JP2018096852A - 物性値評価装置及び方法 - Google Patents

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【課題】被評価材料が強磁性体の場合でも、小型で被評価材料の抵抗率及び透磁率の双方を評価することが可能な物性値評価装置を提供する。【解決手段】本実施形態の物性値評価装置は、被評価材料1に渦電流を誘起する第1のコイル2と、第1のコイル2に交流電流を供給する交流電源4と、交流電源4の周波数を掃引する周波数掃引手段6と、周波数掃引手段6と第1のコイル2との間に接続され、第1の静電容量と第1静電容量と異なる第2の静電容量を切り替える静電容量切替手段7と、を備える。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、物性値評価装置及び方法に関する。
金属材料の元素濃度変化、あるいは疲労、歪み、脆化等による劣化が生じると、金属材料の抵抗率、あるいは金属材料が強磁性体である場合は透磁率も変化する。この現象を利用して金属材料の抵抗率又は透磁率を測定することで、金属材料の元素濃度変化又は劣化具合を評価する技術が知られている。
従来では、例えばコイルを用いて金属材料である鋼材に渦電流を誘起し、鋼材の抵抗率を測定する技術があり、これにより鋼材の元素濃度を測定している。また、この技術は、鋼材が強磁性体であるため、元素濃度変化が透磁率にも影響を与える。この透磁率が変化することで、抵抗率の測定精度を低下させている。
また、金属材料である被評価材料の近傍に配置したコイルにより被評価材料に渦電流を誘起させることで、被評価材料の影響を受けた状態での抵抗成分やインダクタンス成分を求める方法が従来から知られている。
特許第3948594号公報 C. C. Cheng, C. V. Dodd, and W. E. Deeds : "General Analysis of Probe Coils Near Stratified Conductors", Int. J. Nondestructive Testing, Vol.3, pp.109-130
従来では、透磁率への影響を抑制するため、被評価材料に対して飽和磁化レベル近傍まで直流磁場を印加している。しかし、この飽和磁化レベル近傍まで直流磁場を印加するためには、渦電流誘起用のコイルよりも大きなコイル及び直流電源が必要になる。その結果、装置の大型化及び高コスト化を招くという課題がある。
また、被評価材料が強磁性体の場合には、飽和磁化レベル近傍まで直流磁場を印加すると、装置の大型化や高コスト化を招くという課題がある。
本実施形態が解決しようとする課題は、被評価材料が強磁性体の場合でも、小型で被評価材料の抵抗率及び透磁率の双方を評価することが可能な物性値評価装置及び方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本実施形態に係る物性値評価装置は、被評価材料に渦電流を誘起する第1のコイルと、前記第1のコイルに交流電流を供給する交流電源と、前記交流電源の周波数を掃引する周波数掃引手段と、前記周波数掃引手段と前記第1のコイルとの間に接続され、第1の静電容量と前記第1静電容量と異なる第2の静電容量を切り替える静電容量切替手段と、を備えることを特徴とする。
本実施形態の物性値評価方法は、被評価材料に第1の静電容量を介して周波数を掃引しながら渦電流を誘起して前記被評価材料の前記第1の静電容量に対する第1の共振周波数を測定し、前記被評価材料に前記第1の静電容量と異なる第2の静電容量を介して周波数を掃引しながら渦電流を誘起して前記被評価材料の前記第2の静電容量に対する第2の共振周波数を測定し、前記第1の共振周波数と前記第2の共振周波数に基づき、前記被評価材料の抵抗成分とインダクタンス成分を求めることを特徴とする。
本実施形態によれば、小型で被評価材料の抵抗率及び透磁率の双方を評価することが可能になる。
第1実施形態の物性値評価装置を示す回路図である。 第1実施形態の物性値評価装置の電圧測定結果の例を示す波形図である。 (a),(b)は第1実施形態の物性値評価装置を示す等価回路図である。 第1実施形態の変形例の物性値評価装置を示す回路図である。 第2実施形態の物性値評価装置を示す回路図である。
以下、本実施形態に係る物性値評価装置及び方法について、図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
(構 成)
図1は第1実施形態の物性値評価装置を示す回路図である。図2は第1実施形態の物性値評価装置の電圧測定結果の例を示す波形図である。
図1に示すように、被評価材料1の表面には、第1のコイル2が設置される。被評価材料1としては、例えば強磁性体の金属材料が用いられる。第1のコイル2は、被評価材料1に渦電流を誘起する。第1のコイル2には、交流電源4が接続されている。交流電源4は、第1のコイル2に交流電流を供給する。第1のコイル2の両端には、その両端電圧を測定するための電圧測定回路5が接続されている。
交流電源4と第1のコイル2との間には、周波数掃引手段の一例としての周波数掃引回路6が接続されている。この周波数掃引回路6は、交流電源4の周波数を掃引する。具体的には、周波数掃引回路6は、交流電源4からの電流又は電圧の周波数を変化させる回路であり、与えられた任意の周波数の範囲内で連続的あるいは離散的に周波数を変化させること(周波数スキャン,周波数スイープ)ができるように構成される。周波数掃引回路6としては、例えばオシロスコープ、ネットワークアナライザ、及びFFT(スペクトルアナライザ)に用いられる周波数を変化させる回路を適用したり、あるいはこれらの回路と同様にして構成することが可能である。なお、周波数掃引回路6が周波数を離散的に変化させるように構成される場合、離散的な周波数変化の幅は、周波数の掃引を行なう際に与えられる任意の周波数の幅に対して十分に小さいことが望ましい。
第1のコイル2と周波数掃引回路6との間には、静電容量切替手段の一例としての静電容量切替回路7が接続されている。この静電容量切替回路7は、第1の静電容量とこの第1静電容量と異なる第2の静電容量を切り替える回路である。
具体的には、図1に示した本実施形態において静電容量切替回路7は、並列に設けられた第1の静電容量素子としての第1のコンデンサ3と、第2の静電容量素子としての第2のコンデンサ10と、これら第1のコンデンサ3と第2のコンデンサ10との接続を切り替えるスイッチ9と、を備える。第1のコイル2には、静電容量切替回路7、周波数掃引回路6及び交流電源4が直列に接続されて閉回路を構成する。
(作 用)
交流電源4から第1のコイル2に交流電流を供給すると、被評価材料1の表層に渦電流が誘起される。このとき、電圧測定回路5により第1のコイル2の両端電圧を測定すると、渦電流が作る反作用磁束の大きさに応じて、ある一定の電圧が測定される。
この状態から周波数掃引回路6により任意の範囲で交流電源4の周波数を掃引する(すなわち周波数を離散的あるいは連続的に変化させる周波数スキャン(周波数スイープ)を行なう)と、図2に実線で示す第1のコンデンサ3での測定結果のように、第1のコイル2の両端電圧は、ある周波数fr1で極大値をとる。そして、この極大値を示す周波数fr1が第1のコンデンサ3での共振周波数である。
次に、図1に示すスイッチ9を用いて、第1のコイル2に接続するコンデンサを、第1のコンデンサ3とは静電容量の異なる第2のコンデンサ10に切り替え、第1のコンデンサ3の場合と同様に、周波数掃引回路6により任意の範囲で交流電源4の周波数を掃引しながら第1のコイル2の両端電圧を測定する。
すると、図2に破線で示す第2のコンデンサ10での測定結果のように、第1のコイル2の両端電圧は、第1のコンデンサ3での共振周波数fr1とは異なる周波数fr2で極大値をとる。そして、この極大値を示す周波数fr2が第2のコンデンサ10での共振周波数である。
図3(a),(b)は第1実施形態の物性値評価装置を示す等価回路図である。
図3(a)は、第1のコイル2及び交流電源4を含む閉回路と、被評価材料1の抵抗13と被評価材料1のインダクタンス14を含む閉回路との間の相互誘導を表している。図3(b)は、相互誘導を考慮して図3(a)に示す2つの閉回路を合成した等価回路である。このとき、図3(b)に示す等価回路の入力インピーダンスZは(1)式で表される。
Z=R+jX (1)
ここで、Rは入力インピーダンスZの抵抗成分、Xは入力インピーダンスZのリアクタンス成分である。そして、抵抗成分R、リアクタンス成分X共に(2)式、(3)式に示すように、第1のコンデンサ3(C)又は第2のコンデンサ10(C)、第1のコイル2の巻線抵抗15(R)、第1のコイル2の浮遊容量16(C)、相互誘導を考慮した抵抗成分17(R’)、相互誘導を考慮したインダクタンス成分18(L’)、交流電源4の周波数fの関数である。
R=R(C,C,R,C,R’,L’,f) (2)
X=X(C,C,R,C,R’,L’,f) (3)
ここで、上記回路定数の内、第1のコンデンサ3(C)又は第2のコンデンサ10(C)、第1のコイル2の巻線抵抗15(R)、第1のコイル2の浮遊容量16(C)、交流電源4の周波数fは測定可能な既知数であり、相互誘導を考慮した抵抗成分17(R’)、相互誘導を考慮したインダクタンス成分18(L’)が未知数として扱われる。図3(b)に示す等価回路が共振状態にあるときは(4)式が成立する。
X(C,C,R,C,R’,L’,f)=0 (4)
先に測定した第1のコンデンサ3での共振周波数fr1、第2のコンデンサ10での共振周波数fr2を代入すると、次の(5)式、(6)式が得られる。
X(C,R,C,R’,L’,fr1)=0 (5)
X(C,R,C,R’,L’,fr2)=0 (6)
(5)式と(6)式は、2つの未知数である相互誘導を考慮した抵抗成分17(R’)、相互誘導を考慮したインダクタンス成分18(L’)を含む2つの方程式であるため、(5)式と(6)式を連立して解くことで、2つの未知数である相互誘導を考慮した抵抗成分17(R’)、相互誘導を考慮したインダクタンス成分18(L’)を求めることができる。
また、非特許文献1等の記載に基づけば、上記で求めた相互誘導を考慮した抵抗成分17(R’)、相互誘導を考慮したインダクタンス成分18(L’)と測定可能な既知数である第1のコイル2のインダクタンス19(L)から、被評価材料1の抵抗13(R)、あるいは被評価材料1のインダクタンス14(L)を求めることができ、さらにこれらに基づいて被評価材料1の抵抗13(R)に係る抵抗率ρや、被評価材料1と第1のコイル2との間の相互インダクタンス20(M12)に係る透磁率μを求めることができる。
このようにして求められた被評価材料1の抵抗13やインダクタンス14(あるいは抵抗率ρや透磁率μ)を、例えば劣化が生じていない健全な材料のものと比較することで、被評価材料1の疲労、歪み、脆化等による劣化の度合いを評価することが可能となる。あるいは、被評価材料1の抵抗13やインダクタンス14(あるいは抵抗率ρや透磁率μ)の経時的な変化を見ることで、劣化の度合いを評価するようにしてもよい。
このように本実施形態によれば、渦電流誘起用の第1のコイル2のみを用いて被評価材料1の抵抗率ρ及び透磁率μの双方を評価することができるため、小型で、低コストの物性値評価装置を提供することが可能になる。
(第1実施形態の変形例)
図4は第1実施形態の変形例の物性値評価装置を示す回路図である。なお、前記第1実施形態と同一の部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図4に示すように、本変形例は、静電容量切替回路7Aが第1の静電容量素子としての第1のコンデンサ3と、第1のコンデンサ3に直列に接続可能な第2の静電容量素子としての第2のコンデンサ10と、を備えている。
具体的には、静電容量切替回路7Aは、第1のコンデンサ3と、第2のコンデンサ10と、第1のコンデンサ3に対して第2のコンデンサ10を直列に接続するか否かを切り替えるスイッチ9と、を備える。
その他の構成及び作用は、前記第1実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
このように本変形例によれば、静電容量切替回路7Aが第1のコンデンサ3と、この第1のコンデンサ3に直列に接続可能な第2のコンデンサ10と、を備えることにより、前記第1実施形態と同様に、小型で、低コストの物性値評価装置を提供することが可能になる。
(第2実施形態)
図5は第2実施形態の物性値評価装置を示す回路図である。なお、前記第1実施形態と同一又は対応する部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
図5に示すように、本実施形態では、前記第1実施形態において第1のコイル2の両端電圧を測定する代わりに、第1のコイル2の近傍に第2のコイル21を配置し、この第2のコイル21の両端電圧を測定している。具体的には、第2のコイル21は、第1のコイル2により被評価材料1に誘起された渦電流による誘導起電力を測定するために用いられる。
そして、前記第1実施形態では、第1のコイル2及び交流電源4を含む閉回路と、被評価材料1の抵抗13と被評価材料1のインダクタンス14を含む閉回路との間の相互誘導を考慮した等価回路を用いていた。
本実施形態では、この等価回路に加えて第1のコイル2及び交流電源4を含む閉回路と第2のコイル21を含む閉回路との間の相互誘導、第2のコイル21を含む閉回路と被評価材料1の抵抗13及び被評価材料1のインダクタンス14を含む閉回路との間の相互誘導を考慮した等価回路を用いている。これにより、前記第1実施形態と同様の手法から被評価材料1の抵抗13(R)に係る抵抗率ρや、被評価材料1と第1のコイル2との間の相互インダクタンス20(M12)に係る透磁率μを求めることができる。
なお、本実施形態では、第1のコイル2の上方近傍に第2のコイル21を配置しているが、これに限らず第1のコイル2の上方に第2のコイル21を接触させるか、あるいは第1のコイル2の周囲に配置してもよく、要するに第2のコイル21は、被評価材料1に誘起された渦電流が作る反作用磁束の影響を受ける位置に配置すればよい。
このように本実施形態によれば、前記第1実施形態の効果に加えて、例えば第2のコイル21の巻線数を増加するか、あるいは外径を小さくする等して電圧測定に特化したコイルを用いることができる。そのため、測定電圧の感度及び分解能が向上する等、高精度な物性値評価が可能になる。
(その他の実施形態)
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
なお、上記各実施形態及び変形例では、第1のコンデンサ3と、第2のコンデンサ10の2つのコンデンサを直列又は並列に接続した例について説明したが、これに限らず3つ以上のコンデンサを接続するようにしてもよい。
また、第1のコイル2が浮遊容量を有していることから、この浮遊容量を第1の静電容量とし、この第1静電容量と異なる第2の静電容量として第1のコンデンサ3又は第2のコンデンサ10を用いてもよい。そして、これらを直列又は並列に接続するようにしてもよい。
さらに、実施形態にかかる物性評価装置は、第1のコンデンサ3や第2のコンデンサ10等を第1のコイル2に直列に挿入可能な端子を静電容量切替手段として備えるものであってもよい。このような実施形態の物性評価装置とする場合の物性評価方法として、例えば、第1のコンデンサ3を静電容量切替手段としての端子間に接続して第1のコンデンサ3での共振周波数fr1を測定した後、この第1のコンデンサ3を端子間から取り外し、代わりに第2のコンデンサ10を端子間に接続して第2のコンデンサ10での共振周波数fr2を測定する、といった方法を用いることができる。このようにする場合、物性評価装置には前記第1実施形態とその変形例で説明したような静電容量切替回路7,7Aを備えなくても実施形態にかかる物性評価方法を実施することができる。
1…被評価材料、2…第1のコイル、3…第1のコンデンサ(第1の静電容量素子)、4…交流電源、5…電圧測定回路、6…周波数掃引回路(周波数掃引手段)、7…静電容量切替回路(静電容量切替手段)、7A…静電容量切替回路(静電容量切替手段)、9…スイッチ、10…第2のコンデンサ(第2の静電容量素子)、13…被評価材料の抵抗、14…被評価材料のインダクタンス、15…第1のコイルの巻線抵抗、16…第1のコイルの浮遊容量、17…相互誘導を考慮した抵抗成分、18…相互誘導を考慮したインダクタンス成分、19…第1のコイルのインダクタンス、20…被評価材料と第1のコイルとの間の相互インダクタンス、21…第2のコイル

Claims (5)

  1. 被評価材料に渦電流を誘起する第1のコイルと、
    前記第1のコイルに交流電流を供給する交流電源と、
    前記交流電源の周波数を掃引する周波数掃引手段と、
    前記周波数掃引手段と前記第1のコイルとの間に接続され、第1の静電容量と前記第1の静電容量と異なる第2の静電容量を切り替える静電容量切替手段と、
    を備えることを特徴とする物性値評価装置。
  2. 前記静電容量切替手段は、並列に設けられた第1の静電容量素子と第2の静電容量素子と、前記第1の静電容量素子と前記第2の静電容量素子との接続を切り替えるスイッチとを備えることを特徴とする請求項1に記載の物性評価装置。
  3. 前記静電容量切替手段は、第1の静電容量素子と、前記第1の静電容量素子に直列に接続可能な第2の静電容量素子と、を備えることを特徴とする請求項1に記載の物性評価装置。
  4. 前記第1のコイルにより前記被評価材料に誘起された渦電流による誘導起電力を測定するための第2のコイルをさらに備えたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の物性値評価装置。
  5. 被評価材料に第1の静電容量を介して周波数を掃引しながら渦電流を誘起して前記被評価材料の前記第1の静電容量に対する第1の共振周波数を測定し、
    前記被評価材料に前記第1の静電容量と異なる第2の静電容量を介して周波数を掃引しながら渦電流を誘起して前記被評価材料の前記第2の静電容量に対する第2の共振周波数を測定し、
    前記第1の共振周波数と前記第2の共振周波数に基づき、前記被評価材料の抵抗成分とインダクタンス成分を求めることを特徴とする物性値評価方法。
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