(57)【要約】【課題】試料中に細かな気泡が含まれていても短時間で高精度な測定を行うことができる超音波音速測定装置を提供する。【解決手段】所定の方向に流れる試料中を伝播する超音波の音速を求める超音波音速測定装置において、超音波伝播領域の前記流れの上流側に、当該超音波伝播領域に前記試料が直接流入するのを妨げる妨害手段を備えた構成とする。また、前記妨害手段の下流側には、試料中から気泡を分離する通水材を備えた構成としてもよく、前記妨害手段には試料中に存在する気泡の相互の結合を促進する気泡調整手段を備えた構成としてもよい。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の方向に流れる試料中を伝播する超音波の音速を求める超音波音速測定装置において、
超音波伝播領域の前記流れの上流側に、当該超音波伝播領域に前記試料が直接流入するのを妨げる妨害手段を備えたことを特徴とする超音波音速測定装置。
【請求項２】
上記妨害手段の上記流れの下流側に、試料中から気泡を分離する通水材を備えた請求項１に記載の超音波音速測定装置。
【請求項３】
上記妨害手段が試料中に含まれる気泡の相互の結合を促進する気泡調整手段を備えた請求項１または請求項２に記載の超音波音速測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波音速測定装置に関し、特に、気泡が存在する試料中を伝播する超音波の音速を測定する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、超音波音速測定装置が備えたセンサ５０を示す外観図である。超音波送受信部２ａより所定距離の位置に反射板２ｂが設けられており、上記超音波送受信部２ａと反射板２ｂとの間に試料が充填されるようになっている。この構造で上記超音波送受信部２ａに設けられた発振素子２ｄより送出された超音波が、反射板２ｂで反射され上記超音波送受信部２ａに設けられた受信素子２ｄ（発振素子と同一）に受信されて電気信号に変換されるようになっている。
【０００３】
上記超音波音速測定装置において試料中に超音波を伝播させると、その伝播周期Ｔと伝播距離Ｌとからｃ＝Ｌ／Ｔとして音速を求めることができる。したがって、伝播周期Ｔを精度良く測定することで、音速を求めることが可能となる。この伝播周期Ｔを精度よく測定する方法としては、ここでは詳述しないが、オーバラップ法やシングアラウンド法が広く知られている。
【０００４】
以上のようにして測定した音速に基づいて、試料の物理量、例えば密度や濃度を求めることができる。このため、上記超音波測定装置は、化学プラントや半導体工場等において、製品の合成や洗浄に用いられる薬品の濃度を測定するときに利用される。この場合、上記センサは薬品が流れる配管内に設置され、上記超音波送受信部２ａと反射板２ｂの間を流れる薬品を伝播する超音波の音速を常時測定して、薬品濃度の経時変化を観測する。
【０００５】
上記のような状態で音速を測定する場合、薬品を供給するポンプ、圧力変動による薬品中に溶解していた成分のガス化、薬液の反応によるガスの発生、および、配管系継手部のリーク等の要因で、多量の気泡が試料中に含まれることがある。試料中に気泡が含まれると、伝播する超音波がこの気泡により反射されて伝播距離が短くなる、あるいは、気泡に吸収されて減衰する等の要因により、音速を精度良く測定することが困難となる。
【０００６】
この対応策として、超音波伝播領域を囲むように金網を設置して超音波伝播領域への気泡の進入を防止する等の方法が用いられている。
【０００７】
なお、上記先行技術は文献公知発明に係るものではないため記載すべき先行技術文献情報はない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の金網を設置する方法では、金網のメッシュサイズにより、超音波伝播領域への進入を防止できる気泡のサイズが決定される。例えば、線径０．１ｍｍの線材を使用した１００メッシュ（１００本／１インチ）の金網を使用した場合、線材の間隔は約０．１５ｍｍであるため、例えば、直径が０．１ｍｍの気泡はこの金網を通過して超音波伝播領域に進入する。したがって、細かな気泡の進入を防止するためには、よりメッシュ数の大きい（目の細かい）の金網を設置する必要がある。
【０００９】
しかしながら、細かな気泡の進入を防止するためにメッシュ数の大きい金網を使用した場合、金網の空間の割合が減少するため、試料の透過が阻害されてしまう。このため、超音波伝播領域に存在する試料と流れてくる試料との置換に長時間を要することになり、例えば、試料の濃度が変化した場合、この濃度変化を迅速に検出できないという問題が生じる。
【００１０】
本発明は上記従来の事情に鑑みて提案されたものであって、試料中に細かな気泡が含まれていても高精度な測定を行うことができる超音波音速測定装置を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために以下の手段を採用している。すなわち、本発明は、所定の方向に流れる試料中を伝播する超音波の音速を求める超音波音速測定装置において、超音波伝播領域の前記流れの上流側に、当該超音波伝播領域に前記試料が直接流入するのを妨げる妨害手段を備えた構成としている。
【００１２】
この構成により、気泡が超音波伝播領域に直接進入することを防止できるため、超音波伝播領域に進入する気泡を減少させることができる。この結果、試料中の音速を精度良く求めることが可能となる。
【００１３】
また、この上記妨害手段の下流側では、導入する際には、試料中から気泡を分離する通水材を介して上記超音波伝播領域に上記試料を導入することが好ましい。
【００１４】
上記通水材を介して試料を導入することで、超音波伝播領域への気泡の進入をより確実に減少させることができ、より高精度な音速の測定が可能となる。
【００１５】
本発明では、上記妨害手段は、妨害手段に衝突する試料中の気泡を相互に接触させて結合し、より大きな気泡を生成する。このため、上記通水材は、このサイズの大きくなった気泡を分離できればよく、従来に比べて試料が透過しやすい構成とすることができる。したがって、超音波伝播領域の試料の置換を短時間で行うことができ、試料の濃度の変化等にともなう音速の変化を迅速に検出することができる。
【００１６】
加えて、上記妨害手段に、例えば、試料が衝突する面に設けた凹凸等、試料中に含まれる気泡の相互の結合を促進する気泡調整手段を備えれば、気泡の分離が更に容易となる。
【００１７】
なお、本願明細書において、超音波伝播領域とは、発振素子から送出された超音波のうち、受信素子に受信される超音波が伝播する領域を指すものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面にしたがって詳細に説明する。
【００１９】
各実施の形態に例示する超音波音速測定装置の概略機能ブロック図を図１に示す。
【００２０】
送信手段１０が駆動信号を送信すると、超音波は配管等の内部に設置されたセンサ５０の発振素子と受信素子の間で多重反射するとともに、受信素子で受信信号として受信される。この受信信号は受信手段２０に入力されここで増幅等の処理がなされて受信処理手段３０に入力される。ここで、上記超音波の送信時刻から受信時刻に渡る周期に相当する連続波を形成し、演算手段４０ではその連続波の周期を計測して超音波の音速を求めるようになっている。また、センサ５０には温度センサが設けられており、この温度センサの出力は温度測定手段６０に入力されて温度情報に変換され、演算手段４０に入力される。この温度情報により、演算手段４０で求めた音速に温度補正を行うことが可能となっている。
【００２１】
なお、上記では、伝播周期Ｔを求める方法として、オーバラップ法を適用した構成を例示しているが、本発明はこれに限るものではなく、任意の方法を選択することが可能である。測定精度の観点では、本願出願人が特開２００１−５６３２０で開示している方法を用いることが好ましい。
【００２２】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態を図２に基づいて説明する。図２は、試料１００が所定の方向に流れる配管２００（一部のみ図示）内に設置されているセンサ５０を示す外観図である。また、図２において、試料１００は下方から上方の方向に流れており、センサ５０は配管に設けたセンサ設置口２０１を介して配管２００内に設置されている。
【００２３】
センサ５０は、図８に示す従来のセンサと同様に、超音波送受信部２ａより所定距離の位置に反射板２ｂを備えており、超音波送受信部２ａと反射板２ｂとの間に充填される試料１００を伝播する超音波の音速を求めるものである。また、この超音波送受信部２ａは、温度センサ２ｃを備えており、試料１００の温度を測定できるようになっている。
【００２４】
図２の例において、上記センサ５０の超音波伝播領域１は、上流側半面を非通水性の妨害手段３、下流側半面を通水材４で囲まれており、全体として略円筒形の外形をなしている。この構造では、配管内を流れる試料１００は上記通水材４を介して超音波伝播領域１に導入される。また、妨害手段３及び通水材４の材質は任意に選択することが可能であるが、本実施の形態では、上記妨害手段３を樹脂からなる板材とし、上記通水材４を０．１ｍｍのステンレス線材からなる１００メッシュの網体としている。
【００２５】
上記の状態において、配管内を流れる試料１００は、まず、妨害手段３に衝突する。このとき、試料１００中に含まれる気泡は相互に接触して結合し、より大きな気泡を形成する。そして、この拡大した気泡は、妨害手段３の表面に沿って下流側に流れていく。
【００２６】
一方、通水材４の部分では、試料１００が超音波伝播領域１に進入する流れを生じている（図中では、試料の流れ７として示す。）。この超音波伝播領域１に進入する試料１００の流れは、配管内の試料１００の流れに比べて弱い流れである。この状態では、拡大して流れにより移動しやすくなった気泡は、試料１００に比べて密度が小さいことも作用して、強い流れに伴って下流へ流されることになる（図中では、気泡の流れ８として示す。）。仮に、一部の気泡が超音波伝播領域１に進入しようとしても、通水材４である網体の隙間を通過することができず、超音波伝播領域１に進入することはない。
【００２７】
このように、上記の構造とすることにより、超音波伝播領域１に進入する気泡の量を減少させることができ、音速を精度良く測定することが可能となる。また、本実施の形態では、妨害手段３の作用により気泡のサイズが拡大しているので、通水材４である網体のメッシュは拡大した気泡が超音波伝播領域１に進入する恐れのないサイズを選択すれば足りる。このため、超音波伝播領域１にある試料の置換に時間を要することがなく、試料１００の濃度変化等を迅速に観測することができる。
【００２８】
なお、本実施の形態では上流側半面を妨害手段３とし、下流側半面を通水材４としたが、本発明はこれに限られるものではなく、試料１００が超音波伝播領域１に直接流入しない構成であれば、妨害手段３と通水材４の比率は任意に設計すればよい。超音波伝播領域１に存在する試料の置換を短時間とするには、妨害手段３は最小限の面積であることが好ましい。
【００２９】
図３は、１５分毎（初期状態を除く）に気泡流量を変化させて水中を伝播する超音波の音速を本発明と従来例とによって測定した結果を示す図である。気泡は、チューブノズルにて空気をバブリングし通気した。
【００３０】
ここで使用したセンサ５０は、通水材４を、線径０．１ｍｍのステンレス材からなる１００メッシュの網体で構成し、妨害手段３を、上流側半面ではなく、外周の１／４にあたる面を非通水性として構成している。また、従来例は、通水材４のみでセンサを囲む構成としている。
【００３１】
本発明に基づく測定結果Ａは、気泡の進入がなく安定した測定ができているのに対し、従来例に基づく測定結果Ｂは、気泡の進入により測定値が大きく乱れていることが理解できる。この結果から、妨害手段３を設けることで、細かな気泡の進入を防止できていることがわかる。
【００３２】
なお、本実施の形態では通水材４により超音波伝播領域１を囲む構成としたが、これに限るものではなく、超音波伝播領域１への気泡の進入を防止できる構成であればよい。例えば、図４に示すように、妨害手段３の両下流端にフランジ状に広がる網体を設け、超音波伝播領域１への試料の流れを遮るようにしてもよい。
【００３３】
（第２の実施の形態）
上記第１の実施の形態では、妨害手段３と通水材４を一体にした構成としていたが、妨害手段３と通水材４が一体である必要はなく、通水材４の上流側に妨害手段３があればよい。そこで、本発明の第２の実施の形態では、妨害手段３と通水材４を分離して配置している。第２の実施の形態の外観図を図５に示す。図５においても、図２の例と同様に試料１００は下方から上方に流れているものとする（配管２００は図示せず。）。
【００３４】
図５に示すように、第２の実施の形態では、センサ５０の超音波伝播領域１を通水材４のみで囲む構成としている。なお、センサ５０の構成は、図８に示す従来のセンサと同じである。また、センサ５０から上流側に所定距離だけ離れた位置に断面が略半円をなす妨害手段３を配置している。
【００３５】
上記構成によれば、第１の実施の形態と同様に、超音波伝播領域１への気泡の進入を防止することができ、試料中の音速を精度良く測定することができる。
【００３６】
（第３の実施の形態）
上記各実施の形態において、妨害手段３の下流側に配置している通水材４は超音波伝播領域１への気泡の進入を直接的に防止する手段である。したがって、超音波伝播領域１へ試料１００を導入する構造を気泡の進入を妨げる構造とすれば、通水材４を設ける必要はない。そこで、第３の実施の形態では、通水材４を設けない構成としている。以下では、図６に基づいて、第３の実施の形態を説明する。
【００３７】
本実施の形態では、センサ５０の超音波伝播領域１を妨害手段３のみで囲む構成とし、この妨害手段３上の下流側の位置に、超音波伝播領域１に試料１００を導入するための試料導入口５を設けている。図６の例では、試料導入口５を超音波の伝播方向と平行なスリット状の開口としている。また、センサ５０の構成は、上記従来のセンサの構成と同一である。
【００３８】
上記構成によれば、上記妨害手段３の作用により結合して拡大した気泡は、下流方向に流されて試料導入口５に到達する。試料導入口５では、超音波伝播領域１にある試料と配管内を流れる試料１００とが置換される流れが発生しているが、その流れは、配管内を流れる試料１００の流れに比べて弱いため、拡大した気泡は、試料導入口５から超音波伝播領域１へ進入することなく下流に流されていくことになる。
【００３９】
本実施の形態では、試料導入口５をスリットとしたがこれに限るものではなく、例えば、スリットに代えて複数の開口としてもよい。また、図７に示すように、スリットの内側に邪魔板６を配してもよい。
【００４０】
なお、上記各実施の形態において、妨害手段３の試料が衝突する面に、凹凸等の気泡調整手段を設けておくことで、より気泡の相互結合を促進してより大きな気泡とすることができるため、超音波伝播領域１への気泡の進入を防ぐことが容易となる。
【００４１】
また、上記各実施の形態では、妨害手段３及び通水材４の形状を、試料１００の流れに対して抵抗が少ない形状としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、任意に設計することが可能である。加えて、上記実施の形態１及び２では、通水材４を金網で構成したが、例えば、気泡の直径より狭い間隔で配置した線材などで構成してもよく、試料中の気泡を分離することができるものであればその構成は任意である。
【００４２】
さらに、上記各実施の形態では、試料中に所定距離をおいて超音波送受信部２ａと反射板２ｂとを設置した構成を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、超音波送信部と超音波受信部とを設置した構成であってもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、超音波伝播領域の上流側に超音波伝播領域に前記試料が直接流入するのを妨げる妨害手段を備えたことにより、気泡が超音波伝播領域に直接進入することを防止できるため、試料中の音速を精度良く求めることが可能となる。
【００４４】
また、この妨害手段の下流側で試料中から気泡を分離する通水材を介して試料を超音波伝播領域に導入する構成とすることで、超音波伝播領域への気泡の進入をより確実に減少させることができ、より高精度な音速の測定が可能となる。加えて、上記妨害手段に気泡調整手段を備えることにより、気泡の分離を更に容易とすることができる。
【００４５】
さらに、上記通水材は、妨害手段あるいは気泡調整手段の作用によりサイズが拡大した気泡を分離できれば良いため、試料の透過を阻害しない構成とすることができる。したがって、超音波伝播領域の試料の置換を短時間で行うことができ、試料の濃度の変化等にともなう音速の変化を迅速に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波音速測定装置を示す概略機能ブロック図
【図２】本発明の第１の実施の形態を示す外観図
【図３】本発明と従来法とによる測定結果を示す図
【図４】本発明の第１の実施の形態の変形例を示す断面図
【図５】本発明の第２の実施の形態を示す外観図
【図６】本発明の第３の実施の形態を示す外観図
【図７】本発明の第３の実施の形態の変形例示す断面図
【図８】従来の超音波音速測定装置のセンサを示す外観図
【符号の説明】
１  超音波伝播領域
２ａ  超音波送受信部
２ｂ  反射板
２ｃ  温度センサ
２ｄ  発振素子及び受信素子
３  妨害手段
４  通水材
５  試料導入口
６  邪魔板
７  試料の流れ
８  気泡の流れ
１０  送受信手段
２０  受信手段
３０  受信処理手段
４０  演算手段
５０  センサ
６０  温度測定手段
１００  試料
２００  配管
２０１  センサ設置口
【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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