JP2009287931A - サビ検出装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被検物のサビ発生を非破壊かつ高感度で検出できるサビ検出装置および方法を提供する。
【解決手段】サビ検出装置は、磁性体である被検物に磁界を供給するための励磁コイル１１と、励磁コイル１１とともに、被検物を通る第１磁気回路を構成する検出コイル２１と、励磁コイル１１とともに、被検物を通る第２磁気回路を構成する検出コイル２２などで構成され、検出コイル２１，２２は、同相の磁界成分が相殺されるように直列接続され、被検物のサビ発生に起因した磁気抵抗変化を差分信号として出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、受配電設備における配管のフランジ接続部など、鋼材等の磁性体からなる被検物のサビ（錆）発生を検出するためのサビ検出装置および方法に関する。

受配電設備の絶縁ガスを封入した導体用鉄製配管において、フランジ部にサビが発生した場合、これがガス漏れの原因となることが判明している。しかし、配管内には電気絶縁用のガスが封入されているため、容易に解体し検査をすることはできない。そこで、これらを解体することなく、フランジ部分のサビを非破壊で検出する方法が望まれている。

配管などの表面に発生したサビを磁気的に検出する方法が、例えば、非特許文献１で提案されている。この方法は、Ｅ型コアの両側コアにそれぞれ励磁コイルを、中央コアに検出コイルを配置することで、配管表面を経由した磁気回路を形成しており、サビの発生に起因した透磁率の低下を検出している。具体的には、配管表面のうち、中央の検出コイルの下部分にサビが存在している場合、塗装が施された状態であっても、検出コイルの両端電圧はサビが発生していない場合と比較して、小さい値となる。このＥ型コイルをプローブとして使用し、配管表面をスキャンすることで、塗装の下に隠れたサビを検出することができる。

特開２００５−９１１４７号公報 Y. Gotoh, et al., "Electromagnetic Nondestructive Testing of Rust Region in Steel", IEEE Transactions On Magnetics, Vol. 41, No.10, pp.3616-3618, 2005

従来のサビ検出手法をフランジ部分のサビ検出に適用する場合、以下のような課題が残されている。１）サビによる磁気抵抗増大分は、磁気回路全体と比べて大きくないため、サビ検出感度が低い。２）従来のＥ型コイルでは、フランジ面に直交する磁路を形成することができないため、フランジ面でのサビ検出が困難である。

本発明の目的は、被検物のサビ発生を非破壊かつ高感度で検出できるサビ検出装置および方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るサビ検出装置は、
磁性体である被検物に磁界を供給するための励磁コイルと、
励磁コイルとともに、被検物を通る第１磁気回路を構成する第１検出コイルと、
励磁コイルとともに、被検物を通る第２磁気回路を構成する第２検出コイルとを備え、
第１検出コイルおよび第２検出コイルは、同相の磁界成分が相殺されるように直列接続され、被検物のサビ発生に起因した磁気抵抗変化を差分信号として出力することを特徴とする。

また本発明に係るサビ検出装置は、
磁性体である被検物に磁界を供給するための第１および第２励磁コイルと、
第１励磁コイルとともに、被検物を通る第１磁気回路を構成する第１検出コイルと、
第２励磁コイルとともに、被検物を通る第２磁気回路を構成する第２検出コイルとを備え、
第１検出コイルおよび第２検出コイルは、同相の磁界成分が相殺されるように直列接続され、被検物のサビ発生に起因した磁気抵抗変化を差分信号として出力することを特徴とする。

また本発明に係るサビ検出方法は、
被検物が、フランジ面で接合されたフランジ部材であって、
上記のサビ検出装置を用いて、フランジ面と交差する第１磁気回路および第２磁気回路を形成し、第１磁気回路および第２磁気回路の磁気抵抗変化を計測することにより、フランジ部材のサビ発生を検出することを特徴とする。

本発明によれば、２つの検出コイルを用いて両者の差分信号を出力することによって、被検物のサビ発生を非破壊かつ高感度で検出することが可能になる。また、被検物がフランジ面で接合されたフランジ部材である場合、フランジ面に対して磁気回路の磁路が交差するようにサビ検出を実施することにより、サビ発生による磁性変化を磁気抵抗変化として計測することができる。

実施の形態１．
図１（ａ）は本発明に係るサビ検出装置の一例を示す斜視図であり、図１（ｂ）は平面図、図１（ｃ）は横断面図、図１（ｄ）は側面図である。サビ検出装置は、励磁コイル１１と、少なくとも２つの検出コイル２１，２２と、磁気回路を形成するためのコア３０〜３４などを含む。

励磁コイル１１は、典型的には矩形断面の板形状を有する励磁コア３０に巻回されており、励磁コア３０の下端部に接近した被検物に向けて磁界を供給する。

検出コイル２１は、典型的には矩形断面や円形断面の柱形状を有する検出コア３１に巻回されている。検出コア３１は、励磁コア３０の第１主面側に配置されており、上部に配置された結合コア３３を介して励磁コア３０と検出コア３１とが相互に磁気結合している。励磁コイル１１によって発生した磁界が、励磁コア３０→被検物→検出コア３１（検出コイル２１）→結合コア３３→励磁コア３０の順で通過することにより、第１磁気回路が構成される。

検出コイル２２は、典型的には矩形断面や円形断面の柱形状を有する検出コア３２に巻回されている。検出コア３２は、励磁コア３０の第１主面側で、検出コア３１から所定の距離を隔てて配置されており、上部に配置された結合コア３４を介して励磁コア３０と検出コア３２とが相互に磁気結合している。励磁コイル１１によって発生した磁界が、励磁コア３０→被検物→検出コア３２（検出コイル２２）→結合コア３４→励磁コア３０の順で通過することにより、第２磁気回路が構成される。

被検物は、磁気回路の一部を構成できる磁性体であり、例えば、受配電設備における配管のフランジ接続部や、その他に鋼管、鋼板など、各種の金属部材が想定される。

図２は、検出コイル２１，２２の結線図である。検出コイル２１，２２は、同相の磁界成分が相殺されるように直列接続されており、両者の起電力の差分を出力する。即ち、両コイルを通過する磁束に差が生じたときに、差分電圧が出力される。

図３は、本発明に係るサビ検出装置の電気的構成の一例を示すブロック図である。サビ検出装置は、図１に示した励磁コイル１１、検出コイル２１，２２およびコア３０〜３４を含む検出プローブ１と、励磁用電源５と、検出回路６と、Ａ／Ｄ変換器７と、判定回路８などを含む。

励磁用電源５は、所定の周波数ｆ（例えば、ｆ＝１ｋＨｚ）の交流電流を励磁コイル１１へ供給する。検出回路６は、検出コイル２１，２２からの差分信号に対して検波処理や平滑処理を施した後、所望の電圧レベルまで増幅する。Ａ／Ｄ変換器７は、検出回路６からの検出信号をデジタル値に変換する。判定回路８は、検出値と所定の参照値を比較して、前者が後者を超えたときアラーム信号を外部へ出力する。

図４は、本発明に係るサビ検出方法の一例を示す斜視図である。図５は、サビ発生無しの状態、図６は、サビ発生有りの状態をそれぞれ示す説明図である。ここでは、被検物として、フランジ面Ｆで接合されたフランジ部材ＷＡ，ＷＢを示している。

図３に示した検出プローブ１は、検出動作の際、円周方向に一定速度で移動可能な搬送装置（不図示）に搭載されており、励磁コア３０の下端部が一方のフランジ部材ＷＢに接近し、そして、検出コア３１，３２の下端部が他方のフランジ部材ＷＡにそれぞれ接近して、フランジ面Ｆを跨ぐように配置される。こうした配置により、第１磁気回路および第２磁気回路の磁路がフランジ面Ｆに対して交差するようになる。

図５に示すように、サビ発生無しの状態では、検出コイル２１を通る第１磁気回路の磁気抵抗と検出コイル２２を通る第２磁気回路の磁気抵抗とが同等になる。そのため、検出コイル２１の起電力と検出コイル２２の起電力とが等しくなり、差分信号はゼロになる。

一方、図６に示すように、サビ発生有りの状態では、第１磁気回路の磁路はサビＲＳを通過するが、第２磁気回路の磁路はサビＲＳを通過しない場合が生ずる。このとき第１磁気回路の磁気抵抗と第２磁気回路の磁気抵抗とが相違するため、検出コイル２１の起電力と検出コイル２２の起電力とが異なるようになり、磁気抵抗変化に応じた差分信号が出力される。この差分信号が所定の参照値を超えたとき、判定回路８はアラーム信号を出力する。

図７は、磁気抵抗変化に応じた差分信号の一例を示すグラフである。縦軸は信号強度（任意単位）であり、横軸は走査時間（秒）である。検出プローブ１がフランジ面Ｆの円周方向に一定速度で移動しながら、前側の検出コイル２１がサビ発生箇所に到達すると、正の検出信号が出力され、続いて、後側の検出コイル２２も同じサビ発生箇所に到達すると、検出信号がいったんほぼゼロになり、続いて、検出コイル２１がサビ発生箇所を通り過ぎると、負の検出信号が出力される。

従って、検出プローブ１の位置と走査時間とを関連付けることにより、サビ発生の位置、サビ発生の範囲、サビの程度等を非破壊かつ高感度で検出することができる。

本実施形態では、励磁コイル１１の印加電流を交流としているため、表皮効果により、交流磁界はフランジの外周付近のみに現れるようになる。そのため、外周付近に集中的に現れるサビを選択的に検出することができる。

実施の形態２．
本実施形態では、図１〜図４に示した構成において、励磁用電源５が直流電流を励磁コイル１１へ供給して、第１磁気回路および第２磁気回路に直流磁界を発生している。検出プローブ１は、検出動作の際、フランジ面Ｆの円周方向に一定速度で移動させている。

図８は、直流励磁による差分信号の一例を示すグラフである。縦軸は信号強度（任意単位）であり、横軸は走査時間（秒）である。サビ発生無しの状態では、第１磁気回路の磁気抵抗と第２磁気回路の磁気抵抗とが同等になり、検出コイル２１，２２からの差分信号はゼロになる。

一方、サビ発生有りの状態では、第１磁気回路の磁気抵抗と第２磁気回路の磁気抵抗とが相違するため、図８に示すように、磁気抵抗変化に応じた信号強度を有する直流信号が出力される。

本実施形態では、励磁コイル１１の印加電流を直流としているため、磁界はフランジの深くまで浸透するようになる。そのため交流励磁と比較して、深い位置のサビを検出できることができる。

従って、励磁用電源５は、交流電流または直流電流を選択的に供給できることが好ましく、さらに交流電流の周波数ｆは可変であることがより好ましく、これによりサビ検出の深さを任意に調整することができる。

実施の形態３．
図９（ａ）は本発明に係るサビ検出装置の他の例を示す斜視図であり、図９（ｂ）は平面図、図９（ｃ）は横断面図、図９（ｄ）は側面図である。サビ検出装置は、少なくとも２つの励磁コイル１１，１２と、少なくとも２つの検出コイル２１，２２と、磁気回路を形成するためのコア３１〜３６などを含む。本実施形態では、現在入手が容易なコ字型コアを用いている。

励磁コイル１１，１２は、典型的には矩形断面や円形断面の柱形状を有する励磁コア３５，３６にそれぞれ巻回されており、励磁コア３５，３６の下端部に接近した被検物に向けて磁界を供給する。

検出コイル２１は、典型的には矩形断面や円形断面の柱形状を有する検出コア３１に巻回されている。検出コア３１は、励磁コア３５から所定の距離を隔てて配置されており、上部に配置された結合コア３３を介して励磁コア３５と検出コア３１とが相互に磁気結合している。励磁コイル１１によって発生した磁界が、励磁コア３５→被検物→検出コア３１（検出コイル２１）→結合コア３３→励磁コア３０の順で通過することにより、第１磁気回路が構成される。

検出コイル２２は、典型的には矩形断面や円形断面の柱形状を有する検出コア３２に巻回されている。検出コア３２は、励磁コア３６から所定の距離を隔てて配置されており、上部に配置された結合コア３４を介して励磁コア３６と検出コア３２とが相互に磁気結合している。励磁コイル１２によって発生した磁界が、励磁コア３６→被検物→検出コア３２（検出コイル２２）→結合コア３４→励磁コア３６の順で通過することにより、第２磁気回路が構成される。

こうして第１磁気回路および第２磁気回路は、所定の距離を隔てて平行に配置されている。

被検物は、磁気回路の一部を構成できる磁性体であり、例えば、受配電設備における配管のフランジ接続部や、その他に鋼管、鋼板など、各種の金属部材が想定される。

検出コイル２１，２２は、同相の磁界成分が相殺されるように直列接続されており、両者の起電力の差分を出力する。即ち、両コイルを通過する磁束に差が生じたときに、差分電圧が出力される。検出コイル２１，２２の差分信号は、図３に示した検出回路６、Ａ／Ｄ変換器７、判定回路８など供給される。

励磁コイル１１，１２は、図１０に示すように、同じ電流が流れるように直列接続され、図３に示した励磁用電源５に接続されており、第１磁気回路および第２磁気回路で発生する磁界が同一になるように設定される。こうした励磁用電源５は、交流電流または直流電流を選択的に供給できることが好ましく、さらに交流電流の周波数ｆは可変であることがより好ましく、これによりサビ検出の深さを任意に調整することができる。

こうした励磁コイル１１，１２、検出コイル２１，２２およびコア３１〜３６を含む検出プローブは、図４〜図６と同様に、検出動作の際、円周方向に一定速度で移動可能な搬送装置（不図示）に搭載されており、励磁コア３５，３６の下端部が一方のフランジ部材ＷＢにそれぞれ接近し、そして、検出コア３１，３２の下端部が他方のフランジ部材ＷＡにそれぞれ接近して、フランジ面Ｆを跨ぐように配置される。こうした配置により、第１磁気回路および第２磁気回路の磁路がフランジ面Ｆに対して交差するようになる。

図５に示すように、サビ発生無しの状態では、検出コイル２１を通る第１磁気回路の磁気抵抗と検出コイル２２を通る第２磁気回路の磁気抵抗とが同等になる。そのため、検出コイル２１の起電力と検出コイル２２の起電力とが等しくなり、差分信号はゼロになる。

一方、図６に示すように、サビ発生有りの状態では、第１磁気回路の磁路はサビＲＳを通過するが、第２磁気回路の磁路はサビＲＳを通過しない場合が生ずる。このとき第１磁気回路の磁気抵抗と第２磁気回路の磁気抵抗とが相違するため、検出コイル２１の起電力と検出コイル２２の起電力とが異なるようになり、磁気抵抗変化に応じた差分信号が出力される。この差分信号が所定の参照値を超えたとき、判定回路８はアラーム信号を出力する。

従って、検出プローブ１の位置と走査時間とを関連付けることにより、サビ発生の位置、サビ発生の範囲、サビの程度等を非破壊かつ高感度で検出することができる。

本実施形態では、現在入手が容易なコ字型コアを用いているため、コアの調達コストを削減できる。

図１（ａ）は本発明に係るサビ検出装置の一例を示す斜視図であり、図１（ｂ）は平面図、図１（ｃ）は横断面図、図１（ｄ）は側面図である。 検出コイル２１，２２の結線図である。 本発明に係るサビ検出装置の電気的構成の一例を示すブロック図である。 本発明に係るサビ検出方法の一例を示す斜視図である。 サビ発生無しの状態を示す説明図である。 サビ発生有りの状態を示す説明図である。 磁気抵抗変化に応じた差分信号の一例を示すグラフである。 直流励磁による差分信号の一例を示すグラフである。 図９（ａ）は本発明に係るサビ検出装置の他の例を示す斜視図であり、図９（ｂ）は平面図、図９（ｃ）は横断面図、図９（ｄ）は側面図である。 励磁コイル１１，１２の結線図である。

符号の説明

１ 検出プローブ、 ５ 励磁用電源、 ６ 検出回路、 ７ Ａ／Ｄ変換器、
８ 判定回路、 １１，１２ 励磁コイル、 ２１，２２ 検出コイル、
３０〜３６ コア、 Ｆ フランジ面、 ＷＡ，ＷＢ フランジ部材、 ＲＳ サビ。

Claims (7)

1. 磁性体である被検物に磁界を供給するための励磁コイルと、
   励磁コイルとともに、被検物を通る第１磁気回路を構成する第１検出コイルと、
   励磁コイルとともに、被検物を通る第２磁気回路を構成する第２検出コイルとを備え、
   第１検出コイルおよび第２検出コイルは、同相の磁界成分が相殺されるように直列接続され、被検物のサビ発生に起因した磁気抵抗変化を差分信号として出力することを特徴とするサビ検出装置。
2. 磁性体である被検物に磁界を供給するための第１および第２励磁コイルと、
   第１励磁コイルとともに、被検物を通る第１磁気回路を構成する第１検出コイルと、
   第２励磁コイルとともに、被検物を通る第２磁気回路を構成する第２検出コイルとを備え、
   第１検出コイルおよび第２検出コイルは、同相の磁界成分が相殺されるように直列接続され、被検物のサビ発生に起因した磁気抵抗変化を差分信号として出力することを特徴とするサビ検出装置。
3. 第１磁気回路と第２磁気回路とが所定の距離を隔てて配置されていることを特徴とする請求項１または２記載のサビ検出装置。
4. 励磁コイルが巻回される励磁コアと、
   第１検出コイルが巻回される第１検出コアと、
   第２検出コイルが巻回される第２検出コアとを備え、
   励磁コア、第１検出コアおよび第２検出コアが相互に磁気結合していることを特徴とする請求項１記載のサビ検出装置。
5. 第１励磁コイルが巻回される第１励磁コアと、
   第２励磁コイルが巻回される第２励磁コアと、
   第１検出コイルが巻回される第１検出コアと、
   第２検出コイルが巻回される第２検出コアとを備え、
   第１励磁コアおよび第１検出コアが相互に磁気結合しており、
   第２励磁コアおよび第２検出コアが相互に磁気結合していることを特徴とする請求項２記載のサビ検出装置。
6. 被検物に交流磁界または直流磁界を選択的に供給するための励磁用電源を備えることを特徴とする請求項１または２記載のサビ検出装置。
7. 被検物が、フランジ面で接合されたフランジ部材であって、
   請求項１〜６のいずれかに記載のサビ検出装置を用いて、フランジ面と交差する第１磁気回路および第２磁気回路を形成し、第１磁気回路および第２磁気回路の磁気抵抗変化を計測することにより、フランジ部材のサビ発生を検出することを特徴とするサビ検出方法。