JP2013250154A - 欠損探索装置、スキャン装置、および欠損探索方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】超音波自動斜角探傷装置1は、欠陥が探索される対象物61の表面S0上を移動するスキャナ装置3と、スキャナ装置3に設けられ、対象物61の表面S0から超音波を入れて反射波を検出する第1探触子14と、第1探触子14から出力される検出信号を増幅するアンプと、アンプにより増幅された検出信号を蓄積し、検出信号の波形を記憶する記憶部37と、記憶部37に記憶された検出信号の波形を解析して対象物61の欠損を探索する解析部46と、を有する。そして、第1探触子14は、対象物61内で分散して広がる超音波を対象物61へ入力し、分散して反射された超音波の反射波成分を含む検出信号を出力する。アンプは、検出信号に含まれる、分散して反射された超音波の反射波成分を、第1ログアンプ31により増幅する。
【選択図】 図1
Description
たとえば、超音波自動斜角探傷方法では、超音波の入出力部が自走式探傷装置の移動方向と直交する方向で走査し、所定の角度で対象物に入れた超音波の欠損による反射波を受信するまでの時間に基づいて欠損までの相対距離を演算する。これにより、走査した範囲の欠損の有無、位置、大きさを得ることができる。この場合、入出力部を自走式探傷装置の移動方向と直交する方向へ走査する必要があるために探索に時間がかかるが、超音波が対象物の表面および裏面で反射されるため、対象物の表面および裏面の両面の欠損を探索できる。
また、TOFD(Time of Flight Diffraction)法では、対象物の表面に超音波の入力部と出力部とを所定の間隔で配置し、入力部から出力部へ伝搬する際に超音波が欠損により変調され、検出した超音波の波形中での該変調部分に基づいて欠損の有無および位置を得る。この場合、入力部および出力部を走査する必要が無いために探索時間が大幅に短縮されるが、入力部および出力部が接触する対象物の表面ではラテラル波が伝搬し、対象物の表面から数ミリメートルの深さまでの範囲の欠損を探索できない不感帯が生じ、対象物の表面の欠損を好適に探索できないことがある。
図1は、本発明の実施形態に係る超音波自動斜角探傷装置1の概略構成図である。
図2は、図1の超音波自動斜角探傷装置1の制御系および処理系を示す概略ブロック図である。
図1および図2に示す超音波自動斜角探傷装置1は、超音波により、たとえばガス管、ガスタンクなどの対象物61の傷などの欠損を探索する装置である。
探索に超音波を使用するため、超音波自動斜角探傷装置1は、ガス管、ガスタンクにガスが充填されている使用中の状態において、欠損を探索できる。
なお、図1には、溶接された対象物61が図示されている。
溶接線L1から所定幅の範囲を溶接部W1とよぶ。
溶接部W1の約3倍の範囲を探傷範囲W2とよぶ。
スキャナ装置3は、たとえば、ハウジング11と、一対のゴム付きマグネットタイヤ12と、エンコーダ13と、第1探触子14、第2探触子15および第3探触子16の複数の探触子と、を有する。
これにより、スキャナ装置3は、マグネットタイヤ12が対象物61の表面S0に吸着した状態で、対象物61の表面S0を、複数の探触子の配列方向と垂直な方向へ移動できる。たとえば図1に示すように、対象物61の溶接部W1が直線状に延びている場合、その直線状の溶接部W1に沿って移動できる。
ガス管、ガスタンクなどでは、直線状の溶接部W1に沿ってスキャナ装置3を移動させて、傷などの欠損を探索する。
エンコーダ13は、マグネットタイヤ12に従って回転し、マグネットタイヤ12の回転量に応じたパルス信号を出力する。
スキャナコントローラ2は、スキャナ装置3の動作を制御する。たとえばエンコーダ13から入力されるパルス信号に基づいて、複数の探触子による超音波の入出力を制御する。
スキャナコントローラ2は、エンコーダ13から入力されるパルス信号から、スキャナ装置3の移動量を示す走行データ19を生成し、コンピュータ装置5へ出力する。
ホルダ21は、振動板23、導波部材22を、ハウジング11に固定する。
導波部材22は、たとえば円柱形状を有する。導波部材22は、その底面で対象物61の表面S0と接触する。
振動板23は、導波部材22のたとえば上面に配置される。
振動板23は、たとえば5〜10mm平方の超音波の伝搬方向に小さいサイズのものである。これにより、第1探触子14は、振動板23で発生させた横波の超音波を、導波部材22から対象物61へ入力する。
超音波の周波数は、たとえば2から5MHzである。このような比較的低い周波数の横波の超音波を対象物61へ斜めに入力することにより、超音波は、対象物61内で分散して広がり易くなる。たとえば、導波部材22がアクリル製であり、対象物61が金属製のガス管である場合、導波部材22を対象物61に約68.5度に傾斜した角度で接触させることにより、2から5MHzの超音波は、スネルの法則により接触面で屈折し、対象物61内で比較的広い範囲に広がり易くなる。
また、振動板23は、対象物61から導波部材22に伝わった反射波を検出し、反射波の波形成分を含む検出信号(エコー信号)を探傷器4へ出力する。
振動板23は、超音波の直進方向での反射波のみならず、従来の超音波自動斜角探傷方法では利用していなかった、入射方向から斜めに広がった超音波の欠損による反射波を検出する。
なお、導波部材22と対象物61との間で超音波が伝搬し易くなるように、導波部材22と対象物61との間に、吸水性シートを挟んでもよい。吸水性シートにより接触面に水を保持することができ、超音波の伝達損失を少なくできる。
よって、超音波を出力した後の振動板23による検出信号には、対象物61内で広がった超音波についての、対象物61の表面S0および裏面S1の両面による反射波成分と、対象物61の欠損による反射波成分とが含まれる。
探傷器4は、たとえば、第1ログアンプ31、第2ログアンプ32および第3ログアンプ33の複数のログアンプと、第1ADC(Analog to Digital Converter)34、第2ADC35および第3ADC36の複数のADCと、記憶部37と、を有する。
超音波自動斜角探傷方法で用いる探傷器4では、ログアンプの替わりに、リニアアンプを使用している。超音波自動斜角探傷方法では、探触子が移動方向と垂直な方向に走査され、超音波を出力した所定の一方向からの反射波が、探触子の振動板23による検出信号から検出できれば十分だからである。
ログアンプは、リニアアンプと異なり、広いダイナミックレンジの信号を等価デシベル値に圧縮する。対数コンバータとして機能する。たとえば後述する図6の例であれば、少なくとも−30dBから−50dBの反射波成分を含む振動板23の検出信号を、ICの入出力レベルのたとえば0から5Vの振幅の信号へ変換できるものであればよい。
ログアンプは、感度補正が十分に可能なものであればよい。
第3ログアンプ33は、第3探触子16の振動板23に接続される。
第2ログアンプ32および第3ログアンプ33の構成は、第1探触子14と同様であり、説明を省略する。
第2ADC35は、第2ログアンプ32に接続される。第2ADC35は、第2ログアンプ32の出力信号をデジタル値へ変換する。第2ログアンプ32は、記憶部37へデジタル値を出力する。
第3ADC36は、第3ログアンプ33に接続される。第3ADC36は、第3ログアンプ33の出力信号をデジタル値へ変換する。第3ログアンプ33は、記憶部37へデジタル値を出力する。
記憶部37は、第1ADC34から入力されるデジタル値を蓄積して記憶する。これにより、記憶部37は、第1探触子14の振動板23により検出された反射波成分を含む検出信号の全波形の波形データを、第1波形データ38として記憶する。
記憶部37は、第2探触子15の振動板23により検出された反射波成分を含む検出信号の全波形の波形データを、第2波形データ39として記憶する。
記憶部37は、第3探触子16の振動板23により検出された反射波成分を含む検出信号の全波形の波形データを、第3波形データ40として記憶する。
I/Oポート41は、たとえばIEEE(the Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.)802.3規格による通信ケーブルにより、探傷器4、スキャナコントローラ2に接続される。
表示部42は、対象物61についての探傷結果を表示する。
表示部42は、たとえば対象物61を直交3軸方向で見た断面図により、探傷結果を表示する。
CPU43は、メモリ44に記憶されるプログラムを実行する。
これにより、コンピュータ装置5には、解析部46が実現される。
メモリ44に記憶されるプログラムは、コンピュータ装置5の出荷前に記憶されたものでも、出荷後に記憶されたものでもよい。出荷後にメモリ44に記憶されるプログラムは、インターネットなどの通信媒体を介してサーバ装置からダウンロードしたものであっても、CD−ROM(Compact Disc - Read Only Memory)などのコンピュータ読取可能な記録媒体に記録されていたものをインストールしたものであってもよい。
図3(A)は、第1探触子14の超音波の分散範囲である。
図3(B)は、第2探触子15の超音波の分散範囲である。
図3(C)は、第3探触子16の超音波の分散範囲である。
これらの図面では、対象物61内で超音波が拡散して進行することが解りやすくなるように、対象物61の表面S0、0.5スキップの裏面S1、1.0スキップの仮想表面S2、1.5スキップの仮想裏面S3が図示されている。
仮想表面S2は、裏面S1を基準として、表面S0を写像したものである。
仮想裏面S3は、仮想表面S2を基準として、裏面S1を写像したものである。
なお、ガス管は円筒形であり、ガスタンクは球形であるが、以下の説明では、説明を簡易にするために、平板の対象物61を例に説明する。
第1探触子14の振動板23が発生させた超音波は、導波部材22を通じて、対象物61の表面S0から対象物61に入射する。対象物61に入射された超音波は、対象物61内で分散して広がる。損傷が無い場合、超音波は、まず対象物61の裏面S1で反射され、次に表面S0で反射され、さらに裏面S1で反射される。
よって、たとえば図3(A)のタイミングT11からタイミングT12までの区間に対応する振動板23の検出信号には、対象物61の溶接部W1または探傷範囲W2において反射された反射波成分が含まれる。
検出信号の同一タイミングでの反射波成分には、たとえば図3(A)の第1経路L2による反射波成分と、第2経路L3による反射波成分とが含まれる。第1探触子14から同一距離となる範囲A1における反射波成分が、同一タイミングの反射波成分として含まれる。
そして、対象物61の溶接部W1または探傷範囲W2に傷などの欠損が生じている場合、第1探触子14の振動板23の検出信号の全波形についての、タイミングT11からタイミングT12までの区間には、大きな反射波成分が含まれる。反射波成分によるピークが形成される。
第1波形データ38には、たとえば1.0スキップまでの検出信号の全波形データが記録される。
そして、対象物61の溶接部W1または探傷範囲W2に傷などの欠損が生じている場合、第2探触子15の振動板23の検出信号の全波形についての、タイミングT21からタイミングT22までの区間には、大きな反射波成分が含まれる。
第2波形データ39には、たとえば1.5スキップまでの検出信号の全波形データが記録される。
そして、対象物61の溶接部W1または探傷範囲W2に傷などの欠損が生じている場合、第3探触子16の振動板23の検出信号の全波形についての、タイミングT31からタイミングT32までの区間には、大きな反射波成分が含まれる。
第3波形データ40には、たとえば1.5スキップまでの検出信号の全波形データが記録される。
図4(A)は、図3(A)から(C)を重ねたものである。
また、開口合成法により、各傷の位置および大きさを正確に算出できる。
よって、対象物61の表面S0については、図4(C)のように複数の反射波成分が得られる、溶接部W1または探傷範囲W2のすべての範囲について、開口合成法により、欠損の個数、各欠損の位置および大きさを正確に算出できる。
スキャナ装置3は、移動に応じてエンコーダ13からパルス信号を出力する。スキャナコントローラ2は、パルス信号の入力に基づいて、スキャナ装置3の移動を判別する(ステップST1)。
コンピュータ装置5のCPU43は、走行データ19をメモリ44に保存する。
第1探触子14では、振動板23が対象物61へパルス状の超音波を出力し、振動板23が反射波を検出する。探傷器4では、第1ログアンプ31が振動板23の検出信号を増幅し、第1ADC34がデジタル値へ変換し、記憶部37がデジタル値を蓄積する。記憶部37が所定時間のデータを蓄積することで、スキャナ装置3の現在位置においての、第1探触子14の反射波による探傷範囲W2の全波形データが、第1波形データ38として記憶される。
記憶部37には、スキャナ装置3の現在位置においての、第2探触子15の反射波による探傷範囲W2の全波形データが、第2波形データ39として記憶される。
記憶部37には、スキャナ装置3の現在位置においての、第3探触子16の反射波による探傷範囲W2の全波形データが、第3波形データ40として記憶される。
解析部46は、複数の波形データについて、開口合成処理により解析する。
これにより、走行データ19により示されるスキャナ装置3の位置での傷などの欠損の有無などが得られる。
解析部46は、生成した表示データを表示部42へ出力する。
表示部42は、表示データを表示する(ステップST7)。
表示部42には、たとえば対象物61を直交3軸方向で見た断面図において、欠損を色分け表示する探傷結果画面が表示される。
表示部42には、対象物61の傷などの欠損がリアルタイムに表示される。
図6は、開口合成処理による傷(欠損)の探索処理の一例の説明図である。
図6(A)は、探触子と対象物61の裏面S1の欠損との相対位置の説明図である。
図6(A)には、探触子の位置として、第1位置P1、第2位置P2、第3位置P3および第4位置P4の、4つの位置が図示されている。
図6(B)は、探触子と対象物61の欠損との相対位置に応じた、0.5ステップでの反射波成分の検出信号のレベルの一例の特性図である。
上段は、探触子と欠損との相対距離である。
下段は、探触子の振動板23による反射波成分の検出信号のレベルである。
なお、図6(B)の特性は、標準試験片SAB−A1屈折角が68.5°、入射点が6.5mm、周波数が4MHz、振動板23の寸法が5×10mm、−12dBの屈折範囲が62°〜80°の場合の例である。
図6(D)は、欠損から遠い第4位置P4にある第2探触子15による第2波形データ39である。
これらの波形データは、全波形データである。横軸は、たとえば振動板23から超音波を出力したタイミングを基準とした、時間である。
そして、図6(A)の欠損による反射波成分は、相対距離に対応するタイミングで、波形データに含まれる。
図6(E)の解析処理では、解析部46は、拡散損失及び散乱減衰による検出感度の低下を防ぐため、個々の探触子のビーム路程毎に感度補正を実施する。
たとえば標準試験片STB−A2系又はRB−41のNo.2を用いて補正する。
探傷感度は、直径4mm且つ深さ4mmの縦穴によるエコー高さをH線に合わせた感度とすればよい。
そして、メモリ44に記憶された図6(B)の特性図に基づいて、補正する。
ここで、H線レベルが−30dBであると仮定すると、解析部46は、図6(B)の−42dBを−30dBとするように、切り出した波形データのレベルを−12dBで補正する。
補正後の切り出した波形データのレベルが、たとえばL線レベル以上である場合、解析部46は、欠損を検出する。
傷の検出レベルは、直径4mm且つ深さ4mmの縦穴によるエコー高さをH線に合わせた、それより12dB低いエコー高さとすればよい。
なお、振動板23の検出信号は、第1ログアンプ31により増幅されているため、実際に第1波形データ38に記録されている波形のレベルは、振動板23による検出信号のレベルとは異なる。よって、解析部46は、第1ログアンプ31の増幅特性を考慮して、欠損を検出する。
この場合、解析部46は、図6(B)の−40dBを−30dBとするように、切り出した波形データのレベルを−10dBで補正する。
補正後の切り出した波形データのレベルが、たとえばL線レベル以上である場合、解析部46は、欠損を検出する。
なお、振動板23の検出信号は、第2ログアンプ32により増幅されているため、実際に第2波形データ39に記録されている波形のレベルは、振動板23による検出信号のレベルとは異なる。よって、解析部46は、第2ログアンプ32の増幅特性を考慮して、欠損を検出する。
解析部46は、たとえば切り出した2つの波形データの極大値を比較し、解析対象の範囲に存在する欠損の個数、各欠損の位置、大きさを特定する。
解析部46は、探傷範囲W2に存在する対象物61の両面および内部の損傷について、個数、位置、大きさ、範囲を特定する。
この際、探触子は、対象物61に対して4MHzの超音波を入力する。超音波は、対象物61内で分散して広がる。
なお、2MHzの超音波、または、5MHzの超音波でも、対象物61内で分散して広がる。2MHz以上かつ5MHz以下の超音波は、対象物61内で分散して広がる。
また、ログアンプは、探触子の振動板23の検出信号に含まれる、分散して反射された超音波の反射波成分を増幅する。ログアンプにより、分散した超音波についての微小な反射波成分も大きな反射波成分も共に増幅される。
よって、解析部46が増幅後の検出信号の波形を解析することにより、超音波が分散して広がった範囲の欠損を探索できる。
超音波自動斜角探傷方法のように、探触子を、スキャナ装置3の移動方向と交差する方向へ走査させることなく、広い範囲について欠損を探索できる。単一方向の欠損だけでなく、広い方向の範囲についての欠損を探索できる。
よって、対象物61の両面の欠損を探索できる。
本実施形態では、対象物61の両面の欠損を短時間で探索できる。
よって、対象物61内で超音波が分散して広がっているにもかかわらず、ある範囲に存在する欠損について、欠損の個数および位置を正確に探索できる。対象物61内で超音波の分散範囲が重なる領域について、欠損の個数および位置を正確に探索できる。短時間で探索された対象物61の両面について、欠損の個数および位置を正確に探索できる。
TOFD法と同様に一方向の走査で探傷できるため、探傷時間が短くなり、工事期間を短縮できる。
パルス反射法を用いるため、対象物61の内外面の開口傷を極めて良好に検出できる。
開口合成法を行うことにより、傷の位置を高い精度で特定できる。
探触子と対象物61との接触面に水を保持するため、音の抜けが極めて少ない。
ログアンプを用いた全波形収録により、探傷結果の信頼性向上できる。
探傷結果を3方向画像で表示するため、探傷結果の確認が容易である。
マグネットタイヤ12を駆動輪として使用し、検査時間を短縮できる。
この他にもたとえば、スキャナ装置3は、2つの探触子を有しても、4つ以上の探触子を有してもよい。また、複数の探触子は、スキャナ装置3において一列に配置されても、複数列に分けて配置されてもよい。
この他にも複数の探触子は、溶接線L1の両側に配置されてもよい。複数の探触子は、たとえば、溶接線L1の右側に3個、左側に3個配置されてよい。この複数の探触子は、溶接線L1に対して左右対称な配置となるようにたとえば一列に配置されてよい。
そして、溶接線L1の右側の複数の探触子は、溶接線L1の右側を探傷する。溶接線L1の左側の複数の探触子は、溶接線L1の左側を探傷する。これにより、溶接線L1に沿ってスキャナ装置3を1回移動させることで、該溶接線L1についての溶接部W1および探傷範囲W2を探傷するためのすべての波形データを得ることができる。
この他にもたとえば、第1ログアンプ31は、入力される検出信号を増幅するととともにデジタル値へ変換するものであってもよい。この場合、第1ログアンプ31は、記録部37に接続すればよい。第2ログアンプ32、第3ログアンプ33についても同様である。
また、探傷器4には、1組のログアンプおよびADCを設け、ログアンプと第1探触子14、第2探触子15および第3探触子16との間にセレクタを設け、1組のログアンプおよびADCを、第1探触子14、第2探触子15および第3探触子16により時分割に使用してもよい。
2 スキャナコントローラ
3 スキャナ装置(移動体)
4 探傷器
5 コンピュータ装置
14 第1探触子(入出力部)
15 第2探触子(入出力部)
16 第3探触子(入出力部)
31 第1ログアンプ(ログアンプ)
32 第2ログアンプ(ログアンプ)
33 第3ログアンプ(ログアンプ)
37 記憶部
46 解析部
61 対象物
S0 表面
Claims (5)
- 欠損が探索される対象物の表面上を移動する移動体と、
前記移動体に設けられ、前記対象物の表面から超音波を入れて反射波を検出する入出力部と、
前記入出力部から出力される検出信号を増幅するアンプと、
前記アンプにより増幅された前記検出信号を蓄積し、前記検出信号の波形を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記検出信号の波形を解析して前記対象物の欠損を探索する解析部と、
を有し、
前記入出力部は、前記対象物内で分散して広がる超音波を前記対象物へ入力し、分散して反射された超音波の反射波成分を含む検出信号を出力し、
前記アンプは、前記検出信号に含まれる、分散して反射された超音波の反射波成分を、ログアンプにより増幅する、
欠損探索装置。 - 前記移動体には、複数の前記入出力部が、前記移動体の移動方向と交差する向きに並べて設けられ、
複数の前記入出力部は、前記対象物内で互いの超音波の分散範囲が重なるように、少なくとも1つの前記入出力部が前記対象物に対して斜めに超音波を入力し、
前記解析部は、前記記憶部に記憶された検出信号の波形を、前記対象物内での前記超音波の分散範囲の重なりに基づいて開口合成法により解析し、前記対象物の欠損の位置を探索する、
請求項1記載の欠損探索装置。 - 前記入出力部は、前記対象物に対して2MHz以上且つ5MHz以下の超音波を入力することにより、前記対象物内において前記超音波を分散して広がらせる、
請求項1または2記載の欠損探索装置。 - 欠損が探索される対象物の損傷を探索する装置に用いられるスキャン装置であって、
前記対象物の表面上を移動する移動体と、
前記移動体に設けられ、前記対象物の表面から超音波を入れて反射波を検出する入出力部と、
前記入出力部から出力される検出信号を増幅するアンプと、
を有し、
前記入出力部は、前記対象物内で分散して広がる超音波を前記対象物へ入力し、分散して反射された超音波の反射波成分を含む検出信号を出力し、
前記アンプは、前記検出信号に含まれる、分散して反射された超音波の反射波成分を、ログアンプにより増幅する、
スキャン装置。 - 欠損が探索される対象物の表面上を移動する移動体に設けた入出力部から前記対象物へ超音波を入れて、前記入出力部により反射波を検出する測定ステップと、
前記入出力部から出力される検出信号を蓄積して記憶部に前記検出信号の波形を記憶する記憶ステップと、
前記記憶部に記憶された前記検出信号の波形を解析して前記対象物の欠損を探索する解析ステップと、
を有し、
前記測定ステップでは、前記入出力部から前記対象物へ、前記対象物内で分散して広がる超音波を入力し、分散して反射された超音波の反射波成分を含む検出信号を出力し、
前記記憶ステップでは、前記入出力部と前記記憶部との間に接続されたログアンプにより、前記検出信号に含まれる、分散して反射された超音波の反射波成分を増幅して蓄積する、
欠損探索方法。
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- 2012-05-31 JP JP2012125127A patent/JP5957297B2/ja active Active
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