信号の特徴量を抽出する遅延時間は、超音波の経路長さと音速とを用いて、あらかじめ適切な値を設定しておく。経路長さは受信チャネルにより異なるので、あらかじめ設定する遅延時間も受信チャネル毎に異なる。
本実施例1では、信号特徴量として振幅値を抽出した。また、本実施例1では、送信チャネル、受信チャネルの各々の組合せでの振幅値の情報を用いて、トモグラフィで知られた画像再構成処理により流体中の気相(ボイド)の分布を算出する。
また、信号特徴量として位相を抽出すると、トモグラフィで画像再構成処理により流体中の音速の空間分布を求めることが出来る。音速は流体の温度により変化するので、音速分布から流体中の温度分布を求めることが出来る。
また、音速は流体の密度ρと体積弾性率Kとの間に下記の式(3)に示す関係がある。
したがって、音速分布を求めることで、流体内での密度分布や体積弾性率の分布を求めることが出来る。
図8は、本発明の実施例1における受信信号の取得の様子を模式的に示した図である。
図8において示す例では、送信チャネルがn1=1、送信チャネルに対向する位置にある探触子ユニット20がチャネルn0=17である。そして、受信チャネルは、チャンネルn0の両側Ms=5個ずつである。すなわち、受信チャネルはチャネル12〜チャネル22である。
図8に示したように、送信チャネルと受信チャネルとの相対的な位置関係により、受信チャンネルで流体中での超音波の伝搬経路長が異なるので、観測すべき遅延時間(gate delay time)はチャネルにより異なる。
なお、図7に示した本実施例1の計測回路部200の構成では、受信部241、244が、2×M0=2×(2Ms+1)個であり、互いに独立な受信部を設けているので、1回の超音波ビームの送信で2×M0個の受信チャネルで受信でき、短時間で信号を受信できるという利点がある。
次に、送信チャネルn1=2に設定し、受信チャネル中心をn0=18として、(n0−Ms)〜(n0+Ms)のチャネルを受信チャネルに設定する。そして、上述と同様の動作により信号特徴量を抽出し、メモリ部272に格納する。
以上の手続きを、送信チャネルn1を変えながら繰り返すことにより、送信チャネルと受信チャネルとの組合せ毎に、受信信号特徴量の実測データを取得する。
このデータを用いて、画像再構成のアルゴリズムを用いて、流体内の気相の分布などの画像を表示部273にて得る。
以上のように、本発明の実施例1によれば、測定流体を収容する容器510の器壁512の外部からこの器壁512の法線に対して、斜方向から横波探触子31a、31bにより横波の超音波を容器510の内部に向けて発生及び受信し、器壁512の法線方向から縦波探触子34により縦波の超音波を容器510の内部に向けて発生及び受信し、超音波ビームの広がり角を良好に維持するように構成したので、器壁を有する容器内の流体の状態を、画質の低下を抑制して、高精度に計測可能な超音波計測装置を実現することができる。
(実施例2)
次に、図9、図10を用いて、本発明による実施例2を説明する。
次に、図9、図10を用いて、本発明による実施例2を説明する。
本実施例2で用いる探触子ユニット20の構成、および計測対象への設置構成は、実施例1と同じである。本実施例2では、計測回路部200の回路数を削減し、低コストである超音波計測装置および流体監視システムを提供することが特徴である。
図9は本実施例2で用いる計測回路部200Aの構成を示す図である。
図9において、計測回路部200Aは、マルチプレクサ部210と、送信部220と、受信部240と、タイミング制御部260と、信号処理部270とを備える。さらに、特徴抽出部271とメモリ部272とを備える。図9には示していないが、計測回路部200Aの外部には、図7と同様に表示部273が特徴抽出部271に接続されている。
各々の探触子ユニット20のケーブルは、計測回路部200Aのマルチプレクサ部210に結線される。第1の探触子ユニット20の横波探触子端子31a、31bは、端子1−Lに結線され、縦波探触子端子34は端子1−Sに結線される。以下、探触子ユニットNsまで同様に、端子2−L、2−S、・・・、(Ns)−L、(Ns)−Sに結線される。
本実施例2では探触子ユニット20の個数Ns=32、受信チャネル個数範囲はMs=5とした。
本実施例2では、受信部240が横波受信部と縦波受信部との2つの働きをするものであり、横波及び縦波を受信することができる。具体的には、受信部240は、受信回路R−1〜R−M0までのM0=(2Ms+1)個を備える。
送信部220は、横波送信部と縦波送信部の2つの働きをするものであり、横波及び縦波を送信することができる。
図10は、本実施例2での計測回路部200Aの動作プロセスを示すフロー図である。
本実施例2では、横波受信ステップ611と縦波受信ステップ614との2つのステップがある。
送信チャネルn1=1、対向チャネルn0=17、受信チャネルn2=(n0−Ms)〜(n0+Ms)=12〜22という組合せでの動作を説明する。
まず、横波受信ステップ611の動作を行う。このステップ611では、送信チャネルn1(複数の探触子ユニットのうちの選択された一つの探触子ユニット)の横波探触子31a、31bに送信部220を接続する。それぞれの受信チャネルについて、横波探触子31a、31bに受信部240の受信回路R−1〜R−M0(選択された一つの探触子ユニット以外の他の複数の探触子ユニット)を接続する。この状態で、実施例1と同様の動作(横波超音波の送信及び受信)を行い、各受信チャネルの受信信号特徴量をメモリ部272に格納し、表示部273に表示する。
次に、縦波受信ステップ614に移行する。このステップ614では、送信チャネルn1の縦波探触子34に発信回路(T)220を接続する。それぞれの受信チャネルについて、縦波探触子34に受信部回路R−1〜R−M0を接続する。この状態で、実施例1と同様の動作(縦波超音波の送信及び受信)を行い、各受信チャネルの受信信号特徴量をメモリ部272に格納し、表示部273に表示する。
次に、送信チャネルをn1=2、対向チャネルn0=18、受信チャネルn2=(n0−Ms)〜(n0+Ms)=13〜23という組合せに変えて、同様にして、横波受信ステップ611と縦波受信ステップ614とを繰り返す。
送信チャネルn1の順番を適宜変えても本実施例2の効果が得られることは言うまでもない。また、縦波受信ステップ614を先に行い、その後で横波受信ステップ611を行っても良い。
また、横波受信ステップ611で、送信チャネルn1を切替えて(走査して)測定を行い、その後、縦波受信ステップ614に切り替えて、送信チャネルを切り替えて(走査して)測定を行っても良い。
以上のように、本実施例2の構成によれば、実施例1と同様な効果を得ることができる他、実施例1と較べて、計測回路部200の回路数をおよそ半分に削減できるので、低コストである超音波計測装置を実現することができるという効果がある。
(実施例3)
次に、図12を用いて、本発明の実施例3を説明する。
次に、図12を用いて、本発明の実施例3を説明する。
図12は、本発明の実施例3である超音波計測装置の概略構成図である。実施例3の超音波計測装置は、送信用探触子ユニット20Tと、複数個の受信用探触子ユニット20Rとを備える。送信用探触子ユニット20Tは1つでよい。
送信用探触子ユニット20Tと受信用探触子ユニット20Rは、固定具411で支持されており、この固定具411は、計測対象流体が入った容器510の外周側に設置される。送信用探触子ユニット20Tと受信用探触子ユニット20Rは、固定具411の内周側に支持されている。本実施例3の超音波計測装置は回転機構412を備え、この回転機構412により固定具411を回転させる。これにより、固定具411に支持された送信用探触子ユニット20Tと受信用探触子ユニット20Rは、容器510の外周側を回転する。固定具411のある回転位置で送信用探触子ユニット20Tから超音波を発信して複数の受信用探触子ユニット20Rで超音波信号を受信する。
次に、回転機構412で固定具411を回転させることで、送信用探触子ユニット20Tを別の回転位置に配置し、そして超音波信号を送信・受信する。これを繰り返すことで、トモグラフィに必要な超音波の特徴量信号を取得できる。
本実施例3のその他の構成は、実施例1または実施例2と同様の構成とすることができる。
本実施例3の構成によると、探触子ユニットの個数を減らすことが出来、低コストである超音波計測装置及び流体監視システムを実現することが出来るという効果がある。
さらに、本実施例3において、回転位置センサ413を備えるとさらに好ましい。
回転位置センサ413は、固定具411の回転位置(回転角度)を計測するものであればよい。本実施例3では、光学的センサを用いることができる。具体的には、固定具411側面にスリットパターンを印字し、レーザまたは発光ダイオードなどの光学的手段により、固定具411の回転時に横切ったスリットの本数を数える。これにより固定具411の回転位置を正確に計測できる。
回転位置センサ413は、光学的センサ以外に磁気センサなどいくつかのものが知られており、それらの手段を用いても良い。
本実施例3によれば、実施例1及び実施例2と同様な効果を得ることができる他、回転位置センサ413を用いて、固定具411の回転位置、すなわち各探触子ユニット20T、20Rの回転位置を正確に検知すると、対象流体の特性量の空間分布を精度良く計測できるという効果がある。
なお、回転位置センサ413で検知した情報は、回転機構412にフィードバックして回転動作の精度を高めても良い。あるいは、回転位置センサ413で検知した情報を計測回路部200または200Aに入力して、画像再構成をする際にその高精度な回転位置情報を反映させても良い。
(実施例4)
次に、図13を用いて本発明の実施例4を説明する。
次に、図13を用いて本発明の実施例4を説明する。
図13は、本発明の実施例4である超音波計測装置の概略構成側面図である。本実施例4では、配管510Aを、計測対象流体を収容する容器とし、その配管510A内を流れている流体の流量を計測する。
図13において、配管510Aの外側に複数の超音波探触子ユニット20が設置されている。超音波探触子ユニット20は、実施例1と同様な構成となっている。また、計測回路部については、実施例1の計測回路部200または実施例2の計測回路部200Aを適用する。図13は側面図なのでわかりにくいが、図1に示したものと同様に、配管510Aの円周に沿って複数の超音波探触子ユニット20が設置されている。
さらに、配管510Aには流量計測用超音波探触子322が設置されている。必要に応じて、流量計測用超音波探触子322はシュー340を用いて配管510Aに設置する。
図13では、超音波ビームの送信経路を点線矢印により模式的に示した。
流量計測は、流量計測用超音波探触子322から超音波を発信し、配管510A内における流体内の気泡などで反射された信号を流量計測用超音波探触子322で受信する。その受信信号の位相変化を調べることで流体の速度を検知することが出来る。これは、超音波ドップラー法として知られた流量計測法である。本実施例4では、この方法を用いて流量計測を行うことができる。受信信号の位相変化を調べ、流体の速度を検知する動作は、計測回路部200または200Aの特徴抽出部271で実行することができる。
流量計測方法としては、この他にも、2つの探触子間で流体流れの上流方向と下流方向とで超音波の伝搬時間を計測し、その差から流体の流速を計測する方法も知られており、この方法を用いても良い。
本実施例4においても、実施例1及び実施例2と同様な効果が得られる他、以下に述べる効果を得ることができる。
本実施例4では、流量計測用の超音波探触子322により計測対象の液相の流速を計測し、トモグラフィ用の探触子ユニット20を用いて気相の空間分布を計測する。そして、気相の空間分布から、気液比率、すなわち配管断面積に対する気相の占める割合を求める。実測された流速と気液比率を積算することで、気液2相流に対しても正確な流量を計測することができる。
(実施例5)
次に、図14を用いて本発明の実施例5を説明する。
次に、図14を用いて本発明の実施例5を説明する。
図14は、本発明の実施例5である超音波計測装置の概略構成図である。
本実施例5は化学プラントなどで用いられる反応容器510Bの中の流体を計測対象とする例である。
図14において、反応容器510Bには、原料配管531から原料が導入され、反応後の生成物は生成物配管532から取り出される。
反応容器510の外側に複数の超音波探触子ユニット20が設置されている。図14は側面図なのでわかりにくいが、図1に示したのと同様に、反応容器510Bの円周に沿って複数の超音波探触子ユニット20が設置されている。そして、複数の探触子ユニット20は、各々計測回路部200に接続されている。
計測回路部200の構成は、実施例1と同様であるが、実施例2の計測回路部200Aの構成とすることも可能である。
本実施例5では、超音波探触子20により計測された受信信号(超音波)が計測回路部200の特徴抽出部271に供給され、信号特徴量として位相が抽出される。抽出した位相に基づいて、反応容器510B内の流体における音速の空間分布を知ることが出来る。これにより、反応容器510B内での流体である生成物の空間分布を計測することが出来る。
特徴抽出部271は、抽出した位相を信号特徴量としてメモリ部272に格納させると共に、表示部273に供給する。
反応容器510B内の生成物の空間分布は、特徴抽出部271で算出してもよいし、外部の表示部273で算出し、算出した空間分布を画像表示してもよい。
本実施例5においても、実施例1及び実施例2と同様な効果が得られ、反応容器510B内の生成物の空間分布を計測することができる。
(実施例6)
次に、図15を用いて本発明の実施例6である流体監視システムを説明する。
次に、図15を用いて本発明の実施例6である流体監視システムを説明する。
本実施例6は、実施例5の超音波計測装置を用いて、流体装置の内部の流体の流体状態を監視し、異常発生を検知する流体監視システムである。
流体装置とは、液体などの流体が入った装置であり、具体的には化学プラントや食品プラントで使用される反応容器や、プラントなどで使用される配管などがある。本実施例6では、流体装置として反応容器の例を述べる。
図15に示したのは、実施例5と同様の反応容器510Bに流体監視システム550を設置した例である。
図15において、反応容器510Bの外側に複数の超音波探触子ユニット20が設置されている。図15は側面図なのでわかりにくいが、図1に示したものと同様に、反応容器510Bの円周に沿って複数の超音波探触子ユニット20が設置されている。複数の探触子ユニット20は、各々計測回路部200に接続されている。
実施例6において、計測回路部200の構成は実施例1又は実施例2(計測回路200A)と同様である。
本実施例6では、信号特徴量として位相を計測する。実施例5において説明した通り、位相に基づいて、音速の空間分布を知ることが出来る。これにより、反応容器510B内での生成物の空間分布を計測することが出来る。
生成物の空間分布の計測結果は、計測回路部200から異常検知部551に送られる。異常検知部551は計測された空間分布に異常が無いかを監視する。異常の検知の方法には、閾値を用いるもの、機械学習手法を用いるもの、空間分布から異常特性値を算出するもの、などが知られている。
異常検知部551には、データベース部552を必要に応じて接続する。異常検知部551は、データベース部552の情報を用いて機械学習手法により異常検知を実行することができる。
異常検知部551は、異常検知信号555を出力する。異常検知信号555は、監視表示部553に送信され、異常時に異常発生が表示される。
本実施例6の流体監視システム550に含まれる構成は、超音波計測装置(探触子ユニット20、計測回路部200)、異常検知部551、及び監視表示部553とである。
必要に応じて、流体監視システム550は流体装置制御部558をさらに備え、異常検知部551からの異常検知信号が、流体装置制御部558にも送信される。流体装置制御部558は、流体装置、すなわち本実施例6では反応容器510Bに関わる処理プロセスを制御するものである。例えば、原料配管531の原料の流量や生成物配管532の動作、反応容器510Bの温度などを制御する。
流体監視システム550は、さらに、上述したデータベース部552を備えることも可能である。
監視表示部553は、流体装置制御部558の制御表示部と兼用してもよい。一例としては、流体装置制御部558の端末画面の中に、異常発生を通知する画面内領域を設け、そこに異常発生を通知する。
本発明の実施例6によれば、実施例5の超音波計測装置と、異常検知部551と、監視表示部553とを備え、器壁を有する反応容器内の流体の状態を、画質の低下を抑制して、高精度に計測し、監視することができる流体監視システムを実現することができる。
実施例6の流体監視システム550は、反応容器510Bのみならず、実施例1〜4に示した容器や配管にも適用することができる。
なお、上述した本発明の実施例1〜6においては、探触子ユニット20は、横波探触子31a及び31bの2つを備える構成としたが、一つの横波探触子のみ備える構成とすることもできる。
本発明においては提案した実施例を単独で実施しても良いし、場合によっては複数の実施例を組み合わせて実施しても差し支えないものである。
本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で本発明を実施することができる。
また、本明細書に記載された実施例はあくまでも例示にすぎず、限定的に解釈してはならないことは言うまでもない。
10・・・超音波計測装置、 20・・・超音波探触子ユニット、 31a、31b・・・横波探触子、 34・・・縦波探触子、 40・・・シュー、 61・・・横波探触子端子、 62・・・縦波探触子端子、 200、200A・・・計測回路部、 210・・・マルチプレクサ部、 220・・・送信部、 221・・・横波送信部、 224・・・縦波送信部、 240・・・受信部、 241・・・横波受信部、 244・・・縦波受信部、 260・・・タイミング制御部、 270・・・信号処理部、 271・・・特徴抽出部、 272・・・メモリ部、 273・・・表示部、 411・・・固定具、 412・・・回転機構、 413・・・回転位置センサ、 510、510A、510B・・・容器、 512・・・器壁、 514・・・内部空間、 516・・・器壁外空間、 550・・・流体監視システム、 551・・・異常検知部、 553・・・監視表示部
Claims (13)
- 計測対象流体が収容される容器の器壁の法線に対して斜方角度で設置される横波探触子と、上記容器の器壁に対して垂直角度で設置される縦波探触子とを有し、上記容器の外側に配置される複数の探触子ユニットと、
上記複数の探触子ユニットが接続される計測回路部と、
を備え、上記横波探触子及び上記縦波探触子から発生された超音波を受信し、上記容器に収容された計測対象流体の流体状態を計測することを特徴とする超音波計測装置。 - 請求項1に記載の超音波計測装置において、
上記複数の探触子ユニットのそれぞれは、第1の横波探触子と、第2の横波探触子を備え、上記第1の横波探触子と上記第2の横波探触子とは共通の配線で電気的に接続されていることを特徴とする超音波計測装置。 - 請求項1に記載の超音波計測装置において、
上記計測回路部は、横波送信部と、縦波送信部と、横波受信部と、縦波受信部と、マルチプレクサ部とを有し、上記複数の探触子ユニットのうちの上記マルチプレクサ部により選択された探触子ユニットの上記横波探触子が上記横波送信部により駆動され、上記選択された探触子ユニットの上記縦波探触子が上記縦波送信部により駆動されることを特徴とする超音波計測装置。 - 請求項1に記載の超音波計測装置において、
上記複数の探触子ユニットを支持する固定具と、
上記固定具を回転させる回転機構と、を備えることを特徴とする超音波計測装置。 - 請求項1に記載の超音波計測装置において、
上記計測対象流体の流速を計測する流速計測用超音波探触子をさらに備えることを特徴とする超音波計測装置。 - 請求項1に記載の超音波計測装置において、
上記計測回路は、上記複数の探触子ユニットから受信した超音波に基づいて上記計測対象流体の流体状態を画像化する流体状態画像化部を備えることを特徴とする超音波計測装置。 - 請求項6に記載の超音波計測装置において、
上記流体画像化部により画像化された上記計測対象流体の流体状態を表示する表示部をさらに備えることを特徴とする超音波計測装置。 - 請求項1に記載の超音波計測装置において、
上記計測回路部は、横波及び縦波を送信する送信部と、横波及び縦波を受信する受信部と、マルチプレクサ部とを有し、
上記マルチプレクサ部により、
上記複数の探触子ユニットのうちの選択された一つの探触子ユニットの横波探触子に上記横波及び縦波を送信する送信部が接続され、上記選択された一つの探触子ユニット以外の他の複数の探触子ユニットの横波探触子に上記横波及び縦波を受信する受信部が接続されて、横波超音波の送信及び受信が行われ、
上記選択された一つの探触子ユニットの縦波探触子に上記横波及び縦波を送信する送信部が接続され、上記他の複数の探触子ユニットの縦波探触子に上記横波及び縦波を受信する受信部が接続されて、縦波超音波の送信及び受信が行われることを特徴とする超音波計測装置。 - 請求項1に記載の超音波計測装置において、
上記容器は反応容器であり、上記計測対象流体は上記反応容器内に導入された原料の生成物であり、上記計測回路部は、上記探触子ユニットが受信した超音波の位相を計測し、上記生成物の空間分布を計測することを特徴とする超音波計測装置。 - 請求項1又は6に記載の超音波計測装置と、
上記計測回路部に接続された異常検知部と、
上記異常検知部が出力する異常検知信号を表示する監視表示部と、
を備えることを特徴とする流体監視システム。 - 請求項1、2、3、5、6、7、8、9のうちのいずれか一項に記載の超音波計測装置において、
上記横波探触子は横波超音波を発生及び受信し、上記縦波探触子は縦波超音波を発生及び受信することを特徴とする超音波計測装置。 - 請求項1乃至8のうちのいずれか一項に記載の超音波計測装置において、
上記計測対象流体は液体であることを特徴とする超音波計測装置。 - 請求項1乃至8のうちのいずれか一項に記載の超音波計測装置において、
上記容器は固体であり、上記容器の器壁内での縦波音速を水の音速で除した値が、1.3を超えることを特徴とする超音波計測装置。
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