(57)【要約】  【課題】  磁歪形電磁超音波センサによる送信周波数成分ノイズの除去が得られるようにした電磁超音波探傷方法及び電磁超音波探傷装置を提供すること。  【解決手段】  バースト波による付加磁場用電流をバイアス磁界の正転波形と反転波形に同期させ、正転波形によるＳＨ波と反転波形によるＳＨ波を交互に送信し、欠陥からの反射波を受信用電磁超音波センサにより受信したとき、正転波形によるＳＨ波と反転波形によるＳＨ波の差分をとることにより送信ノイズの抑制と欠陥からの反射波のレベル増大が得られるようにしたもの。  【選択図】  図１
2006329868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁超音波センサを用いた超音波探傷方法において、
前記電磁超音波センサから送信される超音波波形の位相を制御し、位相が異なる２種の反射波形を観測し、前記２種の反射波形の差分を計算する信号処理を行い、表示することを特徴とする電磁超音波探傷方法。
【請求項２】
請求項１に記載の発明において、
前記電磁超音波センサが磁歪駆動型電磁超音波センサであることを特徴とする電磁超音波探傷方法。
【請求項３】
請求項１に記載の発明において、
前記電磁超音波センサから送信される超音波が横波せん断波であることを特徴とする電磁超音波探傷方法。
【請求項４】
請求項１に記載の発明において、
前記電磁超音波センサから送信される超音波波形の位相が１８０°異なることを特徴とする電磁超音波探傷方法。
【請求項５】
請求項２に記載の発明において、
前記磁歪駆動型電磁超音波センサのバイアス磁場の向きを変えることにより前記位相が変えられていることを特徴とする電磁超音波探傷方法。
【請求項６】
請求項５に記載の発明において、
前記超音波の発生時点が前記バイアス磁場の最大値時点と最小値時点に同期していることを特徴とする電磁超音波探傷方法。
【請求項７】
電磁超音波センサを用いた超音波探傷装置において、
前記電磁超音波センサから送信される超音波信号の位相を制御する手段と、
位相が異なる超音波信号による２種の反射波を観測する手段と、
前記２種の反射波の差波形を計算する手段と、
前記差波形を表示する手段とを備えていることを特徴とする電磁超音波探傷装置。
【請求項８】
請求項７に記載の発明において、
前記電磁超音波センサが磁歪駆動型電磁超音波センサであることを特徴とする電磁超音波探傷装置。
【請求項９】
請求項８記載の発明において、
前記電磁超音波センサから送信される超音波が横波せん断波であることを特徴とする電磁超音波探傷装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の発明において、
前記磁歪駆動型電磁超音波センサは、バイアス磁場用電磁石と付加磁場用蛇行コイルにより構成されていることを特徴とする電磁超音波探傷装置。
【請求項１１】
請求項７に記載の発明において、
前記バイアス磁場用電磁石のコイルに交流電流を流すことによりバイアス磁場の向きを変えることを特徴とする電磁超音波探傷装置。
【請求項１２】
請求項７に記載の発明において、
前記バイアス磁場用コイルの電流波形と超音波の送信波形を表示する手段と、
前記超音波の送信タイミングを調整する手段とが備えられていることを特徴とする検査装置。
【請求項１３】
請求項１２において、送信のタイミングの調整に信号遅延装置を用いることを特徴とする検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁超音波センサを用いた超音波探傷方法及び装置に係り、特に、磁歪駆動型電磁超音波センサを用いた電磁超音波探傷方法と装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発電プラントなど高温高圧の流体を扱う施設では、安全性の確保が重要な課題であることはいうまでもなく、このためには、当該施設の構造物を定期的に検査し、その健全性を確認することが不可欠であり、このため、このような施設には、ビデオカメラを用いた目視検査や圧電型探触子を用いた超音波検査が従来から適用されてきた。
【０００３】
ここで、いずれの検査の場合も、検査期間中は発電プラントなどの運転を停止させる必要があるが、このとき経済性の見地から検査期間の短縮が強く求められる。そこで、検査装置を自動化し、センサ位置を遠隔操作することにより、検査時間の短縮を図るための工夫がこれまでにも進められてきている。
【０００４】
しかしながら近年、更なる安全性追求の見地から、検査要求箇所が構造物の複雑な形状部や狭隘部へと広がり、これに伴い機械的な操作や制御によっては検査時間の短縮が困難になってきた。そこで、このような背景のもと、超音波を検査対象内で長い距離にわたり伝搬(伝播)させ、広範囲を１回の操作で探傷する技術が近年注目されており、そのためのセンサの一例にＥＭＡＴ(Electromagnetic Acoustic Transducer)と呼ばれる電磁超音波センサがある。
【０００５】
ところで、この電磁超音波センサにも、磁歪駆動型ＥＭＡＴとローレンツ型ＥＭＡＴの２種類があるが、ここでは磁歪駆動型ＥＭＡＴについて説明すると、これは、その名の如く磁性材料の磁歪効果を利用したもので、このとき磁歪効果とは、磁性材料に磁場が印加されたとき、当該磁性材料に磁場の方向の応力が現われる現象のことであり、従って、この磁歪駆動型ＥＭＡＴは、検査対象である磁性材料の一部に磁歪効果による伸縮を周期的に発生させ、この伸縮に伴って検査対象自体の中で超音波が発生されるようにしたものである。
【０００６】
そこで、次に、この磁歪駆動型ＥＭＡＴの一例について、図８により更に詳しく説明すると、これは、図示のように、バイアス磁場用電磁石１０と蛇行コイル１２により構成されているもので、ここで、まずバイアス磁場用電磁石１０は、高透磁率磁性材料で作られている馬蹄形のコア１１にコイル１３を巻回して電磁石としたものであり、次に蛇行コイル１２は、詳細は図９に示すように、導線１４を平面上で一定間隔Ｌを保って蛇行させたものである。
【０００７】
そして、これらバイアス磁場用電磁石１０と蛇行コイル１２を、図８に示す位置関係を保って検査対象Ｏの表面に配置したとすると、この検査対象Ｏが磁性材の場合、その中でＳＨ波(水平剪断波：Shear Horizontal Wave)を発生させることができる。ここで、ＳＨ波とは、波動の伝搬方向に対して垂直で入射面に対して平行な方向に振動する弾性波のことであり、この場合、弾性波とは超音波のことである。
【０００８】
次に、この図８に示した磁歪駆動型ＥＭＡＴの動作について、図１０により説明する。ここで、この図１０は、図８を上面からみた模式図であり、このときバイアス磁場用電磁石１０のＮ極が左側になるようにコイル１３に電流を流すと、矢印で示す方向のバイアス磁場Ｂが生成される。ここで蛇行コイル１２には矢印ａ１、ａ２で示す向きに電流が流されているものとすると、この場合、検査対象Ｏの表層部の磁場は、図１１に示すようになる。
【０００９】
ここで、まず、バイアス磁場Ｂは、図１１に示すように、ｘ軸のＮ極側からＳ極側に一様な磁場を形成する。一方、蛇行コイル１２による磁場はｙ軸方向に現われ、バイアス磁場Ｂに対して付加磁場となるが、このとき蛇行コイル１２の蛇行毎にその向きを反転させるので、図示のように、付加磁場Ａ１と付加磁場Ａ２として、ベクトル表示できる。このとき、矢印ａ１方向の電流による磁場が付加磁場Ａ１で、矢印ａ２方向の電流による磁場が付加磁場Ａ２である。
【００１０】
そこで、これらのベクトル和は各々複合磁場Ｖ１と複合磁界Ｖ２となる。そして、これら複合磁場Ｖ１、Ｖ２のベクトル和をセンサ全体としてみると、ｘ軸方向成分のみが残ることになり、この結果、図示のように、磁性材である検査対象Ｏの中に磁歪効果による歪Ｄが発生する。
【００１１】
このとき、これら複合磁場Ｖ１、Ｖ２は、蛇行コイル１２が蛇行するごとにそのベクトルの向きが変わっている。そこで、図１２に示すように、この複合磁場のｘ軸方向成分に従って検査対象Ｏの中で方向が異なった歪が局部的に発生じ、その歪による振動がＳＨ波を誘発する。
【００１２】
そこで、蛇行コイル１２に、発生すべき超音波に対応した周波数の交流信号を供給することにより、検査対象Ｏをｙ軸方向に伝搬してゆく超音波が得られることになり、送信用のセンサとして動作させることができる。
【００１３】
一方、超音波が検査対象Ｏをｙ軸方向から伝搬してきた場合、バイアス磁場Ｂの中で弾性波よる歪が発生し、磁性材である検査対象Ｏの磁歪効果により、蛇行コイル１２に弾性波の周波数と同じ周波数の交流電圧が誘起されるので、受信用のセンサとしても動作させることができる。
【００１４】
この電磁超音波センサは、上記したように、電磁気的な作用のみを利用して超音波の送受信を行っているので、圧電型探触子による探傷には不可欠な接触媒質の塗布やセンサの押し付けが不要で、これらのことに伴う不確定要素の虞がないため、定量性に富み再現性に優れている。
【００１５】
しかして、このような長所の一方で、電磁超音波センサの検出感度は圧電型探触子より２桁以上低いという問題がある。そこで、この点を改善するため、信号処理技術と組み合わせた電磁超音波センサによる検査方法が従来から提案されているが、その一例として、送信用電磁超音波センサの前方に受信用電磁超音波センサを配置し、反射波に加えて透過波も併せて測定し、反射波と透過波の両波形の相互相関を算出することによりランダムノイズを低減し、検出感度を改善するようにした従来技術が提案されている(例えば、特許文献１参照。)。
【特許文献１】特開２００３−２９４７１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記従来技術は、送信周波数成分がノイズになりやすい点に配慮がされておらず、送信周波数成分によるノイズの除去に問題があった。
【００１７】
従来技術は、上記したように、送信波と相関をとるため、ランダムノイズの低減が可能である。しかしながら、送信周波数成分はランダムに発生するわけではないので、相関をとっても除去することができないのである。
【００１８】
本発明の目的は、磁歪形電磁超音波センサによる送信周波数成分ノイズの除去が得られるようにした電磁超音波探傷方法及び電磁超音波探傷装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的は、電磁超音波センサを用いた超音波探傷方法において、前記電磁超音波センサから送信される超音波波形の位相を制御し、位相が異なる２種の反射波形を観測し、前記２種の反射波形の差分を計算する信号処理を行い、表示するようにして達成される。
【００２０】
このとき、電磁超音波センサとして磁歪駆動型電磁超音波センサを用いるようにしてもよく、前記電磁超音波センサから送信される超音波が横波せん断波であるようにしてもよく、前記前記電磁超音波センサから送信される超音波波形の位相が１８０°異なるようにしてもよい。
【００２１】
また、このとき、前記磁歪駆動型電磁超音波センサのバイアス磁場の向きを変えることにより前記位相が変えられるようにしてもよく、前記超音波の発生時点が前記バイアス磁場の最大値時点と最小値時点に同期しているようにしてもよい。
【００２２】
また、上記目的は、電磁超音波センサを用いた超音波探傷装置において、前記電磁超音波センサから送信される超音波信号の位相を制御する手段と、位相が異なる超音波信号による２種の反射波を観測する手段と、前記２種の反射波の差波形を計算する手段と、前記差波形を表示する手段とを備えるようにしても達成される。
【００２３】
このとき、前記電磁超音波センサが磁歪駆動型電磁超音波センサであり、更に、これから送信される超音波が横波せん断波であるようにしてもよく、このとき、前記磁歪駆動型電磁超音波センサは、バイアス磁場用電磁石と付加磁場用蛇行コイルにより構成されていてもよく、ここで、前記バイアス磁場用電磁石のコイルに交流電流を流すことによりバイアス磁場の向きを変えるようにしてもよい。
【００２４】
また、このとき、前記バイアス磁場用コイルの電流波形と超音波の送信波形を表示する手段と、前記超音波の送信タイミングを調整する手段とが備えられているようにしても上記目的が達成され、ここで、送信のタイミングの調整に信号遅延装置を用いるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、位相を変えた２種の波形を測定し、両波形の差分を観測するようにしたので、検出感度の向上と共に電気ノイズの抑制が可能になり、精度の高い探傷を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明による電磁超音波探傷方法及び電磁超音波探傷装置について、図示の実施形態により詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の一実施形態に係る電磁超音波探傷装置のブロック構成図で、この図において、送信用電磁超音波センサ１と受信用電磁超音波センサ２は、それぞれ図８で説明したバイアス磁場用電磁石１０と蛇行コイル１２を備えた磁歪形電磁超音波センサで構成されている。
【００２８】
このとき、バイアス磁場用電磁石１０は、軟磁性材を馬蹄形に切り出し加工したコア１１に絶縁電線を一様に巻き付けてコイル１３としたもので、蛇行コイル１２は、エナメル線を蛇行数６段で平面状に配置し、この後、全体をプラスチックシートで覆ったものである。
【００２９】
ここで、まず、送信用電磁超音波センサ１には、交流のバイアス電圧ＶB とバースト波ＷB が供給されるようになっている。このときバイアス電圧ＶB は、正弦波発生器３から電力増幅器４を介して供給され、バースト波ＷB は、バースト波送受信器５の送信部から供給される。
【００３０】
そして、このときのバイアス電圧ＶB としては、周波数が例えば１００Ｈｚの正弦波の信号が用いられ、バースト波ＷB としては、周波数が例えば３７５ＫＨｚの信号が用いられるが、ここで、バースト波送受信器５の送信部は、信号遅延装置６を介して正弦波発生器３から供給される正弦波電圧をトリガとしてバースト波ＷB を発生するようになっている。
【００３１】
従って、送信用電磁超音波センサ１のコイル１３には周波数が１００Ｈｚの正弦波のバイアス磁場用電流が供給され、蛇行コイル１２にはバースト波ＷB による付加磁場用電流が供給されることになる。そして、このとき正弦波発生器３の出力とバースト波送受信器５の出力は、それぞれＡＤ変換器８にモニタ用として供給されるようにしてある。
【００３２】
一方、電力増幅器４の出力であるバイアス電圧ＶB は受信用電磁超音波センサ２にも供給されていて、これより受信用電磁超音波センサ２のコイル１３にも正弦波のバイアス磁場用電流が供給されるようになっている。そして、このとき受信用電磁超音波センサ２の蛇行コイル１２により検出された受信信号Ｒが信号増幅器７に取り込まれ、増幅波形ＡＲがバースト波送受信器５の受信部に供給され、これにより信号波形ＷがＡＤ変換器８に入力される。
【００３３】
そこでＡＤ変換器８は、この信号波形ＷをＡＤ変換してコンピュータ９に入力し、この結果、モニタ１０に必要な情報が表示されるようになる。このとき、上記したように、正弦波発生器３の出力とバースト波送受信器５の出力もＡＤ変換器８でＡＤ変換され、コンピュータ９に入力されるようになっている。
【００３４】
次に、この実施形態に係る電磁超音波計測装置の動作について説明すると、この実施形態では、図２のブロック図にステップ１０１として示したように、送信波形の位相を制御する。このとき、図１で説明したように、正弦波発生器３は、任意の周波数、例えば上記した１００Ｈｚの周波数の正弦波信号と矩形波信号を生成し、バイアス電圧とトリガを発生する。
【００３５】
そして、まず、バイアス電圧は電力増幅器２を介して送信用電磁超音波センサ１のバイアス磁場用コイル１３に印加され、この結果、図３に示すバイアス磁場用電流がコイル１３に流れてバイアス磁場用電磁石１０が励磁され、図４に示すように、交流のバイアス磁場Ｂが検査対象Ｏの表層部に生成される。
【００３６】
また、このとき正弦波発生器３から出力されるトリガは、図１に示すように、信号遅延装置６にも入力される。そこで、信号遅延装置６は、入力されたトリガを基準信号とし、その遅延時間を制御してバースト波送受信器５に外部トリガとして入力し、この外部トリガに同期してバースト波ＢW を発生させ、これを送信用蛇行コイル１２に印加させ、これにより、図３に示すように、送信用蛇行コイル１２にバースト波形の電流が流れ、図４に示すように、送信用蛇行コイル１２による付加磁場Ａ１が検査対象Ｏの表層部に発生することになる。
【００３７】
このときのバイアス磁場Ｂの励起に必要なバイアス磁場用コイル１３の電流と、付加磁場Ａ１の励起に必要な送信用蛇行コイル１２の電流の関係は、上記した図３に示すようになり、このときバイアス磁場用コイル１３の電流は、図１に示すように、正弦波発生器３から出力されるモニタ用バイアス信号からモニタ１０により観測することができ、付加磁場Ａ１を励起する送信用蛇行コイル１２の電流は、同じく図１に示すように、バースト波送受信器５から出力されるモニタ用バースト波からモニタ１０により観測することができる。
【００３８】
ここで、この実施形態では、図３から明らかなように、バイアス磁場Ｂを励起する電流が最大値と最小値を示す時点に同期して送信用蛇行コイル１２に付加磁場用電流、つまりバースト波形の電流が供給されるように、信号遅延装置６の遅延時間が設定してあり、従って、バイアス磁場Ｂは、バースト波ＢW の各波形の間の時点で交互にＮ極からＳ極、或いはＳ極からＮ極に反転する。
【００３９】
このときのバイアス磁場Ｂの反転による歪の方向を左右に並べて比較して示したのが図４で、この図から、バイアス磁場Ｂの磁極が反転することにより複合磁場Ｖ１の向きが変わり、歪の方向が反転してＳＨ波の位相が１８０°異なったものとなることがわかる。なお、この図４では、図１１で説明した付加磁場Ａ２と、これによる複合磁場Ｖ２については省略してある。
【００４０】
ここで、以後、バイアス磁場ＢがＮ極からＳ極(Ｎ極→Ｓ極)に変化するタイミングで発生するＳＨ波の観測波形を正転波形とし、バイアス磁場ＢがＳ極からＮ極(Ｓ極→Ｎ極)に変化するタイミングで発生するＳＨ波の観測波形を反転波形とすると、受信側での波形の観測は、図２のステップ１０２とステップ１０３に示すようになる。
【００４１】
いま、図１の送信用電磁超音波センサ１が励振された結果、検査対象Ｏの中を伝搬するＳＨ波が現われ、受信用電磁超音波センサ２の受信用蛇行コイル１２の直下にＳＨ波が到達したとすると、磁歪効果により当該コイル１２の磁束に変化が現われ、それが電圧信号に変換され、受信波形Ｒが信号増幅器７を介して増幅波形ＡＲとしてバースト波送受信器５に取り込まれ、その受信部で信号の帯域制限及び増幅が行われた結果、信号波形ＷがＡＤ変換器８でデジタル信号に変換され、コンピュータ９に取り込まれる。
【００４２】
このとき、ステップ１０２では、信号波形Ｗの正転波形が観測され、ステップ１０３では、信号波形Ｗの反転波形が観測される。そこで、コンピュータ９では、ステップ１０４に示すように、デジタル信号に変換された信号波形Ｗについて信号処理を行い、その結果をステップ１０５に示すように、モニタ１０に表示させる。
【００４３】
このとき、コンピュータ９は、ステップ１０４の波形信号処理の一環として、正転波形のデジタル信号と反転波形のデジタル信号を各々メモリに保存する。次に、これらメモリに保存した正転波形と反転波形のデジタル信号の中から同一時刻ｔの正転波形と反転波形のデジタル信号を取り出し、それらのデジタル値の差分を計算し、時刻ｔの差波形信号値とする。そして、この信号処理による結果を時刻ｔの差波形として、モニタ１０に表示するのである。
【００４４】
次に、この実施形態の動作について、図５に示すように、検査対象Ｏとして、その一方の端部の近傍に予めスリット状の欠陥Ｆが形成してある略矩形の磁性板材を用い、その他方の端部の近傍に、図示のように、送信用電磁超音波センサ１と受信用電磁超音波センサ２を欠陥Ｆに対向するようにして配置した場合について説明する。
【００４５】
そして、次に、送信用電磁超音波センサ１から、図３で説明したように、バイアス磁界Ｂの正転波形によるＳＨ波と反転波形によるＳＨ波を交互に送信し、欠陥Ｆからの反射波を受信用電磁超音波センサ２により受信し、このとき観測された正転波形及び反転波形によるＳＨ波をモニタ１０に表示した結果が図６で、この図から、欠陥Ｆからの反射波の場合、実線で示した正転波形のＳＨ波と破線で示した反転波形のＳＨ波がレベル反転していて、信号の位相が１８０°異なっていることが確認でき、他方、送信ノイズでは、実線で示した正転波形と破線で示した反転波形が重なっていて、両波形が同相になっていることが判る。
【００４６】
また、この図６の正転波形と反転波形の差分を計算した結果、つまり差波形を示したのが図７で、この図から、欠陥Ｆからの反射波では信号振幅が約２倍になっている一方、送信ノイズが大幅に抑制されており、このことから、正転波形と反転波形の差分をとることで、送信ノイズの抑制が得られ、且つ、欠陥Ｆからの信号成分が最大２倍のレベルに向上することが判る。
【００４７】
従って、この実施形態によれば、磁歪形電磁超音波センサの送信周波数成分によるノイズが抑制でき、且つ欠陥Ｆからは大きなレベルの信号が得られることになり、この結果、Ｓ／Ｎが改善され、超音波探傷精度の向上を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明による電磁超音波探傷方法及び電磁超音波探傷装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による制御ブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態における電流波形の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態の動作説明図である。
【図５】本発明の一実施形態によるセンサの配置説明図である。
【図６】本発明の一実施形態の動作を説明するための正転波形と反転波形図である。
【図７】本発明の一実施形態の動作を説明するための差波形図である。
【図８】磁歪駆動型電磁超音波センサの一例を示す斜視図である。
【図９】磁歪駆動型電磁超音波センサの一例における蛇行コイルの説明図である。
【図１０】磁歪駆動型電磁超音波センサの一例を示す上面断面図である。
【図１１】磁歪駆動型電磁超音波センサの一例におけるバイアス磁場と付加磁場の関係を示す説明図である。
【図１２】磁歪駆動型電磁超音波センサの一例による水平剪断波の発生と伝搬状況の説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１：送信用電磁超音波センサ
２：受信用電磁超音波センサ
３：正弦波発生器
４：電力増幅器
５：バースト波送受信器
６：信号遅延装置
７：信号増幅器
８：ＡＤ変換器
９：コンピュータ
１０：モニタ
１０：バイアス磁場用電磁石
１１：コア
１２：蛇行コイル
１３：バイアス磁場用のコイル
ａ１、ａ２：矢印
Ｂ：バイアス磁場
Ａ１、Ａ２：付加磁場
Ｖ１、Ｖ２：複合磁場
Ｏ：検査対象
Ｆ：欠陥
ＶB：バイアス電圧
ＡＲ：増幅信号
Ｗ：信号波形
ＢW：バースト波形
【図１】
2006329868.tif 000003
【図２】
2006329868.tif 000004
【図３】
2006329868.tif 000005
【図４】
2006329868.tif 000006
【図５】
2006329868.tif 000007
【図６】
2006329868.tif 000008
【図７】
2006329868.tif 000009
【図８】
2006329868.tif 000010
【図９】
2006329868.tif 000011
【図１０】
2006329868.tif 000012
【図１１】
2006329868.tif 000013
【図１２】
2006329868.tif 000014