超音波音場解析とComWAVE
横河電機株式会社様 ご提供
自己紹介
- 横河電機 IA事業部 フィールド機器 新商品技術Gr.
- 技術部と研究部において、マイクロマシン、センサ・センサシステム開発、各種差圧計/流量計開発等に従事
- 現在、超音波流量計等フィールド機器を担当
- シミュレーションが専門分野ではありませんが、構造解析、流体解析、ComWAVE等はユーザとして使用
横河電機のご紹介
- 計測、制御、情報をテーマに産業界にマザーツール、先端技術基盤を提供しています
生産制御システム
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プロダクト
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ソリューション
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横河電機における超音波応用技術
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レコーダー μR1000
- 超音波ポテンショメーター利用
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超音波レベル計 ADLEVEL
- 超音波を利用したレベル計
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超音波渦流量計 Ultra YEWFLO
- カルマン渦を超音波で検出
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超音波ポテンショ
- １次元の問題
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超音波レベル計
- 軸対象２次元の問題
- 超音波渦流量計
- 超音波の伝搬が課題に → FEMによるシミュレーション
高度な音場解析が必要に
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超音波流量計
- US300/US350
- 配管内の流速を超音波で測定する
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原理：超音波の伝搬時間の流体の流れによる変化から流速を求める
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V : 流速 C : 音速 θ : 超音波入射角 T : 超音波伝搬時間 t : むだ時間
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- US300/US350：クランプオン方式の超音波流量計
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特徴：配管の外から超音波信号を入射し、流速を測定することが可能
図 クランプオン方式
- Easy installation
- Non invasive
- Safety
- Stable
- 超音波流量計の検出部の構成
- 超音波を発振するPZTがシューを介して配管に密着
- シュー、配管、媒質はそれぞれ音速が異なるため、超音波は屈折する
- 超音波流量計設計の基本式
- スネルの法則
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実際は様々な考慮が必要
- 面音源/点音源
- 波長
- 縦波/横波
製品開発とシミュレーション
- 超音波伝搬解析の難しさ
- 時間軸：波を適切な時間分解能で与える必要がある
- 空間軸：波として内部を伝搬できる十分細かいメッシュが必要
音場解析の必要性
- 超音波の伝搬解析 有限要素法(FEM)
ComWAVEによる音場解析
- FEMとComWAVEでの計算の比較
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＊Microsoft ® Windows ® XP Operating System x64 Edition インテル® Xeon® 3GHz, 16GBメモリでの結果表. 弊社内での評価結果 計算モデルFEMComWAVE備考2次元20ｈ1.5h100mm配管3次元不可能
(1month以上)5h50mm配管
メッシュ数5000万備考2CPU１CPU
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- 2次元で一桁の高速化
- 弊社設備で3次元解析が実用的な時間で可能となった
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FEMとComWAVEでの計算の比較
ComWAVEでの解析結果例
- 屈折角がスネル則に合うようになった
- ３次元の解析においては2次元では見えなかった配管中の超音波の回り込みが観測された
配管内への超音波の伝播解析 -
配管を介して超音波が伝搬する様子を実験とComWAVEで比較した
- 実験：AEセンサのスキャンによる音場測定
まとめ
- ComWAVEを利用する事で従来出来なかった超音波伝搬解析が可能になった
- 3次元の解析が可能になった事で新たな知見を得ることが出来た
- 実験結果との比較から計算結果も良く合っている事がわかった
