JP2010271319A - Waveguide ultrasonic sensor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明のウェーブガイド超音波センサ装置に関し、詳しくは、ウェーブガイドを介してガイドされ放射される超音波信号を介する可視化性能を向上させることのできるウェーブガイド超音波センサ装置に関する。 The present invention relates to a waveguide ultrasonic sensor device according to the present invention, and more particularly to a waveguide ultrasonic sensor device capable of improving visualization performance via an ultrasonic signal guided and radiated through the waveguide.
不透明で高温であるナトリウムのような極限環境中における内部構造物は高温クリッピーにより損傷が生じ得るため、このような損傷は内部構造物の表面に微細な表面欠陥として現れる。ところで、前述のような極限環境にある内部構造物は、不透明、高温、および高放射能などのような極限要因によって微細な表面欠陥を肉眼で検査することが難しい。したがって、極限環境にある内部構造物の欠陥検査の方法は一般的に超音波センサを用いる方式が採用される。 Since internal structures in extreme environments such as sodium that are opaque and hot can be damaged by high temperature clippy, such damage appears as fine surface defects on the surface of the internal structure. By the way, it is difficult for the internal structure in the extreme environment as described above to inspect minute surface defects with naked eyes due to extreme factors such as opaqueness, high temperature, and high radioactivity. Therefore, a method of using an ultrasonic sensor is generally employed as a method for inspecting defects in internal structures in an extreme environment.
超音波センサを用いる内部構造物の可視化方式は、超音波センサをナトリウム内に直接液浸させて検査する方式と、外部に超音波センサを設けてステンレス鋼材質の板ウェーブガイドを用いて第0次反対称のラム波(Lamb wave)であるA0モードのラム波を送受信するウェーブガイド超音波センサ方式に区分される。このうち、前記直接液浸による超音波センサ方式は、超音波センサが極限環境の液体金属と接することによって、超音波センサの寿命が短縮されるという問題がある。一方、前記ウェーブガイド超音波センサ方式は、超音波センサが液体金属の外部で5m以上の細長い金属板のウェーブガイドを用いて超音波信号を遠隔に送受信し、超音波センサの搬送位置による超音波信号の振幅の大きさおよび電波の時間差を表すC−スキャン可視化方式が採用されることによって、直接に液浸による超音波センサ方式の問題である寿命短縮を補完できるという長所を有する。 There are two methods for visualizing internal structures using an ultrasonic sensor: a method in which an ultrasonic sensor is directly immersed in sodium and an inspection is performed, and an ultrasonic sensor is provided outside and a stainless steel plate waveguide is used. is divided into the waveguide ultrasonic sensor method for transmitting and receiving the Lamb waves a 0 mode is a Lamb wave follows antisymmetric (Lamb wave). Among these, the ultrasonic sensor method based on the direct immersion has a problem that the life of the ultrasonic sensor is shortened by contacting the ultrasonic sensor with the liquid metal in the extreme environment. On the other hand, in the wave guide ultrasonic sensor method, the ultrasonic sensor transmits and receives an ultrasonic signal remotely using a waveguide of an elongated metal plate having a length of 5 m or more outside the liquid metal, and the ultrasonic wave according to the conveyance position of the ultrasonic sensor. By adopting the C-scan visualization method that expresses the magnitude of the signal amplitude and the time difference between radio waves, there is an advantage that the shortening of the life, which is a problem of the ultrasonic sensor method by liquid immersion, can be directly compensated.
ここで、厚さが1mmであるSS304ステンレス鋼ウェーブガイドが採用される場合、入射周波数1.5MHzにてA0モードのラム波の位相速度(Cph)が2.6m/ms程度であって、ルーサイト(lucite)固体ウェッジの縦波速度(VL)である2.7m/msよりも小さい。これによって、A0モードのラム波をウェーブガイドを介して発振させるためには、ウェッジ内部に液体の接触媒質が充填された液体ウェッジが適用されざるを得ない。 Here, when an SS304 stainless steel waveguide having a thickness of 1 mm is employed, the phase velocity (C ph ) of the A 0 mode Lamb wave at an incident frequency of 1.5 MHz is about 2.6 m / ms. The longitudinal wave velocity (V L ) of the lucite solid wedge is smaller than 2.7 m / ms. Thus, in order to oscillate the Lamb waves A 0 mode through the waveguide, the couplant liquid inside wedge inevitably applies filled liquid wedge.
一方、前記ウェーブガイド超音波センサ方式を適用することにおいて、A0モードのラム波の分散性の発生を最小化するために群速度が一定の周波数領域において入射波を加振しなければならない。このような群速度が一定の周波数帯から伝播される超音波パルスは分散性が最小化されるため、パルス波形が変化しないことからS/N比が良好になり、漏れ縦波ビームの放出角の変化が発生しないのでビームのプリファイルが均一になる。 On the other hand, in applying the waveguide ultrasonic sensor method, group velocity in order to minimize the occurrence of dispersion of the Lamb waves A 0 mode must vibrate the incident wave in a certain frequency domain. Since an ultrasonic pulse propagated from a frequency band with a constant group velocity is minimized in dispersibility, the pulse waveform does not change, so the S / N ratio is improved, and the emission angle of the leaky longitudinal wave beam Since no change occurs, the beam pre-file becomes uniform.
また、5m以上のウェーブガイド超音波センサにおいてA0モードのラム波の長距離電波によって発生する分散性による入射波の周波数バンド幅の増加によって、ナトリウムのような液体金属のうち放射される漏れ縦波のビーム放出角の変化の幅が大きくなることによるビーム広がり現象が発生する。このようなビーム広がり現象の広がり角が大きくなれば、分解能が低下するという短所が引き起こる。これによって、高い解像度のC−スキャン超音波映像を実現させるためには、ウェーブガイドセンサで伝播されるA0モードのラム波の群速度が極めて一定になる特性を実現しなければならない。また、ナトリウムのような液体金属の中における漏れ縦波の放射ビームの角度切り替え範囲を大きくするためには、A0モードのラム波の群速度が一定の周波数帯域にて位相速度は可能なだけ大きく変わらなければならない。これによって、A0モードのラム波の群速度が一定する周波数帯において、位相速度が大きく変わる新しいウェーブガイドセンサを開発する必要性が持続的に要求される。 Moreover, the increase in the frequency bandwidth of the incident wave by the dispersion occur at the waveguide ultrasonic sensors above 5m the long-range radio waves A 0 mode Lamb waves, leakage longitudinal emitted out of liquid metal, such as sodium A beam divergence phenomenon occurs due to an increase in the change width of the wave beam emission angle. If the divergence angle of such a beam divergence phenomenon is increased, the resolution is lowered. Thus, in order to realize a C- scan ultrasound image of high resolution, the group velocity of the Lamb wave of the A 0 mode propagating in the waveguide sensor has to achieve very constant properties. Further, in order to increase the angle switching range of the radiation beam leaks longitudinal waves in in a liquid metal such as sodium, the group velocity of the Lamb wave of the A 0 mode only possible phase velocity at a fixed frequency band It must change a lot. Thus, in the frequency band where the group velocity of the Lamb wave of the A 0 mode is fixed, the need to develop a new wave guide sensor phase velocity varies greatly persistently request.
結論的に、前記ウェーブガイド超音波センサで伝播するA0モードの位相速度(Cph)がウェッジの縦波速度(VL=2.7m/ms)およびナトリウムの縦波速度(VL=2.474m/ms)よりも大きく、入射パルスの加振周波数範囲(0.8MHz〜1.7MHz)においてウェーブガイドを介して伝播するA0モードのラム波の群速度が一定であり、一定の入射波加振周波数の範囲においてA0モードのラム波の位相速度差が大きいウェーブガイド超音波センサ装置を実現するための研究/開発が求められるのである。 In conclusion, the phase velocity (C ph ) of the A 0 mode propagating by the waveguide ultrasonic sensor is the wedge longitudinal wave velocity (V L = 2.7 m / ms) and sodium longitudinal wave velocity (V L = 2). Larger than .474 m / ms), the group velocity of Lamb waves in the A 0 mode propagating through the waveguide in the excitation pulse excitation frequency range (0.8 MHz to 1.7 MHz) is constant, and constant incidence research / development is being asked for implementing the a 0 mode Lamb wave phase velocity difference is large waveguide ultrasonic sensor device of the extent of the wave excitation frequency.
本発明の目的は、前述のような問題点を考慮して案出されたものであって、簡単な構造で位相速度を増加させるとともに、群速度が一定の入射周波数の帯域幅を増加させて超音波の可視化性能を向上させることのできるウェーブガイド超音波センサ装置を提供することにある。 The object of the present invention has been devised in view of the above-mentioned problems, and increases the phase velocity with a simple structure and increases the bandwidth of the incident frequency with a constant group velocity. An object of the present invention is to provide a waveguide ultrasonic sensor device capable of improving the visualization performance of ultrasonic waves.
本発明の他の目的は、固体ウェッジの縦波速度よりも大きい位相速度の実現が可能なウェーブガイド超音波センサ装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a waveguide ultrasonic sensor device capable of realizing a phase velocity larger than the longitudinal wave velocity of a solid wedge.
前述した目的を達成するためのウェーブガイド超音波センサ装置は、超音波センサと、ウェッジと、ウェーブガイド、および高出力超音波システムを含む。 A waveguide ultrasonic sensor apparatus for achieving the above-described object includes an ultrasonic sensor, a wedge, a waveguide, and a high-power ultrasonic system.
前記超音波センサは、極限環境に置かれた対象体に対して超音波信号を送受信し、前記ウェッジは、前記超音波センサの一側を支持し、前記超音波信号のモードを切り替える。このとき、前記ウェッジは固体に形成されることがよい。 The ultrasonic sensor transmits / receives an ultrasonic signal to / from an object placed in an extreme environment, and the wedge supports one side of the ultrasonic sensor and switches a mode of the ultrasonic signal. At this time, the wedge is preferably formed into a solid.
前記ウェーブガイドは、ウェッジと前記対象体との間に備えられ、前記送受信される超音波信号をガイドする。ここで、前記ウェーブガイドの外面のうちの少なくとも一部に酸化アルミニウム(Al2O3)および/またはベリリウム(Be)で形成されるコーティング層が設けられる。 The waveguide is provided between a wedge and the object, and guides the transmitted and received ultrasonic signals. Here, a coating layer formed of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and / or beryllium (Be) is provided on at least a part of the outer surface of the waveguide.
より具体的に、前記コーティング層は、前記ウェーブガイドを隔てて一側と他側に互いに対称型に備えるか、前記ウェーブガイドの一側または他側のうちのいずれか1つにのみ非対称型に設けられ、0.125mm〜0.25mmの厚さを有する。このようなコーディング層が備えられたウェーブガイドは、ステンレス鋼板に形成され、長さは5m以上であり、厚さは1mm〜2mmであることがよい。 More specifically, the coating layer is provided symmetrically on one side and the other side across the waveguide, or is asymmetric only on one side or the other side of the waveguide. Provided and has a thickness of 0.125 mm to 0.25 mm. The waveguide provided with such a coding layer is preferably formed on a stainless steel plate, has a length of 5 m or more, and a thickness of 1 mm to 2 mm.
前記高出力超音波システムは、前記送受信される超音波信号を処理して可視化する。 The high-power ultrasound system processes and visualizes the transmitted and received ultrasound signals.
本発明の他の側面によるウェーブガイド超音波センサ装置は、高温、高放射能および/または不透明な極限環境に置かれる対象体の状態を超音波信号に可視化するためのものであって、前記超音波信号を送受信する超音波センサと対象体との間に備えられ、超音波信号をガイドするウェーブガイドの外面に位相速度を増加させ、群速度を一定に維持させる酸化アルミニウム(Al2O3)および/またはベリリウム(Be)で形成されるコーティング層が設けられる。 A waveguide ultrasonic sensor device according to another aspect of the present invention is for visualizing the state of an object placed in a high temperature, high radioactivity and / or opaque extreme environment as an ultrasonic signal. Aluminum oxide (Al 2 O 3 ) that is provided between an ultrasonic sensor that transmits and receives a sound wave signal and an object, increases the phase velocity on the outer surface of the waveguide that guides the ultrasonic signal, and maintains the group velocity constant. And / or a coating layer formed of beryllium (Be).
前述のような構成を有する本発明によれば、第1に、ウェーブガイドの外面に酸化アルミニウム(Al2O3)および/またはベリリウム(Be)で形成されるコーティング層が設けられることによって、ウェーブガイドに沿って伝播されるA0モードのラム波の群速度が一定の周波数領域を拡大させる。これによって、5m以上の長さを有するウェーブガイドを介して長距離伝播されるA0モードのラム波の分散性の発生を最小化し、入射波の波形歪みを最小化することができる。 According to the present invention having the above-described configuration, first, the wave guide is formed by providing a coating layer formed of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and / or beryllium (Be) on the outer surface of the waveguide. group velocity of the Lamb wave of a 0 modes propagated to expand the certain frequency regions along the guide. This can minimize the occurrence of A 0 mode Lamb wave dispersion which is long distance propagation through a waveguide having a length more than 5 m, to minimize the waveform distortion of the incident wave.
第2に、酸化アルミニウム(Al2O3)および/またはベリリウム(Be)で形成されるコーティング層が備えられるウェーブガイドを介する長距離A0モードのラム波の入射パルスの周波数スペクトルの帯域幅の増加、および漏れ縦波のビーム広がり角を最小化し、超音波の可視化分解能を向上させることができる。 Second, the bandwidth of the frequency spectrum of the incident pulse of long-distance A 0 mode Lamb wave through the waveguide a coating layer formed of aluminum oxide (Al 2 O 3) and / or beryllium (Be) is provided The increase and the beam divergence angle of the leakage longitudinal wave can be minimized, and the ultrasonic visualization resolution can be improved.
第3に、酸化アルミニウム(Al2O3)および/またはベリリウム(Be)で形成されるコーティング層は、A0モードのラム波の位相速度を固体に形成されるウェッジの縦波速度よりも大きくすることができるとともに、群速度が一定の周波数範囲の領域を増加させることができる。これによって、高温の環境において長期間使用できる固体に形成されるウェッジの使用が可能になって、ウェーブガイド超音波センサ装置の寿命を向上させるとともに、液体金属における漏れ縦波の放射ビームの角度切り替え範囲を増加させて放射ビームのステアリング機能が5m以上の長距離でも正常に作動できるようにする利点を有する。 Thirdly, the coating layer formed of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and / or beryllium (Be) has a phase velocity of Lamb wave in A 0 mode larger than the longitudinal wave velocity of the wedge formed in the solid. It is possible to increase the frequency range where the group velocity is constant. This makes it possible to use wedges formed into solids that can be used for a long time in high temperature environments, improving the life of the waveguide ultrasonic sensor device and switching the angle of the radiation beam of longitudinal leakage waves in liquid metal It has the advantage of increasing the range so that the radiation beam steering function can operate normally over long distances of 5 m or more.
以下、本発明の好ましい一実施形態を添付の図面を参考して説明する。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1および図2を参考すれば、本発明に係るウェーブガイド超音波センサ装置1は、超音波センサ10、ウェッジ20、ウェーブガイド30、および高出力超音波システム50を含む。
Referring to FIGS. 1 and 2, a waveguide
参考に、図1に示すように、本発明の一実施形態に係るウェーブガイド超音波センサ装置1は、超音波信号を用いて液体金属炉、鉛冷却炉、一体型原子炉などのよう直接に接近が難しい極限環境中の内部構造物(O、以下、「対象体」と称する)に対する遠隔超音波の可視化検査を行う。本実施形態では、対象体(O)はナトリウムのような液体金属(L)が受容される原子炉(N)に浸漬されるものとして例示する。
For reference, as shown in FIG. 1, a waveguide
このようなウェーブガイド超音波センサ装置1は、詳細に示さないが、原子炉(N)の上部に備えられるヘッド(H)の二重回転プラグ(図示せず)に固定され、上部はヘッド(H)の外部に突出し、下部は対象体(O)の炉心の上端と向い合う。かかる構成によって、ウェーブガイド超音波センサ装置1は、ヘッド(H)に備えられる二重回転プラグ(図示せず)の回転駆動時に収集される超音波信号と超音波センサの位置情報から対象体(O)である炉心の上端のC−スキャン映像(I)を獲得する。
Such a waveguide
図2を参考して、前述のウェーブガイド超音波センサ装置1をより詳しく説明する。
The aforementioned waveguide
まず、超音波センサ10は、超音波信号を対象体(O)に送信させるか、または対象体(O)から反射される超音波信号を受信する。
First, the
ウェッジ20は、超音波センサ10の一側を支持するよう設けられ、超音波信号のモードを切り替える。具体的に、ウェッジ20は、超音波センサ10から送信される超音波信号をラム波に切り替えるか、後述するウェーブガイド30を介して受信されるラム波を縦波に切り替える。すなわち、超音波センサ10によって送受信される超音波信号がウェッジ20を経ることによって、ラム波または縦波にモードが切り替えられるのである。本実施形態においてはウェッジ20が固体に形成されるものとして例示し、より好ましくはルーサイト(lucite)であるものとして例示する。
The
参考に、ラム波とは、薄い板状の固体内を進行する波を指すものであって、図3に示すように、進行方式に応じて対称モード(S−Mode)と反対称モード(A−Mode)とに分類される。図3Aに示すように、対称モードのラム波(S−Mode)は、進行方向に振動する波の成分が板厚の中心線(C)に対して対称をなすか、図3Bに示すように反対称モードのラム波(A−Mode)は非対称である。本実施形態においては、様々なモードのラム波の中から図3Bに示す第0次反対称のラム波(A0)が用いられるものと例示する。以下は、説明の便宜のために、ウェッジ20によってモードが切り替えられる第0次反対称のラム波(A0)をA0モードのラム波と称する。
For reference, a Lamb wave refers to a wave traveling in a thin plate-like solid. As shown in FIG. 3, a symmetric mode (S-Mode) and an antisymmetric mode (A -Mode). As shown in FIG. 3A, in the symmetric mode Lamb wave (S-Mode), the wave component oscillating in the traveling direction is symmetric with respect to the center line (C) of the plate thickness, or as shown in FIG. The anti-symmetric mode Lamb wave (A-Mode) is asymmetric. In the present embodiment, it is exemplified that the 0th-order antisymmetric Lamb wave (A 0 ) shown in FIG. 3B is used from Lamb waves of various modes. Hereinafter, for convenience of explanation, a 0th-order antisymmetric Lamb wave (A 0 ) whose mode is switched by the
ウェーブガイド30は、超音波センサ10と対象体(O)との間に備えられ、送受信される超音波信号をガイドする。具体的に、ウェーブガイド30は図に示すように、一端は原子炉(N)の外部で超音波センサ10の一側を支持するウェッジ20に接続し、他端は原子炉(N)に受容される液体金属(L)に浸漬されて対象体(O)と向い合う。これによって、超音波センサ10から放射されてウェッジ20によって切り替えられるA0モードのラム波がウェーブガイド30の長手方向に伝播し、対象体(O)にガイドされる。このようなウェーブガイド30は、厚さが1mm〜2mmであり、長さが5m以上である、細長いステンレス鋼材質の板に形成される。
The
一方、本発明に係るウェーブガイド30の外面には、図4に示すように、酸化アルミニウム(Al2O3)またはベリリウム(Be)で形成されるコーティング層40が設けられる。ここで、コーティング層40は、図4Aに示すようにウェーブガイド30の外面のいずれか一側にだけ設けられる非対称型に形成されるか、図4Bに示すようにウェーブガイド30の外面の両側に設けられる対称型に形成されてもよい。また、コーティング層40は、ウェーブガイド30の放射端部のような外面のうちの少なくとも一部に形成されてもよい。
On the other hand, as shown in FIG. 4, a
コーティング層40は材質の特性上、A0モードのラム波の群速度の一定周波数領域を拡大させる。これによって、5m以上の長さを有するウェーブガイド30を介して長距離伝播されるA0モードのラム波の分散性の発生を最小化し、入射波の波形歪みを最小化することができる。また、ウェーブガイド30を介する長距離A0モードのラム波の電波による入射パルスの周波数スペクトルの帯域幅の増加および漏れ縦波のビーム広がり角を最小化することで、超音波の可視化分解能を向上させる。
The
だけでなく、コーティング層40は、A0モードのラム波の位相速度を固体に形成されるウェッジ20の縦波速度よりも増加させ、群速度が一定の周波数領域における位相速度と大きさ変化の範囲を増加させる。これによって、高温環境において長時間使用できる固体に形成されるウェッジ20の使用が可能になり、ウェーブガイド超音波センサ装置1の寿命を向上させるとともに、液体金属(L)における漏れ縦波の放射ビームの角度切り替え範囲を増加させることで、放射ビームのステアリング機能が5m以上の長距離であっても正常に作動できるようにする利点を有する。
In addition, the
すなわち、前述のような酸化アルミニウム(Al2O3)またはベリリウム(Be)で形成されるコーティング層40をウェーブガイド30の外面に設けることによって、A0モードのラム波の位相速度および群速度の一定周波数領域を増加させ、A0モードのラム波の電波性能および漏れ縦波の放射角切り替え性能を改善するものである。
That is, by providing the
高出力超音波システム50は、送受信される超音波信号を処理して可視化することによって、高出力超音波のパルサー/レシーバ51およびコンピュータ53を含む。
The high-
高出力超音波パルサー/レシーバ51は、超音波センサ10に接続し、対象体(O)に送信される超音波信号を発生させるとともに、対象体(O)から反射して超音波センサ10で受信される超音波信号が提供される。このとき、高い出力超音波パルサー/レシーバ51は、入射パルスの周波数を調整して超音波信号を生成し、対象体(O)の表面情報を有して受信される超音波信号を収集させる。一方、高出力超音波パルサー/レシーバ51によって収集される超音波信号は、オシロスコープ52によって測定され、A/D変換器54によってデジタル信号に切り替えられてコンピュータ53によって制御される。
The high-power ultrasonic pulsar /
参考に、高出力超音波システム50とは別途に超音波センサ10はスキャナコントローラ60によって制御される(図1参照)。
For reference, the
図5には超音波センサ10を支持するウェッジ20に接続されるウェーブガイド30を介するA0モードのラム波の電波と、ウェーブガイド30の他端部を介して液体金属(L)に漏れ縦波が抜け出る概念図が示される。
The 5 vertically leaking into the liquid metal (L) via the radio wave A 0 mode Lamb waves which via a
図5のように、ウェーブガイド30によって伝播されるA0モードのラム波が液体金属(L)に接して縦波に漏れ、このとき、漏れ縦波のビーム放射角(α)は、下記の数式1のスネル(Snell)法則に応じて決定される。
As shown in FIG. 5, the leakage to the longitudinal waves Lamb waves A 0 modes propagated by the
ここで、VLは液体金属(L)の縦波速度、CphはA0モードのラム波の位相速度、またfは周波数を指す。参考に、ウェーブガイド30が1mmの厚さを有するSS304ステンレス鋼板に形成され、ウェーブガイド30に1.5MHzの超音波信号が入射され、A0モードのラム波の位相速度と液体金属(L)の縦波速度がそれぞれ約2560m/sおよび2474m/sである場合、数式1によって漏れ縦波のビーム放射角(α)は75度程度になる。
Here, V L is the longitudinal velocity of the liquid metal (L), C ph is the phase velocity of the Lamb wave in the A 0 mode, and f is the frequency. For reference, the
図6および図7を参考すれば、ナトリウムで形成される液体金属(L)内におけるウェーブガイド30の厚さ(t)によるA0モードのラム波の位相速度(Cph)と、群速度(Cg)の分散特性の曲線が示される。長さが5m以上である長距離ウェーブガイド30をナトリウムを含む液体金属(L)に適用するためには、A0モードのラム波の位相速度(Cph)がナトリウムの液体金属(L)の縦波速度(VL)の2474m/sよりも大きくなければ、漏れ縦波にモードが切り替えられてウェーブガイド30の他端を介して超音波ビームが放出されることができない。ここで、ウェーブガイド超音波センサ装置1において主に用いられる超音波センサ10は、1MHzセンサと1.5MHzセンサであり、トンバースト入射波の加振周波数で主に用いられる周波数帯域は0.8MHz〜1.7MHzである。入射波の加振周波数の範囲である0.8MHz〜1.7MHz帯域において群速度(Cg)は図7に示すように一定でなければならず、位相速度は図6に示すように大きさの変化の幅が大きくなければならない。ここで、A0モードのラム波の群速度(Cg)が一定でなければ、5m以上の長さを有するウェーブガイド30の長距離の電波でA0モードのラム波の分散性の発生を最小化することができず、また、位相速度(Cph)の大きさ変化の幅が大きくなければ、液体金属(L)中における漏れ縦波の放射ビームの角度切り替え範囲を増加させることができない。
Referring to FIGS. 6 and 7, the phase velocity (C ph ) of the A 0 mode Lamb wave according to the thickness (t) of the
参考に、図6および図7に示すように、A0モードのラム波の位相速度(Cph)の大きさ変化の幅が大きく、群速度(Cg)が一定の条件を満たすウェーブガイド30の厚さ(t)は1.5mmであるが、群速度(Cg)が一定の周波数領域は0.9MHz〜1.2MHz範囲であるため、ビーム放射角切り替えの周波数の範囲(0.8MHz〜1.7MHz)が制限されてしまうという問題がある。
For reference, as shown in FIG. 6 and FIG. 7, the
前述したような既存の問題を改善するために、本発明のようにコーティング層40が備えられるウェーブガイド30を介して伝播されるA0モードのラム波の位相速度(Cph)と、群速度(Cg)の分散特性の曲線が図8および図9に示される。図8および図9は、厚さが1.5mmであるSS304ステンレス鋼板で形成されるウェーブガイド30と、厚さが1mmであるSS304ステンレス鋼板で形成されるウェーブガイド30の外面にベリリウム(Be)、酸化アルミニウム(Al2O3)、および銅(Cu)で形成されるコーティング層40が備えられたウェーブガイド30におけるA0モードのラム波の位相速度(Cph)と、群速度(Cg)を理解するため、理論式に基づく数値解析の結果が示される。
In order to improve the existing problems as described above, the phase velocity (C ph ) of the A 0 mode Lamb wave propagated through the
参考に、ベリリウム(Be)および酸化アルミニウム(Al2O3)は、自然に存在する様々な材料のうちから超音波速度が最も速い物質であって、それぞれの縦波速度は12.89m/msおよび10.75m/msである。このようなベリリウム(Be)および酸化アルミニウム(Al2O3)の縦波速度は、SS304ステンレス鋼板で形成されるウェーブガイド30の縦波速度の5.79m/msの2倍に該当する。一方、銅(Cu)の縦波速度は4.66m/msであり、SS304ステンレス鋼板で形成されるウェーブガイド30よりも遅い。
For reference, beryllium (Be) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) are substances having the highest ultrasonic velocity among various naturally occurring materials, and each longitudinal wave velocity is 12.89 m / ms. And 10.75 m / ms. The longitudinal wave velocity of such beryllium (Be) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) corresponds to twice the longitudinal wave velocity of the
これによって、SS304ステンレス鋼板に超音波速度が速いベリリウム(Be)および酸化アルミニウム(Al2O3)によって形成されるコーティング層40がウェーブガイド30に備えられれば、位相速度(Cph)と群速度(Cg)が図8および図9に示すように、コーティング層40が備えられないウェーブガイド30と比較して著しく増加することが分かる。特に、図9に示すように、ベリリウム(Be)および酸化アルミニウム(Al2O3)で形成されるコーティング層40が備えられたウェーブガイド30は、入射波の加振周波数領域(0.8MHz〜1.7MHz)にて群速度が極めて一定になる特性があって、5m以上の長距離の電波による波形の歪み現象を改善することができる。このとき、ベリリウム(Be)および酸化アルミニウム(Al2O3)によって形成されるコーティング層40が備えられたウェーブガイド30の位相速度(Cph)と群速度(Cg)の特性が互いに類似することも分かる。
Accordingly, if the
また、超音波速度が遅い銅(Cu)で形成されるコーティング層40がウェーブガイド30に備えられる場合には、コーティング層40が備えられていないウェーブガイド30と比較して位相速度(Cph)と群速度(Cg)が減少する特性が現れる。これによって、銅(Cu)は、本発明で説明するコーティング層40の材料として適していないことが分かる。
When the
図10および図11を参考すれば、ベリリウム(Be)で形成されるコーティング層40の厚さが厚いほどウェーブガイド30を介して伝播されるA0モードのラム波の位相速度(Cph)と群速度(Cg)が相対的に増加することが分かる。しかし、図11に示すように、コーティング層40の厚さが0.5mmである場合、群速度(Cg)が一定に維持される現象が減少する。これによって、一定の群速度(Cg)のために、ウェーブガイド30にコーティングされるコーティング層40の厚さはほぼ0.125mm〜0.25mmであることが好ましい。また、図10に示すように、コーティング層40の厚さが0.125mm以上である場合、A0モードのラム波の位相速度(Cph)がルーサイト材質のウェッジ20の縦波速度の2.7m/msよりも大きくなって、高温環境においてもより安定して長い期間使用できる固体に形成されたウェッジ20の使用が可能になることが分かる。
Referring to FIGS. 10 and 11, the phase velocity (C ph ) of A 0 mode Lamb waves propagated through the
図12および図13には、非対称型および対称型にコーティング層40が備えられたウェーブガイド30の位相速度(Cph)と群速度(Cg)の分散特性の曲線が示される。より詳しく、図12および図13には、図4Aに示すように厚さ(t)が1mmであるSS304ステンレス鋼板で形成されるウェーブガイド30のいずれか一側面にのみベリリウム(Be)に形成された非対称型コーティング層40が設けられる場合と、図4Bに示すように、厚さ(t)が1mmであるSS304ステンレス鋼板で形成されるウェーブガイド30の両側外面にベリリウム(Be)で形成される対称型のコーティング層40が設けられる場合とを比較した。ここで、非対称型/対称型のコーティング層40の厚さはすべて0.125mmである。
FIGS. 12 and 13 show curves of dispersion characteristics of the phase velocity (C ph ) and the group velocity (C g ) of the
図12および図13のグラフに示すように、一側の外面にのみコーティング層40が備えられた非対称型のウェーブガイド30に比べ、両側の外面にコーティング層40が備えられた対称型ウェーブガイド30の位相速度(Cph)と群速度(Cg)の大きさが大きくなるとともに、群速度(Cg)がより一定になることが分かる。
As shown in the graphs of FIGS. 12 and 13, the
参考に、図3Aに示すS0モードのラム波の変位分布の変化はウェーブガイド30の厚さ中心線(C)で大きく現れ、図3Bに示すA0モードのラム波の変位分布の変化はウェーブガイド30の外面で大きく現れるため、A0モードのラム波である場合に表面物性に大きく影響を受ける。これによって、A0モードのラム波は、ウェーブガイド30の外面に設けられるコーティング層40による位相速度(Cph)の増加効果がS0モードのラム波と比較して相対的に大きい。一方、図13に示すように、非対称型コーティング層40である場合、群速度(Cg)が一定になる効果が対称型のコーティング層40に比べて相対的に低く現れるのは、A0モードのラム波の変位分布の対称性に大きく影響を与えるためである。
For reference, a change in the displacement distribution of the S 0 mode Lamb wave shown in FIG. 3A appears greatly at the thickness center line (C) of the
図14は、厚さが1mmまたは1.5mmであるSS304ステンレス鋼板に形成されたウェーブガイド30と、厚さが1mmであるSS304ステンレス鋼板に形成されたウェーブガイド30にベリリウム(Be)で形成されるコーティング層40が0.125mmまたは0.25mmに備えられたウェーブガイド30が、ナトリウムを含む液体金属(L)内で放出する漏れ縦波の放射角を表すグラフが示される。
FIG. 14 shows that a
漏れ縦波の放射角(α)は、数式1によるα(f)=sin−1[VL/Cph(f)]によって導き出される。入射波の加振周波数領域(0.8MHz〜1.7MHz)においてウェーブガイド30の厚さ(t)が1mmである場合には漏れ縦波が制限的に発生し、ウェーブガイド30の厚さ(t)が1.5mmである場合には1MHz以下の低い周波数領域においてビーム放射角度が急激に変化して放射ビームのビーム広がり角が大きくなる問題が発生することが分かる。しかし、ウェーブガイド30にコーティング層40が設けられることによって、漏れ縦波のビーム放射角の切り替え範囲が一定になることが分かる。
The radiation angle (α) of the leaking longitudinal wave is derived by α (f) = sin −1 [V L / C ph (f)] according to
上述したように、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、該当の技術分野における熟練した当業者にとっては、特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正および変更させることができることを理解することができるであろう。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に基づいて定められ、発明を実施するための最良の形態によって制限されるものではない。 As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described with reference to the preferred embodiments of the present invention. However, those skilled in the relevant technical field will not depart from the spirit and scope of the present invention described in the claims. Thus, it will be understood that the present invention can be variously modified and changed. That is, the technical scope of the present invention is defined based on the claims, and is not limited by the best mode for carrying out the invention.
1:ウェーブガイド超音波センサ装置
10:超音波センサ
20:ウェッジ
30:ウェーブガイド
40:コーティング層
50:高出力超音波システム
1: Wave guide ultrasonic sensor device 10: Ultrasonic sensor 20: Wedge 30: Wave guide 40: Coating layer 50: High power ultrasonic system
Claims (8)
前記超音波センサの一側を支持し、前記超音波信号のモードを切り替えるウェッジと、
前記ウェッジと前記対象体との間に備えられ、前記送受信される超音波信号をガイドするウェーブガイドと、
前記送受信される超音波信号を処理する高出力超音波システムと、
を含み、
前記ウェーブガイドの外面のうちの少なくとも一部に酸化アルミニウム(Al2O3)および/またはベリリウム(Be)で形成されるコーティング層が設けられることを特徴とするウェーブガイド超音波センサ装置。 An ultrasonic sensor that transmits and receives an ultrasonic signal to and from the object;
A wedge that supports one side of the ultrasonic sensor and switches a mode of the ultrasonic signal;
A wave guide provided between the wedge and the object, for guiding the transmitted and received ultrasonic signals;
A high-power ultrasound system for processing the transmitted and received ultrasound signals;
Including
A waveguide ultrasonic sensor device, wherein a coating layer formed of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and / or beryllium (Be) is provided on at least a part of an outer surface of the waveguide.
前記超音波信号を送受信する超音波センサと対象体との間に備えられ、超音波信号をガイドするウェーブガイドの外面に位相速度を増加させ、群速度を一定に維持させる酸化アルミニウム(Al2O3)および/またはベリリウム(Be)で形成されるコーティング層が設けられることを特徴とするウェーブガイド超音波センサ装置。 A wave guide ultrasonic sensor device for visualizing an ultrasonic signal of a state of an object placed in a high temperature, high radioactivity and / or opaque extreme environment,
Aluminum oxide (Al 2 O) provided between an ultrasonic sensor that transmits and receives the ultrasonic signal and an object, increases the phase velocity on the outer surface of the waveguide that guides the ultrasonic signal, and maintains the group velocity constant. 3 ) A waveguide ultrasonic sensor device provided with a coating layer formed of beryllium (Be) and / or beryllium (Be).
The waveguide ultrasonic sensor device according to claim 6, wherein the coating layer has a thickness of 0.125 mm to 0.25 mm.
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