JP5827809B2 - 超音波探触子及び管状対象物の周長測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面波を利用して管状対象物の周長測定を行う超音波探触子及びそれを使用した管状対象物の周長測定方法に関する。

従来、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、管１００の周長測定においては、縦波が表面波に変わる入射角度で送信用超音波探触子１０１の送信口１０２から管１００の外周面に縦波を入射させ、管１００を伝搬する表面波を送信口１０２とは異なる位置に設けた受信用超音波探触子１０３の受信口１０４から入射させて、図４（Ｃ）に示すように、送信口１０２から受信口１０４まで、即ち、送信用超音波探触子１０１の入射点から受信用超音波探触子１０３の入射点まで表面波が到達するのに要する表面波伝搬時間Ｔを求め、得られた表面波伝搬時間Ｔと表面波の速度Ｖを用いて管１００の周長を測定している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−３１５７２２号公報

特許文献１に記載の周長測定方法では、管１００の外周面に対向させて設けられた送信口１０２と受信口１０４との間の遠回り距離は、表面波の速度Ｖと表面波伝搬時間Ｔとの積（ＶＴ）として求まるので、管１００の外周面に沿った送信口１０２と受信口１０４との間の距離（送信用超音波探触子１０１の入射点から受信用超音波探触子１０３の入射点との間の入射点間距離）をＬとすると、管１００の周長は、ＶＴとＬの和として求まる。ここで、符号１０５は送信用超音波探触子１０１の送信用振動子、符号１０６は受信用超音波探触子１０３の受信用振動子である。このため、管１００の周長測定に関して次のような問題が生じる。

（１）距離ＶＴを求めるための表面波伝搬時間Ｔを測定する測定器の時間軸の校正には、入射点間距離Ｌ、表面波の速度Ｖ、及び表面波が伝搬を開始する時間原点０の校正が必要であるという問題。
（２）測定対象物である管１００の管径が変化すると、入射点間距離Ｌが幾何学的に変化し、入射点間距離Ｌの校正が難しいという問題。
（３）測定環境や管１００の温度が変化すると、送信用超音波探触子１０１の送信用振動子１０５で発生した縦波を送信口１０２まで伝達するクサビ状の超音波媒体１０７と、受信口１０４に到達した表面波を縦波に変えて受信用超音波探触子１０３の送信用振動子１０６まで伝達するクサビ状の超音波媒体１０８の温度も変化し、超音波媒体１０７、１０８内の縦波の速度が変化すると共に、送信用超音波探触子１０１と受信用超音波探触子１０３の感度もそれぞれ変化し、管１００の周長測定において誤差が生じるという問題。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、管状対象物の管径変化に影響されず表面波が管状対象物を一周する表面波伝搬時間の測定、感度調整、及び温度変化に伴う表面波の速度補正が可能な超音波探触子及び管状対象物の周長測定方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る超音波探触子は、１）超音波の送信口及び受信口を底部に備え、天井部の前後方向両側には下り傾斜角α及びβで送信用振動子固定部と受信用振動子固定部がそれぞれ設けられたブロック体と、２）前記送信用振動子固定部に取付けられて前記送信口に向かって超音波を発信する送信用振動子と、３）前記受信用振動子固定部に取付けられて前記受信口からの超音波を受信する受信用振動子とを有し、しかも、前記下り傾斜角αと前記下り傾斜角βは同一であって、５５〜６４度の範囲にあり、前記送信口と前記受信口は、前後方向に位置を合わせて形成され、かつ前記送信口と前記受信口は、重ね代部を有して左右方向にずれており、
使用にあっては、前記ブロック体の前後方向を管状対象物の円周方向に合わせて、前記ブロック体の底部を前記管状対象物に当接して該管状対象物の周長測定を行う。

本発明に係る超音波探触子において、前記重ね代部の左右方向幅は、前記送信口又は前記受信口の左右方向幅の５〜４０％の範囲にあることが好ましい。

前記目的に沿う本発明に係る管状対象物の管周長測定方法は、本発明に係る超音波探触子を用いた管状対象物の周長測定方法であって、
前記送信用振動子より送信され、前記重ね代部で反射して前記受信用振動子で受信されるまでの超音波伝搬時間ｔ１と、前記送信用振動子より送信されて前記管状対象物内を表面波として伝搬し、前記重ね代部で入射して前記受信用振動子で受信されるまでの超音波伝搬時間ｔ２とを求め、前記超音波伝搬時間ｔ２と前記超音波伝搬時間ｔ１の差から、表面波が前記管状対象物を一周する表面波伝搬時間を求める。

本発明に係る管状対象物の周長測定方法において、前記超音波伝搬時間ｔ１の変化から温度変化に伴う表面波の速度補正を行うことができる。

本発明に係る超音波探触子においては、超音波を表面波に変えて管状対象物に伝搬する送信口及び管状対象物を一周して伝搬する表面波を受信して受信用振動子に伝搬する受信口が、管状対象物に対して円周方向の同一角度位置に設けられているので、従来のように、送信用超音波探触子の入射点から受信用超音波探触子の入射点との間の入射点間距離を測定することが不要になると共に、管状対象物の管径が変化することに伴う入射点間距離の校正も不要となり、管の周長測定が容易になる。

本発明に係る超音波探触子においては、送信口及び受信口が、管状対象部に対して軸方向にずれて、しかも重ね代部を有するので、送信用振動子から発射され送信口で反射した超音波の一部が受信口から受信用振動子に到達することになって、受信用振動子が受信する超音波の強度を下げることができる。これによって、受信信号が飽和することなく画面上に波形全体を表示することができる。

本発明に係る超音波探触子において、重ね代部が、送信口又は受信口の５〜４０％の範囲にある場合、受信用振動子が受信する受信信号のピーク位置を容易に検出することができる。

本発明に係る管状対象物の管周長測定方法においては、送信用振動子より送信され、重ね代部で反射して受信用振動子で受信されるまでの超音波伝搬時間ｔ１と、送信用振動子より送信されて管状対象物内を表面波として伝搬し、重ね代部で入射して受信用振動子で受信されるまでの超音波伝搬時間ｔ２とを求め、超音波伝搬時間ｔ２と超音波伝搬時間ｔ１の差から、表面波が管状対象物を一周する表面波伝搬時間を求めるので、管状対象物の管径変化に影響されずに表面波伝搬時間が直接得られる。

本発明に係る管状対象物の周長測定方法において、超音波伝搬時間ｔ１の変化から温度変化に伴う表面波の速度補正を行う場合、測定環境や管状対象物の温度が変化しても、管状対象物の周長を正確に測定することができ、温度変化に伴う測定誤差の発生を抑えることができる。

（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る超音波探触子の断面図、平断面図である。 同超音波探触子を使用した管状対象物の周長測定方法の説明図である。 同超音波探触子で得られた受信信号の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、従来の管状対象物の周長測定方法の説明図、（Ｃ）は従来の管周長の測定方法で得られた受信信号の説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る超音波探触子１０は、縦波の超音波を発信する送信用振動子１１と、縦波の超音波を受信する受信用振動子１２と、送信用振動子１１及び受信用振動子１２をそれぞれ固定し、送信用振動子１１から送信された縦波の超音波を表面波に変えて管状対象物の一例である鋼管１３に伝搬する送信口１４、及び鋼管１３を一周して伝搬する表面波を受信し縦波の超音波に変えて受信用振動子１２に伝搬する受信口１５を底部１７に備えるブロック体１６とを有し、しかも、送信口１４及び受信口１５は、鋼管１３に対して円周方向の同一角度位置に設けられている。以下、詳細に説明する。

送信用振動子１１は電気信号が加えられると厚み方向に振動して縦波の超音波を発信する、平面視して矩形状の圧電素子からなる。また、受信用振動子１２は、縦波の超音波が加えられて厚み方向に振動した際に電気信号を出力する、平面視して矩形状の圧電素子からなる。そして、送信用振動子１１、受信用振動子１２が振動する際の周波数範囲は１〜５ＭＨｚ、例えば２ＭＨｚである。

ブロック体１６は、例えば、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、又はアクリル樹脂等の音響伝達媒体から形成されている多面体（図１（Ａ）、（Ｂ）では８面体）形状であって、超音波探触子１０の使用時に鋼管１３の外周面に接触する、例えば矩形状の底部１７と、底部１７の上方に底部１７と平行に配置される天井部１８とを有している。また、ブロック体１６は、天井部１８の前後方向両側にそれぞれ設けられ、天井部１８の前側端に連接し外側に下り傾斜となって送信用振動子１１が固定される送信用振動子固定部１９と、上端が送信用振動子固定部１９の外側端に連接し下端が底部１７の前側端に連接する前側部２０と、天井部１８の後側端に連接し外側に下り傾斜となって受信用振動子１２が固定される受信用振動子固定部２１と、上端が受信用振動子固定部２１の外側端に連接し下端が底部１７の後側端に連接する後側部２２とを有している。更に、ブロック体１６は、底部１７、天井部１８、送信用振動子固定部１９、前側部２０、受信用振動子固定部２１、及び後側部２２の左右方向両側にそれぞれ連接して設けられた左側部２３と、右側部２４とを有している。

ここで、送信口１４は、送信用振動子固定部１９に固定された送信用振動子１１を、送信用振動子固定部１９の法線方向から底部１７に投影して形成される投影部分を中心部とする底部１７上に存在し、受信口１５は受信用振動子固定部２１に固定された受信用振動子１２を、受信用振動子固定部２１の法線方向から底部１７に投影して形成される投影部分を中心部とする底部１７上に存在する。このため、送信口１４の中心部と受信口１５の中心部が、底部１７上の前後方向の同一位置に設けられるように（底面１７上で中心部同士が重なるように）、底部１７の前後方向長さに対して、天井部１８の前後方向長さを決めると共に、送信用振動子固定部１９に固定する送信用振動子１１と受信用振動子固定部２１に固定する受信用振動子１２は互いにずらして配置されている。
なお、図１（Ｂ）では、送信用振動子１１は送信用振動子固定部１９上において左端に寄せて、受信用振動子１２は受信用振動子固定部２１上において右端に寄せて、それぞれ固定されている。

以上の構成とすることによって、超音波探触子１０のブロック体１６の左右方向が鋼管１３の軸方向に沿うようにして、ブロック体１６の底部１７を鋼管１３の外周面に接触させると（超音波探触子１０を鋼管１３の外周面上に配置すると）、送信口１４及び受信口１５が、鋼管１３に対して円周方向の同一角度位置に設けられることになる。そして、送信口１４と受信口１５は、鋼管１３に対して軸方向にずれて配置され、しかも重ね代部２５を有することになる。

重ね代部２５を有することで、送信用振動子１１から発射され送信口１４で反射した縦波の超音波の一部が、重ね代部２５（受信口１５）から受信用振動子１２に到達することになって、受信用振動子１２が受信する縦波の超音波波形全体を飽和させることなく表示画面上に表示することが可能になる。
ここで、重ね代部２５の左右方向幅は、送信口１４又は受信口１５の左右方向幅に対して、５〜４０％、好ましくは１０〜３０％の範囲にする。重ね代部２５が５％未満では、重ね代部２５（受信口１５）に入射する表面波が少なくなって、受信用振動子１２から出力される受信信号強度が過少となり、好ましくない。一方、重ね代部２５が４０％を超えると、重ね代部２５に入射する表面波が多くなって、受信用振動子１２から出力される受信信号が過大となりすぎて波形が飽和してしまい、受信信号のピーク位置を正確に検出することが困難になって好ましくない。

なお、符号２６は、送信用振動子１１、受信用振動子１２が固定されたブロック体１６を収納するケーシング、符号２７は送信用振動子１１に振動駆動用の電気信号を加える入力線、符号２８は受信用振動子１２で発生した電気信号を取出す出力線である。そして、ブロック体１６とケーシング２６の間には、送信用振動子１１、受信用振動子１２の振動を吸収するダンピング材（図示せず）が設けられている

ブロック体１６を、例えばアクリル樹脂で形成する場合、底部１７と送信用振動子固定部１９のなす角度αは５５〜６４度の範囲とする。これによって、送信用振動子１１が厚み方向に振動して発生した縦波の超音波がブロック体１６内を伝搬して送信口１４に達すると、縦波の超音波の鋼管１３の外周面に対する入射角度はαとなって、縦波の超音波の一部は表面波となって鋼管１３に伝搬する。そして、鋼管１３を一周して送信口１４の一部かつ受信口１５の一部である重ね代部２５に入射した表面波の一部は、屈折角αの縦波の超音波に変わってブロック体１６内を進行して受信用振動子１２に到達し受信信号に変換されて出力される。

ここで、受信口１５で表面波が変わった縦波の超音波は、屈折角αでブロック体１６内に進入するため、底部１７と受信用振動子固定部２１のなす角度βを角度αにすると、受信口１５からブロック体１６内に進入した縦波の超音波の進行方向に対向させて受信用振動子１２（受信用振動子１２の受信面）を配置することができ、受信口１５から進入した縦波の超音波を効率的に受信することができる。図１（Ａ）、図２では、送信用振動子固定部１９と底部１７とのなす角度αと、受信用振動子固定部２１と底部１７とのなす角度βは同一角度としている。

続いて、本発明の一実施の形態に係る超音波探触子１０を用いた鋼管１３の周長測定方法について説明する。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、超音波探触子１０に設けられたブロック体１６の底部１７に設けられた送信口１４と受信口１５が、鋼管１３に対して軸方向にずれるようにして、ブロック体１６の底部１７を鋼管１３の外周面に当接させる。そして、図２に示すように、入力線２７から電気信号を送信用振動子１１に加えて、送信用振動子１１を厚み方向に振動させて縦波の超音波ａ（以下、単に縦波ａという）を発生させ、ブロック体１６内を底部１７の送信口１４に向けて伝搬させる。

送信口１４に入射角αの角度で縦波ａが入射すると、縦波ａの一部は、送信口１４で反射角αで反射して反射縦波ｂとなるが、送信口１４の一部かつ受信口１５の一部である重ね代部２５に入射し反射角αで反射した反射縦波ｂは重ね代部２５（受信口１５）からブロック体１６内を受信用振動子１２に向けて伝搬する。そして、反射縦波ｂが受信用振動子１２に到達して受信用振動子１２を厚み方向に振動させると受信用振動子１２に受信信号Ｐ（電気信号）が発生し（図３参照）、受信信号Ｐは出力線２８を介して出力される。

また、送信口１４を介して鋼管１３の外表面に入射角αの角度で入射した縦波ａの一部は、表面波ｃに変化して鋼管１３を伝搬する。そして、鋼管１３を一周して送信口１４の一部かつ受信口１５の一部である重ね代部２５に到達した表面波ｃの一部は、屈折角αでブロック体１６内に進入する屈折縦波ｄに変わってブロック体１６内を受信用振動子１２に向けて伝搬する。屈折縦波ｄが受信用振動子１２に到達して受信用振動子１２を厚み方向に振動させると、受信用振動子１２に受信信号Ｑが発生し（図３参照）出力線２８を介して外部に出力される。
なお、受信用振動子１２から出力される受信信号を横軸を時間軸として表示すると、図３に示すように、縦波ａの送信信号Ｔに対して近接した位置（超音波伝搬時間ｔ１の位置）に反射縦波ｂの受信信号Ｐ、離れた位置（超音波伝搬時間ｔ２の位置）に屈折縦波ｄの受信信号Ｑがそれぞれ現れる。

そして、超音波伝搬時間ｔ１は、送信用振動子１１で発生した縦波ａがブロック体１６内を送信口１４に向けて伝搬して送信口１４に到達するまでの時間ｔａと、送信口１４と受信口１５の重ね代部２５で縦波ａが反射した反射縦波ｂが重ね代部２５からブロック体１６内を受信用振動子１２向けて伝搬して受信用振動子１２に到達するまでの時間ｔｂとの和となる。
一方、超音波伝搬時間ｔ２は、送信用振動子１１で発生した縦波ａがブロック体１６内を送信口１４に向けて伝搬して送信口１４に到達するまでの時間ｔａと、送信口１４を介して鋼管１３の外表面に入射角αの角度で入射した縦波ａの一部が表面波ｃに変化して伝搬を開始し、鋼管１３を一周して送信口１４に戻るまでの表面波伝搬時間ｔｃと、送信口１４と受信口１５の重ね代部２５に到達した表面波ｃの一部が屈折角αでブロック体１６内に屈折縦波ｄとなって進入し重ね代部２５からブロック体１６内を受信用振動子１２に向けて伝搬して受信用振動子１２に到達するまでの時間ｔｄの和となる。

ここで、反射縦波ｂと屈折縦波ｄのブロック体１６内での速度は等しいので、反射縦波ｂが重ね代部２５からブロック体１６内を受信用振動子１２向けて伝搬して受信用振動子１２に到達するまでの時間ｔｂと屈折縦波ｄが重ね代部２５からブロック体１６内を受信用振動子１２に向けて伝搬して受信用振動子１２に到達するまでの時間ｔｄは等しくなる。このため、超音波伝搬時間ｔ２はｔａ＋ｔｃ＋ｔｂと表せ、超音波伝搬時間ｔ２と超音波伝搬時間ｔ１の差ｔ２−ｔ１を求めると、ｔ２−ｔ１＝（ｔａ＋ｔｃ＋ｔｂ）−（ｔａ＋ｔｂ）となって、ｔ２−ｔ１＝ｔｃとなる。

したがって、超音波伝搬時間ｔ２と超音波伝搬時間ｔ１の差ｔ２−ｔ１が表面波ｃが鋼管１３を１周する表面波伝搬時間ｔｃとなり、別途求めておいた鋼管１３を伝搬する表面波ｃの速度Ｖを用いて、鋼管１３の周長は、Ｖとｔｃとの積として求めることができる。その結果、従来のように、送信用超音波探触子の入射点から受信用超音波探触子の入射点との間の入射点間距離を測定することが不要になると共に、管状対象物の管径が変化することに伴う入射点間距離の校正も不要となり、管の周長測定が容易になる。

鋼管１３の周長測定を行う際の測定環境の温度変化に伴って鋼管１３の温度が変化したり、鋼管１３自体の温度が変化すると、鋼管１３を伝搬する表面波の速度Ｖが変化する。また、測定環境や鋼管１３の温度が変化すると、鋼管１３にブロック体１６を接触させて使用する超音波探触子１０の温度も変化して、縦波（縦波ａ、反射縦波ｂ、屈折縦波ｄ）の速度も変化する。このため、鋼管１３の周長測定を行う場合、縦波及び表面波の速度変化を考慮する必要が生じる。

本発明では、超音波伝搬時間ｔ２と超音波伝搬時間ｔ１の差として、表面波伝搬時間ｔｃを直接求めることができるので、縦波の速度変化を考慮しなくてもよく、表面波伝搬時間ｔｃに対して、縦波速度変化に伴う補正は不要になる。

また、測定環境の温度変化に伴って鋼管１３の温度が変化したり、鋼管１３自体の温度が変化すると、ブロック体１６内を伝搬する縦波の速度が変化して、超音波伝搬時間ｔ１が変化する。このため、超音波探触子１０の温度と、超音波伝搬時間ｔ１の関係を予め求めておくと、超音波伝搬時間ｔ１の変化から超音波探触子１０の温度を推定することができる。ここで、超音波探触子１０の温度は、ブロック体１６が接触する鋼管１３の温度に等しいと近似できるので、超音波伝搬時間ｔ１の変化から鋼管１３の温度が推定できる。

そして、温度と鋼管１３を伝搬する表面波の速度との関係は実験的に求めることができるので、超音波伝搬時間ｔ１の変化から鋼管１３の温度が推定できると、鋼管１３を伝搬する表面波の速度を補正することができる。これにより、測定環境や鋼管１３の温度が変化しても、鋼管１３の周長を正確に測定することができ、温度変化に伴う測定誤差の発生を抑えることができる。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
更に、本実施の形態とその他の実施の形態や変形例にそれぞれ含まれる構成要素を組合わせたものも、本発明に含まれる。

１０：超音波探触子、１１：送信用振動子、１２：受信用振動子、１３：鋼管、１４：送信口、１５：受信口、１６：ブロック体、１７：底部、１８：天井部、１９：送信用振動子固定部、２０：前側部、２１：受信用振動子固定部、２２：後側部、２３：左側部、２４：右側部、２５：重ね代部、２６：ケーシング、２７：入力線、２８：出力線

Claims (4)

1. １）超音波の送信口及び受信口を底部に備え、天井部の前後方向両側には下り傾斜角α及びβで送信用振動子固定部と受信用振動子固定部がそれぞれ設けられたブロック体と、２）前記送信用振動子固定部に取付けられて前記送信口に向かって超音波を発信する送信用振動子と、３）前記受信用振動子固定部に取付けられて前記受信口からの超音波を受信する受信用振動子とを有し、しかも、前記下り傾斜角αと前記下り傾斜角βは同一であって、５５〜６４度の範囲にあり、前記送信口と前記受信口は、前後方向に位置を合わせて形成され、かつ前記送信口と前記受信口は、重ね代部を有して左右方向にずれており、
   使用にあっては、前記ブロック体の前後方向を管状対象物の円周方向に合わせて、前記ブロック体の底部を前記管状対象物に当接して該管状対象物の周長測定を行うことを特徴とする超音波探触子。
2. 請求項１記載の超音波探触子において、前記重ね代部の左右方向幅は、前記送信口又は前記受信口の左右方向幅の５〜４０％の範囲にあることを特徴とする超音波探触子。
3. 請求項１又は２記載の超音波探触子を用いた管状対象物の周長測定方法であって、
   前記送信用振動子より送信され、前記重ね代部で反射して前記受信用振動子で受信されるまでの超音波伝搬時間ｔ１と、前記送信用振動子より送信されて前記管状対象物内を表面波として伝搬し、前記重ね代部で入射して前記受信用振動子で受信されるまでの超音波伝搬時間ｔ２とを求め、前記超音波伝搬時間ｔ２と前記超音波伝搬時間ｔ１の差から、表面波が前記管状対象物を一周する表面波伝搬時間を求めることを特徴とする管状対象物の周長測定方法。
4. 請求項３記載の管状対象物の周長測定方法において、前記超音波伝搬時間ｔ１の変化から温度変化に伴う表面波の速度補正を行うことを特徴とする管状対象物の周長測定方法。

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