(57)【要約】  ヒステリシス強磁性材料及び／又は非ヒステリシス材料の１つ又は複数の材料状態を判断する方法は、ヒステリシス強磁性材料及び／又は非ヒステリシス材料を入力時変磁場により調査する工程と、ヒステリシス強磁性材料及び／又は非ヒステリシス材料からの経時的磁気応答及び／又は音響応答を検出する工程とを含み得る。本方法はまた、受信された磁気応答及び／又は音響応答の時間依存非線形特性を判断する工程と；受信された磁気応答又は音響応答の時間依存非線形特性と材料の１つ又は複数の材料状態とを相関付ける工程とを含み得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのヒステリシス強磁性材料及び／又は少なくとも１つの非ヒステリシス材料の材料状態を判断するための方法であって、
前記ヒステリシス強磁性材料及び／又は前記非ヒステリシス材料を入力時変磁場により調査する工程と；
前記ヒステリシス強磁性材料及び／又は前記非ヒステリシス材料から経時的に磁気応答及び／又は音響応答を検出する工程と；
前記受信された磁気応答及び／又は音響応答の時間依存非線形特性を判断する工程と；
前記受信された磁気応答及び／又は音響応答の前記時間依存非線形特性と前記材料の１つ又は複数の材料状態とを相関付ける工程とを含む方法。
【請求項２】
調査用磁場は追加磁場を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記追加磁場は一定直流磁場を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記調査用磁場は消磁磁場を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記材料の前記１つ又は複数の材料状態は材料相であり、前記材料は少なくとも１つのヒステリシス強磁性材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記材料の前記１つ又は複数の材料状態は非ヒステリシス材料の存在であり、前記材料は少なくとも１つのヒステリシス強磁性材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記時間依存非線形特性を判断する工程は、パワースペクトル密度データを生成するために前記受信された磁気応答及び／又は音響応答のパワースペクトル密度解析を含む周波数領域解析を行う工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記時間依存非線形特性を判断する工程は前記パワースペクトル密度データの１つ又は複数の高調波ピーク値を判断する工程を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記１つ又は複数の高調波ピーク値を判断する工程は前記スペクトル密度データの１つ又は複数の高調波係数を判断する工程を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記１つ又は複数の高調波係数及び／又はピーク値を判断する工程は前記スペクトル密度データの奇数高調波係数及び／又はピーク値を判断する工程を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記奇数高調波係数及び／又はピーク値を判断する工程は前記スペクトル密度データの第３及び／又は第５高調波を判断する工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記時間依存非線形特性を相関付ける工程は前記第３及び／又は第５高調波と前記１つ又は複数の材料状態とを比較し相関付ける工程を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記１つ又は複数の高調波係数及び／又はピーク値を判断する工程は前記スペクトル密度データの偶数高調波係数及び／又はピーク値を判断する工程を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記偶数高調波係数及び／又はピーク値を判断する工程は前記スペクトル密度データの第２高調波を判断する工程を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記時間依存非線形特性を相関付ける工程は、第２高調波と、前記材料の磁化状態及び前記材料の既存残留磁化を含む追加材料情報とを比較し相関付ける工程を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記材料の前記１つ又は複数の材料状態は前記材料の１つ又は複数の第１の材料状態であり；
前記材料の１つ又は複数の第２の材料状態を生成するために異なる構成で前記入力時変磁場により、調査する工程と、検出する工程と、判断する工程と、相関付ける工程とを反復する工程と；
前記１つ又は複数の材料状態を表す組み合わされたデータセットを生成するために前記材料の前記１つ又は複数の第１の材料状態と１つ又は複数の第２の材料状態とを組み合わせる工程とをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
入力時変磁場によりヒステリシス強磁性材料及び／又は非ヒステリシス材料を調査する工程と；磁気センサ及び／又は音響センサから経時的に磁気応答及び／又は音響応答を検出する工程と；前記受信された磁気応答及び／又は音響応答の時間依存非線形特性を判断する工程と；前記受信された磁気応答及び／又は音響応答の前記時間依存非線形特性と前記材料の１つ又は複数の材料状態とを相関付ける工程とを含む方法を行うための命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１８】
前記時間依存非線形特性を判断する工程はパワースペクトル密度データを含む周波数領域データを生成するために前記受信された磁気応答及び／又は音響応答のパワースペクトル密度解析を含む周波数領域解析を行う工程を含む、請求項１７に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１９】
少なくとも１つのヒステリシス強磁性材料及び／又は少なくとも１つの非ヒステリシス材料の材料状態を検出するためのデバイスであって、
調査用時変磁場を出力するように構成された少なくとも１つの磁気送信機と；
磁気応答及び／又は音響応答を受信するとともに前記磁気応答及び／又は音響応答を磁気応答信号及び／又は音響応答信号へ変換するように構成された少なくとも１つの磁気センサ及び／又は音響センサと；
少なくとも１つの磁気センサ及び／又は音響センサから経時的に前記磁気信号及び／又は音響応答信号を検出する工程と；前記磁気信号及び／又は音響信号の時間依存非線形特性を判断する工程と；前記磁気信号及び／又は音響信号の前記時間依存非線形特性と前記材料の１つ又は複数の材料状態とを相関付ける工程とを含む方法を実行するように構成されたプロセッサとを含むデバイス。
【請求項２０】
前記調査用磁場は追加磁場を含む、請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記追加磁場は一定直流磁場を含む、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記デバイスはユーザに前記材料の前記１つ又は複数の状態を示すように構成された出力デバイスを含む、請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの磁気センサ及び／又は音響センサは周囲の様々な位置における及び／又は前記少なくとも１つの磁気送信機のそれぞれと対をなす磁気センサ及び／又は音響センサの４つの複製である、請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの磁気センサ及び／又は音響センサは周囲の様々な位置における及び／又は前記少なくとも１つの磁気送信機のそれぞれと対をなす磁気センサ及び／又は音響センサの８つの複製である、請求項１９に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、材料検査に関し、より具体的には非破壊材料検査に関する。
【背景技術】
【０００２】
パイプライン、配管、鋼板、溶接構造、及び限定しないが周溶接部、隅肉溶接部、重ね溶接部及び突き合せ溶接部を含み得る様々なタイプの溶接部の非破壊検査のためのハードスポット及び／又は他の好適な材料状態及び非均質性（例えばパイプライン鋼又は他の好適な材料内の）を評価するためのシステム及び方法は、材料及び溶接品質だけでなく材料完全性（例えばパイプライン完全性）も判断する際に価値がある。このようなシステム及び方法は、例えば溶接及びパイプライン材料に関する情報をこのような材料上で非破壊的に取得し得る。
【０００３】
現在、パイプライン検査ゲージ(PIGs:pipeline inspection gauges)は、亀裂及びハードスポットなどのパイプ中の異常及び欠陥を検出するために非破壊パイプライン検査を行うツールとして使用されている。最も一般的に使用される技術は、漏洩磁束(MFL:magnetic flux leakage)、超音波亀裂検出ツール(UT:ultrasonic crack detection tool)、及び電磁エネルギーと機械的波とを結合する電磁超音波トランスデューサ(EMAT:electromagnetic acoustic transducer)を含む。同様に、溶接部は、磁粉探傷試験、超音波試験及び渦流試験を含む技術を使用して非破壊的に検査される。これらすべての検査技術は「異常及び欠陥が、バルク材料のものとは検知可能に異なるいくつかの材料特性（例えば、透磁率の差に起因する漏洩磁束、又は機械的振動振る舞いの差に起因する反射超音波）を保有する」という原理に基づく。
【０００４】
パイプライン、配管、鋼板、溶接構造、及び限定しないが周溶接部、隅肉溶接部、重ね溶接部及び突き合せ溶接部を含み得る様々なタイプの溶接部内の異常及び欠陥を検出するために使用され得る有用であるが見過ごされてきた材料特性がある。これは強磁性材料内の磁気応答の非線形性質である。非線形磁気応答は、漏洩磁束又は線形応答関数を探査する現在の方法により到達可能でない情報及び精度を提供する。材料及び溶接品質だけでなく材料完全性の重要性の理由で、検査システム及び方法を改善することにより非破壊材料検査の従来技術をさらに改善する継続的必要性がある。本開示はこの必要性のための解を提供する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の少なくとも１つの態様によると、少なくとも１つのヒステリシス強磁性材料及び／又は少なくとも１つの非ヒステリシス材料からなる試料の１つ又は複数の材料状態を判断するための方法。方法は、試料を入力時変磁場（または入力時間変化磁場，input time varying magnetic field)により調査する工程と、ヒステリシス強磁性材料からの経時的な磁気応答又は音響応答を検出する工程とを含み得る。本方法はまた、受信された磁気応答又は音響応答の時間依存非線形特性を判断する工程と、受信された磁気応答又は音響応答の時間依存非線形特性と材料の１つ又は複数の材料状態とを相関付ける工程とを含み得る。
【０００６】
時間依存非線形特性を判断する工程は、パワースペクトル密度データを生成するために、受信された磁場応答又は音響応答のパワースペクトル密度解析などの周波数領域解析（frequency domain analysis）を行う工程を含み得る。いくつかの実施形態では、時間依存非線形特性を判断する（または決定する、determining）工程は、パワースペクトル密度(Power Spectral Densities)データの１つ又は複数の高調波ピーク値を判断する工程を含み得る。
【０００７】
１つ又は複数の高調波ピーク値を判断する工程はスペクトル密度データの１つ又は複数の高調波係数を判断する工程を含み得る。例えば、１つ又は複数の高調波係数及び／又はピーク値を判断する工程はスペクトル密度データの奇数高調波係数及び／又はピーク値を判断する工程を含み得る。
【０００８】
いくつかの実施形態では、奇数高調波係数及び／又はピーク値を判断する工程はスペクトル密度データの第３及び／又は第５高調波を判断する工程を含み得る。時間依存非線形特性を相関付ける工程は、第３及び／又は第５高調波と調査対象試料の１つ又は複数の材料状態とを比較し相関付ける工程を含み得る。
【０００９】
調査対象試料（少なくとも１つのヒステリシス強磁性材料及び／又は少なくとも１つの非ヒステリシス材料を含む）は、限定しないが、１つ又は複数の材料状態を有する少なくとも１つの材料相からなる試験材料を含み得る。１つ又は複数の材料状態は、限定しないが、ヒステリシス強磁性材料及び／又は非ヒステリシス材料のうちの少なくとも１つの材料相の存在を含み得る。いくつかの実施形態では、ヒステリシス強磁性材料は、限定しないが、鋼、ニッケル、コバルト、及び多様な炭素鋼などのそれらの合金を含み得る。いくつかの実施形態では、非ヒステリシス材料は、限定しないが、大気、アルミニウム、オーステナイトステンレス鋼、二相ステンレス鋼及び高マンガン鋼を含み得る。材料相は、限定しないが、様々な化学成分及び／又は結晶配位を有するオーステナイト、マルテンサイト、フェライト、パーライト、ベイナイト、ラスベイナイト、針状フェライト及び準多角形状フェライトのうちの少なくとも１つを含み得る。試料の非均質性は、限定しないが、２つ以上の材料相からなる試験材料を含み得る。非均質性の非限定的例はハードスポット及び／又は亀裂／欠陥（例えば鋼管内の）である。
【００１０】
本開示の少なくとも１つの態様によると、非一時的コンピュータ可読媒体は、本明細書に記載の任意の好適な方法及び／又はその任意の好適な部分を行うための命令を含み得る。例えば、本方法は、時変磁場（または時間変化磁場，time varying magnetic field）を生成し、磁気センサ又は音響センサからの磁気応答又は音響応答信号を長期にわたって検出する工程と、受信された磁気応答又は音響応答の時間依存非線形特性を判断する工程と、受信された磁気応答又は音響応答の時間依存非線形特性と材料の１つ又は複数の材料状態とを相関付ける工程とを含み得る。本明細書に記載の方法の任意の実施形態の任意の他の好適な部分が追加的に又は代替的に含まれ得る。
【００１１】
本開示の少なくとも１つの態様によると、少なくとも１つのヒステリシス強磁性材料及び／又は少なくとも１つの非ヒステリシス材料からなる調査対象試料の１つ又は複数の材料状態を検出するためのデバイスは、調査用磁場を出力するように構成された磁気送信機；磁気応答又は音響応答をそれぞれ受信し、磁気応答又は音響応答を磁気信号又は音響応答信号へ変換するように構成された磁気センサ又は音響センサ；及び本明細書に記載の任意の好適な方法及び／又はその任意の好適な部分を実行するように構成されたプロセッサを含み得る。いくつかの実施形態では、本デバイスは、材料の１つ又は複数の状態をユーザに示すように構成された指示器を含み得る。いくつかの実施形態では、出力デバイスは、適切な即時リアルタイム行為について１人又は複数のユーザに通知することを意味する指示器を含み得、ユーザは指示器を直接観測し得る。他のいくつかの実施態様では、出力デバイス２０７はまた、ユーザと通信するためのデバイスを含み得、これもまた、適切な即時リアルタイム行為についてユーザに通知することを意味するが、ユーザは離れた場所にいてもよく、通信は有線経路を介しても無線経路を介してもよい。他のいくつかの実施態様では、出力デバイス２０７はまた、即時リアルタイム行為のためのものではない後の検索及び後処理のためのデータ収集及び格納デバイスを含み得る。
【００１２】
主題開示のシステム及び方法のこれら及び他の特徴は添付図面と併せた以下の詳細な説明から当業者により簡単に明らかになる。
【００１３】
したがって、主題開示が属する技術領域の習熟者は、どのように主題開示のデバイス及び方法を不必要な実験無しに作成し使用するかを容易に理解することになる。その実施形態は、以下のいくつかの図面を参照して本明細書において詳細に述べられることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本開示による方法の実施形態の流れ図である。
【図２Ａ】材料の同じ側に送信コイル及びピックアップコイルを有して示された本開示によるデバイスの実施形態の概略図である。
【図２Ｂ−Ｄ】大気、マルテンサイト及びフェライト上でそれぞれ使用された図２Ａの実施形態のパワースペクトル密度グラフである。
【図３Ａ】材料の対向側に送信コイル及びピックアップコイルを有して示された本開示によるデバイスの実施形態の概略図である。
【図３Ｂ−Ｄ】大気、マルテンサイト及びフェライト上でそれぞれ使用された図３Ａの実施形態のパワースペクトル密度グラフである。
【図４Ａ−Ｂ】同じ側の構成（例えば図２Ａの）を有するモデル材料の非線形磁気検出に関するシミュレーション結果を示す。
【図５Ａ−Ｂ】強い外部磁場下のモデル材料の非線形磁気応答を試験するためのセットアップの概略実施形態を示す。
【図６Ａ−Ｃ】様々な周波数における第２高調波ＰＳＤ試験結果を示す。
【図７Ａ−Ｃ】鋼管上の馬蹄形磁石の軸対称シミュレーションを示す。
【図８Ａ】非線形磁気音響検出のためのセットアップの実施形態を示す。
【図８Ｂ】非線形磁気音響検出のＰＳＤ結果を示す。
【図９】各磁気送信機の周囲の様々な位置における及び／又は各磁気送信機と対をなす磁気センサ及び／又は音響センサの４つの複製を含む例示的配置である。
【図１０】各磁気送信機の周囲の様々な位置における及び／又は各磁気送信機と対をなす磁気センサ及び／又は音響センサの８つの複製を含む例示的配置である。
【図１１Ａ−Ｆ】溶接部内に硬質相を有する実際のパイプ（図１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｄ、１１Ｅ）及び溶接部内に硬質相を有しないパイプ部（図１１Ｃ、１１Ｆ）上の非線形磁気検出のデータを示す。
【図１２Ａ−Ｃ】非ヒステリシス材料とヒステリシス強磁性材料の非均質性を有する非ヒステリシス材料との間の検出及び差異の実施形態を示す。
【図１３Ａ−Ｅ】実際のパイプライン鋼内の異常を検出するための本開示のデバイスのアプリケーションを示す。図１３Ａ及び図１３Ｂは、試料に対するデバイスの２つの構成から生成されるデータマップである。図１３Ｃは、任意の特定位置における図１３Ａと図１３Ｂとの両方からの合成データセットを有するデータマップである。図１３Ｃでは、図１３Ａと図１３Ｂとの間の正規化第３高調波のより低い値だけを使用する。図１３Ｅは、試料写真上のビッカース硬度（ＶＨＮ：Vickers Hardness number）測定結果のオーバーレイである。図１３Ｄは、図１３Ｅからのデータの抜粋である。
【図１４Ａ−Ｃ】大気、マルテンサイト及びフェライト上でそれぞれ使用されたときのパワースペクトル密度グラフである。
【図１５Ａ−Ｂ】炭素鋼板内の異常を検出するための本開示のデバイスのアプリケーションを示す。
【図１６Ａ−Ｂ】炭素鋼板内の異常を検出するための本開示のデバイスのアプリケーションを示す。
【発明を実施する形態】
【００１５】
本明細書の詳細な説明及び特許請求の範囲内のすべての数値は、「約」又は「ほぼ」指示値により修飾され、当業者により予想されるであろう実験誤差及び変動を考慮する。本発明は、少なくとも１つのヒステリシス強磁性材料からなる試料の非線形磁気応答を検出する方法及び装置を使用する方法に関する。磁性材料の線形応答関数は次式により与えられる。
Ｂ（ｘ）＝μ０（Ｈ（ｘ）＋Ｍ（ｘ））＝Ｆ（Ｈ（ｘ））
ここで、Ｈ（ｘ）は、空中の位置（ｘ）と共に変化し得る印加された磁場強度（アンペア／メートルの単位）であり、Ｍ（ｘ）は材料の当初磁化状態だけでなく位置（ｘ）にも依存する磁化（アンペア／メートルの単位）であり、μ０は透磁率定数（ヘンリー／メートルの単位）であり、Ｂ（ｘ）は空中の位置（ｘ）と共に変化し得る磁束密度（テスラの単位）であり、Ｆ（Ｈ（ｘ））はＨ（ｘ）に線型に依存する関数である。以降、Ｂ（ｘ）、Ｈ（ｘ）、Ｍ（ｘ）、Ｆ（Ｈ（ｘ））はそれぞれＢ、Ｈ、Ｍ、Ｆ（Ｈ）と呼ばれる及び／又は対応パラメータが時間と共に変化すればＢ（ｔ）、Ｈ（ｔ）、Ｍ（ｔ）、Ｆ（Ｈ（ｔ））と呼ばれる。この線形従属性は静磁場において見られるタイプの応答である。漏洩磁束（ＭＦＬ）及び電磁超音波トランスデューサ（ＥＭＡＴ）ツールなどの現在の検査ツールは、Ｈに主として線型に依存する関数に応答するように構成される。強磁性材料に関しこの依存性は複雑となり得るということに注意すべきである。印加磁場が時変である場合、線形演算子はもはや印加磁場と磁化との間の関係を記述しない。印加時変磁場Ｈ（ｔ）による強磁性材料中の磁束密度Ｂ（ｔ）は、一連の非線形関数の時間積分と共に線形演算子により近似され得る：
【数１】
2021502558.tif 000003
【００１６】
関数Ｆ２は二次非線形応答を生じ、関数Ｆ３は三次非線形応答を生じ、関数Ｆｎはｎ次非線形応答を生じる。時間積分：
【数２】
2021502558.tif 000004
は、磁束密度Ｂ（ｔ）が関数Ｆｎ（Ｈｎ（ｔ））の履歴に依存するということを表す。
【００１７】
本発明は強磁性材料内の材料状態及び非均質性を特徴付けるためのより良いやり方を提供するためにこれらの非線形応答を利用する。印加磁場Ｈ（ｔ）が正弦波であり、周波数ωと共に正弦波的に変化すれば、二次応答は２ωとして変化し、三次応答は３ωとして変化し、ｎ次応答はｎωとして変化する。印加磁場が任意時間依存性を有すれば、非線形応答は、磁化及び磁束密度（式１中のＢ（ｔ））から発生し得る信号の時間依存性の解析から抽出され得る。いくつかのケースでは、これは、磁化及び磁束密度（式１中のＢ（ｔ））に起因する信号の時間依存性のフーリエ解析により行われ得る。いくつかの例では、非線形応答は、磁化及び磁束密度（式１中のＢ（ｔ））に起因する信号の時間依存性から直接特徴付けられ得る。
【００１８】
添付図面が次に参照され、ここで同様な参照符号は主題開示の同様な構造的特徴部又は態様を識別する。制限ではなく説明及び例示の目的のために、本開示による方法の実施形態の例示的図が図１に示され、本方法は参照符号１００により概して指定される。本開示の他の実施形態及び／又は態様は図２Ａ〜図１６Ｂに示される。本明細書において説明されるシステム及び方法は材料の材料状態（例えば、金属パイプライン中の材料相及び／又は欠陥）を判断するために使用され得る。
【００１９】
以下では、ヒステリシス強磁性材料中の非線形磁気応答の一般的理解が提供される。以下に説明される実施形態は、研究される試料の材料状態及び不均質性を検出するための高速、簡単、且つ一般的やり方を提供する。非均質性の非限定的例はハードスポット及び／又は亀裂／欠陥（例えば鋼管内の）である。本明細書において説明されるいくつかの実施形態は内蔵強磁性コアを必要とせず、したがって、精密な背景信号を提供するために大気環境中で較正され得る。本方法はまた、大気以外の環境における較正を可能にする（例えば油中に浸された試料）。
【００２０】
印加時変磁場内の磁束密度（式１中のＢ（ｔ））の非線形応答は検出され得る多くの応答を生じる。これらの応答は印加時変磁場から生成される磁束密度の時間依存性に追随し、非線形応答は磁化及び磁束密度（式１中のＢ（ｔ））のヒステリシスの応答に起因する。理論的と実験的との両方で、対称ヒステリシス応答は奇数高調波を生じる一方で非対称ヒステリシス応答は偶数高調波を生じるということが示される。対称ヒステリシス応答は通常、限定しないが強磁性材料に結び付き、非対称ヒステリシス応答は通常、限定しないがヒステリシス材料内の残留磁化状態に結び付き、いくつかの実施形態がまた、ヒステリシス材料の磁化状態を検出するために適用され得る。本発明の一実施形態は、磁気送信機からの時変磁場による試料の調査と、試料の近傍にある磁気センサによる磁束密度（式１中のＢ（ｔ））の検出とを含む。この実施形態の変形は、磁化にバイアスをかける直流磁場の取り込みを含む。別の変形形態は残留磁化による試料の測定を含む。さらに別の変形形態は消磁された試料の測定を含む。異なる実施形態は、磁気送信機からの時変磁場による試料の調査と、磁束密度（式１中のＢ（ｔ））及び非線形磁気音響応答（例えばＥＭＡＴと同様な）の検出とを含むが、音響信号の非線形スペクトルを考慮する。この実施形態の変形は磁化にバイアスをかける直流磁場の取り込みを含む。別の変形形態は残留磁化による試料の測定を含む。さらに別の変形形態は消磁された試料の測定を含む。
【００２１】
非線形磁気応答の一般的原理は、時変磁場Ｈ（ｔ）を試料へ印加することと応答を検出することとに依存する。この原理は、時変磁場が空間的可変励磁磁場：
【数３】
2021502558.tif 000005
及び角周波数ω＝２πｆによる交流磁気変調：
【数４】
2021502558.tif 000006
であるケースから示されることになる。このような交流変調は時変電流：
【数５】
2021502558.tif 000007
により実現され得る（アンペールの法則：
【数６】
2021502558.tif 000008
を考慮し、第２項：
【数７】
2021502558.tif 000009
は我々の周波数範囲：
【数８】
2021502558.tif 000010
では無視可能である）。直流励磁磁場：
【数９】
2021502558.tif 000011
もまた、直流電流又は永久磁石により印加され得、源：
【数１０】
2021502558.tif 000012
により生成される全磁場に至る。炭素鋼などの強磁性材料及び鋼内の他のフェライト相に関して、場ＢとＨとを結び付ける比透磁率μｒはヒステリシス非線形演算子である。したがって、一次磁場：
【数１１】
2021502558.tif 000013
は、強磁性材料内部では非線形であろう、そして一次磁場はテイラー級数：
【数１２】
2021502558.tif 000014
として記述され得る。
【００２２】
ファラデーの法則：
【数１３】
2021502558.tif 000015
により、鋼内に誘起された電界：
【数１４】
2021502558.tif 000016
及びその結果の渦電流：
【数１５】
2021502558.tif 000017
は、両方とも鋼の伝導率σが通常はスカラー線形演算子であるので非線形である。渦電流は、表皮厚さ：
【数１６】
2021502558.tif 000018
を有する導電材料の表面の周囲にだけ分散され、アンペールの法則∇×Ｈ２＝Ｊｅｄｄｙ＝σＥ２から、二次磁場：
【数１７】
2021502558.tif 000019
を生成する。この結果、二次励磁磁場：
【数１８】
2021502558.tif 000020
は、一次磁場：
【数１９】
2021502558.tif 000021
と同様な非線形情報を含むであろう。
【００２３】
様々な強磁性材料が様々なヒステリシス曲線及び磁気応答を有し、同じ磁気変調下で様々な非線形高調波係数：
【数２０】
2021502558.tif 000022
を生じるであろう。高調波係数の差は以下の２つの方法により測定され得る：
【００２４】
１．非線形磁気検出：全励磁磁場は非線形であり、大気内の点Ａにおいて磁気センサにより測定され得る：
【数２１】
2021502558.tif 000023
【００２５】
２．非線形磁気音響検出。大きな一定直流磁場：
【数２２】
2021502558.tif 000024
により、強いローレンツ体力：
【数２３】
2021502558.tif 000025
が発生し、時変機械的波を発射する。このような磁気音響応答もまた非線形である。
【００２６】
最後に考慮するのは、正弦波変調：
【数２４】
2021502558.tif 000026
下の様々な非線形高調波の生成であり、この場合、すべての非線形効果は、
【数２５】
2021502558.tif 000027
から生じる。局所ヒステリシスＢ−Ｈループがヒステリシス材料の内部で対称的な場合、
【数２６】
2021502558.tif 000028
は２分の１周期後にその方向を反転する：
【数２７】
2021502558.tif 000029
。これは通常、ほぼ零磁化において発生する。式１からのテイラー展開により、対称制約は、
【数２８】
2021502558.tif 000030
及び
【数２９】
2021502558.tif 000031
を示唆する。したがって、ｎの偶数に関して、高調波係数
【数３０】
2021502558.tif 000032
である。換言すれば、対称Ｂ−Ｈ曲線は、偶数高調波の生成を禁止し、奇数高調波だけを許す。対照的に、Ｂ−Ｈループが非対称であれば、
【数３１】
2021502558.tif 000033
であり、展開された状態のすべてのテイラー係数：
【数３２】
2021502558.tif 000034
が存在する可能性がある。換言すれば、非対称Ｂ−Ｈ曲線は奇数高調波と偶数高調波との両方を許容する。
【００２７】
次に図１を参照すると、少なくとも１つのヒステリシス強磁性材料からなる試料の１つ又は複数の材料状態を判断するための方法１００は、時変磁場を印加することによりヒステリシス強磁性材料を調査する工程（例えばブロック１０１における）を含み得る。任意選択的に、ブロック１０１では追加の直流磁場が印加され得る。任意選択的に、消磁磁場（degaussing magnetic fields）がブロック１０１において印加され得る。任意選択的に、ブロック１０１における試料は残留磁化を有し得る。直流磁場は時間と共に変化しない磁場であり、消磁磁場は材料の残留磁化を消去するために使用される時変磁場である。時変磁気応答又は音響応答がブロック１０３において検出される。方法１００はまた、受信された磁気応答又は音響応答の時間依存非線形特性を判断する工程（例えばブロック１０５における）と、受信された磁気応答又は音響応答の時間依存非線形特性と材料の１つ又は複数の材料状態とを相関付ける工程（例えばブロック１０７における）とを含み得る。
【００２８】
入力時変磁場によりヒステリシス強磁性材料を調査する工程は、限定しないが、時変磁場を生成する少なくとも１つの磁気送信機を利用する工程と、磁気送信機を調査対象試料の近傍位置に置く工程とを含み得る。例えば、磁気送信機の例示的近接性（又は近傍位置）は調査対象試料の表面まで１ｃｍであり、磁気送信機のより好適な近傍位置は調査対象試料の表面まで０．２ｃｍ以下であり、磁気送信機のさらにより好適な近傍位置は調査対象試料の表面上に直接接触している。
【００２９】
時変磁場は、限定しないが正弦波、方形波、三角波、並びに対称及び非対称パルスの組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、好ましい時変磁場は、０．０１ミリテスラ〜１テスラの範囲のピーク振幅と１Ｈｚ〜１ＭＨｚの範囲の周波数とを有する正弦波を含み得る。より好適な時変磁場は０．１ミリテスラ〜１０ミリテスラのピーク振幅と１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚの範囲の周波数とを有する正弦波を含み得る。４１４０炭素鋼材と、Ｘ６０及び／又はＸ６５炭素鋼などの熱機械制御処理（ＴＭＣＰ）により作られた他の炭素鋼材とを検査するために、好ましい時変磁場は０．０１ミリテスラ〜１テスラの範囲のピーク振幅と１Ｈｚ〜１ＭＨｚの範囲の周波数とを有する正弦波を含み得、より好適な時変磁場は０．１ミリテスラ〜１０ミリテスラのピーク振幅と１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚの範囲の周波数とを有する正弦波を含み得、さらに好適な時変磁場は０．１ミリテスラ〜１０ミリテスラのピーク振幅と８ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲の周波数とを有する正弦波を含み得る。さらに好適な時変磁場は０．５ミリテスラ〜５ミリテスラのピーク振幅と８ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲の周波数とを有する正弦波を含み得る。
【００３０】
他の非破壊検査ツールにおける慣習と同様に、当業者は非線形磁気応答及び／又は第３高調波の大きさを周波数範囲、振幅範囲及び材料相に対し較正することにより時変磁場を最適化し得る。
【００３１】
磁気送信機は、限定しないが、送信コイルなどの時変磁場を生成するデバイス、ネオジム磁石、セラミック磁石、電磁石又は超伝導磁石などの並進／回転永久磁石を含み得る。いくつかの実施形態では、好ましい磁気送信機は、２ｍｍ〜１０ｃｍの外径、１〜１００，０００の巻数及び０．００１ｍＨ〜１０００ｍＨのインダクタンスを有する送信コイルを含み得、より好適な磁気送信機は、５ｍｍ〜５ｃｍの外径、１０〜１０００の巻数及び０．０１ｍＨ〜１００ｍＨのインダクタンスを有する送信コイルを含み得る。いくつかの実施形態では、さらにより好適な磁気送信機は、１インチ（２５．４ｍｍ）の外径、１００の巻数及びＬ≒０．２５ｍＨのインダクタンスを有する送信コイルを含み得る。いくつかの実施形態では、より小さな径の磁気送信機が、より高い横方向空間分解能を有する検査結果を生成するために使用され得る。いくつかの実施形態では、さらに好ましい磁気送信機が、検査結果の横方向空間分解能を改善するために１インチ（２５．４ｍｍ）未満の径を有する１つ又は複数のコイルを含み得る。
【００３２】
磁気応答又は音響応答を検出する工程は、限定しないが、磁気応答又は音響応答をそれぞれ受信するとともに磁気応答又は音響応答を磁気応答信号又は音響応答信号に変換するように構成された少なくとも１つの磁気センサ又は音響センサを利用する工程を含み得る。好適には、磁気センサは磁気送信機近傍の領域内に位置する。一実施形態では、磁気センサと磁気送信機との間の距離は、５０メートル未満、好適には１０メートル未満、好適には１メートル未満、好適には１０センチメートル未満、好適には１センチメートル未満、好適には１ミリメートル未満であり、さらに好適には互いに直接接触する。
【００３３】
磁気応答は、限定しないが、入力時変磁場及び任意の追加磁場（additional magnetic fields）の結果として調査対象材料により生成される空間的可変磁場を含み得る。磁気センサは、限定しないが、少なくとも１つの点からの磁気応答又は感知領域にわたって平均化された磁気応答を受信するとともに磁気応答をコンピュータ又は観察者により解釈され得るディジタル又はアナログ信号に変換するデバイス（ピックアップコイル、ホールセンサ、フラックスゲート磁力計、セシウム原子磁力計又は超伝導ＳＱＵＩＤ磁力計など）を含み得る。いくつかの実施形態では、好ましい磁気センサは２ｍｍ〜１０ｃｍの外径、１〜１００，０００の巻数及び０．００１ｍＨ〜１０００ｍＨのインダクタンスを有する探査コイルを含み得る。いくつかの実施形態では、より好適な磁気送信機は５ｍｍ〜５ｃｍの外径、１０〜１０００の巻数及び０．０１ｍＨ〜１００ｍＨのインダクタンスを有する送信コイルを含み得る。いくつかの実施形態では、さらに好ましい磁気センサは１インチ（２５．４ｍｍ）の外径、１００の巻数及びＬ≒０．２５ｍＨのインダクタンスを有する探査コイルを含み得る。いくつかの実施形態では、より小さな径の磁気センサが、より高い横方向空間分解能を有する検査結果を生成するために使用され得る。いくつかの実施形態では、より好適な磁気センサは検査結果の横方向空間分解能を改善するために１インチ（２５．４ｍｍ）未満の径を有する１つ又は複数のコイルを含み得る。一実施形態では、磁気センサが、二次非線形効果に起因する信号を少なくとも記録するために十分に速く応答し得るように選択され、より好適な実施形態では、磁気センサは三次非線形効果に起因する信号を少なくとも記録するために十分に速く応答し得るように選択され、さらに好ましい実施形態では、磁気センサは５次非線形効果に起因する信号を少なくとも記録するために十分に速く応答し得るように選択される。
【００３４】
音響応答は、限定しないが、入力時変磁場及び任意の追加磁場の結果として調査対象材料により生成される機械的運動を含み得る。音響センサは、限定しないが、少なくとも１つの点からの音響応答又は感知領域にわたって平均化された音響応答を受信するとともに音響応答を圧電音響トランスデューサ、マイクロホン、地震計又はジオフォンなどのコンピュータ又は観察者により解釈され得るディジタル又はアナログ信号に変換するデバイスを含み得る。いくつかの実施形態では、好ましい音響センサは、１．２ｃｍの径及び５００ｋＨｚの共振周波数を有するセラミック圧電音響トランスデューサを含み得る。一実施形態では、音響センサは二次非線形効果に起因する信号を少なくとも記録するために十分に速く応答し得るように選択され、より好適な実施形態では、音響センサは三次非線形効果に起因する信号を少なくとも記録するために十分に速く応答し得るように選択され、さらに好ましい実施形態では、音響センサは５次非線形効果に起因する信号を少なくとも記録するために十分に速く応答し得るように選択される。
【００３５】
時間依存非線形特性を判断する工程は、パワースペクトル密度データを生成するために、受信された磁気応答又は音響応答のパワースペクトル密度解析などの周波数領域解析を行う工程を含み得る。いくつかの実施形態では、時間依存非線形特性を判断する工程は、パワースペクトル密度データの１つ又は複数の高調波ピーク値を判断する工程を含み得る。
【００３６】
１つ又は複数の高調波ピーク値を判断する工程はスペクトル密度データの１つ又は複数の高調波係数を判断する工程を含み得る。例えば、１つ又は複数の高調波係数及び／又はピーク値を判断する工程はスペクトル密度データの奇数高調波係数及び／又はピーク値を判断する工程を含み得る。
【００３７】
いくつかの実施形態では、奇数高調波係数及び／又はピーク値を判断する工程はスペクトル密度データの第３及び／又は第５高調波を判断する工程を含み得る。時間依存非線形特性を相関付ける工程は、第３及び／又は第５高調波と調査対象試料の１つ又は複数の材料状態とを比較し相関付ける工程を含み得る。いくつかの実施形態では、正規化後に１０−６以上の範囲のスペクトル密度データの大きな第３高調波は、限定しないが調査対象試料内のフェライト又はパーライト炭素鋼相の存在を含む材料状態と相関があり、正規化後に１０−８〜１０−６の範囲のスペクトル密度データの小さな第３高調波は、限定しないがマルテンサイト又はラスベイナイト炭素鋼相などの硬質鋼相の存在又は調査対象試料内の空隙などの非ヒステリシス材料の存在を含む材料状態と相関がある。
【００３８】
調査対象試料は、限定しないが、１つ又は複数の材料状態を有する少なくとも１つの材料相からなる試験材料を含み得る。１つ又は複数の材料状態は、限定しないが、ヒステリシス強磁性材料又は非ヒステリシス材料の少なくとも１つの材料相を含み得る。いくつかの実施形態では、ヒステリシス強磁性材料は、限定しないが、鋼、ニッケル、コバルト、及びそれらの合金（多様な炭素鋼などの）のうちのいくつかを含み得る。いくつかの実施形態では。非ヒステリシス材料は、限定しないが大気、アルミニウム、オーステナイトステンレス鋼、二相ステンレス鋼及び高マンガン鋼を含み得る。材料相は、限定しないが、様々な化学成分及び／又は結晶配位を有するオーステナイト、マルテンサイト、フェライト、パーライト、ベイナイト、ラスベイナイト、針状フェライト及び準多角形状フェライトのうちのうちの少なくとも１つを含み得る。試料の非均質性は、限定しないが、２つ以上の材料相からなる試験材料を含み得る。非均質性の非限定的例はハードスポット及び／又は亀裂／欠陥（例えば鋼管内の）である。
【００３９】
本開示の少なくとも１つの態様によると、非一時的コンピュータ可読媒体は、本明細書に記載の任意の好適な方法及び／又はその任意の好適な部分を行うための命令を含み得る。例えば、本方法は、時変磁場を生成し、ピックアップコイルからの磁気応答又は音響応答信号を長期にわたって検出する工程と、受信された磁気応答又は音響応答の時間依存非線形特性を判断する工程と、受信された磁気応答又は音響応答の時間依存非線形特性と材料の１つ又は複数の材料状態とを相関付ける工程とを含み得る。本明細書に記載の方法の任意の実施形態の任意の他の好適な部分が追加的に又は代替的に含まれ得る。
【００４０】
図２Ａを加えて参照すると、本開示の少なくとも１つの態様によると、ヒステリシス強磁性材料（例えばヒステリシス強磁性材料を含む試料２２１）の１つ又は複数の材料状態を検出するためのデバイス２００は、調査磁場を出力するように構成された送信コイル２０１と、磁気応答又は音響応答をそれぞれ受信し、磁気応答又は音響応答を磁気信号又は音響応答信号へ変換するように構成されたピックアップコイル２０３又は音響トランスデューサ（例えば以下にさらに詳細に説明されるような）とを含み得る。デバイス２００は、任意の好適な方法（例えば上に説明された）及び／又はその任意の好適な部分を実行するように構成されたプロセッサ２０５を含み得る。
【００４１】
いくつかの実施形態では、デバイス２００は、ユーザに材料の１つ又は複数の状態を示すように構成された出力デバイス２０７を含み得る。システム２００は当業者により認識されることになる任意の他の好適な信号処理部品（例えば１つ又は複数のディジタイザ、電流計、信号発生器、１つ又は複数の帯域フィルタ、１つ又は複数の前置増幅器又は増幅器など）を含み得る。出力デバイス２０７は、限定しないが、適切な即時リアルタイム行為について１人又は複数のユーザに通知することを意味する指示器を含み得、ユーザは指示器を直接観測し得る。出力デバイス２０７はまた、限定しないが、ユーザと通信するためのデバイスを含み得、これもまた、適切な即時リアルタイム行為についてユーザに通知することを意味するが、ユーザは離れた場所にいてもよく、通信は有線経路を介しても無線経路を介してもよい。出力デバイス２０７はまた、後の検索及び後処理及び解析のためのデータ収集及び格納デバイスを含み得る。
【００４２】
炭素鋼はパイプライン及び石油及びガス産業における主要資材である。一般的に、すべての炭素鋼は複数の材料相からなる。フェライト（炭素鋼の軟質層）は炭素鋼内の主要材料相である。マルテンサイト又はラスベイナイトなどの硬質相は、高温（例えば９００℃）から室温まで急速に焼き入れされると鋼内に形成される可能性があり、これは製鋼所板製造中又は電気抵抗シーム溶接プロセス中に発生する可能性がある。マルテンサイト又はラスベイナイトの相などの硬質鋼相の存在は、軟質フェライト相と比較して破損及び亀裂を被りやすいので特に不安定になり得る。この結果、フェライト及びマルテンサイトからなる炭素鋼試料が本明細書において試験されるが、パイプラインへの適用はこのようなデバイスが使用され得る良い例であるからである。任意の他の好適な材料及びアプリケーションが本明細書では企図される。
【００４３】
示された実施形態では、電圧又は電流信号（例えば周波数ｆの正弦波）が信号発生器２０９を介し生成され得る。電流がその中を通ることにより、送信コイル２０１は変調磁場を生成する磁気送信機として使用される。以下のデータを生成するために使用される送信コイル２０１は、約１インチ（２５．４ｍｍ）の外径、１００の巻線、及びＬ≒０．２５ｍＨの１インダクタンスを含む。送信コイルの電気インピーダンスはＺｃｏｉｌ＝Ｒｉｎｔｅｒｎａｌ＋ｉωＬである。通常、コイルの内部抵抗Ｒｉｎｔｅｒｎａｌは比較的小さい（我々が試験したコイルでは＜１Ω）が一方、虚数誘導性項は周波数に比例して増加する。任意の好適な特性を有する任意の他の好適なコイルが使用され得る。
【００４４】
インダクタのインピーダンス効果を最小化し出力電流を最大化するために、キャパシタＣ２１１が全インピーダンスを
【数３３】
2021502558.tif 000035
へ変更するために使用される一方で虚数項は
【数３４】
2021502558.tif 000036
又は
【数３５】
2021502558.tif 000037
の場合に相殺され得る。１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数は以下のデータを生成する際に使用された。同送信コイル２０１に関して
【数３６】
2021502558.tif 000038
を保証するために、様々なキャパシタンスが様々な周波数において使用され得る。送信コイル２０１を通る電流は電流計２１３により測定され、第１のディジタイザ２１５により記録され得る。
【００４５】
近傍の材料からの磁気応答を検出するため、ピックアップコイル２０３などの磁気センサが時変磁気信号を測定するために使用され得る。ピックアップコイル２０３を介し生成される電圧は、
【数３７】
2021502558.tif 000039
であり、これはピックアップコイル２０３の巻数Ｎ、局所磁場の時間微分
【数３８】
2021502558.tif 000040
及びループの断面積Ａに関係する。この電圧は例えば第２のディジタイザ２１７を介し測定され得る。任意選択的前置増幅器及び／又は帯域フィルタ２１９が、必要に応じ例えば弱い信号を増強する又は測定信号中の特定周波数成分を検出するために、ピックアップコイル２０３と第２のディジタイザ２１７との間で利用され得る。両方のディジタイザから送信電流及びピックアップ電圧の波形を受信した後、ＰＳＤ解析が、試験材料の非線形係数及び／又はピーク値を抽出するためにプロセッサ２０５によりリアルタイムで行われ得る。
【００４６】
送信コイル２０１、ピックアップコイル２０３及び調査対象材料は任意の好適な構成で配置され得る。２つの具体例が図２Ａ、３Ａに示される。図２Ａでは、送信コイル２０１及びピックアップコイル２０３は調査対象材料（例えば強磁性板）の同じ側に置かれ、この構成は非破壊パイプライン検査のための従来のＰＩＧへ容易に適用される可能性がある。図３Ａでは、代替構成が、調査対象材料の両側に置かれた送信コイル２０１とピックアップコイル２０３とにより示される。
【００４７】
したがって、図２Ａに示すように、システム２００は調査対象材料の片側での使用のために構成され得る。上に提示されたように、いくつかの実施形態では、判断されるべき材料の１つ又は複数の状態は例えば材料相を含み得る。試料２２１の代りの大気（基準として）の、マルテンサイト（第１の相として）の、及びフェライト（第２の相として）の材料相を判断するための例示的結果が以下の表１及び図２Ｂ〜２Ｄに示される。
【００４８】
対照実験として、デバイス２００は、２分の１メートル内に導電／磁性材料の無い大気中で１０ｋＨｚの周波数において試験された。送信電流及びピックアップ電圧のパワースペクトル密度（ＰＳＤ：ｐｏｗｅｒ  ｓｐｅｃｔｒａｌ  ｄｅｎｓｉｔｙ）が実線及び破線曲線として示される。高次高調波（第２、第３、第４及び第５）のピークは、１０ｋＨｚの主周波数より少なくとも７桁の大きさだけ低い。高調波のこれらの小さな値は、電子的処理及びシステム雑音に起因しており、材料試験のための基準として較正されるべきである。
【００４９】
【表１】
2021502558.tif 000041
【００５０】
図３Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、システム２００は調査対象材料の両側での使用のために構成され得る。大気（基準として）の、マルテンサイト（第１の相として）の、及びフェライト（第２の相として）の材料相を判断するための例示的結果が以下の表２及び図３Ｂ〜３Ｄに示される。
【００５１】
【表２】
2021502558.tif 000042
【００５２】
両方の例に見られるように、奇数高調波は、様々な材料タイプ間の強度差の程度を示し、例えば様々な材料の区別を可能にする。非線形応答は、マルテンサイト又はフェライト（例えば、３８．１ｍｍの（Ｌ）×２５．４ｍｍ（Ｗ）×４．７ｍｍ（Ｈ））のクーポン（試料２２１）がコイルの端に置かれると劇的に変化する。偶数高調波は著しい変化を受けないが一方、奇数高調波のピークは劇的に増加し、最も著しい増加は３０ｋＨｚ及び５０ｋＨｚにおける第３及び第５高調波から来る（例えば図２Ｃと図２Ｄ）。特に、第３高調波のピークは、マルテンサイトクーポン（図２Ｃ）では１桁超増加し、フェライトクーポンでは３桁超増加する（図２Ｄ）。示されたデータでは、主高調波ピークが標準較正として使用され、すべての高次高調波係数は主高調波ピークに対し正規化された。
【００５３】
再び、最も際立った痕跡は第３及び第５高調波であるということが分かった。同じ現象は、同じ側構成（例えば図２Ａ）又は両側構成（例えば図３Ａ）のいずれでも観測される。両方の構成において、大気（約１×１０−８）、マルテンサイト（約１×１０−７〜５×１０−７）及びフェライト（約１×１０−５〜５×１−５）にわたる第３高調波の著しいコントラストが、例えばパイプライン鋼中のハードスポットを構成するマルテンサイト相などの硬質相を検出するために直接利用され得る独特な非線形磁痕跡を与える。
【００５４】
原理的に、送信コイルの自己インダクタンスは近傍の強磁性材料により変更され、この変化は当然、ヒステリシス応答に起因して非線形のはずである。我々は、大気、マルテンサイト及びフェライト試料全体にわたり送信電流のＰＳＤの比較的小さい増加（図２Ｂ〜３Ｄの実線曲線）を観測した。単一送信コイルからの電圧及び電流を解析するだけで強磁性材料同士を区別することが可能であるが、様々な材料の痕跡は、ピックアップコイルからの測定された応答と比較してそれほど区別可能ではない。この点に関し、送信コイルと二次コイルはいくつかの実施形態では同一コイルであり得る。
【００５５】
表３を参照すると、いくつかの実施形態では、システム２００は調査対象材料の片側における使用のために構成され得、送信及びピックアップコイルは調査対象試料の表面までの制限距離を有する好適な近傍位置に置かれ得る。調査対象試料と２つのコイルとの間の距離及び／又は間隔はリフトオフ距離と呼ばれる。表１及び図２Ｃ〜２Ｄは２つのコイルが調査対象試料の表面と直接接触している場合の独特な非線形磁気痕跡を実証したが、表３は、０．８ｍｍ又は２．０ｍｍのリフトオフ距離がある場合ですら同様な独特な非線形磁気痕跡が観測されるということを示す。フェライト又はマルテンサイトのいずれかに関し、正規化された第３高調波はリフトオフ距離の量の増加と共に若干低下するが、フェライトの場合の全般的な第３高調波のピークは０、０．８ｍｍ又は２．０ｍｍのリフトオフ距離にかかわらずマルテンサイトのケースと比較して約２桁だけ大きい。第３高調波、マルテンサイト（約１×１０−７〜５×１０−７）及びフェライト（約１×１０−５〜５×１０−５）のこの強く且つ著しいコントラストは、印加中に一定又は時変リフトオフ距離が存在する場合ですらマルテンサイト相などの特殊材料相を検出するために直接利用され得る独特な非線形磁気痕跡を提供する。
【００５６】
【表３】
2021502558.tif 000043
【００５７】
図４Ａ及び４Ｂを参照すると、コンピュータシミュレーションが、磁気ヒステリシス応答を取り込むとともにフェライト相及びマルテンサイト相の実験的に観測された第３高調波を理解するために行われた。ここで使用されたヒステリシスモデルは元々Ｊｉｌｅｓ及びＡｔｈｅｒｔｏｎにより開発されており、Ｊ−Ａモデルとして知られる。特殊材料のヒステリシス応答を記述するためにＪ−Ａモデルには５つのパラメータが存在し、シミュレーションにおいて、文献ではこれらの５つのパラメータはＪ−Ａヒステリシス曲線と実験的測定結果とを最良に整合させることにより得られる。フェライト相及びマルテンサイト相に関して、２つの異なる組のパラメータが得られ、完全なヒステリシス曲線（フェライト相に関しては実線曲線、及びマルテンサイト相に関しては破線曲線）が図４Ａに示される。次に、COMSOL multiphysicsコンピュータソフトウェアパッケージが、図２Ａ〜３Ｄと同じ実験条件及びパラメータ下で磁気応答をシミュレートするために使用される。
【００５８】
シミュレーションは、非線形ヒステリシス透磁率を考慮するために５つのＪ−Ａパラメータを有する完全マクスウェル方程式ソルバーを取り込む。シミュレーションが零残留磁化で開始すると、結果（図４Ｂ）は、フェライトとマルテンサイトとの両方のケースだけにおける奇数高調波の存在を示し、これは対称Ｂ−Ｈ曲線の理論的説明と整合する。さらに、シミュレーション結果では、フェライトの第３及び第５高調波はマルテンサイトのものより約１．５桁（約４０倍）大きく、これもまた上記実験的観察に一致する。信頼できるシミュレーションツールにより、高調波の生成とヒステリシス曲線との間の定量的リンケージが解明され、加えて、特別なアプリケーションにおける硬質相の検出を最適化するために特別な振幅及び周波数の交流磁気変調を設計することが可能である。
【００５９】
図４Ａはフェライト（実線）及びマルテンサイト（点線）の完全なヒステリシス曲線を示す。文献では５つのＪ−Ａパラメータはヒステリシス曲線と実験的測定結果とを整合させることにより得られる。図４Ｂは、図２Ａの構成のマルテンサイト（点線）及びフェライト（実線）の非線形磁気検出のシミュレーションパワースペクトル密度（ＰＳＤ）結果を示す。見て分かるように、奇数高調波だけが対称磁化のおかげで現われる。第３及び第５高調波に関し、フェライトとマルテンサイトとの間の約１．５桁の強度差は上記実験的観察と整合する。
【００６０】
次の例では、追加実験的試験が、測定された非線形痕跡をより良く理解するために行われる。強磁性材料のヒステリシスループは非常に非線形であり且つ履歴依存であるので、我々は、これらの材料の非線形磁気応答がそれらの磁化状態に依存するということを予測するであろう。したがって、非線形磁気応答の測定結果は原理的に試験材料の磁化状態の指標であり、磁気異常の検出において追加情報を提供する可能性がある。
【００６１】
理論的説明に基づき、局所的対称ヒステリシスループは奇数高調波だけを生じ、これは次の２つのシナリオにおいて発生するであろう：１）材料はその飽和磁化と比較して小さな残留磁化を有し、これは図２Ａ〜３Ｄのケースに当てはまる、又は２）材料は小さな交流磁気変調に対し垂直な方向に外部から磁化される。
【００６２】
後者のシナリオは図５Ａにおいて試験される。同じクーポン２２１（フェライト又はマルテンサイト、３８．１ｍｍ（Ｌ）×２５．４ｍｍ（Ｗ）×４．７ｍｍ（Ｈ））は、クーポン２２１の両端に置かれた２つのネオジム永久磁石２２３ａ、２２３ｂによりその長手側縁全体にわたり磁化される。磁石のうちの一方２２３ａは上向きＮ極を有し、他方２２３ｂは反対配向にある。大きな炭素鋼板２２５が、磁束ループを完成するために下端部に取り付けられる。一束の送信コイル及びピックアップコイル２０１、２０３は１インチ×２インチの断面を有し、我々は、図５Ａと同様に、両端近傍のフリンジ磁場との干渉を回避するためにコイル束の短手側（１インチ）とクーポン２２１の長手側（１．５インチ）とをアライメントする。このシナリオでは、クーポン２２１の中心における磁化は水平方向であり、一方コイルからの小さな交流磁気変調は垂直方向である。実験結果が表４に示され、フェライトのケースとマルテンサイトのケースとの両方に関し、高調波のすべてのピークはこの垂直磁化前後に微少変化を受ける。加えて、偶数高調波は、非常に小さく、基準の大気ケース（表の第１の行）の雑音レベルと似ており、これは我々の理論的説明と整合する。
【００６３】
ヒステリシスループのこの対称性は磁化の方向が交流変調の方向に対し垂直でなければ破られ得る。図５Ｂのように、コイル束を９０度だけ水平方向に回転し、その長手側（約２インチ）と鋼クーポンの長手側とをアライメントさせれば、送信コイル２０１から生成される交流磁気変調は、鋼クーポンの端においてフリンジ磁場と強く干渉し、したがって、ヒステリシスループの対称性を破り、偶数高調波を許容するであろう。同じ構成における磁化の無い鋼クーポンと比較して、表５では我々は実に、我々の理論と整合する第２高調波の増加を実験的に観測した。加えて、奇数高調波のピークは少なくとも１桁の大きさだけ低減される。
【００６４】
図５Ａ及び５Ｂは、強い外部磁場下のモデル材料の非線形磁気応答を試験するためのセットアップの実施形態を示す。図５Ａの実施形態において、コイル束の短手側が鋼クーポンの長手側とアライメントすると、磁気変調は鋼クーポンの外部磁化に対し概ね垂直である。したがって、外部磁化は非線形応答を変更しなく、実験結果は以下の表４に要約される。
【００６５】
【表４】
2021502558.tif 000044
【００６６】
図５Ｂの実施形態において、コイル束の長手側が鋼クーポンの長手側にアライメントすると、磁気変調は鋼中のフリンジ磁場と強く干渉し、これらはかろうじて互いに垂直である。対称性破れは、以下の表５に要約されるように第２高調波の上昇及び奇数高調波の驚くべき低下に至る。
【００６７】
【表５】
2021502558.tif 000045
【００６８】
より顕著な対称性破れ効果を見るために、強磁性材料は強く磁化され得、外部磁化はその後除去され得る。試験は、飽和磁化の２分の１の値を越える残留磁気又は残留磁化を有する低炭素鋼の試料（モデル材料である）を使用して行われた。図６Ａ〜６Ｃでは、この炭素鋼試料に対する一連の試験が磁化前後に行われた。低炭素鋼板が強く磁化される前、奇数高調波の著しい上昇が、表１、２内の前述のデータと同様な図６Ｂに示すように検出される。次に、大きな炭素鋼板が、１．２７ｃｍ立方の０．８テスラネオジム永久磁石により特定点「Ｂ」の周囲に局所的に磁化される。永久磁石を炭素鋼板から除去した後、点「Ｂ」近くの残留磁化は炭素鋼板上の０．４テスラを越えるはずである。磁化前の炭素鋼のＰＳＤ（図６Ｂ）と比較して、磁化された領域「Ｂ」近くの非線形磁気検出は、図６Ｃにおける偶数高調波の強烈な増加を示す。奇数高調波による鋼相検出に加えて偶数高調波の検出は材料の既存残留磁化を含む（材料の磁化状態などの）追加材料情報を提供する可能性があるということが今や明らかである。図６Ａ〜６Ｃは、図２Ａ構成において測定された大気（図６Ａ）、低炭素鋼板（図６Ｂ）及び磁化後の低炭素鋼板（図６Ｃ）の非線形磁気検出のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）結果を示す。破線曲線と実線曲線はそれぞれピックアップ電圧のＰＳＤと送信電流のＰＳＤである。表６は、ここではすべての試料にわたるピックアップ電圧の正規化高調波係数を要約する。
【００６９】
【表６】
2021502558.tif 000046
【００７０】
図６Ａ〜６Ｃにおいて、ピックアップ回路は第３高調波周囲の信号対雑音比を強化する（３０ｋＨｚに共振周波数を有するＲＬＣ帯域フィルタを使用して）ために若干修正され、その結果、大気環境における基準較正は電子雑音からより強い高調波を受ける一方で、試料間の高次高調波の比は変更されない。
【００７１】
鋼の磁化の操作に加えて、試料は１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚまでの様々な周波数において試験された。１ｋＨｚ及び１０ｋＨｚにおける低炭素鋼によるいくつかの例が表７に示され、１００ｋＨｚによる例が後で図９Ｄ〜Ｆに示される。表７は、１ｋＨｚ及び１０ｋＨｚにおける大気及び炭素鋼の非線形磁気検出の正規化高調波係数を示す。
【００７２】
【表７】
2021502558.tif 000047
【００７３】
導電材料の周波数依存表皮厚さ：
【数３９】
2021502558.tif 000048
及び磁壁の複雑な動力学により、非線形磁気応答の周波数依存性を予測するのは難しい。しかし、我々の実験は、１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数帯域にわたる強磁性材料における著しい非線形磁気応答を測定することが可能であるということを実証し、この周波数依存応答は、様々な深さからの材料情報を提供するために使用され得る。
【００７４】
本開示の少なくとも１つの態様によると、実施形態は、限定しないが、非線形磁気音響検出を規制するために外部磁場を使用する工程を含む。コンピュータシミュレーションがこのような実施形態の作用を実証するために行われた。対称性破れ効果は、鋼の残留磁化を探査するのに有用である可能性がある偶数高調波の生成に至るが、奇数高調波に対する影響は比較的複雑になり得る。図６Ｂ、６Ｄのような第３高調波の増強と図５Ｂのような第３高調波の低下との両方が観測された。図７Ａ〜７Ｃを参照し、これらの図は測定の一貫性を実現するとともにこのような潜在的複雑性を回避するために鋼管中の磁化を規制する方法の実施形態を限定することなく示す。本方法の実施形態は、１０５Ａ／ｍの磁化と図７Ａの凡例内に規定された寸法とを有する馬蹄形磁石により印加される外部磁場に関与する。COMSOL multiphysicsコンピュータソフトウェアパッケージは、馬蹄形磁石が例えば０．５ｍ／ｓの速度で管壁に沿って垂直方向に移動している場合の磁場強度をシミュレートするために使用され得る。図７Ｂ及び７Ｃは空間的に変化する誘起された磁場を示す。
【００７５】
図７Ａは、鋼管７０１上を移動する馬蹄形磁石７００の実施形態を示す。領域７０３及び７０５は幅３ｃｍを有する矩形である。領域７０７は４ｃｍの垂直方向長さを有する。領域７０９は２ｃｍの内径及び５ｃｍの外径を有する。パイプは１５ｃｍの半径及び８ｍｍの厚さを有し軸対称である。パイプは半径３ｍｍの円形領域７１１以外はフェライト相からなる。磁石は０．５ｍ／ｓの速度で垂直方向に上昇する。図７Ｂは馬蹄形磁石及び管壁内の磁束密度の垂直方向ｚ成分を示す。図７Ｃは、馬蹄形磁石及び管壁内の磁束密度の水平方向ｒ成分の実施形態を示す。
【００７６】
馬蹄の脚同士間の鋼管中の磁場は、材料の小さな硬質相欠陥及びヒステリシス性質のおかげで水平方向の｜Ｂｒ｜≒０．８×１０−２Ｔのわずかな摂動を有するほぼ垂直ｚ方向にほぼ沿ったもの（｜Ｂｚ｜≒−０．２〜０．４Ｔ）である。この結果、この外部磁気規制は、図７Ａの円形領域７１１近くの垂直軸に沿った鋼管中の磁化を効果的に修正及びアライメントする可能性があり、この構成に基づく小さな垂直方向交流磁気変調は、図５Ａにおいて実証されたような独特且つ認識可能な第３高調波痕跡を生じるのでパイプライン応用における好ましい実装の１つになるであろう。
【００７７】
図８Ａ及び８Ｂを次に参照すると、非線形磁気検出と共に、本明細書における実施形態は同じ原理に基づく非線形磁気音響検出を含む。図８Ａは非線形磁気音響検出のためのセットアップ８００の実施形態を示す。大きな炭素鋼板８０１（６インチ×２インチ×０．５インチ）が例えば２つのネオジム永久磁石８０３ａ、８０３ｂにより磁化され得る。炭素鋼ロッド８０５（又は任意の他の好適な材料ロッド）が、磁束ループを完成するために永久磁石８０３ａ、８０３ｂの両側へ取り付けられ得る。音響トランスデューサ８０７が炭素鋼板８０１の６インチ×２インチ表面の前方中心へ取り付けら（例えば、接着され）得、電流送信コイル（不図示）が炭素鋼板の対向表面の後方中心へ取り付けられ得る。
【００７８】
大きな炭素鋼板が図８Ａのように取り付けられた２つのネオジム永久磁石により磁化されると、炭素鋼板内部に強い直流磁場：
【数４０】
2021502558.tif 000049
が存在する。小さな交流磁気変調が送信コイルにより印加されると、時変磁場が、強い直流磁場と相互作用する振動渦電流：
【数４１】
2021502558.tif 000050
を生成し、振動するローレンツ体力：
【数４２】
2021502558.tif 000051
及び機械的運動を生じる。この結合された応答は一般的には磁気音響応答と呼ばれ、機械的運動は圧電音響トランスデューサなどの音響センサを介し測定される。
【００７９】
図８Ｂは非線形磁気音響検出の実験的ＰＳＤ結果を示す。破線曲線と実線曲線はそれぞれ受信された音響信号と送信電流のＰＳＤである。シミュレーションに使用されたトランスデューサは５００ｋＨｚの共振周波数を有するので、機械的運動は１０ｋＨｚ磁気変調に関しかろうじて測定可能だった。１００ｋＨｚ磁気変調がその代りに使用され、音響信号（図８Ｂ中の破線曲線）のＰＳＤ内の強い第３高調波生成が観測された。上に論述したように、より弱い第３高調波もまた、自己インダクタンスの変化のおかげで送信電流（図８Ｂ内の実線曲線）のＰＳＤ内に現われる。
【００８０】
本明細書において説明される非破壊材料検査システムの実施形態又は設計は、限定しないが、磁気送信機、磁気センサ、音響センサ、及び調査対象材料の好適な近傍位置に置かれた馬蹄形磁石の複数の複製を含み得る。いくつかの実施形態では、このような実施形態は、限定しないが、１つの磁気送信機と対をなす磁気センサ及び／又は音響センサの１つ又は複数の複製を含む。いくつかの実施形態では、好ましい配置は、各磁気送信機９０１の周囲の様々な位置の及び／又は各磁気送信機９０１と対をなす磁気センサ及び／又は音響センサ９００の４つの複製を含む（図９に示す）。より好ましい配置は、各磁気送信機１００１の周囲の様々な位置の及び／又は各磁気送信機１００１と対をなす磁気センサ及び／又は音響センサ１０００の８つの複製を含み得る（図１０に示す）。さらに好ましい配置は、各磁気送信機の周囲の様々な位置の及び／又は各磁気送信機と対をなす様々な大きさの磁気センサ及び／又は音響センサの最大数の複製を含み得る。いくつかの実施形態では、このような実施形態は、限定しないが、その２本の脚が調査対象材料の表面と接触する少なくとも１つの馬蹄形磁石を含む。いくつかの実施形態では、このような実施形態は、限定しないが、少なくとも１つの磁気送信機と、馬蹄形磁石の中心に位置する磁気センサ又は音響センサの少なくともいずれか１つとを含む。いくつかの実施形態では、このような実施形態は、限定しないが、調査対象材料中の磁化を規制するために任意選択的磁石又は電磁石を含む。いくつかの実施形態では、このような実施形態は、限定しないが、直流磁場を提供するために任意選択的磁石又は電磁石を含む。
【００８１】
本開示の少なくとも１つの態様によると、実施形態は、限定しないが、溶接部内に硬質相を有する実際のパイプ上での検出のために使用され得る。図１１Ａ〜１１Ｆを参照すると、実施形態は、例えば実際のパイプライン鋼内の異常を検出するために適用され得る。７０年代以前の年代物パイプラインから取られた２１ｃｍの半径と０．５ｃｍの厚さを有する約１０ｃｍ長の円筒状パイプ部が試験された。パイプの大部分はフェライト／パーライト相を有する一方で、パイプ中のシーム溶接部は、熱処理のない電気抵抗溶接により接合され、したがってベイナイト又はマルテンサイト硬質鋼相を含む。測定中、コイル束の長手側は円周方向にアライメントされる。様々な角度位置における非線形磁気応答は１０ｋＨｚ磁気変調においてパイプ部の内側と外側との両方から測定され、正規化第３高調波係数が図１１Ａ及び１１Ｂに示される。
【００８２】
図１１Ａは、１０ｋＨｚ磁気変調による円筒状パイプ部周囲の正規化第３高調波係数のデータを示す。破線曲線はパイプの外側からの測定結果を表し、実線曲線はパイプの内側からの測定結果を表す。図１１Ｂは、シーム溶接部からの円周方向距離に対してプロットされた図１１Ａの同じデータを示す。図１１Ｃは、そのシーム溶接部内に硬質鋼相を有しないパイプライン材料の円弧状部全体にわたる別個の実験において測定された１０ｋＨｚ磁気変調による正規化第３高調波係数のデータを示す。破線曲線はパイプの外側からの測定結果を表し、実線曲線はパイプの内側からの測定結果を表す。
【００８３】
図１１Ａでは、パイプの外側からの測定（破線曲線）は、フェライト／フェライトパーライト領域内の約１×１０−５の変動する第３高調波と、ベイナイト又はマルテンサイト硬質鋼相を含むシーム溶接部近傍のほぼ１×１０−７までの劇的な低下とを示す。ハードスポットの角度位置は、２９４．５度における破線曲線中の最小点として識別され、これは実際の硬質微細構造スポットの１度以内にある。
【００８４】
コイルがパイプの内部に位置するいくつかの実施形態では、円柱内部の磁束線は全く異なり得、強く圧縮され得、非線形測定結果を変えさせ得る。パイプの内側からの実験的測定結果は実に、異なるパターンの第３高調波応答（図１１Ａの実線曲線）と溶接部近傍の二重極小とを示す。対称性考察から、二重極小の中間点（２９３．２度）は、実際の硬質マルテンサイトスポットの１度以内にも存在する測定された異常の位置を最も良く説明し得る。実線曲線中の四重パターンは材料の残留磁化に由来することがあり、一方、二重極小特徴と著しく低い高調波応答は完全な円筒状パイプ内部の特別なＥＭ共鳴モードから生じることがある。
【００８５】
比較して、図１１Ｃでは、我々は、そのシーム溶接部内にマルテンサイト又はベイナイト相などの硬質相が無いパイプライン材料の円弧状部を試験した。パイプ部の外側及び内側からの測定結果が図１１Ｃでは破線曲線及び実線曲線としてそれぞれ示される。この切断部は円弧状であり完全な円筒形状でないので、外側及び内側からの測定結果は似ている。両方のデータは実際の溶接バリ（４９ｍｍ〜６３ｍｍ）周囲の第３高調波の低下のある程度の低下を示すが、これらの異常（係数約１×１０−６）はマルテンサイト又はベイナイトなどの硬質相の存在（１×１０−７に近い際立った痕跡を有する）を示すのに十分なほどには著しくない。その代りに、溶接バリの外側表面における深さ約１ｍｍの小さな亀裂が観測され、その結果、図１１Ｃ中の第３高調波の変化は溶接部周囲の空隙、亀裂又は様々な応力状態の存在を示すために使用され得る。
【００８６】
これらの同じパイプ部はまた１００ｋＨｚの交流磁気変調により試験され、このデータは円筒状パイプ部の図１１Ｄ、１１Ｅと円弧状パイプ部の図１１Ｆとに示される。図１１Ｄ〜１１Ｆは、図１１Ａ〜１１Ｃと同様な測定結果を示すが、１００ｋＨｚ磁気変調により管材の外側から測定された。円筒状パイプ部に関し、溶接部の外側からの測定結果は、マルテンサイト又はベイナイト相（図１１Ｄ及び１１Ｅ）などの硬質相を含む溶接部周囲の際立った特徴を示す。相対的に、円弧状パイプ部に関し、非線形磁気応答の測定された曲線は、溶接部が小さな亀裂を有するフェライト又はフェライトパーライト相だけを含むのでむしろ平坦である。
【００８７】
図１２Ａ〜１２Ｃは、非ヒステリシス材料とヒステリシス強磁性材料の非均質性を有する非ヒステリシス材料との間の検出及び差異の実施形態を示す。図１２Ａ〜１２Ｃの試験では、システム２００は、図１２Ｂに示す調査対象材料の片側での使用のために構成され得る。上に提示されたように、いくつかの実施形態では、判断されるべき材料の１つ又は複数の状態は例えば１つ又は複数の特殊材料相を含み得る。非ヒステリシス材料とヒステリシス強磁性材料の非均質性を有する非ヒステリシス材料との間の材料相を判断するための例示的結果が図１２Ａ〜１２Ｃに示される。
【００８８】
図１２Ａにおける対照実験として、デバイス２００は、２分の１メートル内に導電／磁性材料の無い大気中で１０ｋＨｚの周波数において試験された。ここで使用される電流は、電子雑音フロアを低減するために、図２Ｂ〜２Ｄ及び図３Ｂ〜Ｄにおいて使用されるものより低い。ピックアップ電圧のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）が示される。高次高調波（第２、第３及び第４など）のピークは１０ｋＨｚの主周波数より少なくとも９桁低い。これらの小さな値の高調波は電子的処理及びシステム雑音に起因しており、特殊材料試験のための基準として較正されるべきである。
【００８９】
図１２Ａ〜１２Ｃからのこれらの例において見られ得るように、偶数高調波と奇数高調波は両方とも、非ヒステリシス材料（図１２Ｂ）とヒステリシス強磁性材料の非均質性を有する非ヒステリシス材料（図１２Ｃ）との間の強度差の程度を示し、例えば様々な材料の区別を可能にする。非ヒステリシス材料の非限定的例はオーステナイトステンレス鋼、二相ステンレス鋼及び高マンガン鋼を含む。ヒステリシス強磁性材料の非均質性を有する非ヒステリシス材料の非限定的例は、イプシロンマルテンサイト介在物を有する高マンガン鋼を含む。図１２Ａ〜１２Ｂは、非線形磁気応答はコイルの端が非ヒステリシス材料の板（例えば２００ｍｍ（Ｌ）×２００ｍｍ（Ｗ）×２０ｍｍ（Ｈ））上に置かれると劇的に変化しない、ということを示す。これは、非ヒステリシス材料が一定透磁率を有する線形磁性材料であるということと整合し、その結果、非線形磁気応答を生成しない。図１２Ａ及び１２Ｃは、非線形応答はコイルの端がヒステリシス強磁性材料の非均質性を有する非ヒステリシス材料の板（例えば、材料重量分率において重量で５％を越える非均質性を有する２００ｍｍ（Ｌ）×２００ｍｍ（Ｗ）×２０ｍｍ（Ｈ）の大きさの）上に置かれると劇的に変化する、ということを示す。奇数高調波と偶数高調波との両方のピークが劇的に増加する。特に、図１２Ｂの非ヒステリシス材料と比較して、図１２Ｃの第３高調波のピークは、ヒステリシス強磁性材料の非均質性を有する非ヒステリシス材料により２桁増加し、ヒステリシス強磁性材料の非均質性を有する非ヒステリシス材料を検出するために直接利用され得る独特な非線形磁気痕跡を提供する。
【００９０】
他の非破壊検査ツールにおける慣習と同様に、当業者は、非線形磁気応答及び／又は第３高調波のピーク値を、非ヒステリシス材料中のヒステリシス強磁性材料の様々な分率の非均質性に対し較正し得る。したがって、適切な較正により、本開示の方法及びシステムは２つ以上の材料相を有する試料（ヒステリシス強磁性材料の非均質性を有する非ヒステリシス材料など）の材料相分率を測定するために使用され得る。
【００９１】
本開示の少なくとも１つの態様によると、実施形態は、限定しないが、実際のＴＭＣＰ鋼鈑及び／又はパイプの表面上の及び／又はバルク内の望ましくない相の検出のために使用され得る。図１３Ａ〜１３Ｅを参照すると、実施形態は、例えば実際のパイプライン鋼内の異常を検出するために適用され得る。湾曲パイプ部は、ＴＭＣＰパイプ（２８インチ（７１１．２ｍｍ）内径（ＩＤ）及び約３／４インチ（１９．１ｍｍ）厚）から切断され、パイプ部の約４インチ（１０１．６ｍｍ）×４インチ（１０１．６ｍｍ）領域が試験された。パイプの大部分はフェライト／パーライト及び／又は軟質粒状ベイナイトを有し、一方、ＩＤ面の一部分は、製鋼所においてＴＭＣＰ製造プロセス中に自然に形成されたラスベイナイト又はマルテンサイト硬質鋼相を含む。
【００９２】
磁気センサ／音響センサ１３００及び磁気送信機１３０１を含むコイル束の長手側が図１３Ａに示すように水平方向（またパイプの円周方向）にアライメントされた場合の正規化第３高調波のデータマップが図１３Ａに示される。同じコイル束の長手側が図１３Ｂに示すように垂直方向（またパイプの縦方向）にアライメントされた場合の正規化第３高調波のデータマップが図１３Ｂに示される。図１３Ｃは、図１３Ａと図１３Ｂとの両方からデータセットを組み合わせたデータマップであり、特定の位置では、図１３Ｃは、図１３Ａと図１３Ｂ間の正規化第３高調波のより低い値だけを使用する。
【００９３】
同じパイプ部上では、２つの異なる送信機センサ配向と図１３Ａの左上周囲の白色から薄灰色区域と図１３Ｂの右下周囲の白色から薄灰色区域とを有する２つの異なる異常区域が現われる。様々な送信機センサ配向からの両方の区域が実際の材料硬度特性と整合するということを検証するために、ＴＭＣＰパイプ部は切断され、１０個の輪切り材料試料がパイプ部の様々な部分で作られた。次に、それらの試料は金属組織学的に研磨され、ビッカース硬度（ＶＨＮ）測定が圧入により表面下１００μｍにおいて１００グラム負荷により断面内で行われた。例えば、輪切り試料のうちの１つが図１３Ｅのボックス１３Ｄの位置から切断され、特定試料の対応するビッカース硬度（ＶＨＮ）測定結果が、簡単なデータプロットだけでなく１次元測定バーで図１３Ｄに示される。図１３Ｅは１０個のＶＨＮ結果のグループを実証する。輪切り試料が切り出された位置に硬度測定バーが置かれる。
【００９４】
ビッカース硬度測定結果と整合して、特に正規化第３高調波データマップ（図１３Ａ〜図１３Ｃ）内の非線形磁気応答は図１３Ｅにおいて検証されるように左上硬質区域と右下硬質区域との両方を捕捉することができる。具体的には、図１３Ａと図１３Ｂにおける送信機センサ配向を有するデータは、図１３Ｅの左上硬質区域と右下硬質区域とをそれぞれ捕捉することができる。データ異方性は熱間圧延プロセスなどの製造プロセスから生成される炭素鋼内の固有組織異方性に由来し、より良い且つより完全な検査結果を実現するために、好ましい送信機センサ配置は、各磁気送信機の周囲の様々な位置の及び／又は各磁気送信機と対になるセンサの多くの複製を含み得る。
【００９５】
示された実施形態では、以下のデータを生成するために使用される送信コイル２０１及びピックアップコイル２０３は約３／４インチ（１９．１ｍｍ）の最大外径とＬ≒７ｍＨのインダクタンスとを有するコイルを含む。図１４Ａ〜１４Ｃに示されるデータでは、送信コイル２０１及びピックアップコイル２０３は調査対象材料（例えば強磁性板）の同じ側に置かれた。
【００９６】
より小さな径を有するコイルは、図２Ｂ〜Ｄ及び図３Ｂ〜Ｄに示すような前に開示された１インチ（２５．４ｍｍ）コイルと同様なやり方で働く。対照実験として、デバイス２００は、２分の１メートル内に導電／磁性材料の無い大気中で１０ｋＨｚの周波数において試験された。ピックアップ電圧のパワースペクトル密度（ＰＳＤｓ）が図１４Ａ〜１４Ｃに示される。高次高調波（第２、第３、第４、第５など）のピークは、大気の場合１０ｋＨｚの主周波数より少なくとも８桁低い（図１４Ａ）。これらの小さな値の高調波は、電子的処理及びシステム雑音に起因しており、材料試験のための基準として較正されるべきである。
【００９７】
図２Ｂ〜Ｄから図３Ｂ〜Ｄの本開示と同様に、奇数高調波は、様々な材料タイプ間の強度差の程度を示し、例えば様々な材料の区別を可能にする。非線形応答は、マルテンサイト又はフェライトのクーポン（例えば、３８．１ｍｍの（Ｌ）×２５．４ｍｍ（Ｗ）×４．７ｍｍ（Ｈ））がより小さなコイルの端に置かれると劇的に変化する。偶数高調波は著しい変化を受けないが、一方、奇数高調波のピークは劇的に増加し、最も著しい増加は３０ｋＨｚ及び５０ｋＨｚにおける第３及び第５高調波から来る（例えば図１４Ｂ及び１４Ｃ）。特に、第３高調波のピークは、マルテンサイトクーポン（図１４Ｂ）では３桁超増加し、フェライトクーポン（図１４Ｃ）では５桁超増加し、例えばパイプライン鋼中のハードスポットを構成するマルテンサイト相などの硬質相を検出するために直接利用され得る独特な非線形磁気痕跡を提供する。
【００９８】
本開示の少なくとも１つの態様によると、より小さな径の磁気送信機及びセンサが、より高い横方向空間分解能を有する検査結果を生成するために使用され得る。示された実施形態では、以下のデータを生成するために使用される送信コイル２０１及びピックアップコイル２０３は図１５Ａ〜１５Ｂにおいて使用されるような３／４インチ（１９．１ｍｍ）径のコイルを含む。送信コイルとピックアップコイルとの両方は２次元自動化スキャナのキャリッジ上に取り付けられる。２次元自動スキャナは、いずれの次元においても０．１ｍｍ未満の最小ステップサイズでもって平坦な水平面内でキャリッジを移動することができ、キャリッジ及び／又はコイルの２次元空間的運動及び位置は制御され、コンピュータプログラムコードを介し監視され得る。
【００９９】
本開示の少なくとも１つの態様によると、実施形態は、限定しないが、表面上の及び／又はバルク内の空間的に変化する硬質相を有する実際のパイプ及び板上の検出のために使用され得る。図１５Ａ〜１５Ｂを参照すると、実施形態は例えば炭素鋼板内の異常を検出するために適用され得る。平坦な４１４０炭素鋼板（例えば、１２インチ（Ｌ）×６インチ（Ｗ）×１・１／４インチ（Ｈ））が、図１５Ａ右側パネル内に示すように試験された。同板の大部分はフェライト／パーライト相を有し、一方、７つの水平方向連続の硬質相領域又は硬質区域が存在する。これらのシミュレートされた硬質区域は、真空環境において電子ビームを使用した局所的表面加熱とそれに続いてヒートシンクとしての鋼製ボディによる自己温度消光とにより作られる。ＨＺ１〜ＨＺ７において使用される加熱パラメータは異なり、したがって、これらの７つの硬質区域は、様々な局所硬度及び幅を有し、様々な体積分率のラスベイナイト又はマルテンサイト硬質鋼相を含む。
【０１００】
２次元自動化スキャナによる測定中、送信及びピックアップコイルは調査対象試料の表面に対し０．１ｃｍ内に置かれ、コイル束の長手側は板方向の長手方向（１２インチ）にアライメントされる。鋼鈑全体にわたる様々な２次元位置における非線形磁気応答は１０ｋＨｚ磁気変調において測定された。この測定結果から、正規化第３高調波係数のデータマップが図１５Ａ左パネルに示される。図１５Ａ左パネルにおいて詳述されるように、より暗い灰色はより高い値の正規化第３高調波（より軟い材料特性）を示し、白色はより低い値の正規化第３高調波（より硬い材料特性）を示す。すべての７つの硬質相領域（ＨＺ１〜ＨＺ７）は、中でも、様々なレベルの第３高調波を有する非線形磁気応答測定により検出される。
【０１０１】
非線形磁気応答測定及びその結果のデータマップが材料硬度特性と整合するということを検証するために、４１４０炭素鋼板は図１５Ａ右側のパネルと同様に破線１５Ｂに沿って切断された。破線１５Ｂに沿って、７つの輪切り材料試料が作られ金属組織学的に研磨され、ビッカース硬度（ＶＨＮ）測定は圧入により表面下１００μｍにおいて１００グラム負荷により断面内で行われた。破線１５Ｂに沿ったＨＺ１〜ＨＺ５全体にわたる硬度測定結果が図１５Ｂ右側パネルに示される。ＨＺ６及びＨＺ７に関して、硬度測定は、表面下１００μｍにおいて測定される場合はいかなる高い硬度も捕捉せず、ＨＺ６とＨＺ７との両方が１００μｍの深さにおいて高硬度の区域を有しないということを実証する。ビッカース硬度測定（特に非線形磁気応答）に従って、正規化第３高調波が同じ破線１５Ｂに沿ってプロットされ、その結果は図１５Ｂ左パネル内に示され、正規化第３高調波のデータは、結果の高さと幅との一貫した相関を有するすべてのＨＺ１〜ＨＺ７を捕捉することができる。具体的には、ＦＷＨＭ（半値全幅：Ｆｕｌｌ  ｗｉｄｔｈ  ａｔ  ｈａｌｆ  ｍａｘｉｍｕｍ）幅が、第３高調波応答と硬度測定との両方のためのすべての測定された硬質区域に関して標識付けされる。第３高調波応答から測定された幅は、実際の情報として概して考えられる硬度測定から測定された幅から１ｍｍ〜２ｍｍ以内の変動である。示された実施形態では、非線形磁気応答は２ｍｍ以上の横方向空間分解能をもって表面硬質区域を検出することができる。
【０１０２】
図１６Ａ〜１６Ｂを参照すると、実施形態は例えば炭素鋼板内の異常を検出するために適用され得る。図１６Ａ左側パネルを参照すると、平坦なＴＭＣＰ炭素鋼板（例えば、９インチ（Ｌ）×５インチ（Ｗ）×１インチ（Ｈ））が試験された。この板の大部分がフェライト／パーライト及び／又は軟質粒状ベイナイト相を有する一方で、４つの垂直方向連続の硬質相領域又は硬質区域（その中心は板上に十字マーカ印により標識付けされる）が存在する。これらのシミュレートされた硬質区域は、真空環境において電子ビームを使用した局所的表面加熱とそれに続いてヒートシンクとしての鋼製ボディによる自己温度消光とにより作られる。ここで使用された加熱パラメータは、前述の板（図Ａ１４）においてＨＺ２〜ＨＺ５に使用されたものと同じパラメータであり、したがって、これらの４つの硬質区域は様々な局所硬度及び幅を有し、様々な体積分率のラスベイナイト又はマルテンサイト硬質鋼相を含む。同じ加熱パラメータにより、４１４０炭素鋼とＴＭＣＰ炭素鋼間のＨＺ２〜ＨＺ５の硬度もまた、ベース鋼板の化学的性質が異なるため、異なる。
【０１０３】
同じ２次元自動化スキャナにより、非線形磁気応答測定結果から、正規化第３高調波係数のデータマップが図１６Ａ右側パネルに示される。図１６Ａ右側パネルにおいて詳述されるように、黒色〜濃い灰色はより高い値の正規化第３高調波（より軟質い材料特性）を示し、白色〜薄い灰色はより低い値の正規化第３高調波（より硬い材料特性）を示す。すべての４つの硬質相領域（ＨＺ２〜ＨＺ５）は、中でも、様々なレベルの第３高調波を有する非線形磁気応答測定により検出される。
【０１０４】
材料硬度特性と整合する非線形磁気応答測定結果の感度を検証及び試験するために、ＴＭＣＰ炭素鋼板は図１６Ａ左パネルと同様に破線１６Ｂに沿って切断された。破線１６Ｂに沿って、１つの輪切り材料試料が作られ金属組織学的に研磨され、ビッカース硬度数測定は圧入により表面下１００μｍにおいて１００グラム負荷により断面内で行われた。一例として、ＨＺ３全体にわたる断面硬度マップが１６Ｂ上側パネルに示される。断面において、高硬質区域は約８．０ｍｍの幅と１．１ｍｍの深さとを有する半楕円形状を有し、同硬質区域内のビッカース硬度（２５０より大きなＶＨＮ）の平均増分は４０である。バルク領域（２５０未満のＶＨＮ）内の材料微細構造は、走査電子顕微鏡画像（図１６Ｂ左下）に示すように粒状ベイナイトと針状フェライトとの混合物であり、高硬質区域（２５０より大きなＶＨＮ）内の材料微細構造は図１６Ｂ右下に示すように粒状ベイナイトとラスベイナイトとの混合物である。ビッカース硬度測定結果に従って、第３高調波応答からのＨＺ３のＦＷＨＭ幅は、同じ破線１６Ｂ全体にわたる約１０．０ｍｍであると判断され、２ｍｍ空間分解能を有する硬度測定結果と整合する。
【０１０５】
他の非破壊検査ツールにおける慣習と同様に、当業者は、非線形磁気応答及び／又は第３高調波のピーク値を、様々なレベルのビッカース硬度（ＶＨＮ）、表面領域サイズ、及び試料内の硬質冶金学的相の深さに対して較正し得る。したがって、適切な較正により、本開示の方法及びシステムは、硬質冶金学的相の非均質性を有するヒステリシス材料などの２つ以上の材料相を有する試料の材料相部分だけでなくビッカース硬度も測定するために使用され得る。
【０１０６】
前述の方法は、限定しないが、ボルト、鍛造品、金型などを含む他の鋼部品の検査まで拡張され得る。
【０１０７】
本開示の少なくとも１つの態様によると、実施形態は、限定しないが非ヒステリシス材料内のヒステリシス磁性材料相の検出のために使用され得る。非ヒステリシス材料は、限定しないがアルミニウム、オーステナイトステンレス鋼、二相ステンレス鋼及び高マンガン鋼を含み得る。ヒステリシス磁性材料相の例は、限定しないがマルテンサイト、イプシロンマルテンサイト、フェライト、パーライト、ベイナイト、ラスベイナイト、針状フェライト及び準多角形状フェライトのうちのうちの少なくとも１つを含む。非ヒステリシス材料内のヒステリシス磁性材料相の検出の第１の例示的アプリケーションは、二相ステンレス鋼（DSS:duplex stainless steel）をグレード付けするために又は品質管理測度として使用され得るＤＳＳ中の磁性フェライト含有の量を判断することを含む。さらに具体的には、フェライトオーステナイトＤＳＳ中のデルタフェライトの量は、確定され、フェライトオーステナイトＤＳＳをグレード付けするために使用され得る、又はデルタフェライトの量が所望範囲に入るかどうかを判断するために品質管理として使用され得る。
【０１０８】
さらに別の例では、非ヒステリシス材料内のヒステリシス磁性材料相の検出は、オーステナイトステンレス鋼（例えばグレード３０４、３０８、３１６など）溶接部及びオーステナイトステンレス鋼溶接部が高温に晒される場合に（例えば配管、容器、反応器及び溶接オーバーレイなどの精製所運転装置が水素化処理状態に晒される場合に）品質管理のために使用され得る。このような状態下では、シグマ相（例えばフェライトの）（ヒステリシス磁性材料相）が形成し得、材料を壊れ易くする。本明細書において説明される方法及びデバイスは、精製所運転装置のすべて又は一部分内の脆化シグマ相の量を測定する又は脆化シグマ相の有無を検出するために使用され得る。水素化処理中、通常、精製所運転装置及びその溶接部はオーステナイトステンレス鋼を含む。水酸化処理中、通常、反応器の下流の精製所運転装置はオーステナイトステンレス鋼を含み、反応器の上流の、反応器内の、及び反応器の下流の精製所運転装置内の溶接部はオーステナイトステンレス鋼を含む。水酸化処理における反応器は通常、オーステナイト鋼溶接オーバーレイを有するＣｒ−Ｍｏ材料からなる。いくつかの実施形態では、本明細書において説明される方法及びデバイスはまた、Ｄ／Ｓ内の水酸化反応器内の厚肉Ｃｒ−Ｍｏ反応器のオーステナイトステンレス鋼配管、容器、及び溶接オーバーレイの製作のために使用される周溶接部及びシーム溶接部中のフェライト含有の量を測定する又はその有無を検出するために使用され得る。フェライト含有の量は、ステンレス鋼溶接部内の溶接凝固亀裂を防止するための望しい量を満足する必要がある。
【０１０９】
非ヒステリシス材料内のヒステリシス磁性材料相を検出する前述の例のそれぞれでは、非線形磁気応答信号とヒステリシス磁性材料相の含有量とを相関付けるために、非ヒステリシス材料内に様々な量のヒステリシス磁性材料相を有する較正試料が用意され得る。
【０１１０】
本開示の少なくとも１つの態様によると、実施形態は、限定しないが、溶接部の硬度を特徴付けるために使用され得る。図１３Ａ〜Ｅに関する開示と同様に、様々な溶接材料のＶＨＮ又はブリネル硬度数（ＢＨＮ：Brinell Hardness number）は、本明細書において説明される非線形磁気応答信号と相関付けられ得る。溶接部の硬度の特徴付けを適用する第１の例では、携帯デバイスが、溶接部（新しい、古い、又は修理された）に対する又はその一部分に対する非線形磁気応答信号を測定するために使用され得、次に、非線形磁気応答信号はＶＨＮ及び／又はＢＨＮと相関付けられ得る。
【０１１１】
溶接部の硬度の特徴付けを適用する別の例は、電気抵抗溶接（ＥＲＷ：electric resistance weld）のタイプ（例えば低周波数熱処理型ＥＲＷ、低周波数非熱処理型ＥＲＷ、高周波数熱処理型ＥＲＷ及び高周波数非熱処理型ＥＲＷ）を識別することである。この例では、ＥＲＷの非線形磁気応答信号と比較された非線形磁気応答信号ベースパイプはＥＲＷのタイプと相関があり得る。このような相関は標準較正測定を介し判断され得る。このような方法の実施形態は、インラインパイプライン検査ゲージ、自動又は手動牽引式パイプライン検査ツール、製鋼所検査ツール、溝内検査ツール、携帯検査デバイスなどを含み得る。特徴付けを適用するさらに別の例では、溶接部の硬度は、溝内検査を使用してベースパイプの硬度及びパイプグレードを識別することである。この例では、非線形磁気応答信号は、較正され、ベースパイプの材料の硬度、引張り及び／又は降伏強度と相関付けられ得る。このような相関は溝内検査を使用してパイプグレードを判断するために使用され得る。
【０１１２】
溶接部の硬度の特徴付けを適用するさらに別の例では、修理後の溶接部（例えばシーム溶接部及び／又は周溶接部）の硬度。一例では、修理された溶接部は、水素化処理反応器内で使用される圧力容器（例えばＣｒ−Ｍｏ  １／２Ｃｒ鋼からなる）と関連付けられ得る。修理プロセスは、溶接部と溶接部周囲の金属の一部分とを除去することと、その領域を交換／補修することとを含み得る。新たに形成された溶接部は任意選択的に熱処理され得る。検査プロセスは、修理後の溶接部（ポスト溶接熱処理の有無にかかわらず）が、溶接部の硬度の工業規格及び／又は社内仕様を満たす及び／又は溶接部内のハードスポットを識別するかどうかを判断する工程を含み得る。
【０１１３】
別の同様な例は２１／４  Ｃｒ−Ｖ鋼容器に関連する溶接部の硬度を測定する工程を含む。検査プロセスは、製作溶接部及び／又は修理（ポスト溶接熱処理の有無にかかわらず）後の溶接部が、溶接部の硬度の工業規格及び／又は社内仕様を満たす及び／又は溶接部内のハードスポットを識別するかどうかを判断する工程を含み得る。
【０１１４】
さらに別の同様な例は、経時的な溶接部硬度の管理を含む。すなわち、容器、パイプなどは、ハードスポットの硬度及び／又は位置及びサイズを経時的に監視することにより検査され得る。検査は、携帯デバイス及び自動クローラを含む任意の好適なデバイスにより行われ得る。検査プロセスは製作溶接部及び／又は修理溶接部（ポスト溶接熱処理の有無にかかわらず）に対し行われ得る。
【０１１５】
溶接硬度及び／又は溶接部内のハードスポットと相関付けられた非線形磁気応答信号を使用する別の実施形態では、特に溶接ルート及び／又は溶接キャップが検査及び分析され得る。好ましい例では、このアプリケーションは、ライザーの現場溶接とサワーサービス（sour service）パイプラインとへ適用され得る。任意選択的に、本明細書において説明される非線形磁気応答信号方法／デバイスによるルート溶接部の検査はレーザルートプロファイリングと組み合わせて行われ得る。ルート溶接（例えば周溶接ルート）内の硬度の増加は、不適切な溶接手順（例えば、溶接ルートに近いＣｕ冷却シューズ（Cu cooled shoes）を使用する）における高冷却速度及び／又はＣｕ冷却シューズなどの機器からの溶接金属中への溶解されたＣｕ汚染から生じ得る。
【０１１６】
溶接部内の溶接硬度及び／又はハードスポットと相関付けられた非線形磁気応答信号を使用するさらに別の例では、裏溶接の品質が評価され得る。裏溶接は手動でなされる周溶接に対する内部修理である。裏溶接部内のハードスポットの硬度及び／又は位置並びにサイズを判断する工程は、裏溶接部が硬度の工業規格及び／又は社内仕様を満たすかどうかを検証し得る、又はさらなる修理が必要かどうかを判断し得る。このような方法の実施形態は、インラインパイプライン検査ゲージ、自動又は手動牽引式パイプライン検査ツール、携帯検査デバイスなどを含み得る。
【０１１７】
溶接部内の溶接硬度及び／又はハードスポットと相関付けられた非線形磁気応答信号を使用する別の例では、本明細書において説明される方法及びデバイスは、周溶接部を生成ために使用される溶接バグ及び／又は周溶接部を検査するために使用される超音波試験バグと併せて使用され得る。バグは、周溶接部を生成する及び／又は周溶接部を検査するためにパイプの外周を回る自動機械である。本明細書において説明されるデバイスは、形成された（すなわち溶接バグにより）後に又は周溶接部の超音波応答を測定する（すなわち超音波試験バグにより）際に周溶接部の非線形磁気応答信号を測定するためにバグと一体化され得る。
【０１１８】
本開示の少なくとも１つの態様によると、実施形態は、限定しないが、パイプ又は類似構造を製造するために使用される材料又はパイプ又は類似構造内に使用される材料の硬度、引張り強度、及び／又は降伏強度を特徴付けるために使用され得る。図１３Ａ〜Ｅに関する開示と同様に、パイプ又は類似構造を製造するために使用される材料又はパイプ又は類似構造内に使用される材料の硬度（例えばＶＨＮ又はＢＨＮ）、引張り強度、及び／又は降伏強度は本明細書において説明される非線形磁気応答信号と相関付けられ得る。硬度、引張り強度、及び／又は降伏強度が判断されると、パイプグレードが導出され得る。このような方法の実施形態は、インラインパイプライン検査ゲージ、自動又は手動牽引式パイプライン検査ツール、製鋼所検査ツール、溝内検査ツール、携帯検査デバイスなどを含み得る。
【０１１９】
本開示の少なくとも１つの態様によると、実施形態は、限定しないが、パイプライン及び類似構造の完全性を低下させる応力腐食亀裂を引き起こし得る硬質区域（例えば、冷間加工領域又は凹部）を検出及び定位するために使用され得る。応力腐食亀裂は腐食環境における亀裂の形成又は成長である。オーステナイトステンレス鋼及びアルミ合金では、塩化物（例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ及びＭｇＣｌ２）が応力腐食亀裂の源であり得る。応力腐食亀裂は通常、故障が発生してはならないということを破壊力学が予測する条件下で伝播する表面内の小さな傷により開始する。応力腐食亀裂を引き起こし得る応力腐食亀裂及び／又は局所硬質加工区域（硬質区域）の領域を非破壊材料検査方法又はツールにより検出することができることで、パイプライン又は他の構造の故障を軽減する可能性がある。このような方法の実施形態は、インラインパイプライン検査ゲージ、自動又は手動牽引式パイプライン検査ツール、携帯検査デバイスなどを含み得る。
【０１２０】
当業者には明らかなように、本開示の態様は、システム、方法又はコンピュータプログラム製品として具現化され得る。したがって、本開示の態様は、完全にハードウェア実施形態、完全にソフトウェア実施形態（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）、又は本明細書ではすべて「回路」、「モジュール」又は「システム」と一般的に呼ばれ得るソフトウェア態様とハードウェア態様とを組み合わせる実施形態の形式を取り得る。さらに、本開示の態様は、その上に具現化されたコンピュータ可読プログラムコードを有する１つ又は複数のコンピュータ可読媒体内に具現化されたコンピュータプログラム製品の形式を取り得る。
【０１２１】
１つ又は複数のコンピュータ可読媒体の任意の組み合わせが利用され得る。コンピュータ可読媒体はコンピュータ可読信号媒体であってもよいしコンピュータ可読ストレージ媒体であってもよい。コンピュータ可読ストレージ媒体は例えば、限定するものではないが、電子、磁気、光、電磁気、赤外線、又は半導体システム、装置、デバイス又はこれらの任意の組み合わせであり得る。コンピュータ可読ストレージ媒体のより具体的な例（非網羅的リスト）は、１つ又は複数のワイヤを有する電子的接続、携帯型コンピュータディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブルＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ又はフラッシュメモリ）、光ファイバ、携帯型コンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、光学的ストレージデバイス、磁気的ストレージデバイス、又はこれらの任意の好適な組み合わせを含むであろう。本文書の文脈では、コンピュータ可読ストレージ媒体は命令実行システム、装置又はデバイスにより又はそれに関連して使用するためのプログラムを含む又は格納し得る任意の有形な媒体であり得る。
【０１２２】
コンピュータ可読信号媒体は、コンピュータ可読プログラムがその上に具現化された伝搬データ信号であって例えばベースバンド内の又は搬送波の一部としての伝搬データ信号を含む。このような伝播信号は、限定しないが、電磁気、光、又はそれらの任意の好適な組み合わせを含む多様な形式のうちの任意の形式を取り得る。コンピュータ可読信号媒体は、コンピュータ可読ストレージ媒体でない任意のコンピュータ可読媒体であって、命令実行システム、装置又はデバイスによる使用のための又はそれに関連する使用のためのプログラムを伝達、伝搬、又は輸送し得る任意のコンピュータ可読媒体であり得る。
【０１２３】
コンピュータ可読媒体上に具現化されるプログラムコードは、限定しないが、無線、有線、光ファイバケーブル、ＲＦなど又は上述したものの任意の好適な組み合わせを含む任意の適切な媒体を使用して送信され得る。
【０１２４】
本開示の態様の操作を行うためのコンピュータプログラムコードは、Ｊａｖａ、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ＋＋などのオブジェクト指向プログラミング言語、「Ｃ」プログラミング言語又は同様なプログラミング言語などの従来手順プログラミング言語、及びＬａｂＶｉｅｗ又は同様なプログラミング言語などのビジュアルプログラミング言語を含む１つ又は複数のプログラミング言語の任意の組み合わせで書かれ得る。プログラムコードは、ユーザのコンピュータ上で完全に、スタンドアロンソフトウェアパッケージとしてのユーザのコンピュータ上で部分的に、ユーザのコンピュータ上で部分的に、リモートコンピュータ上で部分的に、又はリモートコンピュータ又はサーバ上で完全に実行し得る。後者のシナリオでは、リモートコンピュータは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）又は広域ネットワーク（ＷＡＮ）を含む任意のタイプのネットワークを介しユーザのコンピュータへ接続され得る、又は、接続は外部コンピュータに対しなされ得る（例えばインターネットサービスプロバイダを使用してインターネットを介し）。いくつかの実施形態では、例えば現在のパイプライン検査ゲージ（ＰＩＧ）技術では、ＰＩＧ上のオンボードコンピュータ及びプロセッサはパイプラインで送られ、その間に、コンピュータは、オンボード送信機及びセンサを制御するために、予めロードされた命令及びプログラムコードを使用し、初期解析を行い、測定結果を格納する。パイプライン出口において、ユーザは、ＰＩＧを取り出し、格納済みデータをダウンロードし、このデータはさらに、様々なプログラムコードにより別のコンピュータ上で解析され、後処理され得る。
【０１２５】
本開示の態様は、本発明の実施形態による方法、装置（システム）及びコンピュータプログラム製品のフローチャート図及び／又はブロック図を参照して上に説明された。フローチャート図及び／又はブロック図の各ブロック並びにフローチャート図及び／又はブロック図内のブロックの組み合わせはコンピュータプログラム命令により実施され得るということが理解されることになる。これらのコンピュータプログラム命令は、コンピュータ又は他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサを介し実行する命令がフローチャート及び／又はブロック図ブロック又はブロック群において規定された機能／行為を実施する手段を生成するように、マシンを製造するために汎用コンピュータ、特殊用途コンピュータ、又は他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサへ提供され得る。
【０１２６】
これらのコンピュータプログラム命令はまた、フローチャート及び／又はブロック図ブロック又はブロック群内に規定された機能／行為を実施する命令を含むコンピュータ可読媒体内に格納された命令が製品を生成するようにコンピュータ、他のプログラマブルデータ処理装置、又は他のデバイスに特定のやり方で機能するように指示し得るコンピュータ可読媒体内に格納され得る。
【０１２７】
コンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ又は他のプログラム可能装置上で実行する命令が、本明細書において規定された機能／行為を実施するためのプロセスを提供するように、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置上、又は一連の操作工程がコンピュータ上で行われるようにする他のデバイス上、コンピュータ実施工程を生成するための他のプログラム可能装置又は他のデバイス上にロードされ得る。
【０１２８】
実験室実験及びコンピュータシミュレーションを介し、様々なヒステリシス曲線を有する強磁性材料を検出及び区別する（例えば硬質マルテンサイトスポットと軟質フェライト相とを区別する）ための非線形磁気及び磁気音響システム並びに方法が開示された。ヒステリシス材料の例は、強磁性材料（例えば鋼、ニッケル、コバルトなど）と多様な炭素鋼などのそれらの合金のうちのいくつかとを含む。非線形磁気応答が材料の初期／残留磁化に依存するということも観察された。このような複雑性を回避するために、実施形態は、材料の内部の磁化を規制するための効果的な手法を含む。このような効果的な手法の例は、限定しないが、材料が小さな交流磁気変調に対して垂直な方向に外部から磁化される図７Ａ、７Ｂ、７Ｃのように上の論述において提供された。
【０１２９】
加えて、基本的電磁気力に基づき、非線形磁気応答の自然派生物は非線形電気的渦流生成である。大きな永久磁場と結合されると、この渦電流は非線形機械的波を生成し、評価されたヒステリシス材料により磁気音響応答を生成する。磁気異常の検出（例えばパイプライン検査における）を改善するために、非線形磁気実施形態は、従来のＰＩＧシステム内のＭＦＬセットアップへ取り込まれ得、非線形磁気音響検出実施形態は当業者により認識されるように既存ＥＭＡＴセンサに対し適用され得る。
【０１３０】
実施形態は、例えばパイプ中の欠陥及びハードスポット／領域を識別するためのかつてない非線形磁気及び磁気音響検出を提供する。実施形態は、非線形磁気応答の深い理解により可能にされる様々なヒステリシス材料（例えば軟質フェライト鋼／領域と硬質マルテンサイト鋼／領域）を区別するための非常に際立った特徴を提供する。特に、偶数高調波応答と奇数高調波応答との両方が調査され、材料の磁気特性及び状態に対するそれらの関係が発見された。加えて、実施形態は、本方法が高速検査及び深さ走査に非常に好都合であり得る広周波数帯域（例えば１００Ｈｚ〜１ＭＨｚ）全体にわたり使用され得るので現場用途に非常に好都合であり、実施形態は、金属コア無しに低電流及び低磁場において働き、したがって、比較的エネルギー効率が良い。
【０１３１】
非破壊パイプライン検査の改善はパイプ破損及び漏洩のリスクを著しく低減する。実施形態はパイプライン検査の方法を保有する新しいツールを提供する。
【０１３２】
上に説明されるとともに添付図面に示される本開示の方法及びシステムは優れた特性を有する非破壊材料検査を提供する。１つのアプリケーションでは、本方法及びシステムは、パイプの内側から材料相を識別するとともに高硬度又は金属損失又は亀裂を有する領域を評価するインライン検査のための非破壊試験ツールとして使用され得る。別のアプリケーションでは、本方法及びシステムは、金属板の表面から材料相を識別するとともにより高い硬度、又は金属損失、又は亀裂を有する領域を評価することにより金属板をスクリーニングする非破壊試験ツールとして使用され得る。さらに、別のアプリケーションでは、本方法及びシステムは、金属物体の表面から材料相を識別するとともにより高い硬度、又は金属損失、又は亀裂を有する領域を評価することにより金属パイプ、板、表面、溶接部、及び継手をスクリーニングするための携帯デバイスとして使用され得る。さらに、別のアプリケーションでは、本方法及びシステムは、電気抵抗溶接（ＥＲＷ）によるパイプライン溶接部内の鋼相、パイプラインの溶接タイプ及び／又は熱処理状態を識別するための非破壊試験ツールとして使用され得る。加えて、別のアプリケーションでは、本方法及びシステムは、材料相を識別することにより、そして高硬度を有する領域、金属損失、又はライザーの亀裂及びサワーサービスパイプラインを評価することにより周溶接ルートを検査するための非破壊試験ツールとして使用され得る。
【０１３３】
上述のアプリケーションでは、材料相は、限定しないが、オーステナイト、マルテンサイト、フェライト、パーライト、ベイナイト、ラスベイナイト、針状フェライト及び準多角形状フェライトのうちのうちの少なくとも１つを含み得る。いくつかの実施形態では、システムは、入力時変磁場により材料を調査するとともに受信された磁気応答又は音響応答の時間依存非線形特性と材料の１つ又は複数の材料状態とを相関付ける非破壊評価ツール上に取り込まれ得る。非破壊評価試験ツールの非限定的例は、インラインパイプライン検査ゲージ、自動又は手動牽引式パイプライン検査ツール、製鋼所検査ツール、及び携帯検査デバイスを含む。
【０１３４】
いくつかの実施形態では、アプリケーションは、限定しないが、磁気送信機、磁気センサ、音響センサ、及び調査対象材料の好適な近傍位置に置かれた馬蹄形磁石の複数の複製を含み得る。いくつかの実施形態では、アプリケーションは、限定しないが、１つの磁気送信機と対をなす磁気センサ及び／又は音響センサの１つ又は複数の複製を含む。いくつかの実施形態では、好ましい配置は、各磁気送信機の周囲の様々な位置の及び／又は各磁気送信機と対をなす磁気センサ及び／又は音響センサの４つの複製を含む（図９に示す）。より好ましい配置は、各磁気送信機の周囲の様々な位置の及び／又は各磁気送信機と対をなす磁気センサ及び／又は音響センサの８つの複製を含む（図１０に示す）。さらに好ましい配置は、各磁気送信機の周囲の様々な位置の及び／又は各磁気送信機と対をなす様々な大きさの磁気センサ及び／又は音響センサの最大数の複製を含み得る。いくつかの実施形態では、アプリケーションは、限定しないが、その２本の脚が調査対象材料の表面と接触する少なくとも１つの馬蹄形磁石を含む。いくつかの実施形態では、アプリケーションは、限定しないが、少なくとも１つの磁気送信機と、馬蹄形磁石の中心に位置する磁気センサ又は音響センサの少なくともいずれか１つとを含む。いくつかの実施形態では、アプリケーションは、限定しないが、調査対象材料中の磁化を規制するために任意選択的磁石又は電磁石を含む。いくつかの実施形態では、アプリケーションは、限定しないが、磁気音響応答用に直流磁場を提供するために任意選択的磁石又は電磁石を含む。
【０１３５】
いくつかの実施形態では、アプリケーションは、限定しないが、様々な空間位置における磁気応答又は音響応答を検出するために磁気送信機、磁気センサ及び音響センサを移動するためのコンピュータ制御自動プラットフォームを含み得る。いくつかの実施形態では、アプリケーションは、限定しないが、様々な空間位置における磁気応答又は音響応答を検出するために磁気送信機、磁気センサ及び音響センサを移動するための手動制御並進及び回転プラットフォームを含み得る。いくつかの実施形態では、アプリケーションは、限定しないが、少なくとも１つの磁気送信機及び１つの磁気センサを含む携帯デバイスを含み得る。いくつかの実施形態では、アプリケーションにおける調査対象試料は、限定しないが、低周波数熱処理型ＥＲＷパイプ、低周波数非熱処理型ＥＲＷパイプ、高周波加熱処理型ＥＲＷパイプ及び高周波非熱処理型ＥＲＷパイプを含み得る。
【０１３６】
例示的実施形態
本発明の第１の実施形態は、少なくとも１つのヒステリシス強磁性材料及び／又は少なくとも１つの非ヒステリシス材料の材料状態を判断する方法である。本方法は、ヒステリシス強磁性材料及び／又は非ヒステリシス材料を入力時変磁場により調査する工程と；ヒステリシス強磁性材料及び／又は非ヒステリシス材料からの経時的磁気応答及び／又は音響応答を検出する工程と；受信された磁気応答及び／又は音響応答の時間依存非線形特性を判断する工程と；受信された磁気応答及び／又は音響応答の時間依存非線形特性と材料の１つ又は複数の材料状態とを相関付ける工程とを含む。任意選択的に、この実施形態は、以下の要素のうちの１つ又は複数の要素を含み得る：
要素１：調査用磁場は追加磁場を含む；
要素２：追加磁場は一定直流磁場を含む要素１；
要素３：調査用磁場は消磁磁場を含む；
要素４：材料の１つ又は複数の材料状態は材料相であり、材料は少なくとも１つのヒステリシス強磁性材料を含む；
要素５：材料の１つ又は複数の材料状態は材料相であり、材料は少なくとも１つの非ヒステリシス材料を含む；
要素６：材料の１つ又は複数の材料状態は非ヒステリシス材料の存在であり、材料は少なくとも１つのヒステリシス強磁性材料を含む；
要素７：時間依存非線形特性を判断する工程は、パワースペクトル密度データを生成するために、受信された磁気応答及び／又は音響応答のパワースペクトル密度解析を含む周波数領域解析を行う工程を含む；
要素８：時間依存非線形特性を判断する工程はパワースペクトル密度データの１つ又は複数の高調波ピーク値を判断する工程を含む要素７；
要素９：１つ又は複数の高調波ピーク値を判断する工程はスペクトル密度データの１つ又は複数の高調波係数を判断する工程を含む要素８；
要素１０：１つ又は複数の高調波係数及び／又はピーク値を判断する工程はスペクトル密度データの奇数高調波係数及び／又はピーク値を判断する工程を含む要素９；
要素１１：奇数高調波係数及び／又はピーク値を判断する工程はスペクトル密度データの第３及び／又は第５高調波を判断する工程を含む要素１０；
要素１２：時間依存非線形特性を相関付ける工程は第３及び／又は第５高調波と１つ又は複数の材料状態とを比較し相関付ける工程を含む要素１１；
要素１３：１つ又は複数の高調波係数及び／又はピーク値を判断する工程はスペクトル密度データの偶数高調波係数及び／又はピーク値を判断する工程を含む要素９；
要素１４：偶数高調波係数及び／又はピーク値を判断する工程はスペクトル密度データの第２高調波を判断する工程を含む要素１３；
要素１５：時間依存非線形特性を相関付ける工程は、第２高調波と、材料の磁化状態及び材料の既存残留磁化を含む追加材料情報とを比較し相関付ける工程を含む要素１４。
要素１６：１つ又は複数の材料状態はヒステリシス強磁性材料及び／又は非ヒステリシス材料の少なくとも１つの材料相の存在を含む；
要素１７：ヒステリシス強磁性材料は鋼を含み、材料相はオーステナイト、マルテンサイト、フェライト、パーライト、ベイナイト、ラスベイナイト、針状フェライト、準多角形状フェライトのうちの少なくとも１つを含む；
要素１８：材料の１つ又は複数の材料状態は材料の１つ又は複数の第１の材料状態であり；本方法はさらに、材料の１つ又は複数の第２の材料状態を生成するために異なる構成で入力時変磁場により、調査する工程と、検出する工程と、判断する工程と、相関付ける工程とを反復する工程と；１つ又は複数の材料状態を表す組み合わされたデータセットを生成するために材料の１つ又は複数の第１の材料状態と１つ又は複数の第２の材料状態とを組み合わせる工程とを含む；組み合わせの例は、限定しないが、以下の組み合わせを含む：要素１と要素３との組み合わせ、及び任意選択的に要素２とのさらなる組み合わせ；要素４〜６のうちの２つ以上の要素の組み合わせ；要素７、要素８、要素１０（任意選択的に要素１１及び要素１２の一方又は両方）、要素１３（任意選択的に要素１４及び要素１５の一方又は両方を伴う）の組み合わせ；要素１６と要素４〜６のうちの１つ又は複数の要素との組み合わせ、及び任意選択的に、さらに要素１７との組み合わせ；要素１６と要素１７の組み合わせ；要素１８と、要素１〜１７のうちの１つ又は複数の要素との組み合わせ；及びそれらの任意の組み合わせ。
【０１３７】
別の本発明の実施形態は、要素１〜１８のうちの１つ又は複数の要素を任意選択的に有する第１の実施形態の方法を行うための命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体を含む。
【０１３８】
さらに別の本発明の実施形態は少なくとも１つのヒステリシス強磁性材料及び／又は少なくとも１つの非ヒステリシス材料の材料状態を検出するためのデバイス含む。本デバイスは、調査用時変磁場を出力するように構成された少なくとも１つの磁気送信機と；磁気応答及び／又は音響応答を受信するとともに磁気応答及び／又は音響応答を磁気応答信号及び／又は音響応答信号へ変換するように構成された少なくとも１つの磁気センサ及び／又は音響センサと；少なくとも１つの磁気センサ及び／又は音響センサからの経時的磁気信号及び／又は音響応答信号を検出する工程と；磁気信号及び／又は音響信号の時間依存非線形特性を判断する工程と；磁気信号及び／又は音響信号の時間依存非線形特性と材料の１つ又は複数の材料状態とを相関付ける工程とを含む方法を実行するように構成されたプロセッサとを含む。任意選択的に、この実施形態は、以下の要素のうちの１つ又は複数の要素を含み得る：要素１；要素２；要素３；要素４；要素５；要素６；要素７；要素８；要素９；要素１０；要素１１；要素１２；要素１３；要素１４；要素１５；要素１６；要素１７；要素１８；
要素１９：本デバイスはユーザに材料の１つ又は複数の状態を示すように構成された出力デバイスを含む；
要素２０：本デバイスは適切な即時リアルタイム行為について１人又は複数のユーザに通知することを意味する指示器を含み、ユーザは指示器を直接観測し得る要素１９；
要素２１：本デバイスは、ユーザと通信するためのデバイスを含み得、これもまた、適切な即時リアルタイム行為についてユーザに通知することを意味するが、ユーザは離れた場所にいてもよく、通信は有線経路を介しても無線経路を介してもよい。
要素２２：本デバイスは即時リアルタイム行為のためのものではない後の検索及び後処理のためのデータ収集及び格納デバイスを含む要素１９。
要素２３：上記処理は、磁気信号及び／又は音響信号の時間依存非線形特性をオンボードコンピュータによりリアルタイムで判断し相関付けることを含む；
要素２４：磁気信号及び／又は音響信号は、磁気信号及び／又は音響信号の時間依存非線形特性を判断し相関付ける工程を含む後処理工程のためにコンピュータ可読ストレージ媒体へ格納される；
要素２５：少なくとも１つの磁気センサ及び／又は音響センサは周囲の様々な位置における及び／又は少なくとも１つの磁気送信機のそれぞれと対にされる磁気センサ及び／又は音響センサの４つの複製である；
要素２６：少なくとも１つの磁気センサ及び／又は音響センサは周囲の様々な位置における及び／又は少なくとも１つの磁気送信機のそれぞれと対をなす磁気センサ及び／又は音響センサの８つの複製である；組み合わせの例は、限定しないが、以下の組み合わせを含む：要素１と要素３との組み合わせ、及び任意選択的に要素２とのさらなる組み合わせ；要素４〜６のうちの２つ以上の要素の組み合わせ；要素７、要素８、要素１０（任意選択的に要素１１及び要素１２の一方又は両方）、要素１３（任意選択的に要素１４及び要素１５の一方又は両方を伴う）の組み合わせ；要素１６と要素４〜６のうちの１つ又は複数の要素との組み合わせ、及び任意選択的に、さらに要素１７との組み合わせ；要素１６と要素１７の組み合わせ；要素１８と、要素１〜１７のうちの１つ又は複数の要素との組み合わせ；要素１〜１８のうちの１つ又は複数の要素と要素１９〜２６のうちの１つ又は複数の要素との組み合わせ；要素１９と、要素２０〜２２のうちの２つ以上の要素及び任意選択的に要素２３、２４の一方又は両方との組み合わせ；要素２５と要素２６との組み合わせ（例えば、２つ以上の構成のデバイスがツール内などで一緒に実現される）；要素２５及び／又は要素２６と、要素１〜２４のうちの１つ又は複数の要素との組み合わせ；及びそれらの任意の組み合わせ。
【０１３９】
主題開示の機器及び方法が実施形態を参照して示され説明されたが、当業者は、変更及び／又は修正が主題開示の精神及び範囲から逸脱すること無くなされ得るということを容易に理解することになる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１１Ｆ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【国際調査報告】
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