JP2004077478A - 管圧延機の管の壁厚を測定する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】　レーザ−超音波−測定装置の調節を容易にする。
【解決手段】　本発明は、レーザ−超音波−測定装置の測定ヘッド２を備え、この測定ヘッド内に、励起レーザ３と、照射レーザ４と、管表面から測定ヘッド２に散乱して戻る光を集めるための収束レンズ５が配置されている、管圧延機の管１の壁厚Ｄを測定するための装置に関する。集束された光を出射する、測定ヘッド２の異なる個所に固定された少なくとも２個の光源６，７，８が測定ヘッド２に配置されている。
【選択図】　　　図２

Description

　本発明は、レーザ−超音波−測定装置の測定ヘッドを備え、この測定ヘッド内に、励起レーザと、照射レーザと、管表面から測定ヘッドに散乱して戻る光を集めるための収束レンズが配置されている、管圧延機の管の壁厚を測定するための装置に関する。

　技術の多くの分野で、鋼製の管が必要である。この管は例えば、傾斜圧延機において軸方向に固定されたマンドレルを用いて円筒状に形成された出発材料を管状の中空ブロックに変形する方法で製作される。円筒状の形成された出発材料を継目なし管に変形するために、出発材料はマンドレルを介して圧延される。このような方法は例えば特許文献１によって知られている。

　継目なし鋼管のストレッチ圧延機と絞り圧延機およびサイジング圧延機の場合、加工すべき管は圧延機列を通過する。この圧延機列では、或る数の圧延スタンドが管の搬送方向に配置されている。各々の圧延スタンドにはロールが支承されている。このロールは圧延時にそれぞれ所定の周方向区間だけ管に接触する。その際、各々の圧延スタンドにおいて複数個（例えば３個）のロールが協働し、管のほぼ全周にロールが接触する。それによって、管は圧延されて縮小した直径になり、その際正確な形になる。

　管は圧延後理想的な形を有するようにすべきである。すなわち外周の円筒状輪郭と、内周の円筒状輪郭は、２つの同心的な円を形成すべきである。しかしながら実際には、仕上げ管が常に誤差を有するので、外周の円輪郭に対して内周の円輪郭の或る程度の偏心が存在する。

　管製造時の重要な品質パラメータは管の壁厚である。この壁厚は製造プロセスで測定および監視される。管の壁厚を測定するために超音波測定方法が知られている。パルスエコー方法による超音波厚さ測定方法は、超音波パルスの走行時間から壁厚を求める。

　その際、例えば特許文献２と特許文献３に記載されているような冒頭に述べた種類の装置の場合、励起レーザが使用される。この励起レーザは管の表面に超音波パルスを供給する。この超音波パルスは管の内部の方に伝播し、内壁で反射する。外壁表面に戻る信号は、照射レーザが管表面の方に向けられることにより検出される。反射した信号は干渉計に供給される。この場合、共焦点のファブリー・ペロ干渉計が使用される。電子評価装置は、供給された超音波信号と反射した超音波信号の時間的な間隔を求める。管内の音速が知られている場合、この間隔から壁厚が計算される。

　管圧延機の比較的にきびしい環境条件下で壁厚を精密にかつ安定して測定するためには、レーザ−超音波−測定装置をその最適な動作点で運転する必要がある。そのためには、励起レーザの光と照射レーザの光が互いに所定の位置にあることが必要である。特に、測定物質（管）と測定ヘッドの間隔をできるだけ正確に維持しなければならない。

　その際、上記の環境条件下では最適な運転の確保がしばしばきわめて困難であることが判った。特に圧延機周囲において、レーザ−超音波−測定装置の精密な調節を実現することがきわめて困難である。この調節は設備の規則的なチェックによってのみ達成可能である。その際特に、管表面から測定装置への反射したレーザ光の最適な励進を保証するために、管表面に対するレーザ−超音波−測定装置の測定ヘッドの間隔を、設定された所望な値に保つことが重要である。

欧州特許出願公開第０９４０１９３号（Ａ２） 米国特許第５，１３７，３６１号明細書 国際特許（ＷＯ）　００／６３６４１

　そこで、本発明の根底をなす課題は、上記の難点を克服し、レーザ−超音波−測定装置の常に最適な動作点を確保することができるように、冒頭に述べた種類の装置を改良することである。特に、圧延機のきびしい環境条件下で、管表面に対する測定ヘッドの間隔を所望な値に簡単に調節し、この値を保持することができるようにすべきである。

　この課題は、集束された光を出射する、測定ヘッドの異なる個所に固定された少なくとも２個の光源が測定ヘッドに配置されていることによって解決される。その際、管が測定ヘッドに対して設定された間隔のところにあるときに、少なくとも２個の光源の集束光線が管の表面で交差するように、光源を測定ヘッドに固定し、方向づけることができる。

　この構造にって、測定ヘッドが管表面に対して正しい間隔のところにあるかどうかがきわめて簡単かつ迅速に検査可能である。場合によっては、測定ヘッドと管の間隔が再調整される。それによって、きびしい圧延機条件下で、レーザ−超音波−測定装置の安定した動作点を簡単に確保することができる。これは圧延機の生産力と製造された管の品質を高める。

　実施形によれば、３個の光源が測定ヘッドの異なる個所に固定されている。
　光源が人の目に見える光を出すと有利である。光源は好ましくは異なる色の光を出す。　特に良好に集束させることができる光として好ましくはレーザ光が使用される。従って、他の実施形に従って、光源はレーザとして形成されている。レーザを使用する場合、レーザが人の目に危険でない、すなわち健康にとって危険でない小さな出力の光を出すことにより、安全上の要求を容易に満たすことできる。その際特に、レーザクラスＩまたはＩＩに属するレーザが使用される。

　測定ヘッドと管表面の間隔をきわめて簡単に正しく調節するために、測定ヘッドが管の表面に対する垂線の方向に摺動可能に配置されている。そのために、移動手段、特にステッピングモータを備えたリニアアクチュエータを備え、この移動手段によって測定ヘッドが管の表面に対する垂線の方向に摺動可能であると有利である。

　提案した手段によって、装置を最適な動作点にきわめて簡単に調節することができる、特に測定ヘッドと管の間隔をきわめて簡単に調節することができる、レーザ−超音波−測定装置が提供される。簡単な調節の効果は特に、管圧延機のきびしい環境条件でも発揮される。装置は構造が簡単であり、低価格で実現可能である。

　図には本発明の実施の形態が示してある。
　先ず最初に図１を参照して、干渉計、好ましくはファブリー・ペロ干渉計を用いたレーザ−超音波−方法による管１の壁厚測定原理を説明する。

　矢印方向に移動する圧延された管１の壁厚Ｄが測定される。レーザ−超音波−壁厚−測定装置が使用される。この測定装置は超音波−走行時間測定の古典的な原理に基づいている。管１の材料内の音速が知られている場合、超音波パルスが管１の壁を２回通過する時間から、求めようとする壁厚Ｄが判る。約１０００°Ｃの範囲の温度の高温壁厚測定の場合に超音波を当てるためには、レーザ−超音波−壁厚−測定装置の測定ヘッド２自体を管１に対して熱的に安全な間隔にとどめることができる非接触式光学方法が励起側でも検出側でも必要である。その際、運転中の代表的な間隔ａは約１６０ｍｍである。管内に超音波振動を良好に励起し、管表面から反射した光を最良に受け止め、信号を評価することができるようにするために、上記の間隔をできるだけ正確に維持しなければならない。

　赤外線範囲内の高エネルギーの光パルスは管表面で吸収される。この光パルスは管壁の方に向けられるフラッシュランプ励起のＮｄ−ＹＡＧレーザ３（励起レーザ）によって発生する。このレーザは１０ｎｓよりも短いパルス持続時間の場合、１．０６４ｎｍの波長を有する。レーザ３によって管表面に加えられ管壁によって吸収されるエネルギーはその一部が非常に薄い表面層の蒸発（ｎｍ範囲の材料剥離）をもたらす。蒸発パルスによって、パルス保存のために、超音波パルスが管１内に発生する。この超音波パルスは管表面に対して垂直に管の壁内に進む。超音波パルスは管の内側表面で反射し、管の外側表面に戻り、新たに反射され、これが繰り返される。従って、管の壁内に、振幅が小さくなる超音波エコー列が発生する。

　反射した超音波パルスは管の外側表面に振動（サブミニチュア範囲の）を生じる。この振動は第２のレーザ４（照射レーザ）によってドップラー効果を利用して非接触式に検出される。このレーザ４はＣＷレーザ（連続発振レーザ）、すなわち周波数を２倍にした半導体励起式のＮｄ−ＹＡＧレーザである。このレーザは５３２ｎｍの波長で動作し、励起の個所に向けられている。光周波数と比べて低い周波数の超音波振動は、材料表面で反射した光の周波数変調を生じる。

　今や超音波信号の“キャリア”である反射した光円錐は、大きな比口径の収束レンズ５（レンズ）と光導波路（光ファイバ）１０を経て光学式分析器、すなわち復調器に供給される。この場合特に共焦点のファブリー・ペロ干渉計（ＦＰＩ、図示していない）が使用される。この干渉計の出力信号は既に超音波エコー列を含んでいる。

　超音波エコー列の更なる増幅、ろ波および信号評価は、普通の電子式超音波評価ユニットによって行われる。評価ユニットの出力信号は管１の壁厚Ｄである。この壁厚は音速と測定された時間インターバルとの積によって求められる。

　ファブリー・ペロ干渉計では、光ファイバ１０を経て導かれた光が分析される。光の周波数から、共振のために、ファブリー・ペロ干渉計にとって典型的なピークを有する知られている種類の強度分布が判る。

　光ファイバ１０は制限された数の開口を有する。それでもなお充分な大きさの光信号が収束レンズ５から光ファイバ１０に励進することができるようにするために、励進のために必要なファイバカプラ１１をできるだけ正確に収束レンズ５の方に向ける必要がある。それによって、ファイバカプラ１１の励進個所は収束レンズの焦点に正確に位置する。

　励起レーザ３によって管１内に超音波振動を最適に励起し、照射レーザ４と偏向ミラー１２と収束レンズ５を介して、管表面から反射した光を最良に受け止めるために、管１の垂線Ｎの方向における測定ヘッド２と管１の間の間隔ａを、設定された値にできるだけ正確に一致させなければならない。この値は図１から容易に判るように、レーザ３，４の配置によって生じる。図１には測定ヘッド２と管１の正しい間隔ａが示してある。間隔ａが正しいかどうかを検査できるようにするために、正確に集束された光を出射する３個の光源６，７，８が測定ヘッド２上に方向づけして固定配置されている。特に、人の目に無害の光を出射する出力の小さなレーザが使用される。図１には、レーザ６，７が２個だけ示してある。図２〜４から判るように、全部で３個のレーザ６，７，８が測定ヘッド２に固定されている。３個のレーザ光源６，７，８はすべて異なる色の光を出す。

　管１の表面と測定ヘッド２の間の間隔ａは次のようにして検査される。レーザ３，４が作動してないときに（図１参照）、３個のレーザ光源６，７，８のスイッチが入れられる。３個の光源６，７，８は、その集束された３つの光線１３，１４，１５が交点Ｐに正確に当たるように、測定ヘッド２上に固定されている。管１が壁厚Ｄの測定のために測定ヘッド２を通過するときに、管１の表面はこの交点上に位置しなければならない。この交点上に位置すると、測定ヘッド２と管１の間に正しい間隔ａが存在する。

　図２には、３個のレーザ光源６，７，８が管表面に１つの照射点Ｐを生じる状態が示してある。これは間隔ａが一致していることを示している。
　図３では、測定ヘッド２と管１の間に短い間隔ａ′が存在している。測定ヘッド２の方に向いた表面垂線Ｎと管表面との交点である点Ｏで交差しないで、３個のレーザ光源は管表面上に異なる点Ｑ，Ｒ，Ｓを投影している。これは、間隔ａ′が正しい間隔ａに一致していないことを簡単に示している。

　図４に示した配置の場合にも同じようなことが生じる。この場合、測定ヘッド２と管１の間の間隔ａ″が大きすぎる。すなわち、正しい間隔ａよりも大きい。この場合にも、３個のレーザ６，７，８は、管表面上の点Ｏで交差しないで、異なる３つの点Ｑ，Ｒ，Ｓを生じる。

　測定ヘッド２は、管１と相対的に垂線方向Ｎに移動し得るように（図１の両方向矢印参照）、概略的に示した移動手段９（図１参照）上に配置されている。この場合好ましくは、ステッピングモータを備えた電気駆動装置が使用される。このステッピングモータは間隔ａを微調節することができる。

　図３，４に示すような状況（正しくない間隔ａ′またはａ″）が生じると、３個のレーザ６，７，８の結像点Ｑ，Ｒ，Ｓを観察することによって、そして同時に、移動手段９を操作することによって、３つの点Ｑ，Ｒ，Ｓが点Ｏで一つになり、それによって図２に示すような状態に達するまで、測定ヘッド２は管１と相対的に移動させられる。

　測定ヘッド２と管１の間の間隔ａが小さすぎると（図３参照）、最終的に正しい間隔ａにして３つの点Ｑ，Ｒ，Ｓを点Ｏで一つにするために、間隔ａを大きくして点Ｑ，Ｒ，Ｓを互いに近づける。逆の場合（図４参照）、間隔ａを狭めると、３つの点Ｑ，Ｒ，Ｓが互いに近づく。異なる色の３つのレーザ６，７，８を使用すると、測定ヘッド２と管１の間隔が大きすぎるかあるいは小さすぎるかが容易に判る。

　設定された所望な時間間隔をおいて、図２の像に一致する像が生じているかどうかが新たに検査される。提案した装置の利点は、管１からの測定ヘッド２の間隔ａの検査をきわめて迅速にかつ簡単に実現できることにある。

　それによって、レーザ−超音波−壁厚−測定装置は簡単にかつ低コストでその最適な動作点に保持可能である。これは壁厚測定、ひいては管圧延プロセス全体の質にプラスの影響を与える。

レーザ−超音波−測定装置の測定ヘッドの概略的な断面図である。 正しい間隔にある、レーザ−超音波−測定装置の測定ヘッドと管の概略的な斜視図である。 管と測定ヘッドの間隔が狭すぎる状態を示す、図２と同様な図である。 管と測定ヘッドの間隔が大きすぎる状態を示す、図２と同様な図である。

符号の説明

１　　　　　　管
２　　　　　　測定ヘッド
３　　　　　　励起レーザ
４　　　　　　照射レーザ
５　　　　　　収束レンズ（レンズ）
６　　　　　　光源（レーザ）
７　　　　　　光源（レーザ）
８　　　　　　光源（レーザ）
９　　　　　　移動手段
１０　　　　　光ファイバ
１１　　　　　ファイバカプラ
１２　　　　　偏向ミラー
１３　　　　　光線
１４　　　　　光線
１５　　　　　光線
Ｄ　　　　　　管の壁厚
ａ　　　　　　間隔
ａ′　　　　　狭すぎる間隔
ａ″　　　　　大きすぎる間隔
Ｎ　　　　　　垂線
Ｐ　　　　　　交点
Ｏ　　　　　　管表面上の点
Ｑ　　　　　　管表面上の点
Ｒ　　　　　　管表面上の点
Ｓ　　　　　　管表面上の点

Claims (8)

1. 　レーザ−超音波−測定装置の測定ヘッド（２）を備え、この測定ヘッド内に、励起レーザ（３）と、照射レーザ（４）と、管表面から測定ヘッド（２）に散乱して戻る光を集めるための収束レンズ（５）が配置されている、管圧延機の管（１）の壁厚（Ｄ）を測定するための装置において、集束された光を出射する、測定ヘッド（２）の異なる個所に固定された少なくとも２個の光源（６，７，８）が測定ヘッド（２）に配置されていることを特徴とする装置。
2. 　管（１）が測定ヘッド（２）に対して予め定めた間隔（ａ）のところにあるときに、集束された光線が管（１）の表面で交差するように、光源（６，７，８）が測定ヘッド（２）に固定され、かつ方向づけられていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 　３個の光源（６，７，８）が測定ヘッド（２）上に分配されて固定されていることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
4. 　光源（６，７，８）が人の目に見える光を出すことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の装置。
5. 　光源（６，７，８）が異なる色の光を出すことを特徴とする、請求項４記載の装置。
6. 　光源（６，７，８）としてレーザが使用されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の装置。
7. 　測定ヘッドが管（１）の表面に対する垂線（Ｎ）の方向に摺動可能に配置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の装置。
8. 　移動手段（９）、特にステッピングモータを備えたリニアアクチュエータを備え、この移動手段によって測定ヘッド（２）が管（１）の表面に対する垂線（Ｎ）の方向に摺動可能であることを特徴とする、請求項７記載の装置。
   　

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