JP2014211455A - 導電性材料からなる試験対象物における特に亀裂の渦電流表示を判定して評価する方法 - Google Patents

導電性材料からなる試験対象物における特に亀裂の渦電流表示を判定して評価する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】導電性材料からなる検査対象物の亀裂を渦電流表示を判定して的確に評価する。
【解決手段】事前設定された一定または可変の周波数をもつ交番電磁場を試験対象物に作用させ、試験対象物の表面区域で事前設定された複数の平行な測定トラックに沿って試験対象物で誘導される複数の渦電流を検出し、複数の渦電流信号を準備し、このとき各々の渦電流信号が１つの測定トラックに割り当てられ、複数の渦電流信号を予備処理し、測定トラック）、周波数、および測定トラックに沿った位置の関数として予備処理された測定量を準備し、これを演算処理し、複数の予備処理された測定量に対して振幅および／またはトラック位置が補正された複数の合成された亀裂信号を準備する手順に基づいて、亀裂
を評価する。
【選択図】図１

Description

本発明は、導電性材料からなる試験対象物における特に亀裂の渦電流表示を判定して評価する方法に関する。
数多くの材料試験において、非破壊の方法が必要である。たとえば金属からなる構成部品の表面は、腐食、酸化、拡散、およびその他の老化プロセスを引き起す環境にしばしば曝露される。機械的な負荷により、構成部品の表面に亀裂が引き起される可能性がある。
このことは、たとえば機械的・熱的な負荷によって表面の亀裂形成に特別にさらされるガスタービンの動翼や静翼についても当てはまる。このような翼輪の最新状態を定期的な間隔でチェックできるようにするために、非破壊の試験方法が必要である。
渦電流原理を適用することで、適切な非破壊の試験方法を実施することができる。この場合、周波数を調整可能な交番電磁場に試験対象物が曝露される。これにより試験対象物に渦電流が誘導される。この渦電流により生成される電磁場ないしその誘導電圧が検出される。このとき、この誘導電圧の振幅と位相を判定することができる。
構成部品の表面にある亀裂を調べることができるようにするために、渦電流法を適用することができる。亀裂の深さも、原則として渦電流法により判定することができる。しかしながら単純な亀裂と、密接して隣接する複数の亀裂とをどのようにすれば区別できるかは知られていない。
本発明の課題は、単一の亀裂と、隣接する複数の亀裂との確実な区別も可能にする、導電性の構成部品で１つまたは複数の特に亀裂の渦電流表示を判定して評価する改善された方法を提供することにある。
この課題は、請求項１に記載の方法によって解決される。
導電性材料からなる検査対象物における特に亀裂の渦電流表示を判定して評価する本発明の方法は、次の各ステップを有している：
−事前設定された一定または可変の周波数をもつ交番電磁場を試験対象物に作用させ、
−試験対象物の或る表面部分で事前設定された複数の平行な測定トラックに沿って試験対象物で誘導される複数の渦電流を検出し、
−複数の渦電流信号を準備し、このとき各々の渦電流信号が１つの測定トラックに割り当てられ、
−複数の渦電流信号を予備処理し、測定トラック、周波数、および測定トラックに沿った位置の関数として予備処理された複数の測定量を準備し、
−少なくとも１つの隣接する測定トラックの予備処理された複数の測定量を使用して、
この予備処理された複数の測定量を演算処理し、
−予備処理された複数の測定量に対して振幅および／またはトラック位置が補正された合成された複数の亀裂信号を準備する。
本発明の要諦は、試験対象物の全表面または或る表面部分が、複数の平行な測定トラックに沿って走査されることにある。それにより、試験対象物の面または或る面部分が効率的に走査される。このときに試験対象物において複数の誘導された渦電流が検出される。
検出された測定データが、隣接する測定トラックの測定データと組み合わされる。このようにして、１つの測定トラックの検出された複数の測定データを、隣接する測定トラックの複数の測定データを考慮した上で補正することができる。同様に、１つの測定トラックの多義的な複数の測定データを、隣接する測定トラックの測定データを考慮した上で一義的に演算処理することができる。
複数の渦電流によって誘導される電圧が検出されるのが好ましい。このとき、複数の渦電流によって誘導された電圧の振幅と位相を検出することができる。試験対象物の亀裂は局所的に異なる電気特性につながり、たとえば、試験対象物の材料よりも低い導電性につながる。このようにして誘導電圧に影響が及ぼされ、亀裂が検知される。
複数の予備処理された測定量の演算処理は、事前設定された評価アルゴリズムに基づいて行われるのが好ましい。
たとえばこの評価アルゴリズムは、経験的に判定された法則性を基礎としている。そのために特に、特性が既知である試験対象物のサンプルで対照測定を行い、これに基づいてキャリブレーション関数を作成することができる。
その代替または追加として、評価アルゴリズムは、特にニューラルネットワークを用いた自己学習方式を基礎とすることができる。
測定技術の面からは、複数の渦電流を検出するためにマルチチャネルセンサを使用することができ、各々のチャネルに１つの測定トラックが割り当てられる。このマルチチャネルセンサによって複数の測定が同時に可能である。
特に、複数の平行な測定トラックを同時に走査することができる。
その代替として、複数の渦電流を検出するためにシングルセンサを使用することができ、複数の平行な測定トラックが順次走査される。
たとえば複数の離散した周波数をもつ交番電磁場を試験対象物に作用させることができる。交番電磁場の特定の特性は周波数に依存して決まるので、それによって試験対象物に関する追加の情報を得ることができる。
同様に、連続する周波数スペクトルをもつ交番電磁場を試験対象物に作用させることができる。この周波数スペクトルも特徴的な構造を有し、試験対象物の物理特性についての推定を可能にする。
複数の合成された亀裂信号は、主として、１つまたは複数の亀裂の幾何学特性を判定するために利用される。
特に、複数の合成された亀裂信号は１つまたは複数の亀裂の深さを判定するために利用されることが意図される。多くのケースにおいて、亀裂の深さはその試験対象物を交換または補修しなければならないかどうかにとって決定的である。
さらに、導電性を判定するために複数の渦電流信号を利用することができる。導電性からも、亀裂の幾何学構造に関する間接的な情報を得ることができる。
本発明の好ましい実施形態では、試験対象物の表面部分の複数の測定トラックに沿った渦電流センサの動きを規定するために、機械的な案内手段が利用される。このようにして本方法は再現可能である。特にシングルセンサを使用する場合、定義されたトラック間隔を確保するために機械的な案内が好ましい。たとえば評価アルゴリズムまたはキャリブレーション曲線を決定するために、対照測定を実施することができる。
そのために、機械的な案内手段は試験対象物の幾何学形状に合わせて適合化されているか、または適合化されるのが好ましい。
特に、本方法は試験対象物の表面上および／または内部の亀裂を判定して評価するためのものである。試験対象物の表面は作動中、特別に機械的・化学的な負荷にさらされる。
最後に、本方法では試験対象物の表面の下方にある亀裂を判定して評価するために交番電磁場の測定領域に設置する。試験対象物の表面の下方にある亀裂も、その電気特性に影響を及ぼし、それによって渦電流に影響を及ぼす。
本発明の上記以外の特徴、利点、およびさまざまな特別な実施形態は、従属請求項の対象となっている。
次に、好ましい実施形態を用いた図面の説明の中で、添付の図面を参照しながら本発明の方法について詳しく説明する。
本発明による方法の好ましい実施形態に基づく渦電流信号の検出と評価を示す模式図である。 評価アルゴリズムが適用される前に、本発明の方法の好ましい実施形態に基づく信号予備処理によって予備処理された測定信号を示す、模式的な一例としてのグラフである。 評価アルゴリズムが適用された後に、本発明の方法の好ましい実施形態に基づく論理演算によって合成された亀裂信号を示す、模式的な一例としてのグラフである。
図１は、本発明による方法の好ましい実施形態に基づく、試験対象物の表面部分１０での渦電流信号ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4およびｘ5の検出と評価の模式的な図を示している。試験対象物の表面部分１０の走査は、１つの渦電流センサ１２によって行われる。
試験対象物は、調整可能な周波数ｆをもつ交番電磁場に曝露される。１つまたは複数の特定の周波数ｆを使用することができる。同様に、事前設定された限界周波数をもつ連続する周波数スペクトルを適用することもできる。交番電磁場により複数の渦電流が試験対象物で誘導される。これらの渦電流によって生成される電磁場ないしその誘導電圧が、渦電流センサ１２で検出される。
渦電流センサ１２は、シングルチャネルセンサとして構成されるか、またはマルチチャネルセンサとして構成することができる。この具体的な実施形態では、渦電流センサ１２はマルチチャネルセンサとして構成され、５つのチャネルｃn、ｃn+1、ｃn+2、ｃn+3およびｃn+4を含んでいる。移動方向に沿って渦電流センサ１２が動くことで、各々のシングルセンサに１つの測定トラックが割り当てられる。これらの測定トラックは、表面部分１０で互いに平行に配置されている。同様に、チャネルｃn、ｃn+1、ｃn+2、ｃn+3およびｃn+4の各々が、それぞれ１つの測定トラックに割り当てられている。
これに代えてシングルチャネルセンサを使用する場合、表面部分１０で複数の平行に延びる測定トラックが同一のセンサによって順次走査される。
個々のチャネルｃn、ｃn+1、ｃn+2、ｃn+3およびｃn+4の渦電流信号ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4およびｘ5が信号予備処理部１４で処理され、引き続いて論理演算部１６で処理される。
まず、個々のチャネルｃn、ｃn+1、ｃn+2、ｃn+3およびｃn+4の渦電流信号ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4およびｘ5が信号予備処理部１４にかけられる。信号予備処理部１４では、各々のチャネルｃn、ｃn+1、ｃn+2、ｃn+3およびｃn+4について予備処理された測定量ｕ1、ｕ2、ｕ3、ｕ4およびｕ5が生成される。予備処理された測定量ｕ1、ｕ2、ｕ3、ｕ4およびｕ5は、チャネルｃn、ｃn+1、ｃn+2、ｃn+3およびｃn+4、周波数ｆ、および測定位置ｓの関数である。測定位置ｓは、それぞれの測定トラック上の一点を定義する。
渦電流信号ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4およびｘ5の信号予備処理は、各々のチャネルｃn、ｃn+1、ｃn+2、ｃn+3およびｃn+4について、および各々の周波数ｆについて別々に行われる。
これに続く論理演算部１６では、予備処理された測定量ｕ1、ｕ2、ｕ3、ｕ4およびｕ5が事前設定された基準に従って演算処理される。
このとき各々の測定位置ｓについて、１つまたは複数の選択された予備処理された測定量ｕ1、ｕ2、ｕ3、ｕ4およびｕ5の値が、隣接位置の値と比較される。これに加えて、選択された予備処理された測定量ｕ1、ｕ2、ｕ3、ｕ4およびｕ5の値を、異なる周波数ｆについての隣接位置の値と比較することができる。
このとき、経験的に求めた法則性に基づく評価アルゴリズムを適用することで、または自己学習式のアプローチを通じて、合成された亀裂信号ｖ1、ｖ2、ｖ3、ｖ4およびｖ5が生成される。合成された亀裂信号ｖ1、ｖ2、ｖ3、ｖ4およびｖ5では、試験トラックｃnへの割当と振幅が補正される。このようにして補正された亀裂信号ｖ1、ｖ2、ｖ3、ｖ4およびｖ5は、亀裂の位置や個数についての情報の質を改善するものであり、亀裂の深さの判定に利用することができる。
試験対象物の表面区域１０の走査によって、渦電流信号ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4およびｘ5の線図または平面図が生成される。すなわち渦電流信号ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4およびｘ5は測定トラックに沿った位置ｓの関数、すなわち表面１０の上の位置の関数である。
渦電流センサ１２を事前設定された測定トラックに沿って再現可能に動かすために、機械的な案内装置が設けられている。
複数の周波数ｆを使用することは、電磁量は周波数に依存して決まるので、亀裂の特性に関する追加の情報を可能にする。異なる周波数ｆを同時に、または相前後して、試験対象物に作用させることができる。
図２は、本発明の方法の好ましい実施形態に基づく信号前処理の後、かつ論理演算部１６の前における、予備処理された測定量ｕ1、ｕ2、ｕ3、ｕ4およびｕ5の模式的な一例としてのグラフを示している。予備処理された測定量ｕ1、ｕ2、ｕ3、ｕ4およびｕ5は、それぞれ対応する渦電流信号ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4およびｘ5に由来するものである。
渦電流信号ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4およびｘ5の信号予備処理は、各々のチャネルｃn、ｃn+1、ｃn+2、ｃn+3およびｃn+4について、および各々の周波数ｆについて別々に行われる。信号予備処理部１４では、各々のチャネルｃn、ｃn+1、ｃn+2、ｃn+3およびｃn+4について、対応する予備処理された測定量ｕ1、ｕ2、ｕ3、ｕ4およびｕ5が生成される。結果として得られる予備処理された測定量ｕ1、ｕ2、ｕ3、ｕ4およびｕ5は、チャネルｃn、ｃn+1、ｃn+2、ｃn+3およびｃn+4、周波数ｆ、および測定位置ｓについての関数である。
図３は、本方法の好ましい実施形態に基づく論理演算部１６の後における、合成された亀裂信号ｖ1、ｖ2、ｖ3、ｖ4およびｖ5の模式的な一例としてのグラフを示している。合成された亀裂信号ｖ1、ｖ2、ｖ3、ｖ4およびｖ5は、予備処理された測定量ｕ1、ｕ2、ｕ3、ｕ4およびｕ5に由来するものである。合成された亀裂信号ｖ3の決定にあたっては、対応する予備処理された測定量ｕ3と、少なくとも隣接する予備処理された測定量ｕ2およびｕ4とが利用される。隣接する予備処理された測定量ｕ1およびｕ5の評価は、各チャネルの間で位置決めされた個別信号の結果につながる。
本発明による方法は、試験対象物の表面にある亀裂の発見と評価の両方を行うために、特別に効率的な手法である。これに加えて、それが単一の亀裂であるのか、それとも相並んで位置する複数の亀裂であるのかを確認することによって、亀裂の詳しい幾何学特性を判定することができる。
１２ 渦電流センサ
１４ 信号予備処理部
１６ 論理演算部

Claims (17)

  1. 導電性材料からなる検査対象物において亀裂の渦電流表示を判定して評価する方法であって、前記方法は次の各ステップを有し、すなわち、
    事前設定された一定または可変の周波数（ｆ）をもつ交番電磁場を試験対象物に作用させ、
    試験対象物の或る表面部分（１０）で事前設定された複数の平行な測定トラック（ｃn、ｃn+1、ｃn+2、ｃn+3、ｃn+4）に沿って試験対象物で誘導される複数の渦電流を検出し、
    複数の渦電流信号（ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4、ｘ5）を準備し、このとき各々の渦電流信号（ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4、ｘ5）が１つの測定トラック（ｃn、ｃn+1、ｃn+2、ｃn+3、ｃn+4）に割り当てられ、
    複数の渦電流信号（ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4、ｘ5）を予備処理（１４）し、測定トラック（ｃn、ｃn+1、ｃn+2、ｃn+3、ｃn+4）、周波数（ｆ）、および測定トラック（ｃn、ｃn+1、ｃn+2、ｃn+3、ｃn+4）に沿った位置（ｓ）の関数として予備処理された複数の測定量（ｕ1、ｕ2、ｕ3、ｕ4、ｕ5）を準備し、
    少なくとも１つの隣接する測定トラック（ｃn、ｃn+1、ｃn+2、ｃn+3、ｃn+4）の予備処理された複数の測定量（ｕ1、ｕ2、ｕ3、ｕ4、ｕ5）を使用して、この予備処理された複数の測定量（ｕ1、ｕ2、ｕ3、ｕ4、ｕ5）を演算処理（１６）し、
    予備処理された複数の測定量（ｕ1、ｕ2、ｕ3、ｕ4、ｕ5）に対して、それぞれ隣接する予備処理された測定量を組み合わせて、振幅およびトラック位置が補正された合成された複数の亀裂信号（ｖ1、ｖ2、ｖ3、ｖ4、ｖ5）を準備する方法。
  2. 交番電磁場によって誘導された渦電流の振幅と位相とが検出されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 予備処理された測定量（ｕ1、ｕ2、ｕ3、ｕ4、ｕ5）の演算処理（１６）は、事前設定された評価アルゴリズムに基づいて行われることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記評価アルゴリズムは、経験的に決められた法則性に基づいていることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
  5. 前記評価アルゴリズムは、ニューラルネットワークを使用する自己学習式の方法に基づいていることを特徴とする、請求項３または４に記載の方法。
  6. 前記渦電流を検出するためにマルチチャネルセンサ（１２）が使用され、各々のチャネル（ｃn、ｃn+1、ｃn+2、ｃn+3、ｃn+4）が１つの測定トラックに割り当てられることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 複数の平行な測定トラック（ｃn、ｃn+1、ｃn+2、ｃn+3、ｃn+4）が同時に走査されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
  8. 前記渦電流を検出するためにシングルセンサが使用され、複数の平行な測定トラック（ｃn、ｃn+1、ｃn+2、ｃn+3、ｃn+4）が順次走査されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
  9. 複数の離散した周波数（ｆ）をもつ交番電磁場を試験対象物に作用させることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 連続する周波数スペクトルをもつ交番電磁場を試験対象物に作用させることを特徴とする、請求項１から８のうちいずれか一項に記載の方法。
  11. 複数の合成された亀裂信号（ｖ1、ｖ2、ｖ3、ｖ4、ｖ5）が１つまたは複数の亀裂の幾何学特性を判定するために使用されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 複数の合成された亀裂信号（ｖ1、ｖ2、ｖ3、ｖ4、ｖ5）が１つまたは複数の亀裂の深さを判定するために使用されることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
  13. 複数の渦電流信号（ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4、ｘ5）が導電性を判定するために使用されることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 試験対象物の表面部分（１０）の複数の測定トラックに沿った渦電流センサ（１２）の運動を規定するために機械的な案内手段が使用されることを特徴とする、請求項６から１３のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記機械的な案内手段は試験対象物の幾何学形状に合わせて適合化されているか、もしくは適合化されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
  16. 試験対象物の表面または内部の亀裂を判定して評価することを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
  17. 試験対象物の表面の下方にある亀裂を判定して評価することを特徴とする、請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
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