(57)【要約】【課題】気体中を伝播する超音波を鋼材経由で送受信しなければならない場合でも、気体音速を正確に算出する。【解決手段】送信部から鋼材に超音波を送信して鋼材中にガイド波を励振して、ガイド波の一部が気体中に漏えいして縦波として伝播し、鋼材の別の場所に到達した縦波漏えい波が再び鋼材中を伝播するガイド波に変換する現象を発生させ、変換後のガイド波を受信部で受信する超音波計測方法において、送信部で超音波を送信してから受信部でガイド波を受信するまでの伝播時間と、鋼材中を伝播するガイド波の音速と、鋼材中のガイド波進行方向と平行な向きに投影した送信部と受信部の距離と、鋼材中のガイド波進行方向と垂直な向きに投影した気体中の縦波漏えい波の伝播距離と、を用いて気体中を伝播する縦波音速を算出することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信部から鋼材に超音波を送信して鋼材中にガイド波を励振して、ガイド波の一部が気体中に漏えいして縦波として伝播し、鋼材の別の場所に到達した縦波漏えい波が再び鋼材中を伝播するガイド波に変換する現象を発生させ、変換後のガイド波を受信部で受信する超音波計測方法において、
送信部で超音波を送信してから受信部でガイド波を受信するまでの伝播時間と、鋼材中を伝播するガイド波の音速と、鋼材中のガイド波進行方向と平行な向きに投影した送信部と受信部の距離と、鋼材中のガイド波進行方向と垂直な向きに投影した気体中の縦波漏えい波の伝播距離と、を用いて気体中を伝播する縦波音速を算出することを特徴とする気体音速の算出方法。
【請求項２】
請求項１に記載の気体音速の算出方法において、
前記送信部で超音波を送信してから受信部でガイド波を受信するまでの伝播時間をＴａｌｌ、前記鋼材中を伝播するガイド波の音速をＶｓ、前記鋼材中のガイド波進行方向と平行な向きに投影した送信部と受信部の距離をＬｐ、前記鋼材中のガイド波進行方向と垂直な向きに投影した気体中の縦波漏えい波の伝播距離をＬｖ、前記気体中の縦波漏えい波の屈折角をφとした場合に、
【数１】
2020106343.tif 000008
【数２】
2020106343.tif 000009
なる式を用いて、気体中を伝播する縦波音速を算出することを特徴とする気体音速の算出方法。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかに記載の気体音速の算出方法において、
前記鋼材に超音波を送信及び受信する場所の複数の候補において、鋼材の板厚のばらつきを計測し、板厚のばらつきが小さい場所を超音波を送信及び受信する場所として選定することを特徴とする気体音速の算出方法。
【請求項４】
請求項１又は２のいずれかに記載の気体音速の算出方法において、
前記鋼材に超音波を送信及び受信する場所の複数の候補において、鋼材を伝播するガイド波を計測できるかを確認し、ガイド波が計測できる場所においては、ガイド波の音速とそのばらつきを計測して、ガイド波が計測できてガイド波音速のばらつきが小さい場所を超音波を送受信する場所として選定することを特徴とする気体音速の算出方法。
【請求項５】
鋼材にガイド波を励振するための送信部と、
前記鋼材中を伝播するガイド波を受信するための受信部と、
前記鋼材中のガイド波進行方向と平行な向きに投影した送信部と受信部の距離を計測する計測手段と、
前記送信部を励振するパルサーと、
前記受信部の信号を受信するレシーバーと、
受信波形を表示する波形表示手段と、
前記送信部で超音波を送信してから前記受信部でガイド波を受信するまでの伝播時間と鋼材中を伝播するガイド波の音速と鋼材中のガイド波進行方向と平行な向きに投影した送信部と受信部の距離と鋼材中のガイド波進行方向と垂直な向きに投影した気体中の縦波漏えい波の伝播距離とを入力したときに気体中を伝播する縦波音速を算出する手段と、
を備えたことを特徴とする気体音速の算出装置。
【請求項６】
請求項５に記載の気体音速の算出装置において、
前記鋼材中のガイド波進行方向と平行な向きに投影した送信部と受信部の距離Ｌｐと送信部で超音波を送信してから受信部でガイド波を受信するまでの伝播時間Ｔａｌｌと鋼材中を伝播するガイド波の音速Ｖｓと鋼材中のガイド波進行方向と平行な向きに投影した送信部と受信部の距離Ｌｐと鋼材中のガイド波進行方向と垂直な向きに投影した気体中の縦波漏えい波の伝播距離Ｌｖと数式を記憶する手段と、
前記気体中を伝播する縦波音速を表示する手段と、
を備えたことを特徴とする気体音速の算出装置。
【請求項７】
請求項５又は６のいずれかに記載の気体音速の算出装置において、
垂直超音波センサと、
前記垂直超音波センサに信号を与える超音波探傷器と、
前記超音波の伝播時間を計測して板厚を算出する手段と、
を備えたことを特徴とする気体音速の算出装置。
【請求項８】
請求項７に記載の気体音速の算出装置において、
前記ガイド波の計測結果を表示する手段と、
を備えたことを特徴とする気体音速の算出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材で囲まれた気体の音速を算出する方法および装置に関わり、特に、配管鋼材または容器鋼材を経由して気体中を伝播する超音波を計測して、その音速を算出する方法および装置に関わる。
【背景技術】
【０００２】
都市ガスやＬＰガスを供給するためのガス管や貯留容器が災害に被災した場合には、なるべく早いタイミングで補修、不要配管等の撤去、新規配管等の引き直しをする必要がある。配管や容器の内部が可燃性ガスである場合に、補修、撤去のために配管や容器を切断すると、切断時に発生する火花が着火源となり爆発する恐れがある。このような場合には、切断を伴わない補修、撤去方法を選択する、または、火花が発生しない切断法を適用することが必要になる。一方、災害時に配管や容器から可燃性ガスが既に漏えいして空気と入れ替わっていることが判っている場合には、通常の方法で配管等を即座に切断をすることができ、補修、撤去を迅速に行うことができる。どちらの方法を選択するか判断するためには、配管等を切断する前に、内部気体の種類を識別する必要がある。
【０００３】
気体の種類を識別する手法の一つとして、気体音速を計測することが考えられる。都市ガスの主成分であるメタンガスの音速は４４２ｍ／ｓ程度、空気の音速は３４０ｍ／ｓ程度なので、音速を計測できれば都市ガスと空気を識別できる可能性がある。また、プロパンガス(音速２６２ｍ／ｓ程度)、ブタンガス(音速２１２ｍ／ｓ程度)等からなるＬＰガスと空気も、音速を計測できれば識別できる可能性がある。ただし、配管等、鋼材で囲まれた気体の種類を識別するには、鋼材経由で気体中に超音波を伝播させ、気体中を伝播した超音波を鋼材経由で受信することになる。このように、鋼材経由で気体中を伝播した超音波を計測して気体音速を算出し、気体の種類を識別する従来技術としては、例えば、特許文献１があげられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１７９０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術では、配管鋼材の表面に装着した送信用超音波センサから鋼材中に斜角超音波を入射し、鋼材中を伝播した超音波が鋼材と気体の界面で屈折しながら気体中へ透過し、気体中を伝播した透過波が配管対向側の鋼材内表面で反射して配管送受信側に戻り、気体と鋼材の界面で屈折しながら鋼材中へ透過した斜角超音波を受信用超音波センサで受信すると想定している（図１４）。このような想定において、
（数１）
音速Ｖ＝（配管）内径φ／（送信タイミングから透過伝搬波受信までの）時間差ΔＴ  …式（１）
なる式（１）で気体音速を算出している。本来は、気体音速を正確に求める場合には、
（数２）
気体音速＝気体中の超音波伝播距離／気体中の超音波伝播時間  …式（２）
で求めるべきである。
【０００６】
しかし、上記従来技術では、送信タイミングから透過伝搬波受信までの伝播時間時間全体、すなわち、鋼材中の伝播時間と気体中の伝播時間を加算した時間を用いて気体音速を算出している。また、気体中を伝播する透過波は屈折角を持っていて、配管の軸方向に対して斜めに伝播するので、気体中の超音波伝播距離は配管内径よりも大きくなるという点も考慮していない。このため、上記従来技術では、気体音速の概算値を算出することはできるが、気体音速を正確に算出することはできない。
【０００７】
本発明の目的は、気体中を伝播する超音波を鋼材経由で送受信しなければならない場合でも、気体音速を正確に算出できる気体音速の算出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的のために本発明では、超音波送信部から鋼材に超音波を送信して鋼材中にガイド波を励振して、ガイド波の一部が気体中に漏えいして縦波として伝播し、鋼材の別の場所に到達した縦波漏えい波が再び鋼材中を伝播するガイド波に変換する現象を発生させ、変換後のガイド波を超音波受信部で受信する超音波計測方法において、送信部で超音波を送信してから受信部でガイド波を受信するまでの伝播時間と、鋼材中を伝播するガイド波の音速と、鋼材中のガイド波進行方向と平行な向きに投影した送信部と受信部の距離と、鋼材中のガイド波進行方向と垂直な向きに投影した気体中の縦波漏えい波の伝播距離と、を用いて気体中を伝播する縦波音速を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、気体中を伝播する超音波を鋼材経由で送受信しなければならない場合でも、気体音速を正確に算出することが可能となる。このため、鋼材配管や鋼材容器を切断する前に、内部気体の種類を正確に識別することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１における超音波計測装置の構成を示す説明図である。
【図２】課題を説明するための図である。
【図３】超音波伝播経路の第１の例を示す説明図である。
【図４】超音波伝播経路の第２の例を示す説明図である。
【図５】超音波伝播経路の第３の例を示す説明図である。
【図６】実施例１において配管鋼材の板厚計測について説明するため説明図である。
【図７】実施例１において板厚計測結果の例を示すグラフである。
【図８】実施例１において配管鋼材のガイド波計測について説明するため説明図である。
【図９】実施例１においてガイド波結果の例を示すグラフである。
【図１０】実施例１において気体音速を算出するための入力画面の例を示す説明図である。
【図１１】実施例２において超音波の伝播経路を示す説明図である。
【図１２】実施例２において超音波の伝播経路を説明するための展開図である。
【図１３】実施例３において超音波の伝播経路を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。
【００１２】
図２は課題を説明するための図であり、図３〜図５は超音波伝播経路の第１から第３の例を示す説明図である。図２に示すように、鋼材配管１の内部の気体２の音速を計測するために、送信センサ３ａとシュー３ｂを組合せた超音波送信部３から鋼材配管に超音波を送信し、鋼材、気体、鋼材の順に伝播した超音波を、シュー５ｂと受信センサ５ａを組合せた超音波受信部５で受信することを想定する。鋼材配管の仕様から内径Ｐｉｎが既知であり、鋼材配管中の超音波波進行方向と平行な向きに投影した送信部と受信部の距離Ｌｐが計測できたとしても、鋼材配管内の気体中を伝播する超音波の経路が１５、１６、１７のように複数の候補が考えられる状況では、超音波の伝播距離が決まらないので、気体音速を正確に算出することはできない。
【００１３】
図３に超音波の伝播経路の第１の例を示す。鋼材配管１の外表面に受信センサ３ａとシュー３ｂからなる超音波送信部３を設置して、鋼材配管にガイド波１１を励振する。鋼材配管中を伝播するガイド波から、気体中に縦波漏えい波１２が漏えいする。この漏えい波の屈折角をφとする。漏えい波が鋼材配管対向側の鋼材に伝播し、鋼材配管中を伝播するガイド波１３に変換するので、このガイド波１３を受信するためにシュー５ｂと受信センサ５ａからなる超音波受信部５を設置する。
【００１４】
鋼材配管中のガイド波音速をＶｓ、気体中の縦波音速をＶｇ、鋼材配管から気体へ伝播するときの屈折角をφとした場合、スネルの法則に従い、下記の式（３）が成立する。
【００１５】
【数３】
2020106343.tif 000003
【００１６】
送信側のガイド波１１の伝播距離をＬｓ１、気体中の漏えい波１２伝播距離をＬｇ、受信側のガイド波１３の伝播距離をＬｓ２とし、送信側鋼材配管中、気体中、受信側鋼材配管中、全体の伝播時間をＴｓ１、Ｔｇ、Ｔｓ２、Ｔａｌｌとすると、下記の式（４）となる。
【００１７】
【数４】
2020106343.tif 000004
【００１８】
鋼材配管中のガイド波進行方向と平行な向きに投影した送信部と受信部の距離をＬｐ、鋼材配管中のガイド波進行方向と垂直な向きに投影した気体中の縦波漏えい波の伝播距離をＬｖ（図３においては、Ｌｖ＝配管の内径Ｐｉｎ）、として、式（２）に式（１）を代入すると、以下の式（５）となり、屈折角φと気体音速Ｖｇは以下の式（６）、式（７）で算出できる。
【００１９】
【数５】
2020106343.tif 000005
【００２０】
【数６】
2020106343.tif 000006
【００２１】
【数７】
2020106343.tif 000007
【００２２】
また、図４のように、ガイド波１１ｂの伝播距離が小さい場所から漏えい波１２ｂが漏えいした場合や、図５のようにガイド波１１ｃの伝播距離が大きい場所から漏えい波１２ｃが漏えいした場合においても、送信側ガイド波(１１、１１ｂ、１１ｃ)と受信側ガイド波(１３、１３ｂ、１３ｃ)を加算した鋼材中のガイド波伝播合計距離はどの場合であっても同じであり、気体中の漏えい波(１２、１２ｂ、１２ｃ)はどの場合であっても平行で同じ伝播距離となる。このため、図４、図５のような場合においても、式（６）、式（７）は、図３の場合と同様に成立する。
【００２３】
このように、鋼材配管中を伝播するガイド波の音速Ｖｓ、鋼材配管中のガイド波進行方向と平行な向きに投影した送信部と受信部の距離Ｌｐ、鋼材配管中のガイド波進行方向と垂直な向きに投影した気体中の縦波漏えい波の伝播距離をＬｖ、が判っていれば、送信センサで超音波を送信してから受信センサでガイド波を受信するまでの伝播時間Ｔａｌｌを計測することにより、式（６）、式（７）から配管内の気体の音速Ｖｇを正確に算出することができる。
【実施例１】
【００２４】
実施例１について、図１、図６〜図１０を参照しながら説明する。
【００２５】
実施例１は、送信部と受信部を鋼材配管の対向面に設置して、鋼材配管内の気体音速を計測し、算出する例である。図１に鋼材配管の気体を超音波計測し音速算出する時の概略構成を示す。超音波探傷器２０に組み込まれているパルサー２１で受信センサ３ａとシュー３ｂからなる超音波送信部３を励振してガイド波１１を送信する。鋼材配管中を伝播するガイド波から、気体中に縦波漏えい波１２が漏えいする。この漏えい波の屈折角をφとする。漏えい波が鋼材配管対向側の鋼材に伝播し、ガイド波１３に変換して鋼材配管中をガイド波が伝播するので、このガイド波１３をシュー５ｂと受信センサ５ａを組合せた超音波受信部５で受信する。受信部５の信号は超音波探傷器２０に組み込まれているレシーバー２２で受信し、表示部２３で超音波波形を表示するとともに、アナログ信号をＰＣ３０に出力する。ＰＣ３０に組み込まれているＡ／Ｄ変換器３１でアナログ出力をデジタル信号に変換して、演算処理を行い、結果をディスプレイ３２に示す構成としている。
【００２６】
図１には、鋼材配管１の一部しか記していないが、測定対象の鋼材配管は長いので、鋼材配管に送信受信センサを設置する場所を選定しなければならない。本発明で鋼材配管中にガイド波を伝播させることを考えると、鋼材配管の板厚が一定の場所を選定することが望ましく、内面腐食などにより鋼材の板厚が不均一になっている場所は望ましくない。このため、図１のような計測に先立って、まず、図６に示すように、超音波センサ７で鋼材に垂直に超音波を入射したときの伝播時間から鋼材配管の板厚のばらつきを計測する。図７（Ａ）に示すように、測定結果のばらつきが小さい場合には図６（Ａ）のように鋼材配管の板厚が均一でガイド波が伝播しやすく、図７（Ｂ）に示すように、測定結果のばらつきが大さい場合には図６（Ｂ）のように鋼材配管の板厚が不均一でガイド波が伝播しにくい。送信部３と受信部５を設置する場所としては、板厚計測結果のばらつきが小さい場所を選定する。
【００２７】
また、図１の計測では、鋼材配管中をガイド波が伝播することを前提としているので、ガイド波を送受信できる場所、ガイド波が一定の速度で伝播している場所を選定することが望ましい。図８に示すように送信部３と受信部５を配管の同一面側に配置し、送信部３と受信部５の距離を変えた場合でも超音波が安定して受信できるかを確認する。図８のような配置で超音波が受信できない、あるいは、特定の送受間距離でしか超音波が送受信できない場合には、ガイド波が励振できていないので、センサとシューの仕様を再検討する必要がある。
【００２８】
送受間距離に関わらず超音波が安定して受信できる場合に、送受間距離と伝播時間の関連性をグラフ化した結果を図９に示す。計測点の近似直線の傾きがガイド波の音速を表すので、この方法により鋼材中を伝播するガイド波音速を実測できる。また、近似直線のＹ切片は、計測系内で時間遅れ(シュー３ｂ、５ｂの超音波伝播時間など)に相当するので、この方法で計測系内の時間遅れを実測評価することができる。
【００２９】
図９（Ａ）に示すように、近似直線に対する計測点のばらつきが小さい場合には、図８（Ａ）のように鋼材配管の板厚が均一でガイド波が一定速度で伝播しており、図９（Ｂ）に示すように近似直線に対する計測点のばらつきが大きい場合には、図８（Ｂ）のように鋼材配管の板厚が不均一なためにガイド波の伝搬速度が一定ではない状態になっている。送信部３と受信部５を設置する場所としては、ガイド波速度が一定となっている場所を選定する。
【００３０】
選定した場所にセンサを設置し、図１に示す構成で超音波計測をしたときの、気体音速の算出手順を説明する。図１０は、ＰＣ３０のディスプレイ３２の表示画面の例である。画面の上半分には受信した超音波波形４１が表示されている。画面下半分は、気体音速の算出に必要な数値の入力と、算出結果を表示するようになっている。装置の操作者は図示されていないキーボードやマウスを用いて、鋼材配管中を伝播するガイド波の音速Ｖｓを枠４３に、鋼材配管中のガイド波進行方向と平行な向きに投影した送信部と受信部の距離Ｌｐを枠４４に、鋼材配管中のガイド波進行方向と垂直な向きに投影した気体中の縦波漏えい波の伝播距離Ｌｖ（実施例１の場合には、Ｌｖ＝配管の内径Ｐｉｎ）を枠４５に、入力する。測定系内の遅れ時間を枠４６に入力し、超音波波形４１において図１で想定した経路で伝播した超音波ピークをカーソル４２で指定すると、送信センサで超音波を送信してから受信センサでガイド波を受信するまでの伝播時間ＴａｌｌをＰＣ３０が算出して枠４７に表示する。これらの数値から、ＰＣ３０が、式（６）、式（７）に基づいて、気体中を伝播する縦波音速Ｖｇを算出し、枠４８に表示する。
【００３１】
本実施例によれば、気体中を伝播する超音波を鋼材経由で送受信しなければならない場合でも、気体音速を正確に算出することが可能となる。このため、鋼材配管を切断する前に、内部気体の種類を正確に識別することが可能となる。
【実施例２】
【００３２】
実施例２について、図１１、図１２を参照しながら説明する。
【００３３】
実施例２は、送信部と受信部を配管の同一面に設置して、配管内の気体音速を計測し算出する例である。図１１に本実施例における超音波の伝播経路を示す。鋼材配管１の外表面に受信センサ３ａとシュー３ｂからなる送信部３を設置して、鋼材配管中を伝播するガイド波５１を励振する。鋼材中を伝播するガイド波から、気体中に縦波漏えい波５２ａが漏えいする。この漏えい波の屈折角をφとする。漏えい波が配管対向側の鋼材内表面で反射し（５２ｂ）、送受信側の鋼材まで伝播したところで、鋼材中を伝播するガイド波５３に変換するので、このガイド波５３をシュー５ｂと受信センサ５ａからなる受信部５で受信する。図１２の展開図に示すように、送信センサ、鋼材中を伝播するガイド波、気体中に漏えいした縦波漏えい波、鋼材中を伝播するガイド波、受信センサ、からなる経路は、Ｌｖ＝２×Ｐｉｎとなることを除くと、実施例１と同様である。したがって、送信部と受信部を鋼材配管の同一面に設置した場合でも、式（６）、式（７）に基づいて、気体音速を算出することが可能になる。
【００３４】
本実施例によれば、実施例１での効果に加えて、超音波送信部と受信部を鋼材配管の同一面に設置した場合でも気体音速を算出することが可能になる。
【実施例３】
【００３５】
実施例３について、図１３を参照しながら説明する。
【００３６】
実施例３は、内部に超音波反射体として利用できる構造物がある鋼製容器の平面部に送信部と受信部を設置して、容器内の気体音速を計測し算出する例である。図１３に本実施例における超音波の伝播経路を示す。鋼製容器６１の平面部に受信センサ３ａとシュー３ｂからなる送信部３を設置して、鋼材中を伝播するガイド波５１を励振する。鋼材中を伝播するガイド波から、気体６２中に縦波漏えい波５２ａが漏えいする。この漏えい波の屈折角をφとする。漏えい波が容器内の構造物６３で反射し（５２ｂ）、容器の平面部まで伝播したところで、鋼材中を伝播するガイド波５３に変換するので、このガイド波５３をシュー５ｂと受信センサ５ａからなる受信部５で受信する。送信部、鋼材中を伝播するガイド波、気体中に漏えいした縦波漏えい波、鋼材中を伝播するガイド波、受信部、からなる経路は実施例２と同様である。送信受信センサを設置した容器６１の平面部内壁から構造物６３までの距離Ｌｇａｐが設計図面等で判っていれば、Ｌｖ＝２×Ｌｇａｐとして、式（６）、式（７）に基づいて、気体音速を算出することが可能になる。
【００３７】
本実施例によれば、気体中を伝播する超音波を鋼材経由で送受信しなければならない場合でも、気体音速を正確に算出することが可能となる。このため、鋼材容器を切断する前に、内部気体の種類を正確に識別することが可能となる。
【００３８】
上記にて説明した各実施例は、配管や容器の鋼材で囲まれた気体音速を計測・算出し、鋼材を切断する前に気体の種類を識別することに適用できる。また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１：鋼材配管
２、６２：気体
３ａ：送信センサ
３ｂ：シュー
３：超音波送信部
５ａ：受信センサ
５ｂ：シュー
５：超音波受信部
１１、１３、５１、５３：ガイド波、
１２、５２ａ、５２ｂ：縦波漏えい波
２０：超音波探傷器、
２１：パルサー
２２：レシーバー
２３：表示部
３０：ＰＣ
３１：Ａ／Ｄ変換器
３２：ディスプレイ
６１：容器
６３：構造物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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