JP2007051991A - 金属パイプの肉厚を計測する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】金属パイプの肉厚を打音により高精度に簡単に測定する方法およびシステムを提供する。
【解決手段】金属パイプに所定の強度の打撃を加えて音圧信号標本値を採取、保存する打音データ取得部１と、保存された音圧信号標本値を解析して肉厚を求めるデータ解析部２とを備え、データ解析部は、計測対象である金属パイプと同じ外径を有する複数の肉厚の異なるサンプル金属パイプの打音検査に基づいて求めた固有振動数と肉厚との関係を表す肉厚−固有振動数直線を表示する手段２３，２１と、保存された音圧信号標本値に自己相関処理を施して時系列データを求める自己相関処理手段２４と、時系列データにＦＦＴを施して周波数成分をグラフ表示する周波数成分分析手段２５とを含む。肉厚計測時には、周波数成分のグラフ表示から金属パイプの固有振動数を求め、求めた固有振動数および肉厚−固有振動数直線のグラフ表示を用いて金属パイプの肉厚を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属パイプの肉厚を計測する方法およびシステムに関し、詳しくは、金属パイプに打撃を加えて得られる音響振動に基づいて（即ち、打音検査法により）金属パイプの肉厚を測定する技術に関する。

道路の標識や照明の支柱、種々の配管、遊具などには金属のパイプが使用されることが多い。このような構造物に使用された金属パイプは、設置後、時間の経過とともに腐食が進行し、腐食が進むとパイプが減肉し（肉厚が薄くなり）、構造物の安全性に問題が生じる場合がある。このため、金属パイプの腐食減肉程度を把握するべく肉厚を非破壊的に検査することが必要となる。
上述のような構造物の金属パイプの厚さを非破壊的に測定する方法としては、パイプ外周面に垂直に超音波を印加したときに観測される超音波反射信号からパイプの内表面で反射された超音波成分を検出することにより肉厚を測定する超音波検査装置および方法がある（例えば、特許文献１参照）。

しかし、上記特許文献１に記載の方法は、超音波反射信号の解析に時間がかかり効率的とは言い難い。
また、コンクリート製基礎に埋め込まれたアンカーボルトの腐食減肉を診断する方法において、アンカーボルトの露頭部を打撃振動させ、このときマイクを通して得られる電気信号にＦＦＴ（高速フーリエ変換）を施し、これにより得られる振動スペクトルに基づいてアンカーボルトの固有振動数（アンカーボルトの直径に比例する）を求める技術を利用した特許文献もある（特許文献２（段落００１５、図１）参照）。
しかし、特許文献２に記載の方法は、解析に時間は掛からないが、電気信号を直接ＦＦＴ変換しているので雑音に弱く、騒音の多い場所での測定には不向きである。
特開２００３−１３０８５４号公報 特開２００４−３２５２２４号公報

本発明は、上述の問題点に鑑みて為されたものであり、金属パイプの肉厚を打音により高精度に簡単に測定する方法およびシステムを提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、打音により取得した波形を自己相関処理し、この自己相関処理した波形をＦＦＴ変換した周波数成分波形を用いて固有周波数を求め、ノイズの影響を受けにくい、金属パイプの肉厚を打音により高精度に簡単に測定する方法およびシステムを提供することである。

本発明は、一面において、金属パイプの肉厚を計測する方法を提供する。本発明による金属パイプの肉厚を計測する方法は、計測対象である金属パイプと同じ外径を有する複数の肉厚の異なるサンプル金属パイプについて、各サンプル金属パイプに所定の強度の打撃を加えて計測される当該サンプル金属パイプの固有振動数と真と思われる肉厚との関係を表す点をプロットし、前記複数のプロットした点から線形近似した直線をグラフ表示する肉厚−固有振動数直線表示ステップと、前記計測対象である金属パイプに前記所定の強度の打撃を加えて音圧信号標本値を採取、保存する打音データ取得ステップと、保存された前記音圧信号標本値に自己相関処理を施して時系列データを求める自己相関処理ステップと、前記時系列データにＦＦＴ（first Fourier transform）を施して周波数成分をグラフ表示する周波数成分分析ステップと、前記グラフ表示から前記計測対象である金属パイプの固有振動数を求め、求めた前記固有振動数およびグラフ表示された前記直線を用いて金属パイプの肉厚を求めるステップとを含むことを特徴とする。

前記の真と思われる肉厚は、各サンプル金属パイプごとに既知であることもあれば、各サンプル金属パイプごとに超音波検査装置を用いて実測することもある。

本発明は、別の面において、金属パイプの肉厚を計測するシステムを提供する。本発明による金属パイプの肉厚を計測するシステムは、計測対象である金属パイプに前記所定の強度の打撃を加えて音圧信号の標本値（音圧信号標本値）を採取、保存する打音データ取得部と、保存された前記音圧信号標本値を解析して前記計測対象である金属パイプの肉厚を求めるデータ解析部とを備え、前記データ解析部は、前記計測対象である金属パイプと同じ外径を有する複数の肉厚の異なるサンプル金属パイプについて、各サンプル金属パイプに所定の強度の打撃を加えて計測される当該サンプル金属パイプの固有振動数と真と思われる肉厚との関係を表す点をプロットし、前記複数のプロットした点から線形近似した直線をグラフ表示する肉厚−固有振動数直線表示手段と、保存された前記音圧信号標本値に自己相関処理を施して時系列データを求める自己相関処理手段と、前記時系列データにＦＦＴを施して周波数成分をグラフ表示する周波数成分分析手段とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、金属パイプの肉厚を打音により高精度に簡単に測定することができる。
また、本発明によれば、取得波形を直にＦＦＴ変換した周波数成分波形の代わりに、取得波形を自己相関処理し、この自己相関処理した波形をＦＦＴ変換した周波数成分波形を用いて固有周波数を求めるので、ノイズの影響を受けにくい。
さらに、本発明によれば、打音検査法により取得した取得波形を自己相関処理し、この自己相関処理した波形をＦＦＴ変換した周波数成分波形から求められる固有周波数に基づいて肉厚を計測するので、ノイズに強い肉厚計測を比較的簡単に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態例と添付図面により本発明を詳細に説明する。
なお、複数の図面に同じ要素を示す場合には同一の参照符号を付ける。
図１は、本発明の好ましい実施形態による打音検査式肉厚計測システムにより金属パイプの肉厚を計測する様子を示す図である。図１において、本発明の打音検査式肉厚計測システムは、計測対象である金属パイプに所定の強度の打撃を加えて音圧信号標本値を採取、保存する打音データ取得部１と、保存された音圧信号標本値を解析して肉厚を求めるデータ解析部２とを備える。打音データ取得部１とデータ解析部２とは、それぞれ独立した装置として実現しても良いし、一体化して１つの装置として実現しても良い。

打音データ取得部１は、計測対象である金属パイプの外周面にほぼ垂直に打撃を与えるハンマ１１，所与の打撃制御信号に応じて所定の強度でハンマ１１を駆動するハンマ駆動部１２，ハンマ１１の打撃により生じる金属パイプの振動音を採取するマイクロフォン１３，マイクロフォンからの音圧信号を増幅する増幅器（ＡＭＰ）１４、増幅された音圧信号を所定の標本周期で標本デジタル化するアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１５，ＡＤＣ１５からの音圧信号標本値を格納するメモリ１６，打撃指示などを与える操作部１８，メモリ１６に格納された音圧信号標本値を外部に送出するインタフェース（ＩＦ）１９および打音データ取得部１全体を制御する制御部１７からなる。例えば、制御部１７は、操作部１８から打撃支持を受け取ると、これに応じて打撃制御信号をハンマ駆動部１２に送信する。

一方、データ解析部２は、ハードウェアの観点から言えば、処理結果を表示する表示部２１と操作のためのデータを入力するためのキーボードやマウスなどからなる操作部２２を備えた通常のコンピュータである。ただし、データ解析部２は、本発明の目的のために、データ解析のためのプログラムやデータを格納した２次記憶装置（図示せず）を備える。データ解析部２の２次記憶装置には、計測対象である金属パイプと同じ外径を有する複数の肉厚の異なるサンプル金属パイプの打音検査に基づいて求めた固有振動数と肉厚との関係を表す肉厚−固有振動数直線を表示する肉厚−固有振動数直線表示部２３（請求項の肉厚−固有振動数直線表示手段に相当）と、音圧信号標本値に自己相関処理を施して時系列データを求める自己相関処理部２４（請求項の自己相関処理手段に相当）と、時系列データにＦＦＴ（first Fourier transform）を施して周波数成分をグラフ表示する周波数成分分析部２５（請求項の周波数成分分析手段に相当）とを含む。
次に、以上のように構成された本発明の打音検査式肉厚計測システムの動作を説明する。

＜打音データの採取＞
計測対象の金属パイプの肉厚計測部位に打音データ取得部１のハンマ１１とマイクロフォン１２がほぼ垂直になるように打音データ取得部１を押し当てて、操作部１８から打撃支持を与える。これに応じて、制御部１７は、所定の強度の打撃を与えるとともに、所定の期間（例えば、３秒間）だけ所定の標本周波数（例えば、５０ＫＨｚ）で音圧信号標本値を取得し、取得した音圧信号標本値の時系列データをメモリ１６に保存するように、制御を行う。

＜取得した時系列データの解析＞
次に、取得した音圧信号標本値の時系列データの打撃時点から所定の期間（例えば、５００ｍ秒）に亘って以下の解析を行う。
図２は、図１の打音データ取得部１で取得した音圧信号標本値の時系列波形（取得波形）と取得波形を自己相関処理した波形（自己相関処理後の波形）とをグラフ表示した画面例を示す図である。図３は、図２の取得波形を直にＦＦＴ変換して求めた周波数成分波形と自己相関処理後の波形をＦＦＴ変換して求めた周波数成分波形とをグラフ表示した画面例を示す図である。図３に示すように、取得波形を直にＦＦＴ変換して求めた周波数成分波形（上段に示す）に比べて、自己相関処理後の波形にＦＦＴ変換を施して求めた周波数成分波形（下段に示す）の方がノイズが抑制され、ピーク部がより強調されている。

図４は、図３の画面例に表示された、自己相関処理後の波形に対する周波数成分波形の１０００Ｈｚから８０００Ｈｚの区間を拡大した図である。図４には、外径が２インチで肉厚が３．０ｍｍの金属パイプの例を示した。図４の周波数成分波形では、２５００Ｈｚ付近（低周波）と７０００Ｈｚ付近（高周波）に卓越した周波数（固有周波数）が存在することを容易に判断することができる。
このように、本発明によれば、取得波形を直にＦＦＴ変換した周波数成分波形の代わりに、取得波形を自己相関処理し、この自己相関処理した波形をＦＦＴ変換した周波数成分波形を用いて固有周波数を求めるので、ノイズの影響を受けにくい。

図５は、図１の肉厚−固有振動数直線表示部２３が表示する画面例を示す図である。図５の画面例では、外径が２インチの複数のサンプル金属パイプから求めた肉厚と高周波の固有振動数との関係を線形近似した直線（上段）および肉厚と低周波の固有振動数との関係を線形近似した直線（下段）がグラフ表示されている。図５において、Ｒは、肉厚と周波数成分との相関性を表す相関係数であり、Ｒの二乗が１に近づくほど近似曲線（この例では直線）の精度は高くなる。

本発明によれば、これらの線形近似直性を表示するため、図６に示すようなサンプルデータを収集する必要がある。図６の例では、計測対象である金属パイプと同じ外径（例えば、２インチ）を有する複数（図６の例では７）の肉厚の異なるサンプル金属パイプ（Ｎｏ．１〜７）の真と思われる肉厚と打音検査により求めた高い方（高周波）の固有振動数と低い方（低周波）の固有振動数のデータ例を示した。図５の２つの直線（肉厚−固有振動数直線）は、図６の高周波のデータと低周波のデータとをプロットして、それぞれを線形近似したものである。

図４で求められる２つの固有周波数の１つと、これに対応する図６の肉厚−固有振動数直線を用いて肉厚を決定することができる。
以上述べたように、本発明によれば、打音検査法により取得した取得波形を自己相関処理し、この自己相関処理した波形をＦＦＴ変換した周波数成分波形から求められる固有周波数に基づいて肉厚を計測するので、ノイズに強い肉厚計測を比較的簡単に行うことができる。
なお、図５には、外径が２インチの金属パイプに対する肉厚−固有振動数直線を示したが、実際には、計測対象となりうる金属パイプの各外径に対して、図６のようなデータを採取し、図５のような肉厚−固有振動数直線を求めておく必要がある。

以上は、本発明の説明のために実施の形態の例を掲げたに過ぎない。したがって、本発明の技術思想または原理に沿って上述の実施の形態に種々の変更、修正または追加を行うことは、当業者には容易である。
例えば、図３には、説明を分かり易くするために取得波形の周波数成分も示したが、これは必ずしも表示する必要はない。

本発明の好ましい実施形態による打音検査式肉厚計測システムにより金属パイプの肉厚を計測する様子を示す図である。 図１の打音データ取得部で取得した音圧信号標本値の時系列波形（取得波形）と取得波形を自己相関処理した波形（処理後の波形）とをグラフ表示した画面例を示す図である。 図２の取得波形と処理後の波形とをそれぞれＦＦＴ変換して求めた周波数成分波形をグラフ表示した画面例を示す図である。 図３の画面例に表示された、処理後の波形に対する周波数成分波形の１０００Ｈｚから８０００Ｈｚの区間を拡大した図である。 図６に示した肉厚と高周波の固有振動数との関係を線形近似した直線および肉厚と低周波の固有振動数との関係を線形近似した直線をグラフ表示した画面例を示す図である。 計測対象である金属パイプと同じ外径を有する複数の肉厚の異なるサンプル金属パイプの真と思われる肉厚と打音検査により求めた高い方（高周波）の固有振動数と低い方（低周波）の固有振動数とを示した一覧表の図である。

符号の説明

１ 打音データ取得部
２ データ解析部
２１ 表示部
２２ 操作部
２３ 肉厚−固有振動数直線表示部
２４ 自己相関処理部
２５ 周波数成分分析部

Claims (4)

1. 計測対象である金属パイプと同じ外径を有する複数の肉厚の異なるサンプル金属パイプについて、各サンプル金属パイプに所定の強度の打撃を加えて計測される当該サンプル金属パイプの固有振動数と真と思われる肉厚との関係を表す点をプロットし、前記複数のプロットした点から線形近似した直線をグラフ表示する肉厚−固有振動数直線表示ステップと、
   前記計測対象である金属パイプに前記所定の強度の打撃を加えて音圧信号標本値を採取、保存する打音データ取得ステップと、
   保存された前記音圧信号標本値に自己相関処理を施して時系列データを求める自己相関処理ステップと、
   前記時系列データにＦＦＴ（first Fourier transform）を施して周波数成分をグラフ表示する周波数成分分析ステップと、
   前記グラフ表示から前記計測対象である金属パイプの固有振動数を求め、求めた前記固有振動数およびグラフ表示された前記直線を用いて金属パイプの肉厚を求めるステップとを含むことを特徴とする金属パイプの肉厚を計測する方法。
2. 前記の真と思われる肉厚は、各サンプル金属パイプごとに既知であることを特徴とする請求項１記載の金属パイプの肉厚を計測する方法。
3. 前記の真と思われる肉厚は、各サンプル金属パイプごとに超音波検査装置を用いて実測することを特徴とする請求項１記載の金属パイプの肉厚を計測する方法。
4. 計測対象である金属パイプに前記所定の強度の打撃を加えて音圧信号の標本値（音圧信号標本値）を採取、保存する打音データ取得部と、
   保存された前記音圧信号標本値を解析して前記計測対象である金属パイプの肉厚を求めるデータ解析部とを備え、
   前記データ解析部は、
   前記計測対象である金属パイプと同じ外径を有する複数の肉厚の異なるサンプル金属パイプについて、各サンプル金属パイプに所定の強度の打撃を加えて計測される当該サンプル金属パイプの固有振動数と真と思われる肉厚との関係を表す点をプロットし、前記複数のプロットした点から線形近似した直線をグラフ表示する肉厚−固有振動数直線表示手段と、
   保存された前記音圧信号標本値に自己相関処理を施して時系列データを求める自己相関処理手段と、
   前記時系列データにＦＦＴ（first Fourier transform）を施して周波数成分をグラフ表示する周波数成分分析手段とを含むことを特徴とする金属パイプの肉厚を計測するシステム。