JP2005127920A - 電磁波パルスによる板厚推定方法及び板厚推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ノイズ環境下でも安定して板厚を推定することの可能な電磁波パルスによる板厚推定方法及び板厚推定装置を提供すること。
【解決手段】 電磁波パルスの送信子及び受信子から隔たった位置に存在する鋼材に送信子から電磁波パルスを送信すると共に受信子で受信する。受信パルスの時間と振幅との相関から、実質的に時間及び振幅の軸がそれぞれ対数目盛で表示されると共に直線近似と二次曲線とにより受信パルスを近似し、直線近似部分と二次曲線近似部分との境界近傍における二次曲線側での減衰率が一定の値を下回る点での時間軸の値により鋼材の板厚を推定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば断熱材に覆われた鋼管等の腐食を検出することの可能な電磁波パルスによる板厚推定方法及び板厚推定装置に関する。さらに詳しくは、電磁波パルスの送信子と受信子とを有し、これら送信子及び受信子から隔たった位置に存在する鋼材に電磁波パルスを送受信し、受信パルスの時間と振幅との相関により前記鋼材の板厚を測定する電磁波パルスによる板厚推定方法及び板厚推定装置に関する。

電磁波パルスを用いた上述の如き板厚推定方法としては、例えば特許文献１に記載の如き発明が知られている。同発明では、同明細書の図４に示されるように、減衰時間と振幅との関係において無限に厚い導体壁では真っ直ぐな応答を生じるが、板厚が薄くなるに従って、途中で下方向に湾曲を始め、大きな割合で減衰することが知られている。
特開平１−２０２６５４号公報

したがって、減衰波形の変曲点を求めることで、板厚を推定することが予想されるが、その具体的な手法は上記公報には何ら開示されていなかった。しかも、この変曲点は受信波形において明確に表れる訳ではなく、なだらかで変曲点自身の特定が非常に困難であった。また、実際には受信波形にノイズが多く、近似により上記変曲点を安定して推定することが極めて困難であった。

本発明の目的は、ノイズ環境下でも安定して板厚を推定することの可能な電磁波パルスによる板厚推定方法及び板厚推定装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る電磁波パルスによる板厚推定方法の特徴は、電磁波パルスの送信子及び受信子から隔たった位置に存在する鋼材に前記送信子から電磁波パルスを送信すると共に前記受信子で受信し、受信パルスの時間と振幅との相関により前記鋼材の板厚を測定する方法であって、実質的に前記時間及び振幅の軸がそれぞれ対数目盛で表示されると共に直線近似と二次曲線とにより受信パルスを近似し、直線近似部分と二次曲線近似部分との境界近傍における二次曲線側での減衰率が一定の値を下回る点での時間軸の値により前記鋼材の板厚を推定することにある。

同特徴によれば、変曲点は、直線近似部分と曲線近似部分との境界近傍において求められる。得られたデータの曲線近似を精度良く行うには、より自由度の高い高次パラメーターを含みうる曲線を用いて近似を行うことが理想的である。しかし、発明者らの実験によれば、高次元の曲線近似がノイズの影響を受けやすく、精度の高い曲線近似を行う割に当該変曲点の位置評定が不正確となることが判明した。三次曲線近似でもかかる傾向は見られたが、二次曲線近似を用いることにより、変曲点の位置評定が著しく正確に行われることが判明した。すなわち、二次曲線を使用した場合には、三次曲線近似のようにノイズの影響で変曲点付近の曲線近似がノイズに大幅に左右されることなく、全体としての二次曲線近似を巧みに利用して変曲点近傍におけるノイズの影響を実質的に打ち消すことに成功した。これにより、境界近傍における二次曲線側での減衰率が一定の値を下回る点での時間軸の値が安定的に求められるようになった。

また、本発明の他の特徴は、下限の入力部により受信パルスの振幅下限値を実質的に限定可能なことにある。本発明の実施形態では、Ｙ軸下限フィールドＳ２ａにより受信パルスの振幅下限値を限定可能であり、ノイズ等による曲線近似の誤差を低減することができる。また、減衰の程度が推量可能である場合は、時間軸であるＸ軸フィールドＳ１ａで実質的に受信パルスの振幅下限値を限定してもよい。前記鋼材は、例えば断熱材と外装材に覆われていても板厚の推定が可能である。

上述の電磁波パルスによる板厚推定方法に用いることの可能な電磁波パルスによる板厚推定装置の特徴は、電磁波パルスの送信子と受信子とを有し、これら送信子及び受信子から隔たった位置に存在する鋼材に電磁波パルスを送受信し、受信パルスの時間と振幅との相関を求め、実質的に前記時間及び振幅の軸がそれぞれ対数目盛で表示されると共に直線近似と二次曲線とにより受信パルスを近似し、直線近似部分と二次曲線近似部分との境界近傍における二次曲線側での減衰率が一定の値を下回る点での時間軸の値により前記鋼材の板厚を推定することにある。

このように、本発明によれば、二次曲線近似を利用して、境界近傍における二次曲線側での減衰率が一定の値を下回る点での時間軸の値が安定的に求められるようになった。その結果、ノイズ環境下でも板厚を推定することの可能な電磁波パルスによる板厚推定方法及び板厚推定装置を提供することが可能となった。

本発明の他の目的、構成及び効果については以下に示す発明を実施するための最良の形態において明らかになるであろう。

次に、図１〜４を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１に示す板厚測定装置１は、電磁波パルスを送信するための送信子２と、送信子２から送信された電磁波パルスにより励磁される鋼板１０１からの電磁波信号を受信する受信子３と、送信子２，受信子３を制御するための制御器４と、受信波形を解析するためのパーソナルコンピュータ５とを備えている。試験体Ｎは、欠陥部１０１ａの形成された鋼板１０１を断熱材１０２で覆い、さらにその表面を外装材１０３で被覆している。通常、鋼板１０１は鋼管等であり、欠陥部１０１ａは腐食等により鋼板１０１表面に形成される。

図３はパルスを送信した後における受信波形を示すグラフであり、横軸は時間軸、縦軸は受信強度を示すと共にいずれも対数目盛で表示してある点は以下同様である。また、１測定条件のみを代表して表示するが、後述の６条件は同スケールで殆ど重なって見えるほど近い値であるにも関わらず三次曲線近似では基準点を安定的に特定できないという問題を内在している。前半の平坦部分がパルス信号を意味し、減衰していく部分が解析対象となる。パーソナルコンピュータ５では、受信波形を図４に示すように境界点Ｐ１より前の部分を近似直線ＦＬで近似し、境界点Ｐ１より後半部分を近似曲線ＦＲで近似する。境界点Ｐ１よりも後半部分の近似曲線ＦＲにおける境界点Ｐ１近傍において、近似曲線ＦＲが一定値を下回る点である基準点Ｐ２を求め、この値に基づいて板厚を推定する。

図４でパーソナルコンピュータ５における解析のためのパラメーター入力事項を説明する。Ｘ軸範囲Ｓ１はＸ軸下限フィールドＳ１ａ，Ｘ軸上限フィールドＳ１ｂの入力部を有し、Ｙ軸範囲Ｓ２はＹ軸下限フィールドＳ２ａ，Ｙ軸上限フィールドＳ２ｂの入力部を有する。勾配フィールドＳ３は勾配の基準値Ｂを入力する部分であり、板厚係数フィールドＳ４は板厚変換用の係数Ｃの入力欄である。ｌｏｇ時間フィールドＳ５には近似曲線ＦＲの勾配が基準値Ｂを超えた点である基準点Ｐ２の時間Ｔが自動計算で表示され、リニア時間フィールドＳ６にはｌｏｇ時間フィールドＳ５の値Ｔを１０^Tとした値が自動計算で表示され、板厚フィールドＳ７にはリニア時間フィールドＳ６の平方根に板厚係数フィールドＳ４を掛け合わせたものが表示される。

さらに図２、図４を参照しつつ、パーソナルコンピュータ５において板厚の導出のために行われる処理手順を説明する。まず、Ｘ軸範囲Ｓ１，Ｙ軸範囲Ｓ２にデータ範囲を指定する（ＳＴ１）。Ｙ軸上限フィールドＳ２ｂはＳ／Ｎ比が小さい領域を取り込んでしまいノイズがフィッティングに悪影響を及ぼさぬよう、低Ｓ／Ｎ部分をカットする意味がある。そして、まず、図３の原減衰線Ｆに対して直線近似が行われ（ＳＴ２）、近似直線ＦＬの終点である境界点Ｐ１が定められる（ＳＴ３）。

次に、原減衰線Ｆの境界点Ｐ１よりも後半部分に対して最小自乗法に基づいて二次曲線によるフィッティングが行われ（ＳＴ４）、近似曲線ＦＲが決定される。ついで、境界点Ｐ１の近傍で近似曲線ＦＲにおいて先の勾配の基準値Ｂを下回る点である基準点Ｐ２を求める（ＳＴ５）。そして、次式により板厚Ｌを推定する（ＳＴ７）。

Ｌ＝Ｃ・（１０^T）^1/2

Ｔがｌｏｇ時間フィールドＳ５に、１０^Tがリニア時間フィールドＳ６に、Ｌが板厚フィールドＳ７にそれぞれ表示されることになる。

実際の測定においては、板厚Ｌは健全部Ｎにおいて既知であるので、この健全部Ｎとの相対比較により求めることができる。健全部Ｎにおける板厚Ｌが正確な厚みＬ１となるように先の勾配の基準値Ｂと板厚係数Ｃとを調整すれば、欠陥部１０１ａの存在とその部分の推定板厚Ｌ２と欠陥部１０１ａの深さとを検出することが可能となる。

次に、図１，３〜７を参照しながら、実施例１について説明する。 図１において、Ｌ１＝１０ｍｍ厚の鋼板１０１に、円形減肉である欠陥部１０１ａを形成した。欠陥部１０１ａの深さＬ３＝４ｍｍ、直径ｄ＝５０ｍｍφ、１００φ、１５０ｍｍφの３種類とし、断熱材１０２の厚さＬ４＝１００ｍｍ、ブリキ製の外装材１０３上から測定したデータを図３に示す。

以下本実施例において、データ番号１，２は直径５０ｍｍφのデータ、３，４は直径１００ｍｍφ、５，６は１５０ｍｍφのデータである。勾配の基準値Ｂ＝１．８，板厚係数Ｃ＝１としてフィッティングを行った。データ番号１〜６に対して、二次曲線によるフィッティングと三次曲線によるフィッティングの双方を行った。図４はデータ番号１に対して二次曲線のフィッティング、図５はデータ番号１に対して三次曲線のフィッティング、図６はデータ番号４に対して三次曲線のフィッティング、図７はデータ番号６に対して三次曲線のフィッティングを行った結果をそれぞれ示す。

三次式によるフィッティングは標準偏差の値で示されるように、データとのフィッティング性は二次式より優れている。しかし、実際に解析を行い、減肉部板厚相当の変化点である基準点Ｐ２を求めた場合、データ１，２のように三次式フィッティングでは適切な値として決定できないかったり、ばらつきが大きくなる特徴がある。図５の三次データ番号１では、境界点Ｐ１において既に勾配の基準値Ｂの値を傾きが下回っており、基準点Ｐ２を決定することができない。一方、二次式によるフィッティングでは、基準点Ｐ２を安定して決定することができ、ばらつきも三次式の場合より、小さい結果が得られた。このようにフィッティング解析を二次式で行うことにより、定量的で安定した板厚の推定が可能となる。

次に、図８〜１２を参照しながら、第二実施例を説明する。図８の受信波形も１測定条件のみを代表して表示するが、後述の８条件は同スケールで殆ど重なって見えるほど近い値であるにも関わらず三次曲線近似では基準点を安定的に特定できないという問題は先の第一実施形態と同様である。本実施例では、工場内の鋼管の周りを断熱材で覆い、さらに亜鉛鉄板で覆った稼動中の現場配管について同一場所で８回測定を繰り返し採取したデータである。保温厚さは６０ｍｍである。このデータに対して直線的減衰部分を特定し、曲線的減衰部分を決定した後、曲線部分について二次式によるフィッティングと三次式によるフィッティングの夫々について解析を行い減肉部板厚に相当する変化点時間を求めた。

標準偏差の点では、二次式よりも三次式を用いた近似の方が優れていることは上記表２からも明らかである。

図８、図９の比較及び表２より、二次式を用いた場合は基準点Ｐ２を安定的に推定することが可能であることが伺える。一方、三次式を用いた場合、図１１のデータ２のように基準点Ｐ２が容易に決定できる場合もある。しかし、図１０のデータ１及び図１２のデータ８では境界点Ｐ１では既に勾配の基準値Ｂを下回り、同点から隔たった位置が基準点Ｐ２と誤認されるようなこともあり、表２の結果にも示すように、基準点Ｐ２はこの場合も二次式を用いた近似の方が安定性に優れていることが伺える。

最後に本発明のその他の実施形態の可能性について言及する。
上記実施形態において、時間軸と信号強度とに対数軸を用いた。しかし、これら双方の軸に通常の１０進法軸を用い、実質的に関数で対数が織り込まれるように構成することも可能である。

また、上記実施形態では、試験体Ｎとして平板状のものを用いた。しかし、本発明は、平板状のものに限らず、表面が屈曲した管や容器等、種々の形状のものに対しても適用可能である。

なお、特許請求の範囲の項に記入した符号は、あくまでも図面との対照を便利にするためのものにすぎず、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。

本発明は、送信子及び受信子から隔たった位置に存在する鋼材に電磁波パルスを送受信し、受信パルスの時間と振幅との相関により鋼材の板厚を測定する電磁波パルスによる板厚推定方法であり、例えば、保温材に保護された配管や容器等の腐食検査に用いることができる。

本発明に係る板厚測定方法を実施するための板厚測定装置のブロック図である。 板厚測定装置における解析手順を示すフローチャートである。 受信子による受信信号を示し、横軸は時間軸、縦軸は受信強度を示すグラフである。 図３のグラフの直線及び二次曲線による近似グラフである。 図３のグラフの直線及び三次曲線による近似グラフである。 図３のグラフの直線及び三次曲線による他の近似グラフである。 図３のグラフの直線及び三次曲線によるさらに他の近似グラフである。 他の実施例における受信子による受信信号を示し、横軸は時間軸、縦軸は受信強度を示すグラフである。 図８のグラフの直線及び二次曲線による近似グラフである。 図８のグラフの直線及び三次曲線による近似グラフである。 図８のグラフの直線及び三次曲線による他の近似グラフである。 図８のグラフの直線及び三次曲線によるさらに他の近似グラフである。

符号の説明

１：板厚測定装置、２：送信子、３：受信子、４：制御器、５：パーソナルコンピュータ、１０１：鋼板、１０１ａ：欠陥部、１０２：保温材、１０３：外装材、Ｓ１：Ｘ軸範囲、Ｓ１ａ：Ｘ軸下限フィールド、Ｓ１ｂ：Ｘ軸上限フィールド、Ｓ２：Ｙ軸範囲、Ｓ２ａ：Ｙ軸下限フィールド、Ｓ２ｂ：Ｙ軸上限フィールド、Ｓ３：勾配フィールド、Ｓ４：板厚係数フィールド、Ｓ５：ｌｏｇ時間フィールド、Ｓ６：リニア時間フィールド、Ｓ７：板厚フィールド、Ｆ：原減衰線、ＦＬ：近似直線、ＦＲ：近似曲線、Ｐ１：境界点、Ｐ２：基準点、Ｂ：勾配の基準値、Ｃ：板厚係数、ｄ：直径、Ｎ：試験体、Ｔ：基準点Ｐ２の時間

Claims (4)

1. 電磁波パルスの送信子（２）及び受信子（３）から隔たった位置に存在する鋼材（１０１）に前記送信子（２）から電磁波パルスを送信すると共に前記受信子（３）で受信し、受信パルスの時間と振幅との相関により前記鋼材（１０１）の板厚を測定する電磁波パルスによる板厚推定方法であって、実質的に前記時間及び振幅の軸がそれぞれ対数目盛で表示されると共に直線近似と二次曲線とにより受信パルスを近似し、直線近似部分と二次曲線近似部分との境界近傍における二次曲線側での減衰率が一定の値を下回る点での時間軸の値により前記鋼材（１０１）の板厚を推定する電磁波パルスによる板厚推定方法。
2. 下限の入力部（Ｓ２ａ，Ｓ１ａ）により受信パルスの振幅下限値を実質的に限定可能であることを特徴とする請求項１に記載の電磁波パルスによる板厚推定方法。
3. 前記鋼材（１０１）が断熱材（１０２）と外装材（１０３）に覆われていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波パルスによる板厚推定方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の電磁波パルスによる板厚推定方法に用いることの可能な電磁波パルスによる板厚推定装置であって、電磁波パルスの送信子（２）と受信子（３）とを有し、これら送信子（２）及び受信子（３）から隔たった位置に存在する鋼材（１０１）に電磁波パルスを送受信し、受信パルスの時間と振幅との相関を求め、実質的に前記時間及び振幅の軸がそれぞれ対数目盛で表示されると共に直線近似と二次曲線とにより受信パルスを近似し、直線近似部分と二次曲線近似部分との境界近傍における二次曲線側での減衰率が一定の値を下回る点での時間軸の値により前記鋼材（１０１）の板厚を推定することを特徴とする電磁波パルスによる板厚推定装置。
   
   
   

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