JP2007218649A

JP2007218649A - Ｓｑｕｉｄ磁気センサを用いた非磁性金属配管の非破壊検査装置

Info

Publication number: JP2007218649A
Application number: JP2006037517A
Authority: JP
Inventors: Yoshi Hatsukade; 好廿日出; Saburo Tanaka; 三郎田中; Soichiro Iwao; 聡一郎岩尾
Original assignee: Toyohashi University of Technology NUC
Current assignee: Toyohashi University of Technology NUC
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2007-08-30

Abstract

【課題】非磁性金属配管の穴状欠陥検出をSQUID磁気センサを用いて行う際、大きな電流を流しても、SQUID磁気センサに磁束トラップが発生せず、1mm以下の微小な穴状欠陥を検出可能とする。併せて装置の小型化を実現する。
【解決手段】扁平非磁性配管６の両側面に、電気的に絶縁した導電性帯状テープ４を押し付ける。扁平非磁性配管６に電流を印加したとき、導電性帯状テープ４に帰還電流が流れる構造とし、印加電流の形成する磁場を、帰還電流による磁場が相殺するため、大きな電流を印加することができ、磁束トラップも発生しにくい。導電性帯状テープ４が押し付けられた状態で、扁平非磁性配管６を、SQUID磁気センサ１２の直下で移動させ、扁平非磁性配管６にある穴状欠陥によって発生する磁場の乱れを計測しる。導電性帯状テープ４は外部から供給され、装置は小型化が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、非磁性金属配管に発生する微小穴欠陥の検出装置に関するものである。

銅、アルミニウム、または、アルミニウム合金製などの非磁性金属材料からなる、扁平、または矩形形状で、内部には長手方向に複数のパイプ状微細穴を有するパイプ集合体の非磁性金属配管があり、自動車やエアコンなどのラジエータやガス配管として使用されている。

これらの非磁性金属配管に発生する、内容物の漏れの原因となる微小な穴欠陥の検出には、現在、渦流探傷法やCCDカメラを用いたCT検査などが非破壊検査技術として試験されている。しかし、前者の場合、現在問題となっている直径1 mm未満の穴を検出するには感度が不足している。一方、後者の場合、管表面の埃やへこみなど必要のないものまで検出してしまうという問題があり、微小穴検出の非破壊検査技術が確立されていなかった。

一方、超伝導量子干渉素子（SQUID）は、超伝導の特性を応用した超高感度をもつ磁気センサであり、数フェムト（１０^−１５）〜数１００ピコ（１０^−１２）Ｔ程度の微弱な生体磁気の計測などに応用されている。現在、その高感度特性を活かした、金属材料の欠陥の検出を行う非破壊検査への応用およびその実用化研究が盛んに行われている。SQUID磁気センサを用いた非破壊検査においては、検査対象となる金属材料に電流を印加して、発生する磁場に含まれる金属内の欠陥の影響をSQUID磁気センサで検出するのが主な検査方法の一つとして挙げられる。扁平、または矩形状の非磁性金属配管の狭い側面に空いた穴を、SQUID磁気センサを用いた非破壊検査で検出する方法として、上記の電流印加手法の適用が挙げられる。すなわち、管に電流を印加すると、穴欠陥がある場所付近で発生磁場に微小な変化が生じる。管に電流を印加した状態で管側面をSQUID磁気センサに近づけて移動させれば、穴による磁場変動をSQUID磁気センサが検出して、穴の場所や位置、大きさを推定できる。このような技術は、以下に挙げる非特許文献１、２などに応用例が、また、同分野の傷検出に関する特許文献として以下の特許文献１が挙げられる。
N. Kasai, D. Suzuki, H. Takashima, M. Koyanagi, Y. Hatsukade,"HTS-SQUID gradiometer for nondestructive evaluation", IEEE Trans. on Appl.Supercond., Vol.9, pp.4394-4397, 1999. N. Kasai, D. Suzuki, Y. Hatsukade, M. Koyanagi, "Nondestructivedetection of flaw in carbon-fiber-reinforced plastics using high-Tcsuperconducting quantum interference device", Jpn. J. Appl. Phys., Vol.39,pp.1399-1404, 2000. 特開２００５−３０８７２８号

この方法で微小な穴を検出する場合、穴による磁場変動をなるべく大きくして信号雑音比を上げる必要があるため、ある程度大きな電流を管に印加しなければならない。この電流により発生する磁場が数マイクロ（１０^−６）Tを超えてしまうと、SQUID磁気センサが穴による磁場変動を検出する以前に、磁束トラップが生じて正常な磁場測定が行えなくなってしまう。したがって、強い電流を印加した状態で、管自体から発生する磁場を、穴による磁場変動に影響を与えることなく、一様に相殺する方法が必要であった。

この対策として、非磁性金属配管と同形状の傷の無い導体を、検査対象となる配管に電気絶縁状態で隣り合わせて、対象と導体の一端を電気導通させ、印加する電流と反対方向の電流を導体に流して磁場を発生させることにより、印加電流によりSQUID磁気センサ近傍で発生する磁場を相殺する方法がある。このような技術は、先に挙げた非特許文献１、２などに応用例が示されている。しかしながらこの方法では、長尺な配管に対して同形状の導体を貼り合わせる必要があり、検査装置が大型化し、応用先として最も可能性の高い、配管製造工場内での検査に適さない、などの問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、１）SQUID磁気センサの磁束トラップのため大きな電流を配管に直接流せないという問題点を解消し、微小な穴欠陥を感度よく検出すること、２）同形状の配管を貼り合わせるなどにより装置が大型化してしまう問題点を、小型化する手段を鋭意検討し、実用化に適する装置を実現することにある。

上記課題を解決する本発明の第１は、検査対象となる非磁性金属配管の両側面を、該非磁性金属配管と電気的に絶縁した状態で１対の非磁性導体を用いて挟みこみ、該非磁性金属配管と該非磁性導体とを一端で電気的に接続し、該非磁性金属配管に交流電流を注入し、該交流電流の復路として該非磁性導体を使用し、還流する電流が形成する磁場によって該注入電流がSQUID磁気センサ近傍に形成する磁場を相殺する機構を有することを特徴とする、SQUID磁気センサを用いた非磁性金属配管の貫通穴状欠陥検出用非破壊検査装置を提供することである。なお、非磁性金属配管とその両側面を挟む１対の非磁性導体は電気的に絶縁されるが、該非磁性金属配管表面や１対の非磁性導体表面に絶縁被膜が形成される、絶縁シートが挿入される、或いは空間が形成されるなど、絶縁の方法は問わないが、その電気的な絶縁層はできる限り薄い方が望ましい。

本発明の第２は、上記本発明の第１において、非磁性金属配管が扁平、または矩形状であり、内部には長手方向に複数のパイプ状微細穴を有するパイプ集合体であることを特徴とするものである。

本発明の第３は、上記本発明の第１、第２のいずれかにおいて、非磁性金属配管の両側面を挟む1対の非磁性導体が帯状もしくは細かいメッシュ状であることを特徴とするものである。ここでいう非磁性の帯状もしくは細かいメッシュ状導体は、ある程度の変形が可能な非磁性の導体で、電流が流れる事によって一様な磁場が発生するものがあれば材質や厚さは問わない。また導体の幅は非磁性金属配管と略同程度が望ましい。

本発明の第４は、上記本発明の第１、第２、第３のいずれかにおいて、上記帯状もしくは細かいメッシュ状導体がエンドレスまたは外部から供給されるものであり、検査時には該帯状もしくは細かいメッシュ状導体が非磁性金属配管の送り速度と同速度で移動する機構を有することを特徴とする。第１の発明に記載の通り非磁性金属配管を流れる電流が帯状もしくはメッシュ状導体を通って還流することを特徴としており、帯状もしくはメッシュ状導体を移動させる機構に電流を供給する電極が組み込まれている事が望ましく、帯状もしくはメッシュ状導体を繰り出し・回収するガイドポストやローラーなどを利用するなどもその一例であるが、これに縛られるものではない。

本発明の第５は、上記本発明の第１、第２、第３、第４のいずれかにおいて、1対の帯状もしくは細かいメッシュ状導体を非磁性金属配管に押しつけて、該帯状もしくは細かいメッシュ状導体と該非磁性金属配管の間隙を最小とする機構を有することを特徴とする。帯状もしくはメッシュ状導体と非磁性金属配管とに流れる電流から形成される磁場の状態が、SQUID磁気センサ近傍において一定に保たれる事が目的であり、この目的が達成されるものであれば帯状もしくはメッシュ状導体を押しつける方法はどのようなものであってもかまわない。

本発明の第６は、上記本発明の第１、第２、第３、第４、第５のいずれかにおいて、SQUID磁気センサを、非磁性金属配管と1対の帯状もしくは細かいメッシュ状導体とに流れる電流が形成し、非磁性金属配管の欠陥情報を内包する磁場中に配置し、非磁性金属配管の欠陥の発生する面に可能な限り該SQUID磁気センサを近づけた状態で検査を行うことを特徴とする。本発明はSQUID磁気センサの高感度特性を有効に用いるのが目的であり、この目的が達成されるものであればセンサの大きさや形状、面とセンサの距離はどのようなものであってもかまわないが、帯状もしくはメッシュ状導体と非磁性金属配管とに流れる電流によって形成される磁場の乱れが最も少ない本発明の第５に記載する間隙を最小とする機構の直上に配置する事がより望ましい。

本発明の検査装置は、検査対象となる配管への印加電流から発生する磁場を、管両側の帯状導体に流れる帰還電流が作る磁場によりSQUID磁気センサ近傍の磁場を相殺するため、SQUID磁気センサに磁束トラップを起こさせる事なく、配管に大きな電流を流すことが可能となり、検査の信号雑音比が大幅に向上する。また、帯状もしくはメッシュ状導体を外部からエンドレスに、もしくは巻き取り式にて供給することにより、検査装置を小型化できるという利点がある。

本発明は、単純な電流印加手法を用いた従来のSQUID非破壊検査装置の場合に発生する磁束トラップなしに、従来技術では検出困難な扁平、または矩形状の非磁性金属配管の直径１mm未満の穴欠陥を検出することができる。移動と磁場相殺の精度を高めることにより、直径０．１mm程度の穴欠陥の検出まで期待できる。

本発明は、すべての非磁性金属管の扁平、または矩形状の配管の微小穴検出技術として、管製造工場のライン現場での連続・長尺管の検査のみならず、工場出荷後の一定長さに切断された管の品質検査などにもそのまま適用できる。これにより、高度な品質管理、生産管理が可能となる。

検査対象となる穴欠陥をもつ複数のパイプ集合体からなる扁平、または矩形状の非磁性金属配管に両側から添うように、類似した形状の電流帰還のための帯状もしくはメッシュ状導体を側面が電気的に絶縁された状態で密着させた。両者の端部で電気的導通をとり、管に印加した電流が、逆向きに帯状もしくはメッシュ状導体を帰還電流として流れるようにする。管に電流を印加して、両者を挟む治具を通過してSQUID磁気センサの下を移動させた。印加する電流は交流電流とし、SQUID磁気センサ出力電圧を同周波数でロックイン検出して信号雑音比を向上させた。

図１は、本発明装置の実施例１の俯瞰図である。１は送り出しロール、２は巻き取りロール、３はローラー、４は非磁性の導電性帯状テープ、６は扁平非磁性配管、７は押し付け機構、８はローラー、９は電流源、１０は帰還電流接続部、１１は帰還電流接地部、１２はSQUID磁気センサである。

検査対象となる扁平非磁性配管６は、電流源９から電流を印加した状態で、モータなどの動力源を用いて、SQUID磁気センサ１２の直下を移動させる。導電性帯状テープ４は、ローラー３の間において、押し付け機構７を用いて、ローラー８を介して扁平非磁性配管６の両側面に押し付けられる。この際、扁平非磁性配管６の両側面か、もしくは導電性帯状テープ４の管へ押し付けられる面を絶縁コーティングなどで絶縁しておき、帰還電流接続部１０を介して、一端のローラー３を介して導電性帯状テープ４に電流が流れるよう電気導通をとる。帰還電流は導電性帯状テープ４を扁平非磁性配管６に流れる電流と逆方向に流れ、扁平非磁性配管６に流れる電流の形成する磁場を、帰還電流による磁場が相殺する。帰還電流は一端のローラー３を介して帰還電流接地部１２により接地される。導電性帯状テープ４へ流す帰還電流は本実施例では帰還電流接続部１０を介しているが、電流源９から注入された電流を扁平非磁性配管６の図左側部においてを接地し、別途、該電流源９の出力電流を分岐して適当な位相調整を行った後、該電流をローラー３を介して導電性帯状テープ４に帰還電流として流す手段をとってもよい。SQUID磁気センサ１２は、直下を通過した扁平非磁性配管６に穴状欠陥があった場合、その穴の影響により発生する磁場分布の乱れを計測し、穴状欠陥の検出を行う。導電性帯状テープ４は、送り出しロール１から送り出され、巻き取りロール２に巻き取られる。

図２は、図１を同様の機構をもつ本発明装置の実施例２の俯瞰図である。５はエンドレス導電性帯状テープで、ローラー３の間において、押し付け機構７を用いて、ローラー８を介して扁平非磁性配管６の両側面に押し付けられる。この際、扁平非磁性配管６の両側面か、もしくはエンドレス導電性帯状テープ５の管へ押し付けられる面を絶縁コーティングなどで絶縁しておく。以下、図１と同様の機構により扁平非磁性配管６上の穴状欠陥の検出を行う。図１と同様に導電性帯状テープ４へ流す帰還電流は本実施例では帰還電流接続部１０を介しているが、電流源９から注入された電流を扁平非磁性配管６の図左側部においてを接地し、別途、該電流源９の出力電流を分岐して適当な位相調整を行った後、該電流をローラー３を介して導電性帯状テープ４に帰還電流として流す手段をとってもよい。

図１および図２の実施例ともに、検査対象となる扁平非磁性配管６と略同じ幅の導電性帯状テープ４、もしくはエンドレス導電性帯状テープ５を両側から扁平非磁性配管６に密着させて、扁平非磁性配管６と導電性帯状テープ４、もしくはエンドレス導電性帯状テープ５の形成する磁場の方向が互いに逆となるため、高精度な磁場相殺が実現する。これにより、穴状欠陥による磁気信号の抽出が大変容易になる。ただし、この場合はエンドレス導電性帯状テープ５に流した帰還電流が分岐するため、適当な増幅器１８を用いて、適宜大きさを調整することが必要である。

実際に図１と同様の装置を開発して、穴状欠陥の検出実験を行った試験例を以下に示す。図３に実験の回路ブロック図を示す。１３は冷媒温度保持容器であるクライオスタット、１４はSQUID駆動回路、１５はロックインアンプである。ロックインアンプを使用することによりSQUID磁気センサ１２からの出力電圧における信号雑音比を向上させている。

試験対象として、内部には長手方向に複数のパイプ状微細穴を有する扁平アルミ配管を用意し、アルミ管の狭い側面にドリルで直径０．３〜０．６ mmの穴を開けて穴状欠陥とした。図３に示す装置を用いて直径０．３mmの穴状欠陥を検出した結果を図４に、図３に示した装置を用いず、配管のみを用いて、配管の一端から電流を印加して、その一端を接地した、磁場相殺を適用しないで同穴状欠陥を検出した結果を図５に示す。

図４に示すように、図３に示す装置を用いて実験を行った場合、周波数５００Hz、電流振幅約５０mAの電流を印加することができ、直径０．３mmの穴状欠陥による信号として、約２５mVのSQUID磁気センサ出力を得ることができた。

一方、図５に示すように、図３に示す装置を用いないで実験を行った場合、周波数５００Hz、電流振幅約５mAの電流しか印加することができず、直径０．３mmの穴状欠陥による信号として、約２．５mVのSQUID磁気センサ出力しか得ることができなかった。

図４および図５に示すように、図３に示すような装置を用いることにより、従来の磁場相殺を適用しない方法と比較して、一桁以上非磁性金属配管に印加する電流の量と信号雑音比を増加することができた。これにより、従来技術ではなしえなかった非磁性金属配管上の直径１mm以下の欠陥の検出が可能になった。

巻き取り式導電性導体を用いた磁場相殺による穴状欠陥検出の実施方法を示した模式的説明図である。（実施例１）エンドレス式導電性導体を用いた磁場相殺による穴状欠陥検出の実施方法を示した模式的説明図である。（実施例２）巻き取り式導電性導体を用いた磁場相殺による穴状欠陥検出の実施例における回路ブロック図を示した模式図である。巻き取り式導電性導体を用いた磁場相殺による穴状欠陥検出の実施例の実験結果の図である。磁場相殺を用いない穴状欠陥検出の例の実験結果の図である。

符号の説明

１送り出しロール
２巻き取りロール
３ローラー
４導電性帯状テープ
５エンドレス導電性帯状テープ
６扁平非磁性配管
７押し付け機構
８ローラー
９電流源
１０帰還電流接続部
１１帰還電流接地部
１２ SQUID磁気センサ
１３クライオスタット
１４ SQUID駆動回路
１５ロックインアンプ
１６欠陥磁気信号
１７欠陥磁気信号
１８増幅器

Claims

SQUID磁気センサを用いた非磁性金属配管の貫通穴状欠陥検出において、該非磁性金属配管の両側面を、該非磁性金属配管と電気的に絶縁された1対の非磁性導体で挟み、該非磁性金属配管と該非磁性導体の一端を電気導通させ、該非磁性金属配管に交流電流を注入し、該交流電流の復路とする該非磁性導体を還流する電流が形成する磁場によって、該注入電流がSQUID磁気センサ近傍に形成する磁場を相殺する機構を有することを特徴とする非破壊検査装置。
非磁性金属配管が扁平、または矩形状であり、内部には長手方向に複数のパイプ状微細穴を有するパイプ集合体であることを特徴とする請求項1に記載の非破壊検査装置。
非磁性金属配管の両側面を挟む1対の非磁性導体が帯状もしくは細かいメッシュ状であることを特徴とする請求項1乃至２に記載の非破壊検査装置。
上記帯状もしくは細かいメッシュ状導体がエンドレスまたは外部から供給されるものであり、検査時には該帯状もしくは細かいメッシュ状導体が非磁性金属配管の送り速度と同速度で移動する機構を有することを特徴とする請求項１乃至３に記載の非破壊検査装置。
1対の帯状もしくは細かいメッシュ状導体を電気絶縁した状態で非磁性金属配管に押し付けて、配管と導体の一端を電気導通させ、該帯状もしくは細かいメッシュ状導体と該非磁性金属配管の間隙を最小とする機構を有することを特徴とする請求項1乃至４に記載の非破壊検査装置。
SQUID磁気センサを、非磁性金属配管と1対の帯状もしくは細かいメッシュ状導体とに流れる電流が形成し、非磁性金属配管の欠陥情報を内包する磁場中に配置し、非磁性金属配管の欠陥の発生する面に可能な限り該SQUID磁気センサを近づけた状態で検査を行うことを特徴とする請求項1乃至５に記載の非破壊検査装置。