JP2020106344A - 気体音速の算出方法および算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気体中を伝播する超音波を鋼材経由で送受信しなければならない場合でも、気体音速を正確に算出する。【解決手段】ガイド波１１、漏えい波１２、ガイド波１３、という第１の伝播経路の超音波（鋼材内面での反射回数０回）と、ガイド波１１、漏えい波１２、反射波１４ａ、反射波１４ｂ、ガイド波１５、という第２の伝播経路の超音（鋼材内面での反射回数２回）を発生させる。第１の経路の超音波は受信部４で受信し、第２の経路の超音波は、シュー５ｂと受信センサ５ａからなる受信部５で受信する。ガイド波１３とガイド波１５の伝播時間・伝搬距離が同じになると考え、受信部４と受信部５の距離ＬＲ、および、配管１の送信側面１ａと対向面１ｂの距離（＝配管の内径Ｐｉｎ）、受信部５と受信部４の超音波伝播時間差Δtから、気体音速Ｖｇを算出する。【選択図】 図１

Description

本発明は、鋼材で囲まれた気体の音速を算出する方法および装置に関わり、特に、配管鋼材または容器鋼材を経由して気体中を伝播する超音波を計測して、その音速を算出する方法および装置に関わる。

都市ガスやＬＰガスを供給するためのガス管や貯留容器が災害に被災した場合には、なるべく早いタイミングで補修、不要配管等の撤去、新規配管等の引き直しをする必要がある。配管や容器の内部が可燃性ガスである場合に、補修、撤去のために配管や容器を切断すると、切断時に発生する火花が着火源となり爆発する恐れがある。このような場合には、切断を伴わない補修、撤去方法を選択する、または、火花が発生しない切断法を適用することが必要になる。一方、災害時に配管や容器から可燃性ガスが既に漏えいして空気と入れ替わっていることが判っている場合には、通常の方法で配管等を即座に切断をすることができ、補修、撤去を迅速に行うことができる。どちらの方法を選択するか判断するためには、配管等を切断する前に、内部気体の種類を識別する必要がある。

気体の種類を識別する手法の一つとして、気体音速を計測することが考えられる。都市ガスの主成分であるメタンガスの音速は４４２ｍ／ｓ程度、空気の音速は３４０ｍ／ｓ程度なので、音速を計測できれば都市ガスと空気を識別できる可能性がある。また、プロパンガス（音速２６２ｍ／ｓ程度）、ブタンガス（音速２１２ｍ／ｓ程度）等からなるＬＰガスと空気も、音速を計測できれば識別できる可能性がある。ただし、配管等、鋼材で囲まれた気体の種類を識別するには、鋼材経由で気体中に超音波を伝播させ、気体中を伝播した超音波を鋼材経由で受信することになる。このように、鋼材経由で気体中を伝播した超音波を計測して気体音速を算出し、気体の種類を識別する従来技術としては、例えば、特許文献１があげられる。

特開２０１５−１７９０２７号公報

上記従来技術では、配管鋼材の表面に装着した送信用超音波センサから鋼鋼材中に斜角超音波を入射し、鋼材中を伝播した超音波が鋼材と気体の界面で屈折しながら気体中へ透過し、気体中を伝播した透過波が配管対向側の鋼材内表面で反射して配管送受信側に戻り、気体と鋼材の界面で屈折しながら鋼材中へ透過した斜角超音波を受信用超音波センサで受信すると想定している（図１７）。このような想定において、
（数１）
音速Ｖ＝（配管）内径φ／（送信タイミングから透過伝搬波受信までの）時間差ΔＴ …式（１）
なる式（１）で気体音速を算出している。気体音速を正確に求める場合には、
（数２）
気体音速＝気体中の超音波伝播距離／気体中の超音波伝播時間 …式（２）
で求めるべきである。しかし、上記従来技術では、送信タイミングから透過伝搬波受信までの伝播時間時間全体、すなわち、鋼材中の伝播時間と気体中の伝播時間を加算した時間を用いて気体音速を算出している。また、気体中を伝播する透過波は屈折角を持っていて、配管の軸方向に対して斜めに伝搬するので、気体中の超音波伝播距離は配管内径よりも大きくなるという点も考慮していない。このため、上記従来技術では、気体音速の概算値を算出することはできるが、気体音速を正確に算出することはできない。

本発明の目的は、気体中を伝播する超音波を鋼材経由で送受信しなければならない場合でも、気体音速を正確に算出できる気体音速の算出法を提供することにある。

上記目的のために本発明では、概略平行な鋼材と鋼材、または、概略平行な鋼材と超音波反射体の間の気体音速の算出方法であって、鋼材外面から超音波送信部で鋼材中にガイド波超音波を送信し、鋼材中を伝播するガイド波から気体中へ縦波超音波が漏えいし、鋼材の別の場所に到達した縦波漏えい波が再び鋼材中を伝播するガイド波に変換する現象を発生させ、変換後のガイド波を超音波受信部で受信する際に、前記鋼材へのガイド波入射点が同じで、気体伝播中の漏えい波が鋼材内面、または、反射体表面で反射する回数が異なる第１と第２の伝播経路について、前記第１の伝播経路におけるガイド波受信位置と第２の伝播経路におけるガイド波受信位置の距離と、第１の伝播経路の伝播時間と第２の伝播経路の伝播時間の時間差と、鋼材と鋼材または鋼材と反射体の間の距離、から気体音速を算出することを特徴とする。

本発明によれば、気体中を伝播する超音波を鋼材経由で送受信しなければならない場合でも、気体音速を正確に計測することが可能となる。このため、鋼材配管や鋼材容器を切断する前に、内部気体の種類を正確に識別することが可能となる。

実施例１における超音波計測装置の構成を示す構成図である。 課題を説明するための説明図である。 超音波伝播経路を示す説明図である。 超音波が伝播していく状況を模式的に説明する説明図である。 第１の超音波受信部で受信した超音波波形の画面表示例を示す説明図である。 第１の伝播経路で超音波を第１の超音波受信部で受信するとき振幅が最大となる受信部位置を求めるための画面表示を示す説明図である。 第２の超音波受信部で受信した超音波波形の画面表示例を示す説明図である。 第２の伝播経路で超音波を第２の超音波受信部で受信するとき振幅が最大となる受信部位置を求めるための画面表示を示す説明図である。 実施例１において気体音速を算出するための入力画面の例を示す説明図である。 実施例２における超音波計測装置の構成を示す構成図である。 実施例２において超音波受信部で受信した超音波波形の画面表示例を示す説明図である。 実施例２において第１の伝播経路、および、第２の伝播経路の超音波を超音波受信部で受信するとき振幅が最大となるそれぞれの受信部位置を求めるための画面表示を示す説明図である。 実施例２において気体音速を算出するための入力画面の例を示す説明図である。 実施例３において超音波の伝播経路を示す説明図である。 実施例４において超音波の伝播経路を示す説明図である。 実施例５において超音波の伝播経路を示す説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。

図２は課題を説明するための説明図である。図２に示すように、鋼材配管１の内部の気体２の音速を計測するために、送信センサ３ａとシュー３ｂを組合せた超音波送信部３から鋼材に超音波を送信し、鋼材配管、気体、鋼材配管の順に伝播した超音波を、シュー４ｂと受信センサ４ａを組合せた超音波受信部４で受信することを想定する。配管の仕様から内径Ｐ_ｉｎが既知であり、鋼材配管中の超音波波進行方向と平行な向きに投影した送信センサと受信センサの距離Ｌ_ｐが計測できたとしても、配管内の気体中を伝播する超音波の経路が１７、１８、１９のように複数の候補が考えられる状況では、超音波の伝播距離が決まらないので、気体音速を正確に算出することはできない。

図３に超音波の伝播経路の例を示す。鋼材配管１の外表面に超音波送信部３を設置して、鋼材配管の送信側面１ａにガイド波１１を伝播させる。鋼材中を伝播するガイド波から、気体中に縦波漏えい波１２が漏えいする。この漏えい波の屈折角をφとする。漏えい波１２が鋼材配管の対向面１ｂに到達したとき、一部は、ガイド波１３に変換して鋼材配管中を伝播し、一部は、対向面１ｂの内表面で反射して反射波１４ａとして送信側面１ａに向かう。１ａの内表面で再び反射した反射波１４ｂは、対向面１ｂに到達したときにガイド波１５に変換して鋼材配管中を伝播する。このように、ガイド波１１、漏えい波１２、ガイド波１３、という第１の伝播経路の超音波（鋼材配管内面での反射回数０回）と、ガイド波１１、漏えい波１２、反射波１４ａ、反射波１４ｂ、ガイド波１５、という第２の伝播経路の超音波（鋼材配管内面での反射回数２回）を発生させる。第１の経路の超音波は超音波受信部４で受信し、第２の経路の超音波は、シュー５ｂと受信センサ５ａからなる超音波受信部５で受信する。

ガイド波１３とガイド波１５の伝播時間・伝搬距離が同じになると考えれば、第２の経路と第１の経路の差分は、気体２中を伝播する反射波１４ａ、反射波１４ｂの伝播距離となる。反射１４ａと反射波１４ｂを合わせた伝播距離は、超音波受信部４と超音波受信部５の距離Ｌ_Ｒ、および、配管１の送信側面１ａと対向面１ｂの距離（＝配管の内径Ｐ_ｉｎ）から算出することができる。また、反射１４ａと反射波１４ｂの超音波伝播時間は、受信部５で受信した超音波伝播時間と受信部４で受信した超音波伝播時間の時間差Δtに等しくなる。したがって、反射波１４ａおよび反射波１４ｂとして伝播する超音波の気体音速Ｖ_ｇは、式（３）で算出することができる。

このように、気体中を伝播する超音波を鋼材経由で送受信しなければならない場合でも、受信部を２つ設置し、位置の差分（＝距離）、伝播時間の時間差を活用することにより、鋼材伝播中の超音波の情報を使わずに、気体伝播中の情報だけを用いて気体音速算出できるので、気体音速を正確に計測することができる。

ただし、図３に示す配置において、超音波受信部４、５は特定の位置においてだけ超音波を受信できるのではなく、かなり広い位置範囲で超音波を受信することができる。受信部の位置は、式（３）のＬ_Ｒの値に影響を与えるので、望ましい受信部の位置決め方法について説明する。超音波送信部３から配管の送信側面１ａに超音波を送信すると、鋼材中をガイド波が伝搬するが、ガイド波をさら細にかく分類すると、鋼材の外周側と内周側が非対称に振動するＡ０モード（図４（Ａ））と、対照的に振動するＳ０モード（図４（Ｂ））に分類できる。超音波送信部３の近傍では、鋼材外周側表面でＡ０モードとＳ０モードの位相が同相となるガイド波が励起され、このとき内周側表面はＡ０モードとＳ０モードの位相が反転した状態となる（図４（Ｃ））。このため、外周側表面は振幅が大きいが、内周側表面は振幅がほとんど無いような状態となる。また、Ａ０モードとＳ０モードは伝播速度がわずかに異なるので、ガイド波の伝播距離によってビートが発生する。ビート長の半分の位置で、外周側表面側のＡ０モードとＳ０モードの位相は反転した状態となり、この位置での内周側表面の振幅は大きくなる（図４（Ｄ））。このような鋼材表面の振幅を図４（Ｅ）に模式的に示す。送信側面１ａの外周側表面は、距離によって振幅が正弦関数的に周期変化して、超音波送信位置で振幅が最大となる。送信側面１ａの内周側表面では、同じ周期で振幅が変化しているが、外周側で振幅が最小となった位置で、内周側の振幅が最大となる。

内周側の振幅に応じた強度で漏えい波が漏えいし、配管の対向面１ｂに伝播するので、１ｂの内周側表面でも振幅に強度分布が生じ、それと反転した強度分布の振幅が外周側表面に生じる。対向面１ｂの外周側表面に超音波受信部を設置すると、広い範囲で超音波を受信できてしまい、超音波受信の有無だけでは受信部の位置が正確かどうかを判断することが難しいが、受信部を配管の軸方向に走査しながら、受信波の振幅が最大となる位置を探すことにより、受信部の位置を正確に決めることができる。ただし、振幅は正弦関数に従う幅広い分布をしているので、超音波波形の表示画面を見ながら受信部を走査して、受信波の振幅最大位置を探すのは難しい場合がある。超音波を受信できる範囲が広い場合には、受信部を一定のピッチで走査して、受信部位置と超音波振幅の関連性をグラフ化し、正弦関数で近似して、近似曲線の対称軸をもって受信波振幅が最大となる受信部位置とすることにより受信部の位置を正確に決定することが出来る。このようにして受信部の位置を決めると、受信部４と受信部５の距離Ｌ_ｐを正確に計測することが出来るので、数（１）で算出する気体音速も、より正確に算出することが出来る。

実施例１について、図１、図５〜図９を参照しながら説明する。

実施例１は、２つの受信センサを鋼材配管の対向面側に設置して、第１の経路の超音波と第２の経路の超音波を別個の超音波受信部で計測して鋼材配管内の気体音速を算出する例である。図１に鋼材配管内の気体を超音波で計測し、音速を算出する装置の概略構成を示す。パソコン２０（ＰＣ）に組み込まれているパルサーボード２１で送信センサ３ａとシュー３ｂを組み合わせた超音波送信部３を励振し、鋼材配管１の送信側面１ａ中にガイド波１１を送信する。鋼材配管中を伝播するガイド波から、気体中に縦波漏えい波１２が漏えいする。この漏えい波の屈折角をφとする。漏えい波１２が鋼材配管の対向面１ｂに到達したとき、一部は、ガイド波１３に変換して鋼材配管中を伝播し、一部は、対向面１ｂの内表面で反射して反射波１４ａとして送信側面１ａに向かう。１ａの内表面で再び反射した反射波１４ｂは、対向面１ｂに到達したときにガイド波１５に変換して鋼材配管中を伝播する。このように、ガイド波１１、漏えい波１２、ガイド波１３、という第１の伝播経路の超音波（鋼材配管内面での反射回数０回）と、ガイド波１１、漏えい波１２、反射波１４ａ、反射波１４ｂ、ガイド波１５、という第２の伝播経路の超音波（鋼材配管内面での反射回数２回）を発生させる。第１の経路の超音波は超音波受信部４で受信し、第２の経路の超音波は、シュー５ｂと受信センサ５ａからなる超音波受信部５で受信する。なお、図示はしていないが、対向面１ｂの外表面には、ガイド波１３、１５と平行な方向に目盛を罫書きしてあり、受信部４、５の位置を目読み取れるようになっている。

図５に、受信部４で受信した超音波波形の画像表示例３０を示す。操作者が第１の受信部４の位置を読取り、図示していないキーボードやマウスを用いて枠３３に数値を入力する。また、操作者が表示されている超音波波形３１を見て、第１の経路の超音波のピークにカーソル３２を合わせると、第１の経路の超音波振幅が枠３４に自動表示される。第１の受信部４をガイド波１３、１５と平行な方向に走査しながら上述の操作を繰り返し、それらの結果を図６に示す画面３５に表示する。グラフ３６に受信部位置と信号振幅の計測結果３７が自動プロットされ、正弦関数の一部（ｙ＝ａ×ｓｉｎ（ｘ）＋ｂ（０≦ｘ≦π））で、曲線近似される。近似曲線３８、および、その対称軸３９が、グラフ３６に自動表示される。また、対称軸の値は、グラフ外の枠４０に数値でも表示される。なお、近似曲線の関数は正弦関数が望ましいが、対称軸をを算出することが目的なので、放物線（ｙ＝ａ×ｘ^２＋ｂ×ｘ＋ｃ）のような偶関数でしてもよい。

第２の経路の超音波についても同様に、図７の表示画面例４１において、操作者が第２の受信部５の位置を枠４４に入力し、超音波波形４２を見て、第２の経路の超音波ピークにカーソル４３を合わせると、第２の経路の超音波振幅が枠４５に自動表示される。第２の受信部５をガイド波１３、１５と平行な方向に走査しながら上述の操作を繰り返し、それらの結果を図８の画面４６に表示する。計測結果４８の近似曲線４９、対称軸５０が、グラフ４７に自動表示され、対称軸の値は枠５１に数値でも表示される。

図６の枠４０に表示された位置に受信部４を設置し、図９の枠５７に設置位置を入力する。超音波波形５３を見て、第１の経路の超音波ピークにカーソル５４を合わせると、第１の経路の超音波伝播時間が枠５８に自動表示される。図８の枠５１に表示された位置に受信部５を設置し、枠５９に設置位置を入力する。超音波波形５５を見て、第２の経路の超音波ピークにカーソル５６を合わせると、第２の経路の超音波伝播時間が枠６０に自動表示される。鋼材が配管形状の場合、送信側面１ａの鋼材と対向面１ｂ側の鋼材の距離は、配管の内径Ｐ_ｉｎと等しくなるので、この値を枠６１に入力する。ここまでの操作により、数（３）の算出に必要な数値が全てＰＣ２０に記憶されるので、気体音速が自動算出され、枠６２に表示される。

本実施例によれば、気体中を伝播する超音波を鋼材経由で送受信しなければならない場合でも、気体音速を正確に計測することが可能となる。このため、鋼材配管を切断する前に、内部気体の種類を正確に識別することが可能となる。

実施例２について、図１０〜図１３を参照しながら説明する。

実施例２は、１つの受信センサを配管の対向面側に設置して走査し、第１の経路の超音波と第２の鋼材配管内の気体音速をそれぞれに適した別の位置で計測する例である。図１０に鋼材配管内の気体を超音波で計測し、音速を算出する装置の概略構成を示す。探傷器７０に組み込まれているパルサー７１で超音波送信部３を励振し、鋼材配管１の送信側面１ａ中にガイド波１１を送信する。鋼材配管中を伝播するガイド波から、気体中に縦波漏えい波１２が漏えいする。漏えい波１２が鋼材配管の対向面１ｂに到達したとき、一部は、ガイド波１３に変換して鋼材鋼材中を伝播し、一部は、対向面１ｂの内表面で反射して反射波１４ａとして送信側面１ａに向かう。１ａの内表面で再び反射した反射波１４ｂは、対向面１ｂに到達したときにガイド波１５に変換して鋼材配管中を伝播する。このように、ガイド波１１、漏えい波１２、ガイド波１３、という第１の伝播経路の超音波（鋼材配管内面での反射回数０回）と、ガイド波１１、漏えい波１２、反射波１４ａ、反射波１４ｂ、ガイド波１５、という第２の伝播経路の超音波（鋼材配管内面での反射回数２回）を発生させる。対向面側１ｂでガイド波１３、１５と平行な方向に超音波受信部６を走査し、第１の経路の超音波と第２の鋼材配管内の気体音速をそれぞれに適した別の位置で計測する。なお、図示はしていないが、対向面１ｂの外表面には、ガイド波１３、１５と平行な方向に目盛を罫書きしてあり、受信部６の位置を目読み取れるようになっている。受信部６で受信した信号は超音波探傷器７０に組み込まれているレシーバ７２で受信し、表示部７３で超音波波形を表示するとともに、アナログ信号をＰＣ７５に出力する。ＰＣ７５に組み込まれているＡ／Ｄ変換器７６でアナログ信号をデジタル信号に変換して、演算処理を行い、結果をディスプレイ７７に示す構成としている。

図１１に、受信部６で受信した超音波波形の画像表示例８０を示す。操作者が受信部６の位置を読取り、枠８４に数値を入力する。操作者が超音波波形８１を見て、第１の経路の超音波のピークにカーソル８２を合わせると、第１の経路の超音波振幅が枠８５に自動表示される。また、第２の経路の超音波のピークにカーソル８３を合わせると、第２の経路の超音波振幅が枠８７に自動表示される。なお、第１の経路と第２の経路のどちらかのピークが読み取れない場合には、読み取れないピークにカーソルは合わせず、振幅表示の枠は空欄としておく。受信部６をガイド波１３、１５と平行な方向に走査しながら上述の操作を繰り返し、それらの結果を図１２に示す画面８８に表示する。グラフ８９に受信部位置と第１の経路の信号振幅の計測結果９０が自動プロットされ、曲線近似される。近似曲線９１、および、その対称軸９２が、グラフ８９に自動表示される。また、対称軸の値は、グラフ外の枠９６に数値でも表示される。また、受信部位置と第２の経路の信号振幅の計測結果９３が自動プロットされ、正弦関数の一部で曲線近似される。近似曲線９４、および、その対称軸９５が、グラフ８９に自動表示され、対称軸の値は、グラフ外の枠９７に数値でも表示される。

図１２の枠９６に表示された位置に受信部６を設置し、図１３の枠１０１に設置位置を入力する。超音波波形９９を見て、第１の経路の超音波ピークにカーソル１００を合わせると、第１の経路の超音波伝播時間が枠１０２に自動表示される。図１２の枠９７に表示された位置に受信部６を移動し、図１３の枠１０５に設置位置を入力する。超音波波形１０３を見て、第２の経路の超音波ピークにカーソル１０４を合わせると、第２の経路の超音波伝播時間が枠１０６に自動表示される。これらの数値から受信部の距離と伝播時間差が自動算出され、枠１０７と枠１０８に表示される。鋼材が配管形状の場合、送信側面１ａの鋼材と対向面１ｂ側の鋼材の距離は、配管の内径Ｐ_ｉｎと等しくなるので、この値を枠１０９に入力すると、数（３）に従って気体音速が自動算出され、枠１１０に表示される。

本実施例では実施例１と同じ効果が得られるとともに、受信センサの数を減らすことができる。

実施例３について、図１４を参照しながら説明する。

実施例３は、１つの受信センサを鋼材配管の対向面側に、もう１つの受信センサを鋼材配管の送信側面に設置して、第１の経路の超音波と第２の経路の超音波を別個の超音波受信部で計測して鋼材配管内の気体音速を算出する例である。図１４に本実施例における超音波の伝播経路を示す。超音波送信部３から鋼材配管１の送信側面１ａ中にガイド波１１を送信する。鋼材配管中を伝播するガイド波から、気体中に縦波漏えい波１２が漏えいする。漏えい波１２が鋼材配管の対向面１ｂに到達したとき、一部は、ガイド波１３に変換して鋼材配管中を伝播し、一部は、対向面１ｂの内表面で反射して反射波１４として送信側面１ａに到達したときにガイド波１５に変換して鋼材配管中を伝播する。このように、ガイド波１１、漏えい波１２、ガイド波１３、という第１の伝播経路の超音波（鋼材配管内面での反射回数０回）と、ガイド波１１、漏えい波１２、反射波１４、ガイド波１５、という第２の伝播経路の超音波（鋼材配管内面での反射回数１回）を発生させる。第１の経路の超音波は超音波受信部４で受信し、第２の経路の超音波は、超音波受信部５で受信する。

ガイド波１３とガイド波１５の伝播時間・伝搬距離が同じになると考えれば、第２の経路と第１の経路の差分は、気体２中を伝播する反射波１４の伝播距離となる。反射１４の伝播距離は、超音波受信部４と超音波受信部５を鋼材配管の軸方向に投影した距離Ｌ_ＲＸ、および、鋼材配管１の送信側面１ａと対向面１ｂの距離（＝配管の内径Ｐ_ｉｎ）から算出することができる。また、反射１４の超音波伝播時間は、受信部５で受信した超音波伝播時間と受信部４で受信した超音波伝播時間の時間差Δｔに等しくなる。したがって、反射波１４として伝播する超音波の気体音速Ｖ_ｇは、数（４）で算出することができる。

本実施例では実施例１と同じ効果が得られる。

実施例４について、図１５を参照しながら説明する。

実施例４は、２つの受信センサを鋼材配管の送信側面に設置し、第１の経路の超音波と第２の経路の超音波を別個の超音波受信部で計測して鋼材配管内の気体音速を算出する例である。図１５に本実施例における超音波の伝播経路を示す。超音波送信部３から鋼材配管１の送信側面１ａ中にガイド波１１を送信する。鋼材配管中を伝播するガイド波から、気体中に縦波漏えい波１２ａが漏えいする。漏えい波１２ａが鋼材配管の対向面１ｂ内面で反射して反射波１２ｂが送信側面１ａに到達したとき、一部は、ガイド波１３に変換して鋼材配管中を伝播し、一部は、送信側面１ａの内面で反射する。反射波１４ａが対向面１ｂで反射し、反射波１４ｂとして送信側面１ａに到達したときにガイド波１５に変換して鋼材配管中を伝播する。このように、ガイド波１１、漏えい波１２ａ、反射波１２ｂ、ガイド波１３、という第１の伝播経路の超音波（鋼材配管内面での反射回数１回）と、ガイド波１１、漏えい波１２ａ、反射波１２ｂ、反射波１４ａ、反射波１４ｂ、ガイド波１５、という第２の伝播経路の超音波（鋼材配管内面での反射回数３回）を発生させる。第１の経路の超音波は超音波受信部４で受信し、第２の経路の超音波は、超音波受信部５で受信する。

ガイド波１３とガイド波１５の伝播時間・伝搬距離が同じになると考えれば、第２の経路と第１の経路の差分は、気体２中を伝播する反射波１４ａと反射波１４ｂの伝播距離となる。反射１４の伝播距離は、超音波受信部４と超音波受信部５の距離Ｌ_Ｒ、および、配管１の送信側面１ａと対向面１ｂの距離（＝配管の内径Ｐ_ｉｎ）から算出することができる。また、反射１４の超音波伝播時間は、受信部５で受信した超音波伝播時間と受信部４で受信した超音波伝播時間の時間差Δtに等しくなる。したがって、反射波１４として伝播する超音波の気体音速Ｖ_ｇは、数（５）で算出することができる。

本実施例では実施例１と同じ効果が得られるとともに、一方の面にのみセンサを設置するだけで、計測することができる。

実施例５について、図１６を参照しながら説明する。

実施例５は、内部に超音波反射体として利用できる構造物がある鋼製容器の平面部に1つの送信センサと２つの受信センサを配管を設置して、容器内の気体音速を計測する例である。図１６に本実施例における超音波の伝播経路を示す。鋼製容器１２１の平面部に送信部３を設置して、鋼材中を伝播するガイド波１１を励振する。鋼材中を伝播するガイド波から、気体中に縦波漏えい波１２ａが漏えいする。漏えい波１２ａが容器内の構造物１２３で反射して反射波１２ｂが鋼製容器１２１の鋼材に到達したとき、一部は、ガイド波１３に変換して鋼材中を伝播し、一部は、鋼材内面で反射する。反射波１４ａが構造物１２３で反射し、反射波１４ｂとして鋼材に到達したときにガイド波１５に変換して鋼材中を伝播する。このように、ガイド波１１、漏えい波１２ａ、反射波１２ｂ、ガイド波１３、という第１の伝播経路の超音波（構造物での反射回数１回）と、ガイド波１１、漏えい波１２ａ、反射波１２ｂ、反射波１４ａ、反射波１４ｂ、ガイド波１５、という第２の伝播経路の超音波（構造物と鋼材内面での反射回数３回）を発生させる。第１の経路の超音波は超音波受信部４で受信し、第２の経路の超音波は、超音波受信部５で受信する。

ガイド波１３とガイド波１５の伝播時間・伝搬距離が同じになると考えれば、第２の経路と第１の経路の差分は、気体１２２中を伝播する反射波１４ａと反射波１４ｂの伝播距離となる。反射１４の伝播距離は、超音波受信部４と超音波受信部５の距離Ｌ_Ｒ、および、配管１の送信側面１ａと対向面１ｂの距離Ｌ_ｇａｐから算出することができる。また、反射１４の超音波伝播時間は、受信部５で受信した超音波伝播時間と受信部４で受信した超音波伝播時間の時間差Δtに等しくなる。したがって、反射波１４として伝播する超音波の気体音速Ｖ_ｇは、数（６）で算出することができる。

本実施例によれば、気体中を伝播する超音波を鋼材経由で送受信しなければならない場合でも、気体音速を正確に計測することが可能となる。このため、鋼材容器を切断する前に、内部気体の種類を正確に識別することが可能となる。
上記にて説明した各実施例は、配管や容器の鋼材で囲まれた気体音速の計測・算出し、鋼材を切断する前に気体の種類を識別することに適用できる。また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１：鋼材配管
２、１２２：気体
３：送超音波送信部
４：超音波受信部
５：超音波受信部
６：超音波受信部
１１、１３、１５：ガイド波
１２：縦波漏えい波
１４：反射波、
２０、７５：パソコン
２１：パルサーボード
２２、２３：レシーバーボード
２４、７７：ディスプレイ
７０：探傷器
７１、７２：パルサー
７３：表示部
７６：Ａ／Ｄ変換器
１２１：容器
１２３：構造物

Claims (8)

1. 概略平行な鋼材と鋼材、または、概略平行な鋼材と超音波反射体の間の気体音速の算出方法であって、
   鋼材外面から超音波送信部で鋼材中にガイド波超音波を送信し、鋼材中を伝播するガイド波から気体中へ縦波超音波が漏えいし、鋼材の別の場所に到達した縦波漏えい波が再び鋼材中を伝播するガイド波に変換する現象を発生させ、変換後のガイド波を超音波受信部で受信する際に、
   前記鋼材へのガイド波入射点が同じで、気体伝播中の漏えい波が鋼材内面、または、反射体表面で反射する回数が異なる第１と第２の伝播経路について、
   前記第１の伝播経路におけるガイド波受信位置と第２の伝播経路におけるガイド波受信位置の距離と、第１の伝播経路の伝播時間と第２の伝播経路の伝播時間の時間差と、鋼材と鋼材または鋼材と反射体の間の距離、から気体音速を算出することを特徴とする気体音速の算出方法。
2. 請求項１に記載の気体音速の算出方法において、
   前記第１の伝播経路の超音波を受信する超音波受信部をガイド波の伝播方向に走査して、受信波振幅が最大となる位置で、第１の伝播経路におけるガイド波受信位置と伝播時間を計測し、第２の伝播経路を受信する受信センサをガイド波の伝播方向に走査して、受信波振幅が最大となる位置で、第２の伝播経路におけるガイド波受信位置と伝播時間を計測して、
   前記計測値から、第１の伝播経路におけるガイド波受信位置と第２の伝播経路におけるガイド波受信位置の距離、第１の伝播経路の伝播時間と第２の伝播経路の伝播時間の時間差を算出することを特徴とする気体音速の計測方法。
3. 請求項２に記載の気体音速の算出方法において、
   前記受信波振幅が最大となる超音波受信部の位置を求めるために、超音波受信部を特定のピッチで走査して各々の位置における受信波振幅を記録し、受信センサの位置と振幅を偶関数曲線で近似して、その対称軸の位置を受信波振幅が最大となるガイド波受信位置とすることを特徴とする気体音速の算出方法。
4. 請求項３に記載の気体音速の算出方法において、
   前記偶関数とは、正弦関数であることを特徴とする気体音速の算出方法。
5. 鋼材にガイド波超音波を送信するための超音波送信部と、
   第１の伝播経路で鋼材中を伝播するガイドを受信するための第１の超音波受信部と、
   第２の伝播経路で鋼材中を伝播するガイドを受信するための第２の超音波受信部と、
   前記第１の超音波受信部と前記第２の超音波受信部の距離を計測するための手段と、
   前記超音波送信部を励振するためのパルサーと、
   前記第１の超音波受信部の信号を受信する第１のレシーバと、
   前記第２の超音波受信部の信号を受信する第２のレシーバと、
   前記第１の伝播経路および前記第２の伝播経路の超音波波形を表示し、伝播時間差を算出する手段と、
   前記第１の超音波受信部と前記第２の超音波受信部の距離、前記第１の伝播経路および前記第２の伝播経路の超音波伝播時間差、鋼材と鋼材または鋼材と反射体の間の距離、から気体音速を算出する手段と、を備えたことを特徴とする気体音速の算出装置。
6. 前記鋼材にガイド波超音波を送信するための超音波送信部と、
   前記鋼材中を伝播するガイドを受信するための超音波受信部と、
   前記超音波送信部を励振するためのパルサーと、
   前記超音波受信部の信号を受信するためのレシーバと、
   超音波受信部の位置を計測するための手段、受信した超音波波形を表示し、伝播時間を計測する手段と、を備え、
   第１の伝播経路のガイド波を受信している状態で超音波受信部の位置と超音波伝播時間を計測して記録する記録部と、
   第２の伝播経路のガイド波を受信している状態で超音波受信部の位置と超音波伝播時間を計測して記録する記録部と、
   前記記録部での情報から、第１の伝播経路の受信位置と第２の伝播経路の受信位置の距離、第１の伝播経路の伝播時間と第２の伝播経路の伝播時間の時間差、を算出して表示する手段と、
   第１の伝播経路の受信位置と第２の伝播経路の受信位置の距離、第１の伝播経路の伝播時間と第２の伝播経路の伝播時間の時間差、鋼材と鋼材または鋼材と反射体の間の距離、から気体音速を算出する手段とを、備えたことを特徴とする気体音速の算出装置。
7. 請求項５又は６のいずれかに記載の気体音速の算出装置において、
   前記超音波受信部を走査する手段と、を備えたことを特徴とする気体音速の算出装置。
8. 請求項７における気体音速の算出装置において、
   前記超音波受信部の位置と超音波振幅のグラフを表示する手段と、
   偶関数で近似する手段と、
   偶関数の対称軸を表示する手段と、を備えたことを特徴とする気体音速の算出装置。

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