JP2005517178A - 電磁石式可聴音変換器 - Google Patents

Abstract

被テスト強磁性材料（２）内に超音波を励起するための電磁石式可聴音変換器であって、この変換器が材料の表面層を磁化するために被テスト材料（２）に対して動かされるように配置された磁石手段（６）、および交流電源が供給されている電気巻き線（８）を包含しており、磁石手段（６）および電気巻き線（８）が、使用中には、被テスト材料（２）に対して次々と供給され、これにより電気巻き線（８）は磁石手段（８）により磁化された材料後方近傍に配置され、巻き線（８）により創生された交番磁束が材料の残留磁性と相互作用して材料の超音波振動を創生する。

Description

本発明は強磁性材料、特に、限定的ではないが、ガスパイプライン検査のための電磁石式可聴音変換器に関する。

例えば構造管理要素が構成される材料のような、金属材料の非破壊検査は材料内に超音波を導入することにより行われ得る。材料内の欠陥に関する情報は材料内を通過した後の超音波信号を受領しかつ解析することにより得られる。

超音波は通常材料内に圧電性変換器の手段により導入され、上記変換器は超音波周波数で機械的に振動する面を備えている。この超音波はテストされるべき材料内に例えば水のような連結媒体により通され、上記の水は変換器の面とテストされる（被テスト）材料の間に導入される。

或る材料の超音波テストのために連結媒体を導入することは実際的ではなく、または或る場合には不利であり、それは例えば通常点検ピッグと呼ばれている可動点検車両によりガスパイプラインを点検する間が該当する。このような状況下において超音波を材料中に乾燥状態で連結する手段が求められている。

超音波は高周波磁界を不変のまたは極めて低速で変化する第２磁界の存在下の導電材料内に加えることにより励起される。これを達成するための器具は電磁石式可聴音変換器（以下ＥＭＡＴｓと称する）と呼ばれている。

永久磁界と共に使用されるＥＭＡＴｓのために、普通の操作手段は、ＥＭＡＴにより創生される高周波磁界が材料内に電気的渦流を作ることである。これらの渦流は永久磁界の存在下において流れかつ材料内で作用するローレンツ力を発生する。これらの力は材料内に機械的な変位を創生し、これは可聴音波として増殖する。強磁性材料内にはふたつの他の機構があり、それにより高周波磁界が可聴音波を起こし始め、それらはすなわち磁気歪みおよび磁性体力である。これらの追加の力は可聴音波の発生開始にひとつの役割をも果たし得る。

ＥＭＡＴｓのための多数のデザインがこれまでに提案されており、それらの各々はＥＭＡＴの２個のキーとなる構成要素のための特定の幾何学構造により特徴付けられており、すなわちテスト供試体内に永久磁界を発生させるための機構および高周波電流の搬送に使用される電気巻き線である。ＥＭＡＴのこれらの構成要素を変えることによる結果としてはテスト供試体内に導入される超音波が放射される方向または例えば圧縮モードまたは横（ねじれ）モードのような増殖モードにおいて変えられることである。

殆ど全てのＥＭＡＴ変換器は強磁性システムの面上を動かされる時‘バルクハウゼン’ノイズを被る。バルクハウゼンノイズは材料に対する飽和領域下の強磁性材料の大量の磁化中の変化の間における強磁性領域境界の不連続な運動に起因している。それはＥＭＡＴ変換器内の磁化要素の結果である。バルクハウゼンノイズはピッグを使用するＥＭＡＴパイプ検査のためには深刻な問題であり、その理由は検査が所定速度で遂行されるからである。

ＥＭＡＴの構造には各種の妥協策がなされてきたが、磁界要素および電気巻き線の配置は制限内に操作され得るのみであり、上記制限は基本的には手動操作によりセットされている。ＥＭＡＴの各タイプは磁石と巻き線の基本的配置を有している。通常所望のウエーブモードを創生し得るように、ひとたびそれが選択されると、摩耗プレートの厚さ、体積、剛性、熱許容性および動力操作のような他の構造形態が決定され得る。これらは操作環境により強いられる実際的選択であり、かつ例えば可聴音出力量またはバルクハウゼンノイズの大きさにより計測されて、変換器の可聴音性能をしばしば制限する。従ってデザイン問題はＥＭＡＴ操作の基本的方法により強く影響され、上記方法は或る環境内においては如何なる実際的解決をも妨げ得る。

ＥＭＡＴに提供されることが望まれていることは、その構造が変換器のデザインに顕著な多くの柔軟性を提供し、かつ変換器が従来のものよりより広い操作環境範囲内での使用を許容するものである。

本発明のひとつの形態によると、被テスト強磁性材料内に超音波を励起するための電磁石式可聴音変換器が提供され、この変換器が材料の表面層を磁化するために被テスト材料に対して動かされるように配置された磁石手段、および交流電源が供給されている電気巻き線を包含しており、電気巻き線が磁石手段により磁化された材料後方近傍に配置され、巻き線により創生された交番磁束が材料の残留磁性と相互作用して材料の超音波（超可聴音）振動を創生する。

評価されることは、そのような配置では、変換器の磁石構成要素が電気的巻き線構成要素から物理的に分離し、変換器の２個の要素が被テスト材料に対して２要素の適用場所間に自由な時間間隔で連続配置可能であることである。

２個の構成要素のこのような分離は変換器のデザインの可能性に対して非常に大きい効果を与える。例えばパイプ点検のような、或る特定の用途では、多くの技術的かつ商業的利点が達成される。更に、バルクハウゼンノイズが除去される。

永久磁石材料または電磁石ヨークを含み得る磁石手段が被テスト材料の表面上を直線状に引かれるかまたは表面上で回され得る。各ケースにおいて、残留磁気のパターンが違う方向に向けられた残留磁気の１個またはそれより多いストリップの形を採り、それぞれは磁石手段の軌跡に従っている。

連続した電気巻き線は１個またはそれより多い内部で連結されたコイルを包含し、これらは例えばパンケーキまたは曲がりくねったようなひとつの面内に巻かれ、またはＣ形コアーのような強磁性コアー周りに巻かれ得る。本発明の好ましい実施例においては、磁石手段および電気巻き線は単一アセンブリーとして（或る程度の可撓性を備えて各々がテスト面に従うとしても）可動なように互いに連結されており、電気巻き線は磁石手段の通路を予め定められた間隔を隔てて従動する。

本発明の別の形態によると、強磁性テスト材料内に超音波を励起する方法が提供されており、その方法は材料の表面層内に残留磁性のパターンを確立する工程を包含し、かつ上記磁性の確立に引き続き、交番磁束を材料に供給して残留磁界と相互作用させ、これにより材料の超音波振動を創生する。

図面において、例えば高圧スチールガスパイプラインであり得る、テストされる（被テスト）強磁性材料が概略符号２で表示され、かつ本発明によるＥＭＡＴが概略符号４で表示され、水平極性を与えるようにガイドされたねじれ波を発生するようにしている。

ＥＭＡＴはふたつの別個の分離した構成要素、すなわち概略符号６で表示されているマグネタイザーおよび概略符号８で表示されている電気巻き線アセンブリーを包含している。

マグネタイザー６は交互磁極Ｎ、Ｓ付きの磁石１０の直線列を備え、これらの磁極の中心はパイプライン２の材料内に創生される所望超音波の波長の半分またはそれより短い距離だけ離れている。磁石１０は符号１２のところで部分的に破断されて示されている耐摩耗非磁性材料のバンドにより覆われており、このバンドは磁石１０の下側と干渉したりカバーしたりすることはないが磁石１０のテスト材料２に対する摩耗を制限する機能を果たし、すなわち磁石１０の下側はパイプライン２と接触したりまたはそれから非常に小さい間隙を隔て得るからである。

マグネタイザー６は磁石１０を収容しているハウジング１４を備えておりかつこのハウジングは第１リンク１６によりマグネタイザー６の支持構造体１８への簡便な取付けを許容し、これによりマグネタイザー６はテスト面に沿い磁石１０の列と直角方向に引かれることができる。

電気巻き線アセンブリー８はＣ形コアー２０のセットを包含しておりそのコイルは互いに相互に連結されて単一の連続巻き線２２を形成している。コアー２０は電気的絶縁材料の着用プレート２４上に装着されており、このプレートはパイプライン２の表面に係合するようにされている。プレート２４は厚さが数ミリメーターであるが、パイプ検査のために有用な周波数での動作時には器具の可聴音効率に対し無視し得る影響を備え、コアー２０を材料表面から保護する。

アセンブリー８は電磁気干渉に対してコアー２０を遮蔽するハウジング２６を備えており、このハウジングは可聴音信号を受信する時に重要であり、かつアセンブリー８が第２リンク２８により支持構造体１８に対して容易に接続されることを可能にしている。アセンブリー８はマグネタイザー６の後方でコアー２０を移行の先行方向と直交する列内にかつ磁石１０の列と並行に保ち、コイルはコアー２０の高周波励起により製造される磁束がテスト材料２の表面と相互作用するように配置されることになる。

使用時には、マグネタイザー６および電気巻き線アセンブリー８は共にリンク１６、２８および支持構造体１８によりパイプライン２の表面に沿い動かされ、コアー２０が磁石１０に従動しかつ巻き線２２が高周波電源により駆動される。

磁石１０は以上詳述されたようにパイプライン２の表面を磁化してその中に残留磁気を生じ、引き続き供給されるアセンブリー８により作られた高周波交番磁束がこの残留磁気と相互作用してコアー２０の近傍からパイプライン２内に水平極性を与えるようにされたねじれ波を作り、結果として生ずる超音波がコアー２０の列と実質的に並行して増殖される。

もしアセンブリー８が受信器として使用されると、巻き線はコアー２０の列と実質的に平行な方向から到着する水平ねじれ波に対して敏感になる。

このようにして本発明のＥＭＡＴは２個の個別の構成要素を効果的に包含し、これらは互いに機械的に連結されまたは連結されない。第１の構成要素は永久磁石材料または電磁石ヨークを収容したマグネタイザーであり、これらは強磁性テスト材料の表面上またはその近傍に配置されかつ引き続き去る方向へ動かされると、テスト材料の表面層内に残留磁気の予め定められたパターンを導入する。この残留パターンは単に器具を直線運動で表面を横切り引くことにより発生させ得る。この場合に残留パターンは異なる方向に向いた残留磁気の１個またはそれより多い直線状ストリップの形をとり、各ストリップはマグネタイザーの軌跡に従う。

別の実施例においては、マグネタイザーは磁気パターンを組み込んだシリンダーを包含しかつそのシリンダーはテスト材料に沿い回されて残留磁気を作り、この残留磁気も異なる方向に向けられた残留磁気の１個またはそれより多い直線状ストリップの形であり、各ストリップはシリンダーの組み合わされた磁気パターンの線に従っている。

第２の構成要素は電気巻き線アセンブリーであり、これは、テスト材料に対して近くに配置されると、高周波交番磁束を材料の表面内に発生させることができる。広範囲の巻き線が可能であり、それらの幾つかは高周波電気ヨークと組み合わされ得る。巻き線配置はＥＭＡＴ変換器に対する従来配置とされ得るが、例外はそれらがそれらと組み合わされた固定磁石配置を備えていないことである。巻き線構成要素の配置のされ方は、高周波交番磁束が残留磁気のパターンと相互作用した時、超音波振動がテスト材料内に起こりかつテスト材料を通して増殖し、これにより材料の超音波検査が許容されるように構成されている。図示されているＣ形コアーの代わりとして、電気巻き線アセンブリーは１個またはそれより多い内部で連結された‘パンケーキ’形構造の平坦コイルを包含することができる。

強磁性テスト材料内での超音波の発生は基本的には２段階の工程で達成される。第１は強磁性材料の予調整であり、これは磁気テープのような磁気媒体上への磁気パターンのレコーデイングに類似している。構造鋼材のような顕著な残留能力を有する如何なる材料でも、このパターンはテスト材料内にマグネタイザーの通過または除去後に安定した磁気輪郭として残る。第２工程は高周波交番磁束の導入であり、これは残留磁気パターンと相互作用して超音波を発し始める。もしこの超音波が受領されるべきである場合は、材料は前述のように磁気的に予調整されるが、電気巻き線は受信コイルとして作用しかつ超音波を電気信号に変換する。

記述されかつ図示された配置が示している巻き線はマグニタイザー要素の通路に従い両者間に好適な間隔を隔てており、両者を支持している構造体により各々が直線状に引かれる。この配置は特にパイプライン検査車両上で有益であり、かつ超音波の移送および受領の双方のために好適である。

このタイプのＥＭＡＴの重要な利点は、受信器として動作している時であり、巻き線は受信器具としてのみ作用し、このＥＭＡＴがバルクハウゼンノイズから解放されることである。その理由は強磁性材料内の残留磁気パターンが安定しており、パターンが受信器位置におけるテスト材料の関連部分内で時間の経過につれて退化されないからである。これは受信器が動いているか否かに関係なく言えることである。これは従来の受信器とは相違しており、従来の受信器はテスト材料の表面上での運動中にバルクハウゼンノイズを発生し始め、その理由は受信器内に収容されている磁石が材料の磁化状態を連続的に変更するからである。

このタイプのＥＭＡＴの別の重要な利点は２個のキーとなる要素の実際上の管理が独立に達成可能であることである。磁石を巻き線の周りにまたはその逆に合わせる必要がもはやなく、何故ならばそれらはもはや同じ場所を占めないからである。両構成要素は従来の巻き線および磁石が結合された配置よりも小さい容積のものとすることができ、このことはシステムの活力を改良する。変換器およびテスト材料の間の磁化クランプ力はマグネタイザーにより制限され、従って摩耗の問題は原則的に１ユニット上のみに発生する。この摩耗の問題は慣例にとらわれない手段により解決することができ、その手段は例えば顕著な摩耗の発生を許容しかつ硬化された摩耗面よりもむしろ使い捨てヨーク面を使用することである。更に、電気巻き線と共に使用される摩耗プレートまたはシューの厚さはＥＭＡＴにより通常使用されるよりも遙かに大きくすることができる。その理由は巻き線が‘離昇’に対して高度に耐性があり、これは残留磁界がテスト材料内に印刻されかつ離昇により減少しないからである。これは磁界源が巻き線と共に面からリフトし、かつ離昇により効率が急速に減少する通常のＥＭＡＴと対照をなしている。

本発明のＥＭＡＴは互いに近接配置された磁石を使用して水平極性ねじれ波を起こすので既存のＥＭＡＴＳとは極度に有効なものとして対照される。そのような公知の場合では、プレートの面で適用された磁界は変換器直下のプレート材料内の間隔方向位置が僅かに変化しても量および方向が急速に変化する。磁界パターンの複雑さはこれらの変換器を動きにより誘起されるバルクハウゼンノイズを特に起こし易くする。更に、パイプライン環境内での操作のための既存のＥＭＡＴｓは嵩張り、センサー離昇により効率の急速なロスを被り、かつ摩耗により厳しく影響される。

本発明によるＥＭＡＴの、一部を破断した、図面である。

Claims (9)

1. 被テスト強磁性材料（２）内に超音波を励起するための電磁石式可聴音変換器であって、この変換器が材料の表面層を磁化するために被テスト材料（２）に対して動かされるように配置された磁石手段（６）、および交流電源が供給されている電気巻き線（８）を包含しているものにおいて、磁石手段（６）および電気巻き線（８）が、使用中には、被テスト材料（２）に対して次々と供給され、これにより電気巻き線（８）は磁石手段（８）により磁化された材料後方近傍に配置され、巻き線（８）により創生された交番磁束が材料の残留磁性と相互作用して材料の超可聴音振動を創生することを特徴とする、変換器。
2. 磁石手段（６）が永久磁石材料（１０）または電磁石式ヨークを備えている、請求項１に記載の変換器。
3. 連続電気巻き線（８）が１個またはそれより多い内部連結コイルを包含している、請求項１または２に記載の変換器。
4. コイルが例えばパンケーキまたは曲りくねったコイルのように、ひとつの面内で巻かれ、またはＣ形コアー（２０）のような強磁性コアー周りに巻かれている、請求項３に記載の変換器。
5. 磁石手段（６）および電気巻き線（８）が単一アセンブリーとして可動となるように互いに連結されており、電気巻き線（８）が磁石手段（６）の通路を予め定められた間隔を隔てて従動する、請求項１ないし４の何れかに記載の変換器。
6. 強磁性テスト材料（２）内に超音波を励起する方法であって、材料の表面層内に残留磁性のパターンを確立する工程を包含しているものにおいて、上記磁性の確立に引き続き、交番磁束を材料に供給して残留磁界と相互作用させ、これにより材料の超可聴音振動を創生することを特徴とする、方法。
7. 請求項１ないし５の何れかに記載の電磁石式可聴音変換器を使用する、請求項６に記載の方法。
8. 磁石手段（６）が被テスト材料（２）の表面上を直線状に引かれる、請求項７に記載の方法。
9. 磁石手段（６）が被テスト材料の表面上で回される、請求項７に記載の方法。
   
   

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