(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス超音波を発信し該パルス超音波のエコーを受信するためのセンサーであって、複数の振動子がマトリックス状に配置されたフェイズドアレイセンサーと、
前記複数の振動子の駆動タイミングを制御して前記パルス超音波の発信方向を制御するセンサー駆動制御手段と、
前記複数の振動子において、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の振動子のそれぞれが受信した前記エコーのドップラー周波数を取得するドップラー周波数取得手段と、
取得した３つの前記ドップラー周波数に基づいて流速ベクトルを算出する流速ベクトル算出手段とを含み、
前記流速ベクトル算出手段は、
前記取得した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前記複数の振動子が配置される領域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のベクトルと、
に基づいて流速ベクトルを算出する、
流速ベクトル分布計測装置。
【請求項２】
前記流速ベクトル算出手段は、下記式に基づいて３次元流速ベクトルＶを算出する、請求項１に記載の流速ベクトル分布計測装置。
0006501384.tif 000006
（上記式において、ｆ０はパルス超音波の基本周波数を示し、ｃは音速を示し、ｅｅは前記パルス超音波の反射位置と前記複数の振動子が配置される領域の中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅａは前記第１のベクトルを示し、ｅｂは前記第２のベクトルを示し、ｅｃは前記第３のベクトルを示し、ｆＤａは前記第１の振動子において受信された前記エコーのドップラー周波数を示し、ｆＤｂは前記第２の振動子において受信された前記エコーのドップラー周波数を示し、ｆＤｃは前記第３の振動子において受信された前記エコーのドップラー周波数を示す。）
【請求項３】
流れの３次元流速ベクトル場を求める方法であって、
流れに対して複数の振動子がマトリックス状に配置されたフェイズドアレイセンサーからパルス超音波を発信するステップと、
前記パルス超音波のエコーを、前記複数の振動子において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の振動子で受信するステップと、
前記第１の振動子、前記第２の振動子および前記第３の振動子のそれぞれが受信した前記エコーのドップラー周波数を取得するステップと、
下記式に基づいて３次元流速ベクトルＶを算出するステップと、
を含む方法。
0006501384.tif 000007
（上記式において、ｆ０はパルス超音波の基本周波数を示し、ｃは音速を示し、ｅｅは前記パルス超音波の反射位置と前記複数の振動子が配置される領域の中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅａは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を示し、ｅｂは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を示し、ｅｃは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を示し、ｆＤａは前記第１の振動子において受信された前記エコーのドップラー周波数を示し、ｆＤｂは前記第２の振動子において受信された前記エコーのドップラー周波数を示し、ｆＤｃは前記第３の振動子において受信された前記エコーのドップラー周波数を示す。）
【請求項４】
コンピュータに、請求項３に記載の方法の各ステップ実行させるためのコンピュータ実行可能なプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流速ベクトル分布計測装置に関し、より詳細には、超音波フェイズドアレイ技術を用いた流速ベクトル分布計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、福島第一原子力発電所の廃炉に向けて格納容器冠水のための作業が進められているが、原子炉建屋からの汚染水の漏えいが作業の妨げとなっており、漏えい箇所の補修が喫緊の課題となっている。
【０００３】
現在、汚染水の漏えい調査は、主に、滞留水中にトレーサ粒子を散布してその動きをカメラで撮影し、トレーサ粒子が流入している箇所を漏えい箇所として特定する方法が採られている。
【０００４】
しかしながら、このようにカメラを用いる方法では、原子炉建屋内が高線量であることに加え、滞留水が濁水であることから、鮮明な画像が得られず、漏えい箇所を精度よく検出することができないという問題があった。
【０００５】
この問題に対して、汚染水の漏えい調査に超音波流速分布計測法（ＵＶＰ法）を導入することが検討されている。ＵＶＰ法によれば、高線量環境や濁水にかかわらず、滞留水内の水の流れを２次元の流速ベクトル場として計測することができるので、漏えい箇所を精度よく検出することが期待できる。
【０００６】
ここで、ＵＶＰ法の原理上、一本のセンサーで計測できるのは、測定線上の速度分布でしかないので、ベクトル場を得るためには、二本以上のセンサーを二種類以上の位置と測定線角度を用いて配置し、その複数の測定線の交点における速度成分を求めてこれを合成する必要がある。この点につき、特開２００２−４００３９号公報（特許文献１）は、所定の距離離間して位置決めされた二本のセンサーを旋回させることによって、各センサーの測定線を走査して複数の交点を得ることを特徴とする流速分布計測装置を開示する。
【０００７】
しかしながら、特許文献１の流速分布計測装置は、二本のセンサーとこれらを駆動する機械的可動部を有するため、相当程度のスペースを必要とし、また、その設置に時間を要するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−４００３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
汚染水漏えい調査の作業現場は、高線量であることが想定されるため、最小限の工数（人数、時間）でセンサー部の設置作業を終わらせる必要がある。この観点から、計測装置のセンサー部は、位置決め作業が必要ないことが望ましい。また、汚染水漏えい調査の作業現場は、多数の配管が入り組んだ狭隘な空間であることが想定されるため、設置の自由度の観点から、計測装置のセンサー部は、できる限り小型であることが望ましい。本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、本発明は、小型且つ位置決め作業の必要がないセンサー部を備える新規な流速ベクトル分布計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、小型且つ位置決め作業の必要がないセンサー部を備える新規な流速ベクトル分布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。
【００１１】
すなわち、本発明によれば、パルス超音波を発信し該パルス超音波のエコーを受信するためのセンサーであって、複数の振動子が列をなして配置されたフェイズドアレイセンサーと、前記複数の振動子の駆動タイミングを制御して前記パルス超音波の発信方向を制御するセンサー駆動制御手段と、前記複数の振動子の列において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の振動子のそれぞれが受信した前記エコーのドップラー周波数を取得するドップラー周波数取得手段と、取得した２つの前記ドップラー周波数に基づいて流速ベクトルを算出する流速ベクトル算出手段とを含み、前記流速ベクトル算出手段は、前記取得した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前記複数の振動子が配置される領域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、流速ベクトル分布計測装置が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
上述したように、本発明によれば、小型且つ位置決め作業の必要がないセンサー部を備える新規な流速ベクトル分布計測装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態の流速ベクトル分布計測装置の構成を示す模式図。
【図２】本実施形態の流速ベクトル分布計測装置の計測原理を説明するための概念図。
【図３】３次元流速ベクトルを計測するためのフェイズドアレイセンサーを示す図。
【図４】実験装置を示す図。
【図５】本実施例の流速ベクトル分布計測装置が作成した流速ベクトル分布図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態である流速ベクトル分布計測装置１００の構成を示す模式図である。本実施形態の流速ベクトル分布計測装置１００は、超音波トランスデューサ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、信号解析部４２および流速ベクトル分布生成部４６として機能する。
【００１６】
超音波トランスデューサ１０は、複数の振動子が列をなして配置されたフェイズドアレイセンサー１２を備えており、パルサ・レシーバ２０が各振動子をパルスドップラー方式に基づいて制御することで、フェイズドアレイセンサー１２は、パルス超音波の発信とエコー（反射波）の受信を交互に繰り返す。
【００１７】
ここで、コンピュータ４０がパルサ・レシーバ２０を介してフェイズドアレイセンサー１２の各振動子を制御して各振動子の駆動タイミングに遅延時間を設けることによって、フェイズドアレイセンサー１２から任意の方向にパルス超音波の合成波を伝搬するように構成されている。本実施形態においては、パルス超音波の合成波面の垂直方向が計測線として定義される。
【００１８】
さらに、本実施形態においては、パルサ・レシーバ２０がフェイズドアレイセンサー１２の各振動子の駆動タイミングの遅延時間を変更することによって、計測線の方向を随意に変更することで、図１に示すように、計測線（破線で示す）で流れ５０を２次元的に走査することができるように構成されている。
【００１９】
一方、フェイズドアレイセンサー１２は、２次元的に走査される計測線上の各点から戻ってくるエコーを受信する。フェイズドアレイセンサー１２によって受信されたエコーは、パルサ・レシーバ２０およびＡＤコンバータ３０を介してエコー信号（デジタル信号）に変換され、コンピュータ４０に入力される。コンピュータ４０は、入力されたエコー信号の解析結果に基づいて、流れ５０の流速ベクトル分布を求める。
【００２０】
以上、本実施形態の流速ベクトル分布計測装置１００の構成の概要を説明してきたが、流速ベクトル分布計測装置１００は、１つのフェイズドアレイセンサーを使用して真の流速ベクトルを取得することを特徴とする。以下、本実施形態における流速ベクトルの取得手順を図２に基づいて具体的に説明する。なお、以下の説明においては、図１を適宜参照するものとする。
【００２１】
図２は、超音波トランスデューサ１０のフェイズドアレイセンサー１２の上面および断面を拡大して示す。なお、図２は、８個の振動子が一列に配置されたフェイズドアレイセンサー１２を示しているが、これはあくまで例示であって、本発明は、フェイズドアレイセンサーの振動子の数およびその配置態様を限定するものではない。
【００２２】
本実施形態においては、フェイズドアレイセンサー１２が８個の振動子を駆動してパルス超音波を発信すると、流れを速度Ｖで移動する粒子にパルス超音波が反射し、その反射波がフェイズドアレイセンサー１２にエコーとして戻ってくる。このとき、フェイズドアレイセンサー１２は、その両端に位置する２個の振動子（1chおよび8ch）が反射波を受信する。これを受けて、信号解析部４２は、２個の振動子（1chおよび8ch）を経て入力される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って、各エコー信号からドップラー周波数ｆＤを検出する。このとき、検出されるドップラー周波数ｆＤは振動子毎に異なるものとなる。
【００２３】
ここで、フェイズドアレイセンサー１２の各振動子のエコー信号から検出されるドップラー周波数は、下記式（１）で表すことができる。
【００２４】
【数１】
0006501384.tif 000002
【００２５】
上記式（１）において、ｆＤｉはｉ番目の振動子のエコー信号から検出されるドップラー周波数を示し、ｆ０は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、ｅｅは粒子から８個の振動子が配置される領域の中心Ｏを結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅｉは粒子からｉ番目の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、Ｖは粒子の２次元流速ベクトルを示す。
【００２６】
ここで，１番目の振動子（1ch）で検出されるドップラー周波数ｆＤ１の式と８番目の振動子（8ch）で検出されるドップラー周波数ｆＤ８の式を連立し、行列を用いて表すと下記式（２）の様になる。
【００２７】
【数２】
0006501384.tif 000003
【００２８】
上記式（２）において、ｅ1は粒子から１番目の振動子（1ch）の中心Ｐ１を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅ８は粒子から８番目（8ch）の振動子の中心Ｐ２を結ぶ方向の単位ベクトルを示す。ここで、上記式（２）を整理すると、流速ベクトルＶは、下記式（３）で表される。
【００２９】
【数３】
0006501384.tif 000004
【００３０】
本実施形態において、流速ベクトル分布生成部４６は、２次元流速ベクトルＶを上記式（３）に基づいて以下の手順で算出する。
【００３１】
流速ベクトル分布生成部４６は、上記式（３）におけるドップラー周波数ｆＤ1およびｆＤ８を、２個の振動子（1chおよび8ch）から入力されるエコー信号に基づく解析結果として、信号解析部４２から得る。
【００３２】
一方、流速ベクトル分布生成部４６は、上記式（３）におけるｅｅ、ｅ1およびｅ８を、それぞれ、計測線上の粒子の位置（超音波の反射位置）と、中心Ｏ、中心Ｐ１および中心Ｐ２から求める。なお、計測線上の粒子の位置（超音波の反射位置）は、中心Ｏ、中心Ｐ１、中心Ｐ２、２個の振動子（1chおよび8ch）のそれぞれで計測される超音波の伝播時間（発信されたパルス超音波がエコーとして戻ってくるまでの時間）、およびパルス超音波の走査角度θから幾何学的に算出することができる。
【００３３】
最後に、流速ベクトル分布生成部４６は、上述した手順で求めたｆＤ1、ｆＤ８、ｅｅ、ｅ1およびｅ８を上記式（３）に投入して流速ベクトルＶを計算する。さらに、その計算を、２次元的に走査される計測線上の各計測点について行うことによって、２次元平面上の流速ベクトル分布を得る。
【００３４】
なお、図２では、パルス超音波を発信するアレイセンサーの両端に位置する振動子がエコーを受信する態様を示したが、エコーを受信する振動子は、アレイセンサーの両端に位置する振動子に限定する必要なく、所定以上の距離をおいて離間する２つの振動子であればよい。ここでいう所定以上の距離とは、本発明の測定原理に照らして適切な距離であり、当業者であれば、その意味するところを容易に理解するであろう。
【００３５】
以上、フェイズドアレイセンサー１２を用いて、流れの２次元流速ベクトルを取得する手順を説明してきたが、以下に示す方法によれば、流れの３次元流速ベクトルを取得することもできる。
【００３６】
流れの３次元流速ベクトルを取得する場合、超音波トランスデューサ１０のセンサー部として複数の振動子がマトリックス状に配置されたフェイズドアレイセンサーを使用する。図３は、６４個の振動子が正四方形の領域にマトリックス状に配置されたフェイズドアレイセンサー１４の上面図を示す。なお、図３に示す振動子の数およびその配置態様は、あくまで例示であり、３次元流速ベクトルを取得するための振動子の平面的な配置は、この態様に限定されるものではない。
【００３７】
図３に示す例の場合、フェイズドアレイセンサー１４は、６４個の振動子（1ch〜64ch）で超音波を発信し、３個の振動子（4ch、57ch、64ch）でエコーを受信する。これを受けて、流速ベクトル分布生成部４６は、３次元流速ベクトルＶを下記式（４）に基づいて算出する。
【００３８】
【数４】
0006501384.tif 000005
【００３９】
上記式（４）において、ｆ０は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、ｅｅは計測線上の粒子の位置（超音波の反射位置）から６４個の振動子が配置される領域の中心Ｏを結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅ４は粒子から４番目の振動子（4ch）の中心Ｐ１を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅ５７は粒子から５７番目（57ch）の振動子の中心Ｐ２を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅ６４は粒子から６４番目の振動子（64ch）の中心Ｐ３を結ぶ方向の単位ベクトルを示す。
【００４０】
この場合、流速ベクトル分布生成部４６は、上記式（４）におけるドップラー周波数ｆＤ４、ｆＤ５７、およびｆＤ６４を、３つの振動子（4ch、57ch、64ch）から入力されるエコー信号に基づく解析結果として、信号解析部４２から得る。さらに、流速ベクトル分布生成部４６は、上記式（４）におけるｅｅ、ｅ４、ｅ５７およびｅ６４を、それぞれ、計測線上の粒子の位置（超音波の反射位置）、中心Ｏ、中心Ｐ１、中心Ｐ２および中心Ｐ３から求める。最後に、流速ベクトル分布生成部４６は、上述した手順で求めたｆＤ４、ｆＤ５７、ｆＤ６４、ｅｅ、ｅ４、ｅ５７およびｅ６４を上記式（４）に投入して３次元流速ベクトルＶを計算する。さらに、その計算を、３次元的に走査される計測線上の各計測点について行うことによって、３次元空間内の流速ベクトル分布を得る。
【００４１】
なお、エコーを受信する振動子の配置は、図３に示した態様に限定する必要はなく、マトリックス状に配置された複数の振動子の中から、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３つの振動子を選び、その３つの振動子でエコーを受信するように構成すればよい。ここでいう所定以上の距離とは、本発明の測定原理に照らして適切な距離であり、当業者であれば、その意味するところを容易に理解するであろう。
【００４２】
以上、説明したように、本実施形態の流速ベクトル分布計測装置１００によれば、流れを流速ベクトル場（２次元または３次元）として計測することができるので、汚染水の漏えい箇所を精度よく検出することが可能になる。また、本実施形態の流速ベクトル分布計測装置１００のセンサー部は、１つのフェイズドアレイセンサーだけで構成されるので、計測の際にセンサー部の位置決め作業が不要となる。さらに、１つのフェイズドアレイセンサーだけで構成される小型のセンサー部は、狭隘な作業現場において設置場所を選ばない。
【００４３】
なお、これまで、本発明の流速ベクトル分布計測装置の用途について、専ら、原子炉建屋における汚染水漏えい調査を例に挙げて説明してきたが、本発明の流速ベクトル分布計測装置は、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。
【００４４】
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。
【実施例】
【００４５】
以下、本発明の流速ベクトル分布計測法について、実施例を用いてより具体的に説明を行なうが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。
【００４６】
本発明の流速ベクトル分布計測法の有効性を検証すべく、図４に示す実験装置２００を使用して、テーラークエット渦流れを対象とした計測を行った。
【００４７】
本実験においては、超音波トランスデューサ６２と、パルサ・レシーバ６５（JPR-10C-8CH、Japan Probe社製）と、ＡＤコンバータ６６（PXI-5114、National Instruments社製）と、パーソナルコンピュータ６８を用いて流速ベクトル分布計測装置を構築した。なお超音波トランスデューサは、振動子サイズ（0.5mm×5.0mm）、振動子数8、振動子ピッチ0.6mmのフェイズドアレイセンサー６４を用いて構築した。
【００４８】
一方、テーラークエット渦流れを発生させるための装置として図４に示す同軸二重円筒容器６０（内円筒半径：50mm、外円筒半径：75mm、円筒間距離：25mm、アスペクト比：3）を用意した。内円筒と外円筒の間に作動流体として80wt%グリセリン水溶液（音速：1850m/s）を水深75mmとなるように充填した。なお、流体の上端は自由水面とした。
【００４９】
超音波トランスデューサ６２を、フェイズドアレイセンサー６４の長手方向が容器の底面の半径方向に沿い、その中心が同軸二重円筒容器６０の円筒中心から70mmの位置に一致するように配置した。この状態で、同軸二重円筒容器６０の内円筒を回転数100rpmで回転させて作動流体に渦を発生させ、流速ベクトル分布計測を行った。
【００５０】
流速ベクトル分布計測において、超音波信号の発信は8振動子（1ch〜8ch）の全てを用いて行い、エコー信号の受信はフェイズドアレイセンサー６４の両端に位置する２個の振動子（1chと8ch）で同時に行った。なお、超音波信号のバースト波は、基本周波数2MHz、波数4、パルス繰り返し周波数500Hz、パルス繰り返し数128とした。また、本実験では、1chから8chまでの印加電圧値をハミング窓を参考に、それぞれ、10V、40V、100V、150V、150V、100V、40V、10Vとし、遅延時間を-100ns〜200nsの範囲で20nsごとに設定して、走査角度-18°〜38°で計測線を走査した。
【００５１】
フェイズドアレイセンサー６４が受信したエコー信号をパルサ・レシーバ６５およびＡＤコンバータ６６を介してデジタル信号としてコンピュータ６８に取り込み、LabVIEW（National Instruments社製）を用いて作成した信号処理プログラムで解析することで、２個の振動子（1chと8ch）ごとにドップラー周波数ｆＤを算出し、２個のドップラー周波数ｆＤに基づいて流速ベクトルの２次元分布図を作成した。なお、流速ベクトルは、計測線ごとに128回計測した値の平均値とした。
【００５２】
図５は、本実験において作成された流速ベクトルの２次元分布図を示す。図５に示す２次元分布図おいて、縦軸は同軸二重円筒容器６０の高さ方向を表し、容器の横軸は半径方向を表し、原点は同軸二重円筒容器６０の外円筒の内壁の底部とした。
【００５３】
図５に示すように、流速ベクトルの２次元分布図において、高さ10mmから30mmの領域に反時計回りの渦輪の流速ベクトル場が認められ、高さ30mmから50mmの領域に時計回りの渦輪の流速ベクトル場が認められた。以上の結果から、本発明の計測方法の有効性が確認された。
【符号の説明】
【００５４】
１０…超音波トランスデューサ
１２…フェイズドアレイセンサー
１４…フェイズドアレイセンサー
２０…パルサ・レシーバ
３０…ＡＤコンバータ
４０…コンピュータ
４２…信号解析部
４６…流速ベクトル分布生成部
５０…流れ
６０…同軸二重円筒容器
６２…超音波トランスデューサ
６４…フェイズドアレイセンサー
６５…パルサ・レシーバ
６６…ＡＤコンバータ
６８…パーソナルコンピュータ
１００…流速ベクトル分布計測装置
２００…実験装置
【図１】
0006501384.tif 000008
【図２】
0006501384.tif 000009
【図３】
0006501384.tif 000010
【図４】
0006501384.tif 000011
【図５】
0006501384.tif 000012