JP2014153221A - Detection system for oxide layer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、密着層を介して遮熱層が形成されたタービンブレードなどの被検体に対して、被検体中に生じた酸化物層を検出することができる酸化物層の検出システムに関する。 The present invention relates to an oxide layer detection system capable of detecting an oxide layer generated in a specimen such as a turbine blade having a heat shielding layer formed through an adhesion layer.
図1(a)に示すように、火力発電用ガスタービンのタービンブレード1は、高温下で使用されるため、金属基材2の表面に密着層3を介して遮熱層4が設けられた構成を有している。例えば、密着層3は、MCrAlY合金(M=Ni,Co又はその組み合わせ)が用いられ、遮熱層4はイットリア安定化ジルコニア(YSZ)が用いられる。
As shown in FIG. 1 (a), the
図1(b)に示すように、タービンブレード1は、高温酸化雰囲気下において経年使用されると、密着層3と遮熱層4との間に熱酸化物(以下、界面酸化層5)が形成される。界面酸化層5が形成されると、遮熱層4の接合強度が低下し、空気層が生成され、遮熱層4が密着層3から剥離した状態となる。そして、この剥離面積が増大すると、図1(c)に示すように遮熱層4の一部が剥離してしまう。
As shown in FIG. 1B, when the
よって、このような遮熱層4の剥離が起きる前に界面酸化層5を早期に発見することが重要である。
Therefore, it is important to discover the
非破壊で界面酸化層5を検出する手法としては、光ルミネッセンス法が挙げられる。光ルミネッセンス法は、界面酸化層5を光励起し、その発光を測定する方法である。例えば、図2に示すように、レーザ光を被検体たるタービンブレード1に照射するレーザ光源100と、該レーザ光により光励起した発光を検出する分光装置101とを用いて光ルミネッセンス法を実施することができる。
As a technique for detecting the
密着層3を構成する元素は、Ni,Co、Cr、Al、Yであるため、界面酸化層5としては、NiCr2O4、Cr2O3、NiO、Al2O3、AlYO3、Al5Y3O12などの酸化物が存在する。したがって、Al2O3中にCr3+が存在する界面酸化層5にレーザ光源100からレーザ光を照射して光励起させると、赤色の光を放出する。分光装置101において赤色の光が観察されれば、密着層3と遮熱層4との間に界面酸化層5が存在すると判断することができる。
Since the elements constituting the
このようなレーザ光による光励起に基づいて遮熱層の剥離損傷を評価する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。当該方法は、予め、遮熱層と金属基材との間に希土酸化物層を形成しておく。また一方で、排気ガス通路部にX線又は紫外線を照射する。遮熱層が剥離して希土酸化物層が排ガスとともに排気ガス通路部に到達すると、X線により希土酸化物層から蛍光が観測されるので、これをもって遮熱層の剥離を検出するものである。 A method for evaluating the peeling damage of the thermal barrier layer based on such photoexcitation by laser light has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this method, a rare earth oxide layer is formed in advance between the heat shield layer and the metal substrate. On the other hand, the exhaust gas passage is irradiated with X-rays or ultraviolet rays. When the thermal barrier layer is peeled off and the rare earth oxide layer reaches the exhaust gas passage with the exhaust gas, fluorescence is observed from the rare earth oxide layer by X-rays. It is.
しかしながら、特許文献1に係る評価方法は、界面酸化層が形成され、遮熱層が剥離した後において、そのことを検出するものである。したがって、界面酸化層が形成されたことを早期に発見することができない。
However, the evaluation method according to
また、単に、タービンブレードに対して光ルミネッセンス法を適用すると、遮熱層における光の減衰が大きいため、界面酸化層にまでレーザを到達させるためにはW級のレーザなど比較的高光強度のレーザ光源が必要となる。このような高強度のレーザ光源をガスタービンが設置された現場に持ち込むことは困難である。特に、パルスレーザを用いる場合、大容量の電源(例えば200V)が必要であり、水冷も必要となる大型の装置を用いなければならない。このため、そのようなパルスレーザを出力する光源装置は、火力発電用ガスタービンが設置された現場においては不適である。 If the photoluminescence method is simply applied to the turbine blade, the attenuation of light in the thermal barrier layer is large, so a laser with a relatively high light intensity such as a W-class laser is required to reach the interface oxide layer. A light source is required. It is difficult to bring such a high-intensity laser light source to the site where the gas turbine is installed. In particular, when a pulse laser is used, a large-capacity power source (for example, 200 V) is required, and a large-sized device that requires water cooling must be used. For this reason, a light source device that outputs such a pulsed laser is not suitable for a site where a thermal power generation gas turbine is installed.
なお、このような問題は、ガスタービンのタービンブレードのみならず、高温酸化雰囲気の下で使用され、酸化層が形成されうる被検体全てに生じ得るものである。 Such a problem can occur not only in turbine blades of gas turbines but also in all objects that are used in a high-temperature oxidizing atmosphere and can form an oxide layer.
本発明は、上記事情に鑑み、小型化した励起光源を用い、光ルミネッセンス法により酸化物層を検出することができる酸化物層の検出システムを提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide an oxide layer detection system capable of detecting an oxide layer by a photoluminescence method using a miniaturized excitation light source.
上記目的を達成するための第1の態様は、金属基材に密着層を介して遮熱層が形成された被検体に酸化物層が生じたことを検出する酸化物層の検出システムであって、励起光として連続発振レーザ光又はLED光を出力して前記被検体に照射する光源装置と、前記被検体に生じた酸化物層が前記励起光により放出する蛍光を検出する蛍光検出装置とを備えることを特徴とする酸化物層の検出システムにある。 A first aspect for achieving the above object is an oxide layer detection system for detecting that an oxide layer is formed on a specimen in which a heat shielding layer is formed on a metal substrate via an adhesion layer. A light source device that outputs continuous wave laser light or LED light as excitation light and irradiates the subject, and a fluorescence detection device that detects fluorescence emitted by the excitation light from the oxide layer generated on the subject; An oxide layer detection system comprising:
かかる第1の態様は、励起光として連続発振レーザ又はLED光を出力する光源装置を採用した。このような光源装置は、大きさが小型であり、通常の商用電源(100V)で稼働し、また水冷の必要もない。したがって、被検体が設置されている現場において、本検出システムを構成し、その場で被検体に酸化物層が生じているか否かを検査することができる。 The first aspect employs a light source device that outputs continuous wave laser or LED light as excitation light. Such a light source device is small in size, operates with a normal commercial power supply (100 V), and does not require water cooling. Therefore, the present detection system can be configured at the site where the subject is installed, and it can be inspected whether or not an oxide layer is generated on the subject.
本発明の第2の態様は、第1の態様に記載する酸化物層の検出システムにおいて、一方側に第1端部及び第2端部を有し、反対側に第3端部を有する二分岐光ファイバを備え、前記第1端部は、前記光源装置に光学的に接続され、前記第2端部は、前記蛍光検出装置に光学的に接続され、前記第3端部は、前記光源装置からの励起光を前記被検体に照射するとともに、前記被検体から放出された前記蛍光を受光するように構成されていることを特徴とする酸化物層の検出システムにある。 According to a second aspect of the present invention, in the oxide layer detection system according to the first aspect, the first end and the second end are provided on one side, and the third end is provided on the opposite side. A branch optical fiber, wherein the first end is optically connected to the light source device, the second end is optically connected to the fluorescence detection device, and the third end is the light source An oxide layer detection system is configured to irradiate the subject with excitation light from an apparatus and to receive the fluorescence emitted from the subject.
かかる第2の態様では、任意の位置に励起光を導くとともに任意の位置で被検体からの蛍光を受光できるので、被検体、光源装置及び分光装置の相対的な配置に関わらず酸化物層の有無の検査を行うことができる。 In the second aspect, since the excitation light can be guided to an arbitrary position and the fluorescence from the subject can be received at the arbitrary position, the oxide layer can be formed regardless of the relative arrangement of the subject, the light source device, and the spectroscopic device. A presence / absence check can be performed.
本発明の第3の態様は、第1又は第2の態様に記載する酸化物層の検出システムにおいて、前記蛍光検出装置は、前記被検体から放出された蛍光のスペクトルを解析する分光装置であり、前記分光装置は、前記被検体に生じた酸化物層が励起光により放出する蛍光の波長を前記スペクトルから検出することを特徴とする酸化物層の検出システムにある。 According to a third aspect of the present invention, in the oxide layer detection system according to the first or second aspect, the fluorescence detection device is a spectroscopic device that analyzes a spectrum of fluorescence emitted from the subject. The spectroscopic device is an oxide layer detection system that detects, from the spectrum, the wavelength of fluorescence emitted from the oxide layer generated in the subject by excitation light.
かかる第3の態様では、分光装置を用いて蛍光を検出することができる。 In the third aspect, fluorescence can be detected using a spectroscopic device.
本発明の第4の態様は、第3の態様に記載する酸化物層の検出システムにおいて、前記分光装置で得られた前記スペクトルが情報として入力される解析装置を備え、前記解析装置は、スペクトルの各波長についてメディアンフィルタ処理を行うことでノイズを除去することを特徴とする酸化物層の検出システムにある。 According to a fourth aspect of the present invention, in the oxide layer detection system according to the third aspect, the system includes an analysis device that inputs the spectrum obtained by the spectroscopic device as information. The oxide layer detection system is characterized in that noise is removed by performing median filtering for each of the wavelengths.
かかる第4の態様では、スペクトルからスパイク状のノイズを除外するので、より確実に蛍光を検出することができる。 In the fourth aspect, since spike noise is excluded from the spectrum, fluorescence can be detected more reliably.
本発明の第5の態様は、第4の態様に記載する酸化物層の検出システムにおいて、前記解析装置は、前記酸化物層が励起光により放出する蛍光の波長以外を背景光として除去することを特徴とする酸化物層の検出システムにある。 According to a fifth aspect of the present invention, in the oxide layer detection system according to the fourth aspect, the analysis device removes, as background light, other than the wavelength of the fluorescence emitted by the oxide layer by excitation light. An oxide layer detection system characterized by:
かかる第5の態様では、スペクトルから背景光を除外するので、より確実に蛍光を検出することができる。 In the fifth aspect, since background light is excluded from the spectrum, fluorescence can be detected more reliably.
本発明の第6の態様は、第1又は第2の態様に記載する酸化物層の検出システムにおいて、前記蛍光検出装置は、被検体からの蛍光及び背景光を含む入射光が導かれ、該入射光の強度を表す第1の信号及び第2の信号をそれぞれ出力する第1の光電子増倍管及び第2の光電子増倍管を有し、第1の光電子増倍管は、前記酸化物層が励起光により放出する蛍光の波長を中心波長とする第1干渉フィルタを介して前記入射光が入射され、第2の光電子増倍管は、背景光の波長を中心波長とする第2干渉フィルタを介して前記入射光が入射され、前記第1の信号及び前記第2の信号の差分を被検体からの蛍光の強度を表す信号とするオシロスコープを備えることを特徴とする酸化物層の検出システムにある。 According to a sixth aspect of the present invention, in the oxide layer detection system according to the first or second aspect, the fluorescence detection device is configured to receive incident light including fluorescence and background light from a subject, A first photomultiplier tube and a second photomultiplier tube that respectively output a first signal and a second signal representing the intensity of incident light, wherein the first photomultiplier tube comprises the oxide The incident light is incident through the first interference filter whose center wavelength is the wavelength of the fluorescence emitted from the layer by the excitation light, and the second photomultiplier tube has the second interference whose center wavelength is the wavelength of the background light. Detecting an oxide layer, comprising: an oscilloscope that receives the incident light through a filter and uses a difference between the first signal and the second signal as a signal representing the intensity of fluorescence from a subject. In the system.
かかる第6の態様では、背景光の影響を除外して被検体からの蛍光を検出することができる。 In the sixth aspect, the fluorescence from the subject can be detected by removing the influence of background light.
本発明の第7の態様は、第6の態様に記載する酸化物層の検出システムにおいて、前記光源装置から出力される励起光を遮断可能なチョッパ装置と、前記オシロスコープは、前記チョッパ装置が励起光を遮断した際の前記第1の信号及び前記第2の信号の差分が無くなるように前記第1の信号及び前記第2の信号を補正することを特徴とする酸化物層の検出システムにある。 According to a seventh aspect of the present invention, in the oxide layer detection system according to the sixth aspect, the chopper device capable of blocking the excitation light output from the light source device and the oscilloscope are excited by the chopper device. An oxide layer detection system that corrects the first signal and the second signal so that a difference between the first signal and the second signal when light is blocked is eliminated. .
かかる第7の態様では、より一層、背景光の影響を低減することができる。 In the seventh aspect, the influence of background light can be further reduced.
本発明によれば、小型化した励起光源を用い、光ルミネッセンス法により酸化物層を検出することができる酸化物層の検出システムが提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the detection system of the oxide layer which can detect an oxide layer with a photoluminescence method using the reduced excitation light source is provided.
〈実施形態1〉
本実施形態に係る酸化物層の検出システム(以下、単に検出システムとも称する)は、被検体の一例として火力発電用ガスタービンを構成するタービンブレード1を対象とする。タービンブレード1は、上述したように、金属基材2に密着層3を介して遮熱層4が形成されたものである(図1参照)。タービンブレード1は、遮熱層4により金属基材2の熱酸化が保護されるが、経年使用により、密着層3及び遮熱層4との界面に界面酸化層5(酸化物層)が生じ得る。
<
An oxide layer detection system (hereinafter also simply referred to as a detection system) according to the present embodiment is directed to a
以降、このタービンブレード1に界面酸化層5が生じたことを検出することができる検出システムについて説明する。
Hereinafter, a detection system capable of detecting that the
図3は、実施形態1に係る酸化物層の検出システムの概略構成図である。図示するように、検出システム10は、光源装置20、光学系30、蛍光検出装置の一例である分光装置40、及び解析装置50を備えている。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the oxide layer detection system according to the first embodiment. As illustrated, the
光源装置20は、励起光として連続発振レーザ21を照射することができるものである。連続発振レーザ21としては、Arレーザ、Krレーザ、CO2レーザ、YAGレーザ、Nd:YAGレーザ、YVO4レーザ、YLFレーザ、YAlO3レーザ、GdVO4レーザ、Y2O3レーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、チタンサファイアレーザ、ヘリウムカドミウムレーザ等がある。測定対象の界面酸化層5に含まれる材質に応じて、これらのレーザから選択すればよい。
The
光源装置20の光軸上には、NDフィルタ(減光フィルタ)22とビーム拡大レンズ23とが配置されている。NDフィルタ22によりビーム拡大レンズ23に入る光の量を調整する。ビーム拡大レンズ23は、連続発振レーザ21の焦点距離を調節するものである。
On the optical axis of the
本実施形態では、ビーム拡大レンズ23として凹レンズを採用し、連続発振レーザ21の径がある程度広がった位置にタービンブレード1が配置されている。なお、ビーム拡大レンズ23として凸レンズを用い、レーザ光を一旦集光し、タービンブレード1を集光点よりも後方に配置することも可能である。
In the present embodiment, a concave lens is used as the
光学系30は、タービンブレード1から放出される蛍光を受光し、分光装置40に導くものである。本実施形態に係る光学系30は、受光部31と、光ファイバ32と、ロングパスフィルタ33とから構成されている。
The
受光部31は、タービンブレード1から所定距離を空けて配置され、受光部31とタービンブレード1との間にはロングパスフィルタ33が配置されている。
The
受光部31には、タービンブレード1から放射される蛍光が入射する他、タービンブレード1表面の反射光、周囲の環境光なども含めて入射する。これらの蛍光、反射光、環境光などを入射光と総称する。
In addition to the fluorescence emitted from the
ロングパスフィルタ33は、特定波長の光を透過させないフィルタである。具体的には、ロングパスフィルタ33は、受光部31への入射光のうち、主としてタービンブレード1表面からの反射光を除去するように特定波長が設定されている。
The
このように反射光が除去された入射光は、受光部31から光ファイバ32を介して分光装置40に導かれる。
The incident light from which the reflected light is thus removed is guided from the
分光装置40は、光源装置20からタービンブレード1に照射された連続発振レーザ21により生じた蛍光のスペクトルを解析し、タービンブレード1に生じた界面酸化層5が励起光により放出する蛍光の波長をスペクトルから検出する装置をいう。
The
本実施形態に係る分光装置40は、光ファイバ32から入射した入射光を回折格子で分光し、ICCDで受光し、該入射光のスペクトルを解析することができるものである。すなわち、受光部31に入射した入射光について波長ごとの強度を表すスペクトルが得られる。
The
このような分光装置40が解析したスペクトルに、タービンブレード1に励起光を照射したことにより放出される蛍光の波長が存在していれば、タービンブレード1に界面酸化層5が生じていると判定する。
If the spectrum analyzed by the
仮に、タービンブレード1に界面酸化層5が形成されていると、界面酸化層5のAl2O3中にCr3+が存在する。例えば、光源装置20としてNd:YAGレーザを採用し、波長532nm、出力200mWの連続発振レーザ21をタービンブレード1に照射すると、界面酸化層5に含まれるCr3+が励起され、数msにわたって赤色の蛍光を放射する。該蛍光は、波長が694.3nm、又は692.9nmであることが知られている。
If the
したがって、分光装置40で得られたスペクトル中に、Cr3+から放射された蛍光の波長の強度が相当程度認めることができれば、タービンブレード1には界面酸化層5が形成されていると判定することができる。
Therefore, if the intensity of the wavelength of the fluorescence emitted from Cr 3+ can be recognized to some extent in the spectrum obtained by the
受光部31に入射する光には、タービンブレード1から光励起により放射された蛍光のみならず、周囲の環境光が含まれる場合がある。また、分光装置40のICCDにおいて雑音が生じるおそれがある。したがって、分光装置40により得られるスペクトルには、過渡的なスパイク上のノイズが含まれる場合がある。
The light incident on the
このようなノイズによる影響を除外するために、検出システム10は、スペクトルのノイズを除去する解析装置50を備えていてもよい。
In order to exclude the influence of such noise, the
本実施形態に係る解析装置50は、CPU(中央処理装置)、記憶装置(RAM、ハードディスク等)、入出力装置(キーボード、マウス、ディスプレイ等)、各種インタフェース(USB、ネットワークアダプタ等)を備えた一般的な情報処理装置(パーソナルコンピュータ(PC))である。
The
解析装置50は、分光装置40からスペクトルが情報として入力され、スペクトルに対して所定のノイズ除去処理を実行する機能を有する。
The
以下、具体的なノイズ除去処理として、メディアンフィルタ処理と、背景光の除去処理を例示する。 Hereinafter, median filter processing and background light removal processing will be exemplified as specific noise removal processing.
メディアンフィルタ処理は、スペクトルに含まれる各波長について、当該波長及び前後N個の波長を含む2N+1個の波長を選択し、2N+1個の波長のうち強度が中間値となるものをその波長の強度とする処理である。もちろん、選択する波長の数は、例えばN=5として合計11個でよい。 In the median filtering process, for each wavelength included in the spectrum, 2N + 1 wavelengths including the wavelength and the preceding and following N wavelengths are selected, and the intensity of the 2N + 1 wavelengths having an intermediate value is determined as the intensity of the wavelength. It is processing to do. Of course, the number of wavelengths to be selected may be 11 in total, for example, N = 5.
このメディアンフィルタ処理により、スペクトルに含まれる分光装置40のICCDによる雑音を低減し、スパイク状のノイズを除去することができる。
By this median filter processing, noise caused by ICCD of the
図4(a)は、分光装置40で得られたスペクトルにメディアンフィルタ処理を施したものである(N=5)。横軸は波長を表し、縦軸はスペクトル強度を表している。A〜Cの各線は、被検体A〜Cに励起光を照射したときのスペクトルを表している。被検体Aは、金属基材に密着層を介して遮熱層を設け、1100℃で1000時間加熱したものである。被検体Bは、被検体Aと同様の構成であり、1100℃で100時間加熱したものである。被検体Cは、被検体Aと同様の構成であり、加熱は行っていない。
FIG. 4A shows a case where the spectrum obtained by the
図示するように、被検体A〜Cについてのスペクトルは、メディアンフィルタ処理によりスパイク状のノイズが除去されており、スペクトル中にCr3+の蛍光が存在するかを確認しやすくなっている。 As shown in the figure, the spectra of the subjects A to C have spike-like noise removed by the median filter process, and it is easy to confirm whether the fluorescence of Cr 3+ exists in the spectrum.
また、各スペクトルを検討すると、被検体A及び被検体Bについては、Cr3+の蛍光の波長694nm近傍においてスペクトルが観測された。一方、被検体Cについては、スペクトルは観測されなかった。この結果から、被検体A及び被検体Bには界面酸化層が存在し、被検体Cには界面酸化層が存在しないことが確認された。 Further, when each spectrum was examined, for the specimen A and the specimen B, a spectrum was observed in the vicinity of a wavelength of 694 nm of Cr 3+ fluorescence. On the other hand, no spectrum was observed for the subject C. From this result, it was confirmed that the interface oxide layer exists in the specimen A and the specimen B, and the interface oxide layer does not exist in the specimen C.
被検体A及び被検体Bを比較すると、熱処理時間が長い被検体Aのスペクトルが強い。したがって、熱処理時間が長いほど、界面酸化層にCr3+が多く蛍光の強度が強い傾向にあることが確認された。 When comparing the specimen A and the specimen B, the spectrum of the specimen A having a long heat treatment time is strong. Therefore, it was confirmed that the longer the heat treatment time, the more the Cr 3+ is in the interface oxide layer, and the stronger the fluorescence intensity is.
なお、波長694nmよりも長波長側には広帯域のルミネッセンスが観測された。 Note that broadband luminescence was observed on the longer wavelength side than the wavelength of 694 nm.
次に、背景光の除去処理について説明する。Cr3+による蛍光は裾の部分を含めると波長領域は690〜698nmである。この蛍光の波長領域以外は、背景光と見なすことができる。 Next, background light removal processing will be described. The fluorescence of Cr 3+ has a wavelength region of 690 to 698 nm including the tail. Except for the fluorescence wavelength region, it can be regarded as background light.
そこで、その波長領域の前後の680〜690nm及び698〜708nmの測定点に基づき背景光スペクトルを作製し、分光装置40で得られたスペクトルから背景光スペクトルを差し引く。
Therefore, a background light spectrum is created based on the measurement points of 680 to 690 nm and 698 to 708 nm before and after the wavelength region, and the background light spectrum is subtracted from the spectrum obtained by the
例えば、図4(a)に示したメディアンフィルタ処理後のスペクトルについて背景光スペクトルを作製し、差し引いたスペクトルを図4(b)に示す。 For example, a background light spectrum is created for the spectrum after the median filter processing shown in FIG. 4A, and the subtracted spectrum is shown in FIG. 4B.
同図に示すように、波長690〜698nm以外の波長領域において、スペクトル強度がほぼ0となった。このように背景光の除去処理を行うことで、背景光の影響を除去したスペクトルを得ることができる。そして、このスペクトルに基づき、励起光により生じた蛍光の有無を確認することで被検体に界面酸化層が生じたか否かを容易に判定することができる。 As shown in the figure, the spectral intensity was almost zero in the wavelength region other than the wavelength of 690 to 698 nm. By performing background light removal processing in this way, a spectrum from which the influence of background light is removed can be obtained. Based on this spectrum, it is possible to easily determine whether or not an interfacial oxide layer has occurred in the specimen by confirming the presence or absence of fluorescence generated by the excitation light.
以上に説明した構成の検出システム10によれば、光源装置20から連続発振レーザ21をタービンブレード1に照射し、その蛍光を分光装置40により解析されたスペクトルで確認することで、タービンブレード1に界面酸化層5が生じたか否かを判定することができる。
According to the
特に、本実施形態に係る検査システムでは、光源装置20として連続発振レーザ21を出力する装置を採用した。連続発振レーザ21を出力することができる光源装置20は、大きさが小型であり、通常の商用電源(100V)で稼働し、また水冷の必要もない。したがって、火力発電用ガスタービンが設置されている現場において、検出システム10を構成し、その場でタービンブレード1に界面酸化層5が生じているか否かを検査することができる。
In particular, in the inspection system according to the present embodiment, a device that outputs a
〈実施形態2〉
図5は、本実施形態に係る検出システムの概略構成図である。なお、実施形態1と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
<
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of the detection system according to the present embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same thing as
同図に示すように、本実施形態に係る光源装置20は、励起光としてLED光24を照射するものを用いる。LED光の色(波長)に特に限定はなく、測定対象の界面酸化層5に含まれる材質に応じて適宜選択すればよい。
As shown in the figure, the
光源装置20のLED光の照射口には、集光レンズ25が取り付けられており、LED光24の焦点を調節することが可能となっている。ここでは、集光レンズ25は、LED光24の径がある程度広がった位置にタービンブレード1が位置するように調整されている。
A
本実施形態に係る検出システム10は、実施形態1と同様に、光源装置20からLED光24をタービンブレード1に照射し、その蛍光を分光装置40により解析されたスペクトルで確認することで、タービンブレード1に界面酸化層5が生じたか否かを判定することができる。
As in the first embodiment, the
特に、光源装置20としてLED光24を出力する装置を採用した。この光源装置20は、レーザ光を出力する光源装置よりも安価で有り、入手も容易であることから、簡易的な励起光源として適している。したがって、本実施形態に係る検出システム10Aは、火力発電用ガスタービンが設置されている現場において、タービンブレード1に界面酸化層5が生じているか否かを安価にかつ容易に実施することができる。
In particular, a device that outputs LED light 24 is employed as the
〈実施形態3〉
図6は、本実施形態に係る検出システムの概略構成図である。なお、実施形態1と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
<
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a detection system according to the present embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same thing as
同図に示すように、本実施形態に係る検出システム10Bは、二分岐光ファイバ34を含む光学系30Bを有する。
As shown in the figure, the
二分岐光ファイバ34は、光ファイバの一端側が2つに分岐したものであり、各端部を第1端部35、第2端部36、及び第3端部37とする。第1端部35は光源装置20に光学的に接続され、第2端部36は分光装置40に光学的に接続されている。第3端部37は、光源装置20からの励起光をタービンブレード1に照射するとともに、タービンブレード1から放出された蛍光を受光する部分であり、第3端部37にはプローブ38が接続されている。
The bifurcated
すなわち、光源装置20から出力された励起光は、第1端部35から第3端部37に導かれ、プローブ38内に配置されたレンズ39を介してタービンブレード1に照射される。そして、当該励起光によりタービンブレード1から放出された蛍光は、レンズ39を介して第3端部37に受光され、第2端部36から分光装置40に導かれる。
That is, the excitation light output from the
このように、二分岐光ファイバ34を用いることで、光源装置20からの励起光を任意の位置に導くことができるとともに、その位置からタービンブレード1からの蛍光を分光装置40に導くことができる。すなわち、本実施形態に係る検出システム10Bによれば、任意の位置に励起光を導くとともに任意の位置でタービンブレード1からの蛍光を受光できるので、これらのタービンブレード1、光源装置20、及び分光装置40の相対的な配置に関わらず界面酸化層5の有無の検査を行うことができる。
In this way, by using the two-branch
〈実施形態4〉
図7は、本実施形態に係る検出システムの概略構成図である。なお、実施形態1〜3と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
<
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a detection system according to the present embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same thing as Embodiment 1-3, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
本実施形態に係る検出システム10Cは、光電子増倍管(PMT)を有する蛍光検出装置を用いる。光電子増倍管A、Bは、光を受光して電気信号に変換する装置である。
The
具体的には、蛍光検出装置60は、T字型のケース61を有し、T字の一端部(以下、入射部61c)に二分岐光ファイバ34の第2端部36が光学的に接続されている。T字の残りの2つの端部(以下、測定部61a、61b)には、光電子増倍管A(第1の光電子増倍管)、光電子増倍管B(第2の光電子増倍管)が配置されている。
Specifically, the
さらに、ケース61内には、測定部61a、測定部61b及び入射部61cに第1の干渉フィルタ62a、第2の干渉フィルタ62b、カットフィルタ62cがそれぞれ配置されている。
Further, in the
干渉フィルタとは、任意の波長域の光を選択的に透過させることが可能なフィルタである。第1の干渉フィルタ62aは、タービンブレード1から放射される蛍光の波長、例えば694nmを中心波長とする。第2の干渉フィルタ62bは、背景光(特に蛍光波長の近傍における背景光)の波長、例えば684nmを中心波長とする。また、カットフィルタ62cは、長波長側の必要な光だけを透過させ、短波長側の光を不透過とするものである。例えば、カットフィルタ62cは、600nmよりも短波長の光を不透過とするものとした。
The interference filter is a filter that can selectively transmit light in an arbitrary wavelength range. The
また、第1の干渉フィルタ62aと光電子増倍管Aとの間、第2の干渉フィルタ62bと光電子増倍管Bとの間、カットフィルタ62cと第2端部36との間にはそれぞれレンズ63が配置されている。さらに、第1の干渉フィルタ62a、第2の干渉フィルタ62b、カットフィルタ62cとの間には、ハーフミラー64が配置されている。
Further, there are lenses between the
このような蛍光検出装置60においては、入射部61cには、二分岐光ファイバ34から入射光(タービンブレード1からの蛍光及び背景光を含む)が入射される。該入射光はレンズ63で所定径に拡大され、カットフィルタ62cにより532nmよりも長波長の光のみがハーフミラー64に到達する。
In such a
ハーフミラー64により、入射光は第1の光電子増倍管A及び第2の光電子増倍管Bにそれぞれ分岐する。
Incident light is branched into the first photomultiplier tube A and the second photomultiplier tube B by the
第1の光電子増倍管Aには、第1の干渉フィルタ62aを透過した入射光がレンズ63を介して集光する。第1の干渉フィルタ62aにより、タービンブレード1から放射される蛍光の波長のみが選択されるので、この蛍光の波長に関する強度が電気信号として出力される。この電気信号を第1の信号と称する。第1の信号はオシロスコープ70のCH1に入力される。
Incident light that has passed through the
第2の光電子増倍管Bには、第2の干渉フィルタ62bを透過した入射光がレンズ63を介して集光する。第2の干渉フィルタ62bにより、背景光の波長のみが選択されるので、この背景光の波長に関する強度が電気信号として出力される。この電気信号を第2の信号と称する。第2の信号はオシロスコープ70のCH2に入力される。
Incident light that has passed through the
図8は、第1の信号及び第2の信号を表すオシロスコープでの表示例である。 FIG. 8 is a display example on an oscilloscope representing the first signal and the second signal.
図8(a)に示すように、CH1は、第1の干渉フィルタ62aを介して検知された光の強度を表す第1の信号であり、背景光とタービンブレード1からの蛍光(Cr3+の蛍光)を含むものである。一方、CH2は、第2の干渉フィルタ62bを介して検知された光の強度を表す第2の信号であり、背景光のみを含むものである。
As shown in FIG. 8A, CH1 is a first signal representing the intensity of light detected through the
したがって、図8(b)に示すように、第1の信号(CH1)と第2の信号(CH2)との差分は、タービンブレード1からの蛍光の強度のみを表す信号となる。
Therefore, as shown in FIG. 8B, the difference between the first signal (CH1) and the second signal (CH2) is a signal representing only the intensity of the fluorescence from the
このように、本実施形態に係る検出システム10Cによれば、背景光の影響を除外して、より正確にタービンブレード1からの蛍光の強度の信号を得ることができ、該信号に基づいて、タービンブレード1に界面酸化層5が生じたか否かを正確に判定することができる。
As described above, according to the
なお、光電子増倍管A及びBの特性の違いや、第1の干渉フィルタ62a及び第2の干渉フィルタ62bの特性の違いにより、背景光が光電子増倍管A及びBの双方で同じ信号レベルとして検出されるとは限らない。そこで、次のように、図7に示すように、光源装置20にチョッパ装置80を設ける。
Note that the background light has the same signal level in both the photomultiplier tubes A and B due to the difference in the characteristics of the photomultiplier tubes A and B and the difference in the characteristics of the
チョッパ装置80は、光源装置20から出力される励起光を周期的に遮断する装置である。また、チョッパ装置80は、励起光の光軸を遮っている/遮っていないときは、その旨を表す同期信号(閉/開)を出力する。この同期信号は、オシロスコープ70に入力されるようになっている(TRIG)。
The
図9(a)に同期信号、図9(b)に光源装置20から出力された励起光の強度のオシロスコープでの表示例を示す。チョッパ装置80により周期的に励起光が遮断されるため、励起光の強度が矩形波状に変化している。同期信号は、チョッパ装置80が励起光を遮断するタイミングに同期している。
FIG. 9A shows a synchronization signal, and FIG. 9B shows a display example of the intensity of the excitation light output from the
図9(c)は、チョッパ装置80が周期的な遮断動作をしているときの第1の信号(CH1)のオシロスコープでの表示例である。
FIG. 9 (c) is an example of display on the oscilloscope of the first signal (CH1) when the
チョッパ装置80が周期的に励起光を遮断しているときは、当該励起光により放出されるタービンブレード1からの蛍光も周期的となる。したがって、当該蛍光の強度を表す第1の信号も周期的に変化する。
When the
チョッパ装置80が「開」であるときは、第1の信号は、「開」に対応する区間αにおいてタービンブレード1からの蛍光と若干の背景光を含む強度である。一方、チョッパ装置80が「閉」であるときは、蛍光が生じない。よって、第1の信号は、「閉」に対応する区間βにおいて背景光のみの強度である。
When the
図9(d)は、チョッパ装置80が周期的な遮断動作をしているときの第2の信号(CH2)のオシロスコープでの表示例である。
FIG. 9D is an example of display on the oscilloscope of the second signal (CH2) when the
第2の信号は、蛍光検出装置60において背景光のみを選択的に検出した信号である。したがって、第2の信号は、背景光の強度のみを表している。
The second signal is a signal obtained by selectively detecting only background light in the
第1の信号の区間βにおける強度と、第2の信号の強度は、同じ背景光の強度を表しているので同じレベルでなければならない。よって、それらの背景光の強度が同じとなるように第1の信号及び第2の信号を補正する。 Since the intensity of the first signal in the section β and the intensity of the second signal represent the same background light intensity, they must be at the same level. Therefore, the first signal and the second signal are corrected so that the intensity of the background light becomes the same.
そして、そのような補正をした上で、図9(e)に示すように、第1の信号と第2の信号との差分をタービンブレード1からの蛍光の強度とする。
Then, after such correction, as shown in FIG. 9 (e), the difference between the first signal and the second signal is set as the intensity of the fluorescence from the
このように、光電子増倍管A及び光電子増倍管Bで得られる背景光の強度を同じレベルに補正することで、光電子増倍管A及びBの特性の違いや、第1の干渉フィルタ62a及び第2の干渉フィルタ62bの特性の違いによる影響を除外することができる。
Thus, by correcting the intensity of the background light obtained by the photomultiplier tube A and the photomultiplier tube B to the same level, the difference in the characteristics of the photomultiplier tubes A and B, the
このように、チョッパ装置80を用いる検出システム10Cによれば、より一層、背景光の影響を除外することができるので、より正確にタービンブレード1からの蛍光の強度の信号を得ることができ、該信号に基づいて、タービンブレード1に界面酸化層5が生じたか否かを正確に判定することができる。
As described above, according to the
〈他の実施形態〉
火力発電用ガスタービンで用いられるタービンブレードを被検体としたが、これに限定されない。すなわち、金属基材上に密着層を介して遮熱層が形成された被検体の一般に本発明を適用することができる。
<Other embodiments>
Although the turbine blade used in the gas turbine for thermal power generation is the subject, the present invention is not limited to this. That is, the present invention can be generally applied to an object in which a heat shielding layer is formed on a metal substrate via an adhesion layer.
実施形態1では、分光装置40で解析されたスペクトルについて、PC50でノイズの除去処理を行ったが、必ずしも必須ではない。また、ノイズの除去処理としてメディアンフィルタ処理と背景光の除去処理の双方を実施したが、何れか一方であってもよい。
In the first embodiment, noise removal processing is performed by the
実施形態4では、チョッパ装置80を用いたが、必須ではない。すなわち、光電子増倍管により得られた第1の信号及び第2の信号の差分を取ることでタービンブレード1からの蛍光の強度を得てもよい。
In the fourth embodiment, the
本発明は、タービンブレードなど高温下で用いられる被検体に酸化物が生じたか否かを非破壊で検査する産業分野で利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in the industrial field where non-destructive inspection is performed to determine whether or not oxide is generated in a specimen used at a high temperature such as a turbine blade.
1 タービンブレード(被検体)
2 金属基材
3 密着層
4 遮熱層
5 界面酸化層
10、10A、10B、10C検出システム
20 光源装置
21 連続発振レーザ
24 LED光
34 二分岐光ファイバ
40 分光装置
50 解析装置
60 蛍光検出装置
62a 第1の干渉フィルタ
62b 第2の干渉フィルタ
70 オシロスコープ
80 チョッパ装置
1 Turbine blade (subject)
2
Claims (7)
励起光として連続発振レーザ光又はLED光を出力して前記被検体に照射する光源装置と、
前記被検体に生じた酸化物層が前記励起光により放出する蛍光を検出する蛍光検出装置とを備える
ことを特徴とする酸化物層の検出システム。 An oxide layer detection system for detecting that an oxide layer is formed on a specimen in which a heat shielding layer is formed on a metal substrate via an adhesion layer,
A light source device that outputs continuous wave laser light or LED light as excitation light and irradiates the subject;
An oxide layer detection system comprising: a fluorescence detection device that detects fluorescence emitted by the excitation light generated by the oxide layer generated in the subject.
一方側に第1端部及び第2端部を有し、反対側に第3端部を有する二分岐光ファイバを備え、
前記第1端部は、前記光源装置に光学的に接続され、
前記第2端部は、前記蛍光検出装置に光学的に接続され、
前記第3端部は、前記光源装置からの励起光を前記被検体に照射するとともに、前記被検体から放出された前記蛍光を受光するように構成されている
ことを特徴とする酸化物層の検出システム。 In the oxide layer detection system according to claim 1,
A bifurcated optical fiber having a first end and a second end on one side and a third end on the opposite side;
The first end is optically connected to the light source device;
The second end is optically connected to the fluorescence detection device;
The third end is configured to irradiate the subject with excitation light from the light source device and to receive the fluorescence emitted from the subject. Detection system.
前記蛍光検出装置は、前記被検体から放出された蛍光のスペクトルを解析する分光装置であり、
前記分光装置は、前記被検体に生じた酸化物層が励起光により放出する蛍光の波長を前記スペクトルから検出する
ことを特徴とする酸化物層の検出システム。 In the detection system of the oxide layer according to claim 1 or 2,
The fluorescence detection device is a spectroscopic device that analyzes a spectrum of fluorescence emitted from the subject,
The said spectroscopic device detects the wavelength of the fluorescence which the oxide layer produced in the said test object discharge | releases with excitation light from the said spectrum. The detection system of the oxide layer characterized by the above-mentioned.
前記分光装置で得られた前記スペクトルが情報として入力される解析装置を備え、
前記解析装置は、スペクトルの各波長についてメディアンフィルタ処理を行うことでノイズを除去する
ことを特徴とする酸化物層の検出システム。 In the oxide layer detection system according to claim 3,
An analysis device for inputting the spectrum obtained by the spectroscopic device as information;
The said analysis apparatus removes noise by performing a median filter process about each wavelength of a spectrum. The oxide layer detection system characterized by the above-mentioned.
前記解析装置は、前記酸化物層が励起光により放出する蛍光の波長以外を背景光として除去する
ことを特徴とする酸化物層の検出システム。 The oxide layer detection system according to claim 4,
The said analysis apparatus removes except the wavelength of the fluorescence which the said oxide layer emits with excitation light as background light. The oxide layer detection system characterized by the above-mentioned.
前記蛍光検出装置は、被検体からの蛍光及び背景光を含む入射光が導かれ、該入射光の強度を表す第1の信号及び第2の信号をそれぞれ出力する第1の光電子増倍管及び第2の光電子増倍管を有し、
第1の光電子増倍管は、前記酸化物層が励起光により放出する蛍光の波長を中心波長とする第1干渉フィルタを介して前記入射光が入射され、
第2の光電子増倍管は、背景光の波長を中心波長とする第2干渉フィルタを介して前記入射光が入射され、
前記第1の信号及び前記第2の信号の差分を被検体からの蛍光の強度を表す信号とするオシロスコープを備える
ことを特徴とする酸化物層の検出システム。 In the detection system of the oxide layer according to claim 1 or 2,
The fluorescence detection apparatus is configured to receive a first photomultiplier tube from which incident light including fluorescence and background light from a subject is guided and output a first signal and a second signal representing the intensity of the incident light, respectively. Having a second photomultiplier tube;
In the first photomultiplier tube, the incident light is incident through a first interference filter whose center wavelength is the wavelength of fluorescence emitted from the oxide layer by excitation light,
The second photomultiplier tube receives the incident light through a second interference filter having a center wavelength of the wavelength of the background light,
An oxide layer detection system comprising: an oscilloscope that uses a difference between the first signal and the second signal as a signal representing the intensity of fluorescence from a subject.
前記光源装置から出力される励起光を遮断可能なチョッパ装置と、
前記オシロスコープは、前記チョッパ装置が励起光を遮断した際の前記第1の信号及び前記第2の信号の差分が無くなるように前記第1の信号及び前記第2の信号を補正する
ことを特徴とする酸化物層の検出システム。 The oxide layer detection system according to claim 6,
A chopper device capable of blocking excitation light output from the light source device;
The oscilloscope corrects the first signal and the second signal so that a difference between the first signal and the second signal when the chopper device blocks excitation light is eliminated. Oxide layer detection system.
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