(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パイプの長手方向に対する中心線上に指向するように超音波を出力する超音波出力手段と、
前記パイプに対して前記超音波出力手段と対称の位置に配置され、前記超音波出力手段によって出力された超音波を検出する超音波検出手段と、
前記超音波検出手段により検出された超音波のうち、パイプ内壁に反射してから前記超音波検出手段に検出された超音波に基づいて、前記パイプ内の圧力を算出するパイプ内圧算出手段と、
を有することを特徴とするパイプ内圧測定装置。
【請求項２】
前記超音波出力手段は、前記パイプの円周に沿った出力面を有し、前記パイプの円周に対して垂直に超音波を入射し、
前記超音波検出手段は、前記パイプの円周に沿った受信面を有し、前記パイプの内部から円周に対して垂直に入射された超音波を受信することを特徴とする請求項１に記載のパイプ内圧測定装置。
【請求項３】
前記出力面および前記受信面は、前記パイプの円周の半分以下に沿うことを特徴とする請求項２に記載のパイプ内圧測定装置。
【請求項４】
前記パイプ内圧算出手段は、
超音波を前記超音波出力手段が出力してから前記超音波検出手段が検出するまでの時間を計測する計時手段と、
前記計時手段によって計測された時間、および予め計測されている前記パイプの径に基づいて、超音波の速度を算出する速度算出手段と、
前記速度算出手段によって算出された超音波の速度、および予め求められている超音波の速度とパイプ内の媒体の圧力との関係に基づいて、前記パイプ内の圧力を算出する圧力算出手段と、
を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパイプ内圧測定装置。
【請求項５】
パイプの長手方向に対する中心線上に指向するように超音波を出力する工程と、
前記パイプに対して超音波を出力する位置と対称の位置において、超音波を検出する工程と、
検出した超音波のうち、パイプ内壁に反射してから検出した超音波に基づいて、前記パイプ内の圧力を算出する工程と、
を有することを特徴とするパイプ内圧測定方法。
【請求項６】
前記超音波を出力する工程では、前記パイプの円周に沿った出力面から前記パイプの円周に対して垂直に超音波を入射し、前記超音波を検出する工程では、前記パイプの円周に沿った受信面において、前記パイプの内部から円周に対して垂直に入射された超音波を検出することを特徴とする請求項５に記載のパイプ内圧測定方法。
【請求項７】
前記出力面は、前記パイプの円周の半分以下に沿うことを特徴とする請求項６に記載のパイプ内圧測定方法。
【請求項８】
圧力を算出する工程は、
超音波が出力されてから検出されるまでの時間を計測する工程と、
計測された時間、および予め計測されている前記パイプの径に基づいて、超音波の速度を算出する工程と、
算出された超音波の速度、および予め求められている超音波の速度とパイプ内の媒体の圧力との関係に基づいて、前記パイプ内の圧力を算出する工程と、
を有することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項に記載のパイプ内圧測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パイプ内圧測定装置およびパイプ内圧測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体の圧力の測定に関して、たとえば、特開平８−２１０９２５号公報には、圧力の変動に応じて共振周波数が変化する超音波振動子を流体内に挿入して、挿入した振動子の機械的振動エネルギーを流体の容器に伝搬させ、容器を介して伝搬された振動エネルギーに基づいて流体の圧力を測定する技術が開示されている。
【０００３】
しかし、上記技術では、たとえば、自動車のブレーキオイルのパイプなど、振動子を挿入するための個所が設けられていないものの内部を通る流体の圧力を測定する場合、パイプの任意の場所について振動子用の穴を設けて超音波振動子を挿入する必要がある。これでは、流体の圧力を測定できたとしても、穴を設けたパイプは今後利用できなくないので、パイプ内の流体の圧力を測定することによってパイプの適否を調べるための実験では意味がなくなってしまう。
【０００４】
このような問題を解決するものとして、非破壊で、パイプ内の流体の圧力を測定することができるパイプ内圧測定装置がある。図８は、従来のパイプ内圧測定装置を示し、（Ａ）はパイプ内圧測定装置の正面図、（Ｂ）はパイプ内圧測定装置の側面図である。このパイプ内圧測定装置は、図８に示すように、超音波振動子８０と超音波検出器８１とをパイプ８２に対して対称の位置に配置し、超音波を超音波振動子８０から出力してレンズ８３で収束させ、パイプ８２およびパイプ８２内の流体を介して超音波検出器８１で検出する。
【０００５】
そして、超音波を超音波振動子８０が出力してから超音波検出器８１が検出するまでの時間、および超音波振動子８０から超音波検出器８１までの距離に基づいて超音波の速度を算出し、算出した超音波の速度を使用して、予め求められている超音波の速度と流体の圧力との関係に基づいて、流体の圧力を求めることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記パイプ内圧測定装置では、超音波振動子８０から出力された超音波をレンズ８３で一点に収束しているため、パイプ断面で見れば、超音波はパイプ８２の中心を通り超音波検出器８１に受信されているように見えるが、パイプ長手方向断面で見れば、超音波は乱反射によって拡散し、超音波検出器８１に強い超音波が到達していない。これは、パイプ断面では、パイプ８２の円周に対して垂直に超音波が入射されているが、パイプ長手方向断面では、パイプ８２の円周に対して垂直に超音波が入射されていないからである。
【０００７】
このような、従来のパイプ内圧測定装置では、超音波検出器８１による超音波の検出は、図９に示すような結果しか得られない。このような結果を用いたとしても、超音波が超音波検出器８１に検出された正確な時間を特定しにくいので、精度よい検査を達成することはできない。
【０００８】
また、超音波が乱反射してしまうので、パイプ８２内部で反復反射した超音波を超音波検出器８１で検出することができず、乱反射しなかった超音波のみしか、検査に使用することができない。これでは、超音波の伝達距離が短く、超音波の音速の変化による伝達時間の差が僅かにしか現れないような径の細いパイプについて、その内部の流体の圧力を測定することができない。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、パイプ内の超音波の乱反射を防止し、パイプ内で反復反射した超音波まで検出して径が細いパイプについてもパイプ内の流体の圧力を測定することができるパイプ内圧測定装置およびパイプ内圧測定方法の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【００１１】
（１）本発明のパイプ内圧測定装置は、パイプの長手方向に対する中心線上に指向するように超音波を出力する超音波出力手段と、前記パイプに対して前記超音波出力手段と対称の位置に配置され、前記超音波出力手段によって出力された超音波を検出する超音波検出手段と、前記超音波検出手段により検出された超音波のうち、パイプ内壁に反射してから前記超音波検出手段に検出された超音波に基づいて、前記パイプ内の圧力を算出するパイプ内圧算出手段と、を有することを特徴とする。
【００１３】
（２）前記超音波出力手段は、前記パイプの円周に沿った出力面を有し、前記パイプの円周に対して垂直に超音波を入射し、前記超音波検出手段は、前記パイプの円周に沿った受信面を有し、前記パイプの内部から円周に対して垂直に入射された超音波を受信する。
【００１４】
（３）前記出力面および前記受信面は、前記パイプの円周の半分以下に沿う。
【００１５】
（４）前記パイプ内圧算出手段は、超音波を前記超音波出力手段が出力してから前記超音波検出手段が検出するまでの時間を計測する計時手段と、前記計時手段によって計測された時間、および予め計測されている前記パイプの径に基づいて、超音波の速度を算出する速度算出手段と、前記速度算出手段によって算出された超音波の速度、および予め求められている超音波の速度とパイプ内の媒体の圧力との関係に基づいて、前記パイプ内の圧力を算出する圧力算出手段と、を有する。
【００１６】
（５）本発明のパイプ内圧測定方法は、パイプの長手方向に対する中心線上に指向するように超音波を出力する工程と、前記パイプに対して超音波を出力する位置と対称の位置において、超音波を検出する工程と、検出した超音波のうち、パイプ内壁に反射してから検出した超音波に基づいて、前記パイプ内の圧力を算出する工程と、を有することを特徴とする。
【００１７】
（６）前記超音波を出力する工程では、前記パイプの円周に沿った出力面から前記パイプの円周に対して垂直に超音波を入射し、前記超音波を検出する工程では、前記パイプの円周に沿った受信面において、前記パイプの内部から円周に対して垂直に入射された超音波を検出する。
【００１９】
（７）前記出力面は、前記パイプの円周の半分以下に沿う。
【００２０】
（８）圧力を算出する工程は、超音波が出力されてから検出されるまでの時間を計測する工程と、計測された時間、および予め計測されている前記パイプの径に基づいて、超音波の速度を算出する工程と、算出された超音波の速度、および予め求められている超音波の速度とパイプ内の媒体の圧力との関係に基づいて、前記パイプ内の圧力を算出する工程と、を有する。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明は、超音波をパイプの長手方向に対する中心線上に指向するので、パイプ内において超音波が乱反射することを防止し、拡散していない超音波を確実に検出し、正確にパイプ内の圧力を算出することができる。
【００２２】
また、パイプ内壁に反射してから検出された超音波に基づいて圧力を算出するので、超音波の伝搬距離をパイプ内での反復反射により実質的に長くし、超音波の速度変化による伝搬時間の差を大きくすることができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明は、パイプの円周に沿った出力面からパイプの円周に対して垂直に超音波を入射するので、超音波が屈折することなく垂直にパイプ内に入り、パイプの中心を通って、垂直にパイプの外部に抜けることができ、超音波の乱反射を確実に防止することができる。
【００２４】
請求項３に記載の発明は、出力面および受信面がパイプの円周の半分以下に沿うので、出力面および受信面が相互に干渉することがなく、適切に超音波の送受信を行うことができる。
【００２５】
請求項４に記載の発明は、パイプの内圧を算出することができる。
【００２６】
請求項５に記載の発明は、超音波をパイプの長手方向に対する中心線上に指向するので、パイプ内において超音波が乱反射することを防止し、拡散していない超音波を確実に検出し、正確にパイプ内の圧力を算出することができる。
【００２７】
また、パイプ内壁に反射してから検出された超音波に基づいて圧力を算出するので、超音波の伝搬距離をパイプ内での反復反射により実質的に長くし、超音波の速度変化による伝搬時間の差を大きくすることができる。
【００２８】
請求項６に記載の発明は、パイプの円周に沿った出力面からパイプの円周に対して垂直に超音波を入射するので、超音波が屈折することなく垂直にパイプ内に入り、パイプの中心を通って、垂直にパイプの外部に抜けることができ、超音波の乱反射を確実に防止することができる。
【００２９】
請求項７に記載の発明は、出力面および受信面がパイプの円周の半分以下に沿うので、出力面および受信面が相互に干渉することがなく、適切に超音波の送受信を行うことができる。
【００３０】
請求項８に記載の発明は、パイプの内圧を算出することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００３２】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明のパイプ内圧測定装置の概略構成を示すブロック図、図２は、パイプ内圧測定装置をパイプに適用した様子を示す図、図３はパイプ内圧測定装置を示す図であり、（Ａ）はパイプのＡ−Ａ断面方向に見たパイプ内圧測定装置、（Ｂ）はパイプのＢ−Ｂ断面方向に見たパイプ内圧測定装置を示す図である。なお、図２および図３では、説明の容易のため、パイプ内圧測定装置１０の超音波振動子１１および超音波検出器１２以外の構成については図示していない。
【００３３】
図１に示すように、本発明のパイプ内圧測定装置１０は、超音波振動子１１と、超音波検出器１２と、制御部１３と、記憶部１４と、入力部１５とを含んで構成される。
【００３４】
超音波振動子１１は、パイプ２０の外周に取り付けられ、制御部１３の指示により超音波を出力する。超音波検出器１２は、超音波振動子１１とはパイプ２０に対して対称の位置においてパイプ２０の外周に取り付けられ、超音波振動子１１から出力された超音波をパイプ２０を介して受信することによって、超音波を検出する。
【００３５】
制御部１３は、超音波振動子１１が超音波を出力してから超音波検出器１２が検出するまでの時間を計時したり、計時した時間を使用して超音波の速度を算出したり、算出した超音波の速度を使用してパイプ２０内を通る流体の圧力を算出したりする。
【００３６】
記憶部１４は、超音波の速度を算出する際、および流体の圧力を算出する際に必要な情報を記憶する。ここで、必要な情報とは、パイプの外径および内径の情報や、パイプ内に流れる流体の圧力と流体内を伝搬する超音波の速度変化率との対応関係を示す情報などである。入力部１５は、記憶部１４に記憶するための情報を入力したり、パイプ２０内の圧力測定の開始の合図を入力したりするために使用される。
【００３７】
本発明のパイプ内圧測定装置１０は、具体的には、図２に示すように、超音波振動子１１および超音波検出器１２がパイプ２０に取り付けられる。
【００３８】
図２に示すように、本発明のパイプ内圧測定装置１０の超音波振動子１１および超音波検出器１２は、パイプ２０の外周に、パイプ２０に対して対称な位置に取り付けられる。このとき、パイプ２０内には、圧力を測定するための流体が流れている。
【００３９】
図３に示すように、超音波振動子１１は、パイプ２０の外周と同じ形状に成形された振動面３０を有し、この振動面３０においてカップリング剤が塗布され、パイプ２０の外周の一部に密着させられる。そして、超音波振動子１１は、振動面３０がパイプ２０の外周に対して垂直な方向に振動することによって、パイプ２０の中心線上に向かって線状にパルス状の超音波を出力する。したがって、パイプ２０には、その表面に対して垂直に超音波が入射される。パイプ２０に入射された超音波は、パイプ２０およびパイプ２０内を通る流体を介して、超音波検出器１２に伝搬される。
【００４０】
超音波検出器１２は、パイプ２０の外周と同じ形状に成形された受信面３１を有し、超音波振動子１１と同様に、受信面３１においてカップリング剤が塗布され、パイプ２０の外周の一部に密着させられており、その受信面３１において超音波を受信し検出する。超音波検出器１２による超音波の検出結果は、図４に示すようになる。なお、図４では、縦軸を受信した超音波の出力電圧（Ｖ）、横軸を超音波を受信するまでの時間、すなわち超音波の伝搬時間（μｓ）としている。
【００４１】
超音波は、超音波振動子１１からパイプ２０内に垂直に入射されるので、その多くがそのまま透過されて受信面３１に到達し、また、一部がパイプ２０の内壁で垂直に反復反射してから受信面３１に到達する。したがって、超音波検出器１２は、図４に示すように、全く反射せずに受信面３１に到達した超音波（図３に示す経路ａを伝搬する超音波）が明瞭に強く現れる第１透過波を検出し、さらに、パイプ２０内を反射してから受信面３１に到達した超音波（図３に示す経路ｂを伝搬する超音波）が第１透過波より小さいが明瞭に強く現れる第２透過波も検出することができる。なお、図３では、経路ｂを伝搬する超音波は、パイプ２０の内壁で位置がずれて垂直に反射しているように示されるが、これは反射の経路を明確にするためであり、実際は同じ位置で反射している。
【００４２】
なお、パイプ２０の肉厚内において反射する超音波もわずかにあるが、一般的に、パイプ２０および流体を反射せずに透過するか、またはパイプ２０内で反復反射する超音波がほとんどなので、肉厚内における超音波の反射による検出結果への影響はほとんどない。
【００４３】
図４に示すような超音波検出器１２による検出結果は、制御部１３に送られる。制御部１３は、検出結果に基づいて、超音波振動子１１による超音波の出力から超音波検出器１２による第２透過波の検出までの時間を計時する。そして、制御部１３は、記憶部１４に予め記憶されているパイプ２０の内径と外径との情報に基づいて、第２透過波が受信面３１に到達するまでの経路（図３に示すパイプ内反射波の伝搬する経路ｂ）、すなわち、パイプ２０の内径の往復分と外形とを合計した距離を算出し、この距離を計時した時間で伝搬する超音波の速度を算出する。
【００４４】
さらに、制御部１３は、記憶部１４に予め記憶されている、図５に示すようなパイプ２０内に流れる流体の圧力と流体内を伝搬する超音波の速度変化率との対応関係を示す情報に基づいて、算出した超音波の速度変化率に対応する圧力を調べる。ここで、図５では、縦軸を超音波の速度変化率、横軸をパイプ２０内の流体の圧力としており、超音波の速度変化率とは、たとえば、常温の流体内における超音波の速度に対する算出した超音波の速度の比率のことである。
【００４５】
以上のように、本発明のパイプ内圧測定装置１０は、パイプ２０の中心線上の一点ではなく線状に超音波を指向させるので、超音波がパイプ２０の外周に対して垂直に入射されることになり、超音波の乱反射による拡散を防止することができる。
【００４６】
また、超音波が拡散しないので、超音波検出器１２の受信面３１に到達しない超音波をほとんどなくすことができ、その結果、パイプ２０およびパイプ２０内の流体を反射せずに伝搬してきた第１透過波だけでなく、パイプ２０内を反射してから伝搬してきた第２透過波さえも明瞭に検出することができる。したがって、たとえパイプ２０の径が超音波の伝搬時間を計測できないほど小さいときでも、パイプ内を反射することによって十分な距離を伝搬してきた超音波を検出することにより、超音波の伝搬時間を計測することができる。つまり、第１透過波ではなく第２透過波を検出するまでの時間を計測するので、パイプ内での超音波の伝搬距離を実質的に長くし、超音波の速度変化による伝搬時間の差を大きくすることができる。
【００４７】
なお、超音波振動子１１の振動面３０は、パイプ２０の外周の半分以下に沿っていればよく、図６に示すように、パイプ２０の外周の約三分の一程度に沿ってもよい。しかし、僅かに乱反射した超音波にも影響を受けないために、振動面３０はできるだけ小さくパイプ２０の外周に沿う方が好ましい。超音波検出器１２の受信面３１もパイプ２０の外周の半分以下に沿っていればよく、振動面３０と同様に、できるだけ小さくパイプ２０の外周に沿う方が好ましい。
【００４８】
振動面３０および受信面３１がパイプ２０の円周の半分以下に沿うので、出力面および受信面が相互に干渉することがなく、適切に超音波の送受信を行うことができる。
【００４９】
さらに、上記実施の形態では、超音波振動子１１の振動面３０を直接パイプ２０の円周に沿わせていたが、これに限られない。図７は、超音波振動子１１とパイプ２０の間に、レンズを介在させた場合の例を示す図である。
【００５０】
図７に示すように、レンズ７０をパイプ２０に沿わせて、このレンズ７０に超音波振動子７１を取り付けてもよい。この場合、レンズ７０は、超音波振動子７１が出力する超音波をパイプ２０の中心線上に線状に集めるような焦点を有して形成される。なお、図７に示すように超音波振動子７１とパイプ２０との間にレンズを介在させる場合には、超音波振動子７１から超音波受信器までの距離にパイプ２０の内径を加えた距離を、第２透過波が検出されるまでの時間で割って超音波の速度を算出することができる。
【００５１】
また、上記実施の形態では、第２透過波を検出するまでの時間を計時していたが、これに限られず、第１透過波を検出するまでの時間を計時して、この計時した時間を使用して超音波の音速を算出してもよい。さらに、第３透過波以降の透過波まで明瞭に検出できる場合は、検出した第３透過波以降の透過波を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のパイプ内圧測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】  パイプ内圧測定装置をパイプに適用した様子を示す図である。
【図３】  パイプ内圧測定装置を示す図であり、（Ａ）はパイプのＡ−Ａ断面方向に見たパイプ内圧測定装置、（Ｂ）はパイプのＢ−Ｂ断面方向に見たパイプ内圧測定装置を示す図である。
【図４】  超音波検出器による超音波の検出結果を示す図である。
【図５】  パイプ内に流れる流体の圧力と流体内を伝搬する超音波の速度変化率との対応関係を示す図である。
【図６】  パイプの外周の約三分の一程度に沿った振動面を有する超音波振動子を示す図である。
【図７】  超音波振動子１とパイプの間に、レンズを介在させた場合の例を示す図である
【図８】  従来のパイプ内圧測定装置を示し、（Ａ）はパイプ内圧測定装置の正面図、（Ｂ）はパイプ内圧測定装置の側面図である。
【図９】  従来のパイプ内圧測定装置が有する超音波検出器の検出結果を示す図である。
【符号の説明】
１０…パイプ内圧測定装置、
１１、７１…超音波振動子、
１２…超音波検出器、
１３…制御部、
１４…記憶部、
２０…パイプ、
３０…振動面、
３１…受信面
７０…レンズ。
【図１】
0003711885.tif 000002
【図２】
0003711885.tif 000003
【図３】
0003711885.tif 000004
【図４】
0003711885.tif 000005
【図５】
0003711885.tif 000006
【図６】
0003711885.tif 000007
【図７】
0003711885.tif 000008
【図８】
0003711885.tif 000009
【図９】
0003711885.tif 000010