(57)【要約】【課題】強磁性体の欠陥を検出するシステムを提供する。【解決手段】物品の磁場を解析して物品の欠陥のない部分から発生する残留磁場とは特徴的に異なる磁場の部分を見出すことによって、物品の欠陥が検出される。特徴的に異なる磁場の部分は、欠陥の位置に対応する。残留磁場は、欠陥から離れた物品の部分に対応する。欠陥の特徴付けには、各欠陥により失われた材料の体積及び／又は各欠陥の幅及び／又は深さを含むことができる。【選択図】図２８
2018119993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体の欠陥を検出するシステムであって、
前記強磁性体の表面の周りに配置される複数の磁力計であって、前記複数の磁力計は、前記強磁性体から発生する磁場を感知して、この感知磁場に基づいて磁場データを生成し、前記複数の磁力計の各磁力計は、前記強磁性体に対して所定の場所に固定される、複数の磁力計と、
前記磁場データから２次元マップのデータ点を生成する磁場マッパーであって、各データ点は、前記強磁性体の前記表面上のそれぞれの位置に対応し、前記位置に近接する前記感知磁場の強度を表す、磁場マッパーと、
前記マップにおいて磁場強度の予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点を特定し、前記複数のデータ点に対応する前記強磁性体の前記表面に近接する位置を出力する、パターン照合器と、
を備えるシステム。
【請求項２】
前記複数のデータ点のデータにより表される特徴の大きさに基づいて、前記強磁性体の前記表面に近接する前記位置で前記強磁性体から欠損している材料の体積を推定する欠陥サイズ推定器をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記欠陥サイズ推定器は、前記複数のデータ点のデータにより表される特徴の２つの空間的方向における長さに基づいて、前記欠損している材料の面積を推定する、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記欠陥サイズ推定器は、前記欠損している材料の推定した前記体積と前記複数のデータ点のデータにより表される特徴の２つの空間的方向における長さとに基づいて、前記欠損している材料の深さを推定する、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記マップの前記データ点のうちの少なくとも１つに基づいて、前記強磁性体の前記表面に近接する前記位置から離れた位置で前記強磁性体から発生する前記磁場の大きさを決定する残留磁場強度計算器と、
前記複数のデータ点のデータの大きさと前記強磁性体の前記表面に近接する前記位置から離れた位置で前記強磁性体から発生する前記磁場の前記大きさとに従って、前記強磁性体の前記表面に近接する前記位置で前記強磁性体から欠損している材料の体積を推定する欠陥サイズ推定器と、
をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記複数の磁力計の各磁力計は、３つの直交方向に配向された磁力計を備え、
前記マップの各データ点は、３つの直交方向の各々の前記感知磁場の強度を表し、
パターン照合器は、前記３つの直交方向の各々に対して、磁場強度の予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点と、前記複数のデータ点に対応する前記強磁性体の前記表面に近接する位置とを特定し、従って、前記パターン照合器は、前記強磁性体の前記表面に近接する３つの位置を特定し、
さらに、３つの特定された位置から前記強磁性体の前記表面に近接する正確な位置を計算し、前記正確な位置を出力するコンバイナを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記パターン照合器は、前記マップの前記データ点から複数の空間微分係数値を計算し、
前記パターン照合器は、前記複数の空間微分係数値から磁場強度の前記予め定義された空間的パターンに一致する前記複数のデータ点を特定する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
磁場強度の前記予め定義された空間的パターンに一致する前記複数のデータ点は、腐食又は侵食による前記強磁性体の一部の喪失に対応する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
磁場強度の前記予め定義された空間的パターンに一致する前記複数のデータ点は、前記強磁性体のクラックに対応する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記複数の磁力計は、前記強磁性体の外側表面を囲む円筒状の表面に配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記複数の磁力計は、円筒状の表面に配置され、前記強磁性体を受け入れる大きさの円筒内腔を規定している、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記複数の磁力計は、前記強磁性体の周りを覆う磁力計の２次元アレイとして配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記複数の磁力計は、複数の磁力計からなる複数のリングとして配置されており、複数の磁力計からなる複数のリングは、前記強磁性体の長手方向に沿って離間しており、前記複数の磁力計からなるリングの各々が前記強磁性体を囲んでいる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記複数の磁力計は、前記強磁性体の周囲において周方向に沿って部分的に配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記複数の磁力計は、磁力計の２次元アレイとして配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
強磁性体の欠陥を検出する方法であって、
前記強磁性体の表面の周りに複数の磁力計を配置するステップであって、前記複数の磁力計の各磁力計は、前記強磁性体に対して所定の場所に固定される、ステップと、
前記強磁性体から発生する磁場を前記複数の磁力計によって感知するステップと、
前記感知された磁場から２次元マップのデータ点を生成するステップであって、各データ点が、前記強磁性体の表面上のそれぞれの位置に対応し、前記位置に近接する前記感知された磁場の強度を表すステップと、
前記２次元マップにおいて磁場強度の予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点を特定するステップと、
前記複数のデータ点に対応する前記強磁性体の前記表面に近接する位置を出力するステップと、
を含む方法。
【請求項１７】
前記複数のデータ点のデータにより表される特徴の大きさに基づいて、前記強磁性体の前記表面に近接する前記位置で前記強磁性体から欠損している材料の体積を推定するステップをさらに備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数のデータ点のデータにより表される特徴の２つの空間的方向における長さに基づいて、前記欠損している材料の面積を推定するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記欠損している材料の推定した体積と前記複数のデータ点のデータにより表される特徴の２つの空間的方向における長さとに基づいて、前記欠損している材料の深さを推定するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記マップの前記データ点のうちの少なくとも１つに基づいて、前記強磁性体の前記表面に近接する前記位置から離れた位置で前記強磁性体から発生する前記磁場の大きさを決定するステップと、
前記複数のデータ点のデータの大きさと前記強磁性体の前記表面に近接する前記位置から離れた位置で前記強磁性体から発生する前記磁場の前記大きさとに従って、前記強磁性体の前記表面に近接する前記位置で前記強磁性体から欠損している材料の体積を推定するステップと、
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記磁場を感知する前記ステップは、複数の磁力計で前記磁場を感知するステップを含み、前記複数の磁力計の各磁力計は３つの直交方向に配向された磁力計を備え、
前記データ点を生成する前記ステップは、前記マップの各データ点が３つの直交方向の各々の感知された磁場の強度を表すように前記データ点を生成するステップを含み、
前記予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点を特定する前記ステップは、前記３つの直交方向の各々に対して、磁場強度の予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点と、前記複数のデータ点に対応する前記強磁性体の前記表面に近接する位置とを特定して、それによって前記強磁性体の前記表面に近接する３つの位置を特定するステップを含み、
前記方法は、
特定された３つの位置から前記強磁性体の前記表面に近接する正確な位置を計算するステップをさらに含み、
前記位置を出力する前記ステップは、前記正確な位置を出力するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記マップの前記データ点から複数の空間微分係数値を計算するステップをさらに含み、
前記予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点を特定する前記ステップは、前記複数の空間微分係数値から磁場強度の前記予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点を特定するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点を特定する前記ステップは、腐食又は侵食による前記強磁性体の一部の喪失に対応する複数のデータ点を特定するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点を特定する前記ステップは、前記強磁性体のクラックに対応する複数のデータ点を特定するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２５】
前記複数の磁力計を配置する前記ステップは、前記強磁性体の外側表面を囲む円筒状の表面に前記複数の磁力計を配置するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２６】
前記複数の磁力計を配置する前記ステップは、前記複数の磁力計が前記強磁性体を受け入れる大きさの円筒内腔を規定するように、円筒状の表面に前記複数の磁力計を配置するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２７】
前記複数の磁力計を配置する前記ステップは、前記強磁性体の周りを覆う磁力計の２次元アレイとして前記複数の磁力計を配置するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２８】
前記複数の磁力計を配置する前記ステップは、複数の磁力計からなる複数のリングとして前記複数の磁力計を配置するステップを含み、このステップは、前記複数の磁力計からなるリングの各々が前記強磁性体を囲むように、前記強磁性体の長手方向に沿って前記複数の磁力計のリングを離間させることを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２９】
前記複数の磁力計を配置する前記ステップは、前記強磁性体の外側表面の周方向に沿って部分的に延びる表面上に前記複数の磁力計を配置するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項３０】
前記複数の磁力計を配置する前記ステップは、磁力計の２次元アレイとして前記複数の磁力計を配置するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項３１】
強磁性体の欠陥を検出するためのコンピュータ可読プログラムコードを記憶する非一時なコンピュータ可読媒体であって、前記コンピュータ可読プログラムコードは、
プロセッサにより実行されると、前記強磁性体の表面の周りに配置される複数の磁力計から磁場データを受け取る感知モジュールであって、前記複数の磁力計が、前記強磁性体から発生する磁場を感知し、この感知磁場に基づいて前記磁場データを生成し、前記複数の磁力計の各磁力計が、前記強磁性体に対して所定の場所に固定される、感知モジュールと、
前記感知磁場から２次元マップのデータ点を生成するデータ点生成器モジュールであって、各データ点が、前記強磁性体の前記表面上のそれぞれの位置に対応し、前記位置に近接する前記感知磁場の強度を表す、データ点生成器モジュールと、
前記２次元マップにおいて磁場強度の予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点を特定する欠陥識別器モジュールと、
前記複数のデータ点に対応する前記強磁性体の前記表面に近接する位置を出力する欠陥位置出力モジュールと、
を備える非一時なコンピュータ可読媒体。
【請求項３２】
前記複数の磁力計は、前記強磁性体の外側表面を囲む円筒状の表面に配置されている、請求項３１に記載の非一時なコンピュータ可読媒体。
【請求項３３】
前記複数の磁力計は、円筒状の表面に配置され、前記強磁性体を受け入れる大きさの円筒内腔を規定している、請求項３１に記載の非一時なコンピュータ可読媒体。
【請求項３４】
前記複数の磁力計は、前記強磁性体の周りを覆う磁力計の２次元アレイとして配置されている、請求項３１に記載の非一時なコンピュータ可読媒体。
【請求項３５】
前記複数の磁力計は、複数の磁力計からなる複数のリングとして配置されており、複数の磁力計からなる複数のリングは、前記強磁性体の長手方向に沿って離間しており、前記複数の磁力計からなるリングの各々が前記強磁性体を囲んでいる、請求項３１に記載の非一時なコンピュータ可読媒体。
【請求項３６】
前記複数の磁力計は、前記強磁性体の周囲において周方向に沿って部分的に配置されている、請求項３１に記載の非一時なコンピュータ可読媒体。
【請求項３７】
前記複数の磁力計は、磁力計の２次元アレイとして配置されている、請求項３１に記載の非一時なコンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本発明は、２０１４年５月１８日出願の米国特許仮出願第６１／９９４，９６１号「強磁性体の欠陥を測定するシステム及び方法」の利益を主張するものであり、その内容全体はすべての目的のために参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、強磁性体の欠陥検出に関し、より詳細には磁力計を用いた強磁性体の欠陥検出に関する。
【背景技術】
【０００３】
鉄、ニッケル、鋼や他の材料などの強磁性体は、パイプ、梁、及び船舶ハルなど多くの物品を作るために使用される。本明細書で用いる場合に、「強磁性体」は、強磁性体とフェリ磁性体の両方を含む。多くの場合、これらの材料は腐食及び／又は侵食を受けやすい。本明細書で用いる場合、腐食は、化学反応、最も一般的には酸化の結果としての材料の喪失を意味する。本明細書で用いる場合、侵食は、摩耗などの機械的過程の結果としての材料の喪失を意味する。例えば、石油やガスの井戸で産出される砂は、石油やガスを井戸から搬送するパイプラインの内側を摩耗させる。腐食及び／又は侵食による材料の喪失を本明細書ではまとめて「欠陥」と呼ぶ。本明細書で用いる場合に、欠陥という用語はまた、例えば製造中又は後に生じることのあるクラックや空隙、又は異物の混入を含む。臨界点を超えて発生する場合、腐食や侵食は物品の構造的完全性を損なうことがあり、石油流出、建物の崩壊や船の沈没などの破局的な事故をもたらす可能性がある。
【０００４】
従来技術では、強磁性体及び強磁性体で製造された物品の欠陥を検出する試みにおいて、様々な装置及び方法が使用されてきた。これらの装置及び方法の一部では、強磁性体の表面に直接アクセスするために断熱材の除去、並びに腐食防止用表面処理の剥ぎ取りが必要とされる。場合によっては、表面を研磨してセンサ又はセンサからの波伝播に対する清浄な界面を生成する必要がある。これらのステップは費用と時間がかかり、断熱材及び／又は表面処理を損なう場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８，５４２，１２７号明細書
【特許文献２】米国特許第８，４４７，５３２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明者に公知の強磁性体の欠陥を検出する全ての従来技術の装置及び方法は、エネルギーを材料に導入するステップを伴う。例えば、音響センサは、音波を材料中に送って戻ってくる信号を測定する。ガイド波及びトポグラフィセンサは同様に、電磁波を材料中に送り、その波の反射又は移送時間を感知する。エネルギーを被測定物品に与えるステップとは異なる視点で、Ｒｏｈｒｂａｃｋ  Ｃｏｓａｓｃｏ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社は、商標「Ｑｕｉｃｋｓａｎｄ」の下で一連のサンドエロージョン検出プローブを生産している。これらのプローブは、パイプ等の侵食を直接的に測定しない。代わりに、これらのプローブは、プローブ自体の部分の侵食を検出するという点で犠牲的である。このようなプローブに基づくシステムは、パイプ及び他の物品がプローブの犠牲部分とほぼ同じ速度で侵食すると仮定する。さらに、プローブはパイプを通る流体の流れに依存するので、パイプ中に流体流の形態でエネルギーを導入することが必要である。これらのシステムは、パイプの内側のみの侵食を検出することができる。これらのシステムは、パイプ壁の内部又はパイプの外面など、他の場所では欠陥を検出できず、さらにセンサが設置される前の侵食によるパイプの状態を推測することもできない。
【０００７】
一部の従来技術の装置及び方法は、強磁性体の欠陥を検出するために磁気測定を必要とする。例えば、両方共にＶａｌｅｒｉａｎ  Ｇｏｒｏｓｈｅｖｓｋｉｙ他による米国特許第８，５４２，１２７号及び米国特許第８，４４７，５３２号は、逆磁歪ビラリ現象の利用を開示する。逆磁歪ビラリ現象は、加えられる機械的ストレスの下で材料の磁化率変化を伴う。パイプが欠陥を有している場合に、パイプ材料に機械的ストレスが付与される際の、例えばパイプが加圧される際のパイプの磁化率は、パイプに機械的ストレスを付与されていない場合とは異なる。Ｇｏｒｏｓｈｅｖｓｋｉｙの特許は、パイプの内圧が変化する際のこの磁化率変化の検出に依存する。従って、パイプ内部を加圧する形でエネルギーをパイプ中に導入する必要がある。パイプなどの一部の物品では、欠陥が成長する期間の間、使用されず、従って加圧されないままである。船体や構造部材などの他の構造体は、公知の加圧サイクリングには適していない。しかしながら、加圧がなければ、Ｇｏｒｏｓｈｅｖｓｋｉｙの装置及び方法はこれらの欠陥を検出することができない。さらに、Ｇｏｒｏｓｈｅｖｓｋｉｙはパイプの長さに沿ってだけ欠陥の位置を特定することができ、パイプの周方向では欠陥位置を特定することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態は、強磁性体の欠陥を検出するシステムを提供する。システムは、複数の磁力計を含む。複数の磁力計は、強磁性体の表面周りに配置される。複数の磁力計は、強磁性体により発生する磁場を感知する。複数の磁力計は、感知された磁場に基づいて磁場データを生成する。複数の磁力計の各磁力計は、強磁性体に対して所定の場所に固定される。システムはまた、磁場マッパーを含む。磁場マッパーは、磁場データから２次元マップのデータ点を生成する。各データ点は強磁性体表面上のそれぞれの位置に対応する。各データ点は、その位置に近接して感知された磁場強度を表す。ここで言う「近接の」は、ｘ及びｙ方向、つまり、強磁性体に沿う長手方向及び強磁性体を横切る横方向で欠陥の位置を特定できるように十分接近していることを意味する。一部の実施形態では、近接は約５−１０インチ以内を意味する。システムはまた、パターン照合器を含む。パターン照合器は、マップにおいて磁場強度の予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点を特定する。パターン照合器は、複数のデータ点に対応する強磁性体の表面に近接する位置を出力する。出力された位置は欠陥の位置である。
【０００９】
システムはまた、欠陥サイズ推定器を含むことができる。欠陥サイズ推定器は、強磁性体表面に近接する位置で強磁性体から欠損している材料体積を推定する。欠損体積の推定は、複数のデータ点のデータにより表される特徴の大きさに基づく。
【００１０】
欠陥サイズ推定器は、複数データ点のデータにより表される特徴の２つの空間的方向における長さに基づいて、欠損した材料の面積を推定することができる。
【００１１】
欠陥サイズ推定器は、欠損した材料の推定体積と複数データ点のデータにより表される特徴の２つの空間的方向における長さとに基づいて、欠損した材料の深さを推定することができる。
【００１２】
システムはまた、残留磁場強度計算器を含むことができる。残留磁場強度計算器は、強磁性体表面に近接する位置から離れた位置で強磁性体から発生する磁場の大きさを決定する。磁場の大きさはマップのデータ点のうちに少なくとも１つに基づく。システムはまた、欠陥サイズ推定器を含むことができる。欠陥サイズ推定器は、強磁性体表面に近接する位置で強磁性体から欠損している材料体積を推定する。体積の推定は、複数データ点のデータの大きさと、強磁性体表面に近接する位置から離れた位置で強磁性体から発生する磁場の大きさとに従って行われる。
【００１３】
欠陥サイズ推定器は、複数データ点のデータにより表される特徴の２つの空間的方向における長さに基づいて、欠損した材料の面積を推定することができる。
【００１４】
欠陥サイズ推定器は、欠損した材料の推定体積と複数データ点のデータにより表される特徴の２つの空間的方向における長さとに基づいて、欠損した材料の深さを推定することができる。
【００１５】
複数の磁力計の各磁力計は、３つの直交方向に配向された磁力計を含むことができる。マップの各データ点は、３つの直交方向の各々で感知された磁場強度を表すことができる。パターン照合器は、３つの直交方向の各々に対して、磁場強度の予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点と、複数のデータ点に対応する強磁性体の表面に近接する位置とを特定することができる。パターン照合器はそれによって、強磁性体表面に近接する３つの位置を特定することができる。システムはまた、コンバイナを含むことができる。コンバイナは、３つの特定された位置から強磁性体表面に近接する正確な位置を計算することができ、正確な位置を出力する。
【００１６】
パターン照合器は、マップのデータ点から複数の空間微分係数値を計算することができる。パターン照合器は、複数の空間微分係数値から磁場強度の予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点を特定する。
【００１７】
磁場強度の予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点は、腐食又は侵食による強磁性体の一部の喪失に対応するとすることができる。
【００１８】
磁場強度の予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点は、強磁性体のクラックに対応する。
【００１９】
本発明の別の実施形態は、強磁性体の欠陥を検出する方法を提供する。方法は強磁性体から発生する磁場を感知するステップを含む。２次元マップのデータ点は感知された磁場から生成される。各データ点は強磁性体表面上のそれぞれの位置に対応する。各データ点は感知された磁場の強度を表す。２次元マップでは、複数のデータ点が特定される。複数のデータ点が磁場強度の予め定義された空間的パターンに一致する。強磁性体表面に近接する位置が出力される。その位置は複数のデータ点に対応する。その位置は欠陥に対応する。
【００２０】
磁場を感知するステップは、強磁性体表面の周りに複数の磁力計を配置するステップを含むことができる。複数の磁力計の各磁力計は、強磁性体に対して所定の場所に固定される。
【００２１】
磁場を感知するステップは、少なくとも１つの磁力計を用いて強磁性体に対して少なくとも１つの磁力計を移動させることによって強磁性体を物理的に走査するステップを含むことができる。
【００２２】
強磁性体に対して少なくとも１つの磁力計を移動させるステップは、強磁性体の軸に実質的に垂直方向に方向付けられた形状に沿って少なくとも２つの磁力計の１次元アレイを配置するステップを含むことができる。少なくとも２つの磁力計の１次元アレイは、強磁性体の軸に沿って移動させることができる。
【００２３】
任意選択で、強磁性体表面に近接する位置で強磁性体から欠損している材料体積を推定することができる。その推定は、複数のデータ点のデータにより表される特徴の大きさに基づく。
【００２４】
任意選択で、強磁性体表面に近接する位置から離れた位置で強磁性体から発生する磁場の振幅は、マップのデータ点のうちの少なくとも１つに基づいて決定することができる。強磁性体表面に近接する位置で強磁性体から欠損している材料の体積は、複数データ点のデータの振幅と、強磁性体表面に近接する位置から離れた位置で強磁性体から発生する磁場の振幅とに従って推定することができる。
【００２５】
任意選択で、欠損している材料の面積を推定することができる。その推定は、複数データ点のデータにより表される特徴の２つの空間的方向における長さに基づくとすることができる。
【００２６】
欠損している材料の円周深さを推定することができる。推定は、欠損している材料の推定体積と複数データ点のデータにより表される特徴の２つの空間的方向における長さとに基づくことができる。
【００２７】
磁場を感知するステップは、複数の磁力計で磁場を感知するステップを含むことができる。複数の磁力計の各磁力計は、３つの直交方向に配向された磁力計を含むことができる。データ点を生成するステップは、マップの各データ点が３つの直交方向の各々で感知された磁場強度を表すようにデータ点を生成するステップを含むことができる。予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点を特定するステップは、３つの直交方向の各々に対して、磁場強度の予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点と、複数のデータ点に対応する強磁性体の表面に近接する位置とを特定して、それによって強磁性体表面に近接する３つの位置を特定するステップを含むことができる。さらに、３つの特定された位置から強磁性体表面に近接する正確な位置を計算することができる。位置を出力するステップは、正確な位置を出力するステップを含むことができる。
【００２８】
マップのデータ点から複数の空間微分係数値を計算することができる。予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点を特定するステップは、複数の空間微分係数値から磁場強度の予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点を特定するステップを含むことができる。
【００２９】
予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点を特定するステップは、腐食又は侵食による強磁性体の一部の喪失に対応する複数のデータ点を特定するステップを含むことができる。
【００３０】
予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点を特定するステップは、強磁性体のクラックに対応する複数のデータ点を特定するステップを含むことができる。
【００３１】
本発明のさらに別の実施形態は、強磁性体の欠陥を検出するコンピュータプログラム製品を提供する。コンピュータプログラム製品は非一時的なコンピュータ可読媒体を含む。コンピュータ可読プログラムコードは媒体に保存される。コンピュータ可読プログラムコードは、感知モジュール、データ点生成器モジュール、欠陥識別器モジュール、及び欠陥位置出力モジュールを含む。
【００３２】
感知モジュールは、強磁性体表面の周りに配置された複数の磁力計から磁場データを受け取る。複数の磁力計は、強磁性体により発生する磁場を感知する。複数の磁力計はまた、磁場データを生成する。磁場データは感知された磁場に基づく。複数の磁力計の各磁力計は、強磁性体に対して所定の場所に固定される。
【００３３】
データ点生成器モジュールは、感知された磁場から２次元マップのデータ点を生成する。各データ点は強磁性体表面上のそれぞれの位置に対応する。各データ点はその位置に近接して感知された磁場の強度を表す。
【００３４】
欠陥識別器モジュールは、２次元マップにおいて、磁場強度の予め定義された空間的パターンに一致する複数のデータ点を特定する。欠陥位置出力モジュールは、複数のデータ点に対応する強磁性体の表面に近接する位置を出力する。
【００３５】
本発明は、以下の図面と合わせて以下の特定実施形態の詳細な説明を参照することによって、より完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来技術で公知の仮想的なパイプの斜視図とパイプの一部の断面図である。
【図２】従来技術で公知の仮想的な湾曲パイプの斜視図である。
【図３】従来技術で公知の仮想的な磁気双極子によって生成される磁場の概略図である。
【図４】図３の線に沿って３つの軸に沿う磁力計により感知される仮想的な例示的磁場強度Ｂｘ、Ｂｙ及びＢｚのグラフである。
【図５】従来技術で公知の強磁性体の仮想プレートの概略図である。
【図６】本発明の実施形態に従って解釈されるような、多数の小さな整列した磁気双極子として図５のプレートを概略的に説明する図である。
【図７】表面に欠陥を有する図５のプレートの概略図である。
【図８】従来技術で公知の、その製造に由来する螺旋状深さのアーチファクトを示す仮想的なパイプの概略図である。
【図９】従来技術で公知の、概念的に切断されて展開された後の図８のパイプの概略図である。
【図１０】本発明の実施形態による、外面に欠陥を有する実際のパイプに関する磁場の１つの成分のグラフである。
【図１１】本発明の実施形態による、磁気センサユニットの側面図である。
【図１２】本発明の実施形態による、パイプに取り付けられた磁気センサユニットセットの概略図である。
【図１３】本発明の実施形態による、パイプに取り付けられた磁気センサユニットセットの概略図である。
【図１４】本発明の実施形態による、パイプの周方向に配置された磁気センサアレイの斜視概略図である。
【図１５】本発明の実施形態による、図１４の磁気センサアレイの各要素などにおいて磁力計を支える一対の回路基板の斜視概略図である。
【図１６】本発明の実施形態による、パイプの周りに配置された磁気センサのリングの斜視概略図である。
【図１７】本発明の実施形態による、実際のパイプの個別の次元に沿う磁気データのグラフである。
【図１８】本発明の実施形態による、実際のパイプの個別の次元に沿う磁気データのグラフである。
【図１９】本発明の実施形態による、図１７のプロットから計算される微分係数のプロットである。
【図２０】本発明の実施形態による、図１８のプロットから計算される微分係数のプロットである。
【図２１】本発明の実施形態による、すべて同じ直径であるが異なる深さの３つの模擬欠陥に対する磁場強度のグラフである。
【図２２】本発明の実施形態による、すべて同じ深さを有するが異なる直径での３つの模擬欠陥に対する磁場強度のグラフである。
【図２３】本発明の実施形態による、パイプの欠陥に近接してｘ軸に沿う磁場強度のグラフである。
【図２４】本発明の実施形態による、パイプの欠陥に近接してｚ軸に沿う磁場強度のグラフである。
【図２５】本発明の実施形態による、正規化後の図２３の磁場強度のグラフである。
【図２６】本発明の実施形態による、パイプと、検出器とパイプ欠陥との間のスタンドオフとを示す斜視概略図である。
【図２７】本発明の実施形態による、パイプ内側の欠陥からの信号強度とパイプ外側の欠陥からの信号強度との差を示すグラフである。
【図２８】本発明の実施形態に従って、時間解析による磁場の一軸を示す減算結果の表面プロットである。
【図２９】本発明の実施形態による、物品の物理的走査を実行する装置の斜視概略図である。
【図３０】本発明の実施形態による、物品の物理的走査を実行する装置の斜視概略図である。
【図３１】本発明の実施形態による、基地局と無線通信する遠隔磁気センサの概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明の実施形態は、エネルギーを強磁性体に導入することなく、並びに強磁性体又は物品から断熱材、表面処理などを必ずしも除去することなく、強磁性体を含有する物品の欠陥を検出可能にする。物品中の強磁性体は磁場を発生する。本発明の実施形態は、物品の磁場を解析して物品の欠陥のない部分により発生する残留磁場とは特徴的に異なる磁場の部分を見つけることによって、物品中の欠陥を検出し特徴付ける。特徴的に異なる磁場の部分は欠陥の位置に対応する。残留磁場は、欠陥から離れた物品の部分に対応する。欠陥の特徴付けには、各欠陥により失われた材料の体積及び／又は各欠陥の幅及び／又は深さを含むことができる。あらゆる磁気測定の手法に対する課題は、物品の固有残留磁場が物品に亘る材料及び製造のばらつきを反映して一般的に不均一であるということである。これらの方法に関する重要な課題は、物品の残留磁場に固有の「ノイズ」から欠陥の磁気的な識別特性を分離することである。
【００３８】
概要
一部の実施形態では、２次元の磁気センサアレイが、解析される物品の外面と平行に配置される。磁気センサアレイは、磁気測定データの２次元マップ（磁場マップ）の生成を可能にするデータを収集する。これに関連して、円形断面のパイプ又は他の非平面状物品の周りを包む磁気センサの「マット」は２次元であると見なされる。
【００３９】
一部の実施形態では、物品は１次元の磁気センサアレイによって１つの次元に沿って物理的に走査され、それによって磁気測定データの２次元マップを生成する。一部の実施形態では、物品を単一の磁気センサ又は小グループの磁気センサにより２以上の次元に沿ってラスタ走査、スパイラル走査、又は別の方法で走査して、磁気測定データの２次元マップを生成する。
【００４０】
物品中の強磁性体は磁場を発生する。磁場は、強度及び方向の両方により特徴付けられるベクトル量である。磁気測定データのマップ（磁場マップ）は、磁場の強度を表す。磁場マップは、３次元磁場強度ベクトルの１つ、２つ、又は３つの成分を表示することができる。
【００４１】
一部の実施形態では、磁気測定データは、本質的にいくつかの既定パターン（形状）のいずれかに関して探索される。磁場の強度又は３次元磁場成分のいずれかが既定パターンのうちの１つに従って空間的に変化する領域は、欠陥の位置に対応する。これらの既定パターンのうちの１つに従って、直線に沿って、磁場は残留レベルで始まり、次に強度が残留レベルに対して頂部まで増加し、次に強度が残留レベル下の谷部まで減少し、それから残留レベルに戻り、正弦曲線の１周期の形状に多少類似している。
【００４２】
これらの既定パターンのうちの別の１つに従って、直線に沿って、磁場は残留レベルで始まり、次に強度が残留レベルに対して頂部まで増加し、次に強度が残留レベル下の谷部まで減少し、次に強度が残留レベルに対して第２の頂部まで増加し、それから残留レベルに戻り、余弦曲線の１又は半周期の形状に多少類似している。
【００４３】
前述のように、残留磁場は欠陥から離れた物品の部分に対応する。しかしながら、残留磁場は物品が完全には均質ではないために多くの特徴を有し、そのことが欠陥の識別特性の存在を覆い隠す場合がある。欠陥の識別特性を求めて磁場測定値を探索することによって、残部での非欠陥性特徴と比較して欠陥の位置を特定することができる。欠陥を検出する手段として欠陥（複数可）の磁場を残部から識別する、このタイプの解析を「空間解析」と呼ぶ。
【００４４】
一部の実施形態では、物品に関する磁気測定データは、物品が新品の時に、又は何か他の基準時点で取得される。磁気測定データは保存され、後に、物品の同一部分に対して磁気測定データが再び取得されて、２つのデータセットが比較される。２つのデータセット間の差異は欠陥候補を表す。異なる時間でデータセットを取得してデータセット間の差異を判定する、このタイプの解析を「時間解析」と呼ぶ。その後、欠陥候補は、空間解析と同様に、欠陥識別特性に関して解析することができる。
【００４５】
一部の実施形態では、複数の磁気センサアレイは解析のために物品に取り付けられ、物品の寿命又は別の延長期間の間、物品に取り付けられたままである。そのようなアレイの各々は、物品の離散的な位置に取り付けられる。各アレイは、それを作動させる電力を供給するためにエネルギー取得器を備えることができる。各アレイは有線又は無線ネットワークにより相互接続することができる。ネットワークでは、メッセージ通信プロトコル、経路決定アルゴリズム、クロック管理、並びに１０ホップを超える数百のノード含む線状ネットワークが機能することを可能にするがほとんど電力を消費しない、つまりエネルギー取得器により給電可能な他の態様を用いることができる。
【００４６】
磁気センサアレイは、ネットワークを経由して基地局へデータを送信し、基地局はそのデータを解析して欠陥を検出する。基地局は、分散形制御システム、プラント管理システム、又は別の外部システムに接続可能である。外部システムは、基地局に欠陥について問い合わせする、又は基地局に欠陥検出を開始するように命令することができる。任意選択で又は代わりに、基地局は外部システムからの問い合わせなしで外部システムに欠陥を通知することができる。同様に、基地局は欠陥を検出した場合に、ライトを点灯する、ホーンを鳴らす、電子メールメッセージを送信する、或いは電話呼び出しを開始して事前録音又は音声合成メッセージを再生するなど、警報を発することができる。
【００４７】
前述のように、磁気センサアレイを物品に固定して磁気測定データを収集すること、或いは物品に対して磁気センサを移動させることにより物品を物理的に走査して磁気測定データを収集することができる。いずれの場合でも、磁気測定データは、欠陥を検出するために時間的に又は空間的に解析することができる。
【００４８】
欠陥
前述のように、欠陥は腐食及び／又は侵食による材料の喪失である場合がある。本明細書では、実施例及び実施形態をパイプに関連して説明する。しかしながら、これらの実施形態及び実施例は、例えば平坦なシート、船体、貯蔵タンク／容器、梁、柱などの、他のタイプの物品にも適用される。
【００４９】
図１は、仮想的なパイプ１００とそのパイプ１００の断面（部分Ａ−Ａ）の概略図である。ほとんどのパイプは、例えば、酸性雨、化学薬品漏出や偶然の又は故意の物理的損傷の結果として、１０２に例示するようなパイプの外面上の腐食又は侵食の結果として成長する欠陥を生じる。また多くのパイプは、１０４、１０６及び１０８で例示するように、パイプの内面に成長する欠陥を生じる。例えば、石油やガスの井戸で産出される砂は、一般的にパイプの底部に沿って輸送される。パイプ内液体の頂面がパイプの内壁と交わる、１０６及び１０８で例示するパイプ内壁の領域は、腐食の一般的な位置である。また、パイプは、１１０で例示するようにパイプ壁の厚さの内部に欠陥が成長する。
【００５０】
侵食は、パイプ２０の内側で湾曲部の僅かに下流側の、図２に破線２０２で示す位置で生じる場合が多い。流れ方向の変化による乱流は侵食の候補部位を作り出す。矢印はパイプ２００内部の流れ方向を示す。パイプライン（図示せず）の拡大及び狭窄は侵食の潜在的部位を作り出すだけでなく、下流側に乱流を生成する傾向があり、それゆえ乱流領域に隣接した欠陥を引き起こす傾向にある。
【００５１】
磁力計と欠陥検出
図３は、仮想的な磁気双極子３００によって生成される磁場を概略的に示す。線３０２により例示される磁力線は磁場を表す。磁気双極子３００は平面３０４に横たわり、簡単にするために、平面３０４内の磁力線３００のみを示す。
【００５２】
ベクトル磁力計は、磁場のベクトル成分を計測する。つまり、ベクトル磁力計は、その軸に沿う方向の磁場の強度を計測する。３軸磁力計３０６は、３つの軸、Ｘ、Ｙ及びＺに沿う磁場強度を計測する。磁力計３０６が磁気双極子３０２と平行な線３０８に沿って平行移動する場合、磁力計３０６は線３０８に沿って変動磁場を感知する。例えば、Ｘ軸センサは様々な磁場強度を感知し、それらはＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、及びＨで矢印により示される磁気ベクトルのＸ成分を表す。図４は、線３０８に沿って３つの軸に沿う磁力計３０６により感知される仮想的な例示的磁場強度Ｂｘ、Ｂｙ及びＢｚのグラフである。Ｂｘのグラフは余弦曲線に類似し、Ｂｚのグラフは正弦曲線に類似する。これらの形状は、離散的な磁気双極子の近傍の磁場に特有である。
【００５３】
図５は、強磁性体の仮想プレート５００を概略的に示す。プレート５００は、図６に概略的に示すように磁気双極子６０２及び６０４により例示される、多数の小さな整列磁気双極子から構成されていると見なすことができる。磁力線は、本質的に図３に示すように、各小さな磁気双極子からその前後の隣接双極子へ大部分は直線状に延び、プレート５００の端部５０２及び５０４でプレートを出る。プレート５００の上面、底面又は側面を通ってプレートから出る磁力線は、僅かであるか又は皆無である。
【００５４】
しかしながら、プレートが欠陥を有する場合には、図７でブロック７０２の表面にある欠陥７００により例示されるように、一部の材料が失われている。結果として、磁気双極子６０２や６０４などの小さな磁気双極子の１又は２以上が失われ、残っている磁気双極子の結果として生じる非対称配置により、一部の磁力線がブロック７０２の上面、底面及び／又は側面を通ってブロックから出て行くということになる。従って、欠陥の識別特性、つまり、強磁性体の欠損している体積は、逆向き磁気双極子の等体積により近似されると考えることができる。内部だけの、つまり非表面の磁気双極子だけが失われたとしても、残っている磁気双極子の結果として生じる非対称配置により、一部の磁力線がブロック７０２の上面、底面及び／又は側面を通ってブロックから出て行くということになる。
【００５５】
失われた磁気双極子近傍の局所的な磁場は、図３及び図４に関して前述した磁場と類似している。結果として、欠陥の位置は、図４のＢｘやＢｙのグラフ形状に類似した形状を有するプレート７０２により生成される磁場の一部分を位置付けることによって見出すことができる。このように、Ｂｘ及びＢｙのグラフの一般的な形状を欠陥の磁気的識別特性として使用することができる。
【００５６】
パイプの欠陥検出
パイプは様々な方法で製造される。各方法は、成分、厚さ、温度履歴、又は何らかの他のアーチファクトに不均一な特徴を残す。これらすべては、物品固有の残留磁場を滑らかなものではなく、欠陥の識別特性を見出すのが容易でない大きさ及び複雑さの特徴を持たせる可能性を有する。パイプでの共通した製造上のアーチファクトは、パイプの長さに沿った層の渦巻き（らせん形）パターンである。図８は、その製造に由来する、そのような螺旋状深さのアーチファクト８０２を示すパイプ８００を概略的に説明する。概念的にパイプ８００は、図９に概略的に示すように、その長手方向軸と平行な線８０４に沿って切断して平坦なプレート９００に展開することができる。このプレート９００は、図３−図７に関して前述したように解析することができる。
【００５７】
図１０は、外面に１インチｘ１インチｘ０．０６インチ（２５．４ｍｍｘ２５．４ｍｍｘ１．５ｍｍ）の欠陥を有する実際の直径４．５インチ（１１４．３ｍｍの）のパイプ周りの磁場のｘ成分のグラフを含む。このグラフは歪んだ表面１０００として描写されている。パイプ長手方向軸１００２からの表面１０００の半径方向距離は、磁場のｘ成分の強度を示す。
【００５８】
パイプの製造過程は、磁場にアーチファクトを残す。この製造過程に起因する磁場でしばしば観察される螺旋状パターン、特徴８０２（図８及び図９）は、図１０に明らかであり、螺旋状破線１００４により示されるように、磁場強度の隆起部が製造特徴に空間的に対応する。
【００５９】
また、図１０では、磁場強度のピーク１００６が明らかである。さらに、点線１００８により示されるように、ピーク１００６に近接する表面の形状は、図４のＢｙ曲線の形状に類似しており、従って欠陥の特徴を示している。
【００６０】
パイプ周りの磁場のｙ成分及びｚ成分を用いて、同様の解析が実行可能である。この３つの解析により見出される欠陥の相関する位置は、磁場の１成分だけの解析よりも欠陥の位置をより正確に提示する。
【００６１】
センサアレイ
図１１は、本発明の実施形態を概略的に示す。この実施形態では、磁気センサユニット１１００はパイプ１１０２の周りに固定される。磁気センサユニット１１００は、互いにヒンジ連結される２つの半円形部分（ハーフシェル）を含む。このヒンジは、磁気センサユニット１１００の裏面に位置し、従って図１１では見えない。解除可能なラッチ１１０４が２つのハーフシェルを互いに機械的に固定し、それによって、パイプ１１０２周りで磁気センサユニット１１００をクランプする。ラッチ１１０４は、磁気センサユニット１１００をパイプ１１０２に十分に緊密に固定し、工業設備などの通常使用で遭遇すると予期される力に応じたパイプ１１０２周りの磁気センサユニット１１００の回転及びパイプ１１０２に沿った磁気センサユニット１１００の移動を防止する。ラッチ１１０４は、磁気センサユニット１１００の無許可の取り外し又は不正操作を防止するために施錠することができる。磁気センサユニット１１００は、耐候性並びに防爆に関するＡＴＥＸ／ＵＬ指令基準を満たすように構成することができる。
【００６２】
好都合には、磁気センサユニット１１００は被測定物品と接触する必要がないので、パイプ断熱材又はパイプ表面処理部などの何らかの既存のパイプ被覆上に、パイプ被覆を除去することなく、パイプ１１０２に取り付けることができる。必要であれば、付加的な断熱材又は他の被覆は、設置した磁気センサユニット１１００上に取り付けることができる。
【００６３】
磁気センサユニットの外部ハウジングの一部分１１０５は、磁気センサのアレイ１１０６を示すために図１１では取り外して示されている。アレイ１１０６の各磁気センサは、３軸磁気測定式とすることができる。開口部１１０５を通して見えることができるように、磁気センサ１１０６はパイプ１１０２の周りにリング状に配置される。各リングは、リングの周りに規則的に間隔を空けて配置される多数の磁気センサを含む。これらの内部リングは、パイプ１１０２に沿って長手方向に規則的な間隔で離間し、パイプ１１０２の外面と平行に配置されてパイプ１１０２から一定の距離、場合によってはゼロの間隔を空けた磁気センサの規則的な２次元アレイを本質的に作り出す。コア回路基板１１０８は、アンテナ１１１０と、磁気センサ１１０６を制御し、磁気センサ１１０６からデータを収集し、かつ無線通信ネットワークを経由して他の磁気センサユニット及び／又は基地局（図示せず）と通信する回路とを含む。
【００６４】
エネルギー取得器１１１２のセットは、パイプ１１０２と周囲環境との温度差で発電を行う。任意選択で又は代わりに、エネルギー取得器１１１２は光起電力セル及び／又はいずれか他の適切なエネルギー取得技術を含むことができる。任意選択で又は代わりに、電力要求及び寿命が実行可能な選択肢である場合、エネルギー取得器の有無に関わらず、一次電池を使用することができる。コア回路基板１１０８が必要とするまで取得したエネルギーを蓄えるために、再充電可能な電池１１１４を含むことできる。エネルギー取得器１１１２は、図示のようにリング状に配置することができる。
【００６５】
磁力計１１０６の間隔は、例えば約０．３インチ（７．６ｍｍ）の磁力計間の間隔、つまり隣接する３軸磁気センサ間の間隔などの、所望の磁力計密度を達成するように選択することができる。磁力計間の間隔は、検出すべき最小限度サイズの欠陥に基づいて選択することができる。磁力計間の間隔は、磁場マップにおいて欠陥の識別特性形状を検出可能とするために、検出すべき最小欠陥に十分な数の３軸磁気センサが広がるように選択する必要がある。
【００６６】
図１２は、パイプ１１０２に取り付けられた磁気センサユニットのセット１２００を概略的に示す。図１２に示すように、パイプ１２０２の長さの全部又は一部に沿って、いくつかの磁気センサユニット１２００を緊密にパックすることができる。この実施形態では、エネルギー取得器リング１２０４、１２０６及び１２０６により例示される各エネルギー取得器リングは、その両側で１つずつ、２つの磁気センサユニットに給電する。図１３に概略的に示すように、磁気センサユニットのセット１３００をパイプ１３０２に取り付けて、パイプ１３０２に沿って互いに離間させることができる。
【００６７】
図１４は、別の実施形態による磁気センサアレイ１４００の詳細図である。この実施形態では、磁気センサアレイ１４００は、図１１−図１３でのようにパイプ１４０２周りで円周方向に又は部分的に配置される。アレイ１４００は、アレイモジュール１４０４、１４０６及び１４０８により示されるいくつかのアレイモジュールを含む。しかしながら、明確にするために、図１４には８個のアレイモジュールだけを示す。各アレイモジュール１４０４−１４０８は、１対の周方向取付けリング１４１０及び１４１２に着脱自在に取り付けることができる。任意選択で又は代わりに、アレイモジュール１４０４−１４０８は、図１１−１３に関して説明したように、保護ハウジングの内側に実装することができる。一部の実施形態では、パイプ１４０２がアレイモジュールで囲まれるように、付加的なアレイモジュールは取付けリング１４１０及び１４１２に取り付けられる。しかしながら、別の実施形態では、アレイモジュール１４０４−１４０８は、パイプ１４０２周囲の一部だけを覆うことができる。一部の実施形態では、アレイモジュール１４０４−１４０８は、それらの現場交換を容易にする着脱自在の電気プラグを介して取り付けることができる。一部の実施形態では、アレイモジュール１４０４−１４０８は、ホットスワップ可能である。
【００６８】
アレイ１４００は、エネルギー取得器１４１４により給電可能であり、コア回路基板１４１６を含むことができる。アレイ１４００は、無線トランシーバ及びアンテナ（図示せず）を含む。
【００６９】
一部の実施形態では、各アレイモジュール１４０４−１４０８は、図１５に示すように１対の回路基板１５００及び１５０２を含む。１対の回路基板１５００−１５０２の各回路基板は、磁力計１５０４、１５０６及び１５０８で例示される１列の３軸磁力計を含む。一部の実施形態では、各回路基板は１６個の３軸磁力計１５０４−１５０８を含む。
【００７０】
アレイモジュール１５００−１５０２内部の各磁気センサ１５０４−１５０８は、３つの磁力計（３軸磁気センサと等価）を含む。３つの磁力計は相互に直交方向に配向すること、又は何らかの他の公知の配置に従って配向することができる。本明細書での磁力計の配向とは、磁力計の基本感度の軸を指す。一部の実施形態では、各アレイモジュール１４０４−１４０８（図１４）は、例えば１６ｘ１アレイ（図１５のように）又は１６ｘ１６アレイの３軸磁気センサなどのアレイを含む。
【００７１】
欠陥の識別特性を見つけるためのパターンマッチング
前述したように、一部の実施形態では、磁気測定データは、欠陥を示すいくつかの予め定義された空間的パターン（識別特性）の一部を得るために探索される。パターンは正弦曲線とすることができ、正弦曲線の長さ（波長）は欠陥の大きさに比例する可能性がある。その意味では、正弦曲線の波長は一般に先験的には未知である。前述のように、磁気センサのリング１６００はパイプ１６０２の周囲に配置されて、概略的に図１６に示すように、パイプ１６０２の外面と平行に配置される磁気センサの規則的な２次元アレイを作り出す。この磁気センサアレイは、磁気測定データを生成する。図１７は、実際のパイプから得られたこのような磁気測定データのグラフを含む。図１７のデータは、ｘ方向磁力計によって検出された、つまりパイプの長さ方向に沿う磁場強度成分を示す。図１８はｚ方向磁力計によって検出された、つまりパイプの表面に垂直な（又はほとんど垂直な）磁場強度の成分を示す。グラフ（図示せず）はｙ方向磁力計によって検出された、つまりｘ方向及びｙ方向磁力計に垂直な磁場強度の成分を示す。
【００７２】
各磁気センサ（センサユニット１１００内）（図１１）は、１６０４で例示するように（図１６）リング１６００の周りに所定の角度位置（「クロックポジション」）で配置される。図１７及び図１８のデータを生成した実施形態では、各リングは１８個の磁気センサを含んでいる。しかしながら、他の数のセンサを使用することができる。線１７００、１７０２及び１７０４によって示される全体として水平な線は、各々、パイプ周りの離散的角度位置にあるｘ成分感知用磁力計からのデータを表す。従って、垂直軸はパイプ周りの角度位置を表す。水平軸はパイプの長さに沿った距離を表す。従って、各線１７００−１７０４に沿う点は、パイプの長さに沿った磁場強度を表す。同様に、図１８は、図１７のデータに結びつく位置での磁場のｚ成分を示す。１７１０、１７１２、１８００及び１８０２に示すように、パイプ製造過程に起因する磁場の螺旋状変動は明らかである。欠陥の識別特性は、１７１４、１７１６、１８０４及び１８０６に存在する。この欠陥の検出法は以下に説明する。
【００７３】
磁力計から収集されたデータは、パイプに沿った及びパイプの周りの空間次元において連続微分可能であるように処理する必要がある。標準的な手法を用いて、センサデータの隙間を埋めて、データを滑らかに補間し、空間偏微分係数を計算できるようにする。
【００７４】
図１７のプロットにある各線１７００−１７０４に沿って、並びに同様にその他の２成分方向（例えば図１８など、磁場のベクトル成分のもう１つを示す）にある各線に沿って、空間微分係数（傾き又は変化の割合）が計算される。図１９及び２０は、それぞれ図１７及び１８から計算された微分係数のプロットである。微分係数を計算する動機は、欠陥の磁気的識別特性と残留磁場とは大きさが類似しているが、欠陥は範囲がより狭く、より急峻な立上がり及び立下がりを有する傾向があるということである。従って、微分係数はこの高周波数挙動を増幅させる傾向があり、欠陥は残留磁場の微分係数の特徴と比べて振幅と波長の両方において際立つ。例えば、図２０に見られるように、トレースの大部分は適度な振幅（従って、磁場信号において適度な傾き）を有する。これらは、非欠陥領域におけるトレースである。図２０の中心にある灰白色のトレース２０００は、欠陥を横切る２つのトレースである。この微分係数プロットでは、これらのトレースは振幅において非欠陥（残部）領域から突出しており、検出アルゴリズムが影響する付加的な情報を提供するということが分かる。
【００７５】
自動パターン照合器は、いくつかの正弦又は余弦テンプレートのうちの１つと一致する部分を求めて、結果として得られる微分係数を探索する。各テンプレートは、異なる空間波長に対応する。多くのテンプレートが使用されるが、それは、前述したとおり、欠陥の空間的広がり、従って欠陥の正弦及び余弦の空間波長は先験的には知られていないからである。磁場データと最も強い相関をもつ波長を備えたテンプレートが、欠陥の検出及び特徴付けのために使用される。
【００７６】
３つの別々の解析で、つまり磁場のｘ、ｙ及びｚに関して確認される欠陥の位置は組み合わされて、最終的な欠陥位置及び信頼度をもたらす。
【００７７】
欠陥の特徴付け
欠陥の位置が見出されると、その欠陥は、体積（失われた材料の量）及び表面広がり（パイプの表面で、又は欠陥がパイプの内部にある場合にはパイプの表面と平行に）の観点から特徴付けすることができる。一部の実施形態では、欠陥の一般的な形状に関する仮定を行う。例えば、欠陥は、一般的にパイプの表面で円形又は楕円形である、或いは何らかの垂直方向プロファイルを有すると仮定することができる。この種の仮定を用いて、欠陥の面積及び深さを概算することができる。
【００７８】
測定された磁場のｚ成分は、パイプに対して図２１に示すように、被測定強磁性体の表面に垂直である。磁場のｚ成分の振幅は、欠陥により失われた強磁性体の量に比例する。従って、同一直径を有する欠陥に対して、磁場のｚ成分は欠陥の深さにも比例する。図２１のグラフは、パイプ表面ではすべて同じ直径（パイプの壁厚さの４倍）の、３つの模擬欠陥を表している。曲線２１００は、深さがパイプ壁厚さの３０％である欠陥を表す。曲線２１０２は、深さがパイプ壁厚さの１５％である欠陥を表す。曲線２１０４は、深さがパイプ壁厚さの７％である欠陥を表す。グラフから分かるように、磁場のｚ成分の振幅は欠陥の深さに関係している。ｚ成分の振幅は失われた材料の体積に対してより比例的であり、欠陥成長の典型的な形状に関する仮定セットにより、欠陥の深さを推測することできる。この結果を３つの全ての磁場軸で調べることができる。従って、磁場成分の振幅が与えられると、材料の磁化が公知であると仮定して、さらに以下で説明するように、欠陥の体積を定量化することができる。この情報は、欠陥面積及び欠陥プロファイルと組み合わされて、概算的な欠陥深さの決定を可能にする。
【００７９】
しかしながら、所定の欠陥深さに対して、磁場成分のいずれかの振幅は欠陥の表面積の増加と共に増加する。これは、信号の振幅が欠陥の体積に比例するという点で予期することができ、特定の深さに関して表面積が増加するにつれて欠陥の体積も増加する。図２２では、グラフは、すべて同じ深さ（パイプの壁厚さの１５％）の、３つの模擬欠陥に対する磁場のｚ成分を表す。曲線２２００は、直径が２インチ（５０．８ｍｍ）である欠陥を表す。曲線２２０２は、直径が１インチ（２５．４ｍｍ）である欠陥を表す。曲線２２０４は、直径が０．５インチ（１２．７ｍｍ）である欠陥を表す。理解できるように、一定の欠陥深さに対して、磁場のｚ成分の振幅は、欠陥の体積増加により欠陥の表面積と共に増加する。しかしながら、その増加は、２２０６で示される予測可能な曲線に従う（それは体積を意味するので）。その結果として、この増加は数学的モデルで説明することができる。「広がり」２２０８として示されるグラフの頂部からグラフの谷部までの距離は、そのプロットを作り出した磁力計の方向に沿う欠陥の範囲に比例する。
【００８０】
欠陥信号の強度は、失われた材料の量と材料の磁化レベルの両方に比例する。このように、パイプの磁化は、失われた材料の体積の決定に有用であり、従って欠陥の面積及び深さの特徴付けに有用である。磁場の測定は、欠陥部位で行うべきではなく、すぐ近くの非欠陥部位で行うべきである。この局所的「残留」パイプ磁化の評価値は、欠陥信号の正規化を可能にし、それによって欠陥体積及び深さの計算を較正する。前述のように欠陥を見つけた後で、欠陥検出システムは、パイプの残留磁化レベルつまり欠陥を含まない領域での磁化レベルを測定する。
【００８１】
図２３は、パイプの欠陥に近接するｘ軸（パイプに沿って長手方向）に沿う磁場強度のグラフである。３つのプロットはすべて同じパイプ欠陥を表し、３つのプロットはすべて欠陥の識別特性を示す。しかしながら、各プロットのデータが収集される前に、パイプは異なる程度に磁化されている。プロット２３００に関して、パイプは、コイルを６９０Ａ／ｍ（アンペア／メートル）の強度で作動させて磁化されている。プロット２３０２に関して、パイプは、４６０Ａ／ｍで磁化されている。プロット２３０４に関して、パイプは、２３０Ａ／ｍで磁化されている。プロットから分かるように、欠陥識別特性はパイプの磁化に直接比例して増加する。
【００８２】
パイプの局所的な残留磁場強度を測定するための１つの実施形態を図２４にグラフで示す。漏れ経路（多くの場合、製造過程に起因するパイプの不均一性による）を有するパイプに関して、ｚ磁場（パイプの中心軸に対して半径方向）はパイプの長さに沿って所定の傾きを有する。この傾きは磁場強度に比例する。図２４の傾斜トレースは図２３に示す磁化事例に対応し、最小勾配は２３０Ａ／ｍの場合に対応し、最大勾配は６９０Ａ／ｍに対応している。これらの条件下で、磁場のｚ成分はパイプの残留磁場強度の独立した測定値を提供する。
【００８３】
図２３のプロットは残留磁化レベルに従って正規化されており、図２５のプロットをもたらし、図２５は図２３のプロットと一致するように番号付けされている。図２３及び２５を比較すると分かるように、パイプの残留磁化レベルによる正規化によって、信号振幅はパイプの磁化レベルとほとんど無関係にすることができる。このようにして、磁気測定振幅は、以下の深さ計算を用いて体積及び面積に変換することができる。
【００８４】
パイプの残留磁化レベルを決定する他の方法が想定される。例えば、パイプは設置された際に既知のレベルまで磁化されている場合があり、又は任意のレベルまで磁化することができ、その磁化レベルは測定可能である。いずれの場合でも、この磁化レベルは、基地局によりアクセス可能なメモリに記憶され、後に欠陥が検出されて深さ情報が望まれる場合に使用することができる。任意選択で又は代わりに、パイプの以前の磁化レベルに関する情報が保存されていない場合、欠陥が検出された状態で、磁気センサを使用して、すべての検出欠陥から離れた１又は２以上の領域におけるパイプの残留磁化を上記の勾配法又は別の独立した測定手法を用いて測定することができる。
【００８５】
本明細書で使用される場合、「スタンドオフ（standoff）」は、図２６に概略的に示すように欠陥と磁力計の間の距離を意味する。理論と実験は、磁気双極子に接近する場合に信号強度が逆二乗則に従って減少することを示す。センサが双極子の特性長に対する距離と同様なスタンドオフを有する場合、双極子は２つの独立した磁極のように見え、信号強度は逆二乗で減少する。スタンドオフが増加するにつれて、双極子の広がりは縮小するように見えて点源となる。これらの条件下で、理論と実験は、信号強度が逆三乗則に従って減少することを示す。従って、小さい欠陥は、そのサイズを超えてスタンドオフが変化するにつれてより多くの信号を失うが、大きい欠陥は、より大きなスタンドオフまでその信号の逆二乗低下を「享受」し続ける。例えば、１インチ（２５．４ｍｍ）角の欠陥に対して、スタンドオフが０．２５インチ（６．４ｍｍ）から２．２５インチ（５１．２ｍｍ）まで増加する時に、信号損失は１桁を超える。残留パイプ磁化特徴部は、その大きな空間的広がりのためによりゆっくりと強度が減少する。それでもかかわらず、本明細書に記述する装置及び方法は、石油及びガスのパイプライン、精製所等の欠陥といった、従来のパイプで見出される可能性がある欠陥を確実に検出する。
【００８６】
パイプ壁厚さ内部又は内壁面の欠陥は、必然的にパイプの外壁面の欠陥よりも磁力計から遠い。しかしながら、シミュレーション及び実験は、図２７のプロットに示すように、外部欠陥と対比して内部欠陥からの信号の僅かに小さい損失を示す。信号振幅の減少の大部分は、外部欠陥と対照的に内部欠陥で暗示されるより大きなスタンドオフによるものである。プロット２７００は外部欠陥に対するもの、プロット２７０２は内部欠陥に対するものである。
【００８７】
前述の考察で示したように、検出信号におけるパラメータの多くは、複数の依存源を有する。これらの依存性は、欠陥の検出及び特徴付けを実行する際に理解して処理する必要がある。１つの関連性は、センサ間隔依存性である。図１４及び１５に示唆されるように、磁気センサ（磁力計）の接近した間隔が対象となる。磁力計の間隔は、どの程度小さな欠陥（表面に沿って測定される）が検出及び特徴付け可能であるかに関係する。検出方法は、正弦波及び余弦波との相関を見出すことに依存するので、正確に正弦波であると判定するためには正弦波に沿って十分な数の磁力計が存在することが必要である。実際には、０．３インチから０．４インチまで（７．６から１０．２ｍｍまで）間隔を空けたセンサを用いて、約１インチ（２５．４ｍｍ）の欠陥を接近した（１インチ（２５．４ｍｍ）以下）スタンドオフで検出することができる。スタンドオフが増加するか又は表面寸法が減少するにつれて、検出漏れ及び誤り検出の可能性が高くなり、欠陥を確実に検出する能力は低下する。
【００８８】
時間的欠陥検出
前述したように、本発明の一部の実施形態では、欠陥の識別特性を得るために磁気測定データを探索するのではなく、異なる時間に収集された２つのデータセットを比較して欠陥を検出する。例えば、第１のデータセットは、物品が新品の時に又は何らかの他の時点で収集することができる。第２のデータセットは後に収集される。２つのデータセットは空間的に互いに関係付けられて、第１のデータセットの空間的に対応する磁場強度から第２のデータセットの磁場強度を減算する。この減算は軸毎に実行される。図２８は、磁場のｘ成分を示す、このような減算結果の表面プロットである。破線２８００で強調されるように、欠陥の識別特性がはっきりと見える。線２８００の形状は図４のＢｙ曲線の形状と類似しており、それゆえ、欠陥の特徴を示している。実際には、欠陥は、この時間的な減算の後で空間解析の基本的方法で見出され、残りの信号を確認するための適合する正弦波及び余弦波の１つは、欠陥の識別特性である。前述のように、空間的欠陥検出に関して、３軸の各々で検出された欠陥に関する空間的情報を組み合わせて、より正確な欠陥検出情報を作り出すことができる。欠陥を特徴付ける（体積、面積及び深さ）ための上記の手法は、この時間的方法の後に適用することができる。
【００８９】
欠陥に対する物品の物理的走査
前述したように、物品に関する磁気測定データは、物品の周りに配置される固定した磁気センサセットによって取得することができる。任意選択で又は代わりに、走査なしで磁気測定データを取得するのに必要となるよりは少ない磁気センサセットによって、物品を物理的に走査することができる。物品はその長手方向軸に沿って、又は何らかの他の適切な方向に沿って走査することができる。図２９は物理的スキャナ２９００の斜視図である。パイプ等の物品２９０２はスキャナ２９００により走査することができる。単一の磁気センサ、小さなグループの磁気センサ、又は1次元アレイ磁気センサ２９０４は、１自由度、２自由度又は３自由度のスキャナアーム２９０６によって支持される。第１のリニアモータ２９０８は磁気センサ２９０４のアレイを物品２９０２から垂直方向の適切な距離に位置決めする。第２のリニアモータ２９１０は、走査軸に垂直な軸線に沿って磁気センサアレイ２９０４を位置決めする。第３のリニアモータ２９１２は、走査軸に沿って磁気センサアレイ２９０４を平行移動させる。１つの走査が完了すると、物品を走査軸の周りに回転させることができ、別の走査を実行することができる。物品の所望の全ての部分が走査されるまで、この過程を繰り返すことができる。
【００９０】
図３０の斜視図で示す別の実施形態では、磁気センサのリングは物理的スキャナ３００２によって平行移動される。別の実施形態では、走査は２次元とすることができる。例えば、適切な物理的スキャナを用いて、物品はスパイラル走査、ラスタ走査、又は別経路による走査を受けることができる。
【００９１】
磁力計からのデータ収集、磁場マッパー、パターン照合器、及び基地局制御機能並びに本明細書に記述する他の機能は、図３１に概略的に示すように、メモリに保存される命令を実行するプロセッサによって実行可能である。
【００９２】
上述の例示的な実施形態を通して本発明を記述したが、本明細書に開示する発明の概念から逸脱することなく、例示の実施形態に対する変更形態及び変形形態を作製することができる。さらに、開示された態様、又はその一部を上記に列挙されない及び／又は明確に請求されない方法で組み合わせることができる。従って、本発明は、開示された実施形態に限定されるものと見なすべきではない。
【００９３】
実施形態の態様は流れ図及び／又はブロック図に関連して記述することができるが、各ブロック或いはブロック組合せの全部又は一部の機能、操作、判定などを組み合わせる、別々の操作に分離する、又は別順に実行することができる。各ブロック或いはブロック組合せの全部又は一部は、コンピュータプログラム命令（ソフトウェアなど）、ハードウェア（組合せ論理回路、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）又は他のハードウェア）、ファームウェア又はそれらの組合せとして実施可能である。実施形態は、メモリに保存された命令を実行する、又はその命令により制御されるプロセッサによって実施可能である。メモリは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、或いは、制御ソフトウェア又は他の命令及びデータを記憶するのに適した何らかの他のメモリ又はそれらの組合せとすることができる。本発明の機能を規定する命令は、有形な書込み不可な記憶媒体（例えば、ＲＯＭなどのコンピュータ内の読出し専用メモリ、又はＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤディスクなどのコンピュータＩ／Ｏ付属装置により可読なデバイス）に永続的に保存された情報、有形な書込み可能な記憶媒体（例えば、フロッピーディスク、消去可能なフラッシュメモリ及びハードドライブ）に変更可能に保存された情報、又は通信媒体を通してコンピュータへ伝達される情報を含むが、これらに限定されない多くの形式でプロセッサに送出することができる。さらに、実施形態は様々な例示的データ構造に関連して記述可能であるが、様々なデータ構造を用いてシステムを具体化することができる。
【符号の説明】
【００９４】
２８００  欠陥の識別特性を示す線
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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