JP2018522245A - 渦電流探傷プローブ用の駆動コイル - Google Patents

Abstract

磁気センサの別個のアレイと共に用いて、チューブ壁内の欠陥を検出することができる、導電性チューブ又はパイプの壁内に渦電流の特定の空間的分布を生成するための駆動コイルアセンブリ。駆動コイルアセンブリは、概して円筒状のプローブ本体の周縁部の周りで包まれているが、軸方向に蛇行したうねりで更に成形された複数のコイルを含む。うねりは、空間振幅、空間位相、及び空間周波数によって特徴付けられる。典型的には、空間周波数は、駆動コイルの周縁部の周りに整数の数のうねりをもたらし、位相は、周縁部の周りにローブを均一に分布させるように選択される。各コイル内の電流の時間的位相は、周縁部の周りのアセンブリの正味電流をゼロにするように選択される。

Description

本ＰＣＴ出願は、渦電流探傷（検査）プローブ用の駆動コイルと題された２０１５年７月２８日に出願された仮出願第６２／１９７，９６３号の３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）適用の利益を主張する。仮出願の全体は、参照により本明細書に援用される。

（ボビンプローブ）
ボビン型の渦電流プローブは、導電性材料で作られたパイプ及びチューブの非破壊検査のために何十年も使用されてきた。図１は、ボビンプローブの幾何学的形状の概略図を示す。ボビン１１０は、検査中のチューブ１２０と同軸のワイヤコイルからなる。検査を行うために、振動電圧がコイルに印加され、ボビンは、チューブ軸１３０に沿ってチューブを通って平行移動される。この電圧は、磁場を発生させる電流を生成し、磁場は、次に、チューブ内に渦電流を誘導する。チューブへのこの電磁結合は、コイルへの負荷を構成し、従って、システムは、電気的インピーダンスを監視することによって特徴づけることができる。チューブ壁内の穴、亀裂、内包物、又はその他の欠陥は、結合を、したがってインピーダンスを変更する。

ボビンプローブによって生成された概略図に隣接して図示される磁場分布は、単純な磁気双極子の磁場分布である。ボビンプローブは、簡単に構成し駆動することができるが、次のようないくつかの重要な制約に悩まされる。（１）渦電流の流れの方向は、純粋に円周方向であり、その結果、システムは、チューブの円周方向に平行に配向した欠陥よりもチューブの軸に平行な欠陥に対してはるかに感度が高い。（２）磁場分布が、チューブの外側にかなり広がっているので、装置は、支持梁、マニホールドなどを含むチューブの外側の導電性構造に敏感である。（３）装置は、欠陥の円周方向位置を検出することができない。

何十年にもわたって、これらの制約に対処するためにいくつかの改良がなされてきた。
（接線アレイプローブ）

図２に概略的に示されている接線アレイプローブは、プローブの円周の周りに円形配列で配置されたミニ円形コイル２２０のアレイからなり、各コイルの軸は、半径方向に沿って配向され、各コイルの面は、プローブの円周に接している。Ｚｅｔｅｃ Ｘプローブは、そのようなプローブの一例である。アレイは、数十のコイルを有することができ、単一又は複数のコイルのバンドのいずれかで構成することができる。コイルは、典型的には、プローブの感度、分解能、及び検査速度のバランスをとるように最適化された多重化スキームを使用して、個別に、又はペア又はトライアドのいずれかで順次駆動される。各コイルが別々に駆動されるとき、各コイルの磁場分布は、その軸がコイル軸と一致する単純な磁気双極子であり、その軸はコイルの軸と一致しており、次いでプローブの直径と一致している。これは、図２の概略図に隣接した図に示されており、矢印の量に基づいて磁束密度を示している。

このタイプのプローブは、軸方向及び円周方向の両方の欠陥に等しい感度となるように設計することができ、各コイルが小さいため、磁場分布の幾何学的範囲は制限され、プローブはチューブ外の構造に対して比較的影響を受けない。しかしながら、このタイプの設計では、コイルが誘導性負荷であり、スイッチングは、検査スピードを維持するために迅速であり、かつクロストークを最小限に抑えるために完全であることの両方が必要とされるため、高性能マルチプレクサが要求される。コイルが多重化されなければならないのは、それらがすべて同じ方向に同時に駆動されると、隣接するコイルによる渦電流がコイル間の領域で相殺され、装置の有効性が低下するからである。更に、多数のコイルの巻線、整合、取り付け、及び整列は、繊細で高価な製造プロセスである。このタイプの装置の１つの制約は、プローブがチューブ又はパイプを通って平行移動するとき、パイプ壁のいくつかの部分は、主に円周方向電流が認められ、他の部分は主に軸方向電流が認められる。したがって、異なる向きの欠陥に対する感度は、プローブ内のコイルに対する正確な位置に依存する可能性がある。渦電流が、（例えば、各コイルの中心が横切る経路に近い領域において）主に円周方向に沿って流れるとき、プローブは、チューブの軸（したがって、プローブの軸）に平行に配向された欠陥に特に敏感である。反対に、潜在的な欠陥が遭遇する渦電流が、（例えば、隣接するコイル間の接点の近くの部分で生じるような）チューブの軸に平行な方向に主に沿って流れる場合、プローブは、プローブの周縁部に沿って配向された欠陥に最も敏感となるだろう。
（回転磁場プローブ）

回転磁場プローブでは、２つのワイヤコイルが使用される。図３は、幾何学的形状の概略図である。第１のコイル３１０は、その平面がチューブの軸を含むように配置され、第２のコイル３２０は、その平面もチューブの軸を含み、その法線が第１のコイル３１０の法線に垂直であり、コイル３１０と３２０の中心は一致するように配置されるので、チューブの軸は２つのコイルの交点と一致する。したがって、各コイルによって生成される磁場は、チューブの直径に沿った２つの点でチューブと交差する磁気双極子である。この設計において、両方のコイルは、典型的には同じ周波数で駆動されるが、第２のコイルの励磁の位相は、第１のコイルの励磁の位相を９０°遅らせる（又は進める）ので、双極磁場は、コイルの駆動信号周波数でチューブの周縁部の周りを回転する。オプションとして、コイルは、時間変化する位相で、又は２つのコイルに対して同じではない周波数で駆動されてもよく、その結果、駆動信号周波数とは異なる回転周波数が生じる。検出は、駆動コイルのインピーダンスを監視することによって、又は別個の磁場センサ又はセンサアレイを使用することによって達成することができる。センサは、巻線ワイヤコイル、固体センサ、又は当技術分野で知られている任意の他のセンサとすることができる。

この設計は、円周方向及び軸方向の欠陥に対して等しく敏感であり、いくつかの円周方向の分解能を提供することができる。しかしながら、これは依然として以下のある制約に悩まされている。（１）磁場はチューブの外側に十分に広がり、したがって外部構造と相互作用する。（２）場合によっては、欠陥の円周方向位置が信号の位相から得られるが、信号の位相は、欠陥の深さ、大きさ、形状に関する情報も含んでおり、したがって、これらはこの方法によって独立して決定することはできない。

Ｘプローブ及び類似の設計を含む多くの渦電流プローブでは、同じコイルが駆動コイル及び検出器の両方として（同時に又は別々の時間に）使用される。固体（ソリッドステート）磁気検出器も使用することができ、巻線コイルよりもコスト、サイズ、及び均一性において利点を提供することができる。しかしながら、固体センサを使用することによる製造上の利点は、渦電流を発生させるために巻線コイルをまたプローブに組み込む必要がある場合には、完全には実現されない可能性がある。したがって、多数の小型コイルに依存しない駆動コイルの設計（例えば、後述する本発明）は、プローブが固体センサのアレイを検出器として利用する場合に特に有利である。

要約すると、チューブ壁内の各位置が、ある部分の検査の間に主に円周方向渦電流を、別の部分の検査の間に主に軸方向渦電流が認められるように、その方向が時間及び／又はプローブ位置の関数として変化する渦電流分布を作り出す駆動電流設計を考案することが望ましい。あるいはまた、チューブ壁内の各点での渦電流方向が、プローブの走査の間の異なる時間に、好ましくは互いに直交する少なくとも２つの異なる方向に沿って流れている限り、主な渦電流方向は他の角度であってもよい。

更に、マルチプレクサは複雑さと製造コストをプローブに加え、チューブを検査することができる速度に悪影響を及ぼす可能性があるため、別々の駆動コイルの多重化に頼ることなく、時間及び／又は位置の変化する渦電流分布を作り出すことが望ましい。

本発明の第１の態様は、導電性材料を含むチューブ状物体を検査するための渦電流発生構造であり、前記構造は円形の周縁部を有し、１以上の電流伝達経路を含み、経路は、１以上の経路の各々が、共通軸の周りに略同心円状であり、軸方向に空間的に更に変調されており、構造の周縁部の周りに整数の数の軸方向うねりを有するようになっている。

本発明の更なる一態様では、うねりは、チューブ状物体の壁内の渦電流分布を最適化するように形作られる。本発明の更なる一態様では、これらのうねりは、正弦波形状、台形形状、サイクロイド又は関連する関数のうちのいずれかである形状を有する。

本発明の更なる一態様では、各々が互いに空間的位相関係を有する複数の電流経路が存在し、電流経路のうねりの空間的位相は、うねりがシステムの周縁部の周りに均一に分布するように配置される。

本発明の更なる一態様では、各経路における電流の時間的位相は固定され、異なる経路の時間的位相は、共通軸の周りの正味電流がゼロになるように構成される複数の電流経路が存在する。

本発明の更なる一態様では、導電経路の各々における電流の時間周波数は同じである複数の電流経路が存在する。

本発明の更なる態様では、導電経路の各々における異なる電流の時間周波数は異なる複数の電流経路が存在する。

本発明の更なる一態様では、磁界センサの第１のアレイが含まれる。本発明の別の一態様では、電流伝達経路は背景磁場を生成し、磁場センサのアレイの位置の空間的位相及びピッチは、背景磁場内で対称性を提供するように構成される。

本発明の更なる一態様では、電流伝達経路は背景磁場を生成し、前記磁場センサは、磁場の方向成分を検出するように配向される。本発明の更なる一態様では、方向成分は、チューブ状物体の表面に対して垂直、チューブ状物体の軸に平行、及びチューブ状物体の表面に接するからなる群のうちの１つである。

本発明の更なる一態様では、第１のセンサアレイは、誘導コイル、固体センサ、ＡＭＲセンサ、ＧＭＲセンサ、ホールセンサ、バルブセンサ、ＴＭＲセンサ、及び光磁気センサからなる群から選択されるセンサを含む。

本発明の更なる一態様では、第２のセンサアレイが含まれ、第１のセンサアレイは、前記電流伝達経路の第１の側に軸方向に隣接して配置され、第２のセンサアレイは、前記電流伝達経路の第２の側に軸方向に隣接して配置される。本発明の更なる一態様では、第２のセンサアレイは、差動検知のための信号基準を提供するために利用される。本発明の更なる一態様では、第２のセンサアレイは、機器の円周方向分解能を高めるために利用される。

電流伝達経路は、個別のワイヤ、フォトリソグラフィによって製造された導体、除去的な製造、付加的な製造、又はこれらの任意の組み合わせから製造することができる。

電流伝達経路は、後に円筒形状に形成される可撓性基板上に製造されるか、又は剛性又は半剛性のあるプローブ本体上に直接形成されることができる。

本発明の更なる一態様は、導電性材料を含む平面又は任意形状の物体の検査のための渦電流発生構造であり、構造は、実質的に平面状の配置及び平面内に含まれる直線軸を有し、構造は、複数の電流伝達経路を含み、経路は、概して共通軸に沿って配置され、各経路が整数の数の軸方向のうねりを有し、電流伝達経路の各々に対するうねりの空間的位相が、共通軸に沿って均一に分布するように、軸に直交する方向に平面内で更に空間的に変調される。

平面又は任意形状の物体の検査のための構造の更なる一態様では、渦電流発生構造は、剛性のある平坦な基板、剛性のある成形された基板、可撓性のある基板、又は関節接合された基板上に支持することができる。

平面又は任意形状の物体の検査のための構造の更なる一態様では、１以上の磁気センサが含まれる。

従来技術のボビンプローブ及びそれに関連する磁場の概略図である。 従来の接線アレイプローブとそれに関連する磁場の概略図である。 従来技術の回転磁場プローブの概略図である。 本発明の一態様に係る例示的なプローブの概略図である。 本発明の一態様に係る例示的なプローブに対する、適度に厚い壁の近い（上）側及び遠い（下）側の渦電流分布を示す。 本発明の一態様に係る例示的な多重巻線プローブの概略図である。 図５ａに示されるような例示的なプローブに対する、適度に厚い壁の近い側及び遠い側の渦電流分布を示す。 本発明の一態様に係る例示的な多重巻線プローブの概略図である。 本発明の一態様に係る例示的な多重巻線プローブの概略図である。 図６ａに示された構成に対する、内壁の近い側の渦電流を示す。 同相信号に対する、遠壁上に円周方向の欠陥を有するチューブ壁の外面における渦電流強度及び方向を示す。 ９０度の位相シフトされた信号に対する、遠壁上に円周方向の欠陥を有するチューブ壁の外面における渦電流強度及び方向を示す。 モデル励磁及び検出システムの幾何学的形状を示す。 図７のモデルに対して１０個のセンサ位置での磁場の半径方向成分の大きさを示す。 ローブの数が異なるシステムに対する、軸方向及び周方向の両方の欠陥に対して背景を差し引いたデータを示す。 ローブの数が異なるシステムに対する、軸方向及び周方向の両方の欠陥に対して背景を差し引いたデータを示す。 局部的背景磁場に正規化された図９ａ及び図９ｂと同じデータを示す。 局部的背景磁場に正規化された図９ａ及び図９ｂと同じデータを示す。 本発明に係る様々なコイル構成に対する磁場の異なる成分の大きさの概要を示す。 背景を差し引いた応答の大きさを示す。 背景磁場への応答の比率を示す。 本発明の電流駆動設計の平面バージョンの概略図を示す。 図１３ａの設計の磁場を示す。

本発明の一実施形態では、軸方向に蛇行したうねりで更に成形するように、従来のボビン駆動コイルの設計を変更するためのものである。そのような幾何学的形状の概略図を図４に示す。うねり４１０は、空間振幅４１１と空間周期４１２とによって特徴付けることができる。典型的には、空間周波数は、駆動コイルの周縁部の周りに整数の数のうねりを与えるように選択される。正弦波コイル（例えば、図４ａに示されるもの）は、パラメトリック方程式：
ｘ＝Ｒｃｏｓ（ｔ）
ｙ＝Ｒｓｉｎ（ｔ）
ｚ＝Ａｃｏｓ（ｎｔ＋φ）
によって記述することができる。
ただし、パラメータｔの値は０〜２＊πの間：０≦ｔ≦２＊πで変化し、コイルの半径Ｒは、通常、内部プローブ用のチューブの内径よりわずかに小さく、外部プローブ用のチューブ又はパイプの外径よりわずかに大きく、Ａはうねりの振幅であり、ｎはローブの数であり、φはその経路に対するうねりの位相（単位：ラジアン）であり、チューブ及びプローブの軸は両方ともｚ軸と整列している。

そのようなコイルによって生成される渦電流は、チューブの周縁部の周りの異なる点で異なる方向に流れるが、一般的にチューブ壁の各領域は、渦電流の特定の１つの方向しか認められず、したがって各領域内の感度は、その方向に平行な欠陥に対して実質的に低減される。すなわち、例えば、駆動コイル４２０の円周方向のセグメントに隣接するチューブの領域は、円周方向の渦電流しか認められず、測定中の異なる時点で軸方向の渦電流は認められないであろう。このようなシステムは、ある領域においては軸方向欠陥に敏感であり、他の領域においては円周方向欠陥に敏感である。更に、渦電流方向の空間変調は、壁内の深さが深くなるにつれて減少するので、十分に厚いパイプ壁の場合、チューブ壁の遠い側の渦電流分布は、単純なボビン駆動コイルの渦電流分布と区別できない。図４のグラフは、壁４３０の近い側（内部プローブの場合は内壁、外部プローブの場合は外壁）と適度に厚い壁の壁４４０の遠い側の渦電流分布を示している。電流分布の軸方向の変調が遠い側の壁に対して顕著に減少することが図面から分かる。したがって、電流は、遠壁の円周方向の欠陥４５０に主に平行となるだろう。更に、この駆動コイルの磁場分布は、再びボビンプローブの磁場分布と同様の大きな双極子であるので、磁場が外部の物体又は構造と相互作用するため、渦電流測定は外部の物体又は構造に敏感である。

これらの欠点のいくつかを緩和するために、更なる一実施形態では、２つの蛇行コイルが、図５に概略的に示すように配置され、これによって第２のコイル５２０の空間的なうねりの円周方向位相が、第１のコイル５１０の位相から９０°（上の方程式では、φ＝２＊π／４）ずれ、更に、２つのリングを通る電流の時間的位相は１８０°ずれるので、プローブの周縁部の周りの正味の電流はゼロになる。この構成は、プローブの周縁部の周りに分散された閉循環経路の円形アレイにほぼ等しい。誘導された渦電流分布はまた、閉循環経路５３０を含み、これらの経路は、図５の概略図の右側の図に示すように、壁の厚いパイプの場合でも壁の厚さを通して保たれる。更に、各循環経路は小さな局部的な磁気双極子に関連し、外部の物体又は構造との相互作用を低減する。しかしながら、プローブがパイプ又はチューブを通って軸方向に並進すると、（例えば、経路５４０に沿った）いくつかの領域は、方向が変化する電流が認められ、一方、（例えば、経路５５０に沿った）他の領域は、電流は、一方向（この場合、円周方向）に沿った渦電流が認められる。

図６ａ及び図６ｂに示すようなコイルの任意の対の間の６０°の相対空間位相と１２０°の相対時間的位相とを有する３つの蛇行コイル６１０、６２０、及び６３０を利用することによって、図６に示されるように更なる改善を達成することができる。この場合、チューブ壁の各領域では、プローブがパイプを通って横切って並進するときに異なる方向に流れる渦電流が認められる。例えば、経路６４０に沿って、渦電流の主な方向は第１の円周方向であり、次に一方向に１２０°で傾斜し、最後にこれもまた１２０°で逆方向に傾斜する。図６ｃは、壁の近い側（図示の構成の場合の内壁）の渦電流を示し、図６ｄ及び図６ｅは、励磁の時間的振動の２つの異なる点における遠い側の壁の渦電流強度及び方向を示す。周方向の欠陥６５０の位置で支配的な電流方向は、２つの時間的に異なる点で異なることが示されている。

本発明の一態様は、２以上の蛇行駆動コイルリングを含む駆動コイルアセンブリである。アセンブリのいくつかのリングはプローブの周縁部の周りに配置され、各リングのうねりの空間位相は、プローブの周縁部の周りにうねりのローブを均一に分布させるように選択され、リングはすべて（１）プローブの周縁部の周りの正味の電流がゼロとなり、（２）支配的な電流方向が円周方向である領域と、支配的な電流方向が軸方向又は対角線方向である他の領域とを、時間内の特定の瞬間にチューブ壁内に生成される渦電流分布が有し、領域に対する支配的な渦電流方向は、プローブ走査中の異なる時点で異なるように選択された同じ特定の周波数及び異なる相対時間的位相を有する入力信号で駆動される。支配的な電流方向は、チューブの各セクション内の電流が互いに直交する最小２方向を介して変化する限り、チューブ軸に対して任意の所望の角度に向けることができる。代替の実施形態では、欠陥がチューブ軸に対して特定の方向に沿ってより一般的であると予想される場合、渦電流駆動コイルの幾何学的形状は最適化され、あまり関心のない方向に沿った感度に対して所望の方向に沿った感度を増加させるようにバイアスされる電流パターンを生成することができる。

オプションとして、アセンブリの別個の蛇行リングは、わずかに異なる半径を有することができ、これによって互いに接触することなくチューブ内に同心円状に配置されてもよく、又はリング間に電気的短絡が存在しない限り、リングのワイヤターンが織り込まれてもよい。また、オプションとして、リングは、特定の所望の渦電流分布を達成するように、軸方向に沿って間隔を空けてもよく、これは有限要素モデリング又は当技術分野で知られている他の任意の方法を用いて最適化することができる。

図６ａに示される構成は、本発明の好ましい一実施形態である。３つのリング形状の導体６１０、６２０、及び６３０が、プローブの本体の周りに配置される。各リングは、プローブの周縁部の周りに整数の数の正弦波サイクルの蛇行からなる。各サイクルは２つのローブを含み、一方は正の軸方向に突出し、他方は負の軸方向に突出している。振動の空間位相（すなわち、他のリングに対する各ローブの開始点）は、すべてのリングのローブが周縁部の周りに均等に分布するように選択される。３つのリングの場合、３つのリングのローブ間の空間相対位相は、６０°である。

本発明の別の一実施形態では、駆動コイルの蛇行リングは、チューブ、パイプ、又はロッドの外径よりわずかに大きく、アセンブリは、図６ｂに示すように、外部包囲コイルとして使用される。

３つの導体の各々に電気信号が印加されて、特定の周波数及び位相を有する電流を生成する。電流の周波数及び振幅は、当該技術分野で確立された方法に従って試験されるチューブの壁の材料及び厚さに従って選択される。３つの導体における電流の相対時間的位相は、位相の合計がゼロになるように選択される。したがって、第１のリング６１０内の電流の位相は、任意の時間基準に対してゼロの位相で駆動することができ、第２のリング６２０内の電流は、第１のリング６１０に対して＋１２０°の時間的位相で駆動され、第３のリング６３０内の電流は、第１のリング６１０に対して−１２０°の位相で駆動される。

異なる数のリングに対して、ローブが周縁部の周りに一様に分布し、時間的位相の合計がゼロになるように空間的及び時間的位相が選択される。オプションとして、リング間の相対位相又は第１のリングに対する基準位相は、プローブの感度を高めるために、及び／又は特定の検出又はデータ分析アルゴリズムを利用可能とするために、時間的に変化させることができる。あるいはまた、各リングは、検出を向上させる目的又は検出感度又はデータ解析を向上させる目的で、他のリングの周波数とは異なることができる固有の周波数で駆動されてもよい。

このようにして、チューブの周縁部の周りの正味電流はゼロである。したがって、正味の磁気双極子モーメントは存在しない。これにより、検査プローブによって生成される磁場の空間的範囲が最小限に抑えられ、こうして検査プローブと外部構造（例えば、取り付けブラケットやマニホールドなど）との相互作用が最小限に抑えられる。

リング全体の正味の双極子モーメントはゼロであるが、３つの導電リングのローブは、小さな循環電流のネットワークを形成し、その各々はプローブの直径に沿って配向された双極子モーメントを有する。これらは、チューブ壁を通る循環渦電流の渦巻きのパターンを作り出す。このパターンは、パイプ壁の厚さを通して維持され、磁場分布は局部的であり、外部の物体又は構造に対して比較的鈍感である。チューブ壁内の欠陥は、渦電流のパターンを乱し、磁気的な痕跡（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）を生成する。痕跡は、欠陥の位置での瞬時渦電流方向に直交する欠陥に対して強調される。チューブ壁内の各点は、検査中にチューブを通るプローブの並進によって時間の経過と共に異なる渦電流方向が認められるので、任意の方向に沿って配向された欠陥を検出することができる。図６ｄ及び図６ｅは、時間的振動の期間中の２つの異なる場合において、円周方向の欠陥６５０を有するチューブ壁の外面内の渦電流強度及び方向を示す。この特定の構成及び走査のサイクル及び位置の特定の瞬間において、渦電流は本質的に欠陥と平行であるが、プローブがチューブを通って並進すると、欠陥に対するシステムの感度を高める、欠陥に対してある角度で渦電流が流れる時間が存在することが明らかである。

トレースの各々を僅かに異なる周波数で駆動する、及び／又はそれらの間の位相をわずかに変化させる（それらを全て同期して回転させるか、又は位相を約１２０°に変調する）ことが有利である。これは、検出感度、ノイズ除去、又はデータ解析の目的に役立つ可能性がある。しかしながら、それらを順次駆動すること、すなわち、リング内の電流をパルスして、これによってパルスのみが時間的に瞬時に電流を運ぶようにすることは望ましくない。なぜなら、電流が単一の蛇行トレースを通って流れる場合、うねりは壁の厚さによって除去され、十分厚い壁（数ミリメートル）の場合、遠い側の渦電流は単純なボビンの渦電流と同等である。同じ理由で、リングを軸方向に著しく分離することは望ましくない。それは、電流の相互作用（具体的には、電流に関連する磁束線間の相互作用）であり、材料内部に電流パターンを維持する。

駆動コイルと関連して、渦電流検査システムは、検査対象物内の欠陥によって生成される磁気痕跡を検出するために、１以上のセンサ又はセンサアレイを必要とする。場合によっては、渦電流を駆動するために使用されるのと同じ構造を、駆動信号と同時に又は異なる時間に磁気痕跡の検出に対して利用することができる。他の場合には、プローブに別個のセンサ又はセンサのアレイを設けることができる。本発明に記載の駆動コイル構成は、１以上のセンサアレイと組み合わせて使用するのに特に適している。そのような構成の概略が図７に示されている。各アレイ７１０、７１５は、プローブの感度を最適化するように選択された軸方向位置７３０でプローブの周縁部の周りに配置された複数のセンサ７２０を含む。センサアレイは、システム要件に応じて、周縁部全体の周りに延在することができる、又はその一部のみを覆うことができる。複数のアレイを、駆動コイルの同じ側又は反対側に、及びシステム設計によって決定されるような任意の軸方向位置に配置することができる。

センサによって検出される磁場は、（１）駆動コイルによって生成される磁場、（２）定常状態の渦電流分布に起因する磁場、（３）チューブ壁内の欠陥によって生じる渦電流分布の乱れに起因する磁場摂動、及び（４）存在する外部磁場の４つの成分の重ね合わせである。磁場への最初の２つの寄与は、駆動周波数での振動を除いて、時間的に一定である。摂動は関心のある信号であり、外部磁場はノイズに寄与する。検出電子装置は、定常状態の背景信号及びゆっくりと変化する外部信号を排除するように構成され、プローブが欠陥を越えて並進するときに観察される偏差にのみ応答することができる。背景信号の排除は、差動検出及び／又はデジタル又はアナログの後処理を含むがこれに限定されない当該技術分野で知られている任意の手段によって達成することができる。

センサの軸方向の位置は、背景信号を最小にするか、検出されるべき欠陥に関連する信号を最大にするか、又は背景信号に対する欠陥信号の比率を最大にするように選択することができる。周縁部の周りのセンサの空間ピッチ７４０は、所与のサイズの欠陥の検出の確率を最大にするように、又は配線、多重化、及び後処理能力を含むシステムの他の制約に応じて選択することができる。

いくつかのセンサは、局所磁場の方向に依存する応答を有する。そのようなセンサには、ソレノイド、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）、スピンバルブ、及びホール効果センサを含む磁気抵抗センサが含まれるが、これらに限定されない。典型的には、背景磁場は、半径方向において最大であり、軸方向においてより小さく、接線方向において最小であるので、磁場の接線成分を検出するようにセンサを向けることが有利であるかもしれない。しかしながら、センサは、測定システムの特定の要件に従って、磁場の任意の所望の方向を検出するように配向されてもよい。

差動検出は、プローブの感度を向上させるため、及び／又は外部の構造又は物体又は背景磁場に対する感度を最小にするために使用することができる。差動検出は、駆動コイルアセンブリのいずれかの側に軸方向に配置されたセンサのアレイ間（例えば、図７のアレイ７１０と７１５との間）又はセンサの単一円周アレイの別々のセンサ間にあるように構成することができる。しかしながら、いずれの場合でも、差動検出は、信号間の差異が走査中の異常の存在に起因することが明白になるように、大きさ、方向、及び位相の点で駆動コイルへの同様の直接結合が認められるように配置されたセンサ間に構成されるべきである。

オプションとして、センサの複数のアレイを使用することができる。各アレイの感度方向は、独立して選択することができる。オプションとして、センサは、磁場の３つの軸すべてを検出するように構成されてもよい。

いくつかのタイプのセンサは、非線形の挙動（例えば、彩度）を示し、従って、背景磁場が低い位置から利益を得ることができる。この条件は、この条件は、背景磁場が十分に低いようにセンサと駆動コイルとの間の距離を選択すること、又はセンサが敏感ではない方向と背景磁場の重要な成分が揃うように、及びセンサが背景磁場内で低いか、又は存在しない磁場成分に応答するように、センサを配向することを含む、いくつかの方法のうちの１つにおいて満たすことができる。

本発明の一実施形態では、磁気センサは、ある最大レベルを超える磁場にさらされたときに磁気極性が方向を切り替えることができる材料を含む異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサであるため、駆動コイルによって生成される直接磁場が閾値磁場の下にとどまる配置を選択することが一般的に望ましい。

更に、ＡＭＲセンサは、指向性の高い感度を有するので、直接磁場の最大軸方向成分及び半径方向成分よりも一般的に小さい接線方向磁場成分に応答するようにそれらを揃えることが望ましい場合がある。それにもかかわらず、他の状況及び他の駆動コイル設計では、他の磁場方向を感知することが望ましい場合がある。更に、他の磁場成分は、センサのアライメントにおける許容誤差のため、又はセンサ応答又は背景物体に対するシステム感度におけるノイズが、磁場の全体の大きさに依存し、特定の成分の大きさには依存しない可能性があるため、測定に影響を与える可能性があるので、システム設計上、磁場分布全体を考慮する必要がある。

渦電流発生コイルのローブの形状及びサイズは、特定のチューブ直径、壁の厚さ、チューブ材料、所望の最小欠陥感度、閾値欠陥サイズ及び形状、又は他の任意のパラメータに対して最適化することができる。図４ａ、図５ａ、図６ａ、図６ｂ、及び図７に示すローブは、正弦曲線形状であるが、長方形、台形、サイクロイド、又は他の任意の形状にすることができる。駆動コイルのローブのサイズ及び形状、ならびに周縁部の周りに配置されるローブの数は、実験方法及び／又は有限要素モデリングを含む当該技術分野で公知の任意の手段によって最適化することができる。

プローブの周縁部の周りのローブの数は、信号の大きさ、及び／又はセンサアレイの所望の位置における信号振幅と背景磁場との比を最適化するように選択することができる。最適な数は、チューブの直径、欠陥のサイズ、欠陥の位置、チューブの材料、所望の空間分解能、又はシステムの他のパラメータに依存する可能性がある。最適設計パラメータは、有限要素モデリングを含むがこれに限定されないコンピュータモデリング及び／又は物理的実験を使用して決定することができる。ローブの数を最適化するプロセスは、図７〜図１０を参照することによって理解することができる。これらの図は、いくつかの異なる数のローブに対する、及び円周方向及び軸方向の欠陥の両方に対する、図６ａに示す三相構成の有限要素コンピュータモデルの結果を示している。これらの結果は、最適化プロセスを示すためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

モデルパラメーターを下記の表１に要約する。

このモデルでは、駆動コイルアセンブリの中心間の軸方向間隔をー８ｍｍ〜８ｍｍの間において０．５ｍｍステップで変化させることによって、プローブの軸方向走査をシミュレートした。欠陥の中心を軸方向位置０ｍｍにして、軸方向及び円周方向に配向された第２の側部欠陥（チューブの外面）の両方に対して計算を行った。図６ｄ及び図６ｅは、周方向の欠陥の周りの典型的な渦電流分布を示す。欠陥が局部的渦電流を遮断し、プローブがチューブを通って平行移動すると、欠陥での局部的な渦電流方向が変化し、これによって局部的渦電流方向に平行でない少なくとも一部の領域をいずれかの欠陥が通過し、したがって、それは電磁的痕跡を生み出すことは明らかである。センサ位置における磁気的痕跡の振幅及び位相は、渦電流の大きさ、欠陥がセンサに近いときの渦電流の方向、及びシステムの他のパラメータに依存する。したがって、任意の欠陥に対するプローブの応答は、蛇行駆動コイル内のローブの振幅及び数を含むこれらのシステムパラメータに依存する。多重パラメータ設計の最適化は、試行錯誤によって、又は当該技術分野で知られている体系的な方法によって行うことができ、１つの変数に対してここに示されているデータは、プロセスを説明するのに役立つ。

図７は、モデルの幾何学的形状を示し、図８は、図７に示された全円周よりも小さい領域をカバーするセンサの列に対して計算された磁場の半径方向成分の大きさ（複素数結果の絶対値）を示す。センサは、駆動コイルアセンブリの中心から３．５ｍｍであり、各蛇行コイル内の異なる数のローブに対して、磁場の半径方向成分を検出する。応答の構造は、背景信号の振幅及び位相の局部的な変動に起因する。予想されるように、より少ないローブを有するシステムは、より大きな背景磁場を有するだけでなく、背景磁場においてより大きな変動を有する。この変動は、任意の欠陥に起因する痕跡よりも大きい。例えば、ここで提示された場合においては、２つのローブ８１０を有するシステムに対する平均磁場は３０Ａ／ｍであり、合計変動は２７Ａ／ｍであるのに対して、１０サイクルシステム８２０の場合、平均磁場は２．５Ａ／ｍであり、変動は５Ａ／ｍである。

背景信号が走査データから差し引かれると、欠陥に起因する応答が明白になる。図９は、ローブの数が異なるシステムに対する軸方向（上のセット）及び円周方向（下のセット）の欠陥の両方に対する背景差し引きデータを示している。磁場は、センサアレイ内のセンサに対して９つの潜在的な位置に対応する、プローブの円周に沿った９つの位置で測定される。図の横軸はセンサ位置に対応し、一方、縦軸は走査方向であり、軸方向位置（又は等価的に時間）を表し、すべての図は同じ垂直スケールにプロットされる。図を参照すると、応答の大きさはローブの数に依存することを観察することができる。例えば、２つのローブのみでは、電流の方向は概して円周方向であり、円周方向の欠陥に対する応答は損なわれ、一方、軸方向の欠陥に対する応答は非常に強い。他方、１２個のローブの場合、応答は軸方向及び周方向の欠陥に対する大きさにおいて同等であるが、渦電流は非常に局在化されているため、全体の磁場は小さく、したがって応答の絶対的な大きさは小さい。ローブの数の影響は、チューブの直径とうねりの振幅が異なると変化することに留意されたい。モデリング目的のために、磁場は図９に示す９つのセンサ位置で評価されたが、プローブ内のセンサ分布は、要望通りに、追加のセンサ位置、より少ないセンサ位置、又は異なるセンサ位置を含むことができることにも留意されたい。最も一般的には、センサアレイは、検査されるチューブ又はパイプの全表面を覆うように、プローブの全周縁部に延在する。

場合によっては、背景磁場に対する応答の比は、応答の絶対的な大きさよりもプローブ設計の最適化のためのより良い計量である。これは、背景磁場の大きさがローブの数によって変化するので、ローブの異なる最適数をもたらす可能性がある。図１０は、図９と同じデータを示しているが、この場合は局部的な背景磁場に正規化されている。この場合、ローブの最適数は１０〜１２のように見える。

図１１は、磁場の異なるベクトル成分の大きさの要約を示す。背景磁場の接線成分は半径方向成分又は軸方向成分よりもはるかに小さいことが明らかであり、その理由から、方向感応型センサを使用し、それらの感度軸を接線方向に向けることが好ましいかもしれない。図１２ａは背景差し引き応答の大きさを示し、一方、図１２ｂは背景磁場に対する応答の比を示す。ここで、ローブの最適数は、約１０ローブと推定される。

同様の理由から、システムパラメータ及び使用されるセンサのタイプに応じて、センサを駆動コイルアセンブリに近づけたり遠ざけたりすることが有利であり得る。センサの位置及びピッチ、及びローブの形状及び振幅を含むがこれに限定されないシステムの他のパラメータは、同様の方法で最適化することができる。

本発明の検出器アレイはまた、別個のコイル、フォトリソグラフィ法によって形成されたコイル、又は他の磁気検出器から構成することもできる。

本発明の代替の一実施形態では、導電性の蛇行経路は、円筒面に沿って巻かれる代わりに平面に沿って配置される。この構成は図１３に示されている。図１３ａは、共通軸１３１０に沿って配置され、ローブが共通軸に沿って等間隔に配置された３つの蛇行経路１３０１、１３０２、１３０３を示す。導体は、それぞれ別個の空間層を占有することができるか、又は鉛直寸法に沿って絡み合った絶縁ワイヤから構成することができるが、いずれの場合も互いに電気的に絶縁され、互いに１２０°の相対的な時間的位相で交流電流で駆動される。供給ライン１３２０及び１３３０はまた、１２０°の相対的な時間的位相で駆動される３つの導体からなり、互いに近接して配置されるべきである。したがって、それらは正味の電流を流さず、したがって渦電流又は磁場を生成しない。それらは更に、機能的プローブを形成するために必要とされるどのような方法でも蛇行トレースが形成される平面から曲げられたり湾曲したりする可能性がある。このような構成によって生成された渦電流パターンが図１３Ｂに示されている。プローブが共通軸１３１０に垂直な方向１３３０に沿って走査される場合、欠陥１３４０は走査のある点でその主な方向に平行でない渦電流に遭遇することは明らかである。

この構成は、円筒対称性を持たない物体及び表面の検査に適している。主に平面である物体の場合、支持構造及びトレースは、剛性又は半剛性材料から製造することができる。幾らかの曲率を有する物体の場合、トレースは、カプトン、シリコーン、マイラー、布、又は織りガラス繊維シートを含むがこれに限定されない可撓性基材（基板）上に製造することができる。基材は、表面の曲率に合致するように成形された剛性要素によって支持されてもよく、又はそれは、走査中に表面の形状に能動的に合致する可撓性のある又は関節接合された構造上に配置されてもよい。更に、チューブ状表面を検査するために可撓性基板を利用するために、可撓性基板を円筒形支持体の周りに包むことも実現可能である。この構成は、製造コスト、プローブの異なるチューブ直径への適合性、又は耐久性を含むがこれに限定されない１以上の利点を提供することができる。

Claims (20)

1. 導電性材料を含むチューブ状物体を検査するための渦電流発生構造であって、前記構造は円形の周縁部を有し、
   １以上の電流伝達経路を含み、前記経路は、前記１以上の経路の各々が、共通軸の周りに略同心円状であり、前記軸方向に空間的に更に変調されており、前記構造の前記周縁部の周りに整数の数の軸方向うねりを有するようになっている、渦電流発生構造。
2. 前記うねりは、前記チューブ状物体の壁内の渦電流分布を最適化するように形作られる、請求項１に記載のシステム。
3. 前記うねりは、正弦波形状、台形形状、サイクロイド又は関連する関数からなる群のうちの１つである形状を有する、請求項２に記載のシステム。
4. 互いに空間的位相関係を有する複数の電流経路を含み、前記電流経路のうねりの空間的位相は、前記うねりが前記システムの前記周縁部の周りに均一に分布するように配置される、請求項１に記載のシステム。
5. 複数の電流経路を含み、各経路における前記電流の時間的位相は固定され、異なる経路の前記時間的位相は、前記共通軸の周りの正味電流がゼロになるように構成される、請求項１に記載のシステム。
6. 複数の電流経路を含み、前記導電経路の各々における電流の時間周波数は同じである、請求項１に記載のシステム。
7. 複数の電流経路を含み、前記導電経路の各々における異なる電流の時間周波数は異なる、請求項１に記載のシステム。
8. 磁場センサの第１のアレイを更に含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記構造は背景磁場を生成し、磁場センサの前記アレイの位置の空間的位相及びピッチは、前記背景磁場内で対称性を提供するように構成される、請求項８に記載のシステム。
10. 前記構造は磁場を生成し、前記磁場センサは、前記磁場の方向成分を検出するように配向される、請求項８に記載のシステム。
11. 前記方向成分は、前記チューブ状物体の表面に対して垂直、前記チューブ状物体の軸に平行、及び前記チューブ状物体の表面に接するからなる群のうちの１つである、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記第１のセンサアレイは、誘導コイル、固体センサ、ＡＭＲセンサ、ＧＭＲセンサ、ホールセンサ、バルブセンサ、ＴＭＲセンサ、及び光磁気センサからなる群から選択されるセンサを含む、請求項８に記載のシステム。
13. 第２のセンサアレイを更に含み、前記第１のセンサアレイは、前記電流伝達経路の第１の側に軸方向に隣接して配置され、前記第２のセンサアレイは、前記電流伝達経路の第２の側に軸方向に隣接して配置される、請求項８に記載のシステム。
14. 前記第２のセンサアレイは、差動検知のための信号基準を提供するために利用される、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記第２のセンサアレイは、機器の円周方向分解能を高めるために利用される、請求項１３に記載のシステム。
16. 前記電流伝達経路は、個別のワイヤ、フォトリソグラフィによって製造された導体、除去的な製造、及び付加的な製造からなる群から製造される、請求項１に記載のシステム。
17. 前記電流伝達経路は、後に円筒形状に形成される可撓性基板上に製造されるか、又は剛性又は半剛性のあるプローブ本体上に直接形成される、請求項３に記載のシステム。
18. 導電性材料を含む平面又は任意形状の物体の検査のための渦電流発生構造であって、前記構造は、実質的に平面状の配置及び前記平面内に含まれる直線軸を有し、
    前記構造は、複数の電流伝達経路を含み、前記経路は、概して共通軸に沿って配置され、各経路が整数の数の軸方向のうねりを有し、前記電流伝達経路の各々に対する前記うねりの空間的位相が、前記共通軸に沿って均一に分布するように、前記軸に直交する方向に前記平面内で更に空間的に変調される渦電流発生構造。
19. 剛性のある平坦な基板、剛性のある成形された基板、可撓性のある基板、関節接合された基板からなる群のうちの１つの上に形成された、請求項１８に記載の渦電流発生システム。
20. １以上の磁気センサを更に含む、請求項２３に記載の渦電流発生システム。