(57)【要約】　　【目的】　設置場所が限られているような場合でも音速値を測定可能な超音波発生装置、または音速測定装置を提供する。　　【構成】　超音波の発振部と受信部とを一体とした受発振部として形成し、その受発振部から発振した超音波が受発振部とは異なる位置に反射してくる場合に、その反射波を受発振部にて受信できるようにするための修正用音響レンズユニットを備えた超音波発生装置と、その超音波発生装置を用いて超音波の往復時間を測定する往復時間測定ユニットと、その往復時間に基づいて音速値を測定する音速測定ユニットとを備えた音速測定装置とする。【選択図】　　図２
2004132978.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　超音波を発振すると共にその発振した超音波の反射波を受信する超音波発生装置において、
　超音波の発振部と受信部とを一体とした受発振部として形成し、
　その受発振部から発振した超音波が受発振部とは異なる位置に反射してくる場合に、その反射波を受発振部にて受信できるようにするための修正用音響レンズユニットを備えた超音波発生装置。
【請求項２】
　超音波を発振すると共にその発振した超音波の反射波を受信する超音波発生装置において、
　超音波の発振部と受信部とを一体とした受発振部として形成し、
　その受発振部から発振した超音波が拡散反射する場合に、その反射波を受発振部にて受信できるようにするための収束用音響レンズユニットを備えた超音波発生装置。
【請求項３】
　超音波を発振すると共にその発振した超音波の反射波を受信する超音波発生装置において、
　超音波の発振部と受信部とを一体とした受発振部として形成し、
　受発振部から発振した超音波が受信部に対してずれて反射してくる反射波のずれを修正するための修正機能と、
　発振部から発振した超音波が拡散反射する反射波を収束させるための収束機能とを備えた音響レンズユニットを備えた超音波発生装置。
【請求項４】
　超音波を発振すると共にその発振した超音波を受信する超音波発生装置において、
　超音波の発振部と、その発振部とは別体に形成した受信部と、
　発振部から発振した超音波が受信部の設置位置とは異なる位置に向かってくる場合に、その超音波を受信部にて受信できるようにするための音響レンズユニットを備えた超音波発生装置。
【請求項５】
　超音波を発振すると共にその発振した超音波を受信する超音波発生装置において、
　超音波の発振部と、
　その発振部とは別体に形成した受信部とをそれぞれ複数個ずつ備え、
　各発振部は、全ての受信部へ超音波を発振し、
　発振部の数だけ超音波を受信する各受信部において、受信した全ての超音波の強度を測定可能な超音波測定機構と、
　その超音波測定機構と受信部移動機構とを用いて超音波の強度が最大となる超音波の経路を抽出する最大値抽出機構とを備えた超音波発生装置。
【請求項６】
　超音波の発振部と受信部とを一体とした受発振部として形成し、その受発振部から発振した超音波が受発振部とは異なる位置に反射してくる場合に、その反射波を受発振部にて受信できるようにするための修正用音響レンズユニットを備えた超音波発生装置と、
　その超音波発生装置を用いて超音波の往復時間を測定する往復時間測定ユニットと、
　その往復時間に基づいて音速値を測定する音速測定ユニットとを備えた音速測定装置。
【請求項７】
　超音波の発振部と受信部とを一体とした受発振部として形成し、その受発振部から発振した超音波が拡散反射する場合に、その反射波を受発振部にて受信できるようにするための収束用音響レンズユニットを備えた超音波発生装置と、
　その超音波発生装置を用いて超音波の往復時間を測定する往復時間測定ユニットと、
　その往復時間に基づいて音速値を測定する音速測定ユニットとを備えた音速測定装置。
【請求項８】
　超音波の発振部と受信部とを一体とした受発振部として形成し、受発振部から発振した超音波が受信部に対してずれて反射してくる反射波のずれを修正するための修正機能と、発振部から発振した超音波が拡散反射する反射波を収束させるための収束機能とを備えた音響レンズユニットを備えた超音波発生装置、
　その超音波発生装置を用いて超音波の往復時間を測定する往復時間測定ユニット、
　およびその往復時間に基づいて音速値を測定する音速測定ユニットを備えた音速測定装置。
【請求項９】
　超音波の発振部と、　その発振部が発振した超音波を受信するために発振部とは別体に形成し受信部と、　発振部から発振した超音波が受信部の設置位置とは異なる位置に向かってくる場合に、その超音波を受信部にて受信できるようにするための音響レンズユニットを備えた超音波発生装置、
　その超音波発生装置を用いて超音波の到達時間を測定する到達時間測定ユニット、
　およびその到達時間に基づいて音速値を測定する音速測定ユニットを備えた音速測定装置。
【請求項１０】
　超音波の発振部と、
　その発振部とは別体に形成した受信部とをそれぞれ複数個ずつ備え、
　各発振部は、全ての受信部へ超音波を発振し、発振部の数だけ超音波を受信する各受信部において、受信した全ての超音波の強度を測定可能な超音波測定機構と、
　その超音波測定機構と受信部移動機構とを用いて超音波の強度が最大となる超音波の経路を抽出する最大値抽出機構と、
　その最大値抽出機構によって抽出された発振部および受信部の組合せに基づいて超音波の到達時間を測定する到達時間測定ユニットと、
　その到達時間に基づいて音速値を測定する音速測定ユニットとを備えた音速測定装置。
【請求項１１】
　定常時の音速たる定常音速値およびその定常音速値からの許容値を記憶する定常音速記憶手段と、
　その定常音速記憶手段が記憶している定常音速値と音速測定ユニットにて測定された音速値との差分が前記許容値の範囲内であるか否かを判断する許容判断手段と、
　その許容判断手段による判断が許容値の範囲外である場合に、警告信号を発信する警告出力手段とを備えた請求項６から請求項１０のいずれかに記載の音速測定装置。
【請求項１２】
　超音波の発振部と、その発振部とは別体に形成した受信部と、その受信部を発振部に対して移動させる受信部移動機構と、受信部によって受信した超音波の強度を測定可能な超音波測定機構とを備えた超音波発生装置による音速測定方法であって、
　超音波測定機構と受信部移動機構とを用いて超音波の強度が最大の位置を探索する探索手順と、
　その探索手順によって決定された超音波強度の最大位置にて受信部を固定する受信部固定手順と、
　その受信部固定手順において固定された位置にて超音波の到達時間を測定する到達時間測定手順と、
　その到達時間に基づいて音速値を測定する音速測定手順とを備えた音速測定方法。
【請求項１３】
　超音波の発振部と、その発振部とは別体に形成した受信部とをそれぞれ複数個ずつ備え、各発振部は、全ての受信部へ超音波を発振し、発振部の数だけ超音波を受信する各受信部において、受信した全ての超音波の強度を測定可能な超音波測定機構を備えた超音波発生装置による音速測定方法であって、
　超音波測定機構と受信部移動機構とを用いて超音波の強度が最大の位置を探索する探索手順と、
　その探索手順によって探索された発振部および受信部の組合せに基づいて超音波の到達時間を測定する到達時間測定手順と、
　その到達時間に基づいて音速値を測定する音速測定手順とを備えた音速測定方法。
【請求項１４】
　定常時の音速たる定常音速値およびその定常音速値からの許容値を記憶する定常音速記憶手順と、
　その定常音速記憶手順にて記憶している定常音速値と音速測定手順にて測定された音速値との差分が前記許容値の範囲内であるか否かを判断する許容判断手順と、
　その許容判断手順による判断が許容値の範囲外である場合に、警告信号を発信する警告出力手順とを備えた請求項１２または請求項１３のいずれかに記載の音速測定方法。
【請求項１５】
　超音波の発振部と、その発振部とは別体に形成した受信部と、その受信部を発振部に対して移動させる受信部移動機構と、受信部によって受信した超音波の強度を測定可能な超音波測定機構とを備えた超音波発生装置を用いた音速測定プログラムであって、
　そのプログラムは、超音波測定機構と受信部移動機構とを用いて超音波の強度が最大の位置を探索する探索手順と、
　その探索手順によって決定された反射波強度の最大位置にて受信部を固定する受信部固定手順と、
　その受信部固定手順において固定された位置にて超音波の到達時間を測定する到達時間測定手順と、
　その到達時間に基づいて音速値を測定する音速測定手順とをコンピュータに実行させるためのプログラムとした音速測定プログラム。
【請求項１６】
　超音波の発振部と、その発振部とは別体に形成した受信部とをそれぞれ複数個ずつ備え、各発振部は、全ての受信部へ超音波を発振し、発振部の数だけ超音波を受信する各受信部において、受信した全ての超音波の強度を測定可能な超音波測定機構を備えた超音波発生装置を用いた音速測定プログラムであって、
　そのプログラムは、超音波測定機構と受信部移動機構とを用いて超音波の強度が最大の位置を探索する探索手順と、
　その探索手順によって探索された発振部および受信部の組合せに基づいて超音波の到達時間を測定する到達時間測定手順と、
　その到達時間に基づいて音速値を測定する音速測定手順とをコンピュータに実行させるためのプログラムとした音速測定プログラム。
【請求項１７】
　定常時の音速たる定常音速値およびその定常音速値からの許容値を記憶する定常音速記憶手順と、
　その定常音速記憶手順にて記憶している定常音速値と音速測定手順にて測定された音速値との差分が前記許容値の範囲内であるか否かを判断する許容判断手順と、
　その許容判断手順による判断が許容値の範囲外である場合に、警告信号を発信する警告出力手順とを備えた請求項１５または請求項１６のいずれかに記載の音速測定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、流体中の音速、特に超音波の速度の測定装置およびそれに関連する技術に関する。 
【背景技術】
【０００２】
　超音波を用いて被検体の寸法や材質を管理することは、被破壊検査など様々な分野で行われている。（例えば、特開平９−６１１４５号）
【０００３】
【特許文献１】特開平９−６１１４５号
【０００４】
　この技術は、「超音波を送信する送信器Ｓ１」と「超音波を受信する受信器Ｓ２」とを組み合わせ、超音波の伝播時間を測定し、被検体の厚さまたは音速値を測定するものである。被検体の厚さと音速との双方が不明である場合にも、双方の値を測定できる技術である。例えば、媒体（流体）中を通過する音速について知りたい場合、その媒体を保持する容器の厚さを知らなくても、測定が可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
　さて、上記の技術を、管内を流れる流体中の音速値を測定する場合に用いるとすると、以下のような不都合がある。
　まず、被検体となる配管において、測定装置の設置場所が限られているような場合がある。例えば、「超音波を送信する送信器Ｓ１」と「超音波を受信する受信器Ｓ２」と配管の軸方向へ並列させようとしても、配管において軸方向距離が取れないような場合がある。特に、測定に最適な設置場所を探索してから測定するような場合には、それらの設置面積が多く必要となる場合があるからである。
【０００６】
　また、流体が流れている場合には、ドップラ効果によって反射波が下流方向へ流される。しかし、流速が不明であったり、不定である場合は多く、その場合には測定に最適な設置場所を探索することも困難である。
　特開平９−６１１４５号に開示された技術によれば、最適設置場所の探索が行えるとされているものの、以下のような問題がある。まず、設置場所が限られていて移動方向距離を充分に確保できない場合には機能しない。また、移動機構による移動方向が直線的である場合には、配管の周方向へのずれを吸収できない。更に、周方向の移動も可能な移動機構は、構造が複雑となり、装置が大がかりになったり移動制御が煩雑となる。
【０００７】
　本発明が解決しようとする課題は、設置場所が限られているような場合でも音速値を測定可能な技術を提供することである。
　請求項１から請求項５記載の発明の目的は、設置場所が限られているような場合でも音速値を測定可能な超音波発生装置を提供することにある。
　また、請求項６から請求項１１記載の発明の目的は、設置場所が限られているような場合でも音速値を測定可能な音速測定装置を提供することにある。
　また、請求項１２から請求項１４記載の発明の目的は、設置場所が限られているような場合でも音速値を測定可能な音速測定方法を提供することにある。
　また、請求項１５から請求項１７記載の発明の目的は、設置場所が限られているような場合でも音速値を測定可能な音速測定方法を実現するためのコンピュータプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
　上記した課題を解決するため、本願では以下の発明を開示する。
【０００９】
　（請求項１）
　請求項１記載の発明は、超音波を発振すると共にその発振した超音波の反射波を受信する超音波発生装置に係る。
　すなわち、超音波の発振部と受信部とを一体とした受発振部として形成し、　その受発振部から発振した超音波が受発振部とは異なる位置に反射してくる場合に、その反射波を受発振部にて受信できるようにするための修正用音響レンズユニットを備えた超音波発生装置である。
【００１０】
　　（用語説明）
　「音響レンズ」とは、探触子の圧電素子より前面に配置してある構造体であり、凸面形状を採用することにより探触子から出た超音波を収束させる機能を有する。一般的には、生体での音速に比べ遅い音速約１０００ｍ／ｓｅｃのシリコンにて製造しており、凸面形状をとることにより探触子から出た超音波を収束させることができる。ただし、周囲の媒体より速い音速を持つ物質を音響レンズに使用した場合には、凹面形状を採用しなければ超音波を収束させることができない。
　「修正用音響レンズ」とは、一般には、球面の一部をなす表面を有する音響レンズ（球面レンズ）であるが、特殊な場合には非球面レンズの場合もある。
　「ユニット」としているのは、受発振部の位置を音響レンズの焦点位置へセッティングしたり、レンズ角度を調整したりする機構を含む趣旨である。更に、超音波の屈折率や大きさを異ならせた複数の音響レンズを備えている場合には、それらの中から適正な屈折率や大きさの音響レンズを抽出したりセッティングしたりする機構などを含む。
【００１１】
　　（作用）
　超音波の発振部と受信部とを一体とした受発振部として形成している。このため、被検体における受発振部の設置場所は、超音波の発振部と受信部とが別体で形成されている場合に比べて小さくて済む。
　その受発振部から発振した超音波が受発振部とは異なる位置に反射してくる場合には、修正用音響レンズユニットによってその反射波を受発振部にて受信できるように収束させる。そのため、設置場所が限られているような場合でも、音速値を測定可能な超音波発生装置となる。
【００１２】
　（請求項２）
　請求項２記載の発明は、超音波を発振すると共にその発振した超音波の反射波を受信する超音波発生装置に係る。
　すなわち、超音波の発振部と受信部とを一体とした受発振部として形成し、　その受発振部から発振した超音波が拡散反射する場合に、その反射波を受発振部にて受信できるようにするための収束用音響レンズユニットを備えた超音波発生装置である。
【００１３】
　　（用語説明）
　超音波の「拡散反射」とは、例えば、超音波の反射面が超音波の発射方向に対して凹状をなしているような場合（具体的には、エルボ管のように丸い配管の内曲面にて反射するような場合）に、発射方向に向かって広がって反射することである。
　「収束用音響レンズユニット」とは、拡散した超音波を収束させるための、いわゆる「かまぼこ型音響レンズ」（円筒形の曲面の一部をなす表面を有するレンズ）を備えたユニットである。
【００１４】
　　（作用）
　超音波の発振部と受信部とを一体とした受発振部として形成している。このため、被検体における受発振部の設置場所は、超音波の発振部と受信部とが別体で形成されている場合に比べて小さくて済む。
　その受発振部から発振した超音波が拡散反射する場合には、収束用音響レンズユニットによって拡散反射した反射波を受発振部にて受信できるように収束させる。そのため、設置場所が限られているような場合でも、音速値を測定可能な超音波発生装置となる。
【００１５】
　（請求項３）
　請求項３記載の発明は、請求項１および請求項２記載の超音波発生装置の機能を組み合わせたものである。すなわち、受発振部から発振した超音波が受信部に対してずれて反射してくる反射波のずれを修正するための修正機能と、　発振部から発振した超音波が拡散反射する反射波を収束させるための収束機能とを備えた音響レンズユニットを備えた超音波発生装置に係る。
【００１６】
　　（用語説明）
　「修正機能」とは、例えば、球体表面の一部をなすようないわゆる球面の音響レンズを用いて達成する。また、「収束機能」とは、例えば、かまぼこ型音響レンズを用いて達成する。
　「音響レンズユニット」とは、修正機能および収束機能を、凸型音響レンズおよびかまぼこ型音響レンズそれぞれ単独の組合せのほか、それぞれの音響レンズを複数備えている場合には、それら音響レンズ郡および適正な屈折率や大きさの音響レンズを抽出したりセッティングしたりする機構や、受発振部の位置を音響レンズの焦点位置へセッティングしたりする機構などを含む趣旨である。
【００１７】
　　（作用）
　受発振部から発振した超音波が受信部に対してずれ、且つ拡散反射する反射波が発生するような設置場所であっても、音速値を測定可能な超音波発生装置となる。
【００１８】
　（請求項４）
　請求項４記載の発明は、　超音波を発振すると共にその発振した超音波を受信する超音波発生装置において、　超音波の発振部と、　その発振部とは別体に形成した受信部と、
　発振部から発振した超音波が受信部の設置位置とは異なる位置に向かってくる場合に、その超音波を受信部にて受信できるようにするための音響レンズユニットを備えた超音波発生装置に係る。
【００１９】
　　（用語説明）
　「発振部とは別体に形成した受信部」については、発振部が発振した超音波が配管の内壁へぶつかって反射した反射波を受信する場合の他、発振部と配管を挟むように設置する場合の両方を含む。発振部と配管を挟むように設置する場合は、配管の材質などによって反射波が弱いような場合などに有効な設置方法となる。
　本請求項にいう「音響レンズユニット」とは、前述した修正用音響レンズ（一般には球面レンズ）、収束用音響レンズ（一般にはかまぼこレンズ）のいずれか、またはそれらの組合せをいうものとする。
【００２０】
　　（作用）
　発振部と、その発振部から離れた位置へ受信部を設置する。このとき、被検体である配管の流体の流れ方向が把握できていれば、受信部を発振部に対して下流側へ設置する。発振部から超音波を発振し、その超音波は、受信部の設置位置近くへ向かうものの、配管の軸方向や周方向へずれていたとしても、そのずれは音響レンズユニットによって吸収され、受信部が超音波を受信できる。
　ここにおいて、発振部および受信部の設置位置が制限されているような被検体においても、音速値を測定可能な超音波発生装置となる。
【００２１】
　（請求項５）
　請求項５記載の発明は、超音波を発振すると共にその発振した超音波の反射波を受信する超音波発生装置に係る。
　すなわち、超音波を発振すると共にその発振した超音波を受信する超音波発生装置において、　超音波の発振部と、　その発振部とは別体に形成した受信部とをそれぞれ複数個ずつ備え、　各発振部は、全ての受信部へ超音波を発振し、　発振部の数だけ超音波を受信する各受信部において、受信した全ての超音波の強度を測定可能な超音波測定機構と、　その超音波測定機構と受信部移動機構とを用いて超音波の強度が最大となる超音波の経路を抽出する最大値抽出機構とを備えた超音波発生装置に係る。
　なお、この請求項にいう「発振部とは別体に形成した受信部」についても、発振部が発振した超音波が配管の内壁へぶつかって反射した反射波を受信する場合の他、発振部と配管を挟むように設置する場合の両方を含む。
【００２２】
　　（作用）
　例えば、発振部をｍ個、受信部をｎ個設けたとする。各発振部は、全ての受信部へ超音波を発振する。すなわち、一の発振部がｎ個の超音波を発振するので、発振される超音波の種類はｍ×ｎ個となる。そして、発生する反射波もｍ×ｎ個となる。超音波測定機構は、ｍ×ｎ個の超音波の強度を測定し、最大となる超音波の経路を抽出する。
　最大となった経路の超音波を用いれば、音速の測定の誤差が最も小さくなる。
　なお、流体の速度が変化したり、流体の密度が変化したりすれば、超音波の強度は随時変化するので、強度が最大となる超音波の経路も随時変化する可能性がある。
【００２３】
　（請求項６）
　請求項６記載の発明は、請求項１記載の超音波発生装置に対して、超音波発生装置を用いて超音波の往復時間を測定する往復時間測定ユニットと、その往復時間に基づいて音速値を測定する音速測定ユニットとを加えた音速測定装置に係る。
【００２４】
　　（作用）
　超音波発生装置の受発振部から発振した超音波が受発振部とは異なる位置に反射してくる場合には、修正用音響レンズユニットによってその反射波を受発振部にて受信できるように収束させる。往復時間測定ユニットが超音波発生装置を用いて超音波の往復時間を測定し、その往復時間に基づいて音速測定ユニットが音速値を測定する。ここにおいて、音速をそのまま測定することができる音速測定装置が提供される。
【００２５】
　（請求項７）
　請求項７記載の発明は、請求項２記載の超音波発生装置に対して、その超音波発生装置を用いて超音波の往復時間を測定する往復時間測定ユニットと、その往復時間に基づいて音速値を測定する音速測定ユニットとを備えた音速測定装置に係る。
【００２６】
　　（作用）
　超音波発生装置の受発振部から発振した超音波が拡散反射する場合には、収束用音響レンズユニットによって拡散反射した反射波を受発振部にて受信できるように収束させる。往復時間測定ユニットが超音波発生装置を用いて超音波の往復時間を測定し、その往復時間に基づいて音速測定ユニットが音速値を測定する。ここにおいて、音速をそのまま測定することができる音速測定装置が提供される。
【００２７】
　（請求項８）
　請求項８記載の発明は、請求項３記載の超音波発生装置に対して、その超音波発生装置を用いて超音波の往復時間を測定する往復時間測定ユニット、およびその往復時間に基づいて音速値を測定する音速測定ユニットを備えた音速測定装置に係る。
【００２８】
　　（作用）
　超音波発生装置の受発振部から発振した超音波が受信部に対してずれ、且つ拡散反射する反射波が発生するような設置場所であっても、修正機能および収束機能により反射波を受発振部にて受信できる。しかも、配管の表面に対して、配管軸方向と垂直に入射した超音波を選択的に（指向性を持って）捉えることができるので、流速に関わらず往復に要する時間が同じになる。このため、往復時間測定ユニットが超音波発生装置を用いて超音波の往復時間を測定し、その往復時間に基づいて音速測定ユニットが音速値を測定する。ここにおいて、音速をそのまま測定することができる音速測定装置が提供される。
【００２９】
　（請求項９）
　請求項９記載の発明は、請求項４記載の超音波発生装置に対して、その超音波発生装置を用いて超音波の到達時間を測定する到達時間測定ユニット、およびその到達時間に基づいて音速値を測定する音速測定ユニットを備えた音速測定装置に係る。
【００３０】
　　（作用）
　発振部から超音波を発振し、反射波が発生する。その反射波は、受信部移動機構によって移動する受信部が受信する。そして、受信した超音波の強度を超音波測定機構が測定する。そして、移動制御機構が、超音波測定機構と受信部移動機構とを用いて超音波の強度が最大の位置で受信部を停止させる。ここにおいて、流体の流れなどさまざまな理由によって反射波がずれたとしても、音速値を測定する。ここにおいて、音速をそのまま測定することができる音速測定装置が提供される。
【００３１】
　（請求項１０）
　請求項１０記載の発明は、請求項５記載の超音波発生装置の原理を用いた音速測定装置に係る。
　すなわち、超音波の発振部と、その発振部とは別体に形成した受信部とをそれぞれ複数個ずつ備え、各発振部は、全ての受信部へ超音波を発振し、発振部の数だけ超音波を受信する各受信部において、受信した全ての超音波の強度を測定可能な超音波測定機構と、その超音波測定機構と受信部移動機構とを用いて超音波の強度が最大となる超音波の経路を抽出する最大値抽出機構と、　その最大値抽出機構によって抽出された発振部および受信部の組合せに基づいて超音波の到達時間を測定する到達時間測定ユニットと、　その到達時間に基づいて音速値を測定する音速測定ユニットとを備えた音速測定装置である。
【００３２】
　　（作用）
　発振部をｍ個、受信部をｎ個設けたとする。各発振部は、全ての受信部へ超音波を発振する。すなわち、一の発振部がｎ個の超音波を発振するので、発振される超音波の種類はｍ×ｎ個となる。そして、発生する超音波もｍ×ｎ個となる。超音波測定機構は、ｍ×ｎ個の超音波の強度を測定し、最大となる超音波の経路を抽出する。
　最大となった経路の超音波を用いることにより、誤差が最も小さくなるように音速の測定が可能な音速測定装置が提供される。
【００３３】
　（請求項１１）
　請求項１１に記載の発明は、請求項６から請求項１０のいずれかに記載の音速測定装置を限定したものであり、異常事態を検知して警告を発することができる機能を備えている。
　すなわち、定常時の音速たる定常音速値およびその定常音速値からの許容値を記憶する定常音速記憶手段と、　その定常音速記憶手段が記憶している定常音速値と音速測定ユニットにて測定された音速値との差分が前記許容値の範囲内であるか否かを判断する許容判断手段と、　その許容判断手段による判断が許容値の範囲外である場合に、警告信号を発信する警告出力手段とを備えた音速測定装置に係る。
【００３４】
　　（用語説明）
　「定常音速値」とは、経験的、統計的に知られた値を外部から入力することとしてもよいし、運転後の所定時間内の平均値を内部で算出して記憶することとしてもよい。
　「許容値」とは、一般には、経験的、統計的に知られた値を外部から入力する。または、「平均値のプラスマイナスｘ％」といった設定値を外部から入力し、その設定値から算出するようにしてもよい。
　「警告信号」とは、警告音を発するスピーカを作動させるための信号であったり、運転を停止したり減速させたりするための制御信号であったり、様々である。
【００３５】
　　（作用）
　定常音速記憶手段が定常時の音速たる定常音速値およびその定常音速値からの許容値を記憶している。その定常音速記憶手段が記憶している定常音速値と音速測定ユニットにて測定された音速値との差分が前記許容値の範囲内であるか否かを、許容判断手段が判断する。その許容判断手段による判断が許容値の範囲外である場合に、警告出力手段が警告信号を発信する。
　ここにおいて、許容値を超える音速値の変化があった場合には、被検体に対する異常が発生したと判断することができ、警告を自動的に発信することができる。
【００３６】
　（請求項１２）
　請求項１２記載の発明は、超音波の発振部と、その発振部とは別体に形成した受信部と、その受信部を発振部に対して移動させる受信部移動機構と、受信部によって受信した超音波の強度を測定可能な超音波測定機構とを備えた超音波発生装置による音速測定方法に係る。
　すなわち、超音波測定機構と受信部移動機構とを用いて超音波の強度が最大の位置を探索する探索手順と、　その探索手順によって決定された反射波強度の最大位置にて受信部を固定する受信部固定手順と、　その受信部固定手順において固定された位置にて超音波の到達時間を測定する到達時間測定手順と、　その到達時間に基づいて音速値を測定する音速測定手順とを備えた音速測定方法である。
【００３７】
　（請求項１３）
　請求項１３記載の発明は、超音波の発振部と、その発振部とは別体に形成した受信部とをそれぞれ複数個ずつ備え、各発振部は、全ての受信部へ超音波を発振し、発振部の数だけ超音波を受信する各受信部において、受信した全ての超音波の強度を測定可能な超音波測定機構を備えた超音波発生装置による音速測定方法に係る。
　すなわち、超音波測定機構と受信部移動機構とを用いて超音波の強度が最大の位置を探索する探索手順と、　その探索手順によって探索された発振部および受信部の組合せに基づいて超音波の到達時間を測定する到達時間測定手順と、　その到達時間に基づいて音速値を測定する音速測定手順とを備えた音速測定方法である。
【００３８】
　（請求項１４）
　請求項１４記載の発明は、定常時の音速たる定常音速値およびその定常音速値からの許容値を記憶する定常音速記憶手順と、　その定常音速記憶手順にて記憶している定常音速値と音速測定手順にて測定された音速値との差分が前記許容値の範囲内であるか否かを判断する許容判断手順と、　その許容判断手順による判断が許容値の範囲外である場合に、警告信号を発信する警告出力手順とを備えた請求項１２または請求項１３のいずれかに記載の音速測定方法に係る。
【００３９】
　（請求項１５）
　請求項１５記載の発明は、超音波の発振部と、その発振部とは別体に形成した受信部と、その受信部を発振部に対して移動させる受信部移動機構と、受信部によって受信した超音波の強度を測定可能な超音波測定機構とを備えた超音波発生装置を用いた音速測定プログラムに係る。
　そのプログラムは、超音波測定機構と受信部移動機構とを用いて超音波の強度が最大の位置を探索する探索手順と、　その探索手順によって決定された反射波強度の最大位置にて受信部を固定する受信部固定手順と、　その受信部固定手順において固定された位置にて超音波の到達時間を測定する到達時間測定手順と、　その到達時間に基づいて音速値を測定する音速測定手順とをコンピュータに実行させるためのプログラムとした音速測定プログラムである。
【００４０】
　（請求項１６）
　請求項１６記載の発明は、超音波の発振部と、その発振部とは別体に形成した受信部とをそれぞれ複数個ずつ備え、各発振部は、全ての受信部へ超音波を発振し、発振部の数だけ超音波を受信する各受信部において、受信した全ての超音波の強度を測定可能な超音波測定機構を備えた超音波発生装置を用いた音速測定プログラムに係る。
　そのプログラムは、超音波測定機構と受信部移動機構とを用いて超音波の強度が最大の位置を探索する探索手順と、　その探索手順によって探索された発振部および受信部の組合せに基づいて超音波の到達時間を測定する到達時間測定手順と、　その到達時間に基づいて音速値を測定する音速測定手順とをコンピュータに実行させるためのプログラムとした音速測定プログラムである。
【００４１】
　（請求項１７）
　請求項１７記載の発明は、請求項１５または請求項１６のいずれかに記載の音速測定プログラムを限定したものである。
　すなわち、　定常時の音速たる定常音速値およびその定常音速値からの許容値を記憶する定常音速記憶手順と、　その定常音速記憶手順にて記憶している定常音速値と音速測定手順にて測定された音速値との差分が前記許容値の範囲内であるか否かを判断する許容判断手順と、
　その許容判断手順による判断が許容値の範囲外である場合に、警告信号を発信する警告出力手順とを備えた音速測定プログラムに係る。
【００４２】
　請求項１５ないし請求項１７に係るコンピュータプログラムを、記録媒体へ記憶させて提供することもできる。ここで、「記録媒体」とは、それ自身では空間を占有し得ないプログラムを担持することができる媒体であり、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ（光磁気ディスク）、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＰＤなどである。
　また、これらの発明に係るプログラムを格納したコンピュータから、通信回線を通じて他のコンピュータへ伝送することも可能である。
　なお、汎用的なコンピュータを備えた超音波発生装置や音速測定装置に対して、上記のような各手段を達成可能であるようなプログラムをプリインストール、あるいはダウンロードすることで、請求項１等に係る機能を備えた超音波発生装置や、請求項６等に係る音速測定装置を形成することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
　本願発明を、図面および実施形態に基づいて更に詳しく説明する。ここで使用する図面は、図１ないし図５である。
【００４４】
　（図１）
　図１は、実際の配管において超音波がどのように伝播し、どのような伝播時間が掛かるかを説明するための図である。
　ｘｙ座標をとり、超音波が入射する側の配管内面をｙ＝０とする。
　配管の壁に超音波が入射する角度をθ１とする。
　配管材料を通過する際の音速をＣ１とする。
　配管内部を流れる流体を通過する際の音速をＣ２とし、流体の音速は一様とする。
　配管内部を流れる流体の流速をＵ（ｙ）とする。
　配管内部の流体に対する超音波の伝播角度をθ（ｙ）とする。
【００４５】
　超音波の伝播経路は、以下のように表される。
【数１】
2004132978.tif 000003
【００４６】
　また、超音波の伝播時間は、以下のように表される。
【数２】
2004132978.tif 000004
ただしδは配管の肉厚である。
【００４７】
　ここで、配管の壁に超音波が入射する角度θ１＝０、すなわち、配管の軸方向に対して垂直に入射したとすれば、sinθ１＝０であるから、超音波の伝播経路は、
【数３】
2004132978.tif 000005
となる。
【００４８】
　また、超音波の伝播時間は、
【数４】
2004132978.tif 000006
となる。すなわち、超音波の伝播時間ｔは、流速Ｕ（ｙ）に関係しないこととなる。
【００４９】
　次に、発達した乱流における流速分布を算出する。
　配管の半径をｒ０、配管内の平均流速をＵ０ 、壁面摩擦係数をｃｆとすると、
配管の中心軸からの距離ｒ は、ｒ＝｜ｙ−ｒ０｜ となる。
したがって、流速分布Ｕ（ｙ）は以下のようになる。
【数５】
2004132978.tif 000007
【００５０】
　また、超音波を配管の表面に垂直に入射したとき（ θ１＝０のとき）には、反射波は、式３を０≦ｙ≦２ｒ０ の区間で積分したときの２倍の距離だけ、入射位置よりも流れ下流側にずれた位置に返ってくる。
　そこで、式５の流速分布を式３に代入して、反射波の位置のずれｘｂを算出すると、以下のようになる。
【数６】
2004132978.tif 000008
【００５１】
　実際の配管において、反射波の位置のずれｘｂを算出してみる。例えば、高温高圧の水を流す大口径配管として、半径ｒ０が３００ｍｍ、流速Ｕ０が１０ｍ／ｓ、音速Ｃ２が１０３１ｍ／ｓ［５５０Ｋ（２７７℃）、７．５Ｍｐａのとき］、壁面摩擦係数が０．００３（壁面あらさが０．０３ｍｍのとき）である場合において、ｘｂを算出してみると、１２．２ｍｍとなった。この場合、ｘｂが０であるとして音速を算出する場合に比べて０．００５％の誤差が生じることとなる。
【００５２】
　また、高温高圧の水蒸気を流す大口径配管として、半径ｒ０が３００ｍｍ、流速Ｕ０が４０ｍ／ｓ、音速Ｃ２ が４９０ｍ／ｓ［５６０Ｋ（２８７℃）、７．１Ｍｐａの飽和蒸気］、壁面摩擦係数が０．００３（壁面あらさが０．０３ｍｍのとき）である場合に、ｘｂを算出してみると、１０２．７ｍｍとなった。この場合、ｘｂ が０であるとして音速を算出する場合に比べて０．３７％の誤差が生じることとなる。
【００５３】
　現在最も優れたドップラ式流量計は、理論値からの誤差が０．２％程度であるため、０．３７％の誤差であっても無視できない。そこで、流体中の音速に基づく誤差をゼロに近づけるための技術として、以下に示す実施形態を提供する。
【００５４】
　（図２）
　図２に示すのは、発振器兼受信器を、音響レンズの焦点位置に設置する実施形態である。すなわち、超音波の発振部と受信部とを一体とした受発振部として形成し、その受発振部から発振した超音波が受発振部とは異なる位置に反射してくる場合に、その反射波を受発振部にて受信できるようにするための修正用音響レンズユニットを備えた超音波発生装置と、その超音波発生装置を用いて超音波の往復時間を測定する往復時間測定ユニットと、その往復時間に基づいて音速値を測定する音速測定ユニットとを備えた音速測定装置である。
【００５５】
　更に詳しく説明する。受信器を兼ねた発振器は、被検体となる配管に対して、音響レンズを介して固定される。周波数ｆ０の超音波を発振する発振器およびエミッタを介して発振器が発振する超音波は、配管の軸方向に対して垂直である。また、音響レンズは、発振器が発振する超音波をその中心で通過させるように、しかも発振の際に広がった成分も配管の軸方向に対して垂直となるように、更に広がって反射してくる反射波が受信器へ集められるように、焦点位置へ配置される。したがって、発振器が発振する超音波は、音響レンズを介しても屈折することなく、配管表面および配管内の流体に対して発振される。
【００５６】
　被検体である流体がある流速にて流れている場合、超音波は流体の下流側へ押し流されながら配管へ反射し、更に流されながら反射波として戻ってくる。そのため、受信のための経路は本来的には下流側へずれる。しかし、音響レンズが下流側へずれた反射波を屈折させ、受信器を兼ねた発振器へ戻す。これによって、流体の流れによって経路がずれた超音波であっても、受信器を兼ねた発振器、すなわち同一箇所にて受信することができる。
　なお、受信した超音波は、増幅器、ＡＤ変換器や周波数ｆ０というデータを用いて音速計算装置にて音速を算出し、コンピュータを介して表示装置に、その音速を表示する。超音波の発振から音速の表示出力までを断続的に行えば、超音波の速度をリアルタイムで把握できることとなる。
【００５７】
　前述の例にて説明する。すなわち、半径ｒ０が３００ｍｍ、流速Ｕ０が４０ｍ／ｓ、音速Ｃ２が４９０ｍ／ｓ［５６０Ｋ（２８７℃）、７．１Ｍｐａの飽和蒸気］、壁面あらさが０．０３ｍｍである場合に、ｘｂを算出してみると、１０２．７ｍｍとなる。しかし、直径２５０ｍｍの音響レンズを介すると、受信器を兼ねた発振器において反射波を受信できた。
　このような音速計測装置と現在最も優れたドップラ式流量計とを連動させれば、音速の誤差を吸収することができ、更なる精度向上に貢献する。
【００５８】
　（図３）
　図３に示すのは、配管の曲率によって生じる超音波の広がりを、かまぼこ型音響レンズおよび球面型音響レンズで補正する実施形態である。すなわち、超音波の発振部と受信部とを一体とした受発振部として形成し、受発振部から発振した超音波が受信部に対してずれて反射してくる反射波のずれを修正するための修正機能と、発振部から発振した超音波が拡散反射する反射波を収束させるための収束機能とを備えた音響レンズユニットを備えた超音波発生装置、その超音波発生装置を用いて超音波の往復時間を測定する往復時間測定ユニット、およびその往復時間に基づいて音速値を測定する音速測定ユニットを備えた音速測定装置である。
【００５９】
　更に詳しく説明する。図２に示す実施形態との相違点は、二種類の音響レンズによるユニットを採用している点、および被検体が円形断面である配管である点である。配管内面及び外面には曲率があるため、超音波は配管の表面と外面で屈折するとともに、反射する面でも進行方向が変化する。そのために、受信器を兼ねた発振器へ戻ってくる超音波（反射波）は拡散している。
　その拡散した反射波をかまぼこ型音響レンズが収束させ、更に球面型音響レンズを介することによって、音速値を測定可能である。
【００６０】
　（図４）
　図４に示すのは、配管にガイドレールを取り付けて受信器が直線上を移動するようにするとともに、受信器を少しずつ確実に動かすために、ねじが回転する方式の自動移送装置を取り付けた実施形態である。また、この実施形態においては、フィードバック制御によって受信器を反射波が最も強い位置に移動させることとしている。更に、図示を省略しているが、受信器と配管との間には、音響レンズを配置し、その音響レンズの焦点位置に受信器を配置している。
　この実施形態においては、受信器の自動移送装置およびそのピーク位置検出装置を用いたフィードバック制御にて、大まかな位置へ受信器を配置し、その配置にて受信する超音波が少々ずれていたとしても、音響レンズにて収束させて受信するものである。なお、フィードバック制御が極めて高い精度で行える場合には、音響レンズユニットを省略することも可能である。
【００６１】
　図４中、想像線で描いてある位置Ｂでの受信器は、配管を挟んで発振器と反対側に位置させた場合を示している。この場合でも、受信器と配管との間には、音響レンズを配置する。配管を挟んで発振器と反対側に位置させる実施形態は、配管の軸方向に発振器と受信器とを並列させて設置するスペースを確保できないような場合や、配管の材質などによって反射波が弱いような場合などに有効である。
　なお、発振器による超音波の発振方向を配管の表面に対して垂直に設置することが困難な場合には、発振器と配管との間にも音響レンズを配置することとしてもよい。
【００６２】
　（図５）
　図５には、音速管理ユニットを中心とした警告システムの構成図を示している。
　この警告システムは、音速測定ユニット、音速管理ユニットおよび警告ユニットからなる。そして音速管理ユニットは、データ入力手段と、定常時の音速たる定常音速値およびその定常音速値からの許容値を記憶する定常音速記憶手段と、その定常音速記憶手段が記憶している定常音速値と音速測定ユニットにて測定された音速値との差分が前記許容値の範囲内であるか否かを判断する許容判断手段と、　その許容判断手段による判断が許容値の範囲外である場合に、警告信号を発信する警告出力手段とを備えている。
【００６３】
　前述した実施形態のいずれかにて形成される超音波発生装置およびそれを用いた音速測定装置からなる音速測定ユニットからは、リアルタイムで音速値を音速管理ユニットのデータ入力手段へ入力する。また、データ入力手段へは、管理者が定常音速値および許容値を入力する。なお、定常音速値については、音速測定ユニットが測定した平均音速を自動入力することとしてもよいし、データ入力手段へ随時入力された音速値から平均音速を算出して自動設定することとしてもよい。
【００６４】
　定常音速記憶手段が定常時の音速たる定常音速値およびその定常音速値からの許容値を記憶している。その定常音速記憶手段が記憶している定常音速値と音速測定ユニットにて測定された音速値との差分が前記許容値の範囲内であるか否かを、許容判断手段が判断する。その許容判断手段による判断が許容値の範囲外である場合に、警告出力手段が警告ユニットに対して警告信号を発信する。
　ここにおいて、許容値を超える音速値の変化があった場合には、被検体に対する異常が発生したと判断することができ、警告を自動的に発信することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
　請求項１から請求項５記載の発明によれば、設置場所が限られているような場合でも音速値を測定可能な超音波発生装置を提供することができた。
　また、請求項６および請求項１１記載の発明によれば、設置場所が限られているような場合でも音速値を測定可能な音速測定装置を提供することができた。
　また、請求項１２から請求項１４記載の発明によれば、設置場所が限られているような場合でも音速値を測定可能な音速測定方法を提供することができた。
　また、請求項１５から請求項１７記載の発明によれば、設置場所が限られているような場合でも音速値を測定可能な音速測定方法を実現するためのコンピュータプログラムを提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の前提条件を説明するための概念図である
【図２】第一の実施形態の構成を示す概念図である。
【図３】第二の実施形態の構成を示す概念図である。
【図４】第三の実施形態の構成を示す概念図である。
【図５】警告システムの構成を示す概念図である。
【図１】
2004132978.tif 000009
【図２】
2004132978.tif 000010
【図３】
2004132978.tif 000011
【図４】
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【図５】
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