JP2009222695A - 渦流探傷装置とその測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被探傷体を渦電流検査する際、表皮効果により深部を感度よく計測できなかった。また校正が煩雑であった。
【解決手段】
被探傷体がない状態で励磁／検出コイルを単一周波数あるいは多重周波数で駆動しそれに流れる電流を適応フィルタあるいは同期検波により同定する。その後、被探傷体と同じ材質の疵のない校正冶具で校正を行うと渦電流が誘起され励磁／検出コイルのインピーダンスが変化し検出電流も変化する。この電流変化を校正冶具がない時に近付くようＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳアルゴリズムで反磁界を打ち消すよう補正コイルをインバースコントロールする。この補正コイルにより渦電流による反磁界成分のみが減少し、励磁／検出コイルの磁界が被探傷体に浸透し深部の検査が可能になる。また校正操作はＬＭＳアルゴリズムで自動的に行われる。計測時には各適応フィルタの係数は固定し被探傷体を走査すると疵信号に伴う出力変化が計測されるのでこの出力及び各適応フィルタの係数から探傷を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、導電性のある被検査対象を磁気計測により探傷を行う装置及び方法に関する。

従来の探傷装置においてもコイル励磁周波数として多重周波数を使うことが多かった。（例えば特許文献１参照）これは表皮効果により高い励磁周波数では被検査対象の深部まで磁界が到達できない為、深い部分の欠陥が検出できないためである。低い励磁周波数を使うと、励磁磁束は被検査対象の深部まで浸透するが、周波数が低い為検出コイルに誘起される起電力が小さくなるので計測のＳ／Ｎ比の点で問題があった。また深い探傷検出を行うための探傷プローブを配置したものがある（例えば、特許文献２参照）。これは検出コイルに対して左右対称な位置に励磁コイルが二つずつ配置され、検出コイルに近い側の二つの励磁コイルと遠い側の二つの励磁コイルの作る交流磁場が常に同一周波数かつ逆向きの極性を有していることにより、検出コイル直下における渦電流強度が、試験体表面で小さく、内部にて最大となるような分布を生じさせ磁束が内部に浸透するようにしている。この方式では、励磁／検出コイルの配置とコイルに流す電流を細かく調整することが必要であった。
特開２０００−１３１２８７号 特開２００６−１０６６５号

導電性を有する被探傷体を過流検査する際、励磁コイルによる磁束で導電体の表面に誘起する渦電流の反磁界により励磁コイルによる磁束が弱められその結果、磁束が被探傷体深部まで到達しなくて被探傷体深部を感度よく計測できなかった。また測定を開始する際、測定対象により渦電流の反磁界強度が個々に異なり校正手順が煩雑であった。

本発明は、上記目的を達成するために、磁気計測による探傷方法において、励磁／検出コイルを、単一あるいは複数の信号を合成した多重周波数で励磁したとき、励磁／検出コイルの近傍に金属がない状態でのインピーダンスを電流の形で検出し適応フィルタ３によって同定する。この時補正コイルは動作させない。その後、被探傷体と同じ材質で疵のない校正冶具を用いて励磁／検出コイルを駆動すると励磁／検出コイルからの磁束で、校正冶具には渦電流が誘起される。励磁／検出コイルはこの反磁界でインピーダンスが変化する。このインピーダンスを電流の形で検出する。ディジタル多重正弦波発振信号を励磁／検出コイルの近傍に金属がない状態で同定したフィルタ係数からなるＦＩＲフィルタ３を通した出力と上記校正冶具装着時の励磁／検出コイル電流が同じとなるよう適応フィルタ４で駆動される補正コイルの系をインバースコントロールする。

適応フィルタ４をインバースコントロールする手段としてＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳアルゴリズムを用いる。適応フィルタ４で駆動される補正コイルが励磁／検出コイルの磁界で誘起された渦電流の反磁界を弱める結果、励磁／検出コイルのインピーダンスは校正冶具が無い場合のインピーダンスに近付く。補正コイルから校正冶具を含む励磁／検出コイル電流出力までの伝達特性は適応フィルタ９によってダイレクトモデリングを行う。

被検査対象の測定の前に校正冶具による校正を行う。校正時、補正コイルの磁束が校正冶具からの渦電流で発生する反磁界を打ち消すよう制御されるので、励磁／検出コイルの元々の磁界は金属が無い状態と同じように金属内部に侵到していくと考えられる。校正終了後の計測時には校正冶具と同じ材質の被検査対象に誘起される反磁界は減少しているので、励磁／検出コイルの磁界は被検査対象内部に浸透し、より深部の情報を感度よく検出できる。

計測時には適応フィルタ３，４の同定した係数は固定し各々ＦＩＲフィルタ３、ＦＩＲフィルタ４として動作させる。被検査対象に疵があった時、疵のない校正冶具で校正した補正コイルによる過補償分が励磁／検出コイルのインピーダンスの変化として出力される。このインピーダンスの変化と被検査対象の特性を同定した適応フィルタ３、４，９のフィルタ係数を解析し探傷を行う。

渦電流による反磁界を電気的に減少させているので、種々の形状のセンサーに適用可能であるので汎用性が高い。渦電流による反磁界が減少しているので励磁／検出コイルの磁界が被検査対象に浸透し、より深部の検査が可能になる。また計測前の校正作業が適応フィルタを用いることによって自動化されることから未熟練者でも操作が可能になる。

以下、本発明の第一の実施形態について詳述する。

図１は補正コイルが動作してない状態でのディジタル発振器から励磁／検出コイル電流出力までの伝達関数を適応フィルタ３で同定する手順を示す。図２は校正冶具を用いた校正時及び検査時の構成図である。

図１に示すように、ディジタル発振器から励磁／検出コイル電流出力までの伝達関数を同定する装置として、ディジタル発振器１と、発振器のディジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換器２と、ＤＡ変換器出力で駆動される励磁／検出コイル７と、励磁／検出コイルの電流を検出する抵抗８と、ＡＤ変換器１１と、伝達関数を同定する適応フィルタ３を備えている。

適応フィルタ３は励磁／検出コイルの近傍に金属がない状態でのディジタル発振器から励磁／検出コイル電流出力までの伝達関数を同定する。これは被検査対象による反磁界が無い状態である。この時、補正コイルは動作させない。適応が完了した後、適応フィルタ３の係数は固定し校正及び計測時に使用する。

校正、検査時は図２に示すように、ディジタル発振器１と、発振器のディジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換器２と、ＤＡ変換器出力で駆動される励磁／検出コイル７と、励磁／検出コイルの電流を検出する抵抗８と、ＡＤ変換器１１と、同定された伝達関数を持つＦＩＲフィルタ３ａを備えている。これらは図１と同じである。更にＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳ ＦＩＲフィルタ４と、ＦＩＲフィルタ４の出力をアナログ電圧に変えるＤＡ変換器５と、補正コイル６と、ＦＩＲフィルタ４の出力から励磁／検出コイル電流出力間の伝達関数を同定する適応フィルタ９と、Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳの一部である、ＬＭＳ部１０と適応フィルタ９の係数をコピーした９ａと、ディレイ１３を備えている。

図２のＦＩＲフィルタ３ａは近傍に金属がない状態でのディジタル発振器から励磁／検出コイル電流出力までの伝達関数を有している。従って、ＦＩＲフィルタ３ａの出力は金属がない状態での計測出力を再現している。校正、計測時に金属がある状態でもＦｉｌｔｅｒｅｄ−ＸＬＭＳアルゴリズムと補正コイルを使いインバースコントロールすることで、励磁／検出コイル近傍に金属がない状態となるよう補正コイルによる磁界が調整され結果的に金属による反磁界成分を減少させる。

励磁／検出コイルと補正コイルとの相互インダクタンスを大きく、励磁／検出コイルと被探傷体および補正コイルと被探傷体との相互インダクタンスがほぼ等しいようにすると、励磁／検出コイルに起因する反磁界は補正コイルによって効果的に減少させることが出来る。励磁／検出コイルと補正コイルの配置は検査対象によって、反磁界の打ち消しが効果的になるよう決めることができる。例えば、１例として、フェライトのコアに励磁／検出コイルと補正コイルを同軸巻き回して一体に構成したものを使うことが出来る。また他の例として、補正コイルを励磁／検出コイルと検査対象との間に配置して、励磁／検出コイルのもともとの磁界分布を変えないように配置することが出来る。

計測時には適応フィルタ３，４の同定した係数は固定し各々ＦＩＲフィルタ３、ＦＩＲフィルタ４として動作させる。被探傷体に疵があった時、計測出力信号が変化するが、これは補正コイルによる過補償分が励磁／検出コイルのインピーダンスの変化として出力されると見なされる。このインピーダンスの変化と被検査対象の特性を同定した適応フィルタ３、４，９のフィルタ係数を解析し探傷を行う。

以下、本発明の第２の実施形態について詳述する。
図３は第２の実施形態での回路ブロックを示す。励磁／検出コイルと補正コイルは変わらない。伝達関数を同定するのに、同期検波を用いる点が異なる。

図３に示すように、ディジタル発振器２１と、発振器のディジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換器２２と、ＤＡ変換器２２出力で駆動される励磁／検出コイル２７と、励磁／検出コイルの電流を検出する抵抗２８と、ＡＤ変換器２１１と、励磁／検出コイルの電流を同定する同期検波部３２と、計測出力２１２と、励磁／検出コイルが近傍に金属がない状態での同期検波部３２の出力を目標値とするＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳ ３１，３１ａと、３１，３１ａの出力で駆動されるＤＡ変換器２５と、ＤＡ変換器２５で駆動される補正コイルと、Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳ ３１，３１ａの出力から励磁／検出コイルの電流出力までの伝達関数を同定するＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳ ２９，２９ａを備えている。

磁気計測による探傷方法において、励磁／検出コイルを一定の電圧、周波数で励磁したとき、励磁／検出コイルの近傍に金属がない状態でのインピーダンスを電流の形で検出し実数部、虚数部を同期検波によって同定する。その後、被探傷体と同じ材質の校正冶具がある場合に励磁／検出コイルを駆動すると励磁／検出コイルからの磁束で、校正冶具には渦電流が誘起される。励磁／検出コイルはこの反磁界でインピーダンスが変化する。このインピーダンスを電流の形で検出し実数部、虚数部を同期検波によって求め校正冶具がないときの、インピーダンス実数部、虚数部に一致するようＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳアルゴリズム３１、３１ａを動作させその合成出力で補正コイルを駆動する。Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳアルゴリズムは実数部、虚数部各々について行う。

Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳアルゴリズムの適応が完了した時、渦電流の反磁界のみが減少する。ディジタル的に生成した正弦波信号は実数部、虚数部各々のＦｉｌｔｅｒｅｄ−ＸＦＩＲフィルタを通して加算されＤＡコンバータに出力され、補正コイルを駆動する。実数部、虚数部のＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＦＩＲフィルタ出力３１、３１ａから、励磁／検出コイル同期検波出力までの伝達関数はさらに別のＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳフィルタ２９、２９ａによってダイレクトに同定しその係数をコピーしＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＦＩＲフィルタ出力３１、３１ａで使用する。

計測時は、補正コイルを駆動するＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＦＩＲフィルタ３１、３１ａの係数及びＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳフィルタ２９、２９ａの係数は固定する。この状態で前記被探傷体を走査することにより励磁／検出コイル同期検波出力には疵がある時、校正冶具で校正した補正コイルによる過補償分が励磁／検出コイルのインピーダンスの変化として出力される。この出力とＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＦＩＲの係数３１、３１ａ、２９、２９ａから疵の大きさを推定する。

上述のように、本発明は反磁界を電気的に減少させているので、一体に構成した励磁／検出コイルと補正コイルを並べることによって、アレイ化が可能である。将来的には、アレイ化した各コイルにおけるフィルタの係数、及び計測出力をニュールネットに入力して、疵の推定が可能になるであろう。また電気的に反磁界を減少させているのでコイル配置に関して種々の変形が可能である。

また本発明によれば、磁束が被検査対象内部に浸透するとき、被検査対象に応力が作用していると、応力が作用している部分の磁気特性が変化することから、適応フィルタの係数、あるいは計測出力の変化となって、計測できる。このことから本発明をトルク計測器、あるいは構造物の亀裂発生前における材料劣化診断に用いることが出来る。

第一の実施形態による励磁／検出コイルの近傍に金属がない状態でのディジタル発振器から励磁／検出コイル電流出力間を同定する詳細構成を示すブロック図である。 第一の実施形態による被検査対象と同じ材質の校正冶具を用いた校正と計測時の詳細構成を示すブロック図である。 第二の実施形態による被検査対象と同じ材質の校正冶具を用いた校正と計測時の詳細構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ ディジタル発振器
２ 励磁／検出コイル駆動ＤＡ変換器
３ ディジタル発振器から励磁／検出コイル電流出力までの同定伝達関数。
４ Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＦＩＲフィルタ
５ 補正コイル駆動ＤＡ変換器
６ 補正コイル
７ 励磁／検出コイル
８ 電流検出用抵抗
９ Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＦＩＲフィルタ出力４から励磁／検出コイル電流出力までの同定伝達関数。
９ａ 同上のコピーしたフィルタ係数
１０ Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳ部
１１ ＡＤ変換器
１２ 計測出力
１３ ディレイ
２１ ディジタル発振器
２２ 励磁／検出コイル駆動ＤＡ変換器
２５ 補正コイル駆動ＤＡ変換器
３０ 実数部 ダイレクトモデル同期検波
３０ａ 虚数部 ダイレクトモデル同期検波
３１ 実数部Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＦＩＲフィルタ
３１ａ虚数部Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＦＩＲフィルタ
３２ 計測入力同期検波
２６ 補正コイル
２７ 励磁／検出コイル
２８ 電流検出用抵抗
２９ 実数部Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ダイレクトモデル
２９ａ 虚数部Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ダイレクトモデル
２１１ ＡＤ変換器
２１２ 計測出力

Claims (7)

1. 磁気計測による探傷において、励磁／検出コイルと、補正コイルと、ディジタル発振器と、励磁／検出コイルを励磁するＤＡ変換器と、上記ディジタル発振器から適応フィルタを通して補正コイルを駆動するＤＡ変換器と、励磁／検出コイルに流れる電流を検出する手段と、冶具による校正時に励磁／検出コイルを流れる電流の振幅、位相を冶具が励磁／検出コイルの近傍にない時の振幅、位相になるよう補正する手段と、導電性のある被検査対象を計測して校正値からのずれを計測する手段を有することを特徴とする探傷装置。
2. 請求項１記載の探傷装置において、励磁／検出コイルの近傍に金属がない状態で且つ補正コイルを駆動しない状態で励磁／検出コイルに流れる電流の振幅／位相を同定した適応フィルタ３の伝達関数Ｐ１（ｚ）と、導電性のある冶具を励磁／検出コイルに装着させ上記の同定した振幅／位相になるよう補正コイルを駆動する適応フィルタ４の伝達関数Ｐ２（ｚ）と、適応フィルタ４の出力から励磁／検出コイルに流れる電流出力までを同定する適応フィルタ９の伝達関数Ｐ３（ｚ）と、被検査対象を計測して得られる計測出力１２から、被検査対象の探傷を行うことを特徴とする磁気計測による探傷装置及び方法。
3. 請求項２記載の磁気計測による探傷装置において、励磁／検出コイルの近傍に金属の無い状態で励磁／検出コイルを励磁し、その時のコイル電流の振幅、位相を適応フィルタ３により同定し、あとの制御に用いる事を特徴とする磁気計測による探傷装置。
4. 請求項２記載の磁気計測による探傷装置において、ディジタル正弦波発振信号を請求項３記載の方法で同定したフィルタ３を通したものを信号源とし、導電性のある冶具を装着した状態で、励磁／検出コイルに流れる電流値がフィルタ３の出力と近ずくよう、補正コイルを駆動する適応フィルタ４を含む系をＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳアルゴリズムを用いてインバースコントロールすることを特徴とする磁気計測による探傷装置。
5. 請求項２記載の磁気計測による探傷装置において、請求項４記載のインバースコントロール時、適応フィルタ４の出力から校正冶具を含む励磁／検出コイルの電流出力までの伝達関数を適応フィルタ９によってダイレクトモデリングを行うことを特徴とする磁気計測による探傷方法。
6. 請求項２記載の磁気計測による探傷装置において、励磁／検出コイルの励磁周波数として、単一正弦波あるいは複数の正弦波を合成した多重周波数を用いた計測を行うことを特徴とする磁気計測による探傷方法。
7. 請求項１記載の探傷装置において、励磁／検出コイルの近傍に金属がない状態で且つ補正コイルを駆動しない状態で励磁／検出コイルに流れる電流の振幅／位相を信号の実数部、虚数部の同期検波で同定し、導電性のある冶具を励磁／検出コイルに装着させ上記の同定した振幅／位相になるよう実数部、虚数部のＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳで補正コイルを駆動してインバースコントロールすることを特徴とする磁気計測による探傷装置。

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