(57)【要約】【課題】屈曲部を有する長尺の管路内の異物を検出できる検出方法及び装置を提供する。【解決手段】内部を流体が流通し屈曲部を有する管路の流体中に音波を送受信して管路内の異物を検出する検出方法であって、前記音波として、管路を導波管と見なした場合の一次遮断周波数よりも低い周波数の音波、波長で言い換えれば前記一次遮断周波数に対応する波長よりも長い波長の音波を用いることで管路内の流体に０次の波動の音波のみを伝搬させ、前記異物で反射した反射波を受信し、送信波と受信波から前記管路の管軸に沿った異物までの距離を求め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】
内部を流体が流通し屈曲部を有する管路の流体中に音波を送受信して管路内の異物を検出する検出方法であって、
前記音波として、管路を導波管と見なした場合の一次遮断周波数よりも低い周波数の音波、波長で言い換えれば前記一次遮断周波数に対応する波長よりも長い波長の音波を用いることで管路内の流体に０次の波動の音波のみを伝搬させ、
前記異物で反射した反射波を受信し、送信波と受信波から前記管路の管軸に沿った異物までの距離を求めることを特徴とする異物検出方法。
【請求項２】
前記管路を導波管と見なした場合の一次遮断周波数よりも低い周波数の音波、波長で言い換えれば前記一次遮断周波数に対応する波長よりも長い波長の音波は、半波、１波、または複数波を１パルス分とするパルス波、これらの合成である同周波数帯のチャープ波を含む変調波あるいは連続波であることを特徴とする請求項１記載の異物検出方法。
【請求項３】
前記異物は、前記管路内に存する物体、管路の閉塞部、管路の狭窄部、管の分岐部、管の裂断部を含むことを特徴とする請求項１または２記載の異物検出方法。
【請求項４】
内部を流体が流通し屈曲部を有する管路の流体中に音波を送受信して管路内の異物を検出する検出装置であって、
前記管路を導波管と見なした場合の一次遮断周波数よりも低い周波数の音波、波長で言い換えれば前記一次遮断周波数に対応する波長よりも長い波長の音波を前記管路の流体中に送信する送信器と、
前記異物からの反射波を受信する受信器と、
前記送信器から送信した送信波及び前記受信器で受信した受信波から前記異物までの管路軸に沿った距離を算出する信号解析手段と、
を備えたことを特徴とする異物検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体管路内の異物検出方法及び検出装置であって、音波(超音波領域を含む、以下同様の意である)を用いて曲がり部を有する管路内の異物及び異物までの管路軸に沿った距離を検出するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体管路内に向けて音波又は電磁波を送信し、管路内の異物(閉塞部、狭窄部、管の分岐部、管の裂断部、管路内の物体などを含む)により反射した音波又は電磁波を受信して、異物の有無と異物までの距離を検出するものは知られている(例えば、特許文献１及び２参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１９６０７４号公報
【特許文献２】特開２００１−２４９０８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１、２では、使用する送信波の周波数を、管路を導波管と見なしたときの遮断周波数と関連付けているものの、いずれも一次遮断周波数より大きい周波数を用いており、一次遮断周波数以上の周波数を用いると管路内壁で多重反射して伝搬するいわゆる境界マルチモード波動となるので、減衰が激しく０次の波動とが混在して反射波の解析が困難となってしまうという問題があった。
図１は、境界波動(境界条件を満たしつつ軸方向に伝搬する波動)を説明し易くするために、平板間を伝わる波動を例にとって説明したものである。平板壁面が固定端的であるか自由端的であるかによって若干波動の速度は変わるがオーダーが変わることはないので物理現象の説明として以下の結論は十分に妥当だといえる。間隔ｄで対向する平板間に、波長λ＝ｄ／４の波動が伝搬する場合を考える。この場合、０次の波が矢印方向に平板間を直進して伝搬し、図のように１次の波、２次の波、３次の波が矢印方向に斜めに伝搬し、λ＝ｄ／４の場合には４次以上の波は伝搬しえない。１次の波、２次の波、３次の波のような高次の波は斜めに進行して壁面で多重反射し、０次の波より遅れて進行するので、例えば、異物で反射した反射波の到着が遅れることとなり、反射波の高周波成分が拡散することでパルス波形が時間軸に方向にぼやけて伸びる。このため反射波による到着時間の決定が困難となる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題点を解決するために、本発明者は、０次の波動だけが伝搬するようにして、高次の境界波動が存在しないようにすれば、壁面での多重反射による減衰がなくなり、波形がぼやけて伸びることなく長距離を伝搬することに着目し、本発明を開発したものであり、しかも、０次の波動であれば、曲がり部を有する管路においても問題なく伝搬することができ、また、管壁面で多重反射が起こらないので異物(閉塞部、狭窄部、管の分岐部、管の裂断部、管路内の物体などを含む)からの反射波の解析も容易となることを提案した。
すなわち、本発明は、内部を流体が流通し屈曲部を有する管路の流体中に音波を送受信して管路内の異物を検出する検出方法であって、前記音波として、管路を導波管と見なした場合の一次遮断周波数よりも低い周波数の音波、波長で言い換えれば前記一次遮断周波数に対応する波長よりも長い波長の音波を用いることで管路内の流体に０次の波動の音波のみを伝搬させ、前記異物で反射した反射波を受信し、送信波と受信波から前記管路の管軸に沿った異物までの距離を精度よく求めることができることを特徴とする。
また、本発明は、上記異物検出方法において、前記管路を導波管と見なした場合の一次遮断周波数よりも低い周波数の音波、波長で言い換えれば前記一次遮断周波数に対応する波長よりも長い波長の音波は、半波、１波、または複数波を１パルス分とするパルス波、これらの合成である同周波数帯のチャープ波の様な変調波あるいは連続波であることを特徴とする。
また、本発明は、上記異物検出方法において、前記異物は、前記管路内に存する物体、管路の閉塞部、管路の狭窄部、管の分岐部、管の裂断部を含むことを特徴とする。
また、本発明は、内部を流体が流通し屈曲部を有する管路の流体中に音波を送受信して管路内の異物を検出する検出装置であって、前記管路を導波管と見る場合の一次遮断周波数よりも低い周波数の音波、波長で言い換えれば前記一次遮断周波数に対応する波長よりも長い波長の音波を前記管路の流体中に送信する送信器と、前記異物からの反射波を受信する受信器と、前記送信器から送信した送信波及び前記受信器で受信した受信波から前記異物までの管路軸に沿った距離を算出する信号解析手段と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明では、０次の波動だけの音波を用いるので、減衰が少なく長距離の管路の測定が可能となり、かつ、曲がり部を有する管路の測定が実現できる。
用いる音波を０次の波動だけにするための条件は、流体が流通する管路を導波管とみなした場合の一次遮断周波数よりも小さい周波数の音波を採用すればよく、波長に置き換えれば、一次遮断周波数に対応する波長よりも長い波長の音波を採用すればよい。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は波動の伝搬を説明するための図であって、平板間距離ｄで対向する平板間を、点音源から出発した波長λ＝ｄ／４の波動が伝搬する場合の例であり、この例の場合には０次の波が矢印方向に平板間を直進して伝搬し、１次の波、２次の波、３次の波がそれぞれ矢印方向に斜めに伝搬し、４次以上の波動は波形を維持して伝搬しえないことを示している。
【図２】図２は、屈曲部(図ではＵ字状部)を有し距離ｄで対向する板の間の水路における波動の伝搬をシミュレーションした図であり、図２では、λ＝(１／１０)ｄ(一次遮断周波数に対応する波長より短い)、１波長の場合のシミュレーション結果を示したものである。上段の左端から順次右端まで時系列的にシミュレーション結果を表し、引き続き、下段の左端から順次右端まで時系列的にシミュレーション結果を表している。
【図３】図３は、図２と同じ屈曲部(図ではＵ字状部)を有し距離ｄで対向する板の間の水路における波動の伝搬をシミュレーションした図であり、図３では、λ＝２ｄ(一次遮断周波数に対応する波長より長い)、１波長の場合のシミュレーション結果を示したものである。上段の左端から順次右端まで時系列的にシミュレーション結果を表し、引き続き、中段の左端から順次右端まで時系列的にシミュレーション結果を表し、引き続き下段の左端から順次右端まで時系列的にシミュレーション結果を表している(なお、水路末端で反射して伝搬している)。以下、図４〜図５も同様である。
【図４】図４は、図２と同じ屈曲部(図ではＵ字状部)を有し距離ｄで対向する板の間の水路における波動の伝搬をシミュレーションした図であり、図４では、λ＝２ｄ(一次遮断周波数に対応する波長より長い)、半波長の場合のシミュレーション結果を示したものである。
【図５】図５は、図２と同じ屈曲部(図ではＵ字状部)を有し距離ｄで対向する板の間の水路における波動の伝搬をシミュレーションした図であり、図５では、λ＝４ｄ(一次遮断周波数に対応する波長より長い)、４波長の場合のシミュレーション結果を示したものである。
【図６】図６は、図２より多い１１個の屈曲部(図ではＵ字状部)を有し距離ｄで対向する板の間の水路における波動の伝搬をシミュレーションした図であり、図６では、λ＝２ｄ(一次遮断周波数に対応する波長より長い)、波数１の場合のシミュレーション結果を示したものである。上段の左端から順次右端まで時系列的にシミュレーション結果を表し、引き続き下段の左端から順次右端まで時系列的にシミュレーション結果を表している(なお、水路末端で反射して伝搬している)。以下、図７も同様である。
【図７】図７は、図６と同じ１１個の屈曲部(図ではＵ字状部)を有し距離ｄで対向する板の間の水路における波動の伝搬をシミュレーションした図であり、図７では、λ＝２ｄ(一次遮断周波数に対応する波長より長い)、波数４の場合のシミュレーション結果を示したものである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
先に図１で平板間を伝わる波動について説明したように、０次の波だけしか伝わらないようにするには、例えば、図１では１次の波、２次の波、３次の波、高次の波が生じないようにすれば実現でき、それは電磁波などの導波管で用いられている遮断周波数の概念を当てはめればよい。つまり、管路を導波管と見なした場合の一次遮断周波数より小さい周波数の音波であれば、言い換えれば、一次遮断周波数に対応する波長よりも長い波長の音波であれば、１次の波、２次の波、３次の波・・・等の高次の境界波動は存在できず、０次の波のみしか存在し得ないのである。なお、音波(超音波領域を含む)における一次遮断周波数は、電磁波の導波管の一遮断周波数と同様にして、管の断面形状、流体中の音速(例えば、常温の水中での音速は１５００ｍ／ｓ、海水中では１５１３ｍ／ｓ等)、管壁での境界条件等を考慮して数学的に解析できることがよく知られている。板波の波動解析や電磁波の導波路解析でもよく知られているように遮断周波数の波動の波長のオーダーも境界条件にほとんどよらないことも数学的に自明である。
【０００９】
以下に、間隔ｄを隔てて対向した屈曲部を有する板の間の水路での音波の伝搬を数値解析シミュレーションした結果を示す。なお間隔ｄで対向した板の間の水路を導波管と見なした場合の音波の一次遮断周波数に対応する波長λは概ねλ＝ｄであることが知られている。
【００１０】
（比較例：λ＝(１／１０)ｄ、１波長）
図２は間隔ｄで対向するＵ字状屈曲部を有する板の間の水路を、この水路を導波管と見なした場合の一次遮断周波数より高い周波数、すなわちλ＝(１／１０)ｄの音波を用い１波長分を伝搬させた状態をシミュレーションした結果である。図２からわかるように、第一回目のＵ字状屈曲部以前は波動の先頭は平面波的波面として０次の波面を維持しているが、Ｕ字状屈曲部通過以降はほとんどがマルチモード(高次の境界波動が発生した状態)に移行し先頭がわからなくなっており、このような状態では反射波の解析は極めて困難であることがわかる。
【００１１】
（本発明解析例１：λ＝２ｄ、１波長）
図３は図２と同じ間隔ｄで対向するＵ字状屈曲部を有する板の間の水路を、この水路を導波管と見なした場合の一次遮断周波数より低い周波数、すなわちλ＝２ｄの音波を用い１波長分を伝搬させた状態をシミュレーションした結果である。図３からわかるように、Ｕ字状屈曲部を経るごとにしっぽが伸びるが波形は水路末端で反射して戻ってくるまで維持されており、このような波形が維持された状態であれば反射波の解析も容易である。
【００１２】
（本発明解析例２：λ＝２ｄ、半波長）
図４は図３と同じ間隔ｄで対向するＵ字状屈曲部を有する板の間の水路を、この水路を導波管と見なした場合の一次遮断周波数より低い周波数、すなわちλ＝２ｄの音波を用い半波長分を伝搬させた状態をシミュレーションした結果である。図４からわかるように、Ｕ字状屈曲部を経るごとにしっぽが伸びるが波形は水路末端で反射して戻ってくるまで維持されているが、図３の１波長の例に比べてしっぽの伸びが長く波形の乱れが多いようであるが、反射波の解析は可能な水準であるといえる。
【００１３】
（本発明解析例３：λ＝４ｄ、４波長）
図５は図３と同じ間隔ｄで対向するＵ字状屈曲部を有する板の間の水路を、この水路を導波管と見なした場合の一次遮断周波数より低い周波数、すなわちλ＝４ｄの音波を用い４波長分を伝搬させた状態をシミュレーションした結果である。図５からわかるように、Ｕ字状屈曲部を経てもしっぽが伸びずに波形は水路末端で反射して戻ってくるまで維持されており、図３の１波長の例に比べてしっぽの伸びが少なく波形の乱れも少なく、反射波の解析は容易であるといえる。
【００１４】
（本発明解析例４：λ＝２ｄ、１波長、Ｕ字状屈曲部１１個）
図６は図３と同様に間隔ｄで対向し、Ｕ字状屈曲部を１１個有する板の間の水路を、この水路を導波管と見なした場合の一次遮断周波数より低い周波数、すなわちλ＝２ｄの音波を用い１波長分を伝搬させた状態をシミュレーションした結果である。図６からわかるように、１１個のＵ字状屈曲部を経てもしっぽがやや伸びるものの波形は水路末端で反射して戻ってくるまでかなり維持されており、反射波の解析は容易であるといえる。
【００１５】
（本発明解析例５：λ＝２ｄ、４波長、Ｕ字状屈曲部１１個）
図７は図６と同じ間隔ｄで対向し、Ｕ字状屈曲部を１１個有する板の間の水路を、この水路を導波管と見なした場合の一次遮断周波数より低い周波数、すなわちλ＝２ｄの音波を用い４波長分を伝搬させた状態をシミュレーションした結果である。図７からわかるように、１１個のＵ字状屈曲部を経てもしっぽの伸びは図６に比べて小さく、波形の乱れも図６に比べて少なく、反射波の解析は図６の場合より容易であるといえる。
【００１６】
以上のシミュレーションによる比較例、及び、本発明解析例１〜５の対比から、まず、流体用管路を導波管に見なした場合の一次遮断周波数よりも低い周波数の音波であれば、言い換えれば一次遮断周波数に対応する波長よりも長い波長の音波であれば、屈曲部を有する管路においても波形を維持したままで長距離を伝搬することがわかる。したがって、このような周波数あるいは波長の音波を用いて反射波を解析すれば、屈曲部を有する管路内の異物(閉塞部、狭窄部、管の分岐部、管の裂断部、管路内の物体などを含む)及び異物までの管路軸に沿った距離の検出ができることがわかる。
また、波数については半波や１波長よりも、波数が多いほど伝搬中の波形の乱れが少なく波形の維持がより良好であることがわかる。複数の波数を用いる場合にはチャープ波を用いることも可能であるが、一次遮断周波数よりも低い周波数の音波、波長で言い換えれば一次遮断周波数に対応する波長よりも長い波長の音波でなければならない。
本発明では、流体用管路を導波管と見なした場合の一次遮断周波数よりも低い周波数の音波、波長で言い換えれば一次遮断周波数に対応する波長よりも長い波長の音波を用いるだけで達成できるので、管路内の異物(閉塞部、狭窄部、管の分岐部、管の裂断部、管路内の物体などを含む)からの反射波を受信した場合に、送信波と受信波から異物までの管路軸に沿った距離の解析処理は、従来の音波を用いた対象物までの距離の解析処理と同じである。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明によれば、長尺の屈曲部を有する流体用管路内の異物(閉塞部、狭窄部、管の分岐部、管の裂断部、管路内の物体などを含む)を検出することができるので、各種配管内の異物を検出することができる。また、本発明は、管路の大小は問わないのでＭＥＭＳ等で形成された微細管路にも適用可能である。
【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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