JP2005010159A

JP2005010159A - インピーダンス整合遅延線を使用して外部被膜を有する部品の厚さを測定する方法及び装置

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Publication number: JP2005010159A
Application number: JP2004176344A
Authority: JP
Inventors: Agostino Abbate; アゴスティーノ・アッバーテ; Paul Joseph Deangelo; ポール・ジョセフ・ディーンジェロ; Steven Abe Labreck; スティーブン・エイブ・ラブレック
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-06-16
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2005-01-13
Also published as: GB2403010A; GB2403010B; US7194907B2; GB0413477D0; US20040250624A1; DE102004027798A1

Abstract

【課題】腐食によるひずみを受けにくい。被膜を有する部品を測定するための超音波変換器を提供する。
【解決手段】
音響変換器（１２）と、被膜のインピーダンスに整合されたインピーダンスを有するバッファ遅延線（１４）とを有し、被膜を有する部品を測定するための超音波変換器である。バッファ遅延線のインピーダンスは３．０×１０^６Ｋｇ／ｍ^２ｓｅｃ以内の大きさであり且つ／又は９．９×１０^６Ｋｇ／ｍ^２ｓｅｃから１．０×１０^６Ｋｇ／ｍ^２ｓｅｃの範囲にあれば良い。
【選択図】図１

Description

本発明は厚さ測定計器に関し、特に超音波厚さ測定計器に関する。

多くの適用用途において、部品の厚さを正確に知ることは有益である。厚さ測定は部品の磨耗を検出するために使用されても良く、部品が機械的に故障する前に部品を交換すべきであることを指示できる。例えば、厚さ測定値は、液体又は気体などの流体を搬送しているパイプが過剰な磨耗によって破裂するか、又はその他の状態で障害を起こす前にパイプを交換すべきか否かを判定する際に有益である。その一方で、まだ相当に安全な有効寿命を保っているパイプの交換を避けることは望ましい。このため、部品の厚さの判定を正確に行うことの必要性は極めて重要である。

パイプ及びその他の部品の厚さの測定には、超音波計器が使用されてきた。部品を通って進む超音波エコーの飛行時間（TOF）が部品の厚さを判定するために使用される。部品中における超音波の速度は既知の定数である。従って、TOFは部品の厚さを正確に示す標識となる。パルスエコー技法は、通常、それらの超音波測定に使用される。ピッチ−キャッチ構成で２つの変換器を有する計器を超音波厚さ測定に使用できるであろう。

パイプ及びその他の部品は、超音波信号の伝播速度に影響を及ぼす塗料及び他の被膜で被覆されている場合が多い。被膜は腐食したり、磨耗によって薄くなったりすることもある。被膜を修理又は再塗布する必要があるか否か、及び被覆されたパイプを交換すべきか否かを判定するために、厚さの測定が必要である。
特開平１１−３２５８６８号公報

被膜の厚さの超音波測定には問題がある。パルスエコー超音波技法は、パイプの内部特徴形状から反射するエコーの飛行時間（TOF）に基づいている。被膜が腐食している場合、被膜とその下方に位置するパイプとの境界面におけるエコーは、多くの場合、腐食によってひずみを生じる。場合によっては、超音波計器が被膜とパイプとの境界面からのエコーを検出できず、被膜の厚さを確実に測定できないこともある。従って、超音波測定技法を使用して部品の被膜の厚さを測定するためのシステム及び方法が必要であることは以前から感じられていた。

第１の実施例においては、本発明は、少なくとも１つの音響変換器と、被膜のインピーダンスに整合されたインピーダンスを有するバッファ遅延線とを有し、被膜を有する部品を測定するための超音波変換器である。バッファ遅延線のインピーダンスは３．０×１０^６Ｋｇ／ｍ^２ｓｅｃ以内の大きさであり且つ／又は９．９×１０^６Ｋｇ／ｍ^２ｓｅｃから１．０×１０^６Ｋｇ／ｍ^２ｓｅｃの範囲にあれば良い。

第１の実施例は、一方の変換器の送信が他方の変換器により感知されるエコーを発生させるようにバッファ遅延線に装着された一対の超音波変換器である超音波変換器計器を含んでいても良い。あるいは、計器はバッファ遅延線に装着された１つの超音波変換器を有する。

第２の実施例においては、本発明は、バッファ遅延線と、少なくとも１つの変換器とを有する超音波変換器計器を使用して部品の厚さを測定する方法であり、方法は、バッファ遅延線に対して、部品の被膜のインピーダンスと同じ大きさのインピーダンスを選択することと、音響パルス放出から、被膜とその下方に位置する部品との境界面から反射するエコーの受信までの飛行周期の時間(T_CAL2)を判定することにより、計器を校正することと、音響パルス放出から、下方に位置する部品の背面から反射するエコーの受信までの飛行時間（TOF）を測定することと、TOFとT_CAL2との差に基づいて部品の厚さを判定することとを含む。

図１は、変換器バッファ遅延線１４に装着された２つの変換器１２を有する超音波計器１０を示す。変換器はピッチ−キャッチ構造となるように向きを定めて配置されていても良い。計器は部品１６の厚さ（Ｈ）を測定するように部品１６に装着されている。変換器は超音波信号、例えば、音響パルスを放出し、音響パルスは遅延線を介して伝播し、部品１６に侵入して、前面１８から反射されると共に、部品の背面２０からも反射される。各々の変換器１２からの超音波パルスの伝播経路２２は変換器から放出される音響パルスの外へ向かう経路と、部品及び塗料被膜とその下方に位置する部品との境界面などの内部特徴形状の面から反射するエコーの内方へ向かう経路とを示す。変換器を２つ有する計器の場合、各変換器１２が超音波信号を放出し、他方の変換器から放出された信号から反射されるエコーを受信する。バッファ遅延線１４は、変換器にエコーが戻る前に変換器が信号送信から信号受信へ切り替わることを可能にするように、信号の伝播に時間遅延を導入する。２つの変換器は、一方の変換器から送信される信号が他方の変換器により受信されるエコーを発生するように、わずかな傾斜角度を成してバッファ遅延線に装着されている。

飛行時間（TOF）は、変換器１２の一方により１つの超音波パルスが送信されてから、そのパルスのエコーが変換器により受信される時点までの周期である。TOFは、信号が遅延線を介して伝播する間の周期、例えば、T₁及びT₄と、信号が部品を介して伝播する間の周期、例えば、T₂及びT₃を含んでいても良い。

図１は、被膜を持たない部品１６を示す。エコーは部品の前面及び背面からは反射されるが、図１に示す部品には被膜が存在しないため、部品上の被膜からは反射されない。２変換器計器１０は、変換器水晶を部品１６の前面１８から分離するバッファ遅延線１４を有する。TOFは異なる経路と関連する時間遅延の和により表される。すなわち、
（式１）TOF = T₁ + T₂+ T₃+ T₄
式中、T₁はバッファ遅延線１４を通過する信号伝播の第１の脚（外向き）と関連する時間遅延であり、T₂は部品を通過する信号伝播の第１の脚と関連する時間遅延であり、T₃は部品中の信号伝播の第２の脚（エコー内向き）と関連する時間遅延であり、T₄はバッファ遅延線における信号伝播の第２の脚と関連する時間遅延である。T₁及びT₄は、パルスエコーモードにある各変換器を使用して計器１０の校正中（T_CAL= T₁ + T₄）に測定できる。T_CALはバッファ遅延線１４を介する信号伝播時間を示す。TOFのT_CAL部分は、部品の実際の厚さ測定中に適用される定数である。

部品１６の厚さ（Ｈ）は式（２）を使用して次のように判定できる。

（式２）H = Vpart*(TOF - T_CAL)*ｋ/2
式中、 Vpartは部品を通過する超音波信号の伝播速度であり、kは、２つの変換器１２が成す傾斜角度及びパルスエコーの係数２を考慮に入れた幾何学的補正率である。

図２は、図１に示す部品１６の測定のために変換器により収集された典型的な超音波エコー信号を示す。図２に示すグラフはある周期にわたるエコー信号の振幅を示す。第１の信号２４は、部品の背面２０から反射されたエコーのTOF（１２．２４μｓｅｃ）の測定値を示す。第２の信号２６は校正時間（T_CAL= ９．５３μｓｅｃ）として割り当てられても良く、信号がバッファ遅延線１４を通過している間のTOFの周期を示す。第２の信号２６は、変換器をパルスエコーモードで使用し、遅延線の背面により反射された信号を測定することにより得られた。Vpart = ０．２３２ｉｎ／μｓｅｃ、k = ．９５５として、式２を使用すると、厚さ（Ｈ）は図１に示す部品１６の場合で０．３００インチとなる。

図１に示す部品１６は表面被膜を持たない。多くの部品は、部品を保護するため又は部品に何らかの有益な特性を与えるために塗料又は他の材料の被膜を有する。被膜は異なる音響速度を有し、超音波測定に誤差を導入するおそれがあるため、被膜又は被覆された部品の厚さの測定は困難である。

図３は、被膜３０、例えば、塗料を有する被覆された部品２８と、その下方に位置する部品材料３２とを示す。被膜、部品及びバッファ遅延線を介して伝播する超音波信号のTOFは以下に式３に示す通りである。

（式３）TOF = T₁ + T₂ + T₃ + T₄ + T₅ + T₆
式中、T₅及びT₆は被膜を通って進む超音波と関連する時間遅延であり、T₁からT₄は図１に示す同様に参照されたTOF周期と同じである。

被膜と関連する時間遅延（T₅及びT₆）は部品の厚さの測定に誤差を導入する可能性がある。部品の厚さ、例えば、被膜の厚さ（TC）又は部品の厚さ（Ｈ）の測定における誤差（ET）は以下の式４ａ及び４ｂを使用して判定できる。

（式４ａ）ET = Vpart/Vcoating*(TC)*k
（式４ｂ）ET = Vpart/Vcoating*H*k
式中、Vcoatingは部品上の被膜を通過する超音波の伝播速度である。比（Vpart/Vcoating）は、通常、２から３の割合である。このかなり高い速度比を考慮すると、被膜又は部品の厚さの判定において被膜により導入される誤差（ET）も極めて大きくなる可能性がある。

図４は、被膜が０．０３０インチの厚さを有する塗料層である場合の、被覆された部品２８と関連する超音波信号３３のTOFを示すグラフである。TOFは１２．８４μｓｅｃである。式２を使用すると、推定される部品の厚さは実際の部品の厚さである０．３００と比較して０．３６７インチとなる。従って、被膜によって、部品厚さ測定値に０．０６７インチの測定誤差（ET）が導入されたことになる。

図５は、被覆された部品２８に装着された２変換器超音波計器１０の概略図である。計器はエコー／エコー信号と、変換器／エコー信号とを感知する。エコー／エコー信号３４は、信号の経路中に２つ以上の反射エコーを含む超音波信号である。背面２０から反射されるエコーの一部は変換器まで伝播する前に前面１８から反射され、背面から再び反射される。

図６は、一連のエコー信号のTOFを示すグラフである。第１の信号（TOF）３６は経路（T₁→T₅→T₂→T₃→T₆→T₄）を有し、エコー／エコー信号を含まない。続く信号（TOF₂）３８は経路（T₁→T₅→T₂→T₂→T₃→T₃→T₆→T₄）を有する。部品の厚さを判定するために使用できる、同じ信号の２つの連続するエコー（T₂→T₂→T₃→T₃）が起こる。第１の信号３６のTOFは式３により求められる。第２の信号３８のTOF₂は以下の式５により求められる。

（式５）TOF₂= T₁+ 2T₂ + 2T₃ + T₄ + T₅+ T₆
部品の厚さ（Ｈ）は以下の式６を使用して計算できる。

（式６）H＝Vpart*（TOF₂−TOF）*k/2
上記の例及び図６に示す信号を使用してTOFを読み取ると、TOF₂は１５．５５μｓｅｃ、TOFは１２．８４μｓｅｃである。式６を適用すると、部品の厚さHは０．３００インチであると測定され、これは正確である。

原理上、エコー／エコー測定は正確である。しかし、多くの腐食した部品においては、エコー／エコー信号はひずんでおり、弱い。場合によっては、それらの信号はほぼ０になっている。多くの場合、TOF₂を判定するためにエコー／エコー信号を信頼性をもって使用することは不可能であり、部品の厚さを測定するのにエコー／エコー技法は有用ではない。

被膜の厚さ及び被覆された部品の厚さを測定するために、別の技法が必要とされる。従来の技術による他の技法は、被膜の厚さ（Ｈ）を判定するためにホール効果又は渦電流などの磁気測定値を利用する。hが判定されたならば、以下の式７を使用して部品の厚さ（Ｈ）を判定できる。

（式７）H＝Vpart*（TOF−T_CAL）*k/2−Vpart/Vcoating*h*k
しかし、ホール効果又は渦電流センサによるh及び／又はVcoatingの判定に誤差がある場合には、部品の厚さ（Ｈ）を正しく判定することができない。従来の技術によるもう1つの技法はＴ_５とＴ_６を別個に判定し、その後、TOF測定値からそれらを減算するという方法である。このような技法は特開平１１−３２５８６８号に示されている。被覆されたパイプの厚さを測定するための従来のこれらの技法は１つ以上の問題点を有するが、それらのいくつかについては先に論じた。

この開示の主題であるもう１つの技法は、超音波計器１０の変換器バッファ遅延線１４を被覆された部品２８の被膜３０のインピーダンスとインピーダンス整合させる方法である。パイプ及びその他の部品は、通常、塗料、エポキシ又はＲＴＶ型材料で被覆されている。それらの被膜は典型的には３．０×１０^６Ｋｇ／ｍ^２ｓｅｃの大きさの音響インピーダンスを有する。変換器１２のバッファ遅延線１４における遅延線材料は、パイプ２８の被膜３０にインピーダンス整合されるように選択されれば良い。バッファ遅延線１４を被膜にインピーダンス整合させることにより、遅延線の端部と被膜との間の反射係数はきわめて小さい（Ｒ＜０．１）。インピーダンス整合により、被膜は超音波を目的とする遅延線の延長になる。変換器計器１０に装着するために複数のバッファ遅延線１４を選択して、利用することができるであろうが、その場合、各々のバッファ遅延線は異なるインピーダンスを有する。使用中、測定すべき被膜のインピーダンスに類似するインピーダンスを有するバッファ遅延線が選択される。

図７は、部品の背面２０から反射されるエコーの信号である信号４０、被膜３０とその下方に位置する部品３２との境界面４４から反射される校正信号（T_CAL2）４２、及び被覆されていない部品１６で実行される校正信号（T_CAL）４６（図１）のTOFグラフを示す。計器の校正は、変換器がパイプに装着されている間に実行される。変換器が被覆された部品に装着されると、バッファ遅延線１４は被膜３０にインピーダンス整合されているため、超音波信号は反射されずにバッファ遅延線１４と被膜３０との境界面４４を通過する。校正信号は、少なくともエコー／エコー信号と比較して、相対的に強い。以下に、図３と関連させて校正信号（T_CAL2）４２のTOFを示す。

（式９）T_CAL2 = T₁ + T₄ + T₅ + T₆
T_CAL2を使用して、被覆された部品２８の厚さ（Ｈ）を以下の式１０により判定することができる。

（式１０）H = Vpart*(TOF - T_CAL2)*k/2
更に、T_CAL2及び変換器が被覆されていない部品上にあるときに測定された従来の校正TOF（T_CAL）４６がわかれば、被膜の厚さ（Ｈ）が判定される。被膜の厚さ（ｈ）は以下の式１１を使用して判定できるであろう。

（式１１）h = Vcoat*(T_CAL2 - T_CAL)*k/2
図７に示す信号のTOFは部品及び被膜の厚さ（H、h）の測定の一例を表している。TOF４０のタイミングは１２．８４μｓｅｃであり、T_CAL４６は９．５３μｓｅｃであり、T_CAL2４２は１０．１４μｓｅｃである。式１０及び１１を適用すると、部品厚さ（Ｈ）は０．３００インチであると判定され、被膜厚さ（ｈ）は０．０２９インチであると判定される。T_CAL2を判定するためにインピーダンス整合を使用すると、バッファ遅延線及び被膜を通過し、被膜と部品との境界面４４から反射される信号の飛行時間は被膜及びその下方に位置する部品の厚さを測定するための正確な技法を提供する。

バッファ遅延線を被膜のインピーダンスにインピーダンス整合させる技法は、図８に示すような単一の変換器５２を有する超音波計器５０にも適用されて良い。信号変換器５２及びバッファ遅延線５４を有する計器５０は、被覆された部品５８の被膜５６の上に装着される。バッファ遅延線を通過するときの伝播時間はT_Aにより表され、被膜を通過するときの伝播時間はT_Bにより表され、部品を通過するときの伝播時間はT_Cにより表される。

従来の計器校正信号（T_CAL）は、バッファ遅延線の底面６０からエコーが反射される状態で、バッファ遅延線を通過するときの音響伝播時間を示す。T_CALは以下の式１２に基づいて判定できるであろう。

（式１２）T_CAL= 2*T_A
校正信号（T_CAL2）は、バッファ遅延線（T_A）及び被覆腹（T_B）を通過するときの音響伝播時間を示す。T_CAL2は以下の式１３に基づいて判定できるであろう。

（式１３）T_CAL2 = 2*(T_A + T_B)
部品５８の背面２０から反射する信号のTOFは以下の式１４に基づいて判定できるであろう。

（式１４）TOF = 2*(T_A + T_B+ T_C)
部品厚さ（Ｈ）は以下の式１５に基づいて判定できるであろう。

（式１５）H = Vpart*(TOF - T_CAL2)/2
被膜厚さ（ｈ）は以下の式１６に基づいて判定できるであろう。

（式１６）h = Vcoat*(T_CAL2 - T_CAL)/2
尚、式１５及び式１６は、kを１とした場合の式１０及び１１と等価であることに注意する。

本発明を現時点で最も実用的で好ましい実施例であると考えられるものに関連させて説明したが、本発明は開示された実施例に限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲の趣旨の範囲内に含まれる様々な変形及び等価の構成を含むことが意図されていると理解すべきである。

被覆されていない部品における２変換器超音波計器の概略図。図１に示す変換器及び被覆されていない部品と関連する超音波信号飛行時間（TOF）グラフ。被覆された部品に装着された２変換器超音波計器の概略図。図３に示す変換器及び被覆された部品と関連するTOFグラフ。エコー／エコー信号を示す、被覆された部品における２変換器超音波計器の概略図。エコー／エコー信号のTOF₂、並びに伝播経路にエコー／エコー信号を有していない信号のTOFを示す、図５に示す変換器及び被覆された部品と関連するTOFグラフ。部品の背面から反射される超音波信号のTOF、並びにT_CAL及びT_CAL2として示される一対の校正TOF信号を示す一対のグラフ。１つの変換器を有し、被覆された部品に装着されている超音波計器の概略図。

符号の説明

１０…超音波計器、１２…変換器、１４…バッファ遅延線、１６…部品、２２…伝播経路、２８…被覆された部品、３０…被膜、３２…部品材料、５０…超音波計器、５２…変換器、５４…バッファ遅延線、５６…被膜、５８…被覆された部品

Claims

被膜を有する部品を測定するための超音波変換器において、
少なくとも１つの音響変換器と、
前記被膜のインピーダンスに整合されたインピーダンスを有するバッファ遅延線とを具備する超音波変換器。
前記バッファ遅延線のインピーダンスは３．０×１０^６Ｋｇ／ｍ^２ｓｅｃの大きさを有する請求項１記載の超音波変換器。
前記バッファ遅延線のインピーダンスは１．０×１０^６Ｋｇ／ｍ^２ｓｅｃの大きさを有する請求項１記載の超音波変換器。
前記バッファ遅延線のインピーダンスは９．９×１０^６Ｋｇ／ｍ^２ｓｅから１．０×１０^６Ｋｇ／ｍ^２ｓｅｃの範囲内にある請求項１記載の超音波変換器。
前記少なくとも１つの変換器は前記バッファ遅延線に装着された２つの超音波変換器である請求項１記載の超音波変換器。
バッファ遅延線と、少なくとも１つの変換器とを有する超音波変換器計器を使用して部品の厚さを測定する方法において、
ａ．前記バッファ遅延線に対して前記部品の被膜のインピーダンスと同じ大きさのインピーダンスを選択することと、
ｂ．音響パルス放出から、前記被膜とその下方に位置する部品との境界面から反射するエコーの受信までの飛行周期の時間（T_CAL2）を判定することにより、前記計器を校正することと、
ｃ．音響パルス放出から、前記下方に位置する部品の底面から反射するエコーの受信までの飛行の時間（TOF）を測定することと、
d．TOFとT_CAL2との差に基づいて前記部品の厚さを判定することとから成る方法。
前記部品を通過するときの音響速度をVpartとし、前記少なくとも１つの超音波変換器にある一対の変換器が成す角度を考慮して幾何学的補正率をkとするとき、前記部品の厚さ（Ｈ）の判定は、下記の式：
H = Vpart*(TOF - T_CAL2)*k/2
を使用して実行される請求項６記載の方法。
前記部品を通過するときの音響速度をVpartとし、前記少なくとも１つの変換器が１つの変換器であるとき、前記部品の厚さ（Ｈ）は、下記の式：
H = Vpart*(TOF - T_CAL2)/2
を使用して実行される請求項６記載の方法。