JP2007064904A - 超音波による厚さ測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コーティング層等の異質層と材料の超音波の減衰差を利用して、異質層を除去することなく材料の厚さを簡便に、且つ、精度よく測定することを可能にした超音波による厚さ測定方法及びその装置を提供する。
【解決手段】 表面にコーティング層２２を有する鋼管２１の厚さを超音波によって測定する方法において、鋼管２１内に超音波パルスを送信して得られる受信信号の内、鋼管２１での多重反射によって生じるエコー（多重エコー）を選択し、その間隔に基づいて鋼管２１の厚さを求める。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波による厚さ測定方法及びその装置に関し、特に、塗膜、塗覆装等のコーティング層等の異質層が表面に施された鋼管等の材料の厚さ測定に関するものである。

腐食や摩耗等による検査対象物の減肉を測定する方法として、超音波による厚さ測定方法が広く用いられている。この方法は、一般には、図８（ａ）に示されるように、検査対象物の測定面に超音波探触子をあてて、測定面と反対の面でのエコーから検査対象物の厚さを測定する。

超音波による厚さ計測においては、塗膜や塗覆装などが存在する場合には、図８（ｂ）に示されるように、コーティング層内での多重エコーのため、厚さ測定で着目すべきエコーの判別が困難となる場合がある。また、被覆部の多重エコーの影響をなくすために、これらを除去して、測定対象物のみの状態にして測定を行う手段がとられている。しかしながら、この方法では塗膜、塗覆装の除去、計測終了後に塗膜、塗覆装の復帰作業を行う必要があるため、効率的でない。

一方、コーティング層を除去することなく検査対象物の厚さを測定する方法として、コーティング層を含めた厚さとコーティング層のみの厚さとから検査対象物の厚さを求める方法が知られている。しかしながら、この方法では、最低２回の測定が必要であるため測定に手間がかかったり、コーティング層の音速を求めるのが困難な場合がある等の不都合を生じる。このような問題点を解決するものとして、例えば「スケール又はコーティング等の異質層を少なくとも一側面に有する板材に当該一側面側から超音波パルスを送信すると共に前記板材を通過又は反射した前記超音波パルスを受信する。そして、受信された複数群の受信波のうち、ｎ番目（但し、ｎは自然数）の波群の立ち上がりの時刻とｎ＋１番目の波群の立ち上がり時刻との時間差を求めると、異質層の伝播時間は相殺される。この原理を利用して前記時間差から板厚を測定する。」という測定方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−３９７３２号公報（要約）

上記の従来の測定方法（特許文献１）は、多重エコーの立ち上がりを利用して厚さを計測するものであるが、コーティング層の多重エコーの影響を考慮したものでなく、コーティング層での多重エコーと厚さ測定に利用するエコーとが重なった場合に測定が不可能となる、という問題点がある。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、コーティング層等の異質層と検査材料の超音波の減衰差を利用して、異質層を除去することなく材料の厚さを簡便に、且つ、精度よく測定することを可能にした超音波による厚さ測定方法及びその装置を提供することを目的とする。

本発明に係る超音波による厚さ測定方法は、表面に異質層（例えば塗膜や塗覆装等のコーティング層等）を有する材料の厚さを超音波によって測定する方法において、前記材料内に超音波パルスを送信して得られる受信信号の内、前記材料内での多重反射によって生じるエコー（多重エコー）を複数個選択し、その間隔に基づいて前記材料の厚さを求める。

また、本発明に係る超音波による厚さ測定方法は、前記異質層と前記材料との超音波の減衰差を利用して前記材料の厚さを求める。
また、本発明に係る超音波による厚さ測定方法は、前記材料内での多重エコーの高さが前記異質層内で生じる多重エコーの高さよりも高くなった領域において、当該材料内での多重エコーの間隔に基づいて前記材料の厚さを求める。
また、本発明に係る超音波による厚さ測定方法は、前記異質層と前記材料とで減衰量の差が大きい周波数の超音波を用いる。
また、本発明に係る超音波による厚さ測定方法は、前記材料内に超音波パルスを送信してから所定時間経過に現れる受信信号のエコーの間隔に基づいて前記材料の厚さを求める。

また、本発明に係る超音波による厚さ測定装置は、異質層を有する材料に超音波を送信する送信手段と、前記材料を伝播する超音波を受信する受信手段と、超音波の受信信号に含まれるエコーの内、厚さ測定に用いるエコーを複数個選択し、選択されたエコーの間隔に基づいて前記材料の厚さを求めるデータ処理手段とを備えたものである。
また、本発明に係る超音波による厚さ測定装置は、超音波の受信信号の波形を表示する波形表示手段、求められた材料の厚さを表示する測定値表示手段、及び厚さ測定値を外部へ電気信号として出力する出力手段の内、少なくとも１つ以上を備えたものである。

本発明によれば、表面に異質層を有する材料内での多重反射によって生じるエコー（多重エコー）の間隔に基づいて材料の厚さを求めるようにしており、このため、塗膜や塗覆装などのコーティング等を除去することなく、材料の厚さを簡便に、且つ、精度よく測定することが可能になっている。したがって、腐食や摩耗による材料の減肉の測定など効率よく保守検査などが実施できる。

図１は本発明の実施の形態に係る超音波による厚さ測定装置の構成を示すブロック図である。この厚さ測定装置１０は、データ処理装置１１、パルサ１２、超音波探触子１３、レシーバ１４、アンプ１５、フィルタ１６、波形表示装置１７及び測定値表示装置１８を備えている。データ処理装置１１からパルサ１２に対して所定の周期でトリガパルスが送信されると、パルサ１２より超音波探触子１３に対しパルス信号が印加され、超音波探触子１３により検査対象物２０に超音波パルスが印加される。検査対象物２０は鋼管２１の外表面にコーティング層（防食層）２２が形成されたものであり、検査対象物２０内の超音波パルスは界面で反射され、一部は鋼管２１内及びコーティング層２２内でそれぞれ複数回反射を繰り返す。この複数回反射を繰り返す間に超音波探触子１３が受信した受信信号は、レシーバ１４を通ってアンプ１５で増幅された後、フィルタ１６で着目する周波数帯域（例えば５ＭＨｚ以上）の信号が選択され、データ処理装置１１に送られる。このとき、データ処理装置１１より所定の周期で出力されるトリガパルスの間に、複数回のエコーを受信することになるため、複数のエコーが検出される（多重エコー）。データ処理装置１１は、この多重エコーの内、厚さの測定に利用するエコーを自動又は手動で選択するとともに（自動選択の場合は図６参照）、選択されたエコーを用いて鋼管２１の厚さを求める。また、データ処理装置１１は、得られた波形とともに厚さ測定に用いているエコーを波形表示装置１７上に出力してその波形を表示させたり、求めた測定値を測定値表示装置１８に出力してその測定値を表示させる。或るいは、その求めた測定値を外部機器に電気信号として出力する。なお、データ処理装置１１はフィルタ１６からの信号をデジタル処理を行う場合には、アナログ信号をデジタル変換する機能（ＡＤ変換装置）を備える。

ここで、厚さの測定に利用されるエコーの選択方法を説明する。図２（ａ）はエコーの発生経路を示した説明図である。同図に示されるように、超音波探触子１３より入射した超音波は、コーティング層２２内を伝播し、コーティング層２２と鋼管２１との界面２１ａで、一部は反射し、一部は鋼管２１内へ伝播する。界面２１ａで反射した超音波は、超音波探触子１３でエコーとして検出されるとともに再びコーティング層２２内へと反射する。コーティング層２２内へ反射した超音波は再び鋼管２１内へ伝播するもの、コーティング層２２内へ反射するものが生じ、これを繰り返す。

一方、鋼管２１内へ伝播した超音波は、一部は超音波探触子１３を設置した反対側の鋼管２１とコーティング層２３の界面２１ｂで一部は鋼管２１内へ反射し、一部はコーティング層２３内へ伝播する。鋼管２１内へ反射した超音波は、コーティング層２２と鋼管２１との界面２１ａで一部はコーティング層２２へ、一部は鋼管２１内へ反射される。また、コーティング層２２内へ伝播したものは、コーティング層２２内で反射するとともに、鋼管２１内へ再び入射する。

上記のような現象が繰り返され、超音波探触子１３で受信されるエコーには様々な径路が含まれることになる。しかしながら、コーティング層２２，２３と鋼管２１で伝播に伴う超音波の減衰が大きく異なる場合、即ち、コーティング層２２，２３内での減衰が大きい場合には、コーティング層２２，２３内を繰り返し反射して通過した超音波は強度の低下が大きいため、複数回の反射を繰り返して所定の時間を経過すると、鋼管２１内の多重エコーを検出できる状況が生じる。したがって、複数回反射後のエコーに着目することによって、鋼管２１の厚さが測定可能となる。

図２（ｂ）は厚さ測定の原理を示した説明図であり、上記の現象を超音波の波形の点から模試的に表したものを示している。図２（ｂ）では、Ｓ１からＳ３はコーティング層２２内での多重エコー、Ｂ１〜Ｂ４は鋼管２１内での多重エコーを示している。コーティング層２２内を複数回通過する符号Ｓで示されるエコーは、減衰が大きいためエコー高さが急激に低下するのに対し、符号Ｂで示される鋼管２１内の多重エコーは、減衰が比較的少ない。したがって、図２（ｂ）の例では、鋼管２１のエコーの高さがコーティング層２２のエコーの高さよりも大となる、エコーＢ３とＢ４を利用することにより、鋼管２１の厚さが測定可能となる。なお、厚さ測定の際には、エコーＢ３とＢ４ではなく、エコーＢ３とＢ５など、エコーが認識できればどの組み合わせでもよい。

ここで、上記の鋼管２１内のエコーＢ３・Ｂ４又はエコーＢ３・Ｂ５を利用することについての技術的な裏付けについて更に説明する。

ここで、鋼及びポリエチレンの超音波減衰率は、例えば実験により次のように求められる。但し、周波数５ＭＨｚの場合である。
鋼の減衰率 ：−０．２（ｄＢ／ｍｍ）
ポリエチレン減衰率：−７ （ｄＢ／ｍｍ）
そして、上記の鋼を鋼管２１の材料とし、上記のポリエチレンをコーテイングして防食層２２として用いた場合のそれぞれのエコーの高さは次式により推定できる。なお、鋼管２１の多重エコーの高さは、図３に示されるような反射が繰り返されることから、防食層内での１往復分の減衰も含まれることになる。
（ａ）防食層（ポリエチレン）内多重エコー
ＥＨ_P＝ｎ（α_P・２ｔ_P）
ＥＨ_p：防食層（ポリエチレン）内多重エコー高さ（ｎ回多重エコー高さ） ｎ：多重回数
α_P：防食層内超音波減衰率（−７（ｄＢ／mm））
ｔ_P：防食層厚さ
（ｂ）鋼管内多重エコー
ＥＨ_PIPE＝α_P ・２ｔ_P ＋ｎ（α_PIPE ・２ｔ_PIPE）
ＥＨ_PIPE：鋼管内多重エコー高さ（ｎ回多重エコー高さ）
ｎ：多重回数
α_PIPE：鋼管内超音波減衰率（−０．２（ｄＢ／mm））
ｔ_PIPE ：鋼管厚さ

図４及び図５は、防食層（ポリエチレン）２２内の多重エコー及び防食層２２を通した鋼管２１内の多重エコーのエコー高さを上式より求めた結果を示した特性図である。一般的なガス導管では、防食層は2mm程度、鋼管は20mm程度までと考えられるため、防食層1mm、鋼管10mm、及び防食層1mm、鋼管20mmの場合でそれぞれ計算をした。これらの図より、多重回数３回以上であれば、鋼管２１の多重エコーが防食層２２内多重エコーを逆転することになり、鋼管２１の多重エコーが３回目以降のエコーを用いれば鋼管２１の厚さを求めることができることが分かる。したがって、データ処理装置１１に鋼管の多重エコーの内３回目以降のエコーを選択させれば鋼管２１の厚さを自動的に求めることができる。その処理の内容を図６に基づいて説明する。

図６はデータ処理装置１１の処理を示したフローチャートであり、鋼管内の多重エコーの内３回目以降のエコーを自動的に選択して鋼管の厚さを求めるための処理を示したものである。
データ処理装置１１はパルサ１２に対してトリガパルスを送信すると、パルサ１２より超音波探触子１３に対しパルス信号が印加され、検査対象物２０に超音波パルスが印加される。データ処理装置１１は所定時間Ｔ０が経過するまでフィルタ１６からのデータの取り込みをしないで待機する（Ｓ１１）。なお、この所定時間Ｔ０とは上記のエコーＢ２とエコーＢ３との間の時間に設定されるものとする。データ処理装置１１は所定時間Ｔ０が経過すると、フィルタ１６からのデータを取り込む（Ｓ１２）。そして、その取り込んだデータが所定の閾値を超えているかどうか判定し（Ｓ１３）、上記のデータが所定の閾値を超えてないという判定をした場合には上記の処理（Ｓ１２）に戻る。また、上記のデータが所定の閾値を超えているという判定をした場合には、少なくともその時の時間を記憶する（Ｓ１４）。そして、所定数Ｎ個のデータが記憶されたかどうかを判定し（Ｓ１５）、所定数Ｎ個のデータが記憶されていないという判定をした場合には、上記の処理（Ｓ１２）に戻る。そして、所定数Ｎ個のデータが記憶されたという判定がなされた場合には、そのデータの間隔（時間差）に基づいて鋼管２１の厚さを求めて（Ｓ１６）、測定値表示装置１８に出力する（Ｓ１７）。

ここで、トリガーパルスを出力した時からエコーＢ３を受信するまでの時間をＴ３とし、エコーＢ４を受信するまでの時間をＴ４とすると、それらの時間は次のように表される（図３参照）。
Ｔ３＝２Ｔp＋３（２Ｔpipe）
Ｔ４＝２Ｔp＋４（２Ｔpipe）
ここで、Ｔpは防食層２２を通過する時間であり、Ｔpipeは鋼管２１を通過する時間であり、これらの２式の差分を求めることによりＴpipeは求められる。そして、鋼管２１の厚さｔpipeは、
厚さｔpipe＝Ｔpipe・ｖpipe
により求められる。但し、ｖpipeは鋼管内で音の速度である。

以上のように本実施形態においては、表面に防食層等の異質層を有する鋼管内での多重反射によって生じるエコー（多重エコー）の間隔（時間差）に基づいて鋼管の厚さを求めるようにしており、このため、塗膜や塗覆装などのコーティング層等を除去することなく、鋼管の厚さ測定が可能となる。したがって、腐食や摩耗による鋼管の減肉の測定など効率よく保守検査などが実施できる。

なお、上記の説明においては、或る閾値を越えたエコーの間隔を用いて鋼管の厚さを求める例について説明したが、エコーの立ち上がりの間隔、エコーのピークの間隔等を用いてもよい。また、時間Ｔ３及びＴ４を求めてその時間差を求める例について説明したが、エコーＢ３とエコーＢ４との受信間隔を直接計測するようにしてもよい。
また、上記の説明においては、検査対象の材料として鋼管の例について説明したが、本発明の検査対象は鋼管に限定されるものではなく、異質層が施された平板の厚さ測定においても同様に適用される。
また、図２の例では、コーティング層は単層となっているが、コーティング層が複数層の場合でもかまわない（後述の図７参照）。
また、コーティング層等の異質層の超音波減衰特性は周波数に依存するので、後述の実施例においては示されるように、異質層と鋼管（鋼管）とで減衰量の差が大きい周波数の超音波を用いることが必要であり、本発明の厚さ測定では例えば５ＭＨｚ以上の周波数の超音波を用いる。

図７は本発明の実施例を示した図である。図７（ａ）は防食塗覆装が施された鋼管の厚さ測定部分の断面図であり、防食層２２の上に保護層２４が形成され、防食層２２と鋼管２１との間に粘着層２５が形成されている。また、図７（ｂ）は周波数１０ＭＨｚの場合、図７（ｃ）は周波数２ＭＨｚの場合の測定時のＡスコープ波形をそれぞれ示してある。図７（ａ）に示されるように、鋼管２１の防食塗覆装は多層になっていて、各層で超音波の反射が生じるため、図７（ｂ）の波形では、送信パルスが出力した後に所定時間後に防食塗覆装内の多重エコーが生じており、その領域では鋼管の厚さが測定が困難となっている。また、エコーＢ２の左側に若干波形の乱れが存在しているが、これは、塗覆装の多重エコーである。それに対し、エコーＢ２〜Ｂ３で示してある鋼管２１部分での多重エコーは比較的きれいな波形となっており、これらの波形の間隔（時間差）より鋼管の厚さを求めると、８．０ｍｍと算出され、鋼管２１の管厚が測定可能となっていた。

一方、図７（ｃ）の周波数２ＭＨｚの場合には、塗覆装内での減衰が小さいため、複雑なＡスコープとなり、管厚の測定が困難であった。このことから、塗覆装内での減衰が大きい、すなわち、周波数の大きな超音波を用いることにより、より測定が容易になることが分かる。なお、本実施例においては、周波数５ＭＨｚ以上であれば測定が可能であった。

本発明の実施形態に係る超音波による厚さ測定装置の構成図である。 上記の実施形態に係る測定原理の説明図である。 鋼管の厚さ測定に用いられるエコーの説明図である。 防食層内の多重エコー及び防食層を通過した鋼管内多重エコーの高さの特性図（その１）である。 防食層内の多重エコー及び防食層を通過した鋼管内多重エコーの高さの特性図（その２）である。 データ処理装置の処理を示したフローチャートである。 本発明の実施例を示す図である。 従来技術の測定に関する説明図である。

符号の説明

１０ 超音波による厚さ測定装置、１１ データ処理装置、１２ パルサ、１３ 超音波探触子、１４ レシーバ 、１５ アンプ、１６ フィルタ、１７ 波形表示装置、１８ 測定値表示装置、２０ 検査対象物。

Claims (7)

1. 表面に異質層を有する材料の厚さを超音波によって測定する方法において、
   前記材料内に超音波パルスを送信して得られる受信信号の内、前記材料内での多重反射によって生じるエコーを複数個選択し、その間隔に基づいて前記材料の厚さを求めることを特徴とする超音波による厚さ測定方法。
2. 前記異質層と前記材料との超音波の減衰差を利用して前記材料の厚さを求めることを特徴とする請求項１記載の超音波による厚さ測定方法。
3. 前記材料内での多重エコーの高さが前記異質層内で生じる多重エコーの高さよりも高くなった領域において、当該材料内での多重エコーの間隔に基づいて前記材料の厚さを求めることを特徴とする請求項２記載の超音波による厚さ測定方法。
4. 前記異質層と前記材料とで減衰量の差が大きい周波数の超音波を用いることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の超音波による厚さ測定方法。
5. 前記材料内に超音波パルスを送信してから所定時間経過に現れる受信信号のエコーの間隔に基づいて前記材料の厚さを求めることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の超音波による厚さ測定方法。
6. 異質層を有する材料内に超音波を送信する送信手段と、
   前記材料を伝播する超音波を受信する受信手段と、
   超音波の受信信号に含まれるエコーの内、厚さ測定に用いるエコーを複数個選択し、選択されたエコーの間隔から前記材料の厚さを求めるデータ処理手段と
   を備えたことを特徴とする超音波による厚さ測定装置。
7. 超音波の受信信号の波形を表示する波形表示手段、求められた材料の厚さを表示する測定表示手段、及び厚さ測定値を外部へ電気信号として出力する出力手段の内、少なくとも１つ以上を備えたことを特徴とする請求項５記載の超音波による厚さ測定装置。
   

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